Menu

Module AC/DC

Simuler des composants électromagnétiques et électromécaniques à basse fréquence

L'analyse des systèmes et des processus électromagnétiques qui englobent les gammes statique et basse fréquence nécessite un outil de simulation puissant et flexible. Le module AC/DC de la plate-forme COMSOL Multiphysics® offre un large éventail de caractéristiques de modélisation et de méthodes numériques pour étudier les champs électromagnétiques et les IEM/CEM en résolvant les équations de Maxwell.

Les capacités multiphysiques du logiciel COMSOL® permettent d'étudier l'impact d'autres effets physiques, tels que le transfert thermique, la mécanique des structures et l'acoustique, sur un modèle électromagnétique.

Contacter COMSOL
Un modèle 3D de moteur à aimants permanents visualisé avec des bobines de cuivre et un noyau Arc-en-ciel.
A close-up view of a switchgear model showing the electric potential distribution.
A close-up view of an insulator model showing the electric potential distribution.
A close-up view of a power line model showing the electric field distribution.
A close-up view of the electric field visualization of an activated touchscreen electrode array.

Electrostatique

Analyser les dispositifs capacitifs et les isolants électriques en utilisant les calculs d'électrostatique. Cette approche est applicable aux structures diélectriques où aucun courant ne circule et où les champs sont déterminés par le potentiel électrique et la distribution des charges. La méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments de frontière (BEM) sont toutes deux disponibles pour résoudre le potentiel électrique, et peuvent être combinées pour une méthode hybride éléments finis–éléments de frontière. Sur la base du champ de potentiel calculé, un certain nombre de quantités peuvent être calculées: matrices de capacitance, champ électrique, densité de charge et énergie électrostatique.

Courants électriques

Analyser efficacement les dispositifs résistifs et conducteurs en modélisant les courants continus, transitoires ou alternatifs. Dans des conditions statiques et de basse fréquence, et lorsque les champs magnétiques sont négligeables, la modélisation des courants électriques est suffisante pour obtenir des résultats précis. Les calculs, basés sur la loi d'Ohm, sont rendus très efficaces par la résolution du potentiel électrique. Sur la base du champ de potentiel résultant, un certain nombre de quantités peuvent être calculées: résistance, conductance, champ électrique, densité de courant et dissipation de puissance.

Avec le module AC/DC, les utilisateurs peuvent effectuer des analyses stationnaires, dans le domaine des fréquences et dans le domaine temporel, ainsi que des analyses de petits signaux. Dans les domaines temporel et fréquentiel, il est également possible de tenir compte des effets capacitifs.

A close-up view of the current density distribution in an IGBT module.
A close-up view of the potential drop and current density in a busbar–anode assembly.
A close-up view of the current density distribution in PCB tracks.
A close-up view of the electromagnetic heat sources in a high-power busbar assembly.
A close-up view of the magnetic field lines and flux density near a submarine.
A close-up view of the inductance matrix extraction of a PCB coil array.
A close-up view of the magnetic flux density distribution in an optimized loudspeaker core.
A close-up view of a multipole Halbach rotor with magnet arrangement concentrating the magnetic field on the inner or outer side.

Magnétostatique

Calculer les champs magnétostatiques, les inductances parasites et les forces sur les bobines, les conducteurs et les aimants. Les utilisateurs peuvent choisir dans une vaste base de données de matériaux qui comprend un large éventail de matériaux magnétiques non linéaires, ou définir leurs propres matériaux non linéaires. Une variété de formulations est disponible en fonction de la présence de courants, de matériaux magnétiques ou des deux.

Les méthodes FEM et BEM sont toutes deux disponibles pour la magnétostatique en l'absence de courant, et peuvent être combinées en une méthode hybride qui mixe éléments finis et éléments de frontière.

Pour le cas le plus général, où sont présents à la fois des sources de courant et des matériaux magnétiques, une formulation en champ vectoriel permet de définir le potentiel électrique et les courants d'entrée, et de calculer la distribution de la densité de courant, les champs magnétiques, les forces magnétiques, la dissipation de puissance et les inductances mutuelles.

Les bobines peuvent être modélisées soit de manière explicite, en calculant la distribution exacte du courant dans chaque fil, soit de manière homogène, ce qui est très efficace pour les bobines avec de nombreuses spires. Les formes complexes de bobines sont automatiquement traitées en calculant les distributions de courant des bobines.

Electromagnetics

Full electromagnetics modeling is used to analyze electrical components where electric currents and magnetic fields are coupled. In time-varying problems with significant induction effects, magnetic fields induce currents, and those currents in turn generate magnetic fields.

Electrodynamic effects can be investigated, including skin and proximity effects, Lorentz forces (induction through motion), resonance, and crosstalk. Both frequency-domain and time-domain modeling are supported in 2D and 3D. Specialized formulations are also available for transient magnetic modeling of superconductors.

Typical applications include coils, induction chargers and heaters, switches, busbars, transformers, PCB transient effects, shielding, crosstalk, superconducting devices, magnetohydrodynamics, and nondestructive testing (NDT).

Electromagnetics simulations can be coupled to any other add-on product, such as the Heat Transfer Module, the Structural Mechanics Module, or the CFD Module.

A close-up view of the current density distribution in a type-4 triple-twisted litz wire.
A close-up view of the electromagnetic loss, fluid flow, and temperature distribution in a 2D axisymmetric transformer tank.
A close-up view of the electromagnetic loss distribution in the laminated iron core of a three-phase transformer.
A close-up view of the current and magnetic flux density distribution in a three-phase AC submarine cable.
A close-up view of the radial magnetic flux in a rotor and temperature in the stator.
A close-up view of the vertical magnetic flux distribution in a linear motor core.
A close-up view of the axial magnetic flux in the stator core and rotor plate of an axial flux motor.
A close-up view an electric motor model with surface-mounted rotor magnets.

Electric Machinery

Modeling of electric machinery enables optimization of motors, generators, and actuators. Built-in functionality makes it possible to investigate induction and permanent magnet motors, including the evaluation of torque, eddy current losses in magnets, forces, induced currents, and the impact of mechanical loads. Both rigid and flexible body dynamics can be studied under the influence of electromagnetic forces and torques.

Specialized features support the design of various machine types, from radial flux motors to hybrid axial–radial flux rotors, claw-pole rotors, and tubular linear machines. Linear motion can also be modeled using moving mesh functionality, which is important for devices such as plungers, solenoids, switches, and actuators.

By combining the AC/DC Module with other physics modules, multiphysics analyses — including structural mechanics for deformation, rotordynamics, heat transfer for thermal management, acoustics for noise and vibration, and CFD for cooling channel optimization — can be performed.

Electrical Circuits

The AC/DC Module provides a dedicated physics interface for analyzing lumped systems and circuits. Using this interface, common components such as voltage and current sources, resistors, capacitors, inductors, transformers, diodes, and transistors can be modeled. More complex elements can be added using subcircuits. Circuits can also be imported and exported in the SPICE netlist format.

Circuit models can be combined with 2D or 3D finite element models. Resistance, capacitance, and inductance matrices can be extracted from finite element models, which can then be used to create efficient lumped circuit representations. The direct coupling between circuits and finite element models enable simulation of, for example, motor control circuits or oscillator circuits in induction chargers. Hybrid submodeling is possible as well, where detailed finite element regions are reduced to circuit representations for efficient simulation.

A 1D plot with time on the x-axis and counter voltage on the y-axis.
A 1D plot with time on the x-axis and voltage across voltmeter on the y-axis.

Caractéristiques et fonctionnalités du Module AC/DC

Le Module AC/DC contient des caractéristiques et des fonctionnalités spécialisées pour les différentes capacités présentées sur cette page.

A close-up view of the Model Builder with the Coil node highlighted and a litz wire model in the Graphics window.

Interfaces utilisateur intégrées

Le module AC/DC fournit des interfaces utilisateur intégrées pour chacun des domaines électromagnétiques énumérés ci-dessus, ainsi que des variations pour des objectifs de modélisation spécifiques. Ces interfaces définissent chacune des ensembles d'équations de domaine, des conditions aux limites, des conditions initiales, des maillages prédéfinis, des études prédéfinies avec des paramètres de solveur pour les analyses stationnaires et transitoires, ainsi que des graphiques prédéfinis et des quantités dérivées.

Il existe également des fonctions qui relient les différentes interfaces, afin de les modéliser facilement ensemble, ce qui peut être pratique pour les inducteurs, les bobines et les moteurs.

A close-up view of the Ampère's Law in Solids settings and a transformer tank model in the Graphics window.

Magnetic Materials

A comprehensive database of magnetic materials is included in the AC/DC Module, covering ferromagnetic, ferrimagnetic, soft magnetic (B–H curves), and hard magnetic materials (permanent magnets). Support is provided for nonlinear material models, magnetic loss modeling in the frequency domain using effective B–H curves and complex permeability, as well as anisotropic hysteresis based on the Jiles–Atherton model.

Specialized capabilities for modeling laminated electrical steel include laminated core modeling features and empirical loss models such as Steinmetz and Bertotti, which enable realistic loss estimation without resolving individual lamina.

Materials can be defined as spatially varying, anisotropic, time varying, or field dependent. Full support is provided for user-defined properties and modeling of custom behaviors, including anisotropic nonlinearity, permanent demagnetization, and Curie effects.

A close-up view of the Conductive Shell settings and a heating circuit model in the Graphics window.

Thin Structures and Layered Materials

Very thin structures can be efficiently modeled using shell formulations for direct current, electrostatic, magnetostatic, and induction analyses. In addition, specialized functionality supports the modeling of direct currents in multilayer shell structures. The electromagnetic shell modeling capabilities allow thin volumetric domains to be replaced by zero-thickness boundary conditions with equivalent physical behavior, significantly simplifying geometry preparation, meshing, and solution procedures.

At higher frequencies, where the skin depth becomes small and currents are confined to the conductor surface, specialized boundary features provide a more efficient conductor representation.

For dielectric and weakly conducting materials, the framework supports:

  • Polarization effects and remanent electric displacement
  • A wide range of complex loss models, including ferroelectric behavior
  • Dispersion models in both the frequency and time domains

Built-in dispersion formulations include multipole Debye, Cole–Cole, and Havriliak–Negami models. These capabilities are especially important for tissue modeling and bioengineering applications.

The same level of flexibility available for magnetic materials also applies to conductors and dielectrics. Through user-defined formulations, the material library can be easily extended to incorporate custom material models.

A close-up view of the Model Builder with the Electric Potential node highlighted and a power line model in the Graphics window.

Unbounded or Large Domains

To accurately model unbounded or large domains, infinite elements are available for both electric and magnetic field formulations. For electrostatic and magnetostatic analyses, the boundary element method (BEM) provides an alternative approach for representing large or infinite regions. In addition, the BEM can be coupled with finite element–based physics interfaces to enable hybrid BEM–FEM simulation.

A close-up view of the Coil settings and a motor model in the Graphics window.

Coils, Terminals, and Device Excitations

The AC/DC Module's electromagnetics modeling capabilities include specialized functionality for accurate simulation of electromagnetic excitations, loads, and device behaviors.

The coil modeling tools handle everything from solid conductors with skin and proximity effects to stranded wire bundles designed to minimize AC losses. They also support designs such as litz wires, tightly wound coils, and segmented high-voltage conductors.

Terminal definitions make it easy to specify voltages, currents, or charges while also supporting floating potentials, measurement points, and electrical circuit connections. Options for distributed capacitance and impedance modeling enable accurate representation of electrodes with dielectric or resistive coatings.

A range of general-purpose excitation methods is also available, which includes support for voltage constraints, for example, ground planes, and the ability to define surface currents directly.

A close-up view of the Model Builder with the Current Conservation node highlighted and an IGBT model in the Graphics window.

Electric and Dielectric Materials

Conducting materials support both temperature- and electromagnetic-field-dependent behavior. Under electrodynamic conditions, skin and proximity effects can be included or selectively suppressed, enabling efficient modeling of laminated steel, wound coils, and twisted wire bundles. In particular, litz cables can be modeled at or above their design frequency without resolving individual strands.

A close-up view of the Global Matrix Evaluation node highlighted and a touchscreen model in the Graphics window.

Data Extraction and Results Evaluation

Excitation features, such as Coil, Terminal, and Port, automatically provide output variables for various electrical quantities, including:

  • Voltage, current, and charge
  • Resistance, inductance, and capacitance
  • S-parameters

Dedicated frequency-sweep functionality, together with optimized solver settings, enables efficient extraction of capacitance, resistance, and inductance matrices. This functionality makes it straightforward to convert a detailed finite element model into a simplified lumped electrical circuit representation.

Specialized features are also available for computing specific physical quantities, such as electromagnetic forces and total losses.

Extensive customization options make it possible to evaluate, integrate, or differentiate any quantity derived from the solution. A wide range of results-evaluation tools enables precise extraction of the data required for analysis.

A close-up view of the Electromechanics, Boundary node highlighted and a microphone model in the Graphics window.

Multiphysics

Because electromagnetic phenomena typically occur in a multiphysics context, the AC/DC Module offers extensive options for coupling its physics with those from other add-on products, such as the:

  • Structural Mechanics Module
  • Heat Transfer Module
  • Acoustics Module
  • CFD Module
  • Plasma Module
  • Electric Discharge Module

Built-in multiphysics couplings provide functionality for modeling magnetomechanics, electromechanics, Joule heating and thermal expansion, induction heating, piezomagnetism, piezoelectricity, piezoresistivity, nonlinear magnetostriction, electrostriction, ferroelectroelasticity, the thermoelectric effect, pyroelectricity, and magnetohydrodynamics.

In addition to these predefined couplings, manual multiphysics couplings can be defined and solved using fully coupled or sequential approaches.

Électromagnétique basse fréquence et multiphysique

Les composants électromagnétiques affectent et sont affectés par de multiples phénomènes physiques. Dans COMSOL Multiphysics®, cela n'est pas différent de la modélisation d'un problème à physique unique.

A close-up view of a busbar–anode assembly showing the distribution of electromagnetic heat sources.

Chauffage par effet Joule et chauffage résistif1

Le chauffage par effet Joule (également appelé chauffage résistif) dans les solides, les fluides, les coques et les coques multicouches.

A close-up view of a workpiece model showing industrial induction heating.

Chauffage par induction

Chauffage par induction pour modéliser les dispositifs de chauffage par induction et le traitement des métaux.

A close-up view of bolted busbars showing electrical contact points.

Résistance de contact électrique

Courants circulant entre des pièces métalliques mises en contact. Se combine avec le contact thermique2 et mécanique3.

A close-up view of a permanent magnet model showing the deformation in an iron plate.

Force et couple électromagnétiques

Calcul des contraintes, de la force et du couple électromagnétiques par éléments finis élements de frontières.

Vue détaillée d'un haut-parleur montrant l'amplitude du déplacement.

Forces de Lorentz

Forces de Lorentz induites par le courant utilisées comme chargement volumique pour la modélisation de transducteurs électroacoustiques et autres.

Un transformateur électrique montrant la répartition des pertes.

Magnétostriction4

Modification de la forme des matériaux magnétiques lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, importante pour les sonars et le bruit des transformateurs.

A close-up view of a tonpilz transducer showing piezoceramic rings.

Piezoelectricity1

Model piezoelectric devices, including metallic and dielectric components.

A 1D plot with electric field on the x-axis and polarization on the y-axis.

Ferroélectricité

Fonctionnalité de ferroélectricité utilisée pour modéliser une polarisation variant dans le temps et pouvant présenter un comportement hystérétique.

A close-up view of a magnetohydrodynamic pump showing the flow of electrically conducting fluids.

Magnetohydrodynamics

Model the interaction between electromagnetic fields and electrically conducting fluids.

A close-up view of an electrode-less lamp model with plasma acting as the secondary winding.

Plasma inductif5

Plasma inductif utilisé typiquement dans les procédés semi-conducteurs.

A close-up view of an electron beam model diverging due to its own space charge.

Suivi de particules chargées6

Le mouvement de particules chargées électriquement ou magnétiques dû aux forces électromagnétiques.

Dielectrophorèse6

Le mouvement des particules neutres dû aux gradients de champ électrique.

A close-up view of a loudspeaker core model with optimized topology.

Optimization7

Combine electromagnetic analysis with parameter optimization, shape optimization, and topology optimization.

  1. Ne nécessite pas le module AC/DC
  2. Le module Heat Transfer est également requis
  3. L'un des modules MEMS ou Structural Mechanics est également requis
  4. L'un des modules Acoustics, MEMS ou Structural Mechanics est également requis
  5. Le module Plasma est également requis
  6. Le module Particle Tracing est également requis

Utilisation de logiciels tiers avec COMSOL Multiphysics®

En utilisant le logiciel MATLAB®, il est facile de piloter les simulations COMSOL Multiphysics® avec les scripts et fonctions MATLAB®. Le produit d'interfaçage LiveLink™ for MATLAB® permet d'accéder aux opérations COMSOL® directement dans l'environnement MATLAB® et de les intégrer à un code MATLAB® existant.

Pour faciliter l'analyse des propriétés électromagnétiques des modèles de CAO et des schémas électroniques, COMSOL propose les produits ECAD Import Module, CAD Import Module, Design Module et LiveLink™ pour les principaux systèmes de CAO.

Il est également possible de synchroniser les données des feuilles de calcul Microsoft Excel® avec les paramètres définis dans l'environnement COMSOL Multiphysics® via le produit d'interface LiveLink™ for Excel®.

A 3D geometry of PCB model shown in green and copper material.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation est unique.

Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des ressources détaillées qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir l'option la plus adaptée à vos besoins en matière de licence.

Il vous suffit de cliquer sur le bouton "Contacter COMSOL", d'indiquer vos coordonnées et tout commentaire ou toute question spécifique et de soumettre votre demande. Vous recevrez une réponse d'un représentant de COMSOL très rapidement.

Prochaine étape:

Demander une démonstration du logiciel

Contacter COMSOL
LinkedIn
Instagram
X