Logiciel de simulation en électromagnétisme statique et basse fréquence

Un modèle de circuit de chauffage montrant les pertes de surface dans la palette de couleur Arc-en-ciel et la température dans la palette de couleur Caméra Thermique.

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, vous pouvez 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, vous pouvez également tenir compte des effets capacitifs.

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.

Un modèle d'isolateur haute tension montrant la distribution du potentiel électrique dans la palette de couleur Arc-en-ciel.

Une vue détaillée d'un aimant avec une tige montrant le déplacement et la densité du flux magnétique.

Vue détaillée d'un modèle de matrice inductive montrant la densité du flux magnétique.

Vue détaillée d'un rotor Halbach montrant la densité du flux magnétique.

Vue détaillée d'un modèle de bobine de Helmholtz montrant le champ magnétique.

Magnétostatique

Calculer les champs magnétostatiques, les inductances parasites et les forces sur les bobines, les conducteurs et les aimants. Vous pouvez choisir dans une vaste base de données de matériaux qui comprend un large éventail de matériaux magnétiques non linéaires, ou définir vos 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.

Champs électromagnétiques

Lors de la modélisation de câbles, fils, bobines, solénoïdes et autres dispositifs inductifs, le champ magnétique est généré par des courants électriques circulant dans des matériaux conducteurs. En général, pour les champs variables dans le temps avec des effets d'induction significatifs, il y a un couplage bidirectionnel entre les champs électriques et magnétiques. Dans ces cas, une formulation de champ vectoriel est nécessaire, généralement lorsque l'épaisseur de peau est de l'ordre de la taille du dispositif, mais que la longueur d'onde est beaucoup plus grande.

La modélisation dans le domaine fréquentiel, l'analyse des petits signaux et la modélisation dans le domaine temporel sont prises en charge en 2D et 3D. Une formulation spécialisée est disponible, particulièrement adaptée à la modélisation magnétique dans le domaine temporel des matériaux présentant une caractéristique E-J fortement non linéaire, comme les supraconducteurs.

Un transformateur électrique montrant la répartition des pertes.

Vue détaillée d'un modèle de lingot en acier montrant la température et le champ magnétique.

Une vue détaillée de trois modèles d'interrupteurs de puissance montrant les pertes électriques de chacun.

Vue détaillée d'un câble sous-marin montrant la densité de perte résistive et magnétique.

Machines tournantes

Des fonctionnalités spécifiques aux machines tournantes permettent de modéliser facilement les moteurs et les générateurs. Vous étudiez par exemple le comportement des moteurs à induction ou à aimants permanents, en capturant notamment les pertes par courants de Foucault qui se produisent dans les aimants. Dans tout modèle utilisé pour simuler un mouvement électromagnétique, vous examinez la dynamique des corps rigides ou flexibles sous l'influence des forces et des couples magnétiques, des courants induits et des configurations des charges mécaniques et des ressorts.

La fonctionnalité générale de maillage mobile permet la modélisation des mouvements linéaires qui permettent de comprendre le fonctionnement des composants impliquant des plongeurs, comme dans les interrupteurs magnétiques, les solénoïdes ou tous types d'actionneurs.

Circuits électriques

Créer des systèmes réduits pour modéliser des courants et des tensions dans des circuits comprenant des sources de tension et de courant, des résistances, des condensateurs, des inductances et des dispositifs semi-conducteurs. Les modèles de circuits électriques peuvent également se connecter à des modèles de champs distribués en 2D et 3D. En outre, les topologies de circuit peuvent être exportées et importées au format SPICE netlist.

Un graphique 1D montrant la tension de sortie d'un modèle d'amplificateur opérationnel avec la tension aux bornes du voltmètre sur l'axe des y et le temps sur l'axe des x.

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.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Bobine en surbrillance et un modèle d'inducteur 3D dans la fenêtre graphique.

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.

Une vue rapprochée des paramètres de la bobine et des résultats de la simulation d'un modèle de transformateur de puissance dans la fenêtre graphique.

Bobines

Des fonctions spécialisées sont intégrées pour modéliser facilement les bobines et convertir les quantités forfaitaires, comme les courants et les tensions, en quantités distribuées, comme les densités de courant et les champs électriques. Les approches conducteur simple et multispires homogénéisée peuvent être définies dans des modèles complets en 3D, 2D ou 2D axisymétrique. Une bibliothèque de pièces, avec des formes de bobines et de noyaux magnétiques entièrement paramétriques, permet une configuration plus rapide du modèle lors de l'analyse de transformateurs, d'inducteurs, de moteurs et d'actionneurs.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Electrostatique, éléments de frontière mis en évidence et un modèle de condensateur accordable dans la fenêtre graphique.

Domaines infinis ou de grande taille

Pour une modélisation précise de domaines infinis ou de grande taille, des éléments infinis sont disponibles pour les champs électriques et magnétiques. Pour la modélisation électrostatique et magnétostatique, la méthode BEM est disponible comme méthode alternative pour la modélisation de grandes régions ou de régions infinies. De plus, vous pouvez combiner la méthode BEM avec les interfaces de physique basées sur la FEM pour effectuer des simulations hybrides FEM–BEM.

Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Courants électriques dans une couche stratifiée en surbrillance et le potentiel électrique d'un circuit de chauffage dans la fenêtre graphique.

Structures minces et matériaux multicouches

Pour modéliser des structures très fines, vous pouvez utiliser les formulations de coques disponibles pour les courants continus, l'électrostatique, la magnétostatique et les simulations d'induction. En outre, il existe une fonctionnalité spécialisée pour la modélisation des courants continus dans les coques multicouches. La modélisation électromagnétique des coques permet de remplacer l'épaisseur d'un solide mince dans un modèle CAO par une propriété physique d'une surface, ce qui donne une représentation beaucoup plus efficace.

Une vue rapprochée des paramètres de la loi d'Ampère et un tracé 1D de l'induction magnétique d'un modèle d'hystérésis vectoriel dans la fenêtre graphique.

Matériaux non-linéaires

Vous pouvez choisir parmi une large base de données de matériaux qui comprend des matériaux ferromagnétiques, des matériaux ferrimagnétiques, des courbes B-H, et des courbes H-B.

Les matériaux peuvent être variables dans l'espace, anisotropes, variables dans le temps, avec pertes, à valeurs complexes et discontinus. Il est facile d'étendre la portée d'une simulation avec peu de travail supplémentaire. Vous définissez vos propres matériaux à l'aide d'expressions mathématiques, de fonctions tabulées ou d'une combinaison des deux. L'hystérésis anisotrope est pris en charge au moyen du modèle de matériau Jiles–Atherton pour la modélisation paramétrique quasi-statique et l'analyse temporelle. Vous pouvez même compiler votre propre modèle de matériau en code C et le lier à un matériau externe.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Calcul des pertes en surbrillance et un modèle de moteur 3D dans la fenêtre graphique.

Modélisation des pertes dans les moteurs et les transformateurs

La modélisation des pertes dans les noyaux et les culasses en acier laminé des moteurs et des transformateurs est importante pour prédire leur efficacité et leurs performances.

En particulier, pour l'acier laminé (acier électrique), les modèles empiriques de pertes électromagnétiques sont importants car le chauffage par effet Joule ou le chauffage par induction à grande échelle ne sont pas capables de décrire complètement l'origine des pertes. En même temps, la modélisation fine de la lamination est souvent impossible.

Le module AC/DC comprend plusieurs modèles empiriques bien connus de calcul des pertes qui donnent de très bonnes estimations des pertes pour une fraction seulement de l'effort de calcul que nécessiterait un modèle haute-fidélité. Cela inclut les effets de l'hystérésis magnétique et des courants de Foucault, ainsi que d'autres phénomènes qui contribuent aux pertes.

Une vue rapprochée des paramètres de balayage de la source stationnaire et des résultats de simulation d'une matrice d'inductance dans la fenêtre graphique.

Inductance parasite et extraction de paramètres

Une méthode de calcul spécialisée est disponible pour calculer les inductances parasites dans les PCB, et est particulièrement efficace pour les grandes matrices d'inductance en 3D. L'interface Champ magnétique, courants seuls est utilisée pour calculer les contributions partielles des champs magnétiques générés par les conducteurs ouverts, réduisant ainsi la complexité de la modélisation.

Le potentiel vectoriel magnétique est utilisé comme variable dépendante pour calculer les champs magnétiques générés par les courants en supposant que toutes les régions sont non-magnétiques. C'est-à-dire que les régions ont une perméabilité magnétique relative uniforme de "un". L'interface peut être utilisée avec la fonction Balayage de sources auxiliaires pour balayer de nombreux terminaux en une seule simulation.

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.

Vue détaillée d'un assemblage de busbar montrant la distribution de la température.

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.

Vue détaillée de la distribution de la température dans un lingot en acier lors de son passage dans trois bobines sous tension.

Chauffage par induction

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

Une vue détaillée d'un aimant tombant dans un tube de cuivre.

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.

Vue détaillée de la circulation du courant électrique à travers un interrupteur à contact et de la distribution de la température.

Résistance de contact électrique

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

Un graphique 1D montrant l'hystérésis dans un matériau ferroélectrique.

Ferroélectricité

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

Vue détaillée d'un transducteur magnétostrictif montrant la contrainte et le champ magnétique.

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.

Vue détaillée d'un modèle de torche à plasma montrant la distribution de la température.

Plasma inductif⁵

Plasma inductif utilisé typiquement dans les procédés semi-conducteurs.

Vue détaillée d'un modèle de lentille einzel montrant les trajectoires des particules et le potentiel électrique.

Suivi de particules chargées⁶

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

Vue détaillée d'un dispositif de filtration DEP montrant une séparation continue des particules.

Dielectrophorèse⁶

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

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

Utilisation de logiciels tiers avec COMSOL Multiphysics^®

Si vous utilisez le logiciel MATLAB^®, vous pouvez facilement piloter les simulations COMSOL Multiphysics^® avec les scripts et fonctions MATLAB^®. Le produit d'interfaçage LiveLink™ for MATLAB^® vous permet d'accéder aux opérations COMSOL^® directement dans l'environnement MATLAB^® et de les intégrer à votre 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.

Vous pouvez également synchroniser les données des feuilles de calcul Microsoft Excel^® avec les paramètres que vous définissez dans l'environnement COMSOL Multiphysics^® via le produit d'interface LiveLink™ for Excel^®.

Un exemple d'importation de données d'une archive ODB++ dans COMSOL Multiphysics pour créer une géométrie.