AC/DC Module

電磁気シミュレーションのモデリング

AC/DC Module

コア内の非線形B‐Hカーブによる単相のE-coreトランスフォーマのトランジェントモデル。グラフは、一次、二次巻線の電磁場と電流を示しています。

キャパシタ、インダクタ、絶縁体、コイル、モータ、センサのモデリング

AC/DCモジュールでは、直流から低周波までのアプリケーションの電場・磁場・電磁場のシミュレーションが可能です。典型的なアプリケーションとして、抵抗、静電容量、インダクタンス、インピーダンス、力、トルクのようなパラメータの抽出専用ツールが内蔵され、典型的なアプリケーションとしてキャパシタ、インダクタ、絶縁体、コイル、モータ、アクチュエータ、およびセンサが含まれています。

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材料と構成則は、誘電率、透磁率、誘電率、残留フィールドにより定義されます。材料プロパティでは、空間的変化、時間的依存、異方性そして残留フィールドが使用可能になります。電磁媒体には、B-Hカーブのような非線形が含まれ、また与えられた方程式により定義可能です。

2D、3Dシミュレーション回路とレイアウトの組み合わせ

各自の電気部品を大規模システムの一部として考えた場合、AC/DCモジュールは、SPICE 回路表を含んだインタフェースを提供します。その回路一覧では、更なるモデリングを対象とした回路素子が選択可能です。複雑なシステムのモデルは、回路ベースのモデリングを使用して設定されます。一方で、回路内の重要なデバイスに関係する完全場のモデリングとのリンクを維持することも可能です。これにより両方のレベルにおいて、イノベーションと最適化設計が可能になります。電子回路のレイアウトは、ECAD Import Moduleを介したAC/DC モジュール解析で提供可能です。そのようなシミュレーションは、電磁気関係に限られず、多様な分野で可能です。

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事例紹介

  • 永久磁石: このモデルは、永久磁石を使用した外向き-フラックス-集束磁気回転子の電磁場モデリングを示しています。この電磁ロータは、Halbachロータとしても知られています。永久磁石の非接触および無摩擦運転という特性により、モータ、ジェネレータ、電磁ギアのような回転装置の中にある永久磁石の使用は更に高まっています。このモデルでは、対称性を活用し、ロータの単極のみをモデリングして、三次元の中に表示された4極1組ロータの電磁場の算出方法を解説しています。 永久磁石: このモデルは、永久磁石を使用した外向き-フラックス-集束磁気回転子の電磁場モデリングを示しています。この電磁ロータは、Halbachロータとしても知られています。永久磁石の非接触および無摩擦運転という特性により、モータ、ジェネレータ、電磁ギアのような回転装置の中にある永久磁石の使用は更に高まっています。このモデルでは、対称性を活用し、ロータの単極のみをモデリングして、三次元の中に表示された4極1組ロータの電磁場の算出方法を解説しています。
  • ECADインポート:AC/DC モジュールは、ECADファイルとしてインポートされた平面トランスモデルのキャパシタンス、およびインダクタンス開発のために使用されます。このタイプの装置は電力供給装置やDC/DC コンバータで使用され、スリムな高電力設計が大変重要な役割を担っています。トランスフォーマフェライト磁心のフットプリントを含む全体的なレイアウトはODB++(X) ファイルからインポートされます。ECAD インポートモジュール は、レイアウトの読み取りに使用され、そしてプリント基板(PCB) とフェライト磁心の三次元ジオメトリモデルを自動的に作成します。 ECADインポート:AC/DC モジュールは、ECADファイルとしてインポートされた平面トランスモデルのキャパシタンス、およびインダクタンス開発のために使用されます。このタイプの装置は電力供給装置やDC/DC コンバータで使用され、スリムな高電力設計が大変重要な役割を担っています。トランスフォーマフェライト磁心のフットプリントを含む全体的なレイアウトはODB++(X) ファイルからインポートされます。ECAD インポートモジュール は、レイアウトの読み取りに使用され、そしてプリント基板(PCB) とフェライト磁心の三次元ジオメトリモデルを自動的に作成します。
  • 半導体製造:グラファイトのサセプタは、誘導により加熱されます。このモデルが示しているものは、サセプタの内部と石英管上部の温度分布です。 半導体製造:グラファイトのサセプタは、誘導により加熱されます。このモデルが示しているものは、サセプタの内部と石英管上部の温度分布です。
  • 医療技術:X線装置内の高電圧装置の電磁場シミュレーション。モデル提供:スイス・Comet AG。 医療技術:X線装置内の高電圧装置の電磁場シミュレーション。モデル提供:スイス・Comet AG。
  • 質量分析:AC/DC モジュール と粒子トレーシングモジュールの連成。規定された電荷質量比を持つ、四重極質量分析器のイオン軌道が可視化されています。    質量分析:AC/DC モジュール と粒子トレーシングモジュールの連成。規定された電荷質量比を持つ、四重極質量分析器のイオン軌道が可視化されています。   
  • 電動機:ブラシ付きDCモータは、新しい三次元、回転式機械装置ユーザインタフェースと共にシミュレートされています。 ここでは、磁場、コイル、電流、軸トルク、回転角が表示されています。 電動機:ブラシ付きDCモータは、新しい三次元、回転式機械装置ユーザインタフェースと共にシミュレートされています。 ここでは、磁場、コイル、電流、軸トルク、回転角が表示されています。

CAD、MATLAB®、 および Excel®との結合

CADモデルの電磁場特性解析をより容易に行うために、COMSOL は、有名なCAD システムのための製品であるECADインポートモジュール、CAD Import Module, LiveLinkを提供します。LiveLink製品は、パラメータで表現されたCADモデルを本来の環境で使用するという状況を可能にし、また、その一方で、COMSOL Multiphysics®からのジオメトリディメンションも操作することができます。それと共に、複数のモデルパラメータ上にあるパラメータスイープも同時に作成することができます。これに関連したモデリングタスクとして、 MATLAB® スクリプトや MATLAB® 機能と同時にCOMSOL® を稼働させる LiveLink for MATLAB® があります。COMSOL Desktop® 上で可能な操作は、 MATLAB コマンドを介してアクセスすることができます。すでに使用しているMATLABコードを使用して、MATLAB環境内でCOMSOLコマンドを組み込むこともできます。スプレッドシートから操作する電磁場シミュレーションのために、 LiveLink for Excel® は、COMSOL環境で定義されたパラメータとスプレッドシートデータをCOMSOL Desktop で同期できる便利なオプションを提供します。

非線形磁性体データベース

165種類の強磁性体とフェリ磁性体の材料データベースがAC/DCもじるに含まれています。データベースはBH曲線とHB曲線を含んでおり、磁場解析に使うことができます。曲線データは細かくサンプルされたデータであり、ヒステリシス効果を除去する前処理をしています。実験データの範囲外では、線形補外を使うことで、数値計算の安定化を行っています。

設計時におけるマルチフィジックスの活用

デバイスは主に電磁場により支配されますが、他の種類のフィジックスによっても影響を受けます。例えば、材料の電気特性は熱の影響によって変化します。また発電機の電気機械的たわみ、振動は全ての設計プロセスで把握されている必要があります。COMSOL環境に包括的に統合されているAC/DCモジュールは、幅広いフィジックスのモデリングに対応可能です。

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境界条件と無限要素

AC/DCモジュールの実装で、電位および磁位、電気的および磁気的絶縁、ゼロ電荷、フィールド値、電流値へのアクセスが可能になります。更に、SPICE回路の端子条件、浮遊電位、対称条件、周期条件、表面インピーダンス、表面電流、分布抵抗、キャパシタンス、インピーダンスや接触抵抗といったような広範囲で高度な境界条件も含まれます。無限あるいは大規模ドメインのモデリングにおいては、電場と磁場の両方で、無限要素が使用可能です。無限要素レイヤーが有限サイズのモデリングドメインの外側に追加された場合、場の方程式は、自動的に引きのばされます。これにより、無限領域を有限サイズのモデルで表すことが出来、モデリング境界に発生する可能性がある人工的な領域切り出しの影響を防ぐことが可能になります。

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電磁気シェル

AC/DC モジュールでは、極めて薄い構造に対して、電磁気シミュレーションを適切に実装するために構造物の厚みについての特殊な定式化が内蔵されています。ジオメトリモデル内では、フィジカルな厚さとしてではなく、シェルとして定義されます。そのような薄いシェル構造は、直流、静電場、静磁場および誘導シミュレーション内で使用可能です。特に重要となるのが、電磁適合性(EMC)および電磁妨干渉(EMI)アプリケーションでの電磁しゃへいです。

電磁気学のモデリングための確実なワークフロー

以下に、モジュールの簡単なワークフローのステップを説明します:ジオメトリの定義、材料選択、適切なAC/DCインタフェースの選択、境界と初期条件定義、そして自動的に有限要素メッシュを作成し、解析を行い、結果を可視化します。これら全てのステップは、COMSOL Desktop®からアクセス可能です。AC/DCモジュールのシミュレーションは、プリセットされたマルチフィジックス連成やユーザ定義の連成により、自由自在に全COMSOL製品との連成が可能です。典型的なプリセット連成は、AC/DCモジュールと粒子トレーシングモジュールですが、質量の有無にかかわらず電気や磁場は荷電粒子に影響を及ぼし、最適化モジュールは、電圧あるいは電流励起、材料プロパティ、ジオメトリ寸法等の最適化のために、AC/DCモジュールと連成可能です。

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柔軟性とロバスト

AC/DC モジュールには、2D、3Dの定常および動的な電場と磁場が含まれています。AC/DC モジュールは、材料プロパティと境界条件と共に Maxwell方程式を定式化、解析します。その方程式の解析では、最先端ソルバを活用した数値的に安定したエッジ要素の離散化にもとづき、有限要素を使用して解くことが可能です。異なる定式化では、定常、周波数領域そして時間領域のシミュレーションが可能です。結果は、グラフィック画面上で電磁場、電流と電圧のプリセットプロットを使用して表示されます。もしくはユーザが自由に定義することが可能なフィジックス量と同様、表形式で算出された量が表示されます。

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Current Transformer Design That Combines Finite Element Analysis and Electric Circuit Simulation

Switching Made Easy

Upgrading the Nuts and Bolts of the Electrical Grid for a New Generation

Lightning-Proof Wind Turbines

MRI Tumor-Tracked Cancer Treatment

Dielectric Stress Simulation Advances Design of ABB Smart Grid-Ready Tap Changers

Simulation of Magnetic Flux Leakage Inspection

Multiphysics Simulation Helps Miele to Optimize Induction Stove Designs

Control of Joule Heating Extends Performance and Device Life

Magnets Improve Quality of High-Power Laser Beam Welding

How Reclosers Ensure a Steady Supply of Power: It’s All in the Magnet

Multiphysics Simulations Help Track Underground Fluid Movements

Multiphysics Software, a Versatile, Cost-Effective R&D Tool at Sharp

Simulation-Based Design of New Implantable Hearing Device

Reduced-Weight Reaction Sphere Makes Way for Extra Satellite Payload

Modeling Scar Effects in Electrical Spinal Cord Stimulation

E-core Transformer Using Multi-Turn Coil Domains

The Magnetic Field from a Permanent Magnet

Inductor in an Amplifier Circuit

Modeling of a 3D Inductor

Mutual Inductance and Induced Currents in a Multi-Turn Coil

Electron Beam Diverging Due to Self Potential

Inductive Heating of a Copper Cylinder

A Tunable MEMS Capacitor