COMSOL Multiphysics® ソフトウェアと AC/DC モジュールを使用した電磁コイル モデリングの, 手軽で自分のペースで学べるガイド付きの入門コースをお探しですか? 電磁コイルのモデリングを順を追って説明し, モデル構築の重要な側面を紹介するビデオレクチャー コースを用意しました. これらのビデオの内容と, コースを最大限に活用する方法を簡単に確認してみましょう.
電磁コイルのモデリング入門
最も単純な電磁コイルは, 電流を流すワイヤーを 1 回巻いたものです. このトピックの入門書のほとんどでそのことが説明されています. コイルは閉ループとして扱える, つまり軸対称, つまり中心線を中心に不変であると仮定することは, エンジニアリングの簡略化として妥当であることが多いです.
単純な1ターンコイルは, 2D軸対称仮定を使用してモデル化することもできます.
この仮定に基づいて, コイルモデリングコースが始まります. 最初の 5 つのパートでは, 2D 軸対称空間で作業します.
パート 1–5
コースの最初の 5 つのパートでは, コイルモデリングに関する基礎知識を提供し, 残りのセッションで構築される情報を紹介します. まず, 最初から最後まで DC 条件下でのシングルターンコイルのモデルを構築します. 空気領域は, 無限要素領域で囲まれています. コイルに 1 アンペアの電流が流れていると仮定し, 2D 軸対称平面でモデル化します. また, 2D 軸対称の仮定を使用する理由と方法について, 追加の背景情報も提供します.
モデルを計算する際には, コイルの伝導率とコイルの抵抗も評価します. 次に, コイルを周波数領域に移動します. 1 アンペアの電流で励起されるコイルをモデル化し, 励起電流の変化が正弦波であり, 既知の周波数で発生すると仮定します.
DC および AC の場合のコイルモデルを構築して確認した後, これらのタイプのモデルを構築する際に注意する必要がある潜在的なモデリングの問題について説明します.
その後, コイルモデルを拡張し, 電気回路に接続した状態をシミュレートします. これを行うには, 磁気コアと, 第 1 コイルを流れる電流の一部を取り出す第 2 ピックアップコイルを導入します. 次に, コイル間の電流の大きさと方向を可視化するためのポスト処理を実行する方法を示します.
ここからは, 複数の巻き数とさまざまな巻きパターンを含むコイルのモデリングに進みます. さらに, 最初の共振周波数までのコイルと, その周辺のコイル, およびフラットコイルのモデリングについても説明します. 最後に, 磁場フィジックスインターフェースと, コイルモデルの構築時に利用できるさまざまな機能について, 包括的な概要を説明します.
このコースの導入部分のビデオを完了すると, 2D 軸対称コイルモデリング技術の基礎を学習することになります.
コイルの電磁加熱
COMSOL Multiphysics の AC/DC モジュールと伝熱モジュールの一般的な用途の 1 つは, 誘導加熱 (コイルを使用してワークピースを時間の経過とともに加熱するプロセス) をモデル化することです. コースの次の 5 つのパートでは, このトピックについて詳しく説明します.
非線形材料特性を持つ, 時間の経過とともに誘導加熱されるワークピース.
パート 6–10
コースのパート 6 から 10 では, 誘導加熱コイルのモデリング問題の設定と求解の両方の完全な手順を示します. まず, 自由空間に 3 ターンコイルの 2D 軸対称モデルを設定し, コイルの各ターンに 1 キロアンペアの電流が流れるよう指定します. また, 中央にチタン合金製のワークピースを配置します. この問題は, 10 キロヘルツの一定周波数で周波数領域でモデル化されます. シミュレーションを計算した後, ワークピース部分の損失を調べるためにポスト処理を実行します. –
ここから, 当初の電磁気学の問題を電磁加熱の問題に拡張します. 電磁損失によって温度がどのように上昇し, どの程度上昇するかを調べるために, コイルモデルに 2 番目の物理現象である熱伝達を追加します. その後, スカラー定数値の使用からモデル入力 (この場合は温度) の関数に材料特性を変更する方法を説明します. その後, 時間の経過に伴うワークピースの加熱プロファイルの変更方法と複数の周波数で解く方法を示して, モデルを拡張し続けます.
そこから, ソルバーに関するさまざまなトピックについてさらに深く議論します. また, 対流と輻射を熱モデルに含めることで, これまで取り上げられなかった熱モデリングの考慮事項にも対処します. また, 可動部品の加熱をモデル化する方法も示します.
コースのこのセクションを完了すると, ほとんどのコイル加熱の問題に自信を持って対処できるようになります.
力, 運動, 非線形性などのモデリング
コースの次の 5 つのパートでは, 別の種類のマルチフィジックス, つまりソレノイドなどの部品の変形や動きと電磁力の結合について説明します.
ソレノイドアクチュエーターの変位の経時変化.
パート 11–15
コースのパート 11 から 15 では, さまざまなコイル モデルジオメトリを構築して操作し, さまざまな解析を実行します. これは, 通常は単一のジオメトリとモデル設定で作業していた前のパートとは異なりますが, モデルを徐々に複雑にして解析を拡張するために変更を加えました.
まず, 電磁力を正確にモデル化する方法を説明します. これは, モデルに 力計算 機能を追加し, 次に グローバル評価 機能を使用して, モデル内のコイルで観測される合計力を求めることで実現します. 次に, 評価された力の量の精度を判断する方法を探ります. これは, メッシュ適応を実行することで迅速かつ簡単に行うことができます. その後, メッシュの改良の関数として力の量の値を表示するプロットを生成することで, 力の量が特定の値に収束し始めるかどうかを観察します.
次に, コイル内で磁石が動いて電流を誘導する現象をモデル化する方法を説明します. 磁石はアンペアの法則ドメイン機能を使用して定義され, 動きはソフトウェア内のいくつかの移動メッシュ機能を使用して定義されます. このモデルを解く際に, モデルのソース項と初期値の間の不一致の結果として, ソルバー設定に関連するいくつかの問題が発生しますが, その対処方法を詳しく説明します.
そこから, 前の問題の逆バージョンであるソレノイドアクチュエーターのモデリングに移ります. 今回は, コイルがあり, これに時間とともに変化する電流を流して近くの部品の動きを誘発します. その後, 非線形コア材料を使用してインダクターをモデリングする方法を示します. その際, 解の精度や収束など, 以前のモデルで説明したトピックについても触れます. また, コイル電流の方程式を積分し, グローバル評価 インターフェースを通じてモデルに別の方程式を導入し, at 演算子を使用してグローバル評価を実行することで, コア領域でのサイクル平均損失を可視化する方法も示します.
セッションの最後は別のモデルで終わります. このモデルでは, コイルを取り, そのコイルを最適化して, 磁束密度場がジオメトリの中心線で可能な限り均一になるようにします. 目的関数の定義と, コイルの巻き線を流れる電流とコイルの位置を変更することで関数を改善する方法を示します.
コースのこのセクションを完了すると, ほとんどのコイルモデルの力, 動き, 非線形性のモデリング, 計算, 評価に関する知識が身につきます.
3D コイルのモデリング
コイルモデリングコースの最後の 5 つのパートでは, 3Dコイルのモデリングに関連する問題を取り上げます. コイルモデリングの概念のほとんどは 2D 軸対称モデルだけで学習できますが, 3D で対処する必要がある固有の問題がいくつかあります.
コイル上の電流の大きさと周囲の磁場を示す3Dコイルモデル.
パート 16–20
コースのパート 16 から 20 では, 最初の 3D コイルモデルを設定し, これを定常 DC モードで解きます. 3D でコイルのジオメトリを構築するときは, らせんパターンを使用し, コイルの曲がりの端でコイルを垂直のまっすぐなチューブに押し出します. その際に, コイル ジオメトリが単一のドメインになるようにするためのさまざまなアプローチをいくつか紹介します. これは, エンティティの削除, 一体化, または 複合ドメインの形成 操作を使用して実行できますが, 必須ではなく, 最終的には好みの問題になります. 以前の 2D 軸対称コイル モデルとは異なり, モデルに コイル ドメイン機能を追加すると, ジオメトリ解析 サブ機能が含まれます. このサブ機能では, コイルの流入と流出の両方で電流を流す場所を指定する必要があります.
モデルを計算すると, エラーメッセージが表示され, その原因と発生方法, 対処方法が説明されます. 新しいスタディステップである コイルジオメトリ解析 がスタディに含まれており, 最初に構造を通る電流の方向を計算します. 磁場 インターフェースを使用してモデルを正常に求解した後, 磁場および電場 インターフェースを使用して同じ問題を求解します.
単一導体コイルのこれらのモデルが完成したら, 次に, さまざまなタイプのコイルをモデル化するための特殊な機能について説明します. ここでは, マルチターンコイルのターンを明示的にモデル化する代わりに, ほぼ同等のジオメトリを使用して均質化されたマルチターンコイルをモデル化し, コイル ドメイン機能設定を調整する方法について説明します. その他のタイプのコイルには, 薄いリボン状のコイル, ターン間に隙間のない密集したコイル, エッジのワイヤーコイルジオメトリを使用するコイルなどがあります. ソフトウェアのパーツライブラリには, 追加して使用できるさまざまな種類の組み込みコイルが含まれています.
また, コイルモデルの空気領域に無限要素領域を導入し, この機能の使用法とそれが物理的に表すものについて詳しく説明します. そこから, 静的 DC 領域から離れて, 3D コイル モデリングを周波数領域に移行します. また, 低周波数, 中周波数, および高周波数領域でのコイルモデリングについても説明します. その後, これらのモデルのメッシュ作成と収束で発生する可能性のある問題の処理方法について説明します. 最後に, 共鳴をモデル化し, コイル間の結合を処理する方法を示します.
コースの最後のセクションを終えると, 3D コイルモデルを解くための基礎が身につきます. この資料が, COMSOL Multiphysics と AC/DC モジュール でコイルモデルを構築するための知識とインスピレーションを与え, モデリングをより速く, 自信を持って行えるようになることを願っています.
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