放電をシミュレートし, 電気破壊を予測する
COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェアのアドオンである電気放電モジュールは, 気体, 液体, 固体誘電体内の電気放電の挙動を理解, 分析, 予測するために使用されます. これには, ストリーマー, コロナ, 誘電体バリア, アーク放電の分析が含まれます.
電気放電モジュールの用途は, 民生用電子機器から高電圧電力システム部品まで多岐にわたります. 雷誘導電磁パルス, 静電放電, その他の関連イベントをシミュレートする機能を備えたこのモジュールは, 製品開発の重要なツールとして機能し, 実験テストやプロトタイピングに関連するコストの削減に役立ちます.
このモジュールは, 電磁気学, 構造力学, 流体力学などの COMSOL 製品の他の製品とシームレスに統合されているため, ユーザーは電気放電に関連することが多いマルチフィジックス効果を解析できます.
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電気放電モジュールには, 3D過渡アーク放電イベントをシミュレートするための強力なマルチフィジックス機能が含まれており, 実験データと密接に一致する結果を提供します. 検証済みおよび妥当性確認済みのサンプルの包括的なライブラリにより, 最初から精度が保証され, 数週間または数か月かかる可能性のある長い検証および妥当性確認 (V&V) プロセスの必要性が大幅に軽減されます.
信頼性の高い仮想モデルは, 回路ブレーカーなどの高電圧部品を扱う業界で特に役立ちます. これらの業界では, パフォーマンスと安全性の両方を確保するために予測精度が重要です. 物理プロトタイプと実験テストを補完することで, 放電シミュレーションは開発を合理化し, 設計の反復を加速し, コストを削減します.
気体, 液体, 固体の放電, およびそれらのインターフェースでの電荷蓄積効果をモデル化します.
衝撃イオン化または電場イオン化を考慮して, 気体または液体誘電体のストリーマー放電をシミュレートします.
イオン化層を考慮しながら正コロナ放電を分析します.
30 マイクロ秒の進化内で Trichel パルスのナノ秒ダイナミクスを解析します.
気体と固体誘電体の界面における表面電荷の蓄積と緩和を自動的に計算します.
人間の手が金属に触れたときに発生する静電放電 (ESD) 電流をシミュレートします.
バイポーラー電荷輸送モデルを使用して, 電子, ホール, およびそれらの捕捉された対応物のダイナミクスを解析します.
磁気流体力学アプローチを使用して, 定常 DC アークまたは過渡アークのいずれかをシミュレートします.
雷誘導電圧を計算し, 送電線, 飛行機, 風力発電所への影響に対処します.
1つの統合プラットフォームで, 効率的, 正確, 簡単に電気放電をシミュレートします.
電気放電モジュールを使用すると, 2D, 2D軸対称, および3Dドメインで放電モデルをすばやく簡単に設定できます.
ワークフローは簡単で, 通常は次の手順に従います. ジオメトリを作成またはインポートし, 物理設定, 境界条件, および初期値を定義し, メッシュを設定し, ソルバーを選択し, 結果を視覚化します. メッシュとソルバーの設定は自動で, 手動でカスタマイズすることもできます. これらの手順はすべて, COMSOL Multiphysics® 環境内でシームレスに実行できます.
モジュールの機能は, 気体, 液体, 固体誘電体など, さまざまな媒体での放電をモデル化する電気放電インターフェースを中心にしています. 組み込みの電荷輸送モデルを備えており, ポアソン方程式と完全に結合された輸送方程式を解き, 衝撃イオン化, 付着, 再結合などの化学的および物理的プロセスを考慮し, 各媒体の特定の特性に適応します. この組み込み機能のおかげで, ほとんどの場合, ユーザーは化学反応や反応速度データを手動で入力する必要がありません.
電気絶縁に使用される変圧器油などの液体中の放電をモデル化する場合, 電気放電インターフェースは電子, 正イオン, 負イオンの輸送方程式を解きます. これには, 液体媒体での放電の挙動を表すための電場イオン化, 付着, 再結合などの一般的なプロセスが含まれます.
誘電体インターフェースでの電荷輸送のモデル化は, 多くのアプリケーションにとって不可欠です. これらのインターフェースでは, たとえばコロナ放電によって電荷が蓄積され, 電場の影響下で空間電荷が表面に沿って漂うことがあります. 電気放電インターフェースには, 表面電荷の蓄積と緩和のプロセスを自動的に処理する組み込みの誘電体界面機能があります.
電極境界条件は, 放電モデリングの中心的な要素です. 電位と電荷キャリアの境界条件を 1 つの機能内で指定できるため, モデリングプロセスの効率が向上します. 電極機能には, 放電電流変数も組み込まれています. 電荷キャリア境界条件には, 開境界のオプションのほか, フラックス, 数密度, または表面放出を定義するオプションが含まれています. さらに, 表面放出設定は, 二次電子放出, 電界電子放出, および熱電子放出をサポートします.
電気放電モジュールには, カスタム放電化学を定義する機能が含まれており, 複雑な化学反応を持つモデルを簡単に設定できます. 専用機能により, 空間依存モデルの生成プロセスが簡素化され, ユーザーは放電シミュレーションで何百もの化学反応を効率的に管理できます.
このモジュールは, 電荷キャリアの組み込みオプションを超えて輸送方程式をカスタマイズする柔軟性も提供します. これらのカスタマイズされた輸送方程式は, 電荷キャリアの輸送インターフェースで解決されます. 他のフィジックスインターフェースとシームレスに結合し, 電磁場と流れ場内での電荷輸送の研究を可能にします.
放電のダイナミクスは, 時間ではナノ秒未満からミリ秒まで, 空間ではマイクロメートルからメートルまでの範囲に及ぶため, はるかに長い時間枠でナノ秒規模のイベントを求解するのは困難です.
電気放電モジュールは, 高度なメッシュ作成および分解機能を活用します. その適応メッシュ作成技術により, 1マイクロメートルから1メートルまでのさまざまなメッシュサイズが可能になり, 自由度の数を最適化できます. さらに, ソルバーの自動時間ステップにより, 数桁にわたって時間ステップが調整され, Trichel パルスなどの短期的な現象と, 空間電荷の蓄積や緩和などの長期的影響の両方を正確に捕捉できます.
電気放電インターフェースは, 流体および局所場近似を使用して, 大気圧および高圧気体放電をモデル化します. 電子, 正イオン, 負イオンの輸送方程式を解くことに加えて, モデルには, 衝撃イオン化, 付着, 再結合などのプロセスが組み込まれており, 気体放電を正確にシミュレートします.
組み込みの電荷輸送モデルと, モジュールに含まれる電気放電材料ライブラリ (以下のセクションを参照) により, 化学反応を手動で入力することなく, 空気などの気体の重要な放電化学をシミュレートできます. 気体媒体は, 材料ライブラリから SF6, N2, CO2 などの別のオプションを選択することで簡単に切り替えることができます.
固体誘電体の場合, 電気放電インターフェースはバイポーラー電荷輸送をサポートし, 電子, ホール, および捕捉電荷の輸送方程式を解きます. このモデルはポアソン方程式と完全に連成しており, 捕捉, 捕捉解除, および再結合効果を考慮し, 固体材料における電荷輸送の詳細なシミュレーションを提供します.
光イオン化は正の放電で重要な役割を果たします. 電気放電インターフェースには, 放射伝達法に基づく組み込みの光イオン化モデルが含まれており, 光イオン化率を効率的に計算できます. 光イオン化プロセスを近似するために, 最大7つの指数項を使用できます.
組み込みの電気回路モデリング機能により, 集中系を作成して電気回路の電流と電圧をシミュレートできます. 電圧源, 電流源, 抵抗器, コンデンサー, インダクター, その他の回路部品などの回路要素のモデリングをサポートします. 回路モデルは, 2Dおよび3Dの分散場モデルに接続することもできます. さらに, 回路トポロジは, SPICE ネットリスト形式を使用してインポートおよびエクスポートできます. これらの回路を放電物理モデルと組み合わせて, 現実的な負荷をシミュレートできます.
放電物理では, 化学種の数密度は短い距離で数桁変化することがあります. 従来の方法では, 物理的に不自然な負の値になる可能性があります. これを防ぐために, 電気放電インターフェースでは対数定式を使用して, 数密度の解が厳密に正のままになるようにします.
さらに, このモジュールには, 方程式が正確かつ効率的に解かれるようにする数値安定化技術が含まれています.
放電のモデリングには, 複雑な化学反応や材料特性の指定が伴うことが多く, 時間がかかることがあります. 電気放電モジュールは, 2つの組み込み材料ライブラリを使用してこれを簡素化します.
電気放電材料ライブラリは, 電荷輸送モデルとシームレスに統合された一般的な気体, 液体, 固体誘電体のデータを提供するため, ユーザーは方程式やデータを手動で入力することなくモデリングを開始できます. 平衡放電材料ライブラリは, 密度, 熱容量, 熱伝導率, 動粘性, 体積放出率など, さまざまな気体の温度依存特性 (最大 25,000 K) を提供します.
電気放電モジュールは, 電子と重質種が同じ温度を共有する電気アークなどの熱力学的平衡放電をモデリングするために使用できます. 付属のアーク放電マルチフィジックス インターフェースは, 磁気流体力学的アプローチを使用して, 放電を1つの温度を持つ単一の流体として記述します. このインターフェースは, 電磁気, 流体の流れ, 熱伝達を結合し, ローレンツ力, 起電力, エンタルピー輸送, ジュール熱, 放射損失を組み込んでいます.
電気放電モジュールは他の COMSOL アドオン製品とシームレスに統合されているため, 放電に伴うさまざまな物理的効果を簡単にシミュレートおよび分析できます. この組み込みの互換性により, さまざまなツールやソフトウェア環境を切り替えることなく, 効率的で包括的なマルチフィジックスモデリングが可能になります.
電気放電モジュールの強力なアプリケーションの1つは, 雷誘起電磁パルス (LEMP) の分析です. 付属の電磁波 (過渡) インターフェースを使用すると, エンジニアはこれらのパルスを簡単にシミュレートし, 雷に強い電気デバイスとシステムを設計できます. この機能により, 堅牢で信頼性の高い製品の開発に必要な時間とコストが大幅に削減されます.
もう1つのアプリケーション例は, コロナ放電支援冷却です. 放電により電気流体力学的な力が生成され, 空気の流れが促進され, 対流熱伝達が強化されます. 同じプラットフォーム内で電磁気学と流体力学の複雑な相互作用をシミュレートすることで, ユーザーはプロセスをより深く理解し, 最小限の労力で冷却設計を最適化できます.
どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.
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