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AC/DC モジュールアップデート

AC/DC モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン 6.1 には, 電気機械をモデル化するための大幅に改善された使いやすさ, 電磁流体力学のための新しいマルチフィジックスインターフェース, および集中パラメーター抽出のための拡張および改善された機能が含まれています.

電気機械用の磁石アレイ

新しい磁石機能を使用して, 磁化ドメインまたは磁化ドメインの規則的なパターンをモデル化できます. 磁化の方向は, 数式によって, または単純に北極と南極の境界を選択することによって指定されます. この機能には, Halbach 配列や複雑なローターパターンを簡単に設定できる特殊な機能が含まれています.

磁石機能には次の2つの形式があります:

  1. 回転機械, 磁気および磁場 (電流無し) インターフェース用の非導電性磁石機能
  2. 回転機械, 磁気および磁場インターフェース用の伝導磁石機能

導電性磁石機能を使用すると, 内部境界に電気絶縁を適用できるため, セグメント化された磁石の循環電流と損失を簡単に計算できます. さらに, 損失計算サブ機能をサポートしています. どちらの形式も, 残留磁束密度と非線形永久磁石の構成関係をサポートしています. この新機能は, 次のモデルで確認できます:

A motor model showing the magnetic flux density and current density in the Heat Camera and Rainbow Light color tables.
積層鉄の径方向磁束密度とステーターヘアピン導体の軸方向電流密度による同期電動機駆動.

電気モーター用巻線レイアウト

多相巻線機能は, 通常 2D 電気モーターモデリングで使用されるように, モーター巻線をコイルの規則的なパターンとしてモデル化します. このパターン内で, 同じ位相角で同じ電流を運ぶコイルまたはコイルグループは, 一般に相と呼ばれます. 多相巻線機能は, 標準の巻線レイアウトを強制することにより, 多相システムの励起を簡素化します. この機能は, 矛盾した構成を自動的に検出します. 標準パターンに従わない場合, この機能はユーザー定義のレイアウト構成をサポートします.

多相巻線機能は, 抵抗損失を自動的に決定するための損失計算サブ機能をサポートしています. 2D で作業する場合, 回転機械, 磁気フィジックスインターフェースで使用できます. この新機能は, 既存のモデル Permanent Magnet Motor in 2D で確認できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Multiphase Winding node highlighted, the corresponding Settings window, and a 2D motor model in the Graphics window.
励磁と巻線レイアウトの設定を備えた多相巻線機能.

磁場および回転機械の受動導体機能

磁場と回転機械, 磁気インターフェースの受動導体機能を使用すると, 内部境界に電気絶縁を課すことができ, セグメント化された導体の循環電流と損失を簡単に計算できます. この機能は, 伝導磁石機能と多くの類似点を示しますが, 磁化を含まない B-H 構成関係, つまり, 相対透磁率, B-H 曲線, 実効 B-H 曲線のみをサポートするという点で異なります. 伝導磁石機能と同様に, 受動導体機能は, 抵抗損失の決定に使用される損失計算サブ機能をサポートします. Rotating Machinery 3D Tutorial チュートリアルモデルは, この新機能を紹介しています.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Passive Conductor node highlighted, the corresponding Setting window, and a 3D model in the Graphics window.
セグメント化された銅の円盤が磁石の近くで回転しています. 受動導体機能は, 内部境界で電気絶縁を強化し, 循環電流の2つの別個のポケットを引き起こします.

磁歪材料モデルアップデート

磁歪マルチフィジックスカップリングは, 非線形磁歪カップリングと圧電効果カップリングに分割されました. (後者は線形磁歪とも呼ばれます.)

これらの新しいマルチフィジックスカップリングとともに, 2つの新しいアンペアの法則の変形版 (アンペアの法則, 非線形磁歪およびアンペアの法則, 圧電磁気) と2つの新しいマルチフィジックスインターフェース (非線形磁歪および圧電磁気) が導入されました. 新しいマルチフィジックスインターフェースは, 磁場と固体力学インターフェース間の連成aに基づいています. 新しいアンペアの法則, 非線形磁歪機能は, 損失計算サブ機能をサポートしています. このサブ機能により, Steinmetz や Bertotti などの経験的損失モデルを使用して, 積層鉄の抵抗損失と磁気損失を自動的に決定できます.

新しい構成関係である解析的磁化曲線は, 通常のアンペアの法則機能で使用できます (この機能の材料タイプが固体に設定されている場合). 新しいマルチフィジックスカップリング, アンペアの法則機能, および構成関係は, 磁場および回転機械, 磁気インターフェースで利用できます. カップリングと専用機能には, AC/DC モジュールと, 構造力学モジュール, 音響モジュール, または MEMS モジュールのいずれかが必要です. 新しい構成関係は, AC/DC モジュールのみを必要とします. これらの磁歪の更新は, Nonlinear Magnetostrictive Transducer モデルで調べることができます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Nonlinear Magnetostriction node highlighted, the corresponding Settings window, and a transducer model in the Graphics window.
新しいマルチフィジックスカップリングを紹介する非線形磁歪トランスデューサーのチュートリアルモデル.

スロット充填率から計算されるコイルワイヤー断面積

コイル機能については, 電気モーターのモデリングに頻繁に必要となる新しい設定で, 均質化されたマルチターン導体モデルが更新されました. コイルワイヤーの断面積は, ステータースロットの充填率 (スロット充填率とも呼ばれます) から導出することができます. 次いで, ワイヤーの厚さは, 選択されたドメインの面積およびコイル断面における銅の所望の相対量から導き出されます. Permanent Magnet Motor in 2D でこの新機能を表示します.

受動導体を含むインピーダンス行列計算

磁場 (電流のみ) インターフェースの受動導体機能は, インターフェースの導体機能の簡略化されたバージョンです. これは, インピーダンス行列を計算するときに使用することを意図しており, 積極的に励起または終端されていないが, 渦電流を運ぶ可能性のある導電ドメインに割り当てられています. 通常, 端子境界や設置境界はなく, インピーダンス行列にエントリを生成しません. この機能は, 内部境界上の薄い電気絶縁層をモデル化するための電気絶縁サブ機能をサポートしています. これにより, セグメント化された導体の循環電流と損失を簡単に計算できます.

A PCB coil array model in the Thermal Wave color table.
集中マトリックス抽出スタディで解析される PCB コイルアレイ. 受動導体機能は, 積極的に供給または終端されていないが, 渦電流が流れている可能性がある導体に使用されます.

電気回路抽出

回路抽出アドインは, 集中量の行列を電気回路に変換します. これらの回路は, 電磁装置の集中表現として使用できます. 通常, 有限要素モデルはソーススイープスタディの対象となり, 集中行列が抽出されます. これらの行列は, 回路抽出アドインに供給されます. 検証が完了すると, 有限要素モデルの計算負荷が高すぎる場合に, 回路を集中表現として使用できます. この方法は, フィジックスベースの形式の縮小次数モデリング (ROM) と見なすことができます.

静電気, 静電気 (境界要素), および電流インターフェースは, 回路抽出アドインと直接互換性のある形式で容量 (および抵抗) 行列を生成するようになりました. 磁場および電場インターフェースは, 定常ソーススイープおよび周波数領域ソーススイープスタディタイプをサポートし, 回路抽出アドインと互換性のある形式でインピーダンス, 抵抗, およびインダクタンス行列を生成するようになりました. 回路抽出自体は, インピーダンス行列をサポートするように拡張されており, Circuit Extractor および Extracting Electrical Circuits from Electromagnetic Simulations のモデルで表示できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Circuit Extractor node highlighted, the corresponding Settings window, and a PCB model in the Graphics window.
回路抽出アドインは, PCB の一括表現を作成するために使用されます. 元の有限要素モデルとの比較を表に示します.

磁気流体力学モデリング

新しい磁気流体力学マルチフィジックスインターフェースは, 流体流れと電磁場を連成し, 液体金属や特定のプラズマのモデリングに使用できます. 新しいインターフェースは, 磁場インターフェース (または磁場および電場インターフェース), 層流インターフェース, および電磁流体力学マルチフィジックスカップリングで構成されます. カップリングは, 電磁気フィジックスから層流にローレンツ力を適用し, その代わりに, 層流から電磁気フィジックスにローレンツ速度項を適用します.

このマルチフィジックスインターフェースには, 面外電流の 2D, 面内電流の 2D, および 3D の3つのバリエーションがあります. 面外電流を使用する 2D バリアントは磁場インターフェースを使用しますが, 他の2つのバリアントは磁場および電場インターフェースを使用します. 3つのバリアントはすべて, AC/DC モジュールのみで利用できます. マルチフィジックスカップリング機能は個別に使用でき, AC/DC モジュールとプラズマモジュールで利用できます. Hartmann Boundary LayerMagnetohydrodynamics Pump モデルは, このカップリング機能を示しています.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Magnetohydrodynamics node highlighted, the corresponding Settings window, and a pump model in the Graphics window.
新しい磁気流体力学ポンプモデルは, 磁気流体力学マルチフィジックスインターフェースの使用方法を示しています. 磁場の位相速度は, 導電性液体を前方に押します.

磁気流体力学の液体金属材料ライブラリ

AC/DC 材料ライブラリは, 磁気流体力学モデリング用の液体金属フォルダーで拡張されました. この新しいフォルダーには, チタン, 鋼, 鉄, ニッケル, 銅, アルミニウム, マグネシウム, スズ, リチウム, ナトリウムなどのさまざまな液体金属と, 熱伝導率, 電気伝導率, 動粘度, 密度などの材料特性が含まれています. この新しい追加は, Magnetohydrodynamics Pump モデルで確認できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with a Material node highlighted, the corresponding Settings window, and the velocity profile of a Hartmann model in the Graphics window.
Hartmann 境界層チュートリアルモデルと (右側) 材料ライブラリの新しい液体金属ブランチ.

磁場および電場インターフェースの時間領域サポート

磁場および電場インターフェースは, 時間依存スタディタイプをサポートするようになりました. さらに, デフォルトの外部境界条件は, 電気絶縁サブ機能を使用した磁気絶縁から接地サブ機能を使用した磁気絶縁に更新され, 磁場インターフェースのデフォルトの磁気絶縁境界条件と一致するようになりました. Magnetic Brake モデルは, この新しい更新を示しています.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Magnetic and Electric Fields node highlighted, the corresponding Settings window, and a magnetic brake model in the Graphics window.
磁場および電場インターフェースに表示される, 時間依存スタディの方程式形式.

軸対称電磁場の改善されたパフォーマンス, 数値安定性, 精度

2D 軸対称の磁場および磁場および電場インターフェースは, 以前のバージョンで使用されていた定式化よりも優れたパフォーマンス, 数値安定性, および精度を提供する共変定式化に基づいています. 共変定式化は, 円筒座標系の対称軸の本質的に特異な特性を扱います. これらの改善は, Axisymmetric Approximation of 3D Inductor, Small-Signal Analysis of an Inductor, An Electrodynamic Levitation Device モデルで確認できます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Ampere's Law node highlighted, the corresponding Settings window, and an inductor model in the Graphics window.
インダクターチュートリアルモデルの小信号解析は, 共変定式化によって提供されるパフォーマンスと精度の向上を示しています.

超伝導モデリングのワークフロー改善

超伝導体のモデリングに特に適した新機能は, 磁場 (電流なし), および磁場定式化インターフェース間の新しいマルチフィジックスカップリングです. この機能, 磁場定式化 (磁場なし電流) カップリングは, 境界を越えた通常の磁束密度と接線磁場の連続性を保証します.


混合ポテンシャル定式化 (磁場 H と磁気スカラーポテンシャル Vm を使用) でモデル化された超伝導ストリップ.

積層インピーダンス境界条件による基板上の薄層モデリング

新しい積層 ba インピーダンス境界条件は, インピーダンス境界条件機能を拡張したもので, 基板上の一連の幾何学的に薄い層をモデル化できます. 場が境界の外側に短い距離だけ浸透することが知られている外部境界で使用されます. 簡単に言えば, この機能は積層遷移境界条件とインピーダンス境界条件を組み合わせたものです. この新機能は, 磁場インターフェースで利用できます.


積層スタック内の電流と加熱の分布を示す完全に忠実なモデル.

新規または更新されたチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン 6.1 では新規または更新されたチュートリアルモデルが AC/DC モジュールに追加されました.