COMSOL AC&DC模块

AC/DC 模块

低频电磁和机电元器件的仿真工具

作为 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的附加专业模块，“AC/DC 模块”是一款分析静态、低频电磁问题的强大而灵活的工具，提供了丰富的建模功能和数值方法，帮助用户通过求解麦克斯韦方程来深入研究电磁场和 EMI/EMC 问题。

借助于 COMSOL® 软件的多物理场耦合功能，用户还可以进一步研究电磁场与其他如热、结构、声等物理效应之间的相互影响，获得更加准确、贴近实际场景的仿真结果。

电流

通过模拟直流、瞬态或交流等各种形式的电流，用户可以有效地分析电阻和导电器件。在静态和低频条件下，如果可以忽略磁场，基于欧姆定律来计算器件的电流和电势将非常高效，并足以提供准确的结果。基于电势结果，可以进一步计算如电阻、电导率、电场、电流密度和功率损耗等物理量。

“AC/DC 模块”支持稳态、频域、时域和小信号分析；时域和频域分析支持电容效应的计算。

静电

对于不涉及电流流动，电场由电势和电荷分布决定的介电结构，可以通过静电计算来分析电容器件和电绝缘。“AC/DC 模块”提供了有限元（FEM）和边界元（BEM）方法来求解电势，也支持组合使用两种方法（有限元-边界元混合方法）来满足不同问题的需求。基于电势场结果，可以进一步计算如电容矩阵、电场、电荷密度和静电能等物理量，帮助您深入理解和优化系统的静电特性。

静磁场计算

静磁场仿真可以分析静磁场、寄生电感以及线圈、导体和磁体上的磁力。“AC/DC 模块”提供了丰富的材料数据库，包含各种非线性磁性材料，也支持自定义添加材料。用户需根据所研究问题是否存在电流、是否包含磁性材料等因素，来选择不同的分析方法。

在没有电流的情况下，推荐使用有限元法和边界元法求解静磁问题，或结合使用这两种方法，采用混合有限元-边界元法以提高计算效率。

对于最常见的、同时存在电流和磁性材料的情况，需要通过矢量场公式来定义电势和输入电流，并计算电流密度分布、磁场、磁力、功耗和互感。

“AC/DC 模块”支持对线圈进行详细的三维建模，精确计算每根导线内的电流分布；也支持通过近似等效的方式简化建模，通过计算线圈电流分布来分析形状复杂的线圈，这对于多匝线圈尤其有效。

电磁场

“AC/DC 模块”可以模拟电缆、导线、线圈、螺线管和其他感应设备中由导电材料中流动的电流产生的磁场。一般来说，对于具有显著感应效应的时变场，电场与磁场之间双向耦合。在这类情况下，集肤深度往往与设备尺寸相当，但远小于波长，因此需要使用矢量场公式以确保计算的准确性。

“AC/DC 模块”支持在二维和三维中进行频域、小信号分析和时域建模。对于具有强非线性 E-J 特性的材料，例如超导体，还提供了专门的公式用于时域磁建模。

旋转机械

“AC/DC 模块”中内置了旋转机械分析功能，可用于分析电动机和发电机。用户可以通过计算磁体内产生的涡流损耗等，研究感应电机或永磁电机的特性。在所有模拟电磁运动的模型中，均支持磁力和扭矩、感应电流以及机械载荷等物理量的计算。

通用的动网格功能还支持研究线性运动，这对于分析含柱塞的部件（例如磁力开关、螺线管和通用执行器）起着重要的作用。

电路

“AC/DC 模块”自带集总电路分析功能，支持对包含各种元器件（如电压和电流源、电阻、电容、电感和半导体器件）的电路进行电流和电压分析。电路模型还可以连接到详细的二维和三维电磁场分析模型，以实现更加精细的电路仿真。此外，电路拓扑结构还支持以 SPICE 网表格式导出和导入，方便与其他工具进行数据交换。

AC/DC 模块的主要功能

“AC/DC 模块”提供了一系列专用工具来实现静态、低频电磁场仿真。

内置用户界面

“AC/DC 模块”为上述各个电磁领域都提供了预置的用户接口，让用户能够快速创建复杂的模型。用户可以使用这些接口设置域方程、边界条件、初始条件、预定义的网格、带有稳态和瞬态分析求解器设置的预定义研究，以及预定义的绘图和派生值等。

模块中还提供一系列用于连接不同接口的耦合功能，特别适用于电感器、线圈和电机等应用领域。

使用磁场 接口和线圈 特征在三维中模拟电感器，该特征连接到电路 接口以确定激励电

非线性材料

“AC/DC 模块”预置了一个包含铁磁材料、亚铁磁材料、B-H 曲线和 H-B 曲线数据的大型材料数据库。材料属性可以随空间或时间而变化，也可以呈各向异性、有损耗、为复值以及不连续等特性。您只需进行少量的额外工作，就能轻松扩展仿真的应用范围，使用数学表达式、查找表或两者的组合来定义自己的材料。软件支持使用 Jiles-Atherton 材料模型进行准静态参数化建模和全瞬态分析，并支持全各向异性滞回仿真。在此基础上，用户甚至还可以用 C 代码编译自己的材料模型，并将其作为外部材料进行链接。

使用磁场 接口中的安培定律 特征，磁化模型包含许多选项，包括用来模拟非线性材料的滞回 Jiles-Atherton 模型。

线圈

模块中内置了专门的线圈建模功能，支持将电流和电压等集总物理量转换成电流密度和电场等分布物理量，方便用户轻松建模。无论是单导线还是均匀多匝线圈，都可以在全三维、二维或二维轴对称模型中定义。零件库中还提供完全参数化的线圈和磁芯形状，让您在分析变压器、电感器、电机和执行器等设备时更快地建立模型。

在变压器仿真中，使用均匀多匝导线模型对线圈进行建模，以计算铁芯中的损耗密度。

电机和变压器的损耗建模

叠片铁芯和磁轭的损耗是影响电机和变压器效率的重要因素，电机和变压器的分析需要准确预测这些损耗。

特别是对于层压铁（电工钢），宏观焦耳热或感应加热并不能完全描述引起损耗的效应，使得经验性的电磁损耗模型成为了必不可少的工具。但是，由于单独对层合板进行建模往往不切实际，因此需要一种高效的建模方法。

“AC/DC 模块”包含多个著名的经验损耗计算模型，与高保真模型相比，前者只需少量计算即可给出非常准确的损耗估计，其中不仅考虑了滞回和涡流的影响，还包含造成损耗的其他现象。

经验损耗模型也称为 Steinmetz 模型，用于确定定子轭叠片铁中的周期平均（频率相关）损耗

无边界或大空间问题

对于无边界或大空间的电场和磁场问题，用户可以使用无限域进行分析。对于静电和静磁分析，软件还提供边界元法作为替代方法。除此以外，也可以将边界元和有限元方法结合使用。

例采用混合 FEM-BEM 方法为可调电容器建模，并通过这两种方法的自动耦合来计算电势。

薄结构和多层材料

壳公式可以用来模拟非常薄的结构，支持直流、静电、静磁和感应仿真。软件还提供了专门的工具，用于计算多层壳中的电流。壳公式支持使用带有材料属性的表面几何元素来代替 CAD 模型中带有厚度的薄实体域，使此类计算更加高效。

多层壳中的电流 接口用于有效计算加热电路中的电势，其中薄导电层嵌入玻璃中。

寄生电感和参数提取

“AC/DC 模块”提供了计算 PCB 中的寄生电感的专用工具，可用于提取三维模型的电感矩阵。用户可以使用磁场，仅电流 接口计算开放导体产生的磁场的部分贡献，以降低建模的复杂性。

在假设所有区域均为非磁性的情况下，使用磁矢势作为因变量来计算电流产生的磁场。也就是说，这些区域具有统一的相对磁导率“1”。该接口可与稳态源扫描 特征一起使用，以便在一次仿真中扫描多个终端。

稳态源扫描 研究步骤与磁场，仅电流 接口结合使用，以模拟寄生电感并生成电感矩阵，通过“图形”窗口中的二维绘图进行可视化。

低频电磁和多物理场

电磁元器件工作时会涉及多种物理效应，在 COMSOL Multiphysics® 中可以轻松分析这些多物理场效应。

焦耳热和电阻热1

固体、流体、壳和多层壳中的焦耳热（也称为电阻热）。

母线板中由焦耳热引起的温度分布。

感应加热

感应加热用于模拟管线感应加热器和金属加工。

钢坯通过由交流电激励的线圈时的温度，在钢坯中产生感应涡流并产生热量。

电磁力和扭矩

基于有限元和边界元的电磁应力、力和扭矩计算。

磁体在铜管中下落的三维仿真。

洛伦兹力

使用电流感应的洛伦兹力作为体结构载荷来模拟电声换能器等装置。

声-结构相互作用和作用于音圈的电磁力。

电接触电阻

在相互接触的金属片之间流动的电流。结合热接触2和机械接触3进行分析。

开关的两个接触部分的热电性能。

铁电

铁电功能用于模拟可能表现出磁滞特性的时变极化。

图中显示铁电材料在四种不同电压下的磁滞现象。

磁致伸缩4

磁性材料在磁场作用下发生的形状变化，这对声呐和变压器噪声来说非常重要。

通过为磁致伸缩换能器建模，来模拟换能器中的应力和位移，以及整个磁场。

电感耦合等离子体5

半导体加工中使用的电感耦合等离子体。

电感耦合等离子体炬内的温度分布。

带电粒子追踪6

由电磁力引起的带电粒子或磁粒子的运动。

电子轨迹和电势等值面的结果。

介电泳6

由电场梯度引起的中性颗粒的运动。

使用介电泳进行连续颗粒分离。

备注：

1. 不 需要“AC/DC 模块”

2. 还需要“传热模块”

3. 还需要“MEMS 模块”或“结构力学模块”

4. 还需要“声学模块”、“MEMS 模块”或“结构力学模块”

5. 还需要“等离子体模块”

6. 还需要“粒子追踪模块”

将第三方软件与 COMSOL Multiphysics® 结合使用

MATLAB® 软件用户可以使用 MATLAB® 脚本和函数轻松运行 COMSOL Multiphysics® 仿真。借助 LiveLink™ for MATLAB® 接口产品，用户可以直接在 MATLAB® 环境中访问 COMSOL® 操作，并与现有的 MATLAB® 代码结合使用。

COMSOL 提供了 ECAD 导入模块、CAD 导入模块、设计模块以及用于衔接主流 CAD 系统的 LiveLink™ 产品，帮助用户更便捷地处理 CAD 模型和电子布局，更轻松地进行建模分析。

除此之外，通过使用 LiveLink™ for Excel® 接口产品，您还可以将 Microsoft Excel® 电子表格数据与 COMSOL Multiphysics® 环境中定义的参数进行同步，大幅提高工作效率。

通过“ECAD 导入模块”将 ODB++ 存档导入 COMSOL Multiphysics® 以进行仿真分析。该电路板包含一个印刷电路板，其中两个铜层用通孔连接。