Comsol——三维开放式线圈建模分析

物理场接口：【磁场和电场】

一、模型向导

• AC/DC几何零件库可用于仿真中经常需要的复杂形状，例如：线圈和磁芯
• <磁场和电场>、<磁场>：线圈建模最常见的两种接口
• <磁场公式>：超导体材料，非线性比较强的材料常用的接口

二、绘制CAD几何形状

1、绘制线圈几何形状

（1）选择螺旋线圈

（2）修改几何形状的单位

（3）对线圈进行拉伸

• 由于拉伸了线圈，所以整个线圈形成了3个区域

（4）将线圈的三个区域合成一个区域

（5）<缩放到窗口大小>进行观察

绘制空气几何形状

• 在磁场模型里，基本上都要考虑外面空气域的分布及大小。
• 画一个长方体来表示空气

3、可以选择隐藏某几个边界

（1）线框渲染------单机和隐藏------选中想要隐藏的面------查看未隐藏的对象

在<磁绝缘>中可以查看隐藏的对象都有谁

三、添加材料

1、添加空气

材料------添加材料-----内置材料------Air------添加到组件

2、添加铜

材料------添加材料-----内置材料------Copper------添加到组件

3、选择几何形状的材料

（1）设置线圈几何的材料为：铜

（2）设置空气几何的材料为：空气

四、建模：设定边界条件

说明：

<磁场和电场>---右键---线圈：可以选择<线圈>来建模

但是<线圈>主要是针对多匝线圈来建模

这里，我门建立的模型的实体主要是一个单导线，所以用<线圈>来建模在这里不合适

除了用<线圈>建模以外，在<磁绝缘>下，右键， 还有一些边界条件

1、<磁绝缘>——<终端> + <接地>

在“磁绝缘”下选择“终端”和“接地”，使线圈的一端是终端，另一端接地。

这个模型原则上来说就建立好了，其他边界都是一个<磁绝缘>条件。

<磁绝缘>：磁场不会穿过这些表面，即这些表面都是和磁场平行的，和电场垂直的。

和电场垂直的面都是等势面，可以看成是一个良导体。

所以说，<磁绝缘>在建模的时候，可以看成是一个良导体的边界。

所以就可以把线圈是的输入输出端连接起来，构成一个回路。

五、画网格

1、先用默认的网格的<单元大小>：<常规>来画网格

2、将网格的<单元大小>改成<超粗化>来画网格

网格<超粗化>是为了节省计算的时间

六、研究求解模型

1、<研究1>------<计算>

计算出错：结果一般都是不收敛

接下来检查不收敛的原因：

<安培定律>包括一个电流方程、一个磁场方程

对于电流方程来说，默认空气的电导率是0

所以报错的原因就是：在电路问题里，电导率不能为0。

解决报错的办法：

办法1：把空气电导率改小一点

办法2：在<磁场和电场>里加一个<安培定律>，这个<安培定律>里不考虑电流守恒，使得外面的区域只计算一个电磁感应安培定律，不考虑电流守恒。

所以说：

<安培定律和电流守恒>：在线圈导体上，既要计算安培定律，又要计算电流守恒。

<安培定律>：在空气域里只计算安培定律。

2、<磁场和电场>------<安培定律>

3、对<研究1>重新计算

4、观察<研究1>的计算结果

这个模型本身精度不够，因为它的网格是比较粗的（超粗化）。

七、后处理和报告结果

1、在<派生值>里，看一下相关的集总参数

对线圈来说，关心线圈的电感、线圈的电阻

相关的集总参数：线圈的电感、线圈的电阻

（1）线圈电感

（2）线圈电阻

（3）修改参数的单位

电感单位一般是uH

电阻单位一般是mΩ

八、修改和优化

这个模型的计算速度是比较快的，因为网格比较粗。

通过后处理以后，从图上可以看出：磁场变化主要集中在导线附近。

所以：

空气域的网格取得比较粗问题不大，关键是要对导线的网格进行加密。从而保证运算量不大的同时，还保证了它的精度。

1、单独对线圈导体线的网格进行加密

可以看出本次计算的计算量比上一次计算的计算量大多了，

但是磁场分布相对平滑了许多，所以精度更高了。

所以为了提高精度，运算量一般都是成倍地增加。

2、用<扫掠>的方式剖分网格

对于这种问题除了用这种默认的“四面体网格”，还可以对导线用“扫掠”的方式来剖分。

（1）添加<扫掠>

（2）选择扫掠的区域

（3）选择扫掠网格的粗细

（4）把扫掠的位置往前提

（5）设置网格大小

（6）设置自由四面体网格

（7）设置扫掠方法

（8）计算集总参数的值

这里可以看出：网格变化，对计算结果（线圈电感、电阻的值）是有影响的

（9）提高扫掠得到的集总参数值的精确度

现在计算一下，改成“扫掠”网格，计算量是多少，相应的线圈电感、电阻值是多少

这个<扫掠>的计算精度域刚才的差不多。

为什么现在得到的精度还有差别?

是因为<扫掠>在线圈上，线圈本来是圆弧状的，但是现在都变成直线状的了。

所以现在用<扫掠>，它轴向的网格还是不够的。

可以在<扫掠>加一个局部的<分布>

（10）再计算一下

这样的话，到底哪个数值是准的？

验证方法：

方法1：

其实严格来说，这个模型的空气域太小了。空气域的大小对线圈电感的值也有影响，这里可以把空气域画大一点，做一个“策划扫描”，看一下，当空气域达到某一个值的时候，电感的值不变

方法2：

用“无限元域”把线圈包起来，表示一个无线大的空间

3、用经验公式获取集总参数的值

对于一些集总参数（线圈的电感值、电阻值），除了用“软件后处理”求得电感值等参数这个方法以外，还可以用“软件的一些经验公式”来计算电感值等参数。

软件后处理，计算电感、电阻值：

经验公式计算电感、电阻值：

电感和磁场能量之间有一个换算关系

总磁能：就是线圈周围产生的能量大小

到这里这个模型基本就完成了