COMSOL-Multiphysics仿真步驟.doc

COMSOL Multiphysics仿真步驟1算例介紹一電磁鐵模型截面及幾何尺寸如圖1所示，鐵芯為軟鐵，磁化曲線(B-H)曲線如圖2所示，勵磁電流密度J=250 A/cm2?，F(xiàn)需分析磁鐵內(nèi)的磁場分布。圖1電磁鐵模型截面圖(單位cm)圖2鐵芯磁化曲線2 COMSOL Multiphysics仿真步驟根據(jù)磁場計算原理，結(jié)合算例特點，在COMSOL Multiphysics中實現(xiàn)仿真。(1)設(shè)定物理場COMSOL Multiphysics 4.0以上的版本中，在AC/DC模塊下自定義有8種應(yīng)用模式，分別為：靜電場(es)、電流(es)、電流-殼(ecs)、磁場(mf)、磁場和電場(mef)、帶電粒子追蹤(cpt)、電路(cir)、磁場-無電流(mfnc)。其中，“磁場(mef)”是以磁矢勢A作為因變量，可應(yīng)用于：已知電流分布的DC線圈；電流趨于表面的高頻AC線圈；任意時變電流下的電場和磁場分布；根據(jù)所要解決的問題的特點分析磁鐵在線圈通電情況下的電磁場分布，選擇2維“磁場(mf)”應(yīng)用模式，穩(wěn)態(tài)求解類型。(2)建立幾何模型根據(jù)圖1，在COMSOL Multiphysics中建立等比例的幾何模型，如圖3所示。圖3幾何模型有限元仿真是針對封閉區(qū)域，因此在磁鐵外添加空氣域，包圍磁鐵。由于磁鐵的磁導(dǎo)率，因此空氣域的外輪廓線可以理想地認(rèn)為與磁場線跡線重合，并設(shè)為磁位的參考點，即(21)式中，L為空氣外邊界。(3)設(shè)置分析條件材料屬性本算例中涉及到的材料有空氣和磁鐵，在軟件自帶的材料庫中選取Air和Soft Iron。對于磁鐵的B-H曲線，在該節(jié)點下將已定義的離散B-H曲線表單導(dǎo)入其中即可。邊界條件由于磁鐵的磁導(dǎo)率，因此空氣域的外輪廓線可以理想地認(rèn)為與磁場線跡線重合，并設(shè)為磁位的參考點，即(21)式中，L為空氣外邊界。為引入磁鐵的B-H曲線，除在材料屬性節(jié)點下導(dǎo)入B-H表單之外，還需在“磁場(mef)”節(jié)點下選擇“安培定律”，域為“2”，即磁鐵區(qū)域，在“磁場本構(gòu)關(guān)系”處將本構(gòu)關(guān)系選擇為“H-B曲線”。此時，即表示將材料性質(zhì)表達(dá)為磁通密度B的函數(shù)，也符合以磁矢勢A作為因變量時的表達(dá)，從而避免在本構(gòu)關(guān)系中定義循環(huán)變量。設(shè)置窗口如下圖所示。圖4磁鐵本構(gòu)關(guān)系設(shè)置該模型中，線圈中勵磁電流密度為J=250 A/cm2，因此，在“磁場(mef)”節(jié)點下，選擇兩個“外部電流密度”節(jié)點，分別用于設(shè)置兩個線圈的電流密度。根據(jù)式(2)，該電流密度因為z軸方向的電流密度，且兩個線圈的電流密度方向應(yīng)相反。事先在模型樹下定義參數(shù)J，表達(dá)式為“250e4A/cm2”。設(shè)置窗口如下圖所示。(a)線圈1(b)線圈1圖5線圈電流設(shè)置(4)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格節(jié)點下直接創(chuàng)建三角形網(wǎng)格，結(jié)果如下圖所示。圖6網(wǎng)格劃分結(jié)果(5)求解選擇“穩(wěn)態(tài)”求解模式，直接進(jìn)行計算。該模型結(jié)構(gòu)比較簡單，求解時間為2 s。4后處理磁通密度如圖7所示。圖7面磁通密度分布由圖6可以看出，磁通密度主要集中分布在磁鐵上，在轉(zhuǎn)角處磁通密度較大(圖中紅色區(qū)域)；在空氣域磁通密度很小。磁通密度等值分布圖如下所示：圖8磁通密度等值線分布磁通密度方向如下圖所示，圖中箭頭表示磁通密度方向。圖9磁通密度等值線分布磁力線分布如下圖所示：圖10磁勢分布由圖10可看出，磁矢勢A圍繞線圈，在磁鐵中形成閉合曲線，圖中線的密度形象表示了磁場的強弱，在轉(zhuǎn)角處的線較稠密。2結(jié)論本文在COMSOL Multiphysics中實現(xiàn)了對一簡單電磁鐵模型磁場分析，并有以下結(jié)論：(1) COMSOL Multiphysics中，引入B-H曲線數(shù)據(jù)時，需指定本構(gòu)關(guān)系中的設(shè)置，避免在本構(gòu)關(guān)系中出現(xiàn)循環(huán)變量；同時，需另在該域上定義安培定律；(2) COMSOL Multiphysics中，等值