comsol三维模型（comsol三维线圈怎么设置）

电感设备在使用时会表现出一系列电磁效应，在任何产品应用中将其用作组件时都不能忽视。借助COMSOL Multiphysics 中“AC/DC 模块”提供的工具，您可以简单、准确地仿真和设计电感器，同时计算产品应用所需的器件特性参数。

电感器的基本物理原理

最简单的电感器可以通过将电线（绕组或线圈）缠绕在一块典型的磁性材料（铁芯）上来制成。电感器的工作原理基于电感的概念，即电感器周围形成的磁场阻碍通过器件的电流的变化。

一种简单的电感器，由缠绕在铁芯上的铜绕组组成。红色箭头表示电流方向，蓝色箭头表示铁芯外部的磁场。电流的变化也会改变通过绕组的磁通量，并在绕组上产生抵抗电流变化的电势。

电感是描述抵抗电流变化程度的参数，通常用L表示，可以完整表征一个理想的电感器。不幸的是，我们生活在一个非理想的世界，真实的电感器也会表现出电阻效应（在低频下很重要，由电阻器R 表示）和电容效应（在高频下很重要，由电容器C 表示），两者都会导致自-谐振。事实上，借助RLC电路模型或该模型的某种扩展，我们可以完全理解三维电感器。

可用于模拟真实电感器行为的等效电路。

电感的特性可用于许多不同的应用，无论是单独使用还是与其他电路元件（例如电容器或电阻器）结合使用。当通过交流电时，单个电感器可以充当低通滤波器，而电感器与电容器串联可以充当谐振滤波器或带通滤波器。电感器在日常生活的许多关键设备中也发挥着重要作用，例如开关电源和连接到射频天线的匹配电路。当行人靠近时可以自动切换信号的智能交通灯采用感应式传感器，真是高速公路交通的好帮手！

通过表征参数优化电感器设计

如果您的设备中有电感器，那么了解电感器的某些特性对于充分了解设备的整体运行方式非常重要。这些关键参数包括电感以及可能的电阻、电容、谐振频率、Q 因数和谐振频率处的峰宽。这些参数决定滤波应用的截止频率或通带或匹配电路的电抗等因素。

使用电感器时的另一个潜在问题是电磁干扰(EMI) 或电磁兼容性(EMC)。电感器在线圈周围产生磁场，特别是近年来电路变得更加紧凑，因此您可能想知道该磁场如何影响附近的其他组件或设备。

确实有一些粗略的解析或经验公式可以用来描述上述RLC参数，但这些公式无法满足现代器件设计的高精度要求。如果设备不是长方体、圆柱体、螺旋形或环形等少数易于分析和处理的形状之一，那么困难就变得更加明显。对于涉及EMI和EMC的传感设备来说，准确描述其周围磁场的形状和减弱程度更加困难。

此外，为了增加电感并限制周围磁场，您可能需要用非线性磁性材料制作电感器的磁芯。然而，这增加了一层计算复杂性，因此增加了一层对分析或经验公式的近似，最终使结果不太可信。为了获得三维电感器件完全准确的特性参数，我们选择了更为可靠的解决方案——计算模拟。

在COMSOL Multiphysics 中模拟3D 电感器

COMSOL Multiphysics 提供了完整表征产品应用中安装的电感器所需的全套工具。 “案例下载”中的三维电感建模教程模型是AC/DC模块的初步入门模型，清晰演示了软件的一些主要功能。该模型对于学习如何表征和设计电感器非常有用。

在实际设备中，有多种方法可以驱动电流通过电感器。我们可以施加特定的电压、电流或功率。这可以是恒定值，也可以是振荡值，并且设置可以是更复杂的时间函数。在此应用示例中，单匝线圈和集总端口功能（分别针对低频和高频）使用电流驱动导体，并演示如何在各种产品应用中实际驱动线圈。

借助COMSOL Multiphysics，您不仅可以轻松构建电路模型（在COMSOL 软件中创建或通过导入SPICE 网表创建），而且稍后还可以将这些电路模型与有限元模型关联起来。由于COMSOL Multiphysics 能够识别哪些部件可以耦合在一起，并在方便的下拉框中列出这些选项，因此您可以轻松地将电感器与电感器的完整3D 模型和电路模型之间的内置连接功能相结合。连接到驱动电路。

当您在下拉框中选择输入功能时，电感器端子（蓝色）会自动耦合到电路模型。

众所周知，在高频（电感器可能工作的频率）下，由于集肤效应，电感器内的电流被限制在导体表面附近。在此应用示例中，集肤效应包含在COMSOL Multiphysics 的阻抗边界条件中。解析薄层中的电流是一个计算量非常大的过程，将其简化为边界条件可以节省时间并加速设计研究。

线圈表面产生高频电流（Am-2）。请注意，此时已完全捕获电流的不均匀性质。

重要的是，电感器本身的Q 因数取决于磁芯的材料特性，尤其是损耗。 COMSOL Multiphysics 的灵活性使您可以根据需要随时修改材料属性，以将损耗纳入模型中。软件自动完成计算，包括所有涡流损耗，其中磁芯中的介电损耗通过用户定义的介电常数r 的虚数贡献添加到模型中。您可以使用相同的便捷方法，通过复值磁导率r 将磁损耗纳入模型中。

对电感器模型结果进行后处理和分析

如果您希望赢得管理层的支持或给客户留下深刻的印象，COMSOL Multiphysics 的内置后处理功能可以帮助您只需单击几下即可绘制出清晰的结果。该软件自动计算并提供磁场、电流和损耗率等计算变量，用于评估电感器设计。 3D 电感器应用示例还演示了如何创建类似于下图的详细绘图。

当磁芯中的材料较薄时，其表面的磁通密度(T) 较高，因为磁芯传递的磁通量基本恒定。在线圈中，导体上会产生局部电势(V)。

只需多一点时间，您就可以扩展生成的图像以添加其他可选的绘图类型，例如流线图或箭头图。

在铁芯中，磁通密度显示在表面（T）上。在线圈中，电流密度(Am-2) 流线代表弯曲部分内较高的电流密度。周围区域的箭头指示磁场方向。

最后，为了实现模型的最终目标，需要计算电感的阻抗值和谐振频率。 COMSOL Multiphysics 自动计算许多变量，其中之一是每个频率下电感器的精确阻抗，因此您可以轻松地将这些参数绘制为图表。使用内置的实部和虚部运算符，您可以绘制阻抗的实部（电阻）和虚部（电感/电容）部分，从中可以轻松观察到谐振。

阻抗Z 的实部（左）和虚部（右）显示谐振以及电感和电容行为之间的切换。

在虚部图中，您还可以观察到随着谐振频率的通过，符号从正变为负，表示器件在高频下从感性主导切换到电容性主导，这与预期完全一致。

扩展电感器模型以考虑热效应

COMSOL Multiphysics 旨在轻松地将不同的物理效应集成到同一模型中。这也是该软件的“多物理场”功能。我们可以通过考虑电磁加热来扩展该电感器模型。线圈中的传导电流、涡流以及磁芯中的介电/磁损耗都会产生热量，热量通过高导热金属组件传播到周围的设备和电路板。使用感应加热接口，您可以轻松地将加热速率和温度分布的计算添加到感应设备模型中。