如何為電磁線圈仿真選擇邊界條件

在使用 COMSOL Multiphysics 中的 AC/DC 模塊對線圈進(jìn)行建模時(shí)，你是否需要考慮使用哪種類型的邊界條件來截?cái)嘟Ｓ?。在這篇文章中，我們將介紹可以使用的不同邊界條件以及如何在它們之間進(jìn)行選擇。

在使用 COMSOL Multiphysics 中的 AC/DC 模塊對線圈進(jìn)行建模時(shí)，你是否需要考慮使用哪種類型的邊界條件來截?cái)嘟Ｓ?。在這篇文章中，我們將介紹可以使用的不同邊界條件以及如何在它們之間進(jìn)行選擇。

概述：線圈建模的邊界條件

上一篇關(guān)于線圈建模基礎(chǔ)知識的文章中，我們提到，無論什么時(shí)候?qū)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/電磁線圈">電磁線圈進(jìn)行建模，都需要從閉合電流環(huán)路的角度來考慮。電流環(huán)路可以完全在建模域內(nèi)，也可以通過邊界條件閉合，如下圖所示。

連接到電壓源的線圈(左)和兩種不同的閉合電流環(huán)路的方法(右)。

就像我們之前所了解到的，如果線圈延伸到建模域的邊界，那么流過線圈的電流將沿著建模域邊界返回。否則，為了使電流環(huán)路閉合，線圈就必須在建模域內(nèi)形成環(huán)路。在這里，我們將重點(diǎn)討論兩個(gè)問題。首先，我們應(yīng)該使用哪些邊界條件？其次，這些邊界應(yīng)該離線圈多遠(yuǎn)？

我們先將線圈看作位于一個(gè)延伸到無窮大并且不包含其他任何東西的空間中。顯然，我們不可能建立一個(gè)無限大的域。我們必須將建模域截?cái)酁槟硞€(gè)有限大小，這樣就能在不增加過多計(jì)算量的基礎(chǔ)上獲得合理而準(zhǔn)確的結(jié)果。首先，讓我們考慮在建模域內(nèi)閉合的軸對稱線圈的情況。這種情況可以通過二維軸對稱模型進(jìn)行分析，如下圖所示。

可以通過二維軸對稱模型分析球形域內(nèi)的圓形線圈。對整個(gè)研究域的半徑根據(jù)線圈的半徑進(jìn)行歸一化處理。

我們將沿上圖所示的建模域的外半徑考慮兩種不同的邊界條件：磁絕緣（MI）邊界條件和完美磁導(dǎo)體（PMC）邊界條件。磁絕緣條件可以在物理上解釋為具有無限導(dǎo)電性的域邊界。也就是說，磁絕緣條件意味著線圈被封閉在一個(gè)導(dǎo)電率非常高的球殼中。電流可以在磁絕緣邊界上流動(dòng)和感應(yīng)。從數(shù)學(xué)上講，磁絕緣條件將正在求解的場變量固定為邊界處為零。它是一個(gè)齊次狄利克雷邊界條件。

完美磁導(dǎo)體邊界條件可以被認(rèn)為是與磁絕緣條件相反的邊界條件。在數(shù)學(xué)上，它強(qiáng)制執(zhí)行齊次 Neumann 條件，這意味著解場在垂直于邊界的方向上的導(dǎo)數(shù)為零。即在完美磁導(dǎo)體邊界上沒有電流可以流動(dòng)或者感應(yīng)。

由于這兩個(gè)邊界條件可以被認(rèn)為是相反的，我們來看看在求解時(shí)增大周圍空氣球的半徑會使計(jì)算結(jié)果發(fā)生怎樣的變化，并跟蹤線圈的電感。我們可以對域半徑進(jìn)行參數(shù)化掃描，然后通過合并解來取兩個(gè)不同邊界條件的平均值。計(jì)算結(jié)果如下圖所示，我們可以觀察到電感的解隨著域半徑的增加而收斂，還可以觀察到兩個(gè)解的平均值收斂得更快。

在不同邊界條件下，隨著建模域半徑的增加的線圈歸一化電感。

從上面的圖中，我們可以得出結(jié)論，對于這個(gè)軸對稱問題，使用哪個(gè)邊界條件并不重要，只要研究域半徑增加的解就可以了。還可以得出，我們可以在相對較小的域半徑下運(yùn)行模型，并同時(shí)使用磁絕緣和完美磁導(dǎo)體邊界條件獲得兩種情況下的平均值。即使對于小半徑，這個(gè)平均值也將很好地預(yù)測較大域半徑下的解。

用域條件替換邊界條件

實(shí)際上，我們可以通過使用稱為無限元 域的域條件截?cái)嘟Ｓ蛲耆苊膺吔鐥l件的問題。無限元域要求在建模域的外部周圍添加一個(gè)附加域作為層。然后，軟件在內(nèi)部執(zhí)行該域內(nèi)的坐標(biāo)拉伸，以使該域無限大，用于所有實(shí)際目的。因此，具有無限元域的模型的解將與域半徑增加時(shí)的解相同。

無限元域的優(yōu)點(diǎn)是它避免了在邊界條件之間進(jìn)行選擇的問題以及域大小的問題。無限元域可以放置在非?？拷€圈的地方，甚至可以與線圈接觸。無限元引入的唯一額外工作是模型和網(wǎng)格劃分設(shè)置。此外，較大的三維模型的求解時(shí)間和內(nèi)存要求可能更大。然而，這些只是為增加便利性而付出的非常小的代價(jià)。

典型二維軸對稱域和三維無限單元域的網(wǎng)格。

關(guān)于為線圈建模選擇邊界條件的結(jié)束語

在自由空間中對電磁線圈進(jìn)行建模時(shí)，我們研究了三種不同的截?cái)嘤虻姆椒ǎ捍沤^緣邊界條件、完美磁導(dǎo)體邊界條件和無限元域。使用磁絕緣和完美磁導(dǎo)體邊界條件時(shí)，必須研究域半徑增加的模型收斂性，以及隨著域半徑的增加，解將全部收斂到相同的值。取兩種情況的平均值可以預(yù)測在較大的域半徑下會發(fā)生什么。你也可以嘗試使用無限元域來得到相同的答案。

如果線圈延伸到建模域的邊界，就需要通過磁絕緣邊界條件提供電流返回路徑。如果存在表示金屬外殼的域邊界，并且是在頻域中建模，那么還要關(guān)注阻抗邊界條件，這對于模擬有損材料（如金屬）很有用。

如果你有一個(gè)對稱性的模型，還可以使用磁絕緣和完美磁導(dǎo)體邊界條件來強(qiáng)制實(shí)施不同類型的對稱性， 具體可以查看利用對稱性簡化磁場建模這篇文章。

更多資源

如果你剛開始學(xué)習(xí)使用 COMSOL Multiphysics 的 AC/DC 模塊進(jìn)行線圈建模，還可以在官網(wǎng)查看下方案例模型：

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