線圈建模的案例
在 COMSOL 中模擬電磁線圈
關于使用 AC/DC 模塊進行線圈建模的總結性思考
我們以介紹電流閉環的概念開始，研究線圈的建模。如果你正在為一個線圈建模，或者確實在做幾乎任何與電流和由此產生的磁場有關的建模工作，那么你應始終需要記住這個概念。
本文來自:COMSOL博客
Infolytica技術干貨|分裂式變壓器穿越阻抗
從而得出初步結論：仿真結果出錯的原因可能是低壓繞組型式設置問題導致的，即應該將箔式繞組設置成solid模式，不能按匝線圈（strand）設置。
為了驗證我們的分析判斷，決定建立一個低壓按層每匝建模的模型，進行仿真驗證。
6
改進后模型的建立及仿真結果
通過對問題分析后，重新建立了變壓器的三維模型。新模型低壓繞組采用分層設置，每層為一個單匝的線圈，低壓繞組1、2變為多個單匝線圈串聯組成。修改后建立的仿真模型圖如下：
圖2 兩個箔繞低壓繞組按solid線圈建模模型局部放大圖
再次用MagNet軟件進行仿真，仿真結果如下：
圖3 兩個箔繞低壓繞組按solid線圈建模全穿越磁場圖
圖4 兩個箔繞低壓繞組按solid線圈建模低壓1開路，低壓2短路時磁場圖
全穿越阻抗時仿真與實測值對比如下：
半穿越阻抗時仿真與實測值對比如下：
對低壓箔式繞組采用solid模式每匝建一個線圈后，軟件的仿真結果與實測值非常接近，證明了我們對問題的分析判斷是正確的，同時也證明了MagNet軟件在電磁場仿真方面的可靠性。
7
結論
1、在采用箔式繞組的分裂變壓器進行阻抗仿真時，如果沒有對箔式繞組進行分層建模和采用solid繞組模式，在進行全穿越阻抗計算時精度會降低，但仿真計算結果與實測值比較接近，需要快速仿真時可以采用。
2、對于雙繞組的箔繞變壓器在進行阻抗仿真計算時對箔式繞組進行不分層建模也是可行的，即采用匝線圈（stranded）設置，仿真結果可以滿足工程計算的需要。
展開 用SolidWorks建模的銅管冷卻線圈
建模步驟
1.在上視基準面上畫樣條曲線。
鏡像兩側
2.曲面拉伸。
3.在前視基準面上畫一條豎線。（曲面掃描的路徑）
4.在右視基準面上畫一條水平線。（曲面掃描的輪廓）
5.曲面掃描——沿路徑扭轉——旋轉：20圈。
6.進入3D草繪，交叉曲線——旋轉圖中的的藍色面。
7.刪除保留實體，兩個曲面。
就剩3D草圖了
8.在右視基準面畫圓，圓心與3D草圖穿透。（按住Ctrl鍵點圓心和3D草圖）
9.掃描。
10.再畫一個3D草圖。
頂部是一段樣條曲線
11.在藍色端面上草繪，轉換實體引用圓。
12.掃描。圓為輪廓，3D草圖為路徑。
13.抽殼，厚度0.1或0.05 。
案例51-用梁-梁接觸建模的管內多絲線圈
這個示例問題演示了三種方法來模擬管內的多線線圈。每個模型使用不同的接觸場景：面-面、梁-面或梁-梁。比較表明，使用梁-梁接觸的梁模型在簡化建模和減少計算時間方面具有最佳優勢。
重點介紹了以下特性和功能：
• 通過CONTA177單元建模的梁-梁和梁-面接觸
• 橫梁之間的內部接觸
介紹和問題描述
多線線圈和多股電纜主要用于醫療設備和汽車行業。一個例子是植入式導線，它可能是心臟除顫器等醫療設備的一部分。
通常進行彎曲分析以模擬電纜和線束，以模擬線圈線或電纜股水平的實際物理行為。使用實體單元分析這些類型的結構在計算上可能很昂貴。另一方面，具有梁-梁接觸的梁模型提供簡化建模的快速準確的解。
對可植入導線模型進行彎曲分析。該結構由聚合物管殼內的五線金屬線圈組成。管長3.45 mm，外徑0.43 mm，內徑0.36 mm。線圈導線的半徑為0.05 mm，導線之間的初始間隙為0.0125 mm。
在每個模型中定義了兩個接觸對：一個用于線圈的線-線接觸的自接觸對，以及線圈和管之間的一個接觸對。要應用彎曲邊界條件，管和線圈的一端固定，另一端繞Y軸旋轉1.2弧度。
創建了三種不同的模型：
1. 實心管和實心線圈
2. 實心管和梁線圈
3. 束管和束線圈
使用的具體單元類型和接觸模型如下：
三種類型的網格如下：
建模
建模五絲線圈
線圈的半徑為0.3mm，導線的半徑為0.05mm，導線之間的初始間隙為0.0125mm。
情況1：創建了五層實心螺旋線圈，并用SOLID186單元劃分網格；見下圖（a）。
情況2和情況3：創建螺旋線圈的線模型，并用BEAM189單元劃分網格；見下圖（b）。
展開 
基于ANSYS Maxwell的平面螺旋型線圈電感仿真分析
二、不含隔磁片的平面螺旋型線圈
本節將在ANSYS Maxwell的Magnetostatic靜磁場求解器的RZ軸對稱坐標系中，建立圖1(a)中不含隔磁片的平面螺旋型線圈的2D和3D模型。為了對比結果，2D和3D模型應設置相同大小的求解區域。
（一）不含隔磁片的平面螺旋型線圈2D模型
本節將對線圈采用兩種建模方式。第一種采用導線的圓截面對線圈進行建模，第二種將線圈截面用一個矩形進行近似建模，現在對比兩種建模方法的結果。
第一種建模方式，每一匝導線用一個半徑為0.5mm、 材料為銅的圓形表示，匝間距為0.15mm，建立好的模型如圖2所示。為線圈添加一個高度和寬度均為100mm的求解區域Region。給每一匝線圈加載激勵電流1A，并設置求解電感矩陣值，Maxwell 2D→Parameters→Assign→Matrix，在彈出的窗口中勾選加載在10個圓截面上的激勵源。設置完畢后，對模型進行分析求解。
在Maxwell 2D→Results→Solution Data窗口中查看求解結果，以10匝導線的圓截面對平面螺旋線圈進行建模，得到的電感矩陣為一個10×10的電感矩陣，主對角線元素為每匝導線的自感，其他非主對角線元素為各匝導線之間的互感。由于線圈電感L即為每匝導線的自感Li與各匝導線之間互感Mij之和，得出式(2)：
式(2)中，Li為線圈的自感，Mij為第i匝導線與第j匝導線之間的互感。將ANSYS計算的電感矩陣數據導入Matlab中，根據式(2)計算得到的線圈電感值為3.653 2uH。
此外，利用ANSYS Maxwell軟件可以求出整個求解區域的能量，再通過線圈電感與線圈總能量的關系求出線圈的電感值。
展開 comsol電磁場使用者福利
4、多物理場仿真軟件的關鍵特性
5、COMSOL軟件介紹
二，COMSOL軟件基礎操作
1、幾何建模：
COMSOL自帶幾何文件創建詳解， 幾何建模注意事項和建議，特殊幾何體建模，組合體和裝配體的異同
2、網格剖分：
網格劃分及各項功能詳解，網格剖分注意事項和網格收斂性判定，不同物理場的網格選擇與優化，網格質量判定與估計，自適應網格用法詳解。
3、后處理：
數據集處理以及求解數據的選擇，數據的二次處理繪圖
4、求解器：
直接求解器和迭代求解器的使用，從方程上求解上展示全耦合求解和分離式求解的異同，針對物理場如何選取和優化求解器。
5、參數、變量、函數、探針的作用及其使用方法，參數化掃描和助掃描的作用和使用。
三、低頻電磁場（ACDC）物理場技術詳解 1、麥克斯韋方程組微分形式講解和推導
2、電容、電感、電阻的控制方程和邊界條件設置，提取集總參數得到電容值，電感值。
電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
集總端口設置、薄層設置、線圈電容提取、不同頻率下線圈條件選擇
4、電磁—聲—壓相互作用
建立靜電電路接口+聲學+幾何結構
5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
（1）人體頭顱腫瘤MIT電磁探測
（2）人體頭顱幾何畫法。
（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
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電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
集總端口設置、薄層設置、線圈電容提取、不同頻率下線圈條件選擇
4、電磁—聲—壓相互作用
建立靜電電路接口+聲學+幾何結構
5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
（1）人體頭顱腫瘤MIT電磁探測
（2）人體頭顱幾何畫法。
（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
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電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
集總端口設置、薄層設置、線圈電容提取、不同頻率下線圈條件選擇
4、電磁—聲—壓相互作用
建立靜電電路接口+聲學+幾何結構
5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
（1）人體頭顱腫瘤MIT電磁探測
（2）人體頭顱幾何畫法。
（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
展開 在 COMSOL 中模擬電磁線圈
科學家使用亥姆霍茲線圈來產生均勻的磁場，用于研究電磁場及其特性。在 MRI、光譜學、磁阻測量和設備校準中都會使用這類設備。這篇文章，我們將介紹什么是亥姆霍茲線圈，為什么它如此重要，以及使用仿真方法對其進行設計。
使用亥姆霍茲線圈產生均勻磁場
磁場由移動電荷產生，當電荷在空間中移動或旋轉時，能夠建立磁場。當磁場不均勻時，物體在各處的磁場均不同。但是，通過兩個相同線圈的特殊排列（稱為亥姆霍茲線圈）可以得到非常均勻的磁場。
亥姆霍茲線圈用于為需要特定磁場的實驗產生均勻磁場或抵消外部磁場，如地球磁場。其他應用還包括確定磁屏蔽效果、量化電子設備對磁場的敏感性以及校準導航設備。
陰極射線在亥姆霍茲線圈中彎曲成一個圓圈。圖片來源：Sfu。根據 CC BY-SA 3.0授權，通過 Wikimedia Commons 共享。
在設計亥姆霍茲線圈時，很自然地會提出一個問題：磁場的均勻性如何，距離應多遠？我們可以借助 COMSOL Multiphysics? 軟件來回答這個問題，。
分析亥姆霍茲線圈的磁場
亥姆霍茲線圈的幾何形狀由兩個相同的圓形線圈組成，它們之間間隔一個半徑。線圈均勻纏繞，以使電流以相同的方向流動。反過來，這又會產生均勻的磁場，其中主要部件平行于兩個線圈的中心軸。這種均勻性可以歸因于平行于線圈軸的兩個場分量的總和以及垂直于這些相同軸的分量之間的差。
亥姆霍茲線圈示意圖。
為了對線圈進行建模，我們使用 COMSOL 軟件內置的 3D 磁場 接口，該接口在 AC/DC 模塊中可用。這個例子中，線圈由 10 匝導線組成，有 0.25 mA 的電流通過。
亥姆霍茲線圈教程模型的幾何結構。
從下圖中，我們可以看到兩個線圈之間的磁通密度。請注意，紅色箭頭表示磁場的強度和方向。
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電準靜態、磁準靜態理論分析
3、線圈模型分析
三維線圈建模，不同線圈類型及激勵設置，線圈阻抗參數提取，邊界條件、網格剖分，求解器設。
集總端口設置、薄層設置、線圈電容提取、不同頻率下線圈條件選擇
4、電磁—聲—壓相互作用
建立靜電電路接口+聲學+幾何結構
5、磁流體建模
磁力控制方程設置，邊界條件設置，耦合電場、磁場和流場，解偏微分方程組，使用安培定律和電流守恒特征求解洛倫茲項特征
四、實際案例模型操作
案例一、電磁探測
（1）人體頭顱腫瘤MIT電磁探測
（2）人體頭顱幾何畫法。
（3）正向問題求解探討
（4）發射角與接收角相位差計算。
展開 計算電磁學模擬：使用哪個模塊？
這種情況的典型例子是亥姆霍茲線圈的磁場。
當移至時域時，我們求解以下方程式：
其中，。
該方程式僅考慮傳導電流和感應電流，而不考慮位移電流。如果功率傳輸主要是通過傳導而不是輻射進行，這就是合理的。求解此方程式的一個重要動機是，是否存在材料非線性，例如，E 型磁芯變壓器這個示例的 BH 非線性材料。但是，應該指出的是，還有通過等效 HB 曲線方法求解 BH 非線性材料的替代方法。
當我們進入頻域時，控制方程變為：
請注意，該方程式同時考慮了傳導電流 ，以及位移電流 ，并且開始看起來非常類似于波動方程。實際上，在假設輻射可忽略不計的情況下，該方程可解決結構諧振及其周圍頻率的問題，如這個示例所示：三維電感器模擬。
有關上述方程組在磁場模擬中的用法的更完整介紹，請參閱我們關于電磁線圈建模的系列講座。
也可以將磁標勢方程式和矢勢方程式混合，這在電動機和發電機模擬中都有應用。
除了上述關于磁矢勢和標勢的靜態、瞬態和頻域方程式之外，還存在關于磁場的單獨公式，適用于超導材料的模擬，例如以下所示的超導線示例。
使用 RF 模塊或波動光學模塊模擬頻域和時域中的波動方程
當我們進入高頻狀態時，電磁場在本質上會體現波動性，就像 天線、微波電路、光波導、微波加熱、自由空間中的散射和基底上對象的散射模擬一樣，我們在頻域中求解形式與麥克斯韋方程組稍有不同：
這個方程是用電場 來寫的，并且磁場的計算公式為： 。它既可以以一組指定的頻率來求解，也可以作為特征頻率問題來求解，它可以直接求解設備的諧振頻率。特征頻率分析的示例包括閉合腔、線圈和法布里-珀羅腔多個基準示例,，并且此類模型可以計算諧振頻率和品質因子。
在指定頻率范圍內求解系統響應時，可以直接在一組離散頻率上求解，在這種情況下，計算成本與指定頻率的數量成線性比例關系。
展開 
建模問題實例解析
最近ANSYS建模遇到了點小問題，折騰了好半天。現在終于搞清楚原由了，在這里分享一下，也許能幫到大家。也方便各位童鞋朋友以后遇到類似問題也好有個查錯思路。
所建模型是一個三維的線圈，處在長方體空氣區域里，為后面電磁場分析建立幾何模型。（空氣區域需要減去線圈所占的區域）。線型結構如下圖。
最初的建模命令如下：
/Prep7
pi=acos(-1) !定義圓周率pi
R=2 !線圈XY平面投影時中徑大小
R1=4 !線圈XZ投影是半徑大小
*do,i,0,16,1
*set,x,R*cos(i*pi/8)
*set,y,R*sin(i*pi/8)
*set,z,SQRT(R1*R1-(R*R*cos(i*pi/8)*cos(i*pi/8))) !定義XYZ坐標點
k,i+1,x,y,z
*enddo
*do,i,1,9,4
bsplin,i,i+1,i+2,i+3,i+4
*enddo
KDELE,17
bsplin,13,14,15,16,1 !定義樣條曲線
kwpave,1 !將工作平面原點移動到關鍵點1處
wpro,,90,
pcirc,0,0.1,0,360 !建立線圈截面
*do,j,1,4,1
vdrag,1+(j-1)*5,,,,,,j
*enddo !拉伸截面生成線圈實體
CM,COIL,VOLU !
展開 基于ansys管道交變電磁場
本文主要是針對油田注水管道及其外部纏繞的線圈進行建模，分析線圈在管道內產生的感應電磁場。由于各種管道的工況條件不同，所纏繞線圈中電流的變化不同，如果使用物理方法進行模擬仿真，不但操作復雜而且仿真精度差。因此開發出一個基于ANSYS環境的管道系統模型，在此基礎上加載線圈電流，進行求解分析，便計算及仿真。該仿真使用APLD命令流完成從建模到求解的全部過程。
2 管道模型的建立
建立三維有限元模型分析磁場。由于ANSYS可以針對三維靜態電 磁場分析，以宏模式預創建過程完備的線圈，無須考慮時間軸，因此可以選擇三維靜態電磁場分析某一時間點處管道內的磁場分布特性。自頂向下進行實體建模，定義柱體作為基元，利用基元直接構造幾何模型。創建模型時注意管道外的線圈應為無縫隙密布排列，否則將會存在嚴重的漏磁現象，影響實驗結果。其命令流如下所示：
/prep7
CYLIND,0.5,0.4,-1,1,0,360,
CYLIND,0.4,0,-1,1,0,360,
！建立管道圓柱模型
FLST,2,2,6,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-2
VGLUE,P51X
RACE,0.51,0.51,0.5,150,0.02,0.6, , , '111'
！建立線圈模型
GPLOT
3 網格劃分
在單元類型分配時選擇管道材料的單元型為SOLID98—Scalar專用的三維單元類型。線圈的單元類型為SOURC36，它在管道模型建立時已經自動定義，無需再次說明。管道模型及其內部的注入水均為是非磁性介質，所以設置導磁率的值為1。網格劃分的實質是由實體模型生成有限元模型。由于線圈為ANSYS以宏格式配備的完備激勵體，無須分配單元類型和劃分網格。
展開 ANSYS建模問題實例解析
最近ANSYS建模遇到了點小問題，折騰了好半天。現在終于搞清楚原由了，在這里分享一下，也許能幫到大家。也方便各位童鞋朋友以后遇到類似問題也好有個查錯思路。
所建模型是一個三維的線圈，處在長方體空氣區域里，為后面電磁場分析建立幾何模型。（空氣區域需要減去線圈所占的區域）。
線型結構如下圖。
最初的建模命令如下：
/Prep7
pi=acos(-1) !定義圓周率pi
R=2 !線圈XY平面投影時中徑大小
R1=4 !線圈XZ投影是半徑大小
*do,i,0,16,1
*set,x,R*cos(i*pi/8)
*set,y,R*sin(i*pi/8)
*set,z,SQRT(R1*R1-(R*R*cos(i*pi/8)*cos(i*pi/8))) !定義XYZ坐標點
k,i+1,x,y,z
*enddo
*do,i,1,9,4
bsplin,i,i+1,i+2,i+3,i+4
*enddo
KDELE,17
bsplin,13,14,15,16,1 !定義樣條曲線
kwpave,1 !將工作平面原點移動到關鍵點1處
wpro,,90,
pcirc,0,0.1,0,360 !建立線圈截面
*do,j,1,4,1
vdrag,1+(j-1)*5,,,,,,j
*enddo !拉伸截面生成線圈實體
CM,COIL,VOLU !
展開 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
該模型捕捉了所有細節，例如風扇孔口、風扇護罩、線圈和百葉窗。在本研究中，線圈被建模為多孔區域，并應用滑動網格方法來計算Actran氣動聲學模擬所需的非定常CFD結果。旋轉域（風扇）的旋轉頻率為1118RPM。例子中的時間步長為0.0005s。此次模擬，0.8秒的總時間確保所求最小頻率遠小于37.2Hz（葉片通過頻率）。
圖1：旋轉域包圍風扇葉片，靜止域包含流動障礙物和多孔線圈
Lighthill聲類比有兩種源的計算方式，分別是在域的整個體積上和在源的表面上執行源的計算。如果采用前一種方法，源計算需要整個域上的CFD信息，但在后一種方法中，我們只需要在單個表面而不是體積上讀取速度信息（以及不可壓縮模擬情況下的密度），從文件管理的角度來看，這是一個很大的優勢。本研究中風扇作為唯一的主要聲源，為了加速CFD模擬僅導出包圍風扇的表面，即轉子-定子界面靜態側的CFD數據。CFD求解器采用480個核心的仿真時間接近40小時。最耗時的部分是在每個時間步下寫入數據這個步驟，這會減慢求解速度。
本例基于Actran2021.1，采用Lighthill面源方法，將聲源映射到聲學網格上，并完成時域氣動聲源轉成頻域的計算。這項研究的新穎之處在于這一步，其中采用兩個互補的離散傅里葉變換（DFT）設置來精確計算線譜音調和寬頻噪聲，同時避免了由于采樣時間有限而在高頻下出現不切實際的聲壓級波動：
① 對于葉片通過頻率(BPF)及其諧波引起的線譜音調噪聲，使用最小二乘法在整個采樣時間內定義并完成第一個DFT。該方法強制提取用戶設置的頻率。
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