COMSOL Multiphysics® 5.3

Release Highlights

AC/DC Module Updates

AC/DC 모듈 사용자를 위해 COMSOL Multiphysics®버전 5.3은 새로운 Electrostatics, Boundary Elements 물리 인터페이스, 새로운 Stationary Source Sweep 해석 단계와 몇 가지 새로운 튜터리얼을 제공합니다. 아래에서 모든 AC/DC 모듈 업데이트를 보다 자세하게 볼 수 있습니다.

New Physics Interface: Electrostatics, Boundary Elements


새로운 Electrostatics, Boundary Elements 인터페이스는 유한요소법(FEM)에 적합하지 않은 모델을 만들고 실행하기 위해 개발되었습니다. 공식은 BEM(boundary element method)을 기반으로 합니다. 물리 인터페이스는 2D 및 3D에서 사용할 수 있고, 스칼라 전위를 종속 변수로 사용하는 전위에 대하여 라플라스(Laplace) 방정식을 풉니다. 이 새로운 인터페이스는 유전체의 포텐셜 분포를 계산하기 위한 Electrostatics인터페이스의 대안으로 사용될 수 있으며, 특히 메시를 구성하기 어려운 구조물에 편리합니다. 경계상의 전위 분포는 반드시 명시적으로 정의되어야 하므로 도매인내에서 일정한 재료 데이터가 필요합니다.

Electrostatics, Boundary Elements 인터페이스는 다중물리 노드의 Boundary Electric Potential Coupling을 사용하여, 유한요소 기반 Electrostatics인터페이스와 결합 할 수도 있습니다. 예를 들어, Infinite Element Domain 기능을 사용하는 대신 무한 공간의 효과를 포함하기 위해 두 인터페이스를 조합 하여 사용할 수 있습니다.

경계요소를 사용하여 모델링 된 가변 콘텐서의 정전기 거동. 전기장 및 전위는 화살표로 표시되고, 전극 표면에 표시된 것은 유도된 표면전하 밀도입니다. 이 시뮬레이션에 경계요소법을 사용하면 도메인과 경계의 유한 모델링을 정의할 필요가 없으며 콘덴서의 얇은 부피에 메시를 나눌 필요가 없습니다

경계요소를 사용하여 모델링 된 가변 콘텐서의 정전기 거동. 전기장 및 전위는 화살표로 표시되고, 전극 표면에 표시된 것은 유도된 표면전하 밀도입니다. 이 시뮬레이션에 경계요소법을 사용하면 도메인과 경계의 유한 모델링을 정의할 필요가 없으며 콘덴서의 얇은 부피에 메시를 나눌 필요가 없습니다

Application Library path for an example using the Electrostatics, Boundary Elements interface:

ACDC_Module/Capacitive_Devices/capacitor_tunable

New Study Step: Stationary Source Sweep


새로운 Stationary Source Sweep은 Electrostatics, Electric Currents 와 Electrostatics, Boundary Elements 인터페이스에서 일괄 매개 변수를 보다 빨리 계산할 수 있게 맞춤 연구를 가능하게 합니다. 직접 솔버의 경우 시스템 매트릭스의 LU분해를 재사용 하므로 이전 포트 스윕의 구현 보다 몇 배 빠릅니다. 반복 솔버를 사용할 때의 속도 또한 향상되었습니다.

AC/DC모듈 Application Library에 있는 Touchscreen Simulator어플리케이션은 모형으로 표시되는 인간의 손가락이 있는 상태에서 터치 스크린의 커패시턴스 행렬을 계산합니다. 손가락의 위치와 방향은 입력 파라미터를 통해 제어되며 그 결과로 커패시턴스 매트릭스가 평가됩니다. 그림은 터치스크린 시뮬레이터 앱을 제작하는 데 사용 된 기본 모델을 보여줍니다. 이 모델은 Stationary Source Sweep 해석 단계를 사용하여 훨씬 빠른 솔루션을 제공합니다.

AC/DC모듈 Application Library에 있는 Touchscreen Simulator어플리케이션은 모형으로 표시되는 인간의 손가락이 있는 상태에서 터치 스크린의 커패시턴스 행렬을 계산합니다. 손가락의 위치와 방향은 입력 파라미터를 통해 제어되며 그 결과로 커패시턴스 매트릭스가 평가됩니다. 그림은 터치스크린 시뮬레이터 앱을 제작하는 데 사용 된 기본 모델을 보여줍니다. 이 모델은 Stationary Source Sweep 해석 단계를 사용하여 훨씬 빠른 솔루션을 제공합니다.

Application Library path for an example using the Stationary Source Sweep study step:

ACDC_Module/Applications/touchscreen_simulator

Solver Support for Hybrid BEM/FEM Problems

때로는 하나의 수치적 방법으로 다중물리 문제를 풀 수 있지만 서로 다른 물리에 대해 서로 다른 수치적 방법-경계요소법(BEM) 및 유한요소법(FEM)을 사용하여 최적으로 해결합니다. 하이브리드 BEM/FEM 모델은 FEM 파트에 대한 희소 포맷과 BEM파트에 대한 고밀도 또는 매트릭스가 없는 포맷에 대해 최적인 메트릭스 저장소를 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 각각의 FEM과 BEM 행렬에 대해 별도의 프리컨디셔너(preconditioner)/스무더(smoother)를 사용할 수 있습니다

예를 들어, 하이브리드 프리컨디셔너로 효율적인 반복솔버를 사용할 수 있습니다. FEM부는 평소와 같이 다소 자유롭게 프리컨디셔닝 할 수 있고 BEM부는 근접장(near field) 매트릭스의 앞서 언급한 프리컨디셔너중 하나를 함께 사용할 수 있습니다. 반복법은 서로 다른 종류의 고속 벡터 외적을 최적으로 사용하여 하이브리드 방식으로 매트릭스 기반/매트릭스 프리의 잔차를 계산합니다.

New Tutorial Models: Capacitive Position Sensor (Boundary Elements and Finite Elements)

AC/DC Module Application Library의 두 가지 새로운 정전계 튜터리얼은 BEM 사용의 이점을 보여주면서 새로운 Stationary Source Sweep 해석단계를 통해 일괄 매트릭스를 추출하는 방법을 설명 합니다.
5 단자 시스템의 커패시턴스 행렬이 계산 되고 금속 물체의 위치를 식별하는데 사용 됩니다. 터미널의 하부집합을 스윕하는 것과 같은 추가 해석기능 및 모델링 기술이 소개됩니다. 또한 모델이 직접 및 반복 솔버를 사용할 때 연구의 성능이 어떻게 영향을 받는지 비교합니다.

튜터리얼은 BEM과 FEM을 사용하는 두 가지 다른 물리 인터페이스(Electrostatics, 와 Electrostatics, Boundary Elements)를 사용하여 비교 합니다. FEM을 사용하는 경우 주위 공기의 일부분에 대한 부피 메시가 필요합니다. BEM을 사용하는 경우 필요하지 않습니다. BEM은 전도체 표면과 유전 특성이 변화하는 계면에서만 메시 나누기를 요구합니다.

Electrostatics, Boundary Elements 인터페이스를 사용한 정전용량성 위치 센서 모델 결과. 전계는 화살표의 방향과 크기로 표시됩니다. 전위는 화살표와 센서 표면의 색(무지개 색)을 통해 표시됩니다. 시험용 금속 블록에 유도된 표면전하 밀도가(Jupiter Aurora Borealis 색) 그려집니다.

Electrostatics, Boundary Elements 인터페이스를 사용한 정전용량성 위치 센서 모델 결과. 전계는 화살표의 방향과 크기로 표시됩니다. 전위는 화살표와 센서 표면의 색(무지개 색)을 통해 표시됩니다. 시험용 금속 블록에 유도된 표면전하 밀도가(Jupiter Aurora Borealis 색) 그려집니다.

Application Library paths for the Capacitive Position Sensor models:

ACDC_Module/Tutorials/capacitive_pressure_sensor
ACDC_Module/Tutorials/capacitive_pressure_sensor_bem

New Tutorial Model: Axisymmetric Approximation of a 3D Inductor

유도성 소자는 높은 주파수에서 도체 사이의 용량성 결합을 경험합니다. 이 현상을 모델링 하려면 와이어와 평행하고 수직인 구성요소가 있는 전계를 묘사해야 합니다. 이러한 고려는 실제로 코일이 나선형이더라도 항상 현상을 모델링 하는데 3D모델이 필요하다는 결론을 이끌어 낼 수 있습니다.

3D 인덕터 예제는 축대칭 시뮬레이션을 통해 3D인덕터의 자체 공진과 관련된 정보를 추출하는 방법을 보여줍니다. 정확한 축 대칭 모델을 구현하기 위해 효과적인 축대칭 코어가 생성되고, RLC Coil Group 기능이 사용됩니다. 이 치우친 방법(lean method)은 센서 또는 변압기와 같이 수천 번의 턴이 있는 시스템을 연구하는데 특히 적합하며 계산 비용을 낮게 유지할 수 있습니다.

2차원 축대칭 인덕터 시뮬레이션을 회전시킨 3D. 시뮬레이션은 자기 공명 근처인 6.5MHz에서의 결과를 보여줍니다. 코어의 자속밀도(무지개색)와 권선 표면의 손실 밀도(W/m3)가 표시(열 화상카메라 색)됩니다. 화살표는 전계를 보여줍니다.

2차원 축대칭 인덕터 시뮬레이션을 회전시킨 3D. 시뮬레이션은 자기 공명 근처인 6.5MHz에서의 결과를 보여줍니다. 코어의 자속밀도(무지개색)와 권선 표면의 손실 밀도(W/m3)가 표시(열 화상카메라 색)됩니다. 화살표는 전계를 보여줍니다.

Application Library path for the Axisymmetric Approximation of a 3D Inductor model:

ACDC_Module/Inductive_Devices_and_Coils/axisymmetric_approximation_of_inductor_3d

New Tutorial Model: Permanent Magnet Motor in 3D

영구자석(PM)모터는 예를 들면, 전기 및 하이브리드 자동차와 같은 많은 최첨단 어플리케이션에 사용됩니다. 중요한 설계상의 제한사항은 자석이 전류 특히 와전류로 인한 열손실로 인해 발생할 수 있는 고온에 민감하다는 것입니다.

여기서, 18극 PM모터는 3D로 모델링되어 자석의 와전류 손실을 정확하게 포착합니다. 회전자와 공극 일부를 포함하는 구조의 중앙 부분은 고정자의 좌표게 대해서 상대적으로 회전하는 것으로 모델링 됩니다. 섹터 대칭 및 축 거울면 대칭은 장치의 전체 3D 동작을 포착하면서 계산 작업을 줄이기 위해 활용 됩니다.

추가적인 종속 변수는 자석에서 와전류 손실 밀도의 시간 적분을 계산하고 저장 하는데 사용됩니다. 이것은 나중에 별도의 열전달 해석에서 시간-평균 열원으로 분배되어 사용될 수 있습니다. 열적 시간 규모는 일반적으로 유도 전류 손실의 시간 규모 보다 훨씬 큽니다.

코일(구리)이 있는 영구자석 모터의 전체 형상 묘사, 회전자 및 고정자(회색),영구자석(방사형 자화 방향에 따라 빨간색과 파란색). 자속밀도 B는 색상 범례와 연동되어 화살표로 표시됩니다.

코일(구리)이 있는 영구자석 모터의 전체 형상 묘사, 회전자 및 고정자(회색),영구자석(방사형 자화 방향에 따라 빨간색과 파란색). 자속밀도 B는 색상 범례와 연동되어 화살표로 표시됩니다.

코일(구리)이 있는 영구자석 모터의 에니메이션; 회전자 및 고정자(회색); 영구자석(방사형 자화 방향에 따라 빨간색과 파란색).
자속밀도 B는 색상 범례와 연동되어 화살표로 표시됩니다.
자속밀도B(열광색) 및 코일전류(회색), 자석의 와전류(흰색)을 화살표로 보여주는 섹터 주기의 에니메이션.
표면 플롯(열화상 카메라 색)은 자석의 시간-평균 와전류 손실 밀도를 보여줍니다.
Application Library path for the Permanent Magnet Motor in 3D model:

ACDC_Module/Motors_and_Actuators/pm_motor_3d

New Tutorial Model: Electrodynamics of a Magnetic Power Switch

과전류 또는 과부하와 같은 전기적 사고는 전기 회로 또는 전력선에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 중요 부품의 값비싼 교체를 피하기 위해 전기적 스위치 차단기를 설치할 수 있습니다. 이것들은 임계전류에 도달하자마자 플런저를 움직여서 전류의 흐름 또는 서지를 기계적으로 차단합니다. 주변 전자 부품들을 보호하기 위해 활성화된 후 교체해야 하는 퓨즈와 달리 회로 차단기는 재설정 할 수 있습니다.

이 튜터리얼의 주요 목적은 작동 원리와 한 유형의 회로 차단기(자력 스위치)를 모델링 하는 것이 가능한 솔루션을 탐구하는 것입니다. 이것은 철제 플런저가 플런저를 둘러싸는 코일 전류로 인해 자기적 인력이 가해져 움직이는 전기기기입니다. 구동 전류를 끄면 스위치는 초기 상태로 재설정됩니다.

모델은 자기력, 유도전류, 그리고 플런저를 평형 상태로 유지하는 스프링/구속조건의 영향하에서 강체 동역학을 시뮬레이션 합니다. 구리 코일은 고정 된 상태로 유지되는 하부의 E-코어 중앙 다리에 놓입니다. 코일에 전류가 흐르면 압축 스프링에 의해 제 위치에 고정되어 있는 상부 E-코어(움직이는 플런저)에 인장력이 가해집니다. 힘이 임계값에 도달 하면 플런저가 하부 E-코어 쪽으로 이동하여 공극을 닫습니다. 모델은 스프링 강성에 따라 움직임 및 닫는 시간을 올바르게 시뮬레이션 하는 방법을 보여줍니다.

자기력 스위치의 과도 특성. 코일 전류가 증가함에 따라 철 풀런저가 당겨집니다.
플런저가 멈추면 자속은 코어를 계속 포화시킵니다.
Application Library path for the Magnetic Power Switch model:

ACDC_Module/Motors_and_Actuators/power_switch

New Tutorial Model: Operational Amplifier with Capacitive Load

연산 증폭기(op-amp)는 아날로그 전자제품에서 광범위한 응용분야를 가진 차동 전압 증폭기 입니다. 이 튜터리얼은 피드팩 루프와 용량성 부하에 연결된 연산 증폭기를 모델링 합니다.
연산 증폭기는 외부 회로에 삽입되는 Electrical Circuit인터페이스의 서브회로로 모델링 됩니다. 모델은 부분적으로 SPICE 형식을 기반으로 합니다. 모델은 0.05ms마다 데이터를 출력하며 10ms동안 시뮬레이션 됩니다. 연산 증폭기의 내부 역학은 피드백 네트워크와 상호 작용하여 출력 신호(계단 응답)에서 신호음을 발생시킵니다.

0.5V의 입력 계단 전압에 대한 출력 전압은 부하 커패시터 양단에서 측정됩니다. 부하 커패시터에서 측정된 전압은 감쇠 진동 특성을 나타냅니다.

0.5V의 입력 계단 전압에 대한 출력 전압은 부하 커패시터 양단에서 측정됩니다. 부하 커패시터에서 측정된 전압은 감쇠 진동 특성을 나타냅니다.

Application Library path for the Operational Amplifier with Capacitive Load model:

ACDC_Module/Tutorials/opamp_capacitive_load

New Tutorial Models: Cable Tutorial Series


6개의 모델과 관련 문서로 구성된 새로운 튜토리얼 세트는 표준 3-코어리드-피복 XLPE HVAC(cross-linked polyethylene, high-voltage alternating current) 해저 케이블(500 mm2, 220 kV)의 용량성, 유도성 및 열 특성을 조사합니다. 이 시리즈는 COMSOL Multiphysics®에서 이러한 응용프로그램을 모델링 하는 방법을 빠르게 익히려는 전문가와 케이블과 관련된 전자기 현상과 모델링 방법에 관심이 있는 학생 및 엔지니어 모두에게 적합합니다.
이 시리즈는 관련된 물리학의 기본 원리를 검토한 다음 고려해야 할 추가적인 물리적 요인 및 특성을 기반으로 복잡성이 증가합니다. 케이블에 관련된 전자기적 모델링에 대해 논의하는 것 외에도-충전전류, 본딩 유형, 아머 트위스트 그리고 온도 의존성과 같은- 전자기 모델링 및 관련방법에 많은 주의를 기울입니다.

3-코어리드-피복 케이블은 흙으로 둘러싸인 환경을 고려하여 모델링 되었습니다. 케이블 내부의 온도 분포는 형상 위에 3D 플롯으로 표시됩니다.

3-코어리드-피복 케이블은 흙으로 둘러싸인 환경을 고려하여 모델링 되었습니다. 케이블 내부의 온도 분포는 형상 위에 3D 플롯으로 표시됩니다.