Comsol经典实例021:单导线和螺旋线圈的自感和互感.docx

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在 COMSOL Multiphysics 5.5 版本中创建 Comsol经典实例021:单导线和螺旋线圈的自感和互感 本例使用频域模型计算同心共面布置中单匝初级线圈和二十匝次级线圈之间的互感和感应电流。其中对每一匝次级线圈都进行显式建模,并将结果与解析预测值进行比较。 一、案例简介 本例使用频域模型计算同心共面的单匝主线圈和 20 匝二次线圈之间的互感和感应电流。二次线圈的每匝线圈都是显式建模的。比较了主线圈与二次线圈的静态结果和交流结果,还与解析预测值进行了比较。 图A 20 匝二次线圈位于单匝主线圈内部(未按比例显示) 二、模型定义 所建模的物理情况如 图A所示。二次线圈有20匝,绕两圈,与主线圈同心,且位于同一平面。二次线圈质心的半径为R2 ?10 mm。两种线圈中的导线半径均为r0 ?1 mm。虽然线圈以三维形式显示,但在二维轴对称空间中建模,假设中心线周围不存在物理差异。求解前两个直流分析以提取系统的电感矩阵。半径R?=100 mm 的单匝线圈中流过指定电流1 A,频率为1 kHz。本例的目的是计算开路情况下二次线圈上的压差以及闭路情况下的感应电流。 对于匝数为N的次级多匝线圈,存在R1??R2??r0 这一限制时,两种线圈之间的互感解析表达式为: 其中,μ0是自由空间的磁导率。 这两种同心线圈在二维轴对称空间中建模,其示意图如图B所示。建模域由一个无限元区域包围,这是截断无限延伸域的一种方法。虽然无限元域的厚度有限,但可将其视为无限延伸的域。 图B 同心线圈的二维轴对称模型的图示 主线圈通过线圈特征进行建模,可视为在其他连续圆环中引入无限小的狭缝。由于主线圈为单匝线圈且由导电材料构成,因此,在 “线圈”特征中使用单导线模型。该特征用于通过指定1 A 的电流来激励线圈。 二次线圈使用具有线圈组设置的线圈特征来建模,使相同的电流流过表示一匝线(多匝线圈以串联方式连接)的每个圆形域。此特征可用于模拟开路和闭路情况。要模拟开路情况,将通过线圈的电流指定为0 A,即指定没有电流流过线圈。要模拟闭路情况,只需将电压设为0 V。具有 “线圈组”设置的 “线圈”特征可计算整个线圈中的总电流和电势降。此外,如果仅在一匝线圈上馈电,则输出中也包含线圈系统的自感和互感。对于交流馈电,假定系统是纯电抗系统,则可通过以下公式计算互感: (1) 其中,ω是主线圈中激励驱动电流Ip 的角频率。以这种方式计算得出的电感的虚部较小,由于电导率有限,导线中存在涡流损耗,并且线圈阻抗 (虽然主要是电抗)的电阻很小。随后将推导出的电感与对通过线圈中心的磁通量求积分预测的电感进行比较。 对于闭路情况,线圈的压降固定为 0 V。虽然这似乎意味着短路,但由于铜线圈本身还存在电抗,因此所建模的情况类似于一个闭合的连续线圈。具有“线圈组”设置的“线圈”特征使相同的电流流过每匝线圈。 通过一个简单的电路模拟,当频率使导线大小明显大于集肤深度时,可以通过以下公式根据直流值来估算电流: (2) 其中,L21是互感,Z2=R2+iwL2是内层线圈的阻抗。在模拟1 kHz 时,偏差非常小。随着频率增加,这一估算将失效,因为模型能捕捉到线圈上的自感效应,而这一效应没有包含在最简单的电路模拟中。 三、结果与讨论 根据两个初始静态分析 (一个在单线圈上馈电,另一个在 20 匝线圈组上馈电),可以从内置变量中提取以下电感矩阵: 619 nH 40 nH 40 nH 3300 nH 通过计算法向磁通量的积分也可以提取类似的估算 (但不太准确)。交流馈电情况下开路的磁通线如图C所示。具有 “线圈组”设置的“线圈”特征可计算二次线圈中的电压,从而可用于计算互感,值为 39.9~0.6i nH。这一结果与静态计算预测的互感非常一致,与解析互感估计值 39.478 nH 也非常一致。 闭路情况下二次线圈的感应电流如图D所示。集肤效应很明显,电流受驱动后流过各个域的边界。通过二次线圈的感应电流为-10.94~3.5i mA,虚部表示这是电抗电流。实部和虚部都通过 方程 2 进行了正确计算。 图C 开路情况的磁通线 图D 闭路情况下线圈中的感应电流 四、建模操作说明 Step01:在新建窗口中,单击模型向导。在模型向导窗口中,单击二维轴对称。在选择物理场树中选择 AC/DC 电磁场 磁场 (mf)。单击添加。单击研究。在选择研究树中选择一般研究

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