COMSOL Multiphysics® AC/DC 电磁建模专题培训大纲

培训对象

本课程面向从事电气工程、电力电子、电机设计、传感器研发、无损检测及电磁兼容等领域的企业研发工程师和科研人员。学员应具备基本的电磁场理论知识，适合希望系统学习使用 AC/DC 模块进行低频电磁场仿真，或希望提升 resistive、capacitive、inductive 等各类电磁器件建模能力的 COMSOL 用户。

培训目标

• 掌握核心模块：全面掌握 AC/DC 模块的物理场接口、求解器类型及应用场景，能够独立建立静电场、静磁场及低频时变电磁场模型。

• 精通线圈建模：深入理解单匝线圈、多匝线圈、螺旋线圈等多种线圈的建模方法，熟练处理电流、电压及外部电路激励。

• 实现多物理场耦合：掌握电磁场与传热（焦耳热）、结构力学（电磁力）的双向耦合仿真技术，分析真实工况下的多物理场效应。

• 解决工程问题：能够提取电感和电容等集总参数，计算电磁力和转矩，并应用于电机、变压器、作动器等工程设备的性能分析与优化。

培训内容介绍

1. AC/DC 模块概述与物理场选择
   介绍 AC/DC 模块的架构、适用领域（静态、低频瞬态及频域电磁场）及各物理场接口（静电场、电流场、磁场、磁场与电场等）的数学模型与适用场景。讲解如何根据具体设备（电容器、电感器、变压器、电机等）选择最合适的物理场接口进行仿真。

2. 电磁理论基础与材料模型
   回顾麦克斯韦方程组在低频领域的简化形式，深入讲解电磁场仿真的本构关系。详细介绍介电材料、永磁体、非线性导磁材料以及导电材料的定义方法，指导学员如何正确设置不同材料的电磁属性。

3. 几何建模与域截断技术
   针对电磁场问题特有的开域特性，讲解如何通过无限元域、完美匹配层或散射边界条件来截断无限大的求解域，在保证计算精度的同时减小模型规模。同时，教授利用对称性和周期边界条件简化模型的方法。

4. 线圈特征与激励方式详解
   重点讲解 AC/DC 模块中的“线圈”特征节点。内容涵盖单导线线圈、多匝线圈的建模，电压激励与电流激励的区别，以及如何通过“线圈组”特征高效模拟复杂绕组结构。

5. 场路耦合与外部电路连接
   讲解如何利用“电路”接口将有限元模型与外部分立元件（电阻、电容、电感、二极管、开关及电压源等）相连接。实现真正的场路耦合仿真，例如模拟带有驱动电路的电磁线圈或变压器的暂态响应。

6. 导体损耗与交流电磁效应
   针对频域分析，讲解趋肤效应和邻近效应的产生机理与仿真方法。指导学员如何通过边界层网格解析集肤深度，并计算高频下的交流电阻和涡流损耗，评估导体在交流工况下的真实性能。

7. 电感、电容与集总参数提取
   教授如何通过后处理技术计算系统的关键集总参数。内容包括从静磁场分析中提取电感矩阵，从静电场分析中提取电容矩阵，以及计算线圈的交流阻抗和品质因数 Q 值。

8. 旋转机械与运动建模
   介绍“旋转机械，磁性”接口的应用。重点讲解如何利用动网格或装配体方法模拟电机或作动器中的旋转或平移运动，并在此基础上精确计算电磁力和转矩，分析运动对磁场分布的影响。

9. 电磁-热多物理场耦合仿真
   将电磁分析与传热分析相结合。讲解如何在电磁损耗（焦耳热、铁损）计算的基础上，设置热传导、对流和辐射边界条件，实现电-热双向耦合，预测设备在满载工况下的温升和热分布。

10. 电磁-结构力学耦合仿真
    讲解麦克斯韦应力张量的计算原理，并指导学员如何将计算得到的电磁力耦合到固体力学接口。通过磁致伸缩或螺线管作动器等案例，分析电磁设备在电磁力作用下的结构变形与应力分布。

11. 后处理技巧与结果可视化
    深入讲解电磁场仿真特有的后处理技巧。内容包括绘制磁感线、生成磁通密度云图和箭头图、计算通过特定截面的磁通量，以及制作磁场在空间或时间上演变的动画。

12. App 开发器与参数化分析简介
    介绍如何利用 App 开发器将已收敛的电磁仿真模型封装成交互式应用程序。学员将了解如何通过创建表单和输入参数，使非专业人员也能进行参数化扫描和设计优化，从而将仿真知识进行有效传递和部署。

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