Comsol螺旋管线圈电感计算

关键词：

螺旋管线圈；电感；有限元；数值计算

    电感是闭合回路的一种属性，是一个物理量。当电流通过线圈后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵 制通过线圈中的电流。它是描述由于线圈电流变化，在本线圈中或在另一线圈中引起感应电动势效应的电路参数。电感是自感和互感的总称。提供电感的器件称为电感器。当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势（感生电动势）（电动势用以表示有源元件理想电源的端电压），这就是自感。两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。电感符号：L；电感单位：亨（H）、毫亨（mH）、微亨（μH），换算关系为：

1H=1000mH，1mH=1000μH

  螺线管线圈指的是多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个金属芯。当电流通过导线时，螺线管内部会产生均匀磁场。螺线管也可以用为电磁铁或电感器，由导线绕成的通常为长圆柱形的线圈，电流通过线圈时产生磁场，此磁场能移动置于其轴线上的铁棒。螺线管常用于通过导通或切断电流的方式来操纵与铁棒相连接的机械阀门，在大多数汽车中螺线管用于操纵给起动发动机供能的大电流开关。

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    根据设计图纸，选择直接在Comsol自带的建模软件绘制螺旋管线圈三维立体模型，螺旋管线圈内部结构模型如图 2所示。模型中各部分结构材料均可在材料库中直接添加使用。。仿真计算还需设置材料相对磁导率、相对介电常数、和电导率参数，为了计算结果的准确性，以上参数均从相关资料以现有实验数据中获得，如图3所示。

图2. 计算模型

图3. 材料参数设置

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    螺旋管线圈电感的计算选择AC/DC模块的磁场计算模型，通过给螺旋管线圈施加电压激励，可以得到螺旋管线圈的内部电感值，详细物理场边界条件及场路耦合模型设置如图4所示。

图4. 物理场边界条件

    网格剖分质量是影响计算过程收敛性和计算结果准确性的关键因素，网格剖分质量越高，计算结果的准确性也越高，但过于精细的剖分单元对计算机的要求越苛刻，网格剖分如图5所示。

图5. 模型网格划分图

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    模型采用线圈几何分析和稳态分离式求解器进行求解，通过计算得到螺旋管线圈的磁场分布、磁感线分布和电感计算结果如下所示。

图6. 磁场分布

图7. 磁感线分布

图8. 电感计算结果