Introducción a Modelado con Electromagnetismo Taller de AC/DC. Pablo Vallejos pablo@comsol.com

Transcripción

1 Introducción a Modelado con Electromagnetismo Taller de AC/DC Pablo Vallejos pablo@comsol.com

2 Agenda COMSOL Multiphysics Simulación con AC/DC Capacidades Aplicaciones e interfaces Simulación en vivo Condensador Inductor de alta frecuencia Calentamiento por inducción Practicas y Q&A

3 COMSOL Multiphysics Simulación de Ingeniería Entender la Física Optimización de Diseños Experimentos Virtuales Completamente Integrado CAD y Geometría Mallado de Geometría Análisis de Multifísica Resolvedores Visualización y Postprocesado Importe/Exporte de Datos

4 COMSOL Multiphysics Características Análisis con elementos finitos GUI Flexible y amigable para el usuario Multifísica sin limite Malla en 3D de un transistor de potencia Librerías de materiales Herramientas matemáticas Completamente paramétrico Visualización de la temperatura

5 Análisis de Multifísica Campos Electromagnéticos Transferencia de Calor Mecánica Estructural Análisis de Multifísica Transporte de Masa y Reacciones Flujo de Fluido Acústica

6 Ecuaciones definidas por el usuario Ecuaciones Diferenciales Parciales Ecuaciones Diferenciales Ordinarias Global o Distribuida Ecuaciones Algebraicas Global o Distribuida Aplicaciones Ecuación no disponible en COMSOL Integración sobre el Tiempo u t ( k u) 0 u 0 dp dw U( x, y, z) U (t) dt dt A*( p Bx 2 )(1 Cx) Dx 0 P( x, y, z) ( u( x, y, z) 1) dt t w Udt t COMSOL Multiphysics e a 2 u 2 t d a u t ( c u u ) u au f

7 COMSOL v4.2a - Línea de productos

8 Modelado con campos electromagnéticos en COMSOL Multiphysics Introducción a AC/DC

9 Electromagnetismo en COMSOL Modulo de AC/DC Estática y baja frecuencia Calentamiento Joule y por Inducción Modulo de RF Alta frecuencia Calentamiento por microondas Modulo de Plasma Modulo de MEMS Estática avanzada y electromecánica Rastreo de Partículas con Carga Interacción entre campos electromagnéticos y partículas con carga

10 Aplicaciones con Modulo de AC/DC Motores y Generadores Componentes Electrónicos Inductores Condensadores Óptica de Iones y Rastreo de Partículas con Carga Calentamiento Joule y por Inducción

11 Aplicaciones con Modulo de RF Antenas Patrón de Radiación Dispersión Guía de Onda y Filtros Calentamiento por Microondas Plasmones y Metamateriales

12 Ejemplos disponible en la Librería de Modelos en COMSOL Incluye: - Mas de cien tutoriales - Documentación - Instrucciones Paso-a-paso - Actualización de Librería de Modelos

13 Modelado con baja frecuencia Cuando se debe usar AC/DC Module en lugar de RF Module? Que es baja frecuencia? Cuando la longitud eléctrica d es menor que la longitud de la onda λ El dispositivo no puede ver la dirección de las ondas, sólo puede ver un campo uniforme variando con respecto al tiempo 0.1 l d 0.1 l l d

14 Simulaciones en AC/DC Estática (CC) Cuasi-Estática (CA) Transitorio E t 0 Esin t E t

15 Interfaces en AC/DC Formulación V Electroestática Corrientes Eléctricas Corrientes Eléctricas, Cascara Formulación A Campos Magnéticos Formulación Vm Campos Magnéticos, Sin corrientes Formulación A-V Campos Magnéticos y Eléctricos Circuito Eléctrico

16 Interfaces en RF Ondas Electromagnéticas Ondas Electromagnéticas Transitorias Circuito Eléctrico

17 Interfaz de Electroestática Campo estático o con variación lenta Estacionario, Dependiente del tiempo Sin necesidad de modelar conductores Superficies se reemplazan con condiciones de frontera. Tierra, Potencial Eléctrico, Potencial Flotante, Terminal Aplicaciones Condensadores Campos alrededor de dispositivos de alta tensión eléctrica Semiconductores, Transistores Electroquímica, Baterías Piezoelectricidad Condensador para aplicaciones en MEMS Condensador Electric field strength in a 3D model of a high voltage breaker surrounded by a porcelain insulator. Model by Dr. Göran Eriksson, ABB Corporate Research, Sweden

18 Interfaz de Corrientes Eléctricas Estacionario Corriente CC Efectos resistivos Dominio de la frecuencia Corriente CA, tipo sinusoide Efectos resistivos y capacitivos Dependiente del tiempo Variación arbitraria en el tiempo Efectos resistivos y capacitivos Aplicaciones Resistores CC/CA Cables, Conectores Condensadores con perdidas, CA Fuentes de alimentación Dispositivos CA, con efectos inductivos insignificantes Transferencia de calor en un circuito integrado Densidad de corrientes en un marcapaso

19 Interfaz de Corrientes Eléctricas en Cascaras Similar a Corrientes Eléctricas, pero en placas/cascaras V + J V -

20 Simulación en Vivo - Electroestática Condensador Plano Paralelo Capacidad eléctrica en aire εr =1 Cair = ε0 = 8.854e-12 F Capacidad eléctrica en dieléctrico εr = 2.1 Cd =1.86e-11 F C r 0 1 V A d Area: 100 mm * 100 mm Interfaz Electroestática Sin corrientes Función: Terminals Calculo automático de capacidad eléctrica Objetivo 1: Estudiar efectos de borde Objetivo 2: Comparar capacidad eléctrica Analítica Vs Elementos Finitos Distancia: 10 mm Tierra

21 Simulación en Vivo - Electroestática Condensador Plano Paralelo Que debemos recordar? Herramientas Matemáticas Lista de parámetros para parametrizar Selecciones, Explicit, Ball, Box Aplicar la física a dominios No incluir conductores Terminal y calculación de capacidad eléctrica Resolvedor Paramétrico

22 Tres interfaces para Campos Magnéticos Campos Magnéticos Campos Magnéticos, Sin Corrientes Campos Magnéticos y Eléctricos Circuito Eléctrico

23 Interfaz de Campos Magnéticos Ley de Ampere Corrientes prescritas, J Sin necesidad de resolver V Corrientes inducidas Efecto pelicular Aplicaciones Bobinas CC, J Prescrito Bobinas CA, Alta frecuencia Campos magnéticos alrededor de dispositivos eléctricos Transformadores Ferrita Motores y Generadores Horno de inducción para fabricación de dispositivos MEMS Campo magnético alrededor de un crisol para estudiar efecto pelicular

24 Interfaz de Campos Magnéticos, Sin corrientes Campos permanentes irrotacional Sin corrientes Ventajas Ecuación fácil de utilizar y resolver Consume menos memoria que Campos Magnéticos Tiempo computacional reducido Aplicaciones Imán Campo magnético de la tierra Campo magnético alrededor de un submarino Prospección de minerales Simulación de imán

25 Campos Magnéticos y Eléctricos Formulación A-V Ley de Ampere Corrientes Eléctricas Cuando no es posible de prescribir las corrientes Corrientes desconocidas Corriente dependiente del potencial V Efecto Pelicular ~ Geometría Aplicaciones Dispositivos CC Dispositivos CA de baja frecuencia Resistores, Condensadores, Inductores Transformadores Transformador planar con núcleo magnético

26 Simulación en Vivo Inductor de alta frecuencia Inductor de cobre 20 khz Efecto pelicular 2 0 r Corrientes superficiales Impedance Boundary Condition Objetivo Campo magnetico Perdidas superficiales Perdida total (Integración) 2 ( j 0 r ) A 1 A e J

27 Simulación en Vivo Inductor de alta frecuencia 1 L1 Como mejorar el modelo? 2 Mas vueltas para la bobina Barrido de frecuencias Mejorar la malla Calculación de inductancia Núcleo magnético Acoplar con circuito externo (SPICE) Análisis térmico (Calentamiento por Inducción) V1 X1 0

28 Interfaz de Circuito Eléctrico Simula un componente de un circuito electrico real Interfaz para diseño de circuito electrico en COMSOL Importar de formato SPICE Inductor en circuito eléctrico de un amplificador

29 Calentamiento por campos electromagnéticos Tres Interfaces con acoplamiento con transferencia de calor Calentamiento Joule Calentamiento por Inducción Calentamiento por Microondas (Modulo de RF) Se supone que la transferencia de calor se resuelve en un solido, pero es posible de simular fluidos.

30 Calentamiento Joule Acoplamiento entre Corriente Eléctricas y Transferencia de Calor Posible de usar con Dilatación Térmica Joule Heating and Thermal Expansion Modulo de Structural Mechanics Resistor de Superficie Aplicaciones HVDC/Corriente Continua de Alta tensión Resistores Fusibles/Tapón Actuadores controlado por corriente Calefactor Componentes de potencia CC Transistor de Potencia

31 Calentamiento por Inducción Acoplamiento entre Campos Magnéticos y Transferencia de Calor Aplicaciones Hornos de inducción Ingeniería biomedicina Tumores Cocinas de inducción Temple por inducción Industria de acero Soldadura de inducción Plasma Temple por inducción Calentamiento de barra de acero

32 Simulación en Vivo Temple por Inducción

33 Temple por Inducción - Introducción Interfaz Calentamiento por Inducción Análisis Magnético-Térmico Origen del ejemplo Ciencias de materiales Desarrolló e investigación Industria automovilista Materiales Acero Cobre Aire 2 Fuente de calor. Efecto pelicular visible.

34 Temple por Inducción Datos y materiales Frecuencia operativa 1 khz Aire Cu Corriente aplicada 5 ka Dimensiones D1 = 24 mm D2 = 12 mm d 2 d 1 Acero

35 Temple por Inducción - Implementación COMSOL Multiphysics Induction Heating Interface 2D Axisimmetria Estudio Dominio de la frecuencia Campo Magnético Estacionario Temperatura Función Coil Domain Objetivos Efecto Pelicular Temperatura

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38 Practicas Licencia de Prueba DVD COMSOL Multiphysics 4.2ª 3 Semanas Usuarios Nuevos Libreta con Practicas en AC/DC Usuarios con Experiencia Librería de Modelos Menú View > Model Library Preguntas y Respuestas

39 Soporte Técnico y Datos de Contacto COMSOL Access support@comsol.com Teléfono: Datos de Contacto Pablo Vallejos pablo@comsol.com COMSOL Inc

40 Preguntas & Respuestas Taller de AC/DC Gracias por su atención! Pablo Vallejos