Introducción A Modelado Con Electromagnetismo PDF

 

Introducción a Modelado con Electromagnetismo Taller de AC/DC

Pablo Vallejos [email protected] +1-781-273-3322

 

 Agenda •

COMSOL Multiphysics

•

Simulación con AC/DC  – Capacidades  –

•

Simulación en vivo  –  –  –

•

 Aplicaciones e interfaces

Condensador Inductor de alta frecuencia Calentamiento por inducción

Practicas y Q&A

 

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

 

COMSOL Multiphysics – Características •

 Análisis con elementos elementos finitos

•

GUI Flexible y amigable para el usuario •

Multifísica sin limite

•

Librerías de materiales

•

Herramientas matemáticas

•

Completamente paramétrico

Malla en 3D de un transistor de potencia

Visualización de la temperatura

 

 Análisis de de Multifísica Multifísica Campos Electromagnéticos

Transferencia de Calor

Mecánica Estructural

 Análisis de Multifísica

Transporte de Transporte Masa y Reacciones

Flujo de Fluido

 Acústica

 

Ecuaciones definidas por el usuario • •

Ecuaciones Diferenciales Parciales ut      (k  u )  0 dP  Ecuaciones Diferenciales Ordinarias  U ( x,  y, z )  –

•

Global o Distribuida

Ecuaciones Algebraicas  –

•

dt 

Global o Distribuida

 Aplicaciones  –

Ecuación no disponible en COMSOL

•

 t 



w  U dt  t 

 2u u ea 2  d a    (cu   u   )     u  au   f     t 

dt 

 U (t )

 P ( x,  y, z )  (u  ( x,  y, z )  1)dt  

COMSOL Multiphysics

t 

dw

 A * ( p  B  Bxx 2 )(1    Cx)  Dx  0

 –

Integración sobre el Tiempo

   u0

 

COMSOL v4.2a - Línea de productos

 

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

 

Electromagnetismo en COMSOL •

Modulo de AC/DC  –  –

•

Modulo de RF  –  –

•

Estática y baja frecuencia Calentamiento Joule y por Inducción  Alta frecuencia Calentamiento por microondas

Modulo de Plasma

•

•

Modulo deavanzada MEMS y electromecánica  – Estática Rastreo de Partículas con Carga  –

Interacción entre campos electromagnéticos y partículas con carga

 

 Aplicacioness con Modulo  Aplicacione Modulo de AC/DC

Componentes Electrónicos Motores y Generadores

Condensadores

Óptica de Iones y Rastreo de Partículas con Carga

Inductores

Calentamiento Joule y por Inducción

 

 Aplicaciones  Aplicacion es con Modulo de RF

 Antenas

Guía de Onda y Filtros

Patrón de Radiación

Calentamiento por Microondas

Dispersión

Plasmones y Metamateriales

 

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

 

 

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  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 

l

0.1 l  d

 

Simulaciones Simulacio nes en AC/DC Estática (CC)

E 0 t 

Cuasi-Estática (CA)

E sin

 t   

Transitorio

t 

E

 

Interfaces en AC/DC •

Formulación V  –  –  –

•

Formulación A  –

•

Campos Magnéticos, Sin corrientes

Formulación A-V  –

•

Campos Magnéticos

Formulación Vm  –

•

Electroestática Corrientes Eléctricas Corrientes Eléctricas, Cascara

Campos Magnéticos y Eléctricos

Circuito Eléctrico

 

Interfaces en RF •

Ondas Electromagnéticas

•

Ondas Electromagnéticas Transitorias •

Circuito Eléctrico

 

Interfaz de Electroestática Electroestática •

Campo estático o con variación lenta  –

•

Sin necesidad de modelar conductores  –

 –

•

Estacionario, Dependiente del tiempo Superficies se reemplazan con condiciones de frontera. Tierra, Potencial Eléctrico, Potencial Flotante, Terminal

Condensador para aplicaciones en MEMS

Condensador

 Aplicaciones  –  –

 –  –  –

Condensadores Campos alrededor de dispositivos de alta tensión eléctrica Semiconductores, Transistores Electroquímica, Baterías Piezoelectricidad

Electric field 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

 

Interfaz de Corrientes Eléctricas •

Estacionario  –  –

•

Dominio de la frecuencia  –  –

•

•

Corriente CC Efectos resistivos Transferencia de calor en un circuito integrado

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 Densidad de corrientes en un marcapaso Fuentes de alimentación Dispositivos CA, con efectos inductivos insignificantes

 

Interfaz de Corrientes Eléctricas en Cascaras •

V +

Similar a Corrientes Eléctricas, pero en placas/cascaras  J V -

 

Simulación en Vivo - Electroestática Electroestática Condensador Plano Paralelo •

•

Capacidad eléctrica en aire  –

 =1 εr  =1

 –

Cair  = ε0 = 8.854e-12 F

Capacidad eléctrica en dieléctrico  –  –

•

 = εr  =

2.1 Cd =1.86e-11 F

C    r  0 1V

 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

Tierra Distancia: 10 mm

 

Simulación en Vivo - Electroestática 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 Resolvedoreléctrica Paramétrico

 

Tres interfaces para Campos Magnéticos •

Campos Magnéticos

•

Campos Magnéticos, Sin Corrientes

•

Campos Magnéticos y Eléctricos

•

Circuito Eléctrico

 

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

 

Interfaz de Campos Magnéticos, Sin corrientes •

Campos permanentes irrotacional  –

•

Ventajas  –

 –

 –

•

Sin corrientes Ecuación fácil de utilizar y resolver Consume menos memoria que Campos Magnéticos

Campo magnético alrededor de un submarino

Tiempo computacional reducido

 Aplicaciones  –  –

Imán Campo magnético de la tierra

Prospección de minerales Simulación de imán

 

Campos Magnéticos y Eléctricos •

Formulación A-V  –  –

•

Cuando no es posible de prescribir las corrientes  –  –  –

•

Ley de Ampere Corrientes Eléctricas

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

 

Simulación en Vivo – Inductor de alta frecuencia • • •

Inductor de cobre 20 kHz Efecto pelicular   

•

 0  r  

Corrientes superficiales  –

•

2

Impedance Boundary Condition

Objetivo  –

Campo magnetico Perdidas superficiales

 –

Perdida total (Integración)

 –

( j      0 r  ) A  2

1  

   A  J e

 

Simulación en Vivo – Inductor de alta frecuencia •

¿Como mejorar el modelo?  –  –  –  –  –  –

1

L1

2  –

V1 X1

0

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)

 

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

 

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.

•

 

Calentamiento Joule •

•

 Acoplamiento entre 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  –

 –  –  –

 –  –

Transistor de Potencia

HVDC/Corriente Continua de Alta tensión Resistores Fusibles/Tapón  Actuadores controlado por corriente Calefactor Componentes de potencia CC

 

Calentamiento por Inducción •

•

 Acoplamiento entre entre Campos Magnéticos y Transferencia de Calor  Aplicaciones  –  –

Hornos de inducción Ingeniería biomedicina •

 –  –

 –

Temple por inducción

Cocinas de inducción Temple por inducción •

 –

Tumores

Industria de acero

Soldadura de inducción Plasma Calentamiento de barra de acero

 

Simulación en Vivo Temple por Inducción

 

Temple por Inducción - Introducción •

Interfaz Calentamiento por Inducción  –

•

Origen del ejemplo  –  –  –

•

 Análisis Magnético-Térmico

Ciencias de materiales Desarrolló e investigación Industria automovilista

Materiales  –  –  –

 Acero Cobre  Aire

  

2   Fuente de calor. Efecto pelicular visible.

 

Temple por Inducción – Datos y materiales •

 Aire

Frecuencia operativa  –

1 kHz

Cu •

Corriente aplicada  –

•

5 kA d 2

Dimensiones  –  –

D1 = 24 mm D2 = 12 mm

 Acero

d 1

 

Temple por Inducción - Implementación •

COMSOL Multiphysics  –  –

•

Induction Heating Interface 2D Axisimmetria

Estudio  –

Dominio de la frecuencia •

 –

Estacionario •

•

Temperatura

Función  –

•

Campo Magnético

Coil Domain

Objetivos  –  –

Efecto Pelicular Temperatura

 

Practicas •

Licencia de Prueba  –  –

•

Usuarios Nuevos  –

•

Libreta con Practicas en AC/DC

Usuarios con Experiencia  –  –

•

DVD COMSOL Multiphysics 4.2ª 3 Semanas

Librería de Modelos Menú View > Model Library

Preguntas y Respuestas

 

Soporte Técnico y Datos de Contacto •

COMSOL Access  –

www.comsol.com/access

•

E-mail: [email protected] Teléfono: +1-781-273-3322

•

Datos de Contacto

•

 –  –  –  –

Pablo Vallejos [email protected] COMSOL Inc +1-781-273-3322

 

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

Pablo Vallejos [email protected] +1-781-273-3322