Introducción a Modelado con Electromagnetismo Taller de AC/DC
Pablo Vallejos
[email protected] +1-781-273-3322
Agenda •
COMSOL Multiphysics
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Simulación con AC/DC – Capacidades –
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Simulación en vivo – – –
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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
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Experimentos Virtuales
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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
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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 (cu 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
u0
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 – –
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Estática y baja frecuencia Calentamiento Joule y por Inducción Alta frecuencia Calentamiento por microondas
Modulo de Plasma
•
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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 –
–
–
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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 – – –
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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 – –
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Induction Heating Interface 2D Axisimmetria
Estudio –
Dominio de la frecuencia •
–
Estacionario •
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Temperatura
Función –
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Campo Magnético
Coil Domain
Objetivos – –
Efecto Pelicular Temperatura
Practicas •
Licencia de Prueba – –
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Usuarios Nuevos –
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Libreta con Practicas en AC/DC
Usuarios con Experiencia – –
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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
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– – – –
Pablo Vallejos
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