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Introducción a Modelado con Electromagnetismo Taller de AC/DC Pablo Vallejos pablo@comsol.com +1-781-273-3322 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 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 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 Análisis de Multifísica Campos Electromagnéticos Transferencia de Calor Mecánica Estructural Análisis de Multifísica Transporte de Masa y Reacciones Flujo de Fluido Acústica Ecuaciones definidas por el usuario • Ecuaciones Diferenciales Parciales ut (ku) 0 dP • Ecuaciones Diferenciales Ordinarias U ( x, y , z ) – Global o Distribuida • Ecuaciones Algebraicas – Global o Distribuida • Aplicaciones – Ecuación no disponible en COMSOL – Integración sobre el Tiempo dt u 0 dw U (t ) dt A * ( p Bx 2 )(1 Cx) Dx 0 P( x, y, z ) (u ( x, y, z ) 1)dt t w U dt t • COMSOL Multiphysics 2u u ea 2 d a (cu u ) u au f t t COMSOL v4.2a - Línea de productos Modelado con campos electromagnéticos en COMSOL Multiphysics Introducción a AC/DC 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 Aplicaciones con 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 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 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 en AC/DC Estática (CC) Cuasi-Estática (CA) E 0 t E sin t Transitorio Et 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 Interfaces en RF • Ondas Electromagnéticas • Ondas Electromagnéticas Transitorias • Circuito Eléctrico 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 Condensador para aplicaciones en MEMS Condensador • Aplicaciones – Condensadores – Campos alrededor de dispositivos de alta tensión eléctrica – Semiconductores, Transistores – Electroquímica, Baterías – Piezoelectricidad 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 Interfaz de Corrientes Eléctricas • Estacionario – – Corriente CC Efectos resistivos • Dominio de la frecuencia – – 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 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 • A C r0 d 1V 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 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 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 – Sin corrientes • Ventajas – Ecuación fácil de utilizar y resolver – Consume menos memoria que Campos Magnéticos – Tiempo computacional reducido Campo magnético alrededor de un submarino • Aplicaciones – Imán – Campo magnético de la tierra Prospección de minerales Simulación de imán 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 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) ( j 0 r ) A 2 1 A Je 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 Corriente Eléctricas y Transferencia de Calor • Posible de usar con Dilatación Térmica – Joule Heating and Thermal Expansion • Modulo de Structural Mechanics Transistor de Potencia Resistor de Superficie • Aplicaciones – HVDC/Corriente Continua de Alta tensión – Resistores – Fusibles/Tapón – Actuadores controlado por corriente – Calefactor – Componentes de potencia CC Calentamiento por Inducción • Acoplamiento entre Campos Magnéticos y Transferencia de Calor • Aplicaciones – Hornos de inducción – Ingeniería biomedicina • Tumores Temple por inducción – Cocinas de inducción – Temple por inducción • 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 – 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. Temple por Inducción – Datos y materiales Aire • Frecuencia operativa – 1 kHz Cu • Corriente aplicada – 5 kA d2 • Dimensiones – D1 = 24 mm – D2 = 12 mm Acero d1 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 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 Soporte Técnico y Datos de Contacto • COMSOL Access – www.comsol.com/access • E-mail: support@comsol.com • Teléfono: +1-781-273-3322 • Datos de Contacto – – – – Pablo Vallejos pablo@comsol.com COMSOL Inc +1-781-273-3322 Preguntas & Respuestas Taller de AC/DC Gracias por su atención! 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