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

• Librerías de materiales

• Herramientas matemáticas

• Completamente paramétrico

Malla en 3D de un

transistor de potencia

Visualización de la

temperatura

Análisis de Multifísica

Campos

Electromagnéticos

Flujo de Fluido Transporte de

Masa y Reacciones Acústica

Transferencia

de Calor

Mecánica

Estructural

Análisis de Multifísica

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

• COMSOL Multiphysics

fauuuuct

ud

t

ue aa

)(

2

2

0)( ukut0 u

)(tUdt

dw),,( zyxU

dt

dP

0)1)((* 2 DxCxBxpA

)1),,(( ),,( dtzyxuzyxPt

dtUwt

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

Motores y Generadores

Componentes Electrónicos Inductores

Calentamiento Joule y por Inducción Condensadores Óptica de Iones y Rastreo

de Partículas con Carga

Aplicaciones con Modulo de RF

Antenas

Guía de Onda y Filtros

Patrón de Radiación Dispersión

Calentamiento por

Microondas

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 l

d

dl1.0

l1.0

Cuasi-Estática (CA)

0

t

E tsinE tE

Estática (CC) Transitorio

Simulaciones en AC/DC

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

• Aplicaciones

– Condensadores

– Campos alrededor de dispositivos de alta

tensión eléctrica

– Semiconductores, Transistores

– Electroquímica, Baterías

– Piezoelectricidad

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

Condensador para aplicaciones en MEMS

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

Interfaz de Corrientes Eléctricas en

Cascaras

V+

V-

J

• Similar a Corrientes Eléctricas, pero en

placas/cascaras

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

• 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

d

AC r 0

1 V

Tierra

Area: 100 mm * 100 mm

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

• Aplicaciones

– Imán

– Campo magnético de la tierra

Campo magnético alrededor de un submarino

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

• Corrientes superficiales

– Impedance Boundary Condition

• Objetivo

– Campo magnetico

– Perdidas superficiales

– Perdida total (Integración)

eJAA

1)( 0

2

rj

r0

2

Simulación en Vivo – Inductor de alta

frecuencia

• ¿Como mejorar el modelo?

– 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) 1

0

2 L1

V1

X1

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

• Aplicaciones

– HVDC/Corriente Continua de Alta

tensión

– Resistores

– Fusibles/Tapón

– Actuadores controlado por

corriente

– Calefactor

– Componentes de potencia CC

Resistor de Superficie

Transistor de Potencia

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

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

• Frecuencia operativa

– 1 kHz

• Corriente aplicada

– 5 kA

• Dimensiones

– D1 = 24 mm

– D2 = 12 mm

Aire

Cu

Acero

d2 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

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– COMSOL Inc

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Preguntas & Respuestas Taller de AC/DC

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