MODELADO Y DISEÑO DE ENLACES INDUCTIVOS PARA

CARGADORES INALÁMBRICOS DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS

Estudio del acoplamiento

SEPTIEMBRE 2017

Jacobo Vidal-Aragón Sáenz de Tejada

DIRECTOR DEL TRABAJO:

Jesús Ángel Oliver Ramírez

1

AGRADECIMIENTOS

• Personales: por su ayuda, consejo, atención y tiempo

Jesús Ángel Oliver Ramírez

Alberto Delgado Expósito

Manuel Laso Carbajo

• Institucionales: por la relación de colaboración que se ha consolidado y por la inversión en investigación y en licencias.

CEI (UPM)

PREMO Group

2

RESUMEN

Objetivo

Estudiar a partir de ANSYS Maxwell (herramienta de elementos finitos) el acoplamiento del enlace inductivo de un cargador inalámbrico para su posterior aplicación en vehículos eléctricos.

Contexto y necesidad

Ante una sociedad cada vez más concienciada acerca de la importancia del cambio climático, los vehículos eléctricos o híbridos se presentan como una interesante alternativa a los medios de transporte de combustión por su menor huella de carbono.

La principal problemática a la que se afrontan es la falta de autonomía de estos vehículos que si bien a mejorado con la aparición de las baterías de ión-litio, sigue siendo muy reducida. Es por este mismo motivo por lo que hace ya unos años aparece la necesidad de crear una infraestructura capaz de soportar este medio de transporte.

Sería un par de años después cuando se plantearía como alternativa a la carga tradicional (vía cable) la carga inalámbrica de tal forma que se eliminaba la conexión galvánica y el factor humano permitiendo la integración de estos puntos de recarga en casi cualquier parte: en la propia carretera, en un semáforo…

Actualmente esta tecnología tiene un menor rendimiento que la alámbrica debido a que el enlace inductivo que se establece a través del aire está muy condicionado, entre otras razones por el tamaño del devanado receptor (que debe de ir en un vehículo) o la disminución del coeficiente de acoplamiento asociada al desalineamiento de los devanados.

Principales características del enlace inductivo a estudiar

Este enlace inductivo está compuesto por dos devanados separados una distancia aproximada de 16 cm: uno situado en el punto de recarga y que genera un campo magnético variable; y otro situado en el coche, que recibe el campo magnético del primario induciendo una corriente alterna que tras procesarse mediante electrónica de potencia carga la batería.

Ambos devanados llevan consigo un elemento de alta permeabilidad magnética en este caso ferrita que permite aumentar y dirigir el campo magnético.

El rendimiento del enlace depende de dos parámetros fundamentales que son:

− El factor de calidad del bobinado (Q): que a su vez depende del coeficiente de autoinducción (L), la frecuencia de trabajo (w) y la resistencia del conductor (R).

− El coeficiente de acoplamiento (K): que depende de la geometría, del material y de la disposición de ambos devanados.

3

Planteamiento y análisis

Puesto que ya existen análisis que relacionan la influencia del posicionamiento a nivel global entre los devanados con los principales parámetros a estudiar, en este trabajo se pretende entrar más al detalle de cómo diseñar la propia bobina en sí para optimizar sus características.

Para ello se propone como medio ANSYS MAXWELL, una herramienta de análisis de elemento finitos que permite simular estructuras magnéticas con un alto grado de fiabilidad, precisión y sobretodo con un menor coste material y mayor flexibilidad que en caso de hacerlo experimentalmente.

Se ha elaborado además un breve manual para facilitar este tipo de diseños en este entorno.

El estudio se ha realizado a partir de 3 diseños en 3D :

− DISEÑO A: Enlace inductivo simple compuesto por dos devanados simétricos en distribución rectangular y dos planchas de ferrita. Permite analizar la influencia sobre R, L y K del tamaño, forma y disposición del devanado.

− DISEÑO B: Enlace inductivo basado en el Diseño A pero con las planchas de ferrita subdivididas en pequeñas barras. Permite analizar la influencia sobre R,L y K de la disminución de la cantidad de ferrita y del efecto de las discontinuidades que se generan.

− DISEÑO C: Enlace inductivo compuesto por dos devanados simétricos en distribución doble D y 10 planchas de ferrita (5 con cada devanado). Permite analizar la influencia sobre R,L y K de la separación entre las barras de ferrita.

Líneas futuras, "Open Innovation” y Conclusión

La mejora y análisis de los cargadores inalámbricos abrirá camino a atractivas y útiles prestaciones para el sector del transporte eléctrico como las ya mencionadas en la introducción. Además el rango de aplicación de esta tecnología es vastísimo lo cual hace su estudio aún más interesante.

Los últimos avances en tecnología de materiales están permitiendo la fabricación de microhilos y micropartículas de ferrita que embebidos en polímeros mejorarán la tenacidad de la ferrita permitiendo eliminar todo el sistema de sustentación que estos cargadores requieren. Además con el avance de la open innovation e iniciativas como la liberación de patentes de Tesla se prevé una nueva concepción del desarrollo y una mejora a la hora de la elaboración de estándares y de la compatibilidad.

A nivel técnico este trabajo aporta las siguientes pautas a seguir a la hora de mejorar el acoplamiento en el enlace:

− Empezar a bobinar lo más próximos posible al encapsulado − Buscar el máximo factor KQ asociado al equilibrio entre el ancho del devanado y el

área interna del mismo − Evitar situar la ferrita superpuesta al bobinado. Es preferible usar un área menor a la

del bobinado ya que a alta frecuencia las pérdidas por Foucault son considerables. − Fragmentar la plancha de ferrita en barras mejora la resistencia ante vibraciones, sin

suponer una gran pérdida de propiedades. − Eliminar en caso de ser necesario la ferrita interior (número de barras pares).

4

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS.......................................................................................................................................1RESUMEN...........................................................................................................................................................21.ESTADODELARTE.....................................................................................................................................61.1CARGADORESINALÁMBRICOS....................................................................................................................................61.2PRINCIPALESDISTRIBUCIONESDEESTOSCARGADORES.......................................................................................81.3PRINCIPALESEFECTOSSOBREUNINDUCTOR:........................................................................................................8

2.MODELADODELOSENLACESINDUCTIVOS:ANSYSMAXWELL...............................................112.1MANUALPARAELDISEÑODELOSENSAYOS..........................................................................................112.1.1Fase1:Planificacióndelosensayos..........................................................................................................142.1.2Fase2:Diseño......................................................................................................................................................172.1.3Fase3:parametrizaciónyexcitaciones...................................................................................................292.1.4Fase4:Simulaciónyresultados..................................................................................................................30

2.2CASOPRÁCTICO:ACOPLAMIENTODELENLACEINDUCTIVODELCARGADORINALÁMBRICO.................312.2.1DiseñoA(3D)......................................................................................................................................................322.2.2DiseñoB(3D)......................................................................................................................................................422.2.3DiseñoC.................................................................................................................................................................46

3.RESULTADOS............................................................................................................................................503.1ENSAYOSDISEÑOA.............................................................................................................................................503.1.1Ensayo#1.............................................................................................................................................................503.1.2Ensayo#2.............................................................................................................................................................523.1.3Ensayo#3.............................................................................................................................................................543.1.4Ensayo#4.............................................................................................................................................................573.1.5Ensayo#5.............................................................................................................................................................59

3.2ENSAYODISEÑOB....................................................................................................................................................613.3ENSAYODISEÑOC.....................................................................................................................................................64

4.CONCLUSIONES........................................................................................................................................675.“OPENINNOVATIONVSCLOSEINNOVATION”................................................................................696.LÍNEASFUTURAS.....................................................................................................................................727.BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................................................748.PLANIFICACIÓNTEMPORAL................................................................................................................768.1EDP.............................................................................................................................................................................768.2DIAGRAMADEGANTT..............................................................................................................................................77

9.ANEXOS.......................................................................................................................................................79

5

1 . ESTADO DEL ARTE

6

1. ESTADO DEL ARTE

Ante una sociedad cada vez más concienciada acerca de la importancia del cambio climático, los coches eléctricos o híbridos se presentan como una interesante alternativa a los coches convencionales por su menor huella de carbono.

La principal problemática que surge es la falta de autonomía de estos vehículos que si bien a mejorado con la aparición de las baterías de ión-litio, sigue siendo muy reducida.

Surge por tanto hace ya unos años la necesidad de crear una infraestructura capaz de soportar este medio de transporte y ante la necesidad de cargar estos vehículos, se plantea la opción de hacerlo inalámbricamente de tal forma que se elimina la conexión galvánica y se permite la integración de estos puntos de recarga en casi cualquier parte: en la propia carretera, en un semáforo…

Sin embargo no se debe pasar por alto que actualmente esta tecnología tiene un menor rendimiento y un mayor tiempo de recarga que la alámbrica debido a que el enlace inductivo que se establece a través del aire está muy condicionado tanto por el tamaño del devanado receptor (debe de ir en un vehículo), como por el efecto del desalineamiento sobre el acoplamiento magnético.

1.1 CARGADORES INALÁMBRICOS

Según podemos evaluar un cargador a partir de dos parámetros: su rendimiento y la densidad de potencia por unidad de área que en sí definen cómo de bien se transmite la energía y el tiempo de carga que requerirá.

Pues bien en este Diagrama de Pareto (Roman Bosshard & Johann W. Kolar, 2015) se resumen las principales restricciones y vías de mejora de estos dos parámetros en el enlace inalámbrico.

7

En rojo se puede ver las principales restricciones:

• Por un lado las que afectan a la densidad de corriente y por tanto al tiempo de carga. Destacan la tolerancia frente al desalineamiento, el límite de campo magnético a metro y medio del coche, el volumen de construcción…

• Y por otro lado las que limitan el rendimiento. Entre las que destacan el coste del material, el coste de la energía o las propiedades geométricas…

En azul se puede ver las principales vías de desarrollo:

• Las tres afectan tanto a la densidad de potencia como al rendimiento y son el aumento de la frecuencia, los sistemas de refrigeración y el encapsulado del campo magnético.

Actualmente la frecuencia de trabajo ha sido fijada por la SAE (Society of Automotive Engineers) en 85KHz por lo que la posibilidad de mejora en ese aspecto a nivel de la electrónica de potencia ha quedado restringida.

Respecto a la protección frente a radiaciones magnéticas, el estándar (ICNRIP, 2010) de la Comisión Internacional sobre Protección frente a Radiaciones No Ionizantes establece que la exposición máxima en función de la frecuencia es la siguiente:

8

1.2 PRINCIPALES DISTRIBUCIONES DE ESTOS CARGADORES

En la literatura (Roman Bosshard, Student Member, IEEE, Ugaitz Iruretagoyena, and Johann W. Kolar, Fellow, IEEE, 2016) se analizan dos principales distribuciones para el enlace inductivo: la Rectangular y la DOBLE D.

Para un mismo área de diseño:

Este estudio, concluye que la distribución en DOBLE D es ligeramente inferior a nivel de rendimiento en la transmisión de la energía debido a una menor densidad de potencia por área y a mayores pérdidas en el núcleo ferromagnético.

Si observamos las diferencia a nivel a de desalineamiento, ante desalineamiento lateral ambas experimentan la misma disminución mientras que frente a desalineamiento longitudinal, el performance de la Doble D es muy superior al de la rectangular. Y esto es muy importante ya que a la hora de aparcar un vehículo, no podemos esperar un alineamiento perfecto.

1.3 PRINCIPALES EFECTOS SOBRE UN INDUCTOR:

Por último y para terminar esta breve introducción, se presentan tres efectos que producen las principales pérdidas de rendimiento de estos cargadores y que nos ayudarán por tanto a interpretar los datos obtenidos.

Pérdidas de Foucault

Las pérdidas de Foucault se refieren a las pérdidas de energía que experimenta un sistema debido a las corrientes inducidas en un conductor al ser expuesto ante un campo magnético variable.

Está basado en el principio expuesto por la ley de Faraday por el que el conductor intenta oponerse al cambio impuesto generando un campo en dirección opuesta.

9

Aproximadamente las pérdidas asociadas a este efecto se pueden estimar a partir de la siguiente ecuación por la que como se puede observar a mayor campo magnético y a mayor frecuencia, mayores pérdidas. De ahí la importancia de tenerlas muy en cuenta trabajando en entornos de 85KHz ya que generan calor que luego hay que refrigerar.

Actualmente en inductores se pueden emplear ferritas anti-foucault que han sido fabricadas a partir de polvo prensado, de tal manera que la corriente parásita es mínima. Sino una solución más económica per que conlleva una pérdida de propiedades es la posibilidad de fragmentar la ferrita en lámina longitudinales a la dirección del campo.

En cualquier caso es un problema a considerar porque al fin y al cabo muchas de las estructuras que se utilizan en un coche son metálicas y por tanto se podrían calentar, además de suponer una disminución del rendimiento para el cargador.

Skin effect y Efecto proximidad

Se trata de dos efectos que determinan la distribución del flujo de corriente a altas frecuencias y por cercanía entre unos y otros.

Por un lado, el skin effect restringe la circulación de la corriente a una capa exterior de profundidad conocida llamada profundidad de skin effect.

Por otro lado debido al efecto proximidad, dos corrientes que circulan en un mismo sentido experimentarán una fuerza de repulsión que obligará a la distribución de corriente de cada conductor a alejarse entre sí.

Estas dos ecuaciones expresan estos dos efectos y sus principales dependencias:

La principal solución a estos dos efectos se conoce como LITZ Wire y consiste en un cable compuesto por múltiple cables más pequeños y enrollado en forma de hélice. De esta forma la sección efectiva de cada conductor es del orden del skin effect a la frecuencia de trabajo para ese material y las fuerzas de proximidad van variando para cada conductor al estar enrollado en forma de hélice.

10

2 . MODELADO DE LOS ENLACES INDUCTIVOS: ANSYS MAXWELL

11

2. MODELADO DE LOS ENLACES INDUCTIVOS: ANSYS MAXWELL

En este capítulo se presenta el razonamiento y procedimiento seguido a la hora de plantear las posibles soluciones para la optimización geométrica del enlace inductivo. Y consta de:

• Un manual para el diseño de los distintos ensayos

• 3 Diseños en ANSYS MAXWEL: en los que se analizan las principales variables relacionadas con el acoplamiento.

2.1 MANUAL PARA EL DISEÑO DE LOS ENSAYOS

La herramienta Ansys Maxwell permite generar y simular el funcionamiento de modelos reales a partir de las ecuaciones de maxwell de elementos finitos.

En primer lugar malla el espacio y aplica las ecuaciones a cada uno de los nodos. Las resuelve y traza un mallado más fino en aquellas zonas donde la diferencia de energías entre un nodo y otro es mayor del fijado por el programador.

Estos mallados se vuelven más finos con cada iteración es decir, el cuerpo en 3D se tesela en muchos más tetraedros y de ahí que la resolución del sistema se vuelva más compleja y por tanto tenga un mayor coste computacional y temporal.

A la hora analizar un sistema una pregunta muy recurrente es: ¿creo varios diseños? ¿creo un único diseño para todos lo experimentos? ¿qué es lo más rápido?

Paso #1

- 733 divisiones

Paso #10

- 7074 divisiones

Paso #20

- 95095 divisiones

12

Pues bien, no siempre una solución es la mejor, la soltura a la hora de elegir una u otra se adquiere con la experiencia pero como recomendación habría que fijarse en dos aspectos:

• El punto de vista temporal

• El punto de vista computacional

Si por otro lado se contempla el ensayo desde un punto de vista funcional, este se puede dividir en 4 fases bien diferenciadas:

1. Planificación de los ensayos: Se determinan las variables a analizar y se agrupan los ensayos en distintos diseños y a su vez en distintos proyectos para mantener un cierto grado de orden en nuestro trabajo.

2. Diseño 2D/3D: Se generan los diseños que mejor se ajustan al ensayo, ya sea en 2D o 3D y teniendo muy presente las variables a analizar.

3. Replicación y parametrización: Se replican los diseños y se parametrizan las variables con el rango de valores a testear en cada ensayo para poder simular de una vez todos aquellos ensayos que se encuentren dentro del mismo proyecto.

4. Simulación: se analiza y se resuelve la matriz de Inductancias, resistencias, coeficiente de acoplamiento y flujo linkado.

El tiempo obtenido “experimentalmente” que se emplea en cada fase se reparte aproximadamente así.

PlaniFicaciónyorganizacióndelosensayos

Diseñoen2D/3D ReplicaciónyParametrización Simulación

25% 20% 5% 50%

13

El tiempo empleado en sí en el modelizado del diseño varía en verdad entre el 20-40% del tiempo total en función al número de ensayos que queramos hacer dentro de un mismo diseño ya que hay que parametrizar un mayor número de variables.

Es clave por tanto dedicar gran parte del tiempo a agrupar los ensayos dentro del diseño que más les convenga para luego diseñar también el modelo de tal forma que las variables analizadas aparezcan directamente y sean visibles para el programador.

Si por el contrario se anidan las variables y se hacen depender unas de otras, pondré a punto muy rápido cada ensayo pero será necesario crear varios diseños.

Casi siempre compensará por tanto hacer las variables independientes y caracterizarlas para cada ensayo. Si se añade que copiar un ensayo es muy fácil y rápido casi siempre compensará dejar las variables independientes unas de otras.

Otra ventaja de dejar las variables independientes es que se reduce la posibilidad de que el diseño resulte inválido para algunas medidas/dimensiones debido a que las relaciones a menudo tienen restricciones.

Por último como podemos observar el tiempo empleado en la simulación es el mayor de todos aunque también es cierto que durante la simulación se puede preparar también la primera fase de planificación del siguiente ensayo de ahí que realmente es tiempo que se puede aprovechar.

14

2.1.1 FASE 1: PLANIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS

Este trabajo se centra sobretodo en esta fase porque es la que contemplando todas las demás determina hacer las cosas de una forma o de otra.

Como ya se introducía en el apartado anterior, las principales decisiones a tomar en esta primera fase son: si utilizamos un diseño en 2D o 3D, cómo agrupamos los distintos ensayos y por otro lado el tipo de solución que se necesita, en función a si se trata más de una solución de tipo cualitativo o cuantitativo y en función a los fenómenos a detectar.

3D VS 2D

A la hora de simular los distintos modelos, Ansys proporciona varios tipos de diseño:

− Diseño en dos dimensiones del espacio (2D): se usa para diseñar modelos planos, de revolución o proyectables en una dirección. Pese a que se trata de una aproximación a partir de una simetría suelen ser ensayos muy recurridos debido a su rapidez ya que posibilitan realizar un gran número de pruebas. En muchas geometrías son el ensayo idóneo.

− Diseño en tres dimensiones del espacio (3D): especialmente indicado para geometrías complejas, amorfas o para aquellos casos en los que se requiere una precisión mayor. También se suele implementar una vez se ha aproximado la solución a través del 2D para dar una solución final más exacta. Tiene la contraindicación de que tiene un mayor coste computacional y temporal.

Planteamiento de nuestro ensayo: ¿2D o 3D?

En caso de optar por un diseño en 2D de revolución: supondría aproximar el modelo de espiras cuadradas y barras de ferrita a uno de espiras redondas y discos de ferrita. Permitiría obtener cualitativamente los mismos resultados obtenidos en los ensayos #1 - #5. Pero sería necesario hacer otros diseños para el resto de ensayos. Tanto para distribución de las ferritas como para simetría de las espiras. Sería casi dos veces más rápido. Pero sería más difícil relacionarlo con e resto de ensayos.

Un diseño en 3D permitía realizar todos los ensayos a partir de un único diseño, obteniendo una precisión muy alta a costa de un coste computacional y temporal mayor pero no tan grande ya que nuestro modelo tiene varias simetrías aplicables.

Teniendo todo esto en cuenta y apostando por una mayor precisión finalmente se decide simular a partir de diseños en 3D ya que dos de los principales parámetros a examinar, el coeficiente de acoplamiento (K) y el coeficiente de autoinducción (L) tienen un alto componente geométrico.

15

MAGNETOSTATICO , EDDY CURRENT O TRANSIENT

Tanto para el diseño en 2D como para el 3D, se nos presentan tres tipos de solución que pueden ser interesantes en función a la excitación del sistema y en función de las propiedades que conocemos del material:

• Magnetostático: es un tipo de solución muy rápida ya que el diseño se excita con corriente continua o campo H cte. Permite obtener rápidamente el valor de aquellos parámetros puramente o altamente geométricos como pueden ser la K o la L. Sin embargo la R obtenida será solo debida a la resistencias del conductor al paso de la corriente (Rdc) y por tanto menor a la real.

• Eddy current: es un tipo de solución más compleja que el magnetostático ya que tiene en cuenta los efectos de la frecuencia de trabajo. Es por tanto más lenta pero será necesaria para calcular las pérdidas reales. Es decir no solo las pérdidas por Rdc sino las perdidas por Foucault en materiales magnéticos y conductores y las pérdidas debidas al skin effect. Este tipo de solución permite además simular simultáneamente para varias frecuencias.

• Transient: por último este tipo de solución ofrece la posibilidad de estimular el diseño con corriente sinusoidal y por tanto dibujar la variación del campo con el tiempo. Debido a que es mucho más lento no se ha utilizado en este proyecto más que para obtener videos que permitan visualizar los resultados en un ardid de facilitar la distinción entre unos y otro diseños.

Para ilustrar lo dicho en este punto, se presenta la comparación de las medidas del campo magnético transversal y longitudinal de un ensayo magnetostatico y un Eddy current.

Para ello partimos de un modelo de inductor compuesto por dos núcleos de ferrita en forma de planchas de color verde que aparecen divididas en barras aunque en este ensayo no se le prestará mayor atención a este aspecto y dos bobinados de cobre en amarillo.

Ambas partes deberían ser completamente simétricas aunque como observaremos a continuación no lo son.

Línea de medida

transversal a (rojo)

Línea de medida

longitudinal (morado)

16

Se puede observar también que se han trazado dos líneas de color negro perpendiculares entre sí e interiores a los núcleos de ferrita, sobre las que se medirá el campo magnético.

Para mostrar que efectivamente si el ensayo se realiza a altas frecuencias hay efectos que el magnetostático pasa por inadvertidos como por ejemplo las pérdidas de Foucault o el skin effect.

Como se puede observar en ambos casos tanto la línea roja como la morada son muy parecidas debido a que la plancha de ferrita es cuadrada y simétrica. Sin embargo en cuanto nos aproximamos a los bordes se aprecia una caída interesante de aproximadamente 10 μT (microteslas) en el ensayo de Eddy frente al Magnetostático.

Ensayo Eddy Current

Ensayo Magnetostático Extremo de la placa

Extremo de la placa

17

Planteamiento de nuestro ensayo: ¿Magnetostático o eddy?

Puesto que la frecuencia de estos cargadores esta fijada por la SAE en 85KHz, este análisis se considera un ensayo de alta frecuencia donde las pérdidas debidas a efectos como el skin effect y Foucault son considerables.

Por esta razón y a pesar de que requiere un mayor tiempo y coste de computación se optará por una solución Eddy Current al menos para los ensayo principales. Por el contrario para comprobaciones de funcionamiento, simetría o para los plots sí que será buena opción un magnetostático.

2.1.2 FASE 2: DISEÑO

Una vez se tiene claro lo que se quiere analizar y se han hecho algunos bocetos sobre papel y sobretodo se han dibujado las variables a evaluar sobre el mismo, se procede a “dibujar” en 3D.

Se va a abordar únicamente el 3D porque es el que se ha utilizado para todos los ensayos y porque engloba todas las acciones del 2D.

Para ello se exponen una serie de herramientas y consejos aplicados al “cargador inalámbrico” que serán de gran ayuda a la hora de ahorrar tiempo: biblioteca de objetos predefinidos, operaciones habituales y simplificaciones típicas.

2.1.2.1 BIBLIOTECA DE OBJETOS

Como una primera aproximación al entorno del programa se recomienda “echar un vistazo” a la biblioteca de objetos. La mayoría son fáciles de parametrizar, un ejemplo de ellos y que más aplicación a nuestro caso pueden tener son por ejemplo las hélices.

Hélices

Se podrá dimensionar:

− Radio exterior − Avance del radio por vuelta − Paso − Sección − Radio del conductor o lado del mismo − Número de tramos por vuelta − Posicionamiento

18

Por estas razones, la posibilidad de hacer una capa equivalente y el mayor juego de esta última para variar las dimensiones del bobinado finalmente se opta por no usarla en las simulaciones.

También y porque está relacionado con la biblioteca de objetos, hay una opción que es crear un componente a partir de un modelo que luego se puede recrear, sin embargo no se ha conseguido sacarle provecho porque no éramos capaces de excitarlo a posteriori.

Una alternativa muy rápida y sencilla es crear los modelos y copiar y pegar directamente sobre el nuevo diseño.

2.1.2.2 OPERACIONES TÍPICAS

Puesto que se suelen simular elementos bastante simétricos casi siempre se va a poder duplicar, rotar y desplazar los elementos para ganar tiempo. También se pueden crear volúmenes a lo largo de líneas para hacer conductores. Es interesante también por otro lado ser capaz de aplicar secciones para poder excitar las superficies.

Se trata de un entorno muy intuitivo ya que la mayoría de operaciones de las que vamos a hablar se encuentran accesibles en la barra de herramientas.

Ventajas Inconvenientes • Flexible • Rápido • Real • Múltiples formas

− cuadrado − hexágono − círculo…

• No se pueden aplicar corrientes directamente a los extremos, requiere dibujarle terminales

• No están del todo claras las relaciones entre sus parámetros y la posición de sus extremos.

• En función al numero de lados por vuelta (polígono exterior) requerirá un mayor tiempo de simulación

• Las variables del diseño no se pueden parametrizar

19

Sin embargo es importante pensar desde un principio que tipo de operaciones se van a realizar ya que la mayor parte de ellas están referidas a los planos de coordenadas.

A continuación se presentan algunas de las acciones que más se han utilizado junto con algunas peculiaridades:

− Crear volúmenes : a la hora de parametrizar el cuerpo, las dimensiones se refieren al primer vértice que se dibuja del objeto y lo mismo con la posición que además es absoluta.

− Duplicar: Se podrá duplicar respecto de un plano, de un eje o a lo largo de una línea. Para este último caso se podrá elegir el número de copias y las separación entre ellas pero luego no se podrá variar el número de copias ya que no se puede parametrizar. Se podrá ligar la copia al original de tal forma que se le atribuyan todos los boundaries impuestos sobre el primero. Ojo al duplicar respecto de un eje o respecto de un plano, también el sistema de referencia se invierte por lo que los desplazamiento posición y dimensionamiento queda también afectado por la transformación.

− Añadir material: con un simple clic en “add material” se puede crear un material. Para definir sus propiedades se recomienda utilizar los datasheets de los materiales de Ferroxcube donde vienen muy bien detallados.

− Color, nombre: Aunque parezca algo trivial, es altamente recomendable nombrar aquellos objetos cuando nuestro diseño tenga muchos elementos ya que eso nos permitirá no poder de vista las operaciones que han sido realizadas en cada uno.

− Desplazamiento o rotación: es una de las acciones principales a la hora de simular posicionamientos y demás y es tan sencillo como seleccionar el objeto desplazarlo y de nuevo clicando con el botón derecho en el árbol de elementos editar el cuadro y sustituir una variable en el vector. Cuando se vayan a desplazar numerosos elementos es muy importante aprovechar que tras la acción, todas ellas siguen seleccionadas para inmediatamente realizar le proceso descrito ya que si se puede esa selección, puede resultar muy tedioso seleccionar la acción para cada elemento.

− Secciones: se seleccionarán los elementos a seccionar, edit/surface/section to. A continuación, puesto que en la mayoría de los casos la sección se aplica para poder excitar el elemento con una corriente, y por tanto se suele tratar de un devanado, se deberán separar las secciones del mismo, eliminar una de ellas y excitar la otra. Este apartado se explicará más claramente en el apartado de excitación.

20

− Unir: permitirá crear volúmenes a partir de objetos sencillos como cilindros o prismas. Lo cual permite al fin y al cabo reducir el número de elemento a la hora de la simulación.

− Eliminar respecto de un plano: muy útil a la hora de implementar simetrías, se desarrolla más adelante en el apartado de simetrías.

2.1.2.3 SIMPLIFICACIONES: SIMETRÍAS Y CAPA EQUIVALENTE

Como ya se adelantaba en el tema anterior la variable del tiempo es fundamental a la hora de plantearse la simulación de un mecanismo ya que un diseño en 3D como el que presentábamos antes puede tardar aproximadamente 2 horas en simularse sin tener aparentemente demasiada complejidad.

Además el coste computacional es prácticamente exponencial con cada iteración ya que el mallado se vuelve mucho más fino y el número de ecuaciones a resolver aumenta intensamente.

Este problema quizás sea incluso de los que más limita la complejidad y el nivel de aproximación de la simulación al modelo real porque directamente el ordenador aborta la simulación. Y son horas perdidas ya que solo se obtienen resultados al final del proceso.

El coste computacional y por tanto la duración de la simulación atienden a varios parámetros:

• El número de elementos y la variedad de los mismos: • La geometría de los mismos • El tipo de ensayo 2D o 3D • El número de excitaciones • El tipo de solución

Respecto al número de elemento la única solución normalmente es optar por un modelo simplificado en el que se puede observar la correlación entre las variables pero por supuesto solo se podrá realizar en un estudio preliminar como aproximación o para descartar casos que no sean interesantes. Aunque también es posible encontrar relaciones para transformar un conjunto de conductores en un solo a través de lo que llamamos una capa equivalente.

Respecto a la geometría sí que normalmente se pueden hacer aproximaciones que dan buenos resultados por ejemplo pasar de una espira cuadrada a una circular para poder usar la simetría cilíndrica por ejemplo. O transformar un conjunto de espiras en una capa equivalente. Este caso en concreto se analizará más adelante ya que la equivalencia tiene en consideración no solo aspectos geométricos si no que también físicos.

A nivel del número de excitaciones normalmente tampoco se puede hacer mucho ya que son las portadoras de las variables a analizar con lo cual si queremos conocer el coeficiente de acoplamiento entre dos devanados no podemos eliminar uno de ellos aunque como decía sí que vamos a poder transformar un número de conductores en un capa equivalente

21

y parametrizarlo como si se tratase de 1 o N-vueltas para luego con la relación conocida obtener el valor real.

Pues bien se tienen dos herramientas que permitirán reducir significativamente el tiempo de simulación y el coste computacional: Las simetrías y las capas equivalentes

A) SIMETRÍAS: ODD Y EVEN

Ansys Maxwell ofrece dos tipos de simetría: odd(flujo tangencial) y even (flujo normal)

No equivocarse, no se trata solo de las simetrías geométricas sino que hacen referencia a la dirección del flujo con respecto al plano.

Simetría ODD

Algunos casos básicos de simetría odd donde las líneas de campo representadas por flechas azules son tangenciales al plano de simetría en rojo son los siguientes:

Caso de una espira cuadrada, donde encontramos dos simetrías ODD:

22

Donde como se puede observar desde un alzado superior, las componentes normales al plano de simetría se anulan quedando solo la componente tangencial.

Simetría EVEN

El caso básico de simetría even donde las líneas de campo (flechas azules) son perpendiculares al plano de simetría(en rojo) es:

Caso de una espira cuadrada, donde encontramos una simetría odd. Como dato esta simetría no la vamos a poder aplicar casi nunca ya que eliminaría una de los devanados, el secundario o el primario por la tanto no podríamos calcular el coeficiente de acoplamiento.

Plano de simetría

|B| total

|B| resultante

|B| normal

23

Caso de una espira cuadrada en doble D, donde encontramos una simetría odd entre ambas separaciones:

Efectivamente y al igual que ocurría con la otra simetría se anulará también una componente del campo en este caso la tangencial:

Para crear una simetría, modo de realización en 4 pasos:

1. Se genera el modelo en 3D y se guarda una copia como prevención o para ser simulada si no es demasiado compleja para contrastar los resultados(*).

2. Se elimina la sección/secciones a la que se va a aplicar la simetría mediante un comando “Split” que te ofrece la opción de eliminar una de las dos mitades escindidas respecto de los planos de coordenadas. 2.1. Edit/select all 2.2. Modeler/boolean/Split

3. Clicamos sobre el plano sobre el que queremos aplicar la simetría y a continuación: 3.1.Botón derecho/boundaries/simmetry y escogemos la simetría que corresponda.

Plano de simetría

|B| total

|B| resultante

|B| tangencial

24

4. Asignamos las corrientes, mucho ojo aquí porque si hemos dividido la sección del conductor, la corriente asignada deberá ser la mitad.

(*) Importante a la hora del diseño para este punto será esencial posicionar el modelo totalmente centrado con respecto al centro de coordenadas al menos respecto de aquellos planos a los que se quiera aplicar la simetría.

Esta medida en una primera instancia dificulta el diseño del 3D y hace más tedioso el posicionamiento y dimensionamiento de los objetos porque te obliga a introducir los valores a mano en lugar de poder usar el entorno y dibujar directamente sobre él sin embargo puesto que muchas de las acciones de diseño se basan en el sistema de planos de coordenadas resultará muy útil.

Aparentemente se pueden imponer hasta 3 simetrías, una por cada plano de coordenado sin embargo habrá que tener cuidado de no eliminar un componente entero ya que si no habrá valores que no se podrán medir por ejemplo en un inductor completamente simétrico no podremos eliminar el primario o el secundario, pero si parte de ambos y aplicar la simetría.

B)CAPA EQUIVALENTE

La capa equivalente aplicado al caso que se ocupa consiste en conseguir una superficie que replique el efecto de un conjunto de elementos.

En nuestro caso se pueden aplicar dos capas equivalentes para un estudio completo:

• Una capa equivalente que haga las veces del devanado • Una capa equivalente que haga las veces del núcleo de ferrita

Las principales ventajas de esta herramienta son:

− Que permite reducir el número de elemento de la simulación. − Que permite homogeneizar las propiedades de los materiales de tal forma que se

simule un único material. − Que permite simular geometrías más fáciles de mallar.

La principal desventaja es:

− Que suele ser complicado obtener las propiedades homogéneas del material con un grado de aproximación alto para algunos casos.

25

Modelado de la capa equivalente para la bobina

En este esquema se muestra cómo pasar de los conductores a una capa equivalente que simplifica la simulación y trazado. (Delgado, How to model antennas, 2016)

A modo de comprobación se calculó la R y L de las distintas disposiciones de 4 conductores de cobre a partir de un 2D de simetría cilíndrica.

Se parte del caso base a) y se obtiene un rectángulo equivalente de la misma Área. Y se simula suponiendo 1 conductor y luego 4 conductores(4 vueltas). Y de nuevo se redistribuyen los 4 conductores de manera más compacta y se comprueban los resultados.

Importante se ha mantenido en todo momento el área interna del devanado cte. Para evitar que eso influya.

a) b)

c) d)

Radio bobinado cte.

z

26

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Donde como se puede observar se pueden sacar tres conclusiones:

1) El caso a) y c) son evidentemente equivalentes en R porque al fin y al cabo el conductor es el mismo y de la misma longitud pero redistribuido. Mientras que si nos fijamos en la L efectivamente se puede apreciar aunque mínimamente la proporcionalidad inversa entre la l y la L de la ecuación del solenoide. Ya que A y N y µ son ctes. Pero l ha aumentado un poco haciendo la L más pequeña.

𝐿 = 𝜇𝑁!𝐴𝑙

2) A partir de los casos a), b.4) y b.eq4) podemos observar que no es suficiente con ajustar el área transversal del conductor para obtener la misma R y L si no que es necesario ajustar la conductividad. Y que en caso de no hacerlo se obtendría un sobredimensionamiento de la L.

3) Por último se observa que efectivamente la equivalencia entre N=1 y N=4 es multiplicar por N al cuadrado para ambos casos.

Distribución/Parámetros R(Ω) L(nH)

a)4conductoreslínea 0,7313 350b.1)rectángulo 0,0045637 22,887b.4)rectángulo 0.07302 366,19b.eq1)rectánguloconajustedecond 0,0045603 21,792b.eq4)rectánguloconajustedecond 0,072965 348,67c)4conductoresagrupados 0,7313 311d.eq1)cuadconcond 0,0045637 19,31deq4)cuadconcond 0,0730192 308,96

27

Modelado de la capa equivalente para el núcleo de ferrita :

La idea es simular un material compuesto en realidad por infinidad de microhilos o macropartículas de ferrita embebidos en un polímero o resina a ser posible también con propiedades magnéticas.

El problema es que aún no se ha logrado homogeneizar completamente estos microhilos con una aproximación fiable por lo que para este TFG se simulará una capa equivalente de ferrita. Por este motivo los resultados serán mucho mejores que los que luego se obtendrán en la realidad ya que se estima que la permeabilidad magnética del material compuesto ronda el 20-40% de la ferrita original.

En esta tabla a continuación se muestra cómo varían los principales parámetros de una distribución en doble D frente a la permeabilidad magnética de las planchas externas:

En esta primera imagen se aprecia como la inductancia crece rápidamente al principio hasta mantenerse prácticamente cte. a partir de 1000. Este cálculo está realizado para N=1 por lo tanto se aprecia la importancia de conseguir la mayor permeabilidad posible en las planchas porque luego solo es cuestión de devanar más vueltas.

28

Por un lado como podemos observar a continuación hemos utilizado ejes logaritmos para la permeabilidad magnética ya que la hacemos variar desde 1 a 10000.

Si se presta atención al coeficiente de acoplamiento de nuevo se observa un crecimiento hasta alcanzar el valor de 1000 donde se queda cte. Sin embargo la mejora obtenida en el coeficiente de acoplamiento no se multiplica con el numero de vueltas por tanto estamos hablando de que la mejora obtenida es mucho menor comparativamente hablando que respecto a la L de ahí que las distribuciones que escogemos generalmente han de beneficiar a la K ya que la L es más fácil de aumentar.

Por último se presentan los resultado de la resistencia total, la que representa las pérdidas totales en la transferencia de energía la cual presenta un extraño comportamiento oscilante que no se ha sabido explicar por el momento.

29

2.1.3 FASE 3: PARAMETRIZACIÓN Y EXCITACIONES

Una vez se ha diseñado el modelo se procede a la parametrización para lo cual se copia y pega el diseño tantas veces como sea necesario. A continuación se presentan las principales condiciones que hay que establecer para poder simular nuestro modelo.

Región: es un volumen que delimita nuestra zona de simulación. La creación de la misma se hace mediante dimensionamiento porcentual en función al tamaño del diseño y es de vital importancia que sea lo más grande posible. Normalmente un PAD de 200-400 será suficiente.

Corrientes: son la excitación principal para la simulación del modelo y todos han de seguir un camino cerrado. Si es un solido en el que hay un camino cerrado, se excitará una sola vez mientras que si la línea de circulación es abierta, esta deberá acabar y terminar en la región para poder cerrar así el camino de lo contrario el mensaje dará error.

En este caso, puesto que el análisis era principalmente geométrico, se ha excitado ambos devanados, primario y secundario con 1A aunque en la realidad la corriente será más alta y además diferirá entre un devanado y el otro.

A este respecto la corriente se puede definir como solid o stranded. En este caso puesto que se pretende tener en cuenta el efecto pelicular, se escoge la opción solid, mientras que en caso de usar Litz Wire la simulación se haría en stranded(solo por el exterior).

Matrix: antes de comenzar la simulación, deberemos activar este complemento, para que una vez simulado nos devuelva la L R K y flujo entre nuestras corrientes. Se podrá parametrizar qué corrientes se quieren analizar y agruparlas para obtener las características como grupo.

Boundaries: prácticamente solo se han utilizado para la simetría y en algún caso para aislar una capa equivalente de otra pero muy poco. En el ensayo 2D si que hay que utilizar a menudo un boundary llamado balloon a partir del cual se supone que no hay ningún tipo de efecto electromagnético.

Variables: las variables de cada ensayo estarán accesibles en una ventana en la parte inferior izquierda del entorno mientras que para acceder a las variables del ensayo se deberá clicar sobre el con el botón derecho y acceder a proyect variables.

Solution setup: es un cuadro en el que se fija el nivel de precisión que se quiere alcanzar con la solución y el número máximo de pasos. Recomendación: conviene que el número de pasos sea lo más elevado posible para evitar que se detenga la simulación sin haber concluido.

30

2.1.4 FASE 4: SIMULACIÓN Y RESULTADOS

Simulación

Una vez hemos preparado todos los ensayos se procede a la simulación. Es recomendable comprobar la simetría utilizada simulando un único diseño para estar seguros.

Una vez se haya comprobado este paso se podrán simular de una vez todos aquellos ensayos que pertenezcan al mismo proyecto clicando con el botón derecho sobre el proyecto la ventana lateral izquierda y clicando en “analyse all”.

Aparecerá un ventana en la zona inferior en la que hay una barra de estado de la simulación y una indicación acerca del paso en el que se encuentran.

En la parte lateral izquierda de esta ventana se recoge un resumen con toda la información acerca de la simulación del ensayo, mensajes de advertencia tiempo de inicio y finalización y mensajes de error.

Resultados

Una vez se ha finalizado la simulación clicando en solution data se puede ver el error de energía, y los valores de L R y K.

Hay que tener mucho cuidado si se hace alguna modificación y se vuelve a lanzar la simulación porque no se reinicia. Habrá que clicar botón derecho sobre solution y eliminar todas las soluciones previas para que la simulación empiece desde el principio.

Plots

Una vez se ha simulado correctamente, Maxwell ofrece múltiple posibilidades a la hora de visualizar parámetros como H B R L K. Normalmente se podrá elegir para la superficie o volumen que se quiere visualizar tanto un vector como una magnitud con su correspondiente código de colores.

31

2.2 CASO PRÁCTICO: ACOPLAMIENTO DEL ENLACE INDUCTIVO DEL CARGADOR INALÁMBRICO

Una vez se ha estructurado el método de resolución, se va a aplicar para el análisis del acoplamiento del enlace inductivo en cargadores inalámbricos.

La idea es identificar que distribución y dimensiones ayudan a mejorar el acoplamiento, y para ello recordamos de nuevo estas dos fórmulas:

Por tanto si queremos mejorar el acoplamiento del enlace, nos tendremos que centrar en analizar como influyen las distintas disposiciones y dimensiones al:

L: coeficiente de autoinducción

R: resistencia DC y AC

K: coeficiente de inducción mutua o de acoplamiento

W: frecuencia. En este caso está fijada a 85KHz por el SAE.

A continuación se van a presentar los tres diseños que se han utilizado para analizar el acoplamiento del enlace inductivo con sus respectivos ensayos.

Rendimiento del enlace inductivo Factor de calidad de la bobina

32

2.2.1 DISEÑO A (3D)

Puesto que en un primer momento no se tenía la experiencia ni la destreza adquiridas al final del proyecto se optó por empezar diseñando un enlace muy básico, compuesto por un primario con una plancha de ferrita y un secundario totalmente simétrico.

Atendiendo al diseño, las principales variables a analizar son:

Respecto del devanado:

o El espesor del cobre (e_cobre) o El ancho del cobre(w_cobre) o Diámetro exterior de la bobina(D_ext)

Respecto de la plancha de la ferrita:

o El lado a o El lado b o El espesor de la ferrita (e_ferrita)

Posicionamiento entre ambas:

o Relación exterior entre los lados (p) o Separación exterior entre ambas (w)

Los ensayos que se han planteado para analizarlas son los siguientes.

Secundario

Primario

Plancha de ferrita

Devanado Modelo a un cuarto

b

a

ecobreeferrita

wcobre

w

Dext

33

ENSAYO #1

“Forma exterior del primario y secundario: variación de la relación entre los lados de la ferrita”

En este ensayo se pretende comprobar la influencia de la forma exterior en R, L y K

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

P=a/b

E_c

1) Resistencia del conductor cte

2) Área de ferrita cte = 625mm2

3) Sin simetría

4) Excitación 1 A

5) Frecuencia 85KHz

6) N=1

7) Region: Padding +200

8) %error en la solución 1%

H = 16mm

W_c = 3mm

E_f = 2mm

Y puesto que es el primer ensayo se explica como aplicar la condición 1) para obtener el e_c que mantenga la R del cobre cte:

Donde l_media es la longitud media de conductor que tenemos en cada bobinado, y que se calcula como el camino medio (línea negra en el dibujo).

Una vez tenemos la longitud media despejamos e_c y obtenemos la siguiente tabla de valores:

e_c(mm) relaciónlados1,000156274 11,083606814 2

3 4

RDC = ρlA= cte⇒ lmedia

Atransversal=lmediawcec

= 21,33

⇒ ec =2(a− 2w−wc )+ 2(b− 2w−wc )

21,33wc

34

Y como aplicamos la condición 2) para calcular a y b en función de p:

Es decir gráficamente la transformación que se está produciendo al variar P y e_c manteniendo el resto de variables ctes es:

a(mm) b(mm) relaciónladosP25 25 1

17,67 35 212,5 50 4

P = ba

ecobre

Devanado Cuadrado P=1 Devanado Rectangular P=2,4

ecobre

35

ENSAYO #2

“Variación de la relación entre lados y espesor de la ferrita”

Una vez se conoce la forma exterior que se le quiere dar al bobinado una cuestión interesante sería como aprovechar al máximo la ferrita disponible, para lo cual se plantea el siguiente ensayo:

De nuevo se presenta en la siguiente tabla la correspondencia entre e_f y e_c para cumplir con la condición 1) de R dc cte. Y entre e_f y ‘b’ para cumplir con la condición 2) de Volumen de ferrita cte.

Ladoferrrita(mm) e_c(mm) e_f(mm)17,67 0,833567745 420,41 0,919206126 325 1,062666042 225 1,062666042 2

35,35 1,386154087 1

Es decir gráficamente la transformación que se está produciendo al variar P y e_c manteniendo el resto de variables ctes es:

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

A,B

E_f

E_c

1) Resistencia del conductor cte

2) Volumen de ferrita cte = 1250mm3

3) Excitación 1 A

4) Frecuencia 85KHz

5) N=1

6) Region Padding +200

7) %error en la solución 1%

H = 16mm

W_c = 3mm

W=3

P=1

eferritaeferrita

aa

ecobre ecobre

36

ENSAYO #3

“Variación de la distancia entre el devanado y el extremo de la ferrita por variación del devanado mientras plancha de ferrita cte.”

En este ensayo se pretende ver si era preferible bobinar cerca del extremo de la ferrita o un poco alejados.

1ª PARTE

Con el fin de facilitar un poco la lectura, de las tablas en los resultados, aunque en el entorno de simulación se modifica ‘w’, se decide expresarlo a partir del diámetro exterior resultante de variar ‘w’.

Diámetroexteriorbobina(mm) w(mm)17 419 321 223 1

Tras observar que los resultados no muestran nada interesante, se decide aumentar el número de valores y probar a ver que ocurre cuando el devanado sale por fuera de la ferrita.

Y de nuevo mostramos el ajuste del E_c que en este caso tiene una peculiaridad y es que al hacer la simulaciones, la R que normalmente suele ser próxima a 1 en este caso empieza a variar muchísimo por lo que hay que tantear manualmente todos los ensayos hasta lograr que la R se mantenga cte.

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

W / D_ext

E_c

Resistencia del conductor cte

Área de ferrita cte = 625mm2

Excitación 1 A

Frecuencia 85KHz

N=1

Region Padding +200

%error en la solución 1%

H = 16mm

W_c = 3mm

E_f = 2mm

A = 25mm

B = 25mm

37

2ª PARTE

De ahí que se presenta una tabla con los E_c calculados de manera teórica y los E_c tanteados de manera experimental.

Lógicamente para esta segunda parte del ensayo, visto el número de repeticiones del mismo y que va a haber que tantearlo se resuelve únicamente con simetría.

En rojo se destacan los valores anormales a lo que se esperaba.

w(mm) e_cteorico e_c(mm)4 0,906391624 0,853 1,000156274 0,952 1,093920925 1,121 1,187685576 1,1876855760 1,281450227 1,281450227-1 1,375214877 1,375214877-2 1,468979528 1,1-3 1,562744179 0,9-5 1,75027348 0,9-8 2,031567432 1,1

Es decir gráficamente la transformación que se está produciendo al variar w y e_c manteniendo el resto de variables ctes es:

Diámetroexteriorbobina(mm) w(mm)17 419 321 223 125 027 -129 -231 -335 -541 -8

Dext = 31mm

ecobreecobre ecobre

Dext Dext = 23mm

38

ENSAYO #4

“Variación de la distancia entre el devanado y el extremo de la ferrita por variación de la ferrita mientras el bobinado permanece cte.”

A raíz de los resultados obtenidos en el Ensayo 2 parece interesante comprobar si esa disminución de las resistencias al salir de la ferrita son los suficientemente grandes como para contrarrestar la caída de L y K al reducir la cantidad de ferrita.

Sobretodo pensando en que la caja donde va guardado el cargador tiene unas dimensiones fijas y que cuanto mayor sea el área del bobinado mayor L y K se tendrá, la duda es si disminuir un poco la ferrita o no.

La idea es poder comparar con las separaciones que se habían conseguido antes pero por como está diseñado el modelo, hay que hacer algunas transformaciones para llegar a él:

Es decir, por cada mm que se quiera separar la ferrita del bobinado, lógicamente el lado tendrá que aumentar en 2mm.

b(mm) sepbobinaferrita(mm)27 425 323 221 119 017 -115 -213 -39 -53 -8

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

W

A y B

1) Resistencia del conductor cte

2) Excitación 1 A

3) Con simetría ODD planos XZ,YZ(perpendiculares a la espira)

4) Frecuencia 85KHz

5) N=1

6) Region Padding +200

7) %error en la solución 1%

H = 16mm

W_c = 3mm

E_f = 2mm

E_c=1 mm

D_ext= 19 mm

39

Es decir gráficamente la transformación que se está produciendo al variar w y el lado de la ferrita manteniendo el resto de variables ctes es:

aaa

40

ENSAYO #5

“Variación del ancho del devanado mientras el diámetro exterior del devanado permaneces cte.”

En este ensayo se pretende comprobar la influencia del ancho del devanado en R, L y K una vez ya se ha fijado la separación exterior.

Para ellos se presenta en la siguiente tabla la correspondencia entre w_c y e_c para cumplir con la condición 1) de R dc cte.

Y que por tanto nos dará una ligera idea de la geometría del conductor, una vez se ha fijado la posición exterior del mismo.

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

W_c

E_c

1) Resistencia del conductor cte 2) Área de ferrita cte = 625mm2

3) Excitación 1 A

4) Con simetría ODD planos XZ, YZ(perpendiculares a la espira)

5) Frecuencia 85KHz

6) N=1

7) Region Padding +200

8) %error en la solución 1%

H = 16mm

W = 3mm

E_f = 2mm

E_c=1 mm

D_ext= 19 mm

w_c(mm) e_c(mm)5 0,354 0,53 0,82 1,781 1,820,5 3,50,2 7,5

41

Es decir gráficamente la transformación que se está produciendo al variar w_c y el e_c manteniendo el resto de variables ctes es:

ecobreecobre

wcobre = 3 wcobre =1

42

2.2.2 DISEÑO B (3D)

Una vez obtenidos los resultados del diseño A se plantea abordar el problema de la fragilidad de la ferrita por el que sería una buena idea dividir la plancha en planchas más pequeñas o en su caso en microhilos. Pero se quería tener libertad para que con el mismo diseño se pudieran simular un número de planchas distinto.

Además se quería ir eliminando progresivamente material de la forma más simétrica posible sin afectar a la forma exterior de la ferrita y para no añadir otras variables a los resultados.

Por ambas razones se propuso un modelo muy similar al diseño A, compuesto por dos devanados simétricos pero con las plancha de ferrita compuesta por múltiples barritas. Y se descartó la idea de hacer varios diseños con un número de barras fijo en cada uno.

Este diseño consta de un único ensayo que llamaremos ensayo diseño B para el que además se han creado unas líneas de medida que nos permitirán comparar el campo que circula transversalmente como el que circula longitudinalmente en las planchas de ferrita.

Atendiendo al diseño, las principales variables a analizar son:

Respecto de la ferrita:

o Variación % volumen o Número de ferritas

Puesto que se trataba de un diseño que tenía que abarcar el mayor número de posibilidades no era trivial obtener el número de fracciones de la plancha original. A continuación se explica el proceso que se siguió para la obtención de las mismas.

Línea de medida

transversal

Línea de medida

longitudinal

43

Obtención del número de barritas (fracciones de la plancha):

En un primer momento se pensó dividir la plancha en 100 porciones ya que así además el cada fracción significaría un 1% del volumen total.

Sn embargo atendiendo a lo que habíamos comentado anteriormente acerca del número de elementos y el coste computacional, no parecía la mejor idea. Por lo tanto se buscó un número más pequeño con un alto número de divisores, es decir que iba a permitir hacer un mayor número de grupos distintos y por ello se escogió el 60.

Sin embargo puesto que no vale solo con crear planchas de ferrita agrupando barras si no que hay que eliminar barras para crear los huecos: se plantea el problema de modo analítico:

− X=número de planchas − Y=número de huecos − A=número de barritas que componen una plancha − B=número de barritas que componen un hueco

Si imponemos que efectivamente el número de planchas siempre es 1 más que el número de huecos, queda:

𝑥 = 𝑦 + 1

La suma del número de barritas empleado para hueco y plancha debe sumar el total.

𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

De esta forma si fijamos b=1 y se despeja el sistema de ecuaciones y se iguala a 60:

𝑎 + 1 𝑥 = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 + 1 = 60

Se puede despejar el total de barritas a utilizar para cada plancha en función del número de planchas.

Divisoresde60=a+1 a Númerodeplanchas60 59 130 29 220 19 315 14 412 11 510 9 66 5 104 3 123 2 152 1 30

44

ENSAYO DISEÑO B

“Disminución del volumen de la ferrita mediante la fragmentación de la misma y la creación de huecos”

Como ya se introducía se han creado a partir del diseño B una serie de diseños con un número de barras distinto. Y se han simulado para comprobar las diferencias de un ensayo al otro. Puesto que todos tienen la misma tabla de condiciones, ctes y variables se usará una sola vez.

Elaboración de cada ensayo:

− Se escogía el número de planchas a simular − Se obtenía de la tabla anterior el número ‘a’ de fracciones componían cada plancha − Se eliminaba una fracción para crear los huecos cada ‘a’ fracciones de plancha − SE unían mediante el comando ‘unit’ todas las fracciones de cada plancha:

seleccionamos las planchas a unir y modeler/boolean/unit o mediante el icono unit de la barra de herramientas.

*Aclaración, se prueba con un diseño de mayor tamaño y se modifican las dimensiones de algunos parámetros del devanado para ajustarse a las peticiones de la empresa.

De ahí se obtiene también el ancho de cada fracción w_f = 0,2 cm (0,2x59=11,5cm).

A continuación se presenta gráficamente algunos de los modelos:

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

Número de barras

1. Resistencia del conductor cte

2. Área interna del devanado cte.

3. Excitación 1 A

4. Con simetría ODD planos XZ, YZ(perpendiculares a la espira)

5. Frecuencia 85KHz

6. N=1

7. Region Padding +200

8. %error en la solución 1%

H = 16cm

W_c = 3cm

E_c = 0,5cm

D_ext = 11,5 cm*

W_f = 0,2 cm*

E_f = 0,5cm

45

Ensayo 11 huecos Ensayo 5 huecos

Ensayo 4 huecos Ensayo 2 huecos

46

2.2.3 DISEÑO C

Este diseño se ha realizado con el propósito de simular al menos una vez una de las estructuras más comunes en los cargadores de coches eléctricos, la distribución en doble D.

Para esta distribución se utiliza por tanto un devanado en forma de “ocho” y se han simulado 5 barras pues en el diseño B habíamos descubierto una zona prácticamente cte. ahí y porque la empresa justo estaba experimentando con 5 planchas y le interesaban resultados concretos.

No se utilizó desde el principio porque se desconocía el uso exacto de las simetrías y si era posible aplicarlas al doble D por lo que directamente era imposible de simular. Pero en cualquier caso una vez dominadas las simetrías puesto que los resultados obtenidos para la distribución rectangular son totalmente aplicables a la doble D tampoco habría tenido sentido dedicar mayor tiempo.

Este diseño por tanto solo consta de un ensayo que llamaremos ensayo diseño C.

Y puesto que ya se han analizado la mayoría de variables presentes, ya solo resta analizar la separación entre las barritas y su influencia:

Respecto de la ferrita

o Separación entre ferritas.

Distribución DobleD Distribución DobleD a un cuarto

47

ENSAYO DISEÑO C

“Variación de la separación entre las planchas de ferrita”

Como ya se adelantaba en el apartado anterior se pretende analizar la influencia de esta separación entre ferritas en L, R y K.

*En función de cómo se excitara y como se había diseñado, se podía establecer una simetría un otra, aunque aparentemente el resultado es exactamente el mismo ya que la separación entre los devanados es mínima.

En este caso se ha optado por la opción a) ya que es más fácil de excitar que la opción b)

Variables del ensayo: Condiciones:

Ctes.

Sep_f

1. Resistencia del conductor cte

2. Área interna del devanado cte.

3. Excitación 1 A cada devanado

4. Con simetría ODD plano XZ e EVEN plano YZ(perpendiculares a la espira)*

5. Frecuencia 85KHz

6. N=1

7. Region Padding +200

8. %error en la solución 1%

H = 16cm

E_c =0,5cm

W_c = 1,5cm

D_ext = 11,5 cm

W_f = 0,2 cm

E_f = 0,5cm

Separación de los

devanados = 0,001cm*

Número de barras=5

1A 1A 2A

a) EVEN b) EVEN

48

Es decir gráficamente la transformación que se está produciendo al variar w y el lado de la ferrita manteniendo el resto de variables ctes es

49

3 .RESULTADOS

50

3. RESULTADOS

En este apartado se presentan los resultados obtenidos de la simulación de cada ensayo para su correspondiente diseño.

3.1 ENSAYOS DISEÑO A

Este diseño se ha utilizado para analizar el posicionamiento y forma del devanado sobre la ferrita a partir de los 6 siguientes ensayos:

3.1.1 ENSAYO #1

En este ensayo se pretende comprobar la influencia de la forma exterior en R, L y K

§ La “L” y la “K” disminuyen al aumentar la separación exterior.

51

§ Sin embargo como “L” no varía demasiado al principio podría ser interesante analizar la diferencia entre cuadrado y rectángulo frente a posible desalineamiento en alguna dirección preferencial en el coche

§ La R se ha mantenido cte, se cumple la condición 1)

52

3.1.2 ENSAYO #2

En este ensayo se pretendía comprobar como influía en la L y K el tamaño de la bobina, variando las dimensiones de la ferrita tal que el volumen fuera cte. Y con la resistencia del cobre también cte. Los resultados obtenidos son los siguientes:

Principales conclusiones de los resultados:

− La L y la K crecen mucho lo cual nos hace pensar que hay otro fenómeno que está interviniendo en la mejora, y efectivamente nos damos cuenta de que por como está planteando el ensayo, al mantener w y w_c ctes aumenta mucho el área interna.

53

− También podemos observar que al aumentar la relación Lado/espesor de la ferrita, disminuye la R.

− Aparentemente parece buena idea reducir al máximo el espesor de la ferrita.

Nota: respecto a este último punto, cabe destacar que la ferrita tiene un B máx. por encima del cual se satura. Y este B máx. dependerá del área transversal de la ferrita.

e_f(mm) Áreainterna(mm2)4 32,14893 70,72812 1691 545,2225

54

3.1.3 ENSAYO #3

En este ensayo se pretendía ver si era preferible bobinar cerca del extremo de la ferrita o un poco alejados y estos son los resultados obtenidos.

Como se puede ver, para este se ensayo se repitió tanto sin simetría como con simetría para validar la eficacia de la misma.

1ª PARTE DEL ENSAYO

SIN SIMETRÍA

w(mm) R(mΩ) L(nH) K4 0,884 34,799 0,0543 0,916 41 0,0672 0,945 47,37 0,0791 1,01 51,97 0,09

Tiempo aproximado de resolución de cada caso 12 mins.

Número de pasos 17/18.

Total 48 mins

CON SIMETRÍA

w(mm) R(mΩ) L(nH) K4 0,956 34,48 0,053 0,983 41,24 0,0612 0,972 46,6 0,0691 1,004 51,12 0,076

Tiempo aproximado de resolución de cada caso 5 mins.

Número de pasos 14/15.

Total 20 mins

55

Principales conclusiones del uso de la simetría en este caso:

§ Efectivamente la simetría está muy bien aplicada ya que los valores son bastante parecidos y el tiempo de simulación disminuye considerablemente.

§ Respecto a la R se observa que tiende a ser un poco mayor con simetría que sin ella.

§ La L sin embargo es prácticamente igual en ambos casos. § La K sí que disminuye un poquito.

Principales conclusiones acerca de la variación de w y su influencia en R, L, K:

− Aparentemente la R aumenta pero muy ligeramente en un principio se piensa que es por tema de decimales por lo tanto “aparentemente” se cumple la condición 1).

− La L también aumenta, y esto tiene sentido porque al fin y al cabo el área interna de la bobina está aumentando, y por tanto el espesor del cobre también por lo que es lógico que aumente.

− También era de esperar un aumento de K con el aumento del área interna del bobinado.

2ª PARTE DEL ENSAYO:

Se aumentan el número de valores a simular para comprobar que ocurre al salir. El resultado de esta simulación es el siguiente:

56

Principales conclusiones acerca de la variación de w y su influencia en R, L, K:

− La L efectivamente crece conforme el D_ext es más grande − Más de los mismo con la K − Y la R finalmente cte. Pero a costa de tantear los valores del E_c lo cual plantea la

duda de que estén apareciendo o desapareciendo resistencias debido a efectos de corriente alterna los cuales nos estaban dentro de la condición de Rdc cte.

Puesto que intuimos que hay algún fenómeno que no se está contemplando se ofrece también la siguiente tabla en la que se muestra la diferencia entre el e_c teórico y el obtenido experimentalmente(izq).

También se presenta una tabla(der) con el % de volumen de cobre que sería necesario para devanar cada bobinado referenciado respecto al caso base en el que D_ext= 19mm al que le corresponde el 100%.

Principales observaciones acerca de la variación de e_c y del volumen de cobre:

− A partir del D_ext=27mm la R cae en picado − La plancha de ferrita es de lado 25mm − La Rdc aparentemente está bien calculada con lo cual esa no ha variado − La L y K aumentan a costa de un incremento en el volumen e cobre

Conclusiones e hipótesis:

− Si al salirse el devanado de la ferrita, para ajustar la R hay que disminuir el E_c eso equivale a subir la Rdc, es decir, que al salir de la plancha de ferrita, la R total disminuye considerablemente.

− Es decir que el devanado por el hecho de estar justo sobre la ferrita conlleva unas pérdidas que hasta ahora no habíamos detectado porque los ensayos mantenían siempre el cobre dentro de la plancha de ferrita.

57

3.1.4 ENSAYO #4

“Variación de la distancia entre el devanado y el extremo de la ferrita por variación de la ferrita mientras el bobinado permanece cte.” Y estos son los principales resultados:

Principales conclusiones acerca de la variación de ‘a’ y su influencia en R, L, K:

− La L disminuye conforme disminuimos ‘a’ − La K también disminuye conforme disminuimos ‘a’ − La R disminuye también considerablemente cuando disminuimos ‘a’ ya que el

bobinado deja de estar encima de la ferrita

Puesto que a simple vista no se sabe si la bajada de R contrarresta la bajada de L y K, se propone graficar también el factor KQ. Que es la gráfica a continuación:

58

Principales observaciones acerca de la variación de ‘a’ y su influencia en KQ:

− Hay un máximo de KQ cuando ‘a’ es mayor que el diámetro exterior de la bobina − Hay otro máximo pero en este caso relativo cuando ‘a’ es un poco más pequeño que

el diámetro exterior del bobinado

Nota: no perdamos de vista que el ancho del cobre está fijo en 3mm.

Principales conclusiones acerca de la variación de ‘a’ y su influencia en KQ:

− Justo cuando D_ext y ‘a’ son similares, la KQ presenta un mínimo. − Aunque parece que está relacionado con que el bobinado y la ferrita estén

superpuestos, también es cierto que la mejor zona, es justo antes de que deje de cubrirlo por completo( aprox que cubra 1/3).

Comparativa del ensayo 3 y 4:

− La L y la K conseguidas al aumentar el bobinado(ensayo 2) es mucho mayor que al aumentar el área de ferrita (ensayo 3)

− La R disminuye prácticamente en el mismo punto en ambos ensayos, pero en el ensayo 3 se observa que hay un máximo relativo

Conclusión del ensayo 2 y 3:

− Dadas unas dimensiones de carcasas fijas conviene bobinar consiguiendo el máximo de área posible mientras que la plancha de ferrita interesa más colocarla de menor tamaño, aproximadamente a un tercio del bobinado.

59

3.1.5 ENSAYO #5

“Variación del ancho del devanado una vez se ha fijado la separación exterior entre el mismo y la ferrita.” Y estos son los principales resultados:

Principales observaciones acerca de la variación de w_c y su influencia en R, L, K:

− La L presenta un máximo para w_c =1mm y claramente hay una zona donde se optimiza. De primeras tiene sentido que L disminuya al aumentar w_c ya que se reduce el área interna del bobinado. Lo que no tiene sentido es que de repente aumente al disminuir el área interna de w_c = 0,2 a 1mm.

− La K también tiene una zona clara donde se optimiza pero un poco desplazada respecto de la L ya que tiene su máximo en w_c =3mm. Digamos que hasta cierto punto el reducir el ancho mejora el acoplamiento hasta que llega un punto que el área interna es demasiado pequeña.

60

− La Rdc aparentemente está bien calculada con lo cual esa no ha variado − Se ha observado que se produce una disminución importante del volumen de cobre

para poder mantener la R dc cte. Por lo que también se presenta esta gráfica a continuación.

Una vez visto esto parece que hay una región que optimiza el enlace por lo que graficamos también KQ para verlo un poco más claro.

Principales observaciones acerca de la variación de w_c y su influencia en el factor KQ:

− Parece que puede haber alguna correlación con el hecho de que el ancho y el espesor del conductor guarden un relación máxima de 2 a 1 de tal forma que el área interna sea máxima. Es decir parece ser que se equilibran, el aumento del e_c con el aumento del área interna.

61

3.2 ENSAYO DISEÑO B

Este diseño se ha utilizado para valorar la influencia sobre el acoplamiento del inductor que generaría una distribución macroscópica de microhilos. Que básicamente difieren de un plancha de ferrita precisamente en los huecos y en la variación de volumen de ferrita.

Estas son las gráficas obtenidas en las que a cada x les corresponde un número de huecos por orden de izquierda a derecha 9,5,4,3,2,1,0.

62

Principales observaciones a nivel de número de huecos y a nivel de % en volumen y su influencia en R, L K:

− La L no disminuye demasiado, aproximadamente 3nH al pasar de 0 huecos a 9 huecos. Pero parece que se para 3,4 y 5 huecos podría mantenerse prácticamente constante, por eso para el siguiente ensayo se proponen 5 Barras ya que tendríamos una mayor disminución del volumen.

− La K desciende rápidamente en cuanto la fraccionamos pero en realidad si nos fijamos en los ejes la caída no es demasiado grande y a continuación es casi cte. Por lo que parece que el número de huecos como tal no afecta en demasía al acoplamiento.

− Respecto a la R puesto que se ha fijado el bobinado todas las variaciones se deben a variaciones en la distribución de la ferrita, si nos fijamos bien se puede observar que la R oscila y tiene sus mínimos cuando existe un hueco en el medio de la plancha, es decir, cuando el número de huecos es impar.

Principales observaciones a nivel de número de huecos y a nivel de % en volumen y su influencia en KQ:

− En cuanto se parte una vez la plancha el factor KQ desciende muchísimo pero a partir de ahí se mantiene prácticamente cte. con un pequeño “piquito” para 5 huecos (6 planchas). Pero no se puede determinar porque no se tienen datos para 7 8 o 9 planchas por el método de ensayo, habría que plantear otro diseño.

Para terminar con este ensayo, se presenta la comparación entre el campo magnético longitudinal y transversal que se ha observado en la ferrita a partir de las líneas de medida.

− La línea roja se refiere al campo magnético longitudinal por lo que será continua − La línea morada se refiere al campo magnético transversal por lo que experimentará

pequeños escalones del espesor de los huecos con respecto a la línea roja. Estos escalones se deben a la disminución de la permeabilidad por entrar en el aire.

63

64

3.3 ENSAYO DISEÑO C

“Variación de la separación entre ferritas.” Y estos son los principales resultados:

65

Principales observaciones a raíz del cambio de separación entre las ferritas:

− Como era de esperar, tanto la L como la K disminuyen al aumentar la separación entre las ferritas sin embargo a diferencia del ensayo del diseño B la caída de la L en este caso parece más parabólica mientras que la caída en la K se adaptaría más a una caída lineal.

− La R de nuevo experimenta una disminución importante para sep_f =0,7 y 0,9 cm ya que coincide que para estas separaciones, se desplaza la plancha lo suficiente como para que no esté justo encima del conductor.

Para aclarar mejor este efecto se proporciona también la relación con respecto al factor KQ:

Principales observaciones a raíz del cambio de separación entre las ferritas:

− Efectivamente hay dos máximos para sep_f igual a 0,9 y 0,7 cm y que se debe a las ya mencionadas pérdidas de Foucault.

66

4.CONCLUSIONES

67

4. CONCLUSIONES

Las principales conclusiones a la vista de los ensayos realizados son:

• Ensayo #1: a mayor simetría de cada devanado mayor rendimiento ya que se maximiza el área a abarcar por metro de cable.

• Ensayo #2: las características del enlace inductivo serán tanto mejores como mayor se la relación área/espesor de la ferrita, siendo el espesor el mínimo necesario para que la ferrita no se sature.

• Ensayo #3 y #4: suponiendo que el espacio que puede ocupar el cargador es limitado, se priorizará empezar a bobinar aprovechando al máximo este espacio, mientras que la ferrita tendrá un área inferior de tal forma que se evite que bobinado y ferrita se superpongan. Ya que se ha comprobado que esto provoca grandes pérdidas debidas al principio de Foucault.

• Ensayo #5: una vez se ha fijado el diámetro exterior del devanado, habrá que buscar para cada caso, la relación exacta entre ancho y espesor del mismo de tal forma que se halle un equilibrio entre la pérdida de propiedades por la altura y la mejora de las mismas por mayor área interna. Sin que sirva como regla general, para el caso estudiado, este máximo de propiedades, se encuentra entorno al 2 a 1 de relación.

• Ensayo B: Al fragmentar la ferrita en barras se pueden reducir las pérdidas debidas a efectos como el Foucault sin suponer una gran pérdida para el rendimiento. Y con ello mejorar las propiedades mecánicas de la plancha. Además parece preferible eliminar a ser posible material del centro (usar un número de barras pares).

• Ensayo C: Aparentemente hay un máximo del factor QK para una determinada separación pero faltarían más ensayos para verificar realmente alguna relación o pauta a tener en cuenta.

68

5 . OPEN INNOVATION

69

5.“OPEN INNOVATION VS CLOSE INNOVATION”

Hasta hace pocos años la única medida para proteger e incentivar la investigación eran las patentes. Estas otorgan el derecho de explotación del producto o tecnología durante un número de años suficientes que permiten tener la posibilidad de recuperar la inversión y obtener beneficios. ¿Pero hay necesidad de proteger esa propiedad intelectual?

Estas patentes son los principales pilares de un modelo de innovación que se denomina “Close Innovation o Innovación Cerrada” especialmente promovido por las grandes empresas que tras invertir ingentes cantidades de dinero y tiempo exigían un aval o seguro para poder rentabilizarlo y sobretodo para evitar que una empresa de mayor capacidad les echara del mercado.

Por otro lado, con la globalización y el desarrollo de herramientas como internet las posibilidades de formación y de generar valor se ponen a disposición de empresas y particulares a todos los niveles sin incurrir en un coste elevado.

Esta situación genera una atmósfera en la que se empieza a generar conocimiento y tecnología de acceso libre sin restricción alguna y que se pone a disposición de el resto del mundo.

Este hecho aunque en apariencia trivial ha resultado ser un motor eficaz del desarrollo porque permite dicho coloquialmente que “los pasos que unos han dado sean aprovechados por los siguientes y así sucesivamente”. Por el contrario el sistema de patentes aunque incentiva la inversión, también limita la capacidad de participación de otros agentes y resulta en un estancamiento del progreso hasta la liberalización de la misma.

Elon Musk, el creador de Tesla Motors entre otros proyectos, se convirtió en uno de los principales defensores de la Open Innovation cuando a mediados de 2014 decidió liberar unas 200 patentes de sus coches eléctricos. ¿Por qué motivo?

Tesla quiere crecer y progresar en el mercado de los coches eléctricos. Sin embargo como se mencionaba en la introducción, debido a que es un mercado prácticamente nuevo aún no está creada la infraestructura necesaria para abastecerlo.

Como adelantábamos en este apartado, las barreras de entrada a un mercado de este tipo impiden el desarrollo del mismo ya que se requiere muchísima inversión en investigación para que el producto final sea rentable. De ahí que Tesla estratégicamente libere sus patentes, porque sabe que así impulsará el desarrollo de este sector y aumentará el poder de negociación tanto frente a la administración pública como para hacer frente a la presión del sector petroquímico y automovilístico. Además esto facilitaría la compatibilidad entre los vehículos y los cargadores.

Como opinión personal, creo que esta nueva iniciativa es una buena solución a la problemática de la compatibilidad y que facilitaría mucho la elaboración de estándares aunque por otro lado puede que limite la diversidad de soluciones.

Por otro lado creo que realmente disparará el crecimiento y que es una medida que al final reportará beneficios a su promotor en este caso Tesla ya que son ellos han emprendido ya la construcción de una fábrica de baterías de dimensiones descomunales para abastecer a todo el mercado.

70

Por último creo que es necesario potenciar este tipo de tecnologías más “verdes” y que respetan el medioambiente ya que al fin y al cabo es responsabilidad de todos el cuidar de nuestro planeta, no solo por nosotros sino también hacia las generaciones venideras.

71

6 . L ÍNEAS FUTURAS

72

6. LÍNEAS FUTURAS

Conforme se vaya estableciendo el mercado de los vehículos eléctricos bajarán las barreras de entrada al mismo y aumentará el número de empresas interesadas en invertir en profundizar en aspectos como el estudiado en este TFG.

¿Y como luchar contra la presión de las industrias automovilística y petrolera? Tan solo mencionar la iniciativa de Elon Musk (Tesla Motors) de apostar por la Open Innovation mediante la cual libera de patentes todos sus avances para que así empresa que no disponen de medios suficientes para desarrollar la tecnología la puedan “copiar” y así introducirse más fácilmente en el mercado.

Si bien es verdad que con la tecnología actual queda poco espacio para la mejora, la aparición de nuevos materiales como los microhilos de ferrita o las micropartículas de ferrita, podrían redelimitar el área del diagrama de Pareto.

Estos microhilos y micropartículas mantendrían las propiedades magnéticas de la ferrita y al ser embebidos en una matriz flexible, un polímero o una resina permitirían eliminar los sistemas de sustentación que llevan actualmente estos cargadores y así reducir tanto el coste como el espacio ocupado por los mismos.

Por último parece buena idea además que la resina o polímero posea cierta permeabilidad ya que el máximo factor de empaquetamiento de micropartículas a la hora de su fabricación ronda el 40% lo cual supone una disminución ya grande de la permeabilidad.

Por tanto parece interesante:

• Validar experimentalmente los resultados obtenidos en las simulaciones. • Obtener alguna relación matemática que permita obtener todos estos parámetros de

manera rápida y precisa. • Homogeneizar las propiedades de los microhilos y las micropartículas para así poder

crear una capa equivalente y que sea simulable. • Propuestas de nuevas geometrías atendiendo a las nuevas posibilidades de estos

materiales magnéticos.

73

7 . B IBLIOGRAFÍA

74

7. BIBLIOGRAFÍA

ABC. (20 de 4 de 2014). Tesla libera sus 200 patentes para facilitar la fabricación de los coches eléctricos.

Ansys. Inc Electromagnetic Products. (2012). Users's guide Ansys Maxwell 2D. Cannonsburg: REV6.0.

Ansys. Inc Electromagnetic Products. (2012). Users's guide Design 3D. Canonsburg: REV6.0.

Delgado, A. (2015). Ansys electromagnetics. Maxwell. Madrid, España.

Delgado, A. (2016). How to model antennas. Madrid, Madrid, España.

H.Wolfle, W. G. Hurley y W. TRANSFORMERS AND INDUCTORS FOR POWER ELECTRONICS THEORY, DESIGN AND APPLICATIONS. Ireland: Wiley.

J. Serrano, M. Pérez Tarragons. (2016). Modeling, Simulation and Verification of Contactless Power Transfer Systems. Excerpt from the Proceedings of the 2016 COMSOL Conference in Munich .

Kolar, Roman Bosshard & Johann W. (2015). Fundamentals and Multi-Objective Designof Inductive Power Transfer Systems. Power Electronic Systems Laboratory .

Kolar, Roman Bosshard & Johann W. (September de 2016). Inductive Power transfer for electric vehicle charging. Technical challenges and trdeoff. IEEE POwer electronics magazine .

Observatorio Virtual de transferencia de tecnología. (s.f.). Recuperado el 2017, de https://es.wikipedia.org/wiki/Innovación_abierta

Roman Bosshard, Student Member, IEEE, Ugaitz Iruretagoyena, and Johann W. Kolar, Fellow, IEEE. (2016). Comprehensive Evaluation of Rectangular and Double-D Coil Geometry for 50 kW/85 kHz IPT System. IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS , 4 (4).

75

8 . PLANIFICACIÓN TEMPORAL

76

8. PLANIFICACIÓN TEMPORAL

Se han dedicado una media de 15-18h semanales durante 22 semanas desde la segunda semana de febrero a la tercera semana de julio. De las cuales una semana ha sido Semana Santa y 4 semanas han sido a media jornada debido a que había exámenes. Se puede aproximar a 18 semanas reales de trabajo más fines de semana.

En total salen aproximadamente unas 306h de trabajo (17h x 18 semanas)

8.1 EDP

A continuación se presenta la estructura de descomposición del producto del TFG en el que se pueden apreciar las distintas tareas a realizar con sus respectivas subtareas:

• Estado del arte o Mercado coches eléctricos o Cargadores inalámbricos o Aspectos físicos

• Entorno de simulación o Formación o Primeras pruebas: núcleo de ferrita ETD, E55, E43

§ Devanado § Creación andamio impresora 3D § Analizador de impedancias § Gestión de datos

• Diseño A o Planteamiento o Dibujo o Parametrización o Simulación o Conclusión

• Diseño B o Planteamiento o Dibujo o Parametrización o Simulación o Conclusión

• Diseño C o Planteamiento o Dibujo o Parametrización o Simulación o Conclusión

• Memoria o Manual de usuario o Impacto social y medioambiental o Líneas futuras o EDP y Gantt o Bibliografía o Resumen

77

8.2 DIAGRAMA DE GANTT

78

9 . ANEXOS

79

9. ANEXOS

Antes de comenzar con las simulaciones y para tomar algo de contacto con la materia se ensayaron experimentalmente tres núcleos ferromagnéticos para lo cual se siguió el siguiente procedimiento:

• Identificación de los núcleos • Experimentación de la fragilidad de la ferrita • Búsqueda de sus dimensiones en la herramienta PEmag de ANSYS • Datasheet de los núcleos y de los materiales para poder obtener sus propiedades • Bobinado de los núcleos • Diseño e impresión de un andamio para la simulación de los núcleos mediante

TinkerCad • Pruebas con osciloscopio • Uso del analizador de impedancias para la obtención de R, L y K a distintas

frecuencias • Gestión de los datos del analizador de impedancias(disco duro): interpretación y

lectura de los mismos a través de Excel, gráficas Matlab • Simulación y comprobación de los mismos en MAXWELL

80

81

Tabla de resultado con algunos de los datos simulados experimentalmente y los resultados obtenidos a través de ANSYS.

E43 E55 ETDFrequency(Hz) L(H) R(Ω) Frequency(Hz) L(H) R(Ω) Frequency(Hz) L(H) R(Ω)

7,14E+04 7,64E-06 1,33E-01 8,01E+04 2,14E-05 3,11E-01 9,99E+04 8,95E-06 2,03E-017,17E+04 7,64E-06 1,23E-01 8,04E+04 2,14E-05 3,16E-01 1,00E+05 8,95E-06 2,00E-017,20E+04 7,63E-06 1,28E-01 8,07E+04 2,14E-05 3,18E-01 1,00E+05 8,95E-06 1,99E-017,23E+04 7,63E-06 1,28E-01 8,10E+04 2,14E-05 3,16E-01 1,01E+05 8,95E-06 2,07E-017,26E+04 7,63E-06 1,28E-01 8,13E+04 2,14E-05 3,23E-01 1,01E+05 8,95E-06 1,98E-017,29E+04 7,63E-06 1,31E-01 8,16E+04 2,14E-05 3,20E-01 1,01E+05 8,95E-06 2,02E-017,32E+04 7,63E-06 1,32E-01 8,19E+04 2,14E-05 3,31E-01 1,02E+05 8,95E-06 2,02E-017,35E+04 7,63E-06 1,28E-01 8,22E+04 2,14E-05 3,13E-01 1,02E+05 8,94E-06 2,03E-017,38E+04 7,64E-06 1,33E-01 8,25E+04 2,14E-05 3,30E-01 1,02E+05 8,95E-06 2,03E-017,41E+04 7,63E-06 1,30E-01 8,28E+04 2,14E-05 3,29E-01 1,02E+05 8,94E-06 2,08E-017,44E+04 7,63E-06 1,32E-01 8,31E+04 2,14E-05 3,25E-01 1,03E+05 8,94E-06 2,10E-01

frecSim Lsim Rsim frecSim Lsim Rsim frecSim Lsim Rsim6,00E+04 8,15E-07 1,86E-03 6,00E+04 3,71E-06 2,55E-02 6,00E+04 1,25E-05 0,0763238,50E+04 8,07E-07 2,00E-03 8,50E+04 3,70E-06 0,027636 8,50E+04 1,25E-05 1,07E-011,10E+05 8,05E-07 2,11E-03 1,10E+05 3,70E-06 2,88E-02 1,10E+05 1,24E-05 1,31E-01

82

Función de Matlab para imprimir los dados del archivo de texto: