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Introducción a Modelado con
Electromagnetismo Taller de AC/DC
Pablo Vallejos
+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
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2
2
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dt
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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: [email protected]
• Teléfono: +1-781-273-3322
• Datos de Contacto
– Pablo Vallejos
– COMSOL Inc
– +1-781-273-3322
Preguntas & Respuestas Taller de AC/DC
Gracias por su atención!
Pablo Vallejos
+1-781-273-3322
