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Introducción a Modelado conElectromagnetismoTaller de AC/DC
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Agenda
• Introducción a COMSOL Multiphysics
• Introducción a AC/DC
• Simulación en Vivo – Condensador
– Inductor de alta frecuencia
– Inductor de baja frecuencia
• Practicas y Q&A
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COMSOL Multiphysics
• Simulación de Ingeniería – Entender la Física
– Optimización de Diseños
– Experimentos Virtuales
• Completamente Integrado – CAD y Geometría
– Multifísica
– Malla
– Resolvedores
– Visualización yPostprocesado
– Importe/Exporte de datos
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CAD y Geometría
• Dibujar Geometrías• Importar Archivos CAD• LiveLink
TMpara CAD
– SolidWorks ®
– Pro/Engineer
®
– Inventor ®
– CreoParametrics ®
– SpaceClaim ®
– AutoCAD ®
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Simulación con Multifísica
CamposElectromagnéticos
Flujo de FluidoTransporte de
Masa y ReaccionesAcústica
Transferenciade Calor
MecánicaEstructural
Multifísica
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Discretización y Malla
• Métodos Automático o Manual• Elementos
– Tetraedros
–
Hexaedros – Triángulos
– Cuadrático
– Pirámide
– Prisma Triangular
• Barridos• Capas de Contorno• Mapeado• NASTRAN
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Opciones para Resolver
• Estudios/Resolvedores – Estacionario – Dependiente del tiempo
• Implícito, Explicito, Discreto
– Dominio de la Frecuencia – Valor/Frecuencia propia – Optimización
• Barrido Paramétrico• Batch Job
• Soporte para – Shared Memory (CPU) – Distributed Memory (Clúster)
• Clúster – Windows HPC Server 2008 – Linux
Barrido Paramétrico en Clúster
Modelo Distribuido en Clúster
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Visualización y Postprocesado
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COMSOL Multiphysics – Características
• GUI Flexible
• Análisis con Elementos Finitos
• Multifísica Ilimitada
• Base de Materiales
• Herramientas Matemáticas
• Completamente Paramétrico
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COMSOL v4.2a - Línea de Productos
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Modelado con Campos Electromagnéticos en
COMSOL MultiphysicsIntroducción a Modulo de AC/DC
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Electromagnetismo en COMSOL
• Modulo de AC/DC – Estática y baja frecuencia
– Calentamiento Joule
– Calentamiento por Inducción
•
Modulo de RF – Alta frecuencia
– Calentamiento por Microondas
• Modulo de Plasma• Modulo de MEMS
–
Estática avanzada – Electromecánica
• Rastreo de Partículas con Carga – Interacción entre campos electromagnéticos y
partículas con carga
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Aplicaciones con Modulo de AC/DC
Motores y Generadores Componentes Electrónicos Inductores
Calentamiento Joule y por InducciónCondensadores Óptica de Iones y Rastreode Partículas con Carga
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Aplicaciones con Modulo de RF
Antenas
Guía de Onda y Filtros
Patrón de Radiación Dispersión
Calentamiento porMicroondas
Plasmones y Metamateriales
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Modelado con baja FrecuenciaCuando se debe usar AC/DC Module en lugar de RF Module
• ¿Que es baja Frecuencia? – Cuando la longitud eléctrica es
menor que 0.1 x Longitud deonda
– Dispositivo no puede ver ladirección de las onda, sólo puedever un campo uniforme variandocon respecto al tiempo
l
Longitudeléctrica
0.1 x l
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Cuasi-Estática (CA)
0
t E t sinE t E
Estática (CC) Transitorio
Simulaciones en AC/DC
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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
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Interfaces en RF
• Ondas Electromagnéticas
• Ondas Electromagnéticas
Transitorias
• Circuito Eléctrico
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Electroestática
• Campo estático o con variación lenta – Estacionario, Dependiente del Tiempo
• Sin necesidad de modelarconductores. Superficies sereemplazan con condiciones defrontera:
– Tierra, Potencial Eléctrico, Potencial Flotante,Terminal
• Aplicaciones – Condensadores – Campos alrededor de dispositivos de alta tensión
eléctrica – Semiconductor/Transistor – Electroquímica – 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
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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
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Corrientes Eléctricas en Cascaras
V +
V -
J
• Como Corrientes Eléctricas, pero enplacas/cascaras
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Simulación en Vivo – ElectroestáticaCondensador 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 Electroestatica – Sin Corrientes
– Función: Terminals• Calculo automatico de Capacidad Eléctrica
– Objetivo 1: Estudiar efectos de borde
– Objetivo 2: Comparar Capacidad Electrica• Analitica• Elementos Finitos
d
AC r 0
1 V
Tierra
Area: 100 mm * 100 mm
Distancia: 10 mm
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Campos Magnéticos
• Corrientes Prescritas – Sin necesidad de resolver V
– Corrientes inducidas
– Efecto Pelicular
– Aplicaciones generales con camposmagnéticos
• Aplicaciones – Bobinas CC, J Prescrito
– Bobinas CA, Alta frecuencia
– Campos Magnéticos alrededor dedispositivos eléctricos
– Transformadores
– Ferrita
– Motores
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Campos Magnéticos, Sin corrientes
• Campos permanentes irrotacional – Sin corrientes
• Ventajas – Fácil de utilizar y resolver
– Memoria
– Tiempo Computacional
• Aplicaciones – Imán
– Campo Magnético de la tierra
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Campos Magnéticos y Eléctricos
• Formulación A-V• Cuando no es posible de prescribir corrientes
– Corrientes desconocidas
– Corriente dependiente del potencial V
– Efecto Películar ~ Geometría
• Aplicaciones – Dispositivos CC
– Dispositivos CA de baja frecuencia
– Resistores, Condensadores, Inductores
– Transformadores
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Simulación en Vivo – Inductor de altafrecuencia
• Inductor de cobre• 20 kHz• Efecto pelicular
• Corrientes superficiales – Impedance Boundary Condition
• Objetivo – Campo Magnetico
– Perdidas superficiales
– Perdida total (Integración)
eJAA
1)(
0
2
r j
r 0
2
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Interfaces de Calentamiento por CamposElectromagnéticos
• 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 in fluidos.
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Calentamiento Joule
• Acoplamiento entre CorrienteEléctricas y Transferencia deCalor
•
Posible de usar con DilataciónTérmica – Joule Heating and Thermal
Expansion• Modulo de Structural Mechanics
• Aplicaciones – HVDC/Corriente Continua de Alta
tensión
– Resistores
– Fusibles/Tapon
– Actuadores controlado porCorriente
– Calefactor
– Componentes de Potencia CC
Resistor de Superficie
Transistor de Potencia
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Calentamiento por Inducción
• Acoplamiento entre CamposMagnéticos y Transferencia deCalor
•
Aplicaciones – Hornos de Inducción
– Ingeniería Biomedicina• Tumores
– Cocinas de Inducción
– Temple por Inducción
• Industria de Acero – Soldadura de Inducción
– Plasma
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Simulación en Vivo – Inductor
• Inductor de Potencia• Corriente CA a 1000 Hz• Objetivo 1: Calcular la
Admitancia Y. – Función: Terminal
– Calculación Automática de Y
• Objetico 2: Calcular laInductancia L
• Interfaz Campos Magnéticos yEléctricos
Y L
L jY
1Im
1
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Simulación en Vivo – Fronteras
• Resolver para potenciales A y V
e
e
JAvAA
JAvA
V j j
V j j
r r r
r r
)()()()(
0))()()((
011
002
00
2
V = 0
0
0
n A
n J
V = 1
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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
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Preguntas & RespuestasTaller de AC/DC Gracias por su atención!
Pablo [email protected]+1-781-273-3322