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Simulación orientada a diseño de dispositivos electromagnéticos

La compañía COMSOL Multiphysics compartió un artículo técnico donde expone algunas recomendaciones para los proyectos que involucran el diseño de sistemas electromagnéticos.

ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas

Algo que no podemos observar a simple vista en la mayoría de los aparatos electrónicos es el trabajo que han realizado los ingenieros especializados en pruebas, simulación y validación sobre los diferentes componentes eléctricos que posee el dispositivo.

   

La administración térmica juega un papel sumamente importante en todos los proyectos para alcanzar un grado loable de calidad y eficiencia en los proyectos de diseño electrónico. El uso de la simulación numérica para lograr los objetivos de diseño asociados con la confiabilidad, la eficiencia, los costos, la seguridad y la experiencia de usuario, van en constante aumento en este rubro, y requiere de perfiles altamente especializados.

Para conocer el alcance e importancia que tiene esta actividad, la compañía COMSOL Multiphysics liberó una nota técnica donde expone diversas recomendaciones para obtener mejores resultados al trabajar con diseño de sistemas que emplean corrientes eléctricas.

El documento refiere que algunos casos y en la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, las investigaciones simultáneas de los mecanismos y factores de transferencia de calor en un sistema que causan variaciones de temperatura conducen a una mejor comprensión del impacto de los cambios de diseño en el rendimiento de un producto.

 

Simulación de disipación de calor.
   

Por otro lado, se destacan algunas soluciones que existen actualmente en el mercado que funcionan como plataformas de desarrollo que facilitan algunas de las actividades en este fase de trabajo, tal es el caso del software COMSOL Multiphysics y sus módulos complementarios que permiten analizar la transferencia de calor y el comportamiento multifísico en diversos dispositivos electrónicos.

Algunas formas que expone el documento de COMSOL para estudiar los fenómenos físicos relacionados con el diseño de sistemas electrónicos, son el uso de acoplamientos de interfaces físicas, la funcionalidad de posprocesamiento como el enfriamiento por convección, calentamiento de Joule, cambio de fase y la expansión térmica. Además de las capacidades de modelado físico, también se destaca la capacidad de convertir modelos multifísicos en aplicaciones de simulación, lo que permite un mayor acceso a la simulación numérica.

 

Simulación del flujo de calor conductivo y convectivo.
   

En la anterior ilustración se muestra una simulación del cálculo de disipación de calor vía software con el cual también es posible identificar los valores de la pérdida de presión, entre otros puntos críticos del sistema. El programa como puede observarse, permite ajustar las propiedades de la velocidad del aire y la fuente de calor, así como el número y el tipo de clavijas en el disipador de calor, con lo cual el ingeniero en turno puede observar en tiempo real el comportamiento del módulo electrónico.

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Otra técnica que es ampliamente utilizada es la simulación numérica para el diseño de dispositivos electromagnéticos mediante modelos realísticos multifísicos, lo que reduce considerablemente los costos de prototipado y tiempo al generar un panorama virtual con grandes niveles de precisión sobre el comportamiento del sistema que es analizado.

Las áreas de más calor dentro de una batería de Litio-ion se obtienen aplicando modelado numérico.
 
Interfaces disponibles para la transferencia de calor que pueden ser utilizados como parte de las librerías de COMSOL.
   

Por ejemplo, el modelado multifísico se utiliza en el desarrollo de procesos de fabricación para sistemas de baterías de alta gama. Las baterías de Litio-Ion, que tienen una tendencia a degradarse a altas temperaturas, deben diseñarse para cumplir con las estrictas regulaciones que garantizan su resistencia a las fluctuaciones de temperatura esperadas.

Si bien es bien sabido que los procesos de fabricación, como la soldadura, aumentarían enormemente la temperatura dentro de una batería, no se conocía hasta qué punto dichas temperaturas elevadas podrían propagarse dentro y comprometer una celda.

Los científicos del Centro de Investigación para Tecnologías de Energía, de la Universidad de Oldenburg (Alemania) comenzaron a investigar si las altas temperaturas de soldadura esperadas podrían crear suficiente propagación de la temperatura dentro de las células para causar daños irreversibles, como la descomposición de los electrolitos y la pérdida de capacidad. Primeramente, los datos experimentales fueron recopilados por los investigadores quienes los obtuvieron a partir del estudio de una celda de litio prismática cuando se sometió a estrés térmico a corto plazo, misma que luego se usaría para validar el modelo matemático.

Después, el equipo creó una réplica en 3D de una celda de litio comercial en el software Autodesk Inventor y la importaron al software COMSOL Multiphysics. Procedieron con la modelación de la transferencia de calor por conducción a una fuente de calor externa sobre diferentes posiciones a la celda y aplicando diferentes procesos de fabricación y enfriamiento por convección natural en otras áreas de la superficie de la celda.

Los resultados numéricos demostraron una distribución de temperatura de 60 segundos después de aplicar un sello de calor de 50W a la superficie de la carcasa de la pila Litio-ion y se determinó la propagación térmica después de la soldadura a 1100 °C en la batería, tal como se muestra en la siguiente ilustración.

Modelo de un refrigerador microtermoeléctrico.
   

Los usuarios que decidan implementar el mismo método pueden hacer uso de un listado de interfaces físicas disponibles en las librerías de COMSOL Multiphysics, en la opción de Módulos de Transferencia de Calor sin la necesidad de algún otro producto adicional. Varias interfaces físicas están disponibles para distintos tipos de estudios estacionarios y transitorios en 1D, 2D, y 3D, así como componentes asimétricos con coordenadas cilíndricas en 1D y 2D. Por ejemplo, en la siguiente figura se presenta un modelo de un refrigerador microtermoeléctrico (µTEC) desarrollado en Bell Labs Alcatel-Lucent que emplea la interfaz de transferencia de calor en sólidos y la interfaz de física de corrientes eléctricas.

En estos casos y en la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, las investigaciones simultáneas de los mecanismos y factores de transferencia de calor en los sistemas electromagnéticos que causan variaciones de temperatura, permiten comprender mejor el impacto de los cambios de diseño en el rendimiento de un producto.

Existen herramientas que poseen capacidades y características interesantes que ayudan a simplificar esta compleja labor y una de las fases más costosas de un proyecto de desarrollo, tal como ofrece la herramienta de COMSOL Multiphysics para analizar la transferencia de calor y el comportamiento multifísico en los dispositivos. Las interfaces físicas, los acoplamientos y la funcionalidad de posprocesamiento se utilizan para estudiar fenómenos como el enfriamiento por convección, el calentamiento de Joule, el cambio de fase y la expansión térmica.

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