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0682_CLOUDPYME2_1_E Curso MaxFEM parte teรณrica El proyecto CloudPYME (id: 0682_CLOUDPYME2_1_E) estรก cofinanciado por la Comisiรณn Europea a travรฉs de el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), dentro de la tercera convocatoria de proyectos del Programa Operativo de Cooperaciรณn Transfronteriza Espaรฑa-Portugal 2007-2013 (POCTEP).

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0682_CLOUDPYME2_1_E

Curso MaxFEM parte teรณrica

El proyecto CloudPYME (id: 0682_CLOUDPYME2_1_E) estรก cofinanciado por la Comisiรณn Europea a travรฉs de el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), dentro de la tercera convocatoria de proyectos del Programa Operativo de Cooperaciรณn Transfronteriza Espaรฑa-Portugal 2007-2013 (POCTEP).

0682_CLOUDPYME2_1_E

ยฟQUร‰ ES ?

Paquete de software libre para la simulaciรณn numรฉrica de problemas de electromagnetismo en baja frecuencia.

Resoluciรณn basada en el mรฉtodo de elementos finitos. Adaptabilidad: el usuario puede realizar cambios tanto en la

interfaz como en los programas de cรกlculo. Software multiplataforma (Windows, Linux y MacOS). Abierto: el usuario puede incorporar otro tipo de problemas

gracias a la estructura modular de la interfaz. Descarga del software: http://www.usc.es/es/proxectos/maxfem/

0682_CLOUDPYME2_1_E

ECUACIONES DE MAXWELL EN FORMA INTEGRAL

Ley de Gauss del campo elรฉctrico

Ley de Gauss del campo magnรฉtico

Ley de inducciรณn de Faraday

Ley de Ampรจre-Maxwell

Leyes constitutivas

Ley de Ohm

๏ฟฝ ๐‘ฌ ยท ๐‘‘๐‘จ๐‘†

=๐‘„๐‘’๐‘’๐‘’๐‘’๐‘’๐‘’๐‘’๐‘’๐‘’

๐œ€

๏ฟฝ ๐‘ฉ ยท ๐‘‘๐‘จ๐‘†

= 0

๏ฟฝ๐‘ฌ ยท ๐‘‘๐’ = โˆ’๐‘‘๐‘‘๐‘‘๐ฟ๏ฟฝ๐‘ฉ ยท ๐‘‘๐‘จ๐‘†

๏ฟฝ๐‘ฉ๐œ‡ ยท ๐‘‘๐’ = ๐ผ๐‘† +

๐‘‘๐‘‘๐‘‘๐ฟ๏ฟฝ๐œ€ ๐‘ฌ ยท ๐‘‘๐‘จ๐‘†

๐‘ซ = ๐œ€๐‘ฌ,๐‘ฉ = ๐œ‡๐‘ฏ

๐‘ฑ = ๐œŽ ๐‘ฌ

0682_CLOUDPYME2_1_E

ECUACIONES DE MAXWELL EN FORMA DIFERENCIAL

Ley de Gauss del campo elรฉctrico

Ley de Gauss del campo magnรฉtico

Ley de inducciรณn de Faraday

Ley de Ampรจre-Maxwell

Leyes constitutivas

Ley de Ohm

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐‘ซ = ๐œŒ

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐‘ฉ = 0

๐œ•๐‘ฉ๐œ•๐‘‘ + ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ

๐œ•๐‘ซ๐œ•๐‘‘

+ ๐‘ฑ = ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ

๐‘ซ = ๐œ€๐‘ฌ,๐‘ฉ = ๐œ‡๐‘ฏ

๐‘ฑ = ๐œŽ ๐‘ฌ

0682_CLOUDPYME2_1_E

ELECTROSTรTICA (2D/3D)

Solamente existen cargas en reposo. Ecuaciones:

Formulaciรณn utilizada:

Condiciones de contorno Dirichlet: valor de V en la frontera

Neumann: valor de ๐œ€ ๐œ•๐‘‰๐œ•๐‘’

en la frontera ๐œ€ ๐œ•๐‘‰๐œ•๐’

= โˆ’๐‘ซ ยท ๐’ , densidad de carga superficial

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐‘ซ = ๐œŒ

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ

๐‘ซ = ๐œ€๐‘ฌ

โˆ’ ๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐œ€ ๐œƒ ๐’ˆ๐’“๐’ˆ๐’ˆ ๐‘‰ = ๐œŒ ( โ‰ก ๐œŒ๐‘ฃ, ๐œŽ, ๐œ†, ๐œŒ๐‘ƒ )

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 1: ELECTROSTรTICA 2D

Condensador plano Dos placas conductoras paralelas e infinitas separadas una

distancia ๐‘‘. Regiรณn entre las placas formada por un dielรฉctrico de

permitividad ๐œ€ Fuente en el dielรฉctrico: densidad volumรฉtrica de carga ๐œŒ.

0682_CLOUDPYME2_1_E

Cรกlculo de la soluciรณn analรญtica: Resoluciรณn de la EDP

๐œ€ constante, fuente volรบmica ๐œŒ๐‘ฃ

Como las placas son infinitas en las direcciones ๐‘ฅ, ๐‘ง, por simetrรญa tenemos que ๐‘‰(๐‘ฅ,๐‘ฆ, ๐‘ง) โ‰ก ๐‘‰(๐‘ฆ) y por tanto:

Ecuaciรณn a resolver: ๐œ•2๐‘‰

๐œ•๐‘ฆ2= โˆ’๐œŒ๐‘ฃ

๐œ€

Soluciรณn general de la ecuaciรณn:

โˆ’ ๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐œ€ ๐’ˆ๐’“๐’ˆ๐’ˆ ๐‘‰ = โˆ’๐œ€ ๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐’ˆ๐’“๐’ˆ๐’ˆ ๐‘‰ = ๐œŒ๐‘ฃ

๐’ˆ๐’“๐’ˆ๐’ˆ ๐‘‰ =

0๐œ•๐‘‰๐œ•๐‘ฆ0

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐’ˆ๐’“๐’ˆ๐’ˆ ๐‘‰ =๐œ•2๐‘‰๐œ•๐‘ฆ2

๐‘‰ ๐‘ฆ = โˆ’๐œŒ๐‘ฃ2๐œ€ ๐‘ฆ

2 + ๐ถ1๐‘ฆ + ๐ถ2

0682_CLOUDPYME2_1_E

Aplicaciรณn de las condiciones de contorno: ๐‘‰ = ๐‘‰0 en la placa inferior

๐‘‰ = ๐‘‰1 en la placa superior

๐‘‰ ๐‘ฆ = โˆ’๐œŒ

2๐œ€ ๐‘ฆ2 + ๐ถ1๐‘ฆ + ๐‘‰0

๐‘‰ ๐‘ฆ = โˆ’๐œŒ

2๐œ€ ๐‘ฆ2 +

๐‘‰1 โˆ’ ๐‘‰0๐‘‘ +

๐œŒ๐‘‘2๐œ€ ๐‘ฆ + ๐‘‰0

0682_CLOUDPYME2_1_E

0682_CLOUDPYME2_1_E

Un รบnico material de permitividad elรฉctrica ๐œ€ constante. Condiciones de contorno:

๐‘‰ = ๐‘‰0,๐‘‰ = ๐‘‰1 en las fronteras horizontales.

๐œ•๐‘‰๐œ•๐’

= 0 en las fronteras verticales (no es necesario especificarla).

Fuente: densidad de carga ๐œŒ. No se necesita fichero de temperatura.

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 2: ELECTROSTรTICA 3D

Condensador plano con discontinuidades en el dielรฉctrico. Estudiamos un condensador con una burbuja de aire esfรฉrica. Despreciamos los efectos de borde.

0682_CLOUDPYME2_1_E

Dos materiales: Dielรฉctrico del condensador. Aire en la burbuja.

Condiciones de contorno: ๐‘‰ = ๐‘‰0,๐‘‰ = ๐‘‰1 en las fronteras horizontales (placas).

๐œ•๐‘‰๐œ•๐’

= 0 en el resto de fronteras.

No imponemos ninguna densidad de carga. No se necesita fichero de temperatura.

0682_CLOUDPYME2_1_E

CORRIENTE CONTINUA (2D/3D) Cargas y corrientes independientes del tiempo. Solamente

dominios conductores. Finalidad: determinar el campo elรฉctrico.

Ecuaciones:

Formulaciรณn utilizada:

Condiciones de contorno Dirichlet: valor de V en la frontera

Neumann: valor de ฯƒ ๐œ•๐‘‰๐œ•๐‘’

en la frontera ๐œŽ ๐œ•๐‘‰๐œ•๐’

= โˆ’๐‘ฑ ยท ๐’ densidad de corriente entrante en el dominio.

Neumann: valor de la intensidad ๐ผ entrante en el dominio.

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ, ๐‘ซ = ๐œ€๐‘ฌ,

โˆ’ ๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐œŽ(๐œƒ) ๐’ˆ๐’“๐’ˆ๐’ˆ ๐‘‰ = 0

๐‘ฑ = ๐œŽ ๐‘ฌ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐‘ฑ

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 3: DIRECT CURRENT 2D

Cuba electrolรญtica para la producciรณn de aluminio.

0682_CLOUDPYME2_1_E

0682_CLOUDPYME2_1_E

Varios materiales, todos ellos con conductividad elรฉctrica constante: Barra colectora. Bloque catรณdico. Pasta. Aluminio lรญquido. Baรฑo electrolรญtico.

Condiciones de contorno: Voltaje ๐‘‰ = ๐‘‰0 en la frontera superior del baรฑo. Densidad de corriente entrante en la barra colectora.

No es necesario proporcionar un fichero de temperaturas.

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 4: DIRECT CURRENT 3D

Barra conductora de cobre atravesada por una corriente.

0682_CLOUDPYME2_1_E

Un รบnico material con conductividad elรฉctrica constante. Condiciones de contorno

Potencial en la tapa trasera de la barra ๐‘‰ = ๐‘‰0. Potencial en la tapa delantera de la barra ๐‘‰ = ๐‘‰1.

No es necesario proporcionar un fichero de temperaturas.

0682_CLOUDPYME2_1_E

MAGNETOSTรTICA (2D)

Corrientes independientes del tiempo. Determinar el campo magnรฉtico.

Ecuaciones:

Formulaciรณn utilizada:

Condiciones de contorno: Dirichlet: valor de ๐ด๐‘ง en la frontera

Neumann: valor de 1๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐ด๐‘ง๐’†๐‘ง ร— ๐’ en la frontera 1

๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ ร— ๐’ = ๐‘ฏ ร— ๐’

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐‘ฑ ๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐‘ฉ = 0 ๐‘ฉ = ๐œ‡๐‘ฏ

๐’“๐’“๐’“ 1๐œ‡ ๐’“๐’“๐’“(๐ด๐‘ง๐’†๐‘ง) ยท ๐’†๐‘ง = ๐ฝ๐‘ง

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 5: MAGNETOSTรTICA 2D

Conductores coaxiales infinitos separados por un material magnรฉtico.

Los conductores transportan la misma intensidad en direcciรณn opuesta.

La fuente del problema serรก la densidad de corriente:

๐‘ฑ ๐œŒ =

๐ผ๐œ‹ ๐‘Ž2 ๐’†๐‘ง 0 โ‰ค ๐œŒ < ๐‘Ž ๐ŸŽ ๐‘Ž โ‰ค ๐œŒ < ๐‘

๐ผ๐œ‹ ๐‘2 โˆ’ ๐‘2 โˆ’๐’†๐‘ง ๐‘ โ‰ค ๐œŒ < ๐‘

0682_CLOUDPYME2_1_E

Cรกlculo de la soluciรณn analรญtica: Resoluciรณn de la EDP

๐œ‡ constante, fuente volรบmica ๐‘ฑ

Como los conductores son infinitos en la direcciรณn ๐‘ง y la fuente es de la forma ๐‘ฑ(๐œŒ,๐œƒ, ๐‘ง) โ‰ก ๐ฝ๐‘ง(๐œŒ)๐’†๐‘ง , por simetrรญa se tiene que ๐‘ฏ ๐œŒ,๐œƒ, ๐‘ง โ‰ก ๐ป๐œƒ ๐œŒ ๐’†๐œƒ y por tanto:

Ecuaciรณn a resolver:

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐‘ฑ

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ =1๐œŒ๐œ•๐ป๐‘ง๐œ•๐œƒ โˆ’

๐œ•๐ป๐œƒ๐œ•๐‘ง ๐’†๐œŒ +

๐œ•๐ป๐œŒ๐œ•๐‘ง โˆ’

๐œ•๐ป๐‘ง๐œ•๐œŒ ๐’†๐œƒ +

1๐œŒ๐œ•(๐œŒ๐ป๐œƒ)๐œ•๐œŒ

โˆ’1๐œŒ๐œ•๐ป๐œŒ๐œ•๐œƒ ๐’†๐’›

=1๐œŒ๐œ•(๐œŒ๐ป๐œƒ)๐œ•๐œŒ ๐’†๐‘ง

1๐œŒ๐œ•(๐œŒ๐ป๐œƒ)๐œ•๐œŒ = ๐ฝ๐‘ง

0682_CLOUDPYME2_1_E

Soluciรณn general de la ecuaciรณn:

Aplicaciรณn de la continuidad de la soluciรณn:

๐ป๐œƒ ๐œŒ = ๐ฝ๐‘ง๐œŒ2

+๐ถ๐œŒ

๐‘ฏ ๐œŒ =

๐œŒ๐ผ2๐œ‹ ๐‘Ž2 ๐’†๐œƒ 0 โ‰ค ๐œŒ < ๐‘Ž ๐ผ

2๐œ‹๐œŒ ๐’†๐œƒ ๐‘Ž โ‰ค ๐œŒ < ๐‘

โˆ’๐œŒ๐ผ

2๐œ‹ ๐‘2 โˆ’ ๐‘2 +1๐œŒ

๐ผ2๐œ‹ +

๐‘2๐ผ2๐œ‹ ๐‘2 โˆ’ ๐‘2 ๐’†๐œƒ ๐‘ โ‰ค ๐œŒ < ๐‘

0682_CLOUDPYME2_1_E

0682_CLOUDPYME2_1_E

Dos materiales: Un material de permeabilidad magnรฉtica constante ๐œ‡ (lineal). Un material con permeabilidad ๐œ‡0.

Condiciรณn de contorno: ๐ด๐‘ง = 0. Fuente: densidad de corriente volumรฉtrica dada a travรฉs de la

intensidad constante ๐ผ.

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 6: MAGNETOSTรTICA 2D

Un contactor electromagnรฉtico โ€œtipo-Eโ€ es un componente electromecรกnico que establece o interrumpe el paso de corriente en un circuito

Simularemos una versiรณn simplificada: La parte mรณvil (armadura) serรก fija No estarรก presente ningรบn imรกn permanente

0682_CLOUDPYME2_1_E

Dos materiales: Vacรญo en la bobina. Armadura y nรบcleo de un material magnรฉtico no lineal (descrito por

una tabla BH).

Condiciรณn de contorno: ๐ด๐‘ง = 0 en una frontera exterior suficientemente alejada del dispositivo.

Fuente: densidad de corriente uniforme ๐ฝ๐‘ง (volumรฉtrica). Parรกmetros para la resoluciรณn de la no linealidad: mรกximo

nรบmero de iteraciones y tolerancia.

0682_CLOUDPYME2_1_E

Ley B-H:

๐ต = ๐œ‡0๐ป +2๐ฝ๐‘ ๐œ‹ tanโˆ’1

๐œ‹ ๐œ‡ โˆ’ ๐œ‡02๐ฝ๐‘ 

๐ป

0682_CLOUDPYME2_1_E

TRANSIENT MAGNETICS (2D)

Baja frecuencia (despreciamos el tรฉrmino en desplazamiento elรฉctrico).

Dependencia arbitraria del tiempo para las fuentes. Fuentes:

densidad de corriente, intensidad, caรญda de potencial.

Conductores: stranded. No se calculan corrientes inducidas.

0682_CLOUDPYME2_1_E

Ecuaciones:

Formulaciรณn utilizada:

๐œ•๐‘ฉ๐œ•๐‘‘

+ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐‘ฑ

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ

๐‘ซ = ๐œ€๐‘ฌ,๐‘ฉ = ๐œ‡๐‘ฏ, ๐‘ฑ = ๐œŽ ๐‘ฌ

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐‘ฉ = 0

1๐‘š๐‘š๐‘‘๐‘‘๐‘‘๐‘Ž ฮฉ๐‘’

๐‘‘๐‘‘๐‘‘๏ฟฝ ๐œŽ๐ด๐‘ง ๐‘ฅ, ๐‘ฆ, ๐‘‘ ๐‘‘๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฆ

ฮฉ๐‘›๐’†๐‘ง + ๐’“๐’“๐’“

1๐œ‡ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ = โˆ’

๐‘‰๐‘’(๐‘‘)๐‘š๐‘š๐‘‘๐‘‘๐‘‘๐‘Ž(ฮฉ๐‘’)๏ฟฝ ๐œŽ

ฮฉ๐‘›๐‘‘๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฆ

๐’“๐’“๐’“1๐œ‡ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ =

๐ผ๐‘’(๐‘‘)๐‘š๐‘š๐‘‘๐‘‘๐‘‘๐‘Ž(ฮฉ๐‘’) ๐’†๐‘ง en ฮฉ๐‘’, ๐’“๐’“๐’“

1๐œ‡ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ = ๐ŸŽ en ฮฉ0

0682_CLOUDPYME2_1_E

Condiciones de contorno Dirichlet: valor de ๐ด๐‘ง en la frontera

Neumann: valor de 1๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐ด๐‘ง๐’†๐‘ง ร— ๐’ en la frontera 1

๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ ร— ๐’ = ๐‘ฏ ร— ๐’

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 7: TRANSIENT MAGNETICS 2D

Nรบcleo cilรญndrico infinito compuesto de un material magnรฉtico, rodeado de un conductor infinitamente fino en el que existe una corriente superficial.

0682_CLOUDPYME2_1_E

Ley B-H:

๐ต = ๐œ‡0๐ป +2๐ฝ๐‘ ๐œ‹ tanโˆ’1

๐œ‹ ๐œ‡ โˆ’ ๐œ‡02๐ฝ๐‘ 

๐ป

0682_CLOUDPYME2_1_E

Dos materiales: Aire rodeando al dispositivo. Material magnรฉticamente no lineal y conductor en el nรบcleo.

Condiciรณn de contorno: ๐ด๐‘ง = 0 en la frontera exterior del dominio.

Fuente superficial: caรญda de potencial (conductores acoplados) โˆ†๐‘‰ = ๐‘‰๐‘’1 โˆ’ ๐‘‰๐‘’2.

Intervalo de tiempo. Parรกmetros para la resoluciรณn de la no linealidad: mรกximo

nรบmero de iteraciones y tolerancia.

0682_CLOUDPYME2_1_E

EDDY CURRENTS

Baja frecuencia (despreciamos el tรฉrmino en desplazamiento elรฉctrico).

Rรฉgimen armรณnico: los campos se escriben en la forma ๐“• ๐’™, ๐‘‘ = ๐‘…๐‘š ๐”ฝ ๐’™ ๐‘š๐‘–๐‘–๐‘– , con ๐”ฝ: โ„3 โŸถ โ„‚3

Problemas: 2D plano, 2D axisimรฉtrico, 3D

Ecuaciones:

๐‘‘๐œ”๐‘ฉ + ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐‘ฉ = 0

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐‘ฑ

๐‘ซ = ๐œ€๐‘ฌ, ๐‘ฑ = ๐œŽ ๐‘ฌ ๐‘ฉ = ๐œ‡๐‘ฏ,

0682_CLOUDPYME2_1_E

EFECTO PIEL

Tendencia de la corriente alterna a concentrarse en la zona cercana a la superficie exterior del conductor que la transporta.

Suponemos una soluciรณn de tipo onda plana de las ecuaciones de Maxwell en rรฉgimen armรณnico que penetra en un dominio conductor. Entonces la constante de atenuaciรณn de la onda es:

Por tanto, la profundidad de la piel es:

๐›ผ = ๐œ” ๐œ‡๐œ€

21 +

๐œŽ๐œ€๐œ”

2โˆ’ 1

12๏ฟฝ

โ‰ˆ๐œ”๐œ‡๐œŽ

2

๐›ฟ =2

๐œ”๐œ‡๐œŽ

0682_CLOUDPYME2_1_E

Fuentes: densidad de corriente, intensidad, caรญda de potencial. Conductores: stranded, solid Formulaciรณn:

Condiciones de contorno Dirichlet: valor de ๐ด๐‘ง en la frontera

Neumann: valor de 1๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐ด๐‘ง๐’†๐‘ง ร— ๐’ en la frontera 1

๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ ร— ๐’ = ๐‘ฏ ร— ๐’

๐‘‘๐œ”๐œŽ๐ด๐‘ง + ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘ 1๐œ‡๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘(๐ด๐‘ง) = โˆ’๐œŽ๐‘‰๐‘’,

๐‘‘๐œ”๏ฟฝ ๐œŽ๐ด๐‘ง ๐‘‘๐‘ฅ ๐‘‘๐‘ฆ + ๐ผ๐‘’ = โˆ’๐‘‰๐‘’ ๏ฟฝ ๐œŽ ๐‘‘๐‘ฅ ๐‘‘๐‘ฆฮฉ๐‘›ฮฉ๐‘›

,

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘1๐œ‡ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘(๐ด๐‘ง๐’†๐‘ง) ยท ๐’†๐‘ง = ๐ฝ๐‘ง .

EDDY CURRENTS 2D PLANO

0682_CLOUDPYME2_1_E

EJEMPLO 8: EDDY CURRENTS 2D

Un conductor infinito rodeado por un material dielรฉctrico.

La fuente del problema serรก la intensidad de corriente total, ๐ผ(๐‘‘) = ๐ผ0cos (๐œ”๐‘‘) , que circula por el conductor.

Soluciรณn analรญtica: donde โ„1denota la primera funciรณn de Bessel modificada de orden 1.

โ„ ๐œŒ, ๐‘‘ =

๐ผ02๐œ‹๐‘Ž

โ„1 ๐œŒ ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐œŽโ„1 ๐‘Ž ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐œŽ

๐’†๐œƒ 0 โ‰ค ๐œŒ < ๐‘Ž

๐ผ02๐œ‹๐œŒ ๐’†๐œƒ ๐‘Ž โ‰ค ๐œŒ < ๐‘

0682_CLOUDPYME2_1_E

0682_CLOUDPYME2_1_E

Cรกlculo de la soluciรณn analรญtica: Resoluciรณn de la EDP

๐œ‡ y ๐œŽ constantes en cada dominio ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐‘ฏ + ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐‘ฑ = ฯƒ๐‘ฌ en el conductor, ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐ŸŽ en el dielรฉctrico

Como los dominios son infinitos en la direcciรณn ๐‘ง y la fuente es de la forma ๐‘ฑ(๐œŒ,๐œƒ, ๐‘ง) โ‰ก ๐ฝ๐‘ง(๐œŒ)๐’†๐‘ง, por simetrรญa se tiene que ๐‘ฏ ๐œŒ, ๐œƒ, ๐‘ง, ๐‘‘ โ‰ก๐ป๐œƒ ๐œŒ, ๐‘‘ ๐’†๐œƒ y por tanto:

๐‘‘๐œ”๐œ‡๐‘ฏ + ๐’“๐’“๐’“1๐œŽ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐ŸŽ en el conductor,

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐ŸŽ en el dielรฉctrico

๐‘‘๐œ”๐œ‡๐ป๐œƒ โˆ’๐œ•๐œ•๐œŒ

1๐œŽ๐œŒ

๐œ•๐œ•๐œŒ ๐œŒ๐ป๐œƒ = 0 si 0 โ‰ค ๐œŒ < ๐‘Ž,

1๐œŒ๐œ•๐œ•๐œŒ

๐œŒ๐ป๐œƒ = 0 si ๐‘Ž โ‰ค ๐œŒ < ๐‘

0682_CLOUDPYME2_1_E

Haciendo el cambio de variable ๐›พ = ๐œŒ ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐œŽ, en el conductor cuya soluciรณn general es:

En el dielรฉctrico:

Aplicaciรณn de la continuidad de la soluciรณn y las condiciones:

๐›พ2๐œ•2

๐œ•๐›พ2 ๐ป๐œƒ ๐›พ + ๐›พ๐œ•๐œ•๐›พ

๐ป๐œƒ ๐›พ โˆ’ (๐›พ2 + 1)๐ป๐œƒ ๐›พ = 0 si 0 โ‰ค ๐›พ < ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐œŽ๐‘Ž

๐ป๐œƒ ๐›พ = ๐ถ1โ„1 ๐œŒ ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐œŽ + ๐ถ2๐’ฆ1 ๐œŒ ๐‘‘๐œ”๐œ‡๐œŽ

๐ป๐œƒ ๐œŒ =๐ถ3๐œŒ +๐ถ4

๐ป๐œƒ 0 < โˆž,๐ป๐œƒ ๐‘Ž =๐ผ02๐œ‹๐‘Ž

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Dos materiales: Un material de permeabilidad magnรฉtica ๐œ‡ y conductividad ๐œŽ

constantes (conductor). Un material de permeabilidad ๐œ‡0 y conductividad nula (dielรฉctrico).

Condiciรณn de contorno: ๐ด๐‘ง = 0 en la frontera exterior. Fuente: intensidad ๐ผ. Dato del problema: frecuencia de trabajo ๐œ”.

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Fuentes: densidad de corriente, intensidad, caรญda de potencial. Conductores: stranded, solid Formulaciรณn:

Condiciones de contorno Dirichlet: valor de ๐ด๐œƒ en la frontera

Neumann: valor de 1๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐ด๐œƒ๐’†๐œƒ ร— ๐’ en la frontera 1

๐œ‡๐’“๐’“๐’“ ๐‘จ ร— ๐’ = ๐‘ฏ ร— ๐’

EDDY CURRENTS 2D AXISIMร‰TRICO

๐‘‘๐œ”๐œŽ๐ด๐œƒ + ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘ 1๐œ‡๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘(๐ด๐œƒ) = โˆ’ ๐œŽ๐‘‰๐‘›

2๐œ‹๐œŒ,

๐‘‘๐œ”๏ฟฝ ๐œŽ๐ด๐œƒ ๐‘‘๐œŒ ๐‘‘๐‘ง + ๐ผ๐‘’ = โˆ’๐‘‰๐‘’2๐œ‹๏ฟฝ

๐œŽ๐œŒ

๐‘‘๐œŒ ๐‘‘๐‘งฮฉ๐‘›ฮฉ๐‘›

,

๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘1๐œ‡ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘‘(๐ด๐œƒ๐’†๐œƒ) ยท ๐’†๐œƒ = ๐ฝ๐œƒ .

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EJEMPLO 9: EDDY CURRENTS AXISIMร‰TRICO

El ejemplo estรก basado en un horno de inducciรณn usado en la industria metalรบrgica para purificar metales.

Componentes principales: Bobina conectada a una fuente de potencia (armรณnica) Crisol hecho de un material conductor Material a fundir

Cuando la carga del horno se funde la fuerza de Lorentz tiende a mover el metal. En funciรณn del movimiento inducido las impurezas se acumularรกn en diferentes zonas del metal cuando รฉste se enfrรญe.

Con MaxFEM solamente se simula la parte electromagnรฉtica del proceso.

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Tres materiales: Aire en las bobinas. Material conductor en el crisol. Material conductor en el metal.

Condiciones de contorno: ๐ด๐œƒ = 0 en una frontera exterior suficientemente alejada del

dispositivo. ๐ด๐œƒ = 0 en el eje de simetrรญa.

Fuente: intensidad ๐ผ (solid conductor) en las bobinas, caรญda de potencial (solid conductor) nula en el crisol y el metal.

Dato del problema: frecuencia de trabajo ๐œ”.

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Las fuentes se imponen como una condiciรณn de contorno. Solamente fuentes de intensidad (solid conductor).

Formulaciรณn:

Condiciones de contorno

Frontera del dielรฉctrico: deben indicarse, por separado, las componentes conexas de la frontera del dielรฉctrico

EDDY CURRENTS 3D

๐‘‘๐œ”๐œ‡๐‘ฏ + ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฌ = ๐ŸŽ en ฮฉ๐‘’๐‘๐‘’๐‘’๐‘๐‘’๐‘–๐‘๐‘’ โˆช ฮฉ๐‘’๐‘–๐‘’๐‘‘๐‘‘๐‘’๐‘–๐‘’๐‘–๐‘’๐‘

๐‘‘๐‘‘๐‘‘ ๐œ‡๐‘ฏ = 0 en ฮฉ๐‘’๐‘๐‘’๐‘’๐‘๐‘’๐‘–๐‘๐‘’ โˆช ฮฉ๐‘’๐‘–๐‘’๐‘‘๐‘‘๐‘’๐‘–๐‘’๐‘–๐‘’๐‘

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐œŽ ๐‘ฌ en ฮฉ๐‘’๐‘๐‘’๐‘’๐‘๐‘’๐‘–๐‘๐‘’

๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ = ๐ŸŽ en ฮฉ๐‘’๐‘–๐‘’๐‘‘๐‘‘๐‘’๐‘–๐‘’๐‘–๐‘’๐‘

๏ฟฝ ๐’“๐’“๐’“ ๐‘ฏ ยท ๐’ = ๐ผ๐‘’ฮ“๐ฝ

๐‘›

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EJEMPLO 10: EDDY CURRENTS 3D

Inducciรณn en una barra conductora por una espira elรญptica.

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Dos mallas: Malla del dominio dielรฉctrico. Malla de todo el dominio.

Tres materiales: Aire que rodea el dispositivo. Conductor en el que se induce corriente. Material conductor en la bobina.

Condiciones de contorno: Frontera del dielรฉctrico. Dos condiciones puesto que tenemos dos

componentes conexas. Intensidad en uno de los extremos de la bobina.

Frecuencia de trabajo.

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