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Simulación numérica con elementos finitos de un micro-relé - PDF
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1 Simulación numérica con elementos finitos de un micro-relé Titulación: Alumno: Directores: Ingeniería Industrial César Alfaro Sánchez Juan Álvaro Fuentes Moreno y Francisco Periago Esparza Cartagena, 7 de octubre de 2013
2 Índice 1 Introducción Objetivos El método de los elementos finitos FreeFem El MEF en electromagnetismo Magnitudes y ecuaciones base en electromagnetismo Ecuaciones diferencial y variacional del potencial magnetostático Un par de ejemplos académicos Conductores coaxiales de sección rectangular Procedimiento de resolución Delimitación y mallado de la zona de cálculo Definición de Definición del espacio de elementos finitos Resolución del problema Resultados Código del programa Máquina estática con entrehierro largo Procedimiento de resolución Delimitación y mallado de la zona de cálculo Definición de Definición de la permeabilidad magnética Definición del espacio de elementos finitos Resolución del problema Resultados Código del programa Análisis de micro-relé en 3D Descripción del problema Procedimiento de resolución Delimitación y mallado de la zona de cálculo Mallado del hierro Mallado del cobre Mallado del aire...33 César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 2
3 4.3.4 Definición de Definición de la permeabilidad magnética Definición del espacio de elemento finitos Resolución del problema Resultados Código del programa...45 Bibliografía...46 Anexos...47 Anexo I: Código de FreeFem++ para el problema "Conductores coaxiales de seccion rectangular"...47 Anexo II: Código de FreeFem++ para el problema "Máquina estática con entrehierro largo"...49 Anexo III: Código del FreeFem++ para la simulación del micro-relé...54 Anexo IV: Código de Matlab para el ajuste de la curva...75 César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 3
4 1 Introducción En este apartado se pretende realizar una breve presentación del proyecto así como dar una visión general sobre el programa informático utilizado en el desarrollo del trabajo. También se realiza una introducción del método matemático que el programa utiliza, de forma que se comprendan lo mejor posible los pasos seguidos durante el desarrollo del proyecto. 1.1 Objetivos El principal objetivo del presente proyecto es utilizar el programa FreeFem++ para la simulación de un micro-relé. Este es un proceso que se realiza de forma habitual en los procesos de diseño en empresas con el objetivo de optimizar los prototipos. De cara a la consecución de este objetivo se realizarán las operaciones necesarias para trasladar el problema real al programa tanto en su geometría como en las ecuaciones que lo rigen. Por ello, con el objetivo de validar el proceso de resolución para el problema del microrelé, se resolverán previamente dos problemas electromagnéticos más sencillos tal y como se presentan en esta memoria. 1.2 El método de los elementos finitos El método de los elementos finitos (MEF) es una técnica que permite resolver ecuaciones diferenciales de forma numérica y aproximada. Por tanto, es útil en todos aquellos problemas que, bien por su compleja geometría, o bien por la ausencia de una solución analítica, requieren una solución aproximada. El método parte de la base de la división del espacio en que se quiere resolver el problema en una serie de elementos discretos o elementos finitos. Este proceso, llamado discretización, permite tratar el problema general en un conjunto de subdominios, con el fin de abordar el cálculo en una serie de puntos concretos en lugar de hacerlo en los infinitos puntos del dominio. Con carácter general, el MEF cuenta con los siguientes pasos: 1. Formulación del problema en forma variacional o débil. Se trata de transformar la ecuación diferencial a resolver en una nueva forma integral cuya solución puede calcularse por el método de los elementos finitos. Se puede garantizar que una solución de la ecuación diferencial (fuerte) será también solución de la forma débil. Como ejemplo de una de estas transformaciones se puede ver en el punto 2.2 de esta memoria. 2. División del dominio en elementos finitos. Consiste en la delimitación mediante líneas o superficies imaginarias de distintas zonas dentro del dominio, dando lugar a un espacio vectorial lineal de dimensión finita. Los elementos bidimensionales suelen tener forma triangular o cuadrangular, mientras que los tridimensionales suelen ser tetraedros o hexaedros. En cada elemento habrá una serie de puntos llamados nodos, en los que se realizará el cálculo de las incógnitas. 3. Elección de las funciones de forma. Estas funciones son la base vectorial del espacio de aproximación. Tienen la propiedad de valer 1 en un nodo del elemento y 0 en el César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 4
5 resto y permiten proyectar el problema a resolver sobre el espacio de elementos finitos. 4. Resolución de las ecuaciones. Finalmente se resuelven las ecuaciones que forman el sistema. El problema que realmente se resuelve es un sistema de ecuaciones algebraicos, que se expresa en forma matricial como: Siendo la matriz de incógnitas, la de la función que rige el problema (puede ser una fuerza, una corriente eléctrica,...) y la llamada matriz de rigidez que depende de la discretización realizada y de las propiedades del sistema de que se trate. La resolución se realiza de forma numérica, habiendo múltiples métodos posibles. El MEF en ingeniería permite resolver problemas que son muy difíciles de resolver por otros métodos. Esto ha permitido, en los procesos de diseño en los que tradicionalmente era necesario realizar y ensayar gran número de prototipos, reducir los tiempos y costes del diseño al permitir realizar las primeras fases del mismo mediante simulación. 1.3 FreeFem++ FreeFem++ es un software gratuito, desarrollado en la Universidad Pierre y Marie Curie de París, que se utiliza para resolver ecuaciones en derivadas parciales numéricamente utilizando el método de los elementos finitos. Tiene su propio lenguaje de programación y se puede utilizar para resolver muchos tipos de problemas de diferentes campos de la Física e Ingeniería: fluidos, calor, electromagnetismo,... Permite realizar numerosas operaciones: (1.1) Definir la geometría del sistema en 2D o 3D: tiene diferentes herramientas para reproducir cualquier geometría, ya sea creando elementos geométricos concretos o mediante descripción paso a paso. En 3D permite la realización de transformaciones para reproducir geometrías cambiantes. Permite realizar por separado el mallado de cada elemento del sistema, dando la opción al usuario de elegir el tamaño de los elementos o producir adaptaciones automáticas mediante sus propios algoritmos pre programados. Definición de la ecuación o ecuaciones que rigen el sistema, con posibilidad de seleccionar entre distintos tipos de elementos finitos para adaptarse a cada caso. Permite representar gráficamente los resultados permitiendo distintos tipos de visualización y opciones gráficas, así como el uso de herramientas de terceros para la visualización de resultados, como gnuplot y medit. Uso de numerosas herramientas externas a FreeFem++, simplemente incluyendo las librerías necesarias. Para una mayor visión del empleo, estructura e instrucciones del lenguaje de FreeFem++ se puede recurrir al manual de F. Hecht incluido en la bibliografía. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 5
6 2 El MEF en electromagnetismo A continuación se explican de forma básica los conocimientos y magnitudes clave, que se utilizarán a lo largo del trabajo, para la comprensión y aplicación del método de los elementos finitos a sistemas electromagnéticos. 2.1 Magnitudes y ecuaciones base en electromagnetismo En primer lugar, de cara a la aplicación del MEF a sistemas electromagnéticos, es conveniente conocer las siguientes magnitudes y ecuaciones clave: Campo magnético : El campo magnético es un campo vectorial que representa la influencia magnética de las corrientes eléctricas y los materiales magnéticos. Según las ecuaciones de Maxwell en el vacío: (2.1) (2.2) De la ecuación (2.1) se extrae que el campo magnético es un campo solenoidal, mientras que la ecuación (2.2) es la base que se va a utilizar para resolver mediante el MEF los distintos sistemas electromagnéticos, teniendo en cuenta que en los casos en que el campo eléctrico es estacionario su derivada respecto del tiempo es nula. Potencial vector magnético o potencial magnetostático : Del hecho de que el campo magnético sea solenoidal, se deriva que éste puede escribirse como el rotacional de otro campo vectorial potencial vector magnético. que es el denominado (2.3) Para definir de forma unívoca es necesario, no obstante, establecer una condición extra a cumplir por la divergencia de y que en este caso será: (2.4) Densidad de corriente : La densidad de corriente será otro de los parámetros importantes a la hora de realizar el problema. Se puede definir la densidad de corriente como un campo vectorial cuyo módulo es la intensidad por unidad de superficie en cada punto y su dirección y sentido el del movimiento de las cargas. (2.5) Siendo el vector unitario en el sentido del movimiento de las cargas en el punto. Permeabilidad magnética : La permeabilidad magnética es la propiedad de los materiales que determina su capacidad para atraer y hacer pasar a su través los campos magnéticos. Tomando César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 6
7 como referencia la permeabilidad magnética del vacío define la permeabilidad relativa de un material como: se (2.6) Intensidad de campo magnético : La intensidad de campo magnético es una magnitud vectorial cuyo uso toma especial sentido con la presencia de campos magnéticos en materiales magnéticos. En estos materiales, ante la presencia de un campo magnético, aparece una densidad de corriente de magnetización que se añade a la densidad de corriente libre. Así, en estos materiales: (2.7) Además, hay una relación entre los valores de, y, que viene dada por: (2.8) 2.2 Ecuaciones diferencial y variacional del potencial magnetostático A la hora de resolver los sistemas planteados en este trabajo, la primera parte será obtener el cálculo del potencial vector magnético. Para ello será necesario resolver la ecuación diferencial del potencial magnetostático, que se obtiene a partir de las propiedades fundamentales del campo magnetostático. Sustituyendo (2.3) en (2.2) se obtiene: Lo cual, en coordenadas cartesianas y teniendo en cuenta (2.4) se puede expresar como: (2.9) (2.10) Que será la ecuación diferencial del potencial magnetostático en coordenadas cartesianas. Si ahora se descomponen los vectores en cada una de sus componentes se obtienen tres componentes escalares: (2.11) Por otro lado, para que el programa FreeFem++ sea capaz de resolver un problema es necesario obtener su forma variacional. Esto implica que son necesarios una forma bilineal, una lineal y una condición de contorno para expresar el problema como: Donde serían funciones. (2.12) En primer lugar, la condición de contorno que se usará será la de en la frontera del dominio. Esto es debido a que la suma de las corrientes en cualquier circuito va a ser nula, por lo que, siempre que se tome una frontera lo suficientemente alejada de los conductores César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 7
8 que producen el campo magnético, las aportaciones de cada a anularse. Por tanto nos queda: al potencial magnético tienden (2.13) En segundo lugar, habrá que obtener la forma variacional de las ecuaciones (2.11), para ello tomando por ejemplo la primera de ellas, tenemos: (2.14) Introduciendo la función arbitraria, que cumple las condiciones de contorno, y realizando la integral en todo el dominio, se obtiene: (2.15) Haciendo integración por partes en el lado izquierdo: (2.16) Y teniendo en cuenta que cumple las condiciones de contorno, por lo que su valor es nulo en la frontera, quedaría finalmente: (2.17) Que es la forma débil o variacional del problema y la que hay que introducir en FreeFem++. Si ahora comparamos las ecuaciones (2.12) y (2.17), podemos identificar cada parte de la forma variacional con una de las funciones mediante las que se introducen los problemas en FreeFem++. De este modo: La función de (2.12) será la componente del potencial vector magnético. Por norma general, y por mantener la nomenclatura habitual de FreeFem++, se mantendrá el nombre de para el potencial vector magnético en el código de FreeFem++ y siempre que se haga referencia al programa en esta memoria. La función de (2.12) se corresponderá con su homónima. Se trata en realidad de una función test, sin ningún significado físico particular. La función de (2.12), que representa a la función matemática que rige el problema, se corresponderá con la componente de la densidad de corriente. El razonamiento seguido para obtener (2.17) es el mismo para la resolución de y, solo teniendo que utilizar en cada caso la correspondiente componente de la densidad de corriente. Hay que tener en cuenta que las ecuaciones anteriores se refieren al caso en que los materiales en el sistema sean no magnéticos. Para el caso de materiales magnéticos, combinando las ecuaciones (2.7) y (2.8), la ecuación diferencial que resulta es: César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 8
9 (2.18) Aunque esta ecuación pueda parecer análoga a (2.9) su resolución no lo es, ya que hay una diferencia fundamental en la permeabilidad magnética. En materiales magnéticos, la permeabilidad no presenta un valor uniforme y constante, sino que su valor en cada punto depende del valor de mismo modo. y del material de que se trate, y por tanto no se puede resolver del Para resolverlo se hará uso del teorema del punto fijo, que nos permite afirmar que, siempre que una función sea contractiva, existirá un punto fijo tal que y que la sucesión iterativo que se detalla en el punto de esta memoria. converge a dicho punto. Es decir, un proceso de resolución César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 9
10 3 Un par de ejemplos académicos Con el fin de presentar y comprender la metodología para la resolución del problema del micro-relé, se presenta en primer lugar la resolución de dos problemas de electromagnetismo más sencillos mediante FreeFem Conductores coaxiales de sección rectangular Este ejemplo se trata de un caso sencillo de un sistema electromagnético para tomar contacto con FreeFem++. El sistema se compone de un conductor de cobre de sección cuadrada, rodeado de aire y de otro conductor de cobre, tal y como se muestra en la Figura 3.1. Se considera que ambos conductores son rectos y largos comparados con las dimensiones mostradas. Figura 3.1: Esquema del problema 1, con medidas en mm Los conductores de cobre están atravesados por corrientes de 7500 A cada uno, siendo el sentido de la corriente inverso entre ellos, saliente del papel en el conductor interior y entrante en el papel en el conductor exterior. El objetivo del problema es calcular el potencial magnetostático en el dominio, así como el campo magnético generado por la corriente y por último la energía magnética en todo el dominio Procedimiento de resolución Para resolver el problema se realizarán los pasos que se muestran en la Figura 3.2. En primer lugar se hará una delimitación y mallado de la zona de estudio, se definirá en ese espacio y se resolverá la ecuación (2.17) para obtener cálculo de las otras magnitudes y.. Por último a partir de este valor se procederá al César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 10
11 Figura 3.2: Proceso a seguir para la resolución del problema Delimitación y mallado de la zona de cálculo Aunque el sistema a estudiar está claramente delimitado en este caso, pues viene dado por los conductores, los efectos de las corrientes se extienden a la zona circundante. Se trata por tanto de una región de estudio abierta, pues las magnitudes que se quieren calcular no solo tienen valor en la región delimitada por los conductores sino que hay que tomar una región cuya frontera esté los suficientemente alejada de los conductores para delimitar el problema. En este caso se tomó una región cuadrada de centrada en el conductor interior, ya que suponía una distancia suficiente para que los efectos de las corrientes se anulasen. El origen de coordenadas del sistema se estableció, por razones de claridad en el centro del conductor interior. El primer paso, una vez delimitada la región que se va a estudiar, es realizar el mallado. Este caso resulta sencillo pues bastará con una malla de forma cuadrada que cubra todo el espacio de estudio. Dado que tanto el cobre como el aire son materiales no magnéticos no es necesario distinguirlos por sus propiedades, se considerará que ambos presentan una permeabilidad magnética aproximadamente igual a la del vacío. Por lo tanto se usará un valor de en toda la zona estudiada. Tampoco a la hora de decidir el tamaño de los elementos se encuentran muchas dificultades, ya que en este caso se puede usar un número de elementos relativamente elevado sin que eso conlleve grandes tiempos de ejecución. La malla utilizada es la que se muestra en la Figura 3.3, formada por 5000 elementos triangulares. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 11
12 Figura 3.3: Mallado de la región de cálculo Definición de La densidad de corriente se calculará tal como se indica en la ecuación (2.5). Si en primer lugar prestamos atención a la dirección y sentido de la corriente, observamos que es perpendicular al plano, por lo que las componentes e de son nulas. En cuanto a, en el interior de los conductores su valor será el que resulte de dividir los de corriente que los atraviesan entre su sección, siendo el sentido positivo el saliente del papel, mientras que su valor será nulo en las zonas de aire. (3.1) En la Figura 3.4 se muestra el resultado de FreeFem++ para todo el espacio del problema considerado. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 12
13 Figura 3.4: Distribución de valores de en todo el dominio Definición del espacio de elementos finitos Antes de resolver el problema es necesario definir en el programa el espacio de elementos finitos, para poder declarar el tipo de las incógnitas cuyos valores se desea calcular, en este caso y. Lo más importante a tener en cuenta a la hora de elegir el tipo de elementos es que, dado que el campo magnético se calculará derivando el potencial magnetostático, se elegirán elementos de un grado inferior. Así, se escogieron elementos P2 para el potencial y P1 para el campo Resolución del problema Llegado a este punto, se procederá a calcular haciendo uso de la ecuación (2.17). Dado que en este caso y son nulas, solo será necesario calcular la componente del vector, a la que en el código del programa se le asignará el nombre Cálculo de se calcula a partir del valor de según la ecuación (2.3). Teniendo en cuanta que solo hay componente de, al calcular el rotacional tendremos componentes e de. En concreto, al desarrollar la expresión para el rotacional en dos dimensiones y coordenadas cartesianas se obtiene: (3.2) Que será la expresión usada para el cálculo en FreeFem++. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 13
14 Cálculo de la energía Para calcular la energía del sistema en toda la región estudiada, se puede utilizar la siguiente expresión: (3.3) Para calcularla en regiones concretas del dominio, esta expresión no es útil, ya que no permite saber de qué forma queda distribuida la energía en cada zona, por ello se puede usar la expresión: (3.4) Resultados Los resultados arrojados por el programa se muestran en la Figura 3.5 y la Figura 3.6. En primer lugar, se puede apreciar que el potencial magnetostático presenta sus valores máximos en la zona central del sistema, y decrece progresivamente hacia afuera, hasta cumplir la condición de contorno en la frontera. Figura 3.5: Potencial magnetostático Por su parte en la Figura 3.6 se puede apreciar como aumenta desde el conductor central hacia el exterior, presentando un máximo entre ambos conductores, disminuyendo su valor al aproximarnos al interior del conductor externo, y quedando fuera de éste un valor residual muy inferior al resto, aunque no nulo. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 14
15 Figura 3.6: Representación vectorial del campo magnético Finalmente, los valores obtenidos para la energía magnética calculados son los de la Tabla 3.1. Dado que desconocemos la longitud de los cables en la dirección perpendicular al plano, los resultados se muestran en. Se puede ver que los valores totales para ambas ecuaciones son similares, aunque la ecuación (3.3) no permite conocer cómo queda distribuida en las distintas zonas del dominio. Observando los valores de energía en las distintas zonas, se aprecia que la zona de aire entre los dos conductores es la que acumula la mayor cantidad de energía como corresponde a los mayores valores de en su interior. En En En En En Tabla 3.1: Valores de energía obtenidos para cada ecuación Código del programa En el Anexo I se incluye el código de FreeFem++ para la resolución de este problema. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 15
16 3.2 Máquina estática con entrehierro largo En este caso se tiene una máquina electromagnética alimentada con corriente continua. Su sección se muestra en la Figura 3.7. Se puede apreciar que está formada por cuatro conductores de cobre de sección cuadrada en los que la densidad de corriente es de. En los dos conductores que se encuentran en la parte derecha la corriente es saliente del papel, mientras que en las que se encuentran en la izquierda la corriente es entrante. La longitud perpendicular al plano mostrado en la Figura 3.7 es de. Alrededor de las bobinas se encuentra un entrehierro de aire, y alrededor de éste se puede apreciar el hierro de la máquina. Figura 3.7: Geometría del segundo problema con medidas en mm El objetivo del problema es hallar el potencial y el campo magnético producido por las corrientes, además de la permeabilidad relativa en el hierro y la intensidad de campo magnético resultante. También se calculará la energía magnética en todo el dominio y en cada zona, cobre, aire y hierro, por separado Procedimiento de resolución La diferencia principal entre este problema y el anterior radica en la presencia del material magnético que, tal y como se muestra en la Figura 3.8 obliga al cálculo de la permeabilidad magnética. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 16
17 Figura 3.8: Procedimiento para la resolución del problema Delimitación y mallado de la zona de cálculo En este caso, la zona de cálculo se limitará al borde de hierro de la máquina, no siendo necesario extender la zona de cálculo al aire circundante. Esto es debido a que el hierro, como material magnético, presenta una permeabilidad magnética varias veces superior a la del aire. Por tanto, al estar todo el conductor rodeado de hierro, las líneas de campo se cierran en el interior del hierro, ya que lo contrario implicaría recorrer caminos de menor permeabilidad magnética y más largos. El origen de coordenadas se situaría en el centro del sistema por la mayor comodidad a la hora de definir las dimensiones. En cuanto al mallado, en este caso se realizó una división de la zona de cálculo por regiones. Esto respondía a dos necesidades. La primera sería la de estructurar y organizar el código de una forma más clara y fácil de entender, dada la mayor complejidad del sistema. La segunda se debería al propio comportamiento del sistema, pues en este caso las regiones de aire y cobre, no presentan las mismas características que la región de hierro, pues su permeabilidad magnética es diferente. La división en regiones de la zona de cálculo permite delimitar con exactitud hasta donde llegan las zonas con un comportamiento u otro respecto de la permeabilidad magnética y evitan los errores debidos a un mallado impreciso. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 17
18 Por tanto, a la hora de realizar el mallado, se produjo la división del espacio en las cuatro zonas correspondientes a las bobinas, la correspondiente al entrehierro y la correspondiente al hierro, tal como muestra la Figura 3.9. La malla está compuesta por un total de elementos triangulares. Figura 3.9: Mallado de la máquina electromagnética, formado por triángulos Definición de Como se mencionó anteriormente, en este caso las bobinas presentan una densidad de corriente en su interior de. De igual modo que en el caso anterior, al ser la corriente perpendicular al plano, la densidad de corriente solo presentará componente en. Por tanto en este caso el valor de será el mostrado en (3.5). (3.5) En la Figura 3.10 se muestra como queda la densidad de corriente representada en FreeFem++. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 18
19 B (T) Simulación numérica con elementos finitos de un micro-relé Figura 3.11: Representación de j en FreeFem Definición de la permeabilidad magnética En cuanto a la permeabilidad magnética, para las regiones de cobre y aire, se seguirá utilizando el valor de permeabilidad del vacío. Mención aparte merece el caso del hierro, ya que como material magnético su permeabilidad magnética depende en cada punto del valor del campo magnético. Por tanto, para este material, en lugar de un valor concreto del dato de permeabilidad tenemos la curva característica que se relaciona con según (2.8). La curva para el tipo de hierro del problema es la que se muestra en la Figura ,5 Curva B-T del hierro 2 1,5 1 0, H (A/m) Figura 3.12: Curva B-T del hierro César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 19
20 µrel Simulación numérica con elementos finitos de un micro-relé En la Figura 3.12 se puede observar cómo a partir de ciertos valores de, el campo magnético apenas aumenta, lo que implica que su permeabilidad magnética se reduce mucho, acercándose al valor de la permeabilidad en el vacío. Más interesante para nosotros podría ser representar directamente los valores de de la ecuación (2.8), dando lugar a la curva que se muestra en la Figura a partir Curva µrel-b ,5 1 1,5 2 2,5 B (T) Figura 3.13: Curva Para poder introducir en el programa esta característica del material, se decidió hacer un ajuste que permitiera calcular, de la forma más aproximada posible, el valor de la permeabilidad correspondiente al campo magnético existente en cada punto del hierro. El tipo de curva utilizada, dada la forma de la curva fue una exponencial en función del módulo de, del tipo: (3.6) Siendo C 1, C 2 y C 3 los coeficientes a encontrar para ajustar la curva. Este ajuste se realizó bajo el criterio de minimizar el error entre los datos numéricos de la curva real y los resultantes de la curva que se usa para el ajuste. La curva obtenida que cumplía este criterio es la ecuación (3.7). (3.7) En la Figura 3.14 se muestran las representaciones gráficas de los datos y la curva mediante la que se produjo el ajuste, viendo que ambas se acercan de forma aproximada. En el Anexo IV se incluye el código de Matlab con el que se realizó el ajuste. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 20
21 Figura 3.14: Ajuste de la curva en el hierro Definición del espacio de elementos finitos En este caso, la elección del tipo de elementos para representar las magnitudes a calcular fue igual a la del problema anterior, eligiendo elementos P2 para el potencial vector magnético y P1 para el campo que se calcula derivando el potencial. Se usaron además los elementos constantes (P0) para la variable reg que se utiliza para almacenar y utilizar los números de región que FreeFem++ asigna a cada zona del mallado Resolución del problema En este caso, la resolución del problema incluirá un paso adicional al caso del primer problema. Como hemos visto, en el hierro el valor de la permeabilidad va a ser distinto en cada punto, y va a depender del módulo de. Se da, por tanto, el caso de que es necesario conocer para resolver la ecuación (2.18), pero a la vez es necesario conocer el valor de para hallar la permeabilidad magnética. Se trata de un problema no lineal, que no podemos resolver directamente Cálculo de La solución es usar un algoritmo iterativo, empezando con la suposición de un valor uniforme en todo el hierro para la permeabilidad magnética. El problema así obtenido se puede resolver de la misma forma que (2.17), permitiéndonos obtener los valores de y. El valor del campo magnético nos permitirá a su vez calcular una primera aproximación de con la que podemos resolver de nuevo el problema. Este esquema, recogido en la Figura 3.15, se repetiría hasta que dos iteraciones consecutivas presentaran unos resultados similares, con lo que consideraremos que hemos hallado una solución para el problema no lineal. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 21
22 Figura 3.15: Proceso para calcular B y µ r Las fases de que consta el proceso son las siguientes: Fijar un valor inicial de : se trataría de elegir para el hierro un valor de permeabilidad que se encuentre dentro de los valores normales en la curva de la Figura Calcular B: tras resolver el problema de la forma habitual, tomando el valor inicial de permeabilidad, se calcularía según (3.2) y su módulo como: Calcular : una vez obtenido el valor de, se puede aplicar la ecuación (3.7) para obtener el nuevo valor de la permeabilidad en el material magnético. Sin embargo, con el objetivo de evitar cambios bruscos entre iteraciones debidos a inexactitudes en la función de aproximación de, no se utilizó en el cálculo la ecuación (3.7) directamente sino que se añadió otro término que hacía el nuevo valor de permeabilidad dependiente del actual. Esta relación vendría regulada por una variable llamada de la forma que se indica en (3.9). (3.8) (3.9) Con. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 22
23 Calcular el error: el error tendrá la misión de dar una idea de lo que ha cambiado el valor del potencial magnético obtenido de resolver el problema entre dos iteraciones. Se calculará de acuerdo a la ecuación (3.10). (3.10) Cuando este valor sea suficientemente pequeño querrá decir que hemos convergido a una solución lo suficientemente aproximada, y el cálculo se da por finalizado Cálculo de la energía magnética Para calcular la energía magnética en los materiales magnéticos se utilizará la expresión: (3.11) Este resultado deberá multiplicarse por los 3 metros de longitud que presenta la máquina para hallar el valor total de energía. Se puede observar que la expresión (3.4), utilizada en el problema anterior, es un caso concreto de (3.11) con. Para calcular el valor total de energía en todo el espacio estudiado también se puede usar la ecuación (3.3) que se usó en el anterior problema Resultados En la Figura 3.16 se muestran los resultados del potencial, que son las líneas de campo de. Se puede ver que la distribución de potenciales es simétrica, siendo en la mitad derecha potenciales positivos y en la izquierda negativos debido a los opuestos sentidos de las corrientes en las bobinas. También se aprecia cómo el potencial presenta sus valores máximos en la parte del hierro más cercana a las bobinas, decreciendo su valor hasta anularse en la parte exterior. Figura 3.16: Potencial César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 23
24 En la Figura 3.17 tenemos los valores y direcciones del vector en el dominio. Se aprecia cómo sigue la dirección de las líneas equipotenciales de A y cómo los valores mayores se alcanzan en las esquinas del material magnético ya que los trayectos son más cortos, y las derivadas de A mayores. Figura 3.17: Representación de vector En cuanto al valor calculado para la permeabilidad magnética, éste tenderá a ser mayor en los puntos en que tenga un valor cercano a y menor donde sea máximo o mínimo según la Figura El resultado del cálculo se puede apreciar en la Figura 3.18, donde se muestran los valores de. Figura 3.18: Valores de en el hierro César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 24
25 La intensidad de campo magnético se obtendrá a partir de y de a partir de (2.8). En la Figura 3.19 se muestra su módulo. Se puede apreciar que su valor es alto en los materiales no magnéticos ya que es mucho menor en ellos y especialmente en la zona central del entrehierro, donde los valores de son, además, apreciables. Figura 3.19: Módulo de Por último, los valores obtenidos para la energía son los mostrados en la Tabla 3.2, en los que se aprecia que la mayor parte de la energía se concentra en el entrehierro, ya que en el hierro el valor de es muy bajo en comparación con los valores que se alcanzan en el entrehierro. Tabla 3.2: Valores de energía magnética obtenidos Código del programa En el Anexo II se incluye el código para la resolución de este problema. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 25
26 4 Análisis de micro-relé en 3D Una vez resueltos los ejemplos anteriores, se realizó la simulación de un micro relé. La idea sería realizar el mismo tipo de simulaciones que se realizan en los ciclos de prediseño de relés industriales. La simulación se realizó en tres dimensiones, siendo por tanto significativamente más compleja y con mayor coste computacional que los casos anteriores, pero utilizando la misma base en el procedimiento a seguir. 4.1 Descripción del problema El diseño del relé es el mostrado en la Figura 4.1. Se trata de un relé industrial de pequeñas dimensiones, cuyo funcionamiento se quiere analizar. Figura 4.1: Geometría del micro-relé La bobina de cobre que se usa para controlar el funcionamiento del relé se encuentra enrollada en la parte central o núcleo (A) tal y como se muestra en la Figura 4.2. Por esta bobina discurrirá, cuando se active el relé, la corriente eléctrica. El relé dispone además de una parte móvil (B) que puede rotar en torno a un eje de giro situado en la parte inferior del relé. El movimiento de esta parte constituye la clave del funcionamiento del relé haciendo posible o no el contacto eléctrico, por lo que se quiere analizar el comportamiento del relé para distintas posiciones de la misma. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 26
27 Figura 4.2: Disposición del cobre en el relé Por último se pueden ver las dimensiones del relé en la Figura 4.3. Figura 4.3: Alzado, planta y perfil del micro-relé con dimensiones en mm El objetivo final del problema sería, dados la geometría del mismo y la intensidad de corriente que circula por el cobre, determinar el par debido a la fuerza magnética que se ejerce sobre la parte móvil del relé para distintos ángulos de apertura de la misma y examinar de esta manera la evolución que sufre durante el funcionamiento. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 27
28 4.2 Procedimiento de resolución En la Figura 4.4 se muestra el proceso que se va a seguir para resolver este problema. Las diferencias principales se encuentran a la hora de definir la geometría y el mallado, por la existencia de una tercera dimensión. Además, en este caso, de cara a resolver el problema, calcularemos la fuerza magnética y el par sobre la parte móvil del relé, tal y como se indica en los siguientes puntos. Figura 4.4: Proceso de resolución para el problema del relé 4.3 Delimitación y mallado de la zona de cálculo Si observamos la geometría de la Figura 4.1 podemos ver que el contorno del problema no está claramente acotado, ya que el material magnético no encierra todo el conductor. Eso quiere decir que la región de estudio se encuentra abierta, pues los efectos del funcionamiento del relé se extienden a la zona circundante. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 28
29 En realidad, al encontrarse el conductor parcialmente rodeado de un material magnético como el hierro, el campo magnético tenderá a anularse en las zonas exteriores del hierro, por lo que no será necesario que la zona de aire estudiada alrededor del relé sea de gran tamaño, teniendo en cuenta además que, en un problema en tres dimensiones, añadir un volumen adicional incrementará notablemente el número de elementos de la malla y, consecuentemente, el tiempo de cálculo. Se decidió tomar para las simulaciones una longitud de aire alrededor del relé que fuera, en cada dirección, la misma que la longitud del relé. Para construir y mallar el relé, la primera decisión a tomar es la distribución de los ejes. La manera de trabajar del programa a la hora de definir mallas tridimensionales afecta a la decisión, ya que el proceso utilizado en este caso consiste en la creación de una malla inicial en dos dimensiones (ejes X e Y) a la que posteriormente se da la altura (eje Z). Debido a la geometría del relé y, especialmente, a la necesidad de mallar todo el aire que lo rodea, así como el interior del relé, la distribución de ejes se eligió como se muestra en la Figura 4.5: Figura 4.5: Disposición seleccionada para los ejes La elección se hizo teniendo en cuenta que la parte más complicada de mallar, dada su forma, sería la parte de aire que se encuentra entre el núcleo de hierro y la bobina de cobre y la que se encuentra entre la bobina y la parte exterior de hierro. Gracias a la elección del eje, es posible crear esas mallas como simple paso a 3D de la malla 2D que se muestra en la Figura 4.6, que se crea sencillamente restando mallas rectangulares y circulares, evitando de esta forma tener que realizar una transformación 3D en la malla para crear la forma cilíndrica. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 29
30 Figura 4.6: Mallado del aire interior al relé y al cobre en 2D y 3D En cuanto a la colocación del origen de coordenadas, se decidió que este estuviera en el centro del núcleo de hierro, es decir, en medio del relé, de forma que se simplificara la referencia a los distintos puntos del mismo aprovechando la simetría respecto del plano YZ y del plano XZ (en caso de que la parte móvil se encuentre cerrada) que presenta el relé Mallado del hierro El mallado del relé en sí está constituido por la superposición de varias mallas creadas de forma independiente. Esto es debido a la necesidad de que cada parte del relé tenga unas coordenadas z diferentes. Por ello se crearon 5 distintas zonas malladas, mostradas en la Tabla 4.1, para crear cada una de las partes con distintas coordenadas en que forman parte del hierro. Posteriormente todas estas mallas se unieron en una única malla que las agrupaba y que permitía tratar el relé como un todo en el programa. En la Figura 4.7 se muestra el resultado. Por último, en cuanto al número de elementos, siguiendo la máxima de parametrizar el código lo más posible de cara a hacer cambios rápidamente, se decidió calcular y almacenar en una variable la longitud de cada una de las aristas del relé. De esta forma el número de elementos en cada arista se establecería como el producto entre la longitud y un factor que se usaría para hacer fácilmente un aumento o disminución del número de elementos. De esta forma el mallado sería lo más uniforme posible y fácilmente adaptable. En la configuración final, el mallado de toda la parte de hierro estaba constituido por tetraedros. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 30
31 Figura 4.7: Imagen del relé mallado en FreeFem++ Malla Número Nombre de malla Localización Multiplicador 1 CHierro3D Núcleo de hierro 2 FoHierro3D Parte trasera 3 FrHierro3D Parte móvil Hierro3D 4 lateralfohierro3d Parte lateral trasera a ambos lados 5 lateralfrhierro3d Parte lateral delantera a ambos lados Tabla 4.1: Identificación de mallas para formar el relé Diseño de la parte móvil del relé Dada la necesidad de realizar simulaciones del funcionamiento del relé para distintos ángulos de apertura de la parte móvil durante el proceso de activación, se consideró necesario parametrizar la malla de forma que el mismo código pudiera realizar diversas simulaciones para distintas distribuciones. Para ello se aprovechó el comando "transfo" de FreeFem++ que permite realizar transformaciones sobre mallas. Esta función permite, a partir de una malla inicial que se crea del mismo modo que cualquier otra, dar una función matemática en cada uno de los tres ejes coordenados para crear una malla distinta y que se ajuste a las necesidades. En este caso el objetivo era crear las funciones necesarias para que, en función de un parámetro "Angulo" introducido en el programa, la parte móvil pudiera formar cualquier ángulo, dentro de un intervalo aceptable, con el resto del relé. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 31
32 En primer lugar, en el eje X, no es necesaria ninguna transformación tal y como muestra la ecuación (4.1), ya que es paralelo al eje de giro y se conserva la coordenada x en todo el volumen de la parte móvil para cualquier ángulo. En el eje Y, observamos dos efectos, por un lado como consecuencia del abatimiento, la coordenada y tendrá un nuevo valor máximo en función del coseno del ángulo de apertura. Por otro lado, en función de la coordenada z, habrá un decremento adicional, ya que la parte más alejada del eje de giro sufre un descenso mayor. Este descenso irá asociado al seno del ángulo de apertura. Incluyendo estos dos factores, la fórmula para la transformación en el eje Y será la mostrada en (4.2). (4.1) En el eje Z, el efecto será similar tal y como muestra la ecuación (1.1), habrá que tener en cuenta por un lado que el valor de la coordenada z disminuye al multiplicarse por el coseno del ángulo de apertura y que además las zonas superiores más alejadas del eje de giro sufren un mayor alejamiento de su zona original, afectado por el seno del ángulo de apertura. (4.2) Mallado del cobre La disposición del cobre será la de un cilindro hueco colocado alrededor del núcleo del relé, sin llegar a tocar al hierro en ningún punto. Está formado por una sola malla a la que se dio el nombre de tal y como se muestra en la Figura 4.8. (4.3) Figura 4.8: Disposición y mallado del cobre alrededor del núcleo de hierro César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 32
33 La forma de elegir el número de elementos fue el mismo elegido para el hierro, en función de las longitudes calculadas en cada dimensión y utilizando un multiplicador para poder modificar fácilmente el número de elementos, que finalmente quedó en tetraedros Mallado del aire El aire es posiblemente la zona más difícil de mallar, ya que se encontrará en todos los huecos dejados en el resto de mallas y tendrá que rodear, también, todo el relé hasta completar la zona de cálculo. Además, como la zona ocupada por el relé depende del ángulo de apertura de la parte móvil, la zona ocupada por el aire también deberá ser modificable. Del mismo modo que el hierro, fue necesario dividir la zona de aire en diversas mallas que una vez unidas constituirían toda la malla de aire y permitirían darle un tratamiento único en el programa a toda la zona Aire interior al relé La idea llevada a cabo para el mallado del aire fue rellenar inicialmente todos los huecos del relé hasta conseguir que relé y aire tuvieran la forma de un prisma rectangular y, una vez conseguido esto, mallar el exterior del relé. Con este objetivo se crearon cuatro mallas, dos para rellenar el interior y dos para los bordes del relé. Estas mallas se muestran en la Figura 4.9 y se detallan en la Tabla 4.2. Figura 4.9: Relé rodeado de las mallas de aire necesarias para formar un prisma El número de elementos viene en este caso regido también por la longitud de cada arista de los distintos elementos de malla de forma que fuese lo más uniforme posible. De de igual modo que en los casos anteriores, se introdujeron multiplicadores para cambiar el número de elementos para el aire dentro de las paredes del relé y para las partes de aire que rellenan los huecos en las paredes. El número de tetraedros en la ejecución fue de César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 33
34 Malla Número Nombre de malla Localización Multiplicador 1 IntCuAire3D Entre el núcleo del relé y el cobre 2 ExtCuAire3D Entre las paredes del Aire3D relé y el cobre 3 lateralfoaire3d En los laterales de las paredes del relé 4 FoFeAire3D En la pared trasera del relé Tabla 4.2: Mallas en el interior y más cercanas al relé Aire alrededor de la parte móvil En caso de que la parte móvil estuviese cerrada, con esto ya estaría mallada una zona prismática del espacio y se podría pasar a mallar al aire exterior. Sin embargo, con la parte móvil abierta sería necesario mallar además la parte de aire que se crea entre el prisma de la Figura 4.9 y la parte móvil. Se trata de una zona de mallado complejo, debido a la necesidad de mallar un espacio de forma cambiante en función del ángulo de apertura y que debe quedar completamente cerrada para que el mallado que hay que colocar alrededor sea sencillo. Además, en el caso de que el ángulo de apertura fuese cero, esta malla debería desaparecer completamente. En cuanto al número de elementos, también sería necesario parametrizarlo, ya que el volumen de esta zona puede cambiar mucho de un caso a otro. Para asegurar que la malla era correcta en todas las condiciones se usó un conjunto de 5 zonas malladas alrededor de la parte móvil, tal y como se muestra en la Figura 4.10 y la Tabla 4.3. Figura 4.10: Mallado del aire alrededor de la parte móvil para apertura de 5 o (izquierda) y 30 o (derecha) César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 34
35 Malla a la que pertenece Aire3D Identificación Nombre de malla Localización Multiplicador 1 IntFrAire3D Entre la parte móvil y el resto del relé 2 SupFrAire3D Superior a la parte móvil 3 ExtFrAire3D En la parte externa de la parte móvil 4 InfFrAire3D Debajo de ExtFrAire3D 5 InfFeAire3D Debajo de la parte móvil Tabla 4.3: Identificación de las mallas alrededor de la parte móvil Mención aparte merece el caso en que el ángulo de apertura de la parte móvil es cero, ya que en este caso estas mallas no existirían. Por eso en ese caso particular la parte de código en que se crea este mallado es omitido por el programa de forma que estas mallas no son creadas. El número de elementos de cada una de estas mallas depende del caso concreto de apertura de la parte móvil, ya que los grandes cambios de volumen hacen necesario un mallado adaptable. Para ello se calculó en función del ángulo el tamaño de cada zona y se condicionó el número de elementos a ese tamaño y a un factor para disminuir o aumentar su número. El número total de tetraedros que forman esta malla depende del ángulo de apertura de la parte móvil, siendo para un ángulo de 10 o de en la ejecución final Región externa de mallado más fino A la hora de realizar el mallado de aire alrededor del prisma más cercano al relé, se constató que debido a la amplia región de estudio, no se podía dar un mallado muy fino a esta zona si se quería conseguir tiempos de ejecución razonables. Por ello se observó la necesidad de que el mallado externo fuera más fino y más preciso en la zona más cercana al hierro, especialmente en la zona que se encuentra en contacto con el mismo, ya que los efectos del relé sobre esta zona de aire son mucho más acusados que en el resto del aire exterior. Para ello se creó una zona de un espesor de alrededor del relé en el que simplemente se utilizó un factor, diferente al del aire exterior, como multiplicador para el número de elementos, de forma que éste fuera mayor por unidad de longitud. Esta zona se encontraría rodeando en cada caso a todas las mallas anteriores. El resultado es el que se muestra en la Figura 4.11, donde se muestra también el relé en su interior. Las mallas que componen esta parte del aire son las que se muestran en la Tabla 4.4 y el número total de elementos durante la ejecución final fue de César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 35
36 Figura 4.11: Capa de aire exterior con mallado más fino, con el relé en su interior Malla Nombre de malla Localización Multiplicador InfySupFinoAire3D Inferior y superior al relé Aire3D lateralfinoaire3d A ambos lados del relé FrFinoAire3D Al frente del relé FoFinoAire3D Parte lateral trasera a ambos lados Tabla 4.4: Mallas que forman la capa de aire más fino alrededor del relé Aire exterior Finalmente, rodeando a todas las mallas anteriores se encontraría la malla de aire exterior. Estará formada por tres mallas, una que rodea los bordes laterales y otras dos para las partes de fondo y frente del dominio. Será la zona de mallado menos fino, y será sobre ella sobre la que se cumpla la condición de contorno. El multiplicador correspondiente a esta malla será y es la que se muestra en la Figura En la tabla Tabla 4.5 se detallan las mallas que forman el aire exterior, siendo el número total de tetraedros que contienen de César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 36
37 Figura 4.12: Representación del aire exterior en FreeFem++ Malla a la que pertenece Aire3D Identificación Nombre de malla Localización 1 FrAire3D Al frente del relé 2 FoAire3D Al fondo del relé 3 ExtAire3D En los laterales del relé Tabla 4.5: Mallas que forman el aire más exterior Multiplicador Definición de A diferencia de los casos anteriores, en este no hay una sola componente no nula de. La corriente se va a encontrar circulando por toda la región de cobre en sentido horario alrededor del núcleo del relé y será nula fuera de la zona de cobre. Así, dentro de la bobina de cobre, el módulo de será el resultante de dividir en cada punto los de corriente entre la sección de cobre que atraviesan, que será la del rectángulo formado al cortar longitudinalmente la zona de cobre, tal y como se muestra en la Figura En cuanto a la dirección y sentido serán los que se muestran en (4.4) que describen una circunferencia en sentido horario. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 37
38 Figura 4.13: Sección longitudinal del cilindro de cobre con medidas en mm (4.4) El resultado en FreeFem++, en el que se representa Figura en forma vectorial, es el mostrado en la Figura 4.14: Densidad de corriente en el relé representada con FreeFem++ César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 38
39 B (T) Simulación numérica con elementos finitos de un micro-relé Definición de la permeabilidad magnética De una forma similar a la del problema anterior, no contaremos con un valor fijo para la permeabilidad en el material magnético del relé, sino con una serie de valores que relacionan los valores de los módulos de y. Para el hierro de este problema la gráfica es la mostrada en la Figura Curva B-H 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, H (A/m) Figura 4.15: Curva B-H para el hierro del relé Del mismo modo que en el caso anterior, se procedió a realizar el ajuste de estos valores mediante una ecuación matemática para poder introducirla en el programa. La curva sería del mismo tipo que (3.6), siendo los valores obtenidos para este tipo de hierro los que se muestran en (4.5) (4.5) Curva que queda representada en la Figura 4.16 en comparación con los datos numéricos. Figura 4.16: Comparación entre los datos y la curva de ajuste César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 39
40 Por su parte, en las regiones de cobre y aire, la permeabilidad seguirá teniendo el valor constante de Definición del espacio de elemento finitos En este caso la definición de los elementos finitos para declarar las variables difiere de los casos anteriores en que, al ser elementos tridimensionales, hay que seleccionar este tipo de elementos. Aunque el tratamiento posterior en el programa es el mismo que para los elementos bidimensionales, en la definición se usarán elementos de grado 2 (P23d) para las incógnitas y de un grado inferior (P13d) para el cálculo del campo magnético. Se seguirá manteniendo el tipo de elementos constantes (P03d) para la variable regiones, que se utiliza para trabajar con los números de región en FreeFem Resolución del problema Para obtener el potencial en este caso hay que resaltar en primer lugar, que al tener dos componentes no nulas de, habrá que resolver dos de las componentes del vector ya que a diferencia de los casos anteriores solo la componente es nula. Por tanto en este caso, no tendremos uno sino dos problemas a resolver, que serán tratados como dos problemas independientes. El hecho de que sea un problema tridimensional, afecta también a la expresión del cálculo de, como se muestra a continuación Cálculo de Ante la presencia de material magnético, deberemos seguir el mismo proceso iterativo del problema anterior, tal como está indicado en la Figura 3.15 teniendo en cuenta que en este caso es tridimensional y tiene dos componentes no nulas, por lo que encontramos las siguientes diferencias: Calcular B: en este caso, en lugar de usar la expresión para espacios bidimensionales, habrá que desarrollar la expresión (2.3) para el caso tridimensional, tal y como se muestra en (4.6). Además para calcular el módulo tendremos que tener en cuenta la componente que antes no existía. (4.6) Calcular el error: En este caso tenemos dos componentes de para las que calcular el error. Para generalizarlo se consideró la suma de los errores en ambas componentes como el error total tal como se muestra en (4.7) César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 40
41 Cálculo de la fuerza magnética : A la hora de calcular la fuerza magnética que se ejerce sobre el hierro como consecuencia del campo magnético creado, se presentan dos posibilidades. La primera sería hacer uso de la expresión que define la fuerza magnética: A partir de ella, y teniendo en cuenta la ecuación (2.2), quedaría que se puede calcular la fuerza como el resultado de la integral: (4.8) (4.9) Sin embargo, aplicar esta integral de volumen para calcular la fuerza produce errores considerables, por lo que es preferible usar el método del tensor de Maxwell. Este método permite calcular la fuerza a través de una integral de superficie que encierra al volumen sobre el que se quiere obtener la fuerza magnética, por lo que solo es necesario calcular una integral de superficie. Para la fuerza magnética y en coordenadas cartesianas tridimensionales, las tres componentes de la fuerza se calcularían según las ecuaciones (4.10). (4.10) A la hora de realizar el cálculo, en lugar de tomar como superficie para la realización de la integral la de la parte móvil del relé, se tomó una superficie que se encontraba a de la misma. Esto fue debido a que tomar esta pequeña zona alrededor de la zona de cálculo, permite reducir el error, como refleja el artículo "Some aspects of torque calculations in electrical machines" que aparece en la bibliografía Cálculo de la energía magnética Para realizar el cáclulo de la energía magnética se procederá de igual forma que en los casos anteriores, solo que extenidiendo las ecuaciones (3.3) y (3.11) a la tercera dimensión Cálculo del par sobre la parte móvil Teniendo en cuenta las posibilidades para calcular la fuerza magnética vistas anteriormente, será posible calcular el par sobre la parte móvil utilizando su definición como producto entre la fuerza y la distancia al eje de giro. El caso particular para nuestro relé es el que se muestra en la Figura César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 41
42 Figura 4.17: Representación de fuerzas magnéticas sobre la parte móvil Las dos componentes de la fuerza que generan par son y, dado que es paralela al eje de giro y genera un momento nulo. Considerando que el sentido positivo para el par es aquel que hace cerrarse a la parte móvil, el cálculo del par vendría dado por la ecuación (4.11). (4.11) Lo cual, sustituyendo los términos y por sus valores correspondientes mostrados en (4.10) permite el cálculo directo del par. 4.4 Resultados A continuación se muestran algunos de los resultados obtenidos en las simulaciones del relé. En primer lugar, en la Figura 4.18 se muestra un corte transversal del relé, en el que se representa el módulo del potencial vector magnético para una apertura de la parte móvil de cero grados. Figura 4.18: Módulo del potencial para de apertura, corte transversal César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 42
43 Es interesante comparar este resultado con el obtenido cuando la apertura de esta parte móvil es de 10 o, como se muestra en la Figura Se puede observar como en esta ocasión el potencial deja de ser simétrico, siendo más alto en la parte superior, donde la distancia a la parte móvil es mayor y por tanto la permeabilidad magnética menor. Figura 4.19: Módulo del potencial para 10 o de apertura, corte transversal En la Figura 4.20 se muestran los valores del módulo de. Sus valores más altos se dan en las zonas de material no magnético, disminuyendo en el núcleo y en el exterior del relé, y presentando unos valores algo superiores en el resto de zonas. Figura 4.20: Módulo de B con ángulo de apertura 0 o, corte transversal En la Figura 4.21 se muestra un corte longitudinal del relé en el que se ha representado la permeabilidad magnética relativa para una apertura de 0 o. Se observa como vale 1 en todo el material no magnético, mientras que en el material magnético su valor depende del valor del módulo de. César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 43
44 Figura 4.21: Permeabilidad magnética relativa para apertura de 0 o, corte longitudinal En la Figura 4.22 vemos cómo sus valores cambian al abrirse la parte móvil debido al distinto valor y recorrido del campo magnético. Figura 4.22: Permeabilidad magnética relativa para 10 o de apertura, corte longitudinal Por último, la energía en el sistema, que se muestra en la Tabla 4.6 se concentrará en el cobre, ya que presenta los valores más altos de campo magnético y además, al ser baja su permeabilidad magnética, también presenta altos valores de. Tabla 4.6: Distribución de energía en el relé con Av César Alfaro Sánchez ETSII - UPCT Página 44

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