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Comprendiendo la desmagnetización dependiente de la temperatura

Combinando simulaciones de fluidos y de electromagnetismo se puede determinar mejor la desmagnetización basada en temperatura de los imanes permanentes utilizados en los vehículos eléctricos.

 

Los imanes permanentes se usan frecuentemente en distintas máquinas eléctricas de alto rendimiento, como es el caso de motores y generadores de vehículos eléctricos e híbridos.  Cuando se sobrecarga una máquina eléctrica, o después de un cortocircuito, se puede producir una desmagnetización irreversible debido a un fuerte campo de desimantación y/o a un aumento de temperatura, las dos razones principales para la desmagnetización. Ésta puede reducir considerablemente la propiedad de los imanes de generar flujo, algo que, a su vez, reduce la eficiencia eléctrica global de la máquina. Los diseñadores de máquinas eléctricas necesitan saber qué es lo que le está ocurriendo realmente al imán para poder elegir un imán permanente con las características apropiadas, así como los sistemas de refrigeración adecuadamente diseñados para resistir esta desmagnetización. La combinación de software de simulación de fluidos (ANSYS Fluent) y de simulación de electromagnetismo (ANSYS Maxwell) permite evaluar de forma precisa la desmagnetización que se produce debido a sobrecargas y a cambios de temperatura. Las sobrecargas y el aumento de temperatura pueden darse de forma independiente o al mismo tiempo, durante un momento de fallo o durante el ciclo de funcionamiento normal.

El software de simulación de electromagnetismo ofrece un modelo de imán permanente dependiente de temperatura que puede captar la desmagnetización debida al aumento de temperatura y a sobrecargas. En este modelo, la temperatura del imán puede ser asignada como una temperatura uniforme constante. Para una mayor precisión, la temperatura también puede calcularse utilizando un software de dinámica de fluidos (CFD), basándose en las pérdidas mapeadas por el software de simulación de electromagnetismo. La mecánica de fluidos se usa ampliamente en la industria y en el mundo académico para el diseño de la gestión térmica en máquinas eléctricas. 

Los imanes se componen de muchos campos magnéticos, y cada campo tiene un vector de momento magnético. La orientación de los vectores de los diferentes campos magnéticos puede ser bastante desigual. La magnetización, M, se obtiene integrando los vectores de momentos magnéticos sobre el volumen magnético completo, teniendo siempre M la misma unidad de fuerza magnética que H. El material permanente se describe, por lo tanto, con la siguiente fórmula:

 

           B = u0(M+H)

 

En ella, u0M es la densidad de flujo intrínseco Bi, B es la densidad de flujo medible, también conocida como B normal, y u0H es el flujo de aire. Por tanto, Bi = B-u0H y, tanto si se da B como Bi, siempre se conoce la otra magnitud, y el imán puede caracterizarse completamente a una temperatura particular. Este es el enfoque que usa actualmente el software de simulación de electromagnetismo ANSYS Maxwell. Como la curva BiH se aplica a una determinada temperatura, el imán solo puede ser bien definido en esa temperatura.  Para caracterizar completamente al imán de  una manera dependiente de la temperatura, la remanencia magnética (Br) y la coercitividad también necesitan definirse en función de la temperatura:

 

 Br(T) = Br(To) x [1+ ∂(T-To)]

Hci(T) = Hci(To) x [1+ß(T-To)]

 

Los parámetros ∂ y ß de las funciones de temperatura suele marcarlos el fabricante, pero el simulador puede extraerlos de la familia de curvas intrínsecas BiH dadas. La figura 1 muestra un ejemplo de un modelo de imán dependiente de temperatura, y la función dependiente de temperatura. El input de este modelo es una curva BiH simple a una determinada temperatura y la función de dependencia de temperatura. Con ello, el propio software genera automáticamente las curvas a otras temperaturas. 

Los gradientes de temperatura del imán provocan a menudo una desmagnetización no uniforme de las diferentes partes del imán. Para capturar este fenómeno de desmagnetización es necesaria una distribución espacial de la temperatura del imán permanente, y es en este caso en el que se puede usar el software de fluidos. Como ejemplo,  un motor con imán permanente interno puede modelarse en un entorno de trabajo de software de simulación de ingeniería como ANSYS Workbench utilizando el software de simulación de electromagnetismo ANSYS Maxwell y de fluidos ANSYS Fluent. Primero se define el modelo de dependencia de temperatura en ANSYS Maxwell y se representa el motor  funcionando en condiciones operativas normales. Para capturar la corriente actual localizada (corriente de Foucault  o eddy current) y las pérdidas en el núcleo (core loss), se utilizaría el solver transitorio de ANSYS Maxwell para calcular la distribución de la pérdida de corriente en el tiempo, a una temperatura inicial. La distribución de la pérdida obtenida de esta forma se muestra en la figura 2. Estos datos se utilizan como fuente de calor en Fluent para el cálculo térmico. 

En ANSYS Fluent se genera un modelo térmico basado en la misma geometría del motor. Usando como fuente de calor las pérdidas calculadas en ANSYS Maxwell, se calcula la distribución de temperatura del motor. Utilizar el solver estacionario de ANSYS Fluent es una opción válida porque la escala temporal eléctrica es mucho más pequeña que la escala de tiempo térmico. Después se reenvía automáticamente el mapeo de la distribución de temperatura a ANSYS Maxwell,  donde el imán se define como dependiente de temperatura. Debido a este mapeo, las propiedades magnéticas de los imanes cambiarán basándose en la distribución espacial de la temperatura. Se activará el simulador electromagnético de nuevo para tener en cuenta los efectos de la distribución de temperatura que cambian en el funcionamiento completo del motor. Se trata de una solución iterativa y, tras cuatro o cinco iteraciones, la solución normalmente converge. A partir de aquí, se pueden estudiar los efectos de la temperatura en estas condiciones de funcionamiento particulares.  

La Figura 4 muestra el par de torsión del motor bajo los efectos de la temperatura y sin ellos. Las altas temperaturas inhiben la generación de par. Esta información no podría obtenerse sin comprender la dependencia de la temperatura del imán y la distribución de temperatura real.  Los imanes de las máquinas de alto rendimiento pueden sufrir desmagnetizaciones severas debido a la sobrecarga y/o el aumento de las temperaturas. La desmagnetización puede perjudicar sensiblemente el funcionamiento eléctrico de la máquina. El conocimiento de este fenómeno es esencial para que los diseñadores de maquinaria puedan seleccionar adecuadamente los materiales magnéticos y los métodos de refrigeración. ANSYS Maxwell y ANSYS Fluent pueden generar modelos de imanes dependientes de la temperatura, así como la capacidad de distribución de temperatura, para permitir a los diseñadores obtener una imagen real de lo que está ocurriendo físicamente. 

Esta simulación acoplada se realiza completamente dentro del entorno ANSYS Workbench. Se trata de una solución completa para estudiar la el fenómeno de desmagnetización debido a sobrecargas y efectos de temperatura. 

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