Optimizador de diseño de magnetismo y transformadores
El optimizador NSGA-II encuentra diseños de núcleo y bobinado óptimos para Pareto en 40 núcleos (E, ETD, PQ, RM y toroides) y 104 combinaciones de núcleos y materiales, con ferritas TDK y Ferroxcube y polvo de hierro Micrometals. Minimiza la pérdida total y el volumen de forma simultánea, lo que muestra la diferencia entre eficiencia y tamaño.
Cómo funciona
Diseñar un transformador o inductor a mano significa elegir un núcleo entre cientos y esperar que la compensación entre eficiencia y tamaño sea aceptable. Esta herramienta funciona NSGA-II en 40 núcleos en 104 combinaciones de núcleos y materiales simultáneamente, evaluando a cada candidato en 10 puntos de operación (5 niveles de carga × 2 extremos de voltaje de entrada) para lograr un diseño sólido en el peor de los casos.
Dos objetivos se minimizan simultáneamente: pérdida total de potencia (pérdida de núcleo + pérdida de bobinado de Dowell AC) y volumen central. Estos objetivos entran en conflicto: un núcleo más pequeño funciona con una mayor densidad de flujo y mayores pérdidas. El resultado es un Frente de Pareto: todos los diseños en los que no es posible mejorar la eficiencia sin aumentar el tamaño.
Pérdida de núcleo se ajusta a los datos de pérdidas publicados por los fabricantes (Steinmetz se ajusta a los puntos de las hojas de datos de TDK y Ferroxcube y a la propia fórmula de Micrometals para el polvo de hierro) y se evalúa según la amplitud del flujo de corriente alterna, no el pico: la mitad de la oscilación de flujo para un retroceso, Vin·D/ (2·N·Ae·F) para un convertidor directo y la ondulación, no la polarización de corriente continua, para un inductor. Un material se usa solo dentro de 1,5 veces el intervalo de frecuencia de sus datos. Todavía se ofrecen materiales cuyas constantes no se pueden rastrear hasta una hoja de datos, pero todos los diseños que utilizan uno están marcados no verificado. La resistencia térmica depende del tamaño del núcleo, según el libro de datos del TDK, no de su material.
Restricciones impuestas a todos los candidatos: Bpeak < 0.8 × Bsat, factor de llenado < 0.40 y temperatura de unión ≤ Tmax.
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Preguntas frecuentes
¿Qué hace el control deslizante de peso objetivo?+
En 0, la herramienta selecciona el diseño de pérdida mínima desde el frente de Pareto. En 1, selecciona el volumen mínimo. En 0.3 (predeterminado), selecciona el punto balanceado más cercano a la rodilla de la curva de Pareto.
¿Por qué el optimizador a veces elige hierro en polvo en lugar de ferrita?+
Los toroides de hierro en polvo tienen una densidad de flujo de saturación mucho mayor (1,4 a 1,5 T frente a 0,35 a 0,43 T de las ferritas). En el caso de los inductores de alta corriente con una polarización de corriente continua significativa, el polvo de hierro puede alcanzar una mayor densidad de inductancia a pesar de tener coeficientes de pérdida de núcleo más altos.
¿Qué es el modelo Dowell?+
El modelo Dowell calcula el factor de resistencia de corriente alterna F_R = R_ac/R_dc en función del diámetro del cable, la profundidad del revestimiento y el número de capas de bobinado. Con 100 kHz, un bobinado de 4 capas de cable AWG22 puede tener F_R ≈ 5, lo que significa que la pérdida de cobre de corriente alterna es 5 veces mayor que la predicción de corriente continua.
¿Cómo reduce la intercalación la pérdida de bobinado?+
La intercalación P-S-P divide la capa primaria en dos mitades a cada lado de la secundaria, lo que reduce a la mitad el recuento efectivo de capas. Esto reduce hasta 5 veces la duración del efecto de proximidad (que se escala como n²−1), lo que reduce drásticamente la pérdida de cobre en corriente alterna por encima de 50 kHz.