Diseño termo-mecánico de un inversor para la fabricación e integración en una motorización mild hybrid.

Má ster en Ingeniería Industrial MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO FIN DE MÁSTER DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILDHYBRID. Autor: D. Alberto Enrique De Gregorio Alonso Tutor: D. Manuel San Juan Blanco Valladolid, Octubre, 2020 DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 2 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 3 Má ster en Ingeniería Industrial Resumen La hibridación o electrificación de los vehículos es un reto actual clave para conseguir los objetivos medioambientales marcados por la O.N.U y la U.E. En este trabajo, se realiza el diseño de un inversor integrado en una motorización mild-hybrid. El inversor cuenta con unos transistores de potencia en miniatura (GaN) con unas pérdidas importantes de calor. Partiendo del modelo mecánico, se realiza un modelo térmico justificando el comportamiento térmico de cada componente, además de, crear una simulación en Ansys. En esta simulación realizada con el módulo steady-state thermal, se analiza el comportamiento térmico del conjunto. Concretamente, comprobar si el calor generado por los transistores puede ser disipado. Por último, se realiza la fabricación del prototipo y se define el montaje del conjunto, para que sea montado en un banco de pruebas donde el Grupo Valeo desea hacer determinados ensayos. Palabras clave: innovación, dispositivo mecánico, diseño térmico, prototipo, inversor, alterno-arranque, transistores de potencia en miniatura (GaN) , simulación térmica. Summary Hybridization or electrification of vehicles is a key current challenge to achieve the environmental objectives set by the U.N and the E.U. In this project, the design of an inverter integrated in a mild-hybrid motorization is carried out. This inverter has miniature power transistors (GaN) with significant heat losses. Starting from the mechanical model, a thermal model is made justifying the thermal behavior of each component. In addition, a simulation is carried out with the steady-state thermal module of Ansys. In this simulation, the thermal behavior of the device is analyzed. In particular, verify whether the heat generated by the transistors can be dissipated. Finally, the prototype is manufactured and the assembly of the device is defined, in order to be assembled on a test bench where the Valeo Group would like to carry out certain tests. Keywords: innovation, mechanical device, thermal design, prototype, inverter, alternating-starter, miniature power transistors (GaN), thermal simulation. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 4 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 5 Má ster en Ingeniería Industrial AGRADECIMIENTOS Me enorgullece poder presentar este trabajo de final de máster donde se ven representadas las capacidades obtenidas gracias a mi formación a través de un doble diploma Franco-español y mi experiencia profesional. Me siento un privilegiado por la educación inculcada y el apoyo de mi familia para poder llegar hasta donde me encuentro hoy. Sin ello muy pocas cosas hubieran sido posibles. También me siento un afortunado por la educación primaria y secundaria que he tenido, una etapa desde mi punto de vista clave, donde me han inculcado unos valores fundamentales en todo lo relacionado con las personas, el trabajo y la vida misma. Gracias a todos mis profesores en la etapa escolar he obtenido unas competencias y actitudes que me han permito comenzar y desenvolverme de forma satisfactoria en mi formación como ingeniero. De lo que más agradecido me siento es de haber tenido la posibilidad de aprender inglés y francés gracias a las oportunidades que me han dado mis padres realizando estancias en el extranjero. En este trabajo fin de máster se ve reflejado también todo lo que me han enseñado los amigos que he conocido en el extranjero desde mis estancias lingüísticas en Irlanda y Estados Unidos hasta mis prácticas en la fábrica de Renault Douai y mi voluntariado en la India. Esto ha permitido ser capaz de comenzar en Francia este proyecto donde participan varias entidades y empresas establecidas en Europa y, por tanto, seguir un proyecto dentro de un marco internacional. Siento que mi formación universitaria ha sido un éxito. Agradezco a cada uno de los profesores tanto en la escuela de ingenieros de la universidad de Valladolid como de la escuela des Arts et Métiers en Francia por haberme dado los conocimientos y competencias necesarias para comenzar mi vida profesional como ingeniero. Yo me comprometo a seguir aprendiendo y esforzándome para que se cumpla ese objetivo común por el que nuestros profesores nos forman, dar solución a todos los problemas globales donde están inmersos los distintos campos de la ciencia y la ingeniería para conseguir un mundo más sostenible y respetuoso con el medio ambiente y con los seres humanos. En concreto quiero agradecer el apoyo durante el proyecto de mis profesores en Francia, al Ph.D Eric Semail y al Ph.D Maurice Lepoivre por todos sus consejos, seguimiento y formación. También al estudiante de doctorado Tiago Dos Santos Morales que como persona integrante del proyecto ha sido como un profesor más. Por supuesto, en este trabajo ha sido fundamental el trabajo en equipo realizado en Francia con el Sr. Valentín DUPUY. Por la parte de España he tenido la suerte de estar orientado por varios profesores desde mi tutor, el Ph.D Manuel San DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 6 Má ster en Ingeniería Industrial Juan Blanco, hasta el coordinador del Máster, el Ph.D José Candau Pérez, la coordinadora del Grado en Ingeniería Mecánica durante mi etapa en este grado, la Ph.D Marta Herráez, y el profesor perteneciente al departamento de ingeniería energética y fluido mecánica, el Ph.D Andrés Melgar, que ha realizado un seguimiento de la parte más técnica realizada en Valladolid. A diferencia del trabajo realizado en Francia, en Valladolid he podido seguir desarrollando mi capacidad de trabajo autónomo y la capacidad de exponer mis investigaciones y análisis. Quiero agradecer también a los organizadores del programa IMFAHE y en concreto a mi mentor en este programa, el Ph.D Javier Silla, por darme la posibilidad de presentar este proyecto en la conferencia internacional realizada en Aveiro. En resumen, me siento un privilegiado por todo el apoyo de mi familia, profesores y conjunto de amigos porque sin ellos nada de esto hubiera sido posible. Como dice el autor Anxo Pérez en su libro la inteligencia del éxito, ‘’no existe un solo éxito de todos los que has logrado hasta ahora y de los que lograrás en el futuro que no se haya beneficiado de la contribución de otros’’. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 7 Má ster en Ingeniería Industrial Índice AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ 5 1 INTRODUCCIÓN. .............................................................................................................. 13 1.1 Antecedentes. ................................................................................................................ 13 1.2 Objetivos. ....................................................................................................................... 13 2 SITUACIÓN Y ESTADO DEL ARTE. ................................................................................ 17 2.1 Intereses, retos y soluciones en la hibridación de los vehículos. ..................................... 17 2.2 El sistema Mild-Hybrid del proyecto llevado a cabo por Valeo. ........................................ 19 3 PRESENTACIÓN DEL DISPOSITIVO OBJETO DE DISEÑO Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . ........................................................................................................................... 21 3.1 Descripción del banco de ensayo y el conjunto de componentes del sistema. ................ 21 3.2 Solución anterior. ............................................................................................................ 22 3.3 Restricciones e instrucciones del cliente. ....................................................................... 24 4 ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL DISPOSITIVO. ........ 27 4.1 Gan. ............................................................................................................................... 27 4.2 Placa de cobre. .............................................................................................................. 28 4.3 Acero.............................................................................................................................. 28 4.4 TIM. ................................................................................................................................ 28 4.5 Ventiladores ................................................................................................................... 28 4.6 Placa del circuito impreso (PCB). ................................................................................... 29 5 ELABORACIÓN DEL DISEÑO MECÁNICO. .................................................................... 31 5.1 Primera propuesta. ......................................................................................................... 31 5.2 Solución elegida. ............................................................................................................ 31 6 ANÁLISIS Y JUSTIFICACIÓN DEL COMPORTAMINETO TÉRMICO DEL MODELO. ..... 39 6.1 Gan ................................................................................................................................. 39 DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 8 Má ster en Ingeniería Industrial 6.2 Placa de cobre. .............................................................................................................. 45 6.3 Acero.............................................................................................................................. 46 6.4 TIM. ................................................................................................................................ 46 6.5 Ventiladores ................................................................................................................... 47 6.6 Placa del circuito impreso (PCB). ................................................................................... 48 7 ELABORACIÓN DEL MODELO TÉRMICO. ..................................................................... 49 7.1 Geometría. ..................................................................................................................... 50 7.2 Materiales. ..................................................................................................................... 52 7.3 Parámetros y características necesarias para definir y resolver el modelo térmico . ...... 52 7.4 Contactos ....................................................................................................................... 55 7.5 mallado .......................................................................................................................... 55 8 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL MODELO TÉRMICO. ..................................... 57 8.1 Caso de funcionamiento perfecto en condiciones extremas. .......................................... 57 8.2 Caso de funcionamiento perfecto en las condiciones donde el transistor trabaja en un régimen donde la temperatura alcanzada en él es inferior a la temperatura máxima. ........... 59 8.3 Influencia de los distintos parámetros. ............................................................................ 61 8.4 Caso donde el material TIM no cumpliera su función o el transistor GaN no tuviera un contacto perfecto con la placa de cobre. ............................................................................... 63 8.5 Caso donde uno de los ventiladores dejara de funcionar. .............................................. 66 8.6 Resumen de los resultados. ........................................................................................... 68 9 SOLUCIÓN PARA LA FABRICACIÓN.............................................................................. 71 9.1 Piezas complejas ........................................................................................................... 71 9.2 Otras partes ................................................................................................................... 74 DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 9 Má ster en Ingeniería Industrial 10 SOLUCIÓN PARA EL MONTAJE FINAL. ..................................................................... 77 11 ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................... 85 12 CONCLUSIÓN ............................................................................................................... 89 12.1 Descripción del proceso seguido para cumplir los objetivos marcados y síntesis de la solución tecnológica elegida. ................................................................................................. 89 12.2 Principales aportaciones del autor al TFM. ..................................................................... 90 12.3 Sugerencias para trabajos futuros. ................................................................................. 91 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 95 TABLAS DE CONTENIDO ....................................................................................................... 10 ANEXO I ................................................................................................................................... 97 ANEXO II .................................................................................................................................. 98 a. Gan ................................................................................................................................ 98 b. TIM ............................................................................................................................... 115 c. Ventiladores ................................................................................................................. 116 ANEXO III ............................................................................................................................... 118 a. Vistas adicionales ........................................................................................................ 118 b. Croquis ......................................................................................................................... 130 ANEXO IV .............................................................................................................................. 137 DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 16 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 17 Má ster en Ingeniería Industrial 2 SITUACIÓN Y ESTADO DEL ARTE. Para comprender la necesidad y utilidad del trabajo se va a presentar el interés de la hibridación de los vehículos, así como los retos y soluciones actuales. También se va a describir el sistema mild-hybrid llevado a cabo en el proyecto global, ya que es muy enriquecedor para el alumno. 2.1 Intereses, retos y soluciones en la hibridación de los vehículos. Varias razones relacionadas con el medio ambiente y las limitaciones de las reservas de petróleo han impuesto la necesidad de una nueva generación de los medios de transporte, en las que se han propuesto múltiples soluciones híbridas y eléctricas con el fin de reducir el consumo de combustible y reducir la cantidad de gases liberados. Estas soluciones toman diferentes formas, que van desde las más simples, manteniendo las estructuras clásicas del automóvil, hasta las más complejas que cambian en gran medida estas estructuras con el fin de adaptarlas a los nuevos componentes necesarios. Como resultado, los desafíos a los que se enfrentan los fabricantes de automóviles varían en función de la solución elegida. Desde un punto de vista global, no es fácil decidir cuál es la mejor solución porque una solución simple puede ser mejor comercializada que una solución compleja. Además, aunque sea menos eficiente desde un punto de vista tecnológico que una solución compleja, su eficiencia en el medio ambiente puede ser mejor debido a la influencia de la densidad del conjunto o a los materiales empleados en su fabricación. Tampoco hay que olvidar el coste del proceso industrial, donde en una solución compleja puede ser mayor. La fabricación de coches 100% eléctricos con cero emisiones de gases de efecto invernadero fue una de las soluciones propuestas para actuar contra las alarmantes cifras relacionadas con la dependencia del petróleo, ya que el impacto en el CO2 depende del modo de producción de la electricidad. Sin embargo, esta solución no ha atraído mucha atención debido a los diferentes problemas que han ralentizado el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía. El peso de la batería, su baja duración y el largo tiempo de carga son los principales problemas en el coche 100% eléctrico. Por lo tanto, la solución de un coche híbrido que funciona con motores eléctricos y térmicos apareció naturalmente incluso cuando su complejidad es mayor (Ilustración 2). Ilustración 2 Motor térmico y eléctrico en un vehículo híbrido (obtenido de (e-automotive, 2018)) DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 18 Má ster en Ingeniería Industrial Hay por supuesto, ventajas y desventajas para cada tipo de motor: eléctrico y térmico (combustión). El motor térmico es capaz de producir una gran potencia con una fuente de suministro de energía líquida simple y rápida. Por otro lado, además de las emisiones de contaminantes nocivos para el medio ambiente, su rendimiento depende en gran medida del régimen de funcionamiento. En el caso de un motor eléctrico las emisiones de contaminantes son cero y su rendimiento depende mucho menos de la carga. El problema aquí no está relacionado con el motor, sino con los sistemas de almacenamiento, que no son lo suficientemente eficientes como para poder proporcionar el rango mínimo de autonomía considerado esencial para el vehículo en términos de los hábitos tomados con los motores térmicos. El sistema híbrido fue desarrollado para combinar las ventajas de estos dos tipos de motorización evitando sus desventajas. El principio general es simple, el motor térmico y su tanque de combustible aseguran un alcance satisfactorio y por otro lado el motor eléctrico interviene parcial o totalmente, en regiones y modos de operación donde el rendimiento del motor térmico es bajo (baja velocidad, o velocidad variable). La energía eléctrica necesaria para la fase de tracción eléctrica se puede proporcionar de tres formas diferentes: - por elementos de almacenamiento (batería, supercondensadores) o un generador eléctrico impulsado por el motor térmico a velocidades donde su eficiencia es alta; - mediante la recuperación del frenado, donde la máquina eléctrica funciona en modo de generación mediante la aplicación de un par negativo para frenar el vehículo; - tomada directamente de la red (vehículos híbridos enchufables). El resultado es un rendimiento total del vehículo que aumenta. Esto reduce el consumo de combustible y, por lo tanto, reduce los gases nocivos liberados. Este contenido ha sido obtenido de: (Bassel, 2013) La nueva tecnología de seguridad de bajo voltaje dedicada a soluciones de hibridación suave (Mild-hybrid) es muy prometedora debido al peligro que las máquinas de alto voltaje presentan en vehículos Plug-In, Full-Hybrid y eléctricos. Por ello la tecnología Mild-hybrid abre el camino con grandes perspectivas ya que el dimensionamiento se basa en ciclos de funcionamiento que son variables, por lo que se puede llevar a cabo un gran enfoque de optimización con el fin de optimizar las dimensiones de la máquina, el volumen de las baterías o las soluciones de electrónica de potencia. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 19 Má ster en Ingeniería Industrial 2.2 El sistema Mild-Hybrid del proyecto llevado a cabo por Valeo. El objetivo del proyecto de Valeo es desarrollar una solución híbrida suave (Mild-hybrid) asequible para el mayor número posible de personas con un impacto significativo en las emisiones globales de C02 a nivel mundial. Este proyecto aumentará el número de vehículos capaces de cumplir con la normativa europea en 95g C02/km (límite impuesto para 2020). Esta solución, basada en una máquina eléctrica de alta potencia con accionamiento por correa, ofrecerá las funciones de parada/arranque, frenado de recuperación y asistencia de par. Esta adición de par (Boost) permitirá a los motores térmicos altamente "reducidos", mantener un rendimiento equivalente al de los motores actuales, lo que permite generalizarlos con un coste adicional aceptable. Las tres funciones principales que debe realizar el sistema son: - Start/stop para detener el motor térmico cuando el coche está parado (en un semáforo o un atasco) y reiniciarlo rápidamente cuando el conductor quiera continuar la ruta. - Freno de recuperación de energía que utiliza la energía cinética en la fase de desaceleración para recargar las baterías (aquí la máquina eléctrica funciona como un generador). - Asistencia en el par (boost). Consiste en que el motor eléctrico proporcione un par adicional para reforzar el par del vehículo, especialmente en baja velocidad cuando la eficiencia del motor térmico es baja. La aparición en el mercado de componentes electrónicos GaN (Ilustración 3) hace unos años, ha permitido a los fabricantes de equipos electrónicos como Valeo pensar en soluciones de hibridación compactas, donde el inversor estaría conectado directamente a la máquina, evitando cables de alimentación y control, ya que la optimización del espacio y la masa en el vehículo todavía se buscan en el automóvil. Este es el primer punto a tener en cuenta en el diseño del inversor que se propone en el tema de tesis lanzado a la ENSAM. Ilustración 3 Transistor GaN (obtenida de: (GaN Systems, 2015) Estos componentes son transistores de potencia de última generación, que permiten la fabricación de nuevas tarjetas de alimentación electrónicas, y su pequeño tamaño permite que se coloquen lo más cerca posible de la máquina de dirección. Sin embargo, también se calientan más que los transistores convencionales, lo que es problemático si se utilizan en DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 20 Má ster en Ingeniería Industrial entornos pequeños y compactos, donde la evacuación térmica es muy pobre. Este es el segundo punto más importante en este trabajo. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 21 Má ster en Ingeniería Industrial 3 PRESENTACIÓN DEL DISPOSITIVO OBJETO DE DISEÑO Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA . En este apartado se va a describir la máquina de ensayo localizada en la escuela francesa. Se va a describir el conjunto de elementos de esta máquina de ensayo y del sistema completo objeto de diseño en este proyecto. Se va a describir la primera solución, restricciones e instrucciones del cliente para diseñar el inversor conectado al motor eléctrico. 3.1 Descripción del banco de ensayo y el conjunto de componentes del sistema. Para llevar a cabo los primeros estudios y pruebas, los equipos del proyecto global dedicados a la parte térmica y electrónica disponían de un banco de pruebas (ver: (Bassel, 2013) y (ce2i, 2020) ). Podían comprobar aquí sus cálculos teóricos y resultados para verificar que la temperatura interna sigue siendo aceptable para los componentes y que, por lo tanto, los componentes se enfrían correctamente. El dispositivo se muestra en la Ilustración 4: Ilustración 4 Esquema del banco de pruebas La máquina de carga simulará el motor térmico o la acción de las ruedas durante las fases de recuperación de energía durante el frenado. En la ilustración también se pueden observar los diversos sensores, el sistema de alterno arranque, que va a funcionar como un motor eléctrico, así como los dos inversores a ambos lados del alternador. También encontramos un codificador. Según (Simon, 2019) los inversores u onduladores, son dispositivos que convierten la corriente continua en corriente alterna. En los coches eléctricos que tienen un motor eléctrico de corriente alterna, la batería va conectada a un inversor. Este componente transforma la corriente continua de la batería en corriente alterna para alimentar el motor. Según (GalcoTV, 2018) un codificador es un dispositivo de comunicación que controla el movimiento de un dispositivo en funcionamiento. Este codificador ayuda a determinar la velocidad o la posición del motor. Los codificadores convierten el movimiento a una señal eléctrica que puede ser leída por algún tipo de dispositivo de control en un sistema de control de movimiento, como un contador o PLC. El codificador envía una señal de retroalimentación que se puede usar para determinar la posición, la velocidad o la dirección. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 22 Má ster en Ingeniería Industrial Por lo tanto, la tarea será realizar la estructura mecánica para conectar los inversores al alterno-arrancador teniendo en cuenta las dimensiones de los distintos elementos existentes y su posicionamiento, como por ejemplo el codificador. También se deberán tener en cuenta otras limitaciones de las que se hablará más adelante. Además, en este diseño se debe tener en cuenta la fabricación de las piezas con los medios de producción de la escuela francesa, así como a su montaje. 3.2 Solución anterior. El primer contacto con el cliente permitió entender el contexto del proyecto, definir el papel en este proyecto, así como hacerse una idea de las reflexiones que se habían llevado a cabo hasta entonces. El cliente nos proporcionó los diagramas de la Ilustración 5, que resumen el sistema que estaban considerando originalmente. Ilustración 5 Ubicación global de los elementos y vista de la estructura de pentágono (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). El sistema estaba compuesto inicialmente por: - Una PCB (tarjeta electrónica de potencia) que es el soporte de los componentes y circuitos eléctricos para la realización del inversor, que impulsa la máquina eléctrica. - Componentes GaN, que son transistores de potencia recientemente desarrollados. Tienen la ventaja de ser muy compactos y eficientes para altas potencias, pero también se calientan mucho y por lo tanto tienen que ser enfriados. Esta es una de las principales limitaciones que se deben tener en cuenta en el diseño. Estos componentes GaN se encuentran sobre la PCB. - Disipadores (bloques de cobre para disipar el calor del GaN). - Un sistema de refrigeración activo (ventiladores colocados en el exterior) y pasivo (entrada de aire). Este último se trata de unas perforaciones en la envolvente de metal que se contempla realizar también en este trabajo. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 23 Má ster en Ingeniería Industrial - Un material TIM, en forma de una lámina delgada, está destinado a garantizar un buen contacto térmico con las superficies que lo requieran, es decir, entre los disipadores y el anillo de fijación. - La propia estructura mecánica, que consiste en un pentágono y un anillo de fijación. Esta estructura permite fijar los diversos elementos mencionados anteriormente juntos. La estructura está unida a la máquina eléctrica. En la Ilustración 6 se muestra un diagrama de la primera idea que se tuvo del conjunto. Esta vista es un corte del conjunto (hay 5 elementos como este para cada inversor, y 2 inversores en total): Ilustración 6 Boceto de la primera solución prevista (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). En la Ilustración 7, aparecen los distintos tornillos desde uva vista en alzado, y ayuda a entender la función de la estructura con forma de pentágono. Además de su papel de soporte de la estructura mecánica, que participa en la rigidez del conjunto. Los tornillos de presión, mostrados en rojo, también se proporcionan para presionar el conjunto PCB-GaN contra los disipadores de cobre, de modo que el contacto térmico sea el mejor posible. Disipador de calor y ventilador TIM Placa disipadora de cobre Transistores GaN Componentes electrónicos de la PCB Máquina Anillo de fijación Tornillos de fijación Tornillos de fijación (aislados térmicamente) Tornillos de precisión Tornillos de fijación sobre la maquina Estructura de fijación con forma de pentágono (buena resistencia mecánica) DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 24 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 7 Colocación de los tornillos de fijación y presión en la estructura con forma de pentágono (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). 3.3 Restricciones e instrucciones del cliente. Se han resumido las restricciones del cliente en la Tabla 1: Restricciones Dimensiones Flexibilidad Incorporar el inversor en la máquina - No Asegurar la evacuación térmica por conducción desde Gan hacia el exterior - No Diseñar los inversores desmontables - No Adaptación al banco existente - No Planificar la fijación de los sistemas de refrigeración a la carcasa metálica - No Permitir que la PCB se conecte a los circuitos de alimentación de la máquina - No Ser capaz de implantar los distintos componentes que ya se ha planificado instalar en el conjunto del alternoarrancador. (Codificador, torquímetro, acopladores, …) Diámetro interior PCB < 52mm No Tabla 1 Restricciones del cliente. Según lo especificado por el cliente, debemos integrar los 2 inversores a cada lado de la máquina sin modificar el banco existente. En esta parte se va a presentar esta especificación. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 25 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 8 Vistas desde la izquierda y la derecha del banco de pruebas (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). En la Ilustración 8 (izquierda), vemos que la altura de nuestro inversor está limitada a 46 mm de longitud. Además, el diámetro del codificador es demasiado grande en comparación con las solicitudes del cliente, que desean un diámetro interior de 52mm para la PCB. Por lo tanto, será necesario encontrar una solución para desmontar y volver a montar el codificador. Para encontrar la solución se debe de tener en cuenta el tamaño de los acopladores de un lado. Del otro lado tener en cuenta que la parte fija del codificador está unida al motor por un anillo espaciador de 50 mm de diámetro. Por otro lado, el acoplador entre el sensor de par (no visible en la figura derecha) y la máquina es demasiado grande. Tal como está, la restricción de diámetro interno de la PCB no era sostenible, pero el cliente terminó comprando un acoplador similar al que se ve en la foto, pero más pequeño. El diámetro máximo de este acoplador es de 50 mm, por lo que en última instancia no habrá dificultades por este asunto. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 32 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 9 Vistas de la solución final elegida (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Ahora se van a detallar las uniones de los elementos GaN y disipador, además del montaje final. En la Ilustración 10 podemos ver una representación que se ha realizado cortando la tapa :  La tapa en gris en la parte superior.  La PCB en verde.  Los disipadores en naranja.  El GaN en negro (entre la PCB y los disipadores). Ilustración 10 Vista de uno de los cinco pares de transistores con los disipadores que constituyen un inversor (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 33 Má ster en Ingeniería Industrial Enlace disipador-tapa: Se optó por el uso de tornillos con el fin de vincular el disipador a la tapa. De hecho, fue la solución más barata y fácil de implementar, ya que había varias restricciones importantes:  Resistir las altas temperaturas del medio.  Garantizar un contacto térmico óptimo en las interfaces GaN/disipador y disipador/tapa  Asegurar una buena conducción y disipación del calor producido por GaN a través de los disipadores.  Tener aislamiento galvánico entre el disipador y la tapa. La restricción más complicada era tener tornillos que aseguraran una conducción térmica adecuada mientras estaban aislados eléctricamente. Tuvimos que comprometernos en este aspecto, ya que la mayoría de los buenos conductores térmicos (principalmente metales como el cobre utilizado en los disipadores) también son muy buenos conductores eléctricos. Después de mucha investigación, encontramos varios materiales no conductores que podrían soportar altas temperaturas. Estos son ciertos tipos de plástico como PA, PPS, PFA o POM. Elegimos el PPS porque es capaz de soportar hasta 200ºC y se utiliza en muchos dispositivos electrónicos. También podríamos haber utilizado tornillos de cerámica, pero la diferencia de precio era muy importante. Estos se detallan en el anexo I. Para garantizar un buen contacto con los disipadores, utilizamos tornillos de cabeza avellanada, para que la cabeza del tornillo no sobresalga del disipador. La solución final elegida consiste en 2 tornillos M4 por disipador con una cabeza avellanada. Un total de 20 tornillos por inversor, por lo tanto, 40 tornillos para los dos inversores. El contacto entre el disipador y la tapa se realizará a través del TIM. Esta pasta térmica permite asegurar un excelente contacto entre las dos piezas. GaN: Uno de los puntos clave de este proyecto, como ya se ha discutido, es asegurar el correcto enfriamiento del GaN. Estos últimos son componentes frágiles y sensibles. Su posición e interferencia con la PCB y los disipadores debe ser perfecta desde el punto de vista de la conducción térmica. La solución elegida por el equipo electrónico para conectar GaN a la PCB es la soldadura de estaño, un proceso tradicionalmente utilizado para este tipo de componente y del que el autor de este trabajo no es responsable. Por otro lado, los GaN no están conectados mecánicamente a los disipadores, ni se sueldan en ellos. Es por eso que el cliente nos ha pedido que realicemos un soporte mecánico ligero diseñado para aplicar un pequeño esfuerzo de prensado en la PCB debajo del GaN, con el fin de presionar estos contra los disipadores (Se observa en la parte inferior en color burdeos, Ilustración 10). De este modo, se pensó en un sistema de barra de presión, utilizando la deformación de un haz de flexión para crear estos esfuerzos de prensado. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 34 Má ster en Ingeniería Industrial Para dimensionar correctamente estas barras, primero se eligió el material. Se va a usar fibra de vidrio. Los datos del GaN indican una presión máxima permitida de 100 psi (Anexo II). No obstante, se decidió calcular el esfuerzo de prensado que se aplicará a cada GaN a partir de una presión de 30 psi, para no arriesgarnos a dañar el componente. Conociendo la superficie del GaN, pudimos deducir el valor del esfuerzo de prensado a aplicar: 𝐹 = 22 𝑁 La teoría de estructuras permitió determinar la expresión de la flecha en función del grosor de la barra. (Ilustración 11) Ilustración 11 Cálculo de la flecha. La flecha se da por la siguiente fórmula: 𝑢=𝐹·𝐿 48 · 𝐼·𝐸 Con 𝐼=𝑏·ℎ 12 Al ingresar la fórmula en Excel, se pudo calcular esta flecha de acuerdo con diferentes espesores, lo que dio como resultado el siguiente gráfico (Ilustración 12): DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 35 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 12 Representación de la flecha según el espesor de la barra de presión. Por otra parte, para garantizar un contacto idóneo sin dañar ningún elemento del conjunto se decidió (bajo el consejo del cliente) añadir un falso GaN. La Ilustración 13 muestra su ubicación. Se fabricarán con el mismo material que la PCB (fibra de vidrio). Ilustración 13 diseño de la barra de presión y vista del falso GaN (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Enlace de tapa - PCB: Para enlazar la PCB a la tapa, se decidió usar tornillos. Estos tornillos también se pueden utilizar para asegurar las barras de presión. La principal restricción aquí era limitar la perforación a través de la PCB, o al menos ponerlos en la periferia, donde hay menos componentes. Decidimos utilizar 10 tornillos CHC M4 por PCB, como se muestra en la Ilustración 14. Además, se colocan a ambos lados de la PCB para proteger los GaN de una presión demasiado alta que podrían aplastarlos, y también para mantener un cierto espacio entre la PCB y las barras de presión. 0 1 2 3 4 5 6 0.0009 0.001 0.0015 0.002 0.003 0.0032 0.0048 flecha (mm) h espesor de la barra de presión (m) Flecha (mm) Falso GaN Disipador PCB Gan DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 36 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 14 Diseño del sistema (vista radial con la estructura metálica oculta) (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Tapa: La tapa es la parte mecánica en la que se unen la mayoría de los componentes del sistema. Consta de una lámina de aluminio de 5mm de espesor y 196mm de diámetro. Hemos visto más arriba que los tornillos mantienen los disipadores y la PCB por la parte de debajo de la tapa. El sistema de enfriamiento activo, que consta de 5 ventiladores, también se une a él, pero del lado opuesto. La Ilustración 15 muestra la implantación de las diversas perforaciones en la tapa, así como los ventiladores. Ilustración 15 Implantación de las perforaciones en la tapa (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Tornillo CHC M4 Tapa Espaciador superior Espaciador inferior Barra de Presión PCB Disipador Gan Tornillo de unión con la estructura metálica Tornillo de unión con el PCB Tornillos de fijación de las bridas. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 37 Má ster en Ingeniería Industrial Estructura metálica: La estructura metálica protegerá el inversor. Se fijará a la máquina, reutilizando los agujeros roscados ya presentes. La tapa cerrará la estructura metálica del otro lado. La estructura metálica se diseñó con diversas aberturas, con el fin de evacuar más fácilmente el calor producido por el funcionamiento de la máquina y los componentes de la PCB. También se equipó con una abertura en la parte de arriba para permitir las conexiones entre la máquina y la PCB. La PCB sobresale de forma que en esa zona de la PCB se van a colocar dichas conexiones Otra abertura se diseñó en uno de los lados de la estructura. Se ha añadido una ventana para que se pueda acceder con una herramienta en el montaje. Esto se debe a que el acoplamiento del codificador en un lado y el sensor de par en el otro deben ser desmontados para instalar nuestro sistema y luego volver a montarlo después. Hay un tornillo de presión para quitar el acoplamiento del rotor, de ahí la presencia de esta ventana. Ilustración 16 Estructura metálica (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Abertura para el PCB y las conexiones. Estructura Abertura para el acceso de una herramienta DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 38 Má ster en Ingeniería Industrial Bridas: Actualmente, el codificador está conectado al rotor de la máquina a través de un acoplamiento. Desafortunadamente, el diámetro del codificador es demasiado grande en comparación con el diámetro interior máximo de la PCB. De hecho, el cliente impuso un diámetro interior máximo de 52 mm, mientras que el codificador tiene un diámetro de 58 mm. Esa imposición se debe a la necesidad de espacio para colocar los componentes electrónicos en la PCB. Así que tendremos que quitar el codificador para instalar nuestro conjunto y luego volver a montarlo. Sin embargo, no es posible acceder a los tornillos que unen el codificador y el acoplamiento, ya que no habrá suficiente espacio para quitar los tornillos debido a los componentes del inversor. Así que decidimos crear un sistema de unión distinto, creando un nuevo sistema para vincular el codificador al inversor. Los tornillos que unían el codificador no serán usados y la solución propuesta con bridas va a hacer la función de unión del codificador con el acoplamiento. Este enlace se basa en un sistema de bridas extraíbles, que se anclan en una ranura existente del codificador, y se atornillan en la tapa (ver Ilustración 16 e Ilustración 17). Por lo tanto, para el montaje, será suficiente con quitar las bridas y el tornillo de presión del acoplamiento a través de la ventana de la estructura metálica para que el sistema sea montable o extraíble. Ilustración 17 Sistema de bridas de fijación del codificador (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). En el apartado de solución para el montaje del conjunto se detalla cada componente y cada unión. Es interesante ir a este apartado para comprender el diseño completo. Además, en el anexo III hay disponibles vistas adicionales del diseño. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 39 Má ster en Ingeniería Industrial 6 ANÁLISIS Y JUSTIFICACIÓN DEL COMPORTAMINETO TÉRMICO DEL MODELO. Una vez validada la concepción mecánica con el cliente lo que se busca es validar el modelo térmico. Para ello se va a usar el módulo de thermal de Ansys. Antes de arrancar con el programa se realiza una definición de la generación y disipación de calor, además de establecer las condiciones y simplificaciones a realizar. 6.1 Gan El transistor GaN es la fuente de calor más preocupante de la placa PCB, es muy importante comprobar que el calor generado por este se disipa bien hacia el exterior. Si este elemento alcanza temperaturas supriores a un determinado valor se estropearía y el circuito eléctrico de la placa de PCB dejaría de funcionar correctamente. Tal fallo puede ser un factor de riesgo en el conjunto del alternador. Por ello, en primer lugar, se van a calcular las pérdidas de calor del GaN. A continuación, a partir de estas pérdidas se va a analizar, con un programa de simulación, si este calor es disipado hacia el exterior por el conjunto de elementos que se han definido anteriormente. Las pérdidas del transistor incluyen las pérdidas de conducción, las pérdidas de conmutación directas y pérdidas de conducción inversas. Antes de calcular las distintas pérdidas se va a explicar el comportamiento térmico del transistor GaN. Comportamiento térmico del propio GaN La energía que se requiere para operar los circuitos integrados (IC) es proporcional al voltaje y corriente que circula a través de los pines de la fuente de alimentación. El consumo de energía crea calor y da lugar a temperaturas de la unión diferentes a la temperatura ambiente. Hay varios factores que afectan a la temperatura de la unión:  El calor de los circuitos integrados vecinos.  Flujo de aire.  Material del embalaje del IC.  Técnica de empaquetamiento del IC.  Número de pistas en el conjunto del IC.  Los materiales de la placa de circuito impreso (PCB).  La temperatura ambiente. La temperatura del aire (Ta) dicta la temperatura mínima a la que funciona el dispositivo. No importa cuánto calor se suministre o el flujo de aire, el dispositivo no se enfriará más que el aire exterior. Una vez que el circuito impreso comienza a disipar la energía, la temperatura de unión (TJ) aumenta por encima de la temperatura ambiente. Puedes reducir la temperatura de la unión añadiendo flujo de aire o disipadores de calor, pero mientras la energía se disipe, la temperatura de la unión se eleva a una temperatura superior a la Ta. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 40 Má ster en Ingeniería Industrial La resistencia térmica (Ilustración 18) es la capacidad de un dispositivo dado para disipar el calor generado internamente. Básicamente, la resistencia térmica se utiliza para calcular cuánto aumenta la TJ en función de la potencia disipada por el dispositivo. Ilustración 18 Representación de las resistencias térmicas del GaN (Obtenido de: (semiconductor, 2017)) Para nuestro modelo consideramos:  Ta = temperatura del ambiente con el aire en calma = 25ºC. Aunque, para el modelo completo en el programa de simulación sí que se consideraran un conjunto de disipadores activos de calor (5 ventiladores).  TC = temperatura de la capsula (referido como case en la Ilustración 18) del dispositivo semiconductor.  TJ = temperatura del circuito del dispositivo en sí mismo bajo determinadas condiciones de funcionamiento. (referido como junction en la Ilustración 18)  TJ MAX = temperatura máxima que el dispositivo tolera para garantizar un funcionamiento fiable. Como diseñador del sistema se va a asegurar que TJ < TJMAX para garantizar la fiabilidad. Al igual que el rango de la temperatura almacenada (TS). Como se ve en el anexo II la temperatura de la unión operativa está entre -55 y 150ºC.  Pd (disipación de energía) = energía consumida mientras el dispositivo está en funcionamiento y este consumo de energía crea calor. Se quiere obtener en vatios (W). Se calculará analíticamente como se explica en el apartado siguiente.  Flujo de aire = movimiento del aire sobre y alrededor del dispositivo que se utiliza para eliminar el calor del sistema.  Θ Resistencia térmica = Conjunto de constantes derivadas empíricamente que describen las características del flujo de calor de un sistema determinado, expresado en °C/W. La resistencia térmica es una medida de la capacidad de un conjunto para transferir el calor generado por el dispositivo dentro de un conjunto al ambiente (Ilustración 19). Algunos factores que afectan a la resistencia térmica son: o el tamaño de la matriz del chip IC o el compuesto del molde DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 41 Má ster en Ingeniería Industrial o el diseño del marco de plomo / sustrato. En el modelo se tiene en cuenta: o θJA (resistencia térmica de unión a ambiente) Representa la capacidad del transistor para conducir el calor del chip IC dentro del conjunto al ambiente. θJA se define como la diferencia entre la temperatura de la unión y la temperatura ambiente cuando el dispositivo está disipando 1 W de potencia. θJA = (TJ – Ta)/Pd Se expresa en °C/W. Para un determinado conjunto y marco de plomo, algunos factores que afectan a θJA son:  el tamaño de la zona no dopada (zona die en la Ilustración 19).  la longitud de los trazos de la placa de circuito impreso adheridos al conjunto del IC en la placa del sistema  la cantidad de flujo de aire a través del conjunto o θJC (resistencia térmica de la unión a la cápsula). Esta es la única dada por el fabricante (0.55 ºC/W). Se define como la diferencia de temperatura entre la unión y un punto de referencia en el conjunto cuando el dispositivo está disipando 1 W de potencia. θJC = (TJ – Tc)/Pd Ecuación 1 Es principalmente una función de las propiedades térmicas de los materiales que constituyen el conjunto. o θCA (resistencia térmica de la capsula al ambiente) es la resistencia térmica de la capsula al ambiente. Se define como la diferencia de temperatura entre un punto de referencia en el conjunto y la temperatura ambiente cuando el dispositivo está disipando 1 W de potencia. ΘCA = (TC – TA)/Pd Depende principalmente de la superficie disponible para la convección y la radiación y de las condiciones ambientales, entre otros factores. Esto se va a controlar mediante el uso de disipadores de calor, proporcionando una mayor superficie y una mejor ruta de conducción. Además, se va a usar la refrigeración por aire. La resistencia térmica de unión al ambiente es la suma de las resistencias térmicas de unión a la capsula y de la capsula al ambiente. En otras palabras, la relación entre los parámetros térmicos se puede expresar como: ΘJA = ΘJC + ΘCA o θJB (unión a placa) son los parámetros térmicos que se utilizan generalmente para caracterizar el conjunto del transistor. Es la resistencia térmica de la unión a la DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 48 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 25 Flujo de calor del ventilador en función de la temperatura en el interior de este. Por tanto, tenemos otra variable más con la que iterar para obtener la temperatura que puede alcanzar el transistor en su régimen de funcionamiento. Iremos dando valores de flujo de calor en función de la temperatura en el interior del ventilador (Ilustración 25) hasta que la temperatura interior del bloque en la simulación sea igual a la de la gráfica. 6.6 Placa del circuito impreso (PCB). Como no se conoce con precisión las características de la placa real que se utiliza en este trabajo, ya que es el equipo constructor de la PCB quien se encarga de este tema, nos vamos a basar en algo genérico. La mayoría de los circuitos impresos están compuestos por entre una a dieciséis capas conductoras, separadas y soportadas por capas de material aislante (sustrato) laminadas (pegadas) entre sí. Normalmente, la cantidad de capas de una PCB depende de la cantidad de señales existentes. Las resinas que se utilizan en estas placas, como la fibra de vidrio reforzada, la cerámica, el plástico, el teflón o los polímeros como la baquelita, son todas no conductoras térmicamente por tanto se ha llegado a la conclusión con el cliente que podemos despreciar la pequeña influencia térmica de la placa. Además, todavía no se conoce dónde van a estar instalados el resto de los componentes electrónicos ni las temperaturas que se pueden alcanzar, pero sí que se sabe que la influencia más grande térmicamente será la de los transistores GaN que se describen en el apartado a. Si se conoce que el espesor de la placa de PCB será de 0.5 mm. y = 0.6061x + 5E-14 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 Flujo de calor (W) T ventilador (ºC) Flujo de calor en función de T_ventilador DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 49 Má ster en Ingeniería Industrial 7 ELABORACIÓN DEL MODELO TÉRMICO. En este apartado se va a realizar una descripción de la definición del modelo que se va a analizar a través del módulo steady-state Thermal de Ansys. Este modelo se va a realizar en estado estacionario ya que el cliente nos ha especificado un régimen de funcionamiento y condiciones medias en el tiempo. Vamos a empezar describiendo la geometría que se va a utilizar en el modelo, a continuación, vamos a describir los materiales utilizados en el modelo, el contacto entre ellos, el mallado, y por último, las condiciones térmicas introducidas en el modelo. Como ya se sabe por lo descrito en los apartados anteriores tenemos cinco pares de disipadores de calor colocados sobre la PCB radialmente y espaciados la misma distancia (ver Ilustración 9 para el modelo mecánico y la Ilustración 26 e Ilustración 27 para el modelo térmico). Estos pares disipan el calor a través de dos placas de cobre, hasta la tapa donde se sitúa un ventilador por cada par de transistores. Se va a realizar la descripción de la disipación de calor de unos de los pares, siendo similar para el resto de los pares. Ilustración 26 geometría para el modelo térmico (parte superior) (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 50 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 27 Geometría para el modelo térmico (parte inferior, ocultando la placa base) (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). 7.1 Geometría. Gracias al módulo de SpaceClim de Ansys ha sido posible importar la geometría del modelo mecánico realizado en Catia. De este modo ya tenemos en Ansys las dimensiones, la orientación y posición respecto al eje de coordenadas de todos los componentes. Para tener una geometría ejecutable por Ansys ha sido necesario utilizar las distintas herramientas de Ansys para considerar cada elemento del conjunto como un cuerpo (body) independiente. También gracias a las herramientas de este módulo ha sido posible considerar las superficies como superficies planas. La licencia educacional disponible por la universidad de Valladolid tiene un límite de cuerpos y superficies, por ello ha sido necesario eliminar los objetos del modelo mecánico que no aportan nada a la simulación térmica y simplificar los objetos de forma que den respuesta a los datos disponibles de resistencias térmicas, dimensiones y distintos parámetros que facilita cada fabricante. En la Ilustración 28 encontramos: - en marrón el bloque que simula la PCB. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 51 Má ster en Ingeniería Industrial - en azul más oscuro los dos bloques que simulan los transistores GaN donde se genera el calor. - por encima, dos bloques que simulan las placas conductoras de cobre. - en verde, lo que simula la tapa metálica conductora. Ilustración 28 Vista frontal de la geometría del modelo térmico (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Por encima de la tapa metálica encontramos un bloque en azul que simula el ventilador (Ilustración 29). Ilustración 29 Vista del conjunto del modelo térmico a analizar (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). No ha sido necesario importar la geometría del ventilador ya que, preguntando al fabricante, he conseguido saber que la resistencia térmica (que se facilita en la hoja de especificaciones, anexo II) es la residencia térmica del conjunto ventilador y estructura de aletas. En el modelo mecánico encontramos múltiples tornillos. Sin embargo, en el modelo térmico se decidió despreciar bajo el acuerdo con el cliente, dada la enorme complejidad para la resolución del modelo. Se considera que esta simplificación es válida ya que queremos realizar una estimación del calor disipado. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 52 Má ster en Ingeniería Industrial 7.2 Materiales. El programa permite asignar los distintos materiales a cada elemento. En la simulación se va a usar una fibra de vidrio no conductora del calor para la PCB, una aleación de cobre para las placas disipadoras y un acero estructural para la tapa metálica (Ilustración 30). Ilustración 30 materiales en la simulación. Por defecto, estos llevan asignadas todas sus propiedades tanto térmicas como mecánicas pudiendo ser estas modificadas. Estas se encuentran en la parte de engineering data del programa. 7.3 Parámetros y características necesarias para definir y resolver el modelo térmico . En la Ilustración 31 encontramos el conjunto de parámetros que se han introducido en el programa. Encontramos tanto parámetros de entrada como los valores obtenidos:  La generación interna de calor de los dos transistores.  La temperatura Tj de cada transistor. Esta no es una condición, sino una solución de la simulación.  El flujo disipado por los ventiladores.  La temperatura Tventilador de cada ventilador del conjunto. De igual modo esta no es una condición, sino una solución de la simulación.  La convección alrededor de nuestro sistema. Uno de los objetivos será ver su influencia al aumentar y disminuir el coeficiente de transferencia de calor. Ilustración 31 Conjunto de condiciones del modelo térmico. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 53 Má ster en Ingeniería Industrial Generación interna de calor y temperatura de los transistores. La primera condición es la generación interna de calor en los dos GaN. Esta generación interna de calor se introduce en W/m^3. Por lo descrito en la justificación del modelo a través de la Ecuación 2 sabemos que las pérdidas son iguales a: 𝑃 = 𝐼· 𝑅() · 𝐷 · 1/V (W/m^3) En la justificación del modelo se ha definido el ciclo de operación del 100%, la corriente de drenaje (𝐼) de 60 A y el volumen del GaN de 28 mm3. También se especificaron los valores de la resistencia de drenaje (𝑅) y la temperatura TJ . Por tanto, fácilmente se pueden calcular los valores con los que vamos a iterar en el modelo. Ilustración 32 Generación de calor en función de la temperatura alcanzada en el transistor Se van a ir introduciendo distintos valores de Ptotal (W/m^3) en la simulación hasta que la solución de la simulación de la correspondiente temperatura del transistor coincida con la temperatura de la Ilustración 32. Flujo disipado por los ventiladores y la temperatura en el interior de estos. El flujo disipado de calor se introduce en W/m^2. Por lo descrito en la justificación del modelo sabemos que este flujo será igual a: 𝐹 = 1/𝑅 · 𝑇 · 1/A (W/m3) y = 0.5587x + 13.392 0 20 40 60 80 100 120 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 P_total (W) T_J (ºC) P_total en función de T_J DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 54 Má ster en Ingeniería Industrial Según el fabricante la resistencia térmica del ventilador (𝑅) es igual a de 1.65 (ºC/W) como se observa en el anexo II. El área de disipación de calor por la geometría del elemento consideramos 1225 mm2 (también recogido en el anexo II). Fácilmente obtenemos el flujo disipado en función de la temperatura: Ilustración 33 Flujo de calor disipado en función de la temperatura alcanzada en el ventilador De igual modo iremos introduciendo en la simulación los distintos valores del flujo de calor disipado hasta que la temperatura del ventilador en la simulación coincida con la correspondiente temperatura de la Ilustración 33. Por tanto, para llegar a la determinación de la posibilidad de disipar las pérdidas de calor de los transistores se irán introduciendo distintos valores de flujo de calor interno generado y flujo disipado por el ventilador hasta que ambos flujos coincidan con las correspondientes temperaturas calculadas en la Ilustración 32 y la Ilustración 33. Convección natural. Consideramos una convección natural con un coeficiente de 11 W/m2·ºC en la tapa de acero del conjunto y de 2 W/m2·ºC para los transistores y disipadores de cobre. Se llega a esta conclusión ya que los valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección libre con un gas suelen estar entre 2-25 (W/m2·K) según (Transparencias, Universidad Politénica de Valencia, convección, pág. 5). De este modo, tratamos de ponernos en un caso desfavorable. La convección en la parte cercana a la placa donde el aire va a circular con mayor dificultad, la convección es la mínima que se suele dar en la convección natural con gases. En la tapa la convección natural es algo superior ya que el aire podrá circular con mayor facilidad, pero sigue siendo inferior al valor medio de la convección libre que se suele dar en los gases. y = 0.6061x + 5E-14 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 Flujo de calor (W) T ventilador (ºC) Flujo de calor en función de T_ventilador DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 55 Má ster en Ingeniería Industrial 7.4 Contactos El programa permite asignar los distintos contactos entre los componentes. En la Ilustración 34 se observa el contacto entre el transistor GaN y la placa de cobre. Ilustración 34 Contacto entre el transistor GaN y la placa de cobre (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Los 10 contactos generados permiten que el programa interprete que el calor generado en los transistores se va a disipar a través de la placa de cobre conductora, y esta a su vez en contacto con la placa metálica de la estructura que va a conducir el calor hasta que se disipe en los ventiladores. En total para todo el conjunto son necesarios 36 contactos. Los contactos nos van a permitir observar qué ocurre si dos componentes dejan de estar completamente en contacto. Ansys permite dar un valor de conductancia térmica a este contacto. En el apartado de justificación del modelo térmico se analiza la influencia de la geometría del contacto en la resistencia térmica de contacto. 7.5 mallado Se intentó optar por el tipo de mallado generado automáticamente por el programa donde teníamos un tamaño de elemento de 3.8406·10-3 m. Al realizar las simulaciones se detectó un error donde se tuvo que aumentar el tamaño de cada elemento a 0.01 m. Este se observa en la Ilustración 35 y la Ilustración 36. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 56 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 35 mallado del conjunto (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Ilustración 36 mallado de la placa PCB, transistores y disipadores (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). La causa del error producido es simplemente que la versión educacional utilizada no soporta un número mayor de elementos. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 57 Má ster en Ingeniería Industrial 8 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL MODELO TÉRMICO. En este apartado se van a describir los resultados obtenidos, así como la influencia al variar los distintos parámetros. También se van a realizar distintas hipótesis para observar lo que pasaría si los materiales no tuviesen un contacto ideal o si algún ventilador dejara de funcionar. Cabe recordar que el objetivo de este análisis es comprobar que el calor generado por los transistores se puede disipar. Es por ello que primero nos vamos a poner en un caso para un régimen de funcionamiento normal y posteriormente realizaremos distintos casos fuera de la normalidad. 8.1 Caso de funcionamiento perfecto en condiciones extremas. Como ya sabemos gracias a lo descrito en los apartados anteriores, el principal problema por el que se pudiera dar la posibilidad de no disipar el calor generado por los transistores es que esta generación de calor sea demasiado alta. En un primer instante, tal y como se describió en la parte de definición del modelo nos ponemos en un caso de régimen de funcionamiento con una corriente de drenaje ( 𝐼) de 60 A (un caso demasiado extremo). Analizando en la simulación la correspondiente generación interna de calor se comprueba como el sistema no es capaz de disipar el calor generado. Mediante la interacción que se debe realizar, descrita en los apartados anteriores, no se logra converger en temperaturas inferiores al límite de funcionamiento del transistor. Por tanto, ya se obtiene el primer dato relevante para el cliente. Los transistores no pueden trabajar durante un periodo de tiempo relativamente largo con una corriente de drenaje de 60 A. Esto fue algo esperado ya que es un régimen de funcionamiento demasiado extremo. Si observamos las figuras 3 y 4 del anexo II (Ilustración 37) vemos como a partir de 40 A la resistencia de drenaje aumenta drásticamente. Si la resistencia de drenaje aumenta, aumenta la temperatura del transistor y el calor generado. Sin hacer esta simulación el equipo constructor de la PCB ya sabe que debe diseñarla de forma que los transistores trabajen a una corriente de drenaje inferior a 40 A tal y como se observa en la Ilustración 37 sacadas del anexo I. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 64 Má ster en Ingeniería Industrial Para traducir estos resultados y ver lo que implican usamos la Ecuación 3 de la conductividad térmica que se definió en el apartado de la justificación del modelo. Se va a calcular el área de contacto 𝐴= 𝑄 ℎ·Δ𝑇 La distribución del flujo de calor es la mostrada en la Ilustración 44. Ilustración 44 Distribución de flujo de calor para el caso en el que el material TIM no cumple su función. El flujo de calor máximo en el transistor es de 1.06 · 10 6 W/m² como se observa en la Ilustración 45. Ilustración 45 Distribución del flujo de calor en los transistores para el caso en el que el material TIM no cumple su función. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 65 Má ster en Ingeniería Industrial Sabemos que la superficie total de intercambio del transistor es 2.8 ·10-5 m2 y el salto de temperatura que se observaría en el plano de la unión al prolongar la distribución lineal de temperatura de la zona no perturbada es de 51 ºC. Por tanto, el área de contacto se reduciría a 1.686 ·10-5 m2 . Si el área de contacto real es inferior al valor obtenido, en los transistores se alcanzaría una temperatura superior, lo cual no se desea como se ha descrito anteriormente. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 66 Má ster en Ingeniería Industrial 8.5 Caso donde uno de los ventiladores dejara de funcionar. Como se ha descrito en los apartados anteriores se puede dar la posibilidad de que uno de los ventiladores deje de funcionar. Aquí se va a analiza esa influencia. Se va a analizar un caso donde solo uno de los ventiladores es el que deja de funcionar y el contacto entre los distintos elementos es el correcto. En este caso se plantea la hipotesis en la que los transistores cuyo ventilador asociado funciona correctamente tienen las mismas pérdidas y la misma temperatura independientemente de su posición. Se van a analizar, por tanto: o Las pérdidas y temperaturas de los dos transistores cuyo ventilador asociado no funciona correctamente. o Las pérdidas y temperaturas de los ocho transistores cuyos ventiladores asociados sí funcionan adecuadamente. o El flujo disipado y la temperatura en los ventiladores que funcionan correctamente. o La temperatura del ventilador que funciona correctamente. La temperatura que se alcanza en la unión en los transistores cuyo ventilador asociado no funciona correctamente es de 150ºC, obteniéndose unas pérdidas de calor de 1073.87 · 106 W/m3 ,cómo se observa en la Ilustración 46. Ilustración 46 Temperatura que se alcanza en los transistores cuyo ventilador asociado no funciona correctamente. La temperatura que se alcanza en la unión en los transistores cuyo ventilador asociado si funciona correctamente es de 101 ºC, obteniéndose unas pérdidas de calor de 833.88 · 106 W/m3, cómo se observa en la Ilustración 47. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 67 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 47 Temperatura que se alcanza en los transistores cuyo ventilador asociado si funciona correctamente El flujo disipado por los ventiladores que si funcionan correctamente es de 44.032 · 103 W/m2, siendo la temperatura que se alcanza en ellos de unos 82 ºC , cómo se observa en la Ilustración 48. Ilustración 48 Temperatura alcanzada en los ventiladores que funcionan correctamente. La temperatura que se alcanza en el ventilador que no funciona correctamente es 133 ºC tal y como se observa en la Ilustración 48. Ilustración 49 Temperatura alcanzada en los ventiladores que no funcionan correctamente. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 68 Má ster en Ingeniería Industrial 8.6 Resumen de los resultados. En la Tabla 4 encontramos un resumen de los resultados. La forma de leer la tabla es la siguiente: escoger uno de los tres regímenes de funcionamiento, en el caso de IDS = 40 A, escoger una de las dos opciones de condiciones convectivas. Para ese régimen de funcionamiento y condición convectiva, bajando en la misma columna se leen las distintas pérdidas y flujo de calor, además de las temperaturas en los distintos componentes según el caso. Régimen de funcionamiento (IDS) 40 A 40 A (si el material TIM está montado incorrectamente) 40 A (si un ventilador no funciona) Condiciones convectivas En la superficie de la tapa (W / m2 · ºC) 11 24 11 11 En la superficie del transistor y placas de cobre (W / m2 · ºC) 2 10 2 2 Pérdidas de calor generadas en los transistores En los transistores cuyos componentes contiguos tienen un buen funcionamiento en la disipación de calor ( W/m2) ·106 657.89 625.9 1041.87 1073.87 En los transistores cuyos componentes contiguos no tienen un buen funcionamiento en la disipación del calor. ( W/m2) ·106 833.88 Flujo disipado por los ventiladores Cuyo funcionamiento es correcto (W/m2) ·103 28.20 25.73 42.05 44.032 Cuyo funcionamiento no es correcto (W/m2) ·103 0 DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 69 Má ster en Ingeniería Industrial Temperatura en la unión de los transistores En los transistores cuyos componentes contiguos tienen un buen funcionamiento en la disipación de calor (ºC) 68 62 140 101 En los transistores cuyos componentes contiguos no tienen un buen funcionamiento en la disipación del calor. (ºC) 150 Temperatura de los ventiladores Cuyo funcionamiento es correcto (ºC) 56 51 89 83 Cuyo funcionamiento no es correcto (ºC) 135 Tabla 4 Resumen de los resultados Como resumen de un análisis de los resultados se puede concluir que el sistema podrá trabajar en un régimen de funcionamiento medio inferior a los 40 A alcanzándose una temperatura inferior 68 ºC en la unión e inferior a los 56ºC en el ventilador. No se podrá trabajar durante un periodo relativamente largo con un régimen de funcionamiento superior a los 60 A. Este modelo térmico es fiel y permite obtener unos resultados de acuerdo con los esperado, ya que el modelo permite simular adecuadamente la generación de calor en los transistores, cómo se conduce el calor a través de los distintos materiales y cómo se disipa a través de los ventiladores. La simplificación realizada para describir el comportamiento térmico del transistor es adecuada por lo demostrado en el apartado donde se describe la influencia de los distintos parámetros, ya que nos permite conocer la temperatura en la unión, aunque no conozcamos la temperatura de todas las capas del transistor. En este mismo apartado se demuestra como la influencia de la convección natural es importante. Dado que nosotros nos ponemos en un caso de convección natural desfavorable podemos decir que estos resultados están del lado de la seguridad. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 70 Má ster en Ingeniería Industrial Simulando los posibles defectos o malos funcionamientos del sistema se comprueba como al instalar un material TIM que no realiza su función correctamente el transistor alcanza una temperatura en la unión limite en relación con lo especificado por el fabricante. Del mismo modo, si falla uno de los ventiladores seguimos en el margen de lo especificado. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 71 Má ster en Ingeniería Industrial 9 SOLUCIÓN PARA LA FABRICACIÓN. En este apartado se va a dar respuesta a la última fase del proyecto. El interés de esta fase es hacer real el diseño mecánico creado para poder integrarlo en el banco de ensayo. El análisis térmico y los resultados obtenidos dan la orientación para saber el régimen de funcionamiento al cual deben realizarse los test en el banco de ensayo. De las piezas que se tienen que hacer, dos de ellas son más complejas que las otras. Las piezas más complejas son la estructura metálica y la tapa. Estas dos piezas se mecanizarán con los medios de la escuela francesa. La descripción de este apartado viene acompañada de los croquis de las piezas en el anexo III. Son unos croquis donde se incluyen ciertas dimensiones y comentarios. 9.1 Piezas complejas Se comenzó haciendo el programa de mecanizado usando TopSolid. No conocía el software antes del inicio del proyecto, pero gracias a los conocimientos de otros programas de CAD fue posible aprender a usar el software a la vez que lo utilizaba. También se contó con la ayuda de un profesor del departamento de fabricación de la escuela francesa, Ph.D LEPOIVRE, y un técnico a quien me gustaría agradecer el tiempo dedicado. Estructura metálica: Para hacer la estructura metálica, se partió de un aluminio de 220mm y 102mm de largo. Primero, se eligieron las mordazas comprobando el buen tamaño para poder fabricar las dos estructuras metálicas usando el mismo crudo. Se realizaron las siguientes operaciones (Ilustración 50 Fabricación de la estructura metálica, primera etapa en tornoIlustración 50) :  Torneado exterior.  Refrentado y acabado superficial.  Fresado de las ranuras y la ventana. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 72 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 50 Fabricación de la estructura metálica, primera etapa en torno (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). El torneado y el acabado superficial son dos operaciones para las que no se ha tenido ninguna dificultad. El fresado, por otro lado, llevado a cabo con el torno, fue más complicado. Las dificultades que se tuvieron fueron con TOPSOLID para definir la repetición de ranuras. Se resolvieron mediante la creación de bocetos en un plano en el eje de la pieza con el fin de repetirlos para crear cada ranura. Es importante remarcar que no se puede realizar la repetición usando como parámetro un ángulo negativo, porque se produce un problema de lectura en el torno. El problema está en que el torno tiene una lectura en valores absolutos y TOPSOLID en relativo. Cuando se creó el programa por primera vez, el fresado de algunas ranuras se superponía. Para resolver el problema se creó en TOPSOLID el fresado de las ranuras que faltaban. El final de esta primera etapa fue realizar un corte para fabricar la segunda pieza. La siguiente etapa consiste en el ranurado para el paso de la PCB, el vaciado central de la pieza y la realización de perforaciones para las distintas uniones. Para esta etapa se necesitó la realización de una pieza de plástico para poder sostener nuestra pieza sin que se deforme. La Ilustración 51 nos muestra el montaje en la fresadora. Encontramos las mordazas de la propia fresa donde se sujeta la pieza de plástico por 3 puntos y las mordazas colocadas sobre la pieza de plástico para presionar la pieza a mecanizar sin que está rote. Torneado y refrentado Fresado de las ranuras DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 73 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 51 Fabricación de la estructura metálica, segunda etapa en fresadora (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Se comenzó realizando el ranurado que se muestra en la Ilustración 52. Ilustración 52 Fabricación de la estructura metálica, segunda etapa en fresadora, vista del ranurado superior para la PCB (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). A continuación, se realizó el vaciado de la estructura metálica para darle su forma final del mismo modo en la fresadora. Las perforaciones para las uniones se observan también en la Ilustración 53. Encontramos seis perforaciones para la unión con el motor y otras cinco perforaciones para la unión con la tapa. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 80 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 58 Vista de la tapa con todas las perforaciones. En naranja las placas de cobre (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). - Montar la PCB con los espaciadores, la barra de presión y los tornillos CHC M4. El orden es el siguiente tal y como se muestra en la Ilustración 59:  Arandela de seguridad antiaflojamiento.  Espaciador superior (longitud de 6,2 mm).  PCB.  Espaciador inferior (longitud de 6 mm).  Barra de presión.  Tornillo CHC M4. No olvidarse de aplicar también el material TIM entre el transistor GaN y los disipadores. Nota: La longitud de los espaciadores superiores puede ser ligeramente demasiado grande para que el contacto GaN/Disipador se realice correctamente. Es posible que deban limar ligeramente el espaciador para ajustarse. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 81 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 59 Vista de la unión tapa, disipador, PCB y barra de presión (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). - Pasando a la otra cara de la tapa montar los ventiladores con los tornillos M3 tal y como se observa en la Ilustración 60. Ilustración 60 Vista superior de la tapa con los ventiladores instalados (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 82 Má ster en Ingeniería Industrial Del mismo modo, montar un segundo conjunto con todos los elementos acoplados a la tapa. - Una vez que tenemos la estructura metálica montada sobre el motor eléctrico y todos los elementos acoplados a la tapa, se puede pasar a la última etapa. Del lado del acoplamiento, colocar el primer conjunto tapa con todos los elementos acoplados y unirlo con los tornillos M5 a la estructura metálica. Del lado del codificador, quitar los tres tornillos de la Ilustración 61 con los que se encuentra actualmente el codificador unido al motor eléctrico. Ilustración 61 Uniones del codificador (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). También será necesario aflojar los tornillos de presión mostrados en la Ilustración 62. Tornillos unión codificador-motor eléctrico. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 83 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 62 Vista de los tornillos de presión del codificador (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Una vez separado el codificador, montar la tapa sobre la estructura metálica utilizado los tornillos M5. El montaje debe quedar como el de la Ilustración 63. Ilustración 63 Vista de la tapa unida a la estructura metálica a falta de montar el codificador (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Para montar el codificador, coloque las 3 bridas en la ranura adecuada del codificador y apriete los 3 tornillos M5 para fijar el codificador a la tapa tal y como se representa en la Ilustración 64. Tornillos de presión a aflojar DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 84 Má ster en Ingeniería Industrial Ilustración 64 Vista de las bridas (rodeadas en verde) de unión del codificador a la tapa (Cortesía del laboratorio L2EP/ENSAM). Una vez unidas las dos tapas con la estructura metálica se puede proceder a montar el árbol. Del mismo modo que ha sido desmontado el acoplador, montarlo. A través de la ventana de la estructura metálica, volver a apretar los tornillos de fijación del codificador. El montaje queda terminado. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 85 Má ster en Ingeniería Industrial 11 ANÁLISIS ECONÓMICO Por el momento es muy difícil hacer un análisis económico completo ya que el coste material más alto es el de los componentes de la PCB, los cuales el autor de este trabajo desconoce. Además casi todos los componentes del conjunto habían sido ya comprados en el primer prototipo realizado. Los componentes nuevos que se han diseñado, han sido fabricados con los propios medios de la escuela francesa, con lo cual no ha sido un coste a tener en cuenta. La fabricación de estos componentes se integra dentro del coste del taller de la propia escuela para la formación de los alumnos. El taller ya disponía de todas las herramientas, plaquitas, y por supuesto, los brutos de acero y cobre. Algunos componentes que han sido comprados posteriormente, como por ejemplo algunos tornillos, tienen un coste muy bajo. Por lo tanto, cuando el proyecto global pase a una fase de comercialización será necesario costear toda la tecnología desarrollada en este TFM y la tecnología creada por el resto de los equipos de trabajo del proyecto global que yo desconozco. Sin embrago, se trata de dar algunas cifras de los precios de compra y fabricación: DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 86 Má ster en Ingeniería Industrial Componente Cantidad Por inversor Estado Precio unitario (€) Disipador + Ventilador 5 Proporcionado 20 € Tornillo "tapa ↔ disipador" Cabeza avellanada M3 x16 10 Comprado < 0.5 € según precio medio mercado Tapa - Estructura metálica 1 Para ser mecanizado 40 € bruto según precio medio mercado Tornillo "tapa ↔ estructura metálica" M5 CHC x10 5 Comprado < 0.5 € según precio medio mercado Tornillo "máquina ↔ estructura metálica" CHC M4 x20 6 Comprado < 0.5 € según precio medio mercado PCB y componentes 1 Proporcionado Calcular según los componentes en la PCB TIM "GaN ↔ disipadores" 10 (4mm-6mm) Pedido por cliente 10 € según precio medio mercado Disipador cobre 10 A fabricar 10 € bruto para 10 placas según precio medio mercado. M4 x 12 "tapa ↔ disipador" tornillo aislante PPS 20 Comprado 0.8 € según (MiSumi, s.f.) TIM "Disipador ↔ Tapa" 5 (20mm-42mm) Pedido por cliente 10 € según precio medio mercado Tornillo en PCB "Tapa ↔ barra de presión" CHC M4x30 20 Comprado <0.5 € según precio medio mercado Barra de presión 5 A fabricar 10 € bruto para 5 placas según precio medio mercado. Espaciadores inferiores y superiores 40 A fabricar 20 € bruto para los 5 espaciadores según precio medio mercado. Bridas 6 Proporcionado 15 € bruto para los 5 espaciadores según precio medio mercado. Transistores GaN 10 Ya Comprado 10.64 € según (Systems, s.f.) DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 87 Má ster en Ingeniería Industrial Falso GaN 10 A fabricar 5 € bruto para 10 según precio medio del mercado. Tabla 5 Lista de componentes El precio de mecanizado de piezas suele estar entre 35 y 50 € de media por hora de fabricación. Sin contar las horas de preparación de los ficheros de TopSolid, ni el tiempo de reflexión para encontrar la solución al proceso de fabricación, se estima el tiempo de mecanizado de 15h. En este tiempo se incluye el tiempo de preparación de las herramientas, y el tiempo de introducción y extracción de las piezas. DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 88 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 89 Má ster en Ingeniería Industrial 12 CONCLUSIÓN 12.1 Descripción del proceso seguido para cumplir los objetivos marcados y síntesis de la solución tecnológica elegida. A partir del trabajo del autor desde el inicio del proyecto en la ENSAM en Francia hasta la posterior continuación en la UVA ha sido posible dar respuesta a las exigencias del cliente. Dar respuesta al diseño mecánico, comprobar su funcionalidad térmica especificando el régimen de funcionamiento, y por último, elaborar la fabricación y montaje para que el cliente pueda instalarlo en su banco de ensayo. En primer lugar, ha sido posible familiarizarse con el contexto para poder entender adecuadamente el proyecto. Fue fundamental conocer el interés del proyecto global y el interés y las ventajas de esta solución de hibridación planteada por Valeo. También fue muy importante entender el funcionamiento de la máquina de ensayo y la tecnología que se quería usar en esta solución mild-hybrid. Desde mi punto de vista una primera etapa fundamental para cualquier proyecto de ingeniería. En segundo lugar, ha sido posible desarrollar esa etapa de los proyectos en ingeniería, elaborar un cuaderno de carga con todas las exigencias del cliente y analizar el conjunto de problemas iniciales del cliente en su primera solución. Una vez conocida esta primera solución ha sido clave analizar los componentes utilizados en ella, así como analizar los componentes que el cliente tiene pensado utilizar. A continuación, se ha llevado a cabo la elaboración del diseño mecánico del inversor considerando la solución inicial y las restricciones del cliente, así como el análisis y la caracterización de componentes realizada. Como en cualquier proyecto de ingeniería se han ido aportando soluciones al cliente, con su feedback se han realizado modificaciones hasta llegar a la solución final. En este caso no fue necesaria una formación en CAD ya que el alumno contaba con los conocimientos necesarios sobre el software CATIA para poder realizar el proyecto. Dado que al finalizar el proyecto en Francia no dio tiempo a comprobar si el diseño mecánico tenía un funcionamiento correcto térmicamente hablando, el autor del proyecto quiso continuar el proyecto para validar el diseño mecánico realizado. Fue necesario volver a analizar y caracterizar térmicamente todos los componentes para poder realizar el análisis del comportamiento térmico del conjunto. Fue necesario analizar en profundidad los transistores GaN, entender su funcionamiento, las distintas capas que lo componen y la resistencia térmica de estas, además de las pérdidas de estos transistores según su régimen de funcionamiento. Esta etapa se realizó a través de la consulta de distintas tesis, trabajos realizados externamente y consultación de la información aportada por el cliente. Dado el periodo de pandemia por el que pasamos durante la elaboración de este Trabajo Fin de Master, además de la inexperiencia de la escuela sobre este tema, el alumno tuvo que resolver esta etapa de forma autónoma. Si que fue posible explicar al cliente el modo de funcionamiento de los transistores, las pérdidas generadas según los regímenes de DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 96 Má ster en Ingeniería Industrial Systems, G. (s.f.). Mouser Spain . Recuperado el 26 de Septimebre de 2020, de https://www.mouser.es/ProductDetail/GaN-Systems/GS61008TMR?qs=OlC7AqGiEDn2e0Gcr445SQ==&vip=1&gclid=Cj0KCQjwzbv7BRDIARIsAM-A60KEFlVPsK_a5pKJeDla5Ajo3TjBjbGuNSXf5AfxvlIQYXQNHdx9tMaAmwbEALw_wcB Universidad Politénica de Valencia. (s.f.). Tema 3. Convección. Página: 5. Recuperado el 16 de Junio de 2020, de http://personales.upv.es/vsoto/index_archivos/FTP/TC/Conveccion.pdf DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 97 Má ster en Ingeniería Industrial ANEXO I Información de contacto para el fabricante de tornillos aislantes: Tornillos aislantes térmicos y eléctricos. MISUMI Europa GmbH, Franklin61-63, 60486 Frankfurt am Main, Alemania https://fr.misumi-ec.com/ DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 98 Má ster en Ingeniería Industrial ANEXO II a. Gan DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 99 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 100 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 101 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 102 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 103 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 104 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 105 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 112 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 113 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 114 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 115 Má ster en Ingeniería Industrial b. TIM DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 116 Má ster en Ingeniería Industrial c. Ventiladores DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 117 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 118 Má ster en Ingeniería Industrial ANEXO III a. Vistas adicionales DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 119 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 120 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 121 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 128 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 129 Má ster en Ingeniería Industrial DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 130 Má ster en Ingeniería Industrial b. Croquis Estructura metálica DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 131 Má ster en Ingeniería Industrial Tapa DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 132 Má ster en Ingeniería Industrial PCB DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 133 Má ster en Ingeniería Industrial Bridas DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 134 Má ster en Ingeniería Industrial Espaciador inferior DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 135 Má ster en Ingeniería Industrial Espaciador superior DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 136 Má ster en Ingeniería Industrial Barra de presión DISEÑO TERMO-MECÁNICO DE UN INVERSOR PARA LA FABRICACIÓN E INTEGRACIÓN EN UNA MOTORIZACIÓN MILD-HYBRID. Página 137 Má ster en Ingeniería Industrial ANEXO IV