JP2009111032A - 磁気シールド装置の設計装置、磁気シールド装置の設計方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】設置領域10の各面における捕捉磁束密度Bcと、設置領域10の各面における代表長さlと、設置領域10の各面を通過する磁束Φαとを用いて、設置領域10の各面の厚みであって、設置領域10の各面が密閉される場合の厚みd1を算出する。また、その厚みd1と、シールド板群を構成するシールド板の幅Wと、そのシールド板群の配設周期(ピッチ)Pとを用いて、設置領域10の各面の厚みであって、設置領域10の各面にシールド板群が所定の間隔で並設される場合の各面の厚みd2を算出する。
【選択図】図1
Description
また、磁気シールド装置の近くに大電流が流れていたり、残留磁場のある磁性体があったりする場合には、そこから磁場が発生する。このような磁場は、磁気シールド装置内で精密装置の精密な測定を行おうとする場合の妨げとなる。そこで、外部磁場が進入しないように、磁気シールド装置を構成する必要もある。
今までの磁気シールド装置の設計技術としては、特許文献2、3、4に記載されている。
特許文献2では、磁気シールド装置における形状(高さ、奥行き、幅といった長さ)を規定している。しかしながら、それぞれの面でシールド用鋼板がどの程度使用すべきかについては、明確に示されていないし、また、シールド鋼板の量の算出方法についても記載がない。また、そこでは、磁気シールド装置の形状が与えられた時に対しては、対処できない。
特許文献4では、有限要素法を用いて磁場分布を算出し、その結果をもとにシールド装置の修正案を作成し、再度有限要素法計算を行い、最適なシールド装置を決定するものである。しかしながら、そこでは、磁場分布よりどのようにして修正案を作成するのか、また、何をもって最適性とするのか、といった明確な指針が提示されていない。
本発明の磁気シールド装置の設計装置は、磁気シールド装置の設計対象面における、磁性体による厚みを設計する磁気シールド装置の設計装置であって、前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から磁界が発生した際に前記設計対象面に生じる磁束密度を、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第1の入力手段と、前記第1の入力手段により入力された磁束密度に基づいて、前記設計対象面を通過する磁束を導出する磁束導出手段と、前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から発生した磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板により捕捉されることに基づく目標値としての捕捉磁束密度を、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第2の入力手段と、前記磁気シールド装置の設計対象面の大きさを表す代表長さを、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第3の入力手段と、前記第2の入力手段により入力された捕捉磁束密度に基づく磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板で捕捉されるようにするための当該設計対象面の厚みを、前記磁束導出手段により導出された磁束と、前記第2の入力手段により入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力手段により入力された代表長さとを用いて算出する算出手段とを有することを特徴とする。
以下、図面を参照しながら、本発明の第1の実施形態を説明する。
図1は、設計対象の磁気シールド装置が設置される領域の概略の一例を示す図である。具体的に図1(a)は、磁気シールド装置が設置される領域の斜視図を示し、図1(b)は、図1(a)のW方向から見た図を示す。
図2において、設計装置20は、操作部21と、表示部22と、処理部23とを有している。
操作部21は、キーボードやマウス等により構成される装置であり、ユーザにより実行された内容を処理部23に伝えるようにするための装置である。
処理部23は、CPU、ROM、及びRAM等により構成されるコンピュータである。この処理部23は、ROMに記録されているプログラムを実行すること等により設計装置20における処理動作を行う。
設計対象面設定部23bは、設置領域10の各面のうち、シールド板群による厚みの導出対象となる面(以下、設計対象面と称する)を設定する。図1に示した例では、設置領域10の6つの面が、設計対象面として順次設定される。
磁束導出部23fは、設計対象面設定部23bで設定された設計対象面における磁束密度の分布B(r,s)を、磁束密度分布記憶部23cから取得する。そして、磁束導出部23fは、取得した磁束密度の分布B(r,s)と、設計対象面内の微小領域の面積ΔSx,yとを、以下に示す(2)式に代入して、設計対象面を通過する磁束Φαを算出する。
このように本実施形態では、磁束導出部23fにより、磁束導出手段が実現される。
まず、厚み導出部23gは、設計対象面設定部23bで設定された設計対象面に配設されるシールド板群により、その設計対象面の全体が覆われる(密閉される)か否かを判定する。この判定は、例えば、磁気シールド装置形状記憶部23aに記憶されているシールド板群の配設位置に基づいて行うことができる。
以上のように本実施形態では、厚み導出部23gにより、算出手段が実現される。尚、以上のようにして求められる設計対象面の厚みd1、d2は、捕捉磁束密度Bcに基づく磁界が、設計対象面に配置されたシールド板群で捕捉されるようにするために必要な厚みである。
まず、ステップS1において、設計対象面設定部23bは、設置領域10の各面の1つを設計対象面として設定する。
次に、ステップS2において、磁束導出部23fは、前述した(2)式を用いて、設計対象面を通過する磁束Φαを算出する。
この判定の結果、設計対象面の全体が覆われる(密閉される)場合には、ステップS4に進む。ステップS4に進むと、厚み導出部23gは、前述した(3)式を用いて、設計対象面におけるシールド板群による厚みd1を算出する。そして、後述するステップS6に進む。
ステップS6に進むと、設計対象面設定部23bは、設置領域10の全ての面を解析対象領域として指定したか否かを判定する(すなわち、それら全ての面について、シールド板群による厚みd1、d2を算出したか否かを判定する)。この判定の結果、設置領域10の全ての面を解析対象領域として指定していない場合には、ステップS1に進み、設計対象面設定部23bは、指定していない面の1つを解析対象領域として設定し、設置領域10の全ての面を解析対象領域として指定するまで、ステップS1〜S6を繰り返し行う。そして、設置領域10の全ての面が解析対象領域として指定され、それら全ての面について、シールド板群による厚みd1、d2が算出されると、ステップS7に進む。
図5に示すように、設計装置20により設計した場合には、底面(床面)におけるシールド板の枚数が多くなっており、この底面(床面)におけるシールド板の枚数の違いが、シールド板の総枚数の差異の大半を占めることが分かる。尚、底面(床面)は、漏れ磁場の評価の対象となりにくいので、底面(床面)におけるシールド板の枚数を、従来の値に減らすことができる。
尚、図6に示すA面、B面、C面、D面は、夫々図1(b)に示した面を指す。また、図6では、磁気シールド装置の周方向の各面(A面、B面、C面、D面)から外側に100[mm]離れた位置であって、磁界発生源11の中心と同じ高さの位置における磁束密度の絶対値|B|を、電磁場解析により算出した結果を示している。また、図6では、磁束密度の絶対値|B|を相対値で示している。更に、図6では、磁界発生源から1.5[T]程度の磁界が発生しているものとして電磁場解析を行った結果を示している。
また、本実施形態では、複数のシールド板群を所定の間隔で並設することにより、設計対象面の一部が開放されるようにした場合を例に挙げて説明したが、設計対象面の一部が開放されるようにする方法は、このようなものに限定されるものではない。
また、本実施形態では、磁気シールド装置71は、図8に示す設置領域81のB面、上面、D面、及び底面で構成される面に沿って、相対的に内側に配設された内側シールド部73と、図8に示す設置領域81のB面、A面、D面、及びC面で構成される面に沿って、相対的に外側に配設された外側シールド部74とを備える。
図9において、設計装置90は、操作部21と、表示部22と、処理部91とを有している。
前述したように、操作部21は、ユーザにより実行された内容を処理部91に伝えるようにするための装置であり、表示部22は、処理部91により実行された処理結果等を表示するための装置である。
処理部91は、図2に示した処理部23と同様に、CPU、ROM、及びRAM等により構成されるコンピュータであり、ROMに記録されているプログラムを実行すること等によって設計装置90における処理動作を行う。
簡易設計部91aは、第1の実施形態で説明したようにして設置領域81の各面における厚みd1、d2を、概略値として算出する。具体的に簡易設計部91aは、図2に示した磁気シールド装置形状記憶部23aと、設計対象面設定部23bと、磁束密度分布記憶部23cと、設計対象面代表長さ記憶部23dと、捕捉磁束密度記憶部23eと、磁束導出部23fと、厚み導出部23gとを有している。
尚、以下の説明では、簡易設計部91aにより求められた厚みd1、d2を、必要に応じて概略厚みd1、d2と称する。
具体的に電磁場解析部91bは、磁気特性演算部92aと、磁束密度分布演算部92bとを有し、以下に説明するような等価BH法と称する方法で電磁場解析を行うようにしている。
具体的に本実施形態では、磁気特性演算部92aは、以下の(5)式を用いて、平均透磁率μaveを算出するものとする。
図10において、グラフ101は、等価要素内に含まれるシールド板の磁化容易軸方向の平均透磁率μaveと平均磁束密度Baveとの関係を示すものである。また、グラフ102は、等価要素内に含まれるシールド板の磁化困難軸方向の平均透磁率μaveと平均磁束密度Baveとの関係を示すものである。また、グラフ103は、等価要素内に含まれるシールド板の積層方向(シールド板群の厚み方向)の平均透磁率μaveと平均磁束密度Baveとの関係を示すものである。
尚、解析対象領域に生じる磁束線は、有限要素法(例えば、ガラーキン法、ICCG法)を用いて求めるようにする。また、磁気シールド装置71の外部の所望の位置を導出するのは、磁気シールド装置71内の磁界発生源72から発生する磁界が、磁気シールド装置71の外部にどの程度漏洩しているのかを評価するためである。例えば、本実施形態では、磁界発生源72の中心と同じ高さの位置であって、磁気シールド装置71の各面から100[mm]外側に離れた位置を、磁気シールド装置71の外部の所望の位置としている。
以上のように本実施形態では、電磁場解析部91b(磁気特性演算部92a、磁束密度分布演算部92b)により、電磁場解析手段が実現される。
具体的に本実施形態では、漏れ磁場判定部91cは、磁束密度分布演算部92bで導出された磁束密度に基づいて、透磁率が所定の範囲のシールド板群(面積又は体積)が、磁気シールド装置71を構成するシールド板群全体の50[%]以上であるか否かを判定する。ここで、所定の範囲とは、例えば、磁束密度分布演算部92bで導出された磁束密度に基づいて得られる最大透磁率の0.5倍以上(半分以上)、最大透磁率以下である。更に、漏れ磁場判定部91cは、磁束密度分布演算部92bで導出された磁束密度の最大値が、磁気シールド装置71を構成するシールド板の飽和磁束密度の0.8倍以上、0.9倍以下であるか否かを判定する。
以上のように本実施形態では、漏れ磁場判定部91cにより、判定手段が実現される。
以上のように本実施形態では、厚み変更部91eにより、第4の入力手段が実現される。
そして、厚み表示部91fは、磁気シールド装置71の設計値として決定された厚みdを表示部22に表示させる。尚、磁気シールド装置71の設計値として決定された厚みdの他に、後に述べるステップS24で導出された磁束密度の分布を表示部22に併せて表示させるようにしてもよい。
まず、ステップS21において、簡易設計部91aは、設置領域10の各面における概略厚みd1、d2を算出する。
次に、ステップS22において、磁気特性演算部92aは、ステップS21で算出された概略厚みd1、d2を用いて、等価要素における平均透磁率μaveを算出する。
次に、ステップS23において、磁気特性演算部92aは、等価要素における平均透磁率μaveと平均磁束密度Baveとの関係を求める。
次に、ステップS28において、厚み変更部91eは、操作部21の操作により、厚みdの変更値が入力されるまで待機する。そして、厚みdの変更値が入力されると、ステップS29に進む。そして、厚み変更部91eは、その厚みdの変更値を電磁場解析部91bに出力する。電磁場解析部91bは、それまでに使用していた厚みdを、その変更値に変更して、ステップS22〜S24を再度行う。
尚、図13では、磁気シールド装置71の周方向の各面(A面、B面、C面、D面)から外側に100[mm]離れた位置であって、磁界発生源72の中心と同じ高さの位置における磁束密度の絶対値|B|を、電磁場解析により算出した結果を示している。また、図13では、磁束密度の絶対値|B|を相対値で示している。更に、図13では、磁界発生源72から1.5[T]程度の磁界が発生しているものとして電磁場解析を行った結果を示している。
以上のように、本実施形態の設計装置90を用いれば、磁気シールド装置71から漏洩する磁界の空間的なばらつきを他の方法よりも低減することができ、その結果、磁気シールド装置71から漏洩する磁界に基づく最大磁束密度を他の方法よりも低減できることが分かる。
この他、シールド板群の透磁率ではなく、磁束密度分布演算部92bで導出された磁束密度に基づく透磁率が、前記所定の範囲にある領域(面積又は体積)が、解析対象領域の全体の50[%]以上(好ましくは60[%]、より好ましくは70[%])であるか否かを判定するようにしてもよい。
この他、磁束密度分布演算部92bで導出された磁束密度ではなく(解析対象領域の磁束密度の全体の最大値ではなく)、シールド板群内の磁束密度の最大値が、磁気シールド装置71を構成するシールド板の飽和磁束密度の0.75倍以上、0.95倍以下(好ましくは0.8倍以上、0.9倍以下)であるか否かを判定するようにしてもよい。
また、本実施形態においても、前述した第1の実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
また、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
11 磁界発生源
20 設計装置
21 操作部
22 表示部
23 処理部
23a 磁気シールド装置形状記憶部
23b 設計対象面設定部
23c 磁束密度分布記憶部
23d 設計対象面代表長さ記憶部
23e 捕捉磁束密度記憶部
23f 磁束導出部
23g 厚み導出部
23h 厚み表示部
31〜33 シールド板群
71 磁気シールド装置
72 磁界発生源
73 内側シールド部
74 外側シールド部
81 設置領域
90 設計装置
91 処理部
91a 簡易設計部
91b 電磁場解析部
91c 漏れ磁場判定部
91d 磁界分布表示部
91e 厚み変更部
91f 厚み表示部
92a 磁気特性演算部
92b 磁束密度分布演算部
Claims (17)
- 磁気シールド装置の設計対象面における、磁性体による厚みを設計する磁気シールド装置の設計装置であって、
前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から磁界が発生した際に前記設計対象面に生じる磁束密度を、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第1の入力手段と、
前記第1の入力手段により入力された磁束密度に基づいて、前記設計対象面を通過する磁束を導出する磁束導出手段と、
前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から発生した磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板により捕捉されることに基づく目標値としての捕捉磁束密度を、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第2の入力手段と、
前記磁気シールド装置の設計対象面の大きさを表す代表長さを、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第3の入力手段と、
前記第2の入力手段により入力された捕捉磁束密度に基づく磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板で捕捉されるようにするための当該設計対象面の厚みを、前記磁束導出手段により導出された磁束と、前記第2の入力手段により入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力手段により入力された代表長さとを用いて算出する算出手段とを有することを特徴とする磁気シールド装置の設計装置。 - 前記算出手段は、前記設計対象面に配置される磁性体板により、当該設計対象面の全体が密閉される場合には、前記磁束導出手段により導出された磁束と、前記第2の入力手段により入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力手段により入力された代表長さとから、前記設計対象面の厚みを算出することを特徴とする請求項1に記載の磁気シールド装置の設計装置。
- 前記算出手段は、前記設計対象面に複数の磁性体板が所定の間隔で配置される場合には、前記磁束導出手段により導出された磁束と、前記第2の入力手段により入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力手段により入力された代表長さと、前記複数の磁性体板が前記設計対象面を占有する割合とから、前記設計対象面の厚みを算出することを特徴とする請求項1に記載の磁気シールド装置の設計装置。
- 前記算出手段により算出された前記設計対象面の厚みを適用して、前記磁気シールド装置を含む解析対象領域に生じる電磁場を解析する電磁場解析手段と、
前記電磁場解析手段により解析された電磁場に基づく磁気特性が、目標範囲内であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により、前記電磁場解析手段により解析された電磁場に基づく磁気特性が、目標範囲内にないと判定された場合に、前記設計対象面の厚みの変更値を、ユーザによる操作手段の操作に基づき入力する第4の入力手段とを有し、
前記電磁場解析手段は、前記判定手段により、前記電磁場解析手段により解析された電磁場に基づく磁気特性が、目標範囲内であると判定されるまで、前記第4の入力手段により、前記設計対象面の厚みの変更値が入力される度に、当該入力された変更値を適用して、前記解析対象領域に生じる電磁場を解析することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の磁気シールド装置の設計装置。 - 前記判定手段は、前記電磁場解析手段により解析された電磁場に基づいて、前記磁気シールド装置を構成する磁性体板の透磁率が、最大透磁率の半分以上、最大透磁率以下の範囲にあるか否かを判定することを特徴とする請求項4に記載の磁気シールド装置の設計装置。
- 前記判定手段は、前記電磁場解析手段により解析された電磁場に基づいて、最大透磁率の半分以上、最大透磁率以下の範囲にある磁性体板が、前記磁気シールド装置を構成する磁生体板全体の50[%]以上あるか否かを判定することを特徴とする請求項5に記載の磁気シールド装置の設計装置。
- 前記判定手段は、前記電磁場解析手段により解析された電磁場に基づく磁束密度の最大値が、前記磁性体板の飽和磁束密度の0.8倍以上、0.9倍以下の範囲であるか否かを判定することを特徴とする請求項5又は6に記載の磁気シールド装置の設計装置。
- 前記算出手段は、前記磁気シールド装置から外部に漏れる磁界が問題となる所定の設計対象面の厚みを算出することを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の磁気シールド装置の設計装置。
- 磁気シールド装置の設計対象面における、磁性体による厚みを設計する磁気シールド装置の設計方法であって、
前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から磁界が発生した際に前記設計対象面に生じる磁束密度を、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第1の入力ステップと、
前記第1の入力ステップにより入力された磁束密度に基づいて、前記設計対象面を通過する磁束を導出する磁束導出ステップと、
前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から発生した磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板により捕捉されることに基づく目標値としての捕捉磁束密度を、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第2の入力ステップと、
前記磁気シールド装置の設計対象面の大きさを表す代表長さを、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第3の入力ステップと、
前記第2の入力ステップにより入力された捕捉磁束密度に基づく磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板で捕捉されるようにするための当該設計対象面の厚みを、前記磁束導出ステップにより導出された磁束と、前記第2の入力ステップにより入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力ステップにより入力された代表長さとを用いて算出する算出ステップとを有することを特徴とする磁気シールド装置の設計方法。 - 前記算出ステップは、前記設計対象面に配置される磁性体板により、当該設計対象面の全体が密閉される場合には、前記磁束導出ステップにより導出された磁束と、前記第2の入力ステップにより入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力ステップにより入力された代表長さとから、前記設計対象面の厚みを算出することを特徴とする請求項9に記載の磁気シールド装置の設計方法。
- 前記算出ステップは、前記設計対象面に複数の磁性体板が所定の間隔で配置される場合には、前記磁束導出ステップにより導出された磁束と、前記第2の入力ステップにより入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力ステップにより入力された代表長さと、前記複数の磁性体板が前記設計対象面を占有する割合とから、前記設計対象面の厚みを算出することを特徴とする請求項9に記載の磁気シールド装置の設計方法。
- 前記算出ステップにより算出された前記設計対象面の厚みを適用して、前記磁気シールド装置を含む解析対象領域に生じる電磁場を解析する電磁場解析ステップと、
前記電磁場解析ステップにより解析された電磁場に基づく磁気特性が、目標範囲内であるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより、前記電磁場解析ステップにより解析された電磁場に基づく磁気特性が、目標範囲内にないと判定された場合に、前記設計対象面の厚みの変更値を、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第4の入力ステップとを有し、
前記電磁場解析ステップは、前記判定ステップにより、前記電磁場解析ステップにより解析された電磁場に基づく磁気特性が、目標範囲内であると判定されるまで、前記第4の入力ステップにより、前記設計対象面の厚みの変更値が入力される度に、当該入力された変更値を適用して、前記解析対象領域に生じる電磁場を解析することを特徴とする請求項9〜11の何れか1項に記載の磁気シールド装置の設計方法。 - 前記判定ステップは、前記電磁場解析ステップにより解析された電磁場に基づいて、前記磁気シールド装置を構成する磁性体板の透磁率が、最大透磁率の半分以上、最大透磁率以下の範囲にあるか否かを判定することを特徴とする請求項12に記載の磁気シールド装置の設計方法。
- 前記判定ステップは、前記電磁場解析ステップにより解析された電磁場に基づいて、最大透磁率の半分以上、最大透磁率以下の範囲にある磁性体板が、前記磁気シールド装置を構成する磁生体板全体の50[%]以上あるか否かを判定することを特徴とする請求項13に記載の磁気シールド装置の設計方法。
- 前記判定ステップは、前記電磁場解析ステップにより解析された電磁場に基づく磁束密度の最大値が、前記磁性体板の飽和磁束密度の0.8倍以上、0.9倍以下の範囲であるか否かを判定することを特徴とする請求項13又は14に記載の磁気シールド装置の設計方法。
- 前記算出ステップは、前記磁気シールド装置から外部に漏れる磁界が問題となる所定の設計対象面の厚みを算出することを特徴とする請求項9〜15の何れか1項に記載の磁気シールド装置の設計方法。
- 磁気シールド装置の設計対象面における、磁性体による厚みを設計することをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から磁界が発生した際に前記設計対象面に生じる磁束密度を、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第1の入力ステップと、
前記第1の入力ステップにより入力された磁束密度に基づいて、前記設計対象面を通過する磁束を導出する磁束導出ステップと、
前記磁気シールド装置の内部の磁界発生源から発生した磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板により捕捉されることに基づく目標値としての捕捉磁束密度を、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第2の入力ステップと、
前記磁気シールド装置の設計対象面の大きさを表す代表長さを、ユーザによる操作ステップの操作に基づき入力する第3の入力ステップと、
前記第2の入力ステップにより入力された捕捉磁束密度に基づく磁界が、前記設計対象面に配置された磁性体板で捕捉されるようにするための当該設計対象面の厚みを、前記磁束導出ステップにより導出された磁束と、前記第2の入力ステップにより入力された捕捉磁束密度と、前記第3の入力ステップにより入力された代表長さとを用いて算出する算出ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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