JP2014071690A - Analysis model generation apparatus, analysis model generation method and computer program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転機の数値解析モデルを生成する解析モデル生成装置、解析モデル生成方法及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to an analysis model generation apparatus, an analysis model generation method, and a computer program that generate a numerical analysis model of a rotating machine.
モータ、発電機等の回転機の設計は、例えば3次元CAD(Computer Aided Design)を用いて行われる。3次元CADを用いて設計された回転機は、実機を用いた性能試験又は計算機を用いた数値解析により、その性能が評価され、判明した欠点を修正すべく設計が繰り返される。計算機を用いて回転機の性能を数値解析するCAE(Computer Aided Engineering)は、回転機の実機を用いた性能試験に比べて、設計変更が容易であり、回転機の開発コストを低減させることができる。CAEとしては、例えば有限要素法が用いられる。有限要素法は、複雑な形状及び電磁特性を有する回転機の回転子及び固定子を表現した数値解析モデルを、単純な形状及び電磁特性を有する有限要素に分割することによって、FEM(Finite Element Method)モデルを生成し、単純化された各有限要素の特性を近似的に演算することで回転機全体の挙動を予測する数値解析手法である。 The design of rotating machines such as motors and generators is performed using, for example, three-dimensional CAD (Computer Aided Design). The performance of a rotating machine designed using a three-dimensional CAD is evaluated by a performance test using a real machine or a numerical analysis using a computer, and the design is repeated to correct a found defect. CAE (Computer Aided Engineering), which uses a computer to numerically analyze the performance of rotating machines, is easier to change the design and reduces the development cost of rotating machines compared to performance tests using actual rotating machines. it can. As the CAE, for example, a finite element method is used. In the finite element method, a numerical analysis model representing a rotor and a stator of a rotating machine having a complicated shape and electromagnetic characteristics is divided into finite elements having a simple shape and electromagnetic characteristics, thereby obtaining a Finite Element Method. ) A numerical analysis method that predicts the behavior of the entire rotating machine by generating a model and approximately calculating the characteristics of each simplified finite element.
しかしながら、回転機の3次元解析モデル、特に巻線のモデリングは極めて難しく、自動作成はもちろんのこと、手作業でもその作成は困難である。実機の回転機では、導線をスロットに巻いた後、巻線スペースに収まるように導線を押し込めるため、各導線がどの空間に位置しているかといった、詳細な立体配置を把握することは極めて難しい。また、各導線は曲がり、押しつぶされるため、導線の断面形状は一定にはなりえない。このため、CADソフトなどで実機に近い巻線構造をモデル化することは手動でも難しい。 However, it is very difficult to model a three-dimensional analysis model of a rotating machine, especially winding, and it is difficult to create it manually as well as automatically. In an actual rotating machine, after winding a conducting wire in a slot, the conducting wire is pushed into the winding space, so it is extremely difficult to grasp the detailed three-dimensional arrangement such as in which space each conducting wire is located. Moreover, since each conducting wire is bent and crushed, the cross-sectional shape of the conducting wire cannot be constant. For this reason, it is difficult to model a winding structure close to the actual machine with CAD software or the like.
導線の断面が常に一定という制約を設けることで、巻線の複雑な形状を自動的にモデル化することも行われているが、実機と異なる巻線形状になってしまうことがある。
回転機の実機設計においては、巻線を配置すべき巻線スペースが規定される。しかし、導線の断面形状が一定であるという制約を設けた上述のモデリング手法でモデル化された巻線の配置は、実機で規定される巻線スペースと異なるものになってしまう。巻線スペースを大きくはみ出した巻線のモデリングでは、巻線スペース外に生じる磁束の変化までも巻線モデルが考慮することになり、実機の挙動と大きく乖離する恐れがある。つまり、巻線スペースを考慮した数値解析モデルを作成できないという問題がある。
図20は、巻線が巻線スペースを大きくはみ出した回転機の一例を示す縦断面斜視図である。回転機の鉄心304は、例えば円環状のバックヨーク341を有する。バックヨーク341の内周面には径方向内側へ突出した複数のティース342が設けられている。各スロット343には巻線309が分布巻されている。分布巻された巻線309の導線は、図20に示すように複数のティース342を跨いで架け渡され、巻回されている。このような回転機をモデリングする際、導線の断面形状が一定であるという制約を設けると、実機で規定される巻線スペースを巻線が大きくはみ出した数値解析モデルが自動生成されることがある。
By providing the constraint that the cross section of the conducting wire is always constant, the complicated shape of the winding is automatically modeled. However, the winding shape may be different from that of the actual machine.
In the actual design of a rotating machine, a winding space in which the winding is to be arranged is defined. However, the winding arrangement modeled by the above-described modeling method with the restriction that the cross-sectional shape of the conducting wire is constant is different from the winding space defined by the actual machine. In the modeling of windings with a large space outside the winding space, the winding model also takes into account changes in the magnetic flux generated outside the winding space, which may deviate greatly from the actual machine behavior. That is, there is a problem that a numerical analysis model considering the winding space cannot be created.
FIG. 20 is a longitudinal cross-sectional perspective view showing an example of a rotating machine in which a winding protrudes greatly from the winding space. The
一方、磁界解析用の数値解析モデルを作成する方法としては、巻線スペース、巻線の巻数及び導線の断面形状の入力を受け付け、これらの情報を元にして巻線構造を自動生成する方法があるが、巻線スペースと、巻数及び断面形状との関係によって、導線間に隙間が生ずることがある。巻線の導線間に隙間がある磁界解析用の数値解析モデルを作成した場合、磁界解析用とは別に熱解析用、構造解析用の数値解析モデルを用意する必要があり、各解析シミュレータでデータを共有できないという問題がある。
熱解析においては、各巻線が密着していることにより、熱量が隣り合う巻線間で移動するものと考える。熱伝導を表現するためには、導線同士を隣接させた数値解析モデルを作成するか、離隔した導線間で熱のやり取りが発生するような熱回路を組む必要がある。
構造解析でも、導線自体の剛性、導線に流れる電流による加振力を元にした構造解析、例えば振動解析を行う場合には、複数の各導線を一体として扱う方が便利である。もし、導線間に隙間があると、物理量の受け渡しが分布量ではなく、集中量でしかできなくなることになる。
電機機器の複雑な現象を解き明かす際には複数の解析を組み合わせた連成解析が行われる。例えば、磁界解析で得られた損失を熱解析に受け渡し、温度上昇を評価する連成解析や、磁界解析で得られた電磁力を構造解析に受け渡し、各部の振動状態や変形を考慮する連成解析、構造解析で変位を算出した場合、磁場解析や熱解析に受け渡し変形後の状態を評価する連成解析などがある。これらの連成解析を行う上で、同一形状を用いた解析データを作成できれば、各解析で算出された分布量をそのまま使えるため、解析精度を向上させることができるが、現実の設計の現場では限られた時間で複雑な形状モデルを作成することは工数面でも難しい。仮に1つの複雑な形状を作成できたとしても、寸法をパラメータとしていくつも解析を繰り返すことはできていない。
On the other hand, as a method of creating a numerical analysis model for magnetic field analysis, there is a method of accepting input of a winding space, the number of turns of a winding, and a cross-sectional shape of a conducting wire, and automatically generating a winding structure based on such information. However, depending on the relationship between the winding space, the number of turns and the cross-sectional shape, a gap may be generated between the conductors. When creating a numerical analysis model for magnetic field analysis where there is a gap between the winding conductors, it is necessary to prepare numerical analysis models for thermal analysis and structural analysis separately from those for magnetic field analysis. There is a problem that cannot be shared.
In the thermal analysis, it is considered that the amount of heat moves between adjacent windings because the windings are in close contact with each other. In order to express heat conduction, it is necessary to create a numerical analysis model in which conductors are adjacent to each other, or to build a thermal circuit that generates heat exchange between separated conductors.
Also in the structural analysis, when conducting a structural analysis based on the rigidity of the conductive wire itself and the excitation force caused by the current flowing in the conductive wire, for example, a vibration analysis, it is more convenient to handle a plurality of conductive wires as one body. If there is a gap between the conductors, the physical quantity can only be transferred by a concentrated amount, not a distributed amount.
When solving complicated phenomena of electrical equipment, coupled analysis combining multiple analyzes is performed. For example, the loss obtained in the magnetic field analysis is transferred to the thermal analysis, and the coupled analysis that evaluates the temperature rise, and the electromagnetic force obtained in the magnetic field analysis is transferred to the structural analysis to take into account the vibration state and deformation of each part. When displacement is calculated by analysis or structural analysis, there is a coupled analysis that passes the magnetic field analysis or thermal analysis to evaluate the state after deformation. In performing these coupled analyses, if analysis data using the same shape can be created, the distribution amount calculated in each analysis can be used as it is, so the analysis accuracy can be improved. Creating a complicated shape model in a limited time is difficult in terms of man-hours. Even if one complicated shape can be created, the analysis cannot be repeated many times with the dimension as a parameter.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、実機の設計に比較的近く、各種シミュレータで共用でき、しかも巻線スペースが考慮された巻線構造を有する数値解析モデルを自動的に生成することができる解析モデル生成装置、解析モデル生成方法及びコンピュータプログラムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is relatively close to the design of an actual machine, and can be shared by various simulators, and a numerical analysis model having a winding structure in which winding space is considered. An object of the present invention is to provide an analysis model generation apparatus, an analysis model generation method, and a computer program that can be automatically generated.
本発明に係る解析モデル生成装置は、鉄心を構成する複数のティースに導線を巻回した回転機の数値解析モデルを生成する解析モデル生成装置において、前記ティースより前記回転機の回転軸方向外側にて、複数の前記ティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付ける手段と、前記複数のティースに導線を巻回してなる巻線束複数それぞれについて、前記架渡空間を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間に隙間無く分割する分割手段とを備えることを特徴とする。 An analysis model generation apparatus according to the present invention is an analysis model generation apparatus that generates a numerical analysis model of a rotating machine in which a conductive wire is wound around a plurality of teeth constituting an iron core. Means for receiving information on an annular spanning space in which a conductor is to be bridged across the plurality of teeth, and a plurality of winding bundles formed by winding the conductor around the plurality of teeth, Splitting means for splitting the winding bundle with no gap in an arcuate space to be spanned is provided.
本発明に係る解析モデル生成装置は、前記分割手段によって分割された弧状空間の周方向両端部と、前記巻線束が挿入されるべきティース間の空間とを接続してなる巻線空間を生成する手段を備えることを特徴とする。 The analysis model generation apparatus according to the present invention generates a winding space formed by connecting both circumferential ends of the arc-shaped space divided by the dividing means and a space between teeth into which the winding bundle is to be inserted. Means are provided.
本発明に係る解析モデル生成装置は、前記巻線束が挿入されるべき前記ティース間の空間の形状は棒状であることを特徴とする。 The analysis model generation apparatus according to the present invention is characterized in that the space between the teeth into which the winding bundle is to be inserted has a rod shape.
本発明に係る解析モデル生成装置は、前記巻線束が挿入されるべき前記ティース間の空間は該ティース間の形状に倣った空間を分割してなる空間であることを特徴とする。 In the analysis model generation device according to the present invention, the space between the teeth into which the winding bundle is to be inserted is a space formed by dividing a space following the shape between the teeth.
本発明に係る解析モデル生成装置は、架け渡されるべき導線が前記ティースを跨ぐ数を示したピッチ数、及び前記ティースの数を取得する手段と、取得したピッチ数及びティースの数に基づいて、前記架渡空間における前記巻線束の中心線の位置を決定する手段とを備え、前記分割手段は、隣り合う前記巻線束の中心線の中間位置で前記架渡空間を分割するようにしてあることを特徴とする。 The analysis model generation device according to the present invention is based on the number of pitches indicating the number of conductors to be bridged across the teeth, the means for acquiring the number of teeth, the acquired number of pitches and the number of teeth, Means for determining the position of the center line of the winding bundle in the spanning space, and the dividing means divides the spanning space at an intermediate position between the center lines of the adjacent winding bundles. It is characterized by.
本発明に係る解析モデル生成方法は、鉄心を構成する複数のティースに導線を巻回した回転機の数値解析モデルを生成する解析モデル生成方法において、前記ティースより前記回転機の回転軸方向外側にて、複数の前記ティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付け、前記複数のティースに導線を巻回してなる巻線束複数それぞれについて、前記架渡空間を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間に隙間無く分割することを特徴とする。 An analysis model generation method according to the present invention is an analysis model generation method for generating a numerical analysis model of a rotating machine in which a conductive wire is wound around a plurality of teeth constituting an iron core. Receiving the information of the annular spanning space in which the conducting wire is to be bridged across the plurality of teeth, and for each of a plurality of winding bundles formed by winding the conducting wire around the plurality of teeth, the spanning space is defined as the winding bundle. It divides | segments into the arc-shaped space where the conducting wire of this should be spanned without gap.
本発明に係るコンピュータプログラムは、鉄心を構成する複数のティースに導線を巻回した回転機の数値解析モデルをコンピュータに生成させるコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータを、前記ティースより前記回転機の回転軸方向外側にて、複数の前記ティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付ける手段と、前記複数のティースに導線を巻回してなる巻線束複数それぞれについて、前記架渡空間を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間に隙間無く分割する分割手段として機能させることを特徴とする。 The computer program according to the present invention is a computer program for causing a computer to generate a numerical analysis model of a rotating machine in which a conductive wire is wound around a plurality of teeth constituting an iron core. Means for accepting information on an annular spanning space over which the conductors are to be bridged across the plurality of teeth, and a plurality of winding bundles formed by winding the conductors around the plurality of teeth. Is made to function as a dividing means that divides the winding bundle into an arc-like space to be bridged without any gap.
本発明にあっては、複数のティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付け、複数の巻線束毎に、架渡空間を各巻線束が存在する弧状空間に隙間無く分割する。 In the present invention, it accepts information on an annular spanning space in which a conductor is to be bridged across a plurality of teeth, and for each of the plurality of winding bundles, there is no gap in the arcuate space where each winding bundle exists. To divide.
本発明にあっては、導線が架け渡されるべき弧状空間と、巻線束が挿入されるべきティース間の空間とを接続することによって、巻線空間を生成する。 In the present invention, the winding space is generated by connecting the arcuate space in which the conductive wire is to be bridged and the space between the teeth in which the winding bundle is to be inserted.
本発明にあっては、弧状空間と、棒状の空間とを接続することによって、巻線空間が生成される。 In the present invention, the winding space is generated by connecting the arc-shaped space and the bar-shaped space.
本発明にあっては、弧状空間と、ティース間の形状に倣った空間を分割してなる空間とを接続することによって、巻線空間が生成される。 In the present invention, the winding space is generated by connecting the arc space and a space formed by dividing the space following the shape between the teeth.
本発明にあっては、ピッチ数及びティースの数に基づいて、架渡空間における巻線束の中心線の位置を決定する。そして、隣り合う巻線束の中心線の中間位置で架渡空間を分割することによって、架渡空間を隙間無く分割する。 In the present invention, the position of the center line of the winding bundle in the spanning space is determined based on the number of pitches and the number of teeth. Then, the spanning space is divided without gaps by dividing the spanning space at an intermediate position between the center lines of adjacent winding bundles.
本発明によれば、実機の設計に比較的近く、各種シミュレータで共用でき、しかも巻線スペースが考慮された巻線構造を有する数値解析モデルを自動的に生成することができる。 According to the present invention, it is possible to automatically generate a numerical analysis model having a winding structure that is relatively close to the design of an actual machine, can be shared by various simulators, and has a winding space taken into consideration.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る解析モデル生成装置の一構成例を示すブロック図である。図中1は、本発明の実施の形態1に係る解析モデル生成装置である。解析モデル生成装置1は、コンピュータを用いて構成されており、有限要素法を用いた回転機の磁界解析機能、熱解析機能、構造解析機能等を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an analysis model generation apparatus according to
解析モデル生成装置1は、該解析モデル生成装置1の各構成部の動作を制御するCPU(Central Processing Unit)11を備えたコンピュータである。CPU11にはバスを介して内部記憶装置12、外部記憶装置13及び通信インタフェース16が接続されている。
The analysis
内部記憶装置12は、コンピュータの初期動作に必要な制御プログラムを記憶したマスクROM、EEPROM等の不揮発性メモリと、コンピュータの動作に必要な制御プログラムを記憶し、CPU11の演算処理を実行する際に生ずる各種データを一時記憶するDRAM、SRAM等のメモリとで構成される。
The
外部記憶装置13は、ハードディスクドライブ、又はソリッドステートドライブ等の読み出しが可能なディスクドライブ、可搬式の記録媒体2からのデータの読み出しが可能なCD−ROMドライブ等の装置である。記録媒体2には、本実施の形態1に係るコンピュータプログラム20が読み出し可能に記録されている。本実施の形態1に係るコンピュータプログラム20は、コンピュータ読み取り可能に記録されたCD(Compact Disc)−ROM、DVD(Digital Versatile Disc)−ROM、BD(Blu-ray Disc)等の可搬式の記録媒体2を介すなどしてディスクドライブに記録される。CPU11はコンピュータプログラム20が記録された記録媒体2又はディスクドライブなどから、コンピュータプログラム20を読み出し、内部記憶装置12に記憶させる。また、言うまでもなく、光ディスクは、記録媒体2の一例であり、フレキシブルディスク、磁気光ディスク、外付けハードディスク、半導体メモリ等にコンピュータプログラム20をコンピュータ読み取り可能に記録し、外部記憶装置13にて読み出すように構成しても良い。なお、通信インタフェース16に接続されている外部の通信装置3から本発明に係るコンピュータプログラム20をダウンロードするようにしても良い。
The
また、外部記憶装置13は、コンピュータプログラム20と共に、回転機の有限要素法解析を行うための数値解析モデルを記憶している。特に、本実施の形態1では、外部記憶装置13は、複数のティース42を有する鉄心4(図3参照)の3次元形状を表現した数値解析モデルを記憶している。鉄心4の数値解析モデルは、回転機の数値解析モデルの元になる3次元CADデータであり、鉄心4の数値解析モデルに巻線構造を表現した3次元形状を付加することによって、ステータ又はロータの3次元形状モデルが生成される。また、外部記憶装置13は、数値解析モデルを特徴付ける各種材料定数、構成式等を記憶している。
The
また解析モデル生成装置1は、キーボード又はマウス等の入力装置14と、液晶ディスプレイ又はCRTディスプレイ等の出力装置15とを備えており、使用者によるデータ入力等の操作を受け付ける構成となっている。
The analysis
図2は、数値解析モデルの生成に係るCPU11の処理手順を示したフローチャートである。回転機の数値解析モデルの作成指示を受け付けたCPU11は、以下の処理を実行することによって、鉄心4の3次形状モデルに、巻線の三次元形状を表現した巻線空間を付加し、回転機の数値解析モデルを生成する。
まず、CPU11は、鉄心4の三次元形状モデル、即ち数値解析モデルを外部記憶装置13から読み出す(ステップS1)。そして、CPU11は、複数のティース42を跨いで巻線の導線が架け渡されるべき環状の架渡空間5を規定する情報を入力装置14を介して受け付ける(ステップS2)。
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the
First, the
図3は、架渡空間5の一例を概念的に示した斜視図、図4は、架渡空間5の一例を概念的に示した平面図、図5は、架渡空間5の一例を概念的に示した側断面図である。なお、図4では架渡空間5の一部が描かれている。図3に示すように回転機の鉄心4は、例えば円環状のバックヨーク41を有する。バックヨーク41の内周面には径方向内側へ突出した複数のティース42が設けられている。隣り合うティース42間の空間はスロット43である。ステップS1で読み出される3次元形状モデルは、このように構成された鉄心4の形状を表現した3次元CADデータである。
3 is a perspective view conceptually showing an example of the
ステップS2の処理で受け付ける情報で表現される架渡空間5は、図3中、鉄心4の上側に示される環状の空間であり、架渡空間5の中心線6は回転機の回転軸と一致している。具体的には、CPU11は、架渡空間5の内径及び外径と、回転軸方向における両端面の位置を受け付ける。架渡空間5の内径は巻線を配置できる空間の最内周面であり、架渡空間5の外径は巻線を配置できる空間の最外周面である。回転軸方向における架渡空間5の両端面の位置は、図3中、ティース42を跨いで導線が架け渡される際に導線が通過しても良い空間の上面及び下面である。CPU11は、3次元形状モデルの形状を、例えば円柱座標系における座標値で取り扱っている。円柱座標系のZ軸は、例えば、鉄心4の中心線、つまり回転機の回転軸方向であり、バックヨーク41の厚み方向中央部をZ=0とする。そして、図4に示すように鉄心4の中心点Oから右方向に延びる破線の方向をθ=0とし、反時計周りにθの値が大きくなるように座標系を定めると良い。このように円柱座標系を定めた場合、CPU11は、架渡空間5の内径及び外径として、図4に示すR1、R2の値を受け付ける。また、CPU11は、架渡空間5の回転軸方向における両端面の位置として、図5に示すように、Z1,Z2の値を受け付ける。
The
ステップS2の処理を終えたCPU11は、回転機のスロット数、導線がティース42を跨ぐ数を示したピッチ数、巻線の巻き始め位置である基準位置を入力装置14を介して受け付ける(ステップS3)。本実施の形態1ではスロット数が20、ピッチ数が4、巻き始め位置は図4に示す角度θの位置である。スロット数は鉄心4の形状によって定まるものであり、スロット数の情報を外部記憶装置13が鉄心4の3次元形状モデルと共に記憶している場合、CPU11はスロット数を外部記憶装置13から読み出すように構成しても良い。また、図4に示すようにスロット数は、ティース42の数は等価であるため、ティース42の数を受け付けても良い。更に、巻線の巻き始め位置を、複数の各スロット43に振られた番号で指定するように構成しても良い。
CPU11 which finished the process of step S2 receives the reference | standard position which is the winding start position of the number of slots which showed the number of slots of a rotary machine, the number of conductors straddling the
ステップS3の処理を終えたCPU11は、受け付けたピッチ数及びスロット数に基づいて、架渡空間5における巻線束の中心線6の位置を決定する(ステップS4)。巻線束は、同じティース42に巻かれた複数の巻線からなる束である。例えば、第1番〜第4番のティース42を跨いで巻かれた複数の巻線の束を巻線束という。
CPU11 which finished the process of step S3 determines the position of the
図6は、巻線束の中心線6の一例を概念的に示した斜視図、図7は、巻線束の中心線6の一例を概念的に示した部分平面図である。図6中、符号Zで示した矢印は、回転機の回転軸方向を示している。巻線束の中心線6は例えば、以下のような方法で決定される。ここでは、中心線6が通る座標値(R,θ)の代表点の決定方法を説明する。CPU11は、巻線束毎に、(ピッチ数+1)個の代表点を決定する。巻線の巻き始め位置を第0代表点とする。第0代表点61の座標値θ0 は、ステップS3で受け付けた値である。第0代表点61の径方向位置は、座標値R0 =R1+(R2−R1)/(2×ピッチ数)のように設定すれば良い。反時計回り一つ隣りのスロット43にある第1代表点の座標値θ1 は、θ0 +360°/スロット数、座標値R1 は、R0 +(R2−R1)/ピッチ数である。以下同様にして、座標値θの値を360°/スロット数ずつ加算し、座標値Rの値を(R2−R1)/ピッチ数ずつ加算することにより、他の代表点を決定することができる。そして、このようにして算出された各代表点を直線または曲線で結ぶことにより、中心線6が得られる。なお、図6では周方向両端にある第0代表点61及び最終代表点62からZ軸下方へ更に直線が引かれているが、3次元空間における巻線の中心線6の配置を認識し易くするためのものであり、必須のものでは無い。
その他の巻線束についても、第0代表点61の座標値θ0を、360°/スロット数ずつ加算した値に設定することで、同様にして中心線6を算出することができる。
6 is a perspective view conceptually showing an example of the
For other winding bundles, the
ステップS4の処理を終えたCPU11は、複数の巻線束それぞれについて、架渡空間5を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間51(図8参照)に隙間無く分割する(ステップS5)。
CPU11 which finished the process of step S4 divides | segments the spanning
図8は、架渡空間5の分割方法の一例を示した部分平面図である。CPU11は、例えば、隣り合う巻線束の中心線6の中間位置で架渡空間5を分割する。分割位置はZ軸の位置に拘わらず同じであり、弧状空間51は、Z軸断面が略円弧状をなす板状の空間となる。弧状空間51の両端部の形状は、スロット43の径方向中心を通る平面で弧状空間51の端部を切り落としたような形状にする。
より具体的には、CPU11は、架渡空間5を分割する分割面52、即ち隣り合う弧状空間51を隔てる面を、例えば以下のように決定する。まず、径方向において隣り合う2本の中心線6,6の中央を通る平面を決定する。例えば、第1の中心線6の座標値が(r1,θ)、第2の中心線6の座標値が(r2,θ)である場合、各スロット43において複数の中点((r1+r2)/2,θ)を算出し、複数の中点を通るZ軸に平行な中央面52aを決定する。該中央面52aの座標値zの範囲はZ1〜Z2である。そして、第1の中心線6の第0特徴点61が存在するスロット43においては、該スロット43の径方向中心を通り、かつZ軸に平行な端平面52bと、前記中央面52aとを接続する。端平面52bの座標値Rの範囲は、例えばR1〜前記スロット43の径方向中央における前記中央面52aの径方向座標値である。また、端平面52bの座標値Zの範囲はZ1〜Z2である。同様に、第2の中心線6の最終特徴点62が存在するスロット43においては、該スロット43の径方向中心を通り、かつZ軸に平行な端平面52cと、前記中央面52aとを接続する。端平面52cの座標値Rの範囲は、例えば前記スロット43の径方向中央における前記中央面52aの径方向座標値〜R2である。また、端平面52cの座標値Zの範囲はZ1〜Z2である。分割面52は、このように決定した中央面52aと、端平面52b,52cで構成される。他の中心線6についでも同様にして分割面52を決定する。
なお、上述の分割面52の決定方法は一例であり、隣り合う巻線束毎の中心線6の中間位置で架渡空間5を隙間無く分割できれば、他の方法で架渡空間5を分割しても良い。
FIG. 8 is a partial plan view showing an example of a method for dividing the
More specifically, the
Note that the above-described method of determining the dividing
図9は、架渡空間5の分割方法の他の例を示した部分平面図である。図9に示す例では、弧状空間151の一端部の形状を楔状にしてある。このように、弧状空間151の両端部の形状は特に限定されるものでは無く、フィレット又は面取りを付けたような形状にしても良い。
FIG. 9 is a partial plan view showing another example of the method for dividing the
ステップS5の処理を終えたCPU11は、複数のティース42を跨いで架け渡された巻線束部分を表現した弧状空間51と、スロット内空間7(図10参照)とを接続してなる巻線空間9(図10参照)を生成し(ステップS6)、処理を終える。
The
図10及び図11は、巻線空間9の一例を示した斜視図である。巻線空間9は、図10及び図11に示すように、弧状空間51と、スロット内空間7と、該弧状空間51及びスロット内空間7を接続する接続空間8とで構成される。スロット内空間7は、例えば隣り合うティース42間の形状に倣った空間を分割してなる板状の空間である。ここでは隣り合うティース42で形成されるスロット43の全体では無く、周方向中央を通る平面で周方向又は径方向に2つに分けた半空間をスロット内空間7としている。スロット内空間7をこのように定めると、図10に示すように、弧状空間51の端部が同じスロット43に位置する際、一の弧状空間51の端部に接続されるスロット内空間7と、他の弧状空間51の端部に接続されるスロット内空間7とを合わせたものが、スロット43の全空間となる。
接続空間8の形状は特に限定されるものでは無いが、架渡空間5の内径及び外径の範囲内で接続することが望ましい。接続空間8は例えば、ロフト機能を用いて接続してもよい。
10 and 11 are perspective views showing an example of the winding
The shape of the
図12は、巻線空間109の他の例を示した斜視図である。図12に示すように、スロット内空間107の形状は、スロット43の形状に倣う形状に限定されず、スロット43を回転軸方向に挿通する棒状であっても良い。なお、スロット内空間107は、ステップS6の処理で作成しても良いし、ステップS1で読み出される3次元形状モデルにスロット43の空間が既に形成されている場合、該空間をスロット内空間107として取り扱い、弧状空間51と接続するようにしても良い。
FIG. 12 is a perspective view showing another example of the winding
このようにして作成された3次元解析モデルには、適宜ロータ等の他の構成部品を表した3次元形状を付加しても良い。そして、回転機の数値解析モデルを、複数の有限要素にメッシュ分割することでFEMモデルが得られる。このFEMモデルを利用して、有限要素法を用いた回転機の電磁界解析、磁気解析、構造解析、熱解析を行うことができる。 A three-dimensional shape representing other components such as a rotor may be appropriately added to the three-dimensional analysis model created in this way. Then, the FEM model is obtained by dividing the numerical analysis model of the rotating machine into a plurality of finite elements. Using this FEM model, electromagnetic field analysis, magnetic analysis, structural analysis, and thermal analysis of a rotating machine using the finite element method can be performed.
本実施の形態1によれば、実機の設計に比較的近く、各種シミュレータで共用でき、しかも巻線スペースが考慮された巻線構造を有する数値解析モデルを自動的に生成することができる。
なお、実施の形態1では、巻線束の径方向の位置が時計回り方向に進むに従って内側寄りになる例を説明したが、逆に巻線束の径方向の位置が時計回り方向に進むに従って外側寄りになるように構成しても良い。
According to the first embodiment, it is possible to automatically generate a numerical analysis model having a winding structure that is relatively close to the design of an actual machine, can be shared by various simulators, and has a winding space taken into consideration.
In the first embodiment, the example has been described in which the radial position of the winding bundle becomes closer to the inner side as it advances in the clockwise direction. Conversely, as the radial position of the winding bundle advances in the clockwise direction, the outer side becomes closer to the outer side. You may comprise so that it may become.
(実施の形態2)
実施の形態2に係る解析モデル生成装置1は、巻線束の中心線の決定方法のみが異なるため、以下では主にこの相違点を説明する。実施の形態1では、巻線束の周方向一端側が径方向内側、他端側が径方向外側に位置するように、該巻線束をティース42に挿入してなる数値解析モデルの作成方法を説明したが、実施の形態2では、巻線束の両端部の径方向位置が変化しない同心円状の例を説明する。その他、実施の形態1に対応する箇所には同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
Since the analysis
図13は、実施の形態2における巻線束の中心線206の一例を概念的に示した斜視図、図14は、実施の形態2における巻線束の中心線206の一例を概念的に示した部分平面図である。実施の形態2では、図13及び図14に示すように、複数の各巻線束の中心線206の半径は、架け渡し途中で変化せず一定である。具体的には代表点を算出する際、径方向の位置を示す座標値Rの値を一定のまま、座標値θのみを実施の形態1と同様にして変化させて第0代表点261から最終代表点262まで算出し、各代表点を直線または曲線で接続すれば良い。なお、同じ径方向位置の巻線束については、巻き始め位置を、周方向に指定ピッチ数ずつ、つまり、(360°/スロット数)×ピッチ数ずつずらすことにより、各巻線束の中心線206を作成することができる。径方向の位置が異なる巻線束については、径方向の座標値を(R2−R1)/ピッチ数ずつずらして、中心線206を算出すれば良い。
FIG. 13 is a perspective view conceptually showing an example of the
図15は、実施の形態2における架渡空間5の分割方法の一例を示した部分平面図である。実施の形態1と同様にして、隣り合う巻線束の中心線206の中間で架渡空間5を隙間無く分割すると、図15に示すような弧状空間251が得られる。以下の処理は実施の形態1と同様である。
FIG. 15 is a partial plan view showing an example of a method for dividing the
(変形例)
以上の実施の形態ではブラシモータの数値解析モデルを作成する例を説明したが、あくまで巻線配置の一例であり、巻線配置はこれらに限定されるものでは無い。以下、その他の例として、3相の回転機の数値解析モデルを作成する場合を説明する。
図16は、巻線態様の第1の例を概念的に示した説明図である。図16Aに示す最上段の行は、スロット番号1,2,3,…23,24の数字を示している。最上段よりも下側に並んでいる各列はU1相、V1相、W1相、U2相、V2相、W2相の各巻線束が対応しており、ハッチングを付した帯は巻線束の巻回位置を示している。上矢印及び下矢印はスロット43に巻線束が出入りしている様子を示している。スロット数が24、ピッチ数が5(5つのスロット43を跨ぐ)、4極、各相の巻線束の層数が1、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が1である場合、各巻線束をティース42に押し込めると、図16Bに示すような巻線態様となり、1つのスロット43を3つの巻線束が通過することになる。図16Bの最下段の行には、各スロット43を跨ぐ巻線束の数が示されている。このように巻線が巻回された3相回転機の数値解析モデルを作成する場合、スロット数、ピッチ数に加え、CPU11が入力装置14を介して極数を受け付けるようにすると良い。更に、一つのスロット43に出入りする巻線束の数、層数等を受け付けるように構成しても良い。
CPU11は、径方向における架渡空間5の分割数を算出する。分割数は下記式で表される。
分割数=巻線束総数×(ピッチ数+補正数)/スロット数…(1)
巻線束総数=極数×層数×3(相数)」…(2)
但し、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が2つの場合、補正数は0、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が1つの場合、補正数は1である。1つのスロット43に出入りする巻線束の数が1つである場合、巻線束の巻き始めと、巻き終わりでそれぞれ1つのスロット43を消費してしまうため、一つの巻線束が占めるスロット数を1加算すべく、補正数を1としている。
また、層数は、ある相の巻線束の数がN、極数がPである場合、N/Pと定義される。例えば、U相の巻線束が4つで、4極の場合、1層になり、U相の巻線束が8で、4極の場合、2(=8/4)層になる。
(Modification)
In the above embodiment, an example of creating a numerical analysis model of a brush motor has been described. However, this is merely an example of a winding arrangement, and the winding arrangement is not limited thereto. Hereinafter, as another example, a case where a numerical analysis model of a three-phase rotating machine is created will be described.
FIG. 16 is an explanatory diagram conceptually showing a first example of the winding mode. The top row shown in FIG. 16A shows the numbers of
The
Number of divisions = total number of winding bundles x (number of pitches + number of corrections) / number of slots (1)
Total number of winding bundles = number of poles x number of layers x 3 (number of phases) "(2)
However, when the number of winding bundles entering / exiting one
The number of layers is defined as N / P when the number of winding bundles in a certain phase is N and the number of poles is P. For example, when there are four U-phase winding bundles and four poles, one layer is formed, and when the U-phase winding bundle is eight and four poles, two (= 8/4) layers are formed.
図16に示す例では、巻線束総数は、4極×1層×3=12、分割数は12×(5+1)/24=3である。このように、図16に示す例では、CPU11は、架渡空間5を径方向に3分割する。巻線を同心円状に巻回した数値解析モデルを作成する場合、CPU11は径方向に3分割された各円環を、巻線束のピッチ数に応じて周方向に4分割し、図16Bに示すような12個の弧状空間51を作成する。なお、図16Bは円環状の架渡空間5を短冊状にして示したものであるため、弧状では無いが実際の数値解析モデル空間では円弧状をなしている。
なお、同心円状に巻線を巻回する例を説明したが、巻線をスキュー状に巻回する場合、径方向においてスキュー状に架渡空間5を3分割し、周方向に極数で4分割すれば良い。
In the example shown in FIG. 16, the total number of winding bundles is 4 poles × 1 layer × 3 = 12, and the number of divisions is 12 × (5 + 1) / 24 = 3. As described above, in the example illustrated in FIG. 16, the
In addition, although the example which winds a coil | winding to a concentric form was demonstrated, when winding a coil | winding in skew shape, the spanning
図17は、巻線態様の第2の例を概念的に示した説明図である。図17に示す最上段の行は、図16と同様、スロット番号1,2,3,…23,24の数字を示している。最上段よりも下側に並んでいる各列はU相、V相、W相の各巻線束が対応しており、ハッチングを付した帯は巻線束の巻回位置を示し、最下段の行には、各スロット43を跨ぐ巻線束の数が示されている。図17に示した巻線態様は、図16に示した3相回転機の巻線の層数を2、ピッチ数を6、一つのスロット43に出入り数を2つにしたものである。スロット数が24、ピッチ数が6、4極、各相の巻線束の層数が2、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が2である場合、1つのスロット43を6つの巻線束が通過することになる。
なお、スロット数が24、ピッチ数が6である場合、周方向に4つのU相の巻線束を配することができないため、2層である巻線束が見かけ上4層のような巻き方になっている。また、同じスロット番号の列に並ぶ帯状部分の数が7つになっているが、一つのスロット43に出入りする2つの巻線束で1本と計数している。
FIG. 17 is an explanatory diagram conceptually showing a second example of the winding mode. The top row shown in FIG. 17 shows the numbers of
Note that when the number of slots is 24 and the number of pitches is 6, four U-phase winding bundles cannot be arranged in the circumferential direction, so that the two-layer winding bundle is apparently wound like four layers. It has become. Further, although the number of band-like portions arranged in the same slot number row is seven, one is counted by two winding bundles entering and exiting one
図17に示す例では、巻線束総数は、4極×2層×3=24、分割数は24×(6+0)/24=6である。このように、図17に示す例では、CPU11は、架渡空間5を径方向に6分割する。巻線を同心円状に巻回した数値解析モデルを作成する場合、CPU11は径方向に6分割された各円環を、周方向に各巻線束のピッチ数に応じた長さで分割して複数の弧状空間を作成する。なお、同心円状に巻線を巻回する例を説明したが、巻線をスキュー状に巻回する場合、径方向においてスキュー状に架渡空間5を4分割すれば良い。
In the example shown in FIG. 17, the total number of winding bundles is 4 poles × 2 layers × 3 = 24, and the number of divisions is 24 × (6 + 0) / 24 = 6. As described above, in the example illustrated in FIG. 17, the
図18は、巻線態様の第3の例を概念的に示した説明図である。図18に示す最上段の行は、図16と同様、スロット番号1,2,3,…23,24の数字を示している。最上段よりも下側に並んでいる各列はU相、V相、W相の各巻線束が対応しており、ハッチングを付した帯は巻線束の巻回位置を示し、最下段の行には、各スロット43を跨ぐ巻線束の数が示されている。スロット数が24、ピッチ数が6である場合、図17に示した例と同様、周方向に4つのU相の巻線束を配することができないため、1層である巻線束が見かけ上2層のような巻き方になっている。図18に示した巻線態様は、図16に示した3相回転機の巻線のピッチ数を6にしたものである。スロット数が24、ピッチ数が6、4極、各相の巻線束の層数が1、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が1である場合、1つのスロット43を3〜4つの巻線束が通過することになる。
FIG. 18 is an explanatory diagram conceptually showing a third example of the winding mode. The top row shown in FIG. 18 shows the numbers of
図18に示す例では、巻線束総数は、4極×1層×3=12、分割数は12×(6+1)/24=3.5である。この場合、CPU11は、分割数3.5を繰り上げて4にし、架渡空間5を径方向に4分割する。巻線を同心円状に巻回した数値解析モデルを作成する場合、CPU11は径方向に4分割された各円環を、周方向に各巻線束のピッチ数に応じた長さで分割して複数の弧状空間51を作成する。なお、同心円状に巻線を巻回する例を説明したが、巻線をスキュー状に巻回する場合、径方向においてスキュー状に架渡空間5を6分割すれば良い。
In the example shown in FIG. 18, the total number of winding bundles is 4 poles × 1 layer × 3 = 12, and the number of divisions is 12 × (6 + 1) /24=3.5. In this case, the
図19は、巻線態様の第4の例を概念的に示した説明図である。図19に示した巻線態様は、実施の形態1に示したブラシモータのピッチ数を3にしたものである。最上段の行は、スロット番号1,2,3,…19,20の数字を示している。最上段よりも下側に並んでいる各列は複数の各巻線束が対応しており、ハッチングを付した帯は巻線束の巻回位置を示している。スロット数が20、ピッチ数が3、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が2である場合、図19に示すような巻線態様となり、1つのスロット43を3つの巻線束が通過することになる。最下段の行には、各スロット43を跨ぐ巻線束の数が示されている。
この場合、CPU11は、架渡空間5を径方向に3分割する。1つのスロット43に出入りする巻線束の数が2である場合、分割数はピッチ数に等しくなる。また、1つのスロット43に出入りする巻線束の数が1である場合、架渡空間5を径方向に4分割する。1つのスロット43に出入りする巻線束の数が1である場合、分割数はピッチ数+1に等しくなる。
以上説明したように、本発明に係る解析モデル生成装置、解析モデル生成方法、コンピュータプログラムは3相回転機、その他の回転機の数値解析モデルを生成する場合に適用することができる。
FIG. 19 is an explanatory diagram conceptually showing a fourth example of the winding mode. In the winding mode shown in FIG. 19, the number of pitches of the brush motor shown in the first embodiment is three. The top row shows the numbers of
In this case, the
As described above, the analysis model generation device, the analysis model generation method, and the computer program according to the present invention can be applied when generating a numerical analysis model of a three-phase rotating machine or other rotating machines.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the meanings described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 解析モデル生成装置
2 記録媒体
3 通信装置
4 鉄心
5 架渡空間
6 中心線
7 スロット内空間
8 接続空間
9 巻線空間
11 CPU
12 内部記憶装置
13 外部記憶装置
14 入力装置
15 出力装置
16 通信インタフェース
20 コンピュータプログラム
41 バックヨーク
42 ティース
43 スロット
51 弧状空間
DESCRIPTION OF
12
Claims (7)
前記ティースより前記回転機の回転軸方向外側にて、複数の前記ティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付ける手段と、
前記複数のティースに導線を巻回してなる巻線束複数それぞれについて、前記架渡空間を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間に隙間無く分割する分割手段と
を備えることを特徴とする解析モデル生成装置。 In an analysis model generation device that generates a numerical analysis model of a rotating machine in which a conductive wire is wound around a plurality of teeth constituting an iron core,
Means for receiving information on an annular spanning space in which a conductor is to be bridged across the plurality of teeth on the outer side in the rotation axis direction of the rotating machine from the teeth;
A plurality of winding bundles formed by winding conducting wires around the plurality of teeth, and dividing means for dividing the spanning space into an arcuate space in which the conducting wires of the winding bundle should be bridged without gaps. Model generator.
ことを特徴とする請求項1に記載の解析モデル生成装置。 The winding space which comprises the circumferential direction both ends of the arcuate space divided | segmented by the said division | segmentation means, and the space between the teeth in which the said winding bundle should be inserted is provided, The means characterized by the above-mentioned. 1. The analysis model generation device according to 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の解析モデル生成装置。 The analytical model generation device according to claim 2, wherein the space between the teeth into which the winding bundle is to be inserted has a bar shape.
ことを特徴とする請求項2に記載の解析モデル生成装置。 The analysis model generation device according to claim 2, wherein the space between the teeth into which the winding bundle is to be inserted is a space obtained by dividing a space following the shape between the teeth.
取得したピッチ数及びティースの数に基づいて、前記架渡空間における前記巻線束の中心線の位置を決定する手段と
を備え、
前記分割手段は、
隣り合う前記巻線束の中心線の中間位置で前記架渡空間を分割するようにしてある
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載の解析モデル生成装置。 Means for obtaining the number of pitches indicating the number of conductors to be bridged over the teeth, and the number of teeth;
Means for determining the position of the center line of the winding bundle in the spanning space based on the acquired number of pitches and the number of teeth;
The dividing means includes
The analysis model generation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the spanning space is divided at an intermediate position between the center lines of the adjacent winding bundles.
前記ティースより前記回転機の回転軸方向外側にて、複数の前記ティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付け、
前記複数のティースに導線を巻回してなる巻線束複数それぞれについて、前記架渡空間を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間に隙間無く分割する
ことを特徴とする解析モデル生成方法。 In an analysis model generation method for generating a numerical analysis model of a rotating machine in which a conductive wire is wound around a plurality of teeth constituting an iron core,
Accepting information on the annular spanning space in which the conductors should be bridged across the plurality of teeth on the outer side in the rotational axis direction of the rotating machine from the teeth,
A method for generating an analysis model, characterized in that, for each of a plurality of winding bundles formed by winding conducting wires around the plurality of teeth, the spanning space is divided without any gap into an arcuate space in which the conducting wires of the winding bundle are to be spanned.
前記コンピュータを、
前記ティースより前記回転機の回転軸方向外側にて、複数の前記ティースを跨いで導線が架け渡されるべき環状の架渡空間の情報を受け付ける手段と、
前記複数のティースに導線を巻回してなる巻線束複数それぞれについて、前記架渡空間を該巻線束の導線が架け渡されるべき弧状空間に隙間無く分割する分割手段と
して機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。 In a computer program for causing a computer to generate a numerical analysis model of a rotating machine in which wires are wound around a plurality of teeth constituting an iron core,
The computer,
Means for receiving information on an annular spanning space in which a conductor is to be bridged across the plurality of teeth on the outer side in the rotation axis direction of the rotating machine from the teeth;
For each of a plurality of winding bundles formed by winding conducting wires around the plurality of teeth, the spanning space is made to function as a dividing unit that divides the winding bundle into arc-shaped spaces in which the conducting wires of the winding bundle are to be spanned without gaps. Computer program.
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