JP3482986B2

JP3482986B2 - モータ解析装置

Info

Publication number: JP3482986B2
Application number: JP30907197A
Authority: JP
Inventors: 光彦前田; 敬規太田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 2004-01-06
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JPH11146689A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＡＶ機器等に用い
られる比較的小型のモータを対象として、モータのトル
ク特性等を解析するためのモータ解析装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のモータ解析装置として、
磁気モーメント法を用いた磁場解析を実行し、これによ
って得られた磁束密度分布に基づいてモータ特性を演算
して表示する装置が提案されている(特開平8-101261
号)。該モータ解析装置においては、モータの構造(コア
の突極の数、及びマグネットの磁極の数)を選択すると
共に、モータの各部寸法(ケース、マグネット、コア等
の寸法)を入力すると、基本となるメッシュが自動的に
作成される。次に、前記基本メッシュに基づいて、公知
の磁場解析用プログラムに従った演算が実行されて、磁
束密度分布が導出され、更に該磁束密度分布に基づいて
モータ特性が演算され、表示される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、モータ解析
の目的はまちまちであって、例えば、時間がかかっても
高い精度を得たい場合もあれば、逆に精度は多少低くと
も短時間で解析結果を得たい場合もある。前者の場合は
メッシュ分割数を大きく設定し、後者の場合はメッシュ
分割数を小さく設定すればよい。しかしながら、上記の
モータ解析装置においては、基本となるメッシュが自動
的に作成されるので、簡便なシステムとなっている反
面、ユーザが任意にメッシュ分割数を指定することは出
来ない。従って、解析の目的に応じた使い分けが不可能
で、利用価値が低い問題があった。これに対し、メッシ
ュの作成を自動化せず、手入力によって領域毎に適切な
細かさでメッシュ分割を行なう方式によれば、解析の目
的に応じた使い分けが可能となるが、この場合、入力作
業が煩雑であるだけでなく、モータの各部領域毎に、解
析結果に大きな影響を及ぼす重要な領域は比較的細かい
メッシュとし、重要度の低い領域を比較的粗いメッシュ
として、適切なメッシュ分割数を与えることが必要なた
めに、解析についての専門の知識とノウハウを要し、モ
ータ設計者が簡便には利用出来ない問題がある。

【０００４】本発明の目的は、解析についての専門の知
識やノウハウを有せずとも、簡便に、然も目的に応じた
精度と時間で解析を行なうことが出来るモータ解析装置
を提供することである。

【０００５】

【課題を解決する為の手段】本発明に係るモータ解析装
置は、円筒状のハウジングと、ハウジングの中央部に収
容されたコアと、コアに巻回された巻線と、コアと対向
してハウジング内に配備されたマグネットとを具えたモ
ータを対象として、モータのトルク特性、例えばコギン
グトルク分布特性、発生トルク分布特性、発生トルク−
回転数特性等を解析するものである。本発明に係るモー
タ解析装置は、有限要素法による静磁場解析に必要なメ
ッシュ作成においてメッシュ分割の細かさの基準となる
データを入力するためのデータ入力装置と、入力データ
に基づいて有限要素法による静磁場解析を実行すると共
に、解析された磁場によって発生するトルクを計算し、
モータのトルク特性を導出する演算処理装置と、演算処
理結果を出力するための出力装置とを具えている。

【０００６】ここで、入力データは、モータのコアと
マグネットの間に形成されるギャップ部の周方向のメッ
シュ分割数である。又、演算処理装置は、モータの各部
領域につき、前記入力されたメッシュ分割数を基準とし
て、各部領域毎に予め設定されている重み付け規則に従
って、重み付けの施された細かさでメッシュの半径方向
及び周方向の単位長さを順次算出する演算手段と、モー
タの各部領域につき、前記算出された単位長さに基づい
て、メッシュを作成するメッシュ自動作成手段とを具え
ている。前記重み付け規則は、モータのギャップ部領域
を最も細かいメッシュで分割し、ハウジング領域を次に
細かいメッシュで分割し、マグネット領域をその次に細
かいメッシュで分割し、コア領域及び巻線領域をその次
に細かいメッシュで分割し、ハウジング領域よりも外側
の外部空気層領域は、最も粗いメッシュで分割するもの
であって、且つ、外部空気層領域については、内側から
外側に向かって周方向の分割数を削減するものである。

【０００７】具体的構成において、前記演算手段に
は、モータのギャップ部の周方向のメッシュ分割数につ
いてのデフォルト値が設定されており、メッシュ分割数
の入力がない場合は、該デフォルト値に基づいて各部領
域のメッシュの半径方向及び周方向の単位長さを算出す
る。

【０００８】上記本発明のモータ解析装置において
は、データ入力装置が操作されて、モータのギャップ部
の周方向のメッシュ分割数が入力されると、演算処理装
置の演算手段が動作して、モータの各部領域につき、前
記入力されたメッシュ分割数を基準として、各部領域毎
に予め設定されている重み付け規則に従って、重み付け
の施された細かさでメッシュの半径方向及び周方向の単
位長さが順次算出される。又、メッシュ自動
作成手段が動作して、モータの各部領域につき、前記算
出された単位長さに基づいて、メッシュが自動的に作成
される。モータの各部領域についてのメッシュ作成にお
いては、前記入力されたメッシュ分割数を基準として、
解析結果に及ぼす影響の大きさに応じて、大きな影響を
及ぼす重要な領域にはより細かいメッシュが作成され、
比較的重要度の低い領域にはより粗いメッシュが作成さ
れる。

【０００９】従って、多少時間がかかっても高い精度を
得たい場合には、大きな基本分割数を入力すればよく、
これによって、全体的に細かいメッシュが作成される。
この場合においても、適切な重み付け規則によって、解
析結果に大きな影響を及ぼさない領域は粗いメッシュで
分割されるため、全体として解析時間の短縮が図られ
る。逆に、精度は多少低くとも短時間で解析結果を得た
い場合には、小さな基本分割数を入力すればよく、これ
によって、全体的に粗いメッシュが作成される。この場
合においても、適切な重み付け規則によって、解析結果
に大きな影響を及ぼす重要な領域はある程度の細かさで
分割されるため、全体として解析精度が維持される。

【００１０】その後、演算処理装置は、作成されたメッ
シュを用いて、有限要素法による静磁場解析を実行した
後、例えばマクスウェルの応力法によるトルク計算を実
行し、その結果をトルク特性グラフ等として出力装置へ
供給する。これによって、出力装置には、モータのトル
ク特性が表示されることになる。モータの設計者は、表
示されたモータのトルク特性が満足なものでない場合
は、入力データを変更して、再度、トルク特性を求め、
満足する結果が得られるまで、この操作を繰り返す。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係るモータ解析装置によれば、
解析についての専門の知識やノウハウを有せずとも、簡
便に、然も目的に応じた精度と時間でモータの解析を行
なうことが出来る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面に沿って具体的に説明する。本発明に係るモー
タ解析装置は、図１に示す如くコンピュータ本体(１)、
ディスプレイ(２)及びマウス(３)を具えたコンピュータ
システムによって構成されており、コンピュータ本体
(１)に内蔵されているハードディスクドライブ装置に
は、データの入力、解析のための演算処理、及び解析結
果の出力を実行するためのコンピュータプログラムが格
納されている。

【００１３】解析の対象とするモータは、図２及び図３
に示す如き小型の直流モータであって、一端が大きく開
口した円筒状のハウジング(41)内に、中心部にシャフト
(44)が固定されると共に複数のスロットに巻線(図示省
略)が施されたコア(43)、コア(43)を包囲してハウジン
グ(41)の内周面に配置される１或いは複数個のマグネッ
ト(45)、コア(43)の巻線に電流を供給するための一対の
ブラシ(46)(47)、バリスタ(48)、コミュテータ(49)等を
配備し、ハウジング(41)の開口部には、ブラシ基板(42)
が固定され、前記シャフト(44)は軸受(50)によってハウ
ジング(41)上に支持されている。尚、図示する例は、コ
アが回転するブラシ付きのモータであるが、マグネット
が回転するブラシ無しのモータも解析の対象となる。

【００１４】モータ解析の概要図４及び図５は上記コンピュータ本体(１)が実行するモ
ータ解析のための一連の手続きを表わしており、先ず、
これらの図に沿って本発明のモータ解析の概要を説明す
る。

【００１５】先ず図４のステップＳ１にて、形状パラメ
ータ、着磁波形パラメータ及び材料特性の取り込みが行
なわれる。ここで、前記ディスプレイ(２)の画面には、
コア側について図１７に示すウインドウが表示され、シ
ャフトの直径及び材料ファイル名と、コアの各部寸法及
び材料ファイル名と、スロットの数及び各部寸法の入力
が促される。又、マグネット側については図１８に示す
ウインドウが表示され、マグネット(磁石)の極数、着磁
角、着磁波形を規定するための２つのパラメータ(台形
フル着角度α及びsin指数β)、各部寸法、及び材料ファ
イル名と、ヨーク(ハウジング)の各部寸法及び材料ファ
イル名の入力が促される。尚、図８(ａ)は補極を有しな
いコアの各部寸法の名称を示し、同図(ｂ)は補極を有す
るコアの各部寸法の名称を示している。又、図９(ａ)
(ｂ)は小判型マグネット及びヨークの各部寸法の名称を
示し、図１０(ａ)(ｂ)は円型マグネット及びヨークの各
部寸法の名称を示している。

【００１６】更に、材料特性に関しては、コア材のＢ−
Ｈ特性を入力するために図２０のウインドウが表示さ
れ、コア材の鉄損特性を入力するために図２１(ａ)(ｂ)
のウインドウが表示され、更にマグネット材のＢ−Ｈ特
性を入力するために図２２のウインドウが表示される。
これらの材料特性は、解析に先立って、予め材料ファイ
ル毎に入力されている。

【００１７】上記の各ウインドウに対して入力されたデ
ータが図４のステップＳ１にて取り込まれた後、ステッ
プＳ２にて、巻線仕様の取り込みが行なわれる。ここ
で、前記ディスプレイ(２)の画面には、図１９に示すウ
インドウが表示され、電圧、結線方式、整列巻の場合の
巻線占積率、ガラ巻の場合の巻線占積率、外直径、抵抗
率、及び巻数の入力が促される。ここで、画面上の“最
大巻線数”、“巻高”、“線長”及び“抵抗”について
は、上記巻線についての入力データに基づき、図４に示
すステップＳ３の巻線シミュレーションが実行されるこ
とによって、自動的に計算されて表示される。又、コア
の１つのスロット内の巻線範囲Ｂを表わす画像が自動的
に作成され、図２３の如く画面に表示される。

【００１８】そして、巻線シミュレーション及び自動作
図の結果に応じて、ステップＳ４では、巻線シミュレー
ション及び自動作図を再実行すべきかどうかの判断を行
ない、イエスのときは、ステップＳ２に戻って、再度、
コア形状、巻線仕様の取り込みを行ない、巻線シミュレ
ーションを繰り返す。その後、ステップＳ４にてノーと
判断されたときは、ステップＳ５に移行して、有限要素
法による静磁場解析のためのメッシュの分割数を取り込
む。ここで、前記ディスプレイ(２)の画面には、図２４
に示すウインドウが表示され、磁場解析計算の収束条件
を規定するパラメータや、メッシュ分割数の入力が促さ
れる。ここで入力すべきメッシュ分割数は、図２３に示
すコア(43)とマグネット(45)の間に形成されるギャップ
部Ｇの１周当たりの分割数であって、後述の如くこの分
割数が基本となって、他の領域のメッシュ分割数が決定
される。又、画面には、図２５に示すウインドウが表示
され、作成する有限要素データの次元や非線形性、電流
の有無を設定する。例えばコギングトルク特性を求める
場合は、電流なしを選択する。

【００１９】上記メッシュ分割数が取り込まれ、更に図
４のステップＳ６にて上記磁場解析計算の収束条件等が
取り込まれると、その後、ステップＳ７に移行して、メ
ッシュが作成される。図２６はメッシュ作成例を表わし
ている。次に図５のステップＳ８にて、有限要素法によ
る静磁場解析が実行される。静磁場解析においては、下
記数１に示す一般的な基礎式(森北出版「有限要素法に
よる交直電磁石の設計と応用」第３０頁参照)が用いら
れる。

【００２０】

【数１】

【００２１】続いて、ステップＳ９では、マクスウェル
の応力法によるトルク計算が実行される。トルク計算に
おいては、下記数２に示す一般的な基礎式(森北出版
「有限要素法による交直電磁石の設計と応用」第５６頁
参照)が用いられる。

【００２２】

【数２】

【００２３】その後、ステップＳ１０では、静磁場解析
及びトルク計算の結果に基づき、各種のトルク特性グラ
フや磁場分布図等を作成し、画面に表示する。図２９〜
図３１は解析結果の出力例を表わしており、図２９は、
横軸に回転角度(Angle)、縦軸にトルク(Torque)をとっ
て、モータのトルク分布特性を表わしたものである。
又、図３０は、横軸に鉄損(Steel Loss)及びトルク(Tor
que)、縦軸に電流(Current)及び回転数(Revolution)を
とって、モータの回転数−トルク特性Ｔ、回転数−鉄損
特性Ｓ、及びトルク−電流特性Ｉを表わしたものであ
る。更に図３１は、モータの磁束分布ベクトル図を表わ
したものである。

【００２４】これらの特性が満足の得られるものである
かどうかを図５のステップＳ１１にて判断し、満足の得
られるものでないときは、図４のステップＳ１に戻って
入力データを変更し、同様の解析を繰り返す。これによ
って、満足の得られる結果が得られたとき、一連の手続
きを終了する。

【００２５】次に上記モータ解析の特徴的部分について
詳述する。着磁波形の入力上述の如く本発明に係るモータ解析においては、２つの
パラメータ(台形フル着角度α及びsin指数β)の値によ
って、マグネットに対する着磁波形をサイン波、台形
波、方形波、三角波、又はサイン波と他の波形を掛け合
わせた合成波の何れかに、選択的に設定することが可能
である。即ち、マグネット上の周方向位置を表わす角度
をθ、マグネットの１極当たりの着磁角度をθ₀とし
て、下記数３の関数ｆ(θ)がマグネットの１極分の着磁
波形関数として定義されている。

【００２６】

【数３】

【００２７】上記数３において、ｇ(θ)は、パラメータ
であるフル着角度αを０〜θ₀の範囲内で変更すること
により、方形波、三角波又は台形波を生成する関数であ
って、α＝０のときに三角波となり、α＝θ₀のときに
方形波となり、０＜α＜θ₀のときに台形の上底の長さ
をαの値に応じて変化させる台形波となる。一方、サイ
ン関数のβ乗で表わされるべき関数は、パラメータであ
るsin指数βが０のときに１となり、sin指数βを０より
も大きな任意の値に設定することによって、種々の形状
を有するサイン波形を生成する関数である。従って、例
えばsin指数βを０に設定した場合は、着磁波形関数ｆ
(θ)＝ｇ(θ)となって、台形波が生成される。ここで、
αをθ₀に設定したとき、着磁波形関数ｆ(θ)は方形
波、パラメータαを０に設定したときは、着磁波形関数
ｆ(θ)は三角波となる。これに対し、sin指数βが０を
越える値の場合、着磁波形関数は、図１１に示す様に、
サイン波形と台形波の積によって生成される合成波とな
る。

【００２８】例えば、マグネットの製造に使用する着磁
装置がサイン波の着磁波形を与える特性或いは設定を有
する場合は、α＝θ₀に設定し、着磁装置が台形波の着
磁波形を与える特性或いは設定を有する場合は、０＜α
＜θ₀、β＝０に設定する。又、着磁装置がサイン波と
台形波を合成した着磁波形を与える特性或いは設定を有
する場合は、０＜α＜θ₀、０＜βに設定すればよい。
この様に、上記の着磁波形関数によれば、２つのパラメ
ータα及びβを適宜変更して入力することによって、サ
イン波、台形波、方形波、若しくは三角波、又はサイン
波と他の波形との積によって生成される合成波を、着磁
波形として選択的に設定することが出来る。

【００２９】図１２(ａ)(ｂ)は、上述の如く２つのパラ
メータα及びβの入力によって規定された着磁波形関数
に基づいて、有限要素法による静磁場解析に必要なマグ
ネットの磁化強度分布を与える方法を表わしており、極
数２のマグネットが円周方向及び半径方向に分割され、
各分割領域に磁化強度が割り当てられている。例えば、
同図(ａ)に示す様に１極当たりの着磁波形として方形波
を規定する場合、マグネットの全ての分割領域には磁化
強度として１が割り当てられる。又、同図(ｂ)に示す様
に１極当たりの着磁波形としてサイン波を規定する場
合、サイン波がマグネットの分割数に応じた単位角度毎
に量子化されて、マグネットの各分割領域に割り当てら
れる。この様にして、マグネットの各分割領域に与えら
れた磁化強度が、有限要素法による静磁場解析の入力デ
ータとして用いられるのである。

【００３０】従って、上述の着磁波形の入力方式によれ
ば、２つのパラメータα及びβを適宜変更して入力する
だけで、サイン波、台形波、方形波、若しくは三角波、
又はサイン波と他の何れかの波形との積によって生成さ
れる合成波を、着磁波形として容易に選択設定すること
が出来、これによって、マグネットの着磁工程で与えら
れる実際の着磁波形を忠実に再現し、高い精度でトルク
特性を求めることが出来る。この様にして求められたト
ルク特性が満足の得られるものでない場合は、着磁波形
を変更して、満足な結果が得られるまで、静磁場解析及
びトルク計算を実行する。これによって、マグネットの
着磁波形の最適化を行なうことが出来、マグネットの製
造工程に対するフィードバックが可能となる。

【００３１】巻線シミュレーション及び自動作図上述の如く、有限要素法による静磁場解析に先立って、
図４のステップＳ３では、コア形状や、巻線仕様につい
ての入力データ(結線方式、巻線の直径、占積率、抵抗
率及び巻数)に基づき、“最大巻線数”、“巻高”、
“線長”及び“抵抗”が自動的に計算されて、その計算
結果が図１９に示す様に画面に表示される(巻線シミュ
レーション)。又、コアの１つのスロット内の巻線範囲
Ｂを表わす画像が自動的に作成され、図２３の如く画面
に表示される(自動作図)。

【００３２】図６は、巻線シミュレーション及び自動作
図の具体的手続きを表わしている。先ずステップＳ２１
にて、コア形状についての入力データに基づき、１つの
スロットについての幾何学的な巻線可能面積Ａが算出さ
れる(図２３参照)。次にステップＳ２２にて、巻線の直
径(線径)及び巻線占積率が取り込まれた後、ステップＳ
２３では、下記数４によって最大巻線数Ｔmaxが算出さ
れ、表示される。

【００３３】

【数４】

【００３４】更にステップＳ２４にて巻線数及び抵抗率
が取り込まれた後、ステップＳ２５では、巻線の全長、
抵抗値、及び巻線高さが算出され、表示されると共に、
巻線範囲の面積Ｓが計算される。ここで、巻線抵抗値は
巻線抵抗率と全長の積で求められる。又、巻線範囲の面
積Ｓは下記数５で算出される。

【００３５】

【数５】

【００３６】その後、ステップＳ２６では、表示された
巻線の全長、抵抗値、及び巻線高さが適切なものである
かどうかを判断する。適切な結果が得られているとき
は、ステップＳ２７に移行して、前記巻線範囲の面積Ｓ
に基づき、図２３の如く巻線可能領域Ａ内に巻線範囲Ｂ
を表示した後、図６のステップＳ２８にて、巻線範囲Ｂ
が適切なものであるか否かの判断を行なう。前記ステッ
プＳ２６或いはステップＳ２８にて適切でないと判断さ
れたときは、ステップＳ２９に移行して、ユーザ(モー
タ設計者)の入力データに応じて、コア形状及び巻線仕
様の変更を行なった後、図４のステップＳ４に戻り、変
更されたデータに基づいてステップＳ３の巻線シミュレ
ーション及び自動作図を繰り返す。尚、図６のステップ
Ｓ２６或いはステップＳ２８にてノーと判断されたとき
は、ユーザの入力データに応じて、ステップＳ２２、ス
テップＳ２４、或いはステップＳ２９の何れかを選択し
て実行する手続きを採用することも可能である。

【００３７】上述の巻線シミュレーション及び自動作図
によれば、例えば、巻線高さが過度に大きい場合、コア
の軸方向の両端面から盛り上がった巻線部分が他の部材
と干渉する虞れがあり、この場合、巻数を減少させる等
の対処が可能である。又、抵抗値が過度に大きくなった
ときは、線径を増大させる等の対処が可能である。又、
図２３の表示において、巻線範囲Ｂが過度に大きいとき
は、隣接する巻線部分と干渉する虞れがあり、この場合
は、出来るだけ占積率の高い整列巻を採用する等の対処
が可能である。

【００３８】この様に、有限要素法による静磁場解析を
実行する前に、巻線シミュレーション及び自動作画を実
行することによって、適切な巻線仕様の設定が可能であ
り、その後の静磁場解析及びトルク計算を有効なものと
することが出来る。又、巻線範囲をイメージにより定量
的に把握することが出来るので、ユーザ(モータ設計者)
は、入力した巻線仕様がモータの製造に現実的なもので
あるかどうかを容易に判断することが出来る。又、ユー
ザは、シミュレーションの結果をコア寸法や巻線仕様の
変更に迅速にフィードバックすることが出来、巻線全長
の計算結果は巻線使用量や巻線コストの把握に利用する
ことが出来る。更に、巻線範囲の計算結果はその後の静
磁場解析に反映させることが可能であり、これによって
更に精度の高い解析結果を得ることが出来る。

【００３９】メッシュ分割図４のステップＳ７のメッシュの自動作成においては、
ステップＳ５で入力されたギャップ部の周方向のメッシ
ュ分割数を基本として、他の領域のメッシュ分割が進め
られ、最終的に図２６〜図２８に示す如きメッシュが自
動的に作成される。尚、図１３に示す様に、メッシュ分
割に際し、コア領域は複数の小区域Ｃ１、Ｃ２、Ｃ
２′、Ｃ３、Ｃ４及びＣ５に予め区分され、巻線領域は
複数の小区域Ｗ１、Ｗ１′、Ｗ２及びＷ３に予め区分さ
れている。又、ハウジング領域Ｋ１よりも外側の外部空
気層領域は８つの小区域Ａ１に予め区分されている。こ
れらの小区域毎に、後述の如くメッシュ分割が進められ
る。

【００４０】本発明に係るメッシュ分割方式の特徴は、
上述の如く、ギャップ部の周方向の分割数(基本分割数)
のみを入力データとする点と、モータの各部領域のメッ
シュ分割数について基本分割数を基準とする重み付けが
施されてメッシュ分割が行なわれる点にある。メッシュ
分割数についての重み付けに際しては、モータの静磁場
解析において重要な領域に大きな重みが与えられ、比較
的重要度の低い領域には、小さな重みが与えられる。即
ち、モータにおいては、コアとマグネットの間のギャッ
プ部がトルク計算に最も大きく関与するため、この領域
は最も細かくメッシュ分割する必要がある。次にハウジ
ングが磁気飽和の影響を受け易く、解析精度に大きな影
響を及ぼすため、この領域はギャップ部の次に細かく分
割する必要がある。これに対し、ハウジングよりも外側
の外部空気層は、解析精度に大きな影響を及ぼさず、比
較的粗いメッシュで十分である。そこで、ギャップ部領
域Ｇのメッシュ分割に最も大きな重み付けが施され、次
いでハウジング領域Ｋ１、その次にマグネット領域Ｍ１
に大きな重み付けが施される。コア領域及び巻線空間領
域には重み付けが施されない。これに対し、外部空気層
領域Ａ１のメッシュ分割には、負の重み付けが施され、
コア領域及び巻線空間領域よりもメッシュ分割数が削減
される。

【００４１】図７はメッシュ作成の具体的手続きを表わ
しており、先ずステップＳ３１では、ギャップ部領域に
ついて、その中心を通る円周線(積分路)の周長を基本分
割数で等分して得られる周方向基本メッシュ辺長さｈ
と、ギャップ部の幅を６等分して得られる半径方向メッ
シュ辺長さｒ(図２８参照)とを計算した後、ステップＳ
３２では、コアの各小区域のメッシュ分割を行なう。こ
の際、小区域Ｃ１については、その半径方向の長さをＲ
c1(図２７参照)としたとき、Ｒc1／ｈが整数Ｎに近い値
となる分割数Ｎで、半径方向の分割を行なう。周方向は
周方向基本メッシュ辺長さｈで分割する。小区域Ｃ２、
Ｃ２′及びＣ３についても同様の考え方で半径方向及び
周方向の分割を行なう。小区域Ｃ４及びＣ５について
は、後述の巻線領域の小区域Ｗ３の後にメッシュ分割を
行なう。

【００４２】次にステップＳ３３にて、巻線空間領域の
各小区域のメッシュ分割を行なう。小区域Ｗ１及びＷ
１′については夫々、コア領域の小区域Ｃ２、Ｃ２′及
びＣ３のメッシュと繋がるように分割する。更に小区域
Ｗ２、Ｗ３についても、隣接するメッシュと繋がる様に
分割する。

【００４３】続いてステップＳ３４では、ハウジング領
域の各小区域Ｋ１のメッシュ分割を行なう。半径方向に
ついては、ギャップ部領域Ｇの半径方向のメッシュ辺長
さｒの２倍の長さ(２ｒ)で分割する。周方向について
は、基本分割数で分割する。これによって、ギャップ部
に次ぐ大きさの重み付けが施されることになる。

【００４４】そして、ステップＳ３５ではマグネット領
域Ｍ１のメッシュ分割を行なう。半径方向については、
図１４に示す規則で重み付けが施される。即ち、静磁場
解析で重要となるギャップ部の近傍領域とハウジングの
近傍領域は細かく、中間領域は粗い分割が行なわれる。
周方向については、基本分割数で分割する。

【００４５】その後、ステップＳ３６にて、外部空気層
領域の小区域Ａ１のメッシュ分割を行なう。外部空気層
領域は、モータの直径の２倍の辺長さを有する正方形で
メッシュ限界区域を定義する。そして、メッシュ分割に
おいては、出来るだけ演算処理を簡素化するため、図１
６に示す如く各小区域Ａ１を内側領域Ａ１′と外側領域
Ａ１″に２分割し、各小区域Ａ１について、内側領域Ａ
１′の内側境界線Ｉから外側領域Ａ１″の外側境界線Ｖ
へ向かってメッシュ分割を進める過程で、図１５に示す
規則で分割数を削減して負の重み付けを施す。先ず、内
側領域Ａ１′の内側境界線Ｉを基本分割数に応じた単位
円周長で分割し、その分割数を削減前の分割数として、
図１５に示す様に、削減前の分割数が(３の倍数)、即ち
３Ｎ個であるときは、外側境界線ＪではＮ個に削減し、
削減前の分割数が(３の倍数＋１)、即ち(３Ｎ＋１)個で
あるときは、外側境界線Ｊでは(Ｎ＋１)個に削減し、削
減前の分割数が(３の倍数＋２)、即ち(３Ｎ＋２)個であ
るときは、外側境界線Ｊでは(Ｎ＋１)個に削減する。同
様に外側領域Ａ１″のメッシュ分割についても、その内
側境界線Ｕの分割数を削減前の分割数として、外側境界
線Ｖにおける分割数を削減する。

【００４６】例えば図１６の例では、内側領域Ａ１′の
内側境界線Ｉでの分割数が“７”と“８”の２種類生じ
ることとなり、削減前の分割数が“７”の内側領域Ａ
１′については、７＝３＋３＋１の関係より、外側境界
線Ｊでは分割数“３”に削減し、削減前の分割数が
“８”の内側領域Ａ１′については、８＝３＋３＋２の
関係より、外側境界線Ｊでは分割数“３”に削減する。
又、外側領域Ａ１″については、内側境界線Ｕが３分割
されているので、外側境界線Ｖでは分割数“１”に削減
する。上述の分割数の削減によって、外部空気層領域で
は、負の重み付けが施されることになる。

【００４７】最後に、図７のステップＳ３７にて、積分
路を含むギャップ部領域についてメッシュ分割を行な
う。ギャップ部領域のメッシュ分割においては、図２８
に示す如く、ギャップ部領域の中心を通る積分路を挟ん
でコア側及びマグネット側を夫々半径方向に３分割す
る。従って、半径方向メッシュ辺長さｒはギャップ部の
幅の６分の１の値となる。又、周方向基本メッシュ辺長
さｈは積分路の全長を基本分割数で除した値とする。一
般に小型の直流モータでは、ギャップ部の幅が０.３ｍ
ｍ程度であるから、ギャップ部領域は、半径方向に極め
て細かくメッシュ分割され、最も大きな重み付けが施さ
れることになる。

【００４８】上述のメッシュ自動作成によれば、基本分
割数として、解析の目的に応じた適切な値を入力するこ
とによって、有限要素法による静磁場解析のためのメッ
シュ分割において、モータの各構成要素に対し重要度に
応じた重み付けが自動的に施されて、各領域が適切な細
かさで分割されるため、比較的短時間の演算処理で精度
の高い解析結果を得ることが出来る。尚、メッシュ自動
作成に際して入力すべき基本分割数としては、予め適当
なデフォルト値が設定されており、ユーザが基本分割数
を入力せずとも、メッシュの自動作成が可能である。例
えば、時間がかかっても高い精度を得たいときには、デ
フォルト値よりも大きな基本分割数を入力すればよく、
逆に精度は多少低くとも短時間で解析結果を得たいとき
には、デフォルト値よりも小さな基本分割数を入力すれ
ばよい。

【００４９】図３２は、２極３スロットのモータについ
ての基本分割数と解析精度及び解析時間との関係(計算
値)をグラフ化したものである。尚、解析時間は、４８
０分割時の解析時間(約２時間)を１００とする比率で表
わしたものである。又、解析精度は４８０分割時のトル
ク計算値を真の値と仮定して算出したものである。この
グラフから明らかな様に、基本分割数が２４〜６０の範
囲で誤差が１０％程度に収まっており、基本分割数が２
００程度で極めて真値に近い計算値が得られている。こ
の様に、本発明に係るメッシュ分割方式によれば、短い
解析時間で高い解析精度が得られることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るモータ解析装置を構成しているコ
ンピュータシステムの外観を示す正面図である。

【図２】本発明の解析の対象とするモータの斜視図であ
る。

【図３】該モータの分解斜視図である。

【図４】本発明に係るモータ解析の処理手続きの前半を
表わすフローチャートである。

【図５】同上の後半を表わすフローチャートである。

【図６】巻線シミュレーション及び自動作図の手続きを
表わすフローチャートである。

【図７】メッシュ自動分割の手続きを表わすフローチャ
ートである。

【図８】コアの各部寸法の名称を示す図である。

【図９】小判型マグネット及びヨークの各部寸法の名称
を示す図である。

【図１０】円型マグネット及びヨークの各部寸法の名称
を示す図である。

【図１１】着磁波形関数による着磁波形の生成を説明す
る図である。

【図１２】方形波及びサイン波の着磁波形を有限要素法
による静磁場解析に入力するための処理を表わす図であ
る。

【図１３】モータの各部領域に予め設定されている複数
の小区域を表わす図である。

【図１４】マグネット領域におけるメッシュ分割の規則
を説明する図である。

【図１５】外部空気層領域におけるメッシュ分割数の削
減方式を説明する図である。

【図１６】外部空気層領域におけるメッシュ分割例を表
わす図である。

【図１７】コアについてのデータ入力画面を表わす図で
ある。

【図１８】マグネットについてのデータ入力画面を表わ
す図である。

【図１９】巻線についてのデータ入力画面を表わす図で
ある。

【図２０】材料特性についてのデータ入力画面を表わす
図である。

【図２１】コア材の鉄損特性についてのデータ入力画面
を表わす図である。

【図２２】マグネット材のＢ−Ｈ特性についてのデータ
入力画面を表わす図である。

【図２３】巻線シミュレーションの結果から得られる巻
線範囲の自動作図例を表わす図である。

【図２４】磁場解析計算の収束条件及び基本メッシュ分
割数についてのデータ入力画面を表わす図である。

【図２５】作成する有限要素データの次元や非線形性、
電流の有無の設定画面を表わす図である。

【図２６】メッシュ分割例を表わす図である。

【図２７】図２６の一部を拡大して表わす図である。

【図２８】更に図２７の一部を拡大して表わす図であ
る。

【図２９】モータのトルク分布特性を表わすグラフであ
る。

【図３０】モータの回転数−トルク特性、回転数−鉄損
特性、及びトルク−電流特性を表わすグラフである。

【図３１】モータの磁束分布ベクトル図である。

【図３２】基本分割数と解析精度及び解析時間との関係
を表わすグラフである。

【符号の説明】

(１) コンピュータ本体 (２) ディスプレイ (３) マウス (４) モータ (41) ハウジング (43) コア (44) シャフト (45) マグネット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者太田敬規大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機ソフトウエア株式会社内 (56)参考文献特開平７−151840（ＪＰ，Ａ) 特開平８−101261（ＪＰ，Ａ) 特開平７−254004（ＪＰ，Ａ) 実開平７−21234（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状のハウジングと、ハウジングの中
央部に収容されたコアと、コアに巻回された巻線と、コ
アと対向してハウジング内に配備されたマグネットとを
具えたモータの解析装置であって、有限要素法による静
磁場解析に必要なメッシュ作成においてメッシュ分割の
細かさの基準となるデータを入力するためのデータ入力
装置と、入力データに基づいて有限要素法による静磁場
解析を実行すると共に、解析された磁場によって発生す
るトルクを計算し、モータのトルク特性を導出する演算
処理装置と、演算処理結果を出力するための出力装置と
を具え、前記入力データは、モータのコアとマグネット
の間に形成されるギャップ部の周方向のメッシュ分割数
であって、演算処理装置は、モータの各部領域につき、前記入力されたメッシュ分割
数を基準として、各部領域毎に予め設定されている重み
付け規則に従って、重み付けの施された細かさでメッシ
ュの半径方向及び周方向の単位長さを順次算出する演算
手段と、モータの各部領域につき、前記算出された単位長さに基
づいて、メッシュを作成するメッシュ自動作成手段とを具えており、前記重み付け規則は、モータのギャッ
プ部領域を最も細かいメッシュで分割し、ハウジング領
域を次に細かいメッシュで分割し、マグネット領域をそ
の次に細かいメッシュで分割し、コア領域及び巻線領域
をその次に細かいメッシュで分割し、ハウジング領域よ
りも外側の外部空気層領域は、最も粗いメッシュで分割
するものであって、且つ、外部空気層領域については、
内側から外側に向かって周方向の分割数を削減するもの
であることを特徴とするモータ解析装置。
【請求項２】前記演算手段には、モータのギャップ部
の周方向のメッシュ分割数についてのデフォルト値が設
定されており、メッシュ分割数の入力がない場合は、該
デフォルト値に基づいて各部領域のメッシュの半径方向
及び周方向の単位長さを算出する請求項１に記載のモー
タ解析装置。