JP3979527B2 - 解析モデル生成方法、解析モデル生成装置、コンピュータプログラム、及び記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機の性能を数値解析するための解析モデルを生成する方法、解析モデル生成装置、コンピュータを該解析モデル生成装置として実現するためのコンピュータプログラム、及び記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転機は、様々な機器に組み込まれて使用される重要な部品であり、高性能化のための改良が繰り返されている。回転機の設計は、ＣＡＤ（ Computer Aided Design）を用いて行われており、特に三次元ＣＡＤを用いた三次元設計は、部品の組立手順または部品の位置関係などの条件を含めた総合的な設計が可能となり、回転機の製造との親和性が高い。設計された回転機は、実機を製造して性能試験を行う、又は計算機を用いて性能を数値解析する事により、性能を評価され、判明した欠点を修正すべく設計が繰り返される。設計された回転機の実機を製造して性能試験を行う方法に比べて、計算機を用いて性能を数値解析するＣＡＥ（Computer Aided Engineering）は、設計変更が容易であり、また、回転機の開発コストを低減させることができる。
【０００３】
ＣＡＥでは、従来より有限要素法がよく用いられており、ＣＡＤを用いて作成された回転機の形状モデルを複数の多角形または多面体の要素の組み合わせで表現したメッシュを生成し、生成したメッシュについて数値解析を行う。三次元ＣＡＤで作成された三次元の形状モデルから三次元メッシュを生成して数値解析を行う方法は、膨大な計算時間が必要となって実用性に欠けるため、回転機のＣＡＥは二次元で計算されることが多い。したがって、回転機のＣＡＥでは、回転機を所定の面で切断した切断面に回転機の情報を帰結させ、前記切断面について二次元メッシュを生成し、生成した二次元メッシュについて有限要素法による数値解析を行い、回転機に対する計算結果とすることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返して回転機の開発をスムーズに行うためには、三次元ＣＡＤで作成された形状モデルが解析装置へ渡されたときに、解析装置内で自動で二次元メッシュが生成され、生成された二次元メッシュを用いた計算結果は、三次元ＣＡＤへ直接に適用可能なデータとして出力されることが望ましい。
【０００５】
現状では、回転機のどの断面を二次元メッシュで表現して数値解析を行うべきかは、数値解析のノウハウの一つであり、数値解析のノウハウを熟知した担当者によって、数値解析に用いるべき断面が指定され、三次元ＣＡＤのデータから前記断面の二次元メッシュが生成されている。また、生成した二次元メッシュ中でのコイルの位置およびコイルに流れる電流の方向などの、数値解析に必要な情報は自動で生成されず、前記担当者が、生成された二次元メッシュに対して数値解析に必要な情報を入力する必要がある。このため、数値解析に必要な情報を二次元メッシュに対応させた解析モデルを作成するために必要な手間およびコストが大きいという問題がある。更に、数値解析の内容について熟知していない設計者が手軽にＣＡＥを利用することができず、三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返して回転機の開発をスムーズに行うことが不可能であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、斯かる問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、コイルの位置またはコイルの巻回方式などの三次元の形状モデルに付随して回転機の仕様を規定する情報を、二次元メッシュに対応させて数値解析に必要な情報に翻訳することにより、三次元ＣＡＤのデータから解析モデルを容易に生成することのできる解析モデル生成方法、解析モデル生成装置、コンピュータを該解析モデル生成装置として実現するためのコンピュータプログラム、及び記録媒体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る解析モデル生成方法は、外部から情報を受け付ける受付部、記憶部及び演算部を備えた計算装置を用いて、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成する方法において、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを記憶部に記憶し、前記回転機の仕様を示す仕様情報を受付部にて受け付け、前記回転機の回転軸に略垂直な面で前記形状モデルを所定の位置で切断した切断面を演算部にて抽出し、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを演算部にて生成し、受付部にて受け付けた前記仕様情報に基づいて、演算部にて生成した二次元モデルに含まれる各部分の性質を演算部にて規定し、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを演算部にて生成することを特徴とする。
【０００８】
第２発明に係る解析モデル生成装置は、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成する装置において、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを記憶する手段と、前記回転機の仕様を示す仕様情報を受け付ける手段と、前記回転機の回転軸に略垂直な面で前記形状モデルを所定の位置で切断した切断面を抽出する手段と、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成する手段と、前記仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定する規定手段と、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第３発明に係る解析モデル生成装置は、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンの夫々を、回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶する手段を更に備え、前記仕様情報は、前記形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報、回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式を含んでおり、前記規定手段は、前記コイル指定情報及びコイル断面数から、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を同定する同定手段と、前記仕様情報に含まれる回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶してある対応パターンを読み出す手段と、読み出した対応パターンに従って、複数の前記コイル断面部の夫々に、複数種類のコイルの種類の夫々を対応づける手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
第４発明に係る解析モデル生成装置は、前記同定手段は、前記コイル指定情報にて指定されたコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、第１のコイル断面部と同定する手段と、一周の角度を前記仕様情報に含まれるコイル断面数で除して回転角度を求める手段と、前記二次元モデル上で前記回転機の回転軸を中心にして前記コイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに回転させた前記コイル断面部に重なる前記二次元モデル上の領域を、第２のコイル断面部と同定する手段と、新たに同定したコイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに重なる前記二次元モデル上の領域を更に新たなコイル断面部と同定する処理を、前記コイル断面数のコイル断面部が同定されるまで繰り返す手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第５発明に係る解析モデル生成装置は、前記仕様情報は、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を更に含んでおり、前記規定手段は、前記結線情報及び前記電源情報に従って、コイルの種類を対応づけた各コイル断面部に数値計算にて与えられる電流又は電圧の時間変化を求める手段を更に備えることを特徴とする。
【００１２】
第６発明に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成させるコンピュータプログラムにおいて、コンピュータに、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルの所定の位置を前記回転機の回転軸に略垂直な面で切断した切断面を抽出させる手順と、コンピュータに、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成させる手順と、コンピュータに、前記回転機の仕様を示す仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定させる規定手順と、コンピュータに、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成させる手順とを含むことを特徴とする。
【００１３】
第７発明に係るコンピュータプログラムは、前記規定手順は、コンピュータに、前記形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報、及びコイル断面数から、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を同定させる同定手順と、コンピュータに、回転子の極数、コイル断面数及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶してある、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンから、前記仕様情報に含まれる回転子の極数、コイル断面数及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出させる手順と、コンピュータに、読み出した対応パターンに従って、複数の前記コイル断面部の夫々に、複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけさせる手順とを含むことを特徴とする。
【００１４】
第８発明に係るコンピュータプログラムは、前記同定手順は、コンピュータに、前記コイル指定情報にて指定されたコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、第１のコイル断面部と同定させる手順と、コンピュータに、一周の角度を前記仕様情報に含まれるコイル断面数で除して回転角度を求めさせる手順と、コンピュータに、前記二次元モデル上で前記回転機の回転軸を中心にして前記コイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに回転させた前記コイル断面部に重なる前記二次元モデル上の領域を、第２のコイル断面部と同定させる手順と、コンピュータに、新たに同定したコイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに重なる前記二次元モデル上の領域を更に新たなコイル断面部と同定する処理を、前記コイル断面数のコイル断面部が同定されるまで繰り返させる手順とを含むことを特徴とする。
【００１５】
第９発明に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報に従って、コイルの種類を対応づけた各コイル断面部に数値計算にて与えられる電流又は電圧の時間変化を求めさせる手順を更に含むことを特徴とする。
【００１６】
第１０発明に係るコンピュータでの読み取りが可能な記録媒体は、コンピュータに、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成させるコンピュータプログラムを記録してあるコンピュータでの読み取りが可能な記録媒体において、コンピュータに、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルの所定の位置を前記回転機の回転軸に略垂直な面で切断した切断面を抽出させる手順と、コンピュータに、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成させる手順と、コンピュータに、前記回転機の仕様を示す仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定させる手順と、コンピュータに、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成させる手順とを含むコンピュータプログラムを記録してあることを特徴とする。
【００１７】
第１、第２、第６及び第１０発明においては、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを回転軸に略垂直に切断した切断面を抽出し、抽出した切断面を表現する二次元モデルを生成し、コイルの位置またはコイルの巻回方式などの回転機の仕様を規定する仕様情報を受け付け、該仕様情報に基づいて、数値解析を行うために必要な二次元モデルの各部分の性質を規定し、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する。これにより、三次元の形状モデルと仕様情報とから自動で二次元の解析モデルを生成することができる。
【００１８】
第３及び第７発明においては、回転機の仕様である回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式と、前記仕様に従った回転機の切断面に現れる各コイルの種類を示した対応パターンとを関連づけて記憶しておき、受け付けた回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出し、二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応づけることにより、回転機の設計上の仕様を指定するのみで、二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応するコイルの種類を規定することができる。
【００１９】
第４及び第８発明においては、形状モデルにおけるコイル部分の切断面上での領域に対応して、二次元モデルに含まれる第１のコイル断面部を同定し、３６０°をコイル断面数で除して回転角度を計算し、該角度だけ回転軸を中心にコイル断面部を回転させたときに重なる二次元モデル上の領域を新たなコイル断面部と同定し、順に全てのコイル断面部を同定することにより、二次元モデルに含まれるコイル断面部を容易に同定することができる。
【００２０】
第５及び第９発明においては、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を用いることにより、各コイルに流れる電流の値、印加される電圧の値、又は位相などが計算され、二次元モデルに含まれるコイル断面部に数値解析において流れるべき電流または印加される電圧の時間変化が求められる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明の解析モデル生成装置の構成を示すブロック図であり、図中１は、本発明の解析モデル生成装置である。解析モデル生成装置１は、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを生成する三次元ＣＡＤ装置の機能と、有限要素法により回転機の性能を数値解析する解析装置の機能とを兼ね備えており、コンピュータを用いて構成されている。解析モデル生成装置１は、演算を行うＣＰＵ１１と、演算に伴って発生する一時的な情報を記憶するＲＡＭ１２と、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の外部記憶装置１３と、ハードディスク等の内部記憶装置１４とを備えており、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体２から本発明に係るコンピュータプログラム２０を外部記憶装置１３にて読み取り、読み取ったコンピュータプログラム２０を内部記憶装置１４に記憶し、ＲＡＭ１２にコンピュータプログラム２０をロードし、ロードしたコンピュータプログラム２０に基づいて解析モデル生成装置１に必要な処理を実行する。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１５と、液晶ディスプレイ又はＣＲＴディスプレイ等の出力装置１６とを備えており、データの入力を初めとするオペレータからの操作を受け付ける構成となっている。また、内部記憶装置１４は、回転機の断面を表現した二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンを記録したパターン情報を記憶している。
【００２２】
また、解析モデル生成装置１は、図示しない通信インタフェースを備え、該通信インタフェースに接続されている図示しない外部のサーバ装置から本発明に係るコンピュータプログラム２０をダウンロードし、ＣＰＵ１１にて処理を実行する形態であってもよい。
【００２３】
図２は、本発明の解析モデル生成装置１を用いて行う回転機の開発の流れを示すフローチャートである。解析モデル生成装置１は、オペレータの操作を受け付けて、三次元ＣＡＤの機能を用いて、回転機の形状を表現した三次元のソリッドモデルである形状モデルを作成して、回転機の構造を設計する（Ｓ１）。図３は、三次元の形状モデルの例を示した斜視図である。磁石を有する回転子、及びコイルを有する固定子などの構造が三次元的に示されており、三次元ＣＡＤを用いることにより、回転機の構造が自由に設計される。次に、解析モデル生成装置１は、設計された回転機の性能の数値解析を行うために、作成された形状モデルから、数値解析に用いる二次元の解析モデルを生成し（Ｓ２）、生成した解析モデルを用いて、トルク等の回転機の性能を数値解析する（Ｓ３）。数値解析の結果、設計による所望の性能が得られているか否かをオペレータが判断し（Ｓ４）、所望の性能が得られない場合は、ステップＳ１に戻って三次元ＣＡＤによる回転機の設計を繰り返し、所望の性能が得られた場合は、処理が終了され、解析モデル生成装置１を用いた開発が終了する。
【００２４】
次に、設計される回転機が三相交流モータであるとして、本発明の解析モデル生成方法を説明する。なお、以下では三相交流の夫々の電流を、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相と呼ぶ。図４は、本発明の解析モデル生成装置１が行う解析モデル生成の処理の流れを示すフローチャートである。解析モデル生成装置１のＣＰＵ１１は、コンピュータプログラム２０をＲＡＭ１２へロードし、ロードしたコンピュータプログラム２０に従って、三次元ＣＡＤで作成された三次元の形状モデルをＲＡＭ１２へ読み込み（Ｓ２１）、次に、回転機の設計上の仕様を示す仕様情報を受け付ける仕様情報受付処理を行う（Ｓ２２）。
【００２５】
図５は、ステップＳ２２の仕様情報受付処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１は、オペレータが入力装置１５を操作して、形状モデルに含まれる部分のうちどの部分がコイルに対応する部分であるかを指定することによって、形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報を入力装置１５にて受け付け（Ｓ２２１）、ＲＡＭ１２に記憶する。ＣＰＵ１１は、次に、回転子を構成している磁石がいくつの極で構成されているかを示す回転子の極数と、回転機の回転軸に垂直な切断面内にコイルの断面がいくつ存在するのかを示すコイル断面数と、コイルがどのように巻回されているかを示すコイルの巻回方式とを入力装置１５にて受け付けてＲＡＭ１２に記憶する（Ｓ２２２）。図３に示した形状モデルでは、各コイルは棒状にモデル化されているが、実際にはコイルはループ状に巻回され、前記形状モデルでモデル化されている部分の外側で二つのコイルが連続しているはずである。連続している二つのコイルには同じ電流が流れ、どのようなパターンでコイルが連続しているかによって発生する磁場が変化するため、隣同士のコイルが連続すべく巻回されている集中巻きであるか、又は別のコイルが間に介在する二つのコイルが連続すべく巻回されている分布巻きであるかを示す巻回方式の情報が必要となる。ＣＰＵ１１は、次に、回転機を構成する複数のコイルの結線方式を示す結線情報を入力装置１５にて受け付けてＲＡＭ１２に記憶する（Ｓ２２３）。結線情報は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流が流れる夫々のコイルを結線する方法がスター結線であるか又はデルタ結線であるかの指定、並びに同種の電流が流れる同種のコイルが二以上あった場合に同種のコイル同士の接続方法が直列であるか又は並列であるかの指定などを含んでいる。ＣＰＵ１１は、次に、回転機を稼動させるために電源から各コイルへ供給される電流または電圧に係る情報からなる電源情報を入力装置１５にて受け付けてＲＡＭ１２に記憶し（Ｓ２２４）、ステップＳ２２のサブルーチンを終了して処理をメインへ戻す。電源情報は、コイルへ供給される電流または電圧の最大値、電流または電圧が正弦波であるかパルス波であるかの指定、及び回転機の回転速度などを含んでいる。
【００２６】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、形状モデルの軸長方向の中央を、回転軸に垂直な面で切断し、切断面を抽出する（Ｓ２３）。図６は、抽出された切断面を示す模式図である。図６（ａ）に示す如く、軸長方向の中央にて形状モデルを回転軸に垂直に切断する切断面が指定され、図６（ｂ）に示す如き、回転機の形状モデルの切断面が抽出される。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、図６（ｂ）に示す如き前記切断面の形状を表現した二次元の形状モデルである二次元モデルを生成する（Ｓ２４）。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、形状モデルの軸長を計算する（Ｓ２５）。軸長の情報は、トルクの計算などにおいて、軸長方向の単位長さ当たりの計算結果を三次元の回転機の解析結果に直すために必要な情報である。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を二次元モデル内で同定するコイル断面部同定処理を行う（Ｓ２６）。
【００２７】
図７は、ステップＳ２６のコイル断面部同定処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートであり、図８は、コイル断面部同定処理を説明するための模式図である。ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、コイル指定情報にて指定された三次元の形状モデル内のコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、図８（ａ）に示す如く第１のコイル断面部と同定する（Ｓ２６１）。図中には、第１のコイル断面部をI と示す。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、３６０°をコイル断面数で除して回転角度を計算する（Ｓ２６２）。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、図８（ｂ）に示す如く、回転機の回転軸を中心として第１のコイル断面部I の重心を通る円に沿って、計算した回転角度だけ第１のコイル断面部I の形状を回転させ、回転させた前記形状に一致する二次元モデル上の部分を新たなコイル断面部と同定し（Ｓ２６３）、同定したコイル断面部に新たな番号を振り付ける（Ｓ２６４）。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、コイル断面数に等しい数のコイル断面部を全て同定したか否かを判定し（Ｓ２６５）、全て同定していない場合は（Ｓ２６５：ＮＯ）、処理をステップＳ２６３へ戻して次のコイル断面部を同定し、全て同定している場合は（Ｓ２６５：ＹＥＳ）、ステップＳ２６のサブルーチンを終了して処理をメインへ戻す。図８（ｃ）は、コイル断面数が１２である場合の、各コイル断面部に番号が割り付けられた二次元モデルを示しており、図中には第１〜第１２のコイル断面部をI 〜XII と示している。
【００２８】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、二次元モデル上の複数のコイル断面部にコイルの種類を対応づけるコイル対応付け処理を行う（Ｓ２７）。図９は、ステップＳ２７のコイル対応付け処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、コイル断面部にコイルの種類を対応づけるための基準となる評価値Ｑを、
Ｑ＝コイル断面数／（３×回転子の極数）
と計算する（Ｓ２７１）。図１０は、内部記憶装置１４に記憶しているパターン情報の内容の例を示す概念図である。回転機の設計の分野では、コイル断面数などの条件が決まった場合に、どの種類のコイルをどのように配置するかのパターンが知られており、パターン情報には、評価値Ｑの値と分布巻き又は集中巻きのコイルの巻回方式とに関連づけて、コイル断面部番号が割り付けられた二次元モデル上の夫々のコイル断面部にどの種類のコイルを対応させるべきかが記録されている。図中に示したＵＶＷの区別は、電源からＵ相、Ｖ相またはＷ相のどの電流が供給されるコイルであるかを示しており、符号は電流の方向を示している。例えばＵと示されたコイルと−Ｕと示されたコイルとは、互いにループ状に連続して巻回されたコイルであり、同じＵ相の電流が流れ、二次元モデル上では見かけ上電流の方向が互いに逆になる。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、計算した評価値Ｑの値とコイルの巻回方式とに基づいてパターン情報からコイルの対応パターンを検索し（Ｓ２７２）、検索した対応パターンに従って各コイル断面部へコイルの種類を対応づけ（Ｓ２７３）、ステップＳ２７のサブルーチンを終了して処理をメインへ戻す。図１１は、コイルの種類をコイル断面部I 〜XII の夫々へ対応づけた二次元モデルの例を示す模式図である。コイル断面数が１２、回転子の極数が４、及びコイルの巻回方式が分布巻きである場合は、図中に示す如くコイルの種類が対応づけられる。
【００２９】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、結線情報および電源情報を用いて、数値解析において各コイル断面部に与えられる電流または電圧の時間変化を決定する（Ｓ２８）。図１２は、結線情報の内容を視覚的に示した模式図である。図では、Ｕ相、Ｖ相またはＷ相の電流が供給されるコイルが夫々二組存在する場合を示しており、図１２（ａ）は、同種類のコイルが並列に接続されて異なる種類のコイルがスター結線状に接続された例を示し、図１２（ｂ）は、同種類のコイルが直列に接続されて異なる種類のコイルがデルタ結線状に接続された例を示している。電源情報が示す電流または電圧が、図中に示されたＵ相、Ｖ相またはＷ相の端子に与えられるとして、ＣＰＵ１１は、各コイル断面部に与えられる電流の最大値、及び夫々の電流の位相を求め、又、電源情報に含まれる回転速度から電流の周波数を求め、更に、電源情報に含まれる正弦波またはパルス波の区別から、各コイル断面部に与えられる電流の時間変化を求める。なお、電流の位相を求めるために、各コイルのインダクタンスの情報を用いてもよい。また、ステップＳ２８の処理は、各コイル断面部が対応するコイルに数値計算にて与えられる電圧の時間変化を、結線情報および電源情報を用いて決定する処理であってもよい。
【００３０】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、各コイル断面部に電流の情報が対応づけられた二次元モデルに対して自動メッシュ分割の処理を行い、前記二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する（Ｓ２９）。図１３は、生成された二次元メッシュの例を示す模式図である。コイル断面部を含む二次元モデルの形状がメッシュで表現されている。ＣＰＵ１１は、以上の処理をもって各コイル断面部に与えられる電流または電圧を対応させた二次元メッシュである解析モデルを完成させ、もって解析モデルの生成の処理を終了する。生成された二次元の解析モデルを用い、数値解析が行われる。
【００３１】
以上詳述した如く、本発明においては、従来は数値解析のノウハウを熟知している担当者によって設定されていた、二次元メッシュに含まれる各部分の性質を示す情報を、回転機の設計上の仕様を示す仕様情報から求めることにより、回転機の性能を数値解析するために用いる解析モデルを容易に生成する事ができる。これにより、解析モデルを作成するために必要な手間およびコストを抑制することができる。更に、数値解析のノウハウに関係なく、仕様情報を入力することで、回転機の設計者が容易に解析モデルを生成させることが可能となり、前記設計者が三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返し、回転機の開発をスムーズに行うことが可能となる。
【００３２】
本実施の形態においては、オペレータの操作による仕様情報の入力を受け付ける処理を用いているが、これに限るものではなく、電子ファイルに記載されるなどして形状モデルに予め付随している仕様情報をＣＰＵ１１がＲＡＭ１２に読み込むことで仕様情報を受け付ける処理を用いてもよい。また、本実施の形態においては、形状モデルの軸長方向の中央を回転軸に垂直に切断する切断面を抽出する処理を用いているが、これに限るものではなく、オペレータの操作による形状モデル上での切断面の指定を受け付け、指定を受け付けた切断面を抽出する処理を用いてもよい。また、本実施の形態においては、ループ状に連続しているコイルの連続部分を表現していない形状モデルを用いる形態を示しているが、これに限るものではなく、前記連続部分を含めて表現した形状モデルを用い、パターン情報を用いるのではなく、形状モデルに示されたコイルの連続状態から各コイル断面部へのコイルの対応を決定する処理を行う形態であっても良い。
【００３３】
更に、本実施の形態においては、解析モデル生成装置１は、三次元ＣＡＤ装置の機能と解析装置の機能とを兼ね備えている形態を示したが、これに限るものではなく、三次元ＣＡＤ装置、解析モデル生成装置１及び解析装置を夫々別のコンピュータにて構成する形態としても良い。この形態の場合は、三次元ＣＡＤ装置にて三次元の形状モデルを作成し、作成した形状モデルを本発明の解析モデル生成装置１へ入力し、解析モデル生成装置１にて二次元の解析モデルを生成し、生成した解析モデルを解析装置へ入力し、解析装置にて前記解析モデルを用いて回転機の性能を数値解析することにより、回転機の設計を行うことができる。また、本実施の形態においては、設計対象の回転機が三相交流モータであるとして説明を行ったが、直流モータ又は単相交流モータなど他の形態の回転機についても同様に本発明を用いて設計を行うことができるのは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
第１、第２、第６及び第１０発明においては、回転機を回転軸に垂直に切断した切断面について解析モデルを生成する事で、回転軸方向に略同一の形状をしている回転機を前記解析モデルに代表させて、短時間で数値解析を終了させることができる。また、解析モデルに含まれる各部分の性質を示す情報が回転機の仕様を規定する仕様情報から自動生成されるため、解析モデルを作成するために必要な手間およびコストを抑制することができる。更に、数値解析のノウハウを知らない回転機の設計者が容易に解析モデルを生成させることが可能となり、前記設計者が三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返し、回転機の開発をスムーズに行うことが可能となる。
【００３５】
第３及び第７発明においては、回転機の仕様である回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式と、前記仕様に従った回転機の切断面に現れる各コイルの種類を示した対応パターンとを関連づけて記憶しておき、受け付けた回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出し、切断面を表現した二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応づけることにより、二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応するコイルの種類を容易に規定することができる。
【００３６】
第４及び第８発明においては、形状モデルにおけるコイル部分の切断面上での領域に対応して、二次元モデルに含まれる第１のコイル断面部を同定し、３６０°をコイル断面数で除して回転角度を計算し、該角度だけ回転軸を中心にコイル断面部を回転させたときに重なる二次元モデル上の領域を新たなコイル断面部と同定し、順に全てのコイル断面部を同定することにより、二次元モデルに含まれるコイル断面部を容易に同定することができる。
【００３７】
第５及び第９発明においては、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を用いることにより、各コイルに流れる電流の値または位相などが計算され、二次元モデルに含まれるコイル断面部に数値解析において与えられる電流または電圧の時間変化が求められる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の解析モデル生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の解析モデル生成装置を用いて行う回転機の開発の流れを示すフローチャートである。
【図３】三次元の形状モデルの例を示した斜視図である。
【図４】本発明の解析モデル生成装置が行う解析モデル生成の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】ステップＳ２２の仕様情報受付処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図６】抽出された切断面を示す模式図である。
【図７】ステップＳ２６のコイル断面部同定処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図８】コイル断面部同定処理を説明するための模式図である。
【図９】ステップＳ２７のコイル対応付け処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図１０】内部記憶装置に記憶しているパターン情報の内容の例を示す概念図である。
【図１１】コイルの種類を各コイル断面部へ対応づけた二次元モデルの例を示す模式図である。
【図１２】結線情報の内容を視覚的に示した模式図である。
【図１３】生成された二次元メッシュの例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 解析モデル生成装置
１１ ＣＰＵ（演算部）
１２ ＲＡＭ（記憶部）
１５ 入力装置（受付部）
２ 記録媒体
２０ コンピュータプログラム
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機の性能を数値解析するための解析モデルを生成する方法、解析モデル生成装置、コンピュータを該解析モデル生成装置として実現するためのコンピュータプログラム、及び記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転機は、様々な機器に組み込まれて使用される重要な部品であり、高性能化のための改良が繰り返されている。回転機の設計は、ＣＡＤ（ Computer Aided Design）を用いて行われており、特に三次元ＣＡＤを用いた三次元設計は、部品の組立手順または部品の位置関係などの条件を含めた総合的な設計が可能となり、回転機の製造との親和性が高い。設計された回転機は、実機を製造して性能試験を行う、又は計算機を用いて性能を数値解析する事により、性能を評価され、判明した欠点を修正すべく設計が繰り返される。設計された回転機の実機を製造して性能試験を行う方法に比べて、計算機を用いて性能を数値解析するＣＡＥ（Computer Aided Engineering）は、設計変更が容易であり、また、回転機の開発コストを低減させることができる。
【０００３】
ＣＡＥでは、従来より有限要素法がよく用いられており、ＣＡＤを用いて作成された回転機の形状モデルを複数の多角形または多面体の要素の組み合わせで表現したメッシュを生成し、生成したメッシュについて数値解析を行う。三次元ＣＡＤで作成された三次元の形状モデルから三次元メッシュを生成して数値解析を行う方法は、膨大な計算時間が必要となって実用性に欠けるため、回転機のＣＡＥは二次元で計算されることが多い。したがって、回転機のＣＡＥでは、回転機を所定の面で切断した切断面に回転機の情報を帰結させ、前記切断面について二次元メッシュを生成し、生成した二次元メッシュについて有限要素法による数値解析を行い、回転機に対する計算結果とすることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返して回転機の開発をスムーズに行うためには、三次元ＣＡＤで作成された形状モデルが解析装置へ渡されたときに、解析装置内で自動で二次元メッシュが生成され、生成された二次元メッシュを用いた計算結果は、三次元ＣＡＤへ直接に適用可能なデータとして出力されることが望ましい。
【０００５】
現状では、回転機のどの断面を二次元メッシュで表現して数値解析を行うべきかは、数値解析のノウハウの一つであり、数値解析のノウハウを熟知した担当者によって、数値解析に用いるべき断面が指定され、三次元ＣＡＤのデータから前記断面の二次元メッシュが生成されている。また、生成した二次元メッシュ中でのコイルの位置およびコイルに流れる電流の方向などの、数値解析に必要な情報は自動で生成されず、前記担当者が、生成された二次元メッシュに対して数値解析に必要な情報を入力する必要がある。このため、数値解析に必要な情報を二次元メッシュに対応させた解析モデルを作成するために必要な手間およびコストが大きいという問題がある。更に、数値解析の内容について熟知していない設計者が手軽にＣＡＥを利用することができず、三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返して回転機の開発をスムーズに行うことが不可能であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、斯かる問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、コイルの位置またはコイルの巻回方式などの三次元の形状モデルに付随して回転機の仕様を規定する情報を、二次元メッシュに対応させて数値解析に必要な情報に翻訳することにより、三次元ＣＡＤのデータから解析モデルを容易に生成することのできる解析モデル生成方法、解析モデル生成装置、コンピュータを該解析モデル生成装置として実現するためのコンピュータプログラム、及び記録媒体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る解析モデル生成方法は、外部から情報を受け付ける受付部、記憶部及び演算部を備えた計算装置を用いて、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成する方法において、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを記憶部に記憶し、前記回転機の仕様を示す仕様情報を受付部にて受け付け、前記回転機の回転軸に略垂直な面で前記形状モデルを所定の位置で切断した切断面を演算部にて抽出し、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを演算部にて生成し、受付部にて受け付けた前記仕様情報に基づいて、演算部にて生成した二次元モデルに含まれる各部分の性質を演算部にて規定し、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを演算部にて生成することを特徴とする。
【０００８】
第２発明に係る解析モデル生成装置は、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成する装置において、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを記憶する手段と、前記回転機の仕様を示す仕様情報を受け付ける手段と、前記回転機の回転軸に略垂直な面で前記形状モデルを所定の位置で切断した切断面を抽出する手段と、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成する手段と、前記仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定する規定手段と、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第３発明に係る解析モデル生成装置は、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンの夫々を、回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶する手段を更に備え、前記仕様情報は、前記形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報、回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式を含んでおり、前記規定手段は、前記コイル指定情報及びコイル断面数から、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を同定する同定手段と、前記仕様情報に含まれる回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶してある対応パターンを読み出す手段と、読み出した対応パターンに従って、複数の前記コイル断面部の夫々に、複数種類のコイルの種類の夫々を対応づける手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
第４発明に係る解析モデル生成装置は、前記同定手段は、前記コイル指定情報にて指定されたコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、第１のコイル断面部と同定する手段と、一周の角度を前記仕様情報に含まれるコイル断面数で除して回転角度を求める手段と、前記二次元モデル上で前記回転機の回転軸を中心にして前記コイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに回転させた前記コイル断面部に重なる前記二次元モデル上の領域を、第２のコイル断面部と同定する手段と、新たに同定したコイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに重なる前記二次元モデル上の領域を更に新たなコイル断面部と同定する処理を、前記コイル断面数のコイル断面部が同定されるまで繰り返す手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第５発明に係る解析モデル生成装置は、前記仕様情報は、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を更に含んでおり、前記規定手段は、前記結線情報及び前記電源情報に従って、コイルの種類を対応づけた各コイル断面部に数値計算にて与えられる電流又は電圧の時間変化を求める手段を更に備えることを特徴とする。
【００１２】
第６発明に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成させるコンピュータプログラムにおいて、コンピュータに、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルの所定の位置を前記回転機の回転軸に略垂直な面で切断した切断面を抽出させる手順と、コンピュータに、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成させる手順と、コンピュータに、前記回転機の仕様を示す仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定させる規定手順と、コンピュータに、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成させる手順とを含むことを特徴とする。
【００１３】
第７発明に係るコンピュータプログラムは、前記規定手順は、コンピュータに、前記形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報、及びコイル断面数から、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を同定させる同定手順と、コンピュータに、回転子の極数、コイル断面数及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶してある、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンから、前記仕様情報に含まれる回転子の極数、コイル断面数及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出させる手順と、コンピュータに、読み出した対応パターンに従って、複数の前記コイル断面部の夫々に、複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけさせる手順とを含むことを特徴とする。
【００１４】
第８発明に係るコンピュータプログラムは、前記同定手順は、コンピュータに、前記コイル指定情報にて指定されたコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、第１のコイル断面部と同定させる手順と、コンピュータに、一周の角度を前記仕様情報に含まれるコイル断面数で除して回転角度を求めさせる手順と、コンピュータに、前記二次元モデル上で前記回転機の回転軸を中心にして前記コイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに回転させた前記コイル断面部に重なる前記二次元モデル上の領域を、第２のコイル断面部と同定させる手順と、コンピュータに、新たに同定したコイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに重なる前記二次元モデル上の領域を更に新たなコイル断面部と同定する処理を、前記コイル断面数のコイル断面部が同定されるまで繰り返させる手順とを含むことを特徴とする。
【００１５】
第９発明に係るコンピュータプログラムは、コンピュータに、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報に従って、コイルの種類を対応づけた各コイル断面部に数値計算にて与えられる電流又は電圧の時間変化を求めさせる手順を更に含むことを特徴とする。
【００１６】
第１０発明に係るコンピュータでの読み取りが可能な記録媒体は、コンピュータに、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成させるコンピュータプログラムを記録してあるコンピュータでの読み取りが可能な記録媒体において、コンピュータに、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルの所定の位置を前記回転機の回転軸に略垂直な面で切断した切断面を抽出させる手順と、コンピュータに、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成させる手順と、コンピュータに、前記回転機の仕様を示す仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定させる手順と、コンピュータに、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成させる手順とを含むコンピュータプログラムを記録してあることを特徴とする。
【００１７】
第１、第２、第６及び第１０発明においては、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを回転軸に略垂直に切断した切断面を抽出し、抽出した切断面を表現する二次元モデルを生成し、コイルの位置またはコイルの巻回方式などの回転機の仕様を規定する仕様情報を受け付け、該仕様情報に基づいて、数値解析を行うために必要な二次元モデルの各部分の性質を規定し、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する。これにより、三次元の形状モデルと仕様情報とから自動で二次元の解析モデルを生成することができる。
【００１８】
第３及び第７発明においては、回転機の仕様である回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式と、前記仕様に従った回転機の切断面に現れる各コイルの種類を示した対応パターンとを関連づけて記憶しておき、受け付けた回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出し、二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応づけることにより、回転機の設計上の仕様を指定するのみで、二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応するコイルの種類を規定することができる。
【００１９】
第４及び第８発明においては、形状モデルにおけるコイル部分の切断面上での領域に対応して、二次元モデルに含まれる第１のコイル断面部を同定し、３６０°をコイル断面数で除して回転角度を計算し、該角度だけ回転軸を中心にコイル断面部を回転させたときに重なる二次元モデル上の領域を新たなコイル断面部と同定し、順に全てのコイル断面部を同定することにより、二次元モデルに含まれるコイル断面部を容易に同定することができる。
【００２０】
第５及び第９発明においては、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を用いることにより、各コイルに流れる電流の値、印加される電圧の値、又は位相などが計算され、二次元モデルに含まれるコイル断面部に数値解析において流れるべき電流または印加される電圧の時間変化が求められる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明の解析モデル生成装置の構成を示すブロック図であり、図中１は、本発明の解析モデル生成装置である。解析モデル生成装置１は、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを生成する三次元ＣＡＤ装置の機能と、有限要素法により回転機の性能を数値解析する解析装置の機能とを兼ね備えており、コンピュータを用いて構成されている。解析モデル生成装置１は、演算を行うＣＰＵ１１と、演算に伴って発生する一時的な情報を記憶するＲＡＭ１２と、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の外部記憶装置１３と、ハードディスク等の内部記憶装置１４とを備えており、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体２から本発明に係るコンピュータプログラム２０を外部記憶装置１３にて読み取り、読み取ったコンピュータプログラム２０を内部記憶装置１４に記憶し、ＲＡＭ１２にコンピュータプログラム２０をロードし、ロードしたコンピュータプログラム２０に基づいて解析モデル生成装置１に必要な処理を実行する。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１５と、液晶ディスプレイ又はＣＲＴディスプレイ等の出力装置１６とを備えており、データの入力を初めとするオペレータからの操作を受け付ける構成となっている。また、内部記憶装置１４は、回転機の断面を表現した二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンを記録したパターン情報を記憶している。
【００２２】
また、解析モデル生成装置１は、図示しない通信インタフェースを備え、該通信インタフェースに接続されている図示しない外部のサーバ装置から本発明に係るコンピュータプログラム２０をダウンロードし、ＣＰＵ１１にて処理を実行する形態であってもよい。
【００２３】
図２は、本発明の解析モデル生成装置１を用いて行う回転機の開発の流れを示すフローチャートである。解析モデル生成装置１は、オペレータの操作を受け付けて、三次元ＣＡＤの機能を用いて、回転機の形状を表現した三次元のソリッドモデルである形状モデルを作成して、回転機の構造を設計する（Ｓ１）。図３は、三次元の形状モデルの例を示した斜視図である。磁石を有する回転子、及びコイルを有する固定子などの構造が三次元的に示されており、三次元ＣＡＤを用いることにより、回転機の構造が自由に設計される。次に、解析モデル生成装置１は、設計された回転機の性能の数値解析を行うために、作成された形状モデルから、数値解析に用いる二次元の解析モデルを生成し（Ｓ２）、生成した解析モデルを用いて、トルク等の回転機の性能を数値解析する（Ｓ３）。数値解析の結果、設計による所望の性能が得られているか否かをオペレータが判断し（Ｓ４）、所望の性能が得られない場合は、ステップＳ１に戻って三次元ＣＡＤによる回転機の設計を繰り返し、所望の性能が得られた場合は、処理が終了され、解析モデル生成装置１を用いた開発が終了する。
【００２４】
次に、設計される回転機が三相交流モータであるとして、本発明の解析モデル生成方法を説明する。なお、以下では三相交流の夫々の電流を、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相と呼ぶ。図４は、本発明の解析モデル生成装置１が行う解析モデル生成の処理の流れを示すフローチャートである。解析モデル生成装置１のＣＰＵ１１は、コンピュータプログラム２０をＲＡＭ１２へロードし、ロードしたコンピュータプログラム２０に従って、三次元ＣＡＤで作成された三次元の形状モデルをＲＡＭ１２へ読み込み（Ｓ２１）、次に、回転機の設計上の仕様を示す仕様情報を受け付ける仕様情報受付処理を行う（Ｓ２２）。
【００２５】
図５は、ステップＳ２２の仕様情報受付処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１は、オペレータが入力装置１５を操作して、形状モデルに含まれる部分のうちどの部分がコイルに対応する部分であるかを指定することによって、形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報を入力装置１５にて受け付け（Ｓ２２１）、ＲＡＭ１２に記憶する。ＣＰＵ１１は、次に、回転子を構成している磁石がいくつの極で構成されているかを示す回転子の極数と、回転機の回転軸に垂直な切断面内にコイルの断面がいくつ存在するのかを示すコイル断面数と、コイルがどのように巻回されているかを示すコイルの巻回方式とを入力装置１５にて受け付けてＲＡＭ１２に記憶する（Ｓ２２２）。図３に示した形状モデルでは、各コイルは棒状にモデル化されているが、実際にはコイルはループ状に巻回され、前記形状モデルでモデル化されている部分の外側で二つのコイルが連続しているはずである。連続している二つのコイルには同じ電流が流れ、どのようなパターンでコイルが連続しているかによって発生する磁場が変化するため、隣同士のコイルが連続すべく巻回されている集中巻きであるか、又は別のコイルが間に介在する二つのコイルが連続すべく巻回されている分布巻きであるかを示す巻回方式の情報が必要となる。ＣＰＵ１１は、次に、回転機を構成する複数のコイルの結線方式を示す結線情報を入力装置１５にて受け付けてＲＡＭ１２に記憶する（Ｓ２２３）。結線情報は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流が流れる夫々のコイルを結線する方法がスター結線であるか又はデルタ結線であるかの指定、並びに同種の電流が流れる同種のコイルが二以上あった場合に同種のコイル同士の接続方法が直列であるか又は並列であるかの指定などを含んでいる。ＣＰＵ１１は、次に、回転機を稼動させるために電源から各コイルへ供給される電流または電圧に係る情報からなる電源情報を入力装置１５にて受け付けてＲＡＭ１２に記憶し（Ｓ２２４）、ステップＳ２２のサブルーチンを終了して処理をメインへ戻す。電源情報は、コイルへ供給される電流または電圧の最大値、電流または電圧が正弦波であるかパルス波であるかの指定、及び回転機の回転速度などを含んでいる。
【００２６】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、形状モデルの軸長方向の中央を、回転軸に垂直な面で切断し、切断面を抽出する（Ｓ２３）。図６は、抽出された切断面を示す模式図である。図６（ａ）に示す如く、軸長方向の中央にて形状モデルを回転軸に垂直に切断する切断面が指定され、図６（ｂ）に示す如き、回転機の形状モデルの切断面が抽出される。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、図６（ｂ）に示す如き前記切断面の形状を表現した二次元の形状モデルである二次元モデルを生成する（Ｓ２４）。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、形状モデルの軸長を計算する（Ｓ２５）。軸長の情報は、トルクの計算などにおいて、軸長方向の単位長さ当たりの計算結果を三次元の回転機の解析結果に直すために必要な情報である。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を二次元モデル内で同定するコイル断面部同定処理を行う（Ｓ２６）。
【００２７】
図７は、ステップＳ２６のコイル断面部同定処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートであり、図８は、コイル断面部同定処理を説明するための模式図である。ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、コイル指定情報にて指定された三次元の形状モデル内のコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、図８（ａ）に示す如く第１のコイル断面部と同定する（Ｓ２６１）。図中には、第１のコイル断面部をI と示す。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、３６０°をコイル断面数で除して回転角度を計算する（Ｓ２６２）。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、図８（ｂ）に示す如く、回転機の回転軸を中心として第１のコイル断面部I の重心を通る円に沿って、計算した回転角度だけ第１のコイル断面部I の形状を回転させ、回転させた前記形状に一致する二次元モデル上の部分を新たなコイル断面部と同定し（Ｓ２６３）、同定したコイル断面部に新たな番号を振り付ける（Ｓ２６４）。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、コイル断面数に等しい数のコイル断面部を全て同定したか否かを判定し（Ｓ２６５）、全て同定していない場合は（Ｓ２６５：ＮＯ）、処理をステップＳ２６３へ戻して次のコイル断面部を同定し、全て同定している場合は（Ｓ２６５：ＹＥＳ）、ステップＳ２６のサブルーチンを終了して処理をメインへ戻す。図８（ｃ）は、コイル断面数が１２である場合の、各コイル断面部に番号が割り付けられた二次元モデルを示しており、図中には第１〜第１２のコイル断面部をI 〜XII と示している。
【００２８】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、二次元モデル上の複数のコイル断面部にコイルの種類を対応づけるコイル対応付け処理を行う（Ｓ２７）。図９は、ステップＳ２７のコイル対応付け処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１は、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、コイル断面部にコイルの種類を対応づけるための基準となる評価値Ｑを、
Ｑ＝コイル断面数／（３×回転子の極数）
と計算する（Ｓ２７１）。図１０は、内部記憶装置１４に記憶しているパターン情報の内容の例を示す概念図である。回転機の設計の分野では、コイル断面数などの条件が決まった場合に、どの種類のコイルをどのように配置するかのパターンが知られており、パターン情報には、評価値Ｑの値と分布巻き又は集中巻きのコイルの巻回方式とに関連づけて、コイル断面部番号が割り付けられた二次元モデル上の夫々のコイル断面部にどの種類のコイルを対応させるべきかが記録されている。図中に示したＵＶＷの区別は、電源からＵ相、Ｖ相またはＷ相のどの電流が供給されるコイルであるかを示しており、符号は電流の方向を示している。例えばＵと示されたコイルと−Ｕと示されたコイルとは、互いにループ状に連続して巻回されたコイルであり、同じＵ相の電流が流れ、二次元モデル上では見かけ上電流の方向が互いに逆になる。ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、計算した評価値Ｑの値とコイルの巻回方式とに基づいてパターン情報からコイルの対応パターンを検索し（Ｓ２７２）、検索した対応パターンに従って各コイル断面部へコイルの種類を対応づけ（Ｓ２７３）、ステップＳ２７のサブルーチンを終了して処理をメインへ戻す。図１１は、コイルの種類をコイル断面部I 〜XII の夫々へ対応づけた二次元モデルの例を示す模式図である。コイル断面数が１２、回転子の極数が４、及びコイルの巻回方式が分布巻きである場合は、図中に示す如くコイルの種類が対応づけられる。
【００２９】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、結線情報および電源情報を用いて、数値解析において各コイル断面部に与えられる電流または電圧の時間変化を決定する（Ｓ２８）。図１２は、結線情報の内容を視覚的に示した模式図である。図では、Ｕ相、Ｖ相またはＷ相の電流が供給されるコイルが夫々二組存在する場合を示しており、図１２（ａ）は、同種類のコイルが並列に接続されて異なる種類のコイルがスター結線状に接続された例を示し、図１２（ｂ）は、同種類のコイルが直列に接続されて異なる種類のコイルがデルタ結線状に接続された例を示している。電源情報が示す電流または電圧が、図中に示されたＵ相、Ｖ相またはＷ相の端子に与えられるとして、ＣＰＵ１１は、各コイル断面部に与えられる電流の最大値、及び夫々の電流の位相を求め、又、電源情報に含まれる回転速度から電流の周波数を求め、更に、電源情報に含まれる正弦波またはパルス波の区別から、各コイル断面部に与えられる電流の時間変化を求める。なお、電流の位相を求めるために、各コイルのインダクタンスの情報を用いてもよい。また、ステップＳ２８の処理は、各コイル断面部が対応するコイルに数値計算にて与えられる電圧の時間変化を、結線情報および電源情報を用いて決定する処理であってもよい。
【００３０】
ＣＰＵ１１は、次に、ＲＡＭ１２にロードしたコンピュータプログラム２０に従って、各コイル断面部に電流の情報が対応づけられた二次元モデルに対して自動メッシュ分割の処理を行い、前記二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する（Ｓ２９）。図１３は、生成された二次元メッシュの例を示す模式図である。コイル断面部を含む二次元モデルの形状がメッシュで表現されている。ＣＰＵ１１は、以上の処理をもって各コイル断面部に与えられる電流または電圧を対応させた二次元メッシュである解析モデルを完成させ、もって解析モデルの生成の処理を終了する。生成された二次元の解析モデルを用い、数値解析が行われる。
【００３１】
以上詳述した如く、本発明においては、従来は数値解析のノウハウを熟知している担当者によって設定されていた、二次元メッシュに含まれる各部分の性質を示す情報を、回転機の設計上の仕様を示す仕様情報から求めることにより、回転機の性能を数値解析するために用いる解析モデルを容易に生成する事ができる。これにより、解析モデルを作成するために必要な手間およびコストを抑制することができる。更に、数値解析のノウハウに関係なく、仕様情報を入力することで、回転機の設計者が容易に解析モデルを生成させることが可能となり、前記設計者が三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返し、回転機の開発をスムーズに行うことが可能となる。
【００３２】
本実施の形態においては、オペレータの操作による仕様情報の入力を受け付ける処理を用いているが、これに限るものではなく、電子ファイルに記載されるなどして形状モデルに予め付随している仕様情報をＣＰＵ１１がＲＡＭ１２に読み込むことで仕様情報を受け付ける処理を用いてもよい。また、本実施の形態においては、形状モデルの軸長方向の中央を回転軸に垂直に切断する切断面を抽出する処理を用いているが、これに限るものではなく、オペレータの操作による形状モデル上での切断面の指定を受け付け、指定を受け付けた切断面を抽出する処理を用いてもよい。また、本実施の形態においては、ループ状に連続しているコイルの連続部分を表現していない形状モデルを用いる形態を示しているが、これに限るものではなく、前記連続部分を含めて表現した形状モデルを用い、パターン情報を用いるのではなく、形状モデルに示されたコイルの連続状態から各コイル断面部へのコイルの対応を決定する処理を行う形態であっても良い。
【００３３】
更に、本実施の形態においては、解析モデル生成装置１は、三次元ＣＡＤ装置の機能と解析装置の機能とを兼ね備えている形態を示したが、これに限るものではなく、三次元ＣＡＤ装置、解析モデル生成装置１及び解析装置を夫々別のコンピュータにて構成する形態としても良い。この形態の場合は、三次元ＣＡＤ装置にて三次元の形状モデルを作成し、作成した形状モデルを本発明の解析モデル生成装置１へ入力し、解析モデル生成装置１にて二次元の解析モデルを生成し、生成した解析モデルを解析装置へ入力し、解析装置にて前記解析モデルを用いて回転機の性能を数値解析することにより、回転機の設計を行うことができる。また、本実施の形態においては、設計対象の回転機が三相交流モータであるとして説明を行ったが、直流モータ又は単相交流モータなど他の形態の回転機についても同様に本発明を用いて設計を行うことができるのは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
第１、第２、第６及び第１０発明においては、回転機を回転軸に垂直に切断した切断面について解析モデルを生成する事で、回転軸方向に略同一の形状をしている回転機を前記解析モデルに代表させて、短時間で数値解析を終了させることができる。また、解析モデルに含まれる各部分の性質を示す情報が回転機の仕様を規定する仕様情報から自動生成されるため、解析モデルを作成するために必要な手間およびコストを抑制することができる。更に、数値解析のノウハウを知らない回転機の設計者が容易に解析モデルを生成させることが可能となり、前記設計者が三次元ＣＡＤによる回転機の設計とＣＡＥによる解析とを繰り返し、回転機の開発をスムーズに行うことが可能となる。
【００３５】
第３及び第７発明においては、回転機の仕様である回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式と、前記仕様に従った回転機の切断面に現れる各コイルの種類を示した対応パターンとを関連づけて記憶しておき、受け付けた回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出し、切断面を表現した二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応づけることにより、二次元モデルに含まれる各コイル断面部に対応するコイルの種類を容易に規定することができる。
【００３６】
第４及び第８発明においては、形状モデルにおけるコイル部分の切断面上での領域に対応して、二次元モデルに含まれる第１のコイル断面部を同定し、３６０°をコイル断面数で除して回転角度を計算し、該角度だけ回転軸を中心にコイル断面部を回転させたときに重なる二次元モデル上の領域を新たなコイル断面部と同定し、順に全てのコイル断面部を同定することにより、二次元モデルに含まれるコイル断面部を容易に同定することができる。
【００３７】
第５及び第９発明においては、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を用いることにより、各コイルに流れる電流の値または位相などが計算され、二次元モデルに含まれるコイル断面部に数値解析において与えられる電流または電圧の時間変化が求められる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の解析モデル生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の解析モデル生成装置を用いて行う回転機の開発の流れを示すフローチャートである。
【図３】三次元の形状モデルの例を示した斜視図である。
【図４】本発明の解析モデル生成装置が行う解析モデル生成の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】ステップＳ２２の仕様情報受付処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図６】抽出された切断面を示す模式図である。
【図７】ステップＳ２６のコイル断面部同定処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図８】コイル断面部同定処理を説明するための模式図である。
【図９】ステップＳ２７のコイル対応付け処理のサブルーチンの手順を示すフローチャートである。
【図１０】内部記憶装置に記憶しているパターン情報の内容の例を示す概念図である。
【図１１】コイルの種類を各コイル断面部へ対応づけた二次元モデルの例を示す模式図である。
【図１２】結線情報の内容を視覚的に示した模式図である。
【図１３】生成された二次元メッシュの例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 解析モデル生成装置
１１ ＣＰＵ（演算部）
１２ ＲＡＭ（記憶部）
１５ 入力装置（受付部）
２ 記録媒体
２０ コンピュータプログラム
Claims (10)
- 外部から情報を受け付ける受付部、記憶部及び演算部を備えた計算装置を用いて、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成する方法において、
回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを記憶部に記憶し、
前記回転機の仕様を示す仕様情報を受付部にて受け付け、
前記回転機の回転軸に略垂直な面で前記形状モデルを所定の位置で切断した切断面を演算部にて抽出し、
抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを演算部にて生成し、
受付部にて受け付けた前記仕様情報に基づいて、演算部にて生成した二次元モデルに含まれる各部分の性質を演算部にて規定し、
各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを演算部にて生成する
ことを特徴とする解析モデル生成方法。 - 回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成する装置において、
回転機の形状を表現した三次元の形状モデルを記憶する手段と、
前記回転機の仕様を示す仕様情報を受け付ける手段と、
前記回転機の回転軸に略垂直な面で前記形状モデルを所定の位置で切断した切断面を抽出する手段と、
抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成する手段と、
前記仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定する規定手段と、
各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成する手段と
を備えることを特徴とする解析モデル生成装置。 - 前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンの夫々を、回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶する手段を更に備え、
前記仕様情報は、前記形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報、回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式を含んでおり、
前記規定手段は、
前記コイル指定情報及びコイル断面数から、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を同定する同定手段と、
前記仕様情報に含まれる回転子の極数、コイル断面数、及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶してある対応パターンを読み出す手段と、
読み出した対応パターンに従って、複数の前記コイル断面部の夫々に、複数種類のコイルの種類の夫々を対応づける手段と
を備える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。 - 前記同定手段は、
前記コイル指定情報にて指定されたコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、第１のコイル断面部と同定する手段と、
一周の角度を前記仕様情報に含まれるコイル断面数で除して回転角度を求める手段と、
前記二次元モデル上で前記回転機の回転軸を中心にして前記コイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに回転させた前記コイル断面部に重なる前記二次元モデル上の領域を、第２のコイル断面部と同定する手段と、
新たに同定したコイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに重なる前記二次元モデル上の領域を更に新たなコイル断面部と同定する処理を、前記コイル断面数のコイル断面部が同定されるまで繰り返す手段と
を備えることを特徴とする請求項３に記載の解析モデル生成装置。 - 前記仕様情報は、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報を更に含んでおり、
前記規定手段は、前記結線情報及び前記電源情報に従って、コイルの種類を対応づけた各コイル断面部に数値計算にて与えられる電流又は電圧の時間変化を求める手段を更に備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の解析モデル生成装置。 - コンピュータに、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成させるコンピュータプログラムにおいて、
コンピュータに、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルの所定の位置を前記回転機の回転軸に略垂直な面で切断した切断面を抽出させる手順と、
コンピュータに、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成させる手順と、
コンピュータに、前記回転機の仕様を示す仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定させる規定手順と、
コンピュータに、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成させる手順と
を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。 - 前記規定手順は、
コンピュータに、前記形状モデルにおけるコイル部分を指定したコイル指定情報、及びコイル断面数から、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部を同定させる同定手順と、
コンピュータに、回転子の極数、コイル断面数及びコイルの巻回方式に関連づけて記憶してある、前記二次元モデルに含まれる複数のコイル断面部の夫々に複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけた複数の対応パターンから、前記仕様情報に含まれる回転子の極数、コイル断面数及びコイルの巻回方式に関連づけられた対応パターンを読み出させる手順と、
コンピュータに、読み出した対応パターンに従って、複数の前記コイル断面部の夫々に、複数種類のコイルの種類の夫々を対応づけさせる手順と
を含むことを特徴とする請求項６に記載のコンピュータプログラム。 - 前記同定手順は、
コンピュータに、前記コイル指定情報にて指定されたコイル部分が前記切断面上に有している一の領域に対応する前記二次元モデル上の領域を、第１のコイル断面部と同定させる手順と、
コンピュータに、一周の角度を前記仕様情報に含まれるコイル断面数で除して回転角度を求めさせる手順と、
コンピュータに、前記二次元モデル上で前記回転機の回転軸を中心にして前記コイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに回転させた前記コイル断面部に重なる前記二次元モデル上の領域を、第２のコイル断面部と同定させる手順と、
コンピュータに、新たに同定したコイル断面部を前記回転角度だけ回転させたときに重なる前記二次元モデル上の領域を更に新たなコイル断面部と同定する処理を、前記コイル断面数のコイル断面部が同定されるまで繰り返させる手順と
を含むことを特徴とする請求項７に記載のコンピュータプログラム。 - コンピュータに、複数のコイルの結線方式を示す結線情報、及び各種類のコイルに電源から供給される電流又は電圧を規定する電源情報に従って、コイルの種類を対応づけた各コイル断面部に数値計算にて与えられる電流又は電圧の時間変化を求めさせる手順を更に含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のコンピュータプログラム。
- コンピュータに、回転機の形状を表現した形状モデルから、回転機の数値解析に用いるための解析モデルを生成させるコンピュータプログラムを記録してあるコンピュータでの読み取りが可能な記録媒体において、
コンピュータに、回転機の形状を表現した三次元の形状モデルの所定の位置を前記回転機の回転軸に略垂直な面で切断した切断面を抽出させる手順と、
コンピュータに、抽出した切断面の形状を表現した二次元モデルを生成させる手順と、
コンピュータに、前記回転機の仕様を示す仕様情報に基づいて、前記二次元モデルに含まれる各部分の性質を規定させる手順と、
コンピュータに、各部分の性質を規定した二次元モデルを複数の多角形の組み合わせで表現した二次元メッシュを生成させる手順と
を含むコンピュータプログラムを記録してあることを特徴とするコンピュータでの読み取りが可能な記録媒体。
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