JP4683591B2 - Magnetization distribution calculation apparatus and calculation method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体に磁界を印加して着磁を行う際の磁化分布を、数値計算により求める装置に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、磁気記録、電磁アクチュエータといった機器の設計のために、磁石のヒステリシス現象を数値解析によりシミュレーションする試みが数多く検討されている。このような中で特に、硬磁性材料に強磁界をかけて着磁を行う際の、磁石中の磁化分布を求める方法の1つとしてVMSW法がある。
【0003】
本方法は、一軸異方性結晶粒子の磁化回転挙動を表すS−Wモデル(Stoner and Wahlfarthのモデル)の集合としてヒステリシス特性を表現する手法に基をおくものであり、各磁化を可変とするように手を加えた手法である。本手法の具体的な内容は、「毛利:異方性材料の新しい静磁界解析法と磁化ベクトル測定によるその検証、電気学会研究会資料、静止器・回転機合同研究会SA−91−6、RM−91−15、pp51−60 (1991)」、及び「毛利:異方性材料の新しい静磁界解析法II、電気学会研究会資料、静止器・回転機合同研究会SA−91−25、RM−91−88、pp97−106 (1991)」に記載されており、その中で、永久磁石の着磁、減磁過程の解析が行われている。
【0004】
また他に「M.Enokizono et al.:Magnetic Field Analysis of Anisotropic Permanent Magnet Problems by Finite Element Method、IEEE Trans. Magn.、MAG−33、No.2、pp1612−1615 (1997)」、「榎園、津崎:異方性永久磁石問題に関する磁界解析、電気学会研究会資料マグネティックス研究会MAG−96−251、pp21−30(1996)」にもVMSW法を用いて磁石の着磁、減磁過程の計算を行った結果が報告されている。
【0005】
しかしながら、上記のいずれの技術も、 磁化分布をもとめるにあたり、VMSW法を用いた専用の磁界解析ソルバー(装置)を新たに開発する必要があり、その負荷は大きかった。また、入力データとして着磁電流波形が必要であり、そのためにあらかじめ測定が必要であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、既存の汎用磁界計算ソルバーを用いて磁石の磁化分布を算出することが可能な磁化分布算出処理装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、例えば本発明の磁化分布算出処理装置は以下の構成を備える。すなわち、
着磁器によって磁性材料に磁界を印加し着磁したときの、該磁性材料における磁化分布を算出する磁化分布算出装置であって、
前記磁性材料を有限個の要素に分割し、磁化していない各要素に対して前記着磁器より磁界を印加した場合の印加磁界の過渡解析を行い、各要素ごとの最大磁界を抽出し、該最大磁界と前記磁性材料の特性とに基づいて各要素ごとに最大磁化点を算出する初磁化過程計算手段と、
前記初磁化過程計算手段により算出された各要素の最大磁化点と、前記磁性材料の特性とに基づいて各要素の残留磁化を算出する残留磁化計算手段と、
前記残留磁化計算手段により算出された各要素の残留磁化が発生する磁界による前記各要素の磁化の変化を算出する減磁過程計算手段とを備える。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な一実施形態を詳細に説明する。
【0009】
【実施形態1】
図1は、本発明の一実施形態にかかる磁化分布算出装置を示すブロック図である。全体の動作を制御する中央処理装置(CPU)101に、解析結果等を表示する表示装置102、及び解析者が入力を行なう入力装置103がバス106を介して接続されている。また同様にバスを介して、着磁計算プログラムが格納され、制御動作時の各種情報が格納され且つ読み出されるメモリ104、システムに収まらないデータを、またシステムが終了した後もデータを保存する外部記憶装置105が接続されている。
【0010】
磁化分布計算を行うプログラムは図1に示すように、着磁電流波形計算部、完全着磁曲線推定部、初磁化過程計算部、残留磁化計算部、減磁過程計算部の5つから構成される。また、使用するデータは図1に示すように、磁石の特性として、1)初磁化曲線、2)可逆磁化回転領域の最小磁界H、3)残留磁化M、4)χrec、5)磁石の導電率の5つがあり、着磁器の構成等を示すデータとして、1)着磁器の分割モデル、2)着磁ヨークのBH特性及び導電率、3)コイルの巻き数、4)コイルの抵抗、5)コンデンサの容量、6)着磁電流のピーク値 の6つがある。
【0011】
以下に、磁石の特性及び着磁器の構成等を示すデータを用いて磁石の磁化分布計算を行う5つの計算部に対して、個々に詳細な説明を行っていく。
【0012】
1.着磁電流波形計算部
着磁電流波形計算部は、着磁器の構成等に関するデータに基づいて磁石を着磁する際の着磁器の電流波形(着磁電流波形)をもとめる処理手段で、以下に着磁電流波形計算部において用いる基本式と、処理の流れについて説明する。
【0013】
着磁器の電源回路は、図2に示すようなLCR回路として表現され、着磁は電荷Qを有する容量Cのコンデンサを抵抗RとインダクタンスLのコイルを通じて放電させることで行われる。このときの電源回路の方程式(基本式)は、(1−1)式の通りである。
【0014】
【数式1】

Figure 0004683591
本微分方程式は、Rと2√(L/C)に応じて以下に示す3つの場合に分けられる。
【0015】
【数式2】
Figure 0004683591
【0016】
【数式3】
Figure 0004683591
【0017】
【数式4】
Figure 0004683591
なお上式において、実際には着磁器のインダクタンスLは、着磁器の磁化飽和の程度により変化するが、ここでは一定(ユーザが指定した一定の電流を流したときの値)として扱うことにする。
【0018】
図3は式(1−2)から式(1−4)の基本式を用いて、着磁電流波形を計算する手順を示したフローチャートである。以下その内容を説明する。
【0019】
ステップS301では、着磁器の構成等を示すデータとして着磁器本体のデータおよび電源回路のデータをメモリに読み込む。具体的には、着磁器本体についての着磁器分割モデル、着磁ヨークのBH特性及び導電率、コイルの巻き数、着磁電流の目安(一定値)と、電源回路についてのコイルの抵抗R、コンデンサの容量C、着磁電流のピーク値Iである。
【0020】
ステップS302では、ステップS301で読み込んだ着磁器本体のデータに基づいて、有限要素法により磁場計算を行い、着磁器のインダクタンスLを計算する。なお、着磁電流の目安としては、着磁ヨークが飽和領域に達しない程度の微弱な電流でよい。
【0021】
ステップS303では、電源回路のコンデンサの両端子電圧Vの初期値を設定する。本初期値は1V 程度でよい。
【0022】
ステップS304では、ステップS301で読み込んだ電源回路のコンデンサの容量CおよびステップS303で設定した電源回路のコンデンサの両端子電圧Vの値とから電源回路のコンデンサの電荷量Qを求める。
【0023】
ステップS305では、着磁電流波形を、上式(1−2)〜(1−4)により求める。
【0024】
ステップS306ではステップS305で求めた着磁電流波形のピーク値をJpeakとして設定する。
【0025】
ステップS307では、ステップS306で設定されたJpeakを、ユーザが指定した着磁電流のピーク値(ステップS301で読み込んだ着磁電流のピーク値I)と比較する。十分一致すればステップS306で得られた着磁電流波形を最終結果とする(ステップS307)。
【0026】
一方、ステップS308でJpeakが、ユーザが指定した着磁電流のピーク値と一致しない場合には、電源回路のコンデンサ両端子電圧Vを変更して(ステップS308)、一致するまで繰り返す。
【0027】
なお、ここではステップS302の着磁器のインダクタンスLの計算に有限要素法を使用したが、境界要素法、積分法、差分法等他の方法を使用してもよい。
【0028】
2.完全着磁曲線推定部
完全着磁曲線推定部は、磁化分布の算出に必要な磁化曲線(磁石に磁界Hを印加して着磁した場合の磁化Mの状態を示す曲線)をもとめるもので、磁化曲線(BH曲線)の測定において、飽和磁化に達するまでの十分な磁界(高磁界)がかけられない場合に、すでに測定された磁石の磁化曲線(低磁界の磁化曲線)を外挿することによって完全着磁部分までを推定する処理手段である。
【0029】
以下にその方法とその方法の妥当性を示したうえで、処理の流れについて説明する。
【0030】
1)完全着磁部分の推定方法
完全着磁部分の推定にあたっては、BH曲線が次のStoner−Wohlfarth方程式で表されるものとして行う。なおここで、Hは磁石の異方性磁界である。以下にその方法を説明する。
【0031】
【数式5】
Figure 0004683591
Stoner−Wohlfarth方程式を導入するにあたって、まず飽和磁化Mが必要である。ここでは次の2つの方法のいずれかで決定する。
【0032】
a.等方性磁石を想定し、単純に残留磁化Mの2倍とする。
b.図4に示すように、初磁化曲線((a)図)から1/H外挿を行う(完全着磁曲線を2次曲線で近似する)ことにより得る((b)図)。
【0033】
ここで、図4(a)は横軸に磁界Hを、縦軸に磁化Mをとった場合の磁化曲線であり、図4(b)は横軸に1/Hを、縦軸に磁化Mをとり、図4(a)の磁化曲線に基づいて各点をプロットし、2次曲線で近似することで1/H=0のときの磁化Mの値、すなわち飽和磁化Mをもとめるための図である。
【0034】
本発明は基本的には等方性磁石に対して適用できるものであるが、僅かに異方性がある場合にも上記bの方法を適用することが可能であり、a、bの両方をユーザが選択できるようにすることで、利用の範囲を拡げている。
【0035】
次に得られた飽和磁化M及び測定値の残留磁化Mを用いて角型比Rを求め(上記aを使用した場合0.5)、以下の手順で磁化曲線の測定値がない部分の磁界Hに対する磁化Mを求める。
【0036】
(i)可逆磁化回転領域(磁化曲線において、着磁時の磁化曲線と減磁時の磁化曲線のヒステリシスループが一本になった領域。すなわち図5に示す(H、M)以上の領域)の任意の点(H、M)に対して、まず次式(2−5)により任意の点(H、M)における磁化回転角φを求め、次に(2−6)式により異方性磁界Hを求める。
【0037】
ここで、図5は、横軸に磁界Hを、縦軸に磁化Mをとった場合の磁化曲線であり、着磁時の磁化曲線と、可逆磁化回転領域以上(H)の磁界を印加後に減磁した場合の減磁時の磁化曲線(減磁曲線)とを重ねて記載したものでMは飽和磁化、Mは残留磁化を示す。
【0038】
なお、(2−5)式は上記(2−2)式にM=Mを代入し磁化回転角φについて解いたもので、(2−6)は(2−1)式にH=Hを代入し異方性磁界Hについて解いたものである。
【0039】
また、可逆磁化回転領域の点が複数ある場合は、それらの異方性磁界Hの平均値を使用する(すなわち、入力データ中の磁界H以上のすべての点を使用する)。
【0040】
【数式6】
Figure 0004683591
(ii)上記(i)で得た異方性磁界Hを用いて、磁化曲線の測定値がない部分の磁界Hに対する磁化回転角φを(2−1)式によって求め(求めかたは次述)、(2−2)式により磁化Mを求める。なお(ii)において、次式(A−1)のStoner−Wohlfarth方程式に、磁界H、異方性磁界Hが与えられたときの磁化回転角φを求める必要がある。
【0041】
【数式7】
Figure 0004683591
ここでは(A−1)式を(A−2)式、(A−3)式のように置き、ニュートン法を用いて、φ=0から出発し、(A−4)式を繰り返すことにより、磁化回転角φを求める。
【0042】
【数式8】
Figure 0004683591
上記方法により、磁界Hに対する磁化Mが求まる。一般に磁化曲線は磁界Hが大きくなるにつれて飽和磁化Mに近づき、その変化の度合いは小さくなる。従って磁化曲線を有限ないくつかの点で表現する場合には、磁界Hが大きな部分ほど点の間隔を大きくした方が少数の点で表現することができる。このとき磁化Mを与えて磁界Hを求める方法では、磁化Mの与え方が難しいが(飽和磁化Mに近づくほど、間隔を小さくする必要がある)、本方法によれば、磁界Hを与えることから、点の間隔を容易に大きく設定できるので非常に便利であるという効果が得られる。
【0043】
2)完全着磁部分の推定方法の妥当性
次に上記1)のStoner−Wohlfarth方程式により得られたBH曲線の外挿部分の妥当性を確認する方法を説明する。
【0044】
【数式9】
Figure 0004683591
(2−6)式で求めた異方性磁界Hは、減磁曲線のM点での接線の勾配をχとして(図6は減磁時の磁化曲線(減磁曲線)で、磁界H=0の時の磁化MをM、M点における減磁曲線の傾きをχとして)、次式で表すことができることがわかっている。なお本式中<>は空間平均値を意味し、<>の値は完全異方性磁石ではゼロ、完全等方性磁石では2/3である。
【0045】
また<>の値は、後述の代表粒子モデルに対しては、次式のようになる。
【0046】
【数式10】
Figure 0004683591
そこで、上記(2−6)式で求めた異方性磁界Hを(2−7)式に代入して得られるχ(次式(2−10))と、測定した磁化曲線のχとを比較することで、上記で推定された磁化曲線の完全磁化部分の妥当性を確認することができる。
【0047】
なお等方性磁石に対して、(2−10)式の<>を計算するにあたっては、2/3とする方法と(2−9)を使用する方法の2つをあげたが、両者の差は小さく、どちらを採用してもよい。
【0048】
【数式11】
Figure 0004683591
【0049】
3)完全着磁部分の推定処理の流れ
次に完全着磁部分の推定処理の具体的な手順を図7を用いて以下に説明する。
【0050】
ステップS701では、永久磁石の特性である、初磁化曲線、可逆回転磁化領域の最小磁界(H)、残留磁化Mをメモリに読み込む。なお、これらはいずれも測定によって得られるデータである。
【0051】
ステップS702ではステップS701で読み込んだ磁化曲線を構成する各点のデータに関して、磁化Mを求める。
【0052】
ステップS703では上記aまたはbの方法により、飽和磁化Mを求め、ステップS704では、角型比Rを求める。
【0053】
ステップS705では(2−3)式により、平均的な磁化回転角ωを求める。ステップS706では(2−5)式および(2−6)式により、可逆磁化回転領域における異方性磁界Hを求める。
【0054】
ステップS707では(2−1)式、(2−2)式により、測定点のない領域の磁界Hに対する磁化Mを求める。
【0055】
ステップS708では(2−10)式より磁化曲線における残留磁化M点での減磁曲線の傾きχを求める。
【0056】
3.初磁化過程計算部
初磁化過程計算部は、磁石を有限個の要素に分割し、磁化0の状態から各要素に対して着磁器より磁界Hを印加した場合の印加磁界の過渡解析を有限要素法等の一般的な磁界計算を用いて算出し、各要素ごとの最大磁界を抽出し、該最大磁界と磁石の特性とに基づいて各要素ごとの磁化(最大磁化点)を算出する処理である。以下に、有限要素法等の一般的な磁界計算を利用できる根拠を示した上で、初磁化過程計算部における処理手順を説明する。
【0057】
1)有限要素法等の一般的な磁界計算を利用できる根拠
図8のように、単位体積の磁性体片に外部磁界Hが印加され、平均磁化Mが誘起されたときの系の自由エネルギー変化は次式で表される(ここでは熱的、力学的効果等は考えない)。
【0058】
【数式12】
Figure 0004683591
本式の積分項をここでは、「反磁界Hによるエネルギー」と「有効磁界Heffによるエネルギー」とに便宜的に分けて取り扱うことにすると、(3−2)式のように表すことができる。
【0059】
【数式13】
Figure 0004683591
次に、(3−2)式の右辺のそれぞれの項について考える。
【0060】
まず反磁界係数テンソルの主軸をa軸、b軸方向、主値をそれぞれN、N(N≧N)とすると、反磁界エネルギーは、重ねあわせの原理に従って、a軸方向にMcos(θ−φ)を持つ場合とb軸方向に磁化Msin(θ−φ)をもつ場合のエネルギーの和として次式で表すことができる。ここで各ベクトルの方向は、図8に示すとおりで斜線領域で示した単位体積の磁性体片に対して、磁化容易軸方向と磁化困難軸方向とをそれぞれ破線矢印のようにとった場合、反磁界係数テンソルの主軸のうち、a軸と磁化容易軸方向とのなす角度をφ、磁化Mの方向と磁化容易軸方向とのなす角度をθ、外部磁界Hと磁化容易軸方向とのなす角度をΩとおく。また、μは真空の透磁率である。
【0061】
【数式14】
Figure 0004683591
次に磁化エネルギーは、有効磁界Heffの磁化容易軸方向と磁化困難軸方向の成分をそれぞれH、Hとし、またそれぞれの方向の磁化成分M、MをMcosθ、Msinθで置き換えると、次のように表される。
【0062】
【数式15】
Figure 0004683591
一方、外部磁界Hとの相互エネルギーは次の通りである。
【0063】
【数式16】
Figure 0004683591
以上より、次の自由エネルギーUの具体式(3−7)が得られる。
【0064】
【数式17】
Figure 0004683591
(3−7)式に変分原理を適用する。すなわち∂U/∂M=0、∂U/∂θ=0を求めることにより、次の方程式(3−8)および(3−9)が導かれる。
【0065】
【数式18】
Figure 0004683591
異方性磁性体片の磁化Mを求めるためには、本連立方程式を解けばよい。ここで、等方性材料からなる、磁性体の塊の場合について考える。このとき、磁性体内部の微小部分においては形状異方性に対して、
【0066】
【数式19】
Figure 0004683591
としてよい。 また等方性であることから、
【0067】
【数式20】
Figure 0004683591
である。これより(3−9)式は、次のように表される。
【0068】
【数式21】
Figure 0004683591
よって、(3−13)式が導かれる。
【0069】
【数式22】
Figure 0004683591
(3−13)より、磁化M、外部磁界H、反磁界H、有効磁界Heffはすべて方向が一致することがわかる。一方このとき、(3−8)式は、次のようになる。
【0070】
【数式23】
Figure 0004683591
ここで、反磁界H、有効磁界Heffは(3−15)、(3−16)式の通りであることから、(3−14)式は、(3−17)式のようになる。
【0071】
【数式24】
Figure 0004683591
磁化M、外部磁界H、反磁界H、有効磁界Heffはすべて方向が一致すること及び(3−17)式から、等方性磁石の塊の場合、(3−8)、(3−9)式における磁化Mと有効磁界Heffの関係は、等方性軟磁性体の磁化現象と同じになることがわかる。
【0072】
従って、等方性磁石の初磁化過程は、磁石部分を、磁石の初磁化曲線をもった軟磁性体として扱うことで、有限要素法等の一般的な磁界計算で求めることができる。
【0073】
なお本初磁化過程を、着磁電流の時間変化、渦電流考慮等過渡的に計算する場合において、どの時点での磁化を採用すべきかが問題となる。そこでここでは有限要素法で磁界計算する際の各要素に対して、時間経過中における最大値を採用することにする。
【0074】
また、本初磁化過程によって、各粒子の磁化のうち、所定の分布の粒子で磁化反転が起こり、その結果、粒子磁化のベクトル総和は有限値Mになるとして今後の説明を行う。
【0075】
2)初磁化過程計算部における処理手順
次に上記1)をふまえて初磁化過程計算部における具体的な処理手順を図9を用いて以下に説明する。
【0076】
ステップS901では、着磁器の構成等を示すデータとして着磁器本体のデータをメモリに読み込む。具体的には着磁器本体における着磁器分割モデル、着磁ヨークのBH特性及び導電率、コイルの巻き数、着磁電流波形として着磁電流波形計算部で得た結果である。
【0077】
ステップS902では磁石の特性データとして、上記完全着磁曲線推定部で得た完全着磁曲線、及び磁石の導電率をメモリに読み込む。
【0078】
ステップS903では有限要素法等により磁界計算を行う。計算はヨーク、磁石の渦電流、飽和を考慮した非線型過渡解析となる。
【0079】
ステップS904では各要素の磁束密度経時変化のピーク値を最大磁束密度点Bとし、最大磁束密度点Bに基づいてそれより最大磁化点Mを求めて外部記憶装置に保存する。
【0080】
4.残留磁化計算部
残留磁化計算部は、所定の磁界を印加して磁石を着磁後に磁界を0とした場合の磁石の残留磁化をもとめる処理手段であり、上記初磁化過程計算部によりもとめた最大磁化点Mをとおる磁化曲線をもとめ、該磁化曲線に基づいて算出する。以下にその基本式と、最大磁化点Mをとおる磁化曲線をもとめる手順を示した上で、残留磁化計算部における処理の流れについて説明する。
【0081】
1)残留磁化計算部における基本式
磁石の減磁曲線の第一象限の最大磁化点(H、M)から第二象限の急降下部の寸前までの範囲は、次の単磁区粒子の一斉磁化回転モデルすなわちStoner−Wohlfarth方程式で再現できる。なお式(4−1)において、Hは外部磁界である。
【0082】
【数式25】
Figure 0004683591
ここでH(M)は上記初磁化過程計算部でもとめた最大磁化点(H、M)を通る減磁曲線における異方性磁界である。また、M(M)は図10に示す磁化曲線において、最大磁化点(H、M)をとおる減磁曲線の飽和磁化であり、R(M)は該減磁曲線の角型比である。なおこれらの値は、初磁化過程における磁化反転の状態に依存するものであり、最大磁化点(H、M)によって決定されるものである。
【0083】
ここで、各最大磁化点ごとの減磁曲線の角型比は、最大磁化点に依存せず、次のように一定と仮定する((2−4)式の値と同じ)。
【0084】
【数式26】
Figure 0004683591
減磁曲線が、メジャーループの磁化曲線の場合(メジャーループの磁化曲線とは、可逆磁化回転領域以上の磁界以上(すなわちH以上)印加した後に減磁した場合の着磁および減磁曲線をいう)を考えると、可逆回転磁化領域の最小磁化点(H、M)において、磁化回転角φは、(4−2)式より(4−6)式のようになり、このとき本状態での異方性磁界H(M)は(4−1)式より、(4−7)式となる。
【0085】
【数式27】
Figure 0004683591
ここで、異方性磁界H(M)は次式のように、最大磁化点に比例すると仮定する。
【0086】
【数式28】
Figure 0004683591
以上により、次の2)に示す手順で、任意の最大磁化点(H、M)に対して、減磁曲線を再現することができるようになった。
【0087】
2)最大磁化点Mをとおる磁化曲線をもとめる手順
最大磁化点Mをとおる磁化曲線をもとめる手順を以下示す。
(i)(4−3)、(4−5)式より磁化回転角ωを求め、(4−6)式より可逆磁化回転領域における磁化回転角φを求める。そして(4−7)、(4−8)式により異方性磁界H(M)を求める。
【0088】
(ii)(4−1)式を用いて、最大磁化点(H、M)における(H=H)磁化回転角φを求める。これは上述の(A−1)〜(A−4)式を用いて求めることができる。
【0089】
(iii)(4−2)式において、φ=φ、M=Mとおいて、飽和磁化M(M)を求める。本値は次式(4−9)の通りである。
【0090】
(iv)任意の磁界Hに対して(4−1)式により磁化回転角φを求めた後、(4−2)式を用いて磁化Mを求める。
【0091】
【数式29】
Figure 0004683591
本減磁曲線におけるH=0での磁化(残留磁化M(M))は、(4−2)式におけるφ=0の場合に相当し(←(4−1)式は、H=0のときφ=0となる)、(4−2)式に(4−9)式を代入した次式(4−10)で求めることができる。
【0092】
【数式30】
Figure 0004683591
【0093】
3)残留磁化計算部における処理の流れ
次に残留磁化計算部における具体的な手順を図11を用いて以下に説明する。ステップS1101では永久磁石の磁化曲線データである、可逆回転磁化領域の最小磁界H、残留磁化M、飽和磁化M、χrec及び完全着磁曲線推定部で得た完全着磁を含む磁化曲線をメモリに読み込む。
【0094】
ステップS1102ではステップS1101で読み込んだ残留磁化Mと飽和磁化Mとに基づいて角型比Rを求める。一般には0.5に近い値となる。
【0095】
ステップS1103では上記初磁化過程計算部で得た各要素の最大磁化点の値Mを読み込む。
【0096】
ステップS1104ではステップS1103で読み込んだ最大磁化点Mでの磁化ベクトルの方向を磁化容易軸の方向Θとして計算する(本磁化容易軸の方向は後述の残留磁化過程に必要なためである)。
【0097】
ステップS1105では次の手順で、各要素の異方性磁界H(M)、及び残留磁化M(M)を求める。
(i)(4−3)式により、磁化回転角ωを求める。
(ii)(4−6)、(4−7)式により、H(M)を求める。
(iii)各要素について、次の手順で残留磁化M(M)を求める。
a.ステップS1103で読み込んだ最大磁化点M値に対するH値を完全着磁曲線から求める。
b.(4−8)式により、H(M)を求める。
c.(4−1)式により、磁化回転角φを求める。
d.(4−10)式により、M(M)を求める。
【0098】
ステップS1106では各要素の磁化容易軸方向Θ、残留磁化M(M)及び異方性磁界H(M)を外部記憶装置に出力する。
【0099】
5.減磁過程計算部
減磁過程計算部は、残留磁化計算部により算出された各要素の残留磁化と、該残留磁化を有する各要素に、該各要素の磁化が発生する磁界が印加された場合の前記各要素の磁化を算出する処理手段である。以下にかかる減磁過程の磁化分布をもとめる基本式を導く過程を示したうえで、減磁過程計算部における処理手順を説明する。
【0100】
1)減磁過程の磁化分布をもとめる基本式
減磁過程の計算にあたっては、出発点を残留角θを持った残留磁化Mの状態にとり、磁化回転角θは磁化容易軸から測るものとする。そして、磁化が(M、θ)の状態(変化前の状態)から(M、θ)の状態(変化後の状態)に変化したときの自由エネルギー密度の変化をUとする。また、反磁界のない状態での磁化に要する仕事は、磁化をMからMまで磁化容易軸方向に沿って変化させるのに要する仕事Umagと、Mをθ方向からずらす仕事(異方性エネルギーUaniso)との和で近似する。すると自由エネルギー密度の変化Uは次の4つの寄与の和であらわすことができる。
【0101】
【数式31】
Figure 0004683591
demag はいわゆる反磁界エネルギーの変化であり、次式で表される。
【0102】
【数式32】
Figure 0004683591
a、bは反磁界テンソルの主値N、Nの方向を表す(N≦N)。変化後の状態における磁化M、θ(磁化Mと磁化容易軸方向とのなす角度)を未知数とするため、この式に含まれる各磁化は次のようにおきかえることができる。なおここで、φは磁化容易軸方向と反磁界テンソルa方向とのなす角(< 90deg)であり、M、Mは変化後の状態における磁化の反磁界テンソルの各軸方向の成分、Mar、Mbrは変化前の状態における磁化の反磁界テンソルの各軸方向の成分、θは変化前の状態における磁化Mと磁化容易軸方向とのなす角度をそれぞれ表す(図12)。また、μは真空の透磁率である。
【0103】
【数式33】
Figure 0004683591
(5−3)式により(5−2)式は次のように表される。
【0104】
【数式34】
Figure 0004683591
次にUmagを具体的に書き表すため、磁化容易軸方向磁化曲線の主要部を直線で近似する。すなわち、
【0105】
【数式35】
Figure 0004683591
このχrecは当直線の勾配であり、第2象限の屈曲部寸前の点と残留磁化Mの点を結ぶ直線の勾配である(図13)。かくして、Umagは次式で表される。なお、図14に本式の積分の内容を図で示したもので、Umagは図14の斜線部分に他ならない。
【0106】
【数式36】
Figure 0004683591
異方性エネルギーUanisoについて、ここでは減磁曲線の急降下部前までの区間では異方性磁界は一定であると仮定して次のように表す。
【0107】
【数式37】
Figure 0004683591
一方、外部磁界との相互エネルギーは次の通りである。
【0108】
【数式38】
Figure 0004683591
以上よりUの具体的表現は次のようになる。
【0109】
【数式39】
Figure 0004683591
このUに変分原理を適用する。すなわち∂U/∂M=0、∂U/∂θ=0を求めることにより、Mとθを決める次の連立方程式を得る。
【0110】
【数式40】
Figure 0004683591
異方性磁石の磁化を求めるためには、本連立方程式を解けばよい。
ここで、等方性材料からなる磁石を考える。このとき、磁石内部の微小部分においては形状異方性に対して、
【0111】
【数式41】
Figure 0004683591
としてよい。 また等方性であることから、
【0112】
【数式42】
Figure 0004683591
である。これより、(5−10)、(5−11)式は、次のようになる。
【0113】
【数式43】
Figure 0004683591
ここで磁石内部の微小部分における有効磁界をHeffとすると、Heffは外部磁界Hと反磁界Hの和として表され、その磁化Mに平行な方向成分をHeffθ、垂直な方向成分をHeff⊥とすると、それぞれ次のように記述される。ただしここで、H0θ、Hdθは外部磁界及び反磁界の磁化Mに平行な方向成分、H0⊥、Hd⊥は垂直な成分である。
【0114】
【数式44】
Figure 0004683591
これによって(5−14)、(5−15)式は次のように表される。
【0115】
【数式45】
Figure 0004683591
本方程式を解くことによってM、θが求まる。
次に基準座標軸(ここでは直交座標系のX軸の方向を基準軸とする)に対して表現された磁界分布に対して、本方程式(5−18)、(5−19)を適用する場合について説明する。
【0116】
図16に示すように磁化容易軸方向が基準軸に対して、Θだけ傾いた状態にあり、基準軸(X軸)から測ったHeff、磁化Mの方向をそれぞれΘeff、Θとしたとき、磁界H=(H、H)は次のように表現できる。つまり次式によって磁界H=(H、H)に対する、HeffとΘeffが決まる。
【0117】
【数式46】
Figure 0004683591
次に、ここで求まったHeffとΘeffを用いて、磁界H=(Heffθ、Heff⊥)は次のように求まる。なおここで、θは磁化容易軸方向と磁化Mのなす角度であり、Ωeffは磁化容易軸方向と有効磁界Heffとのなす角度である。
【0118】
【数式47】
Figure 0004683591
以上により、X軸方向を基準とした直交座標系で表現された磁界Hに対して、(5−20)〜(5−25)式を用いて、Heffθ、Heff⊥が求まった。
【0119】
そこで更に、式 (5−19)を用いて磁化回転角θを求め、(5−18)を用いて磁化Mを求めれば、次式により磁化M=(M、M)が求まる。
【0120】
【数式48】
Figure 0004683591
減磁後の磁化としては、磁化M自身が作る磁界H=(H、H)が、式(5−18)、(5−19)を満たすような、自己無撞着な磁化M(Mとθ)を求めればよい。
【0121】
なお、等方性磁石の場合における上記本減磁過程の磁化容易軸の方向Θは、(5−13)式にあるように、初磁化過程直後における磁界の方向をとればよい。
【0122】
上記自己無撞着な磁化M(Mとθ)を求めるために、ここでは以下のような手順で計算を行う。
(i)残留磁化過程で求まった各要素の磁化Mの向きを磁化容易軸の方向とし、Θを求める。
(ii)磁化Mを、これから求めようとする減磁後の磁化Mの初期値に設定する。
(iii)各要素に対して、磁化Mと(i)で求めた磁化容易軸とのなす角度θを求める。本θは初回は0、(x)の反復後は(viii)で求めたθの値となる。
(iv)磁化Mを用いて、有限要素法で磁石単体での磁界計算を行う。
(v)必要に応じて、磁界計算後の後処理を行い磁界の結果を得る。具体的には例えば磁界計算に有限要素法を用いた場合、磁束密度Bが求まるので、下式(5−29)を使用して、磁界Hに変換する(磁石部分の透磁率をμrecとした)。
(vi)磁界H=(H、H)から、式(5−20)〜(5−22)を用いて、HeffとΘeffを求める。
(vii)式(5−25)からΩeffを求め、式(5−23)、(5−24) からHeffθ、Heff⊥を求める。
(viii)式(5−19)からθを求め、(5−18)より磁化Mを求める。なおここで異方性磁界Hには、(4−8)で求めたH(M)を使用する。
(ix)式(5−28)よりΘを求め、式(5−26)、(5−27)より、新たな磁化Mを求める。
(x)(ix)で求まった新たな磁化Mを用いて、(iii)〜(vii)を、自己無撞着な磁化Mが得られるまで繰り返す。なお実際には、反復により(viii)で新たなθとMを求める際に、旧θとMをそのまま更新(置換)するのではなく、変動分の0.2〜0.8だけを修正する緩和係数を導入することで収束性が向上する。
【0123】
【数式49】
Figure 0004683591
【0124】
2)残留磁化計算部における処理の流れ
上記に基づいて残留磁化計算部では図17に示す流れで処理を行う。
【0125】
ステップS1701では、残留磁化過程計算部で得た、磁化容易軸Θの方向、残留磁化M(M)、異方性磁界Hの結果をメモリに読み込む。
【0126】
ステップS1702では磁化の大きさM及び方向θの初期値を設定する。大きさはM(M)、方向は磁化容易軸と一致する方向(θ=0)とする。
【0127】
ステップS1703では磁化ベクトルを直交座標のx、y成分(M、 M)で表す。
【0128】
ステップS1704では磁化分布(M、M)を用いて、磁石単体での磁場計算を行う。有限要素法等の一般的な磁界計算ソルバーを使用する。
【0129】
ステップS1705では磁界計算の結果求まる磁石の部分の磁束密度(B、B) から磁界(H、H)を求める 。
【0130】
ステップS1706では磁界(H、H)を元に、(5−20)〜(5−22)式により、Heff、Θeffを求める。
【0131】
ステップS1707では(5−23)〜(5−25)式により、Ωeff、Heffθ、Heff⊥を求める。
【0132】
ステップS1708では(5−18)式、(5−19)式を用いて、新たな磁化の大きさM及び方向θを求める。
【0133】
ステップS1709では磁化の大きさM及び方向θが十分収束したか否かを判定し、収束が不十分の場合には、ステップS1703に戻り、ステップS1703からステップS1708までの処理を繰り返す。一方、ステップS1709で磁化M及び方向θが十分収束したと判定された場合には、ステップS1710に進み、磁化M及び方向θから、(5−26)、(5−27)式より磁化ベクトルを求め磁化分布の結果として、外部記憶装置に出力する。
【0134】
なおここでは、減磁過程を計算する際に、減磁曲線の第2象限の屈曲部寸前の点と残留磁化Mの点を結ぶ直線の勾配χrecを使用したが、一般に本勾配は完全磁化曲線推定部で得られるχ((2−10)式)とほぼ同じ値をもつものであり、χで代用してもよい。
【0135】
また(5−20)〜(5−28)式では、計算をxy平面の2次元に限定して説明を行ってきたが、容易にわかるように、これを3次元の式に拡張して、上記S1704のステップでは3次元の磁界計算ソルバーを用いることで、3次元の磁化分布を求めることも容易である。従って上記計算手順中で使用した(5−20)〜(5−28)式は、表記のような2次元に限定されるものではなく、3次元に拡張した式も含むものである。
【0136】
上記着磁電流波形計算部、完全着磁曲線推定部、初磁化過程計算部、残留磁化計算部、減磁過程計算部を持つ着磁計算装置を用いて、円筒形状をした永久磁石の着磁計算を行った例を示す。
【0137】
図18は着磁器の分割モデルの一例で、1801はコイル、1802は磁石である。本着磁器にコンデンサを接続して電流を流したときの電流波形の着磁電流波形計算部による計算結果を図19に示す。ピーク電流(Jpeak)を10kAとしており、本電流波形が実測値に近いものとなっていることを確認している。
【0138】
また、測定によって得られた初磁化曲線を元に、完全飽和磁化曲線を作成した結果を図20に示す。横軸に磁界H、縦軸に磁化Mをとり、2001に示す磁界領域については測定結果を、2002に示す磁界領域については完全着磁曲線推定部により算出された結果をプロットしており、妥当な完全飽和磁化曲線が得られている様子がわかる。
【0139】
図21の(a)は初磁化過程計算部による初磁化過程計算後、(b)は残留磁化計算部による残留磁化計算後、(c)は減磁過程計算部による減磁過程計算後の磁石内の磁化分布を矢印で表示した図を示す。また図21(d)は減磁過程計算部における減磁過程計算で得られた磁化分布の結果を用いて磁石単体での磁束の様子を図にしたものである。
【0140】
このように、各計算部の結果を結果を図にして表示することで、着磁計算過程を非常に分かり易く知ることができる。
【0141】
図22は磁石単体での磁石表面の磁束密度分布を実験結果と比較したものである。実測値に対して極めてよく一致する計算結果が得られていることがわかる。以上述べてきた本着磁計算方法に対して、計算を行うのに必要なデータをまとめると図23の通りである。ここにあげたデータは比較的容易に測定、調査または決定できるものばかりである。
【0142】
【実施形態2】
上記実施形態1の着磁電流波形計算部では、LCR回路のうち、着磁器のインダクタンスL、コンデンサの容量C、コイルの抵抗Rをユーザが指定し、コンデンサ両端子間の電圧をプログラム内部で調整することにより、ユーザの指定した着磁電流波形のピーク値を求めた。
【0143】
しかし、これは電源回路中のコンデンサ両端子間の電圧をユーザが指定し、コイルの抵抗(電源回路全体からみたときのコイルの抵抗)をプログラム内部で調整することにより、ユーザの指定した着磁電流波形のピーク値を求めてもよい。
なお本方法を実現するに当たっての着磁電流波形計算部における処理の流れを計算の流れを図24に示す。図3との違いは、ステップS2403においてコイルの抵抗(R)の初期値を設定し、ステップS2408において コイルの抵抗Rを更新するように変更する点である。これによって、着磁計算を行うのに必要なデータは図25に示す通りで、着磁器のコイル抵抗ではなく、着磁器のコンデンサ両端子間の電圧を読み込む。
【0144】
本例のようにすることで、着磁回路中のコイルの抵抗が不明な場合にも簡単に計算を行うことが可能になる。
【0145】
【実施形態3】
上記実施形態1では、(4−8)式に示したように、異方性磁界を最大磁化点に比例すると仮定した。本仮定は次式(4−8)’に示すように、異方性磁界を最大磁化点を通る減磁曲線の飽和磁束密度M(M)に比例するとした方がより正確である。
【0146】
【数式50】
Figure 0004683591
そして、本仮定を用いた減磁曲線は、次の手順で求めることができる。
(i)(4−3)、(4−5)式より磁化回転角ωを求め、(4−6)式より可逆磁化回転領域における磁化回転角φを求める。
(ii)飽和磁化M(M)を適当な値(M程度)に設定する。
(iii)(4−7)、(4−8)’式により異方性磁界H(M)を求める。
(iv)(4−1)式を用いて、最大磁化点(H、M)における(H=H)磁化回転角φを求める。これは上記(A−1)〜(A−4)式を用いて求めることができる。
(v)(4−2)式において、φ=φ、M=Mとおいて、飽和磁化M(M)を求める。本値は式(4−9)の通りである。
(vi)求まった飽和磁化M(M)を用いて(iii)〜(v)の計算を再び行う。本処理を飽和磁化M(M)が十分収束するまで繰り返す。
(vii)求まった異方性磁界H(M)、飽和磁化M(M)を用いて、任意の磁界Hに対して(4−1)式により磁化回転角φを求めた後、(4−2)式を用いて磁化Mを求める。
【0147】
また、(iii)〜(v)の収束解として得られたφを用いて、(4−10)式により残留磁化M(M)を求めることができる。
【0148】
【実施形態4】
上記実施形態1乃至3では、着磁計算を行う方法及び手順等について、着磁計算装置を構成する着磁電流波形計算部、完全着磁曲線推定部、初磁化過程計算部、残留磁化計算部、減磁過程計算部の5つの部分について説明を行ってきた。
【0149】
本実施形態では、これらの構成部分を実際に組み込んだモジュール、及び装置全体の構成について説明する。
【0150】
図26は装置を構成するモジュール、入力データファイル、結果データファイル及び着磁計算の流れを説明する図である。図中符号がPから始まるものは実効形式のプログラムモジュールを示し、Qから始まるものはユーザが用意すべき入力データ、Rから始まるものはプログラムが吐き出すファイルである。
【0151】
P02は上述の着磁電流波形計算部を組み込んだ着磁電流波形計算モジュールであり、P03は完全着磁曲線推定部を組み込んだ完全着磁曲線推定モジュールであり、P04は初磁化過程計算モジュールを組み込んだ初磁化過程計算モジュールであり、P05は残留磁化計算モジュールと減磁過程計算モジュールを組み込んだ残留磁化・減磁過程計算モジュールである。またここでは新たにP01に示す着磁分割モデル自動生成モジュールを付加している。本モジュールは着磁磁石の極数、直径、着磁器のコイルの太さ、スロット当たりのコイルの巻き数を入力データとして、それにあった形状の分割モデルを内部で自動的に生成するものである。モータ等に使用する磁石としては一般的に円筒形をしたものが多く、このようにあらかじめ決まった形状の磁石を着磁する場合に、それにあった着磁器の分割モデルを生成するものである。
【0152】
Q01は着磁器の形状を表すデータファイルであり、Q02は着磁器の電源回路のデータファイルであり、Q03は磁石の初磁化曲線を表す点列(磁界と磁化の組み合わせ、または磁界と磁束密度の組み合わせ)のデータである。Q04は磁石のメジャーループの形状を表すデータである。Q03とQ04は磁石の磁気特性をBHカーブトレーサー等で測定して得られるものである。
【0153】
Q02の着磁器の電源回路データの具体的な内容の一例を図28(a)に示す。着磁電流の目安値2801、コイルの巻き数2802、着磁電流のピーク値2803、コンデンサの容量2804、コンデンサ充電時の両端子電圧2805のデータが入っている。
【0154】
Q03の磁石の初磁化曲線を表す点列のデータの例を図28(b)に示す。点列データとして、磁界Hと磁束密度Bの組が10個設定されている。
【0155】
Q04の磁石のメジャーループの形状を表すデータの例を図28(c) に示す。可逆磁化回転領域の最小磁界H(2806)、残留磁化M(2807)、及びχrec(2808)が入っている。
【0156】
なおここでは、着磁ヨークの磁気特性と導電率及び磁石の導電率はプログラムモジュールP02〜P05の中に内蔵されているものとする。
【0157】
このようにデータを磁石の特性データと着磁器の特性データとで分けて管理することで、管理が行い易く、使い易いシステムとなる。
【0158】
次にこれらの入力データ及びプログラムモジュールを用いて実際に着磁計算を行う際の手順及びデータの流れについて説明する。
【0159】
ユーザはまず着磁器分割モデル自動生成モジュールP01を起動する。すると本モジュールはデータQ01をファイルから読み込み、その内容に従って着磁器の分割モデルのファイルR01を出力する。図27(a)に生成した分割モデルの一例を示す。
【0160】
図27(b)は分割モデル中での材料分布を分かり易くするために表示した図である。なお、実際に分割モデルを表示する際には、材料ごとに異なる色で表示すると分かり易く、特に本着磁計算においては、永久磁石2701、着磁ヨーク2702、空気2703、+コイル2704及び−コイル2705で色を変えて表示するとよい。
【0161】
ユーザは次に着磁電流波形計算モジュールP02を起動する。本モジュールは着磁器の電源回路データQ02をファイルから読み込み、計算された着磁電流波形を初磁化過程計算モジュールの入力フォーマットに沿って初磁化計算用入力ファイルの雛形R02として出力する。
【0162】
次にユーザは完全着磁曲線推定モジュールP03を起動する。本モジュールは磁石の初磁化曲線データファイルQ03、磁石のメジャーループデータファイルQ04、及び初磁化計算用入力ファイルの雛形R02を読み込み、ファイルR02の内容に、ここで求めた完全着磁曲線を付加して、初磁化計算用入力データR03として出力する。
【0163】
次にユーザは初磁化過程計算モジュールP04を起動する。本モジュールは着磁電流波形データと完全着磁曲線のはいった初磁化計算用入力データR03と磁石のメジャーループデータファイルQ04、及び着磁器の分割モデルファイルR01を読み込んだ後、内蔵する
初磁化過程計算部により、初磁化を計算し、初磁化ファイルR04を出力する。なお初磁化ファイルR04には分割モデルデータも含まれている。
【0164】
最後にユーザは残留磁化・減磁過程計算モジュールを起動する。本モジュールは初磁化ファイルR04を読み込み、内蔵された残留磁化計算部、減磁過程計算部により、残留磁化と減磁過程を経た磁化分布を計算し、夫々ファイルR05とファイル06に出力する。
【0165】
残留磁化計算部と減磁過程計算部が同一のモジュール内にあることで、両者間で引き渡されるべきデータである磁化容易軸の方向Θ 、残留磁化M(M) 、異方性磁界H(M)は、ファイルを介してではなく、モジュール内部で引き渡される。
【0166】
ここには表示していないが、ファイルR02を用いて図20に示すような経過時間×電流値の着磁電流波形をグラフ表示するモジュール、ファイルR03を用いて完全着磁曲線を図20に示すような磁界×磁化の磁化曲線をグラフ表示するモジュール、ファイルR04、R05、R06の磁化分布の様子をそれぞれベクトル表示するモジュールを用意しておく。
【0167】
このように図化モジュールを用意しておくことで、着磁計算過程を非常に分かり易く追跡することが可能となる。なおこれらの図化モジュールの機能は、上記5つの計算モジュール機能の一部として、中に含めてもよい。
【0168】
本実施形態で説明したように、着磁計算過程に沿って着磁計算を行うモジュールをいくつかに分割しておき、それぞれを独立なプログラムとすることによって、一部のデータだけを変更して計算する際の重複計算の無駄が削除できるとともに、計算過程を逐一追跡しながらの着磁計算が可能となる。
【0169】
【他の実施形態】
また、本発明の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
【0170】
この場合、記憶媒体から読出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【0171】
プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMなどを用いることができる。
【0172】
また、コンピュータが読出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(オペレーティングシステム)などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【0173】
さらに、記憶媒体から読出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【0174】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば既存の汎用磁界計算ソルバーを用いて磁石の磁化分布を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の着磁電流波形計算部で解く回路図である。
【図3】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の着磁電流波形計算部の行う処理フローを示す図である。
【図4】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の着磁電流波形計算部において1/H外挿により飽和磁化を求める方法を説明する図である。
【図5】磁化曲線の可逆磁化回転領域を説明する図である。
【図6】χを説明する図である。
【図7】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の完全磁化曲線推定部の行う処理フローを示す図である。
【図8】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の初磁化過程計算部の内容を説明する磁化回転モデルの説明図である。
【図9】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の初磁化過程計算部の行う処理フローを示すである。
【図10】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の残留磁化の計算方法を説明する図である。
【図11】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の残留磁化計算部の行う処理フローを示す図である。
【図12】異方性磁石の減磁過程を説明する図である。
【図13】χrecを説明する図である。
【図14】Heffの積分の計算を説明する図である。
【図15】等方性磁石の減磁過程を説明する図である。
【図16】減磁過程の磁化の回転を基準軸から測った角度で説明する図である。
【図17】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の減磁過程計算部の行う処理フローを示す図である。
【図18】本発明の実施形態1にかかる着磁器分割モデルの一例を示す図である。
【図19】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の電流波形の計算結果の一例を示す図である。
【図20】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の完全飽和磁化曲線推定部の結果の一例を示す図である。
【図21】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置の初磁化過程計算部、残留磁化計算部、減磁過程計算部の結果の一例を示す図である。
【図22】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置により得られた磁石の磁化分布を用いて磁石単体での表面磁束密度分布を求めた結果の一例を示す図である。
【図23】本発明の実施形態1にかかる磁化分布算出装置が必要とする入力データの一覧を示す図である。
【図24】本発明の実施形態2にかかる磁化分布算出装置の着磁電流波形計算部の行う処理フローを示す図である。
【図25】本発明の実施形態2の磁化分布算出装置の着磁電流計算手段が必要とする入力データの一覧を示す図である。
【図26】本発明の実施形態4にかかる磁化分布算出装置の構成する主要モジュールとデータの流れの一例を示す図である。
【図27】本発明の実施形態4にかかる磁化分布算出装置の着磁器の分割モデルの一例を示す図である。
【図28】本発明の実施形態4にかかる磁化分布算出装置の着磁計算を行う入力データファイルの一例を示す図である。
【符号の説明】
101 CPU
102 表示装置
103 入力装置
104 外部記憶装置
105 メモリ
106 バス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for obtaining a magnetization distribution by applying a magnetic field to a magnetic material and performing magnetization.
[0002]
[Prior art]
In recent years, many attempts have been made to simulate the hysteresis phenomenon of magnets by numerical analysis for designing devices such as magnetic recording and electromagnetic actuators. In particular, there is a VMSW method as one of methods for obtaining a magnetization distribution in a magnet when a hard magnetic material is magnetized by applying a strong magnetic field.
[0003]
This method is based on a technique for expressing hysteresis characteristics as a set of SW models (Stoner and Wahlfarth model) representing magnetization rotation behavior of uniaxial anisotropic crystal grains, and each magnetization is variable. This is a technique that has been modified. The concrete contents of this method are as follows: “Mori: A new static magnetic field analysis method for anisotropic materials and its verification by magnetization vector measurement, Electrotechnical Society study material, Static / Rotating Machine Joint Study Group SA-91-6, RM-91-15, pp51-60 (1991) ", and" Mori: a new static magnetic field analysis method II of anisotropic materials, IEEJ Technical Committee Materials, Static / Rotating Machine Joint Technical Committee SA-91-25, RM-91-88, pp97-106 (1991) ", in which analysis of magnetization and demagnetization processes of permanent magnets is performed.
[0004]
In addition, “M. Enokizono et al .: Magnetic Field Analysis of Anisotropic Permanent Magnets Problems by Fine Element Method 16, M. Eng. : Magnetic field analysis on anisotropic permanent magnet problem, Magnetic Society of Japan MAG-96-251, pp21-30 (1996) "Calculation of magnet magnetization and demagnetization process using VMSW method" The result of having performed is reported.
[0005]
However, in any of the above techniques, it was necessary to newly develop a dedicated magnetic field analysis solver (device) using the VMSW method in order to determine the magnetization distribution, and the load was large. In addition, a magnetizing current waveform is required as input data, and therefore measurement is required in advance.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a magnetization distribution calculation processing device capable of calculating the magnetization distribution of a magnet using an existing general-purpose magnetic field calculation solver.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, for example, a magnetization distribution calculation processing device of the present invention has the following configuration. That is,
A magnetization distribution calculating device for calculating a magnetization distribution in a magnetic material when the magnetic material is magnetized by applying a magnetic field by a magnetizer,
The magnetic material is divided into a finite number of elements, a transient analysis of the applied magnetic field is performed when a magnetic field is applied from the magnetizer to each element that is not magnetized, and the maximum magnetic field for each element is extracted, Initial magnetization process calculation means for calculating the maximum magnetization point for each element based on the maximum magnetic field and the characteristics of the magnetic material;
Residual magnetization calculation means for calculating the residual magnetization of each element based on the maximum magnetization point of each element calculated by the initial magnetization process calculation means and the characteristics of the magnetic material;
A demagnetization process calculation unit that calculates a change in magnetization of each element due to a magnetic field generated by the residual magnetization of each element calculated by the residual magnetization calculation unit.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0009]
Embodiment 1
FIG. 1 is a block diagram showing a magnetization distribution calculating apparatus according to an embodiment of the present invention. A central processing unit (CPU) 101 that controls the overall operation is connected via a bus 106 to a display device 102 that displays analysis results and an input device 103 that is input by an analyst. Similarly, a magnetism calculation program is stored through the bus, various information at the time of control operation is stored and read out, memory 104, data that does not fit in the system, and external data that stores data even after the system is terminated A storage device 105 is connected.
[0010]
As shown in FIG. 1, the magnetization distribution calculation program is composed of five parts: a magnetization current waveform calculation unit, a complete magnetization curve estimation unit, an initial magnetization process calculation unit, a residual magnetization calculation unit, and a demagnetization process calculation unit. The As shown in FIG. 1, the data to be used are as follows: 1) Initial magnetization curve, 2) Minimum magnetic field H in the reversible magnetization rotation region.b3) Residual magnetization Mr4) χrec5) There are five types of magnet conductivity, and data indicating the configuration of the magnetizer, etc. 1) Divided model of the magnetizer, 2) BH characteristics and conductivity of the magnetized yoke, 3) Number of turns of the coil, 4 6) coil resistance, 5) capacitor capacity, and 6) peak value of magnetizing current.
[0011]
In the following, detailed description will be given individually for each of the five calculation units that calculate the magnetization distribution of the magnet using the data indicating the characteristics of the magnet and the configuration of the magnetizer.
[0012]
1. Magnetization current waveform calculator
The magnetizing current waveform calculating unit is a processing means for obtaining a magnetizing current waveform (magnetizing current waveform) when magnetizing the magnet based on the data on the configuration of the magnetizing unit. The basic formula used in the above and the flow of processing will be described.
[0013]
The power circuit of the magnetizer is expressed as an LCR circuit as shown in FIG. 2, and magnetization is performed by discharging a capacitor having a capacitance C having a charge Q through a coil having a resistance R and an inductance L. The equation (basic equation) of the power supply circuit at this time is as shown in equation (1-1).
[0014]
[Formula 1]
Figure 0004683591
This differential equation is divided into the following three cases according to R and 2√ (L / C).
[0015]
[Formula 2]
Figure 0004683591
[0016]
[Formula 3]
Figure 0004683591
[0017]
[Formula 4]
Figure 0004683591
In the above equation, the inductance L of the magnetizer actually varies depending on the degree of magnetization saturation of the magnetizer, but here it is treated as constant (value when a constant current specified by the user is passed). .
[0018]
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for calculating a magnetizing current waveform using the basic expressions (1-2) to (1-4). The contents will be described below.
[0019]
In step S301, magnetizer body data and power supply circuit data are read into the memory as data indicating the configuration of the magnetizer. Specifically, a magnetizer split model for the magnet body, a BH characteristic and conductivity of the magnetizing yoke, the number of turns of the coil, a guideline (a constant value) of the magnetizing current, and a coil resistance R for the power supply circuit, The capacitance C of the capacitor and the peak value I of the magnetizing current.
[0020]
In step S302, magnetic field calculation is performed by the finite element method based on the magnet body data read in step S301, and the inductance L of the magnetizer is calculated. As a guide for the magnetizing current, a weak current that does not allow the magnetizing yoke to reach the saturation region may be used.
[0021]
In step S303, an initial value of the both-terminal voltage V of the capacitor of the power supply circuit is set. The initial value may be about 1V.
[0022]
In step S304, the charge amount Q of the capacitor of the power supply circuit is obtained from the capacitance C of the capacitor of the power supply circuit read in step S301 and the value of the both-terminal voltage V of the capacitor of the power supply circuit set in step S303.
[0023]
In step S305, the magnetizing current waveform is obtained by the above equations (1-2) to (1-4).
[0024]
In step S306, the peak value of the magnetizing current waveform obtained in step S305 is determined as J.peakSet as.
[0025]
In step S307, the J set in step S306 is set.peakIs compared with the peak value of the magnetizing current designated by the user (the peak value I of the magnetizing current read in step S301). If there is a sufficient match, the magnetization current waveform obtained in step S306 is taken as the final result (step S307).
[0026]
On the other hand, in step S308, JpeakHowever, if it does not coincide with the peak value of the magnetizing current specified by the user, the capacitor both-terminal voltage V of the power supply circuit is changed (step S308), and the process is repeated until they coincide.
[0027]
Here, the finite element method is used to calculate the inductance L of the magnetizer in step S302, but other methods such as a boundary element method, an integration method, and a difference method may be used.
[0028]
2. Complete magnetization curve estimator
The complete magnetization curve estimator obtains a magnetization curve (curve indicating the state of magnetization M when the magnet is magnetized by applying a magnetic field H) necessary for calculating the magnetization distribution. The magnetization curve (BH curve) When a sufficient magnetic field (high magnetic field) is not applied to reach saturation magnetization in the measurement of, it is possible to extrapolate the magnetized curve (low magnetic field curve) of the magnet that has already been measured to the fully magnetized part Is a processing means for estimating.
[0029]
The flow of processing will be described below after showing the method and the validity of the method.
[0030]
1) Method for estimating the fully magnetized part
In estimating the fully magnetized portion, the BH curve is assumed to be expressed by the following Stoner-Wohlfart equation. Where HAIs the anisotropic magnetic field of the magnet. The method will be described below.
[0031]
[Formula 5]
Figure 0004683591
In introducing the Stoner-Wohlfart equation, first, the saturation magnetization Msis required. Here, it is determined by one of the following two methods.
[0032]
a. Assuming an isotropic magnet, simply the residual magnetization Mr2 times.
b. As shown in FIG. 4, 1 / H from the initial magnetization curve ((a) diagram).2Obtained by extrapolation (approximate the complete magnetization curve with a quadratic curve) (FIG. 5B).
[0033]
Here, FIG. 4A is a magnetization curve when the magnetic field H is taken on the horizontal axis and the magnetization M is taken on the vertical axis, and FIG. 4B is 1 / H on the horizontal axis.2Is obtained by plotting each point based on the magnetization curve of FIG. 4A and approximating it with a quadratic curve.2Value of magnetization M when = 0, that is, saturation magnetization MsIt is a figure for seeking.
[0034]
The present invention is basically applicable to isotropic magnets, but the method b can be applied even when there is a slight anisotropy. By allowing the user to select, the range of use is expanded.
[0035]
Next obtained saturation magnetization MsAnd the remanent magnetization M of the measured valuerUsing the squareness ratio Rs(0.5 when the above a is used), and the magnetization M with respect to the magnetic field H of the portion where there is no measured value of the magnetization curve is obtained by the following procedure.
[0036]
(I) Reversible magnetization rotation region (region in which the hysteresis loop of the magnetization curve at the time of magnetization and the magnetization curve at the time of demagnetization becomes one in the magnetization curve. That is, as shown in FIG.b, Mb) Above point) any point (Hf, Mf) First, an arbitrary point (Hf, Mf) Magnetization rotation angle φfNext, the anisotropic magnetic field H is calculated by the equation (2-6)AAsk for.
[0037]
Here, FIG. 5 is a magnetization curve when the horizontal axis represents the magnetic field H and the vertical axis represents the magnetization M. The magnetization curve at the time of magnetization and the reversible magnetization rotation region or more (Hb) And the magnetization curve (demagnetization curve) at the time of demagnetization when demagnetized after application of the magnetic field ofsIs saturation magnetization, MrIndicates remanent magnetization.
[0038]
In addition, the equation (2-5) is changed from the equation (2-2) to M = MfIs substituted for the magnetization rotation angle φ, and (2-6) is expressed as H = H in equation (2-1).fIs substituted for anisotropic magnetic field HAIt was solved.
[0039]
Further, when there are a plurality of points in the reversible magnetization rotation region, their anisotropic magnetic field HA(Ie, the magnetic field H in the input data)bUse all the points above).
[0040]
[Formula 6]
Figure 0004683591
(Ii) Anisotropic magnetic field H obtained in (i) aboveAIs used to determine the magnetization rotation angle φ with respect to the magnetic field H of the portion where there is no measured value of the magnetization curve (see the description below), and the magnetization M is determined from the equation (2-2). In (ii), the Stoner-Wohlfart equation of the following formula (A-1) is replaced with the magnetic field H and the anisotropic magnetic field H.AIt is necessary to determine the magnetization rotation angle φ when.
[0041]
[Formula 7]
Figure 0004683591
Here, by placing (A-1) as shown in (A-2) and (A-3), using Newton's method, starting from φ = 0 and repeating (A-4) Then, the magnetization rotation angle φ is obtained.
[0042]
[Formula 8]
Figure 0004683591
By the above method, the magnetization M with respect to the magnetic field H is obtained. In general, the magnetization curve has a saturation magnetization M as the magnetic field H increases.sThe degree of change becomes smaller. Therefore, when the magnetization curve is expressed by a finite number of points, the part where the magnetic field H is larger can be expressed by a smaller number of points by increasing the interval between the points. At this time, in the method of obtaining the magnetic field H by applying the magnetization M, it is difficult to apply the magnetization M (saturation magnetization MsAccording to this method, since the magnetic field H is applied, the distance between the points can be easily set large, so that it is very convenient.
[0043]
2) Validity of the method for estimating the fully magnetized part
Next, a method for confirming the validity of the extrapolated portion of the BH curve obtained by the Stoner-Wohlfart equation of 1) above will be described.
[0044]
[Formula 9]
Figure 0004683591
Anisotropic magnetic field H calculated by equation (2-6)AIs the demagnetization curve MrThe gradient of the tangent at the point χr(FIG. 6 shows a magnetization curve (demagnetization curve) at the time of demagnetization, and the magnetization M when the magnetic field H = 0 is represented by M.r, MrThe slope of the demagnetization curve at the point χr)) And is known to be represented by the following equation: In the formula, <> means a spatial average value, and the value of <> is zero for a completely anisotropic magnet and 2/3 for a completely isotropic magnet.
[0045]
The value of <> is expressed by the following equation for the representative particle model described later.
[0046]
[Formula 10]
Figure 0004683591
Therefore, the anisotropic magnetic field H obtained by the above equation (2-6)AObtained by substituting into the equation (2-7)r(The following formula (2-10)) and χ of the measured magnetization curver, The validity of the complete magnetization portion of the magnetization curve estimated above can be confirmed.
[0047]
For isotropic magnets, in the calculation of <> in the formula (2-10), there are two methods: 2/3 and (2-9). The difference is small and either may be adopted.
[0048]
[Formula 11]
Figure 0004683591
[0049]
3) Flow of estimation process for fully magnetized parts
Next, a specific procedure of the process for estimating the fully magnetized portion will be described below with reference to FIG.
[0050]
In step S701, the initial magnetization curve and the minimum magnetic field (Hb), Remanent magnetization MrIs loaded into memory. These are all data obtained by measurement.
[0051]
In step S702, the magnetization M is obtained for the data of each point constituting the magnetization curve read in step S701.
[0052]
In step S703, saturation magnetization M is performed by the method a or b described above.sIn step S704, the squareness ratio RsAsk for.
[0053]
In step S705, an average magnetization rotation angle ω is obtained from the equation (2-3). In step S706, the anisotropy magnetic field H in the reversible magnetization rotation region is expressed by the equations (2-5) and (2-6).AAsk for.
[0054]
In step S707, the magnetization M with respect to the magnetic field H of the area | region without a measurement point is calculated | required by (2-1) Formula and (2-2) Formula.
[0055]
In step S708, the remanent magnetization M in the magnetization curve from the equation (2-10).rSlope χ of demagnetization curve at pointrAsk for.
[0056]
3. Initial magnetization process calculator
The initial magnetization process calculation unit divides the magnet into a finite number of elements, and performs a transient analysis of the applied magnetic field when a magnetic field H is applied to each element from a state of magnetization 0 by a general method such as a finite element method. In this process, the maximum magnetic field for each element is extracted by using a simple magnetic field calculation, and the magnetization (maximum magnetization point) for each element is calculated based on the maximum magnetic field and the characteristics of the magnet. Below, after showing the grounds that general magnetic field calculation such as the finite element method can be used, the processing procedure in the initial magnetization process calculation unit will be described.
[0057]
1) Grounds for using general magnetic field calculations such as the finite element method
As shown in FIG. 8, an external magnetic field H is applied to a magnetic piece of unit volume.0Is applied and the change in free energy of the system when the average magnetization M is induced is expressed by the following equation (here, thermal and mechanical effects are not considered).
[0058]
[Formula 12]
Figure 0004683591
Here, the integral term of this equation is expressed as “demagnetizing field HdEnergy "and" effective magnetic field H "effFor convenience, it can be expressed as equation (3-2).
[0059]
[Formula 13]
Figure 0004683591
Next, consider each term on the right side of equation (3-2).
[0060]
First, the main axis of the demagnetizing factor tensor is the a-axis, b-axis direction, and the main value is Na, Nb(Nb≧ Na), The demagnetizing field energy is expressed as the sum of the energy when Mcos (θ−φ) is present in the a-axis direction and when magnetization Msin (θ−φ) is present in the b-axis direction according to the superposition principle. Can be expressed as Here, the direction of each vector is as shown in FIG. 8, when the magnetization easy axis direction and the magnetization difficult axis direction are taken as indicated by broken line arrows, respectively, with respect to the magnetic piece of the unit volume indicated by the hatched area, Of the principal axes of the demagnetizing factor tensor, the angle between the a axis and the easy magnetization axis direction is φ, the angle between the magnetization M direction and the easy magnetization axis direction is θ, and the external magnetic field HOAnd Ω is the easy axis direction of magnetization. Also, μ0Is the permeability of the vacuum.
[0061]
[Formula 14]
Figure 0004683591
Next, the magnetization energy is the effective magnetic field HeffThe components of the easy magnetization axis direction and the hard magnetization axis direction of H are respectively He, HhAnd the magnetization component M in each directione, MhIs replaced by M cos θ and M sin θ, as follows.
[0062]
[Formula 15]
Figure 0004683591
On the other hand, the external magnetic field HOThe mutual energy is as follows.
[0063]
[Formula 16]
Figure 0004683591
From the above, the following specific expression (3-7) of the free energy U is obtained.
[0064]
[Formula 17]
Figure 0004683591
Apply the variational principle to equation (3-7). That is, by calculating ∂U / ∂M = 0 and ∂U / ∂θ = 0, the following equations (3-8) and (3-9) are derived.
[0065]
[Formula 18]
Figure 0004683591
In order to obtain the magnetization M of the anisotropic magnetic piece, the simultaneous equations may be solved. Here, consider the case of a lump of magnetic material made of an isotropic material. At this time, with respect to the shape anisotropy in the minute part inside the magnetic body,
[0066]
[Formula 19]
Figure 0004683591
As good as Because it is isotropic,
[0067]
[Formula 20]
Figure 0004683591
It is. Accordingly, the expression (3-9) is expressed as follows.
[0068]
[Formula 21]
Figure 0004683591
Therefore, the expression (3-13) is derived.
[0069]
[Formula 22]
Figure 0004683591
From (3-13), magnetization M, external magnetic field H0, Demagnetizing field Hd, Effective magnetic field HeffIt can be seen that the directions are all the same. On the other hand, at this time, the expression (3-8) is as follows.
[0070]
[Formula 23]
Figure 0004683591
Where demagnetizing field Hd, Effective magnetic field HeffSince (3-15) and (3-16) are as shown above, (3-14) is changed to (3-17).
[0071]
[Formula 24]
Figure 0004683591
Magnetization M, external magnetic field H0, Demagnetizing field Hd, Effective magnetic field HeffIn the case of an isotropic magnet lump, the magnetization M and the effective magnetic field H in the equations (3-8) and (3-9)effThis relationship is the same as the magnetization phenomenon of the isotropic soft magnetic material.
[0072]
Therefore, the initial magnetization process of the isotropic magnet can be obtained by a general magnetic field calculation such as a finite element method by treating the magnet portion as a soft magnetic material having the initial magnetization curve of the magnet.
[0073]
In addition, when the initial magnetization process is calculated transiently, such as a change in magnetization current with time and eddy current, a problem arises as to which magnetization should be used. Therefore, here, the maximum value during the passage of time is adopted for each element when the magnetic field calculation is performed by the finite element method.
[0074]
In addition, by this initial magnetization process, magnetization reversal occurs in the particles having a predetermined distribution among the magnetizations of the respective particles, and as a result, the vector sum of the particle magnetization is a finite value M.mThe future explanation will be given.
[0075]
2) Processing procedure in the initial magnetization process calculator
Next, a specific processing procedure in the initial magnetization process calculation unit will be described with reference to FIG.
[0076]
In step S901, the magnetizer body data is read into the memory as data indicating the configuration of the magnetizer. Specifically, it is the result obtained by the magnetizing current waveform calculation unit as the magnetizer division model in the magnet body, the BH characteristics and conductivity of the magnetizing yoke, the number of turns of the coil, and the magnetizing current waveform.
[0077]
In step S902, as the magnet characteristic data, the complete magnetization curve obtained by the complete magnetization curve estimation unit and the conductivity of the magnet are read into the memory.
[0078]
In step S903, magnetic field calculation is performed by a finite element method or the like. The calculation is a nonlinear transient analysis that takes into account the eddy current and saturation of the yoke and magnet.
[0079]
In step S904, the peak value of the magnetic flux density change over time of each element is determined as the maximum magnetic flux density point BmAnd the maximum magnetic flux density point BmBased on the maximum magnetization point MmIs stored in an external storage device.
[0080]
4). Residual magnetization calculator
The residual magnetization calculator is a processing means for determining the residual magnetization of the magnet when the magnetic field is set to 0 after applying a predetermined magnetic field and magnetizing the magnet, and the maximum magnetization point M determined by the initial magnetization process calculator.mIs calculated based on the magnetization curve. The basic formula and the maximum magnetization point M are as follows:mThe flow of processing in the residual magnetization calculation unit will be described after showing the procedure for obtaining the magnetization curve passing through.
[0081]
1) Basic equation in the remanent magnetization calculator
Maximum magnetization point in the first quadrant of the magnet's demagnetization curve (Hm, Mm) To just before the steeply descending portion in the second quadrant, it can be reproduced by the simultaneous magnetization rotation model of the next single domain particle, that is, the Stoner-Wohlfart equation. In Expression (4-1), H is an external magnetic field.
[0082]
[Formula 25]
Figure 0004683591
Where HA(Mm) Is the maximum magnetization point (Hm, Mm) Is an anisotropic magnetic field in a demagnetization curve passing through. Ms(Mm) In the magnetization curve shown in FIG.m, Mm) Is the saturation magnetization of the demagnetization curve passing throughs(Mm) Is the squareness ratio of the demagnetization curve. These values depend on the magnetization reversal state in the initial magnetization process, and the maximum magnetization point (Hm, Mm).
[0083]
Here, it is assumed that the squareness ratio of the demagnetization curve for each maximum magnetization point does not depend on the maximum magnetization point and is constant as follows (same as the value of the equation (2-4)).
[0084]
[Formula 26]
Figure 0004683591
When the demagnetization curve is a major loop magnetization curve (the major loop magnetization curve is a magnetic field greater than or equal to the reversible magnetization rotation region (ie, HbConsidering the magnetization and demagnetization curve when demagnetized after application), the minimum magnetization point (Hb, Mb), The magnetization rotation angle φb(4-2) from (4-2), and the anisotropic magnetic field H in this state at this timeA(Mb) Is represented by equation (4-7) from equation (4-1).
[0085]
[Formula 27]
Figure 0004683591
Where anisotropic magnetic field HA(Mb) Is assumed to be proportional to the maximum magnetization point as in the following equation.
[0086]
[Formula 28]
Figure 0004683591
As described above, an arbitrary maximum magnetization point (Hm, Mm), The demagnetization curve can be reproduced.
[0087]
2) Maximum magnetization point MmTo find the magnetization curve through
Maximum magnetization point MmThe procedure for determining the magnetization curve through
(I) The magnetization rotation angle ω is obtained from the equations (4-3) and (4-5), and the magnetization rotation angle φ in the reversible magnetization rotation region is obtained from the equation (4-6).bAsk for. And the anisotropic magnetic field H is obtained by the equations (4-7) and (4-8).A(Mm)
[0088]
(Ii) Using the equation (4-1), the maximum magnetization point (Hm, Mm(H = H)m) Magnetization rotation angle φmAsk for. This can be obtained using the above-described equations (A-1) to (A-4).
[0089]
(Iii) In the equation (4-2), φ = φm, M = MmSaturation magnetization Ms(Mm) This value is as the following formula (4-9).
[0090]
(Iv) After obtaining the magnetization rotation angle φ by the equation (4-1) for an arbitrary magnetic field H, the magnetization M is obtained by using the equation (4-2).
[0091]
[Formula 29]
Figure 0004683591
Magnetization at H = 0 in this demagnetization curve (residual magnetization Mr(Mm)) Corresponds to the case of φ = 0 in equation (4-2) (← Equation (4-1) becomes φ = 0 when H = 0), and equation (4-2) shows (4 It can be obtained by the following equation (4-10) substituting equation -9).
[0092]
[Formula 30]
Figure 0004683591
[0093]
3) Process flow in the residual magnetization calculator
Next, a specific procedure in the residual magnetization calculation unit will be described below with reference to FIG. In step S1101, the minimum magnetic field H of the reversible rotational magnetization region, which is the magnetization curve data of the permanent magnet.b, Remanent magnetization Mr, Saturation magnetization Ms, ΧrecAnd the magnetization curve including the complete magnetization obtained by the complete magnetization curve estimation unit is read into the memory.
[0094]
In step S1102, the residual magnetization M read in step S1101.rAnd saturation magnetization MsBased on the squareness ratio RsAsk for. Generally, the value is close to 0.5.
[0095]
In step S1103, the maximum magnetization point value M of each element obtained by the initial magnetization process calculation unit.mIs read.
[0096]
In step S1104, the maximum magnetization point M read in step S1103.mThe direction of the magnetization vector atm(This is because the direction of the easy axis of magnetization is necessary for the remanent magnetization process described later).
[0097]
In step S1105, the anisotropic magnetic field H of each element is as follows.A(Mm) And residual magnetization Mr(Mm)
(I) The magnetization rotation angle ω is obtained from the equation (4-3).
(Ii) According to equations (4-6) and (4-7), HA(Ms)
(Iii) For each element, the residual magnetization Mr(Mm)
a. Maximum magnetization point M read in step S1103mH for valuemThe value is obtained from the complete magnetization curve.
b. According to the formula (4-8), HA(Mm)
c. According to equation (4-1), the magnetization rotation angle φmAsk for.
d. According to the formula (4-10), Mr(Mm)
[0098]
In step S1106, the easy axis direction Θ of each elementm, Remanent magnetization Mr(Mm) And anisotropic magnetic field HA(Mm) To an external storage device.
[0099]
5. Demagnetization process calculator
The demagnetization process calculation unit calculates the residual magnetization of each element calculated by the residual magnetization calculation unit and each element having the residual magnetization when a magnetic field generated by the magnetization of each element is applied. It is a processing means for calculating the magnetization. In the following, a process for deriving a basic equation for obtaining the magnetization distribution of the demagnetization process will be described, and the processing procedure in the demagnetization process calculation unit will be described.
[0100]
1) Basic formula for obtaining the magnetization distribution in the demagnetization process
When calculating the demagnetization process, the starting point is the residual angle θrRemanent magnetization M withrIn this state, the magnetization rotation angle θ is measured from the easy magnetization axis. And the magnetization is (Mr, Θr) Is the change in the free energy density when the state changes from the state (before change) to the state (M, θ) (state after change). The work required for magnetization in the absence of a demagnetizing field isrWork U required to change from M to M along the easy axis of magnetizationmagAnd M is θrWork shifted from direction (anisotropic energy Uaniso) And approximate. Then, the change U of free energy density can be expressed by the sum of the following four contributions.
[0101]
[Formula 31]
Figure 0004683591
Udemag Is a so-called change in demagnetizing field energy and is expressed by the following equation.
[0102]
[Formula 32]
Figure 0004683591
a and b are main values N of the demagnetizing field tensor.a, NbRepresents the direction of (Na≦ Nb). Since the magnetizations M and θ (angles between the magnetization M and the easy axis direction) in the changed state are unknowns, the magnetizations included in this equation can be replaced as follows. Here, φ is an angle (<90 deg) formed by the easy axis direction of magnetization and the demagnetizing field tensor a direction, and Ma, MbIs the component in each axial direction of the demagnetizing field tensor of magnetization in the state after change, Mar, MbrIs the axial component of the demagnetizing field tensor of the magnetization in the state before the change, θrIs the magnetization M in the state before the change.rAnd the angle formed by the axis of easy magnetization (FIG. 12). Also, μ0Is the permeability of the vacuum.
[0103]
[Formula 33]
Figure 0004683591
The expression (5-2) is expressed as follows by the expression (5-3).
[0104]
[Formula 34]
Figure 0004683591
Then UmagIn order to express this specifically, the main part of the magnetization easy axis direction magnetization curve is approximated by a straight line. That is,
[0105]
[Formula 35]
Figure 0004683591
This χrecIs the slope of this straight line, the point just before the bent part in the second quadrant and the residual magnetization MrThe slope of the straight line connecting the points (FIG. 13). Thus, UmagIs expressed by the following equation. FIG. 14 is a diagram showing the contents of integration of this equation.magIs nothing but the shaded portion in FIG.
[0106]
[Formula 36]
Figure 0004683591
Anisotropic energy UanisoHere, it is expressed as follows assuming that the anisotropy field is constant in the section before the steep descent part of the demagnetization curve.
[0107]
[Formula 37]
Figure 0004683591
On the other hand, the mutual energy with the external magnetic field is as follows.
[0108]
[Formula 38]
Figure 0004683591
From the above, the specific expression of U is as follows.
[0109]
[Formula 39]
Figure 0004683591
The variational principle is applied to this U. That is, by obtaining 方程式 U / ∂M = 0 and ∂U / ∂θ = 0, the following simultaneous equations for determining M and θ are obtained.
[0110]
[Formula 40]
Figure 0004683591
In order to obtain the magnetization of the anisotropic magnet, the simultaneous equations may be solved.
Here, a magnet made of an isotropic material is considered. At this time, for the shape anisotropy in the minute part inside the magnet,
[0111]
[Formula 41]
Figure 0004683591
As good as Because it is isotropic,
[0112]
[Formula 42]
Figure 0004683591
It is. From this, the expressions (5-10) and (5-11) are as follows.
[0113]
[Formula 43]
Figure 0004683591
Here, the effective magnetic field in the minute part inside the magnet is expressed as H.effThen, HeffIs the external magnetic field H0And demagnetizing field HdThe direction component parallel to the magnetization M is expressed as Heffθ, The vertical direction component is Heff⊥Then, each is described as follows. Where H, HIs a directional component parallel to the magnetization M of the external magnetic field and the demagnetizing field, H0⊥, Hd⊥Is a vertical component.
[0114]
[Formula 44]
Figure 0004683591
As a result, the expressions (5-14) and (5-15) are expressed as follows.
[0115]
[Equation 45]
Figure 0004683591
By solving this equation, M and θ are obtained.
Next, when applying the equations (5-18) and (5-19) to the magnetic field distribution expressed with respect to the reference coordinate axis (here, the direction of the X-axis of the orthogonal coordinate system is the reference axis) Will be described.
[0116]
As shown in FIG. 16, the easy axis direction is Θ with respect to the reference axis.mH measured from the reference axis (X axis)eff, The direction of magnetization Meff, Θ, the magnetic field H = (Hx, Hy) Can be expressed as follows: In other words, the magnetic field H = (Hx, HyH)effAnd ΘeffIs decided.
[0117]
[Formula 46]
Figure 0004683591
Next, H found hereeffAnd ΘeffTo use the magnetic field H = (Heffθ, Heff⊥) Is obtained as follows. Here, θ is an angle formed by the magnetization easy axis direction and the magnetization M, and ΩeffIs the easy axis of magnetization and the effective magnetic field HeffThe angle between
[0118]
[Formula 47]
Figure 0004683591
Thus, with respect to the magnetic field H expressed in an orthogonal coordinate system with the X-axis direction as a reference, using equations (5-20) to (5-25), Heffθ, Heff⊥Wanted.
[0119]
Therefore, if the magnetization rotation angle θ is obtained using the equation (5-19) and the magnetization M is obtained using (5-18), the magnetization M = (Mx, My) Is obtained.
[0120]
[Formula 48]
Figure 0004683591
As the magnetization after demagnetization, the magnetic field H = (Hx, Hy) May satisfy self-consistent magnetization M (M and θ) such that equations (5-18) and (5-19) are satisfied.
[0121]
In the case of an isotropic magnet, the direction of the easy axis of the main demagnetization process ΘmMay take the direction of the magnetic field immediately after the initial magnetization process, as in equation (5-13).
[0122]
In order to obtain the self-consistent magnetization M (M and θ), calculation is performed in the following procedure.
(I) Magnetization M of each element obtained in the remanent magnetization process0Is the direction of the easy axis of magnetization, and ΘmAsk for.
(Ii) Magnetization M0Is set to the initial value of the magnetization M after demagnetization to be obtained.
(Iii) For each element, an angle θ between the magnetization M and the easy magnetization axis obtained in (i) is obtained. This θ is 0 for the first time, and after repeating (x), is the value of θ obtained in (viii).
(Iv) Using the magnetization M, calculate the magnetic field of the magnet alone by the finite element method.
(V) If necessary, post-processing after magnetic field calculation is performed to obtain a magnetic field result. More specifically, for example, when the finite element method is used for the magnetic field calculation, the magnetic flux density B is obtained.0+ χrec)
(Vi) Magnetic field H = (Hx, Hy) To H using the formulas (5-20) to (5-22)effAnd ΘeffAsk for.
(Vii) From equation (5-25), ΩeffAnd H from the equations (5-23) and (5-24)effθ, Heff⊥Ask for.
(Viii) Find θ from equation (5-19), and find magnetization M from (5-18). Here, the anisotropic magnetic field HAThe H calculated in (4-8)A(Mm).
(Ix) Θ is obtained from the equation (5-28), and a new magnetization M is obtained from the equations (5-26) and (5-27).
(X) Using the new magnetization M obtained in (ix), (iii) to (vii) are repeated until a self-consistent magnetization M is obtained. Actually, when new θ and M are obtained by iteration (viii), the old θ and M are not updated (replaced) as they are, but only the fluctuation amount of 0.2 to 0.8 is corrected. Convergence is improved by introducing a relaxation coefficient.
[0123]
[Formula 49]
Figure 0004683591
[0124]
2) Process flow in the remanent magnetization calculator
Based on the above, the residual magnetization calculation unit performs processing in the flow shown in FIG.
[0125]
In step S1701, the easy magnetization axis Θ obtained by the residual magnetization process calculatormDirection, remanent magnetization Mr(Mm), Anisotropic magnetic field HAThe result of is read into memory.
[0126]
In step S1702, initial values of magnetization magnitude M and direction θ are set. The size is Mr(Mm), The direction is the direction (θ = 0) coinciding with the easy axis of magnetization.
[0127]
In step S1703, the magnetization vector is converted into x, y components (Mx, My).
[0128]
In step S1704, the magnetization distribution (Mx, My) To calculate the magnetic field of a single magnet. A general magnetic field calculation solver such as the finite element method is used.
[0129]
In step S1705, the magnetic flux density (Bx, By) To magnetic field (Hx, Hy)
[0130]
In step S1706, the magnetic field (Hx, Hy) Based on equations (5-20) to (5-22)eff, ΘeffAsk for.
[0131]
In step S1707, Ω is calculated according to equations (5-23) to (5-25).eff, Heffθ, Heff⊥Ask for.
[0132]
In step S 1708, a new magnetization magnitude M and direction θ are obtained using equations (5-18) and (5-19).
[0133]
In step S1709, it is determined whether or not the magnetization size M and the direction θ have sufficiently converged. If the convergence is insufficient, the process returns to step S1703, and the processing from step S1703 to step S1708 is repeated. On the other hand, if it is determined in step S1709 that the magnetization M and the direction θ have sufficiently converged, the process proceeds to step S1710, and the magnetization vector is calculated from the equations M5-26 and 5-27 from the magnetization M and the direction θ. The obtained magnetization distribution is output to an external storage device.
[0134]
Here, when calculating the demagnetization process, the point immediately before the bent portion of the second quadrant of the demagnetization curve and the residual magnetization MrThe slope of the line connecting the pointsrecIn general, this gradient is χ obtained by the complete magnetization curve estimator.r(Equation (2-10)) has almost the same value, and χrMay be substituted.
[0135]
Further, in the formulas (5-20) to (5-28), the calculation has been limited to two dimensions on the xy plane, but for easy understanding, this is expanded to a three-dimensional formula, In the step of S1704, it is easy to obtain a three-dimensional magnetization distribution by using a three-dimensional magnetic field calculation solver. Therefore, the formulas (5-20) to (5-28) used in the above calculation procedure are not limited to the two-dimensional notation as described, but also include formulas expanded to three dimensions.
[0136]
Magnetization of a permanent magnet having a cylindrical shape using the magnetization calculation device having the above-described magnetization current waveform calculation unit, complete magnetization curve estimation unit, initial magnetization process calculation unit, residual magnetization calculation unit, and demagnetization process calculation unit An example of calculation is shown.
[0137]
FIG. 18 shows an example of a divided model of a magnetizer, in which 1801 is a coil and 1802 is a magnet. FIG. 19 shows the calculation result of the magnetizing current waveform calculation unit of the current waveform when a current is passed through a capacitor connected to the present magnetizer. Peak current (Jpeak) Is 10 kA, and it is confirmed that the current waveform is close to the actual measurement value.
[0138]
FIG. 20 shows the result of creating a complete saturation magnetization curve based on the initial magnetization curve obtained by the measurement. Taking the magnetic field H on the horizontal axis and the magnetization M on the vertical axis, the measurement result is plotted for the magnetic field region shown in 2001, and the result calculated by the complete magnetization curve estimation unit is plotted for the magnetic field region shown in 2002. It can be seen that a complete saturation magnetization curve is obtained.
[0139]
21A shows the magnet after the initial magnetization process calculation by the initial magnetization process calculation unit, FIG. 21B shows the magnet after the demagnetization process calculation by the demagnetization process calculation unit, and FIG. 21C shows the magnet after the demagnetization process calculation by the demagnetization process calculation unit. The figure which displayed the magnetization distribution in the inside with the arrow is shown. FIG. 21D shows the state of magnetic flux in a single magnet using the result of magnetization distribution obtained by the demagnetization process calculation in the demagnetization process calculation unit.
[0140]
In this way, by displaying the result of each calculation unit in the form of a graph, it is possible to know the magnetization calculation process very easily.
[0141]
FIG. 22 compares the magnetic flux density distribution on the magnet surface with a single magnet with the experimental results. It can be seen that a calculation result that matches the measured value very well is obtained. FIG. 23 summarizes data necessary for the calculation for the magnetization calculation method described above. The data listed here is relatively easy to measure, investigate or determine.
[0142]
Embodiment 2
In the magnetization current waveform calculation unit of the first embodiment, the user specifies the inductance L of the magnetizer, the capacitance C of the capacitor, and the resistance R of the coil in the LCR circuit, and adjusts the voltage between both terminals of the capacitor within the program. As a result, the peak value of the magnetizing current waveform designated by the user was obtained.
[0143]
However, this is because the user specifies the voltage between both terminals of the capacitor in the power supply circuit, and adjusts the coil resistance (coil resistance when viewed from the whole power supply circuit) within the program, so that the magnetization specified by the user The peak value of the current waveform may be obtained.
Note that FIG. 24 shows the flow of processing in the magnetizing current waveform calculation unit for realizing this method. The difference from FIG. 3 is that the initial value of the resistance (R) of the coil is set in step S2403 and the coil resistance R is updated in step S2408. As a result, the data necessary for performing the magnetization calculation is as shown in FIG. 25, and the voltage between the capacitor terminals of the magnetizer is read instead of the coil resistance of the magnetizer.
[0144]
By making it like this example, even if the resistance of the coil in a magnetizing circuit is unknown, it becomes possible to calculate easily.
[0145]
Embodiment 3
In the first embodiment, it is assumed that the anisotropic magnetic field is proportional to the maximum magnetization point as shown in the equation (4-8). In this assumption, as shown in the following equation (4-8) ', the saturation magnetic flux density M of the demagnetization curve passing through the anisotropic magnetic field through the maximum magnetization point.s(Mm) Is more accurate.
[0146]
[Formula 50]
Figure 0004683591
And the demagnetization curve using this assumption can be calculated | required in the following procedure.
(I) The magnetization rotation angle ω is obtained from the equations (4-3) and (4-5), and the magnetization rotation angle φ in the reversible magnetization rotation region is obtained from the equation (4-6).bAsk for.
(Ii) Saturation magnetization Ms(Mm) To an appropriate value (MsDegree).
(Iii) An anisotropic magnetic field H according to equations (4-7) and (4-8) 'A(Mm)
(Iv) Using the equation (4-1), the maximum magnetization point (Hm, Mm(H = H)m) Magnetization rotation angle φmAsk for. This can be obtained using the above equations (A-1) to (A-4).
(V) In the equation (4-2), φ = φm, M = MmSaturation magnetization Ms(Mm) This value is as shown in Formula (4-9).
(Vi) Obtained saturation magnetization Ms(Mm) To (iii) to (v) again. Saturation magnetization Ms(Mm) Repeat until it converges sufficiently.
(Vii) The obtained anisotropic magnetic field HA(Mm), Saturation magnetization Ms(Mm) Is used to determine the magnetization rotation angle φ with respect to an arbitrary magnetic field H using the equation (4-1), and then the magnetization M is determined using the equation (4-2).
[0147]
In addition, φ obtained as a convergence solution of (iii) to (v)mAnd the remanent magnetization M according to the equation (4-10)r(Mm).
[0148]
Embodiment 4
In the first to third embodiments, the magnetization current waveform calculation unit, the complete magnetization curve estimation unit, the initial magnetization process calculation unit, and the remanent magnetization calculation unit that constitute the magnetization calculation device for the method and procedure for performing the magnetization calculation The five parts of the demagnetization process calculation unit have been described.
[0149]
In the present embodiment, a configuration in which these components are actually incorporated and a configuration of the entire apparatus will be described.
[0150]
FIG. 26 is a diagram for explaining a module, an input data file, a result data file, and a flow of magnetization calculation constituting the apparatus. In the figure, the code starting with P indicates an effective format program module, the one starting with Q is input data to be prepared by the user, and the one starting with R is a file discharged by the program.
[0151]
P02 is a magnetization current waveform calculation module incorporating the above-described magnetization current waveform calculation unit, P03 is a complete magnetization curve estimation module incorporating a complete magnetization curve estimation unit, and P04 is an initial magnetization process calculation module. P05 is a remanent magnetization / demagnetization process calculation module incorporating a remanence magnetization calculation module and a demagnetization process calculation module. In addition, a magnetized division model automatic generation module shown in P01 is newly added here. This module automatically generates a segmented model of the appropriate shape using the number of magnetized magnet poles, diameter, magnetizer coil thickness, and number of coil turns per slot as input data. . Many magnets used for motors and the like are generally cylindrical, and when magnets having such a predetermined shape are magnetized, a divided model of the magnetizer corresponding to the magnet is generated.
[0152]
Q01 is a data file representing the shape of the magnetizer, Q02 is a data file of the power circuit of the magnetizer, and Q03 is a point sequence representing the initial magnetization curve of the magnet (combination of magnetic field and magnetization, or magnetic field and magnetic flux density). Data). Q04 is data representing the shape of the major loop of the magnet. Q03 and Q04 are obtained by measuring the magnetic characteristics of the magnet with a BH curve tracer or the like.
[0153]
An example of specific contents of the power supply circuit data of the Q02 magnetizer is shown in FIG. The data includes a guide value 2801 of the magnetizing current, the number of turns 2802 of the coil, a peak value 2803 of the magnetizing current, a capacity 2804 of the capacitor, and a voltage 2805 at the time of charging the capacitor.
[0154]
FIG. 28B shows an example of point sequence data representing the initial magnetization curve of the Q03 magnet. Ten sets of magnetic field H and magnetic flux density B are set as the point sequence data.
[0155]
An example of data representing the shape of the major loop of the Q04 magnet is shown in FIG. Minimum magnetic field H in the reversible magnetization rotation regionb(2806), residual magnetization Mr(2807), and χrec(2808) is included.
[0156]
Here, it is assumed that the magnetic characteristics and conductivity of the magnetized yoke and the conductivity of the magnet are built in the program modules P02 to P05.
[0157]
Thus, by managing the data separately for the magnet characteristic data and the magnetizer characteristic data, the system is easy to manage and easy to use.
[0158]
Next, a description will be given of a procedure and a data flow when actually performing magnetization calculation using these input data and program modules.
[0159]
The user first activates the magnetizer split model automatic generation module P01. Then, this module reads the data Q01 from the file, and outputs the file R01 of the magnetizer division model according to the contents. FIG. 27A shows an example of the generated division model.
[0160]
FIG. 27B is a diagram displayed for easy understanding of the material distribution in the divided model. When the divided model is actually displayed, it is easy to understand if it is displayed in a different color for each material. In particular, in this magnetization calculation, the permanent magnet 2701, the magnetization yoke 2702, the air 2703, the + coil 2704, and the −coil. In 2705, the color may be changed and displayed.
[0161]
Next, the user activates the magnetization current waveform calculation module P02. This module reads the power circuit data Q02 of the magnetizer from the file and outputs the calculated magnetization current waveform as a template R02 of the input file for initial magnetization calculation in accordance with the input format of the initial magnetization process calculation module.
[0162]
Next, the user activates the complete magnetization curve estimation module P03. This module reads the magnet initial magnetization curve data file Q03, the magnet major loop data file Q04, and the initial magnetization calculation input file template R02, and adds the complete magnetization curve obtained here to the contents of the file R02. And output as initial magnetization calculation input data R03.
[0163]
Next, the user activates the initial magnetization process calculation module P04. This module is loaded after reading the magnetizing current waveform data and the complete magnetization curve input data R03 for initial magnetization, the major loop data file Q04 of the magnet, and the divided model file R01 of the magnetizer.
The initial magnetization process calculation unit calculates the initial magnetization and outputs the initial magnetization file R04. The initial magnetization file R04 also includes division model data.
[0164]
Finally, the user activates the residual magnetization / demagnetization process calculation module. This module reads the initial magnetization file R04, calculates the magnetization distribution through the residual magnetization and the demagnetization process by the built-in residual magnetization calculation unit and demagnetization process calculation unit, and outputs them to the file R05 and the file 06, respectively.
[0165]
Since the remanent magnetization calculation unit and the demagnetization process calculation unit are in the same module, the direction Θ of the easy axis that is the data to be passed between themm , Remanent magnetization Mr(Mm), Anisotropic magnetic field HA(Mm) Is passed inside the module, not via a file.
[0166]
Although not displayed here, FIG. 20 shows a complete magnetization curve using a file R03, a module for displaying a graph of the magnetized current waveform of elapsed time × current value as shown in FIG. 20 using the file R02. A module for graphically displaying such a magnetic field × magnetization magnetization curve and a module for displaying the magnetization distribution states of the files R04, R05, and R06 as vectors are prepared.
[0167]
By preparing the plotting module in this way, the magnetization calculation process can be traced very easily. The functions of these plotting modules may be included as part of the above five calculation module functions.
[0168]
As explained in the present embodiment, the module for performing magnetization calculation is divided into several along the magnetization calculation process, and by making each an independent program, only a part of the data is changed. It is possible to eliminate the waste of duplicate calculation at the time of calculation, and it is possible to perform magnetization calculation while tracking the calculation process one by one.
[0169]
[Other Embodiments]
Another object of the present invention is to supply a storage medium storing software program codes for implementing the functions of the above-described embodiments to a system or apparatus, and the computer (or CPU or MPU) of the system or apparatus stores the storage medium. Needless to say, this can also be achieved by reading and executing the program code stored in the.
[0170]
In this case, the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiments, and the storage medium storing the program code constitutes the present invention.
[0171]
As a storage medium for supplying the program code, for example, a floppy disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a CD-R, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, or the like can be used.
[0172]
Further, by executing the program code read by the computer, not only the functions of the above-described embodiments are realized, but also an OS (operating system) operating on the computer based on the instruction of the program code. It goes without saying that a case where the function of the above-described embodiment is realized by performing part or all of the actual processing and the processing is included.
[0173]
Further, after the program code read from the storage medium is written into a memory provided in a function expansion board inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, the function expansion is performed based on the instruction of the program code. It goes without saying that the CPU or the like provided in the board or the function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing.
[0174]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to calculate the magnetization distribution of a magnet using an existing general-purpose magnetic field calculation solver.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a magnetization distribution calculating apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram solved by a magnetization current waveform calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a processing flow performed by a magnetization current waveform calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the 1 / H in the magnetization current waveform calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention;2It is a figure explaining the method of calculating | requiring saturation magnetization by extrapolation.
FIG. 5 is a diagram illustrating a reversible magnetization rotation region of a magnetization curve.
FIG. 6rFIG.
FIG. 7 is a diagram showing a processing flow performed by a complete magnetization curve estimation unit of the magnetization distribution calculating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a magnetization rotation model for explaining the contents of an initial magnetization process calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a process performed by an initial magnetization process calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a residual magnetization calculation method of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a processing flow performed by a residual magnetization calculator of the magnetization distribution calculating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining a demagnetization process of an anisotropic magnet.
FIG. 13recFIG.
FIG. 14 HeffIt is a figure explaining calculation of integration.
FIG. 15 is a diagram illustrating a demagnetization process of an isotropic magnet.
FIG. 16 is a diagram for explaining rotation of magnetization in a demagnetization process at an angle measured from a reference axis.
FIG. 17 is a diagram illustrating a processing flow performed by a demagnetization process calculation unit of the magnetization distribution calculation device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a magnetizer division model according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a calculation result of a current waveform of the magnetization distribution calculating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a result of a complete saturation magnetization curve estimation unit of the magnetization distribution calculating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram illustrating an example of results of an initial magnetization process calculation unit, a residual magnetization calculation unit, and a demagnetization process calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a result of obtaining a surface magnetic flux density distribution of a single magnet using the magnetization distribution of the magnet obtained by the magnetization distribution calculating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a diagram showing a list of input data required by the magnetization distribution calculating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a diagram showing a process flow performed by a magnetization current waveform calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a diagram showing a list of input data required by a magnetization current calculation unit of the magnetization distribution calculation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a diagram illustrating an example of main modules and data flow included in the magnetization distribution calculating apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a divided model of a magnetizer of a magnetization distribution calculating apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a diagram showing an example of an input data file for performing magnetization calculation of the magnetization distribution calculating apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 CPU
102 Display device
103 Input device
104 External storage device
105 memory
106 Bus

Claims (26)

着磁器によって磁性材料に磁界を印加し着磁したときの、該磁性材料における磁化分布を算出する磁化分布算出装置であって、
前記磁性材料を有限個の要素に分割し、磁化していない各要素に対して前記着磁器より磁界を印加した場合の印加磁界の過渡解析を行い、各要素ごとの最大磁界を抽出し、該最大磁界と前記磁性材料の特性とに基づいて各要素ごとに最大磁化点を算出する初磁化過程計算手段と、
前記初磁化過程計算手段により算出された各要素の最大磁化点と、前記磁性材料の特性とに基づいて各要素の残留磁化を算出する残留磁化計算手段と、
を備えることを特徴とする磁化分布算出装置。
A magnetization distribution calculating device for calculating a magnetization distribution in a magnetic material when the magnetic material is magnetized by applying a magnetic field by a magnetizer,
The magnetic material is divided into a finite number of elements, a transient analysis of the applied magnetic field is performed when a magnetic field is applied from the magnetizer to each element that is not magnetized, and the maximum magnetic field for each element is extracted, Initial magnetization process calculation means for calculating the maximum magnetization point for each element based on the maximum magnetic field and the characteristics of the magnetic material;
Residual magnetization calculation means for calculating the residual magnetization of each element based on the maximum magnetization point of each element calculated by the initial magnetization process calculation means and the characteristics of the magnetic material;
A magnetization distribution calculating device comprising:
前記残留磁化計算手段により算出された各要素の残留磁化と、該残留磁化を有する各要素に、該各要素の磁化が発生する磁界が印加された場合の前記各要素の磁化を算出する減磁過程計算手段を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の磁化分布算出装置。Demagnetization for calculating the residual magnetization of each element calculated by the residual magnetization calculating means and the magnetization of each element when a magnetic field generated by the magnetization of each element is applied to each element having the residual magnetization The magnetization distribution calculation apparatus according to claim 1, further comprising a process calculation unit. 前記残留磁化計算手段は、
前記初磁化過程計算手段により算出された最大磁化点と、該最大磁化点をとおる減磁曲線とに基づいて、前記印加磁界が除去された場合の残留磁化を算出することを特徴とする請求項に記載の磁化分布算出装置。
The residual magnetization calculation means includes
The residual magnetization when the applied magnetic field is removed is calculated based on a maximum magnetization point calculated by the initial magnetization process calculation means and a demagnetization curve passing through the maximum magnetization point. 2. The magnetization distribution calculating device according to 2.
前記残留磁化計算手段において、
前記最大磁化点における磁界をH、磁化をMとした場合の前記残留磁化曲線は、
前記磁性材料に飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式乃至(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、前記磁化Mとに基づいて(4−7)式および(4−8)式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式よりH=Hとおいて最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−2)式において、φ=φ、M=Mとおいて、最大磁化点をとおる減磁曲線の飽和磁化M(M)をもとめ、
任意の磁界Hに対して(4−1)式により磁化回転角φをもとめた後、(4−2)式を用いて磁化Mをもとめることにより、もとめることを特徴とする請求項3に記載の磁化分布算出装置。
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculating means,
The residual magnetization curve when the magnetic field at the maximum magnetization point is H m and the magnetization is M m is:
Based on equations (4-3) to (4-5), the magnetization rotation angle is based on the saturation magnetization M s on the magnetic material and the residual magnetization M r when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material. Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
From the equations (4-7) and (4-8) based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and the magnetization M m. Find the anisotropic magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained by setting H = H m from the equation (4-1),
In equation (4-2), when φ = φ m and M = M m , the saturation magnetization M s (M m ) of the demagnetization curve passing through the maximum magnetization point is obtained,
4. The magnetic field H is obtained by obtaining the magnetization M by using the equation (4-2) after obtaining the magnetization rotation angle φ by the equation (4-1) with respect to an arbitrary magnetic field H. Magnetization distribution calculation device.
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
前記残留磁化計算手段において、
前記磁界H、前記磁化Mを有する前記最大磁化点における前記残留磁化M(M)は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式および(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、前記磁化Mとに基づいて(4−7)式および(4−8)式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式よりH=Hとおいて最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−10)式を用いてもとめることを特徴とする請求項4に記載の磁化分布算出装置。
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculating means,
The residual magnetization M r (M m ) at the maximum magnetization point having the magnetic field H m and the magnetization M m is:
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) and (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
From the equations (4-7) and (4-8) based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and the magnetization M m. Find the anisotropic magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained by setting H = H m from the equation (4-1),
5. The magnetization distribution calculation apparatus according to claim 4, wherein the equation (4-10) is also used.
Figure 0004683591
前記残留磁化計算手段において、
前記最大磁化点における磁界をH、磁化をMとした場合の該最大磁化点を通る前記減磁曲線は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式および(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、所定の値を設定したM(M)とに基づいて(4−7)式および(4−8)’式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式よりH=Hとおいて最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−2)式において、φ=φ、M=Mとおいて、最大磁化点を通る減磁曲線の飽和磁化M(M)をもとめ、
任意の磁界Hに対して(4−1)式により磁化回転角φをもとめた後、(4−2)式を用いて磁化Mをもとめることによりもとめることを特徴とする請求項3に記載の磁化分布算出装置。
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculating means,
When the magnetic field at the maximum magnetization point is H m and the magnetization is M m , the demagnetization curve passing through the maximum magnetization point is
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) and (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
Based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and M s (M m ) in which a predetermined value is set, formula (4-7) And the anisotropy magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point from the equation (4-8) ′,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained by setting H = H m from the equation (4-1),
In equation (4-2), when φ = φ m and M = M m , the saturation magnetization M s (M m ) of the demagnetization curve passing through the maximum magnetization point is obtained,
4. The magnetic field H is obtained by obtaining the magnetization M by using the equation (4-2) after obtaining the magnetization rotation angle φ by the equation (4-1) with respect to an arbitrary magnetic field H. Magnetization distribution calculation device.
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
前記残留磁化計算手段において、
前記磁界H、前記磁化Mを有する前記最大磁化点に対する前記残留磁化M(M)は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式および(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、所定の値を設定したM(M)とに基づいて(4−7)式および(4−8)’式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式よりH=Hとおいて最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−10)式を用いてもとめることを特徴とする請求項6に記載の磁化分布算出装置。
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculating means,
The residual magnetization M r (M m ) for the maximum magnetization point having the magnetic field H m and the magnetization M m is:
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) and (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
Based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and M s (M m ) in which a predetermined value is set, formula (4-7) And the anisotropy magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point from the equation (4-8) ′,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained by setting H = H m from the equation (4-1),
The magnetization distribution calculation apparatus according to claim 6, wherein the equation (4-10) is also used.
Figure 0004683591
前記減磁過程計算手段において、
前記磁性材料の各要素の磁化容易軸が所定の基準軸に対してΘの角度を有し、かつ残留磁化Mを有した状態で放置した場合のx方向成分Mとy方向成分Mを有する磁化M、および該磁化Mと基準軸とのなす角度Θを、
1)前記磁化Mと前記磁化容易軸とのなす角度θに所定の値を入力し、
2)前記磁化Mに所定の値を入力した場合の前記磁性材料の各要素の磁場を算出し、
3)前記磁場に基づいて前記各要素の磁界Hのx方向成分H、y方向成分Hをもとめ、
4)前記H、Hに基づいて、(5−20)式乃至(5−22)式より、有効磁界Heffおよび該有効磁界Heffと前記基準角とのなす角度Θeffをもとめ、
5)前記有効磁界Heffと前記角度Θeffとに基づいて、(5−23)式乃至(5−25)式より、Ωeff、Heffθ、Heff⊥をもとめ、
前記Ωeff、前記Heffθ、前記Heff⊥に基づいて、(5−19)式より、前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をHに代入したうえでθをもとめ、さらに、(5−18)式より、磁化Mをもとめ、(5−26)式乃至(5−28)式より、新たなM、Mをもとめ、
前記5)でもとめた新たなM、Mを有する磁化Mを用いて、前記1)乃至5)を、自己無撞着な磁化Mがえられるまでくりかえすことでもとめることを特徴とする請求項5または7に記載の磁化分布算出装置。
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
In the demagnetization process calculation means,
The x-direction component M x and the y-direction component M when the easy axis of each element of the magnetic material has an angle of Θ m with respect to a predetermined reference axis and the residual magnetization M r is left as it is. a magnetization M having y, and an angle Θ between the magnetization M and the reference axis,
1) A predetermined value is input to an angle θ formed by the magnetization M and the easy axis,
2) Calculate the magnetic field of each element of the magnetic material when a predetermined value is input to the magnetization M,
3) Find the x-direction component H x and the y-direction component H y of the magnetic field H of each element based on the magnetic field,
4) Based on the H x and H y , the effective magnetic field H eff and the angle Θ eff formed by the effective magnetic field H eff and the reference angle are obtained from the equations (5-20) to (5-22),
5) on the basis of the effective magnetic field H eff and the said angle theta eff, (5-23) from the equation to (5-25) below, Ω eff, H effθ, determined the H eff⊥,
The Omega eff, the H Effshita, based on the H Eff⊥, determined to θ in terms of the assignment (5-19) from the equation, the anisotropic magnetic field at maximum magnetization point H A a (M m) to H A further, (5-18) from equation obtains the magnetization M, (5-26) from the equation to (5-28) below, obtains the new M x, M y,
Claims wherein 5) Any new M x which stopped using the magnetization M with M y, the 1) to 5), characterized in that the finding by repeating until self-consistent magnetization M will be obtained The magnetization distribution calculation apparatus according to 5 or 7.
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
デカルト座標系で表現することを特徴とする請求項8に記載の磁化分布算出装置。The magnetization distribution calculating apparatus according to claim 8, wherein the magnetization distribution calculating apparatus is expressed in a Cartesian coordinate system. 前記(5−20)式乃至(5−28)式を3次元に拡張した式を用いることを特徴とした請求項9に記載の磁化分布算出装置。10. The magnetization distribution calculation apparatus according to claim 9, wherein an expression obtained by extending the expressions (5-20) to (5-28) in three dimensions is used. 前記2)の各要素の磁場の算出にあたっては、有限要素法、積分法、差分法、境界要素法のいずれかを使用することを特徴とする請求項8に記載の磁化分布算出装置。9. The magnetization distribution calculation apparatus according to claim 8, wherein the calculation of the magnetic field of each element of 2) uses any one of a finite element method, an integration method, a difference method, and a boundary element method. 前記5)でもとめた新たなM、Mを有する磁化Mを用いて、前記1)乃至5)を、自己無撞着な磁化Mがえられるまでくりかえすにあたり、あらたにもとめたM、Mに所定の係数を乗じることを特徴とする請求項8に記載の磁化分布算出装置。When repeating the above 1) to 5) until the self-consistent magnetization M is obtained by using the magnetization M having the new M x and M y stopped in the above 5), the newly acquired M x and M The magnetization distribution calculation apparatus according to claim 8, wherein y is multiplied by a predetermined coefficient. 着磁器によって磁性材料に磁界を印加し着磁したときの、該磁性材料における磁化分布を算出する磁化分布算出方法であって、
初磁化過程計算手段が、前記磁性材料を有限個の要素に分割し、磁化していない各要素に対して前記着磁器より磁界を印加した場合の印加磁界の過渡解析を行い、各要素ごとの最大磁界を抽出し、該最大磁界と前記磁性材料の特性とに基づいて各要素ごとに最大磁化点を算出する初磁化過程計算工程と、
残留磁化計算手段が、前記初磁化過程計算工程により算出された各要素の最大磁化点と、前記磁性材料の特性とに基づいて各要素の残留磁化を算出する残留磁化計算工程と、
を備えることを特徴とする磁化分布算出方法。
A magnetization distribution calculation method for calculating a magnetization distribution in a magnetic material when the magnetic material is magnetized by applying a magnetic field by a magnetizer,
The initial magnetization process calculation means divides the magnetic material into a finite number of elements, performs a transient analysis of the applied magnetic field when a magnetic field is applied from the magnetizer to each element that is not magnetized, and An initial magnetization process calculation step of extracting a maximum magnetic field and calculating a maximum magnetization point for each element based on the maximum magnetic field and the characteristics of the magnetic material;
A residual magnetization calculating means for calculating a residual magnetization of each element based on the maximum magnetization point of each element calculated by the initial magnetization process calculating step and the characteristics of the magnetic material;
A magnetization distribution calculation method comprising:
前記残留磁化計算工程により算出された各要素の残留磁化と、該残留磁化を有する各要素に前記着磁器より磁界が印加された場合の各要素の磁化を算出する減磁過程計算工程を更に備えることを特徴とする請求項13に記載の磁化分布算出方法A demagnetization process calculating step of calculating a residual magnetization of each element calculated by the residual magnetization calculating step and a magnetization of each element when a magnetic field is applied to each element having the residual magnetization from the magnetizer; The magnetization distribution calculation method according to claim 13. 前記残留磁化計算工程は、
前記初磁化過程計算工程により算出された最大磁化点と、該最大磁化点をとおる減磁曲線とに基づいて、前記印加磁界が除去された場合の残留磁化を算出することを特徴とする請求項14に記載の磁化分布算出方法。
The residual magnetization calculation step includes:
The residual magnetization when the applied magnetic field is removed is calculated based on the maximum magnetization point calculated by the initial magnetization process calculation step and a demagnetization curve passing through the maximum magnetization point. 14. The magnetization distribution calculation method according to 14 .
前記残留磁化計算工程において、
前記最大磁化点における磁界をH、磁化をMとした場合の前記残留磁化曲線は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式乃至(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、前記磁化Mとに基づいて(4−7)式および(4−8)式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式よりH=Hとおいて最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−2)式において、φ=φ、M=Mとおいて、最大磁化点をとおる減磁曲線の飽和磁化M(M)をもとめ、
任意の磁界Hに対して(4−1)式により磁化回転角φをもとめた後、(4−2)式を用いて磁化Mをもとめることにより、もとめること特徴とする請求項15に記載の磁化分布算出方法。
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculation step,
The residual magnetization curve when the magnetic field at the maximum magnetization point is H m and the magnetization is M m is:
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) equation to (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
From the equations (4-7) and (4-8) based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and the magnetization M m. Find the anisotropic magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained by setting H = H m from the equation (4-1),
In equation (4-2), when φ = φ m and M = M m , the saturation magnetization M s (M m ) of the demagnetization curve passing through the maximum magnetization point is obtained,
16. The magnetic field H is obtained by obtaining the magnetization M using the equation (4-2) after obtaining the magnetization rotation angle φ by the equation (4-1) for an arbitrary magnetic field H. Magnetization distribution calculation method.
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
前記残留磁化計算工程において、
前記磁界H、前記磁化Mを有する前記最大磁化点における前記残留磁化は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式および(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、前記磁界Mとに基づいて(4−7)式および(4−8)式より前記最大磁化点(H、M)における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式よりH=Hとおいて最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−10)式を用いて残留磁化M(M)をもとめることを特徴とする請求項16に記載の磁化分布算出方法。
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculation step,
The residual magnetization at the maximum magnetization point having the magnetic field H m and the magnetization M m is:
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) and (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
From the equations (4-7) and (4-8), based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and the magnetic field M m. Find the anisotropic magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point (H m , M m ),
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained by setting H = H m from the equation (4-1),
The method of calculating a magnetization distribution according to claim 16, wherein the residual magnetization M r (M m ) is obtained using the equation (4-10).
Figure 0004683591
前記残留磁化計算工程において、
前記最大磁化点における磁界をH、磁化をMとした場合の該最大磁化点を通る前記減磁曲線は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式および(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hに対する磁化Mと前記飽和磁化Mとに基づいて(4−6)式より磁化回転角φをもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、所定の値を設定したM(M)とに基づいて(4−7)式および(4−8)’式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式より最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−2)式において、φ=φ、M=Mとおいて、前記最大磁化点を通る減磁曲線の飽和磁化M(M)をもとめ、
任意の磁界Hに対して(4−1)式により磁化回転角φをもとめた後、(4−2)式を用いて磁化Mをもとめることによりもとめることを特徴とする請求項15に記載の磁化分布算出方法。
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculation step,
When the magnetic field at the maximum magnetization point is H m and the magnetization is M m , the demagnetization curve passing through the maximum magnetization point is
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) and (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
Based on the magnetization M b with respect to the magnetic field H b at a predetermined magnetization point and the saturation magnetization M s when a magnetic field of a reversible magnetization rotation region or more is applied to the magnetic material, the magnetization rotation angle φ b from the equation (4-6) Seeking
Based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and M s (M m ) in which a predetermined value is set, formula (4-7) And the anisotropy magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point from the equation (4-8) ′,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained from the equation (4-1),
In equation (4-2), when φ = φ m and M = M m , the saturation magnetization M s (M m ) of the demagnetization curve passing through the maximum magnetization point is obtained,
16. The magnetic field H is obtained by obtaining the magnetization M by using the equation (4-2) after obtaining the magnetization rotation angle φ by the equation (4-1) with respect to an arbitrary magnetic field H. Magnetization distribution calculation method.
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
前記残留磁化計算工程において、
前記磁界H、前記磁化Mを有する前記最大磁化点に対する前記残留磁化M(M)は、
前記磁性材料の飽和磁化Mと前記磁性材料に可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の残留磁化Mとに基づいて(4−3)式および(4−5)式より磁化回転角ωをもとめ、
前記磁性材料の可逆磁化回転領域以上の磁界を印加した場合の所定の磁化点における磁界Hとそのときの磁化Mにおける磁化回転角φを(4−6)式よりもとめ、
前記磁化回転角φと、前記磁化回転角ωと、前記磁界Hと、前記飽和磁化Mと、所定の値を設定したM(M)とに基づいて(4−7)式および(4−8)’式より前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をもとめ、
前記異方性磁界H(M)に基づいて(4−1)式より前記最大磁化点における磁化回転角φをもとめ、
(4−10)式を用いてもとめることを特徴とする請求項18に記載の磁化分布算出方法。
Figure 0004683591
In the residual magnetization calculation step,
The residual magnetization M r (M m ) for the maximum magnetization point having the magnetic field H m and the magnetization M m is:
On the basis of the magnetic and the magnetic material and the saturation magnetization M s of the material and the residual magnetization M r in the case of applying a magnetic field over the reversible magnetization rotation region (4-3) and (4-5) the magnetization rotation angle from the equation Find ω,
The stop than in a predetermined magnetization point when the reversible magnetization rotation region or more field of the magnetic material is applied to the magnetic field H b a magnetization rotation angle phi b in the magnetization M b at that time (4-6) equation,
Based on the magnetization rotation angle φ b , the magnetization rotation angle ω, the magnetic field H b , the saturation magnetization M s, and M s (M m ) in which a predetermined value is set, formula (4-7) And the anisotropy magnetic field H A (M m ) at the maximum magnetization point from the equation (4-8) ′,
Based on the anisotropic magnetic field H A (M m ), the magnetization rotation angle φ m at the maximum magnetization point is obtained from the equation (4-1),
The method of calculating a magnetization distribution according to claim 18, wherein the equation (4-10) is also used.
Figure 0004683591
前記減磁過程計算工程において、
前記磁性材料の各要素の磁化容易軸が所定の基準軸に対してΘの角度を有し、かつ残留磁化Mを有した状態で、前記着磁器より所定の磁界Hを印加した場合のx方向成分Mとy方向成分Mを有する磁化M、および該磁化Mと基準軸とのなす角度Θを、
1)前記磁化Mと前記磁化容易軸とのなす角度θに所定の値を入力し、
2)前記磁化Mに所定の値を入力した場合の前記磁性材料の各要素の磁場を算出し、
3)前記磁場に基づいて前記各要素の磁界Hのx方向成分H、y方向成分Hをもとめ、
4)前記H、Hに基づいて、(5−20)式乃至(5−22)式より、有効磁界Heffおよび該有効磁界Heffと前記基準角とのなす角度Θeffをもとめ、
5)前記有効磁界Heffと前記角度Θeffとに基づいて、(5−23)式乃至(5−25)式より、Ωeff、Heffθ、Heff⊥をもとめ、
前記Ωeff、前記Heffθ、前記Heff⊥に基づいて、(5−19)式より、前記最大磁化点における異方性磁界H(M)をHに代入したうえでθをもとめ、さらに、(5−18)式より、磁化Mをもとめ、(5−26)式乃至(5−28)式より、新たなM、Mをもとめ、
前記5)でもとめた新たなM、Mを有する磁化Mを用いて、前記1)乃至5)を、自己無撞着な磁化Mがえられるまでくりかえすことでもとめることを特徴とする請求項17または19に記載の磁化分布算出方法。
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
In the demagnetization process calculation step,
The easy axis of each element of the magnetic material has an angle of theta m with respect to a predetermined reference axis, and in a state of having a residual magnetization M r, in the case of applying a predetermined magnetic field H from the magnetizer magnetization M with x direction component M x and y-direction component M y, and the angle Θ between the magnetization M and the reference axis,
1) A predetermined value is input to an angle θ formed by the magnetization M and the easy axis,
2) Calculate the magnetic field of each element of the magnetic material when a predetermined value is input to the magnetization M,
3) Find the x-direction component H x and the y-direction component H y of the magnetic field H of each element based on the magnetic field,
4) Based on the H x and H y , the effective magnetic field H eff and the angle Θ eff formed by the effective magnetic field H eff and the reference angle are obtained from the equations (5-20) to (5-22),
5) on the basis of the effective magnetic field H eff and the said angle theta eff, (5-23) from the equation to (5-25) below, Ω eff, H effθ, determined the H eff⊥,
The Omega eff, the H Effshita, based on the H Eff⊥, determined to θ in terms of the assignment (5-19) from the equation, the anisotropic magnetic field at maximum magnetization point H A a (M m) to H A further, (5-18) from equation obtains the magnetization M, (5-26) from the equation to (5-28) below, obtains the new M x, M y,
Claims wherein 5) Any new M x which stopped using the magnetization M with M y, the 1) to 5), characterized in that the finding by repeating until self-consistent magnetization M will be obtained The magnetization distribution calculation method according to 17 or 19.
Figure 0004683591
Figure 0004683591
Figure 0004683591
デカルト座標系で表現することを特徴とする請求項20に記載の磁化分布算出方法。The magnetization distribution calculation method according to claim 20, wherein the magnetization distribution is expressed in a Cartesian coordinate system. 前記(5−20)式乃至(5−28)式を3次元に拡張した式を用いることを特徴とした請求項21に記載の磁化分布算出方法。The method of calculating a magnetization distribution according to claim 21, wherein an expression obtained by extending the expressions (5-20) to (5-28) in three dimensions is used. 前記2)の各要素の磁場の算出にあたっては、有限要素法、積分法、差分法、境界要素法のいずれかを使用することを特徴とする請求項20に記載の磁化分布算出方法。21. The magnetization distribution calculation method according to claim 20, wherein the magnetic field of each element of 2) is calculated using any one of a finite element method, an integration method, a difference method, and a boundary element method. 前記5)でもとめた新たなM、Mを有する磁化Mを用いて、前記1)乃至5)を、自己無撞着な磁化Mがえられるまでくりかえすにあたり、あらたにもとめたM、Mに所定の係数を乗じることを特徴とする請求項20に記載の磁化分布算出方法。When repeating the above 1) to 5) until the self-consistent magnetization M is obtained by using the magnetization M having the new M x and M y stopped in the above 5), the newly acquired M x and M 21. The magnetization distribution calculation method according to claim 20, wherein y is multiplied by a predetermined coefficient. コンピュータを、請求項乃至12のいずれか1項に記載の磁化分布算出装置の各手段として機能させるための制御プログラムを格納したコンピュータ読取可能な記憶媒体。 The computer, computer-readable storage medium storing a control program for functioning as the means of the magnetization distribution calculating apparatus according to any one of claims 1 to 12. コンピュータを、請求項乃至12のいずれか1項に記載の磁化分布算出装置の各手段として機能させるための制御プログラム。 The computer control program for functioning as the means of the magnetization distribution calculating apparatus according to any one of claims 1 to 12.
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