JP5037592B2 - 磁界解析装置、磁界解析方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態に係る磁界解析装置の構成を示すブロック図である。図中1は、本発明の実施の形態に係る磁界解析装置である。磁界解析装置1は、コンピュータを用いて構成されており、強制電流(外部電流)又は磁石によって解析対象物に生ずる磁束密度、渦電流密度などの分布を、有限要素法を用いて算出する電磁界解析機能、解析対象物における熱分布を有限要素法を用いて算出する熱解析機能を兼ね備えている。有限要素法は、複雑な形状及び電磁特性を有する解析対象物を単純な形状及び電磁特性を有する小領域(以下、要素という)に分割することによって、数値解析モデルを生成し、単純化された各要素の特性を演算することで解析対象物における磁束密度、渦電流密度、温度分布などの挙動を予測する数値解析手法である。また、温度分布の時間変化を解析する一手法として、例えば、所定時間毎に逐次解析を行う時間ステップ法が用いられる。
また、磁界解析装置1は、キーボード又はマウス等の入力装置15と、液晶ディスプレイ又はCRTディスプレイ等の出力装置16とを備えており、データの入力等の使用者からの操作を受け付ける構成となっている。
更に、磁界解析装置1は、通信インタフェース17を備え、通信インタフェース17に接続されている外部のサーバコンピュータ3から本発明に係るコンピュータプログラム20をダウンロードし、CPU11にて処理を実行する形態であってもよい。
図10は、磁化率温度特性情報の一例を示したグラフである。横軸は温度係数、縦軸は磁化係数である。温度係数は、室温が0、キュリー温度が1になるように規格化された無次元数であり、下記式(2)で表される。
以上のステップS31〜ステップS34の処理で、室温以外の複数の他の温度におけるBHカーブが算出される。以下では、ステップS12で算出された複数の温度それぞれに対応するBHカーブの組を温度依存性BHカーブといい、特定の温度に対応するBHカーブを単にBHカーブという。なお、算出された温度依存性BHカーブは、RAM12又は内部記憶装置14が記憶する。
次に、本実施の形態に係る磁界解析方法を用いた磁界解析及び熱解析の一例を、従来手法を用いた解析結果と比較して説明する。本実施の形態に係る磁界解析方法と、従来手法とでは、使用する磁気特性のみが異なり、その他の解析条件は、同一である。なお、解析例で用いる被加熱体41の密度は、一定値7800(kg/m3 )である。交番電流の大きさ及び周波数は、それぞれ1500(A)及び周波数は10(kHz)である。初期状態における被加熱体41の温度分布は、均一の室温20(℃)である。なお、各数値は、解析例を示すために設定した数値であり、被加熱体41の形状及び寸法を限定するものでは無い。
図11は、本実施の形態で用いる磁気特性と、従来手法で用いる磁気特性とを示すグラフである。図11(a)は、ステップS12で算出された本実施の形態に係る温度依存性BHカーブを示したグラフである。図11(b)は、第1の従来手法で用いられる温度依存性比透磁率を示すグラフである。横軸は温度、縦軸は比透磁率である。第1の従来手法においては、ステップS13でCPU11は、被加熱体41の各要素の温度を示した温度情報に基づいて、各要素における比透磁率を特定し、該比透磁率を用いて磁界解析を行う。第1の従来手法では、磁気特性の磁界の強さに対する依存性、即ち磁気飽和現象は考慮されない。図11(c)は、第2の従来手法で用いられる室温BHカーブである。横軸は磁界の強さ、縦軸は磁束密度である。第2の従来手法においては、CPU11は、被加熱体41の各要素の温度に拘わらず同一の室温BHカーブを用いて磁界解析を行う。第2の従来手法では、磁気特性の温度依存性が考慮されない。
詳細は後述するが、温度依存性比透磁率を用いて被加熱体における温度変化を算出した場合、図13(b)に示すように、加熱経過時間2.5〜3.0秒のところで、温度が急激に上昇及び下降する部分があり、現実の温度変化の挙動とはかけ離れた挙動を示している。また、図13(c)に示すように、室温BHカーブを用いた場合、温度が上昇し続ける結果となり、これも現実の温度変化の挙動とはかけ離れたものである。これに対して、温度依存性BHカーブを用いた本実施の形態によれば、図13(a)に示すように、加熱開始時においては被加熱体の温度が急激に上昇し、キュリー温度を超えた後は磁性を消失して、温度上昇率が低減する様子が忠実に再現されていることが分かる。
温度依存性BHカーブを用いた場合、温度上昇に伴い磁性を消失し、BHカーブ上の動作点も変わるため、図15(a)及び図16に示すように、磁束密度の分布は極めて複雑に変化する。これに対して、温度依存性比透磁率を用いた場合、低温時は比透磁率を用いた線形解析のため、図15(b)及び図17に示すように、現実にはありえないような非常に大きな磁束密度が算出される。一方、被加熱体41の温度がキュリー温度に近づくと急激に磁性を消失するため、複雑な磁束密度の流れを生じるが、温度依存性BHカーブを用いた解析結果とは大きく異なる挙動を示す。また、室温BHカーブを用いた場合、磁気特性が温度依存性を有さないため、図15(c)及び図18に示すように、磁束密度の流れはほとんど変化せず、表現できないことが分かる。
これに対して、温度依存性比透磁率を用いた場合、被加熱体41の外周側から高温になり、温度がある程度高くなると磁性を消失するため、図19(b)及び図21に示すように、渦電流の発生箇所は、単純に被加熱体41の径方向内側へ移動するだけである。
また、室温BHカーブを用いた場合、温度が上がるにもかかわらず、磁性は減少しないため、図19(c)及び図22に示すように、電気伝導率の温度依存性の寄与分だけ、渦電流の発生箇所が内部に若干移動するだけである。
発熱密度分布は、大凡渦電流密度分布に対応している。温度依存性BHカーブを用いた場合、図23(a)及び図24に示すように、磁束密度分布の複雑な変化に伴って、発熱密度分布も複雑に変化する。温度依存性比透磁率を用いた場合、図23(b)及び図25に示すように、発熱箇所は、被加熱体41の外周側から径方向内側へ移動する。室温BHカーブを用いた場合、温度が上昇するにもかかわらず、磁性は減少しないため、図23(c)及び図26に示すように、高温時にも発熱箇所は被加熱体41表面に偏り、大きな発熱密度を生じる。電気特性が温度依存性を有するため、若干、発熱箇所が内部に移動する。また、室温BHカーブの場合、被加熱体41の温度がキュリー温度を越えた温度域でも強い磁性を有するため、発熱量が減少せず、温度が上昇しつづけている。
このように、使用する磁気特性によって、算出される磁束密度、渦電流密度、渦電流損失及び温度分布は、全く異なることが分かる。従来手法を用いた解析結果は、図13のグラフから明らかなように、現実の挙動からかけ離れたものである。これに対して、温度依存性BHカーブを用いた本実施の形態によれば、図13(a)及びその他の結果から分かるように、現実の挙動をより忠実に再現できていることが分かる。
更にまた、磁気特性の温度依存性を磁化係数として規格化し、任意の温度も、キュリー温度を用いて0〜1の温度係数に規格化しているため、内部記憶装置14が記憶している一の磁化率温度特性情報を用いて、任意の解析対象物の室温における磁気特性及びキュリー温度を入力すれば、任意の温度における磁気特性を算出することができる。
変形例1に係る磁界解析装置1は、予め記憶している磁化率温度特性情報及びキュリー温度を用いずに磁界解析を行えるように構成した点が上述の実施の形態とは異なるため、以下では主に上記相違点について説明する。
図28は、変形例1における温度特性の入力時に表示される入力画面105の一例を示した模式図である。入力画面105は、温度特性を入力するための変形例1に係るタブシート155を含む。タブシート155は、被加熱体41のキュリー温度が入力されるキュリー温度入力部155aと、使用者が作成した磁化率温度特性情報を入力する磁化率温度特性情報入力部155bとを有する。また、タブシート155は、予め記憶している磁化率温度特性情報及びキュリー温度を使用するか、使用者が作成した磁化率温度特性情報を使用するかを選択するためのチェックボックス155c,155dを有する。
磁化率温度特性情報における温度が、温度係数として規格化されていない点を除けば、その他の処理は、上述の実施の形態と同様であるため、その詳細は省略する。
変形例2に係る磁界解析装置1は、室温とは異なる他の温度におけるBHカーブ(以下、高温BHカーブという)を用いて、磁化率温度特性情報を推定し、磁界解析を行うように構成した点が上述の実施の形態とは異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。まず、CPU11は、ステップS11で、高温BHカーブを更に受け付ける。
2 記録媒体
4 誘導加熱系
5 入力画面
11 CPU
12 RAM
14 内部記憶装置
15 入力装置
16 出力装置
20 コンピュータプログラム
41 被加熱体
42 加熱コイル
51 名前入力部
52 製造メーカ入力部
53 カテゴリ入力部
54、55 タブシート
54a 室温BHカーブテーブル
54b 室温BHカーブ表示部
55a キュリー温度入力部
Claims (7)
- 外部電流及び/又は磁石によって解析対象物に生ずる磁束密度の分布を、該解析対象物を表現した数値解析モデル、外部電流の向き及び大きさを示した外部電流情報及び/又は磁石に係る情報を示した磁石情報、並びに解析対象物の温度を示した温度情報に基づいて算出する磁界解析装置において、
解析対象物の所定温度における磁界の強さ及び磁束密度の関係を示す磁気特性を受け付ける受付手段と、
前記所定温度の磁化率及び他の温度の磁化率の関係を示す磁化率温度特性情報を記憶する記憶手段と、
前記受付手段が受け付けた磁気特性、前記記憶手段が記憶する磁化率温度特性情報、外部電流情報及び/又は磁石情報、並びに温度情報に基づいて、解析対象物に生ずる磁束密度の分布を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする磁界解析装置。 - 前記算出手段は、
磁気特性に基づいて、解析対象物の前記所定温度における磁界の強さ及び磁化の関係を示す情報を算出する手段と、
該手段にて算出された情報、及び前記記憶手段が記憶する磁化率温度特性情報に基づいて、前記他の温度における磁界の強さ及び磁化の関係を示す情報を算出する手段と、
該手段にて算出された情報に基づいて、前記他の温度における磁界の強さ及び磁束密度の関係を示す情報を算出する手段と、
該手段にて算出された情報、外部電流情報及び/又は磁石情報、並びに温度情報に基づいて、解析対象物に生ずる磁束密度の分布を算出する手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の磁界解析装置。 - 解析対象物の電気伝導率、熱伝導率及び熱容量を記憶する手段を備え、
前記算出手段にて算出された磁束密度の分布、及び解析対象物の電気伝導率に基づいて、解析対象物に生ずる発熱量を算出する手段と、
算出された発熱量、熱伝導率及び熱容量に基づいて、解析対象物の温度を示した温度情報を算出する手段と
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の磁界解析装置。 - 磁束密度の算出と、温度情報の算出とを交互に実行するようにしてある
ことを特徴とする請求項3に記載の磁界解析装置。 - 電気伝導率、熱伝導率及び熱容量は温度依存性であり、
温度情報に基づいて、解析対象物における電気伝導率、熱伝導率及び熱容量を特定する手段を備え、
特定された電気伝導率、熱伝導率及び熱容量に基づいて、発熱量及び温度情報を算出するようにしてある
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の磁界解析装置。 - 外部電流及び/又は磁石によって解析対象物に生ずる磁束密度の分布を、該解析対象物を表現した数値解析モデル、外部電流の向き及び大きさを示した外部電流情報及び/又は磁石に係る情報を示した磁石情報、並びに解析対象物の温度を示した温度情報に基づいて算出する磁界解析方法において、
解析対象物の所定温度における磁界の強さ及び磁束密度の関係を示す磁気特性を受け付けるステップと、
前記所定温度の磁化率及び他の温度の磁化率の関係を示す磁化率温度特性情報、外部電流情報及び/又は磁石情報、温度情報、及び前記ステップにて受け付けた磁気特性に基づいて、解析対象物に生ずる磁束密度の分布を算出するステップと
を含むことを特徴とする磁界解析方法。 - コンピュータに、外部電流及び/又は磁石によって解析対象物に生ずる磁束密度の分布を、該解析対象物を表現した数値解析モデル、外部電流の向き及び大きさを示した外部電流情報及び/又は磁石に係る情報を示した磁石情報、並びに解析対象物の温度を示した温度情報に基づいて算出させるコンピュータプログラムにおいて、
コンピュータに、
解析対象物の所定温度における磁界の強さ及び磁束密度の関係を示す磁気特性に基づいて、解析対象物の前記所定温度における磁界の強さ及び磁化の関係を示す情報を算出するステップと、
該ステップにて算出された情報、並びに前記所定温度の磁化率及び他の温度の磁化率の関係を示す磁化率温度特性情報に基づいて、前記他の温度における磁界の強さ及び磁化の関係を示す情報を算出するステップと、
該ステップにて算出された情報に基づいて、前記他の温度における磁界の強さ及び磁束密度の関係を示す情報を算出するステップと、
該ステップにて算出された情報、外部電流情報、及び/又は磁石情報、並びに温度情報に基づいて、解析対象物に生ずる磁束密度の分布を算出するステップと
を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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