JP6984426B2 - Electromagnetic field analyzer, electromagnetic field analysis method, and program - Google Patents

Electromagnetic field analyzer, electromagnetic field analysis method, and program Download PDF

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Description

本発明は、電磁場解析装置、電磁場解析方法、およびプログラムに関し、特に、励磁された磁性材料の磁束密度を含む磁気特性を解析するために用いて好適なものである。 The present invention relates to an electromagnetic field analyzer, an electromagnetic field analysis method, and a program, and is particularly suitable for use in analyzing magnetic characteristics including the magnetic flux density of an excited magnetic material.

従来から、励磁された磁性材料の磁束密度を含む磁気特性を数値解析することが行われている。このとき、基礎方程式(支配方程式)を細かく離散化して三次元数値解析を行えば磁気特性を精度よく解析することができる。しかしながら、このような手法では、計算時間が長くなる。例えば、モータ等、磁性材料を含む電気機器の性能を評価する場合、当該電気機器の運転条件に従って励磁された当該磁性材料の磁気特性を数値解析する必要がある。この場合、様々な運転条件のそれぞれの場合に対し磁気特性を求める必要がある。このため、計算時間が非常に長くなる。 Conventionally, numerical analysis of magnetic properties including the magnetic flux density of an excited magnetic material has been performed. At this time, if the basic equation (governing equation) is finely discretized and three-dimensional numerical analysis is performed, the magnetic characteristics can be analyzed accurately. However, such a method increases the calculation time. For example, when evaluating the performance of an electric device including a magnetic material such as a motor, it is necessary to numerically analyze the magnetic characteristics of the magnetic material excited according to the operating conditions of the electric device. In this case, it is necessary to obtain the magnetic characteristics for each of the various operating conditions. Therefore, the calculation time becomes very long.

そこで、励磁された磁性材料の磁気特性を、計算精度を大きく落とすことなく且つ計算時間が長くならないように数値解析する技術として、非特許文献1に記載の技術がある。
非特許文献1には、電磁鋼板よりも厚い要素を用いて電磁鋼板の厚み方向の導電率を0(ゼロ)とした三次元非線形非定常有限要素法解析を行うことにより、電磁鋼板の面内方向成分(板面方向成分)の磁束密度を求め、当該電磁鋼板の面内方向成分の磁束密度を既知として電磁鋼板の厚み方向の一次元非定常有限要素法解析を行うことにより、電磁鋼板の面内方向成分の磁束密度の、電磁鋼板の厚み方向の分布を求めることが記載されている。
Therefore, there is a technique described in Non-Patent Document 1 as a technique for numerically analyzing the magnetic properties of an excited magnetic material so that the calculation accuracy is not significantly reduced and the calculation time is not lengthened.
In Non-Patent Document 1, a three-dimensional non-stationary unsteady finite element method analysis in which the conductivity in the thickness direction of the electrical steel sheet is 0 (zero) using an element thicker than the electrical steel sheet is performed in the plane of the electrical steel sheet. By obtaining the magnetic flux density of the directional component (plate surface direction component) and performing a one-dimensional unsteady finite element method analysis in the thickness direction of the electrical steel sheet, assuming that the magnetic flux density of the in-plane component of the electrical steel sheet is known, the electrical steel sheet can be obtained. It is described that the distribution of the magnetic flux density of the in-plane component in the thickness direction of the electrical steel sheet is obtained.

山崎克巳、里見倫著、「電磁鋼板の渦電流を直接考慮した有限要素法による誘導電動機の特性解析」、電気学会マグネティックス研究会資料、MAG-08−32、SA−08−20、RM−08−20、p.39−44、2008年1月25日Katsumi Yamazaki, Rin Satomi, "Characteristic analysis of induction motors by finite element method directly considering eddy current of electrical steel sheet", Institute of Electrical Engineers of Japan Magnetics Study Group materials, MAG-08-32, SA-08-20, RM- 08-20, p. 39-44, January 25, 2008 中田高義、高橋則雄著、「電気工学の有限要素法」、第2版、森北出版株式会社、1986年4月Takayoshi Nakata, Norio Takahashi, "Limited Element Method of Electrical Engineering", 2nd Edition, Morikita Publishing Co., Ltd., April 1986

しかしながら、非特許文献1に記載の技術では、磁気透磁率(透磁率の逆数)についての言及がなく、三次元非線形非定常有限要素法解析と一次元非定常有限要素法解析とで同じものを使用していると考えられる。即ち、非特許文献1に記載の技術では、要素内の透磁率は同じであるものとしていると考えられる。従って、一次元非定常有限要素法解析において、表皮効果による影響を十分に考慮することができない。このため、励磁された磁性材料の磁束密度を含む磁気特性の精度が低下する虞がある。 However, in the technique described in Non-Patent Document 1, there is no reference to magnetic permeability (reciprocal of magnetic permeability), and the same thing is used in the three-dimensional nonlinear unsteady finite element method analysis and the one-dimensional unsteady finite element method analysis. Probably used. That is, in the technique described in Non-Patent Document 1, it is considered that the magnetic permeability in the element is the same. Therefore, in the one-dimensional unsteady finite element method analysis, the influence of the skin effect cannot be fully considered. Therefore, the accuracy of the magnetic characteristics including the magnetic flux density of the excited magnetic material may decrease.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、励磁された磁性材料の磁束密度を含む磁気特性を数値解析により求めるに際し、計算負荷を低減することと計算精度の低下を抑制することとの双方を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and when the magnetic characteristics including the magnetic flux density of the excited magnetic material are obtained by numerical analysis, the calculation load is reduced and the calculation accuracy is lowered. The purpose is to achieve both suppression and suppression.

本発明の電磁場解析装置は、励磁された磁性材料の各時刻ステップにおける磁気特性をマクスウェル方程式に基づく数値解析により解析する電磁場解析装置であって、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を、当該磁性材料の領域を分割することにより得られる3次元の第1の小領域ごとに数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第1の導出手段と、前記第1の導出手段により導出された前記磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、前記面内方向に垂直な方向に前記第1の小領域を分割することにより得られる3次元の第2の小領域ごとに、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第2の導出手段と、前記第2の導出手段により前記第2の小領域に対して導出された前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第3の導出手段と、を有し、前記透磁率は、磁束密度と磁界強度との関係を示す曲線における原点と、当該曲線上の、磁束密度に応じて定まる点とを結ぶ直線の傾きで表され、前記第2の導出手段は、或る時刻ステップにおいて、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出する際に、当該時刻ステップよりも前の時刻ステップにおいて、前記第3の導出手段により当該第2の小領域に対して導出された前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値として用いることを特徴とする。 The electromagnetic field analysis device of the present invention is an electromagnetic field analysis device that analyzes the magnetic properties of an excited magnetic material at each time step by numerical analysis based on the Maxwell equation, and is a value of an in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material. Is derived by numerical analysis for each of the first small regions of the three dimensions obtained by dividing the region of the magnetic material, with the first derivation means executed at each time step and the first derivation. For each of the three-dimensional second small regions obtained by dividing the first small region in the direction perpendicular to the in-plane direction based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density derived by the means. In addition, the second derivation means for executing the derivation of the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material by numerical analysis at each time step and the second subregion by the second derivation means. Based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material derived from the above, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material in the second small region can be derived. It has a third derivation means executed in a time step, and the magnetic permeability has a origin in a curve showing the relationship between the magnetic flux density and the magnetic field strength and a point on the curve determined according to the magnetic flux density. Represented by the slope of the connecting straight line, the second derivation means is used to derive the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material by numerical analysis for each of the second small regions at a certain time step. In addition, in the time step prior to the time step, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material derived with respect to the second small region by the third derivation means is set to the second. It is characterized in that it is used as the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material in the small region of.

本発明の電磁場解析方法は、励磁された磁性材料の各時刻ステップにおける磁気特性をマクスウェル方程式に基づく数値解析により解析する電磁場解析方法であって、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を、当該磁性材料の領域を分割することにより得られる3次元の第1の小領域ごとに数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第1の導出工程と、前記第1の導出工程により導出された前記磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、前記面内方向に垂直な方向に前記第1の小領域を分割することにより得られる3次元の第2の小領域ごとに、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第2の導出工程と、前記第2の導出工程により前記第2の小領域に対して導出された前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第3の導出工程と、を有し、前記透磁率は、磁束密度と磁界強度との関係を示す曲線における原点と、当該曲線上の、磁束密度に応じて定まる点とを結ぶ直線の傾きで表され、前記第2の導出工程は、或る時刻ステップにおいて、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出する際に、当該時刻ステップよりも前の時刻ステップにおいて、前記第3の導出工程により当該第2の小領域に対して導出された前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値として用いることを特徴とする。 The electromagnetic field analysis method of the present invention is an electromagnetic field analysis method for analyzing the magnetic properties of an excited magnetic material at each time step by numerical analysis based on the Maxwell equation, and is a value of an in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material. Is derived by numerical analysis for each of the first small regions of the three dimensions obtained by dividing the region of the magnetic material, that is, the first derivation step executed at each time step and the first derivation. For each of the three-dimensional second small regions obtained by dividing the first small region in the direction perpendicular to the in-plane direction based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density derived by the step. In addition, the second derivation step of performing numerical analysis to derive the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material at each time step and the second small region by the second derivation step. Based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material derived from the above, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material in the second small region can be derived. It has a third derivation step performed in a time step, and the magnetic permeability has a origin in a curve showing the relationship between the magnetic flux density and the magnetic field strength and a point on the curve determined according to the magnetic flux density. Represented by the slope of the connecting straight line, the second derivation step is when the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material is derived by numerical analysis for each of the second small regions in a certain time step. In addition, in the time step prior to the time step, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material derived for the second small region by the third derivation step is set to the second. It is characterized in that it is used as a value of an in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material in a small region of.

本発明のプログラムは、電磁場解析装置の各手段としてコンピュータを機能させる。 The program of the present invention causes a computer to function as each means of an electromagnetic field analyzer.

本発明によれば、励磁された磁性材料の磁束密度を含む磁気特性を数値解析により求めるに際し、計算負荷を低減することと計算精度の低下を抑制することとの双方を実現することができる。 According to the present invention, when the magnetic characteristics including the magnetic flux density of the excited magnetic material are obtained by numerical analysis, it is possible to realize both the reduction of the calculation load and the suppression of the decrease in the calculation accuracy.

図1は、電磁場解析装置の機能的な構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a functional configuration of an electromagnetic field analyzer. 図2は、電磁鋼板に設定される要素の一例を概念的に示す図である。FIG. 2 is a diagram conceptually showing an example of an element set on an electromagnetic steel sheet. 図3は、第1の要素における磁束と、第2の要素のそれぞれにおける磁束との一例を概念的に示す図である。FIG. 3 is a diagram conceptually showing an example of the magnetic flux in the first element and the magnetic flux in each of the second elements. 図4は、透磁率の一例を概念的に示す図である。FIG. 4 is a diagram conceptually showing an example of magnetic permeability. 図5は、電磁場解析方法の一例を説明するフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the electromagnetic field analysis method. 図6は、ヒステリシス損、渦電流損、および鉄損の計算結果の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of calculation results of hysteresis loss, eddy current loss, and iron loss.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、数値解析として有限要素法を用いる場合を例に挙げて説明する。また、数値解析の対象となる磁性材料が、軟磁性材料の一種である電磁鋼板である場合を例に挙げて説明する。また、単板磁気特性試験器により励磁された単板(一枚の電磁鋼板)の磁気特性を有限要素法により求める場合を例に挙げて説明する。ただし、数値解析は有限要素法に限定されず、例えば、差分法であってもよい。また、解析の対象となる磁性材料は、電磁鋼板に限定されず、例えば、パーマロイであってもよい。また、解析の対象となる磁性材料の構成は、単板に限定されず複数枚であってもよく、例えば、回転電機(モータ、発電機)のステータコアであってもよい。また、本実施形態では、電磁鋼板の面内方向成分がx−y−z直交座標系におけるx成分およびy成分で表され、厚み方向成分がz軸成分で表される場合を例に挙げて説明するが、電磁鋼板の面内方向成分は円座標(動径成分および角度成分)で表されてもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiment, the case where the finite element method is used as the numerical analysis will be described as an example. Further, a case where the magnetic material to be the target of the numerical analysis is an electromagnetic steel sheet, which is a kind of soft magnetic material, will be described as an example. Further, a case where the magnetic characteristics of a veneer (one electromagnetic steel sheet) excited by a veneer magnetic property tester is obtained by a finite element method will be described as an example. However, the numerical analysis is not limited to the finite element method, and may be, for example, a finite difference method. Further, the magnetic material to be analyzed is not limited to the electromagnetic steel sheet, and may be, for example, permalloy. Further, the composition of the magnetic material to be analyzed is not limited to a single plate, and may be a plurality of sheets, and may be, for example, a stator core of a rotary electric machine (motor, generator). Further, in the present embodiment, the case where the in-plane direction component of the electromagnetic steel plate is represented by the x component and the y component in the x-yz orthogonal coordinate system and the thickness direction component is represented by the z-axis component is taken as an example. As described above, the in-plane component of the electromagnetic steel plate may be represented by circular coordinates (radial component and angular component).

<電磁場解析装置100の構成>
図1は、電磁場解析装置100の機能的な構成の一例を示す図である。電磁場解析装置100は、例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、および各種のインターフェースを有する情報処理装置、または、専用のハードウェアを用いることにより実現される。
<Structure of electromagnetic field analyzer 100>
FIG. 1 is a diagram showing an example of a functional configuration of the electromagnetic field analyzer 100. The electromagnetic field analysis device 100 is realized by using, for example, a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, an information processing device having various interfaces, or dedicated hardware.

[データ記憶部101]
データ記憶部101は、二次元解析部102および一次元解析部103で使用する各種の既知のデータを記憶する。データ記憶部101は、例えば、励磁条件データと、電磁鋼板の導電率σと、磁気特性データと、を記憶する。
励磁条件データは、一周期の各時刻における励磁電流密度J0を特定するデータである。
電磁鋼板の導電率σは、電磁鋼板の材料特性である。電磁鋼板の導電率σは、電磁鋼板の材質(鋼種)毎に定められる。
[Data storage unit 101]
The data storage unit 101 stores various known data used by the two-dimensional analysis unit 102 and the one-dimensional analysis unit 103. The data storage unit 101 stores, for example, excitation condition data, conductivity σ of an electromagnetic steel sheet, and magnetic characteristic data.
The excitation condition data is data that specifies the excitation current density J 0 at each time in one cycle.
The electrical conductivity σ of the electrical steel sheet is a material property of the electrical steel sheet. The conductivity σ of the electromagnetic steel sheet is determined for each material (steel type) of the electromagnetic steel sheet.

磁気特性データは、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byと、透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyとの関係を周波数毎、材質毎に示すデータである。本実施形態では、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byと、磁界強度H(のx成分およびy成分)Hx、Hyとの関係を示すデータとして、初磁化特性のデータを用いる場合を例に挙げて説明する。このような磁気特性データは、例えば、電磁鋼板に対する(実際の)磁気特性試験の結果から、電磁鋼板の初磁化特性(初磁化特性を示す曲線)をx成分およびy成分のそれぞれについて個別に作成し、当該初磁化特性から、各磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byにおける透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを求めることにより得られる。尚、透磁率は、磁束密度と磁界強度との関係を示す曲線(本実施形態では初磁化特性を示す曲線)における原点と、当該曲線上の、磁束密度に応じて定まる点とを結ぶ直線の傾きで表される。 Magnetic characteristic data, the magnetic flux density (the x and y components) B x electromagnetic steel plates, and B y, the permeability (of the x and y components) mu x, the relationship between the mu y each frequency, for each material It is the data to show. In the present embodiment, as data indicating a magnetic flux density of the electromagnetic steel sheet (the x and y components) B x, and B y, the magnetic field strength H (in x and y components) H x, the relationship between the H y, first The case of using the data of the magnetization characteristics will be described as an example. For such magnetic property data, for example, the initial magnetization characteristics (curve showing the initial magnetization characteristics) of the electrical steel sheet are individually created for each of the x component and the y component from the results of the (actual) magnetic property test on the electrical steel sheet. and, from the first magnetization characteristics, the magnetic flux density (the x and y components) B x, (x and y components of) permeability at B y mu x, obtained by determining the mu y. The magnetic permeability is a straight line connecting the origin of the curve showing the relationship between the magnetic flux density and the magnetic field strength (the curve showing the initial magnetization characteristics in this embodiment) and the point on the curve determined according to the magnetic flux density. It is expressed by the inclination.

本実施形態では、磁気特性データは、電磁鋼板の磁束密度のx成分Bxと、透磁率のx成分μxとを相互に関連付けて記憶するテーブルと、電磁鋼板の磁束密度のy成分Byと、透磁率のy成分μyとを相互に関連付けて記憶するテーブルとを有する。
尚、このテーブルに記憶されていない値については、例えば、このテーブルに記憶されている値を用いた補間処理や補外処理により導出することができる。また、テーブルを用いずに、前述した関係を示す関係式を磁気特性データとしてもよい。
この他、データ記憶部101は、二次元解析部102および一次元解析部103で使用する各種のデータを記憶する。
In this embodiment, the magnetic characteristic data, the x component B x of a magnetic flux density of the electromagnetic steel sheets, a table that associates and stores each other and x components mu x permeability, y component B y of the magnetic flux density of the electromagnetic steel plates And a table for storing the y component μ y of the magnetic permeability in association with each other.
The values not stored in this table can be derived, for example, by interpolation processing or extrapolation processing using the values stored in this table. Further, the relational expression showing the above-mentioned relationship may be used as the magnetic characteristic data without using the table.
In addition, the data storage unit 101 stores various data used by the two-dimensional analysis unit 102 and the one-dimensional analysis unit 103.

[二次元解析部102]
二次元解析部102は、非線形非定常二次元有限要素法を用いた電磁場解析を行うことにより、第1の要素のそれぞれにおいて、励磁条件データに従って励磁された場合の電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを導出する。図2は、電磁鋼板に設定される要素の一例を概念的に示す図である。本実施形態では、図2(a)に示すように、電磁鋼板の厚み方向については分割せず、面内方向(x軸方向およびy軸方向)で電磁鋼板を分割したそれぞれの三次元領域を第1の要素とする。
[Two-dimensional analysis unit 102]
The two-dimensional analysis unit 102 performs electromagnetic field analysis using the non-stationary unsteady two-dimensional finite element method, so that each of the first elements has the magnetic flux density (x) of the electromagnetic steel plate when excited according to the excitation condition data. and y components) B x, derives the B y. FIG. 2 is a diagram conceptually showing an example of an element set on an electromagnetic steel sheet. In the present embodiment, as shown in FIG. 2A, the thickness direction of the electrical steel sheet is not divided, and each three-dimensional region in which the electrical steel sheet is divided in the in-plane direction (x-axis direction and y-axis direction) is divided. Let it be the first element.

また、本実施形態では、有限要素法を用いた電磁場解析の手法としてA−φ法を用いる場合を例に挙げて説明する。この場合、電磁場解析を行うための基礎方程式は、マクスウェル方程式に基づき以下の(1)式〜(4)式で与えられる。尚、各式において、→は、ベクトルであることを表す。尚、電磁場解析を行う手法は、非特許文献2等に記載されているように一般的な手法であるので、その詳細な説明を省略する。 Further, in the present embodiment, a case where the A−φ method is used as a method of electromagnetic field analysis using the finite element method will be described as an example. In this case, the basic equations for performing electromagnetic field analysis are given by the following equations (1) to (4) based on Maxwell's equations. In each equation, → indicates that it is a vector. Since the method for performing electromagnetic field analysis is a general method as described in Non-Patent Document 2 and the like, detailed description thereof will be omitted.

Figure 0006984426
Figure 0006984426

(1)式〜(4)式において、μは、透磁率であり、Aは、ベクトルポテンシャルであり、σは、導電率であり、J0は、励磁電流密度であり、Jeは、渦電流密度であり、Bは、磁束密度である。(1)式〜(4)式において、ベクトルポテンシャルのx成分Axおよびy成分Ayと、∂/∂zをそれぞれ0(ゼロ)とし(Ax=Ay=0、∂/∂z=0)、(1)式および(2)式を連立して解いて、ベクトルポテンシャルのz成分Azとスカラーポテンシャルφを求めた後、(3)式および(4)式から磁束密度のx成分Bxおよびy成分Byと、渦電流密度のx成分Jexおよびy成分Jeyとを第1の要素のそれぞれに対して求める。尚、(1)式では、表記を簡素化するため、透磁率のx成分μx、y成分μy、z成分μzが等しい場合(μx=μy=μzの場合)の式を示す。 In equations (1) to (4), μ is the magnetic permeability, A is the vector potential, σ is the conductivity, J 0 is the exciting current density, and Je is the eddy current. It is a density, and B is a magnetic flux density. In equations (1) to (4), the x component A x and y component A y of the vector potential and ∂ / ∂z are set to 0 (zero), respectively (A x = A y = 0, ∂ / ∂z =). 0), (1) and (2) are solved simultaneously to obtain the z component A z of the vector potential and the scalar potential φ, and then the x component of the magnetic flux density is obtained from the equations (3) and (4). and B x and y components B y, obtaining a x component Je x and y components Je y eddy current density for each of the first element. In equation (1), in order to simplify the notation, the equation when the x component μ x , y component μ y , and z component μ z of magnetic permeability are equal (when μ x = μ y = μ z ) is used. show.

このとき、二次元解析部102は、励磁条件データにより特定される励磁周波数と電磁鋼板の材質とに対応する磁気特性データから、透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを読み出す。二次元解析部102による電磁場解析では、1つの第1の要素内の透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyは同じ値になる。 At this time, the two-dimensional analysis unit 102 reads out the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y from the magnetic characteristic data corresponding to the excitation frequency specified by the excitation condition data and the material of the magnetic steel sheet. .. In the electromagnetic field analysis by the two-dimensional analysis unit 102, the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in one first element have the same value.

二次元解析部102は、以上のようにして、第1の要素のそれぞれにおける電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを導出することを、データ記憶部101に記憶されている励磁条件データにおける一周期の各時刻ステップtにおいて行う。尚、本実施形態では、励磁条件データにおける一周期の始期の時刻ステップtの値を0(ゼロ)とし、終期の時刻ステップtの値をtmaxとする。また、時間的に隣り合う時刻ステップtの間隔をΔtとする。 Two-dimensional analysis section 102, as described above, the magnetic flux density (the x and y components) B x of the electromagnetic steel sheets in each of the first element, deriving a B y, stored in the data storage unit 101 This is performed at each time step t in one cycle in the excitation condition data. In the present embodiment, the value of the time step t at the beginning of one cycle in the excitation condition data is 0 (zero), and the value of the time step t at the end is t max . Further, let Δt be the interval between time steps t that are adjacent in time.

[一次元解析部103]
一次元解析部103は、非線形非定常一次元有限要素法を用いた電磁場解析を行うことにより、第1の要素のそれぞれにおいて、励磁条件データに従って励磁された場合の電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのz軸方向の分布を導出する。以下に一次元解析部103の処理の具体例を説明する。
[One-dimensional analysis unit 103]
The one-dimensional analysis unit 103 performs electromagnetic field analysis using the non-stationary unsteady one-dimensional finite element method, so that each of the first elements has the magnetic flux density (x) of the electromagnetic steel plate when excited according to the excitation condition data. and y components) B x, deriving a z of axial distribution of B y. A specific example of the processing of the one-dimensional analysis unit 103 will be described below.

まず、図2(b)に示すように一次元解析部103は、図2(a)に示す第1の要素のそれぞれをz軸方向において複数に分割し、複数の第2の要素を生成する。このように1つの第1の要素内に複数の第2の要素が含まれる。図2(b)では、1つの第1の要素内に9つの第2の要素が含まれる場合を例に挙げて示す。一次元解析部103は、以下の(5a)式および(5b)式に基づいて、第2の要素のそれぞれにおいて、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを導出することにより、磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのz軸方向の分布を導出する。 First, as shown in FIG. 2B, the one-dimensional analysis unit 103 divides each of the first elements shown in FIG. 2A into a plurality of parts in the z-axis direction to generate a plurality of second elements. .. In this way, a plurality of second elements are included in one first element. In FIG. 2B, a case where nine second elements are included in one first element is shown as an example. One-dimensional analysis unit 103, based on the following (5a) expression and (5b) wherein deriving the respective second element, the magnetic flux density of the electromagnetic steel sheet (the x and y components) B x, the B y By doing so, the distribution of the magnetic flux densities (x component and y component) B x and By y in the z-axis direction is derived.

Figure 0006984426
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(5a)式および(5b)式は、(1)式において、透磁率μをx成分、y成分、z成分毎に表記した上で、ベクトルポテンシャルのz成分Az、∂/∂x、∂/∂yをそれぞれ0(ゼロ)とする(Az=0、∂/∂x=0、∂/∂y=0)ことにより得られる。 In the equations (5a) and (5b), the magnetic permeability μ is expressed for each of the x component, the y component, and the z component in the equation (1), and then the z component A z , ∂ / ∂x, and ∂ of the vector potential. It is obtained by setting / ∂y to 0 (zero) (A z = 0, ∂ / ∂x = 0, ∂ / ∂y = 0).

(5a)式および(5b)式は、磁束密度の拡散方程式であり、電磁鋼板の磁束密度の面内方向の分布(磁束密度のx成分およびy成分)Bx、By)が、z軸方向(厚み方向)にどのように分布(拡散)するのかを、電磁鋼板の導電率σおよび透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを用いて表現した拡散方程式である。 (5a) expression and (5b) formula is diffusion equation of the magnetic flux density distribution in the in-plane direction of the magnetic flux density of the electromagnetic steel sheet (x and y components of the magnetic flux density) B x, B y) is, z-axis It is a diffusion equation expressing how it is distributed (diffused) in the direction (thickness direction) using the conductivity σ and the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y of the electromagnetic steel plate.

(5a)式および(5b)式を解く際には、第1の要素の境界面であって、法線方向がx軸方向を向く境界面における磁束の総量が、当該第1の要素に対し二次元解析部102で導出された磁束密度(のx成分)Bxと、当該境界面の面積との積で表される磁束と等しくなることを示す境界条件を用いる。また、第1の要素の境界面であって、法線方向がy軸方向を向く境界面における磁束の総量が、当該第1の要素に対し二次元解析部102で導出された磁束密度(のy成分)Byと、当該境界面の面積との積で表される磁束と等しくなることを示す境界条件を用いる。具体的に本実施形態では、以下の(6a)式〜(6d)式を第1の要素の境界条件として用いる。 When solving the equations (5a) and (5b), the total amount of magnetic flux at the boundary surface of the first element and the boundary surface whose normal direction faces the x-axis direction is relative to the first element. A boundary condition indicating that the magnetic flux represented by the product of the magnetic flux density (x component) B x derived by the two-dimensional analysis unit 102 and the area of the boundary surface is equal is used. Further, the total amount of magnetic flux at the boundary surface of the first element and the boundary surface whose normal direction faces the y-axis direction is the magnetic flux density derived from the two-dimensional analysis unit 102 for the first element. and y component) B y, the boundary condition indicating that equal the magnetic flux represented by the product of the area of the boundary surface is used. Specifically, in the present embodiment, the following equations (6a) to (6d) are used as the boundary conditions of the first element.

Figure 0006984426
Figure 0006984426

(6a)式〜(6d)式において、hは、電磁鋼板の板厚である。(6a)式および(6c)式は、第1の要素の表面における第1の要素の境界条件である。(6b)式および(6d)式は、第1の要素の電磁鋼板の板厚方向(z軸方向)の中央における第1の要素の境界条件である。Bx(t)、By(t)は、時刻ステップtにおいて二次元解析部102で導出された第1の要素の磁束密度のx成分、y成分である(Bx(t)、By(t)は、時刻ステップt毎、第1の要素毎の値である)。 In the formulas (6a) to (6d), h is the plate thickness of the electrical steel sheet. Equations (6a) and (6c) are boundary conditions for the first element on the surface of the first element. Equations (6b) and (6d) are boundary conditions of the first element at the center of the electromagnetic steel sheet of the first element in the plate thickness direction (z-axis direction). B x (t), B y (t) is, x component of the magnetic flux density of the first element that is derived by the two-dimensional analysis unit 102 at time step t, the y-component (B x (t), B y (T) is a value for each time step t and for each first element).

一次元解析部103は、以上の境界条件の下、(5a)式および(5b)式を非線形非定常一次元有限要素法により解くことにより、第2の要素のそれぞれにおいてベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayを導出する。そして、一次元解析部103は、第2の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayを、(4)式においてAz=0、∂/∂x=0、∂/∂y=0とした式に与えることにより、当該第2の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを導出する。一次元解析部103は、このような磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byの導出を第2の要素のそれぞれにおいて行う。尚、初期条件および電磁鋼板の境界条件については、公知の技術と同様に適宜設定することができるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。 Under the above boundary conditions, the one-dimensional analysis unit 103 solves the equations (5a) and (5b) by the nonlinear unsteady one-dimensional finite element method, so that the vector potential (x component of) is obtained in each of the second elements. , Y component) A x , A y are derived. Then, the one-dimensional analysis unit 103 sets the vector potentials (x component and y component) A x and A y in the second element to A z = 0, ∂ / ∂x = 0 and ∂ / in the equation (4). by providing the ∂y = 0 and the equations to derive the magnetic flux density (the x and y components) of the second element B x, the B y. One-dimensional analysis unit 103 performs such magnetic flux density (the x and y components) B x, the derivation of B y in each of the second element. Since the initial conditions and the boundary conditions of the electrical steel sheet can be appropriately set in the same manner as known techniques, detailed description thereof will be omitted here.

図3は、第1の要素における磁束と、第2の要素のそれぞれにおける磁束との一例を概念的に示す図である。
図3の左図は、第1の要素における磁束(のx成分およびy成分)を概念的に表す。二次元解析部102は、1つの第1の要素に対し、磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを1つずつ導出する。従って、図3の左図に示す例では、第1の要素におけるx軸方向の磁束の総量は、当該第1の要素の磁束密度(のx成分)Bxに、当該第1の要素のx軸に垂直な断面の面積を掛けた値となる。同様に、第1の要素におけるy軸方向の磁束の総量は、当該第1の要素の磁束密度(のy成分)Byに、当該第1の要素のy軸に垂直な断面の面積を掛けた値となる。図3の左図の矢印線は、第1の要素におけるx軸方向、y軸方向の磁束の総量を表す。
FIG. 3 is a diagram conceptually showing an example of the magnetic flux in the first element and the magnetic flux in each of the second elements.
The left figure of FIG. 3 conceptually represents the magnetic flux (x component and y component) in the first element. The two-dimensional analysis unit 102 derives the magnetic flux densities (x component and y component) B x and By by one for each first element. Therefore, in the example shown on the left side of FIG. 3, the total amount of the magnetic flux in the x-axis direction in the first element is the magnetic flux density (x component) B x of the first element and the x of the first element. It is the value obtained by multiplying the area of the cross section perpendicular to the axis. Similarly, the total amount of y-axis direction of the magnetic flux in the first element, said the first element of the magnetic flux density (y components) B y, multiplied by the area of the cross section perpendicular to the y axis of the first element Value. The arrow line in the left figure of FIG. 3 represents the total amount of magnetic flux in the x-axis direction and the y-axis direction in the first element.

一次元解析部103は、(6a)式〜(6d)式の境界条件により(5a)式および(5b)式を解くことで、第1の要素に含まれる第2の要素のそれぞれにおける磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを導出する。そうすると、図3の左図に示す矢印線(第1の要素におけるx軸方向、y軸方向の磁束の総量)は、当該第1の要素に含まれる第2の要素のそれぞれに分配され、図3の右図に示す矢印線(第1の要素に含まれる第2の要素のそれぞれにおけるx軸方向、y軸方向の磁束)のようになる。このようにすることで、導電率の制限を設けずに且つ細かい要素として非線形非定常三次元有限要素法により電磁場解析を行う場合に比べて格段に短い時間で表皮効果を考慮した電磁場解析を行うことができる。 The one-dimensional analysis unit 103 solves the equations (5a) and (5b) according to the boundary conditions of the equations (6a) to (6d), so that the magnetic flux density in each of the second elements included in the first element (the x and y components) B x, derives the B y. Then, the arrow lines (total amount of magnetic flux in the x-axis direction and the y-axis direction in the first element) shown in the left figure of FIG. 3 are distributed to each of the second elements included in the first element, and the figure is shown. It becomes like the arrow line shown in the right figure of No. 3 (the magnetic flux in the x-axis direction and the y-axis direction in each of the second elements included in the first element). By doing so, the electromagnetic field analysis considering the skin effect can be performed in a much shorter time than the case where the electromagnetic field analysis is performed by the nonlinear unsteady three-dimensional finite element method as a fine element without setting the limitation of the conductivity. be able to.

図2の説明に戻り、一次元解析部103は、第2の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayと、データ記憶部101に記憶されている電磁鋼板の導電率σと、x成分、y成分毎に表した(3)式とに基づいて、渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyを導出することを第2の要素のそれぞれにおいて行う。尚、このときに用いる(3)式のgradφは0(ゼロ)になる。 Returning to the explanation of FIG. 2, the one-dimensional analysis unit 103 has the vector potentials (x component and y component) A x and A y in the second element, and the conductivity of the electromagnetic steel plate stored in the data storage unit 101. and sigma, the x component, based on the representation for each y component (3) performing eddy current density (the x component, y component) Je x, in each of the second element to derive Je y .. The gradeφ of the equation (3) used at this time is 0 (zero).

また、一次元解析部103は、データ記憶部101に記憶されている励磁条件データにより特定される励磁周波数と電磁鋼板の材質とに対応する磁気特性データから、第2の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byに対応する透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを読み出す。前述したように、磁気特性データに所望のデータが記憶されていない場合、一次元解析部103は、補間処理や補外処理を行うことにより当該データを導出することができる。 Further, the one-dimensional analysis unit 103 determines the magnetic flux density in the second element from the magnetic characteristic data corresponding to the excitation frequency specified by the excitation condition data stored in the data storage unit 101 and the material of the magnetic steel sheet. x and y components) B x, x and y components of the corresponding permeability (in B y) mu x, reads out the mu y. As described above, when the desired data is not stored in the magnetic characteristic data, the one-dimensional analysis unit 103 can derive the data by performing interpolation processing or extrapolation processing.

一次元解析部103は、以上のようにして第1の要素のそれぞれに対し、第2の要素のそれぞれにおける、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、By、渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jey、および透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを導出することを、データ記憶部101に記憶されている励磁条件データにおける一周期の各時刻ステップt(t=0〜tmax)において行う。 One-dimensional analysis unit 103, for each of the first element as described above, in each of the second element, the magnetic flux density (the x and y components) of the electromagnetic steel sheets B x, B y, eddy currents density (in the x component, y component) Je x, Je y, and permeability (the x and y components) mu x, deriving a mu y, in the actuated condition data stored in the data storage unit 101 This is performed at each time step t (t = 0 to t max ) in one cycle.

これにより、第1の要素のそれぞれについて、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのz軸方向の分布、渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyのz軸方向の分布、および透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布が導出される。 Thus, for each of the first element, the magnetic flux density (the x and y components) B x electromagnetic steel plates, z-axis direction of the distribution of B y, eddy current density (the x component, y component) Je x, The distribution of Je y in the z-axis direction and the distribution of magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the z-axis direction are derived.

ここで、一次元解析部103は、時刻ステップtにおいて、第1の要素に含まれる第2の要素のそれぞれにおける電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを(5a)式および(5b)式に基づいて導出する際に、当該時刻ステップtの1つ前の時刻ステップt−Δtにおいて当該第1の要素に対して導出した透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を用いる。ただし、一次元解析部103は、最初の時刻ステップt(=0)においては、第1の要素に含まれる第2の要素のそれぞれにおける電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを(5a)式および(5b)式に基づいて導出する際に、二次元解析部102で導出された当該第1の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byに対応する透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを、データ記憶部101に記憶されている励磁条件データにより特定される励磁周波数と電磁鋼板の材質とに対応する磁気特性データから読み出して用いる。 Here, the one-dimensional analysis unit 103 at time step t, the second magnetic flux density of the electromagnetic steel plates in each element (x and y components of) B x included in the first element, the B y (5a ) And the magnetic permeability (x component and y component) derived for the first element in the time step t−Δt immediately before the time step t when deriving based on the equation (5b). The distribution of μ x and μ y in the z-axis direction is used. However, in the first time step t (= 0), the one-dimensional analysis unit 103 determines the magnetic flux density (x component and y component) B x of the magnetic steel sheet in each of the second elements included in the first element. , in deriving based B y in (5a) expression and (5b) wherein the magnetic flux density (the x and y components) of the first element that is derived by the two-dimensional analysis section 102 B x, B The magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y corresponding to y are the magnetic characteristics corresponding to the exciting frequency and the material of the electrical steel sheet specified by the exciting condition data stored in the data storage unit 101. Read from the data and use.

このように、最初の時刻ステップt(=0)においては、(5a)式および(5b)式に与える透磁率μ(第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μy)は、z軸方向に分布を持たず、1つの第1の要素内で同じ値になる。これに対し、2回目以降の時刻ステップtにおいては、(5a)式および(5b)式に与える透磁率μ(第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μy)は、z軸方向に分布を有する。 Thus, in the first time step t (= 0), the magnetic permeability μ given to the equations (5a) and (5b) (the magnetic permeability (x component and y component) μ x , μ in the first element) y ) has no distribution in the z-axis direction and has the same value within one first element. On the other hand, in the second and subsequent time steps t, the magnetic permeability μ given to the equations (5a) and (5b) (permeability (x component and y component) μ x , μ y in the first element ). Has a distribution in the z-axis direction.

図4は、透磁率の一例を概念的に示す図である。図4では、電磁鋼板の磁束密度Bと磁界強度Hとの関係として、初磁化特性(初磁化曲線)を示す。透磁率μは、磁化曲線(図4では初磁化曲線)の原点と、磁化曲線上の一点とを通る直線の傾きで定義される(μは、BをHで割った値(B=μHの関係)で表される)。そのため、磁束密度Bが変化すると、磁化曲線上の位置が移動するため、透磁率μも変化する。 FIG. 4 is a diagram conceptually showing an example of magnetic permeability. FIG. 4 shows the initial magnetization characteristics (initial magnetization curve) as the relationship between the magnetic flux density B and the magnetic field strength H of the electrical steel sheet. Permeability μ is defined by the slope of a straight line passing through the origin of the magnetization curve (initial magnetization curve in FIG. 4) and a point on the magnetization curve (μ is the value obtained by dividing B by H (B = μH). Relationship). Therefore, when the magnetic flux density B changes, the position on the magnetization curve moves, so that the magnetic permeability μ also changes.

従って、本実施形態のように、電磁鋼板の厚み方向(z軸方向)において要素(第1の要素)を分割して、分割した要素(第2の要素)のそれぞれにおける磁束密度を導出して、電磁鋼板の厚み方向における磁束密度の分布を導出すると、電磁鋼板の透磁率も厚み方向において分布を持つ。 Therefore, as in the present embodiment, the element (first element) is divided in the thickness direction (z-axis direction) of the electrical steel sheet, and the magnetic flux density in each of the divided elements (second element) is derived. When the distribution of the magnetic flux density in the thickness direction of the electrical steel sheet is derived, the magnetic permeability of the electrical steel sheet also has a distribution in the thickness direction.

磁束密度が低い場合には電磁鋼板は磁気飽和しないため(磁化曲線の傾きは一定であるため)、磁束密度が異なっても透磁率があまり変化しない。また、励磁周波数が低い場合には、電磁鋼板において表皮効果による磁束密度の減衰が小さいため、電磁鋼板の透磁率の分布は一様に近い。これらの場合には、電磁鋼板の透磁率の厚み方向における分布を無視し、電磁鋼板の厚み方向において、透磁率が一定であるとして計算しても(例えば、図4(a)に示すように、初磁化曲線401の原点と初磁化曲線401上の低磁束密度領域の或る一点402とを通る直線403の傾きで表される透磁率を代表値として用いて計算しても)、計算精度が大きく低下することはないと考えられる。 When the magnetic flux density is low, the magnetic steel sheet is not magnetically saturated (because the slope of the magnetization curve is constant), so that the magnetic permeability does not change much even if the magnetic flux density is different. Further, when the excitation frequency is low, the attenuation of the magnetic flux density due to the skin effect is small in the magnetic steel sheet, so that the magnetic permeability distribution of the electrical steel sheet is close to uniform. In these cases, even if the distribution of the magnetic permeability of the electromagnetic steel plate in the thickness direction is ignored and the magnetic permeability is calculated as being constant in the thickness direction of the electromagnetic steel plate (for example, as shown in FIG. 4A). , Even if it is calculated using the magnetic permeability represented by the inclination of the straight line 403 passing through the origin of the initial magnetization curve 401 and a certain point 402 in the low magnetic flux density region on the initial magnetization curve 401), the calculation accuracy. Is not considered to decrease significantly.

しかしながら、高周波数、高磁束密度といった励磁条件下では、表皮効果によって、電磁鋼板における磁束密度の減衰の程度が大きくなり、板表面と内部とで磁束密度が大きく変化する。また、電磁鋼板が磁気飽和の状態または磁気飽和に近い状態になると、磁気特性の非線形性によって、僅かな磁束密度Bの変化で透磁率が急激に変化する。従って、電磁鋼板の厚み方向において透磁率が一定であると仮定すると、実現象を正確に再現することができず、計算精度が低下する虞がある。 However, under exciting conditions such as high frequency and high magnetic flux density, the degree of attenuation of the magnetic flux density in the electromagnetic steel plate becomes large due to the skin effect, and the magnetic flux density changes greatly between the plate surface and the inside. Further, when the magnetic steel sheet is in a state of magnetic saturation or a state close to magnetic saturation, the magnetic permeability changes abruptly with a slight change in the magnetic flux density B due to the non-linearity of the magnetic characteristics. Therefore, assuming that the magnetic permeability is constant in the thickness direction of the electrical steel sheet, the actual phenomenon cannot be accurately reproduced, and the calculation accuracy may decrease.

そこで、本実施形態では、(5a)式および(5b)式に与える透磁率μ(第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μy)がz軸方向に分布を持つようにすることで、図4(b)に示すように、それぞれの磁束密度(初磁化曲線401の各点402、404、405、406)に対応する透磁率を採用することができ、高周波数、高磁束密度といった励磁条件下でも、計算精度が低下することを抑制することができるようにする。 Therefore, in the present embodiment, the magnetic permeability μ (magnetic permeability (x component and y component) μ x , μ y in the first element) given to the equations (5a) and (5b) is distributed in the z-axis direction. By having it, as shown in FIG. 4 (b), it is possible to adopt the magnetic permeability corresponding to each magnetic flux density (each point 402, 404, 405, 406 of the initial magnetization curve 401), and it is high. Even under excitation conditions such as frequency and high magnetic flux density, it is possible to suppress a decrease in calculation accuracy.

[損失導出部104]
損失導出部104は、データ記憶部101に記憶されている励磁条件データにおける一周期の各時刻ステップt(t=0〜tmax)において、一次元解析部103により、第2の要素のそれぞれにおける、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byおよび渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyが導出されると、第2の要素のそれぞれにおける、ヒステリシス損および渦電流損を導出する。
[Loss Derivation Unit 104]
The loss derivation unit 104 is used in each of the second elements by the one-dimensional analysis unit 103 in each time step t (t = 0 to t max ) of one cycle in the excitation condition data stored in the data storage unit 101. , the magnetic flux density (the x and y components) B x electromagnetic steel plates, B y and eddy current density (the x component, y component) Je x, when Je y is derived, in each of the second element, Derivation of hysteresis loss and eddy current loss.

例えば、損失導出部104は、第2の要素の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byから磁束密度ベクトルを導出し、当該磁束密度ベクトルの大きさを導出することを、励磁条件データにおける一周期の各時刻ステップt(t=0〜tmax)のそれぞれにおいて行う。損失導出部104は、その結果から、磁束密度ベクトルの大きさと時間との関係を示す波形の最大値と最小値の差Bmを導出し、以下の(7)式により、当該第2の要素におけるヒステリシス損Whを導出する。 For example, the loss deriving unit 104, the magnetic flux density (the x and y components) of the second element B x, derives the flux density vector from B y, deriving the magnitude of the magnetic flux density vector, excitation It is performed at each time step t (t = 0 to t max ) of one cycle in the condition data. From the result, the loss derivation unit 104 derives the difference B m between the maximum value and the minimum value of the waveform showing the relationship between the magnitude of the magnetic flux density vector and the time, and the second element is derived from the following equation (7). Hysteresis loss Wh is derived.

Figure 0006984426
Figure 0006984426

(7)式において、fは、励磁周波数であり、Khは、ヒステリシス損係数であり、βは定数(例えば、1.6または2)である。ヒステリシス損係数Khは、例えば、二周波法により予め求められるものである。
損失導出部104は、以上のヒステリシス損Whの導出を全ての第2の要素に対して行い、全ての第2の要素におけるヒステリシス損Whの総和を電磁鋼板のヒステリシス損として導出する。尚、ヒステリシス損は、公知の方法で導出することができ、第2の要素の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを用いて導出する方法であれば、どのような方法で導出してもよい。
In equation (7), f is the excitation frequency, Kh is the hysteresis loss coefficient, and β is a constant (for example, 1.6 or 2). The hysteresis loss coefficient Kh is obtained in advance by, for example, the dual frequency method.
The loss derivation unit 104 derives the above-mentioned hysteresis loss Wh for all the second elements, and derives the sum of the hysteresis loss Wh in all the second elements as the hysteresis loss of the electrical steel sheet. Incidentally, hysteresis loss may be derived in a known manner, the second element of the magnetic flux density (the x and y components) B x, as long as it is a method for deriving with B y, any method It may be derived with.

また、損失導出部104は、第2の要素の渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyから渦電流密度ベクトルを導出し、当該渦電流密度ベクトルの大きさJeを導出することを、励磁条件データにおける一周期の各時刻ステップt(t=0〜tmax)のそれぞれにおいて行う。そして、損失導出部104は、以下の(8)式により、当該第2の要素における渦電流損We(古典的渦電流損)を導出する。 Moreover, the loss deriving unit 104, the eddy current density (the x component, y component) of the second element Je x, derives the eddy current density vector from Je y, to derive the magnitude Je of the eddy current density vector This is done at each time step t (t = 0 to t max ) of one cycle in the excitation condition data. Then, the loss derivation unit 104 derives the eddy current loss We (classical eddy current loss) in the second element by the following equation (8).

Figure 0006984426
Figure 0006984426

(8)式において、vは、第2の要素の体積であり、Tは、励磁条件データにおける一周期に相当する時間である。
損失導出部104は、以上の渦電流損Weの導出を全ての第2の要素に対して行い、全ての第2の要素における渦電流損Weの総和を電磁鋼板の渦電流損として導出する。尚、渦電流損は、公知の方法で導出することができ、第2の要素の渦電流密度(のx成分およびy成分)Jex、Jeyを用いて導出する方法であれば、どのような方法で導出してもよい。
そして、損失導出部104は、電磁鋼板のヒステリシス損と渦電流損の和を電磁鋼板の鉄損として導出する。
In the equation (8), v is the volume of the second element, and T is the time corresponding to one cycle in the excitation condition data.
The loss derivation unit 104 derives the above eddy current loss We for all the second elements, and derives the sum of the eddy current losses We in all the second elements as the eddy current loss of the magnetic steel sheet. Incidentally, the eddy current loss can be derived in a known manner, the eddy current density (the x and y components) Je x of the second element, as long as the method of deriving with Je y, how It may be derived by any method.
Then, the loss derivation unit 104 derives the sum of the hysteresis loss and the eddy current loss of the electrical steel sheet as the iron loss of the electrical steel sheet.

[出力部105]
出力部105は、損失導出部104により導出された、電磁鋼板のヒステリシス損、渦電流損、および鉄損を含む情報を出力する。出力の形態としては、例えば、コンピュータディスプレイへの表示、電磁場解析装置100の内部または/および外部の記憶媒体への記憶、および外部装置への送信の少なくとも何れか1つを採用することができる。
[Output unit 105]
The output unit 105 outputs information including the hysteresis loss, the eddy current loss, and the iron loss of the electrical steel sheet derived by the loss derivation unit 104. As the form of output, for example, at least one of display on a computer display, storage in an internal / / and external storage medium of the electromagnetic field analyzer 100, and transmission to an external device can be adopted.

<電磁場解析方法>
図5は、本実施形態の電磁場解析装置100を用いた電磁場解析方法の一例を説明するフローチャートである。
ステップS501において、二次元解析部102は、(1)式〜(4)式を非定常二次元有限要素法により解くことで、第1の要素のそれぞれにおける磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを導出する。
次に、ステップS502において、一次元解析部103は、第1の要素のうち未選択の第1の要素を1つ選択する。
<Electromagnetic field analysis method>
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of an electromagnetic field analysis method using the electromagnetic field analysis device 100 of the present embodiment.
In step S501, the two-dimensional analysis unit 102 solves the equations (1) to (4) by the unsteady two-dimensional finite element method, so that the magnetic flux density (x component and y component) in each of the first elements is B x, to derive the B y.
Next, in step S502, the one-dimensional analysis unit 103 selects one unselected first element among the first elements.

次に、ステップS503において、一次元解析部103は、ステップS502で選択した第1の要素をz軸方向において複数に分割し、複数の第2の要素を生成する。
次に、ステップS504において、一次元解析部103は、時刻ステップtを初期値である0(ゼロ)に設定する。時刻ステップtの初期値(=0)は、励磁条件データにおける一周期の始期のタイミングである。
次に、ステップS505において、一次元解析部103は、時刻ステップtの初期値(=0)における境界条件((6a)式〜(6d)式を参照)の下で、(5a)式および(5b)式を非定常一次元有限要素法により解くことで、ステップS503で生成された第2の要素のそれぞれにおけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayを導出する。このステップS505において、(6a)式〜(6d)式のBx(t)、By(t)は、ステップS502で選択された第1の要素に対してステップS501で導出されたBx(0)、By(0)になる。
Next, in step S503, the one-dimensional analysis unit 103 divides the first element selected in step S502 into a plurality of parts in the z-axis direction, and generates a plurality of second elements.
Next, in step S504, the one-dimensional analysis unit 103 sets the time step t to 0 (zero), which is an initial value. The initial value (= 0) of the time step t is the timing of the start of one cycle in the excitation condition data.
Next, in step S505, the one-dimensional analysis unit 103 performs the equations (5a) and (5a) under the boundary conditions (see equations (6a) to (6d)) at the initial value (= 0) of the time step t. By solving the equation 5b) by the unsteady one-dimensional finite element method, the vector potentials (x component and y component) A x and A y in each of the second elements generated in step S503 are derived. In step S505, (6a) formula ~ (6d) formula B x (t), B y (t) , the first element is derived in step S501 with respect to the B x selected in step S502 ( 0), and B y (0).

これにより、ステップS502で選択した第1の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayの、時刻ステップtの初期値におけるz軸方向の分布が導出される。このステップS505では、ステップS502で選択された第1の要素において共通の透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを用いて(5a)式および(5b)式を解く。 As a result, the distribution of the vector potentials (x component and y component) A x and A y in the first element selected in step S502 in the z-axis direction at the initial value of the time step t is derived. In this step S505, the equations (5a) and (5b) are solved using the common magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element selected in step S502.

次に、ステップS506において、一次元解析部103は、ステップS505で導出された第1の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayのz軸方向の分布に基づいて、ステップS503で生成された第2の要素のそれぞれにおける磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byおよび渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyを導出する。これにより、当該第1の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byの、時刻ステップtの初期値におけるz軸方向の分布と、渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyの、時刻ステップtの初期値におけるz軸方向の分布とが導出される。 Next, in step S506, the one-dimensional analysis unit 103 determines the distribution of the vector potentials (x component and y component) A x and A y in the first element derived in step S505 in the z-axis direction. the second magnetic flux density in each element (the x and y components) B x, B y and eddy current density (the x component, y component) generated in step S503 Je x, deriving a Je y. Thus, the first magnetic flux density in the element (the x and y components) B x, the B y, and the distribution of the z-axis direction in the initial value of the time step t, the eddy current density (the x component, y component ) Je x, of Je y, and distribution of the z-axis direction in the initial value of the time step t is derived.

次に、ステップS507において、一次元解析部103は、データ記憶部101に記憶されている磁気特性データから、ステップS506で導出された第2の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのそれぞれに対応する透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを読み出す。これにより、当該第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyの、時刻ステップtの初期値におけるz軸方向の分布が得られる。そして、一次元解析部103は、当該第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を記憶する。 Next, in step S507, the one-dimensional analysis unit 103 has a magnetic flux density (x component and y component) B in the second element derived in step S506 from the magnetic characteristic data stored in the data storage unit 101. x, (x and y components of) the corresponding magnetic permeability in the respective B y mu x, reads out the mu y. As a result, the distribution of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element in the z-axis direction at the initial value of the time step t can be obtained. Then, the one-dimensional analysis unit 103 stores the distributions of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element in the z-axis direction.

次に、ステップS508において、一次元解析部103は、時刻ステップtに時間Δtを加算して時刻ステップtを更新する。
次に、ステップS509において、一次元解析部103は、ステップS502で選択された第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布(の最新の値)を読み出す。
Next, in step S508, the one-dimensional analysis unit 103 updates the time step t by adding the time Δt to the time step t.
Next, in step S509, the one-dimensional analysis unit 103 determines the distribution (latest) of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element selected in step S502 in the z-axis direction. Value) is read.

次に、ステップS510において、一次元解析部103は、ステップS508で更新された時刻ステップtにおける境界条件((6a)式〜(6d)式を参照)の下で、(5a)式および(5b)式を非定常一次元有限要素法により解くことで、ステップS503で生成された第2の要素のそれぞれにおけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayを導出する。このステップS510において、(6a)式〜(6d)式のBx(t)、By(t)は、ステップS502で選択された第1の要素に対してステップS501で導出されたBx(t)、By(t)になる(tは、ステップS508で更新された時刻ステップtである)。 Next, in step S510, the one-dimensional analysis unit 103 performs the equations (5a) and (5b) under the boundary conditions (see equations (6a) to (6d)) in the time step t updated in step S508. ) Is solved by the unsteady one-dimensional finite element method to derive the vector potentials (x component and y component) A x and A y in each of the second elements generated in step S503. In step S510, (6a) formula ~ (6d) formula B x (t), B y (t) , the first element is derived in step S501 with respect to the B x selected in step S502 ( t), becomes B y (t) (t is the time step t that is updated in step S508).

これにより、ステップS502で選択した第1の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayの、ステップS508で更新された時刻ステップtにおけるz軸方向の分布が導出される。このステップS510では、ステップS509で読み出した第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布(の最新の値)を用いて(5a)式および(5b)式を解く。 As a result, the distribution of the vector potentials (x component and y component) A x and A y in the first element selected in step S502 in the z-axis direction at the time step t updated in step S508 is derived. In this step S510, the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the z-axis direction (latest value) of the magnetic permeability in the first element read out in step S509 are used in the equation (5a) and Solve equation (5b).

次に、ステップS511において、一次元解析部103は、ステップS510で導出された第1の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayのz軸方向の分布に基づいて、ステップS503で生成された第2の要素のそれぞれにおける磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byおよび渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyを導出する。これにより、当該第1の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byの、ステップS508で更新された時刻ステップtにおけるz軸方向の分布と、渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyの、ステップS508で更新された時刻ステップtにおけるz軸方向の分布とが導出される。 Next, in step S511, the one-dimensional analysis unit 103 determines the distribution of the vector potentials (x component and y component) A x and A y in the first element derived in step S510 in the z-axis direction. the second magnetic flux density in each element (the x and y components) B x, B y and eddy current density (the x component, y component) generated in step S503 Je x, deriving a Je y. Thus, the magnetic flux density (the x and y components) of the first element B x, the B y, and the distribution in the z-axis direction at time step t updated in step S508, the eddy current density (x-component , y components) Je x, of Je y, and the distribution in the z-axis direction at time step t that is updated in step S508 is derived.

次に、ステップS512において、一次元解析部103は、データ記憶部101に記憶されている磁気特性データから、ステップS511で導出された第2の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのそれぞれに対応する透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを読み出す。これにより、当該第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyの、ステップS508で更新された時刻ステップtにおけるz軸方向の分布が得られる。そして、一次元解析部103は、既に記憶している当該第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を、このステップS512で読み出した当該第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布に書き換えて、当該第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を更新する。 Next, in step S512, the one-dimensional analysis unit 103 has a magnetic flux density (x component and y component) B in the second element derived in step S511 from the magnetic characteristic data stored in the data storage unit 101. x, (x and y components of) the corresponding magnetic permeability in the respective B y mu x, reads out the mu y. As a result, the distribution of the magnetic permeability (x component and y component) μ x , μ y in the first element in the time step t updated in step S508 is obtained in the z-axis direction. Then, the one-dimensional analysis unit 103 reads out the distribution in the z-axis direction of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element already stored in this step S512. the first permeability at elements (the x and y components) mu x, mu rewrites the z of the axial distribution of y, the permeability (of the x and y components) of the first element mu x, mu Update the distribution of y in the z-axis direction.

次に、ステップS513において、一次元解析部103は、現在の時刻ステップの値が最終値(=tmax)であるか否かを判定する。時刻ステップtの最終値(=tmax)は、励磁条件データにおける一周期の終期のタイミングである。この判定の結果、現在の時刻ステップの値が最終値(=tmax)でない場合には、励磁条件データにおける一周期分の計算が終了していないので、処理は、ステップS508に戻る。そして、現在の時刻ステップの値が最終値(=tmax)になるまで、ステップS508〜S513の処理が繰り返し実行される。 Next, in step S513, the one-dimensional analysis unit 103 determines whether or not the value of the current time step is the final value (= t max). The final value (= t max ) of the time step t is the timing of the end of one cycle in the excitation condition data. As a result of this determination, if the value of the current time step is not the final value (= t max ), the calculation for one cycle in the excitation condition data has not been completed, and the process returns to step S508. Then, the processes of steps S508 to S513 are repeatedly executed until the value of the current time step reaches the final value (= t max).

そして、現在の時刻ステップの値が最終値(=tmax)になると、処理は、ステップS514に進む。ステップS514において、一次元解析部103は、ステップS502で全ての第1の要素を選択したか否かを判定する。この判定の結果、全ての第1の要素を選択していない場合には、全ての第1の要素に対する計算が終了していないので、処理は、ステップS502に戻る。そして、ステップS502で全ての第1の要素が選択されるまで、ステップS502〜S514の処理が繰り返し実行される。 Then, when the value of the current time step reaches the final value (= t max ), the process proceeds to step S514. In step S514, the one-dimensional analysis unit 103 determines whether or not all the first elements have been selected in step S502. As a result of this determination, if all the first elements are not selected, the calculation for all the first elements has not been completed, and the process returns to step S502. Then, the processes of steps S502 to S514 are repeatedly executed until all the first elements are selected in step S502.

ステップS502で全ての第1の要素が選択されると、処理は、ステップS515に進む。ステップS515において、損失導出部104は、第1の要素のそれぞれに含まれる第2の要素のそれぞれにおける、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byおよび渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyに基づいて、電磁鋼板のヒステリシス損、渦電流損、および鉄損を導出する。
最後に、ステップS516において、出力部105は、電磁鋼板のヒステリシス損、渦電流損、および鉄損を含む情報を出力する。
When all the first elements are selected in step S502, the process proceeds to step S515. In step S515, the loss deriving unit 104, in each of the second element included in each of the first element, the magnetic flux density (the x and y components) of the electromagnetic steel sheets B x, B y and eddy current density ( the x component, y component) Je x, based on Je y, hysteresis loss of the electromagnetic steel sheets, eddy current loss, and derives the iron loss.
Finally, in step S516, the output unit 105 outputs information including the hysteresis loss, the eddy current loss, and the iron loss of the electrical steel sheet.

<計算例>
次に、本実施形態の計算例を説明する。本計算例では、JIS C2556(2015)「単板試験器による電磁鋼帯の磁気特性の測定方法」に記載の単板磁気試験器により、35A360の電磁鋼板を励磁した場合の当該電磁鋼板のヒステリシス損、渦電流損、および鉄損を計算した。
本実施形態で説明した手法(図5のフローチャートで説明した手法)を発明例とする。また、図5のフローチャートにおいて、ステップS507、S509、S512の処理を行わず、ステップS510においても、ステップS505と同様に、第1の要素において共通の透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyを用いる(透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyをz軸方向に分布を持たないように一定とする)手法を比較例とする。また、導電率の制限を設けずに且つ電磁鋼板の板厚よりも細かく要素を設定して非線形非定常三次元有限要素法を用いた電磁場解析を行う手法を基準例とする。発明例および比較例に比べ、基準例の手法の方が正確に電磁場解析を行うことができるが計算時間はかかる。
<Calculation example>
Next, a calculation example of this embodiment will be described. In this calculation example, the hysteresis of the electromagnetic steel sheet when the electromagnetic steel sheet of 35A360 is excited by the single plate magnetic tester described in JIS C2556 (2015) “Method for measuring magnetic characteristics of electrical steel strip by single plate tester”. Loss, eddy current loss, and iron loss were calculated.
The method described in this embodiment (the method described in the flowchart of FIG. 5) is used as an example of the invention. Further, in the flowchart of FIG. 5, the processes of steps S507, S509, and S512 are not performed, and in step S510 as well as in step S505, the magnetic permeability (x component and y component) μ x common to the first element. , Μ y (the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y are constant so as not to have a distribution in the z-axis direction) is used as a comparative example. Further, a method of performing electromagnetic field analysis using a nonlinear unsteady three-dimensional finite element method without limiting the conductivity and setting elements finer than the plate thickness of the magnetic steel sheet is used as a reference example. Compared with the invention example and the comparative example, the method of the reference example can perform the electromagnetic field analysis more accurately, but the calculation time is longer.

発明例および比較例のそれぞれの手法で導出した電磁鋼板のヒステリシス損、渦電流損、および鉄損と、基準例の手法で導出した電磁鋼板のヒステリシス損、渦電流損、および鉄損とを比較した。また、本計算例では、電磁鋼板の磁束密度の最大値が1.5Tになるように励磁周波数が1kHzの正弦波の励磁電流を印加するという第1の励磁条件と、電磁鋼板の磁束密度の最大値が1.5Tになるように周波数が1.5kHzの変調波と周波数が5kHzの搬送波(キャリア波)とを用いて変調率mを0.5としてインバータにより生成される励磁電流を印加するという第2の励磁条件とのそれぞれおいて前述した計算を行った。その結果を図6に示す。 Comparison of the hysteresis loss, eddy current loss, and iron loss of the electrical steel sheet derived by the methods of the invention example and the comparative example with the hysteresis loss, eddy current loss, and iron loss of the electromagnetic steel sheet derived by the method of the reference example. did. Further, in this calculation example, the first exciting condition that the exciting current of a sine wave having an exciting frequency of 1 kHz is applied so that the maximum value of the magnetic flux density of the electromagnetic steel plate is 1.5T, and the magnetic flux density of the electromagnetic steel plate An exciting current generated by an inverter is applied with a modulation factor m of 0.5 using a modulated wave having a frequency of 1.5 kHz and a carrier (carrier wave) having a frequency of 5 kHz so that the maximum value becomes 1.5 T. The above-mentioned calculation was performed under each of the second excitation conditions. The results are shown in FIG.

図6(a)および図6(b)において、差は、発明例1、発明例2、比較例1、比較例2の値から基準例の値を引いた値と、発明例1、発明例2、比較例1、比較例2の値から基準例の値を引いた値の基準例の値に対する比を百分率で表した値と、を示す。
第1の励磁条件、第2の励磁条件は、高磁束密度、高周波数の条件であるので、図6(a)および図6(b)に示すように、ヒステリシス損に比べ渦電流損が大きくなる。図6(a)および図6(b)を比較すると、第1の励磁条件、第2の励磁条件の何れの条件においても、発明例1、2では、比較例1、2に比べ、基準例の結果に近づけることができることが分かる。このように、本実施形態の手法では、高磁束密度、高周波数の励磁条件下においても、計算負荷を低減することと計算精度の低下を抑制することとの双方を実現することができる。これにより、例えば、永久磁石同期モータや、誘導モータといった交流モータのうち、電気自動車やハイブリッド自動車等、インバータ等を用いて高速回転するモータにおける損失を短時間で高精度に導出することが可能になる。
In FIGS. 6 (a) and 6 (b), the difference is the value obtained by subtracting the value of the reference example from the values of Invention Example 1, Invention Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, and Invention Example 1 and Invention Example. 2. The ratio of the value obtained by subtracting the value of the reference example from the values of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 to the value of the reference example is shown as a percentage.
Since the first excitation condition and the second excitation condition are high magnetic flux density and high frequency conditions, the eddy current loss is larger than the hysteresis loss as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). Become. Comparing FIGS. 6 (a) and 6 (b), under both the first excitation condition and the second excitation condition, Invention Examples 1 and 2 are reference examples as compared with Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that the result can be approached. As described above, in the method of the present embodiment, it is possible to realize both the reduction of the calculation load and the suppression of the deterioration of the calculation accuracy even under the excitation conditions of high magnetic flux density and high frequency. This makes it possible to derive the loss in a short time and with high accuracy in a motor that rotates at high speed using an inverter or the like, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle, among AC motors such as a permanent magnet synchronous motor and an induction motor. Become.

<まとめ>
以上のように本実施形態では、電磁場解析装置100は、各時刻ステップtにおいて、透磁率μを用いて表現される磁束密度の拡散方程式を解くことによって、電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのz軸方向の分布を求めることと、当該電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのz軸方向の分布を用いて、電磁鋼板の透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を導出することとを行う。このとき、電磁場解析装置100は、1つ前の時刻ステップtにおいて導出した電磁鋼板の透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を用いて、今回の時刻ステップtにおける磁束密度の拡散方程式を解く。従って、電磁鋼板の透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を考慮することができる。よって、励磁された磁性材料の磁束密度を含む磁気特性を数値解析により求めるに際し、計算負荷を低減することと計算精度の低下を抑制することとの双方を実現することができる。
<Summary>
As described above, in the present embodiment, the electromagnetic field analyzer 100 solves the diffusion equation of the magnetic flux density expressed by using the magnetic permeability μ in each time step t, so that the magnetic flux density (x component and x component of the magnetic steel sheet) of the electromagnetic steel sheet is solved. y component) B x, by using the determining the z of axial distribution of B y, the magnetic flux density of the electromagnetic steel sheet (the x and y components) B x, and z of the axial distribution of B y, magnetic steel The magnetic flux density (x component and y component of) μ x and μ y are derived in the z-axis direction. At this time, the electromagnetic field analyzer 100 uses the distribution of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y of the magnetic steel sheet derived in the previous time step t in the z-axis direction at the current time. Solve the diffusion equation of the magnetic flux density in step t. Therefore, it is possible to consider the distribution of magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y of the magnetic steel sheet in the z-axis direction. Therefore, when obtaining the magnetic characteristics including the magnetic flux density of the excited magnetic material by numerical analysis, it is possible to realize both the reduction of the calculation load and the suppression of the deterioration of the calculation accuracy.

<変形例>
本実施形態では、二次元解析部102において、非線形非定常二次元有限要素法を用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしも二次元有限要素法を用いる必要はなく、z軸方向の導電率を0(ゼロ)とし且つ第1の要素を電磁鋼板の厚みよりも大きくした非線形非定常三次元有限要素法を用いるようにしてもよい。このようにする場合も、非線形非定常三次元有限要素法で使用する要素が第1の要素になる。
<Modification example>
In this embodiment, the case where the nonlinear unsteady two-dimensional finite element method is used in the two-dimensional analysis unit 102 has been described as an example. However, it is not always necessary to use the two-dimensional finite element method, and a nonlinear unsteady three-dimensional finite element method is used in which the conductivity in the z-axis direction is 0 (zero) and the first element is larger than the thickness of the electromagnetic steel plate. You may do so. Even in this case, the element used in the nonlinear unsteady three-dimensional finite element method becomes the first element.

また、本実施形態では、2回目以降の時刻ステップtにおいて、第1の要素に含まれる第2の要素のそれぞれにおける電磁鋼板の磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byを(5a)式および(5b)式に基づいて導出する際に、当該時刻ステップtの1つ前の時刻ステップt−Δtにおいて当該第1の要素に対して導出した透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしも、当該時刻ステップtの1つ前の時刻ステップt−Δtにおいて当該第1の要素に対して導出した透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布を用いる必要はない。 Further, in the present embodiment, in the second and subsequent time step t, the second magnetic flux density of the electromagnetic steel plates in each element (the x and y components) B x included in the first element, the B y ( When deriving based on the equations 5a) and (5b), the magnetic permeability (x component and y component) derived with respect to the first element in the time step t−Δt immediately before the time step t. ) The case of using the distribution of μ x and μ y in the z-axis direction has been described as an example. However, the distribution of magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y derived for the first element in the time step t−Δt immediately before the time step t is not necessarily distributed in the z-axis direction. There is no need to use.

例えば、ステップS512とステップS513との間に、ステップS512において導出した第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布の収束判定を行うステップを追加してもよい。この場合、この収束判定において、ステップS512において導出した第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布が収束していない場合、処理は、ステップS510に戻る。 For example, between step S512 and step S513, a step of determining the convergence of the distributions of magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element derived in step S512 in the z-axis direction is performed. You may add it. In this case, in this convergence test, if the distributions of magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element derived in step S512 are not converged in the z-axis direction, the process is performed in step. Return to S510.

ステップS510に処理が戻ると、一次元解析部103は、ステップS512において得られた第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布の最新値を用いて、第1の要素におけるベクトルポテンシャル(のx成分、y成分)Ax、Ayのz軸方向の分布を導出し直す。そして、ステップS511において、一次元解析部103は、第1の要素における磁束密度(のx成分およびy成分)Bx、Byのz軸方向の分布と、第1の要素における渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyのz軸方向の分布とを導出し直す。 When the process returns to step S510, the one-dimensional analysis unit 103 outputs the latest values of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the z-axis direction in the first element obtained in step S512. Is used to re-derive the distribution of the vector potentials (x component, y component) A x and A y in the first element in the z-axis direction. Then, in step S511, one-dimensional analysis unit 103, the magnetic flux density in the first element (the x and y components) B x, and z of the axial distribution of B y, eddy current density in the first element ( the x component, y component) Je x, again derives a z of axial distribution of Je y.

以上の収束判定と、ステップS510〜S512の処理とを、収束判定において、ステップS512において得られた第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布が収束すると判定されるまで繰り返し行う。収束判定は、例えば、ステップS512において導出した第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布の前回値と今回値との差を表す値が所定の値以下であるか否かを判定することにより行うことができる。このとき、例えば、z軸方向の位置毎、方向(x軸方向およびy軸方向)毎に、第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyの今回値から前回値を引いた値を求め、求めた値の総和を、第1の要素における透磁率(のx成分およびy成分)μx、μyのz軸方向の分布の前回値と今回値との差を表す値として採用することができる。 The above convergence test and the processing of steps S510 to S512 are performed in the convergence test in the z-axis direction of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y of the first element obtained in step S512. Repeat until it is determined that the distribution converges. In the convergence test, for example, the value representing the difference between the previous value and the current value of the distribution of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element derived in step S512 in the z-axis direction is used. This can be done by determining whether or not the value is equal to or less than a predetermined value. At this time, for example, for each position in the z-axis direction and for each direction (x-axis direction and y-axis direction), the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y of the first element is the previous value from the current value. The value obtained by subtracting the value is obtained, and the sum of the obtained values is the difference between the previous value and the current value of the distribution of the magnetic permeability (x component and y component) μ x and μ y in the first element in the z-axis direction. Can be adopted as a value representing.

また、本実施形態では、磁束密度の面内方向成分の値が、電磁鋼板の板面方向成分の値であり、面内方向に垂直な方向が電磁鋼板の板厚方向である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はない。面内方向成分の面は、2次元平面であれば、どの面であってもよい。例えば、磁束密度の面内方向成分の値が、電磁鋼板の板厚方向成分の値であってもよい。例えば、回転電機のステータコアの外周端付近では、電磁鋼板の板厚方向に磁束が流れる。このような場合には、磁束密度の面内方向成分の値を、電磁鋼板の板厚方向成分の値とし、面内方向に垂直な方向を、ステータコアの径方向とするのが好ましい。 Further, in the present embodiment, the value of the in-plane direction component of the magnetic flux density is the value of the plate surface direction component of the electromagnetic steel sheet, and the direction perpendicular to the in-plane direction is the plate thickness direction of the electromagnetic steel sheet as an example. I mentioned and explained. However, it is not always necessary to do this. The surface of the in-plane direction component may be any surface as long as it is a two-dimensional plane. For example, the value of the in-plane component of the magnetic flux density may be the value of the plate thickness direction component of the electrical steel sheet. For example, magnetic flux flows in the thickness direction of the electrical steel sheet near the outer peripheral end of the stator core of the rotary electric machine. In such a case, it is preferable that the value of the in-plane component of the magnetic flux density is the value of the plate thickness direction component of the magnetic steel sheet, and the direction perpendicular to the in-plane direction is the radial direction of the stator core.

また、本実施形態のように電磁鋼板の渦電流損を導出すれば、電磁鋼板の詳細な損失を得ることができるので好ましい。しかしながら、電磁鋼板の渦電流損を導出せずにヒステリシス損だけを導出してもよい。このようにする場合、必ずしも渦電流密度(のx成分、y成分)Jex、Jeyを導出する必要はない。 Further, if the eddy current loss of the electrical steel sheet is derived as in the present embodiment, it is preferable because the detailed loss of the electrical steel sheet can be obtained. However, it is possible to derive only the hysteresis loss without deriving the eddy current loss of the electrical steel sheet. When doing so, it is not necessary to derive the eddy current density (the x component, y component) Je x, the Je y.

その他、以上説明した本発明の実施形態は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
In addition, the embodiment of the present invention described above can be realized by executing a program by a computer. Further, a computer-readable recording medium on which the program is recorded and a computer program product such as the program can also be applied as an embodiment of the present invention. As the recording medium, for example, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a magnetic tape, a non-volatile memory card, a ROM, or the like can be used.
In addition, the embodiments of the present invention described above are merely examples of embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner by these. It is a thing. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.

100:電磁場解析装置、101:データ記憶部、102:二次元解析部、103:一次元解析部、104:損失導出部、105:出力部 100: Electromagnetic field analysis device, 101: Data storage unit, 102: Two-dimensional analysis unit, 103: One-dimensional analysis unit, 104: Loss derivation unit, 105: Output unit

Claims (11)

励磁された磁性材料の各時刻ステップにおける磁気特性をマクスウェル方程式に基づく数値解析により解析する電磁場解析装置であって、
前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を、当該磁性材料の領域を分割することにより得られる3次元の第1の小領域ごとに数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第1の導出手段と、
前記第1の導出手段により導出された前記磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、前記面内方向に垂直な方向に前記第1の小領域を分割することにより得られる3次元の第2の小領域ごとに、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第2の導出手段と、
前記第2の導出手段により前記第2の小領域に対して導出された前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第3の導出手段と、を有し、
前記透磁率は、磁束密度と磁界強度との関係を示す曲線における原点と、当該曲線上の、磁束密度に応じて定まる点とを結ぶ直線の傾きで表され、
前記第2の導出手段は、或る時刻ステップにおいて、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出する際に、当該時刻ステップよりも前の時刻ステップにおいて、前記第3の導出手段により当該第2の小領域に対して導出された前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値として用いることを特徴とする電磁場解析装置。
An electromagnetic field analyzer that analyzes the magnetic properties of an excited magnetic material at each time step by numerical analysis based on Maxwell's equations.
At each time step, it is executed to derive the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material by numerical analysis for each of the first small regions in three dimensions obtained by dividing the region of the magnetic material. The first derivation means to be
A three-dimensional first obtained by dividing the first small region in a direction perpendicular to the in-plane direction based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density derived by the first derivation means. A second derivation means for performing numerical analysis to derive the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material for each of the two small regions,
The magnetic permeability of the magnetic material in the second small region is based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material derived for the second small region by the second derivation means. It has a third derivation means, which performs derivation of the value of the in-plane direction component at each time step.
The magnetic permeability is represented by the slope of a straight line connecting the origin in the curve showing the relationship between the magnetic flux density and the magnetic field strength and the point determined according to the magnetic flux density on the curve.
The second derivation means is prior to the time step when the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material is derived by numerical analysis for each of the second small regions in a certain time step. In the time step of, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material derived for the second small region by the third derivation means is set to the value of the magnetic material in the second small region. An electromagnetic field analyzer characterized by being used as a value of an in-plane component of magnetic permeability.
前記第2の導出手段は、最初の時刻ステップにおいて、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出する際には、前記第1の導出手段により当該第2の小領域を含む前記第1の小領域に対して導出された前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値に対応する前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値として用いることを特徴とする請求項1に記載の電磁場解析装置。 The second derivation means is the first derivation when the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material is derived by numerical analysis for each of the second small regions in the first time step. The in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material corresponding to the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material derived for the first small region including the second small region by means. The electromagnetic field analyzer according to claim 1, wherein the value is used as a value of an in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material in the second small region. 前記第2の導出手段は、前記第1の導出手段により前記第1の小領域に対して或る時刻ステップにおいて導出された前記磁束密度の面内方向成分の値に基づく磁束が、当該第1の小領域を分割した前記第2の小領域における当該時刻ステップでの磁束の総量と等しくなるように、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行することを特徴とする請求項1または2に記載の電磁場解析装置。 In the second derivation means, the magnetic flux based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density derived in a certain time step with respect to the first small region by the first derivation means is the first. The value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material is a numerical value for each of the second small regions so as to be equal to the total amount of the magnetic flux at the time step in the second small region obtained by dividing the small region of. The electromagnetic field analysis apparatus according to claim 1 or 2, wherein the derivation by analysis is performed at each time step. 前記第2の導出手段は、前記数値解析として、マクスウェルの方程式に基づいて導かれる拡散方程式であって、前記磁性材料の磁束密度の面内方向成分の値が、前記面内方向に垂直な方向にどのように分布するのかを、前記磁性材料の導電率と、透磁率の面内方向成分の値とを用いて表現した拡散方程式に基づく数値解析を行うことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電磁場解析装置。 The second derivation means is a diffusion equation derived based on Maxwell's equations as the numerical analysis, in which the value of the in-plane component of the magnetic flux density of the magnetic material is perpendicular to the in-plane direction. 1. The electromagnetic field analyzer according to any one of the above items. 前記第2の導出手段は、或る時刻ステップにおいて、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出する際に、当該時刻ステップよりも1つ前の時刻ステップにおいて、前記第3の導出手段により当該第2の小領域に対して導出された、前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値として用いることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の電磁場解析装置。 The second derivation means is one more than the time step when deriving the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material by numerical analysis for each of the second small regions in a certain time step. In the previous time step, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material derived for the second small region by the third derivation means is set to the value in the second small region. The electromagnetic field analyzer according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic material is used as a value of an in-plane component of magnetic permeability. 前記磁性材料は、1枚または複数枚の電磁鋼板を含むことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の電磁場解析装置。 The electromagnetic field analysis apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the magnetic material includes one or a plurality of electromagnetic steel sheets. 前記第2の導出手段により導出された前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の前記第2の小領域ごとの値に基づいて、前記磁性材料の損失を導出する第4の導出手段を更に有することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の電磁場解析装置。 Further, a fourth derivation means for deriving the loss of the magnetic material based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material derived by the second derivation means for each of the second small regions. The electromagnetic field analyzer according to any one of claims 1 to 6, wherein the electromagnetic field analyzer is characterized by having. 前記数値解析は、有限要素法による数値解析であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の電磁場解析装置。 The electromagnetic field analysis apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the numerical analysis is a numerical analysis by a finite element method. 前記磁束密度と磁界強度との関係を示す曲線は、初磁化特性を示す曲線であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の電磁場解析装置。 The electromagnetic field analysis apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the curve showing the relationship between the magnetic flux density and the magnetic field strength is a curve showing the initial magnetization characteristic. 励磁された磁性材料の各時刻ステップにおける磁気特性をマクスウェル方程式に基づく数値解析により解析する電磁場解析方法であって、
前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を、当該磁性材料の領域を分割することにより得られる3次元の第1の小領域ごとに数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第1の導出工程と、
前記第1の導出工程により導出された前記磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、前記面内方向に垂直な方向に前記第1の小領域を分割することにより得られる3次元の第2の小領域ごとに、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を数値解析により導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第2の導出工程と、
前記第2の導出工程により前記第2の小領域に対して導出された前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値に基づいて、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を導出することを、各時刻ステップにおいて実行する第3の導出工程と、を有し、
前記透磁率は、磁束密度と磁界強度との関係を示す曲線における原点と、当該曲線上の、磁束密度に応じて定まる点とを結ぶ直線の傾きで表され、
前記第2の導出工程は、或る時刻ステップにおいて、前記磁性材料における磁束密度の面内方向成分の値を前記第2の小領域ごとに数値解析により導出する際に、当該時刻ステップよりも前の時刻ステップにおいて、前記第3の導出工程により当該第2の小領域に対して導出された前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値を、当該第2の小領域における前記磁性材料の透磁率の面内方向成分の値として用いることを特徴とする電磁場解析方法。
An electromagnetic field analysis method that analyzes the magnetic properties of an excited magnetic material at each time step by numerical analysis based on Maxwell's equations.
At each time step, it is executed to derive the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material by numerical analysis for each of the first small regions in three dimensions obtained by dividing the region of the magnetic material. The first derivation process to be performed and
A three-dimensional first obtained by dividing the first small region in a direction perpendicular to the in-plane direction based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density derived by the first derivation step. A second derivation step of performing numerical analysis to derive the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material for each of the two small regions is performed in each time step.
The magnetic permeability of the magnetic material in the second small region is based on the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material derived for the second small region by the second derivation step. It has a third derivation step of deriving the value of the in-plane direction component at each time step.
The magnetic permeability is represented by the slope of a straight line connecting the origin in the curve showing the relationship between the magnetic flux density and the magnetic field strength and the point determined according to the magnetic flux density on the curve.
The second derivation step is prior to the time step when the value of the in-plane component of the magnetic flux density in the magnetic material is derived by numerical analysis for each of the second small regions in a certain time step. In the time step of, the value of the in-plane component of the magnetic permeability of the magnetic material derived for the second small region by the third derivation step is set to the value of the magnetic material in the second small region. An electromagnetic field analysis method characterized in that it is used as a value of an in-plane component of magnetic permeability.
請求項1〜9の何れか1項に記載の電磁場解析装置の各手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。 A program for operating a computer as each means of the electromagnetic field analyzer according to any one of claims 1 to 9.
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