JP7246633B2 - Electromagnetic field simulator and electromagnetic field analysis method - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 電気学会研究会資料(平成30年8月21日 一般社団法人電気学会発行)第69-74頁にて公開。Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law applies Published in the Institute of Electrical Engineers of Japan materials (published by The Institute of Electrical Engineers of Japan on August 21, 2018), pp. 69-74.

特許法第30条第2項適用 平成30年8月21日 シンフォニアテクノロジー響ホール伊勢(三重県伊勢市岩渕1丁目13-15)にて開催された、電気学会研究会 静止器回転機合同研究会にて公開。Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies August 21, 2018 The Institute of Electrical Engineers of Japan Research Meeting Stationary Rotating Machine Joint Research Meeting was held at Sinfonia Technology Hibiki Hall Ise (1-13-15 Iwabuchi, Ise City, Mie Prefecture). Published in.

本発明は、電磁界シミュレータおよび電磁界解析方法に関し、より特定的には、磁性素子の周波数特性を解析するための電磁界シミュレータおよび電磁界解析方法に関する。 The present invention relates to an electromagnetic field simulator and an electromagnetic field analysis method, and more particularly to an electromagnetic field simulator and an electromagnetic field analysis method for analyzing frequency characteristics of magnetic elements.

磁性素子は、磁性材料からなるコアと、コアに励磁電流を供給するコイルとを有し、励磁されたコアは磁化曲線上で動作する。磁性素子の設計において、コンピュータを用いた電磁界解析が、研究開発や設計業務で広く用いられている。しかしながら、近年の昇圧回路等の大電流化に伴い、コアの磁気飽和を緩和するため磁路に磁気ギャップを設ける等、構造が複雑化することで、解析値と実測値とが大きく乖離する問題が生じている。また、商用周波数の正弦波などにリプルが重畳した電流波形など複数の周波数を含む複雑な電流波形で動作する磁性素子において、周波数の影響による磁気特性の変化を考慮した検討を行う場合には、任意の周波数で測定した磁気特性が必要になる。 The magnetic element has a core made of a magnetic material and a coil that supplies an exciting current to the core, and the excited core moves along a magnetization curve. Electromagnetic field analysis using a computer is widely used in research and development and design work in the design of magnetic elements. However, with the increasing current of booster circuits and other devices in recent years, the structure has become more complicated, such as by providing a magnetic gap in the magnetic path to alleviate the magnetic saturation of the core. is occurring. In addition, when considering the change in magnetic characteristics due to the influence of frequency in a magnetic element that operates with a complex current waveform that includes multiple frequencies, such as a current waveform in which ripples are superimposed on a sine wave of commercial frequency, Magnetic properties measured at arbitrary frequencies are required.

例えば、国際公開第2010/038799号(特許文献1)には、直流重畳特性を解析するために、電流の増加に伴って変化する比透磁率についてマイナーループを考慮して計算する解析方法が記載されている。しかしながら、特許文献1の解析方法では、初磁化特性の他に大量のマイナーループ群をリプル幅に応じて測定する必要があるため、測定データが膨大になることが懸念される。 For example, International Publication No. 2010/038799 (Patent Document 1) describes an analysis method of calculating relative magnetic permeability that changes with an increase in current in consideration of a minor loop in order to analyze DC superimposition characteristics. It is However, in the analysis method of Patent Document 1, it is necessary to measure a large number of minor loop groups according to the ripple width in addition to the initial magnetization characteristics, so there is a concern that the measurement data will become enormous.

他の公知の解析方法として、プレイモデルと呼ばれる一定磁束密度ごとに測定した磁化特性のループ群を用いる手法が提案されている。しかしながら、複数の周波数もしくは周波数の変化に伴うインダクタンス値の変化を計算する手法は実用化されていないため、プレイモデルを用いて周波数の影響などを考慮する場合には、周波数毎のプレイモデルを測定する必要があるため、膨大なデータを測定することが必要となる。 As another known analysis method, a technique called a play model, which uses a loop group of magnetization characteristics measured for each constant magnetic flux density, has been proposed. However, the method of calculating the change in inductance value due to multiple frequencies or changes in frequency has not been put into practical use. Therefore, it is necessary to measure a huge amount of data.

あるいは、非特許文献1には、圧粉磁芯への適用を目的とした、Cauer回路を用いた磁気特性モデル化手法が提案されている。圧粉磁芯は、数十μm程度の微小な磁性粒子を絶縁被膜で覆い、圧縮成形することで作製される軟磁性材料であり、電磁鋼板に比べて渦電流損が低いことに加えて,加工が容易であるといった特長を有している。 Alternatively, Non-Patent Document 1 proposes a magnetic characteristic modeling method using a Cauer circuit for the purpose of applying to dust cores. A dust core is a soft magnetic material produced by covering minute magnetic particles of about several tens of μm with an insulating film and compressing them. It has the advantage of being easy to process.

圧粉磁芯の渦電流を考慮した磁界解析を行う際に、個々の磁性粒子の形状および大きさが同一であり、かつ、粒子同士が絶縁されていることを仮定した、いわゆる均質化に基づく解析が提案されている。しかしながら、実際の圧粉磁芯は磁性粒子では、形状および大きさは均一ではなく、成形時の圧力により絶縁の一部が破壊され、粒子同士が不均一に接触していることも少なくないため、粒子内部に流れる局所的な渦電流と、粒子を横断して流れる大域的な渦電流が存在する。このような理由から、単純な均質化法による広範な周波数範囲での磁気特性のモデル化には限界が存在する。 Based on the so-called homogenization, which assumes that the shape and size of individual magnetic particles are the same and that the particles are insulated from each other when performing a magnetic field analysis that takes into account the eddy current of the dust core. An analysis is proposed. However, the magnetic particles of the actual dust core are not uniform in shape and size, and it is not uncommon for the particles to contact each other unevenly because part of the insulation is destroyed by the pressure during molding. , there are local eddy currents flowing inside the particle and global eddy currents flowing across the particle. For these reasons, modeling of magnetic properties over a wide frequency range by simple homogenization methods is limited.

これに対して、非特許文献1では、直流ヒステリシス特性をプレイモデルで表現するとともに、渦電流による周波数依存性を標準Cauer回路(Cauer-I型回路)によって考慮することにより、広範な周波数範囲で高精度に測定結果を再現することが可能である。 On the other hand, Non-Patent Document 1 expresses the DC hysteresis characteristic with a play model, and considers the frequency dependence due to eddy currents with a standard Cauer circuit (Cauer-I type circuit), so that in a wide frequency range It is possible to reproduce the measurement results with high accuracy.

国際公開第2010/038799号WO2010/038799

渡邉直也、高橋康人、藤原耕二、堺香代、島津英一郎「Cauer回路を用いた圧粉磁芯の磁気特性モデリングに関する基礎的検討」、電気学会静止器・回転機合同研究会資料、SA-17-65,RM-17-96,pp. 73-78(2017)Naoya Watanabe, Yasuto Takahashi, Koji Fujiwara, Kayo Sakai, Eiichiro Shimazu, "Fundamental Study on Magnetic Characteristic Modeling of Powder Magnetic Core Using Cauer Circuit", The Institute of Electrical Engineers of Japan Stationary Machines and Rotating Machines Joint Study Group, SA-17 -65, RM-17-96, pp.73-78 (2017)

しかしながら、非特許文献1による磁気特性モデリングでは、渦電流による周波数依存性を考慮した標準Cauer回路を有限要素法に組み込むことで、Cauer回路と有限要素法との連成解析が実行されるため、通常の有限要素法で定義される未知変数に加えて、圧粉磁芯要素内でCauer回路に対応する未知変数が増加するため、計算コストが大きく増加してしまうことが懸念される。 However, in the magnetic property modeling according to Non-Patent Document 1, a standard Cauer circuit that considers the frequency dependence due to eddy currents is incorporated into the finite element method, so that a coupled analysis between the Cauer circuit and the finite element method is performed. In addition to the unknown variables defined by the normal finite element method, unknown variables corresponding to the Cauer circuit increase in the dust core element, so there is concern that the calculation cost will increase greatly.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、Cauer回路と有限要素法との連成解析による電磁界シミュレータおよび電磁界解析方法の計算コストを低減することである。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to reduce the calculation cost of an electromagnetic field simulator and an electromagnetic field analysis method by coupled analysis of the Cauer circuit and the finite element method. is to reduce

本発明のある局面では、磁性素子を含む解析モデルを対象とする電磁界シミュレータであって、有限要素法によって分割された解析モデルの各要素に対応して配置されたCauer回路を連成することによって得られた、有限要素法に対応する第1の変数と、Cauer回路に対応する第2の変数とを含む第1の連立一次方程式について、時刻ステップ毎の繰り返し計算によって定常解を求めるための手段を備える。 In one aspect of the present invention, an electromagnetic field simulator for an analysis model including magnetic elements, in which a Cauer circuit arranged corresponding to each element of the analysis model divided by the finite element method is coupled. For the first simultaneous linear equations containing the first variable corresponding to the finite element method and the second variable corresponding to the Cauer circuit obtained by Have the means.

本発明の他のある局面では、磁性素子を含む解析モデルを対象とする電磁界解析方法であって、有限要素法によって分割された解析モデルの各要素に対応して配置されたCauer回路を連成することによって得られた、有限要素法に対応する第1の変数と、Cauer回路に対応する第2の変数とに係る第1の連立一次方程式について、時刻ステップ毎の繰り返し計算によって定常解を求めるためのステップを備える。 According to another aspect of the present invention, there is provided an electromagnetic field analysis method for an analysis model including magnetic elements, in which Cauer circuits arranged corresponding to each element of the analysis model divided by the finite element method are connected. For the first simultaneous linear equations related to the first variable corresponding to the finite element method and the second variable corresponding to the Cauer circuit, obtained by forming Provide steps for asking.

本発明によれば、Cauer回路と有限要素法との連成解析による電磁界シミュレータおよび電磁界解析方法の計算コストを低減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the calculation cost of the electromagnetic field simulator and the electromagnetic field analysis method based on the coupled analysis of the Cauer circuit and the finite element method.

磁気特性測定の対象とした圧粉磁芯コアの諸元の一覧を示す図表である。4 is a chart showing a list of specifications of dust cores that were subjected to magnetic property measurement. 圧粉磁芯コアの周波数50(Hz)でのヒステリシスループの測定結果を示すグラフである。4 is a graph showing measurement results of a hysteresis loop of a dust core at a frequency of 50 (Hz). 一定の最大磁束密度の下で周波数を変化させたときの圧粉磁芯のヒステリシスループの測定結果を示すグラフである。4 is a graph showing the measurement results of the hysteresis loop of the dust core when the frequency is changed under constant maximum magnetic flux density. 図1~図3で説明した圧粉磁芯にコイルを巻回して構成されたインダクタのインダクタンスの周波数特性の測定結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing measurement results of frequency characteristics of inductance of an inductor formed by winding a coil around the dust core described in FIGS. 1 to 3; FIG. 本実施の形態に係る電磁界解析で用いられるCauer-I型回路(標準Cauer回路)の回路図である。1 is a circuit diagram of a Cauer-I type circuit (standard Cauer circuit) used in electromagnetic field analysis according to the present embodiment; FIG. 本実施の形態に係る電磁界シミュレータの解析対象および解析モデルの第1の例を説明する概念図である。1 is a conceptual diagram illustrating a first example of an analysis target and an analysis model of an electromagnetic field simulator according to the present embodiment; FIG. 本実施の形態に係る電磁界シミュレータによる電磁界解析の演算処理を説明するフローチャートである。4 is a flowchart for explaining computation processing of electromagnetic field analysis by the electromagnetic field simulator according to the present embodiment; 本実施の形態に係る電磁界シミュレータを実現するためのハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。1 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration for realizing an electromagnetic field simulator according to an embodiment; FIG. ヒステリシスループの測定結果と本実施の形態に係るシミュレーション結果とを比較するグラフである。7 is a graph comparing the measurement result of the hysteresis loop and the simulation result according to the present embodiment; インダクタンスの周波数特性の測定結果と本実施の形態に係るシミュレーション結果とを比較するグラフである。7 is a graph comparing measurement results of inductance frequency characteristics with simulation results according to the present embodiment. 本実施の形態に係る電磁界解析の所要時間を他の手法の電磁界解析と比較する図表である。4 is a chart comparing the time required for electromagnetic field analysis according to the present embodiment with electromagnetic field analysis of other methods; 本実施の形態に係る電磁界解析における時刻ステップあたりの収束計算結果を他の手法の電磁界解析と比較する図表である。FIG. 10 is a chart comparing convergence calculation results per time step in electromagnetic field analysis according to the present embodiment with electromagnetic field analysis of other methods; FIG. 本実施の形態に係る電磁界シミュレータの解析対象および解析モデルの第2の例を説明する概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a second example of an analysis target and an analysis model of the electromagnetic field simulator according to the present embodiment; ACリアクトルのシミュレーション結果における本実施の形態に係る電磁界解析の所要時間を他の手法の電磁界解析と比較する図表である。FIG. 5 is a chart comparing the time required for electromagnetic field analysis according to the present embodiment in AC reactor simulation results with electromagnetic field analysis of other methods; FIG. ACリアクトルのシミュレーション結果における本実施の形態に係る電磁界解析における時刻ステップあたりの収束計算結果を他の手法の電磁界解析と比較する図表である。FIG. 10 is a chart comparing convergence calculation results per time step in the electromagnetic field analysis according to the present embodiment in AC reactor simulation results with electromagnetic field analyzes of other methods; FIG. インダクタンスの周波数特性の本実施の形態に係るシミュレーション結果を示すグラフである。7 is a graph showing simulation results of inductance frequency characteristics according to the present embodiment.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts in the drawings, and the description thereof will not be repeated in principle.

(圧粉磁芯の磁気特性測定)
上述のように、本実施の形態では、圧粉磁芯の圧縮加工によって形成されるコア(以下、圧粉磁芯コアとも称する)の磁気特性をシミュレーション可能な電磁界解析を指向している。このため、シミュレーション対象となる圧粉磁芯コアの磁気特性について、まず測定した。
(Measurement of magnetic properties of dust core)
As described above, the present embodiment is directed to electromagnetic field analysis capable of simulating the magnetic properties of a core formed by compressing a dust core (hereinafter also referred to as a dust core). Therefore, first, the magnetic properties of the dust core to be simulated were measured.

図1は、磁気特性測定の対象とした圧粉磁芯コアの諸元の一覧を示す図表である。
図1に示されるように、内径12.6(mm)、外径20.26(mm)、高さ6.44(mm)の寸法を有し、密度が7.35(g/cm3)である環状の圧粉磁芯コアを対象として、磁気特性測定を実行した。
FIG. 1 is a chart showing a list of specifications of dust cores targeted for magnetic property measurement.
As shown in FIG. 1, it has an inner diameter of 12.6 (mm), an outer diameter of 20.26 (mm), a height of 6.44 (mm), and a density of 7.35 (g/cm 3 ). Magnetic properties were measured for an annular dust core.

圧粉磁芯は、個々の粒子が絶縁されており渦電流の影響が非常に小さいため、周波数50(Hz)で測定したヒステリシスループを直流ヒステリシス特性として扱うことができる。ヒステリシスループについては、最大磁束密度0.01(T)~0.4(T)まで、0.01(T)刻みで、対称ヒステリシスループを測定した。磁気特性測定時の収束条件は、正弦波の波形率に対する誘導起電力波形の波形率が0.05(%)以内、最大磁束密度の目標値に対する誤差が0.05(%)以内、かつ、誘導起電力波形の歪率が2.0(%)以内とした。 In the dust core, the individual particles are insulated and the influence of eddy current is very small, so the hysteresis loop measured at a frequency of 50 (Hz) can be treated as a DC hysteresis characteristic. As for the hysteresis loop, the symmetrical hysteresis loop was measured from 0.01 (T) to 0.4 (T) at maximum magnetic flux densities in increments of 0.01 (T). The convergence conditions when measuring the magnetic properties are that the form factor of the induced electromotive force waveform with respect to the form factor of the sine wave is within 0.05 (%), the error with respect to the target value of the maximum magnetic flux density is within 0.05 (%), and The distortion rate of the induced electromotive force waveform was set within 2.0 (%).

図2には、図1に示した圧粉磁芯コアの周波数50(Hz)でのヒステリシスループの測定結果が示される。図2中には、上記の測定点のうちの、最大磁束密度が0.1(T)、0.2(T)、0.3(T)、および、0.4(T)のそれぞれにおけるヒステリシスループ101~104が示される。これらの対称ヒステリシスループからプレイモデルの同定を行うと、圧粉磁芯コアの直流ヒステリシス特性の表現に用いることができる。 FIG. 2 shows the measurement results of the hysteresis loop of the dust core shown in FIG. 1 at a frequency of 50 (Hz). In FIG. 2, among the above measurement points, the maximum magnetic flux density is 0.1 (T), 0.2 (T), 0.3 (T), and 0.4 (T) Hysteresis loops 101-104 are shown. If a play model is identified from these symmetrical hysteresis loops, it can be used to express the DC hysteresis characteristics of the dust core.

直流ヒステリシス特性の次に、圧粉磁芯の磁気特性の渦電流による影響を明らかにするために、周波数を変化させてヒステリシスループを測定した。 Next to the DC hysteresis characteristics, the hysteresis loop was measured by changing the frequency in order to clarify the influence of the eddy current on the magnetic characteristics of the dust core.

図3には、図1に示した圧粉磁芯コアの周波数を変化させたときのヒステリシスループの測定結果が示される。ここでは、最大磁束密度を約50(mT)としてヒステリシスループを測定するとともに、測定周波数は、発熱を考慮して、1(kHz)から1(MHz)までの範囲とした。 FIG. 3 shows the measurement results of the hysteresis loop when changing the frequency of the dust core shown in FIG. Here, the hysteresis loop was measured with a maximum magnetic flux density of about 50 (mT), and the measurement frequency was set in the range from 1 (kHz) to 1 (MHz) in consideration of heat generation.

図3中には、測定周波数1(kHz)、50(kHz)、200(kHz)、500(kHz)、800(kHz)、および、1(MHz)におけるヒステリシスループ111~116が示される。 FIG. 3 shows hysteresis loops 111 to 116 at measurement frequencies of 1 (kHz), 50 (kHz), 200 (kHz), 500 (kHz), 800 (kHz) and 1 (MHz).

図3での測定結果から、測定周波数が大きくなるにつれて、渦電流の影響によって損失が増加している、すなわち、ヒステリシスループが膨らむことが確認できる。さらに、最大磁束密度Bmと、当該Bmにおける磁界の強さHbから導出される透磁率μが、周波数の増加に伴って低下していることが理解される。 From the measurement results in FIG. 3, it can be confirmed that as the measurement frequency increases, the loss increases due to the influence of the eddy current, that is, the hysteresis loop expands. Furthermore, it can be seen that the maximum magnetic flux density Bm and the magnetic permeability μ derived from the magnetic field strength Hb at Bm decrease with increasing frequency.

次に、図1~図3で説明した圧粉磁芯コアに導線(コイル)を巻回することで構成されるインダクタでのインダクタンスの周波数特性について、LCRメータを用いて測定結果が、図4に示される。 Next, regarding the frequency characteristics of the inductance of the inductor configured by winding a conducting wire (coil) around the powder magnetic core described in FIGS. 1 to 3, the measurement results using an LCR meter are shown in FIG. shown in

図4には、コイルの巻数は14として、周波数fを1(kHz)から8(MHz)まで変化させて、インダクタンスを測定した結果が示される。図4の縦軸は、各周波数でのインダクタンスの測定値Lを、周波数f=1(kHz)におけるインダクタンスの測定値Ldcで除算することによって正規化されたインダクタンス(L/Ldc)である。 FIG. 4 shows the result of measuring the inductance by setting the number of turns of the coil to 14 and varying the frequency f from 1 (kHz) to 8 (MHz). The vertical axis of FIG. 4 is the normalized inductance (L/Ldc) by dividing the measured inductance value L at each frequency by the measured inductance value Ldc at the frequency f=1 (kHz).

図4から、f=100(kHz)を超えた付近から、高周波領域でインダクタンス値が低下していることが読み取れる。これは、図2に示すように、周波数の増大に伴って透磁率μが減少することに起因する。 From FIG. 4, it can be read that the inductance value decreases in the high frequency region from around f=100 (kHz). This is due to the fact that the magnetic permeability μ decreases as the frequency increases, as shown in FIG.

(磁気特性の等価回路モデル)
次に、本実施の形態に係る電磁界解析で用いられる等価回路モデルについて説明する。
(Equivalent circuit model of magnetic properties)
Next, an equivalent circuit model used in the electromagnetic field analysis according to this embodiment will be described.

図5は、本実施の形態に係る電磁界解析で用いられるCauer-I型回路(以下、単に、Cauer回路とも称する)の構成を示す回路図である。 FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of a Cauer-I type circuit (hereinafter also simply referred to as a Cauer circuit) used in the electromagnetic field analysis according to this embodiment.

図5に示されるように、Cauer回路は、抵抗素子およびインダクタが並列と直列接続を繰り返すことで構成されるはしご型回路(ラダー回路)である。図5では、抵抗素子R0~RnおよびインダクタL0~Lnによって構成されるCauer回路が示される。最初のインダクタL0によって、直流ヒステリシス特性が表現するとともに、L0以降のインダクタL1~Lnによって、渦電流による周波数特性を表現することができる。図5に示されるように、Cauer回路の端子間電圧は、磁束密度の時間的変化dB/dtを示し、電流は、磁界Hを示す。 As shown in FIG. 5, the Cauer circuit is a ladder-type circuit (ladder circuit) configured by repeating parallel and series connections of resistor elements and inductors. FIG. 5 shows a Cauer circuit composed of resistive elements R 0 -R n and inductors L 0 -L n . DC hysteresis characteristics can be expressed by the first inductor L 0 , and frequency characteristics due to eddy currents can be expressed by inductors L 1 to L n after L 0 . As shown in FIG. 5, the voltage across the terminals of the Cauer circuit indicates the time change dB/dt of the magnetic flux density, and the current indicates the magnetic field H. FIG.

ここで、インダクタL0に対応する直流ヒステリシス特性は、プレイモデルによって算出することができる。また、インダクタL0以降の、インダクタL1~Lnおよび抵抗素子R0~Rnの回路素子値(抵抗値またはインダクタンス値)については、例えば、遺伝的アルゴリズムによる最適化手法によって、図2に示したヒステリシス特性の測定結果を再現可能な値に決定することができる。 Here, the DC hysteresis characteristic corresponding to inductor L0 can be calculated by a play model. Further, the circuit element values (resistance or inductance) of the inductors L 1 to Ln and resistor elements R 0 to Rn after the inductor L 0 are obtained by an optimization method using a genetic algorithm, for example, as shown in FIG. The measurement result of the hysteresis characteristic can be determined to be a reproducible value.

次に、図5に示したCauer回路の有限要素法への適用を説明する。
図5に示したCauer回路において、節点電圧に対応する磁束密度B(ベクトル)を三次元直交座標に分解することで、下記の式(1)のように定義する。以下の各数式中において、ベクトルは太字で表記される。
Next, application of the Cauer circuit shown in FIG. 5 to the finite element method will be described.
In the Cauer circuit shown in FIG. 5, the magnetic flux density B (vector) corresponding to the node voltage is decomposed into three-dimensional rectangular coordinates, and is defined by the following formula (1). In each of the equations below, vectors are written in bold.

Figure 0007246633000001
Figure 0007246633000001

式(1)において、下付添字iは、Cauer回路の段数を表す。また、Cauer回路における各節点の関係から、下記式(2),(3)が得られる。 In equation (1), the subscript i represents the number of stages of the Cauer circuit. Also, the following equations (2) and (3) are obtained from the relationship of each node in the Cauer circuit.

Figure 0007246633000002
Figure 0007246633000002

Figure 0007246633000003
Figure 0007246633000003

式(2),(3)において、主磁束に対応するHdc(ベクトル)は、磁化曲線またはプレイモデルを適用することによって求めることができる。さらに、静磁界の有限要素方程式にガラーキン法を適用すると,残差Gi(ベクトル)は、下記の式(4)によって示される。 In equations (2) and (3), Hdc (vector) corresponding to the main magnetic flux can be obtained by applying a magnetization curve or play model. Furthermore, applying the Galerkin method to the finite element equation of the static magnetic field, the residual G i (vector) is given by the following equation (4).

Figure 0007246633000004
Figure 0007246633000004

式(4)中のNk(ベクトル)は、辺要素基底関数である。式(4)中のH0に式(2)を代入することで、以下の式(5)を得ることができる。 N k (vector) in equation (4) is the edge element basis function. By substituting the formula (2) for H 0 in the formula (4), the following formula (5) can be obtained.

Figure 0007246633000005
Figure 0007246633000005

同様に、Cauer回路の各段(i)に対応する残差Gci(ベクトル)は、下記の式(6)で示される。 Similarly, the residual Gci (vector) corresponding to each stage (i) of the Cauer circuit is given by the following equation (6).

Figure 0007246633000006
Figure 0007246633000006

式(6)において、B0(ベクトル)は、主磁束に対応する磁束密度であり,有限要素法において定義された磁気ベクトルポテンシャルAの回転により得られる。式(5),(6)にニュートンラフソン法を適用すると、下記の式(7)に示される線形化された方程式が得られる。 In equation (6), B 0 (vector) is the magnetic flux density corresponding to the main magnetic flux and is obtained by rotating the magnetic vector potential A defined in the finite element method. Applying the Newton-Raphson method to equations (5) and (6) yields the linearized equation shown in equation (7) below.

Figure 0007246633000007
Figure 0007246633000007

式(7)中のブロック行列は、以下の式(8)~(11)によって示される。 The block matrix in Equation (7) is given by Equations (8)-(11) below.

Figure 0007246633000008
Figure 0007246633000008

Figure 0007246633000009
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Figure 0007246633000010
Figure 0007246633000010

Figure 0007246633000011
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なお、eαは、α方向(α=x,y,z)の単位ベクトルであり、式(7)のブロック行列において、式(9)~(11)以外の成分は0である。ここで、式(7)を簡易的に、次の式(12)のように表現する。 Note that e α is a unit vector in the α direction (α=x, y, z), and in the block matrix of equation (7), the components other than those of equations (9) to (11) are 0. Here, the formula (7) is simply expressed as the following formula (12).

Figure 0007246633000012
Figure 0007246633000012

式(12)において、XFおよびXCは,それぞれ有限要素法およびCauer回路に対応する未知変数である。すなわち、変数XFは「第1の変数」の一実施例に対応し、変数XCは「第2の変数」の一実施例に対応し、式(12)は、「第1の連立一次方程式」に対応する。Schur補元を用いることによって、Cauer回路に対応する未知変数XCを消去することにより、式(12)を下記の式(13)に変形することができる。 In equation (12), X F and X C are unknown variables corresponding to the finite element method and Cauer circuit, respectively. That is, the variable X F corresponds to one embodiment of the 'first variable', the variable X C corresponds to one embodiment of the 'second variable', and equation (12) corresponds to the 'first system of linear corresponds to "equation". By using the Schur's complement, equation (12) can be transformed into equation (13) below by eliminating the unknown variable X C corresponding to the Cauer circuit.

Figure 0007246633000013
Figure 0007246633000013

通常、式(13)内の行列(KFF-KFC・KCC -1・KCF)を陽的に求めることは,計算コストの観点から容易ではない。しかしながら、本実施の形態に係る磁気特性モデルにおいては、KCC内のCauer回路に相当する係数行列は各要素内で体積の寄与を除いて同一であるので、逆行列KCC -1を容易に算出することができる。 Normally, it is not easy from the point of view of computational cost to explicitly obtain the matrix (K FF −K FC ·K CC −1 ·K CF ) in equation (13). However, in the magnetic characteristic model according to the present embodiment, the coefficient matrix corresponding to the Cauer circuit in K CC is the same in each element except for the volume contribution, so the inverse matrix K CC -1 can be easily can be calculated.

FCおよびKCFも圧粉磁芯の要素内でのみ非零となる疎行列であるため、式(12)を縮約した式(13)の導出は低コストで実現することができる。式(13)は、「第2の連立一次方程式」の一実施例に対応する。 Since K FC and K CF are also sparse matrices that are nonzero only within the elements of the dust core, the derivation of Equation (13), which is a contraction of Equation (12), can be achieved at low cost. Equation (13) corresponds to an example of the "second simultaneous linear equations".

また、行列(KFC・KCC -1・KCF)で計算されるCauer回路の影響は圧粉磁芯コアの要素にのみ現れるため、行列(KFF-KFC・KCC -1・KCF)およびKFFにおける非零要素位置は不変である。したがって、縮約した方程式の実装は容易であり、行列ベクトル積や前処理に要する計算コストは、通常のヒステリシス磁界解析に相当する、行列KFFのみの方程式での行列ベクトル積や前処理に要する計算コストとほぼ同等である。縮約後の式(13)を解くことによって、有限要素法に対応する未知変数XFを導出した後、式(14)により、Cauer回路に対応する未知変数XCを導出することができる。すなわち、式(13)を解く演算は「第1の演算」に対応する。また、式(14)では、式(13)から導出された変数XFを式(12)に代入することによって、変数XCが導出される。すなわち、式(14)を解く演算は「第2の演算」に対応する。 In addition, since the influence of the Cauer circuit calculated by the matrix (K FC · K CC -1 · K CF ) appears only in the elements of the powder magnetic core, the matrix (K FF −K FC · K CC -1 · K CF ) and the non-zero element positions in K FF are unchanged. Therefore, the reduced equations are easy to implement, and the computational cost of matrix-vector multiplication and preprocessing is reduced to that of matrix-vector multiplication and preprocessing for the matrix-K FF- only equations, which is equivalent to normal hysteresis magnetic field analysis. Computational cost is almost the same. After deriving the unknown variable X F corresponding to the finite element method by solving the reduced formula (13), the unknown variable X C corresponding to the Cauer circuit can be derived by formula (14). That is, the calculation for solving equation (13) corresponds to the "first calculation". Also, in equation (14), the variable X C is derived by substituting the variable X F derived from equation (13) into equation (12). That is, the computation for solving equation (14) corresponds to the "second computation".

Figure 0007246633000014
Figure 0007246633000014

導出したXFおよびXCから、次の時刻ステップにおける、式(13)の右辺項である残差GF,GCを計算することにより、非線形過渡磁界解析を時刻ステップ毎に、定常解が得られるまで繰り返すことができる。なお、式(13),(14)中において、行列KFFについては各時刻ステップで変化する一方で、行列KFC,KCF,KCCについては、式(9)~(11)から理解されるように定数である。したがって、これらのKFC,KCF,KCCについては、過渡解析開始時に一度のみ計算すればよいので、計算コストが抑制される。 From the derived XF and XC , the residuals GF and GC , which are the terms on the right side of Equation (13), are calculated at the next time step. You can repeat until you get it. In equations (13) and (14), the matrix K FF changes at each time step, while the matrices K FC , K CF , and K CC are understood from equations (9) to (11). is a constant as Therefore, these K FC , K CF , and K CC need only be calculated once at the start of the transient analysis, thus reducing the calculation cost.

以上のように、Cauer回路による周波数依存磁気特性モデル化と、式(13)に示す連立一次方程式の求解法を組み合わせることによって、幅広い周波数領域で高精度な磁界解析を、従来法と同程度の計算コストで実施することが可能である。 As described above, by combining the frequency-dependent magnetic property modeling by the Cauer circuit and the method of solving the simultaneous linear equations shown in Equation (13), high-precision magnetic field analysis in a wide frequency range can be achieved at the same level as the conventional method. It can be implemented at computational cost.

(解析例)
図6は、本実施の形態に係る電磁界シミュレータの解析対象および解析モデルの第1の例を説明する概念図である。
(analysis example)
FIG. 6 is a conceptual diagram explaining a first example of an analysis target and an analysis model of the electromagnetic field simulator according to the present embodiment.

図6を参照して、リングコア300は、例えば、圧粉磁芯の圧縮加工によって形成される。本実施の形態では、リングコア300に図示しない導線(コイル)を巻回することで構成されるリングコアインダクタが解析対象とされる。 Referring to FIG. 6, ring core 300 is formed, for example, by compressing a dust core. In the present embodiment, a ring core inductor formed by winding a conductor (coil) (not shown) around the ring core 300 is analyzed.

当該リングコアインダクタのうち、対称性から周方向に1/200領域の上半分を切り出した全体の1/400モデルを解析領域とすることによって、解析モデル200が得られる。図6の例では、リングコア300の解析領域310は、複数の要素311にメッシュ化され、リングコア300に巻回されるコイル400の解析領域410は、複数の要素411に分割される。解析領域410は、コイル400のうちの、解析領域310に対応して巻回された部分領域に相当する。以下に例示するシミュレーションでは、メッシュ化された要素の合計数は1400であり、そのうち、リングコア300の解析領域310における分割数(すなわち、要素311の個数)は55である。有限要素法と示したCauer回路との連成解析は、各要素において、Cauer回路(図5)が配置されるのと等価である。 The analysis model 200 is obtained by using the entire 1/400 model obtained by cutting out the upper half of the 1/200 region in the circumferential direction from the ring core inductor due to symmetry as the analysis region. In the example of FIG. 6 , the analysis area 310 of the ring core 300 is meshed into multiple elements 311 , and the analysis area 410 of the coil 400 wound around the ring core 300 is divided into the multiple elements 411 . Analysis region 410 corresponds to a partial region of coil 400 wound corresponding to analysis region 310 . In the simulation illustrated below, the total number of meshed elements is 1400, of which the number of divisions (that is, the number of elements 311) in the analysis area 310 of the ring core 300 is 55. A coupled analysis between the finite element method and the Cauer circuit shown is equivalent to placing a Cauer circuit (FIG. 5) in each element.

シミュレーションでは、線形反復法としてBiCGstab法を使用し、非線形反復法としては、直線探索を導入したニュートンラフソン法を使用した。ニュートンラフソン法では、磁束密度の大きさの修正量 |ΔB|が全要素において10-4(T)以下になった時点で収束とし、BiCGstab法の収束判定値は10-4とした。さらに、周波数fは、1(kHz)、200(kHz)、500(kHz)および1(MHz)とし,磁化特性測定時(図2および図3)に得られた実測電流波形が、各要素への入力として与えられる。また、直流磁化特性としてプレイモデルを使用し、簡易TP-EEC法を用いて、鎖交磁束から算出する電圧波形が、定常状態に至るまで繰り返し計算を行った。 In the simulation, the BiCGstab method was used as the linear iterative method, and the Newton-Raphson method with linear search was used as the nonlinear iterative method. In the Newton-Raphson method, convergence was determined when the amount of correction |ΔB| of the magnitude of the magnetic flux density became 10 −4 (T) or less in all elements, and the convergence determination value in the BiCGstab method was 10 −4 . Furthermore, the frequencies f were 1 (kHz), 200 (kHz), 500 (kHz) and 1 (MHz), and the measured current waveforms obtained when measuring the magnetization characteristics (Figs. 2 and 3) were applied to each element. is given as an input for In addition, using a play model as a DC magnetization characteristic, the simple TP-EEC method was used to repeatedly calculate the voltage waveform calculated from the interlinkage magnetic flux until it reached a steady state.

当該シミュレーションのうちの、上述した、Cauer回路による電磁界解析の演算処理は、図7に示されるフローチャートに従って実行されることになる。 Among the simulations, the calculation processing of the electromagnetic field analysis by the Cauer circuit described above is executed according to the flowchart shown in FIG.

図7を参照して、シミュレーションが開始されると、ステップ(以下、単に「S」と表記する)110により、各要素での入力として、シミュレーションを行う周波数での磁化特性測定時に得られた実測電流波形(または、電圧波形)が与えられる。さらに、S120により、上述のように定数である、行列KFC,KCF,KCCが算出される。S130により、最初の時刻ステップにおける行列KFFが算出される。 Referring to FIG. 7, when the simulation is started, in step (hereinafter simply referred to as “S”) 110, as an input for each element, the actual measurement obtained when measuring the magnetization characteristics at the frequency to be simulated A current waveform (or voltage waveform) is provided. Further, through S120, matrices K FC , K CF , and K CC which are constants as described above are calculated. Through S130, the matrix K FF at the first time step is calculated.

続いて、S140では、行列KFC,KCF,KCCおよび行列KFFを用いて、上述の式(13)に従って、有限要素法に対応する未知変数XFが導出される。S150では、S140で求められた未知変数XFを用いて、上述の式(14)に従って、有限要素法に対応する未知変数Xが導出される。すなわち、S140では「第1の演算」が実行され、S150では「第2の演算」が実行される。 Subsequently, in S140, the unknown variable XF corresponding to the finite element method is derived according to the above equation (13) using the matrices KFC , KCF , KCC and KFF . At S150, using the unknown variable XF obtained at S140, the unknown variable Xc corresponding to the finite element method is derived according to the above equation (14). That is, the "first calculation" is executed in S140, and the "second calculation" is executed in S150.

S160では、時刻ステップが進められて、S170において、現在の時刻ステップ(t)での変数XF、および、変数Xを、上述の式(12)に従って、次の時刻ステップ(t+Δt)での、GFおよびGcが算出される。S180では、現在の時刻ステップ(t)での算出値と、次の時刻ステップ(t+Δt)での算出値によって、上述の収束条件が満たされるか否かの収束判定が実行される。 At S160, the time step is advanced, and at S170, the variable XF at the current time step (t) and the variable Xc at the next time step (t+Δt) are converted to , G F and G c are calculated. In S180, a convergence determination is performed to determine whether the above convergence condition is satisfied by the calculated value at the current time step (t) and the calculated value at the next time step (t+Δt).

収束条件の成立時(S180のYES判定時)には、S200により、最後に求められた算出値が定常解として出力される。収束条件の非成立時(S180のNO判定時)には、S190により、上述のように各時刻ステップで変化する行列KFFについて更新した上で、処理がS140に戻されることにより、時刻ステップを逐次進行させた演算処理を繰り返し実行することができる。 When the convergence condition is satisfied (when YES is determined in S180), the last calculated value is output as a stationary solution through S200. When the convergence condition is not satisfied (NO determination in S180), the matrix K FF that changes at each time step is updated in S190 as described above, and then the process returns to S140, thereby resuming the time step. Arithmetic processing that is progressed sequentially can be repeatedly executed.

図7に示された演算処理を、図8に例示したハードウェア構成の下で実行することで、本実施の形態に係る電磁界シミュレータを実現することが可能である。 By executing the arithmetic processing shown in FIG. 7 under the hardware configuration shown in FIG. 8, it is possible to realize the electromagnetic field simulator according to the present embodiment.

図8を参照して、本実施の形態に係るシミュレータ600は、コンピュータ等によって構成されて、CPU(Central Processing Unit)610と、メモリ620と、入力装置630と、出力装置640と、外部機器との接続ポート650とを備える。CPU610、メモリ620、入力装置630、出力装置640、および、接続ポート650は、内部バス等によって通信接続されており、相互にデータの入出力が可能である。 Referring to FIG. 8, simulator 600 according to the present embodiment is configured by a computer or the like, and includes a CPU (Central Processing Unit) 610, memory 620, input device 630, output device 640, and external equipment. and a connection port 650 of . The CPU 610, the memory 620, the input device 630, the output device 640, and the connection port 650 are communicatively connected by an internal bus or the like, and can input/output data to/from each other.

入力装置630は、キーボードおよびマウス等によって構成されて、ユーザからのコマンドおよびデータ等の入力を受ける。出力装置640は、液晶ディスプレイ等で構成されてユーザに視認される情報を出力する。接続ポート650は、USB(Universal Serial Bus)に代表される、外部機器および周辺機器のコネクタであり、外部機器および周辺機器との間でデータの入出力が可能である。 The input device 630 is configured by a keyboard, mouse, etc., and receives commands, data, etc. input from the user. The output device 640 is composed of a liquid crystal display or the like, and outputs information visually recognized by the user. The connection port 650 is a connector for an external device and a peripheral device typified by a USB (Universal Serial Bus), and can input/output data to/from the external device and the peripheral device.

図7に示された演算処理を実行するためのプログラムを予めメモリ620に格納し、当該プログラムに従った演算処理をCPU610で実行することにより、本実施の形態に係る電磁界解析が実行される。 A program for executing the arithmetic processing shown in FIG. 7 is stored in advance in the memory 620, and the arithmetic processing according to the program is executed by the CPU 610, thereby executing the electromagnetic field analysis according to the present embodiment. .

(シミュレーション結果1)
次に、本実施の形態に係る電磁界解析による、図1~図3で説明した圧粉磁芯コアに導線(コイル)を巻回することで構成されるリングコアインダクタのシミュレーション結果について説明する。
(Simulation result 1)
Next, simulation results of a ring core inductor configured by winding a conductive wire (coil) around the powder magnetic core described with reference to FIGS.

図9には、ヒステリシスループの測定結果とシミュレーション結果とを比較するグラフが示される。 FIG. 9 shows a graph comparing the measurement results and simulation results of the hysteresis loop.

図9中には、シミュレーションを行った周波数1(kHz)、200(kHz)、500(kHz)および1(MHz)のそれぞれについて、図3に示したヒステリシスループの測定結果が実線で示される一方で、シミュレーションによって得られたヒステリシスループが点線で示される。 In FIG. 9, the measurement results of the hysteresis loop shown in FIG. , the hysteresis loop obtained by simulation is indicated by a dotted line.

図9での点線および実線の比較から、本実施の形態に係る電磁界解析によって、低周波から高周波まで幅広い周波数範囲において,周波数に依存して変化するヒステリシス特性を精度良く表現できていることが理解される。 From the comparison of the dotted line and the solid line in FIG. 9, it can be seen that the electromagnetic field analysis according to this embodiment can accurately express the hysteresis characteristics that change depending on the frequency in a wide frequency range from low frequencies to high frequencies. understood.

図10には、インダクタンスの測定結果とシミュレーション結果とを比較するグラフが示される。 FIG. 10 shows a graph comparing inductance measurement results and simulation results.

図10中には、図4に示した、インダクタンスの周波数特性の測定結果が特性線151で示される。図10の縦軸は、図4と同様の正規化されたインダクタンス(L/Ldc)である。 In FIG. 10, the measurement result of the inductance frequency characteristic shown in FIG. 4 is indicated by a characteristic line 151. In FIG. The vertical axis in FIG. 10 is normalized inductance (L/Ldc) similar to FIG.

さらに、本実施の形態に係る電磁界解析によるシミュレーション結果として得られたインダクタンス値に基づく特性線152が示される。シミュレーションでは、コイルの巻数および印加電流は、LCRメータを用いた、図4中のインダクタンス値と同様の値が設定されている。 Furthermore, a characteristic line 152 based on the inductance value obtained as a simulation result by the electromagnetic field analysis according to this embodiment is shown. In the simulation, the number of turns of the coil and the applied current were set to values similar to the inductance values in FIG. 4 using an LCR meter.

また、比較のために、直流ヒステリシスのみを考慮して、渦電流を考慮しない通常の磁界解析、すなわち、Cauer回路を導入しない解析によるシミュレーション結果として得られたインダクタンス値に基づく特性線153が、さらに示されている。このような解析では、磁化特性の周波数依存性がモデル化されていないため、周波数変化に対して、インダクタンスは一定値となる。 For comparison, a characteristic line 153 based on an inductance value obtained as a simulation result by a normal magnetic field analysis that does not consider eddy currents, that is, an analysis that does not introduce a Cauer circuit, considering only DC hysteresis, is further It is shown. In such an analysis, since the frequency dependence of magnetization characteristics is not modeled, the inductance is a constant value with respect to frequency changes.

一方で、本実施の形態では、Cauer回路に基づく磁気特性モデル化を行っているので、低周波数から高周波数までインダクタンスの周波数特性を高精度に推定できていることが理解される。なお、特性線152では、2(MHz)を超える周波数帯において、インダクタンスの低下が緩やかになり、実測値(特性線151)と異なる傾向を示している。これは、上述したように、図3の測定結果を用いたCauer回路の最適化計算において、1(MHz)までの測定値しか使用していないことが原因であると考えられる。 On the other hand, in the present embodiment, since magnetic characteristic modeling is performed based on the Cauer circuit, it is understood that the frequency characteristic of the inductance can be estimated with high accuracy from low frequencies to high frequencies. It should be noted that the characteristic line 152 exhibits a tendency different from the measured value (characteristic line 151), in that the decrease in inductance becomes gentle in the frequency band exceeding 2 (MHz). This is probably because, as described above, only measured values up to 1 (MHz) are used in the optimization calculation of the Cauer circuit using the measurement results of FIG.

さらに、式(12)に代えて式(13)および(14)を用いることによる、連立一次方程式の縮約による効果を確認するために、シミュレーションに要した計算時間の比較を行った。具体的には、図6に示された解析モデル200を共通の解析対象として、周波数f=1(kHz)、200(kHz)、500(kHz)および1(MHz)の各々において、渦電流を考慮しない通常の電磁界解析(ケースA)、Cauer回路を導入するが、本実施の形態のような連立一次方程式の縮約を行わない電磁界解析(ケースB)、および、本実施の形態に係る連立一次方程式の縮約を伴う電磁界解析(ケースC)を行った。 Furthermore, in order to confirm the effect of contraction of the simultaneous linear equations by using the equations (13) and (14) instead of the equation (12), the calculation time required for the simulation was compared. Specifically, with the analysis model 200 shown in FIG. Ordinary electromagnetic field analysis (case A) without consideration, electromagnetic field analysis (case B) in which a Cauer circuit is introduced but simultaneous linear equations are not contracted as in this embodiment, and in this embodiment An electromagnetic field analysis (Case C) was performed with contraction of the simultaneous linear equations.

図11には、これらケースA~ケースCでの計算所要時間を比較する図表が示される。
図11を参照して、ケースAでは、上述のように、磁化特性の周波数依存性がモデル化されていないため周波数が変化しても、計算所要時間は一定である。ケースAおよびケースCでの計算所要時間は、ケースAでの計算所要時間に対する比で示される。
FIG. 11 shows a chart for comparing the required calculation times in Cases A to C. In FIG.
Referring to FIG. 11, in case A, as described above, the time required for calculation is constant even if the frequency changes because the frequency dependence of the magnetization characteristics is not modeled. The calculation time required for Case A and Case C is shown as a ratio to the calculation time required for Case A.

縮約を行っていないケースBでは、周波数の増大に伴って計算時間が増加する一方で、縮約によって連立一次方程式の規模が縮小されたケースC(本実施の形態)では、シミュレーションを行った1(kHz)~1(MHz)までの周波数範囲を通じて、ケースBよりも計算時間が減少されている。 In Case B, where reduction is not performed, the calculation time increases as the frequency increases. Computation time is reduced over Case B throughout the frequency range from 1 (kHz) to 1 (MHz).

図12には、ケースA~ケースCでの時刻ステップあたりでの収束計算結果を比較する図表が示される。具体的には、ニュートラフソン法(NR法)における時刻ステップあたりの収束条件が成立するまでの平均反復回数、ならびに、BiCGstab法における時刻ステップあたりの、収束条件が成立するまでの平均反復回数および平均計算時間が比較される。 FIG. 12 shows a chart for comparing the convergence calculation results per time step in Cases A to C. In FIG. Specifically, the average number of iterations until the convergence condition is satisfied per time step in the Neutraffson method (NR method), and the average number of iterations until the convergence condition is satisfied per time step in the BiCGstab method and the average Computation times are compared.

図12から、非線形反復法であるニュートラフソン法では、ケースA~ケースCの間で反復回数はほとんど変化が見られないことが理解される。一方で、線形反復法であるBiCGstab法では、ケースC(本実施の形態)による平均反復回数が大幅に減少しており、この結果、図11で説明した計算時間の短縮が達成されていることが理解される。 From FIG. 12, it is understood that there is almost no change in the number of iterations between cases A to C in the Neutraffson method, which is a nonlinear iterative method. On the other hand, in the BiCGstab method, which is a linear iterative method, the average number of iterations in case C (this embodiment) is significantly reduced, and as a result, the reduction in calculation time described with reference to FIG. 11 is achieved. is understood.

以上のように、本実施の形態に係る電磁界解析によれば、ヒステリシスのみを考慮した磁界解析(図11および図12のケースA)と同程度の計算コストで、磁気特性の周波数依存性を高精度に再現できている。特に、Cauer回路の影響が相対的に大きくなる高周波数領域において、連立一次方程式の縮約による計算コスト削減効果が大きい。 As described above, according to the electromagnetic field analysis according to the present embodiment, the frequency dependence of the magnetic characteristics can be calculated at the same calculation cost as the magnetic field analysis (Case A in FIGS. 11 and 12) in which only hysteresis is considered. It can be reproduced with high accuracy. In particular, in the high-frequency region where the influence of the Cauer circuit is relatively large, the effect of reducing the calculation cost by contracting the simultaneous linear equations is large.

(シミュレーション結果2)
次に、本実施の形態に係る電磁界解析によるACリアクトルのシミュレーション結果を説明する。
(Simulation result 2)
Next, AC reactor simulation results based on electromagnetic field analysis according to the present embodiment will be described.

図13は、本実施の形態に係る電磁界シミュレータの解析対象および解析モデルの第2の例を説明する概念図である。 FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a second example of an analysis target and an analysis model of the electromagnetic field simulator according to the present embodiment.

図13を参照して、ACリアクトルは、8個の直方体ブロック501、および、4個の円柱ブロック502の集合体であるコア500に対して、円柱部分に図示しない導線(コイル)を巻回することで構成されるACリアクトルが解析対象とされる。各直方体ブロック501および各円柱ブロック502は、図6のリングコア300と同様に、例えば、圧粉磁芯の圧縮加工によって形成される。各直方体ブロック501および各円柱ブロック502の密度は、リングコアと同程度である。 Referring to FIG. 13, the AC reactor has a core 500, which is an assembly of eight rectangular parallelepiped blocks 501 and four cylindrical blocks 502, and a conductor (coil) (not shown) wound around the cylindrical portion. The analysis target is an AC reactor configured by Each rectangular parallelepiped block 501 and each columnar block 502 are formed, for example, by compressing a dust core, similarly to the ring core 300 of FIG. The density of each rectangular parallelepiped block 501 and each cylindrical block 502 is comparable to that of the ring core.

当該ACリアクトルのうち、対称性から全体の1/8モデルを解析領域とすることによって、解析モデル210が得られる。 An analysis model 210 is obtained by setting a 1/8 model of the entire AC reactor as an analysis region due to symmetry.

図13の例では、コア500の解析領域510は、複数の要素511にメッシュ化され、コア500の円柱部分に巻回されるコイル400の解析領域410は、複数の要素411に分割される。解析領域410は、コイル400のうちの、解析領域510に対応して巻回された部分領域に相当する。又、ブロック間の接合面には、ギャップ要素450を設定することにより、接着剤に対応した微小な空隙を模擬した。以下に例示するシミュレーションでは、メッシュ化された要素の合計数は19780であり、そのうち、コア500の解析領域510における分割数(すなわち、要素511の個数)は5360である。 In the example of FIG. 13 , the analysis area 510 of the core 500 is meshed into a plurality of elements 511 , and the analysis area 410 of the coil 400 wound around the cylindrical portion of the core 500 is divided into the plurality of elements 411 . Analysis region 410 corresponds to a partial region of coil 400 wound corresponding to analysis region 510 . Also, a gap element 450 was set on the joint surface between the blocks to simulate a minute gap corresponding to the adhesive. In the simulation illustrated below, the total number of meshed elements is 19780, of which the number of divisions (that is, the number of elements 511) in the analysis region 510 of the core 500 is 5360.

図13に示した解析モデルに対して、本実施の形態に係る電磁界解析によって、上述のリングコアインダクタと同様のシミュレーションを行った。すなわち、図13に示された解析モデルを共通の解析対象として、周波数f=1(kHz)、200(kHz)、500(kHz)および1(MHz)の各々において、上記と同様のケースA~ケースCでのシミュレーションを行った。 A simulation similar to that for the ring core inductor described above was performed on the analysis model shown in FIG. 13 by the electromagnetic field analysis according to the present embodiment. That is, with the analysis model shown in FIG. 13 as a common analysis object, at each of frequencies f = 1 (kHz), 200 (kHz), 500 (kHz) and 1 (MHz), cases A to A simulation for case C was performed.

図14には、図11と同様の本実施の形態に係る電磁界解析の所要時間を他の手法の電磁界解析と比較する図表が示される。図14においても、図11と同様に、ケースAでの周波数依存しない計算所要時間を基準値(1.0)として、縮約無しでCauer回路をシミュレーションするケースB、および、縮約を伴うケースC(本実施の形態)による各周波数での計算所要時間を、上記基準時間に対する比で表している。 FIG. 14 shows a chart comparing the time required for the electromagnetic field analysis according to the present embodiment, similar to FIG. 11, with the electromagnetic field analysis of other methods. In FIG. 14, similarly to FIG. 11, the reference value (1.0) is used for the frequency-independent calculation time in case A, and the case B in which the Cauer circuit is simulated without reduction, and the case with reduction The time required for calculation at each frequency by C (this embodiment) is expressed as a ratio to the reference time.

同様に、図15には、図12と同様の本実施の形態に係る電磁界解析における時刻ステップあたりの収束計算結果を他の手法の電磁界解析と比較する図表が示される。図15においても、図12と同様に、ニュートラフソン法における時刻ステップあたりの収束条件が成立するまでの平均反復回数、ならびに、BiCGstab法における時刻ステップあたりの、収束条件が成立するまでの平均反復回数および平均計算時間が、ケースA~ケースCの間で比較される。 Similarly, FIG. 15 shows a chart for comparing the convergence calculation results per time step in the electromagnetic field analysis according to the present embodiment similar to FIG. 12 with the electromagnetic field analysis of other methods. In FIG. 15, similarly to FIG. 12, the average number of iterations until the convergence condition is satisfied per time step in the Neutraffson method, and the average number of iterations per time step until the convergence condition is satisfied in the BiCGstab method and the average computation time are compared between Cases A-C.

図14においても、ケースBでは、周波数が増大するにつれて、平均反復回数および計算時間が増大しているが、ケースCでは、平均反復回数および計算時間の増大が抑制されていることが理解できる。 Also in FIG. 14, in Case B, the average number of iterations and the calculation time increase as the frequency increases, but in Case C, it can be understood that the increase in the average number of iterations and the calculation time is suppressed.

図6の解析モデル(リングコアインダクタ)では全要素数に対する圧粉磁芯コアの要素数が約4%(55/1400)であるのに対し、図13の解析モデル(ACリアクトル)では、全要素数に対して圧粉磁芯コアの要素数が27%(5360/19780)であり、圧粉磁芯コアの要素が占める割合が大きくなっている。このため、図14および図15では、図11および図12と比較して、ケースBにおける、周波数の増大に対する平均反復回数および計算時間の増大が顕著になっている。 In the analysis model (ring core inductor) of FIG. 6, the number of elements of the dust core with respect to the total number of elements is about 4% (55/1400), whereas in the analysis model (AC reactor) of FIG. The number of elements of the dust core is 27% (5360/19780) of the number, and the proportion of the elements of the dust core is large. Therefore, in FIGS. 14 and 15, compared to FIGS. 11 and 12, the increase in the average number of iterations and the calculation time with respect to the increase in frequency in case B is remarkable.

一方で、ケースCにおける周波数の増大に対する平均反復回数および計算時間の増大は、図14および図15においても、図11および図12とほぼ同等である。したがって、解析モデル中の全要素数における圧粉磁芯コアの要素数が占める割合が大きいほど、本実施の形態に係る電磁界解析による計算コストの削減効果が高くなることが理解される。 On the other hand, the increase in the average number of iterations and the computation time with respect to the increase in frequency in case C is almost the same in FIGS. 14 and 15 as in FIGS. Therefore, it is understood that the larger the ratio of the number of elements of the dust core to the total number of elements in the analysis model, the higher the effect of reducing the calculation cost by the electromagnetic field analysis according to the present embodiment.

また、図16には、図13に示した解析モデル(ACリアクトル)を対象とした、本実施の形態に係る電磁界解析によるシミュレーション結果として得られたインダクタンス値が示される。 Further, FIG. 16 shows inductance values obtained as a simulation result of the electromagnetic field analysis according to the present embodiment for the analysis model (AC reactor) shown in FIG.

図16においても、各周波数でのシミュレーション結果として得られたインダクタンス値Lが、周波数f=1(kHz)でのシミュレーション結果として得られたインダクタンス値Lcを基準として正規化された値(L/Ldc)が縦軸に示される。 Also in FIG. 16, the inductance value L obtained as a simulation result at each frequency is a normalized value (L/Ldc ) are shown on the vertical axis.

図16の周波数特性についても、図10に示したリングコアでの周波数特性と同様に、100(kHz)超えた周波数からインダクタンスの低下が見られるが、ブロック間のギャップの影響でインダクタンスの低下は緩やかであり、定性的に妥当な周波数特性がシミュレーションから得られていることが理解される。 As for the frequency characteristics of FIG. 16, as with the frequency characteristics of the ring core shown in FIG. 10, a decrease in inductance can be seen from frequencies exceeding 100 (kHz), but the decrease in inductance is gradual due to the effect of the gap between blocks. , and it is understood that qualitatively valid frequency characteristics are obtained from the simulation.

本実施の形態に係る電磁界解析は、有限要素法におけるメッシュ作成を適切に行うことにより、任意の形状のコアに適用することが可能である。また、本実施の形態に係る電磁界解析は、上述のように、圧縮成形されたコアを解析対象とするときに大きな効果を享受できるものであるが、解析対象の材質は任意である。すなわち、他の磁性材料を用いて射出成形によって形成されたコア、又は、薄膜の磁性材料や板状の磁性材料を積層したコア等に対しても、本実施の形態に係る電磁界解析を適用することが可能である。 The electromagnetic field analysis according to this embodiment can be applied to cores of any shape by appropriately creating a mesh in the finite element method. Further, as described above, the electromagnetic field analysis according to the present embodiment can enjoy a great effect when the analysis target is a compression-molded core, but the analysis target material is arbitrary. That is, the electromagnetic field analysis according to the present embodiment is also applied to cores formed by injection molding using other magnetic materials, or cores in which thin-film magnetic materials or plate-shaped magnetic materials are laminated. It is possible to

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。 Although the embodiment of the present invention has been described as above, it is also possible to modify the above-described embodiment in various ways. Also, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and is intended to include all changes within the meaning and scope of equivalence to the scope of claims.

101~104,111~116 ヒステリシスループ、151~153 特性線(インダクタンス周波数特性)、200,210 解析モデル、300 リングコア、310,410,510 解析領域、311,411,511 要素、400 コイル、450 ギャップ要素、500 コア、501 直方体ブロック、502 円柱ブロック、600 シミュレータ、620 メモリ、630 入力装置、640 出力装置、650 接続ポート。 101 to 104, 111 to 116 hysteresis loop, 151 to 153 characteristic line (inductance frequency characteristic), 200, 210 analysis model, 300 ring core, 310, 410, 510 analysis area, 311, 411, 511 element, 400 coil, 450 gap Elements, 500 cores, 501 cuboid blocks, 502 cylinder blocks, 600 simulators, 620 memories, 630 input devices, 640 output devices, 650 connection ports.

Claims (3)

磁性素子を含む解析モデルを対象とする電磁界シミュレータであって、
有限要素法によって分割された前記解析モデルの各要素に対応して配置されたCauer回路を連成することによって得られた、前記有限要素法に対応する第1の変数と、前記Cauer回路に対応する第2の変数とを含む第1の連立一次方程式について、時刻ステップ毎の繰り返し計算によって定常解を求めるための手段を備え、
前記定常解を求めるための手段は、
各前記時刻ステップにおいて、前記第1の連立一次方程式を縮約することによって予め得られた、前記第2の変数を含まない第2の連立一次方程式から当該時刻ステップにおける前記第1の変数を導出する第1の演算を実行する手段と、
前記第1の演算によって導出された前記第1の変数が代入された前記第1の連立一次方程式から前記第2の変数を導出する第2の演算を実行する手段とを含む、電磁界シミュレータ。
An electromagnetic field simulator for an analysis model including a magnetic element,
A first variable corresponding to the finite element method obtained by coupling Cauer circuits arranged corresponding to each element of the analysis model divided by the finite element method, and the Cauer circuit corresponding to the means for obtaining a stationary solution by repeated calculation at each time step for the first simultaneous linear equations including the second variable ,
The means for obtaining the steady-state solution includes:
At each said time step, deriving said first variable at that time step from a second system of linear equations not including said second variable, previously obtained by contracting said first system of linear equations. means for performing a first operation of
and means for executing a second operation for deriving the second variable from the first simultaneous linear equations into which the first variable derived by the first operation is substituted.
前記Cauer回路を構成する複数の抵抗素子およびインダクタンス素子のうちのCauer回路の初段のインダクタンス素子のインダクタンスは、プレイモデルに従って算出される、請求項1記載の電磁界シミュレータ。 2. The electromagnetic field simulator according to claim 1, wherein the inductance of the first-stage inductance element of the Cauer circuit among the plurality of resistance elements and inductance elements forming said Cauer circuit is calculated according to a play model. 磁性素子を含む解析モデルを対象とする電磁界解析方法であって、
有限要素法によって分割された前記解析モデルの各要素に対応して配置されたCauer回路を連成することによって得られた、前記有限要素法に対応する第1の変数と、前記Cauer回路に対応する第2の変数とに係る第1の連立一次方程式について、時刻ステップ毎の繰り返し計算によって定常解を求めるためのステップを備え、
前記定常解を求めるためのステップは、
各前記時刻ステップにおいて、前記第1の連立一次方程式を縮約することによって予め得られた、前記第2の変数を含まない第2の連立一次方程式から当該時刻ステップにおける前記第1の変数を導出する第1の演算を実行するステップと、
前記第1の演算によって導出された前記第1の変数が代入された前記第1の連立一次方程式から前記第2の変数を導出する第2の演算を実行するステップとを含む、電磁界解析方法。
An electromagnetic field analysis method for an analysis model including a magnetic element,
A first variable corresponding to the finite element method obtained by coupling Cauer circuits arranged corresponding to each element of the analysis model divided by the finite element method, and the Cauer circuit corresponding to the A step for obtaining a stationary solution by repeated calculation at each time step for the first simultaneous linear equations related to the second variable ,
The step for obtaining the stationary solution includes:
At each said time step, deriving said first variable at that time step from a second system of linear equations not including said second variable, previously obtained by contracting said first system of linear equations. performing a first operation to
and performing a second operation of deriving the second variable from the first simultaneous linear equations into which the first variable derived by the first operation is substituted. .
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