JP7348525B2 - Core design device, core design method, and program - Google Patents

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Description

本発明は、コア設計装置、コア設計方法、およびプログラムに関し、特に、コアを設計するために用いて好適なものである。 The present invention relates to a core design device, a core design method, and a program, and is particularly suitable for use in designing a core.

コアを有する電気機器においては、コアの設計が電気機器の性能に大きな影響を与える。例えば、IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)のロータの形状は複雑化している。このようなロータにおいては、鉄心に埋め込まれる永久磁石の周辺にフラックスバリアを適切に配置することで磁束を制御することにより、トルク特性の向上、鉄損の低減、応力の緩和を図ることができる。このようなコアの設計は、経験的な指針やパラメータスタディにより行われる場合が多い。
しかしながら、このような手法では、設計者の知見や経験に大きく依存する。そこで、数値解析を用いた最適化技術が開発されている。
In electrical equipment having a core, the design of the core has a significant impact on the performance of the electrical equipment. For example, the shape of the rotor of an IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) is becoming more complex. In such rotors, it is possible to improve torque characteristics, reduce iron loss, and alleviate stress by controlling the magnetic flux by appropriately placing a flux barrier around the permanent magnets embedded in the iron core. . The design of such cores is often performed using empirical guidelines or parameter studies.
However, such a method relies heavily on the knowledge and experience of the designer. Therefore, optimization techniques using numerical analysis have been developed.

非特許文献1には、トポロジー最適化により、IPMモータのフラックスバリアを設計することが記載されている。トポロジー最適化は、デザイン領域内で形状を高い自由度で変化させて最適形状を探索する手法の総称である。トポロジー最適化の手法として、On-Off法がある。On-Off法は、デザイン領域内を複数の有限要素に分割し、各有限要素の物性を切り替える手法である。例えば、onとoffの状態をそれぞれ磁性体と空気に対応させる。拘束条件が満足される範囲で目的関数が最小(または最大)になるような、各有限要素のonとoffの状態を、最適化手法により探索する。非特許文献1では、各有限要素に独立にonとoffの状態を与えるのではなく、空間的に滑らかに値が変化する正規化ガウス関数(NGnet(Normalized Gaussian Network))を与え、正規化ガウス関数の出力に応じて、onとoffの状態を与える。 Non-Patent Document 1 describes designing a flux barrier for an IPM motor by topology optimization. Topology optimization is a general term for a method of searching for an optimal shape by changing the shape with a high degree of freedom within a design area. One of the topology optimization methods is the On-Off method. The On-Off method is a method that divides the design area into multiple finite elements and switches the physical properties of each finite element. For example, the on and off states correspond to magnetic material and air, respectively. An optimization method is used to search for the on and off states of each finite element such that the objective function is minimized (or maximized) within the range where the constraint conditions are satisfied. In Non-Patent Document 1, instead of giving on and off states to each finite element independently, a normalized Gaussian function (NGnet (Normalized Gaussian Network)) whose value changes spatially smoothly is given, and the normalized Gaussian Gives on and off states depending on the output of the function.

特許第3643334号公報Patent No. 3643334

佐藤 孝洋 他5名、「トポロジー最適化による埋込磁石同期モータの回転子形状最適化」、電気学会論文誌D(産業応用部門誌)、IEEJ Transactions on Industry Applications、Vol.135、No.3、pp.291-298、2015年Takahiro Sato and 5 others, "Rotor shape optimization of embedded magnet synchronous motors by topology optimization", IEEJ Transactions on Industry Applications, Vol. 135, No. 3, IEEJ Transactions on Industry Applications, Vol. 135, No. 3, pp.291-298, 2015 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 and Norio Takahashi, "Finite Element Method for Electrical Engineering", 2nd edition, Morikita Publishing Co., Ltd., April 1986. 藤田真史 他9名、「電気学会ベンチマークモータの電磁界解析-IPMモータの特性評価-」、電気学会静止器・回転機合同研究会、SA11-27/RM-11-27、pp.73-78、2011年1月Masashi Fujita and 9 others, "Electromagnetic field analysis of benchmark motors of the Institute of Electrical Engineers of Japan -Characteristics evaluation of IPM motors-", Institute of Electrical Engineers of Japan Joint Study Group on Stationary and Rotating Machines, SA11-27/RM-11-27, pp.73-78 , January 2011 社団法人日本塑性加工学会編、「非線形有限要素法 -線形弾性解析から塑性加工解析まで」、株式会社コロナ社、1994年12月Edited by Japan Society for Plastic Processing, "Nonlinear Finite Element Method - From Linear Elastic Analysis to Plastic Processing Analysis", Coronasha Co., Ltd., December 1994.

しかしながら、非特許文献1に記載の技術では、最適化計算の結果が、正規化ガウス関数を配置するピッチに依存する。正規化ガウス関数を配置するピッチを定めるためには、高度なノウハウが必要である。従って、正規化ガウス関数を配置するピッチを適切に設定することは容易ではない。更に、正規化ガウス関数の数が、決定変数である重み係数の数であるため、形状の分解能を高くすると、解空間が広くなる。従って、非特許文献1に記載の技術には、コアの設計を容易に且つ精度よく行うことができないという課題がある。 However, in the technique described in Non-Patent Document 1, the result of the optimization calculation depends on the pitch at which the normalized Gaussian function is arranged. Advanced know-how is required to determine the pitch at which the normalized Gaussian function is arranged. Therefore, it is not easy to appropriately set the pitch at which the normalized Gaussian function is arranged. Furthermore, since the number of normalized Gaussian functions is the number of weighting coefficients that are decision variables, increasing the shape resolution widens the solution space. Therefore, the technique described in Non-Patent Document 1 has a problem in that the core cannot be designed easily and accurately.

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、コアの設計を容易に且つ精度よく行うことができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to enable easy and accurate core design.

本発明のコア設計装置は、最適化問題のアルゴリズムを用いて、コアの形状の設計に関する計算を行うコア設計装置であって、前記コアの設計対象領域であるデザイン領域に対し、前記コアの要素のうち、設計対象の要素である設計対象要素として少なくとも1つの設計対象要素の基本形状を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された前記設計対象要素の基本形状を変形および移動させるために前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解を、前記最適化問題のアルゴリズムを用いて計算する最適化計算手段と、を有し、前記最適化計算手段は、前記写像が施された前記設計対象要素を含む前記コアを有する電気機器を動作させたときの前記電気機器の特性を示す値が、前記最適化問題のアルゴリズムにおいて最大または最小とされるときの前記写像を、前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解として計算することを特徴とする。 The core design device of the present invention is a core design device that performs calculations related to the design of a core shape using an optimization problem algorithm, and in which elements of the core are Among them, a setting means for setting the basic shape of at least one design target element as a design target element, which is a design target element, and for deforming and moving the basic shape of the design target element set by the setting means optimization calculation means for calculating an optimal solution of a mapping applied to the basic shape of the element to be designed using an algorithm for the optimization problem; The design calculates the mapping when the value indicating the characteristics of the electrical equipment when the electrical equipment having the core including the design target element is operated is maximized or minimized in the algorithm of the optimization problem. It is characterized in that it is calculated as the optimal solution of mapping applied to the basic shape of the target element.

本発明のコア設計方法は、最適化問題のアルゴリズムを用いて、コアの形状の設計に関する計算を行うコア設計方法であって、前記コアの設計対象領域であるデザイン領域に対し、前記コアの要素のうち、設計対象の要素である設計対象要素として少なくとも1つの設計対象要素の基本形状を設定する設定工程と、前記設定工程により設定された前記設計対象要素の基本形状を変形および移動させるために前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解を、前記最適化問題のアルゴリズムを用いて計算する最適化計算工程と、を有し、前記最適化計算工程は、前記写像が施された前記設計対象要素を含む前記コアを有する電気機器を動作させたときの前記電気機器の特性を示す値が、前記最適化問題のアルゴリズムにおいて最大または最小とされるときの前記写像を、前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解として計算することを特徴とする。 The core design method of the present invention is a core design method that performs calculations related to the design of a core shape using an optimization problem algorithm, and in which elements of the core are Among them, a setting step of setting the basic shape of at least one design target element as a design target element, which is a design target element, and a step of deforming and moving the basic shape of the design target element set by the setting process. an optimization calculation step of calculating an optimal solution of a mapping to be applied to the basic shape of the element to be designed using an algorithm for the optimization problem; The design calculates the mapping when the value indicating the characteristics of the electrical equipment when the electrical equipment having the core including the design target element is operated is maximized or minimized in the algorithm of the optimization problem. It is characterized in that it is calculated as the optimal solution of mapping applied to the basic shape of the target element.

本発明のプログラムは、前記コア設計装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とする。 The program of the present invention is characterized in that it causes a computer to function as each means of the core design device.

本発明によれば、コアの設計を容易に且つ精度よく行うことができる。 According to the present invention, the core can be designed easily and accurately.

図1は、コア設計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 the functional configuration of a core design device. 図2は、コア設計方法の一例を説明するフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a core design method. 図3は、コアの設計の過程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 core design process. 図4は、重なりの一例を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of overlap. 図5は、はみ出しの一例を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of protrusion. 図6は、設計前のコアと、設計後のコアを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a core before design and a core after design.

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
尚、長さ、位置、大きさ、間隔等、比較対象が同じであることは、厳密に同じである場合の他、発明の主旨を逸脱しない範囲で異なるもの(例えば、設計時に定められる公差の範囲内で異なるもの)も含むものとする。
図1は、コア設計装置100の機能的な構成の一例を示す図である。図2は、コア設計装置100により行われるコア設計方法の一例を説明するフローチャートである。コア設計装置100のハードウェアは、例えば、CPU、ROM、RAM、HDD、および各種のインターフェースを備える情報処理装置、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。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Note that the comparison objects are the same in terms of length, position, size, spacing, etc., as well as cases in which they are strictly the same, and items that are different within the scope of the invention (for example, due to tolerances determined at the time of design). This shall also include items that are different within the scope.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the functional configuration of the core design device 100. FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a core design method performed by the core design device 100. The hardware of the core design device 100 is realized, for example, by using an information processing device including a CPU, ROM, RAM, HDD, and various interfaces, or by using dedicated hardware.

コア設計装置100は、最適化問題のアルゴリズムを用いて、コアの形状の設計に関する計算を行う。ここで、コアの要素には、鉄心と、鉄心の内部に配置される有体物(部品や材料)と、鉄心の内部に形成される空間と、鉄心の外周・内周における凹部の空間とが含まれる。鉄心の内部に配置される有体物(部品や材料)は、一部が露出していてもよい。鉄心の内部に配置される有体物(部品や材料)と、鉄心の内部に形成される空間と、鉄心の外周・内周における凹部の空間のうち、少なくとも1つがコアの要素であれば、これらの全てがコアの要素である必要はない。 The core design device 100 performs calculations related to the design of the core shape using an optimization problem algorithm. Here, the core elements include the core, tangible objects (parts and materials) placed inside the core, spaces formed inside the core, and spaces in recesses on the outer and inner peripheries of the core. It will be done. Parts of the tangible objects (components and materials) placed inside the core may be exposed. If at least one of the tangible objects (parts and materials) placed inside the core, the space formed inside the core, and the recessed spaces on the outer and inner peripheries of the core is an element of the core, then Not everything has to be a core element.

図1において、コア設計装置100は、設定部110と、最適化計算部120と、出力部130と、を有する。
図2のステップS201において、設定部110は、コアの設計対象領域であるデザイン領域の情報と、少なくとも1つの設計対象要素の情報と、設計対象要素以外のコアの要素の情報とを設定する。設計対象要素とは、コアの要素のうち、設計対象となる要素である。
In FIG. 1, the core design device 100 includes a setting section 110, an optimization calculation section 120, and an output section 130.
In step S201 in FIG. 2, the setting unit 110 sets information on a design area that is a design target area of the core, information on at least one design target element, and information on core elements other than the design target element. The design target element is an element to be designed among the core elements.

図3は、コアの設計の過程の一例を概念的に示す図である。図3に示す領域は、IPMSMのロータの、IPMSMの中心線に垂直に切った断面を4等分した4つの領域の1つである。これら4つの領域は4回対称の関係を有するものとする。従って、これら4つの領域のうちの1つの領域の設計をすれば、IPMSMのロータの、IPMSMの中心線に垂直に切った断面の全体を設計することができる。 FIG. 3 is a diagram conceptually showing an example of the core design process. The region shown in FIG. 3 is one of four regions obtained by dividing a cross section of the IPMSM rotor perpendicular to the center line of the IPMSM into four equal parts. It is assumed that these four regions have a 4-fold symmetrical relationship. Therefore, by designing one of these four regions, it is possible to design the entire cross section of the IPMSM rotor cut perpendicular to the centerline of the IPMSM.

ここでは、IPMSMのロータは、鉄心と、鉄心内に配置される永久磁石と、鉄心内に形成されるフラックスバリアとを有するものとする。従って、これら4つの領域のうちの1つの領域において設計した、鉄心、永久磁石、およびフラックスバリアを、IPMSMの中心線を回転軸として、90°、180°、270°回転させることにより、IPMSMのロータの、IPMSMの中心線に垂直に切った断面の全体を設計することができる。尚、フラックスバリアは、空間(空気)であるものとする。ただし、空間ではなく例えば非磁性体でフラックスバリアを構成してもよい。 Here, it is assumed that the rotor of the IPMSM has an iron core, a permanent magnet disposed within the iron core, and a flux barrier formed within the iron core. Therefore, by rotating the iron core, permanent magnet, and flux barrier designed in one of these four regions by 90°, 180°, and 270° around the centerline of the IPMSM, The entire cross-section of the rotor taken perpendicular to the centerline of the IPMSM can be designed. It is assumed that the flux barrier is space (air). However, instead of space, the flux barrier may be made of, for example, a non-magnetic material.

本実施形態では、IPMSMのロータの鉄心内に形成されるフラックスバリアが設計対象要素である場合を例に挙げて説明する。ただし、フラックスバリアに加えて永久磁石が設計対象要素となることを考慮した説明も付記する。このように、IPMSMのロータを設計する場合、例えば、フラックスバリアと永久磁石との少なくとも一方を、設計対象要素とすることができる。
また、本実施形態では、IPMSMの中心線に垂直に切った断面の2次元形状を設計する場合を例に挙げて説明する。図3において、IPMSMの中心線に垂直に切った断面は、x-y平面になる。
In this embodiment, a case where a flux barrier formed in the core of a rotor of an IPMSM is an element to be designed will be described as an example. However, an explanation that takes into consideration the fact that permanent magnets are included in the design in addition to flux barriers is also included. In this way, when designing a rotor for an IPMSM, for example, at least one of a flux barrier and a permanent magnet can be used as a design target element.
Further, in this embodiment, a case will be described using as an example a case where a two-dimensional shape of a cross section cut perpendicularly to the center line of an IPMSM is designed. In FIG. 3, the cross section taken perpendicular to the centerline of the IPMSM is the xy plane.

図3(a)は、設計対象要素の基本形状が設定される前のコアの要素の一例を示す図である。
図3(a)に示す例では、デザイン領域は、鉄心の領域310の外縁で囲まれる領域であるものとする。図3(a)に示すように、鉄心の領域310の外縁の形状は、中心角が90°の環状扇形である。設定部110は、鉄心の領域310の外縁で囲まれる領域の座標を、デザイン領域の位置を示す情報として設定する。また、設定部110は、デザイン領域を識別する情報として、デザイン領域の各座標に対して識別情報ID1を設定する。
FIG. 3A is a diagram showing an example of a core element before the basic shape of the design target element is set.
In the example shown in FIG. 3A, it is assumed that the design area is an area surrounded by the outer edge of the core area 310. As shown in FIG. 3A, the outer edge of the core region 310 has an annular sector shape with a central angle of 90°. The setting unit 110 sets the coordinates of an area surrounded by the outer edge of the core area 310 as information indicating the position of the design area. Further, the setting unit 110 sets identification information ID1 for each coordinate of the design area as information for identifying the design area.

図3(a)に示す例では、設計対象要素以外のコアの要素は、永久磁石であるものとする。従って、設計対象要素以外のコアの要素の領域は、永久磁石の領域320の外縁で囲まれる領域である。図3に示すように、永久磁石の領域320の外縁の形状は、長方形である。設定部110は、永久磁石の領域320の外縁で囲まれる領域の座標を、設計対象要素以外のコアの要素の位置を示す情報として設定する。また、設定部110は、設計対象要素以外のコアの要素を識別する情報として、設計対象要素以外のコアの要素の領域の各座標に対して識別情報ID2を設定する。尚、設計対象要素以外のコアの要素が複数種類ある場合、設定部110は、設計対象要素の種類ごとに異なる識別情報ID2を設定する。 In the example shown in FIG. 3(a), it is assumed that the core elements other than the design target elements are permanent magnets. Therefore, the area of the core element other than the design target element is an area surrounded by the outer edge of the permanent magnet area 320. As shown in FIG. 3, the outer edge of the permanent magnet region 320 has a rectangular shape. The setting unit 110 sets the coordinates of the area surrounded by the outer edge of the permanent magnet area 320 as information indicating the position of the core element other than the design target element. Further, the setting unit 110 sets identification information ID2 for each coordinate of the region of the core element other than the design target element as information for identifying the core element other than the design target element. Note that when there are multiple types of core elements other than the design target element, the setting unit 110 sets different identification information ID2 for each type of design target element.

また、設定部110は、設計対象要素を識別する情報として識別情報ID3を設定する。尚、設計対象要素が複数種類ある場合、設定部110は、設計対象要素の種類ごとに異なる識別情報ID3を設定する。 Further, the setting unit 110 sets identification information ID3 as information for identifying the design target element. Note that when there are multiple types of design target elements, the setting unit 110 sets different identification information ID3 for each type of design target element.

以上のような、デザイン領域の位置を示す情報と、設計対象要素以外のコアの要素の位置を示す情報は、例えば、コア設計装置100のインターフェースを介してコア設計装置100に入力される。設計者は、コア設計装置100のユーザインターフェースを操作することにより、デザイン領域の位置を示す情報と、設計対象要素以外のコアの要素の位置を示す情報を示す情報を、コア設計装置100に入力させることができる。また、外部装置が、デザイン領域の位置を示す情報と、設計対象要素以外のコアの要素の位置を示す情報をコア設計装置100に送信し、外部装置がこれらの情報を通信インターフェースで受信することにより、デザイン領域の位置を示す情報と、設計対象要素以外のコアの要素の位置を示す情報をコア設計装置100に入力することができる。 The above-mentioned information indicating the position of the design area and information indicating the positions of core elements other than the design target element are input to the core design apparatus 100 via the interface of the core design apparatus 100, for example. By operating the user interface of the core design device 100, the designer inputs into the core design device 100 information indicating the position of the design area and information indicating the positions of core elements other than the design target element. can be done. Further, the external device transmits information indicating the position of the design area and information indicating the positions of core elements other than the design target element to the core design device 100, and the external device receives these information through the communication interface. Accordingly, information indicating the position of the design area and information indicating the positions of core elements other than the design target element can be input to the core design apparatus 100.

また、デザイン領域を識別する識別情報ID1、設計対象要素以外のコアの要素を識別する識別情報ID2、および設計対象要素を識別する識別情報ID3は、例えば、コア設計装置100のインターフェースを介してコア設計装置100に入力される。設計者は、コア設計装置100のユーザインターフェースを操作することにより、これらの識別情報ID1~ID3を、コア設計装置100に入力させることができる。また、外部装置が、これらの識別情報ID1~ID3をコア設計装置100に送信し、外部装置がこれらの識別情報ID1~ID3を通信インターフェースで受信することにより、これらの識別情報ID1~ID3をコア設計装置100に入力することができる。 Further, the identification information ID1 that identifies the design area, the identification information ID2 that identifies the core elements other than the design target element, and the identification information ID3 that identifies the design target element are transmitted to the core through the interface of the core design device 100, for example. It is input to the design device 100. The designer can input these identification information ID1 to ID3 into the core design device 100 by operating the user interface of the core design device 100. In addition, the external device sends these identification information ID1 to ID3 to the core design device 100, and the external device receives these identification information ID1 to ID3 through the communication interface, so that these identification information ID1 to ID3 are sent to the core design device 100. It can be input into the design device 100.

また、デザイン領域を識別する識別情報ID1および設計対象要素以外のコアの要素を識別する識別情報ID2については、デザイン領域の位置を示す情報および設計対象要素以外のコアの要素の位置を示す情報に基づいて、設定部110が自動的に設定してもよい。 In addition, the identification information ID1 that identifies the design area and the identification information ID2 that identifies the core elements other than the design target elements are information indicating the position of the design area and information indicating the position of the core elements other than the design target elements. Based on this, the setting unit 110 may automatically set the setting.

次に、ステップS202において、設定部110は、ステップS201で設定された設計対象要素の基本形状の情報を設定する。基本形状は、例えば、設計対象要素の形状として想定される形状とすることができる。基本形状は、最終的に計算される形状が過剰に複雑になることを抑制するために、円や長方形のような単純形状とするのが好ましい。基本形状の数は任意であり、1つであっても、2つであっても、3つ以上であってもよい。複数の基本形状が設定される場合、各基本形状は同じ形状であっても異なる形状であってもよい。基本形状の位置・大きさは、基本形状がデザイン領域内に位置していれば、特に限定されない。 Next, in step S202, the setting unit 110 sets information on the basic shape of the design target element set in step S201. The basic shape can be, for example, a shape that is assumed to be the shape of the element to be designed. The basic shape is preferably a simple shape such as a circle or a rectangle in order to prevent the final calculated shape from becoming excessively complex. The number of basic shapes is arbitrary and may be one, two, three or more. When a plurality of basic shapes are set, each basic shape may be the same shape or different shapes. The position and size of the basic shape are not particularly limited as long as the basic shape is located within the design area.

本実施形態では、設計対象要素がフラックスバリアである場合を例に挙げて説明する。IPMSMのロータにおいて、鉄心の領域がフラックスバリアに囲まれること(鉄心がフラックスバリアの中で浮くようなこと)は起こらない。従って、設計対象要素の基本形状は、当該設計対象要素の内部に、当該設計対象要素と異なる種類の要素が含まれないように設定されるようにするのが好ましい。 The present embodiment will be described using an example in which the element to be designed is a flux barrier. In the IPMSM rotor, the region of the iron core is not surrounded by a flux barrier (the iron core floats within the flux barrier). Therefore, it is preferable that the basic shape of the element to be designed is set such that an element of a different type than the element to be designed is not included inside the element to be designed.

図3(b)は、設計対象要素の基本形状が設定されたコアの要素の一例を示す図である。
図3(b)に示す例では、設計対象要素の基本形状として2つの基本形状が設定される。設定部110は、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの座標を、設計対象要素の初期位置を示す情報として設定する。設計対象要素の初期位置を示す情報は、2つの基本形状毎に個別に設定される。設定部110は、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの各座標に対して設定されている識別情報ID1を、設計対象要素の領域を識別する識別情報ID3に変更する。
FIG. 3(b) is a diagram showing an example of a core element in which the basic shape of the design target element is set.
In the example shown in FIG. 3(b), two basic shapes are set as the basic shapes of the design target element. The setting unit 110 sets the coordinates of regions 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed as information indicating the initial position of the element to be designed. Information indicating the initial position of the design target element is set individually for each of the two basic shapes. The setting unit 110 changes the identification information ID1 set for each coordinate of the regions 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed to identification information ID3 that identifies the region of the element to be designed.

以上のような、設計対象要素の基本形状の初期位置を示す情報は、例えば、コア設計装置100のインターフェースを介してコア設計装置100に入力される。例えば、設計部110は、図3(a)に示すコアの要素の画像を含むGUI(Graphical User Interface)をコンピュータディスプレイに表示する。このGUIでは、コアの要素の画像において、鉄心の領域310のうち、永久磁石の領域320以外の領域を、コア設計装置100のユーザインターフェースの操作により指定することができるものとする。設計者は、このような指定を行うことにより、設計対象要素の基本形状の初期位置を示す情報を、コア設計装置100に入力させることができる。 Information indicating the initial position of the basic shape of the element to be designed as described above is input to the core design device 100 via the interface of the core design device 100, for example. For example, the design unit 110 displays a GUI (Graphical User Interface) including an image of the core elements shown in FIG. 3A on the computer display. In this GUI, it is assumed that in the image of the core element, a region other than the permanent magnet region 320 in the core region 310 can be specified by operating the user interface of the core design device 100. By making such a designation, the designer can cause the core design apparatus 100 to input information indicating the initial position of the basic shape of the element to be designed.

また、外部装置が、設計対象要素の位置を示す情報をコア設計装置100に送信し、外部装置が設計対象要素の位置を示す情報を通信インターフェースで受信することにより、設計対象要素の位置を示す情報をコア設計装置100に入力することができる。 Further, the external device transmits information indicating the position of the element to be designed to the core design apparatus 100, and the external device receives information indicating the position of the element to be designed via the communication interface, thereby indicating the position of the element to be designed. Information can be input into core design device 100.

次に、ステップS203~S213において、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状を変形および移動させるために設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解を、最適化問題のアルゴリズムを用いて計算する。本実施形態では、最適化問題のアルゴリズムとして、メタヒューリスティクス手法の一つである遺伝的アルゴリズムを用いる場合を例に挙げて説明する。 Next, in steps S203 to S213, the optimization calculation unit 120 calculates the optimal solution of the mapping to be applied to the basic shape of the design target element in order to deform and move the basic shape of the design target element using the optimization problem algorithm. Calculate using. In this embodiment, an example will be described in which a genetic algorithm, which is one of the metaheuristic methods, is used as an algorithm for an optimization problem.

まず、ステップS203において、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの外縁の各座標に対して施す写像の候補として複数の候補を導出する。以下の説明では、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの外縁の各座標に対して施す写像を、必要に応じて写像と略称する。写像が施される前の設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの外縁のxy座標を(x,y)とすると、写像が施された後の設計対象要素の領域の外縁のxy座標を(x',y')は、以下の(1)式で表される。 First, in step S203, the optimization calculation unit 120 derives a plurality of candidates as mapping candidates to be applied to each coordinate of the outer edge of the regions 330a, 330b of the basic shape of the design target element. In the following description, the mapping applied to each coordinate of the outer edge of the regions 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed will be abbreviated as mapping as necessary. If the xy coordinates of the outer edges of the areas 330a and 330b of the basic shape of the design target element before mapping are (x, y), then the xy coordinates of the outer edge of the area of the design target element after mapping are (x', y') is expressed by the following equation (1).

Figure 0007348525000001
Figure 0007348525000001

本実施形態では、写像が線型写像である場合を例に挙げて説明する。従って、(1)式の行列の成分a、b、c、d、e、fは、実数(数値)になる。線型写像である場合、これらの成分a~fを求めることで、写像が求められる。従って、複数の写像の候補には、それぞれ、成分a~fの値が含まれる。即ち、成分a~fの値の組み合わせの1つが、写像の候補の1つである。(1)式の行列の成分a、b、c、dは、写像を決定づける係数の一例である。(1)式の行列の成分e、fは、写像を決定づける定数の一例である。
最初のステップS203においては、最適化計算部120は、乱数により、複数の写像の候補を導出する。2回目以降のステップS203においては、最適化計算部120は、遺伝的アルゴリズムに従って、既に導出されている写像の候補を更新する。
In this embodiment, a case where the mapping is a linear mapping will be described as an example. Therefore, the components a, b, c, d, e, and f of the matrix in equation (1) are real numbers (numeric values). In the case of a linear mapping, the mapping is obtained by obtaining these components a to f. Therefore, each of the plurality of mapping candidates includes the values of components a to f. That is, one of the combinations of values of components a to f is one of the mapping candidates. Components a, b, c, and d of the matrix in equation (1) are examples of coefficients that determine mapping. The components e and f of the matrix in equation (1) are examples of constants that determine mapping.
In the first step S203, the optimization calculation unit 120 derives a plurality of mapping candidates using random numbers. In the second and subsequent steps S203, the optimization calculation unit 120 updates the already derived mapping candidates according to the genetic algorithm.

次に、ステップS204において、最適化計算部120は、ステップS203で導出された複数の写像のうち、ステップS204で未選択の写像の候補を選択する。設計対象要素の数が1つである場合には、ステップS204において、ステップS203で導出された複数の写像の候補の中から1つの写像の候補が選択される。設計対象要素の数が複数である場合には、ステップS204において、ステップS203で導出された複数の写像の候補の中から、設計対象要素の数の写像の候補の組み合わせが1つ選択される。 Next, in step S204, the optimization calculation unit 120 selects mapping candidates that have not been selected in step S204 from among the plurality of mappings derived in step S203. If the number of elements to be designed is one, in step S204 one mapping candidate is selected from among the plurality of mapping candidates derived in step S203. If the number of elements to be designed is plural, in step S204, one combination of mapping candidates for the number of elements to be designed is selected from among the plurality of mapping candidates derived in step S203.

次に、ステップS205において、最適化計算部120は、ステップS204で選択した写像の候補に含まれる成分a~fの値を(1)式に与える。
設計対象要素の数が1つである場合には、ステップS204において、1つの写像の候補が選択される。従って、ステップS205において、最適化計算部120は、当該1つの写像に含まれる成分a~fの値を(1)式に与える。よって、(1)式は、1つだけ設定される。
Next, in step S205, the optimization calculation unit 120 gives the values of components a to f included in the mapping candidate selected in step S204 to equation (1).
If the number of elements to be designed is one, one mapping candidate is selected in step S204. Therefore, in step S205, the optimization calculation unit 120 gives the values of components a to f included in the one mapping to equation (1). Therefore, only one equation (1) is set.

そして、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状の領域の外縁の座標(x,y)を(1)式に与えて、写像が施された後の設計対象要素の領域の外縁の座標(x',y')を導出することを、設計対象要素の基本形状の領域の外縁の全ての座標(x,y)について行う。 Then, the optimization calculation unit 120 gives the coordinates (x, y) of the outer edge of the area of the basic shape of the element to be designed to equation (1), and calculates the outer edge of the area of the element to be designed after mapping. The coordinates (x', y') are derived for all the coordinates (x, y) of the outer edge of the area of the basic shape of the element to be designed.

一方、設計対象要素の数が複数である場合には、ステップS204において、設計対象要素の数の写像の候補の組み合わせが選択される。ステップS205において、最適化計算部120は、設計対象要素の数の写像の候補を1つずつ複数の設計対象領域に割り当てる。そして、最適化計算部120は、設計対象要素の数の写像の候補のそれぞれについて、写像の候補に含まれる成分a~fの値を(1)式に与える。よって、(1)式は、設計対象要素の数だけ設定される。 On the other hand, if the number of design target elements is plural, a combination of mapping candidates for the number of design target elements is selected in step S204. In step S205, the optimization calculation unit 120 allocates mapping candidates of the number of design target elements one by one to a plurality of design target regions. Then, the optimization calculation unit 120 provides equation (1) with the values of components a to f included in the mapping candidates for each of the mapping candidates for the number of design target elements. Therefore, Equation (1) is set as many times as there are elements to be designed.

そして、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状の領域の外縁の座標(x,y)を、当該設計対象要素に対して割り当てられた写像の候補に含まれる成分a~fが与えられた(1)式に与えて、写像が施された後の当該設計対象要素の領域の外縁の座標(x',y')を導出することを、当該設計対象要素の基本形状の領域の外縁の全ての座標(x,y)について行う。最適化計算部120は、このような導出を、設計対象要素のそれぞれについて行う。 Then, the optimization calculation unit 120 calculates the coordinates (x, y) of the outer edge of the area of the basic shape of the element to be designed by using the components a to f included in the mapping candidates assigned to the element to be designed. (1) to derive the coordinates (x', y') of the outer edge of the area of the element to be designed after the mapping is performed. This is performed for all coordinates (x, y) of the outer edge. The optimization calculation unit 120 performs such derivation for each element to be designed.

図3(b)に示す例では、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状の領域330aの外縁の座標(x,y)を、当該設計対象要素に対して割り当てられた成分a~fが与えられた(1)式に与えて、写像が施された後の設計対象要素の領域の外縁の座標(x',y')を導出することを、設計対象要素の基本形状の領域330aの外縁の全ての座標(x,y)について行う。 In the example shown in FIG. 3(b), the optimization calculation unit 120 calculates the coordinates (x, y) of the outer edge of the area 330a of the basic shape of the element to be designed, using the components a to y assigned to the element to be designed. The coordinates (x', y') of the outer edge of the area of the design target element after mapping are derived by applying f to equation (1), which is the area of the basic shape of the design target element. This is performed for all coordinates (x, y) of the outer edge of 330a.

同様に、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状の領域330bの外縁の座標(x,y)を、当該設計対象要素に対して割り当てられた成分a~fが与えられた(1)式に与えて、写像が施された後の設計対象要素の領域の外縁の座標(x',y')を導出することを、設計対象要素の基本形状の領域330bの外縁の全ての座標(x,y)について行う。 Similarly, the optimization calculation unit 120 calculates the coordinates (x, y) of the outer edge of the area 330b of the basic shape of the element to be designed, given the components a to f assigned to the element to be designed (1 ) to derive the coordinates (x', y') of the outer edge of the area of the design target element after mapping, all the coordinates of the outer edge of the area 330b of the basic shape of the design target element. Do this for (x, y).

図3(c)は、設計対象要素の基本形状に対して写像が施された後のコアの要素の一例を示す図である。
図3(c)に示す例では、設計対象要素の領域は、図3(b)に示す設計対象要素の基本形状の領域330a、330bに対して線形写像が施された結果、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bが、写像後の設計対象要素の領域340a、340bにそれぞれ変更される。
FIG. 3(c) is a diagram showing an example of the core element after mapping has been performed on the basic shape of the design target element.
In the example shown in FIG. 3(c), the region of the design target element is obtained by performing linear mapping on the regions 330a and 330b of the basic shape of the design target element shown in FIG. 3(b). The regions 330a and 330b of the basic shape are respectively changed to regions 340a and 340b of the design target element after mapping.

そして、最適化計算部120は、写像後の設計対象要素の領域340a、340bの各座標に対して設定されている識別情報がID1である場合、当該識別情報ID1を、設計対象要素の領域を識別する識別情報ID3に変更する。図3(c)に示す写像後の設計対象要素の領域340a、340bは、写像が施される前は、図3(b)に示すように、鉄心の領域310である。従って、写像が施される前に領域340a、340bに設定されている識別情報はID1である。従って、写像後の設計対象要素の領域340a、340bの各座標に対して設定されている識別情報がID1からID3に変更される。 Then, when the identification information set for each coordinate of the areas 340a and 340b of the design target element after mapping is ID1, the optimization calculation unit 120 uses the identification information ID1 to define the area of the design target element. Change the identifying information to ID3. Before mapping, regions 340a and 340b of the design target element after mapping shown in FIG. 3(c) are regions 310 of the iron core, as shown in FIG. 3(b). Therefore, the identification information set in the areas 340a and 340b before mapping is ID1. Therefore, the identification information set for each coordinate of the regions 340a and 340b of the design target element after mapping is changed from ID1 to ID3.

また、最適化計算部120は、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bのうち、写像後の設計対象要素の領域340a、340bと重ならない領域の座標に対して設定されている識別情報をID3からID1に変更する。図3(b)および図3(c)に示す例では、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bと、写像後の設計対象要素の領域340a、340bとは重ならない。従って、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの各座標に対して設定されている識別情報がID3からID1に変更される。これにより、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bは、鉄心310の領域となる。 Furthermore, the optimization calculation unit 120 uses identification information set for the coordinates of the regions 330a and 330b of the basic shape of the design target element that do not overlap with the regions 340a and 340b of the design target element after mapping. Change from ID3 to ID1. In the examples shown in FIGS. 3(b) and 3(c), regions 330a and 330b of the basic shape of the design target element do not overlap with regions 340a and 340b of the design target element after mapping. Therefore, the identification information set for each coordinate of the regions 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed is changed from ID3 to ID1. Thereby, the regions 330a and 330b of the basic shape of the design target element become the region of the iron core 310.

次に、ステップS206において、最適化計算部120は、重なり・はみ出しが生じている設計対象要素があるか否かを判定する。この判定の結果、重なり・はみ出しが生じている設計対象要素が1つもない場合、ステップS207の処理が省略され、後述するステップS208の処理が実行される。一方、重なり・はみ出しが生じている設計対象要素が1つでもある場合、ステップS207の処理が実行される。尚、重なり・はみ出しとは、重なりと、はみ出しとのうち少なくとも何れか一方を指す。 Next, in step S206, the optimization calculation unit 120 determines whether there is any element to be designed that overlaps or protrudes. As a result of this determination, if there is no element to be designed that overlaps or protrudes, the process of step S207 is omitted, and the process of step S208, which will be described later, is executed. On the other hand, if there is at least one design target element that overlaps or protrudes, the process of step S207 is executed. Note that overlapping/protruding refers to at least one of overlapping and protruding.

ステップS207において、最適化計算部120は、重なり・はみ出しが生じている設計対象要素における重なり・はみ出しが解消されるように、設計対象要素を再変更する。
図4は、重なりの一例を説明する図である。
図4(a)は、同一種類の設計対象要素同士の重なりの一例を概念的に示す図である。
図4(a)の左図に示すように、写像後の複数の同一種類の設計対象要素の領域410a、410bの一部の領域が相互に重なる場合、ステップS207において、最適化計算部120は、図4(a)の右図に示すように、写像後の複数の設計対象要素の領域410a、410bの外縁で囲まれる1つの領域410cに、写像後の複数の設計対象要素の領域410a、410bを変更する。
In step S207, the optimization calculation unit 120 changes the design target element again so that the overlap/protrusion in the design target element in which the overlap/protrusion occurs is eliminated.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of overlap.
FIG. 4A is a diagram conceptually illustrating an example of overlap between design target elements of the same type.
As shown in the left diagram of FIG. 4A, when regions 410a and 410b of a plurality of design target elements of the same type after mapping overlap with each other, in step S207, the optimization calculation unit 120 , as shown in the right diagram of FIG. 4(a), one area 410c surrounded by the outer edges of the areas 410a and 410b of the multiple design target elements after mapping includes the area 410a of the multiple design target elements after mapping, 410b.

図4(b)は、異なる種類の設計対象要素同士の重なりの一例を概念的に示す図である。
図4(b)の左図に示すように、写像後の異なる種類の複数の設計対象要素の領域420a、420bの領域が相互に重なる場合、ステップS207において、最適化計算部120は、図4(b)の右図に示すように、相互に重なる領域を、優先順位が最も高い設計対象要素の領域420aとし、優先順位が低い設計対象要素の領域420bから当該相互に重なる領域を除いた領域420cを、優先順位が低い設計対象要素の領域420bの領域とする。最適化計算部120は、当該相互に重なる領域の各座標に対して、優先順位が最も高い設計対象要素を識別する識別情報ID3のみを設定し、その他の識別情報ID3を消去する。例えば、フラックスバリアに加えて永久磁石も設計対象要素とする場合には、永久磁石の優先順位をフラックスバリアの優先順位よりも高くすることができる。この場合、図4(b)に示す例では、フラックスバリアの領域が領域420cとなり、永久磁石の領域が420aになる。優先順位は、コアの設計指針や、設計対象要素の属性等により予め設定される。
FIG. 4(b) is a diagram conceptually showing an example of the overlap between different types of design target elements.
As shown in the left diagram of FIG. 4B, when the regions 420a and 420b of the plurality of design target elements of different types after mapping overlap with each other, in step S207, the optimization calculation unit 120 As shown in the right figure in (b), the mutually overlapping region is defined as the region 420a of the design target element with the highest priority, and the region obtained by excluding the mutually overlapping region from the region 420b of the design target element with the lowest priority. 420c is the region 420b of the design target element having a low priority. The optimization calculation unit 120 sets only the identification information ID3 that identifies the design target element with the highest priority for each coordinate of the mutually overlapping area, and deletes the other identification information ID3. For example, when a permanent magnet is also a design target element in addition to a flux barrier, the priority of the permanent magnet can be set higher than the priority of the flux barrier. In this case, in the example shown in FIG. 4(b), the flux barrier area is the area 420c, and the permanent magnet area is the area 420a. The priority order is set in advance based on core design guidelines, attributes of design target elements, and the like.

図4(c)は、写像後の設計対象要素と、設計対象要素以外の所定のコアの要素との重なりの第1の例を概念的に示す図である。設計対象要素以外の所定のコアの要素は、形状を変更しない要素であり、予め設定される。ここでは、鉄心の形状は変更可能であるが、永久磁石の形状は変更しないものとする。
図4(c)に示すように、写像後の設計対象要素430aの一部の領域が、設計対象要素以外の所定のコアの要素(永久磁石の領域320)の一部の領域と、設計対象要素以外の所定のコアの要素を跨がずに重なる場合、ステップS207において、最適化計算部120は、図4(c)の右図に示すように、写像後の設計対象要素の領域430aの領域から、設計対象要素以外の所定のコアの要素と重なる領域を除いた領域430bを、当該設計対象要素の領域とする。また、最適化計算部120は、当該相互に重なる部分の各座標に対して設定された設計対象要素を識別する識別情報ID3を消去する。
FIG. 4C is a diagram conceptually showing a first example of the overlap between the mapped design target element and a predetermined core element other than the design target element. The predetermined core elements other than the design target elements are elements whose shape does not change, and are set in advance. Here, although the shape of the iron core can be changed, the shape of the permanent magnet is not changed.
As shown in FIG. 4(c), a partial area of the design target element 430a after mapping is a partial area of a predetermined core element (permanent magnet area 320) other than the design target element, and a design target element 430a. If the elements of the predetermined core other than the elements are overlapped without straddling them, in step S207, the optimization calculation unit 120 calculates the area 430a of the design target element after mapping, as shown in the right diagram of FIG. A region 430b obtained by removing a region overlapping with a predetermined core element other than the design target element from the region is set as the region of the design target element. Furthermore, the optimization calculation unit 120 deletes the identification information ID3 that identifies the design target element set for each coordinate of the mutually overlapping portion.

図4(d)は、写像後の設計対象要素と、設計対象要素以外の所定のコアの要素との重なりの第2の例を概念的に示す図である。
図4(d)に示すように、写像後の設計対象要素440aの一部の領域が、設計対象要素以外の所定のコアの要素(永久磁石の領域320)の一部の領域と、設計対象要素以外の所定のコアの要素を跨がって重なる場合、ステップS207において、最適化計算部120は、図4(d)の右図に示すように、写像後の設計対象要素の領域440aの領域から、設計対象要素以外の所定のコアの要素と重なる領域を除いた複数の領域440b、440cを、当該設計対象要素の領域とする。また、最適化計算部120は、当該相互に重なる部分の各座標に対して設定された設計対象要素を識別する識別情報ID3を消去する。
設計対象要素の数が増えることを抑制するため、ステップS207において、最適化計算部120は、複数の領域440b、440cのうちの1つのみを選択してもよい。例えば、最適化計算部120は、複数の領域440b、440cのうち最も大きい領域を選択し、その他の領域を消去してもよい。
FIG. 4D is a diagram conceptually showing a second example of the overlap between the mapped design target element and a predetermined core element other than the design target element.
As shown in FIG. 4(d), a partial area of the design target element 440a after mapping is a partial area of a predetermined core element (permanent magnet area 320) other than the design target element, and a design target element 440a. If the element overlaps across a predetermined core element other than the element, in step S207, the optimization calculation unit 120 calculates the area 440a of the design target element after mapping, as shown in the right diagram of FIG. A plurality of regions 440b and 440c obtained by excluding a region overlapping with a predetermined core element other than the design target element are defined as the region of the design target element. Furthermore, the optimization calculation unit 120 deletes the identification information ID3 that identifies the design target element set for each coordinate of the mutually overlapping portion.
In order to suppress an increase in the number of design target elements, the optimization calculation unit 120 may select only one of the plurality of regions 440b and 440c in step S207. For example, the optimization calculation unit 120 may select the largest region among the plurality of regions 440b and 440c and erase the other regions.

図5は、はみ出しの一例を説明する図である。
図5の左図に示すように、写像後の設計対象要素の領域510aの一部の領域が、デザイン領域(鉄心の領域310)からはみ出す場合、ステップS207において、最適化計算部120は、写像後の設計対象要素の領域510aの領域から、デザイン領域からはみ出している領域を除いた領域510bを、当該設計対象要素の領域とする。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of protrusion.
As shown in the left diagram of FIG. 5, if a part of the area 510a of the design target element after mapping protrudes from the design area (iron core area 310), in step S207, the optimization calculation unit 120 performs the mapping. An area 510b obtained by removing the area protruding from the design area from the area 510a of the subsequent design target element is set as the area of the design target element.

写像後の1つの設計対象要素について、図4に示すような重なりと、図5に示すようなはみ出しとが同時に生じる場合、最適化計算部120は、図4を参照しながら説明したようにして当該設計対象要素を変更し、変更後の設計態様要素の領域のうち、デザイン領域からはみ出している領域を、図5を参照しながら説明したようにして除く。 When an overlap as shown in FIG. 4 and a protrusion as shown in FIG. 5 occur at the same time for one design target element after mapping, the optimization calculation unit 120 performs the calculation as described with reference to FIG. The design target element is changed, and the area of the changed design aspect element that protrudes from the design area is removed as described with reference to FIG. 5.

次に、ステップS207において、最適化計算部120は、ステップS205、S207で設計対象領域が変更されたコアを有する電気機器を動作させたときの電気機器の特性を示す値を、数値解析を行うことにより導出する。以下の説明では、電気機器を動作させたときの電気機器の特性を、必要に応じて、電気機器の特性と称する。
電気機器の特性としては、例えば、ロータの平均トルク、コアの鉄損、IPMSMの効率等が挙げられる。このように電気機器の特性は、電気機器を構成する部品の特性を含む概念である。本実施形態では、最適化計算部120は、設計対象領域が変更されたコアを励磁したときにコアに生じる磁束密度ベクトルBを、有限要素法による数値解析を行うことにより計算し、計算した結果に基づいて、ロータの平均トルクを電気機器の特性として導出する。
Next, in step S207, the optimization calculation unit 120 performs numerical analysis on values indicating the characteristics of the electrical equipment when operating the electrical equipment having the core whose design target area has been changed in steps S205 and S207. It is derived by In the following description, the characteristics of the electric device when the electric device is operated will be referred to as the characteristics of the electric device as necessary.
Examples of the characteristics of the electrical equipment include the average torque of the rotor, the iron loss of the core, and the efficiency of the IPMSM. In this way, the characteristics of an electrical device are a concept that includes the characteristics of the parts that constitute the electrical device. In this embodiment, the optimization calculation unit 120 calculates the magnetic flux density vector B generated in the core when the core whose design target area has been changed is excited by performing numerical analysis using the finite element method, and calculates the calculated result. Based on this, the average torque of the rotor is derived as a characteristic of the electrical equipment.

最適化計算部120は、励磁条件を含む電磁場解析条件に従って、マックスウェルの方程式に基づき、有限要素法を用いて、各微小領域(メッシュ)における磁束密度ベクトルBと渦電流ベクトルJeを計算する。尚、各微小領域における磁束密度ベクトルBと渦電流ベクトルJeを計算することができれば、有限要素法以外の方法(差分法等)を用いて電磁場解析を行ってもよい。 The optimization calculation unit 120 calculates the magnetic flux density vector B and eddy current vector J e in each minute region (mesh) using the finite element method based on Maxwell's equations according to electromagnetic field analysis conditions including excitation conditions. . Note that as long as the magnetic flux density vector B and the eddy current vector J e in each minute region can be calculated, the electromagnetic field analysis may be performed using a method other than the finite element method (such as the finite difference method).

磁束密度ベクトルBと渦電流ベクトルJeを計算するための基礎方程式は、一般に、以下の(2)式~(5)式で与えられる。 The basic equations for calculating the magnetic flux density vector B and the eddy current vector Je are generally given by the following equations (2) to (5).

Figure 0007348525000002
Figure 0007348525000002

(2)式~(5)式において、μは、透磁率[H/m]であり、Aは、ベクトルポテンシャル[T・m]であり、σは、導電率[S/m]であり、J0は、励磁電流密度[A/m2]であり、φは、スカラーポテンシャル[V]である。
(2)式および(3)式を連立して解いて、ベクトルポテンシャルAとスカラーポテンシャルφを求めた後、(4)式、(5)式から、磁束密度ベクトルBと渦電流ベクトルJeが計算される。
In equations (2) to (5), μ is magnetic permeability [H/m], A is vector potential [T・m], and σ is electrical conductivity [S/m], J 0 is the excitation current density [A/m 2 ], and φ is the scalar potential [V].
After solving equations (2) and (3) simultaneously to obtain vector potential A and scalar potential φ, from equations (4) and (5), magnetic flux density vector B and eddy current vector J e can be calculated. Calculated.

有限要素法により電磁場の解析を行う手法は、非特許文献2等に詳細に記載されているように、一般的な手法であるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
最適化計算部120は、各微小領域における磁束密度ベクトルBに基づいて、各微小領域におけるトルクを計算し、計算したトルクに基づいて、平均トルクを導出する。ここでは、トルクFは、例えば、以下の(6)式によりマックスウェル応力であるものとして計算することができる。
The method of analyzing an electromagnetic field using the finite element method is a general method, as described in detail in Non-Patent Document 2, and so a detailed explanation thereof will be omitted here.
The optimization calculation unit 120 calculates the torque in each minute area based on the magnetic flux density vector B in each minute area, and derives the average torque based on the calculated torque. Here, the torque F can be calculated as a Maxwell stress using the following equation (6), for example.

Figure 0007348525000003
Figure 0007348525000003

(6)式において、nx、nyは、それぞれ、x軸、y軸方向の単位ベクトルであり、μ0は、真空の透磁率である。∫dΓは、電磁力を求める物体を囲む閉曲線に沿った線積分であることを示す。また、Bは、磁束密度ベクトルの大きさであり、Bx、Byは、それぞれ、磁束密度ベクトルのx軸成分、y軸成分である。 In equation (6), n x and n y are unit vectors in the x-axis and y-axis directions, respectively, and μ 0 is the magnetic permeability of vacuum. ∫dΓ indicates that it is a line integral along a closed curve surrounding the object for which the electromagnetic force is sought. Further, B is the magnitude of the magnetic flux density vector, and B x and B y are the x-axis component and y-axis component of the magnetic flux density vector, respectively.

次に、ステップS209において、最適化計算部120は、ステップS203で導出された複数の写像の候補を全て選択したか否かを判定する。設計対象要素の数が1つである場合には、ステップS209において、最適化計算部120は、ステップS203で導出された複数の写像の候補を全て選択したか否かを判定する。設計対象要素の数が複数である場合には、ステップS209において、最適化計算部120は、ステップS203で導出された複数の写像の候補の中から選択される、設計対象要素の数の写像の候補の組み合わせとしてとり得る組み合わせの全てが選択されたか否かを判定する。 Next, in step S209, the optimization calculation unit 120 determines whether all of the plurality of mapping candidates derived in step S203 have been selected. When the number of elements to be designed is one, in step S209, the optimization calculation unit 120 determines whether all of the plurality of mapping candidates derived in step S203 have been selected. If the number of design target elements is plural, in step S209, the optimization calculation unit 120 calculates a mapping of the number of design target elements selected from among the plurality of mapping candidates derived in step S203. It is determined whether all possible combinations of candidates have been selected.

この判定の結果、ステップS203で導出された複数の写像の候補を全て選択していない場合、ステップS204の処理が再び実行される。そして、ステップS204において、未選択の写像の候補が選択される。そして、ステップS205~S207において、未選択の写像の候補により設計対象領域が変更され、ステップS208において、設計対象領域が変更されたコアを有する電気機器の特性を示す値が計算される。 As a result of this determination, if all of the plurality of mapping candidates derived in step S203 have not been selected, the process in step S204 is executed again. Then, in step S204, unselected mapping candidates are selected. Then, in steps S205 to S207, the design target area is changed by the unselected mapping candidates, and in step S208, values indicating the characteristics of the electrical device having the core whose design target area has been changed are calculated.

以上のようにしてステップS209において、ステップS203で導出された複数の写像の候補が全て選択されたと判定されると、ステップS210の処理が実行される。ステップS210において、最適化計算部120は、ステップS208で計算した電気機器の特性を示す値の中に所定の条件を満たす値があるか否かを判定する。電気機器の特性が、ロータの平均トルクである場合、所定の条件は、ロータの平均トルクの値が、所定値以上であるという条件である。所定値は、例えば、設計対象のIPMSMで要求される値に基づいて定められる。 As described above, when it is determined in step S209 that all of the plurality of mapping candidates derived in step S203 have been selected, the process of step S210 is executed. In step S210, the optimization calculation unit 120 determines whether there is a value satisfying a predetermined condition among the values indicating the characteristics of the electrical device calculated in step S208. When the characteristic of the electrical device is the average torque of the rotor, the predetermined condition is that the value of the average torque of the rotor is greater than or equal to the predetermined value. The predetermined value is determined, for example, based on the value required by the IPMSM to be designed.

この判定の結果、ステップS208で計算した電気機器の特性を示す値の中に所定の条件を満たす値がある場合、ステップS211の処理が実行される。ステップS211において、最適化計算部120は、所定の条件を満たす電気機器の特性を示す値のうち、当該特性が最もよいことを示す値が得られる写像を、設計対象要素の基本形状に対して施す写像として決定する。電気機器の特性がロータの平均トルクである場合、最適化計算部120は、ロータの平均トルクの値が最も大きくなる写像を、設計対象要素の基本形状に対して施す写像として決定する。そして、後述するステップS214の処理が実行される。 As a result of this determination, if there is a value that satisfies a predetermined condition among the values indicating the characteristics of the electrical equipment calculated in step S208, the process of step S211 is executed. In step S211, the optimization calculation unit 120 applies a mapping that yields a value indicating that the characteristic is the best among the values indicating the characteristic of the electrical device satisfying the predetermined conditions to the basic shape of the element to be designed. Determine the mapping to be applied. When the characteristic of the electrical device is the average torque of the rotor, the optimization calculation unit 120 determines the mapping that gives the largest value of the average torque of the rotor as the mapping to be applied to the basic shape of the element to be designed. Then, the process of step S214, which will be described later, is executed.

ステップS210の判定の結果、ステップS208で計算した電気機器の特性を示す値の中に所定の条件を満たす値がない場合、ステップS212の処理が実行される。ステップS212において、最適化計算部120は、ステップS203~S210の処理の繰り返し回数が所定値を上回ったか否かを判定する。所定値には、遺伝的アルゴリズムにおいて一般的に用いられる値が用いられる。この判定の結果、繰り返し回数が所定値を上回っていない場合には、ステップS203の処理が再び実行される。このようにして行われるステップS203の処理は、2回目以降のステップS203の処理となる。前述したように、2回目以降のステップS203においては、最適化計算部120は、遺伝的アルゴリズムに従って、既に導出している写像の候補を更新する。このようにして更新された写像の候補を用いて前述したステップS204~S210の処理が実行される。 As a result of the determination in step S210, if there is no value that satisfies the predetermined condition among the values indicating the characteristics of the electrical equipment calculated in step S208, the process of step S212 is executed. In step S212, the optimization calculation unit 120 determines whether the number of repetitions of the processes in steps S203 to S210 exceeds a predetermined value. The predetermined value is a value commonly used in genetic algorithms. As a result of this determination, if the number of repetitions does not exceed the predetermined value, the process of step S203 is executed again. The process of step S203 performed in this manner becomes the process of step S203 from the second time onwards. As described above, in the second and subsequent steps S203, the optimization calculation unit 120 updates the already derived mapping candidates according to the genetic algorithm. The processes of steps S204 to S210 described above are executed using the mapping candidates updated in this manner.

ステップS212の判定の結果、ステップS203~S210の処理の繰り返し回数が所定値を上回った場合、ステップS213の処理が実行される。ステップS213において、最適化計算部120は、直前のステップS203で導出された写像の候補を用いてステップS204~S209の繰り返し計算で導出された電気機器の特性の値のうち、該特性が最もよいことを示す値が得られる写像を、設計対象要素の基本形状に対して施す写像として決定する。そして、ステップS214の処理が実行される。 As a result of the determination in step S212, if the number of repetitions of the processes in steps S203 to S210 exceeds a predetermined value, the process in step S213 is executed. In step S213, the optimization calculation unit 120 uses the mapping candidates derived in the immediately preceding step S203 to determine whether the characteristic is the best among the values of the characteristics of the electrical equipment derived through the repeated calculations in steps S204 to S209. A mapping that yields a value indicating this is determined as a mapping to be applied to the basic shape of the element to be designed. Then, the process of step S214 is executed.

ステップS214において、出力部130は、ステップS211またはS213で決定された写像に関する情報を出力する。出力部130は、例えば、ステップS211またはS213で決定された写像が施された設計対象要素の領域の位置、形状、および大きさを特定する情報を出力する。出力の形態は、コンピュータディスプレイへの表示、コア設計装置100の内部または外部の記憶媒体への記憶、および外部装置への送信のうちの少なくとも1つを採用することができる。 In step S214, the output unit 130 outputs information regarding the mapping determined in step S211 or S213. The output unit 130 outputs, for example, information specifying the position, shape, and size of the region of the design target element subjected to the mapping determined in step S211 or S213. The form of output can be at least one of display on a computer display, storage on a storage medium internal or external to core design device 100, and transmission to an external device.

例えば、図3(c)に示す写像後の設計対象要素の領域340a、340bが、ステップS211またはS213で決定された写像が設計対象要素の基本形状に対して施されることにより得られるものであるとする。この場合、出力部130は、図3(c)に示す、鉄心の領域310、永久磁石320の領域、および写像後の設計対象要素の領域340a、340bを表す画像を表示してもよい。
以上が図2のフローチャートによる処理である。
For example, regions 340a and 340b of the design target element after mapping shown in FIG. 3(c) are obtained by applying the mapping determined in step S211 or S213 to the basic shape of the design target element. Suppose there is. In this case, the output unit 130 may display an image showing the core region 310, the permanent magnet 320 region, and the regions 340a and 340b of the design target element after mapping, as shown in FIG. 3(c).
The above is the process according to the flowchart of FIG.

次に、計算例を説明する。図6は、設計前のコアと、設計後のコアを示す図である。
本計算例では、図6(a)に示すコアに対してフラックスバリアを追加することを、本実施形態で説明した手法により行った。図6(a)は、電気学会のベンチマークモデルであるD1モータであり、非特許文献3に記載されているものである。
Next, a calculation example will be explained. FIG. 6 is a diagram showing a core before design and a core after design.
In this calculation example, a flux barrier was added to the core shown in FIG. 6(a) using the method described in this embodiment. FIG. 6A shows a D1 motor, which is a benchmark model of the Institute of Electrical Engineers of Japan, and is described in Non-Patent Document 3.

このように本計算例における計算対象要素は、フラックスバリアである。図6において、フラックスバリアの領域は、白の領域である。鉄心の領域を、濃いグレーの領域である。永久磁石は、薄いグレーの領域である。
デザイン領域は、鉄心の領域の外縁で囲まれている領域とした。
図6(a)において、コアのデザイン領域内の領域であって、永久磁石よりも外周側の領域に、設計対象要素であるフラックスバリアの基本形状として8個の円形状の領域を設定した。
As described above, the calculation target element in this calculation example is the flux barrier. In FIG. 6, the flux barrier area is a white area. The iron core area is the dark gray area. Permanent magnets are the light gray area.
The design area was defined as the area surrounded by the outer edge of the iron core area.
In FIG. 6(a), eight circular regions were set as the basic shape of the flux barrier, which is an element to be designed, in the region within the design region of the core and on the outer peripheral side of the permanent magnet.

また、本計算例では、電気機器の特性として、ピーク値が5.5A、進角が20°の励磁電流でコアを励磁したときの平均トルクを用いた。平均トルクが最大となる線型写像を遺伝的アルゴリズムにより探索した。図6は、このようにして探索された線型写像を、基本形状のフラックスバリアに対して施した結果を示す。
図6(a)に示すコアでは、ピーク値が5.5A、進角が20°の励磁電流で励磁したときの平均トルクは0.79Nmであった。これに対し、図6(b)に示すコアでは、当該励磁電流で励磁したときの平均トルクは1.22Nmであった。このように、図6(b)に示すコアの平均トルクは、図6(a)に示すコアの平均トルクよりも、約54%向上した。また、図6(b)に示すように、フラックスバリアは、ある程度固まって分布しており、フラックスバリアが極端に複雑な形状になることを回避できた。
Further, in this calculation example, the average torque when the core is excited with an excitation current having a peak value of 5.5 A and a lead angle of 20° is used as the characteristic of the electric device. A genetic algorithm was used to search for a linear mapping that maximized the average torque. FIG. 6 shows the result of applying the linear mapping searched in this way to a basic-shaped flux barrier.
In the core shown in FIG. 6(a), the average torque when excited with an exciting current having a peak value of 5.5 A and an advance angle of 20° was 0.79 Nm. On the other hand, in the core shown in FIG. 6(b), the average torque when excited with the excitation current was 1.22 Nm. In this way, the average torque of the core shown in FIG. 6(b) was improved by about 54% over the average torque of the core shown in FIG. 6(a). Moreover, as shown in FIG. 6(b), the flux barrier was distributed in a somewhat solidified manner, and it was possible to avoid the flux barrier from having an extremely complicated shape.

以上のように本実施形態では、コア設計装置100は、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bを設定し、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bに対して施す写像の最適解として、コアを有する電気機器を動作させたときの電気機器の特性を示す値が、最適化問題のアルゴリズムにおいて最大または最小とされるときの写像を計算する。基本形状の数や形状は、高度なノウハウがなくても設定することができる。また、写像が変数であるので解空間が広くなることを抑制することができる。従って、コアの設計を容易に且つ精度よく行うことができる。 As described above, in the present embodiment, the core design device 100 sets the areas 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed, and sets the regions 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed as an optimal solution for mapping to be applied to the areas 330a and 330b of the basic shape of the element to be designed. , a mapping is calculated when the value representing the characteristics of the electrical equipment when the electrical equipment having the core is operated is maximized or minimized in the algorithm of the optimization problem. The number and shape of basic shapes can be set without advanced know-how. Furthermore, since the mapping is a variable, it is possible to prevent the solution space from becoming wide. Therefore, the core can be designed easily and accurately.

また、本実施形態では、コア設計装置100は、設計対象要素の基本形状の領域330a、330bの内部に、当該設計対象要素以外の要素が含まれない形状を、当該設計対象要素の基本形状として設定する。従って、設計対象要素の形状が、想定しない形状になることを抑制することができる。また、設計対象要素の形状が複雑になることを抑制することができる。 Further, in the present embodiment, the core design device 100 sets a shape that does not include any element other than the design target element within the regions 330a and 330b of the basic shape of the design target element as the basic shape of the design target element. Set. Therefore, it is possible to prevent the shape of the design target element from becoming an unexpected shape. Moreover, it is possible to suppress the shape of the design target element from becoming complicated.

また、本実施形態では、コア設計装置100は、設計対象要素の基本形状の領域に対して写像を施した結果、設計対象要素の領域420a、430a、440aの一部が、当該設計対象要素と種類が異なる他の所定の要素の領域420b、430b、440bと重なる場合、当該設計対象要素が当該他の所定の要素と重ならないように、当該写像が施された設計対象要素の領域420a、430a、440aを領域420c、430b、440b~440c変更する(図4(b)~(d)を参照)。従って、コアの要素同士が重なる設計になることを抑制することができ、要素の配置が実際に生じ得ない配置になることを抑制することができる。 In addition, in the present embodiment, the core design device 100 performs mapping on the area of the basic shape of the element to be designed, and as a result, some of the areas 420a, 430a, and 440a of the element to be designed are part of the element to be designed. If the regions 420b, 430b, 440b of other predetermined elements of different types overlap, the regions 420a, 430a of the design target element are mapped so that the design target element does not overlap with the other predetermined elements. , 440a are changed to regions 420c, 430b, and 440b to 440c (see FIGS. 4(b) to 4(d)). Therefore, it is possible to prevent the core elements from being designed to overlap with each other, and it is possible to prevent the elements from being arranged in a way that cannot actually occur.

また、本実施形態では、コア設計装置100は、設計対象要素の基本形状の領域に対して写像を施した結果、設計対象要素の領域410aの一部が、当該設計対象要素と同一種類の他の設計対象要素の領域410bと重なる場合、当該重なる複数の設計対象要素の領域410a、410bを1つの設計対象要素410cとする(図4(a)を参照)。従って、設計対象要素の基本形状の数が、最初に設定した設計対象要素の基本形状の領域330a、330bよりも増えることを抑制することができる。また、設計対象要素の形状が複雑になることを抑制することができる。 In addition, in the present embodiment, the core design device 100 performs mapping on the area of the basic shape of the element to be designed, and as a result, a part of the area 410a of the element to be designed is other than the same type as the element to be designed. If the area 410b of the design target element overlaps with the area 410b of the design target element, the overlapping areas 410a and 410b of the design target element are treated as one design target element 410c (see FIG. 4A). Therefore, it is possible to prevent the number of basic shapes of the design target element from increasing beyond the initially set basic shape regions 330a and 330b of the design target element. Moreover, it is possible to suppress the shape of the design target element from becoming complicated.

また、本実施形態では、コア設計装置100は、設計対象要素の基本形状の領域に対して線型写像を施す。従って、変数の数は、基本形状の6倍になる((1)式において行列の成分はa~fの6個になる)。よって、解空間が広くなることをより一層抑制することができる。例えば、永久磁石のx-y平面の形状は、四角形であるので、永久磁石を設計対象要素とする場合、設計対象要素の基本形状を四角形として設計対象要素の基本形状の領域に対して線型写像を施すことにより、四角形の形状を維持したまま形状の最適化を行うことが可能になる。 Furthermore, in this embodiment, the core design device 100 performs linear mapping on the region of the basic shape of the element to be designed. Therefore, the number of variables is six times the basic shape (in equation (1), the matrix has six elements a to f). Therefore, it is possible to further prevent the solution space from becoming wide. For example, the shape of a permanent magnet in the xy plane is a quadrilateral, so when a permanent magnet is used as an element to be designed, the basic shape of the element to be designed is a quadrilateral, and a linear mapping is applied to the area of the basic shape of the element to be designed. By applying this, it becomes possible to optimize the shape while maintaining the rectangular shape.

<変形例>
<<第1の変形例>>
本実施形態では、デザイン領域が、鉄心の領域310の外縁で囲まれる領域である場合を例に挙げて説明した。このようにすると、図6(b)に示すように、フラックスバリアが鉄心の外周部に達する虞がある。ロータにおいてフラックスバリアが鉄心の外周部に達すると、ロータの回転によりロータが受ける遠心力によりロータが壊れる虞がある。そこで、鉄心の領域のうち、鉄心の端部およびその近傍の領域を除く領域を、デザイン領域としてもよい。このようにすれば、複雑な計算を行うことなく、電気機器の仕様を満たさないコアが設計されることを抑制することができる。
<Modified example>
<<First modification example>>
In this embodiment, the case where the design area is an area surrounded by the outer edge of the core area 310 has been described as an example. If this is done, there is a risk that the flux barrier may reach the outer periphery of the core, as shown in FIG. 6(b). If the flux barrier reaches the outer periphery of the iron core in the rotor, there is a risk that the rotor will break due to the centrifugal force exerted on the rotor due to rotation of the rotor. Therefore, a region of the core excluding the end portion of the core and a region in the vicinity thereof may be used as the design region. In this way, it is possible to prevent a core that does not meet the specifications of the electrical device from being designed without performing complicated calculations.

また、このようにしてデザイン領域を設定することに代えてまたは加えて、以下のようにしてもよい。即ち、最適化計算部120は、電磁場解析と応力解析とを連成した順問題を解くことにより、各微小領域における磁束密度ベクトルおよび応力ベクトルを計算することにより、ロータの回転に伴いロータが受ける遠心力によりコアに生じる応力を解析する。そして、最適化計算部120は、磁束密度ベクトルに基づく電気機器の特性と、応力ベクトルに基づく電気機器の特性との双方に基づいて、写像の最適解を探索する。 Further, instead of or in addition to setting the design area in this way, the following may be used. That is, the optimization calculation unit 120 calculates the magnetic flux density vector and stress vector in each minute region by solving a forward problem that couples electromagnetic field analysis and stress analysis, and thereby calculates the amount of stress that the rotor receives as it rotates. Analyze the stress generated in the core due to centrifugal force. Then, the optimization calculation unit 120 searches for an optimal solution of the mapping based on both the characteristics of the electrical device based on the magnetic flux density vector and the characteristics of the electrical device based on the stress vector.

例えば、最適化計算部120は、応力条件に応じて、コアの各微小領域(メッシュ)に印加される応力ベクトルを、有限要素法を用いて計算する。有限要素法により応力の解析を行う手法は、非特許文献4等に記載されているように、一般的な手法である。尚、各微小領域(メッシュ)における応力ベクトルを数値解析により計算することができれば、有限要素法以外の方法(差分法等)を用いてもよい。 For example, the optimization calculation unit 120 uses the finite element method to calculate a stress vector to be applied to each microregion (mesh) of the core according to the stress conditions. The method of analyzing stress using the finite element method is a common method, as described in Non-Patent Document 4 and the like. Note that as long as the stress vector in each minute region (mesh) can be calculated by numerical analysis, methods other than the finite element method (such as the finite difference method) may be used.

本実施形態で説明した電磁場解析(各微小領域における磁束密度ベクトルBと渦電流ベクトルJeの計算)に用いる微小領域と、応力解析で用いた微小領域とが異なる場合、最適化計算部120は、例えば、応力解析で用いた各微小領域の応力ベクトルに対して補間処理を行うことにより、電磁場解析で用いる微小領域における応力ベクトルを計算する。 If the micro region used in the electromagnetic field analysis (calculation of the magnetic flux density vector B and eddy current vector J e in each micro region) described in this embodiment is different from the micro region used in the stress analysis, the optimization calculation unit 120 For example, by performing interpolation processing on the stress vector of each minute area used in the stress analysis, the stress vector in the minute area used in the electromagnetic field analysis is calculated.

電磁場解析(各微小領域における磁束密度ベクトルBと渦電流ベクトルJeの計算)においては、BH曲線として、応力に応じたBH曲線が用いられる。電磁場解析で用いる微小領域における応力ベクトルに対応するBH曲線を用いて電磁場解析が行われる。尚、電磁場解析と応力解析とを連成した順問題は、例えば、特許文献1に記載されている公知の手法で実現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。 In electromagnetic field analysis (calculation of magnetic flux density vector B and eddy current vector J e in each minute region), a BH curve according to stress is used as the BH curve. Electromagnetic field analysis is performed using a BH curve corresponding to a stress vector in a minute region used in electromagnetic field analysis. Note that the forward problem in which electromagnetic field analysis and stress analysis are coupled can be realized by a known method described in Patent Document 1, for example, so detailed explanation thereof will be omitted here.

例えば、最適化計算部120は、電磁場解析の結果に基づいて定まる電気機器の特性の値をV1とし、電磁場解析の結果に基づいて定まる電気機器の特性に対する重み係数をW1(>0)とし、応力解析の結果に基づいて定まる電気機器の特性の値V2とし、応力解析の結果に基づいて定まる電気機器の特性に対する重み係数をW2(>0)として、W1×V1+W2×V2の値が最大または最小になるような写像を探索する。尚、電磁場解析の結果から定まる電気機器の特性の値が大きいほど特性がよいことを示し、応力解析の結果から定まる電気機器の特性に対する重み係数の値が小さいほど特性がよいことを示す場合、最適化計算部120は、例えば、-W1×V1+W2×V2が最小になるような写像を探索すればよい。
また、コアの設計の際に考慮する電気機器の特性等によっては、電磁場解析を行わずに、応力解析のみを行ってもよい。
For example, the optimization calculation unit 120 sets the value of the characteristic of the electric device determined based on the result of the electromagnetic field analysis to V1, and sets the weighting coefficient for the characteristic of the electric device determined based on the result of the electromagnetic field analysis to W1 (>0), Let V2 be the value of the characteristics of the electrical equipment determined based on the results of stress analysis, and let W2 (>0) be the weighting factor for the characteristics of the electrical equipment determined based on the results of stress analysis, and the value of W1×V1+W2×V2 is the maximum or Search for a minimal mapping. In addition, when indicating that the larger the value of the characteristic of the electrical device determined from the result of electromagnetic field analysis is, the better the characteristic is, and the smaller the value of the weighting coefficient for the characteristic of the electrical device determined from the result of stress analysis is, the better the characteristic is, For example, the optimization calculation unit 120 may search for a mapping that minimizes -W1×V1+W2×V2.
Furthermore, depending on the characteristics of the electrical equipment that are taken into consideration when designing the core, only stress analysis may be performed without performing electromagnetic field analysis.

<<第2の変形例>>
本実施形態では、線型写像を行う場合を例に挙げて説明した。しかしながら、写像は非線型写像であってもよい。設計対象要素の基本形状に対して非線型写像を施すことにより、形状の表現力を高めることができる。この場合、写像は、位相同型の写像とするのが好ましい。設計対象要素の基本形状の数が、最初に設定した設計対象要素の基本形状の領域よりも増えることを抑制することができるからである。
<<Second variant>>
This embodiment has been described using an example in which linear mapping is performed. However, the mapping may also be a nonlinear mapping. By applying nonlinear mapping to the basic shape of the element to be designed, the expressiveness of the shape can be enhanced. In this case, the mapping is preferably a topological mapping. This is because it is possible to prevent the number of basic shapes of the design target element from increasing beyond the initially set area of the basic shapes of the design target element.

<<第3の変形例>>
本実施形態では、最適化問題のアルゴリズムとして、遺伝的アルゴリズムを用いる場合を例に挙げて説明した。しかしながら、最適化問題のアルゴリズムは、遺伝的アルゴリズムに限定されない。遺伝的アルゴリズム以外のメタヒューリスティクス手法を用いてもよい。メタヒューリスティクス手法を用いれば、最適解が局所解として計算されることを抑制することができると共に、斬新な形状が得られ易くなるので好ましい。しかしながら、勾配法等のメタヒューリスティクス手法以外の最適化問題のアルゴリズムを用いてもよい。
<<Third modification example>>
In this embodiment, the case where a genetic algorithm is used as an algorithm for an optimization problem has been described as an example. However, algorithms for optimization problems are not limited to genetic algorithms. Metaheuristic methods other than genetic algorithms may also be used. It is preferable to use a metaheuristics method because it can prevent the optimal solution from being calculated as a local solution and also makes it easier to obtain a novel shape. However, algorithms for optimization problems other than metaheuristic methods such as the gradient method may be used.

<<第4の変形例>>
本実施形態では、IPMSMのロータを設計する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、設計対象のコアは、IPMSMのロータのコアに限定されない。例えば、かご型誘導モータのロータのコアを設計対象としてもよい。この場合、コアを構成する鉄心に埋め込まれる導体バーを設計対象要素とすることができる。また、ステータのコアを設計対象としてもよい。この場合、例えば、ステータのコアを構成する鉄心のティースの先端部分の凹部の空間を設計対象要素とすることができる。この他、モータ以外の回転電機である発電機のロータ・ステータのコアを設計対象要素としてもよいし、また、変圧器のコアを設計対象としてもよい。
<<Fourth variation>>
This embodiment has been described using an example in which a rotor for an IPMSM is designed. However, the core to be designed is not limited to the core of the IPMSM rotor. For example, the core of the rotor of a squirrel-cage induction motor may be the object of design. In this case, a conductor bar embedded in an iron core constituting the core can be a design target element. Alternatively, the core of the stator may be the object of design. In this case, for example, the space in the recess at the tip of the teeth of the iron core that constitutes the core of the stator can be a design target element. In addition, the core of the rotor/stator of a generator, which is a rotating electric machine other than a motor, may be the element to be designed, or the core of a transformer may be the element to be designed.

<<その他の変形例>>
尚、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。
<<Other variations>>
Note that the embodiments of the present invention described above can be realized by a computer executing a program. Furthermore, 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, hard disk, optical disk, magneto-optical disk, CD-ROM, magnetic tape, nonvolatile memory card, ROM, etc. can be used.
Furthermore, the embodiments of the present invention described above are merely examples of implementation of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as limited by these. It is something. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from its technical idea or its main features.

100:コア設計装置、110:設定部、120:最適化計算部、130:出力部、310:鉄心の領域、320:永久磁石の領域、330a~330b:設計対象要素の基本形状の領域、340a~340b:写像後の設計対象要素の領域 100: Core design device, 110: Setting section, 120: Optimization calculation section, 130: Output section, 310: Iron core region, 320: Permanent magnet region, 330a to 330b: Basic shape region of design target element, 340a ~340b: Area of design target element after mapping

Claims (14)

最適化問題のアルゴリズムを用いて、コアの形状の設計に関する計算を行うコア設計装置であって、
前記コアの設計対象領域であるデザイン領域に対し、前記コアの要素のうち、設計対象の要素である設計対象要素として少なくとも1つの設計対象要素の基本形状を設定する設定手段と、
前記設定手段により設定された前記設計対象要素の基本形状を変形および移動させるために前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解を、前記最適化問題のアルゴリズムを用いて計算する最適化計算手段と、を有し、
前記最適化計算手段は、前記写像が施された前記設計対象要素を含む前記コアを有する電気機器を動作させたときの前記電気機器の特性を示す値が、前記最適化問題のアルゴリズムにおいて最大または最小とされるときの前記写像を、前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解として計算することを特徴とするコア設計装置。
A core design device that performs calculations related to the design of a core shape using an optimization problem algorithm,
Setting means for setting a basic shape of at least one design target element as a design target element among the elements of the core in a design region that is a design target region of the core;
Optimization for calculating, using the algorithm for the optimization problem, an optimal solution for mapping applied to the basic shape of the design target element in order to deform and move the basic shape of the design target element set by the setting means. calculation means;
The optimization calculation means is configured such that a value indicating a characteristic of the electrical equipment when operating the electrical equipment having the core including the element to be designed which has been subjected to the mapping is a maximum value in the algorithm of the optimization problem, or A core design device characterized in that the mapping when the mapping is minimized is calculated as an optimal solution of mapping applied to the basic shape of the element to be designed.
前記設定手段は、前記設計対象要素の内部に、当該設計対象要素以外の前記要素が含まれない形状を、当該設計対象要素の基本形状として設定することを特徴とする請求項1に記載のコア設計装置。 The core according to claim 1, wherein the setting means sets a shape that does not include any elements other than the design target element inside the design target element as the basic shape of the design target element. Design equipment. 前記最適化計算手段は、前記設計対象要素の基本形状に対して前記写像を施した結果、前記設計対象要素の一部が、当該設計対象要素と種類が異なる他の所定の要素と重なる場合、当該設計対象要素が当該他の所定の要素と重ならないように、当該写像が施された前記設計対象要素を変更し、当該変更した前記設計対象要素を含む前記コアを有する前記電気機器を動作させたときの前記電気機器の特性を示す値を計算することを特徴とする請求項1または2に記載のコア設計装置。 When the optimization calculation means performs the mapping on the basic shape of the design target element, a part of the design target element overlaps with another predetermined element of a different type from the design target element, Changing the designed element to which the mapping has been performed so that the designed element does not overlap with the other predetermined element, and operating the electrical device having the core including the changed designed element. The core design device according to claim 1 or 2, wherein the core design device calculates a value indicating a characteristic of the electric device when the electric device is operated. 前記最適化計算手段は、前記設計対象要素の基本形状に対して前記写像を施した結果、前記設計対象要素の一部が、当該設計対象要素と同一種類の他の前記設計対象要素と重なる場合、当該重なる複数の前記設計対象要素を1つの前記設計対象要素とし、当該1つの前記設計対象要素を含む前記コアを有する前記電気機器を動作させたときの前記電気機器の特性を示す値を計算することを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載のコア設計装置。 When the optimization calculation means performs the mapping on the basic shape of the design target element, a part of the design target element overlaps with another design target element of the same type as the design target element. , consider the plurality of overlapping design target elements as one design target element, and calculate a value indicating the characteristics of the electrical equipment when the electrical equipment having the core including the one design target element is operated. The core design device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that: 前記設定手段は、同一の種類の前記設計対象要素の基本形状として、複数の基本形状を設定することを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載のコア設計装置。 5. The core design apparatus according to claim 1, wherein the setting means sets a plurality of basic shapes as the basic shapes of the design target element of the same type. 前記設定手段は、複数種類の前記設計対象要素の基本形状を設定することを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載のコア設計装置。 6. The core design apparatus according to claim 1, wherein the setting means sets a plurality of types of basic shapes of the element to be designed. 前記写像は、線型写像であることを特徴とする請求項1~6の何れか1項に記載のコア設計装置。 The core design device according to claim 1, wherein the mapping is a linear mapping. 前記写像は、位相同型の写像であることを特徴とする請求項1~6の何れか1項に記載のコア設計装置。 The core design device according to claim 1, wherein the mapping is a topological mapping. 前記最適化計算手段は、前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解を、メタヒューリスティクス手法を用いて計算することを特徴とする請求項1~8の何れか1項に記載のコア設計装置。 9. The optimization calculation means calculates an optimal solution for mapping applied to the basic shape of the design target element using a metaheuristic method. core design equipment. 前記最適化計算手段は、前記写像が施された前記設計対象要素を含む前記コアを励磁したときに前記コアに生じる磁束密度ベクトルを、数値解析を行うことにより計算し、計算した結果に基づいて、前記電気機器の特性を示す値を計算することを特徴とする請求項1~9の何れか1項に記載のコア設計装置。 The optimization calculation means calculates, by performing numerical analysis, a magnetic flux density vector generated in the core when the core including the design target element subjected to the mapping is excited, and based on the calculated result. The core design device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the core design device calculates a value indicating a characteristic of the electrical device. 前記最適化計算手段は、前記写像が施された前記設計対象要素を含む前記コアに外力が働くときに前記コアに生じる応力ベクトルを、数値解析を行うことにより計算し、計算した結果に基づいて、前記電気機器の特性を示す値を計算することを特徴とする請求項1~10の何れか1項に記載のコア設計装置。 The optimization calculation means calculates, by performing numerical analysis, a stress vector generated in the core when an external force acts on the core including the design target element subjected to the mapping, and based on the calculated result. , the core design device according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the core design device calculates a value indicating a characteristic of the electrical device. 前記設計対象要素は、回転電機のロータにおけるフラックスバリアおよび永久磁石の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1~11の何れか1項に記載のコア設計装置。 12. The core design device according to claim 1, wherein the design target element includes at least one of a flux barrier and a permanent magnet in a rotor of a rotating electric machine. 最適化問題のアルゴリズムを用いて、コアの形状の設計に関する計算を行うコア設計方法であって、
前記コアの設計対象領域であるデザイン領域に対し、前記コアの要素のうち、設計対象の要素である設計対象要素として少なくとも1つの設計対象要素の基本形状を設定する設定工程と、
前記設定工程により設定された前記設計対象要素の基本形状を変形および移動させるために前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解を、前記最適化問題のアルゴリズムを用いて計算する最適化計算工程と、を有し、
前記最適化計算工程は、前記写像が施された前記設計対象要素を含む前記コアを有する電気機器を動作させたときの前記電気機器の特性を示す値が、前記最適化問題のアルゴリズムにおいて最大または最小とされるときの前記写像を、前記設計対象要素の基本形状に対して施す写像の最適解として計算することを特徴とするコア設計方法。
A core design method that uses an optimization problem algorithm to perform calculations related to the design of a core shape, the method comprising:
a setting step of setting a basic shape of at least one design target element as a design target element among the elements of the core for a design region that is a design target region of the core;
Optimization that calculates an optimal solution of mapping to be applied to the basic shape of the design target element in order to deform and move the basic shape of the design target element set in the setting step using the optimization problem algorithm. a calculation step;
The optimization calculation step is performed such that a value indicating a characteristic of the electrical equipment when operating the electrical equipment having the core including the design target element to which the mapping has been performed is the maximum or maximum in the algorithm of the optimization problem. A core design method characterized in that the mapping when minimized is calculated as an optimal solution of mapping applied to the basic shape of the element to be designed.
請求項1~12の何れか1項に記載のコア設計装置の各手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。 A program that causes a computer to function as each means of the core design device according to any one of claims 1 to 12.
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