ヒステリシス及び渦電流を考慮した時間周期有限要素法による磁性体内の損失解析

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09650319
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 高橋 則雄 岡山大学, 工学部, 教授 (40108121)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村松 和広 岡山大学, 大学院自然科学研究科, 助手 (30263627) ; 藤原 耕二 岡山大学, 工学部, 助教授 (20190093)
• Keywords: 磁界解析 / 損失 / ヒステリシス / 渦電流 / 時間周期有限要素法 / プライザッハモデル

Research Abstract

磁界解析により電気機器の鉄損を精度良く算定するための,磁性体のヒステリシス特性と渦電流を考慮した三次元非線形解析法を確立することを目的とし,三次元時間周期有限要素法,ヒステリシス曲線のモデリング手法の開発および変圧器漂遊損モデルを用いた解析方法の検証を行った.本年度の成果を要約すれば以下のようになる.
1.三次元時間周期有限要素法の開発
電気機器中の定常状態での磁束や渦電流分布を求める場合,過渡解析法を用いて定常状態になるまでの解析を行おうとすると,時間に関する反復計算が多くなり計算時間の点で問題である.そこで,磁気特性に非線形性を有する場合でも定常現象を直接求めることができる時間周期有限要素法を,辺要素を用いた三次元有限要素法に導入し,磁気特性の非線形性および渦電流を考慮した機器中の三次元定常磁界の解析を実用的な計算時間で行えるソフトウェアーの開発を行った.
2.ヒステリシス曲線のモデリング手法の開発
磁性体のヒステリシス特性をマイナ-ループまで含めて計算機に記憶しようとすると,膨大なデータが必要となり実用的ではない.そこで,ヒステリシス曲線のモデル化手法として,実測により得られた代表的な磁化特性(下降磁化曲線)を用いて,所望の磁化曲線を得ることができるプライザッハモデルを用いた磁化曲線シミュレーション法を開発した.従来のプライザッハモデルでは,与えられた磁界の強さより磁束密度を算出するため,磁束密度が直接求まる磁界解析法を用いる場合,膨大な計算時間を要する.そこで,磁束密度を与えて,直接磁界の強さが算出可能なように,逆分布関数を用いた改良プライザッハモデルを新たに考案した.これにより,磁気特性のヒステリシス特性を考慮した磁界解析を実用的な計算時間で行えるようになった.
3.変圧器漂遊損モデルを用いた解析方法の検証
1.で述べた解析方法を用いて変圧器漂遊損モデルの解析を行い,実測値と比較した.その結果,変圧器のタンクに発生する渦電流損を計算する際には,空気中の磁束密度が低くても鉄板に磁束が集中するため,非線形解析を行う必要があることを示した.さらに,ヒステリシス損も無視できないことを明らかにし,両損失を考慮すれば実測値と比較的良く合うことを示した.

Research Products

• [Publications] 高橋則雄, 藤原耕二: "変圧器漂遊損の三次元解析法の開発および検証モデルへの適用" 平9電気学会電力・エネルギー部門大会. No.53 (1997)
• [Publications] 藤原耕二, 高橋則雄: "プライザッハヒステリシスモデルを有限要素解析に導入する際の問題点の検討" 電気学会静止器・回転機合同研究会資料. No.5.SA-97-20, RM-97-79 (1997)
• [Publications] 藤原耕二, 高橋則雄: "プライザッハヒステリシスモデルを用いた有限要素解析手法の検討" 日本シミュレーション学会第18回計算電気・電子工学シンポジウム. No.1-I-4 (1997)
• [Publications] 高橋則雄: "Calculation of Iron Loss of Engineering Oriented Loss Model(Porblem21)" Proceedings of the TEAM Workshop,Rio de Janeiro. 42-44 (1997)