2018 Fiscal Year Research-status Report
電気機器高精度損失評価への応用へ向けた領域分割・時間分割併用型並列電磁界解析法
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17K06323
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
高橋 康人 同志社大学, 理工学部, 准教授 (90434290)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 並列計算 / 電気機器 / 有限要素法 / 磁気特性 / 鉄損 / 高効率化 / ヒステリシス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，昨年度開発したプログラム（領域分割型並列有限要素法と並列化TP-EEC法の併用法）に対してスライドメッシュによる回転子の移動，鉄心の積層構造をモデル化するための均質化法，磁石・鉄心間の絶縁を考慮するための二重節点を導入し，開発手法を実規模レベルの回転機解析にまで拡張した．さらに，開発手法をインバータ駆動集中巻埋込磁石同期モータの鉄損解析に適用し，高並列計算環境における性能を評価した．その結果，領域分割型並列計算法の単独利用では十分な並列化効果を得られないような高並列計算環境下においても，時間分割型並列計算法を組み合わせることで並列性能が大幅に改善され，さらなる計算速度向上を達成した．本研究成果については，電磁界数値解析分野で最大の国際会議にて発表するとともに，投稿した論文についてIEEE Transactions on Magneticsへの掲載が決定している．
また，領域分割型並列有限要素法と並列時間積分法の1つであるPararealを組合せ，電気機器の過渡現象解析に特化した空間分割・時間分割併用型並列計算法を開発した．本手法をかご形誘導電動機の始動特性解析に適用し，高並列計算環境下における開発手法の性能評価を行った．その結果，領域分割型並列有限要素法やPararealの単独利用では速度改善効果が得られないような場合においても，開発手法によりさらなる高速化を達成した．一方で，規模の大きい三次元解析時には，Pararealとの併用法よりも領域分割型有限要素法の単独利用の方が高速であるなどの課題も明らかにした．
さらに，開発手法を実機解析に適用するために必要な軟磁性材料の磁気特性データベースの構築を進めるとともに，異常渦電流損も含めた動的ヒステリシスモデリングの高度化も実施した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，領域分割型並列有限要素法と並列化TP-EEC法を組み合わせた空間分割・時間分割併用型並列有限要素法を回転機解析にまで拡張し，実規模回転機の定常状態解析を対象として高並列計算環境下での並列性能を詳細に検討した．得られた成果について国際会議での発表や論文投稿を行い，論文誌への掲載が決定するなど，2年目以降の重点課題であった研究成果の発信についても積極的に取り組んだ．
さらに，過渡現象解析を対象とした空間分割・時間分割併用型並列有限要素法も新たに開発し，かご形誘導電動機の始動特性解析を対象として，従来法（空間分割型並列有限要素法または時間分割型並列有限要素法の単独利用）との得失比較を行った．その結果，開発手法の有効性を定量的に示すとともに，従来法の単独利用の方が良好な性能が得られる条件も明らかにした．本研究の成果については国内外の会議にて口頭発表を行うとともに，学術誌への論文投稿を行っている．また，過渡現象解析を対象とした開発法の課題を整理するとともに，性能改善に向けた対応策についても方向性を示すに至っており，本手法のさらなる深度化については最終年度に取り組む予定である．
加えて，電気機器の磁界解析に必要不可欠な磁性材料の磁気特性データベースの充実化を図るとともに，PWM励磁下での鉄損算定精度向上を企図した鉄損モデリング法の構築も行った．
したがって，当初の計画通り本年度は定常状態解析および過渡現象解析ともに空間分割・時間分割併用型並列有限要素法の回転機解析への適用を達成しており，また研究成果の対外発表も積極的に取り組むことができているとともに，次年度に向けた課題と対応方針も明確化していることなどから，本研究課題は順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度には，過渡現象解析を対象とした空間分割・時間分割併用型並列計算法の改良を重点的に実施する．本年度に採用したPararealは工学・計算科学など広い分野で活用されていて信頼性が高く，また実装が容易である特長を有するが，使用プロセス数と比較して良好な並列化効率を達成することは容易ではない．そこで，時間分割型並列有限要素法として時間領域並列化有限要素法（TDPFEM）を採用し，実規模電気機器の損失評価への使用に耐え得る実用的な空間分割・時間分割併用型並列計算法の開発を目指す．TDPFEMは時間周期有限要素法の定式化を微修正し，過渡現象解析にまで拡張した時間分割型並列計算法であり，これまでの検討により回転機の二次元過渡特性解析においてはPararealよりも良好な並列性能が達成可能であることを確認している．したがって，領域分割型FEMと組合せることで，規模の大きい三次元解析においても良好な並列性能を達成しうる空間分割・時間分割併用型並列計算法が構築できる可能性がある．そこで，領域分割型並列有限要素法とTDPFEMの併用法を実装するとともに，開発手法をかご形誘導電動機の三次元解析に適用し，高並列計算環境下における並列性能の評価を実施する．
加えて，軟磁性材料の磁気特性データベースの拡充を引き続き実施するとともに，ヒステリシス特性モデル化法のさらなる高度化も目指す．
さらに，2年目以降の重点課題であった研究成果の発信については，国内外学会での発表・論文への投稿を積極的に進めていくとともに，各分野の一線の研究者・技術者の意見を取り入れることで開発手法のさらなる実用性向上を図る．
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