2014 Fiscal Year Research-status Report
高効率電気機器開発のためのヒステリシス磁界解析技術の実用化に関する研究
| Project/Area Number |
26820102
|
|---|
| Research Institution | Doshisha University |
|---|
Principal Investigator |
高橋 康人 同志社大学, 理工学部, 助教 (90434290)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | ヒステリシス / 磁気特性 / 電磁鋼板 / 鉄損 / 磁界解析 / 並列計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は，①スカラヒステリシスモデル検証用ベンチマークモデルの構築，②磁界解析の後処理でのみヒステリシス特性を考慮する簡便な鉄損算定法の開発，③高磁束密度領域まで測定可能な二次元磁気特性試験器に関する基礎検討，を行なった．
スカラヒステリシスモデル検証用ベンチマークモデルとして，無方向性電磁鋼板50A470の環状試料の磁気特性を測定し，20 Hzから1 kHzの広範な周波数範囲における正弦波磁束条件下の測定データを電気学会内の調査専門委員会内で公開した．現在，他機関も含めて，各種ヒステリシスモデル化手法の比較検討が進められている．
また，課題②として，初磁化曲線に基づく従来の磁界解析により得られた磁束密度の時系列波形にヒステリシスモデルを適用してヒステリシス損を直接算出する，簡便な後処理鉄損算定法を開発した．本開発手法では，積層鉄心内の渦電流およびヒステリシス特性を無視した磁界解析（本解析）の後処理として，ヒステリシス特性および渦電流を考慮した電磁鋼板の厚み方向の一次元有限要素解析（後処理解析）を行なう．後処理解析は本解析と比べて計算コストが小さく，また並列計算も容易である．したがって，従来法と比較して同程度の計算コストで，より高精度な鉄損評価が期待できる．スカラヒステリシスモデル検証用ベンチマークモデルに本開発手法を適用した結果，実測値およびヒステリシスおよび渦電流を直接的に考慮した三次元解析とほぼ一致した鉄損値が推定できており，開発手法の有用性を明らかにした．
さらに，次年度以降の先行検討として，回転機固定子を活用した円形試料単板磁気特性試験器を構築し，無方向性電磁鋼板の二次元磁気特性測定に関する基礎検討を行なった．従来型構造である直交複ヨークを有する二次元単板磁気特性試験器および一次元単板磁気特性試験器の測定結果と比較し，十分な測定精度が確保できていることを確認した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の検討課題である①スカラヒステリシスモデル検証用ベンチマークモデルの構築，②磁界解析の後処理でのみヒステリシス特性を考慮する簡便な鉄損算定法の開発，③高磁束密度領域まで測定可能な新しい二次元磁気特性試験器の開発，に対し，①ベンチマークモデルとして広範な周波数範囲で無方向性電磁鋼板の磁気特性を公開，②スカラヒステリシスモデル検証用ベンチマークモデルを対象として開発法の有効性を確認し，当該分野の代表的学術論文誌に投稿・掲載，③回転機固定子を活用した円形試料用単板磁気特性試験器を構築し，交番磁束・円回転磁束条件下ともに従来構造の試験器と同程度の精度でさらに高い磁束密度領域まで測定可能であることを確認，といった結果が得られている．したがって，すべての課題で初年度の目的を達成しており，おおむね順調に研究を遂行できたと考えられる．
研究設備に関しては，初年度内に二次元単板磁気特性試験器のための回転機固定子や磁界解析のためのメッシュ作成ソフトウェア，解析結果表示用高機能ポスト処理ソフトウェアの整備を行っており，ソフトウェア・ハードウェアの両面において次年度以降の準備はほぼ完了しており，3年という研究期間全体から考えても非常に順調である．
一方，国内外の学会参加・論文投稿による研究成果の発信という意味では初年度は不十分な点もあるが，当初の計画段階から旅費への配分比率は研究期間後半で高く，次年度以降重点的に取り組む予定である．
|
| Strategy for Future Research Activity |
2015年度は，ベクトルヒステリシスモデル検証用ベンチマークモデルの構築，および時間領域における並列有限要素法による高速ヒステリシス磁界解析法に関する基礎検討を行う．
2014年度に開発した回転機固定子を活用した円形試料用単板磁気特性試験器を用いて，まずは無方向性電磁鋼板で交番・真円回転磁束条件下での磁気特性測定を行い，得られた測定結果をデータベース化することで，ベクトルヒステリシスモデル同定ための基礎データの公開を目指す．一方で，各種ベクトル磁気ヒステリシスモデルの詳細な比較検討のためには，明確に定義された実機モデルによる解析結果と測定結果の比較が望ましい．円形試料用単板磁気特性試験器をベンチマークモデルとして活用することも可能であるが，構造が複雑で計算コストが膨大となることが予想されるため，より簡便なモデルが望ましい．そこで，ベクトルヒステリシスモデルの比較に適したベンチマークモデルを検討する．
ヒステリシス特性を考慮した時間領域における並列有限要素法においては，時刻ステップごとに未知変数のプロセス割当を行うため，ヒステリシスループの再現のためには各プロセスに分散している履歴情報を適切に共有する必要がある．時間領域の並列有限要素法として，これまでに並列化時間周期有限要素法と並列化TP-EEC法を開発している．時間周期有限要素法ではヒステリシスループの全ての分岐点をすべて把握する必要があり，また係数行列の非零要素は全体的に分布することになるため収束性の悪化が懸念される．一方，並列化TP-EEC法は，通常の過渡解析に時間周期性を満たすための補正を追加するアルゴリズムのため，時間周期有限要素法と比べて各プロセスに分散している履歴情報の共有が比較的容易であると考えられる．そこで，並列化TP-EEC法に着目し，磁気ヒステリシスを考慮した時間領域並列有限要素解析技術の開発を目指す．
|
