JP2011047785A - Device and method for analysis of magnetic field - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁場解析装置および磁場解析方法に関する。 The present invention relates to a magnetic field analysis apparatus and a magnetic field analysis method.
近年、モータ等の磁気エネルギーを駆動源とする電気機器は、高精度化、高効率化が要求されると同時に、開発スピードのアップが求められている。 2. Description of the Related Art In recent years, electrical devices such as motors that use magnetic energy as a drive source have been required to have high precision and high efficiency, and at the same time, have been required to increase development speed.
このような要求を満たすためには電気機器の磁場解析による検証は不可欠となっている。 In order to satisfy such requirements, verification by magnetic field analysis of electrical equipment is indispensable.
磁場解析の手法としては従来、有限要素法が広く用いられてきた。 Conventionally, the finite element method has been widely used as a magnetic field analysis technique.
例えば特許文献1では、空気中に磁気コアが存在する場合の磁場解析例として、有限要素法を用いた解析方法が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes an analysis method using a finite element method as an example of magnetic field analysis when a magnetic core is present in air.
また、磁場解析においては磁性体の磁化を求めるために磁化曲線を用いる必要があるが、従来は特許文献2に記載のように、ヒステリシスを無視した曲線(初期磁化曲線)を用いていた。 In the magnetic field analysis, it is necessary to use a magnetization curve in order to obtain the magnetization of the magnetic material. Conventionally, as described in Patent Document 2, a curve ignoring hysteresis (initial magnetization curve) has been used.
しかしながら、特許文献1のように、有限要素法によって磁場解析を行う場合は、対象とする電気機器を含んだ空間全域をメッシュ分割する必要がある。 However, when magnetic field analysis is performed by the finite element method as in Patent Document 1, it is necessary to mesh-divide the entire space including the target electric device.
そのため、大規模、複雑形状の電気機器の解析や、積層鉄心等の高アスペクト比問題を取り扱う場合、解析に膨大な時間と解析機器のメモリを要し、十分な精度で効率よく磁場解析を行うのが困難であるという問題があった。 Therefore, when analyzing large-scale, complex-shaped electrical equipment or dealing with high aspect ratio problems such as laminated iron cores, the analysis requires a tremendous amount of time and memory of the analytical equipment, and performs magnetic field analysis efficiently with sufficient accuracy. There was a problem that it was difficult.
また、特許文献2のように、初期磁化曲線を用いて磁性体の磁化を求めた場合は、磁性体の本来有する磁気ヒステリシスを考慮しないため、実機における磁性体の挙動を正確に把握できないという問題があった。 In addition, as in Patent Document 2, when the magnetization of a magnetic material is obtained using an initial magnetization curve, the magnetic hysteresis inherent in the magnetic material is not taken into account, so that the behavior of the magnetic material in an actual machine cannot be accurately grasped. was there.
さらに、特許文献2では、磁化特性の温度依存性を考慮していないため、時間とともに温度が変化する場合の磁性体の挙動を正確に把握できないという問題があった。 Furthermore, since Patent Document 2 does not consider the temperature dependence of the magnetization characteristics, there is a problem that the behavior of the magnetic material when the temperature changes with time cannot be accurately grasped.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる磁場解析装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a magnetic field analysis apparatus capable of performing magnetic field analysis with sufficient accuracy and efficiency for a system having a magnetic material. .
前述した目的を達成するために、本発明者は鋭意検討の結果、情報処理装置を使って磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の解を演算し、磁場の運動方程式の解に基づいて磁性体が配置された空間の任意の場所の磁場を演算することにより、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができることを見出し、本発明をするに至った。 In order to achieve the above-mentioned object, the present inventor, as a result of intensive studies, uses an information processing device to calculate the solution of the motion equation of the magnetic field of the particles constituting the magnetic material, and based on the solution of the motion equation of the magnetic field. It has been found that by calculating the magnetic field at any place in the space where the magnetic material is arranged, the magnetic field analysis can be efficiently performed with sufficient accuracy for the system having the magnetic material, and the present invention has been achieved. .
また、磁性体の磁化を求める際に、スピン系で表現される磁性体の磁化と磁場の関係を用いることにより、磁性体の本来有する磁気ヒステリシスを考慮した磁場解析を行うことができることも見出し、本発明をするに至った。 In addition, when finding the magnetization of the magnetic material, by using the relationship between the magnetization of the magnetic material expressed by the spin system and the magnetic field, it has also been found that the magnetic field analysis can be performed in consideration of the magnetic hysteresis inherent in the magnetic material, It came to make this invention.
即ち、第1の発明は、磁性体が配置された空間における任意の点の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析装置であって、前記磁性体の形状と、スピン系で表現される前記磁性体の磁化と磁場の関係を有する解析条件と、磁場の運動方程式を記憶する記憶手段と、前記解析条件から、前記磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の係数、変数の初期値および定数を演算して、前記磁場の運動方程式の解を演算し、該解に基づき、前記空間における任意の点の磁場を演算する演算手段と、を有することを特徴とする磁場解析装置である。 That is, the first invention is a magnetic field analysis device for analyzing a magnetic field at an arbitrary point in a space in which a magnetic material is arranged by using an information processing device, and is expressed by the shape of the magnetic material and a spin system. Analysis conditions having a relationship between the magnetization of the magnetic substance and the magnetic field, storage means for storing the equation of motion of the magnetic field, and coefficients of the equation of motion of the magnetic field of the particles constituting the magnetic substance, and initial values of variables from the analysis condition And a calculation means for calculating a solution of the equation of motion of the magnetic field by calculating a constant and calculating a magnetic field at an arbitrary point in the space based on the solution. .
第2の発明は、コンピュータを第1の発明に記載の磁場解析装置として機能させるためのプログラムである。 The second invention is a program for causing a computer to function as the magnetic field analysis apparatus described in the first invention.
第3の発明は、磁性体が配置された空間における任意の点の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析方法であって、前記磁性体の形状と、スピン系で表現される前記磁性体の磁化と磁場の関係を有する解析条件と磁場の運動方程式を記憶する工程(a)と、前記解析条件から、前記磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の係数および変数の初期値および定数を演算して、磁場の運動方程式の解を演算し、磁場の運動方程式の解に基づき、前記空間における任意の点の磁場を演算する工程(b)と、を有することを特徴とする磁場解析方法である。 A third invention is a magnetic field analysis method for analyzing a magnetic field at an arbitrary point in a space in which a magnetic material is arranged by using an information processing device, wherein the magnetic material is expressed by a shape of the magnetic material and a spin system. (A) storing an analysis condition having a relationship between the magnetization of the body and the magnetic field and a motion equation of the magnetic field; and from the analysis condition, initial values of coefficients and variables of the motion equation of the magnetic field of the particles constituting the magnetic body; A step (b) of calculating a constant, calculating a solution of an equation of motion of the magnetic field, and calculating a magnetic field at an arbitrary point in the space based on the solution of the equation of motion of the magnetic field. This is an analysis method.
本発明によれば、磁性体を有する系に対して、解析対象を含む空間全域をメッシュ分割する必要なく、かつ磁性体の本来有する磁気ヒステリシスを考慮した、十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる磁場解析装置を提供することができる。 According to the present invention, a magnetic field analysis can be performed efficiently and sufficiently with sufficient accuracy in consideration of the magnetic hysteresis inherent in a magnetic body without dividing the entire space including the analysis target into a mesh for a system having a magnetic body. It is possible to provide a magnetic field analysis apparatus that can
また、磁性体を構成する粒子のラグランジアンから導出された磁場の運動方程式の解を演算しているため、入力が変化しない場合、系の全エネルギーが保存される。 In addition, since the solution of the equation of motion of the magnetic field derived from the Lagrangian of the particles constituting the magnetic material is calculated, the total energy of the system is preserved when the input does not change.
さらに、本発明では、磁性体の磁化を求める際に、スピン系で表現される磁性体の磁化と磁場の関係を用いているため、磁気ヒステリシスを考慮した解析ができ、かつ時間とともに温度が変化する場合の磁性体の挙動を正確に把握できる。 Furthermore, in the present invention, when the magnetization of the magnetic material is obtained, the relationship between the magnetization of the magnetic material expressed by the spin system and the magnetic field is used, so that the analysis considering the magnetic hysteresis can be performed and the temperature changes with time. It is possible to accurately grasp the behavior of the magnetic body when
以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.
まず、図1および図2を参照して、本実施形態に係る磁場解析装置1のハードウェア構成を説明する。 First, the hardware configuration of the magnetic field analysis apparatus 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
なお、図1のハードウェア構成は例示であり、これに限定されないのは当然である。 It should be noted that the hardware configuration in FIG. 1 is an example, and is not limited to this.
図1に示すように、磁場解析装置1は制御部3、記憶装置5、メディア入出力部6、入力部7、表示部9、プリンタポート11等がバス13を介して互いに接続されている。
As shown in FIG. 1, the magnetic field analysis apparatus 1 includes a control unit 3, a
制御部3は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等で構成され、記憶部としての記憶装置5に格納されたプログラムに従って、バス13を介して接続された各装置を駆動制御する。
The control unit 3 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like, and is connected via the
図2に示すように、記憶装置5には、磁場解析装置1の各構成部分を駆動制御するための制御プログラム15、本発明を実施するための磁場解析プログラム17が格納されている。
As shown in FIG. 2, the
磁場解析プログラム17は、解析条件を有する情報である入力情報21と、入力情報21に基づき、磁場の運動方程式に基づいて磁場を演算する演算プログラム19とを有している。
The magnetic
メディア入出力部6は、フロッピー(登録商標)ディスク、CD、DVD等のメディアとの間で情報の入出力を行う装置である。
The media input /
入力部7は、キーボード、マウス等の入力装置であり、表示部9はディスプレイ等の表示機器である。
The
プリンタポート11には出力装置としてのプリンタ12等が接続される。
A
次に、磁場解析装置1を用いた磁場の解析の手順について図3〜11を参照して説明する。 Next, a procedure for analyzing a magnetic field using the magnetic field analyzer 1 will be described with reference to FIGS.
ここではPMモータ(Permanent Magnet Motor)の一種である、SPMモータ31(Surface Permanent Magnet Motor)の磁場解析を例にして説明する。 Here, a magnetic field analysis of an SPM motor 31 (Surface Permanent Magnet Motor), which is a kind of PM motor (Permanent Magnet Motor), will be described as an example.
まず、SPMモータ31の構成の概略を図3および図4を参照して説明する。 First, an outline of the configuration of the SPM motor 31 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
図3に示すように、SPMモータ31は回転子(移動子)であるロータ33と固定子であるステータ35を有している。 As shown in FIG. 3, the SPM motor 31 has a rotor 33 as a rotor (moving element) and a stator 35 as a stator.
ロータ33は鉄等の磁性体である円柱状のロータコア37を有し、ロータコア37の表面には永久磁石39が設けられている。 The rotor 33 has a cylindrical rotor core 37 that is a magnetic body such as iron, and a permanent magnet 39 is provided on the surface of the rotor core 37.
ロータコア37の軸中心には棒状のロータシャフト41が設けられている。 A rod-shaped rotor shaft 41 is provided at the axial center of the rotor core 37.
ステータ35は磁性体である歯状のステータティース43とステータティース43の外側に設けられた円筒状の磁性体であるコアバック44、コアバック44の外側に設けられた円筒状のフレーム46から構成されている。 The stator 35 includes a tooth-like stator teeth 43 that is a magnetic body, a core back 44 that is a cylindrical magnetic body provided outside the stator teeth 43, and a cylindrical frame 46 that is provided outside the core back 44. Has been.
図3および図4に示すように、ステータティース43には、金属等の導電体であるコイル45が巻きつけられている。 As shown in FIGS. 3 and 4, a coil 45 that is a conductor such as metal is wound around the stator teeth 43.
なお、実際のSPMモータ31ではコイル45は仕様に応じたターン数でステータティース43に巻きつけられて束となっているが、本実施形態では、図3および図4に描かれているように、コイル一本一本をモデル化せず、コイルの束を一つの導体として扱う。 In the actual SPM motor 31, the coil 45 is wound around the stator teeth 43 with the number of turns according to the specifications to form a bundle, but in this embodiment, as illustrated in FIGS. 3 and 4. The coil bundle is handled as one conductor without modeling each coil.
このような構造のSPMモータ31は、永久磁石39の磁場、およびコイル45に電流を流すことにより発生する磁場によって、ロータ33、ステータ35が磁化する。磁性体の磁気エネルギーの偏差によりSPMモータ31は駆動する。 In the SPM motor 31 having such a structure, the rotor 33 and the stator 35 are magnetized by the magnetic field of the permanent magnet 39 and the magnetic field generated by passing a current through the coil 45. The SPM motor 31 is driven by the deviation of the magnetic energy of the magnetic material.
そのため、SPMモータ31の磁場解析を行うためにはコイル45、永久磁石39がロータ33、ステータ35を構成する磁性体上に作る磁場ベクトルを計算し、これら磁性体の磁化現象を解析する必要がある。 Therefore, in order to perform the magnetic field analysis of the SPM motor 31, it is necessary to calculate the magnetic field vector that the coil 45 and the permanent magnet 39 form on the magnetic body constituting the rotor 33 and the stator 35, and to analyze the magnetization phenomenon of these magnetic bodies. is there.
次に、解析の手順について図5〜図11を参照して説明する。 Next, the analysis procedure will be described with reference to FIGS.
なお、以下の手順においてはSPMモータ31を、複数に要素分割して要素ごとの粒子の集合体とし、剛体モデルとして扱っているが、本発明はこれに限定されることはなく、粒子を用いずに要素ごとの剛体モデルとして扱ってもよい。 In the following procedure, the SPM motor 31 is divided into a plurality of elements to form an aggregate of particles for each element, and is handled as a rigid model. However, the present invention is not limited to this, and particles are used. Instead, it may be handled as a rigid model for each element.
また、以下の手順において、磁性体とは、ロータ33、ステータ35を構成する磁性体と永久磁石39を指し示し、スピン系で表現される磁性体の磁化と磁場の関係によってこれらは区別される。 In the following procedure, the magnetic material refers to the magnetic material and the permanent magnet 39 constituting the rotor 33 and the stator 35, and these are distinguished by the relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material expressed by a spin system.
まず、磁場解析装置1の制御部3は磁場解析プログラム17を起動し、解析したいSPMモータ31の解析条件としての三次元構造(形状、座標点)、質量密度、スピン系で表現される磁性体の磁化と磁場の関係(詳細は後述)や初期条件、導体の電流密度ベクトルを記憶装置5の入力情報21として記憶する(図5のステップ101)。
First, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 activates the magnetic
これらの物理量は例えばメディア入出力部6を介してCD−ROM等の記録媒体から読込んだものであってもよい。
These physical quantities may be read from a recording medium such as a CD-ROM via the media input /
また、SPMモータ31の三次元構造の情報とは例えばCAD等のデータである。 The information of the three-dimensional structure of the SPM motor 31 is data such as CAD.
さらに、あらかじめ上記物理量が入力情報21として記憶されている場合は、上記ステップは不要である。
Further, when the physical quantity is stored in advance as the
電流密度ベクトルは、コイル45の作る磁場ベクトルを計算する際に必要になる。 The current density vector is necessary when calculating the magnetic field vector formed by the coil 45.
さらに、スピン系で表現される磁性体の磁化と磁場の関係は磁化ベクトル(太字の)Mを計算する際に必要になるものである。具体的には、当該関係はスピン系の平衡状態で表現される関係であり、後述するようにモンテカルロ法を用いて平衡状態におけるスピン系を求めることにより、磁化ベクトルを計算する。 Furthermore, the relationship between the magnetization and magnetic field of a magnetic material expressed by a spin system is necessary when calculating the magnetization vector (bold) M. Specifically, this relationship is a relationship expressed by the equilibrium state of the spin system, and the magnetization vector is calculated by obtaining the spin system in the equilibrium state using the Monte Carlo method as will be described later.
以上が図5のステップ101の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3は、入力情報21の有する三次元構造の情報から、磁性体をN個の粒子(粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素(本実施例では立方体要素)に分割し、粒子の位置ベクトルを計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ102)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 determines that the magnetic material is N particles (a polyhedral element whose center is the position vector of the particle (cubic element in this embodiment) from the information of the three-dimensional structure included in the
ここで、Nは任意の整数であり、粒子の数Nおよび位置ベクトルは入力情報21の有する三次元構造およびあらかじめ記憶装置5に記憶されている多面体要素の形状により計算される。
Here, N is an arbitrary integer, and the number N of particles and the position vector are calculated based on the three-dimensional structure of the
以上が図5のステップ102の詳細である。
The above is the details of
次に、制御部3は、入力情報21の有する三次元構造の情報から、導体(図6(a)に示すコイル45)を図6(b)に示すようにローカル導体(直方体導体45a、45bと円弧状柱状導体45c、45d)に分割し、それぞれの導体が作る磁場ベクトルを計算するための係数を計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ103)。
Next, the control unit 3 determines that the conductor (coil 45 shown in FIG. 6A) is a local conductor (
ここで、図5のステップ103について、具体的に説明する。
Here,
まず、ローカル導体が直方体導体45aの場合について説明する。
First, the case where the local conductor is a
なお、ローカル導体が直方体導体45bの場合は、ローカル導体が直方体導体45aの場合と同様であるため、説明を省略する。
In addition, since it is the same as that of the case where a local conductor is the
ローカル導体が直方体導体45aの場合は、制御部3は、図7に示すように、ローカル座標系(xs,ys,zs)を適用する。
When the local conductor is a
このローカル座標系においてはローカル導体(直方体導体45a)の重心を原点Osとし、直方体導体45aの寸法はxs方向に2a、ys方向に2b、zs方向に2cの長さを持つものとする。
What this in the local coordinate system to the center of gravity of the local conductor (
また原点Osに粒子は位置するものとする。 And shall particles is located at the origin O s.
制御部3は、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されている導体の三次元構造と電流密度ベクトルを読み込み、ローカル導体(直方体導体45a)の寸法であるa,b,cと粒子位置ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。
The control unit 3 reads the three-dimensional structure of the conductor and the current density vector stored in the
次に、ローカル導体が円弧状柱状導体45cの場合について説明する。
Next, a case where the local conductor is an arc-shaped
なお、ローカル導体が円弧状柱状導体45dの場合は、ローカル導体が円弧状柱状導体45cの場合と同様であるため、説明を省略する。
Note that the case where the local conductor is the arc-shaped
ローカル導体が円弧状柱状導体45cの場合は、制御部3は、図8に示すようにローカル座標系(xc,yc,zc)を適用する。
When the local conductor is the arc-shaped
このローカル座標系においては原点Ocは円弧の中心軸上に存在し、かつ円弧状柱状導体45cの高さ方向(図8のzc方向)に対して円弧状柱状導体45cが対称となる点に存在するものとする。
Origin O c are present on an arc of the central axis, and that the
また、xc,yc,zcは、xc−yc平面でみると、+xc軸を基点とし、円弧状柱状導体45cの円弧が+zc軸からみて反時計回りになるようして決定する。
Moreover, x c, y c, z c , when viewed in x c -y c plane, + x c-axis as a base point, and so the arc of the
円弧状柱状導体45cの内径と外径の平均値をRcとし、径方向の厚さを2ra、zc方向の高さを2zbとする。
The average value of the inner diameter and the outer diameter of the
電流は+xc軸を基点として、+zcから見て反時計回りの方向への角度をθとし、電流はこの方向に一様な電流密度jで流れているものとする。 Current as a base point a + x c-axis, + when viewed from the z c the angle a θ of the counter-clockwise direction, current is assumed to flow in a uniform current density j in this direction.
粒子は円筒座標系で(Rc、θ/2、0)に位置するものとする。 It is assumed that the particles are located at (R c , θ / 2, 0) in the cylindrical coordinate system.
制御部3は、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されている導体の三次元構造と電流密度ベクトルを読み込み、ローカル導体(円弧状柱状導体45c)の寸法であるra、zb、θ、Rcおよび粒子位置ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。
The control unit 3 reads the three-dimensional structure of the conductor and the current density vector stored in the
さらに、あらかじめ上記物理量が入力情報21として記憶されている場合は、上記ステップは不要である。
Further, when the physical quantity is stored in advance as the
以上が図5のステップ103の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3は、このステップまでに計算され記憶装置5に記憶されている磁性体を構成するN個の粒子の位置ベクトルと、あらかじめ記憶装置5に記憶されている多面体要素の形状により、磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の係数を計算し記憶装置5に記憶する(図5のステップ104)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis device 1 stores the position vector of N particles constituting the magnetic body calculated up to this step and stored in the
ここで、図5のステップ104について、具体的に説明する。
Here,
分割した多面体要素(本実施形態では立方体要素)を2次元表示すると図9に示す形状となる。 When the divided polyhedral elements (cubic elements in this embodiment) are displayed two-dimensionally, the shape shown in FIG. 9 is obtained.
ここで、粒子の位置ベクトルを(太字の)rg、粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の要素境界面の中点をq点とし、粒子の位置ベクトルとq点との中間点にp点を定義する。 Here, r g is the particle position vector (bold), q is the midpoint of the element boundary surface of the polyhedral element centered on the particle position vector, and p is the midpoint between the particle position vector and q point. Define points.
制御部3は、ステップ102において計算し記憶装置5に記憶している磁性体を構成する粒子(粒子を重心とする多面体要素(本実施形態では立方体要素))の位置ベクトルを読み込む。
The control unit 3 reads the position vector of the particles (polyhedral elements (cubic elements in the present embodiment) having the center of gravity of the particles) constituting the magnetic body calculated in
なお、ステップ113において粒子の位置ベクトルが更新され記憶装置5に記憶されている場合は、制御部3はその値を読み込む。
If the particle position vector is updated and stored in the
制御部3は、粒子の位置ベクトルとあらかじめ記憶装置5に記憶されている多面体要素の形状から、磁性体を構成するすべての粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点とq点の位置ベクトルと要素境界面への法線ベクトル(太字の)nを計算し、記憶装置5に記憶する。
From the particle position vector and the shape of the polyhedron element stored in the
次に、制御部3は、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素の境界面積ΔS、および粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積ΔVを計算し、記憶装置5に記憶する。
Next, the control unit 3 determines the boundary area ΔS of the polyhedral element having the particle constituting the magnetic body as the center of gravity and the polyhedral element volume having the vertex of the polyhedral element boundary surface having the particle position vector as the center of gravity and the particle position as the vertex. ΔV is calculated and stored in the
以上が図5のステップ104の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3は、ステップ103で記憶装置5に記憶されているコイルの寸法およびこのステップまでに記憶装置5に記憶されている電流密度ベクトルを用いて、ビオ・サバールの法則を積分することにより得られる解析解により、通電されたコイル45が、磁性体を構成する粒子上に作る磁場ベクトルを計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ105)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the size of the coil stored in the
ここで、図5のステップ105について、具体的に説明する。
Here,
ここでは、任意の位置ベクトルが図4における磁性体としてのステータティース43のある点Pであると仮定した場合に、通電されたコイル45がP点の位置ベクトル上に作る磁場ベクトルを計算する手順を例に説明する。 Here, when it is assumed that an arbitrary position vector is a point P where the stator teeth 43 as a magnetic body in FIG. 4 are present, a procedure for calculating a magnetic field vector generated by the energized coil 45 on the position vector of the P point. Will be described as an example.
まず、ローカル導体が直方体導体45aの場合について説明する。
First, the case where the local conductor is a
なお、ローカル導体が直方体導体45bの場合は、ローカル導体が直方体導体45aの場合と同様であるため、説明を省略する。
In addition, since it is the same as that of the case where a local conductor is the
ローカル導体が直方体導体45aの場合は、図7に示すようにローカル座標系(xs,ys,zs)を適用する。
When the local conductor is a
このローカル座標系はステップ103で説明している。
This local coordinate system is described in
次に、P点の位置ベクトルをローカル座標系(xs,ys,zs)に変換する。 Next, the position vector of the point P is converted into the local coordinate system (x s , y s , z s ).
通電された直方体導体がP点に作る磁場ベクトルは、以下に示す式(1)〜(3)で記載される。 Magnetic field vectors created at the point P by the energized rectangular parallelepiped conductor are described by the following equations (1) to (3).
ここで、(太字の)rpsはローカル座標系(xs,ys,zs)でのP点の位置ベクトルであり、xps,yps,zpsはxs,ys,zs方向の値である。
πは円周率である。
Here, r ps (bold) is the position vector of the point P in the local coordinate system (x s , y s , z s ), and x ps , y ps , z ps are x s , y s , z s. Direction value.
π is the circumference ratio.
Hxs、Hys、Hzsはローカル座標系(xs,ys,zs)における磁場ベクトルの各成分である。
jは電流密度である。
H xs , H ys , and H zs are each component of the magnetic field vector in the local coordinate system (x s , y s , z s ).
j is the current density.
また、xi,yj,zkはxs,ys,zs方向の積分の上限、下限を表しており、式(4)に示す関係が成立する。 X i , y j , and z k represent the upper and lower limits of integration in the x s , y s , and z s directions, and the relationship shown in Expression (4) is established.
ここで、a,b,cは直方体導体の寸法である。 Here, a, b, and c are dimensions of a rectangular parallelepiped conductor.
次に、ローカル導体が円弧状柱状導体45cの場合について説明する。
Next, a case where the local conductor is an arc-shaped
なお、ローカル導体が円弧状柱状導体45dの場合は、ローカル導体が円弧状柱状導体45cの場合と同様であるため、説明を省略する。
Note that the case where the local conductor is the arc-shaped
ローカル導体が円弧状柱状導体45cの場合は、図8に示すようにローカル座標系(xc,yc,zc)を適用する。
When the local conductor is the arc-shaped
このローカル座標系はステップ103において説明している。
This local coordinate system is described in
ローカル座標系(xc,yc,zc)に変換後のP点の位置ベクトルを以下の式(5)に示すように円筒座標系(太字の)rpc=(Rpc、φpc、Zpc)に変換する。 The position vector of the P point after being converted to the local coordinate system (x c , y c , z c ) is expressed by the cylindrical coordinate system (bold) r pc = (R pc , φ pc , Z pc ).
通電された円弧状柱状導体45cがP点に作る磁場ベクトルは、以下の式(6)〜(11)で表される。
A magnetic field vector formed at the point P by the energized
ここで、Hrc、Htc、Hzcは円筒座標系での磁場ベクトルの各成分である。
jは電流密度である。
Here, H rc , H tc and H zc are each component of the magnetic field vector in the cylindrical coordinate system.
j is the current density.
ra、θ、zbは円弧状柱状導体45cの寸法であり、Rcは円弧の内径と外径の平均値である。
r a , θ, and z b are dimensions of the arc-shaped
sgnはZkの符号であり、Rj、Zkは積分の上限、下限を表しており、式(12)に示す関係が成立する。 sgn is the sign of the Z k, R j, Z k is the upper limit of the integration represents the lower limit, the relationship shown in equation (12) holds.
以上が任意の点Pにコイルが作る磁場ベクトルの計算手順である。 The above is the calculation procedure of the magnetic field vector created by the coil at an arbitrary point P.
磁場解析装置1の制御部3は、ステップ104で既に計算され記憶装置5に記憶されている磁性体を構成するすべての粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内部のp点の位置ベクトルを読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads the position vector of the p point inside the polyhedron element having the center of gravity as the position vector of all particles constituting the magnetic body already calculated in
次に、制御部3は、p点の位置ベクトルをローカル座標系(xs,ys,zs)に変換し、ステップ103で計算され記憶装置5に記憶されている直方体導体45aの寸法と、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されている電流密度ベクトルを読み込み、式(1)〜(4)に基づいて磁場ベクトルを計算する。
Next, the control unit 3 converts the position vector of the point p into the local coordinate system (x s , y s , z s ), and calculates the dimensions of the
なお、電流密度ベクトルがステップ116で更新され記憶装置5に記憶されている場合は、制御部3はその値を読み込む。
When the current density vector is updated in
次に、制御部3は、式(1)〜(4)で計算された磁場ベクトルをグローバル座標系(x,y,z)に変換し、変換後の磁場ベクトルを記憶装置5に記憶する。
Next, the control unit 3 converts the magnetic field vector calculated by the equations (1) to (4) into the global coordinate system (x, y, z), and stores the converted magnetic field vector in the
これにより、通電された直方体導体45aが、p点に作る磁場ベクトルが求められる。
Thereby, the magnetic field vector which the energized
さらに制御部3は、p点の位置ベクトルをローカル座標系(xc,yc,zc)に変換し、さらに円筒座標系(太字の)rpc=(Rpc、φpc、Zpc)に変換する。 Further, the control unit 3 converts the position vector of the point p into the local coordinate system (x c , y c , z c ), and further, the cylindrical coordinate system (bold) r pc = (R pc , φ pc , Z pc ). Convert to
次に制御部3は、ステップ103で計算し記憶装置5に記憶している円弧状柱状導体45cの寸法ra、θ、zbおよびRcを読み込み、また、制御部3はステップ101で入力情報21として記憶装置5に記憶されている電流密度ベクトルを読み込む。
Next, the control unit 3 reads the dimensions r a , θ, z b and R c of the arc-shaped columnar conductor 45 c calculated in
なお、電流密度ベクトルがステップ116で更新され記憶装置5に記憶されている場合は、制御部3はその値を読み込む。
When the current density vector is updated in
制御部3は式(6)〜(12)に基づいて磁場ベクトルを計算する。 The controller 3 calculates a magnetic field vector based on the equations (6) to (12).
次に、計算された磁場ベクトルを直交座標系に変換し、さらにグローバル座標系(x,y,z)に変換し記憶装置5に記憶する。
Next, the calculated magnetic field vector is converted into an orthogonal coordinate system, further converted into a global coordinate system (x, y, z), and stored in the
これにより、通電された円弧状柱状導体45cがp点に作る磁場ベクトルが求められる。
As a result, a magnetic field vector created at the point p by the energized
以上が、図5のステップ105の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用いて磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式から束縛を考慮せずに仮想時間刻みδt後の磁場ベクトルを計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ106)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
ここで、図5のステップ106について、具体的に説明する。
Here,
磁性体を構成するN個の粒子のラグランジアンを式(13)〜式(15)で表される形とする。 The Lagrangian of the N particles constituting the magnetic material is assumed to have a shape represented by the equations (13) to (15).
ここで、式(13)において、αは仮想質量、太字のrは位置ベクトル、太字のHは磁場ベクトル、太字の傍点付きHは磁場ベクトルの時間微分、太字のMは磁化ベクトル、太字のnは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の法線ベクトル、太字のHextは外部からの印加磁場ベクトル、ΔSは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の要素境界面の面積、ΔVは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積、χは磁気感受率、μ0は真空の透磁率、λはラグランジュの未定定数、πは円周率、sは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の要素境界面数である。 Here, in Expression (13), α is a virtual mass, bold r is a position vector, bold H is a magnetic field vector, bold bold H is a time derivative of the magnetic field vector, bold M is a magnetization vector, and bold n Is the normal vector of the polyhedral element boundary surface with the particle position vector as the center of gravity, bold Hex is the externally applied magnetic field vector, ΔS is the area of the element boundary surface of the polyhedral element with the particle position vector as the center of gravity, and ΔV is The vertex of the polyhedral element boundary surface with the particle position vector as the center of gravity and the polyhedral element volume with the particle position as the vertex, χ is the magnetic susceptibility, μ 0 is the permeability of vacuum, λ is the Lagrange's undetermined constant, and π is the circumference The rate, s, is the number of element boundary faces of a polyhedral element whose center of gravity is the particle position vector.
また、各物理量の添え字ipはi番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内でのp点の物理量、添え字jqはj番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内でのq点の物理量を示す。 The subscript ip of each physical quantity is the physical quantity of the p point in the polyhedron element whose center is the position vector of the i-th particle, and the subscript jq is the polyhedron element whose center is the position vector of the j-th particle. The physical quantity of q point is shown.
p点、q点はステップ104において説明している。
The points p and q are described in
式(13)において、mは粒子の質量、vは速度、φ(ri−rj)はi番目の粒子とj番目の粒子の相互作用ポテンシャルエネルギである。添え字i、jはそれぞれ、i、j番目の粒子の物理量を示す。 In equation (13), m is the mass of the particle, v is the velocity, and φ (r i −r j ) is the interaction potential energy between the i-th particle and the j-th particle. Subscripts i and j indicate physical quantities of the i and j-th particles, respectively.
次に、正準変数を(太字の)Hip、(太字の傍点付き)Hipとし、式(13)〜式(15)で示されるラグランジアンをラグランジュの運動方程式に代入すると、磁場の運動方程式は式(16)のように記載できる。 Next, the canonical variables (in bold) H ip, and (bold with neighbors) H ip, and substituting Lagrangian of formula (13) to (15) to the Lagrange equation of motion, the motion equation of the magnetic field Can be described as in equation (16).
ここで、式(16)の右辺第2項は、ラグランジュの未定定数を通して束縛(磁化ベクトルの発散は0)を課している。 Here, the second term on the right side of Equation (16) imposes a constraint (the divergence of the magnetization vector is 0) through Lagrange's undetermined constant.
式(16)の右辺第3項は外部からの印加磁場ベクトルが変化したときにすばやく追従させるための減衰項であり、γは減衰定数である。 The third term on the right side of equation (16) is an attenuation term for quickly following when the externally applied magnetic field vector changes, and γ is an attenuation constant.
式(16)の右辺第2項に示される束縛を含んだ運動方程式を解くにあたり、本実施形態では、一般化された束縛の導入法であるSHAKE法を採用する。 In solving the equation of motion including the constraint shown in the second term on the right side of Expression (16), the present embodiment employs the SHAKE method, which is a generalized constraint introduction method.
束縛を考慮せずに蛙跳び法により式(16)を離散化すると以下の式(17)、式(18)、(19)になる。 When equation (16) is discretized by the jumping method without considering the constraint, the following equations (17), (18), and (19) are obtained.
ここで、δtは磁化現象の収束計算を行う上で用いる仮想時間刻みである。 Here, δt is a virtual time step used for calculating the convergence of the magnetization phenomenon.
添え字のnは任意の整数であり、nδtにおける物理量、n−1/2は(n−1/2)δtにおける物理量、n+1/2は(n+1/2)δtにおける物理量、n+1は(n+1)δtおける物理量に対応している。 The subscript n is an arbitrary integer, a physical quantity at nδt, n−1 / 2 is a physical quantity at (n−1 / 2) δt, n + 1/2 is a physical quantity at (n + 1/2) δt, and n + 1 is (n + 1). This corresponds to the physical quantity at δt.
磁場解析装置1の制御部3は、ステップ104において既に計算され記憶装置5に記憶されている粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点、q点の位置ベクトルを読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads the position vectors of the p point and the q point in the polyhedron element whose center of gravity is the particle position vector already calculated in
次に、制御部3は、ステップ105で既に計算され記憶装置5に記憶されているコイルが磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内部のp点に作る磁場ベクトルを外部からの印加磁場ベクトルとして読み込む。
Next, the control unit 3 generates a magnetic field vector generated at the point p inside the polyhedron element whose center of gravity is the particle constituting the magnetic body, which is already calculated in
さらに、制御部3は、ステップ104で既に計算され、記憶装置5に記憶されている、磁性体を構成する粒子の要素境界面積、法線ベクトルおよび粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積を読み込む。
Further, the control unit 3 calculates the polyhedral element boundary surface having the centroid of the element boundary area, normal vector, and particle position vector of the particles constituting the magnetic body, which are already calculated in
また、制御部3はあらかじめ記憶装置5に記憶されている減衰定数、仮想質量、仮想時間刻みを読み込む。
Further, the control unit 3 reads the attenuation constant, virtual mass, and virtual time increment stored in advance in the
次に、制御部3はあらかじめ記憶装置5に記憶されている磁場ベクトル、磁場ベクトルの時間微分の初期値を読み込む。
Next, the control unit 3 reads the magnetic field vector stored in advance in the
なお、制御部3は後述するステップ107において磁場ベクトル、磁場ベクトルの時間微分が更新されている場合は、その値を読み込む。
In addition, the control part 3 reads the value, when the magnetic field vector and the time differentiation of the magnetic field vector are updated in
一方、磁化ベクトルは、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されている磁性体の磁化と磁場の関係と、磁場ベクトルから求められる。
On the other hand, the magnetization vector is obtained from the relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material stored in the
前述のように、磁性体の磁化と磁場の関係はスピン系(の平衡状態)で表現される関係である。 As described above, the relationship between the magnetization of the magnetic material and the magnetic field is a relationship expressed by a spin system (equilibrium state).
より具体的には、磁性体の磁化と磁場の関係は、磁性体モデルのスピン系の平衡状態で表現される磁場とスピンの関係と、スピン系の平衡状態におけるスピンの総和で表現されるスピンと磁化の関係を有している。 More specifically, the relationship between the magnetization of a magnetic material and the magnetic field is the relationship between the magnetic field and spin expressed in the equilibrium state of the spin model of the magnetic material model, and the spin expressed in the sum of spins in the spin system equilibrium state. And a magnetization relationship.
また、以下に述べるようにスピン系の平衡状態はモンテカルロ法を用いて求められ、スピン系の平衡状態から磁化ベクトルが求められる。 Further, as described below, the equilibrium state of the spin system is obtained using the Monte Carlo method, and the magnetization vector is obtained from the equilibrium state of the spin system.
ここで、磁性体モデルの概略および磁化ベクトルの具体的な計算方法について、図10および図11を参照して具体的に説明する。 Here, an outline of the magnetic material model and a specific calculation method of the magnetization vector will be specifically described with reference to FIGS. 10 and 11.
まず、磁性体モデルの概略について図10を参照して説明する。 First, an outline of the magnetic body model will be described with reference to FIG.
磁性体は磁気モーメントを有しており、磁気モーメントを作り出すのがスピンである。 A magnetic material has a magnetic moment, and it is a spin that creates the magnetic moment.
ここで、磁性体内のある粒子に図10に示すように、Ns個のスピン2001の集合であるスピン群1001を持たせた場合、エネルギー式は磁性体モデルを用いて記述できる。 Here, as shown in FIG. 10 in a magnetic body particle, when to have a N s number of spin group 1001 is a set of spin 2001, the energy equation can be described by using the magnetic model.
磁性体モデルとしてはハイゼンベルグモデルが用いられる。 A Heisenberg model is used as the magnetic material model.
あるいは、ハイゼンベルグモデルの簡易系であるイジングモデルが用いられる。 Alternatively, an Ising model that is a simplified system of the Heisenberg model is used.
ここでは、イジングモデルを例に説明する。 Here, an Ising model will be described as an example.
イジングモデルはハイゼンベルグモデルにおけるスピンを1軸方向成分のみと考え、±1で表現するものである。 In the Ising model, the spin in the Heisenberg model is considered as only one axial component, and is expressed by ± 1.
図10において、磁場h(あるいは磁場ベクトル)が印加されている場での、スピンの1つであるスピンSiに相互作用するエネルギーE1は以下の式(イ)で表される。 In Figure 10, at the place where the magnetic field h (or magnetic field vector) is applied, the energy E1 that interact with the spin S i, one of the spin can be expressed by the following formula (I).
また、スピン間の相互作用エネルギーE2は以下の式(ロ)で表される。 Further, the interaction energy E2 between the spins is expressed by the following formula (b).
ここで、Sjは隣接スピン、Jは交換積分(スピン間の相互作用の強さ)である。なお、以後は図10に示すような「スピン全体の状態」を「スピン系」と表現することにする。 Here, S j is adjacent spin, and J is exchange integral (strength of interaction between spins). Hereinafter, the “spin state” as shown in FIG. 10 is expressed as “spin system”.
式(イ)と式(ロ)をまとめたハミルトニアンHiは以下の式(ハ)で表される。 Hamiltonian H i summarizes equations (I) wherein the (B) is represented by the following formula (c).
式(ハ)は磁束密度Bやスピンが同方向に揃うとエネルギーが低くなり、スピン系が安定する。 In formula (c), when the magnetic flux density B and spin are aligned in the same direction, the energy is lowered and the spin system is stabilized.
なお、ハイゼンベルグモデルを用いる場合、式(ハ)に相当するハミルトニアンHiは以下の式(ハ−2)で表される。 In the case of using the Heisenberg model Hamiltonian H i corresponding to formula (c) is represented by the following formula (c -2).
スピン系の総和は以下の式(ニ)で表される。 The total sum of the spin system is expressed by the following formula (d).
次に、磁化ベクトルの具体的な計算方法について、図11を参照して説明する。 Next, a specific method for calculating the magnetization vector will be described with reference to FIG.
まず、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、磁性体の磁化と磁場の関係(磁場とスピンの関係を示す式(イ)〜(ニ)、および後述する式(ホ)、(へ))や初期条件(スピン2001の数、スピン系、温度、最大磁化等)を記憶装置5から読み込む(図11のステップ201)。
First, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
なお、ステップ201は、最初にステップ106を実行するときにのみ実行され、2回目以降は実行されない。
Step 201 is executed only when
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、磁場解析装置1によって計算された直近の計算結果、具体的には磁場(磁場ベクトル)を式(イ)(式(ハ)もしくは式(ハー2))に代入する(図11のステップ202)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
なお、磁場解析装置1が始めてステップ106を実行する場合は、ステップ202は実行されず、磁場(磁場ベクトル)はステップ201の初期条件が用いられる。
When the magnetic field analysis apparatus 1 executes
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、式(ニ)からスピン系のエネルギー(ここではH1と称する)を求める(図11のステップ203)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 obtains the spin system energy (referred to herein as H1) from the equation (d) using the calculation program 19 (
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、図10に示すスピン群1001の中の一部のスピンを無作為に反転させる(図11のステップ204)。ここでは1つのスピンを反転させたものとする。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、1つのスピンが反転した状態でのエネルギー(ここではH2と称する)を、式(ニ)から求め、H1とH2の差分dH(dH=H2−H1)を求める(図11のステップ205)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analyzer 1 uses the
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、dHが0以下であるか否かを判断し、0以下の場合はステップ207に進み、0より大きい場合はステップ208に進む(図11のステップ206)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
0以下の場合はスピン系を更新し、ステップ211に進む(図11のステップ207)。即ち、1つのスピンが反転した状態のスピン系を選択してステップ210に進む。
If it is 0 or less, the spin system is updated, and the process proceeds to step 211 (
一方、0より大きい場合、即ち1つのスピンを反転させるとエネルギーが上がる場合は、スピン系がこの状態(1つのスピンが反転した状態)で存在する確率P(H)をボルツマン分布を用いた以下の式(ホ)から求める(図11のステップ208)。
On the other hand, if it is greater than 0, that is, if the energy increases when one spin is inverted, the probability P (H) that the spin system exists in this state (the state where one spin is inverted) is less than that using Boltzmann distribution. (
ここで、Tはステップ201で読み込んだものを用いる。
Here, the T read in
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、P(H)が一様乱数Ra[0,1]以上か否かを判断し(図11のステップ209)、Ra以上の場合はステップ207に進んで(1つのスピンが反転した状態の)スピン系を選択する。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
一方、Ra以下の場合は、スピン系を更新せずに(反転前のスピン系を選択して)ステップ210に進む。 On the other hand, if Ra or less, the process proceeds to step 210 without updating the spin system (selecting the spin system before inversion).
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、ステップ203〜ステップ210までの一連の演算の反復回数がスピン2001の数であるNs回(1モンテカルロステップ、1MS)に達したか否かを判断し、1MSに達した場合はステップ211に進み、達しない場合はステップ203に戻って演算を続ける(図11のステップ210)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1, using the
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、選択されたスピン系に基づき、式(ヘ)より磁化M(磁化ベクトル)を求める(図11のステップ211)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 obtains the magnetization M (magnetization vector) from the formula (f) based on the selected spin system using the calculation program 19 (
即ち、式(ヘ)はスピンと磁化の関係を示しており、式(ヘ)に平衡状態におけるスピン系を構成するスピンを代入して磁化M(磁化ベクトル)を求める。 That is, equation (f) shows the relationship between spin and magnetization, and the magnetization M (magnetization vector) is obtained by substituting the spins constituting the spin system in the equilibrium state into equation (f).
次に、磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、磁化M(磁化ベクトル)が収束条件を満たすか否かを判断し、収束条件を満たす場合はステップ213に進み、満たさない場合はステップ203に戻って演算を続ける(図11のステップ212)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analyzer 1 uses the
具体的には、ステップ211で求められた磁化M(磁化ベクトル)と、1つ前の1MS後にステップ211で求められたMとの差分が一定値以内であるか否かを判定し、一定値以内の場合はステップ213に進み、満たさない場合はステップ203に戻って演算を続ける。
Specifically, it is determined whether or not the difference between the magnetization M (magnetization vector) obtained in
収束条件を満たす場合は磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用い、数モンテカルロステップ分(多くても数十回程度)の磁化Mの平均値を計算し、これを磁化M(磁化ベクトル)とする(図11のステップ213)。
When the convergence condition is satisfied, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
このように、本実施形態では、磁性体の磁化を求める際に、スピン系(の平衡状態)で表現される磁性体の磁化と磁場の関係を用いており、モンテカルロ法を用いて求めた平衡状態におけるスピン系から、磁性体の磁化を求めている。 As described above, in this embodiment, when obtaining the magnetization of the magnetic material, the relationship between the magnetization of the magnetic material expressed by the spin system (equilibrium state) and the magnetic field is used, and the equilibrium obtained using the Monte Carlo method is used. The magnetization of the magnetic material is obtained from the spin system in the state.
そのため、磁性体の本来有する磁気ヒステリシスを考慮した解析が可能であり、実機における磁性体の挙動を正確に把握できる。また、モンテカルロ法の適用にあたって、確率変数にボルツマン分布を用いているため、時間とともに温度が変化する場合の磁性体の挙動を正確に把握できる。 Therefore, analysis considering the magnetic hysteresis inherent in the magnetic material is possible, and the behavior of the magnetic material in the actual machine can be accurately grasped. In addition, since the Boltzmann distribution is used as the random variable when the Monte Carlo method is applied, the behavior of the magnetic material when the temperature changes with time can be accurately grasped.
以上が磁化ベクトルの具体的な計算方法である。 The above is the specific calculation method of the magnetization vector.
次に、制御部3は、式(17)、式(18)、(19)を、磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内の全てのp点に対して計算し、計算された磁場ベクトルを記憶装置5に記憶する。
Next, the control unit 3 calculates the equations (17), (18), and (19) for all p points in the polyhedral element having the position vector of the particles constituting the magnetic body as the center of gravity, The calculated magnetic field vector is stored in the
以上が、図5のステップ106の詳細である。
The details of
次に、磁場解析装置1の制御部3はステップ106で計算し記憶装置5に記憶されている、磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点の磁場ベクトルに束縛力を加え、計算された磁場ベクトルを、記憶装置5に記憶する(図5のステップ107)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis device 1 is bound to the magnetic field vector at the point p in the polyhedron element having the center of gravity as the position vector of the particles constituting the magnetic material, which is calculated in
ここで、図5のステップ107について、具体的に説明する。
Here,
磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点の磁場ベクトルに以下に示す式(20)、式(21)に従って束縛力を加える。 A binding force is applied to the magnetic field vector at the point p in the polyhedron element with the position vector of the particle constituting the magnetic body as the center of gravity according to the following equations (20) and (21).
ここで、太字のHは磁場ベクトル、αは仮想質量、δtは仮想時間刻み、γは減衰定数、Nは磁性体を構成する粒子数、sは磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の面数であり、添え字のiは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトル上での物理量、ipは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点の物理量、添え字のnは任意の整数であり、nδtにおける物理量、n+1は(n+1)δtにおける物理量に対応している。 Here, bold H is a magnetic field vector, α is a virtual mass, δt is a virtual time step, γ is an attenuation constant, N is the number of particles constituting the magnetic body, s is a position vector of the particles constituting the magnetic body, and the center of gravity. The subscript i is the physical quantity on the position vector of the i-th particle among the particles constituting the magnetic body, and ip is the i-th particle among the particles constituting the magnetic body. The physical quantity at point p in the polyhedron element with the position vector at the center of gravity, the subscript n is an arbitrary integer, the physical quantity at nδt, and n + 1 corresponds to the physical quantity at (n + 1) δt.
磁場解析装置1の制御部3は、演算プログラム19を用いて、ステップ106で計算され記憶装置5に記憶されている磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のp点の磁場ベクトルを読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 uses the
制御部3は、あらかじめ記憶装置5に記憶されている仮想質量、仮想時間刻み、減衰定数を読み込む。
The control unit 3 reads the virtual mass, virtual time step, and attenuation constant stored in advance in the
制御部3は、磁性体を構成する粒子各々に対して式(20)、式(21)に基づく計算を行い、計算された磁場ベクトルを記憶装置5に記憶する。
The control unit 3 performs a calculation based on Expression (20) and Expression (21) for each particle constituting the magnetic body, and stores the calculated magnetic field vector in the
以上が、ステップ図5の107の詳細である。
The above is the detail of
次に、磁場解析装置1の制御部3はステップ107で求めた磁場ベクトルが束縛条件を満たしているかを判断し、満たしていれば次のステップに進み、満たしていなければステップ107に戻る(図5のステップ108)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 determines whether or not the magnetic field vector obtained in
具体的には制御部3は、ステップ107で計算し記憶装置5に記憶されている磁性体を構成する粒子各々の磁場ベクトルから計算される磁化ベクトルを用いて式(22)に基づく計算を行う。
Specifically, the control unit 3 performs the calculation based on the equation (22) using the magnetization vector calculated from the magnetic field vector of each of the particles constituting the magnetic body calculated in
ここで、添え字のn+1は(n+1)δtおける物理量に対応している。 Here, the subscript n + 1 corresponds to the physical quantity at (n + 1) δt.
erriは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の束縛条件に対する誤差値である。 err i is an error value for the binding condition of the i-th particle among the particles constituting the magnetic material.
磁化ベクトル(太字の)Mは、以下のように求められる。 The magnetization vector (in bold) M is obtained as follows.
即ち、ステップ107において計算され記憶装置5に記憶されている磁場ベクトルを制御部3が読み込み、当該磁場ベクトルと、ステップ101より入力情報21に記憶されている磁性体の磁化と磁場の関係から磁化ベクトルを求める。なお、具体的な方法はステップ106で説明した方法(ステップ201〜ステップ213参照)と同様である。
That is, the control unit 3 reads the magnetic field vector calculated in
法線ベクトル(太字の)nには、ステップ104において既に計算され記憶装置5に記憶されているものを制御部3は読み込み代入する。
For the normal vector (bold) n, the control unit 3 reads and substitutes the one already calculated in
制御部3は、すべての粒子に対して、誤差の値が式(23)を満たさなければステップ107に戻る。 If the error value does not satisfy the equation (23) for all particles, the control unit 3 returns to Step 107.
式(23)においてA1は任意の誤差判別値であり、あらかじめ記憶装置5に任意の値が記憶されている。
In Expression (23), A 1 is an arbitrary error determination value, and an arbitrary value is stored in the
以上が図5のステップ108の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3は、磁性体の磁化現象が定常状態に到達したかを判断し、条件を満たしていれば次のステップに進む。(図5のステップ109)
ここで、図5のステップ109について、具体的に説明する。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 determines whether the magnetization phenomenon of the magnetic material has reached a steady state, and proceeds to the next step if the condition is satisfied. (
Here,
磁性体を構成する粒子が定常状態に到達したかは、以下の式(24)により判断される。 Whether the particles constituting the magnetic material have reached a steady state is determined by the following equation (24).
ここで、太字のHは磁場ベクトル、μ0は真空の透磁率、Nは磁性体を構成する粒子の粒子数、sは磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の面数であり、添え字のipは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点での物理量である。 Here, the bold letter H is the magnetic field vector, μ 0 is the magnetic permeability of the vacuum, N is the number of particles constituting the magnetic body, and s is the number of faces of the polyhedral element whose center of gravity is the position vector of the particles constituting the magnetic body. The subscript ip is a physical quantity at the point p in the polyhedron element whose center of gravity is the position vector of the i-th particle among the particles constituting the magnetic body.
さらに、添え字のnは任意の整数であり、nδtにおける物理量、n―1は(n―1)δt、n+1は(n+1)δtおける物理量に対応している。 Further, the subscript n is an arbitrary integer, which corresponds to a physical quantity at nδt, n−1 corresponds to (n−1) δt, and n + 1 corresponds to a physical quantity at (n + 1) δt.
また、A2は磁性体の磁場ベクトルが定常状態に到達したかを判断するための任意の誤差判定値である。 A 2 is an arbitrary error determination value for determining whether the magnetic field vector of the magnetic material has reached a steady state.
磁場解析装置1の制御部3は、あらかじめ記憶装置5に記憶されているA2、μ0を読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads A 2 and μ 0 stored in advance in the
また、制御部3は、ステップ109で計算され記憶装置5に記憶されている、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のp点の磁場ベクトルを読み込む。
Further, the control unit 3 reads the magnetic field vector at the point p in the polyhedron element having the particle constituting the magnetic body as the center of gravity, which is calculated in
次に、制御部3は式(24)を計算し、式(24)を満たしていれば次のステップに進み、満たしていなければステップ106に戻る。 Next, the control unit 3 calculates Expression (24), and proceeds to the next step if Expression (24) is satisfied, and returns to Step 106 if not satisfied.
以上が図5のステップ109の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3は、磁性体を構成するすべての粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトル、磁化ベクトル、磁束密度ベクトルと、コイルを構成するすべての粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトル、磁束密度ベクトルを計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ110)。 Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 performs the magnetic field vector, the magnetization vector, the magnetic flux density vector on the position vector of all particles constituting the magnetic body, and the magnetic field on the position vector of all particles constituting the coil. The vector and the magnetic flux density vector are calculated and stored in the storage device 5 (step 110 in FIG. 5).
以下にステップ110を具体的に説明する。 Step 110 will be specifically described below.
(磁性体を構成する粒子)
磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトルは以下の式(25)で表される。
(Particles constituting magnetic material)
The magnetic field vector on the position vector of the particles constituting the magnetic body is expressed by the following equation (25).
ここで、(太字の)ex=(1,0,0)、(太字の)ey=(0,1,0)、(太字の)ez=(0,0,1)である。 Here, (bold) e x = (1, 0, 0), (bold) e y = (0, 1, 0), (bold) e z = (0, 0, 1).
太字のHは磁場ベクトル、太字のnは法線ベクトルであり、添え字iは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトル上での物理量を表し、添え字ipは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点の物理量である。 The bold letter H is a magnetic field vector, the bold letter n is a normal vector, the suffix i represents the physical quantity on the position vector of the i-th particle of the particles constituting the magnetic body, and the suffix ip is the magnetic body. Is a physical quantity of p point in the polyhedron element whose center of gravity is the position vector of the i-th particle.
磁性体を構成する粒子の磁化ベクトルは、磁性体の磁化と磁場の関係から求められる。なお、具体的な方法はステップ106で説明した方法(ステップ201〜ステップ213参照)と同様である。
The magnetization vector of the particles constituting the magnetic material is obtained from the relationship between the magnetization of the magnetic material and the magnetic field. The specific method is the same as the method described in step 106 (see
磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上での磁束密度ベクトルは、式(26)で表される。 The magnetic flux density vector on the position vector of the particles constituting the magnetic body is expressed by Expression (26).
ここで、太字のBは磁束密度ベクトル、太字のHは磁場ベクトル、太字のMは磁化ベクトルであり、添え字のiは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトル上での物理量を指し示す。 Here, the bold letter B is the magnetic flux density vector, the bold letter H is the magnetic field vector, the bold letter M is the magnetization vector, and the suffix i is the position vector of the i-th particle among the particles constituting the magnetic body. Indicates the physical quantity.
μ0は真空の透磁率である。 μ 0 is the vacuum permeability.
磁場解析装置1の制御部3は、ステップ110までで計算されている、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のp点での磁場ベクトルを記憶装置5から読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads the magnetic field vector at the point p in the polyhedron element with the particle constituting the magnetic body as the center of gravity calculated up to step 110 from the
次に、制御部3は、ステップ104で既に計算され記憶装置5に記憶されている法線ベクトルを読み込み、式(25)に基づいて磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上での磁場ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。
Next, the control unit 3 reads the normal vector already calculated in
さらに、制御部3は、このステップで計算された磁場ベクトルと、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されている磁性体の磁化と磁場の関係から、磁性体を構成する粒子の磁化ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。なお、具体的な方法はステップ106で説明した方法(ステップ201〜ステップ213参照)と同様である。
Further, the control unit 3 determines the magnetization of the particles constituting the magnetic body from the relationship between the magnetic field vector calculated in this step and the magnetization of the magnetic body stored in the
次に制御部3は、このステップで計算された磁場ベクトルと磁化ベクトルを式(26)に代入し、磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上の磁束密度ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。
Next, the control unit 3 substitutes the magnetic field vector and the magnetization vector calculated in this step into Expression (26), calculates the magnetic flux density vector on the position vector of the particles constituting the magnetic body, and stores it in the
なお、真空の透磁率はあらかじめ記憶装置5に記憶されているものを制御部3が読み込む。
The control unit 3 reads the vacuum permeability stored in the
(コイルを構成する粒子)
コイルを構成する粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトルは式(27)、式(28)で記載される。
(Particulate particles)
The magnetic field vector on the position vector of the particles constituting the coil is described by Expression (27) and Expression (28).
ここで、太字のrは位置ベクトル、太字のHは磁場ベクトル、Nは磁性体を構成する粒子の数、sおよびΔSは磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素の境界面数と境界面積、太字のMは磁化ベクトル、太字のnは法線ベクトルであり、添え字のiはコイルを構成する粒子の内、i番目の粒子の位置ベクトル上での物理量、jは磁性体を構成する粒子の内、j番目の粒子の位置ベクトル上での物理量であり、jqは磁性体を構成する粒子の内、j番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素のq点での物理量を指し示す。 Here, the bold letter r is a position vector, the bold letter H is a magnetic field vector, N is the number of particles constituting the magnetic body, s and ΔS are the number of boundary faces and boundaries of the polyhedron element having the particle constituting the magnetic body as the center of gravity. Area, bold M is a magnetization vector, bold n is a normal vector, subscript i is a physical quantity on the position vector of the i-th particle among the particles constituting the coil, and j is a magnetic material Jq is the physical quantity on the position vector of the j-th particle, and jq is the physical quantity at the point q of the polyhedron element whose center of gravity is the position vector of the j-th particle among the particles constituting the magnetic body. Point to.
式(27)の右辺第一項は、磁性体を構成する粒子がコイルを構成する粒子の位置ベクトル上に作る磁場ベクトルを記述する項であり、式(28)で表される。 The first term on the right side of Equation (27) is a term describing a magnetic field vector created on the position vector of the particles constituting the coil by the particles constituting the magnetic material, and is represented by Equation (28).
式(27)の右辺第二項は、コイルを構成する粒子がコイルを構成する粒子の位置ベクトル上に作る磁場ベクトルであり式(1)〜(12)で表される。 The second term on the right side of the equation (27) is a magnetic field vector formed on the position vector of the particles constituting the coil by the particles constituting the coil, and is represented by equations (1) to (12).
磁場解析装置1の制御部3は、ステップ103において計算し記憶装置5に記憶されているコイルを構成する粒子の位置ベクトルを記憶装置5より読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads the position vector of the particles constituting the coil calculated in
なお、ステップ113においてコイルを構成する粒子の位置ベクトルが更新されている場合は、制御部3はその値を読み込む。
In addition, when the position vector of the particle | grains which comprise a coil is updated in
次に、制御部3はステップ102より計算され記憶装置5に記憶されている磁性体を構成する粒子の数と多面体要素の面数、および粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のq点の位置ベクトルを読み込む。
Next, the control unit 3 calculates the number of particles constituting the magnetic body and the number of faces of the polyhedron element calculated from
また、制御部3はこのステップで計算され記憶装置5に記憶されている、磁性体を構成する粒子の磁化ベクトルを読み込む。
Further, the control unit 3 reads the magnetization vector of the particles constituting the magnetic body, which is calculated in this step and stored in the
さらに、制御部3はステップ103において計算され記憶装置5に記憶されているコイルの寸法およびステップ101で入力情報21として記憶装置5に記憶されている電流密度ベクトルを読み込む。
Further, the control unit 3 reads the coil size calculated in
なお、ステップ116において電流密度ベクトルが更新されている場合は、制御部3はその値を読み込む。
If the current density vector is updated in
その後、制御部3は式(27)、式(28)および式(1)〜(12)に従い、コイルを構成する粒子の位置ベクトル上での磁場ベクトルを計算し、記憶装置5に記憶する。
Thereafter, the control unit 3 calculates the magnetic field vector on the position vector of the particles constituting the coil in accordance with the equations (27), (28), and (1) to (12), and stores them in the
制御部3は、コイルを構成する粒子の位置ベクトル上での磁束密度ベクトル(太字の)Biを、すでに計算されているコイルを構成する粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトルに真空の透磁率を掛けて計算し記憶装置5に記憶する。
The control unit 3 converts the magnetic flux density vector (bold) B i on the position vector of the particles constituting the coil into the magnetic field vector on the position vector of the particles constituting the coil that has already been calculated, and the vacuum permeability. Multiply and store in the
真空の透磁率は、あらかじめ記憶装置5に記憶されている。
The magnetic permeability of the vacuum is stored in the
以上が、ステップ110の詳細である。
The details of
このように、制御部3は、磁場の運動方程式を解くことにより磁性体の磁化現象を解析する。 Thus, the control unit 3 analyzes the magnetization phenomenon of the magnetic material by solving the motion equation of the magnetic field.
そのため、有限要素法のように空間全域をメッシュ分割する必要がなく、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる。 Therefore, it is not necessary to divide the entire space into meshes unlike the finite element method, and the magnetic field analysis can be efficiently performed with sufficient accuracy for a system having a magnetic body.
また、運動方程式を解くため、行列を扱わず、計算に必要なメモリ量は粒子数に比例する。 In addition, since the equation of motion is solved, a matrix is not handled and the amount of memory necessary for the calculation is proportional to the number of particles.
次に、磁場解析装置1の制御部3はSPMモータ31を構成する全ての粒子に働く力ベクトルを計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ111)。 Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 calculates a force vector acting on all the particles constituting the SPM motor 31 and stores it in the storage device 5 (step 111 in FIG. 5).
以下に図5のステップ111を具体的に説明する。 The step 111 in FIG. 5 will be specifically described below.
(磁性体を構成する粒子に働く力ベクトル)
正準変数を太字のri、太字の傍点付きriとし、式(13)のラグランジアンをラグランジュの運動方程式に代入する。
(Force vector acting on particles constituting magnetic material)
Let the canonical variables be bold r i and bold r i with side points, and the Lagrangian of equation (13) is substituted into the Lagrangian equation of motion.
すると、磁性体を構成する粒子に働く力は式(29)のように記載される。 Then, the force acting on the particles constituting the magnetic material is described as shown in Expression (29).
ここで、μ0は真空の透磁率、太字のHは磁場ベクトル、太字のMは磁化ベクトル、太字のrは位置ベクトル、ΔVは体積、Nは磁性体を構成する粒子数であり、添え字のi、jは磁性体を構成する粒子の内、i番目、j番目の粒子の物理量を指し示し、iqは磁性体を構成する粒子の内、i番目の粒子を重心とする多面体要素内のq点の物理量を指し示す。 Here, μ 0 is the vacuum permeability, bold H is the magnetic field vector, bold M is the magnetization vector, bold r is the position vector, ΔV is the volume, and N is the number of particles constituting the magnetic body. I and j indicate the physical quantities of the i-th and j-th particles among the particles constituting the magnetic material, and iq represents the q in the polyhedral element having the ith particle as the center of gravity among the particles constituting the magnetic material. Indicates the physical quantity of a point.
また、φ(ri−rj)はi番目の粒子とj番目の粒子の相互作用ポテンシャルエネルギである。 Φ (r i −r j ) is an interaction potential energy between the i-th particle and the j-th particle.
本実施形態ではSPMモータを剛体(粒子間の相対距離が不変)とする。 In this embodiment, the SPM motor is a rigid body (relative distance between particles is unchanged).
剛体モデルとすると、磁性体を構成する粒子に働く力は式(30)のように記載される。 Assuming that the model is a rigid model, the force acting on the particles constituting the magnetic material is described as in equation (30).
磁場解析装置1の制御部3は、ステップ110までにおいて計算され記憶装置5に記憶されている磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のp点での磁場ベクトルを読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads the magnetic field vector at the point p in the polyhedron element with the particle constituting the magnetic body calculated up to step 110 and stored in the
制御部3は、p点での磁場ベクトルと、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されている磁性体の磁化と磁場の関係から、p点での磁化ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。なお、具体的な方法はステップ106で説明した方法(ステップ201〜ステップ213参照)と同様である。
The control unit 3 calculates the magnetization vector at the point p from the magnetic field vector at the point p and the relationship between the magnetization and the magnetic field of the magnetic material stored in the
また、制御部3は、ステップ104で計算され記憶装置5に記憶されている磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積を読み込む。
In addition, the control unit 3 reads the polyhedral element volume having the vertex of the polyhedral element boundary surface having the particle center and the particle constituting the magnetic body calculated in
次に、制御部3は、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のp点の磁場ベクトルの偏微分を計算し、その値に基づいて、式(30)より力ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。
Next, the control unit 3 calculates the partial differentiation of the magnetic field vector at the point p in the polyhedral element with the particle constituting the magnetic body as the center of gravity, and calculates the force vector from the equation (30) based on the value. Store in the
(コイルを構成する粒子に働く力ベクトル)
コイルを構成する粒子のうち、i番目の粒子の位置ベクトルを太字のri、その位置ベクトルでの電流の単位ベクトルを太字のti、磁束密度ベクトルを太字のBi、電流の流れる方向のコイルの長さをLiとすると、コイルを構成する粒子の内、i番目の粒子に働く力ベクトルは以下の式(31)で記載される。
(Force vector acting on the particles constituting the coil)
Of the particles constituting the coil, the position vector of the i-th particle is bold r i , the current unit vector at that position vector is bold t i , the magnetic flux density vector is bold B i , and the current flow direction When the length of the coil and L i, of the particles constituting the coil, the force vector acting on the i-th particle is described by the following equation (31).
磁場解析装置1の制御部3は、ステップ103において計算され記憶装置5に記憶されているコイルを構成する粒子の位置ベクトルを読み込む。
The control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 reads the position vector of the particles constituting the coil calculated in
なお、ステップ113においてコイルを構成する粒子の位置ベクトルが更新されている場合は制御部3はその値を読み込む。
If the position vector of the particles constituting the coil has been updated in
また、制御部3はステップ103において計算され記憶装置5に記憶されているコイルの寸法を読み込む。
Further, the control unit 3 reads the dimensions of the coil calculated in
次に、制御部3は、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されているコイルの電流密度ベクトルを読み込む。
Next, the control unit 3 reads the current density vector of the coil stored in the
なお、制御部3は、ステップ116においてコイルの電流密度ベクトルが更新されている場合はその値を用いる。
Note that if the current density vector of the coil is updated in
制御部3は、式(31)に基づいて、コイルを構成する粒子に働く力ベクトルを計算し記憶装置5に記憶する。
The control unit 3 calculates a force vector acting on the particles constituting the coil based on the equation (31) and stores the force vector in the
以上が、図5のステップ111の詳細である。 The above is the details of step 111 in FIG.
次に、磁場解析装置1の制御部3は、ステップ111で計算した可動部(移動子)を構成する粒子に働く力ベクトルから、可動部(移動子)の回転量、角速度、並進量、並進速度を計算し、記憶装置5に記憶する(図5のステップ112)。 Next, the control unit 3 of the magnetic field analyzer 1 calculates the rotation amount, angular velocity, translation amount, translation of the movable unit (moving element) from the force vector acting on the particles constituting the moving part (moving element) calculated in step 111. The speed is calculated and stored in the storage device 5 (step 112 in FIG. 5).
以下に図5のステップ112を具体的に説明する。
The
剛体の並進運動の運動方程式は式(32)で表される。 The equation of motion of the translational motion of the rigid body is expressed by equation (32).
ここで、mtotは可動部(移動子)の質量、太字のrcは可動部(移動子)において任意に定めた代表点の位置ベクトル、太字のFは可動部(移動子)を構成する粒子に働く力ベクトル、Nは可動部(移動子)を構成する粒子数である。 Here, m tot constitutes the mass of the movable portion (movable element), the position vector of the representative point arbitrarily determined in bold r c is the movable portion (movable element), bold F movable portion (slider) The force vector acting on the particles, N, is the number of particles constituting the movable part (moving element).
次に、任意の固定点の周りの回転運動の運動方程式は式(33−1)、式(33−2)、式(33−3)で表される。 Next, the equation of motion of the rotational motion around an arbitrary fixed point is expressed by Equation (33-1), Equation (33-2), and Equation (33-3).
ここで、I1、I2、I3は剛体の主慣性モーメント、ω1、ω2、ω3は慣性主軸座標系での角速度、N1、N2、N3は慣性主軸座標系でのトルクである。 Here, I 1 , I 2 , and I 3 are the main inertia moment of the rigid body, ω 1 , ω 2 , and ω 3 are the angular velocities in the inertial principal axis coordinate system, and N 1 , N 2 , and N 3 are the inertial principal axis coordinate systems. Torque.
本実施例のSPMモータ31のロータ31はロータシャフト41を通じてある回転軸に固定されている。 The rotor 31 of the SPM motor 31 of this embodiment is fixed to a certain rotating shaft through a rotor shaft 41.
固定された回転軸をz軸とすると、ロータ31の運動は以下のように計算される。 If the fixed rotation axis is the z axis, the motion of the rotor 31 is calculated as follows.
ロータ31はロータシャフト41を通じてz軸に固定されているため、z軸周りの回転運動の運動方程式を解くことで、ロータ31の運動は計算される。 Since the rotor 31 is fixed to the z-axis through the rotor shaft 41, the motion of the rotor 31 can be calculated by solving the motion equation of the rotational motion around the z-axis.
z軸周りのロータ31の回転運動の運動方程式は式(34)で表される。 The equation of motion of the rotational motion of the rotor 31 around the z-axis is expressed by equation (34).
ここで、Izはロータ31の慣性モーメント、ωzはz方向の角速度、Nzはz方向のトルクである。 Here, I z is the moment of inertia of the rotor 31, ω z is the angular velocity in the z direction, and N z is the torque in the z direction.
式(34)を蛙飛び法で離散化すると、以下の式(35)、式(36)を得る。 When the equation (34) is discretized by the flying method, the following equations (35) and (36) are obtained.
ここで、θzはz軸周りの回転量であり、dtは微小時間刻み幅である。 Here, θ z is a rotation amount around the z axis, and dt is a minute time step.
また、添え字のn−1/2、n、n+1/2、n+1はそれぞれ(n―1/2)dt、ndt、(n+1/2)dt、(n+1)dt秒での物理量に対応している。 The subscripts n−1 / 2, n, n + 1/2, and n + 1 correspond to physical quantities in (n−1 / 2) dt, ndt, (n + 1/2) dt, and (n + 1) dt, respectively. Yes.
時間刻み幅は記憶装置5にあらかじめ任意の値が記憶されているものを制御部3が読み込む。
The control unit 3 reads the time step width in which an arbitrary value is stored in the
回転量、角速度の初期値は記憶装置5にあらかじめ任意の値が記憶装置5に記憶されている。
Initial values of the rotation amount and the angular velocity are stored in the
なお、すでにステップ112においてロータ31の回転量、角速度が更新されている場合はその値を用いる。
If the rotation amount and angular velocity of the rotor 31 have already been updated in
制御部3は、ステップ101より入力情報21として記憶装置5に記憶されているロータ31の三次元構造と質量密度により慣性モーメントを計算する。
The controller 3 calculates the moment of inertia from the three-dimensional structure and mass density of the rotor 31 stored in the
さらに、制御部3は、ロータ31を構成する粒子の位置ベクトルと、ステップ111で計算し記憶装置5に記憶されているロータ31を構成する粒子に働く力ベクトルに基づいて、式(35)、式(36)を計算し、dt秒後のロータ31の回転量と角速度を計算し記憶装置5に記憶する。
Further, the control unit 3 calculates the equation (35) based on the position vector of the particles constituting the rotor 31 and the force vector acting on the particles constituting the rotor 31 calculated in step 111 and stored in the
以上が、図5のステップ112の詳細である。
The above is the details of
次に、磁場解析装置1の制御部3はステップ112で計算した微小時間後の回転量や重心の移動量を基に、移動子を構成している粒子の位置ベクトルを計算し、記憶する(図5のステップ113)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 calculates and stores the position vector of the particles constituting the moving element based on the rotation amount after a minute time and the movement amount of the center of gravity calculated in step 112 (
次に、磁場解析装置1の制御部3は必要に応じてSPMモータ31を構成する粒子の位置ベクトル、力ベクトル、磁場ベクトル、磁束密度ベクトル、磁化ベクトルをプリンタポート11を介してプリンタ12より出力する(図5のステップ114)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analyzer 1 outputs the position vector, force vector, magnetic field vector, magnetic flux density vector, and magnetization vector of the particles constituting the SPM motor 31 from the
次に、磁場解析装置1の制御部3は所定の終了条件(時間、移動量等)を満たしているかを判断し、満たしている場合は解析を終了し、満たしていない場合はステップ116に進む(図5のステップ115)。 Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 determines whether or not a predetermined end condition (time, amount of movement, etc.) is satisfied. If it is satisfied, the analysis ends, and if not, the process proceeds to step 116. (Step 115 in FIG. 5).
次に、磁場解析装置1の制御部3は必要に応じてコイル45に流れる電流密度ベクトルを更新し、ステップ104に戻る(図5のステップ116)。
Next, the control unit 3 of the magnetic field analysis apparatus 1 updates the current density vector flowing in the coil 45 as necessary, and returns to Step 104 (
以上が本実施形態に係る磁場解析の手順である。 The above is the magnetic field analysis procedure according to the present embodiment.
このように、本実施形態によれば、磁場解析装置1が粒子のラグラジアンから導出される運動方程式を解くことで磁性体の磁化現象を計算する。 As described above, according to the present embodiment, the magnetic field analysis apparatus 1 calculates the magnetization phenomenon of the magnetic material by solving the equation of motion derived from the Lagrangian of the particle.
そのため、有限要素法のように空間全域をメッシュ分割する必要がなく、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる。 Therefore, it is not necessary to divide the entire space into meshes unlike the finite element method, and the magnetic field analysis can be efficiently performed with sufficient accuracy for a system having a magnetic body.
また、行列を扱わないので、計算に必要なメモリは粒子(要素)数に比例する。そのため、非対称密行列を扱う計算に比べてメモリを大幅に減少させることができる。 In addition, since the matrix is not handled, the memory required for the calculation is proportional to the number of particles (elements). Therefore, the memory can be greatly reduced as compared with the calculation that handles the asymmetric dense matrix.
さらに、本実施形態によれば、磁性体の磁化を求める際に、モンテカルロ法を用いて求めた平衡状態のスピン系で表現される磁性体の磁化と磁場の関係を用いている。 Furthermore, according to the present embodiment, when the magnetization of the magnetic material is obtained, the relationship between the magnetization of the magnetic material and the magnetic field expressed by an equilibrium spin system obtained using the Monte Carlo method is used.
そのため、磁性体の本来有する磁気ヒステリシスを考慮した解析が可能であり、実機における磁性体の挙動を正確に把握できる。また、モンテカルロ法の適用にあたって、確率変数にボルツマン分布を用いているため、時間とともに温度が変化する場合の磁性体の挙動を正確に把握できる。 Therefore, analysis considering the magnetic hysteresis inherent in the magnetic material is possible, and the behavior of the magnetic material in the actual machine can be accurately grasped. In addition, since the Boltzmann distribution is used as the random variable when the Monte Carlo method is applied, the behavior of the magnetic material when the temperature changes with time can be accurately grasped.
また、本実施形態によれば、磁性体を構成する粒子のラグランジアンから導出された磁場の運動方程式の解を演算しているため、外部からの入力が変化しない場合、系の全エネルギーが保存される。 Further, according to the present embodiment, since the solution of the motion equation of the magnetic field derived from the Lagrangian of the particles constituting the magnetic body is calculated, the total energy of the system is preserved when the external input does not change. The
上記した実施形態では、本発明を磁性体を構成する粒子のラグラジアンから導出される運動方程式を解くことで磁性体の磁化現象を計算した場合について説明したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、運動方程式であればラグランジアンから導出されたもの以外のものであってもよい。 In the above-described embodiment, the case where the magnetization phenomenon of the magnetic material is calculated by solving the equation of motion derived from the Lagrangian of the particles constituting the magnetic material has been described, but the present invention is not limited to this. Instead, any equation other than that derived from a Lagrangian may be used as long as it is an equation of motion.
また、上記した実施形態では本発明をSPMモータ31の磁場解析に使用したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、磁性体が配置された空間における任意の磁場を解析するものであれば、例えばリニアモータ等のSPMモータ31以外のモータ、あるいは磁性体で空間を囲む磁気シールドにおいて、磁性体でシールドされた空間内の磁場解析に用いても良い。 In the above-described embodiment, the present invention is used for the magnetic field analysis of the SPM motor 31. However, the present invention is not limited to this, and the present invention analyzes an arbitrary magnetic field in the space where the magnetic body is arranged. If so, for example, a motor other than the SPM motor 31 such as a linear motor or a magnetic shield surrounding the space with a magnetic material may be used for magnetic field analysis in the space shielded by the magnetic material.
1…………磁場解析装置
3…………制御部
5…………記憶装置
7…………入力部
9…………表示部
11………プリンタポート
12………プリンタ
13………バス
31………SPMモータ
33………ロータ
35………ステータ
37………ロータコア
39………永久磁石
41………ロータシャフト
43………ステータティース
44………コアバック
45………コイル
46………フレーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ………… Magnetic field analyzer 3 …………
Claims (42)
前記磁性体の形状と、スピン系で表現される前記磁性体の磁化と磁場の関係を有する解析条件と、磁場の運動方程式を記憶する記憶手段と、
前記解析条件から、前記磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の係数、変数の初期値および定数を演算して、前記磁場の運動方程式の解を演算し、該解に基づき、前記空間における任意の点の磁場を演算する演算手段と、
を有することを特徴とする磁場解析装置。 A magnetic field analysis device for analyzing a magnetic field at an arbitrary point in a space where a magnetic material is arranged using an information processing device,
Storage means for storing the shape of the magnetic material, analysis conditions having a relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material expressed by a spin system, and a motion equation of the magnetic field;
From the analysis conditions, the coefficient of the motion equation of the magnetic field of the particles constituting the magnetic body, the initial value and the constant of the variable are calculated, the solution of the motion equation of the magnetic field is calculated, and based on the solution, A computing means for computing the magnetic field at an arbitrary point;
A magnetic field analysis apparatus comprising:
磁性体モデルのスピン系の平衡状態で表現される磁場とスピンの関係と、
スピン系の平衡状態におけるスピンの総和で表現されるスピンと磁化の関係と、
を有することを特徴とする請求項2記載の磁場解析装置。 The relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material is
The relationship between the magnetic field and spin expressed in the equilibrium state of the spin system of the magnetic model,
The relationship between spin and magnetization expressed as the sum of spins in the equilibrium state of the spin system,
The magnetic field analysis apparatus according to claim 2, comprising:
磁性体モデルのスピン系のエネルギー式にモンテカルロ法を適用することによりスピン系の平衡状態を求める平衡状態算出手段を有することを特徴とする請求項3記載の磁場解析装置。 The analysis conditions are:
4. The magnetic field analysis apparatus according to claim 3, further comprising an equilibrium state calculating means for obtaining an equilibrium state of the spin system by applying a Monte Carlo method to the energy equation of the spin system of the magnetic material model.
前記磁性体のスピン系を設定し、前記スピン系を構成するスピンの一部を無作為に反転させ、反転前後のエネルギーの差分を求める差分算出手段と、
前記差分が0以下の場合、もしくは0より大きく、ボルツマン分布を用いた確率変数が一様乱数よりも大きい場合に反転後のスピン系を選択し、それ以外の場合は反転前のスピン系を選択する選択手段と、
前記差分算出手段、前記選択手段を1モンテカルロステップ繰り返す繰り返し手段と、
を有することを特徴とする請求項4記載の磁場解析装置。 The equilibrium state calculating means includes
A difference calculation means for setting a spin system of the magnetic material, randomly inverting a part of the spins constituting the spin system, and obtaining a difference in energy before and after the inversion;
If the difference is less than or equal to 0, or greater than 0 and the random variable using the Boltzmann distribution is greater than a uniform random number, select the spin system after inversion, otherwise select the spin system before inversion Selection means to
The difference calculating means, the selecting means and repeating means for repeating one Monte Carlo step;
The magnetic field analysis apparatus according to claim 4, wherein:
前記磁化算出手段は、前記式(4)を用いて磁化を計算することを特徴とする請求項9に記載の磁場解析装置。
The magnetic field analysis apparatus according to claim 9, wherein the magnetization calculation unit calculates the magnetization using the equation (4).
前記磁性体を構成する粒子の位置ベクトルと、
前記磁性体の磁化と磁場の関係と、
から演算されることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の磁場解析装置。 The coefficient of the equation of motion of the magnetic field is
A position vector of particles constituting the magnetic body;
The relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material,
The magnetic field analysis apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field analysis apparatus is calculated from the following.
磁場の項を含む粒子のラグランジアンを磁場ベクトルと磁場ベクトルの時間微分を正準変数としてラグランジュの運動方程式に代入することで求められたことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の磁場解析装置。 The equation of motion of the magnetic field is
14. The particle Lagrangian including a magnetic field term is obtained by substituting the Lagrangian equation of motion with a magnetic field vector and a time derivative of the magnetic field vector as a canonical variable. Magnetic field analyzer.
前記解析条件は導体の形状と電流を有することを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の磁場解析装置。 A conductor is further arranged in the space,
The magnetic field analysis apparatus according to claim 1, wherein the analysis conditions include a conductor shape and a current.
(太字の)r:位置ベクトル
(太字の)H:磁場ベクトル
(太字の傍点付き)H:磁場ベクトルの時間微分
(太字の)M:磁化ベクトル
(太字の)n:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の法線ベクトル
(太字の)Hext:外部からの印加磁場ベクトル
ΔS:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の面積
ΔV:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積
χ:磁気感受率
μ0:真空の透磁率
λ:ラグランジュの未定定数
π:円周率
s:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面数
添え字ip:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点での物理量
添え字jq:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のq点での物理量
m:質量
v:速度
φ(ri−rj):i番目の粒子とj番目の粒子の相互作用ポテンシャルエネルギ
添え字i、j:i番目の粒子とj番目の粒子の物理量 15. The magnetic field analysis apparatus according to claim 14, wherein the Lagrangian of the particles is a function represented by the following formulas (A) to (C) when the number of particles constituting the magnetic material is N.
δt:仮想的な時間刻み
添え字n:nδtにおける物理量
添え字n−1/2:(n−1/2)δtにおける物理量
添え字n+1/2:(n+1/2)δtにおける物理量
添え字n+1:(n+1)δtにおける物理量
The equation of motion of the magnetic field is obtained by adding a discretized equation represented by the following equations (E), (F), and (G) and a binding force represented by the following equations (H) and (I). The magnetic field analysis apparatus according to claim 17, further comprising:
前記磁性体の形状と、スピン系で表現される前記磁性体の磁化と磁場の関係を有する解析条件と磁場の運動方程式を記憶する工程(a)と、
前記解析条件から、前記磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の係数および変数の初期値および定数を演算して、磁場の運動方程式の解を演算し、
磁場の運動方程式の解に基づき、前記空間における任意の点の磁場を演算する工程(b)と、
を有することを特徴とする磁場解析方法。 A magnetic field analysis method for analyzing a magnetic field at an arbitrary point in a space where a magnetic material is arranged using an information processing device,
(A) storing the shape of the magnetic material, analysis conditions having a relationship between the magnetization of the magnetic material expressed by a spin system and a magnetic field, and an equation of motion of the magnetic field;
From the analysis conditions, calculate the initial value and constant of the equation of motion and the variable of the magnetic field of the particles constituting the magnetic body, calculate the solution of the motion equation of the magnetic field,
A step (b) of calculating a magnetic field at an arbitrary point in the space based on the solution of the equation of motion of the magnetic field;
A magnetic field analysis method characterized by comprising:
磁性体モデルのスピン系の平衡状態で表現される磁場とスピンの関係と、
スピン系の平衡状態におけるスピンの総和で表現されるスピンと磁化の関係と、
を有することを特徴とする請求項26記載の磁場解析方法。 The relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material is
The relationship between the magnetic field and spin expressed in the equilibrium state of the spin system of the magnetic model,
The relationship between spin and magnetization expressed as the sum of spins in the equilibrium state of the spin system,
27. The magnetic field analysis method according to claim 26, comprising:
磁性体モデルのスピン系のエネルギー式にモンテカルロ法を適用することによりスピン系の平衡状態を求める平衡状態算出工程を有することを特徴とする請求項27記載の磁場解析方法。 The analysis conditions are:
28. The magnetic field analysis method according to claim 27, further comprising an equilibrium state calculation step of obtaining an equilibrium state of the spin system by applying a Monte Carlo method to the energy equation of the spin system of the magnetic material model.
前記磁性体のスピン系を設定し、前記スピン系を構成するスピンの一部を無作為に反転させ、反転前後のエネルギーの差分を求める差分算出手工程と、
前記差分が0以下の場合、もしくは0より大きく、ボルツマン分布を用いた確率変数が一様乱数よりも大きい場合に反転後のスピン系を選択し、それ以外の場合は反転前のスピン系を選択する選択工程と、
前記差分算出工程、前記選択工程を1モンテカルロステップ繰り返す繰り返し工程と、
を有することを特徴とする請求項28記載の磁場解析方法。 The equilibrium state calculation step includes
A difference calculating step of setting a spin system of the magnetic material, randomly inverting a part of the spins constituting the spin system, and obtaining a difference in energy before and after the inversion;
If the difference is less than or equal to 0, or greater than 0 and the random variable using the Boltzmann distribution is greater than a uniform random number, select the spin system after inversion, otherwise select the spin system before inversion A selection process to
A step of repeating the difference calculating step and the selecting step by one Monte Carlo step;
The magnetic field analysis method according to claim 28, comprising:
前記磁化算出工程は、前記式(4)を用いて磁化を計算することを特徴とする請求項33に記載の磁場解析方法。
The magnetic field analysis method according to claim 33, wherein the magnetization calculation step calculates the magnetization using the equation (4).
前記磁性体を構成する粒子の位置ベクトルと、
前記磁性体の磁化と磁場の関係と、
から演算されることを特徴とする請求項25〜36のいずれか一項に記載の磁場解析方法。 The coefficient of the equation of motion of the magnetic field is
A position vector of particles constituting the magnetic body;
The relationship between the magnetization and magnetic field of the magnetic material,
37. The magnetic field analysis method according to claim 25, wherein the magnetic field analysis method is calculated from:
磁場の項を含む粒子のラグランジアンを磁場ベクトルと磁場ベクトルの時間微分を正準変数としてラグランジュの運動方程式に代入することで求められたことを特徴とする請求項25〜37のいずれかに記載の磁場解析方法。 The equation of motion of the magnetic field is
The particle Lagrangian including the term of the magnetic field is obtained by substituting the Lagrangian equation of motion with the magnetic field vector and the time derivative of the magnetic field vector as a canonical variable. Magnetic field analysis method.
前記解析条件は導体の形状と電流を有することを特徴とする請求項25〜38のいずれかに記載の磁場解析方法。 A conductor is further arranged in the space,
The magnetic field analysis method according to any one of claims 25 to 38, wherein the analysis conditions include a shape of a conductor and a current.
(太字の)r:位置ベクトル
(太字の)H:磁場ベクトル
(太字の傍点付き)H:磁場ベクトルの時間微分
(太字の)M:磁化ベクトル
(太字の)n:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の法線ベクトル
(太字の)Hext:外部からの印加磁場ベクトル
ΔS:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の面積
ΔV:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積
χ:磁気感受率
μ0:真空の透磁率
λ:ラグランジュの未定定数
π:円周率
s:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面数
添え字ip:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のp点での物理量
添え字jq:粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のq点での物理量
m:質量
v:速度
φ(ri−rj):i番目の粒子とj番目の粒子の相互作用ポテンシャルエネルギ
添え字i、j:i番目の粒子とj番目の粒子の物理量 39. The magnetic field analysis method according to claim 38, wherein the Lagrangian of the particles is a function represented by the following formulas (A) to (C) when the number of particles constituting the magnetic material is N.
δt:仮想的な時間刻み
添え字n:nδtにおける物理量
添え字n−1/2:(n−1/2)δtにおける物理量
添え字n+1/2:(n+1/2)δtにおける物理量
添え字n+1:(n+1)δtにおける物理量 The equation of motion of the magnetic field is obtained by adding a discretized equation represented by the following equations (E), (F), and (G) and a binding force represented by the following equations (H) and (I). 42. The magnetic field analysis method according to claim 41, further comprising:
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