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ANSYS BLOG

October 25, 2021

電気モータの設計: 電磁界の問題?

競争が激化し、製品に対する要求が厳しくなりつつある昨今、企業には、モータ設計の可能性を広げ、より強力で効率に優れた電気モータを作り上げることがこれまで以上に求められています。これを達成するためには、電磁界解析、熱解析、および構造解析を組み合わせたマルチフィジックス解析が必要です。これにより、モータ設計者は、物理的限界を徹底的に調査したうえで最適な電気モータ設計を突き止めることができます。しかしながら最近までは、完全なマルチフィジックスでの解析は実施すること自体が複雑であったこと、また複数のスペシャリストチームの関与が必要であったことから、熱解析と構造解析は妥当性や信頼性の確認段階でのみで行われることが多く、初期コンセプト設計では単なる「電磁界の問題」として扱われることがほとんどでした。

初期コンセプト設計は単なる電磁界の問題?

電磁界解析のみによる初期の設計上の意思決定には制限が伴い、モータが最大限の可能性を発揮できなくなるおそれがあります。たとえば、同等の電流密度で比較したときには電磁界特性がまったく同じに見える2つの設計が、熱特性と機械特性を解析すると大きく異なることがあります。設計プロセスの初期段階からマルチフィジックス解析を行わなければ、モータ設計者が最適でない候補で作業を進めることにもなりかねません。実際、経験上、設計プロセスの初期にマルチフィジックス解析を組み入れることで、以下の例に示すように、根本的に異なる設計上の意思決定が導き出されることもあります。

電磁界解析だけで初期の設計上の意思決定を行う場合、通常、モータ設計者は、コンセプト設計の熱的能力を電流密度に基づいて判断してきました。図1に示す2つのモータ(占積率0.5の8極48スロット磁石埋込(IPM : Interior Permanent Magnet)型と、占積率0.5の8極12スロットIPM型)は、特定の電流密度での比較時には同等の性能を持つことが分かっています。電磁界解析のみで初期コンセプト設計を行えば、モータ設計者が、どちらの設計候補も許容できると結論付けてしまう可能性があります。

Figure 1: These two machines are shown to have equal performance when compared at a given density.

"図1 : 2つのモータを同じ電流密度の入力で電磁界解析のみで比較した場合,同等のトルク性能を持つ"

ただし、電磁界と熱の連成モデルを使用して同じ動作点を比較すると、図2に示すように、スロット数とスロットの形状がモータの熱挙動に大きく影響することが明らかになります(この例の温度差は60⁰C/140⁰F)。つまり、電磁界解析のみによる設計バリエーションの比較または最適化は、誤った設計の選択につながる可能性のある限定的なアプローチだということです。

Figure 2: Comparing or optimizing design variations with a given current density alone (a single physics approach) is flawed and may lead to an incorrect choice.

"図2 : 設計バリエーションの比較または最適化を特定の電流密度のみで行う(単一の物理場によるアプローチ)には無理があり、誤った選択につながる可能性があります。"

単一の物理場によるコンセプト設計からの脱却

複数の物理場を組み合わせたマルチフィジックスソフトウェアツールの出現により、それまでの制限、つまりマルチフィジックス解析が複雑で時間がかかり、複数のスペシャリストチームの関与を必要とするという障害を取り除くことができます。電磁界、熱、および構造の連成解析をすばやく簡単に実行できるようになり、モータ設計者は、設計プロセスの最初から設計空間を徹底的に調査・検討することができます。また、急速に進歩している電気モータ業界に携わり、大きなプレッシャーにさらされているモータ設計者にとっては、初期設計について的確な意思決定を行うことで後の想定外の問題を未然に防ぐためにも、かつてないほど不可欠なツールとなっています。

Ansys Motor-CADは、速度-トルクの広範囲な動作条件にわたって電気モータの高速マルチフジックスシミュレーションを実行できる、市場をリードしているツールです。設計エンジニアは、モータのトポロジーとコンセプトをすばやく簡単に評価し、性能、効率、およびサイズが最適化された設計を生成することができます。

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