日立エナジー、シミュレーションとPyAnsysを活用して変圧器の効率と安全性を向上

電灯のスイッチを押すときに、そもそも電気がどのように家に届いたかを考えることは稀でしょう。私たちは、照明が点くことを当然のこととして想定しています。しかし、発電所から住宅、企業、学校などの主要な建物に電力が供給されるまでに、さまざまな要素が絡んでいます。変圧器は、送電プロセスの安全性と効率を確保する上で最も重要なコンポーネントの1つです。変圧器は、電力線を介して電気を効率的に伝送できるように電圧を上げたり、消費者が安全に使用できるように電圧を下げたりする、電力グリッド内の電圧レベルを調整する装置です。  

日立エナジーの変圧器の開発を担当するチームは、数十年にわたるエンジニアリングの専門知識を活かして、さまざまな動作条件によって生じる固有の課題に対処しながら、変圧器の性能を向上させることに取り組んでいます。同社では、高度なシミュレーションテクノロジーを活用して、変圧器の設計とテストを効率化し、効率的で信頼性の高いエネルギーソリューションを実現しています。

電磁界、熱、構造の解析に有限要素法（FEM: Finite Element Method）などの数値シミュレーションを統合することで、変圧器設計の重要な側面を最適化できます。これらのシミュレーションは、エネルギー損失、熱分布、物理的応力に耐える能力など、主要なパフォーマンス因子に関する知見をもたらします。シミュレーションを戦略的に適用することで、コストのかかる設計反復を最小限に抑え、試験や運用時の故障リスクを低減できます。

日立エナジーのプリンシパルR&DエンジニアであるIrene Woyna氏は次のように述べています。「変圧器は150年ほど前に誕生しました。まだ誰もシミュレーションについて知らない時代です。現在では、たとえば変圧器の効率をさらに2%向上させたいと考えた場合に、多大な努力が必要となります。そうした場面でこそ、シミュレーションが役立ちます。」

技術面および安全面の課題への対応

変圧器の設計にはさまざまな課題がありますが、どれも正確な解決策が必要となります。変圧器は25～30年の寿命にわたって、雨、雪、極端な温度、機械的損傷、落雷など、過酷な条件にさらされます。Woyna氏は次のように述べています。「変圧器の寿命中に起こり得るすべての問題を考慮し、変圧器が業界の安全および運用規格に準拠していることを確認することが必要です。」

変圧器が製造施設から送り出される前に、FAT（工場受入試験）を実施して、業界規格を満たしていることを確認する必要があります。これには、温度耐性、構造解析、電流定格などの試験が含まれます。

Woyna氏は次のように述べています。「FAT（工場受入試験）は、規格で設定されたすべての試験に合格することを保証するための最終的な検査です。合格後、変圧器が出荷されます。シミュレーションを導入することで、設計の早い段階から、当社の変圧器が確実に試験に合格することが保証されます。」

Woyna氏と日立エネルギーのチームは、電磁界の挙動を解析するために、Ansys Maxwellの高度な電磁界ソルバーを使用して、抵抗やインダクタンスなどの主要な電気パラメータを決定しました。これにより、巻線などの重要なコンポーネントに電磁力がどのような影響を及ぼすのかを評価できます。これらのコンポーネントにより電圧の変換が可能になりますが、動作中に大きな機械的応力を受ける可能性があります。

同チームは、構造の有限要素法解析ソフトウェアであるAnsys Mechanicalを使用して、短絡条件など、異常な状況下にある変圧器の構造健全性をテストしています。このような事象が発生した場合には、電流が通常動作時をはるかに超えたレベルまで急増し、巻線やその他のコンポーネントに大きな機械的な力が加わることもあります。これらのシナリオをシミュレーションすることで、エンジニアは、コンポーネントが完全で機能的な状態が維持されるように設計を改良することができます。

電磁解析や構造解析に加えて、日立チームは、熱分布とそれが変圧器の絶縁材料や全体効率に与える潜在的な影響を研究するために、Ansys Fluent流体シミュレーションソフトウェアを用いた熱シミュレーションも実施しています。これは特に、ホットスポットを特定して、温度レベルが安全な動作限界内にあることを確認する上で重要です。

このような課題を開発プロセスの早い段階で予測して軽減できることで、時間とコストを節約するだけでなく、変圧器とそれがサポートするシステムの両方の安全性と信頼性を強化できるようになります。

構造解析を実行するために、Ansys Maxwellの単純な座標変換を使用した2Dの力分布（左）から3Dの力分布（右）へのマッピング

PyAnsysによるワークフローの自動化

日立エナジーは、変圧器の開発におけるシミュレーションタスクを効率化するために、Ansysのツールに対応するPyAnsys Pythonicアクセスツールを導入しました。PyAnsysのオープンソースライブラリであるPyAEDTは、エレクトロニクスシステム設計プラットフォームであるAnsys Electronics Desktop（AEDT）と直接統合できます。これにより、シミュレーションの専門家でなくても、エンジニアはモデルの作成、シミュレーションの設定、結果の解析などのプロセスを自動化できるようになります。

Woyna氏は次のように述べています。「このツールによって実現することの1つは、電磁界やシミュレーションソフトウェアの専門家でなくても、シミュレーションソフトウェアでテストを実行できるようになり、広くシミュレーションを活用できることです。これがPyAEDTの強みです。PyAEDTを使用してワークフローを自動化する上で、Pythonのエキスパートである必要はありません。」

日立エナジーの開発チームは、短絡インピーダンス計算にPyAEDTツールを使用しています。エンジニアは、PyAEDTスクリプトを使用して、設計プラットフォームからの入力データに基づいて、ジオメトリ、材料、境界条件を含む詳細なMaxwellモデルを作成します。この自動化により、設定が迅速になり、さまざまなプロジェクト間でシミュレーションの一貫性が確保されます。また、PyAEDTで電磁界シミュレーションから巻線損失分布を抽出する電熱ワークフローにもPyAEDTツールを使用しています。これらの結果は、伝熱解析ツールにシームレスに転送され、変圧器内のホットスポットなどの重要な領域を特定できるようになります。PyAEDTでは、電磁界解析から導出された力分布をエクスポートでき、構造シミュレーションもサポートされます。これは、短絡などの応力条件下でコンポーネントのメカニカルインテグリティを評価するのに役立ちます。

重要なステップを自動化できることで、外部ツールやデータセットを含めることができ、設計プロセスのプロジェクト要件への適応が容易になります。たとえば、PyAEDTを高度なPythonライブラリと統合して、カスタムのプリプロセスおよびポストプロセスタスクを実行できるため、より柔軟に作業を進めることができます。

日立エナジーのエンジニアは、シミュレーションを解析に組み込むことで、実稼働条件が変圧器にどのように影響を及ぼすのかを理解して、設計の早い段階から潜在的な課題に対処できるようになりました。シミュレーションにより、多様で要件の厳しい環境でも信頼性の高いパフォーマンスを長期間にわたって発揮できる優れた変圧器を開発できるようになります。

Ansys, part of Synopsysのシミュレーションソリューションがパワーエレクトロニクスのニーズにどのように役立つかをご紹介します。