(57)【要約】　　　（修正有）【課題】電流値と電流方向を入力する作業を簡素化し、かつ、各相の鎖交磁束を計算するための作業を簡素化する磁界解析計算機を提供する。【解決手段】電流設定器２７は、座標系内で巻線位置の電流方向を数学的に規定する数学的表現ハード部分２６を有している。数学的表現ハード部分は、数学的行列の要素Ａｊｋを表現し、要素Ａｊｋのｊは相番号を示し、要素Ａｊｋのｋは巻線位置の結線順番数を示している。その結線順番数は、順序数であり、連続番号が最適である。磁界計算器部分は、要素Ａｊｋの結線順序数ｋに基づいて電流方向を自動的に規定する。行列表現は、相と巻線順序を一意的に表現することができ、その行番号と列番号により電流値と電流方向を一意的に表現し、一度の行列表現入力によりその後の計算のための入力が不要であり、入力作業が簡素化される。【選択図】　　　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータに対して回転するロータとを具え、
前記ステータは、
半径方向に延び円周方向に配列される複数の半径方向磁路形成部分と、
円周方向に隣り合う２つの前記半径方向磁路形成部分を円周方向に磁気的に接続する複数の円周方向磁路形成部分と、
複数の前記半径方向磁路形成部分に巻き付く巻線構造とを備える電気磁気的回転機の磁界を計算する電気磁気的回転機の磁界解析計算機であり、
計算器を具え、
前記計算器は、
計算対象の幾何学的構造と材料物性を座標系内に表現する座標系設定部分と、前記幾何学的構造と前記材料物性と前記巻線構造とに基づいて前記座標系内で磁界を計算する磁界計算器部分と、
前記巻線構造に基づいて前記座標系内で電流値と電流方向を設定する電流設定器とを備え、
前記巻線構造が１断面上で現れる巻線位置は円周方向に順番に大きくなる位置順序番号で表され、
前記電流設定器は、
前記座標系内で前記巻線位置の前記電流方向を数学的に規定する数学的表現ハード部分を具え、
前記数学的表現ハード部分は、
数学的行列の要素Ａｊｋを表現し、
前記要素Ａｊｋのｊは相番号を示し、前記要素Ａｊｋのｋは前記巻線位置の結線順番数を示す順序数であり、
前記磁界計算器部分は、前記要素Ａｊｋの前記結線順序数ｋに基づいて前記電流値と前記電流方向を自動的に規定する
電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【請求項２】
前記結線順序数ｋは奇数と偶数とに対応して電流の正方向と負方向とを規定する
請求項１の電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【請求項３】
前記位置順序番号は整数又は自然数である
請求項１又は２の電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【請求項４】
前記電流設定器は、
前記要素Ａｊｋを表現する画面を備え、
前記画面は、
行番号ｋと列番号ｊとに対応する行と列の交叉位置に前記位置順序番号を記載する領域を有し、
前記領域に記載される位置順序番号は前記要素Ａｊｋの値である
請求項１〜３から選択される１請求項の電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【請求項５】
前記順序数は連続番号である
請求項４の電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【請求項６】
前記計算器は、
前記磁界計算器部分により計算された磁界に基づいて磁束を計算する磁束計算器部分を更に備え、
ｋは２ｓ（ｓ：自然数）で表され、前記要素Ａｊｋのうちの２つの隣り合う要素Ａｊｋと要素Ａｊ（ｋ−１）とは１つの同相の巻線対を形成し、要素Ａｊｋに対応する前記順序数と要素Ａｊ（ｋ−１）に対応する前記順序数の大小に対応して前記巻線対の対方向の正負が対応し、
前記磁束計算器部分は、前記正負に基づいて磁束を計算する
請求項１〜５から選択される１請求項の電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【請求項７】
前記画面は、電流値が入力される部分を有する
請求項１〜６から選択される１請求項の電気磁気的回転機の磁界解析計算機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気磁気的回転機の磁界解析計算機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電機又はモータ（以下、電磁気的回転機といわれる）の利用は、ますます多様化される。特に、電磁気的回転機の入出力関係の電子的制御は、機械的部分の力学的・電磁気学的相互作用に対して実行される。多様化と高性能化のために、設計段階の磁界解析（磁界計算）の高速度化が求められる。
【０００３】
磁界解析は、（１）回転機の幾何学的設計、（２）巻線の設計と巻線図の作成、（３）ＦＥＭ解析モデルの作成、（４）各領域に対する材料物性（例示：透磁率、電気抵抗率、磁石起磁力）の設定、（５）全ての巻線に対して電流値の設定とその電流の向きの設定、（６）ＦＥＭ解析による磁界解析、（７）その磁界解析に基づく回転機特性（例示：トルク、電圧、インダクタンス）計算の６段階のステップから形成されるプロセスによりコンピュータにより実行される。電圧又はインダクタンスの算定には、各相巻線に対する鎖交磁束計算が必要である。
【０００４】
そのような計算のための幾何学的・物理的条件であるデータ（電流の向きに対応する巻線の向きと配線により直列に連鎖する巻線対の向き）が手動により入力される。モデル又はそのモデルの巻線の頻繁な変更のための手動によるそのような再入力の開発時間は、膨大になっている。特開２０００−０２８６６５号に開示される電磁解析装置は、製図用ＣＡＤデータを用いて解析モデル作成の作業を簡素化している。磁界解析のための技術としては、特開平０７−３１９９４５号で開示されるように、回転機の磁界解析を二次元解析で行う手法が知られている。
【０００５】
磁界解析のためには、解析対象モデル内の全ての巻線にそれぞれに対応する電流とその向きがコンピュータに対して手動により入力される。その磁界解析結果に基づいて、更に、鎖交磁束が算定される。その鎖交磁束の算定のために、巻線対の選択と向きが考慮されて磁束の積算が行われる。その積算のために、巻線対の選択とその向きがコンピュータに対して手動により入力される。人為的に定められるこのようなデータの入力は、初期的には必ず手動により行われる。
【０００６】
電流の向きを入力する作業の簡素化が求められる。巻線対の向きを入力する作業の簡素化が更に求められる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電流値と電流方向を入力する作業を簡素化することができる電気磁気的回転機の磁界解析計算機を提供することにある。
本発明の他の課題は、電流方向を入力する作業を簡素化し、且つ、各相巻線の鎖交磁束を計算するために巻線対とその向きを入力する作業を簡素化することができる電気磁気的回転機の磁界解析計算機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明による電気磁気的回転機の磁界解析計算機は、ステータ（２）と、ステータ（２）に対して回転するロータ（１）とから構成され、ステータ（２）は、半径方向に延び円周方向に配列される複数の半径方向磁路形成部分（７−ｊ）と、円周方向に隣り合う２つの半径方向磁路形成部分（７−ｊ，７−（ｊ＋１））を円周方向に磁気的に接続する複数の円周方向磁路形成部分（８−ｊ）と、複数の半径方向磁路形成部分（７−ｊ）に巻き付く巻線構造（図２）とから形成される電気磁気的回転機の磁界を計算する電気磁気的回転機の磁界解析計算機であり、計算器を構成している。その計算器は、計算対象の幾何学的構造と材料物性を座標系内に表現する座標系設定部分（１１）と、幾何学的構造と材料物性と巻線構造とに基づいて座標系内で磁界を計算する磁界計算器部分（１８）と、巻線構造に基づいてその座標系内で電流値と電流方向を設定する電流設定器（２７）とから構成される。巻線構造が１断面上で現れる巻線位置は円周方向に順番に大きくなる位置順序番号で表される。電流設定器（２７）は、その座標系内で巻線位置の電流方向を数学的に規定する数学的表現ハード部分（１３又は２６）を有している。数学的表現ハード部分（１３）は、数学的行列の要素Ａｊｋを表現し、要素Ａｊｋのｊは相番号を示し、要素Ａｊｋのｋは巻線位置の結線順番数を示している。その結線順番数は、順序数であり、連続番号が最適である。磁界計算器部分は、要素Ａｊｋの結線順序数ｋに基づいて電流値と電流方向を自動的に規定する。
【００１０】
行列表現は、相と巻線順序を一意的に表現することができ、その行番号と列番号により電流方向を一意的に表現し、一度の行列表現入力によりその後の計算のための入力が不要であり、入力作業が簡素化される。
【００１１】
結線順番数ｋは、奇数と偶数とに対応して電流の正方向と負方向とを規定する。行列表現が本来的に持つ行の行番号は、電流の向き付けである物性値（正負）を表現することができ、既述の通りに入力作業が簡素化される。位置順序番号は、整数又は自然数であり、計算量の削減のためには、連続的順序数（０，１，２，・・・）であることが特に好ましい。
【００１２】
電流設定器（２７）は、座標系設定部分（１１）の領域分割形成ハード部分（１３）に付属する入力機器である。電流設定器（２７）は、要素Ａｊｋを表現する画面（２６）を形成している。画面（２６）は、行番号ｊと列番号ｋとに対応する行と列の交叉位置に順序数特に連続番号を記載する領域を有している。その領域に記載される連続番号は、要素Ａｊｋに対応し、巻線が数字として順序づけられて規定される。
【００１３】
計算器は、磁界計算器部分（１８）により計算された磁界に基づいて磁束を計算する磁束計算器部分（２２）を構成している。ｋは２ｓ（ｓ：自然数）で表され、要素Ａｊｋのうちの２つの隣り合う要素Ａｊｋと要素Ａｊ（ｋ−１）とは１つの同相の巻線対を形成し、要素Ａｊｋに対応する連続番号と要素Ａｊ（ｋ−１）に対応する連続番号の大小に対応して巻線対の対方向の正負が対応している。磁束計算器部分（２２）は、その正負に基づいて磁束を計算する。画面（２６）には、電流値が入力される部分が与えられている。
【００１４】
既述の行列表現は、既述の電流方向と巻線対の方向を同時に矛盾なく表現することができ、既述の入力作業を更に削減することができる。巻線構造の変更は、各相について行列の行を入れ換える作業のみで完了する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による電気磁気的回転機の磁界解析計算機は、発電機又はモータのモデルが図１に示されるように作成される。そのモデルは、ロータ１とステータ２とから形成されている。このモデルは、実際に製作されているものであり、又は、ＣＡＤで電子的に製作されているものである。その幾何学的構造と、ロータ１とステータ２の材料物性と、後述される巻線構造（例示：巻数、方向）と、磁界解析に必要であるその他のデータとは、磁界解析計算器の中に入力されている。
【００１６】
このモデル（以下、モータとして述べられる）では、ロータ１は中心領域に配置され、ステータ２はロータ１の周囲に配置されている。ロータ１は、中心回転軸部分（出力軸部分）３と、中心回転軸部分３に同体に回転する円筒部分４と、永久磁石群５から形成されている。永久磁石群５は、複数（例示：素数）の永久磁石６−ｊ（ｊは自然数で特には偶数であるが、図には１０×２の２０が例示されている。）を群要素を形成している。複数の永久磁石６−ｊは、それぞれに、円筒部分４の外周面側で円筒部分４に埋め込まれて固定されている。永久磁石６−ｊの概ねの磁気方向は半径方向である。
【００１７】
ステータ２は、永久磁石６−ｊの外周面に対して非接触的に相対的に回転する。ステータ２は、複数のスロットを形成し、そのスロットは円周方向に同心状に等角度間隔で配列されている。ステータ２は、半径方向磁路形成部分７−ｋと、円周方向磁路形成部分８−ｋとから構成されている。半径方向磁路形成部分７−ｋと円周方向磁路形成部分８−ｋとは、互いに一体に積層鋼板で形成されている。１スロットは、１つの半径方向磁路形成部分７−ｋと１つの円周方向磁路形成部分８−ｋとに幾何学的位置関係で対応している。スロットの数（例示：１８）は、永久磁石６−ｊの数（例示：２０）と異なる。
【００１８】
半径方向磁路形成部分７−ｋに、電気導線が巻かれる。図１に見られる断面で切断される半周分の巻線の２つの断面位置で、その巻線に流れる電流の向きは互いに逆方向である。その断面位置で、電流の流れ方向が、慣用記号（円内×表示と円内点表示）で示されている。２つの記号は電流の向きが互いに逆方向であることを示している。軸方向に延びて各半径方向磁路形成部分７−ｋに巻き付く巻線部分が代表的に番号で示されている。巻線は、隣り合う半径方向磁路形成部分７−ｋと半径方向磁路形成部分７−（ｋ＋１）との間に形成されている巻線用空間９−ｋに通されている。断面位置に現れる巻線は、巻線番号で示されている。その巻線番号は、１つのモータの半周分について図中に、丸１〜丸１８で示されている。
【００１９】
図２は、巻線構造を例示している。巻線番号丸３（図２では丸は省略）の導線は、軸方向負方向に延びて半径方向磁路形成部分７−２を半周して、巻線番号丸２として図１に示されるように現れる。巻線番号丸２で代表的に示される導線の末端部分は、円周方向に反時計方向に延ばされて、図１に巻線番号丸４で示される位置に現れる。巻線番号丸２〜巻線番号丸７の集合は、１相分（３相分の１つの相であるｕ相分）を形成する。このような連鎖巻構造は、随意に可能であり、図２に示される連鎖巻構造に限られない。図３は、１相分の電流が流れる電流路の断面位置を巻線番号丸２〜巻線番号丸７で示している。巻線番号に対応する流れの向きは、既述の慣用記号で示されている。
【００２０】
図４は、本発明による電気磁気的回転機の磁界解析計算機の計算構造を示している。図１に示されるモータ構造（幾何学的構造と構造材料の物性値）９がＣＡＤ（図示されず）で構造化される。モータ構造９は、モータ構造形成ハード部分１１に設定される。モータ構造形成ハード部分１１は、モータ構造９を座標系内に表現する座標系内構造表現ハード部分１２と、図５に示されるＦＥＭ解析用のメッシュ構造を作成するメッシュ分割形成ハード部分１３とから構成されている。
【００２１】
解析対象の座標系内構造表現は、座標系内構造表現プログラム１４により座標系内構造表現ハード部分１２で表現される。その座標系内構造表現は、ＦＥＭ解析用のメッシュ構造を作成するメッシュ構造作成プログラム１５により、座標系内メッシュ構造表現に表現し直される。電流設定プログラム１６により、座標系内メッシュ構造表現の巻線部分には電流値とその電流方向が追加され、座標系内メッシュ構造表現１７に変換される。
【００２２】
磁界解析用座標系内メッシュ構造表現１７は、磁界解析計算器１８に入力される。モータ構造形成ハード部分１１と磁界解析計算器１８とは、同じハードが用いられ得る。磁界解析計算器１８は、磁界解析用座標系内メッシュ構造表現１７と磁界解析計算プログラム１９とに基づいて磁界解析を実行する。磁界解析計算プログラム１９は、慣用のプログラムが用いられている。磁界解析結果２１は、鎖交磁束計算器２２に転写されて入力される。磁界解析計算器１８と鎖交磁束計算器２２とには、同じハード部分が用いられ得る。鎖交磁束計算のためには、磁束計算プログラム２３が用いられている。鎖交磁束計算結果２４は、鎖交磁束計算器２２から出力されて表示器に出力される。
【００２３】
電流設定プログラム１６は、モータ巻線丸１〜１８の配船構造を行列表現する行列表現パラメータ群（結線順序行列）２５を有している。行列表現パラメータ群２５は、図６に示される行列表示画面２６の上で作成されて行列表現プログラム１６に入力される。行列表示画面２６は、入力器２７の部分である。入力器２７は、行列表示画面２６の他に、キーボード２８と、マウス２９と、行列表示画面２６に表示される行列表現パラメータ群２５の具体値を領域分割形成ハード部分１３に構成される行列表現プログラム１６に入力するためのハード部分（図示されず）を形成している。
【００２４】
行列表現パラメータ群２５は、図７に示されるように、行列要素値として形成される。列番は、ｕ相とｖ相とｗ相の３相の相番号に一致している。行番は、それぞれの相に属する巻線番号丸１〜丸１８の巻線順序番号に一致している。第１行に属する巻線番号列（３、２，４，５，７，６）は、図３に示される円周方向順序で並ぶ６つの巻線番号の結線順序列を示している。第２列の丸２と第４列の丸５と第６列の丸６のそれぞれの電流は軸方向正方向に向き、第１列の丸３と第３列の丸４と第５列の丸７のそれぞれの電流は軸方向負方向に向いている。この行列表現では、偶数行の巻線番号の電流は軸方向正方向に向き、奇数行の巻線番号の電流は軸方向負方向に向いている。他の行列表現では、偶数行の巻線番号の電流を軸方向負方向に向きつけ、奇数行の巻線番号の電流を軸方向正方向に向きつけることができる。ここで、行と列は、結線順序と相とを２次元数とするマトリックスの２次元を表示している。
【００２５】
第２列に属する巻線番号列（９、８，１０，１１，１３，１２）は、第２相（ｖ相）の巻線の巻線番号の結線順序列を示している。第３列に属する巻線番号列（１５、１４，１６，１７，１，１８）は、第３相（ｗ相）の巻線の巻線番号の結線順序列を示している。モータは、通常、３相を有し、４相又は４相以上のものは製作されないが、行番号は６より更に増加され得る。第１相の結線順序列と第２相の結線順序列と第３相の結線順序列とは、結線順序行列を形成する。
【００２６】
図６に示されるカーソル３１は、マウス２９の操作により移動する。３列目２行目の四角形の枠の中にカーソル３１を移動して、キーボード２８（数値キーの集合）の数字”１”キーと数字”０”キーとが押される。時間的に、数字キー”０”が先に押され、数字キー”１”が後で押される。このように１８通りの数字キーのペアが押され、電流設定プログラム１６の行列表現パラメータが数値化する。その数値化のために、３相順序列決定クリック領域３２が行列表示画面２６に配置されている。電流値、周波数、位相は、電流値入力領域３３にキーボード２８を介して数字を書き込むことにより任意に決定される。
【００２７】
数値化された電流設定プログラム１６は、各巻線について、電流の向き付けと各相、時刻、位相に応じた電流値とを有している。結線順序列を示す巻線番号を書き換えれば（入れ換えれば）、その行番目列番目の巻線番号対応位置の電流方向が必然的に（強制的に、又は、自動的に）決定され、巻線番号に対応する電流の向き付けを入力する手間が省略され得る。このような行列表現は、図２に示される結線図（巻線図）の自動的作成を可能にしている。
【００２８】
領域分割形成ハード部分１３は、図５に示されるモータ構造の無数の分割領域に、図７に示される行列に従って、電流密度（電流値／巻線断面積）と電流方向を規定する。このように規定された磁界解析用座標系内メッシュ構造表現１７に対して、磁界解析計算器１８は磁界解析を実行する。
【００２９】
鎖交磁束計算器２２は、磁界解析結果２１に基づいて、磁束（鎖交磁束）を積算的に計算する。鎖交磁束の積算のためには、磁束の向き付けが必要である。鎖交磁束は、巻線対の方向と磁界解析結果とに基づいて計算される。巻線番号行のｎ列目と（ｎ−１）列目の巻線番号は、巻線対を形成している。ここで、ｎ＝２ｋで表され、ｋは自然数である。（ｎ−１）列目の巻線番号がｎ列目の巻線番号より大きい場合は、その巻線対の方向は正として定義され、（ｎ−１）列目の巻線番号がｎ列目の巻線番号より小さい場合は、その巻線対の方向は負として定義される。例示的には、ｋが１であれば、巻線番号丸３は巻線番号丸２より大きいので、巻線対の方向は正であり、ｋが２であれば、巻線番号丸４は巻線番号丸５より小さいので、巻線対の方向は負である。図２に示される巻線番号行列は、このように、電流方向と巻線対方向を自動的に鎖交磁束計算器２２の中で規定することができる。従って、膨大な数のＦＥＭ解析用分割領域の向付け入力作業数が格段に減少する。
【００３０】
結線順序行列は、電流方向と巻線対方向を規定するためだけの入力は必要ではなく、行列表示画面２６を通して簡単に変更され、その変更後の巻線構造に対して、向き付け入力なしに、各相ごとに鎖交磁束が即座に計算される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による電気磁気的回転機の磁界解析計算機は、巻線の結線順序の行列表現化により電流の向きを入力する作業を簡素化することができる。更には、その同じ行列表現化により巻線対の向きを入力する作業を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による電気磁気的回転機の磁界解析計算機の実施の形態が適用されるモータの断面図である。
【図２】図２は、巻線図である。
【図３】図３は、巻線の結線図である。
【図４】図４は、本発明による電気磁気的回転機の磁界解析計算機の実施の形態を示す回路ブロック図である。
【図５】図５は、巻線構造のメッシュ分割を示す断面図である。
【図６】図６は、入力器を示す斜軸投影図である。
【図７】図７は、行列図である。
【符号の説明】
１…ロータ
２…ステータ
７−ｊ…半径方向磁路形成部分
８−ｊ…円周方向磁路形成部分
１１…座標系設定部分
１３，２６…数学的表現ハード部分
１８…磁界計算器部分
２２…磁束計算器部分
２６…画面
２７…電流設定器
２９…マウス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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