(57)【要約】【課題】高速に安定した定常場を求める。【解決手段】パルス幅変調電圧波形を入力データとする磁界・回路連成過渡解析において、時間軸を第一の時間領域、第二の時間領域に分けるプロセスと、第一の時間領域を時間分割幅Δｔ1で等分割し、第二の時間領域を時間分割幅Δｔ2（Δｔ2＜Δｔ1）で等分割して、パルス幅変調電圧波形を解析するプロセス有する磁界・回路連成解析法および磁界・回路連成場解析法を用いた回路連成解析装置。これにより、高速に安定した定常場を求めることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅変調電圧波形を入力データとする磁界・回路連成過渡解析において、
時間軸を第一の時間領域、第二の時間領域に分けるプロセスと、
前記第一の時間領域を時間分割幅Δｔ1で分割し、前記第二の時間領域を時間分割幅Δｔ2（Δｔ2＜Δｔ1）で分割して、前記パルス幅変調電圧波形を解析するプロセス有する磁界・回路連成解析法。
【請求項２】
請求項１において、
前記パルス幅変調電圧波形から基本波を抽出するプロセスと、
前記抽出した基本波を前記第一の時間領域の入力電圧波形として用いるプロセスと、
前記第一の時間領域の解析において得られた解析結果を、前記第二の時間領域の解析において初期値として用いるプロセスと、を有する磁界・回路連成解析法。
【請求項３】
請求項１において、
Δｔ1／Δｔ2の値が１０〜１００となる磁界・回路連成解析法。
【請求項４】
請求項１において、
前記第一の時間領域および前記第二の時間領域で、時間周期補正法を用いる磁界・回路連成解析法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの磁界・回路連成解析法を用いた回路連成解析装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかの磁界・回路連成解析法を用いて設計した同期回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界・回路連成解析法、磁界・回路連成場解析法を用いた回路連成解析装置、磁界・回路連成場解析法を用いて設計した同期回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
時間微分項をもつ過渡現象を取り扱う微分方程式を過渡解析して、時間軸に関して半周期性をもつ解を求める場合、時間減衰項の時定数が長いと、目的の定常場を求めるのに、多くの時間ステップによる過渡解析を必要とする。この問題を解決するための継続補正が可能な安定した数値解法としてＴＰ−ＥＥＣ法やＥＴＦ法が挙げられる。この方法は、たとえば非特許文献１や非特許文献２に示されている。
【０００３】
前述のＴＰ−ＥＥＣ法は、時間に関する周期性を直接利用しており、半周期の過渡解析を実施しないと、解析対象の物理量の補正ができない。補正は３回程度で完了するものの、補正完了までに、半周期境界条件を満たす場合において1.5周期程度の計算を必要とする。
【０００４】
これに対して多相交流ＴＰ−ＥＥＣ法があり、三相交流系では三相交流ＴＰ−ＥＥＣ法と呼ばれる。通常は計算コストを大幅に削減した三相交流簡易ＴＰ−ＥＥＣ法がよく使われている。この方法は、例えば非特許文献３に示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「２次元電磁界解析の有効利用に残された課題（その３）」徳増正・藤田真史・上田隆司、電気学会静止器・回転機合同研究会資料、ＳＡ−０８−６２／ＲＭ−０８−６９、２００８年
【非特許文献２】「Ｓｔｅｐ−ｂｙ−ｓｔｅｐ連続補正による時間周期非線形定常場解析の収束特性改善」宮田健治、電気学会静止器・回転機合同研究会資料、ＳＡ−１３−３／ＲＭ−１３−３、２０１３年
【非特許文献３】「２次元電磁界解析の有効利用に残された課題（その４）」徳増正・藤田真史・上田隆司、電気学会静止器・回転機合同研究会資料、ＳＡ−０９−６／ＲＭ−０９−６、２００９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
三相交流系を解析するときに使われる三相交流簡易ＴＰ−ＥＥＣ法では、１／６周期の過渡解析を実施しないと、解析対象の物理量の補正ができない。補正は３回程度で完了するものの、補正完了までに、半周期境界条件を満たす場合において半周期程度の過渡解析を必要とする。小規模体系の解析では、半周期程度の過渡解析はさほど負担にはならないが、大規模体系の解析では、半周期程度の過渡解析といえども大きな負担となる。
【０００７】
前述のＥＴＦ法は、定常場の基本波成分とその時間変動量が満たすべき条件式そのものを補正式としており、時間変動量算定用の時間幅は任意に設定可能なので、１／６周期よりも短い時間間隔で補正が可能であるが、補正の対象となる物理量が高調波を含む場合には時間間隔を前述の三相交流ＴＰ−ＥＥＣと同程度に設定しないと補正効果が得られない。
【０００８】
本発明は、高速に安定した定常場を求めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
【００１０】
パルス幅変調電圧波形を入力データとする磁界・回路連成過渡解析において、時間軸を第一の時間領域、第二の時間領域に分けるプロセスと、第一の時間領域を時間分割幅Δｔ1で等分割し、第二の時間領域を時間分割幅Δｔ2（Δｔ2＜Δｔ1）で等分割して、パルス幅変調電圧波形を解析するプロセス有する磁界・回路連成解析法および磁界・回路連成場解析法を用いた回路連成解析装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、高速に安定した定常場を求めることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態における解析システムの一例を説明する図。
【図２】本発明の一実施形態における定常場高速解法を用いた解析のプロセス。
【図３】本発明の一実施形態の適用結果。
【図４】本発明の一実施形態における定常場高速解法を用いた解析のプロセス。
【図５】本発明の一実施形態の適用結果。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例１】
【００１４】
本発明による定常場解析法を実現する解析システム（回路連成解析装置）の一例を図１に示す。本解析システムは、計算機１、表示装置２、記憶装置３、および入力装置４から構成される。図１では、記憶装置３は、明示するために計算機１の外に出しているが、計算機１の内部に設置してもよい。
【００１５】
計算機１には、実施例で示した定常場高速解法のうち、少なくともいずれか１つの一連のプロセスをコーディングした定常場高速解析プログラムが格納されているものとする。この定常場高速解析プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録することが可能である。計算機１は、定常場高速解析プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して、定常場高速解析プログラムを格納することができる。入力装置４は、例えばキーボードやマウスであり、解析に必要な入力データの計算機１への入力、入力データを保存したデータファイルの読み書きの指定、計算の実行などに使用する。
【００１６】
入力データが入力されると、計算機１は、格納されている定常場高速解析プログラムに従い、入力データの読み取りや定常場計算などの演算処理を実行する。計算結果は、表示装置２に表示するとともに、データファイルとして記憶装置３に記憶する。得られた計算結果の一部を表示したり記憶したりしてもよい。
【００１７】
図２を用いて、本発明による定常場高速解法の実施例１を説明する。図２は、本実施例による定常場高速解法を用いた解析のプロセスを示している。この解析のプロセスは、入力データを読み込むプロセス１０、入力波形から基本波を抽出するプロセス４０、前処理解析プロセス５０、本解析プロセス８０、および解析結果を記憶するプロセス１２０、表示するプロセス１３０からなる。以下、各プロセスについて説明する。
【００１８】
以下のプロセスでは、時間軸を第一の時間領域、第二の時間領域２の領域に分け、第一の時間領域を時間分割幅Δｔ1で等分割し、第二の時間領域を時間分割幅Δｔ2で等分割して、パルス幅変調電圧波形を解析している。特に、パルス幅変調電圧波形から基本波を抽出するプロセスと、抽出した基本波を第一の時間領域の入力電圧波形として用いるプロセスと、第一の時間領域の解析において得られた解析結果を、第二の時間領域の解析において初期値として用いるプロセスと、を有している。
＜ステップ１０、２０、３０＞
入力データの読み込み１０では、パルス幅変調電圧波形である入力データを計算機に読み込ませる。入力データの読み込み１０は、微分方程式を数値的に解くための解析対象（回転機、誘導電動機、変圧器などの電気機器製品）の離散化データ（メッシュデータ）の読み込み２０、および解析プロセスをコントロールするためのコントロールデータの読み込み３０から構成され、ファイルに保存されているデータを読み込む。コントロールデータの読み込み３０では、２種類の時間刻み幅Δｔ1、Δｔ2を含むデータを読み込む。なお、本実施例ではデータの読み込みを初めに行っているが、各解析プロセスの開始時に必要なデータを読み込んでもよい。
【００１９】
２種類の時間刻み幅Δｔ1、Δｔ2の間にはΔｔ1＞Δｔ2の関係があり、Δｔ1は前処理解析プロセス５０で、Δｔ2は後処理解析プロセス８０で、それぞれ用いられる。Δｔ1／Δｔ2の値は１０〜１００であることが望ましい。
【００２０】
前処理解析プロセス５０では入力波形を正弦波として高速に初期値を求めることを目的としているため、Δｔ1は周期の数十分の一程度の大きさでよい。一方、本解析プロセス８０では従来の過渡解析と同様に高調波を含む入力波形を用いるため、考慮すべき最も周波数の高い高調波成分の周期の半分以下程度にΔｔ1を小さく設定する必要がある。
【００２１】
なお、コントロールデータの読み込み３０は、本実施例ではデータファイルから読み込み計算機に入力されるが、ユーザが計算機のＧＵＩ（グラフィック・ユーザ・インターフェース）などにより入力してもよい。
＜ステップ４０＞
基本波抽出プロセス４０では、本解析プロセス８０で用いる入力電圧波形などの入力データから基本波成分のみを取り出し、これを前処理プロセス５０で入力データとして用いる。
＜ステップ５０＞
前処理解析プロセス５０は、基本波抽出プロセス４０で抽出した基本波および時間刻み幅Δｔ1を含む入力データを用いる過渡解析６０と、定常状態判定７０と、解析結果の記憶７５からなり、計算機で実行される。
＜ステップ６０、７０、７５＞
過渡解析６０による解析では、時間刻み幅としてΔｔ1を用い、過渡解析を行う。このとき、各タイムステップにおいて定常状態７０によって解析結果の物理量が定常状態に達したかどうかの判定が行われる。物理量が定常状態に達していないと判定された場合は過渡解析６０を再度実行し、定常状態に達したと判定された場合は、過渡解析６０での計算結果を、解析結果の記憶７５で記憶装置に記憶する。
＜ステップ８０＞
本解析プロセス８０は、時間刻み幅Δｔ2を含む入力データを用いる過渡解析９０と、定常状態判定１００と、通常の過渡解析１１０からなり、時間刻み幅Δｔ2を含む入力データを用いて計算機上で実行される。このとき、前処理解析プロセス５０で得られた定常状態の解析結果を初期値として用いる。
＜ステップ９０、１００＞
過渡解析９０による解析では、時間刻み幅としてΔｔ2を用い、前処理解析プロセス５０で得られた定常状態の解析結果を初期値として用いる。このとき、各タイムステップにおいて定常状態判定１００によって解析結果の物理量が定常状態に達したかどうかの判定が行われる。物理量が定常状態に達していないと判定された場合は過渡解析９０を再度実行し、定常状態に達したと判定された場合は通常の過渡解析１１０を実行する。
＜ステップ１１０＞
定常状態判定１００で定常状態に達したと判定されたら、従来の通常の過渡解析１１０を計算機上で実行することにより、１周期の定常場が得られる。
＜ステップ１２０、１３０＞
得られた解析結果は、解析結果の記憶１２０の実行により、記憶装置に記憶される。また、解析結果は、解析結果の表示１３０の実行により、表示装置に表示される。
【００２２】
図３に実施例１をインバータ駆動モータの回路連成解析に適用した際の、コイル電流の定常解との誤差を示す。本実施例によって得られたコイル電流波形は初期値の代入を実施しない場合に比べて誤差が小さくなっている。
【００２３】
本実施例によれば、前処理解析プロセス５０で求めた物理量を本解析プロセス８０で初期値として用いることにより、より定常状態に近い状態から過渡解析を始めるため、従来の過渡解析よりも少ないタイムステップ数で定常状態に達するという効果がある。また、本解析プロセス８０での入力波形が高調波を含んでいない場合、前処理解析の結果がより本解析プロセス８０の結果に近づくため、高調波を含む場合よりも速く定常解に達する。
【実施例２】
【００２４】
本発明による定常場高速解法の実施例２として、本発明と過渡状態補正法を組み合わせた実施例を説明する。
【００２５】
図４は、本実施例による定常場高速解法を用いた解析のプロセスを示している。この解析のプロセスは、実施例１の解析プロセスと基本的には同様であるが、前処理プロセス５０において、解析結果の記憶６５および物理量の補正６７が、本解析プロセス８０において、解析結果の記憶９５および物理量の補正９７が、それぞれ追加されている。また、前処理プロセス５０における定常状態判定７０と、前処理解析プロセス８０における定常状態判定１００は、従来の過渡状態補正法を所定の回数だけ実行したかどうかの判定で代用してもよい。
＜ステップ６５、９５＞
前処理プロセス５０における解析結果の記憶６５および本解析プロセス８０における解析結果の９５では、タイムステップ毎に解析対象の物理量の解析結果を計算機のメモリなどに記憶する。
＜ステップ６７、９７＞
前処理プロセス５０における物理量の補正６７および本解析プロセス８０における物理量の補正９７では、ＴＰ−ＥＥＣ法やＥＴＦ法などを含む従来から提案されている過渡状態の補正法を用いて解析対象の物理量の補正を実行する。
【００２６】
実施例２では、本発明に従来の過渡状態補正法を組み合わせることにより、従来の過渡状態補正法のみを用いた場合よりも高速に定常状態に収束するという効果がある。
【００２７】
図５に実施例２をインバータ駆動モータの回路連成解析に適用した際の、コイル電流の定常解との誤差を示す。補正なしの場合には、４００ステップ解析後も誤差が１０0以上あり、定常解に達していない。一方、三相簡易ＴＰ−ＥＥＣ法によって補正した場合、約１６０ステップ前後で誤差が１０-4まで減少しており、定常解に達している。ＥＴＦ法による３０°ごとの補正では、補正なしの場合よりも誤差が小さくなっているが、４００ステップ経過後も定常状態には達していない。本実施例と三相簡易ＴＰ−ＥＥＣ法を組み合わせた場合は、約１２０ステップ前後で１０-3まで誤差が減少しており、最も速く定常解に達している。
【符号の説明】
【００２８】
１  計算機
２  表示装置
３  記憶装置
４  入力装置
【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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