論

製品の開発期間短縮と品質向上を目指した開発設計のフロントローディング化を促進するための取り組み

文■ 髙野裕基■ 髙野Hiroki Takano

裕基■ 片■栁 髙厚志野 裕基

Hiroki Takano Atsushi
HirokiKatayanagi
Takano近年 3DCAD にシミュレーション機能が追加されるケースも増え，設計者自身が CAE に触れる機会が増えている。
そのような事情もあり，設計業務に CAE が活用され広く普及している。形状ではなく機能でモデル化する 1DCAE は，開発設計工程のフロントローディング化に有用である。設計工程におけるフロントローディングとは，可能な限り上流の工程で設計検討を多く重ねることで設計品質を高め，全体の工数を削減するという考え方である。東光高岳においても 1DCAE の設計工程への適用を進めており，本稿では 1DCAE の適用事例を 3 件紹介する。

1

限り上流の工程で設計検討を多く重ねることで設計品質はじめにを高め，下流の工程からの手戻りを減らすことにより，開発試験により性能の良否を判定する際，以前は複数全体の工数を削減するという考え方である。

回の試作・試験を繰り返した。現在では試作・試験前に製品開発設計のフロントローディング化においても，CAE 注 1） を適用することで，試験回数を減らしている。

それを実践するための有用なツールとなるのが CAE でこれにより工数が低減されることに加え，試作・試験にある。近年，設計業務で使用される 3DCAD に CAE 機

必要なエネルギーや材料などの資源も減り，環境にも配能がオプションで追加されることもあり，設計者自身慮することになる。

で 3DCAE を 実 施 す る 環 境 が 整 っ て い る。3DCAE はさらに開発設計工程の手戻りを減らすため，フロント3DCAD で作成した形状データから，空間と時間で離散化した偏微分方程式を解く。そのため，3DCAE はまずローディングの必要性が求められている。
図 1 にフロントローディングの概念を示す。横軸は形状を準備することから始める。

製品開発工程を示し，右へ行くほど下流の工程となる。

製品の形状や部品配置が詳細には決まっていない設計

縦軸は工程の負荷を示す。図 1 の 2 つの両矢印は，上の初期段階では，3DCAE はパーツ単体の検討に適用で流の工程ほど設計変更が容易で，それにかかるコストもきる場合があるが，製品全体の検討には不向きである。

少なくてすむが，逆に下流の工程になるほど設計変更が一方，1DCAE は製品全体を等価的な集中定数を持つ素困難になり，コストも増大することを示す。

子の集まりとして模擬し，時間で離散化した常微分方程フロントローディングは，後工程で最大となっている式を解く。すなわち，1DCAE は形状ではなく機能でモ負荷（図 1 中（A））を，企画や基本設計などの設計工デル化する。そのため，図 2 に示すように，1DCAE は程の初期段階にシフトすることで（図 1 中（B）），全体設計の初期段階に適用しやすく，設計業務のフロントの作業量を減らすことができるとしている（1）。

ローディング化が可能となる（2）。

設計工程におけるフロントローディングとは，可能な3DCAE が形状でモデル化することに対し，1DCAEは機能でモデル化するが，他にも 1DCAE と 3DCAE には表 1 に示すような相違点があり，1DCAE は 3DCAEに比べて設計工程のフロントローディング化のツールと負荷して適している。
東光高岳では設計工程のフロントローディング化のた
設計作業量

企
画

基
本設
計

機能/1DCAE

企画

基本設計

図16

詳細設計

検証試験

構造設
計部
品
設
計

形状/3DCAE

製造

フロントローディング概念図

東光高岳技報 No.11 2024

配置設計

図 2 設計段階と CAE との関係

論

製品の開発期間短縮と品質向上を目指した開発設計のフロントローディング化を促進するための取り組み

表1

文

1DCAE と 3DCAE の相違点

CAE
種類

形状モデル

扱う
物理領域

計算時間

適用工程

1DCAE不要

複数

短い

上～中流

3DCAE

必要

単体

長い中～下流電気回路
磁場機構

め，1DCAE による設計検討を進めている。1DCAE の適用検討の過程において実施したもののうち，下記に示すような事例を以降に紹介する。
●●事例1：SIS の電磁操作機構
1DCAE の適用検証のため，3 つの物理領域をけている。3DCAE を統合することにより，相互に影響含む既存製品を検討した事例

しあう物理領域を自動で計算できるようになったが，図事例2：単体 VCB 操作機構
上記事例 1 に類する新規開発品へ適用した事例●

図 3 3DCAE を統合した SIS の電磁操作機構モデル

事例3：筐体の冷却設計
上記事例 1，2 とは異なる物理領域の新規開発品に適用した事例

3 のモデル図からは磁場と機構のモデルの中身がわからないため，上記のような物理領域の相互影響の関係性は把握しづらい。
3DCAE の統合によりデータ加工作業による運用上の課題は解消したが，これはただ単に作業を自動化しただけであり，フロントローディング化の効果としてはあま

2
2.1

1DCAE の適用事例
SIS 注 2）の電磁操作機構【事例 1】

り大きくはない。
（2） 1D モデル
1DCAE は複数の異なる種類の物理領域をまとめてモ

1DCAE の特長が SIS の電磁操作機構の設計に適してデル化し，形状ではなく機能でモデル化する。SIS の電いると判断し，実際に適用してみた。本装置は，電磁力磁操作機構は電気，磁場，運動の物理領域が関係しておにより接点を開閉する機能を有し，機構，磁場，電気回り，これらの支配方程式は以下になる。

路のように異なる種類の物理領域がお互いに影響しなが

di
1+ Ri + ∫ idt + Ve dt
Ce

V=Lら動作する。
（1） 3DCAE を統合したモデル

（1）
式
（2）
式

Vm = (R m + R mg )Φ 

1DCAE との比較として，3DCAE の概要を説明する。
通常，CAE ソフトはそれぞれ専門とする物理領域のf=m

みを計算する。本例では，機構は機構解析ソフト，磁dv+ cd v + k∫ vdt dt（3）
式

場と電気回路は磁場解析ソフトで個別に計算する。電

ここで，V：電圧，i：電流，L：インダクタンス，R：磁操作機構のように複数の物理領域がお互いに影響を抵抗，Ce：キャパシタンス，Ve：逆起電力，Vm：起磁力，及ぼしあう場合，CAE ソフトが連携せず個別に計算す

Rm，Rmg：磁気抵抗，Φ：磁束，f：力，v：速度，m：質るのでは，設計検討に必要な計算結果が得られない場量，cd：減衰係数，k：ばね定数である。

合がある。

（1）式は電気回路のキルヒホッフの法則であるが，東光高岳では，それぞれのソフトで解いた計算結果を加工し連携することで，電磁操作機構の動作を計算していた。この手法では，各 3DCAE に必要なデータ加工作業による手間が運用上の課題であった。

（2），（3）式には（1）式と類似性があり，（2），（3）式も（1）式と同様に回路図で表すことができる（図 4）。
各物理領域は相互に関係しており，図 4 中のコイルとギャップは異なる物理領域をつなぐ変換器の役割をこの課題を解消したのが，ソフトを使って 3DCAE を統合することであった。3DCAE を統合した SIS の電磁i

ソレノイドアクチュエータ 注 3）のコイルに電流が流れることにより電磁力が発生し，ソレノイドアクチュエー
タのプランジャ注 4）が引き寄せられ，機構に接続した接点が開閉する。これは，SIS の電磁操作機構の各構成要

磁場電気回路操作機構のモデルを図 3 に示す。

VL

RCeVe

Φ
コイ Vm
ルRmRmg

運動fギャップ

1 1m cd

1kv

素の働きを電気回路 - 磁場 - 機構の順に説明したものだが，逆方向にもそれぞれに対応する相互作用の影響を受

図 4 電磁操作機構の回路モデル
東光高岳技報 No.11 20247論文

製品の開発期間短縮と品質向上を目指した開発設計のフロントローディング化を促進するための取り組み

なら電圧や電流が，マスなら距離や速度の時間変化がグ担っている。それらの関係式は以下となる。
（4）式

Vm = ni dΦdt

（5）式

（6）式

∫ vdt

μ0 S（7）式

Ve = −nf=Φ22μ0 SR mg =

ラフで出力される。図 6 に接点とプランジャのストロークカーブを示す。投入・遮断時の接点とプランジャの運動の様子がわかる。接点のストロークカーブで立ち上がり部分が投入動作を示しており，中間の接点位置が動かない部分が接点の閉状態を示している。立ち下り部分は接点の遮断動作を示している。VI 注 5）の仕様の一つに接点の速度があり，速度を解析結果，試験結果，設計仕様とで比較したものを表 2 に示す。

ここで，n：巻き数，μ 0：真空の透磁率，S：断面積である。これらの方程式を連立させて図 4 のモデルを解

図 5 に示すのは，SIS の電磁操作機構を構造と部品の構成を基に 1DCAE ソフトでモデル化したものである。

位置

続してモデルを作成することで解を得ることができる。

プランジャ

投入

くのであるが，1DCAE ソフトを使えば，素子同士を接接点が閉じている状態の位置

遮断接点時間磁場機構

図 6 SIS 電磁操作機構各部のストロークカーブ
表2

電気回路

接点速度の比較

状態

解析結果

試験結果

設計仕様

投入

1.03 Vc

Vc

0.67〜1.33 Vc

遮断0.94 VoVo

0.53〜1.14 Vo*Vc，Vo は試験結果で規格化した速度

図5

SIS 電磁操作機構の 1D モデル

表 2 より，解析結果は試験結果と数％の違いであり，

図 3，図 5 を見比べると，両者とも全体の構成は電設計仕様範囲にも納まっている。よって，妥当性のある

気回路 - 磁場 - 機構と同様になっている。各物理領域のモデリングが行われたものと考えられる。本例では実際構成を見ると，電気回路はほぼ変わらないものの，磁の製品の構造と部品形状から製品をモデル化したが，詳場，機構に関しては詳細な形状情報がなくなっている。

細な形状をモデル化せずとも機能でモデル化できたこと代わりに，1DCAE の磁場モデルは，ソレノイドアクより，1DCAE の適用が適切であったことが確認できた。

チュエータの部品の仕様や形状などから，「磁気抵抗」，（3） 1DCAE による全体最適化「コイル」，「磁気ギャップ」，「永久磁石」などの素子に前出の検証の際にあわせて 1DCAE の全体最適化に関置き換えて，磁束の流れを磁気回路で表している。機して検討した。図 5 の 1D モデルを見ると，個々の機構モデルは各部品の仕様や質量などから，「レバー」，能がわかり，それぞれのつながりも把握しやすいため，「ばね」，「ストッパー」，「マス（質点）」などの素子に全体を俯瞰して把握することができる。これより，部分置き換え，力の伝わり方を表している。このように 1D最適化になりやすい 3DCAE に対して，1DCAE では全モデルは，形状はわからないが機能がわかるようになっ体最適化しやすいという特長がある。
その特長を確認するため，パラメータによる製品性能ている。
1DCAE は形状ではなく機能でモデル化するが，磁気の変化の様子を求めた。パラメータとしてプランジャの抵抗などの素子に断面積や長さなどの寸法を設定してい寸法を変更し，接点が閉状態を保てるかどうかを確認しる。図面と同様の精度は必要ないが，ある程度の寸法情た。図 7 に寸法パラメータを変化させた場合の接点と報は必要であり，それらの情報は企画・基本設計時の大プランジャのストロークカーブと，プランジャのギャッまかな仕様を基にする。設計工程が進み，寸法情報の詳プと永久磁石のギャップの吸引力を示す。

細が決まれば，その情報を 1D モデルにフィードバック

図 7 から，プランジャの寸法パラメータをある程度し，モデルの忠実度を向上させる。それにより計算の妥大きな値にすると，接点が閉状態を保てなくなり，解当性をより確かなものにすることができる。

析条件によりモデルが遮断指示（図 7 中の赤色の点線）

計算結果は素子の種類ごとに異なる。電気抵抗の素子
8

東光高岳技報 No.11 2024を送る前に接点が開き始めてしまっていることがわか

論

製品の開発期間短縮と品質向上を目指した開発設計のフロントローディング化を促進するための取り組み

プランジャの寸法パラメータ

位置

小文機構

大遮断指示

プランジャ
接点制御

時間
吸引力

プランジャのギャップ

図 8 C-GIS 用 VCB の 1D モデル

永久磁石のギャップ

表3

時間

図7

 ランジャの寸法パラメータを変化させた場合の各部プのストロークカーブと吸引力る。ソレノイドアクチュエータにはプランジャと永久接点速度の比較

状態

解析結果

試験結果

投入

1.18 Vc

Vc

遮断1.02 VoVo*Vc，Vo は試験結果で規格化した速度

磁石の 2 カ所に磁気ギャップがある。プランジャの寸法パラメータを大きくしていくと，プランジャの磁気2.

操作力発生装置は既存のものを流用する。

ギャップの吸引力が減少することがわかる。これより，3. 新 たに，スコットラッセル機構 注 8）を追加採用する。

部品寸法の見当をつけることができる。

VI については，仕様を入手次第モデルに反映するもここでは，磁場に関するパラメータを変化させたが，のとし，同容量の VI を参考に仮仕様で模擬した。操作電気回路や機構側の素子のパラメータを変化させること力発生装置は，既存のものを流用するため，図 8 のモで，磁場の場合と同様にパラメータが製品全体の動作にデルから素子を流用した。スコットラッセル機構につい与える影響の程度を把握することができる。1DCAE のては，設計案があったため設計情報を利用した。

計算時間は，3DCAE のものに比べて非常に短い。多数

単体 VCB の 1D モデルを図 9 に示し，表 4 に接点のの設計パラメータを検証する設計の初期段階において，速度を解析結果と目標値とで比較したものを示す。表計算時間は短いほど有利である。よって，1DCAE を使4 より投入速度の解析結果が目標値を 4 割近く下回っえば，製品全体の設計パラメータが扱え，計算時間も短ていることがわかる。前項にて投入速度の解析結果が実いため，設計の初期段階で全体最適化が図りやすい。

際より 2 割近く速くなっていたことを考慮すると，投入速度がかなり遅くなることが予測された。この結果よ2.2

単体 VCB 注 6）操作機構【事例 2】

前節で SIS の電磁操作機構を題材に，1DCAE でモデル化することの有効性を確認した。本節では，1DCAEを新規開発品の初期設計段階に適用した単体 VCB の操り，操作力発生装置の出力不足やスコットラッセル機構の見直しなどの課題が見つかり，それらの対策が必要であることが判明した。
上記の課題が下流の工程まで判明しなかった場合，設作機構の検討事例について述べる。

計変更などで多くの工数を要し，予算，納期ともに圧迫（1） C-GIS 注 7）用 VCB の 1D モデルされる。今回は，設計の初期段階において対策が打てた

まず，モデルの妥当性を確認するため，開発品と同容量の既存の機器である C-GIS 用 VCB をモデル化した。

制御

図 8 に C-GIS 用 VCB の 1D モデルを示す。この機器にスコットラッセル機構
機構

ついては開発試験時に摺動摩擦力を測定しており，摩擦力をモデルに反映している。
表 3 に接点の速度を解析結果と試験の測定結果とで比較したものを示す。投入速度の解析結果が試験結果よりも 2 割近く速めになっている。操作力のモデルを簡略化したことが影響している可能性が考えられたが，こ図 9 単体 VCB の 1D モデル

こでは，設計の見当をつけることを優先したため，操作力の忠実度はこのままとした。
（2） 単体 VCB の 1D モデル
次に，新規開発品である単体 VCB の 1D モデルを作成した。その際，次のような設計上の制約があった。
1.

使用する VI の詳細な仕様が不明である。

表4

接点速度の比較

状態

解析結果

目標値

投入0.62 Vc

Vc

遮断1.23 VoVo*Vc，Vo は目標値で規格化した速度

東光高岳技報 No.11 20249

論文

製品の開発期間短縮と品質向上を目指した開発設計のフロントローディング化を促進するための取り組みことにより，それらのリスクを回避することができた。
2.3∆P =1ζρU 2 2（9）式

ここで，ΔP：圧力損失，ζ：圧力損失係数，U：流速

筐体の冷却設計【事例 3】

本節では筐体の冷却設計の初期検討に 1DCAE を適用である。ファンの P-Q 特性と冷却システムの圧力損失した事例について説明する。ここで扱う物理領域は，流- 流速特性がバランスしたとき（図 10 の交点）がファ体と伝熱である。

ンの動作風量となる。

筐体内の部品が発熱する場合，筐体内部の温度を許容概算検討する場合に，冷却に必要な風量をファンの温度以下にするため，ファンで換気することにより筐体最大風量の 1/2 と見積もったが，実際には冷却システ内部を冷却する。その際，必要な換気風量を見積もるた

ムの圧力損失により風量が変化する。筐体の冷却シスめに（8）式を用いる。

テムにおいて主に流れの抵抗となるのは，吸・排気口（8）式

W = ρCQ∆T のガラリ 注 9）やフィルタなどである。これらの仕様には圧力損失係数もしくは圧力損失 - 流速特性が記されていここで，W：換気による放熱量，ρ：空気の密度，C：空る。圧力損失係数はそのまま（9）式に適用することが気の比熱，Q：換気風量，ΔT：空気の温度上昇である（3）。

できるが，圧力損失 - 流速特性が記載されている場合（8）式で得られた換気風量から，ファンの型番と台数は，その特性を（9）式で近似して圧力損失係数を求めを選定する。電卓などによる概算では，ファンの最大風る。そのどちらでもない場合は，3D データなどを入手量で検討を行う。最大風量は，ファンの周りに何も流れし，CFD 注 10） でパラメトリックスタディを行い，圧力の抵抗となるものがない場合の風量である。ファンは最損失係数を求める（図 11）。

大風量の 1/2 の風量で動作すると見積もる。

ファンの P-Q 特性と冷却システムの圧力損失特性がしかし，完成した製品が概算の見積もり通りの換気風わかれば，ファンの動作風量を求めることができる。一量であれば良いが，それを下回っていた場合，筐体内部

般的な手法としては，表計算ソフトを用いることがあげの温度が許容値を超え，機器が故障する危険性がある。

られる。しかし，ファンや吸・排気口の数を増やすと，逆に，製品が概算の見積もりよりも大きな風量を得てい表計算ソフトのシートの改造が必要であり，他に機能をた場合，オーバースペックとなってしまう。

追加したい場合なども，シートの作成者以外の者によるそこで，適切な設計をするために，より実際の製品に対応は困難である。一方，1DCAE ソフトであればファ近い風量を見積もる際には，一般的には風量を P-Q 特ンやガラリ，フィルタに相当する素子を画面上で自由に性により求める。ファンには P-Q 特性と呼ばれるファコピーして配置し，冷却の風の流れを考慮してそれぞれン前後の圧力差と風量に関する特性がある。ファンのの素子を接続すれば良い。モデルの扱いやすさや見やす

P-Q 特性の例を図 10 に示す。縦軸はファン前後の圧力さでは 1DCAE ソフトの方が優れている。

差を静圧（P）としたものであり，横軸はファンの風量筐体の冷却設計の初期段階に 1DCAE を適用したモデ（Q）である。何も抵抗となるものがない場合，ファンルを図 12 に示す。吸・排気口はそれぞれ 2 カ所とし，の風量は最大となり，そのときの静圧はゼロとなる。逆ファンは排気口それぞれに 1 台としている。に，ファンの出口を塞いで風量をゼロにすると静圧は最大となる（最大静圧）。

吸・排気口にはパイプ要素を使用し，ガラリとフィルタの圧力損失係数と，ガラリの有効面積を設定している。

実際の冷却システムには抵抗があり，冷却システムのファンは流量源要素を使用し，ファンの最大静圧と最大流速と圧力差（圧力損失）には（9）式に示す関係がある。

風量から 1 次式で近似した P-Q 特性を設定している。

静圧

ファン特性
冷却システム特性

動作風量

図 1010

ファンの P-Q 特性

東光高岳技報 No.11 2024

風量  図 11

ガラリの圧力損失を求めるための CFD の例（圧力分布図）製品の開発期間短縮と品質向上を目指した開発設計のフロントローディング化を促進するための取り組み

論

文が，1DCAE を扱うには物理現象や工学の理解が必要とファン吸気口なるため，設計者教育にも有用であると考える。

排気口

今後も，1DCAE による設計工程のフロントローディング化を推し進めていきたいと考えている。フロントローディングによってできた時間の余裕を使ってお客さまが満足するアイデアを検討し，付加価値の高い製品づ
流体

■参考文献

伝熱

図 12

筐体冷却設計の 1D モデル

以上が流体部分のモデルの概要であるが，冷却設計であるから伝熱部分もモデル化する必要がある。
（8）式を変形すると，（10）式のようになる。
∆T =1WρCQ= R th W



（10）式

ここで，R th は熱抵抗である。換気空気による熱の伝わり方を熱抵抗で表し，換気による伝熱をモデル化する。発熱体は熱源素子，周囲温度は温度源素子を用いている。熱抵抗のパラメータである換気空気の風量（Q）
は，流体部分の流量センサの出力を参照している。
以上，簡単なモデルではあるが，筐体の冷却設計の初期段階において，内部の部品がある発熱量のとき許容温度を超えないように，ガラリ，フィルタ，ファンの組み合わせを検討することができる。

3

おわりに

本稿では，設計の初期段階に 1DCAE を適用した取り組みについて紹介した。1DCAE の特長を以下に示す。
1.

1DCAE は異なる物理領域を連携し，製品全体をモデル化することができる。

2.

1DCAE は形状ではなく機能でモデル化することができる。

3.

くりを心がけていきたい。

1DCAE の 1 回の計算時間は短いため，パラメータを変え多くの回数計算することができる。

以上の点より，1DCAE を設計の初期段階に適用することで，設計工程のフロントローディング化を促進する（1） MONOist：「設計者がフロントローディングという怪物に立ち向かうための“3 つの武器”」，MONOist ホームページ（2020 公開），
https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2003/11/news002.html（2） 1DCAE：「1DCAE とは」，1DCAE ホームページ，
https://1dcae.jp/about/（3） 国 峰尚樹：
「エレクトロニクスのための熱設計完全入門」，日刊工業新聞社（1997）■語句説明
注 1） CAE：Computer Aided Engineering の 略。 コ ン
ピュータ上で技術的な支援を行うシステムのこと。
注 2） SIS：Solid Insulated Switchgear の略。固体絶縁開閉装置のこと。充電部をエポキシモールドなどの固体絶縁物で絶縁した開閉装置。
注 3） ソ レノイドアクチュエータ：電磁力を利用して，電気エネルギーを運動エネルギーに変換する部品のこと。
注 4） プ ランジャ：ソレノイドアクチュエータ内の部品の一つである。鉄などの磁性体でできており，ソレノイドアクチュエータ内部で発生させた電磁力により運動する。
注 5） VI：Vacuum Interrupter の略。真空バルブのこと。
真空を利用し電流を遮断する部品。VCB の主要部品である。
注 6） VCB：Vacuum Circuit Breaker の略。真空遮断器のこと。開閉装置の一種。
注 7） C-GIS：Cubicle-type Gas Insulated Switchgear の略。キュービクルに収容されたガス絶縁開閉装置のこと。
注 8） ス コットラッセル機構：機構の一種。直線運動の方向を変える機能を持つ。
注 9） ガ ラリ：空気の出入り口に設置する装置のこと。雨水の侵入を防ぐため，羽板とよばれる板状の部品を複数枚平行に配置した構造をしている。
注 10）CFD：Computational Fluid Dynamics の 略。 コ ン
ピュータを使い，流体の速度や圧力などを解く。

ことができる。加えて，製品を機能の集まりとして考えるため，全体の見通しが良くシンプルな表現になり，より本質的な検討も深まる。
本稿では 1DCAE の設計ツールとしての側面を述べた

片栁厚志

戦略技術研究所

技術開発センター

解析・試験技術グループ

東光高岳技報 No.11 2024

所属11