令和５年度 課題演習A4
静電場･静磁場シミュレーション
簡易マニュアル必要なソフトウェア一覧
有限要素法を用いた静電磁場解析に必要なソフトウェア一覧
・SATE（Static-field Analysis Toolkit）：下記3ソフトを含んでいる。
- Mesh：任意の幾何学的形状に対して適合三角形メッシュを作成する。
- Estat：2次元静電場シミュレータ- PerMag：２次元静磁場シミュレータ
http://www.asl-i.jp/contents/download/sate2.php
・AutoCAD：Mesh に幾何学形状をインストールするための製図用ソフト- 本当は２０万円/年 だが京大の教育用は無料で使用できる。
https://www.autodesk.co.jp/products/autocad/overview

Auto CAD install
教育用ライセンスは下記の手順によってインストール可能。
https://www.cit.t.kyoto-u.ac.jp/ja/services/software/cad

ここからインストール！

Auto CAD による作図
Auto CAD の 画面は下記の通り。

通常の編集用は”.dwg”形式で保存してよいが、Mesh に読み込む用のDXFは一番下のAutoCAD R12/LT2 DXF で保存する。

SATE インストール
インストール先は下記URLから。
http://www.asl-i.jp/contents/download/sate2.php

ここからインストール！

SATE
SATEをインストールするとデスクトップ TC（TriCompという有償版の名前）というアイコンができる。

計算に使用するのはこの3つ。
・MESH：メッシュ作成
・ESTAT：静電場計算
・PERMAG：静磁場計算
先ずここを押して、Mesh, Estat,PerMag のディレクトリを指定。

静電場計算静磁場計算：課題
下記の電子銃の引き出し電極周辺をシミュレーションする例をこれから示す。

GN
D-50 kV 引き出し電極

電子ビーム
電子銃
カソード

GN
D

引き出し-50 kV 電極
等電位線

MESH：DXF file import
FILE > Create script > Create script, DXF import を選択し、AutoCADでR12/LT2 DXF 形成で保存したジオメトリファイルを読み込む。

読み込むときに Planer か Cylindrical が 選択できる。
上の図は Planer で読み込んだが、Cylindrical は対称性を利用して計算範囲の削減が可能である。
→ 対称性のあるジオメトリは Cylindrical 推奨。

MESH：Region
静電場･磁場を計算するとき、当たり前だが空気、高圧電極、グラウンド電極など様々な要素が必要となる。
MESH では “Region”という概念で要素を分けている。
基本的には一つの要素につき一つの Region を用意する必要がある。
SETTING > Region properties から 現在のRegion が見れる。

MESH：Transfer
MESHでは下記の様に各要素を Vector （線）単位で選択し、Region 毎に分ける必要がある。
電極のVectorを選択する

Start next region で 新しいRegion を作成する。

Start next region を クリックすると、新しい Region ができてなおかつそこに移動する。

EDIT > Transfer selection to current regionをクリックすると、選択した Vectors がCurrentregion に移動する。
（注意）
この時 Vectors が作る要素は閉じている必要がある。
また、選択した Vector はアイコンタブのから未選択状態に戻すことができる。

MESH：Region properties
すべての要素を Region 毎に分けると以下の様になる。
Region properties から各要素を“Filed”にしておく。

【注意！！ 】
・Vector 0 の空の Region があると上手く計算ができない。
・一つのRegionにおいて、Vector が作る構造物は閉じている必要がある。
（Vector の始点と終点はつながっていなければならない。）

MESH：Foundation
Default では 位置分解能は 1mm なので、精度が足りない場合がある。
FOUNDATION > Foundation display からその精度を変更できる。
例えば電子銃の引き出し電極の箇所だけ精度を 0.5 mm に変更するとする。
FOUNDATION > X/Z axis > Divide zone X/Z
で領域を区切ることができる。
その後 Change element size X/Z で 要素のサイぞを変更することができる。

ある特定の領域だけ精度を変更すると左図のような図になる。

（注意）
無料版である SATE は計算できる要素数に制限があるので、やりすぎると動かない。

MESH：PROCESS -> PLOT-REPAIR

この左から二つ目のアイコンから“MIN file”を作成･保存する。
ここまででほぼMESH作成作業は終了。
MIN file 作成後に EXIT でMESH編集画面を抜け、PROCESS をクリックする と ESTATや、PERMAG 用の計算用Meshファイルができる。
その後 Save mesh をクリックすると MOUファイルが保存される。

その後、PLOT-REPARをクリックすると以下の画面が見れる。

ESTAT：MOU file import
電場計算のために、MESH から抜けてESTATを立ち上げる。
（PERMAG による静磁場計算もほとんど同じ。）
ESTAT フロントパネル

１、２、３ の順にクリックし、それぞれ出てきたポップアップに従う。
1をクリックし、Meshで作成したMOUファイルを選択すると、下記の電極等の電位設定画面が出てくる。

ESTAT：Calculation
１、２、３ の順にクリックし、それぞれ出てきたポップアップに従う。
３まで行くと、EOUというファイルにポテンシャルデータが出力され、下記のような画面が見れる。

静磁場計算静磁場計算：課題
下記のソレノイド磁石が作る磁場を計算する。
ヨーク：鉄（SS400）
コア：アルミ（A5052）

ソレノイドコイル（実物）若杉研で現在使用しているソレノイドコイル。

AutoCAD
AutoCADを用いてソレノイドコイルの図面を作成する。
今回は Cylindrical を意識した図面を作成する。

コイル
コア

ヨーク

MESH：DXF file import
静電場計算と全く同じである。

MESH：Foundation
静電場計算と全く同じである。

精度は以下の様に決めた。
X 方向は 1mm（全範囲）
Y 方向は 1mm（部分）MESH：PROCESS -> PLOT-REPAIR
静電場計算と全く同じである。

PERMAG：MOU file import
電場計算のために、MESH から抜けてPERMAGを立ち上げる。
PERMAG フロントパネル

１、２、３ の順にクリックし、それぞれ出てきたポップアップに従う。
1をクリックし、Meshで作成したMOUファイルを選択すると、下記の電極等の電位設定画面が出てくる。

PERMAG：Calculation
１、２、３ の順にクリックし、それぞれ出てきたポップアップに従う。
３まで行くと、POUというファイルにポテンシャルデータが出力され、色々設定をいじると下記のような画面が見れる。

静電場計算まとめ
静電磁場の計算手順は以下の通り
１．SATEをインストール
２．MESHで計算用MOUファイルを作成
３．ESTATでEOUファイルを作成
４．PERMAGでPOUファイルを作成
詳しい説明やマニュアルは下記にURLから見れるので、この簡易マニュアルでは足りない箇所はそこから補って下さい。
http://www.asl-i.jp/contents/cat28/post-31.php
http://www.asl-i.com/blog/cat55/

・有限要素法は電磁場解析だけでなく、連続空間における熱や、流量、力の伝搬計算にも利用できる幅拾く使えるアルゴリズムであり、各分野に特化した多くのソフトが開発されている。