例題5 IPM発電機の発電量解析

本例題について

  • IPM発電機の発電量解析例を示します。
    ロータ側が回転する事により、ステータ側コイルで発電されます。
    ロータの内部に磁石を埋め込んだ構造をもつ、永久磁石式同期発電機です。

  • ロータを回転させた際に発生する電流を計算します。

  • 外部回路連成解析機能を利用します。

  • 発電電流、磁束密度などを解析結果として見ることができます。

  • 表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。

解析条件

項目

条件

ソルバ

磁場解析[Luvens]

解析空間

2次元

解析の種類

過渡解析

単位

mm

解析オプション

外部回路連成をチェック

回転機をチェック

 

[換算]

モデルの厚み:30×10-3[m]

部分モデルをチェック

分割数:2

[外部回路入出力値換算]

換算するをチェック

直列数:1

並列数:2

結果をフルモデルに換算して出力をチェック

 

回転機タブの設定を以下のように行っています。

タブ設定

設定項目

条件

回転機

回転移動

速度一定にチェック

回転数:3000[r/min]

ロータの初期回転位置:0[deg]

スライドメッシュの分割数

周方向メッシュ分割角度:1.0[deg]

1ステップ当たりの回転量:3[メッシュ]

スライドメッシュ層数:3

 

外部回路図は以下の通りです。

回路図右側の「R1」は発電量検出用の抵抗素子で、本来はバッテリーとなる個所に配置しています。

抵抗値にはバッテリーの内部抵抗値として、微小値(0.001[Ohm])を指定しています。

 

メッシュタブを以下のように設定しています。

タブ設定

設定項目

条件

メッシュ

メッシュ設定

標準メッシュサイズを自動的に決定する:OFF

標準メッシュサイズ:1[mm]

空気領域自動作成

空気領域を自動作成するにチェック

空気領域のスケール:1.25

 

過渡解析タブを以下のように設定しています。

ステップ数が180で、周方向メッシュ分割角度が1.0[deg]、1ステップ当たりの回転量が3[メッシュ]ですので、180*1.0*3=540度まで回転させる解析となります。

タブ設定

設定項目

条件

過渡解析

時間ステップ

自動

No.

ステップ数

出力間隔

1

180

1

 

モデル図

中央にロータであるロータコアと磁石があり、周囲にステータコアとコイルを配置した構成となっています。

2次元モデルでの解析です。対称性を利用し、1/2の周期対称モデルとしています。

半周期の回転周期境界(Symmetry)を設定しています。

空気領域は自動作成に設定しています。

 

ボディ属性および材料の設定

ボディ No./ボディタイプ

ボディ属性名

材料名

6/Sheet

Mag1

mag

7/Sheet

Mag2

mag

5/Sheet

Rotor

core

20/Sheet

Stator

core

22/Sheet

U1+

Cu

21/Sheet

W1-

Cu

25/Sheet

V1+

Cu

23/Sheet

U1-

Cu

26/Sheet

W1+

Cu

24/Sheet

V1-

Cu

 

ボディ属性は以下のように設定しています。

ボディ属性名

タブ

設定

Mag1

方向

ベクトル:X=1, Y=0, Z=1

ステータ/ロータ/空気

ロータ

Mag2

方向

ベクトル:X=1, Y=0, Z=-1

ステータ/ロータ/空気

ロータ

Rotor

ステータ/ロータ/空気

ロータ

Stator

ステータ/ロータ/空気

ステータ

U1-

電流

波形:外部回路連成

回路上のコイル名:U1

巻数:15[Turn]

方向:手前向き

ステータ/ロータ/空気

ステータ

U1+

電流

波形:外部回路連成

回路上のコイル名:U1

巻数:15[Turn]

方向:奥向き

ステータ/ロータ/空気

ステータ

V1-

電流

波形:外部回路連成

回路上のコイル名:V1

巻数:15[Turn]

方向:手前向き

ステータ/ロータ/空気

ステータ

V1+

電流

波形:外部回路連成

回路上のコイル名:V1

巻数:15[Turn]

方向:奥向き

ステータ/ロータ/空気

ステータ

W1-

電流

波形:外部回路連成

回路上のコイル名:W1

巻数:15[Turn]

方向:手前向き

ステータ/ロータ/空気

ステータ

W1+

電流

波形:外部回路連成

回路上のコイル名:W1

巻数:15[Turn]

方向:奥向き

ステータ/ロータ/空気

ステータ

 

材料定数は以下のように設定しています。

材料名

タブ

定数

Cu

導電率

導体の種類:導体

導電率:5.977×107[S/m]

mag

透磁率

材料タイプ:永久磁石

磁石

磁化特性タイプ:線形

磁化の強さ:1.25[T]

比透磁率:1.05

core

透磁率

磁化特性タイプ:B-Hカーブをチェック

 

B-Hカーブテーブル

磁界[A/m]

磁束密度[T]

0

0

58

0.42

90

0.8

180

1.19

380

1.37

1100

1.48

2000

1.55

3000

1.608

11000

1.81

20000

1.91

80000

2.15

 

境界条件

1周期の周期対称境界を設定しています。

境界条件名/トポロジ

タブ

境界条件の種類

条件

Symmetric

対称/不連続

周期的

回転周期(1周期)

解析結果

回転角度が0[deg]の時の磁束密度分布を示します。

 

 

発電電流は、結果テーブルで発電量検出用の抵抗素子の回路電流として出力されます。

 

次にこれをグラフにした時刻-発電電流特性を示します。

発電量は、定常状態の電流の平均から約155[A]となっています。

 

 

 

 

 

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