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例題５ IPM発電機の発電量解析
本例題について
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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。
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ロータを回転させた際に発生する電流を計算します。
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外部回路連成解析機能を利用します。
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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。
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表に記載されていない条件はデフォルトの条件を使用します。
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Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。
解析モデルダウンロード
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プロジェクトファイルをダウンロード（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
解析条件
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
2次元 |
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奥行き方向の厚み |
30[mm] |
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単位 |
mm |
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磁場解析[Luvens] |
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解析の種類 |
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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
[部分モデル(対称モデル)の設定] 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。
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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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] |
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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。
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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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] |
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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。
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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過渡解析 |
時間ステップ |
自動 |
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表 |
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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。
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
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
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6/Sheet |
Mag1 |
mag |
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7/Sheet |
Mag2 |
mag |
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5/Sheet |
Rotor |
core |
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20/Sheet |
Stator |
core |
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22/Sheet |
U1+ |
Cu |
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21/Sheet |
W1- |
Cu |
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25/Sheet |
V1+ |
Cu |
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23/Sheet |
U1- |
Cu |
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26/Sheet |
W1+ |
Cu |
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24/Sheet |
V1- |
Cu |
ボディ属性は以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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Mag1 |
方向 |
ベクトル：X=1, Y=0, Z=1 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ロータ |
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Mag2 |
方向 |
ベクトル：X=1, Y=0, Z=-1 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ロータ |
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Rotor |
ステータ/ロータ/空気 |
ロータ |
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Stator |
ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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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 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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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 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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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 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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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 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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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 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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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 |
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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。
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材料名 |
タブ |
定数 |
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Cu |
導電率 |
導体の種類：導体 導電率：5.977×107[S/m] |
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mag |
透磁率 |
材料タイプ：永久磁石 |
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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 |
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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
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境界条件
周期対称境界を設定しています。
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境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
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Symmetric |
対称/不連続 |
周期的 |
回転周期(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。