CAEソフト【 Femtet 】－ムラタソフトウェア株式会社
例題1
IPMモータの熱解析
本例題について
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IPMモータ(Interior Permanent Magnet Motor)の通電時の温度とトルク特性の解析例を示します。
ロータの内部に磁石を埋め込んだ構造をもつ、永久磁石式同期モータです。 -
外部回路連成解析機能を利用します。
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コア部分は電磁鋼板の積層構造を模擬するため、均質化法を利用します。
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磁場を短い計算時間で定常状態にするため、定常場高速解析を利用します。
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温度、トルク、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初期設定の条件を使用します。
解析条件
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項目 |
条件 |
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ソルバ |
磁場解析[Luvens] 熱伝導解析[Watt] |
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解析の種類 |
磁場解析： 過渡解析 熱伝導解析： 定常解析 |
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単位 |
mm |
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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
[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：4 [外部回路入出力値換算] 換算するをチェック 直列数：2 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：1800[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：1[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。
60[Hz]の三相交流電圧を印加しています。
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：4[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：1.2 |
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450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1[メッシュ]ですので、450*1.0*1=450度まで回転させる解析となります。
ステップ数は、磁場が定常場に収束するまでのステップとしています。
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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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磁場を短い計算時間で定常状態にするため、定常場高速解析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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定常場高速解析 |
補正方法 |
3相交流簡易TP-EEC法 |
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外部回路図上のコイル名 |
Uコイル：Circuit_Coil1 Vコイル：Circuit_Coil2 Wコイル：Circuit_Coil3 |
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。
3次元モデルでの解析です。対称性を利用し、1/4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。
シャフト部とステータとロータのギャップ部には断熱の境界条件を設定しています。
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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28/Solid |
coil_1 |
Cu |
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34/Solid |
coil_2 |
Cu |
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35/Solid |
coil_3 |
Cu |
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36/Solid |
coil_4 |
Cu |
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37/Solid |
coil_5 |
Cu |
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38/Solid |
coil_6 |
Cu |
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55/Solid |
mag |
mag |
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45/Solid |
stator_core |
core |
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47/Solid |
rotor_core |
core |
ボディ属性は以下のように設定しています。
コア部分は積層鋼板を模擬するため、均質化法を利用する設定（積層タブ）としています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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coil_1 |
電流 |
波形：外部回路連成 回路上のコイル名：Circuit_Coil1 巻数：35[Turn] 方向：流入出面指定 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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coil_2 |
電流 |
波形：外部回路連成 回路上のコイル名：Circuit_Coil1 巻数：35[Turn] 方向：流入出面指定 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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coil_3 |
電流 |
波形：外部回路連成 回路上のコイル名：Circuit_Coil2 巻数：35[Turn] 方向：流入出面指定 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
|
|
coil_4 |
電流 |
波形：外部回路連成 回路上のコイル名：Circuit_Coil2 巻数：35[Turn] 方向：流入出面指定 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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coil_l5 |
電流 |
波形：外部回路連成 回路上のコイル名：Circuit_Coil3 巻数：35[Turn] 方向：流入出面指定 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
|
|
coil_6 |
電流 |
波形：外部回路連成 回路上のコイル名：Circuit_Coil3 巻数：35[Turn] 方向：流入出面指定 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ステータ |
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mag |
方向 |
ベクトル：X=1, Y=1, Z=0 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ロータ |
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rotor_core |
積層 |
積層を考慮するにチェック 占積率：97[%] 積層方向ベクトル：X=0, Y=0, Z=1 |
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ステータ/ロータ/空気 |
ロータ |
|
|
stator_core |
積層 |
積層を考慮するにチェック 占積率：97[%] 積層方向ベクトル：X=0, Y=0, Z=1 |
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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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熱伝導率 |
熱伝導率：398[W/m/deg] |
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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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|
熱伝導率 |
熱伝導率：1[W/m/deg] |
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|
core |
導電率 |
導体の種類：導体 導電率：1.7×106[S/m] |
|||||||||||||||||||||
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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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熱伝導率 |
熱伝導率：10[W/m/deg] |
境界条件
外部境界条件（熱解析ではモータの周囲に付与される）に自然対流（係数自動計算）を設定しています。
半周期の周期対称境界を設定しています。
シャフト部とステータとロータのギャップ部には断熱の境界条件を設定しています。
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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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外部境界条件※ |
熱 |
放熱・環境輻射 |
自然対流（係数自動計算） 室温： 25 [deg] |
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shaft |
熱 |
断熱 |
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rotor |
熱 |
断熱 |
|
|
stator |
熱 |
断熱 |
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Symmetry |
対称/不連続 |
周期的 |
回転周期(半周期) |
※外部境界条件は[モデル]タブの
[外部境界条件] 
をクリックして設定できます。
解析結果
ステップ数が450の時の磁束密度分布を示します。
時刻-トルク特性を示します。
最初は過渡状態で、20[ms]程度で定常状態になっています。
0.5[N・m]程度のトルクが得られているのが分かります。
ステータの温度分布を示します。
定常状態で100[deg]程度になっているのが分かります。
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