Title
有限要素法を用いたモータの最適設計および連成問題の数
値解析に関する研究( 内容の要旨(Summary) )
Author(s)
岡田, 幸弘
Report No.(Doctoral
Degree)
博士(工学) 甲第227号
Issue Date
2004-03-25
Type
博士論文
Version
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12099/1948
※この資料の著作権は、各資料の著者・学協会・出版社等に帰属します。氏 名(本籍) 学 位 の 種 類 学位授与番号 学位授与日付 専 攻 学位論文題目 岡 田 幸 弘(岡山県) 博 士(工学) 甲第 227 号 平成16 年 3 月 25 日 電子情報システム工学専攻 有限要素法を用いたモータの最適設計および達成問題の数値解析に関する研究 (NumericalAnalysis of Optimization and Coupled Problems for Motors Using Finite Element Method)
学位論文審査委員 (主査)教 授 河 瀬 順 洋 (副査)教 授 田 中 嘉津夫 教 授 岸 田 邦 治 助教授 山 口 忠
論文内容の軍旨
本論文は,電磁界現象の数値解析手法として有限要素法を用いることを前提に,最適化 技術である品質工学と多変量解析法を用いた最適設計手法の開発,および,電磁界と回 路･構造との達成解析手法の開発を目的としており,得られた結果は次の通りである｡ (1)マクスウェルの電磁方程式より導出される三次元場の磁界の基礎方程式を,ガラー キン法を用いた三次元有限要素法によって定式化する方法および四面体要素を用いた離散化手法について明らかにしている｡さらに,鉄心などの磁界に対する非線形性を有する
問題に対するニュートン･ラプソン法を用いた有限要素解析手法,磁束の時間的変化に伴 い導体内に生じる渦電流を考慮するための時間依存項の取扱い手軌磁性体に作用する電 磁力の各種算出法の比較と節点力法の定式化についても明らかにしている｡ (2)最適化技術である品質工学および多変量解析法の重回帰分析について明らかにして いる｡品質工学では,その概要と従来の設計法と品質工学を用いた設計法との比較や設計 に適用する場合の手順について,多変量解析法では,変数による分類や相関係数行列および重回帰分析を用いて重回帰式を得るための計算法についても明らかにしている｡
(3)磁界解析と最適化技術の組合せによるモータの最適設計手法について明らかにしている｡提案手法は2ステップからなり,ステップ1で,品質工学と磁界解析により,設計
パラメータの要因分析を行い,ステップ2で,多変量解析法と磁界解析により,重回帰式(近似式)による最適値の探索と,磁界解析による確認解析を,目標を満たすまで繰り返す
手法である｡提案手法をIPMモータのトルクリップルの低減に適用し,計算結果からその 有用性が示されている｡ (4)実駆動時のモータの低振動化を目的とした,電磁界と回路･構造との連成解析手法について明らかにしている｡本手法は二
回路解析で1周期の電流波形を求め,この電流波 形を入力として磁界解析から電磁力分布を求め,この電磁力分布を入力として構造解析を行い,変位の時系列データから振動を求める手法である｡本手法は1PMモータに適用され,
電流波形や振動療性などの実測値との比較検討から,その妥当性が明らかにされている｡
(5)残留応力による材料の磁気特性の劣化を考慮した磁界解析手法について明らかにしている｡本手法は,構造解析から得られた応力分布により,磁気特性が劣イヒした領域を瞑
定して,クローポール形ステッピングモータのトルク特性を算出する手法である｡本手法の妥当性は,実測値との比較検討により明らかにされている｡
(6)クローポール形ステッピングモータにおける,マイクロステップ駆動時の送り角精 度の向上を目的とした最適設計手法について明らかにしている｡本手法は,クローポール の形状を設計パラメータとして,三次元磁界解析と品質工学とを用いる手法である｡マイ クロステップ駆動の送り角精度が向上可能なクローポール形状が得られたことで,本手法 の有用性が示されている｡論文審査結果の要旨
本論文は,電磁界現象の数値解析手法として有限要素法を用いることを前提に,最適化 技術である品質工学と多変量解析法を用いた最適設計手法の開発,および,電磁界と回 路･構造との達成解析手法の開発を目的としており,得られた結果は次の通りである｡ (1)マクスウェルの電磁方程式より導出される三次元場の磁界の基礎方程式を,ガラー キン法を用いた三次元有限要素法によって定式化する方法および四面体要素を用いた離 散化手法について明らかにしている｡さらに,鉄心などの磁界に対する非線形性を有する問題に対するニュートン･ラプソン法を用いた有限要素解析手配磁束の時間的変化に伴
い導体内に生じる渦電流を考慮するための時間依存項の取扱い手法,磁性体に作用する電 磁力の各種算出法の比較と節点力法の定式化についても明らかにしている｡ (2)最適化技術である品質工学および多変量解析法の重回帰分析について明らかにして いる｡品質工学では,その概要と従来の設計法と品質工学を用いた設計法との比較や設計 に適用する場合の手順について,多変量解析法では,変数による分類や相関係数行列およ び重回帰分析を用いて重回帰式を得るための計算法についても明らかにしている｡ (3)磁界解析と最適化技術の組合せによるモータの最適設計手法について明らかにして いる｡提案手法は2ステップからなり′ステップ1で,品質工学と磁界解析によ▼り,設計 パラメータの要因分析を行い,ステップ2で,多変量解析法と磁界解析により,重回帰式 (近似式)による最適値の探索と,磁界解析による確認解析を,目標を満たすまで繰り返す 手法である｡提案手法を1PMモータのトルクリップルの低減に適用し,計算結果からその 有用性が示されている｡ (4)実駆動時のモータの低振動化を目的とした,電磁界と回路･構造との達成解析手法 について明らかにしている｡本手法は,回路解析で1周期の電流波形を求め,この電流波 形を入力として磁界解析から電磁力分布を求め,この電磁力分布を入力として構造解析を 行い,変位の時系列データから振動を求める手法セある｡本手法はIPMモータに適用され, 電流波形や振動特性などの実測値との比較検討から,その妥当性が明らかにされている｡(5)残留応力による材料の磁気特性の劣化を考慮した磁界解析手法について明らかにし ている｡本手法は,構造解析から得られた応力分布により,磁気特性が劣化した領域を仮 定して,クローポール形ステッピングモータのトルク特性を算出する手法である｡本手法 の妥当性は,実測値との比較検討により明らかにされている｡ (6)クローポール形ステッピングモータにおける,マイクロステップ駆動時の送り角精 度の向上を目的とした最適設計手法について明らかにしている｡本手法は,クローポール の形状を設計パラメータとして,三次元磁界解析と品質工学とを用いる手法である｡マイ クロステップ駆動の送り角精度が向上可能なクローポール形状が得られたことで,本手法 の有用性が示されている｡ 以上要するに,本論文は,有限要素法を用いた磁界解析と最適化技術を融合させた最適 設計手法と,電磁界と回路･構造との達成解析手法を明確にし,その有用性を示したもの であり,学術上,実際上寄与することが少なくない｡よって,本論文は博士(工学)の学術 論文として価値あるものと認める｡
