モデルベースデザインを推進するモータモデル
JMAG-RTのご紹介
2010年 8月30日 東 京
8月31日 名古屋
9月 1日 大 阪
Simulation Technology for Electromechanical Design
メカ・制御連携セミナー
∼メカ設計と制御設計の壁をなくすために∼
2
0.はじめに
システム全体の開発プロセスをMATLAB/Simulink上に載せて開
発を進める『モデルベース開発』が浸透していますが、モータを含
んだ開発としてはまだ完成とはいえないのではないでしょうか。
課題は、各コンポーネントにおける高精度モデルの作成と
Simulinkに搭載するモデルへの変換です。
JMAG-RTはFEAによるリアルなモータ特性を考慮したモータモデ
ルを提供します。
-
モータ毎の磁気飽和特性や形状の違いを反映したシミュレーションが可能
-
組み合わせ時の不整合を事前に確認、試作レスな開発を実現
-
実験が難しいインバータ故障時のシミュレーションなど、システムの異常時の
シミュレーションも可能
Index
1.
モデルベースデザインを完成させよう
2.
JMAG-RTとは
1.
SimulinkにおけるJMAG-RT連携イメージ
2.
JMAG-RTモデル生成方法
3.
JMAG-RTモデル利用方法
4.
利用事例
5.
対応モデル
6.
モデル詳細度
7.
対応システム
8.
費用
3.
会社案内
4
1. MBDを完成させよう！
JMAG-RTの効能１
リアルなコンポーネントモデルを提供します。
-
システム要求に応じてモデルを作ることができます。
-
モデルの交換も簡単です。
6
スペースがないので、
モータをもっと小さくして、
コストを削減するため、
磁石の量を減らしたい、
8
モータは汎用品を使い、システムは調整中
組み合わせ試験前にシステム側の
今まで使っていた材料が手に入らず、
変更せざるをえないとき
10
モータのカスタマイズを発注
納入後からようやく試験
JMAG-RTの効能２
システム設計とプラント設計でモデルを共有できます。
-
例えば、モータの設計に変更があった場合に、その変更をシステム設計・検
証にダイレクトに反映できます。
-
プラント設計で使われる３
Dモデルとシステム設計で使われる１Dモデルをブ
リッジします。
12
モータのモデルベース開発 問題点
Motor
Model for control
FEA model
Machine design
Control design
制御担当者
モータ設計者、開発者
モータ設計者は
2次元、3次
元の形状をもち、モータ単体
を徹底的に検証
制御担当者は教科書モデル
にパラメータを入力
同じモータのはずなのに！！
もったいない
それなら一緒のモータモデルを使おう
FEA model
Machine design
Control design
14
2. JMAG-RTとは
2.JMAG-RTとは？
JMAG-RTモデル（１D）
JMAG FEA
JMAG FEA
抽出
JMAGモデル（３D）
FEAモデルから特性を抽出した１Dモデルです。
詳細な特性情報を持った精度の高いモデルです。
従来の１
Dモデルと同様に高速に動作します。
JMAG-RTモデルの利用はフリー（ライセンス不要、無償）。
16
2-1.SimulinkにおけるJMAG-RT連携イメージ
制御部
Simulink
インバータ回路部
SymPowerSystem（SPS）
（
SPSを使わずに連携する
ことも可能です）
JMAG FEA
の直接
連携も可能です。
JMAG-RT
モデル
（パラメータファイル）
モータモデル部
S-Functionブロック
オフライン生成
JMAG FEA
SimulinkからはS-Functionブロックとして認識されます。
モデルの入れ替えはパラメータファイルの変更だけです。
N
S
N
S
N
S
ファ
イル
指定
2-1.SimuｌinkにおけるJMAG-RT連携イメージ
利用可能、必須ではない
利用可能、必須ではない
SimPowerSystem
オフライン
オンライン
JMAG I/F
Built-in
S-Function
（
JSOL
から提供）
S-Function
（
JSOL
から提供）
Simulink I/F
電流、電圧、力、トルク
数秒∼数分
等価回路モデル
（ルックアップテーブル付）
制御設計
システム検証
PMSM
、ソレノイド、
ステッピングモータ
方法２：
JMAG-RT
数秒∼数分
数分∼数時間
計算時間
電流、電圧、力、トルク
電磁界分布、
電流、電圧、力、トルク
出力
等価回路モデル
FEA
コシミュレーション
シミュレーション
モード
制御設計
システム検証
コンポーネント設計
目的
PMSM
、ソレノイド、
ステッピングモータ
汎用
モデル対象
Simulink
組込モデル
（為参考）
方法１：
JMAG (FEA)
18
2-1. SimuｌinkにおけるJMAG-RT連携イメージ
JMAG-RTモデルは、理想モデル（教科書モデル）では表現できな
かった形状や材料の特徴を詳細に捉えることができます。
0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 angle [deg] inductance [H ] [RT] Lu I=1.0A [RT] Lu I=7.0A [Ideal] Lu -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 30 60 90 120 150 180 angle [deg] vo ltage [ V ] [RT] U phase [Ideal] U phase 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 0 5 10 15 20 25 30 angle [deg] torque [Nm] [RT] Torque I=1.0A [RT] Torque I=7.0A [Ideal] Torque I=1.0A [Ideal] Torque I=7.0A誘起電圧
(V)
角度
(deg)
JMAG-RT
教科書モデル
インダクタンス
(H)
角度
(deg)
JMAG-RT1(A)
JMAG-RT7(A)
教科書モデル
角度
(deg)
トルク
(N
・m)
JMAG-RT1(A)
JMAG-RT7(A)
教科書モデル
1(A)
教科書モデル
7(A)
誘起電圧
インダクタンス
トルク
モータの構造の影響
磁気飽和でインダクタンスが減少
トルクリップル
コギングトルク
磁気飽和でトルクが低下
JMAG-RTモデルと教科書モデルで
内部に持っている特性を比較
概念設計
Machine design
詳細設計
2-2. JMAG-RTデル作成方法
JMAGまたはJMAG-Expressから作成します。
JMAG-Express
JMAG
JMAG-RT model
N
S
20
2-2. JMAG-RTモデル作成方法（JMAG）
JMAG-RTマネジャーを使い
モデルの詳細度等を設定しモデル作成
JMAG
-RT
Model for control
FEA model
JMAG-RTマネジャー
(JMAG-RTモデル作成のための
磁界解析を実行
)
ビヘイビアモデル
（
JMAG-RT）
FEAモデル
（
JMAG）
JMAG
-RT
Model for control
モデル生成
ビヘイビアモデル
（
JMAG-RT）
JMAG-Express
2-2. JMAG-RTモデル作成方法（JMAG-Express）
JMAG-Express起動後、
パラメータを入力し、
RTTボタンをクリック
Simulink選択時の出力ファイル
・
MDLファイル：モータモデル
・
DLLファイル ：RTソルバー
・
RTTファイル ：パラメータファイル
22
2-3.JMAG-RTモデル利用方法
JMAG-RTモデルをMATLAB/Simulink、PSIMの既存のモータブ
ロックと置き換えるだけでシームレスに実行可能です。
*SimPowerSystem demo:AC6_example/PM Synchronous Motor Drive
JMAG-RTモデル
Simulinkのモータ制御ブロック
入力端子
負荷
電流センサ(相電流)
電流センサ(dq軸電流)
速度センサ
位置センサ
トルクセンサ
2-3.JMAG-RTモデル利用方法
モデルの入れ替えは、パラメータファイル（
RTTファイル）を指定
するだけ
JMAG-Expressで提供
MATLAB/Simulinkサンプル回路
ステータコアの外径小
.rtt
ステータコアの外径大
.rtt
24
2-4．事例
①
モータドライブ評価
②
パワエレ設計での利用
2-4-1. 事例：モータドライブ評価
ドライブシステム全体
JMAG-RT
モータモデル（IPM）
インバータ、モータ
電流ベクトル制御
デッドタイム考慮
JMAG-RT
モータの非線形，高調波考慮
昇圧コンバータで
DC電圧可変
26
2-4-1. 事例：モータドライブ評価（教科書モデルとの
比較）
ト
ル
ク
相
電
流
教科書モデル
JMAG-RT
回転数
:1800min-1
電流指令：
4Arms,45deg
電流の高調波成分を再現
コギング，リプルを再現
2-4-1. 事例：モータドライブ評価（測定との比較）
様々な状況で，モータ駆動時の電流波形や鉄損を高精度に表現できている
鉄損
-DC電圧
鉄損
-位相角
相電流波形（位相角
10deg）
電圧
-位相角
60
70
80
90
100
110
120
0
20
40
60
80
100
位相角(deg)
電圧
(V
rm
s)
JMAG-RT
実測
6
8
10
12
14
16
0
15
30
45
60
75
90
位相角(deg)
損失
(W
)
JMAG-RT
実測
6
8
10
12
14
16
18
220
240
260
280
300
DC 電圧(V)
損失(
W)
実測
JMAG-RT
28
2-4-2. 事例：パワエレ設計での利用
JMAG-RT+Matlab/Simulink+PSpiceと連携させることにより、パワ
エレ設計でも高精度なモータモデルを考慮することが可能
スイッチング素子の損失とサージ電圧を求めた事例
インバータ、モータ部分
モータ
（JMAG-RTモデル）
インバータ
IGBT
MATLAB/Simulinkからのス
イッチング信号
PSpiceによるインバータ回路
モータ
巻線
モータ⇔インバータの
ケーブルの
インダクタンス（0.4μH)
モータ巻線と
グラウンド間の浮遊容量
(2nF)
2-4-2. 事例：パワエレ設計での利用
JMAG-RT+MATLAB/Simulink+PSpice連携によりモータ、デバイ
ス、コントローラの詳細なモデルを同時に考慮することが可能
各部で生じる損失を同時に求めることが可能
モータ
インバータ
回路シミュレータ
(PSpice)
電流、速度…
ドライバ
制御シミュレータ
（MATLAB/Simulink）
電磁界シミュレータ
(JMAG-RT)
インバータの
スイッチング信号
電圧、電流
鉄損分布
・実際にモータをコントローラで駆
・実際の負荷（モータ）を接続した場合の
ＩＧＢＴの電流、電圧
ＩＧＢＴ損失
30
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Time[μsec]
Su
rg
e
v
o
lt
ag
e
[V
]
1
2
3
4
教科書モデル
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Time[μsec]
S
u
rg
e
vo
lt
ag
e
[V
]
1
2
3
4
JMAG-RTモデル
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
ケーブルインダクタンス[μH]
サー
ジ
電圧最大値/
D
C
電圧
JMAG-RTモデル
教科書モデル
サージ電圧倍率
2-4-2. 事例：パワエレ設計での利用
インバータサージ電圧の比較
-
高負荷時のモータのインダクタンスの差により、インバータサージ電圧にも差
が生じます。
2-4-3. 事例：HILSでの利用
リアルタイムシミュレータによる
HILSが有効
RT-LAB.JMAG(-FPGA)
・リアルタイムシミュレータ内に
JMAG-RTを
組み込むことで，
HILSでも高精度モータモ
デルを利用可能
・
FPGAを用いることにより，高速な応答が
可能
JMAG-RTはHILSでも利用されています。
-
コントローラの制御ロジック開発や不具合対応をしたい
…
-
…が，モータの実機がない，実験環境を整えるのが大変
32
2-4. 事例： JMAGユーザ会発表事例
11
15
10
07
04
14
19
08
07
08
04
09
20
19
18
09
08
No
名古屋大学
制御技術が磁界解析にもとめること
2009
スズキ株式会社
小型車に適したHEV用駆動モータの開発およびJMAG-RTを用いた制御連成解析
の紹介
2009
三洋電機株式会社
JMAG-RTを活用したモータトルク推定方法の検討
2009
ディエスピーテクノロジ株式会
社
インバータに接続可能&非線形応答（JMAG-RT対応）可能なバーチャルモータ
2009
トヨタ自動車株式会社
トヨタハイブリッド自動車用モータの開発経緯と課題
2009
Opal-RT Technologies Inc.
Modern Hardware-In-the Loop Simulation Technology for Fuel Cell Hybrid
Electric Vehicles
2007
東京工芸大学
IPMモータ制御技術の概観と実際
2006
三菱電機株式会社
IPMモータRTビヘイビアモデルを用いた連携解析の実機比較-続報-2005
ソニー株式会社
ロボットアクチュエータ開発におけるモータ連携解析の活用
2005
三菱電機株式会社
IPMモータRTビヘイビアモデルを用いた連携解析の実機比較-続報-2005
三洋精密株式会社
ビヘイビアモデルと回路シミュレータを用いたステッピングモータの動解析
2005
富士通テン株式会社
リアルタイムシミュレーション技術の現状と課題
2005
宇都宮大学
パワーエレクトロニクスシステムにおけるEMIのモデリングとシミュレーション
2004
三菱電機株式会社
パワーエレクトロニクスシステムのシミュレーション解析
2004
三菱電機株式会社
回転機の制御-電磁界連成解析の実用
2004
株式会社シーディー・アダプ
コ・ジャパン
modeFRONTIERとJMAG+Simulink連成モデルを使用したモータ駆動パラメータの
多目的最適化
2004
大阪府立大学
IPMSMのモデルベースト制御
2004
JMAGユーザ会 講演タイトル
開催年
＊文献の入手方法については本資料内
p25「JMAG WEBサイト データ提供のご案内」をご覧ください
相永久磁石同期モータ
２層ステッピングモータ
リニアソレノイド
永久磁石リニアモータ
誘導機（予定）
SRモータ(予定）
2-5.対応モデル
34
2-66. モータモデル詳細度
モータモデルの詳細度が選択できます。
大
中
小
モデルサイズ
JMAG
大
◎
◎
空間高調波
JMAG
中
○
○
簡易高調波
JMAG
JMAG-Express
小
−
○
LdLq
生成ツール
生成時間
空間高調波
磁気飽和
モデルタイプ
2-7.対応システム
SILS
-
Mathworks(MATLAB/Simulink)
-
Powersim (PSIM)
-
National Instruments (LabVIEW)
HILS
-
OPAL-RT(RT-LAB)
-
DSPテクノロジー(RTSim)
-
東芝情報システム(M-RADSHIPS)
-
dSPACE
-
National Instruments
C++で構築される汎用アプリケーション
36
2-7.対応システム
注意事項
-
PSIMとMATLABの連成には、SimCouplerが必要です。
-
MATLAB/Simulinkと電子・電気回路シミュレーターOrCAD PSpiceA/Dを連
成させるためには、
PSpiceSLPS Interface(SLPS)が必要です。
-
電気信号ブロックを使用する場合は、
SimPowerSystemsは必要です。
-
OrCAD PSpiceA/Dは アナログ/デジタル混在シミュレーターで、シミュレー
ター本体である
OrCAD PSpiceA/Dの他に、回路図入力ツール OrCAD
Capture もしくは データベース管理機能付きのCapture CISの何れかが必
要となります。
OrCAD PSpiceA/DとCaptureのパッケージ製品である
UnisonEEも使用可能です。
-
詳細は
WEBサイトにてご確認ください。
2-8.費用
JMAG-RTモータモデル
-
Simulink S-Functionで利用するRTソルバー
-
モータモデル
-
パラメータファイル
無料
無料
無料
JMAG-Express
無料
無料
有料
（
JMAG RTモジュール）
JMAG
利用
配布
作成
RTモータモデル配布利用時は、
モータの形状、使用している材料等の情報は秘匿されます。
38
会社紹介 ：株式会社JSOL
お客様の本質的な問題解決と未来の価値創造を。
お客様の本質的な問題解決と未来の価値創造を。
私たちは信頼されるプロフェッショナル集団です。
私たちは信頼されるプロフェッショナル集団です。
お客様の信頼に応え成功を支える
トータル・サービス・プロバイダー
知識エンジニアリングで
「新たな顧客価値の供創」を目指す
ソリューション・プロバイダー
「変える力を、ともに生み出す。」
変革を構想し実現するパートナー
名
称
：
株式会社 JSOL（ジェイソル）
JSOL Corporation
設
立
：
2006年7月（株式会社日本総合研究所より分社）
資本金
：
50億円
従業員
：
1,300人
株
主
：
株式会社
エヌ・ティ・ティ・データ
株式会社日本総合研究所
所在地
：【東京本社】東京都中央区晴海2-5-24
晴海センタービル
【大阪本社】大阪市西区新町1-6-3
【名古屋オフィス】名古屋市中区丸の内2-18-25
事
業
：
システムコンサルティング、システムインテグレーション、CAE
沿
革
：
2006年7月
株式会社日本総合研究所から会社分割により
日本総研ソリューションズ設立
2009年1月
株式会社JSOLに商号変更
（株式会社エヌ・ティ・ティ・データが資本参加）
Competence
Consulting
コンサルティングOutsourcing
アウトソーシングTechnology
テクノロジーProject
Management
プロジェクトマネジメント Manufacturing 製造業 Public 公共 Distribution 流通 サービス医薬業界
組立て
自治体・
外郭団体
銀行
証券
保険
サービス
プロセスCPG 消費財業界流通
公金
収納
教育
Finance 金融40
CAEプロダクト
最先端のシミュレーションで「ものづくり」をサポートしています
最先端のシミュレーションで「ものづくり」をサポートしています
。
。
モータに特化した簡易設計解析ソフトウエア電磁界系プロダクト
構造系プロダクト
流体系プロダクト
JMAGとは
JMAGは電気機器の設計、開発のためのシミュレーションソフト
ウェアです。
機器内部の複雑な物理現象を正確にとらえ、高速に分析します。
解析経験の少ない方にも、熟練者にも使いやすく、少ない操作で
迷わず確実に結果を得ることができます。
適用分野
-
モータ、発電機、トランス、リアクトル、ソレノイド、アクチュエータ
etc
解析機能
-
磁界解析、電界解析、構造解析、熱解析、連成解析
インタフェース
-
主要
CADソフトウェア、制御回路シミュレータ、最適化システム、
その他
CAEツール
42
特徴
-
有限要素法を用いた磁界や電流の高精度な解析が可能。
-
磁性材料が持つ非線形特性を考慮可能。
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0 10 20 30 40 50 60 角度[deg] コギ ン グ ト ル ク [N m ] 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Ld Lq 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 0 10 20 30 40 50 60 角度[deg] 負荷トルク [Nm ]モータ
鉄損分布
コギングトルク
Ld,Lq
駆動トルク
活用分野
製品開発から設計まで、多岐にわたる分野でご活用いただいております。
製品開発から設計まで、多岐にわたる分野でご活用いただいております。
自動車
家庭用電気機器
デジタル機器
ＦＡ
電力機器
厳しい条件下での性能評価
電力を生み出す発電機から、中継制御するトラ
ンス、送電線、スイッチギアなど、電力系統内
のキーデバイスでも長年使われています
JMAGによるマルチフィジック
スシミュレーション技術によっ
て製品の最終性能を事前予
測
エアコンや冷蔵庫、洗濯機、
電磁調理器、掃除機などの家
電製品の開発現場で
JMAG
は活躍してきました
実際の制御状況における機器の振舞いを予測
最近精力的に研究開発が進められているロボット分野でも
モータやアクチュエータの高性能化と制御性が鍵となるため
JMAGが利用されています
実測による性能評価が難しい機器にも
小型で実測による性能評価が難しいデジタル
機器用のモータ、アクチュエータ、センサーなど
にシミュレーションは威力を発揮します
現代の自動車は沢山の電動機を積んでいます
各部の電動化が進み、窓の開閉、シートの調整
などからはじまりは、パワーステアリング、エンジ
ンや駆動系の制御にモータやアクチュエータが
当たり前に使われ、その開発に
JMAGは貢献し
ています
また、地球温暖化問題の切り札とされるハイブリ
ッドカー、
FCV、EVの根幹となる パワーエレクト
ロニクスの開発にも
JMAGは大きく貢献していま
す
44
JMAG製品構成
Pre/Post
Solvers
• Electromagnetic
• Thermal
• Mechanical
• Multi-Physics
JMAG
Scripts
•Jscript
•VBScript
•Python
CAD model
•Pro/E
•Solid Works
•CATIA
•NX
•DXF
•IGES
Third Party Program
•NASTRAN
•ABAQUS
•CFDs
•modeFRONTIER
•OPTIMUS
•SPEED
•Excel
•Matlab/Simulink
•LabVIEW
•PSIM
•OPAL RT-lab
•dSPACE
•NI
Option programs
• JMAG-Express : Motor design tool
• JMAG-Bus
: Web base application focused GUI
• JMAG-RT
: Behavior model for system simulation
適用事例：モータ
リニアモータの磁束密度
ステッピングモータ
の磁束密度
誘導機の
バーの渦電流
PMモータの温度上昇
46
46
適用事例：トランス
田淵電機様製スイッチングトランス
ジュール損失分布
鉄損分布
温度分布
トランス設計
0 200 400 600 800 1000 1200 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 温度 (℃ ) 表面 内部
