機器設計に対する三次元磁界解析手法の開発

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近年の電子計算機の発達を背景に、機器設計問題が極めて重要な課題として注目されている。本研究課題では、早稲田大学と漢陽大学校の研究者間で密接な学術交流を図り、最近著しく発展している電磁界の数値解析手法および最適化手法について実機設計への適用も視野に入れた広範囲な検討および各種解析手法の体系化を行うと共に、種々のモデルに対して数値実験を行うことで各手法の適応性を明らかにし、電気機器に対する有力な数値最適化設計技術の基礎を築くことを目的としている。これまでに本研究グループでは、場の解析に集中定数系の概念を導入して独自に開発した等価磁気回路網解析法の実用化に取り組み、電磁界に対する高い解析精度を保ったまま計算機負荷を大幅に低減することに成功している。実機の複雑な三次元モデルの最適化設計においては未知数の個数が急増するため、計算時間および計算機容量の制限から要素分割数を極端に少なくせざるをえないのが現状である。本手法はこの難点を克服する一つの有力なアプローチであり、実機の複雑な三次元モデルにおいて最適化設計の実用化を可能とするものである。本年度では、本開発手法に対し新たな数値計算上の理論的なテクニックをさらに導入し、より強力な数値最適化設計技術へと完成度を高めた。具体的には、多目的最適化技術や応答曲面近似技術などの導入を行い、機器性能を向上させる設計変数値群をより短時間で選出することが可能となった。その結果、設計段階で製作コストや加工誤差等の定量化が困難な事項も考慮した上で、設計者がこれらの候補から最終的な解を効果的に決定することが可能となり、数値最適化計算をより実用に耐えうるレベルに引き上げることに成功した。また最終的には、単なる計算のみならず、開発手法を用いて(1)コギングトルクの減少、(2)トルクの増加、(3)トルクリップルの減少、の3目的を考慮して設計した永久磁石型ブラシレスDCモータを実際に試作し、特性の実測試験(コギングトルク、平均トルク、誘起電圧、永久磁石の表面磁束密度分布などを測定)により実験的にも手法の実用性と有効性を証明した。これらの成果は、電磁界解析による従来の機器設計法を進展させ、より複雑な実機の最適化設計への展開を可能とするものである。以上、本年度も予定通り研究を進めることができた。