JP3927485B2

JP3927485B2 - Electromagnetic wave analysis apparatus and method

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Publication number: JP3927485B2
Application number: JP2002348430A
Authority: JP
Inventors: 敬介藤崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP2004185102A

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To precisely determine an eddy current loss generated in a conductor wall in a device for radiating an electromagnetic field to an object by calculation. <P>SOLUTION: The conductor wall in a high-frequency heating device is regarded as a perfect conductor, and the electromagnetic analysis of the internal space of the high-frequency heating device is performed by a finite differential time domain method. The charge distribution in the conductor wall and its time movement distribution are calculated on the basis of the electric flux density of the conductor wall obtained by the electromagnetic analysis. The eddy current distribution in the conductor wall is calculated on the basis of the calculation result to determine the eddy current of the whole conductor wall. The energy loss by the eddy current of the whole conductor wall is calculated on the basis of the determined value of eddy current. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は対象物に高周波の電磁場を照射させる装置、例えば、高周波加熱装置における電磁波解析装置及び方法に関し、特に、大型の高周波加熱装置におけるエネルギー損失を計算するために用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
導体壁で区画した空間の内部に高周波の電磁場を放射し、上記内部空間に収容した対象物に電磁場を照射させる装置、例えば、高周波加熱装置において、解析領域に金属が存在しているときの計算方法としては、金属を完全導体、すなわち電気伝導率が無限大であるものとみなして計算を行うようにしていた。
【０００３】
しかしながら、実際には上記導体壁には渦電流が流れており、上記導体壁においては渦電流損が発生している。上記高周波加熱装置が小さい場合には、上記導体壁上で発生する渦電流損を無視することもできるが、例えば、高周波加熱装置が５ｍ×５ｍ×５ｍのような大型の高周波加熱装置になると、上記導体壁上で発生する渦電流損を無視してエネルギー計算を行うことはできなくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、エネルギー計算を厳密に行う場合には、上記導体壁上で発生する渦電流損を計算する必要があるが、空間の電磁波と導体壁の渦電流とを同時に解析することは困難である。何故ならば、上記導体壁に相当する格子（メッシュ）を上記空間領域の格子と同様に扱う必要があるからである。
【０００５】
すなわち、電磁界は金属内部に行くに従って指数関数的に急激に変化するので、導体壁の空間離散間隔を非常に小さくしなければならない。しかし、空間離散間隔を小さくした場合には同時に時間離散間隔をも小さくする必要が生ずる。
【０００６】
例えば、電磁波の周波数が２．４ＧＨｚ程度の場合、空気中（真空中）での電磁波の波長は１２０ｍｍ程度なので、差分空間での空間メッシュはその数分の１程度の２０ｍｍ程度である。
【０００７】
それに対して、上記導体壁が銅体である場合、電磁場が浸透する浸透深さδは、角周波数をω、透磁率をμ、「導電率」を「σ」とした場合、下記の５式により求められる。
【０００８】
【数５】

【０００９】
上記５式より、上記導体壁が銅体である場合、電磁場が浸透する浸透深さδ＝０．４６７μｍとなる。したがって、メッシュはその数分の１なので、０．１μｍ程度となる。このため、空気部と導体壁部とではメッシュ分割の差が４桁以上あるので、これを同時に解くことはアスペクト比の問題が生じるので極めて困難である。また、大型の高周波加熱装置においては、電磁波解析を行うための計算に必要なメモリ容量と計算時間が著しく増加してしまう問題があった。
【００１０】
上述したように、限られたハードウェア資源を用いて電磁波空間と導体壁の渦電流とを同時に解析することは非常に困難であり、大型の高周波加熱装置における渦電流損を計算により正確に求めることができない問題があった。
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたもので、高周波加熱装置における導体壁で発生する渦電流損を計算により正確に求めることができるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の電磁波解析装置は、導体壁で区画した空間の内部に高周波の電磁場を放射し、上記内部空間に収容した対象物に電磁場を照射させる装置における電磁波解析装置であって、上記導体壁を完全導体とみなして上記内部空間の電磁波解析を有限差分時間領域法により行う第１の計算手段と、上記第１の計算手段によって行われた電磁波解析で得られた上記導体壁での電束密度に基づいて、上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布を計算する第２の計算手段と、上記第２の計算手段により計算された上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布に基づいて、上記導体壁における渦電流分布を計算する第３の計算手段と、上記第３の計算手段によって計算された渦電流分布に基づいて、上記導体壁全体の渦電流を計算する第４の計算手段と、上記第４の計算手段によって計算された渦電流の値に基づいて、上記導体壁全体の渦電流によるエネルギー損失を計算する第５の計算手段とを有することを特徴としている。
【００１２】
本発明の電磁波解析方法は、導体壁で区画した空間の内部に高周波の電磁場を放射し、上記内部空間に収容した対象物に電磁場を照射させる電磁波解析装置を用いて行う電磁波解析方法であって、上記導体壁を完全導体とみなして上記内部空間の電磁波解析を有限差分時間領域法により第１の計算手段で行う第１の計算ステップと、上記第１の計算ステップにおける電磁波解析で得られた上記導体壁での電束密度に基づいて、上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布を第２の計算手段で計算する第２の計算ステップと、上記第２の計算ステップにおいて計算された上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布に基づいて、上記導体壁における渦電流分布を第３の計算手段で計算する第３の計算ステップと、上記第３の計算ステップにおいて計算された渦電流分布に基づいて、上記導体壁全体の渦電流を第４の計算手段で計算する第４の計算ステップと、上記第４の計算ステップにおいて計算された渦電流の値に基づいて、上記導体壁全体の渦電流によるエネルギー損失を第５の計算手段で計算する第５の計算ステップとを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の電磁波解析装置及び方法の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態を示し、本実施の形態の電磁波解析装置で解析対象とする高周波加熱装置の概観を示す図である。図１に示すように、この高周波加熱装置１００は、縦方向、横方向及び高さ方向が何れも５メートル程度の大型に構成されており、内部の壁面は導体で構成されている。
【００１４】
そして、入り口１０１から内部に収容した製品や材料（図示せず）に電磁場（電磁波、マイクロ波）を放射して加熱するものであり、上記製品や材料を加熱するための電力や加熱時間を設定するためのコントローラ１０２が高周波加熱装置１００の正面に配設されている。
【００１５】
このような大型の高周波加熱装置１００における電磁波解析を行うために本実施の形態の電磁波解析装置２００は、図２に示すように、第１の計算手段２０１、第２の計算手段２０２、第３の計算手段２０３、第４の計算手段２０４、第５の計算手段２０５、入力手段２０６、データ格納手段２０７及び出力手段２０８などを有している。
【００１６】
上記第１の計算手段２０１〜第５の計算手段２０５は、上記導体壁で区画された高周波加熱装置１００の内部空間に高周波の電磁場を放射して、上記高周波加熱装置１００の内部に収容した被加熱物を加熱する際のエネルギー効率を計算するための手段である。
【００１７】
上記第１の計算手段２０１は、上記高周波加熱装置１００の導体壁を完全導体とみなして上記内部空間の電磁波解析を有限差分時間領域法により行うためのものである。
【００１８】
上記第２の計算手段２０２は、上記第１の計算手段２０１によって行われた電磁波解析で得られた上記高周波加熱装置１００の導体壁での電束密度に基づいて、上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布を計算するためのものである。
【００１９】
上記第３の計算手段２０３は、上記第２の計算手段２０２により計算された上記高周波加熱装置１００の導体壁における電荷分布及びその時間移動分布に基づいて、上記導体壁における渦電流分布を計算するためのものである。
【００２０】
上記第４の計算手段２０４は、上記第３の計算手段２０３によって計算された上記高周波加熱装置１００の導体壁の渦電流分布に基づいて、上記導体壁全体の渦電流を計算するためのものである。
【００２１】
上記第５の計算手段２０５は、上記第４の計算手段２０４によって計算された渦電流の値に基づいて、上記高周波加熱装置１００の導体壁全体の渦電流によるエネルギー損失を計算するためのものである。
【００２２】
本実施の形態においては、上記第２の計算手段２０２は、以下のマクスウェルの方程式における「式６」により上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布を計算するようにしている。
【００２３】
【数６】

【００２４】
また、上記第３の計算手段２０３は、以下の「式７」より渦電流分布ｊを求めるようにしている。
【００２５】
【数７】

【００２６】
また、上記第４の計算手段２０４は、上記高周波加熱装置１００の導体壁全体の渦電流を下記の「式８」より求めるようにしている。
【００２７】
【数８】

【００２８】
また、上記第５の計算手段２０５は、上記高周波加熱装置１００の導体壁全体の渦電流によるエネルギー損失を下記の「式９」より求めるようにしている。
【００２９】
【数９】

【００３０】
上記第１の計算手段２０１〜第５の計算手段２０５で行うために必要なデータは入力手段２０６介して入力される。また、各計算手段２０１〜２０５において計算を行うのに必要なデータ及び計算結果はデータ格納手段２０７に格納される。さらに、計算結果は出力手段２０８を介して外部に出力されるように構成されている。
【００３１】
図３に、上述のような電磁波解析装置２００を構成可能なコンピュータシステムの一例を示す。
このコンピュータシステム１２００は、上記図３に示すように、ＣＰＵ１２０１と、ＲＯＭ１２０２と、ＲＡＭ１２０３と、キーボード（ＫＢ）１２０９のキーボードコントローラ（ＫＢＣ）１２０５と、表示部としてのＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）１２１０のＣＲＴコントローラ（ＣＲＴＣ）１２０６と、ハードディスク（ＨＤ）１２１１及びフレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２のディスクコントローラ（ＤＫＣ）１２０７と、ネットワー１２２０との接続のためのネットワークインターフェースコントローラ（ＮＩＣ）１２０８とが、システムバス１２０４を介して互いに通信可能に接続された構成としている。
【００３２】
ＣＰＵ１２０１は、ＲＯＭ１２０２或いはＨＤ１２１１に記憶されたソフトウェア、或いはＦＤ１２１２より供給されるソフトウェアを実行することで、システムバス１２０４に接続された各構成部を総括的に制御する。
【００３３】
すなわち、ＣＰＵ１２０１は、所定の処理シーケンスに従った処理プログラムを、ＲＯＭ１２０２、或いはＨＤ１２１１、或いはＦＤ１２１２から読み出して実行することで、上記本実施の形態での動作を実現するための制御を行う。
【００３４】
ＲＡＭ１２０３は、ＣＰＵ１２０１の主メモリ或いはワークエリア等として機能する。
ＫＢＣ１２０５は、ＫＢ１２０９や図示していないポインティングデバイス等からの指示入力を制御する。
ＣＲＴＣ１２０６は、ＣＲＴ１２１０の表示を制御する。
ＤＫＣ１２０７は、ブートプログラム、種々のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイル、ネットワーク管理プログラム、及び本実施の形態における所定の処理プログラム等を記憶するＨＤ１２１１及びＦＤ１２１２とのアクセスを制御する。ＮＩＣ１２０８は、ネットワーク６７０上の装置或いはシステムと双方向にデータをやりとりする。
【００３５】
次に、図４のフローチャートを参照しながら上記電磁波解析装置２００で行う解析の手順を説明する。
先ず、最初に本実施の形態の電磁波解析装置２００で電磁波解析を行うためのＦＴＤＴ（Finite Difference Time Domain ）法を説明する。上記ＦＴＤＴ法は、図５に示すように、波源や散乱体を囲むように解析領域をとり、解析領域全体を微小直方体（セル：ｃｅｌｌ）に分割する。
【００３６】
次に、全セルにに対してマクスウェルの微分方程式、「式１０」及び「式１１」、あるいはその積分形式の「式１２」及び「式１３」を適用して定式化されるが、その基本はＹｅｅのアルゴリズムにある。
【００３７】
【数１０】

【００３８】
また、ＦＤＴＤ法は有限要素法と同様に基本的には閉領域の解析手法であるため、開放領域の問題を扱う場合には解析領域の外壁に反射が起こらないような仮想的な境界を設ける必要がある。これを吸収境界というが、詳細は後述する。Ｙｅｅのアルゴリズムは、次の３つの処理からなっている。
【００３９】
「第１の処理：時空間についての差分」
すなわち、第１の処理では時空間についての差分を計算する。これは、マクスウェルの方程式である、「式１０」及び「式１１」を時間及び空間について差分化する際、ＦＴＤＴ法では１次の差分公式が用いられる。なお、精度を上げる目的で高次の差分方式を用いた定型化も可能であるが、複雑となる上に、特に波動を扱う場合には一般に不安定になりやすい。
【００４０】
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、上記１次差分には前進差分、後進差分及び中心差分があるが、図６から明らかなように、中心差分が最も精度の良い差分公式である。このことから、ＦＴＤＴ法では中心差分が用いられている。なお、前進差分、後進差分の誤差はΔｘのオーダーであり、中心差分の精度は（Δｘ）²オーダーである。電磁界のある１つの成分を、例えばＦとすると、空間及び時間についての中心差分は下記の式、「式１４」及び「式１５」で与えられる。
【００４１】
【数１１】

【００４２】
ＦＴＤＴ法では、上記図５に示したように、解析領域を微小セルに分割し、かつ時間も離散化されるため、点（ｘ,ｙ,ｚ,ｔ）は、
（ｘ,ｙ,ｚ,ｔ）＝（ｉΔｘ,ｊΔｙ,ｋΔｚ, ｎΔｔ）・・・（式１６）
のように、各格子点に割り当てられることになる。上記Δｘ,Δｙ,Δｚ, Δｔは、セルの各辺の長さであり、セルサイズと呼ばれる。また、Δｔを時間ステップという。ＦＴＤＴ法の表記法では、上記Δｘ,Δｙ,Δｚ,及びΔｔを省略し、
Ｆ（ｘ,ｙ,ｚ,ｔ）＝Ｆⁿ（ｉ,ｊ,ｋ）・・・（式１７）
と書くので、添字（ｉ,ｊ,ｋ）は格子点の座標を表すことになる。
【００４３】
上記「式１７」を用いると、上記「式１４」及び「式１５」は、下記の「式１８」及び「式１９」のようになる。
【００４４】
【数１２】

【００４５】
「第２の処理：電磁界の時間配置」
上記第１の処理において、中心差分を用いたことを特徴とするによって、電界と磁界は時間的に交互に配置されることになる。本実施の形態では、図７に示すように、電界をｔ＝（ｎ−１）Δｔ、ｎΔｔ、（ｎ＋１）Δｔ、．．．の整数次の時刻に、磁界をｔ＝（ｎ−１／２）Δｔ、（ｎ＋１／２）Δｔ、．．．の半奇数次の時刻に割り当てることとする。
【００４６】
実際の計算においては、ｔ＝（ｎ−１）Δｔの電界Ｅⁿとｔ＝（ｎ−１／２）Δｔの磁界Ｈ^n-1/2とから電界Ｅⁿを計算し、磁界Ｈ^n-1/2と電界Ｅⁿとから磁界Ｈ^n+1/2を計算する。上述のようにして、電界及び磁界が順次計算されるが、次に、これを定式化の過程から説明する。
【００４７】
波源の任意であるが、先ず、波源の無い場合を考える。媒質を等方、非分散性とし、上記「式１０」及び「式１１」を構成方程式Ｂ＝μＨ，Ｄ＝εＥ，Ｊ＝σＥを用いて電界及び磁界に直すと、下記の「式２０」及び「式２１」のようになる。
【００４８】
【数１３】

【００４９】
ここで、上記μは透磁率，εは誘電率，σ導電率であり、場所の関数であるとする。
上記「式２０」における左辺の電界に関する時間微分は、電界の存在する時刻がｔ＝（ｎ−１）Δｔ、ｎΔｔであることから、ｔ＝（ｎ−１／２）Δｔで行う必要がある。
同様に、磁界に関する時間微分は、磁界の存在する時刻がｔ＝（ｎ−１／２）Δｔ、（ｎ＋１／２）Δｔ、．．．であることから、ｔ＝ｎΔｔで行う必要がある。上述した第１の処理の表記法を用いると、下記の「式２２」及び「式２３」のようになる。
【００５０】
【数１４】

【００５１】
上記「式２２」及び「式２３」を、上記「式２０」及び「式２１」に代入すると、下記の「式２４」及び「式２５」となる。
【００５２】
【数１５】

【００５３】
上記「式２４」及び「式２５」を、電界Ｅⁿ、磁界Ｈ^n+1/2についてまとめたいが、「式２４」の右辺第１項の電界ｔ＝（ｎ−１／２）Δｔにおける値となっているため、このままでは電界に関する定式化ができない。そこで、σＥ^n-1/2の近似法として下記の「式２６」、「式２７」及び「式２８」の３つを考える。
【００５４】
【数１６】

【００５５】
上記「式２６」は、半ステップ前の時刻で置き換える方法である。これは、ｎの増加とともに発散する場合もあるので、一般には用いられない。上記「式２７」平均値で置き換えるものであり、精度は最も良い。しかし、所定の条件を満足していれば、おおむね「式２８」と同程度の精度である。上記「式２７」を採用した場合、上記「式２４」は下記の「式２９」のようになる。
【００５６】
【数１７】

【００５７】
上記「式２９」のＥⁿについて解くと、下記の「式３０」のようになる。
【００５８】
【数１８】

【００５９】
また、上記「式２８」を利用した場合には、下記の「式３１」のようになる。
【００６０】
【数１９】

【００６１】
上記導電率σが非常に大きな媒質中では、電磁界は時間経過とともに指数関数的に減衰し、その極限である完全導体では「０」となるはずである。上記「式３０」は、σ≫１で、下記の「式３２」のようになる。
【００６２】
【数２０】

【００６３】
上記「式３２」において、第１項のために「Ｅ⁰＝０」ではない限り、「σ→∞」としても「０」には収束しない。これに対して、上記「式３１」は下記の「式３３」となるから、「σ→∞」で必ず「０」に収束する。このため、上記「式３１」が採用される場合が多いが、上記「式３０」が採用される場合もある。なお、損失がない場合には両者が一致することは明らかである。
【数２１】

【００６４】
一方、磁界は上記「式２５」より、下記の「式３４」のようになる。
【００６５】
【数２２】

【００６６】
上記「式３０」あるいは「式３１」と「式３４」とから分かるように、ＦＤＴＤ法ではｔ＝（ｎ−１）Δｔの電界Ｅ^n-1と、ｔ＝（ｎ−１／２）Δｔの磁界Ｈ^n-1/2とから次の半ステップ後の電界Ｅⁿが計算され、さらにこの電界Ｅⁿと磁界Ｈ^n-1/2とから次の半ステップ後の磁界Ｈ^n+1/2が計算される。
【００６７】
「第３の処理：電磁界の空間配置」
上述した「第１の処理：時空間についての差分」で空間座標に対して中心差分を用いたことを特徴とするにより、電界と磁界も空間的に交互に配置されることになる。それらは、図８に示したように、基本的には電界はセルの各辺に沿って、磁界は面の中心に垂直に割り当てられる。
【００６８】
これは、「電界の回転（∇×）が磁界を作り、磁界の回転が電界を作る」という、マクスウェルの方程式を満たすような配置となっている。なお、本質的には変わらないが、場合によっては磁界と電界の配置の仕方を逆にした方が便利なこともある。
【００６９】
図４に、上述した第２の処理及び第３の処理の手順を説明するフローチャートを示す。
図４に示したように、処理が開始されると、最初のステップＳ１においてパラメータ、散乱体、波源などの初期設定が行われる。
【００７０】
次に、ステップＳ２において、上記ステップＳ１で設定されたパラメータに基づいて電界の計算が行われる。その後、ステップＳ３に進み、解析領域の外壁に反射が起こらないような仮想的な境界である吸収境界条件Ｔ＝Ｔ＋Δｔ／２が求められる。次に、ステップＳ４に進み、磁界の計算が行われる。
【００７１】
その後、ステップＳ５において、ステップＳ３で求めた吸収境界条件Ｔがマックスよりも大きいかか否かを判定する。この判定の結果、上記吸収境界条件Ｔがマックスよりも大きくない場合には上記ステップＳ２に戻り、上述した処理を繰り返し行う。また、ステップＳ５の判定の結果、上記吸収境界条件Ｔがマックスよりも大きい場合にはステップＳ６に進んでそれを出力して処理を終了する。
【００７２】
次に、２次元ＦＴＤＴ法について説明する。
波源も物体の構造もｚ軸方向に変化のないような問題は２次元問題としてあることができる。ここで、ＦＴＤＴ法の定式化を理解するために、Ｅｚ，Ｈｘ，Ｈｙ成分のみを持ち、「Ｈｚ＝０」のＴＭ波と、「Ｅｚ＝０」とＴＥ波について詳細な定式化を行う場合を説明する。
【００７３】
先ず、図９に示すように、解析領域を（ＮＸ−１）×（ＮＹ−１）個の微小セルに分割する。次に、上述した第３の処理に従って各セルに電界、磁界を割り当てるが、電界がｚ成分のみであるから、図９（ｂ）のように割り当てることになる。これは、上述の説明とやや異なるように見えるが、ｚ方向に無限に長いセルであると考えれば電界はセルの辺に沿って割り当てられていることになる。電界はｚ方向成分のみであるから、上記「式３０」は、下記の「式３５」のようになる。
【００７４】
【数２３】

【００７５】
上記「式３５」を空間について差分化するのであるが、Ｅｚが上記図８（ｂ）のように、（ｉ,ｊ）に割り当てられていることから、上記「式３５」の右辺の磁界について微分も（ｉ,ｊ）で行う必要があり、図８を参照すると、下記の「式３６」及び「式３７」となる。
【００７６】
【数２４】

【００７７】
上記「式３６」及び「式３７」を、上記「式３５」に代入すると、電界に関して下記の「式３８」及び「式３９」を得る。
【００７８】
【数２５】

【００７９】
本実施の形態の電磁波解析方法は、上述したような「Ｙｅｅアルゴリズム」を利用して実現するものであり、図１０のフローチャートに示すような処理手順によって行われる。
すなわち、処理が開始されると、最初ステップＳ１１において第1の計算処理を行う。これは、上記計算を行う高周波加熱装置１００の導体壁を完全導体とみなしてその内部空間の電磁波解析を行うものであり、有限差分時間領域法により行う。
【００８０】
次に、ステップＳ１２において、上記ステップＳ１１において行われた電磁波解析で得られた上記高周波加熱装置１００の導体壁での電束密度に基づいて、上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布を計算する第２の計算処理を行う。
【００８１】
次に、ステップＳ１３において、上記ステップＳ１２における第２の計算処理により計算された上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布に基づいて、上記導体壁における渦電流分布ｊを計算する第３の計算処理を行う。この計算処理は、上述した「式７」を用いて求める。
【００８２】
次に、ステップＳ１４に進み、第４の計算処理を行う。これは、上記ステップ１３において第３の計算処理によって計算された渦電流分布ｊに基づいて、上記上記高周波加熱装置１００の導体壁全体の渦電流を計算するものであり、上述した「式８」を用いて計算する。
【００８３】
次に、ステップＳ１５において、上記ステップＳ１４における第４の計算処理によって計算された渦電流の値に基づいて、上記導体壁全体の渦電流によるエネルギー損失を計算する第５の計算処理を行う。この計算処理は、上述した「式９」を用いて行う。
【００８４】
本実施の形態の電磁波解析方法は、上述したようにして電磁波解析を行うので、高周波加熱装置における導体壁で発生する渦電流損を計算により求めることができる。これにより、高周波加熱装置における導体壁における渦電流によるエネルギー損失を正確に考慮した高周波加熱制御を行うことが可能となる。
【００８５】
なお、上述した実施の形態においては、高周波加熱装置における電磁波解析について説明したが、本発明の電磁波解析装置及び方法は、電磁場を照射して化学反応を進める場合等にも適用することが可能である。
【００８６】
（本発明の他の実施の形態）
上述した実施の形態の機能を実現するように各種のデバイスを動作させるように、上記各種デバイスと接続された装置あるいはシステム内のコンピュータに対し、記憶媒体から、またはインターネット等の伝送媒体を介して上記実施の形態の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムコードを供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）に格納されたプログラムに従って上記各種デバイスを動作させることによって実施したものも、本発明の範疇に含まれる。
【００８７】
また、この場合、上記ソフトウェアのプログラムコード自体が上述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそのプログラムコードをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムコードを格納した記憶媒体は本発明を構成する。かかるプログラムコードを記憶する記憶媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【００８８】
また、コンピュータが供給されたプログラムコードを実行することにより、上述の実施の形態で説明した機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等の共同して上述の実施の形態で示した機能が実現される場合にもかかるプログラムコードは本発明の実施の形態に含まれることは言うまでもない。
【００８９】
さらに、供給されたプログラムコードがコンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後、そのプログラムコードの指示に基づいてその機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合にも本発明に含まれる。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、高周波加熱装置における導体壁は完全導体とみなすとともに、上記高周波加熱装置の内部空間の電磁波解析を有限差分時間領域法により行うようにした。そして、上記電磁波解析で得られた上記導体壁での電束密度に基づいて、上記導体壁における電荷分布及びその時間移動分布を計算し、この計算結果に基づいて、上記導体壁における渦電流分布を計算して上記導体壁全体の渦電流を求め、上記求めた渦電流の値に基づいて、上記導体壁全体の渦電流によるエネルギー損失を計算するようにしたので、上記高周波加熱装置における導体壁で発生する渦電流損を計算により求めることができる。これにより、高周波加熱装置における導体壁における渦電流によるエネルギー損失を正確に考慮した高周波加熱制御を行うことが可能となる。
また、電磁場を照射して化学反応を進める場合等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示し、高周波加熱装置の全体を示す概観図である。
【図２】高周波加熱装置における電磁波解析装置の機能構成例を示すブロック図である。
【図３】高周波加熱装置における電磁波解析装置を構成可能なコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。
【図４】Ｙｅｅのアルゴリズムの要部の手順を説明するフローチャートである。
【図５】解析領域の全体を微小セルに分割する様子を説明する図である。
【図６】１次差分における前進差分、後進差分及び中心差分を説明する図である。
【図７】電磁界における時間配置を説明する図である。
【図８】単位セルと電磁界の配置との関係を説明する図である。
【図９】ＴＭ波の場合の単位セル上の電磁界の配置例を説明する図である。
【図１０】実施の形態の電磁波解析方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１００高周波加熱装置
１０１高周波加熱装置の入り口
１０２コントローラ
２００実施の形態の電磁波解析装置
２０１第１の計算手段
２０２第２の計算手段
２０３第３の計算手段
２０４第４の計算手段
２０５第５の計算手段
２０６入力手段
２０７データ格納手段
２０８及び出力手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromagnetic wave analyzing apparatus and method for irradiating an object with a high frequency electromagnetic field, for example, a high frequency heating apparatus, and particularly suitable for calculating energy loss in a large high frequency heating apparatus.
[0002]
[Prior art]
In a device that radiates a high-frequency electromagnetic field inside a space partitioned by a conductor wall and irradiates the object accommodated in the internal space, such as a high-frequency heating device, calculation when metal is present in the analysis region As a method, the calculation was performed assuming that the metal is a perfect conductor, that is, the electric conductivity is infinite.
[0003]
However, eddy current actually flows through the conductor wall, and eddy current loss occurs in the conductor wall. When the high-frequency heating device is small, eddy current loss generated on the conductor wall can be ignored. For example, when the high-frequency heating device is a large high-frequency heating device such as 5 m × 5 m × 5 m, Energy calculation cannot be performed ignoring eddy current loss generated on the conductor wall.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, when the energy calculation is strictly performed, it is necessary to calculate the eddy current loss generated on the conductor wall, but it is difficult to simultaneously analyze the electromagnetic wave in the space and the eddy current in the conductor wall. This is because it is necessary to handle a lattice (mesh) corresponding to the conductor wall in the same manner as the lattice in the spatial region.
[0005]
That is, since the electromagnetic field changes exponentially as it goes into the metal, the spatial discrete spacing of the conductor walls must be very small. However, when the spatial discrete interval is reduced, it is necessary to reduce the time discrete interval at the same time.
[0006]
For example, when the frequency of the electromagnetic wave is about 2.4 GHz, the wavelength of the electromagnetic wave in the air (in a vacuum) is about 120 mm, and thus the spatial mesh in the difference space is about a fraction of 20 mm.
[0007]
On the other hand, when the conductor wall is a copper body, the penetration depth δ through which the electromagnetic field penetrates is expressed by the following five formulas when the angular frequency is ω, the magnetic permeability is μ, and the “conductivity” is “σ”. Is required.
[0008]
[Equation 5]

[0009]
From the above formula 5, when the conductor wall is a copper body, the penetration depth δ = 0.467 μm into which the electromagnetic field penetrates. Therefore, since the mesh is a fraction of that, it is about 0.1 μm. For this reason, the difference in mesh division between the air portion and the conductor wall portion is 4 digits or more, and solving this simultaneously is extremely difficult because an aspect ratio problem arises. In addition, the large-sized high-frequency heating apparatus has a problem that the memory capacity and calculation time required for calculation for performing electromagnetic wave analysis are remarkably increased.
[0010]
As described above, it is very difficult to analyze the electromagnetic wave space and the eddy current in the conductor wall at the same time using limited hardware resources, and the eddy current loss in a large high-frequency heating device can be accurately obtained by calculation. There was a problem that could not be done.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to enable accurate calculation of eddy current loss generated on a conductor wall in a high-frequency heating apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The electromagnetic wave analysis apparatus of the present invention is an electromagnetic wave analysis apparatus in an apparatus that radiates a high-frequency electromagnetic field inside a space partitioned by a conductor wall and irradiates the object accommodated in the internal space with the electromagnetic wave. A first calculation means for performing electromagnetic wave analysis of the internal space by a finite difference time domain method on the assumption that it is a complete conductor, and an electric flux density at the conductor wall obtained by electromagnetic wave analysis performed by the first calculation means Based on the second calculation means for calculating the charge distribution in the conductor wall and its time movement distribution, and based on the charge distribution in the conductor wall and its time movement distribution calculated by the second calculation means, A third calculating means for calculating an eddy current distribution in the conductor wall; and a second calculating means for calculating an eddy current in the entire conductor wall based on the eddy current distribution calculated by the third calculating means. And calculation means, based on the value of the fourth calculated eddy currents by calculating means is characterized by having a fifth calculating means for calculating an energy loss due to eddy currents of the entire conductive wall.
[0012]
The electromagnetic wave analysis method of the present invention is an electromagnetic wave analysis method that is performed using an electromagnetic wave analysis device that radiates a high-frequency electromagnetic field into a space partitioned by a conductor wall and irradiates the object accommodated in the internal space. The first calculation step in which the conductor wall is regarded as a complete conductor and the electromagnetic wave analysis of the internal space is performed by the first calculation means by the finite difference time domain method, and the electromagnetic wave analysis in the first calculation step is obtained. Based on the electric flux density at the conductor wall, a second calculation step for calculating a charge distribution and its time movement distribution at the conductor wall by a second calculation means, and the calculation at the second calculation step. A third calculation step for calculating an eddy current distribution in the conductor wall by a third calculation means based on the charge distribution in the conductor wall and its time movement distribution; and the third calculation step. A fourth calculation step of calculating the eddy current of the entire conductor wall by a fourth calculation means based on the eddy current distribution calculated in step 4, and the value of the eddy current calculated in the fourth calculation step And a fifth calculation step of calculating energy loss due to eddy current of the entire conductor wall by a fifth calculation means.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the electromagnetic wave analysis apparatus and method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the first embodiment of the present invention and is a diagram showing an overview of a high-frequency heating device to be analyzed by the electromagnetic wave analysis device of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the high-frequency heating device 100 is configured to have a large size of about 5 meters in all of the vertical direction, the horizontal direction, and the height direction, and the inner wall surface is formed of a conductor.
[0014]
Then, an electromagnetic field (electromagnetic wave, microwave) is radiated and heated from the entrance 101 to a product or material (not shown) housed inside, and the power and heating time for heating the product or material are set. A controller 102 is provided on the front side of the high-frequency heating device 100.
[0015]
In order to perform electromagnetic wave analysis in such a large-sized high-frequency heating device 100, the electromagnetic wave analysis device 200 of the present embodiment includes a first calculation unit 201, a second calculation unit 202, and a third calculation unit, as shown in FIG. Calculation means 203, fourth calculation means 204, fifth calculation means 205, input means 206, data storage means 207, output means 208, and the like.
[0016]
The first calculation means 201 to the fifth calculation means 205 radiate a high-frequency electromagnetic field into the internal space of the high-frequency heating device 100 defined by the conductor walls, and are accommodated in the high-frequency heating device 100. It is a means for calculating the energy efficiency when heating a heated object.
[0017]
The first calculation means 201 is for performing the electromagnetic wave analysis of the internal space by the finite difference time domain method by regarding the conductor wall of the high-frequency heating device 100 as a complete conductor.
[0018]
The second calculation unit 202 is configured to calculate the charge distribution on the conductor wall and the electric charge density on the conductor wall of the high-frequency heating device 100 obtained by the electromagnetic wave analysis performed by the first calculation unit 201. This is for calculating the time movement distribution.
[0019]
The third calculation means 203 calculates the eddy current distribution in the conductor wall based on the charge distribution in the conductor wall of the high-frequency heating device 100 calculated by the second calculation means 202 and its time movement distribution. Is for.
[0020]
The fourth calculation means 204 is for calculating the eddy current of the entire conductor wall based on the eddy current distribution of the conductor wall of the high-frequency heating device 100 calculated by the third calculation means 203. is there.
[0021]
The fifth calculation means 205 is for calculating the energy loss due to the eddy current of the entire conductor wall of the high-frequency heating device 100 based on the value of the eddy current calculated by the fourth calculation means 204. is there.
[0022]
In the present embodiment, the second calculation means 202 calculates the charge distribution on the conductor wall and its time movement distribution by “Expression 6” in the following Maxwell equation.
[0023]
[Formula 6]

[0024]
Further, the third calculation means 203 obtains the eddy current distribution j from the following “Expression 7”.
[0025]
[Expression 7]

[0026]
Further, the fourth calculation means 204 calculates the eddy current of the entire conductor wall of the high-frequency heating device 100 from the following “Equation 8”.
[0027]
[Equation 8]

[0028]
Further, the fifth calculation means 205 obtains the energy loss due to the eddy current of the entire conductor wall of the high-frequency heating device 100 from the following “Equation 9”.
[0029]
[Equation 9]

[0030]
Data necessary for the first calculation means 201 to the fifth calculation means 205 is input via the input means 206. In addition, data and calculation results necessary for performing calculations in each of the calculation units 201 to 205 are stored in the data storage unit 207. Further, the calculation result is configured to be output to the outside via the output unit 208.
[0031]
FIG. 3 shows an example of a computer system that can constitute the electromagnetic wave analysis apparatus 200 as described above.
As shown in FIG. 3, the computer system 1200 includes a CPU 1201, a ROM 1202, a RAM 1203, a keyboard controller (KBC) 1205 of a keyboard (KB) 1209, and a CRT controller of a CRT display (CRT) 1210 as a display unit. (CRTC) 1206, a disk controller (DKC) 1207 of the hard disk (HD) 1211 and flexible disk (FD) 1212, and a network interface controller (NIC) 1208 for connection to the network 1220, the system bus 1204 And are communicably connected to each other.
[0032]
The CPU 1201 comprehensively controls each component connected to the system bus 1204 by executing software stored in the ROM 1202 or the HD 1211 or software supplied from the FD 1212.
[0033]
That is, the CPU 1201 reads out and executes a processing program according to a predetermined processing sequence from the ROM 1202, the HD 1211, or the FD 1212, thereby performing control for realizing the operation in the present embodiment.
[0034]
A RAM 1203 functions as a main memory or work area of the CPU 1201.
The KBC 1205 controls instruction input from the KB 1209, a pointing device (not shown), or the like.
A CRTC 1206 controls display on the CRT 1210.
The DKC 1207 controls access to the HD 1211 and the FD 1212 that store a boot program, various applications, edit files, user files, a network management program, a predetermined processing program in the present embodiment, and the like. The NIC 1208 exchanges data bidirectionally with devices or systems on the network 670.
[0035]
Next, an analysis procedure performed by the electromagnetic wave analysis apparatus 200 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, an FTDT (Finite Difference Time Domain) method for performing electromagnetic wave analysis with the electromagnetic wave analysis apparatus 200 of the present embodiment will be described first. As shown in FIG. 5, the FTDT method takes an analysis region so as to surround a wave source and a scatterer, and divides the entire analysis region into small rectangular parallelepipeds (cells).
[0036]
Next, Maxwell's differential equations, “Equation 10” and “Equation 11”, or “Formula 12” and “Equation 13” in the integral form are applied to all the cells. Is in Yee's algorithm.
[0037]
[Expression 10]

[0038]
In addition, since the FDTD method is basically a closed region analysis method like the finite element method, when dealing with the problem of the open region, a virtual boundary is provided so that no reflection occurs on the outer wall of the analysis region. There is a need. This is called an absorption boundary, and details will be described later. Yee's algorithm consists of the following three processes.
[0039]
“First processing: Difference in space and time”
That is, in the first process, a difference with respect to time and space is calculated. This is a difference formula between Maxwell's equations “Equation 10” and “Equation 11” with respect to time and space. In the FTDT method, a first-order difference formula is used. For the purpose of improving accuracy, standardization using a high-order differential method is possible, but it is complicated and generally tends to be unstable especially when dealing with waves.
[0040]
As shown in FIGS. 6A to 6C, the primary difference includes a forward difference, a reverse difference, and a center difference. As is clear from FIG. 6, the center difference is the most accurate difference formula. is there. For this reason, the center difference is used in the FTDT method. The error of the forward difference and the backward difference is on the order of Δx, and the accuracy of the center difference is on the order of (Δx) ² . Assuming that one component of the electromagnetic field is F, for example, the center difference with respect to space and time is given by the following expressions, “Expression 14” and “Expression 15”.
[0041]
## EQU11 ##

[0042]
In the FTDT method, as shown in FIG. 5 above, the analysis region is divided into small cells and the time is also discretized, so the point (x, y, z, t) is
(X, y, z, t) = (iΔx, jΔy, kΔz, nΔt) (Expression 16)
In this way, each grid point is assigned. The above Δx, Δy, Δz, Δt are the lengths of the sides of the cell and are called cell sizes. Δt is referred to as a time step. In the notation of the FTDT method, the above Δx, Δy, Δz, and Δt are omitted,
F (x, y, z, t) = F ⁿ (i, j, k) (Expression 17)
Therefore, the subscript (i, j, k) represents the coordinates of the lattice point.
[0043]
When the above “Expression 17” is used, the above “Expression 14” and “Expression 15” become the following “Expression 18” and “Expression 19”.
[0044]
[Expression 12]

[0045]
"Second process: Time placement of electromagnetic field"
In the first processing, the electric field and the magnetic field are alternately arranged in time by using the center difference. In this embodiment, as shown in FIG. 7, the electric fields are t = (n−1) Δt, nΔt, (n + 1) Δt,. . . At the next integer time, the magnetic fields are t = (n−1 / 2) Δt, (n + 1/2) Δt,. . . It is assumed that the time is assigned to a half-odd order time.
[0046]
In the actual calculation, the electric field E ⁿ is calculated from t = (n-1) field of Delta] t E ⁿ and t = (n-1/2 ) Δt magnetic field H ^n-1/2 Tokyo, magnetic field H ^{n- The} magnetic field H ^{n +} ^1/2 is calculated from ^1/2 and the electric field E ⁿ . As described above, the electric field and the magnetic field are sequentially calculated. Next, this will be described from the formulation process.
[0047]
The wave source is arbitrary, but first consider the case where there is no wave source. When the medium is made isotropic and non-dispersive and the above-mentioned “formula 10” and “formula 11” are converted into an electric field and a magnetic field using the constitutive equations B = μH, D = εE, and J = σE, the following “formula 20” And “Formula 21”.
[0048]
[Formula 13]

[0049]
Here, μ is magnetic permeability, ε is dielectric constant, and σ conductivity, and is a function of location.
The time differentiation regarding the electric field on the left side in the above “Expression 20” needs to be performed at t = (n−1 / 2) Δt because the time at which the electric field exists is t = (n−1) Δt and nΔt. .
Similarly, the time differentiation with respect to the magnetic field indicates that the time at which the magnetic field exists is t = (n−1 / 2) Δt, (n + 1/2) Δt,. . . Therefore, it is necessary to carry out at t = nΔt. If the above-described first processing notation is used, the following “Expression 22” and “Expression 23” are obtained.
[0050]
[Expression 14]

[0051]
Substituting the above-mentioned “formula 22” and “formula 23” into the above “formula 20” and “formula 21” yields the following “formula 24” and “formula 25”.
[0052]
[Expression 15]

[0053]
The "Equation 24" and "Formula 25", the electric field E ^n, want summarizes magnetic field H ^{n + 1/2,} in a field t = (n-1/2 ) Δt of the first term on the right side of the "formula 24" Since it is a value, the formulation for the electric field cannot be made as it is. Therefore, as an approximation method of σE ^{n−1 / 2} , the following “formula 26”, “formula 27”, and “formula 28” are considered.
[0054]
[Expression 16]

[0055]
The above “Expression 26” is a method of replacing with a time before a half step. This is not generally used because it may diverge as n increases. The above “Expression 27” is replaced with the average value, and the accuracy is the best. However, if the predetermined condition is satisfied, the accuracy is almost the same as that of “Expression 28”. When the above “formula 27” is adopted, the above “formula 24” becomes the following “formula 29”.
[0056]
[Expression 17]

[0057]
Solving for E ^{n in the} above “formula 29” yields the following “formula 30”.
[0058]
[Formula 18]

[0059]
Further, when the above “formula 28” is used, the following “formula 31” is obtained.
[0060]
[Equation 19]

[0061]
In a medium having a very large conductivity σ, the electromagnetic field decays exponentially with time and should be “0” in the perfect conductor at its limit. In the above “Expression 30”, σ >> 1, and the following “Expression 32” is obtained.
[0062]
[Expression 20]

[0063]
In the above “Expression 32”, “σ → ∞” does not converge to “0” unless “E ⁰ = 0” due to the first term. On the other hand, since the “expression 31” becomes the following “expression 33”, it always converges to “0” when “σ → ∞”. For this reason, the “expression 31” is often employed, but the “expression 30” is sometimes employed. Obviously, they match when there is no loss.
[Expression 21]

[0064]
On the other hand, the magnetic field is represented by the following “Expression 34” from the above “Expression 25”.
[0065]
[Expression 22]

[0066]
As can be seen from the above “Expression 30” or “Expression 31” and “Expression 34”, in the FDTD method, the electric field E ⁿ⁻¹ of t = (n−1) Δt and t = (n−1 / 2) Δt magnetic field H ^n-1/2 Metropolitan from the electric field E ⁿ after next half step is calculated and further from the electric field E ⁿ and the magnetic field H ^n-1/2 Tokyo after next half step magnetic field H ^{n + 1 / 2} is calculated.
[0067]
“Third process: spatial arrangement of electromagnetic field”
By using the central difference with respect to the space coordinates in the above-mentioned “first processing: difference with respect to time and space”, the electric field and the magnetic field are also arranged alternately in space. They are basically assigned an electric field along each side of the cell and a magnetic field perpendicular to the center of the surface, as shown in FIG.
[0068]
This is an arrangement that satisfies Maxwell's equation that “the rotation of the electric field (∇ ×) creates a magnetic field and the rotation of the magnetic field creates an electric field”. Although not essentially changed, in some cases, it may be more convenient to reverse the arrangement of the magnetic field and the electric field.
[0069]
FIG. 4 is a flowchart for explaining the procedure of the second process and the third process described above.
As shown in FIG. 4, when the process is started, initial setting of parameters, scatterers, wave sources, etc. is performed in the first step S1.
[0070]
Next, in step S2, the electric field is calculated based on the parameters set in step S1. Thereafter, the process proceeds to step S3, where an absorption boundary condition T = T + Δt / 2, which is a virtual boundary that does not cause reflection on the outer wall of the analysis region, is obtained. Next, it progresses to step S4 and a magnetic field is calculated.
[0071]
Thereafter, in step S5, it is determined whether or not the absorption boundary condition T obtained in step S3 is larger than Max. If the result of this determination is that the absorption boundary condition T is not greater than Max, the process returns to step S2 and the above-described processing is repeated. If the result of determination in step S5 is that the absorption boundary condition T is greater than Max, the process proceeds to step S6, where it is output, and the process ends.
[0072]
Next, the two-dimensional FTDT method will be described.
A problem in which neither the wave source nor the structure of the object changes in the z-axis direction can be a two-dimensional problem. Here, in order to understand the formulation of the FTDT method, only the Ez, Hx, and Hy components are included, and a detailed formulation is performed for a TM wave of “Hz = 0” and “Ez = 0” and a TE wave. Will be explained.
[0073]
First, as shown in FIG. 9, the analysis region is divided into (NX-1) × (NY-1) microcells. Next, an electric field and a magnetic field are assigned to each cell in accordance with the above-described third processing. However, since the electric field is only the z component, the assignment is made as shown in FIG. Although this seems to be slightly different from the above description, the electric field is assigned along the side of the cell if it is considered to be an infinitely long cell in the z direction. Since the electric field is only the z-direction component, the “expression 30” becomes the following “expression 35”.
[0074]
[Expression 23]

[0075]
The above “Expression 35” is differentiated with respect to space. Since Ez is assigned to (i, j) as shown in FIG. 8B, the magnetic field on the right side of the above “Expression 35” is determined. Differentiation must also be performed at (i, j), and referring to FIG. 8, the following “Expression 36” and “Expression 37” are obtained.
[0076]
[Expression 24]

[0077]
Substituting the above-mentioned “formula 36” and “formula 37” into the above “formula 35” yields the following “formula 38” and “formula 39” with respect to the electric field.
[0078]
[Expression 25]

[0079]
The electromagnetic wave analysis method of the present embodiment is realized by using the “Yee algorithm” as described above, and is performed according to the processing procedure shown in the flowchart of FIG.
That is, when processing is started, first calculation processing is performed in step S11. In this method, the conductor wall of the high-frequency heating apparatus 100 that performs the above calculation is regarded as a perfect conductor, and electromagnetic analysis of the internal space is performed, and is performed by a finite difference time domain method.
[0080]
Next, in step S12, based on the electric flux density in the conductor wall of the high-frequency heating device 100 obtained by the electromagnetic wave analysis performed in step S11, the charge distribution in the conductor wall and its time movement distribution are calculated. A second calculation process is performed.
[0081]
Next, in step S13, a third calculation for calculating the eddy current distribution j in the conductor wall based on the charge distribution in the conductor wall and the time movement distribution calculated in the second calculation process in step S12. Process. This calculation process is obtained using the above-described “Expression 7”.
[0082]
Next, it progresses to step S14 and performs the 4th calculation process. This is to calculate the eddy current of the entire conductor wall of the high-frequency heating device 100 based on the eddy current distribution j calculated by the third calculation process in the step 13, and the above-described “Expression 8”. Calculate using.
[0083]
Next, in step S15, based on the value of the eddy current calculated by the fourth calculation process in step S14, a fifth calculation process for calculating the energy loss due to the eddy current in the entire conductor wall is performed. This calculation process is performed using the above-described “Expression 9”.
[0084]
Since the electromagnetic wave analysis method of the present embodiment performs the electromagnetic wave analysis as described above, the eddy current loss generated on the conductor wall in the high-frequency heating device can be obtained by calculation. This makes it possible to perform high-frequency heating control that accurately considers energy loss due to eddy currents in the conductor walls of the high-frequency heating device.
[0085]
In the above-described embodiment, the electromagnetic wave analysis in the high-frequency heating apparatus has been described. However, the electromagnetic wave analysis apparatus and method of the present invention can be applied to a case where a chemical reaction is advanced by irradiating an electromagnetic field. is there.
[0086]
(Another embodiment of the present invention)
From a storage medium or via a transmission medium such as the Internet to an apparatus or a computer in the system connected to the various devices so as to operate various devices so as to realize the functions of the above-described embodiments. A software program code for realizing the functions of the above-described embodiment is supplied, and the various devices are operated according to a program stored in a computer (CPU or MPU) of the system or apparatus. It is included in the category of the invention.
[0087]
In this case, the program code itself of the software realizes the functions of the above-described embodiment, and the program code itself and means for supplying the program code to the computer, for example, the program code are stored. This storage medium constitutes the present invention. As a storage medium for storing the program code, for example, a flexible disk, a hard disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, or the like can be used.
[0088]
Further, by executing the program code supplied by the computer, not only the functions described in the above-described embodiments are realized, but also the OS (operating system) or other operating system in which the program code is running on the computer. It goes without saying that the program code is also included in the embodiment of the present invention even when the functions described in the above-described embodiment are realized in cooperation with application software or the like.
[0089]
Further, after the supplied program code is stored in the memory provided in the function expansion board of the computer or the function expansion unit connected to the computer, the CPU provided in the function expansion board or function expansion unit based on the instruction of the program code The present invention also includes a case where the functions of the above-described embodiment are realized by performing part or all of the actual processing.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the conductor wall in the high-frequency heating apparatus is regarded as a complete conductor, and the electromagnetic wave analysis of the internal space of the high-frequency heating apparatus is performed by the finite difference time domain method. Then, based on the electric flux density at the conductor wall obtained by the electromagnetic wave analysis, the charge distribution in the conductor wall and its time movement distribution are calculated, and based on the calculation result, the eddy current distribution in the conductor wall is calculated. The eddy current of the entire conductor wall is calculated and the energy loss due to the eddy current of the entire conductor wall is calculated based on the calculated value of the eddy current. Can be obtained by calculation. This makes it possible to perform high-frequency heating control that accurately considers energy loss due to eddy currents in the conductor walls of the high-frequency heating device.
It can also be applied to a case where a chemical reaction is advanced by irradiating an electromagnetic field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an entire high-frequency heating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional configuration example of an electromagnetic wave analysis device in a high-frequency heating device.
FIG. 3 is a block diagram showing an example of a computer system that can constitute an electromagnetic wave analysis device in a high-frequency heating device.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a procedure of a main part of the Yee algorithm.
FIG. 5 is a diagram for explaining how an entire analysis region is divided into minute cells.
FIG. 6 is a diagram illustrating a forward difference, a backward difference, and a center difference in a primary difference.
FIG. 7 is a diagram illustrating time arrangement in an electromagnetic field.
FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between unit cells and the arrangement of electromagnetic fields.
FIG. 9 is a diagram for explaining an arrangement example of electromagnetic fields on a unit cell in the case of a TM wave.
FIG. 10 is a flowchart for explaining an electromagnetic wave analysis method according to the embodiment;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 High frequency heating apparatus 101 Entrance 102 of high frequency heating apparatus Controller 200 Electromagnetic wave analysis apparatus 201 of embodiment 1st calculation means 202 2nd calculation means 203 3rd calculation means 204 4th calculation means 205 5th calculation means 206 Input means 207 Data storage means 208 and output means

Claims

An electromagnetic wave analysis device in a device that radiates a high-frequency electromagnetic field inside a space partitioned by a conductor wall and irradiates the object contained in the internal space with an electromagnetic field,
A first calculation means for performing electromagnetic wave analysis of the internal space by a finite difference time domain method by regarding the conductor wall as a complete conductor;
A second calculation means for calculating a charge distribution and a time movement distribution in the conductor wall based on the electric flux density in the conductor wall obtained by the electromagnetic wave analysis performed by the first calculation means;
Third calculation means for calculating an eddy current distribution in the conductor wall based on the charge distribution in the conductor wall calculated by the second calculation means and its time movement distribution;
Fourth calculation means for calculating the eddy current of the entire conductor wall based on the eddy current distribution calculated by the third calculation means;
Electromagnetic wave analysis in a high-frequency heating apparatus, comprising: fifth calculation means for calculating energy loss due to eddy current of the entire conductor wall based on the value of eddy current calculated by the fourth calculation means apparatus.

The second calculation means is the following Maxwell equation:

The electromagnetic wave analysis apparatus according to claim 1, wherein the electric charge distribution and the time movement distribution in the conductor wall are calculated by the calculation.

The third calculation means calculates the eddy current distribution j by the following equation:

The electromagnetic wave analysis apparatus according to claim 1, further obtained.

The fourth calculation means calculates the eddy current of the entire conductor wall by the following equation:

The fifth calculation means calculates the energy loss due to the eddy current of the entire conductor wall by the following equation:

An electromagnetic wave analysis method that uses a device that radiates a high-frequency electromagnetic field inside a space partitioned by a conductor wall and irradiates the object contained in the internal space with an electromagnetic field,
A first calculation step in which the conductor wall is regarded as a complete conductor and electromagnetic analysis of the internal space is performed by a first calculation means by a finite difference time domain method;
Second calculation step for calculating the charge distribution and the time movement distribution in the conductor wall by the second calculation means based on the electric flux density in the conductor wall obtained by the electromagnetic wave analysis in the first calculation step. When,
Based on the charge distribution and the time the mobile distribution in the calculated the conductor wall at the second calculation step, a third calculating step of calculating the eddy current distribution in the conductor wall at the third computing means,
Based on the calculated eddy current distribution in the third calculation step, a fourth calculation step of calculating the eddy currents of the entire conductive wall in the fourth computing means,
Based on the value of the calculated eddy currents in the fourth calculation step, and having a fifth calculating step of calculating the energy loss due to eddy currents of the entire conductive wall in the fifth calculating means Electromagnetic wave analysis method.