JP5460181B2

JP5460181B2 - 磁場解析装置および磁場解析装置の動作方法

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Publication number: JP5460181B2
Application number: JP2009196233A
Authority: JP
Inventors: 修司宮▲崎▼; 大路市嶋; 洋森田; 幸次守谷
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP2010160131A

Description

本発明は、磁場解析装置および磁場解析方法に関する。

近年、モータ等の磁気エネルギーを駆動源とする電気機器は、高精度化、高効率化が要求されると同時に、開発スピードのアップが求められている。

このような要求を満たすためには電気機器の磁場解析による検証は不可欠となっている。

特に、モータは永久磁石の磁場とコイルに電流を流したときに発生する磁場により磁性体が磁化し、磁性体の磁気エネルギーの偏差によりロータが駆動する構造であり、これらの磁気的相互干渉は非常に複雑である。

そのため、モータを高精度及び高効率に製作するためには、より詳細な磁場解析が必要であった。

ここで、磁場解析の手法としては従来、有限要素法が広く用いられてきた。

例えば特許文献１では、空気中に磁気コアが存在する場合の磁場解析例として、有限要素法を用いた解析方法が記載されている。

特開平１０−１８８０４２号公報

しかしながら、有限要素法によって磁場解析を行う場合は、対象とする電気機器を含んだ空間全域をメッシュ分割する必要がある。

そのため、大規模、複雑形状の電気機器の解析や、積層鉄心等の高アスペクト比問題を取り扱う場合、解析に膨大な時間と解析機器のメモリを要し、十分な精度で効率よく磁場解析を行うのが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、導体、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる磁場解析装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析装置であって、前記導体を複数のローカル導体として、ローカル導体のローカル座標を設定する手段と、前記導体を導通する電流を設定する電流設定手段と、複数の前記ローカル導体に対応したローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算するローカル磁場演算手段と、前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する磁場演算手段と、を有することを特徴とする磁場解析装置である。

第２の発明は、粒子の集合体として構成される導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析装置であって、前記粒子の位置ベクトルを設定する位置ベクトル設定手段と、前記粒子の電流を設定する電流設定手段と、前記導体を複数のローカル導体として、ローカル導体のローカル座標を設定する手段と、複数の前記ローカル導体に対応したローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算するローカル磁場演算手段と、前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する磁場演算手段と、を有することを特徴とする磁場解析装置である。

第３の発明は、コンピュータを第１の発明または第２の発明に記載の磁場解析装置として機能させるためのプログラムである。

第４の発明は、導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析方法であって、前記導体を複数のローカル導体として、ローカル導体のローカル座標を設定するステップと、前記導体を導通する電流を設定する電流設定ステップと、複数の前記ローカル導体に対応したローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算するローカル磁場演算ステップと、前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する磁場演算ステップと、を有することを特徴とする磁場解析方法である。

第５の発明は、粒子の集合体として構成される導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析方法であって、前記粒子の位置ベクトルを設定する位置ベクトル設定ステップと、前記粒子の電流を設定する電流設定ステップと、前記導体を複数のローカル導体として、ローカル導体のローカル座標を設定するステップと、複数の前記ローカル導体に対応したローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算するローカル磁場演算ステップと、前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する磁場演算ステップと、を有することを特徴とする磁場解析方法である。

本発明によれば、導体、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる磁場解析装置を提供することができる。

さらに、導体を複数のローカル導体に分割し、それぞれのローカル座標系において、解析解を用いて磁場を計算しているため、有限要素法と比較し高精度である。

また、磁性体を構成する粒子のラグランジアンから導出された磁場の運動方程式の解を演算すれば、外部からの入力が変化しない場合、系の全エネルギーが保存される。

磁場解析装置１のハードウェア構成を示す図である。記憶装置５を示す図である。ＳＰＭモータ３１の構成の概略を示す図である。図３のステータティース４３の１つの周囲の拡大斜視図である。磁場解析装置１を用いた磁場の解析の手順を示すフローチャートである。図６（ａ）はコイル４５の拡大斜視図であって、図６（ｂ）はコイル４５を、ローカル導体に分割した例を示す図である。直方体導体４５ａとローカル座標の関係を示す図である。円弧状柱状導体４５ｃとローカル座標の関係を示す図である。磁性体の磁場計算に用いる要素の説明図である。

以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る磁場解析装置１のハードウェア構成を説明する。

なお、図１のハードウェア構成は例示であり、これに限定されないのは当然である。

図１に示すように、磁場解析装置１は制御部３、記憶装置５、メディア入出力部６、入力部７、表示部９、プリンタポート１１等がバス１３を介して互いに接続されている。

制御部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等で構成され、記憶部としての記憶装置５に格納されたプログラムに従って、バス１３を介して接続された各装置を駆動制御する。

図２に示すように、記憶装置５には、磁場解析装置１の各構成部分を駆動制御するための制御プログラム１５、本発明を実施するための磁場解析プログラム１７が格納されている。

磁場解析プログラム１７は、解析条件を有する情報である入力情報２１と、入力情報２１に基づき、コイルの作る磁場に対する解析解および磁場の運動方程式に基づいて磁場を演算する演算プログラム１９とを有している。

メディア入出力部６は、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等のメディアとの間で情報の入出力を行う装置である。

入力部７は、キーボード、マウス等の入力装置であり、表示部９はディスプレイ等の表示機器である。

プリンタポート１１には出力装置としてのプリンタ１２等が接続される。

次に、磁場解析装置１を用いた磁場の解析の手順について図３〜９を参照して説明する。

ここではＰＭモータ（Permanent Magnet Motor）の一種である、ＳＰＭモータ３１（Surface Permanent Magnet Motor）の磁場解析を例にして説明する。

まず、ＳＰＭモータ３１の構成の概略を図３および図４を参照して説明する。

図３に示すように、ＳＰＭモータ３１は回転子（移動子）であるロータ３３と固定子であるステータ３５を有している。

ロータ３３は鉄等の磁性体である円柱状のロータコア３７を有し、ロータコア３７の表面には永久磁石３９が設けられている。

ロータコア３７の軸中心には棒状のロータシャフト４１が設けられている。

ステータ３５は磁性体である歯状のステータティース４３とステータティース４３の外側に設けられた円筒状の磁性体であるコアバック４４、コアバック４４の外側に設けられた円筒状のフレーム４６から構成されている。

図３および図４に示すように、ステータティース４３には、金属等の導電体であるコイル４５が巻きつけられている。

なお、実際のＳＰＭモータ３１ではコイル４５は仕様に応じたターン数でステータティース４３に巻きつけられて束となっているが、本実施形態では、図３および図４に描かれているように、コイル一本一本をモデル化せず、コイルの束を一つの導体として扱う。

このような構造のＳＰＭモータ３１は、永久磁石３９の磁場、およびコイル４５に電流を流すことにより発生する磁場によって、ロータ３３、ステータ３５が磁化する。磁性体の磁気エネルギーの偏差によりＳＰＭモータ３１は駆動する。

そのため、ＳＰＭモータ３１の磁場解析を行うためにはコイル４５、永久磁石３９がロータ３３、ステータ３５を構成する磁性体上に作る磁場ベクトルを計算し、これら磁性体の磁化現象を解析する必要がある。

次に、解析の手順について図５〜図９を参照して説明する。

なお、以下の手順においてはＳＰＭモータ３１を、複数に要素分割して要素ごとの粒子の集合体とし、剛体モデルとして扱っているが、本発明はこれに限定されることはなく、粒子を用いずに要素ごとの剛体モデルとして扱ってもよい。

また、以下の手順において、磁性体とは、ロータ３３、ステータ３５を構成する磁性体と永久磁石３９を指し示し、磁化曲線を表す関数によってこれらは区別される。

まず、磁場解析装置１の制御部３は磁場解析プログラム１７を起動し、解析したいＳＰＭモータ３１の解析条件としての三次元構造（形状、座標点）、質量密度、磁性体の磁化曲線を表す関数、導体の電流密度ベクトルを記憶装置５の入力情報２１として記憶する（図５のステップ１０１）。

これらの物理量は例えばメディア入出力部６を介してＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体から読込んだものであってもよい。

また、ＳＰＭモータ３１の三次元構造の情報とは例えばＣＡＤ等のデータである。

さらに、あらかじめ上記物理量が入力情報２１として記憶されている場合は、上記ステップは不要である。

電流密度ベクトルは、コイル４５の作る磁場ベクトルを計算する際に必要になる。

さらに、磁性体の磁化曲線を表す関数は磁化ベクトル（太字の）Ｍを計算する際に必要になる。

以上が図５のステップ１０１の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、入力情報２１の有する三次元構造の情報から、磁性体をＮ個の粒子（粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素（本実施例では立方体要素））に分割し、粒子の位置ベクトルを計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１０２）。

ここで、Ｎは任意の整数であり、粒子の数Ｎおよび位置ベクトルは入力情報２１の有する三次元構造およびあらかじめ記憶装置５に記憶されている多面体要素の形状により計算される。

以上が図５のステップ１０２の詳細である。

次に、制御部３は、入力情報２１の有する三次元構造の情報から、導体（図６（ａ）に示すコイル４５）を図６（ｂ）に示すようにローカル導体（直方体導体４５ａ、４５ｂと円弧状柱状導体４５ｃ、４５ｄ）に分割し、それぞれの導体が作る磁場ベクトルを計算するための係数を計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１０３）。

ここで、図５のステップ１０３について、具体的に説明する。

まず、ローカル導体が直方体導体４５ａの場合について説明する。

なお、ローカル導体が直方体導体４５ｂの場合は、ローカル導体が直方体導体４５ａの場合と同様であるため、説明を省略する。

ローカル導体が直方体導体４５ａの場合は、制御部３は、図７に示すように、ローカル座標系（ｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ）を適用する。

このローカル座標系においてはローカル導体（直方体導体４５ａ）の重心を原点Ｏ_ｓとし、直方体導体４５ａの寸法はｘ_ｓ方向に２ａ、ｙ_ｓ方向に２ｂ、ｚ_ｓ方向に２ｃの長さを持つものとする。

また原点Ｏ_ｓに粒子は位置するものとする。

制御部３は、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されている導体の三次元構造と電流密度ベクトルを読み込み、ローカル導体（直方体導体４５ａ）の寸法であるａ，ｂ，ｃと粒子位置ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

次に、ローカル導体が円弧状柱状導体４５ｃの場合について説明する。

なお、ローカル導体が円弧状柱状導体４５ｄの場合は、ローカル導体が円弧状柱状導体４５ｃの場合と同様であるため、説明を省略する。

ローカル導体が円弧状柱状導体４５ｃの場合は、制御部３は、図８に示すようにローカル座標系（ｘ_ｃ,ｙ_ｃ,ｚ_ｃ）を適用する。

このローカル座標系においては原点Ｏ_ｃは円弧の中心軸上に存在し、かつ円弧状柱状導体４５ｃの高さ方向（図８のｚ_ｃ方向）に対して円弧状柱状導体４５ｃが対称となる点に存在するものとする。

また、ｘ_ｃ,ｙ_ｃ,ｚ_ｃは、ｘ_ｃ−ｙ_ｃ平面でみると、＋ｘ_ｃ軸を基点とし、円弧状柱状導体４５ｃの円弧が＋ｚ_ｃ軸からみて反時計回りになるようして決定する。

円弧状柱状導体４５ｃの内径と外径の平均値をＲ_ｃとし、径方向の厚さを２ｒ_ａ、ｚ_ｃ方向の高さを２ｚ_ｂとする。

電流は＋ｘ_ｃ軸を基点として、＋ｚ_ｃから見て反時計回りの方向への角度をθとし、電流はこの方向に一様な電流密度ｊで流れているものとする。

粒子は円筒座標系で（Ｒ_ｃ、θ／２、０）に位置するものとする。

制御部３は、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されている導体の三次元構造と電流密度ベクトルを読み込み、ローカル導体（円弧状柱状導体４５ｃ）の寸法であるｒ_ａ、ｚ_ｂ、θ、Ｒ_ｃおよび粒子位置ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

なお、設定する条件としての電流は、流れる電流の値そのものでもよいし、上記のように電流密度を設定してもよい。

以上が図５のステップ１０３の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、このステップまでに計算され記憶装置５に記憶されている磁性体を構成するＮ個の粒子の位置ベクトルと、あらかじめ記憶装置５に記憶されている多面体要素の形状により、磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式の係数を計算し記憶装置５に記憶する（図５のステップ１０４）。

ここで、図５のステップ１０４について、具体的に説明する。

分割した多面体要素（本実施形態では立方体要素）を２次元表示すると図９に示す形状となる。

ここで、粒子の位置ベクトルを（太字の）ｒ_ｇ、粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の要素境界面の中点をｑ点とし、粒子の位置ベクトルとｑ点との中間点にｐ点を定義する。

制御部３は、ステップ１０２において計算し記憶装置５に記憶している磁性体を構成する粒子（粒子を重心とする多面体要素（本実施形態では立方体要素））の位置ベクトルを読み込む。

なお、ステップ１１３において粒子の位置ベクトルが更新され記憶装置５に記憶されている場合は、制御部３はその値を読み込む。

制御部３は、粒子の位置ベクトルとあらかじめ記憶装置５に記憶されている多面体要素の形状から、磁性体を構成するすべての粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点とｑ点の位置ベクトルと要素境界面への法線ベクトル（太字の）ｎを計算し、記憶装置５に記憶する。

次に、制御部３は、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素の境界面積ΔＳ、および粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積ΔＶを計算し、記憶装置５に記憶する。

以上が図５のステップ１０４の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１０３で記憶装置５に記憶されているコイルの寸法およびこのステップまでに記憶装置５に記憶されている電流密度ベクトルを用いて、ビオ・サバールの法則を積分することにより得られる解析解により、通電されたコイル４５が、磁性体を構成する粒子上に作る磁場ベクトルを計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１０５）。

ここで、図５のステップ１０５について、具体的に説明する。

ここでは、任意の位置ベクトルが図４における磁性体としてのステータティース４３のある点Ｐであると仮定した場合に、通電されたコイル４５がＰ点の位置ベクトル上に作る磁場ベクトルを計算する手順を例に説明する。

ローカル導体が直方体導体４５ａの場合は、図７に示すようにローカル座標系（ｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ）を適用する。

このローカル座標系はステップ１０３で説明している。

次に、Ｐ点の位置ベクトルをローカル座標系（ｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ）に変換する。

通電された直方体導体がＰ点に作る磁場ベクトルは、以下に示す式（１）〜（３）で記載される。

ここで、（太字の）ｒ_ｐｓはローカル座標系（ｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ）でのＰ点の位置ベクトルであり、ｘ_ｐｓ,ｙ_ｐｓ,ｚ_ｐｓはｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ方向の値である。
πは円周率である。

Ｈ_ｘｓ、Ｈ_ｙｓ、Ｈ_ｚｓはローカル座標系（ｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ）における磁場ベクトルの各成分である。
ｊは電流密度である。

また、ｘ_ｉ,ｙ_ｊ,ｚ_ｋはｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ方向の積分の上限、下限を表しており、式（４）に示す関係が成立する。

ここで、ａ，ｂ，ｃは直方体導体の寸法である。

ローカル導体が円弧状柱状導体４５ｃの場合は、図８に示すようにローカル座標系（ｘ_ｃ,ｙ_ｃ,ｚ_ｃ）を適用する。

このローカル座標系はステップ１０３において説明している。

ローカル座標系（ｘ_ｃ,ｙ_ｃ,ｚ_ｃ）に変換後のＰ点の位置ベクトルを以下の式（５）に示すように円筒座標系（太字の）ｒ_ｐｃ＝（Ｒ_ｐｃ、φ_ｐｃ、Ｚ_ｐｃ）に変換する。

通電された円弧状柱状導体４５ｃがＰ点に作る磁場ベクトルは、以下の式（６）〜（１１）で表される。

ここで、Ｈ_ｒｃ、Ｈ_ｔｃ、Ｈ_ｚｃは円筒座標系での磁場ベクトルの各成分である。
ｊは電流密度である。

ｒ_ａ、θ、ｚ_ｂは円弧状柱状導体４５ｃの寸法であり、Ｒ_ｃは円弧の内径と外径の平均値である。

ｓｇｎはＺ_ｋの符号であり、Ｒ_ｊ、Ｚ_ｋは積分の上限、下限を表しており、式（１２）に示す関係が成立する。

以上が任意の点Ｐにコイルが作る磁場ベクトルの計算手順である。

磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１０４で既に計算され記憶装置５に記憶されている磁性体を構成するすべての粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内部のｐ点の位置ベクトルを読み込む。

次に、制御部３は、ｐ点の位置ベクトルをローカル座標系（ｘ_ｓ,ｙ_ｓ,ｚ_ｓ）に変換し、ステップ１０３で計算され記憶装置５に記憶されている直方体導体４５ａの寸法と、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されている電流密度ベクトルを読み込み、式（１）〜（４）に基づいて磁場ベクトルを計算する。

なお、電流密度ベクトルがステップ１１６で更新され記憶装置５に記憶されている場合は、制御部３はその値を読み込む。

次に、制御部３は、式（１）〜（４）で計算された磁場ベクトルをグローバル座標系（ｘ,ｙ,ｚ）に変換し、変換後の磁場ベクトルを記憶装置５に記憶する。

これにより、通電された直方体導体４５ａが、ｐ点に作る磁場ベクトルが求められる。

さらに制御部３は、ｐ点の位置ベクトルをローカル座標系（ｘ_ｃ,ｙ_ｃ,ｚ_ｃ）に変換し、さらに円筒座標系（太字の）ｒ_ｐｃ＝（Ｒ_ｐｃ、φ_ｐｃ、Ｚ_ｐｃ）に変換する。

次に制御部３は、ステップ１０３で計算し記憶装置５に記憶している円弧状柱状導体４５ｃの寸法ｒ_ａ、θ、ｚ_ｂおよびＲ_ｃを読み込み、また、制御部３はステップ１０１で入力情報２１として記憶装置５に記憶されている電流密度ベクトルを読み込む。

制御部３は式（６）〜（１２）に基づいて磁場ベクトルを計算する。

次に、計算された磁場ベクトルを直交座標系に変換し、さらにグローバル座標系（ｘ,ｙ,ｚ）に変換し記憶装置５に記憶する。

これにより、通電された円弧状柱状導体４５ｃがｐ点に作る磁場ベクトルが求められる。

以上が、図５のステップ１０５の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、演算プログラム１９を用いて磁性体を構成する粒子の磁場の運動方程式から束縛を考慮せずに仮想時間刻みδｔ後の磁場ベクトルを計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１０６）。

ここで、図５のステップ１０６について、具体的に説明する。

磁性体を構成するＮ個の粒子のラグランジアンを式（１３）〜式（１５）で表される形とする。

ここで、式（１３）において、αは仮想質量、太字のｒは位置ベクトル、太字のＨは磁場ベクトル、太字の傍点付きＨは磁場ベクトルの時間微分、太字のＭは磁化ベクトル、太字のｎは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の法線ベクトル、太字のＨｅｘｔは外部からの印加磁場ベクトル、ΔＳは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の要素境界面の面積、ΔＶは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積、χは磁気感受率、μ_０は真空の透磁率、λはラグランジュの未定定数、πは円周率、ｓは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の要素境界面数である。

また、各物理量の添え字ｉｐはｉ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内でのｐ点の物理量、添え字ｊｑはｊ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内でのｑ点の物理量を示す。

ｐ点、ｑ点はステップ１０４において説明している。

式（１３）において、ｍは粒子の質量、ｖは速度、φ（ｒ_ｉ−ｒ_ｊ）はｉ番目の粒子とｊ番目の粒子の相互作用ポテンシャルエネルギである。添え字ｉ、ｊはそれぞれ、ｉ、ｊ番目の粒子の物理量を示す。

次に、正準変数を（太字の）Ｈ_ｉｐ、（太字の傍点付き）Ｈ_ｉｐとし、式（１３）〜式（１５）で示されるラグランジアンをラグランジュの運動方程式に代入すると、磁場の運動方程式は式（１６）のように記載できる。

ここで、式（１６）の右辺第２項は、ラグランジュの未定定数を通して束縛（磁化ベクトルの発散は０）を課している。

式（１６）の右辺第３項は外部からの印加磁場ベクトルが変化したときにすばやく追従させるための減衰項であり、γは減衰定数である。

式（１６）の右辺第２項に示される束縛を含んだ運動方程式を解くにあたり、本実施形態では、一般化された束縛の導入法であるＳＨＡＫＥ法を採用する。

束縛を考慮せずに蛙跳び法により式（１６）を離散化すると以下の式（１７）、式（１８）、式（１９）になる。

ここで、δｔは磁化現象の収束計算を行う上で用いる仮想時間刻みである。

添え字のｎは任意の整数であり、ｎδｔにおける物理量、ｎ−１／２は（ｎ−１／２）δｔにおける物理量、ｎ＋１／２は（ｎ＋１／２）δｔにおける物理量、ｎ＋１は（ｎ＋１）δｔおける物理量に対応している。

磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１０４において既に計算され記憶装置５に記憶されている粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点、ｑ点の位置ベクトルを読み込む。

次に、制御部３は、ステップ１０５で既に計算され記憶装置５に記憶されているコイルが磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内部のｐ点に作る磁場ベクトルを外部からの印加磁場ベクトルとして読み込む。

さらに、制御部３は、ステップ１０４で既に計算され、記憶装置５に記憶されている、磁性体を構成する粒子の要素境界面積、法線ベクトルおよび粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積を読み込む。

また、制御部３はあらかじめ記憶装置５に記憶されている減衰定数、仮想質量、仮想時間刻みを読み込む。

次に、制御部３はあらかじめ記憶装置５に記憶されている磁場ベクトル、磁場ベクトルの時間微分の初期値を読み込む。

なお、制御部３は後述するステップ１０７において磁場ベクトル、磁場ベクトルの時間微分が更新されている場合は、その値を読み込む。

なお、磁化ベクトルは、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されている磁化曲線を表す関数に磁場ベクトルを代入することで計算される。

制御部３は、式（１７）、式（１８）、式（１９）を、磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内の全てのｐ点に対して計算し、計算された磁場ベクトルを記憶装置５に記憶する。

以上が、図５のステップ１０６の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３はステップ１０６で計算し記憶装置５に記憶されている、磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点の磁場ベクトルに束縛力を加え、計算された磁場ベクトルを、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１０７）。

ここで、図５のステップ１０７について、具体的に説明する。

磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点の磁場ベクトルに以下に示す式（２０）、式（２１）に従って束縛力を加える。

ここで、太字のＨは磁場ベクトル、αは仮想質量、δｔは仮想時間刻み、γは減衰定数、Ｎは磁性体を構成する粒子数、ｓは磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の面数であり、添え字のｉは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトル上での物理量、ｉｐは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点の物理量、ｉｑは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｑ点の物理量、添え字のｎは任意の整数であり、ｎδｔにおける物理量、ｎ＋１は（ｎ＋１）δｔおける物理量に対応している。

磁場解析装置１の制御部３は、演算プログラム１９を用いて、ステップ１０６で計算され記憶装置５に記憶されている磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のｐ点の磁場ベクトルを読み込む。

制御部３は、あらかじめ記憶装置５に記憶されている仮想質量、仮想時間刻み、減衰定数を読み込む。

制御部３は、磁性体を構成する粒子各々に対して式（２０）、式（２１）に基づく計算を行い、計算された磁場ベクトルを記憶装置５に記憶する。

以上が、図５のステップ１０７の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３はステップ１０７で求めた磁場ベクトルが束縛条件を満たしているかを判断し、満たしていれば次のステップに進み、満たしていなければステップ１０７に戻る（図５のステップ１０８）。

具体的には制御部３は、ステップ１０７で計算し記憶装置５に記憶されている磁性体を構成する粒子各々の磁場ベクトルから計算される磁化ベクトルを用いて式（２２）に基づく計算を行う。

ここで、添え字のｎ＋１は（ｎ＋１）δｔおける物理量に対応している。

ｅｒｒ_ｉは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の束縛条件に対する誤差値である。

磁化ベクトル（太字の）Ｍはステップ１０７において計算され記憶装置５に記憶されている磁場ベクトルを制御部３が読み込み、ステップ１０１より入力情報２１に記憶されている磁化曲線を表す関数に代入することで計算される。

法線ベクトル（太字の）ｎには、ステップ１０４において既に計算され記憶装置５に記憶されているものを制御部３は読み込み代入する。

制御部３は、すべての粒子に対して、誤差の値が式（２３）を満たさなければステップ１０７に戻る。

式（２３）においてＡ_１は任意の誤差判別値であり、あらかじめ記憶装置５に任意の値が記憶されている。

以上が図５のステップ１０８の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、磁性体の磁化現象が定常状態に到達したかを判断し、条件を満たしていれば次のステップに進む。（図５のステップ１０９）
ここで、図５のステップ１０９について、具体的に説明する。

磁性体を構成する粒子が定常状態に到達したかは、以下の式（２４）により判断される。

ここで、太字のＨは磁場ベクトル、μ₀は真空の透磁率、Ｎは磁性体を構成する粒子の粒子数、ｓは磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素の面数であり、添え字のｉｐは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点での物理量である。

さらに、添え字のｎは任意の整数であり、ｎδｔにおける物理量、ｎ―１は（ｎ―１）δｔ、ｎ＋１は（ｎ＋１）δｔおける物理量に対応している。

また、Ａ_２は磁性体の磁場ベクトルが定常状態に到達したかを判断するための任意の誤差判定値である。

磁場解析装置１の制御部３は、あらかじめ記憶装置５に記憶されているＡ_２、μ₀を読み込む。

また、制御部３は、ステップ１０７で計算され記憶装置５に記憶されている、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のｐ点の磁場ベクトルを読み込む。

次に、制御部３は式（２４）を計算し、式（２４）を満たしていれば次のステップに進み、満たしていなければステップ１０６に戻る。

以上が図５のステップ１０９の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、磁性体を構成するすべての粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトル、磁化ベクトル、磁束密度ベクトルと、コイルを構成するすべての粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトル、磁束密度ベクトルを計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１１０）。

以下にステップ１１０を具体的に説明する。

（磁性体を構成する粒子）
磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトルは以下の式（２５）で表される。

ここで、（太字の）ｅ_ｘ＝（１,０,０）、（太字の）ｅ_ｙ＝（０,１,０）、（太字の）ｅ_ｚ＝（０,０,１）である。

太字のＨは磁場ベクトル、太字のｎは法線ベクトルであり、添え字ｉは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトル上での物理量を表し、添え字ｉｐは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｐ点の物理量である。

磁性体を構成する粒子の磁化ベクトルは、磁場ベクトルを磁化曲線を表す関数に代入することで求まる。

磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上での磁束密度ベクトルは、式（２６）で表される。

ここで、太字のＢは磁束密度ベクトル、太字のＨは磁場ベクトル、太字のＭは磁化ベクトルであり、添え字のｉは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトル上での物理量を指し示す。

μ₀は真空の透磁率である。

磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１１０までで計算されている、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のｐ点での磁場ベクトルを記憶装置５から読み込む。

次に、制御部３は、ステップ１０４で既に計算され記憶装置５に記憶されている法線ベクトルを読み込み、式（２５）に基づいて磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上での磁場ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

さらに、制御部３は、このステップで計算された磁場ベクトルを、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されている磁化曲線を表す関数に代入し、磁性体を構成する粒子の磁化ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

次に制御部３は、このステップで計算された磁場ベクトルと磁化ベクトルを式（２６）に代入し、磁性体を構成する粒子の位置ベクトル上の磁束密度ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

なお、真空の透磁率はあらかじめ記憶装置５に記憶されているものを制御部３が読み込む。

（コイルを構成する粒子）
コイルを構成する粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトルは式（２７）、式（２８）で記載される。

ここで、太字のｒは位置ベクトル、太字のＨは磁場ベクトル、Ｎは磁性体を構成する粒子の数、ｓおよびΔＳは磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素の境界面数と境界面積、太字のＭは磁化ベクトル、太字のｎは法線ベクトルであり、添え字のｉはコイルを構成する粒子の内、ｉ番目の粒子の位置ベクトル上での物理量、ｊは磁性体を構成する粒子の内、ｊ番目の粒子の位置ベクトル上での物理量であり、ｊｑは磁性体を構成する粒子の内、ｊ番目の粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素のｑ点での物理量を指し示す。

式（２７）の右辺第一項は、磁性体を構成する粒子がコイルを構成する粒子の位置ベクトル上に作る磁場ベクトルを記述する項であり、式（２８）で表される。

式（２７）の右辺第二項は、コイルを構成する粒子がコイルを構成する粒子の位置ベクトル上に作る磁場ベクトルであり式（１）〜（１２）で表される。

磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１０３において計算し記憶装置５に記憶されているコイルを構成する粒子の位置ベクトルを記憶装置５より読み込む。

なお、ステップ１１３においてコイルを構成する粒子の位置ベクトルが更新されている場合は、制御部３はその値を読み込む。

次に、制御部３はステップ１０２より計算され記憶装置５に記憶されている磁性体を構成する粒子の数と多面体要素の面数、および粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素内のｑ点の位置ベクトルと多面体要素境界面積を読み込む。

また、制御部３はこのステップで計算され記憶装置５に記憶されている、磁性体を構成する粒子の磁化ベクトルを読み込む。

さらに、制御部３はステップ１０３において計算され記憶装置５に記憶されているコイルの寸法およびステップ１０１で入力情報２１として記憶装置５に記憶されている電流密度ベクトルを読み込む。

なお、ステップ１１６において電流密度ベクトルが更新されている場合は、制御部３はその値を読み込む。

その後、制御部３は式（２７）、式（２８）および式（１）〜（１２）に従い、コイルを構成する粒子の位置ベクトル上での磁場ベクトルを計算し、記憶装置５に記憶する。

制御部３は、コイルを構成する粒子の位置ベクトル上での磁束密度ベクトル（太字の）Ｂ_ｉを、すでに計算されているコイルを構成する粒子の位置ベクトル上の磁場ベクトルに真空の透磁率を掛けて計算し記憶装置５に記憶する。

真空の透磁率は、あらかじめ記憶装置５に記憶されている。

以上が、ステップ１１０の詳細である。

このように、制御部３は、磁場の運動方程式を解くことにより磁性体の磁化現象を解析する。

そのため、有限要素法のように空間全域をメッシュ分割する必要がなく、磁性体を有する系に対して十分な精度で効率よく磁場解析を行うことができる。

また、運動方程式を解くため、行列を扱わず、計算に必要なメモリ量は粒子数に比例する。

次に、磁場解析装置１の制御部３はＳＰＭモータ３１を構成する全ての粒子に働く力ベクトルを計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１１１）。

以下に図５のステップ１１１を具体的に説明する。

（磁性体を構成する粒子に働く力ベクトル）
正準変数を太字のｒ_i、太字の傍点付きｒ_iとし、式（１３）のラグランジアンをラグランジュの運動方程式に代入する。

すると、磁性体を構成する粒子に働く力は式（２９）のように記載される。

ここで、μ₀は真空の透磁率、太字のＨは磁場ベクトル、太字のＭは磁化ベクトル、太字のｒは位置ベクトル、ΔＶは粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積、Ｎは磁性体を構成する粒子数であり、添え字のｉ、ｊは磁性体を構成する粒子の内、ｉ番目、ｊ番目の粒子の物理量を指し示し、添え字ｉｐはｉ番目の粒子を重心とする多面体要素のｐ点での物理量を指し示す。

また、φ（ｒ_ｉ−ｒ_ｊ）はｉ番目の粒子とｊ番目の粒子の相互作用ポテンシャルエネルギである。

本実施形態ではＳＰＭモータを剛体（粒子間の相対距離が不変）とする。

剛体モデルとすると、磁性体を構成する粒子に働く力は式（３０）のように記載される。

磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１１０までにおいて計算され記憶装置５に記憶されている磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のｐ点での磁場ベクトルを読み込む。

制御部３は、ｐ点での磁場ベクトルを、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されている磁化曲線を表す関数に代入することによりｐ点での磁化ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

また、制御部３は、ステップ１０４で計算され記憶装置５に記憶されている磁性体を構成する粒子の位置ベクトルを重心とする多面体要素境界面の頂点と粒子位置を頂点とする多面体要素体積を読み込む。

次に、制御部３は、磁性体を構成する粒子を重心とする多面体要素内のｐ点の磁場ベクトルの偏微分を計算し、その値に基づいて、式（３０）より力ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

（コイルを構成する粒子に働く力ベクトル）
コイルを構成する粒子のうち、ｉ番目の粒子の位置ベクトルを太字のｒ_ｉ、その位置ベクトルでの電流の単位ベクトルを太字のｔ_ｉ、磁束密度ベクトルを太字のＢ_ｉ、電流の流れる方向のコイルの長さをＬ_ｉとすると、コイルを構成する粒子の内、ｉ番目の粒子に働く力ベクトルは以下の式（３１）で記載される。

磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１０３において計算され記憶装置５に記憶されているコイルを構成する粒子の位置ベクトルを読み込む。

なお、ステップ１１３においてコイルを構成する粒子の位置ベクトルが更新されている場合は制御部３はその値を読み込む。

また、制御部３はステップ１０３において計算され記憶装置５に記憶されているコイルの寸法を読み込む。

次に、制御部３は、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されているコイルの電流密度ベクトルを読み込む。

なお、制御部３は、ステップ１１６においてコイルの電流密度ベクトルが更新されている場合はその値を用いる。

制御部３は、式（３１）に基づいて、コイルを構成する粒子に働く力ベクトルを計算し記憶装置５に記憶する。

以上が、図５のステップ１１１の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３は、ステップ１１１で計算した可動部（移動子）を構成する粒子に働く力ベクトルから、可動部（移動子）の回転量、角速度、並進量、並進速度を計算し、記憶装置５に記憶する（図５のステップ１１２）。

以下に図５のステップ１１２を具体的に説明する。

剛体の並進運動の運動方程式は式（３２）で表される。

ここで、ｍ_ｔｏｔは可動部（移動子）の質量、太字のｒ_ｃは可動部（移動子）において任意に定めた代表点の位置ベクトル、太字のＦは可動部（移動子）を構成する粒子に働く力ベクトル、Ｎは可動部（移動子）を構成する粒子数である。

次に、任意の固定点の周りの回転運動の運動方程式は式（３３−１）、式（３３−２）、式（３３−３）で表される。

ここで、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は剛体の主慣性モーメント、ω_１、ω_２、ω_３は慣性主軸座標系での角速度、Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_３は慣性主軸座標系でのトルクである。

本実施例のＳＰＭモータ３１のロータ３１はロータシャフト４１を通じてある回転軸に固定されている。

固定された回転軸をｚ軸とすると、ロータ３１の運動は以下のように計算される。

ロータ３１はロータシャフト４１を通じてｚ軸に固定されているため、ｚ軸周りの回転運動の運動方程式を解くことで、ロータ３１の運動は計算される。

ｚ軸周りのロータ３１の回転運動の運動方程式は式（３４）で表される。

ここで、Ｉ_ｚはロータ３１の慣性モーメント、ω_ｚはｚ方向の角速度、Ｎ_ｚはｚ方向のトルクである。

式（３４）を蛙飛び法で離散化すると、以下の式（３５）、式（３６）を得る。

ここで、θ_ｚはｚ軸周りの回転量であり、ｄｔは微小時間刻み幅である。

また、添え字のｎ−１／２、ｎ、ｎ＋１／２、ｎ＋１はそれぞれ（ｎ―１／２）ｄｔ、ｎｄｔ、（ｎ＋１／２）ｄｔ、（ｎ＋１）ｄｔ秒での物理量に対応している。

時間刻み幅は記憶装置５にあらかじめ任意の値が記憶されているものを制御部３が読み込む。

回転量、角速度の初期値は記憶装置５にあらかじめ任意の値が記憶装置５に記憶されている。

なお、すでにステップ１１２においてロータ３１の回転量、角速度が更新されている場合はその値を用いる。

制御部３は、ステップ１０１より入力情報２１として記憶装置５に記憶されているロータ３１の三次元構造と質量密度により慣性モーメントを計算する。

さらに、制御部３は、ロータ３１を構成する粒子の位置ベクトルと、ステップ１１１で計算し記憶装置５に記憶されているロータ３１を構成する粒子に働く力ベクトルに基づいて、式（３５）、式（３６）を計算し、ｄｔ秒後のロータ３１の回転量と角速度を計算し記憶装置５に記憶する。

以上が、図５のステップ１１２の詳細である。

次に、磁場解析装置１の制御部３はステップ１１２で計算した微小時間後の回転量や重心の移動量を基に、移動子を構成している粒子の位置ベクトルを計算し、記憶する（図５のステップ１１３）。

次に、磁場解析装置１の制御部３は必要に応じてＳＰＭモータ３１を構成する粒子の位置ベクトル、力ベクトル、磁場ベクトル、磁束密度ベクトル、磁化ベクトルをプリンタポート１１を介してプリンタ１２より出力する（図５のステップ１１４）。

次に、磁場解析装置１の制御部３は所定の終了条件（時間、移動量等）を満たしているかを判断し、満たしている場合は解析を終了し、満たしていない場合はステップ１１６に進む（図５のステップ１１５）。

次に、磁場解析装置１の制御部３は必要に応じてコイル４５に流れる電流密度ベクトルを更新し、ステップ１０４に戻る（図５のステップ１１６）。

以上が本実施形態に係る磁場解析の手順である。

このように、本実施形態によれば、磁場解析装置１は、コイル４５を複数のローカル導体として設定し、ローカル導体に対応したローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算し、ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する。

また、本実施形態によれば、磁場解析装置１は、磁性体を構成する粒子のラグランジアンから導出された磁場の運動方程式の解を演算すれば、外部からの入力が変化しない場合、系のエネルギーが保存される。

上記した実施形態では、本発明をＳＰＭモータ３１の磁場解析に使用したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、磁性体が配置された空間における任意の磁場を解析するものであれば、例えばリニアモータ等のＳＰＭモータ３１以外のモータ、あるいは磁性体で空間を囲む磁気シールドにおいて、磁性体でシールドされた空間内の磁場解析に用いても良い。

１…………磁場解析装置
３…………制御部
５…………記憶装置
７…………入力部
９…………表示部
１１………プリンタポート
１２………プリンタ
１３………バス
３１………ＳＰＭモータ
３３………ロータ
３５………ステータ
３７………ロータコア
３９………永久磁石
４１………ロータシャフト
４３………ステータティース
４４………コアバック
４５………コイル
４６………フレーム

Claims

導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する前記空間の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析装置であって、
前記導体を複数のローカル導体として設定し、前記複数のローカル導体に対応する複数のローカル座標系を設定する手段と、
前記導体を導通する電流を設定する電流設定手段と、
前記複数のローカル座標系において、前記電流から前記複数のローカル座標系に対応した磁場を演算するローカル磁場演算手段と、
前記複数のローカル座標系に対応した磁場をグローバル座標系に変換し、
足し合わせて、前記空間の磁場を演算する磁場演算手段と、
を有することを特徴とする磁場解析装置。
粒子の集合体として構成される導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を情報処理装置を使って解析する磁場解析装置であって、
前記粒子の位置ベクトルを設定する位置ベクトル設定手段と、
前記粒子の電流を設定する電流設定手段と、
前記導体を複数のローカル導体として、ローカル導体のローカル座標を設定する手段と、
複数の前記ローカル導体に対応したローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算するローカル磁場演算手段と、
前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する磁場演算手段と、
を有することを特徴とする磁場解析装置。
前記ローカル導体は少なくとも直方体導体と円弧状柱状導体を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁場解析装置。
前記ローカル磁場演算手段は、
前記ローカル導体が前記直方体導体の場合に第１のローカル座標系を適用し、
前記第１のローカル座標系において、前記直方体導体の重心を原点と設定し、
電流はある軸方向に一様に流れているものと設定する手段を有することを特徴とする請求項３記載の磁場解析装置。
前記ローカル磁場演算手段は、
前記ローカル導体が円弧状柱状導体の場合は、第２のローカル座標系を適用し、
前記第２のローカル座標系において、原点を、円弧の中心軸上で、かつ前記円弧状柱状導体の高さ方向に対して前記円弧状柱状導体が対称となる点に設定し、
第一の軸を設定し、前記第一の軸を円弧の中心軸上に設定し、
電流は前記第一の軸に直交する第二の軸を基点として円弧の方向に一様に流れているものと設定する手段を有することを特徴とする請求項３記載の磁場解析装置。
前記空間には磁性体がさらに配置されており、
前記磁性体の形状を設定する磁性体形状設定手段と、
前記磁性体の磁化曲線を表す関数を設定する磁化曲線を表す関数設定手段と、
前記磁性体形状と前記磁化曲線を表す関数に基づいて、任意の場所における前記磁性体に対応した磁場を演算する磁性体磁場演算手段と、
前記導体に対応した磁場と前記磁性体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体および磁性体に対応した磁場を演算する磁場演算手段と、
を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁場解析装置。
コンピュータを請求項１から６のいずれかに記載の磁場解析装置として機能させるためのプログラム。
導体を複数のローカル導体として設定し、前記複数のローカル導体に対応する複数のローカル座標系を設定する座標系設定手段と、
前記導体を導通する電流を設定する電流設定手段と、
前記複数のローカル座標系において、前記電流から前記複数のローカル座標系に対応した磁場を演算するローカル磁場演算手段と、
前記複数のローカル座標系に対応した磁場をグローバル座標系に変換し、
足し合わせて、前記空間の磁場を演算する磁場演算手段と、
前記座標系設定手段、前記電流設定手段、前記ローカル磁場演算手段、前記磁場演算手段を制御する制御手段と、
を有し、導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を解析する磁場解析装置の動作方法であって、
前記制御手段が、
前記座標系設定手段に、前記導体を複数のローカル導体として設定させ、前記複数のローカル導体に対応する複数のローカル座標系を設定させるステップと、
前記電流設定手段に、前記導体を導通する電流を設定させる電流設定ステップと、
前記ローカル磁場演算手段に、前記複数のローカル座標系において、前記電流から前記複数のローカル座標系に対応した磁場を演算させるローカル磁場演算ステップと、
前記磁場演算手段に、前記複数のローカル座標系に対応した磁場をグローバル座標系に変換し、足し合わせて、前記空間の磁場を演算させる磁場演算ステップと、
を有することを特徴とする磁場解析装置の動作方法。
粒子の集合体として構成される導体が配置された空間における前記粒子の位置ベクトルを設定する位置ベクトル設定手段と、
前記粒子の電流を設定する電流設定手段と、
前記導体を複数のローカル導体として、複数の前記ローカル導体に対応する複数のローカル座標系を設定する座標系設定手段と、
複数の前記ローカル導体に対応した複数のローカル座標系において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算するローカル磁場演算手段と、
前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算する磁場演算手段と、
前記位置ベクトル設定手段、前記電流設定手段、前記座標系設定手段、前記ローカル磁場演算手段、および前記磁場演算手段を制御する制御手段と、
を有し、粒子の集合体として構成される導体が配置された空間において前記導体に電流を導通させることにより発生する任意の場所の磁場を解析する磁場解析装置の動作方法であって、
前記制御手段が、
前記位置ベクトル設定手段に前記粒子の位置ベクトルを設定させる位置ベクトル設定ステップと、
前記電流設定手段に前記粒子の電流を設定させる電流設定ステップと、
前記座標系設定手段に、前記導体を複数のローカル導体として設定させ、前記複数のローカル導体に対応する複数のローカル座標系を設定させるステップと、
前記ローカル磁場演算手段に、複数の前記ローカル導体に対応した複数の前記ローカル座標において、前記ローカル導体に対応した磁場を演算させるローカル磁場演算ステップと、
前記磁場演算手段に、前記ローカル導体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体に対応した磁場を演算させる磁場演算ステップと、
を有することを特徴とする磁場解析装置の動作方法。
前記ローカル導体は少なくとも直方体導体と円弧状柱状導体を有することを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載の磁場解析装置の動作方法。
前記ローカル磁場演算ステップは、
前記制御手段が、前記座標系設定手段に、
前記ローカル導体が前記直方体導体の場合に第１のローカル座標系を適用させ、
前記第１のローカル座標系において、前記直方体導体の重心を原点と設定させ、
前記電流設定手段に、
電流はある軸方向に一様に流れているものと設定させるステップを有することを特徴とする請求項１０記載の磁場解析装置の動作方法。
前記ローカル磁場演算ステップは、
前記制御手段が、
前記座標系設定手段に、
ローカル導体が前記円弧状柱状導体の場合は、第２のローカル座標系を適用させ、
前記第２のローカル座標系において、原点を、円弧の中心軸上で、かつ前記円弧状柱導状体の高さ方向に対して前記円弧状柱状導体が対称となる点に設定させ、
第一の軸を設定し、前記第一の軸を円弧の中心軸上に設定させ、
前記電流設定手段に、
電流は前記第一の軸に直交する第二の軸を基点として、円弧の方向に一様に流れているものと設定させるステップを有することを特徴とする請求項１０記載の磁場解析装置の動作方法。
前記空間には磁性体がさらに配置されており、
前記磁場解析装置は、
前記磁性体の形状を設定する形状設定手段と、
前記磁性体の磁化曲線を表す関数を設定する関数設定手段と、
前記磁性体形状と前記磁化曲線を表す関数に基づいて、任意の場所における前記磁性体に対応した磁場を演算する磁性体磁場演算手段と、
前記導体に対応した磁場と前記磁性体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体および磁性体に対応した磁場を演算する足し合わせ演算手段と、
を有し、
前記制御手段が、
前記形状設定手段に、前記磁性体の形状を設定させる形状設定ステップと、
前記関数設定手段に、前記磁性体の磁化曲線を表す関数を設定させる関数設定ステップと、
前記磁性体磁場演算手段に、前記磁性体形状と前記磁化曲線を表す関数に基づいて、任意の場所における前記磁性体に対応した磁場を演算させる磁性体磁場演算ステップと、
前記足し合わせ演算手段に、前記導体に対応した磁場と前記磁性体に対応した磁場を足し合わせて、任意の場所における前記導体および磁性体に対応した磁場を演算させる足し合わせ演算ステップと、
を有することを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の磁場解析装置の動作方法。