JPH0778522B2 - 3D magnetic field analyzer - Google Patents
3D magnetic field analyzerInfo
- Publication number
- JPH0778522B2 JPH0778522B2 JP24634088A JP24634088A JPH0778522B2 JP H0778522 B2 JPH0778522 B2 JP H0778522B2 JP 24634088 A JP24634088 A JP 24634088A JP 24634088 A JP24634088 A JP 24634088A JP H0778522 B2 JPH0778522 B2 JP H0778522B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic field
- magnetic
- dimensional
- equation
- vector potential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Complex Calculations (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、有限要素法を用いた3次元磁場解析装置に
関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a three-dimensional magnetic field analyzer using the finite element method.
[従来の技術と発明が解決しようとする課題] 電子計算機の発展とともに、有限要素法による磁界解析
の研究がさかんに行われており、二次元問題に対しては
既に磁気ベクトルポテンシャルを用いた手法が確立され
ている。しかし、三次元の磁界解析問題に対しては種々
の手法が提案されているが、確たる手法がないのが現状
である。[Problems to be Solved by Conventional Techniques and Inventions] With the development of electronic computers, magnetic field analysis by the finite element method has been extensively researched, and a method using a magnetic vector potential has already been applied to a two-dimensional problem. Has been established. However, although various methods have been proposed for the three-dimensional magnetic field analysis problem, there is currently no definite method.
磁気ベクトルポテンシャル法は変分法によって定式化さ
れたが、ゲージ条件の取り扱いに問題がある
(1)〜(3)。The magnetic vector potential method was formulated by the variational method, but there is a problem in handling gauge conditions.
(1) to (3) .
(1)M.V.K.Chari,P.Silvester,A,Konrad,Z.J.Csendes
and M.A.Palmo,“Three-Dimensional Magnetostatic F
ield Analysis of Electrical Machinery by the Finit
e-Element Method",IEEE Trans.on Power App.Syst.,vo
l.PAS-100,pp.4007-4019,Aug.(1981) (2)N.A.Demerdash,T.W.Nehl,F.A.Fouad and O.A.Moh
ammed,“Three Dimensional Finite Element Vector Po
tential Formulation of Magnetic Fields in Electric
al Apparatus",IEEE Trans.on Power App.Syst.vol.PAS
-100.pp4104-4111.Aug.(1981) (3)J.L.Coulomb,“Finite Element Three Dimension
al Magnetic Field Computation",IEEE Trans.on Mag
n.,vol.MAG-17,pp.3241-3246,Nov.(1981) また、1つの節点につき3個の未知数が存在するため、
多くの計算時間とメモリが必要となるなどの問題があ
る。(1) MVKChari, P.Silvester, A, Konrad, ZJCsendes
and MAPalmo, “Three-Dimensional Magnetostatic F
ield Analysis of Electrical Machinery by the Finit
e-Element Method ", IEEE Trans.on Power App.Syst., vo
l.PAS-100, pp.4007-4019, Aug. (1981) (2) NADemerdash, TWNehl, FAFouad and OAMoh
ammed, “Three Dimensional Finite Element Vector Po
tential Formulation of Magnetic Fields in Electric
al Apparatus ", IEEE Trans.on Power App.Syst.vol.PAS
-100.pp4104-4111.Aug. (1981) (3) JLCoulomb, “Finite Element Three Dimension
al Magnetic Field Computation ", IEEE Trans.on Mag
n., vol.MAG-17, pp.3241-3246, Nov. (1981) Also, since there are 3 unknowns per node,
There is a problem that it requires a lot of calculation time and memory.
そこで現在はスカラーポテンシャル法(4)〜(5)あ
るいは、スカラー・ベクトルポテンシャル併用法(6)に
ついての研究が中心となっている。Therefore, research is currently centered on the scalar potential methods (4) to (5) or the combined scalar-vector potential method (6) .
(4)J.Simkin and C.W.Trowbridge,“Three-dimensio
nal Nonlinear Electromagnetic Field Computations,u
sing Scalar Potentials",IEE Proc.,vol.127,Pt.B,pp.
368-374,Nov.(1980) (5)I.D.Mayergoyz,M.V.K.Chari and J.D'Angelo,“A
New Scalar Potential Formulation for Three-Dimens
ional Magnetostatic Problems",IEEE Trans.on Magn.,
vol.MAG-23.pp.3889〜3894,Nov.(1987) (6)C.J.Carpenter,“Comparison of Alternative Fo
rmulation of 3-Dimensional Magnetic-Field and Eddy
-Current Problems at Power Frequencies",Proc.IEE,vol.124,pp.1026-1034,Nov.(1
977) しかし、これらの手法は電流領域、あるいは磁性体の取
り扱いや異なる磁性体間の境界条件の与え方が不明確で
ある(7)。(4) J. Simkin and CWTrowbridge, “Three-dimensio
nal Nonlinear Electromagnetic Field Computations, u
sing Scalar Potentials ", IEE Proc., vol.127, Pt.B, pp.
368-374, Nov. (1980) (5) ID Mayergoyz, MVKChari and J.D'Angelo, “A
New Scalar Potential Formulation for Three-Dimens
ional Magnetostatic Problems ", IEEE Trans.on Magn.,
vol.MAG-23.pp.3889-3894, Nov. (1987) (6) CJ Carpenter, “Comparison of Alternative Fo
rmulation of 3-Dimensional Magnetic-Field and Eddy
-Current Problems at Power Frequencies ", Proc.IEE, vol.124, pp.1026-1034, Nov. (1
977) However, in these methods, it is unclear how to treat the current region, the magnetic substance, and the boundary condition between different magnetic substances [ 7] .
(7)A.Krawczyk and J.Turowski,“Recent Developme
nt in Eddy Current Analysis",IEEE Trans.on Magn.,p
p.3032-3037,vol.MAG-23,Sep.(1987) これらのことから、多媒質を含む問題を統一的に扱うに
は磁気ベクトルポテンシャルを用いた手法が最も優れて
いるといえる。(7) A.Krawczyk and J.Turowski, “Recent Developme
nt in Eddy Current Analysis ", IEEE Trans.on Magn., p
p.3032-3037, vol.MAG-23, Sep. (1987) From these facts, it can be said that the method using the magnetic vector potential is the best way to deal with problems involving multiple media in a unified manner.
この発明は、このような背景の下になされたもので、有
限要素法を使用して3次元磁場解析を容易に行うことの
できる3次元磁場解析装置を提供することを目的とす
る。The present invention has been made under such a background, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional magnetic field analysis apparatus capable of easily performing a three-dimensional magnetic field analysis using the finite element method.
[課題を解決するための手段] 上記課題を解決するためにこの発明は、 3次元静磁界のポアソンの方程式を基礎とし、有限要素
法を用いて異なる磁性体を含む3次元磁場の解析を行う
3次元磁場解析装置において、 真空の透磁率μ0と磁界強度 との積に磁化 を加算して磁束密度 を求める第1の演算手段と、 磁気ベクトルポテンシャル の発散を零とするクーロンのゲージ条件の下に、前記磁
気ベクトルポテンシャル を用いて3次元静磁界のポアソンの方程式を形成する第
2の演算手段と、 前記異なる磁性体間の境界条件からベクトルポテンシャ
ル の境界条件を求める第3の演算手段と、 前記ポアソンの方程式および補間関数を用いてガラーキ
ン法によって離散化を行い、前記ベクトルポテンシャル の境界条件を用いて3次元の各成分毎に分離された3つ
の有限要素式を求める第4の演算手段と、 前記有限要素式に基づいて、各有限要素につきベクトル
ポテンシャル の各成分の係数からなる係数マトリックスを求める第5
の演算手段と、 前記係数マトリックスを用いた行列式を解いてベクトル
ポテンシャル を求める第6の演算手段と、 前記ベクトルポテンシャル から前記磁束密度 を求めるとともに、磁化 を修正する第7の演算手段と を具備することを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention is based on Poisson's equation of a three-dimensional static magnetic field, and analyzes a three-dimensional magnetic field including different magnetic bodies by using the finite element method. In a three-dimensional magnetic field analyzer, the magnetic permeability μ 0 of vacuum and the magnetic field strength Magnetized to the product of Magnetic flux density The first calculation means for obtaining the magnetic vector potential Under Coulomb's gauge condition with zero divergence of Is used to form a Poisson's equation of a three-dimensional static magnetic field, and a vector potential is calculated from the boundary condition between the different magnetic bodies. And the vector potential by performing the discretization by the Galerkin method using the Poisson's equation and the interpolation function. Fourth computing means for obtaining three finite element formulas separated for each three-dimensional component using the boundary condition of, and a vector potential for each finite element based on the finite element formula Fifth, obtaining a coefficient matrix composed of the coefficients of each component of
And the vector potential by solving the determinant using the coefficient matrix Sixth computing means for obtaining From the magnetic flux density Seeking and magnetizing And a seventh arithmetic means for correcting
[作用] 上記構成によれば、有限要素式を3次元の各成分毎に分
離することができる。[Operation] According to the above configuration, the finite element expression can be separated for each three-dimensional component.
すなわち、あとで詳しく説明するように、(1) なる式を用いること、(2)ベクトルポテンシャル の発散を零とする クーロンのゲージ条件を課することによって、有限要素
式の表面積分項を消去することが可能となる。これによ
って、有限要素式を3次元の各成分ごとに分離すること
が可能となる。That is, as will be described later in detail, (1) (2) Vector potential Make the divergence of zero By imposing the Coulomb gauge condition, it becomes possible to eliminate the surface integral term of the finite element formula. This allows the finite element formula to be separated for each three-dimensional component.
この結果、ベクトルポテンシャル の3成分を独立に解析できるため、解析装置のメモリ容
量および計算時間を大幅に減らすことができる。As a result, the vector potential Since the three components can be analyzed independently, the memory capacity and calculation time of the analyzer can be significantly reduced.
[実施例] 以下、本発明の実施例を説明する。[Examples] Examples of the present invention will be described below.
第1図はこの発明の一実施例による3次元磁場解析装置
の構成を示す機能ブロック図である。この図を参照して
説明する。FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a three-dimensional magnetic field analysis apparatus according to an embodiment of the present invention. A description will be given with reference to this figure.
[1]3次元静磁界におけるポアソンの方程式の導出 静磁界における基本方程式は次式で与えられる。[1] Derivation of Poisson's equation in a three-dimensional static magnetic field The basic equation in a static magnetic field is given by the following equation.
第1図に示す第1の演算手段1は、式(3)を演算する
ものである。 The first calculation means 1 shown in FIG. 1 calculates the equation (3).
上記式(2)より、次式に示す磁気ベクトルポテンシャ
ル を定義できる。From the above equation (2), the magnetic vector potential shown in the following equation Can be defined.
式(1)、(3)、(4)より、 なるrot-rot式を得るが、この形式では数学的に境界条
件が不明確である。 From equations (1), (3) and (4), Rot-rot expression is obtained, but in this form the boundary conditions are unclear mathematically.
ところで、式(4)の にはgradφなる不定性が許されるが、次式に示すクーロ
ン(Coulomb)のゲージを課することによって、 の一意性を保証することができる。By the way, in equation (4) Is allowed to have an indeterminacy of grad φ, but by imposing the Coulomb gauge given by The uniqueness of can be guaranteed.
式(6)を式(5)に代入し、 なる3次元静磁界のポアソン(Poisson)の方程式を得
る。第1図に示す第2の演算手段は、上述した演算を実
行して、ポアソンの方程式を出力するものである。 Substituting equation (6) into equation (5), We obtain the Poisson's equation of the three-dimensional static magnetic field. The second arithmetic means shown in FIG. 1 executes the above-mentioned arithmetic operation and outputs Poisson's equation.
式(7)は境界値問題として解く際には境界条件が明確
であり、また、クーロンのゲージ条件式(6)を含んで
おり、 の一意性が保証されている。Equation (7) has clear boundary conditions when it is solved as a boundary value problem, and includes Coulomb's gauge conditional expression (6). Is guaranteed to be unique.
[2]異なる磁性体間の境界条件 第2図に示すように、解析領域中に異なる磁性体間の境
界が存在する場合、境界条件を吟味する必要があ
る(8)。[2] Boundary condition between different magnetic materials As shown in Fig. 2, when there is a boundary between different magnetic materials in the analysis region, it is necessary to examine the boundary condition (8) .
(8)長谷部、鹿野:「三次元磁界解析における境界条
件の取り扱いについて」、日本シミュレーション学会
第7回電気・電子工学への有限要素法の応用シンポジウ
ム論文集、pp.133-138(昭61)式(1)、(2)より異
なる磁性体間の境界条件は次式のようになる。(8) Hasebe, Kano: "Handling of boundary conditions in 3D magnetic field analysis", Japan Society for Simulation Technology
From the 7th Symposium on Application of Finite Element Method to Electrical and Electronic Engineering, pp.133-138 (SHO 61) Equations (1) and (2), the boundary conditions between different magnetic materials are as follows: .
いま、直角座標(x,y,z)を考え、境界面をy−z平面
にとり、y,z方向の単位ベクトルを とすれば、式(8)、(9)は次式のように書ける。 Now consider the Cartesian coordinates (x, y, z), set the boundary plane on the yz plane, and define the unit vector in the y and z directions. Then, equations (8) and (9) can be written as the following equations.
式(10)、(11)は に対する境界条件式であるが、式(3)、(4)を用い
てベクトルポテンシャル に対する境界条件式に書き換えれば次のようになる。 Equations (10) and (11) are Is a boundary condition equation for, but using the equations (3) and (4) It can be rewritten as the boundary condition expression for.
まず、磁界強度 のy成分Hyおよびz成分Hzが連続なことから、 が得られる。また、磁束密度 のx成分が連続なことから、次式が得られる。First, the magnetic field strength Since the y component H y and the z component H z of are continuous, Is obtained. Also, the magnetic flux density Since the x component of is continuous, the following equation is obtained.
ただし、右肩の添字(I),(II)はそれぞれ磁性体
(I)側、及び(II)側に表す。 However, the subscripts (I) and (II) on the right shoulder are shown on the magnetic body (I) side and the magnetic body (II) side, respectively.
ここで、境界面における磁気ベクトルポテンシャル の連続性を仮定し、クーロンのゲージ条件を用いれば、
式(12)〜(14)を成立させる十分条件として次式を得
る。Where the magnetic vector potential at the interface Assuming continuity of and using Coulomb gauge condition,
The following equation is obtained as a sufficient condition for satisfying equations (12) to (14).
式(15)〜(17)は式(12)〜(14)の十分条件であ
り、ポアソンの方程式(7)に対する境界条件として完
備されている。 Equations (15) to (17) are sufficient conditions of equations (12) to (14) and are complete as boundary conditions for Poisson's equation (7).
これらの境界条件式を求めるのが第1図に示す第3の演
算手段3である。The third computing means 3 shown in FIG. 1 calculates these boundary condition expressions.
上記演算を、クーロンのゲージ条件を用いない従来の方
法と比較する。すなわち、境界面上における磁気ベクト
ルポテンシャル の連続性は仮定するが、クーロンのゲージ条件式(6)
を用いない場合には、次(12)〜(14)を成立させる十
分条件として次式を得る。The above calculation is compared with a conventional method which does not use the Coulomb gauge condition. That is, the magnetic vector potential on the boundary surface The continuity of is assumed, but Coulomb's gauge conditional expression (6)
When is not used, the following equation is obtained as a sufficient condition for satisfying the following (12) to (14).
これら3つの式(18)〜(20)が成立すれば、式(12)
〜(14)は十分に成立する。しかしながら、∂Ax/∂x
に対する条件が不足している。ところで、磁気ベクトル
ポテンシャル を用いたポアソンの方程式(7)を解くためには、境界
上における の値とその微分値に対する境界条件とが必要である。し
たがって、式(18)〜(20)に示した境界条件では不十
分であり、式(7)は一意には解けないことが分かる。 If these three formulas (18) to (20) are satisfied, formula (12)
~ (14) is fully satisfied. However, ∂A x / ∂x
The conditions for are insufficient. By the way, magnetic vector potential To solve Poisson's equation (7) using A boundary condition for the value of and its derivative is required. Therefore, it is understood that the boundary conditions shown in Expressions (18) to (20) are insufficient, and Expression (7) cannot be uniquely solved.
なお、ここでは境界面をy−z平面に仮定したが、z−
x平面、x−y平面が境界面のときにも同様の議論が成
立する。Although the boundary surface is assumed to be the yz plane here, z-
The same argument holds when the x plane and the xy plane are boundary surfaces.
[3]ガラーキン法による離散化と境界積分項の検討 次に、第1図に示す演算手段4について説明する。この
演算手段4は、ポアソンの方程式(7)を要素ごとに離
散化するものである。以下の説明は、一つの要素に着目
して行う。すなわち、積分記号の下の符号V,Sは、それ
ぞれ一つの要素の体積積分、面積積分を示している。[3] Discretization by Galerkin method and examination of boundary integral term Next, the calculation means 4 shown in FIG. 1 will be described. This computing means 4 discretizes Poisson's equation (7) element by element. The following description focuses on one element. That is, the symbols V and S below the integration symbol indicate the volume integral and area integral of one element, respectively.
(a)ガラーキン法による離散化 ポアソンの方程式(7)と補間関数とのノルムをとりガ
ラーキン法により離散化を行なえば、次式のようになる
(9)。(A) Discretization by the Galerkin method If the norm of Poisson's equation (7) and the interpolation function is taken and discretized by the Galerkin method, the following equation is obtained.
(9) .
(9)K.H.Heubner(山田訳):「有限要素法」、pp.11
6-117、科学技術出版、(昭53) ただし、式(21)において、 (b)境界積分項の検討 式(21)における境界積分項を取り出せば次式のように
なる。(9) KHHeubner (Translated by Yamada): “Finite Element Method”, pp.11
6-117, Science and Technology Publishing, (53) However, in equation (21), (B) Examination of boundary integral term If the boundary integral term in the equation (21) is taken out, it becomes the following equation.
境界面をy−z平面に選べば、式(22)は次式となる。 If the boundary surface is selected as the y-z plane, the equation (22) becomes the following equation.
境界積分式(23)の被積分項中にある∂Ax/∂x,(∂Ay
/∂x−Mz),(∂Az/∂X+My)は、それぞれ式(1
5)、(16)、(17)に示すとおり、異なる磁性体が接
する境界面の両側で連続である。そして、補間関数 は連続に選ばれるので、上記境界積分式(23)は、境界
面の両側で逆符号となって打ち消され、全体を消去する
ことができる。 ∂A x / ∂x, (∂A y in the integrand of the boundary integral equation (23)
/ ∂x−M z ) and (∂A z / ∂X + M y ) are respectively expressed by the formula (1
As shown in 5), (16) and (17), it is continuous on both sides of the boundary surface where different magnetic materials come into contact. And the interpolation function Since B is selected continuously, the boundary integral equation (23) is canceled with an opposite sign on both sides of the boundary surface, and the entire boundary can be erased.
なお、ディリクレ条件を与える境界上では補間関数 が零であり、ノイマン条件を与える境界上では∂Ax/x∂
=0であるという事実、および上述した式(16)、(1
7)を用いることにより、式(23)の被積分項全体を零
とおくことができる。したがって、式(23)に示す境界
積分項は、ディリクレ、ノイマンの条件に対しても消去
可能である。In addition, on the boundary that gives the Dirichlet condition, the interpolation function Is zero and ∂Ax / x∂ on the boundary that gives Neumann condition.
= 0, and the above equations (16), (1
By using 7), the whole integrand in equation (23) can be set to zero. Therefore, the boundary integral term shown in equation (23) can be eliminated even under the conditions of Dirichlet and Neumann.
一方、前述した式(15)と式(18)との比較から分かる
ように、クーロンのゲージを課さない場合には、異なる
磁性体の要素間で∂Ax/∂xの連続性が保証されないか
ら、式(23)の被積分項中にある∂Ax/∂xを消去でき
ない。On the other hand, as can be seen from the comparison between the equations (15) and (18), the continuity of ∂Ax / ∂x cannot be guaranteed between the elements of different magnetic materials when the Coulomb gauge is not imposed. , ∂Ax / ∂x in the integrand of equation (23) cannot be deleted.
以上、ここでは境界面をy−z平面と仮定して議論を進
めてきたが、境界面がz−x,y−z平面の時にも全く同
様な議論が成り立つ。As described above, the discussion has been made here on the assumption that the boundary surface is the yz plane, but the same argument holds when the boundary surface is the zx, yz plane.
このように、クーロンのゲージ条件式(6)を課するこ
とによって、ポアソンの方程式(7)の境界条件を完備
することができるばかりでなく、ガラーキン法による弱
形式化も可能である。Thus, by imposing Coulomb's gauge conditional expression (6), not only the boundary condition of Poisson's equation (7) can be completed, but also weakening by the Galerkin method is possible.
[4]有限要素式 上記[3]項で述べた議論から次式に示す有限要素式が
得られる。[4] Finite Element Formula The finite element formula shown below can be obtained from the discussion described in the above [3].
ところで、式(24)は境界条件を満たす任意の補間関数 に対して成立する必要がある。つまり、次式が成り立つ
必要がある。 By the way, equation (24) is an arbitrary interpolation function that satisfies the boundary condition. Need to hold for. In other words, the following formula needs to hold.
式(25)〜(27)を用いれば磁気ベクトルポテンシャル
の3成分を独立に取り扱うことができるため計算機のメ
モリー、計算時間の節約が可能である。 By using the equations (25) to (27), the three components of the magnetic vector potential can be treated independently, so that the memory and calculation time of the computer can be saved.
[5]数値計算のためのデータの作成 3次元の磁場解析を行うには、解析対象を含んだ3次元
空間をたとえば細かい直方体からなる要素に分け、その
一つ一つに対して、磁気特性(この場合は、測定によっ
て得られた磁化 と磁束密度 の関係式)、励磁電流密度 (大きさと方向)、磁化 の初期値、およびベクトルポテンシャル の初期値を与える。[5] Creation of Data for Numerical Calculation In order to perform a three-dimensional magnetic field analysis, the three-dimensional space containing the analysis target is divided into, for example, fine rectangular parallelepiped elements, and the magnetic characteristics are (In this case, the magnetization obtained by the measurement And magnetic flux density Relational expression), exciting current density (Size and direction), magnetization Initial value of and vector potential Gives the initial value of.
この際、材料が変わる境界面をまたいだ要素を作っては
ならない。また、3次元空間の外周にはベクトルポテン
シャル の境界条件を与える。なお、解析対象が対称性を有する
場合には、その対称性を利用して、全体領域の1/2,1/4,
……の領域を解析空間とし、対称面にもベクトルポテン
シャル の境界条件を与える。以上の手順によって有限要素法の
データを作成する。At this time, do not create an element that crosses boundaries where materials change. In addition, the vector potential is on the outer periphery of the three-dimensional space. Give the boundary conditions for. In addition, when the analysis target has symmetry, 1/2, 1/4,
The area of …… is the analysis space, and the vector potential is also on the symmetry plane. Give the boundary conditions for. Data of the finite element method is created by the above procedure.
[6]数値計算 上で作成したデータを入力し、ベクトルポテンシャル の係数マトリックスを求める(演算手段5)。なお、 の効果は、列ベクトルとして求められ、全体系の行列式
が得られる。この係数マトリックスを解いてベクトルポ
テンシャル の各成分を算出し(演算手段6)、算出したベクトルポ
テンシャル から磁束密度 等を求める(演算手段7)。[6] Numerical calculation Input the data created above and enter the vector potential. The coefficient matrix of is calculated (calculating means 5). In addition, The effect of is obtained as a column vector, and the determinant of the whole system is obtained. Solving this coefficient matrix, the vector potential Each component of is calculated (calculation means 6), and the calculated vector potential From magnetic flux density Etc. are calculated (calculation means 7).
以下、具体的な数値計算に入る。この数値計算は、測定
によってあらかじめ得た値を入力データとし、上記
[5]項の手法を適用して実施するもので、上記の式
(25)〜(27)を利用する点を除き、計算手順は従来と
同様である。Hereinafter, a specific numerical calculation will be started. This numerical calculation is carried out by applying the method obtained in [5] above using the values obtained in advance as input data, except that the above equations (25) to (27) are used. The procedure is the same as the conventional one.
一つ一つの要素に対し、 の数値を式(25)に代入し、ガウス積分を行い、各節点
i(i=1〜未知節点総数n)におけるベクトルポテン
シャル のx成分Axiの係数を求める(演算手段5)。For each element, Substituting the numerical value of into equation (25) and performing Gauss integration, vector potential at each node i (i = 1 to total number of unknown nodes n) The coefficient of the x component A xi of is calculated (calculation means 5).
要素毎に求めた未知数Axiの係数を加え合わせ、未
知数Axi全体の係数マトリックスを作成する。これによ
って、n×nの係数マトリックスができあがる(演算手
段5)。なお、 の効果も列ベクトルとして同時に求められ、全体系の行
列式ができあがる。The coefficients of the unknowns A xi obtained for each element are added to create a coefficient matrix for the entire unknowns A xi . As a result, an n × n coefficient matrix is created (operation means 5). In addition, The effect of is also obtained as a column vector at the same time, and the determinant of the whole system is completed.
未知数Axiに対するn×nのマトリックス計算を行
い、各節点iにおけるベクトルポテンシャル の値Axiを求める(演算手段6)。The n × n matrix calculation is performed on the unknown A xi , and the vector potential at each node i is calculated. The value A xi of is calculated (calculation means 6).
式(26),(27)を用い、ベクトルポテンシャル のy成分Ayi、z成分Aziについても同様にして、その値
を求める(演算手段5,6)。Using equations (26) and (27), vector potential The values of y component A yi and z component A zi of are also obtained in the same manner (calculation means 5 and 6).
によって、要素中の磁束密度 を求める(演算手段7)。 By the magnetic flux density in the element Is calculated (calculation means 7).
との関係によって、要素中の磁化 を修正する。 The magnetization in the element depends on the relationship with To fix.
の収束の判定を行い、収束しているならば求めた値を出
力し、収束が不十分ならば上記〜の演算を繰り返
す。 The convergence is determined, and if it is converged, the obtained value is output. If the convergence is insufficient, the above operations 1 to 3 are repeated.
数値計算例1 第3図に示すモデルを用いて静磁界解析を行ない の値を調べた。8節点1次要素を用いて領域10を均等に
分割し、中央にMx=1[T]、My=Mz=0[T]の永久
磁石11を配し、境界条件としてノイマン条件を与えた。
本モデルは異なる磁性体(永久磁石11と真空12)間の境
界を含んでおり、本実施例の理論及び定式化を確認する
のに適している。Numerical calculation example 1 Perform static magnetic field analysis using the model shown in FIG. I checked the value of. The region 10 is equally divided using eight-node primary elements, and a permanent magnet 11 with M x = 1 [T] and M y = M z = 0 [T] is arranged at the center, and Neumann condition is used as a boundary condition. Gave.
This model includes boundaries between different magnetic bodies (permanent magnet 11 and vacuum 12) and is suitable for confirming the theory and formulation of this embodiment.
第4図に磁束密度 の分布を示す。矢印の向き、長さがそれぞれ磁束密度 の向きと大きさを示しており、永久磁石11を配した位置
において磁束密度 の最大値がBx=0.3709[T]、By=Bz=0[T]となっ
ている。Fig. 4 shows the magnetic flux density Shows the distribution of. Magnetic flux density in the direction and length of the arrow Shows the direction and size of the magnetic flux density at the position where the permanent magnet 11 is placed. The maximum values of B x = 0.3709 [T] and B y = B z = 0 [T].
上で述べたように、磁気ベクトルポテンシャル を用いた三次元静磁界解析では、異なる磁性体間の境界
条件が満たされているかどうかが問題となる。これを調
べるために、永久磁石11と真空12の境界節点における の値を求めた。この例では異なる磁性体間の境界節点は
8個の要素を共有するため、まず境界節点を共有する8
個の要素中のガウス積分点での の値を求め、表1に示す。As I said above, the magnetic vector potential In the three-dimensional static magnetic field analysis using, the problem is whether the boundary conditions between different magnetic materials are satisfied. In order to investigate this, at the boundary node between the permanent magnet 11 and the vacuum 12, The value of was calculated. In this example, the boundary nodes between different magnetic materials share eight elements, so the boundary nodes are shared first.
At Gaussian integration points in The value of is calculated and shown in Table 1.
この表より、 の値を平均し、異なる磁性体間の境界上の節点における
値として求めれば、その値は零となる。他の境界節点及
び領域内の任意の節点においてもその値は零であり、上
述の理論と定式化の妥当性を示している。ここでは境界
条件がノイマン条件の場合を示したが、ディリクレ条件
の場合も同様に領域内の任意の節点において であった。 From this table, If the values of are averaged and obtained as the value at the node on the boundary between different magnetic materials, the value becomes zero. The value is zero at other boundary nodes and any nodes in the region, which shows the validity of the above theory and formulation. Here, the boundary condition is the Neumann condition, but in the case of the Dirichlet condition, similarly, at any node in the region. Met.
数値計算例2 第5図、第6図は、電気学会モデルを用いた数値計算例
を示す図である。Numerical Calculation Example 2 FIGS. 5 and 6 are views showing numerical calculation examples using the Institute of Electrical Engineers model.
このモデルは、100×100×200mmの柱状の鉄心21(比透
磁率μr=1000)に励磁巻線22を巻回したものであり、
「電気学会三次元電磁界計算技術調査専門委員会」で制
定された精度検証用標準モデルである。上記鉄心21の上
面および横面の空間部分でx,y,z各方向の磁束密度を測
定し、検証用の標準データとしている。この標準データ
に基づいて計算結果の評価を行うことができる。In this model, an excitation winding 22 is wound around a 100 × 100 × 200 mm columnar iron core 21 (relative permeability μ r = 1000).
This is a standard model for accuracy verification established by the "Technical Committee for Three-dimensional Electromagnetic Field Calculation Technology Investigation of the Institute of Electrical Engineers of Japan". The magnetic flux densities in the x, y, and z directions are measured in the space portions of the upper surface and the lateral surface of the iron core 21 and used as standard data for verification. The calculation result can be evaluated based on this standard data.
このモデルを用い、その重心の位置を原点とし、1/8体
積につき、上述した実施例装置によって3次元磁場解析
を行った結果を示すものが第5図である。各矢印は、磁
束密度の大きさと方向を示している。表2および第6図
は、x=y=6.25mmの位置で高さ方向(z方向)に沿っ
て得た実測値と計算値とを示している。この表と図から
分かるように良好な計算結果が得られている。なお、こ
のとき巻線22に流した電流は3000ATであった。FIG. 5 shows the results of three-dimensional magnetic field analysis using the above-described apparatus according to the embodiment, using this model, with the position of the center of gravity as the origin, and for 1/8 volume. Each arrow indicates the magnitude and direction of the magnetic flux density. Table 2 and FIG. 6 show measured values and calculated values obtained along the height direction (z direction) at the position of x = y = 6.25 mm. As can be seen from this table and the figure, good calculation results are obtained. The current passed through the winding wire 22 at this time was 3000 AT.
数値計算例3 第7図〜第8図は、磁気ヘッドの磁場解析に上記実施例
装置を適用したものである。 Numerical Calculation Example 3 FIGS. 7 to 8 are diagrams in which the apparatus of the above-described embodiment is applied to the magnetic field analysis of the magnetic head.
磁気ヘッド30のコア31には、コイル32が巻回され、コア
31にはギャップ33が形成されている。この磁気ヘッド30
につき、その対称性を利用し、第7図に一点鎖線の枠VI
IIで示すように、ギャップ33近傍の1/4領域を解析し
た。A coil 32 is wound around the core 31 of the magnetic head 30,
A gap 33 is formed in 31. This magnetic head 30
Therefore, using the symmetry, the dashed-dotted frame VI in Fig. 7
As shown in II, the 1/4 region near the gap 33 was analyzed.
第8図は、その結果を示すものであり、矢印は磁束密度 の大きさと方向とを示している。Figure 8 shows the result, and the arrow shows the magnetic flux density. Shows the size and direction of the.
本実施例と従来法との比較 従来、磁気ベクトルポテンシャル を用いた変分法による3次元静磁界解析の定式化が示さ
れている(上記文献(1)〜(3))。これらは、ラグ
ランジェ定数法によりゲージ条件を扱っている。しかし
ながら、この手法によるゲージ条件の導入は数値計算上
極めて性質が悪く、扱いにくいことが報告されている
(10)〜(11) (10)横井、荒谷、小貫:「三次元有限・境界要素併用
法による開領域静磁界検討用モデルの磁界解析」、日本
シミュレーション学会 第8回電気電子工学への有限要
素法の応用シンポジウム論文集、pp.99-104、(昭62) (11)長谷部、鹿野、「三次元磁界解析における境界条
件とゲージの関係−検証モデルによる−」、電学会静止
器・回転機合同研資、SA-87-1,RM-87-12,pp.1-9,(昭6
2) そのため、ゲージ条件を無視した解析が行われてきた。
モハメッド(Mohammed)らは、gradφなる磁気ベクトル
ポテンシャルの不定性は、ディリクレ条件によって抑え
ることができるため、ゲージ条件を課す必要がないこと
を示した(12)。Comparison between this example and conventional method Conventional magnetic vector potential Formulation of three-dimensional static magnetic field analysis by the variational method using is shown (the above-mentioned documents (1) to (3)). These deal with gauge conditions by the Lagrange constant method. However, it is reported that the introduction of gauge conditions by this method is extremely poor in terms of numerical calculation and difficult to handle.
(10) ~ (11) (10) Yokoi, Aratani, Konuki: "Magnetic field analysis of a model for studying an open region static magnetic field using the three-dimensional finite / boundary element combined method", The 8th Japan Society for Simulation Engineering finite Proceedings of the Symposium on Application of Element Method, pp.99-104, (62) (11) Hasebe, Kano, "Relationship between Boundary Condition and Gauge in 3D Magnetic Field Analysis-By Verification Model-" Machinery Research Institute, SA-87-1, RM-87-12, pp.1-9, (Sho 6
2) Therefore, analyzes have been conducted ignoring gauge conditions.
Mohammed et al. Have shown that the indeterminacy of the magnetic vector potential of grad φ can be suppressed by the Dirichlet condition, so there is no need to impose a gauge condition (12) .
(12)O.A.Mohammed,W.A.Davis,B.D.Popovic,T.W.Nehl
and N.A.Demerdash,“On the Uniqueness of Solution
of Magnetostatic Vector-Potential Problems by Thre
e-Dimensional Finite-Element Methods",Journal of A
pplied Physics,vol.53(11),pp.8402-8404,Nov.(198
2) その中で、節点でgradφの値を抑えることが可能である
ため要素間の境界でのgradφの値が連続である、として
理論を展開している。同一の磁性体ならば、要素間にお
けるgradφの連続性は保証される。しかし、異なる磁性
体間の要素境界で各々の媒質から見た基礎方程式の接合
条件を課さないにもかかわらず、単一節点であるからgr
adφの値が連続であるとするのは誤りである。従って、
得られた計算結果における の値は零となっていない。(12) OAMohammed, WADavis, BDPopovic, TWNehl
and NADemerdash, “On the Uniqueness of Solution
of Magnetostatic Vector-Potential Problems by Thre
e-Dimensional Finite-Element Methods ", Journal of A
pplied Physics, vol.53 (11), pp.8402-8404, Nov. (198
2) Among them, the theory is developed that the value of gradφ can be suppressed at the node, so that the value of gradφ at the boundary between elements is continuous. With the same magnetic material, the continuity of grad φ between elements is guaranteed. However, even though the bonding conditions of the basic equations seen from each medium are not imposed at the element boundaries between different magnetic materials, they are single nodes, so gr
It is incorrect to assume that the values of adφ are continuous. Therefore,
In the obtained calculation results The value of is not zero.
その他、全く同じようにして議論をすすめている例もあ
る(13)。There are also other cases where discussions are being conducted in exactly the same way (13) .
(13)池田:「有限要素法による三次元磁界解析におけ
るゲージの問題」、電学会静止器・回転機合同研資、SA
-87-20、RM-87-57、pp.21-29(昭62) これに対して、本実施例は、 (1)有限要素法による三次元静磁界解析においては、
異なる磁性体間の境界における境界条件を満たすために
ゲージ条件の導入が必要であることを示し、 (2)ゲージ条件を含んだ新しい有限要素式を定式化
し、 (3)数値計算結果によりその理論と定式化が正しいこ
とを確認した。(13) Ikeda: “Gauge problems in three-dimensional magnetic field analysis by the finite element method”, IEICE static and rotary machine joint research fund, SA
-87-20, RM-87-57, pp.21-29 (Sho 62) On the other hand, in this example, (1) in the three-dimensional static magnetic field analysis by the finite element method,
We show that it is necessary to introduce the gauge condition to meet the boundary condition at the boundary between different magnetic materials. (2) Formulate a new finite element formula including the gauge condition. And confirmed that the formulation is correct.
本定式化によれば、磁気ベクトルポテンシャル の各成分の独立に解析できるため計算機のメモリ、計算
時間の節約が可能である。According to this formulation, the magnetic vector potential Since each component of can be analyzed independently, it is possible to save computer memory and calculation time.
[発明の効果] 以上説明したように、この発明は、 に代えて なる式を用いたこと、およびベクトルポテンシャル の発散を零とするクーロンのゲージ条件を課したことに
よって、有限要素式の表面積分項を消去することが可能
となる。これによって、有限要素式を3次元の各成分ご
とに分離することが可能となる。[Effects of the Invention] As described above, the present invention is Instead of And the vector potential By imposing the Coulomb gauge condition with zero divergence of, it becomes possible to eliminate the surface integral term of the finite element formula. This allows the finite element formula to be separated for each three-dimensional component.
この結果、ベクトルポテンシャル の3成分を独立に解析できるため、解析装置のメモリ容
量および計算時間を大幅に減らすことができる。As a result, the vector potential Since the three components can be analyzed independently, the memory capacity and calculation time of the analyzer can be significantly reduced.
第1図はこの発明の一実施例による3次元磁場解析装置
の構成を示す機能ブロック図、第2図は異なる磁性体間
の境界条件を示す図、第3図、第4図は数値計算例を示
す斜視図、第5図、第6図は他の数値計算例を示す図、
第7図および第8図は磁気ヘッドの3次元磁場の数値計
算例を示す図であり、第7図は磁気ヘッドの構造および
磁場解析の対象となる位置VIIIを示す図、第8図は磁場
解析の結果を示す図である。 1〜7……第1〜第7の演算手段。FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a three-dimensional magnetic field analyzer according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing boundary conditions between different magnetic materials, and FIGS. 3 and 4 are numerical calculation examples. FIG. 5, FIG. 6 and FIG. 6 are views showing other numerical calculation examples,
FIGS. 7 and 8 are diagrams showing an example of numerical calculation of the three-dimensional magnetic field of the magnetic head, FIG. 7 is a diagram showing the structure of the magnetic head and a position VIII to be subjected to magnetic field analysis, and FIG. 8 is a magnetic field. It is a figure which shows the result of an analysis. 1-7 ... 1st-7th arithmetic means.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯島 泰蔵 東京都田無市芝久保町3―27―9 (72)発明者 武笠 幸一 北海道札幌市北区麻生町5―9―1―901 (56)参考文献 榎園他:磁界解析における境界要素法の 二,三の改良,シミュレーション 第6巻 第1号 PP.42−49 「工学における数値シミュレーション」 PP.151−178,丸善,昭和63年1月30 日発行 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Taizo Iijima 3-27-9 Shibakubo-cho, Tanashi City, Tokyo (72) Inventor Koichi Takegasa 5-9-1-901 (56) Aso-cho, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido References Enoki et al .: Some Improvements of Boundary Element Method in Magnetic Field Analysis, Simulation, Volume 6, No. 1, PP. 42-49 “Numerical Simulation in Engineering” PP. 151-178, Maruzen, issued January 30, 1988
Claims (1)
し、有限要素法を用いて異なる磁性体を含む3次元磁場
の解析を行う3次元磁場解析装置において、 真空の透磁率μ0と磁界強度 との積に磁化 を加算して磁束密度 を求める第1の演算手段と、磁気ベクトルポテンシャル の発散を零とするクーロンのゲージ条件の下に、前記磁
気ベクトルポテンシャル を用いて3次元静磁界のポアソンの方程式を形成する第
2の演算手段と、 前記異なる磁性体間の境界条件からベクトルポテンシャ
ル の境界条件を求める第3の演算手段と、 前記ポアソンの方程式および補間関数を用いてガラーキ
ン法によって離散化を行い、前記ベクトルポテンシャル の境界条件を用いて3次元の各成分毎に分離された3つ
の有限要素式を求める第4の演算手段と、 前記有限要素式に基づいて、各有限要素につきベクトル
ポテンシャル の各成分の係数からなる係数マトリックスを求める第5
の演算手段と、 前記係数マトリックスを用いた行列式を解いてベクトル
ポテンシャル を求める第6の演算手段と、 前記ベクトルポテンシャル から前記磁束密度 を求めるとともに、磁化 を修正する第7の演算手段と を具備することを特徴とする3次元磁場解析装置。[Claim 1] and based on the Poisson equation of three-dimensional static magnetic field, the three-dimensional magnetic field analysis apparatus for analyzing a three-dimensional magnetic field comprising different magnetic body using the finite element method, the magnetic permeability mu 0 and the magnetic field of a vacuum Strength Magnetized to the product of Magnetic flux density And a magnetic vector potential Under Coulomb's gauge condition with zero divergence of Is used to form a Poisson's equation of a three-dimensional static magnetic field, and a vector potential is calculated from the boundary condition between the different magnetic bodies. And the vector potential by performing the discretization by the Galerkin method using the Poisson's equation and the interpolation function. Fourth computing means for obtaining three finite element formulas separated for each three-dimensional component using the boundary condition of, and a vector potential for each finite element based on the finite element formula Fifth, obtaining a coefficient matrix composed of the coefficients of each component of
And the vector potential by solving the determinant using the coefficient matrix Sixth computing means for obtaining From the magnetic flux density Seeking and magnetizing And a seventh arithmetic means for correcting the three-dimensional magnetic field analysis apparatus.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24634088A JPH0778522B2 (en) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 3D magnetic field analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24634088A JPH0778522B2 (en) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 3D magnetic field analyzer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0293386A JPH0293386A (en) | 1990-04-04 |
| JPH0778522B2 true JPH0778522B2 (en) | 1995-08-23 |
Family
ID=17147110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24634088A Expired - Lifetime JPH0778522B2 (en) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 3D magnetic field analyzer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0778522B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104360293B (en) * | 2014-11-07 | 2017-02-08 | 中国人民解放军海军工程大学 | Ship-induced magnetic field real-time acquisition method |
| JP6582766B2 (en) * | 2015-09-04 | 2019-10-02 | 富士通株式会社 | Simulation device, simulation program, and simulation method |
-
1988
- 1988-09-30 JP JP24634088A patent/JPH0778522B2/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 「工学における数値シミュレーション」PP.151−178,丸善,昭和63年1月30日発行 |
| 榎園他:磁界解析における境界要素法の二,三の改良,シミュレーション第6巻第1号PP.42−49 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0293386A (en) | 1990-04-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fujiwara et al. | Acceleration of convergence characteristic of the ICCG method | |
| Chari et al. | Numerical methods in electromagnetism | |
| EP2549396A1 (en) | Method for simulating magnetic material, and program | |
| Silvester et al. | Effective computational models for anisotropic soft BH curves | |
| Zec et al. | Finite element analysis of nondestructive testing eddy current problems with moving parts | |
| Kuczmann | Potential formulations in magnetics applying the finite element method | |
| US5621649A (en) | Method for analyzing electromagnetic field | |
| Canova et al. | Integral solution of nonlinear magnetostatic field problems | |
| McWhirter et al. | Computation of magnetostatic fields in three-dimensions based on Fredholm integral equations | |
| Liu et al. | A method of anisotropic steel modelling using finite element method with confirmation by experimental results | |
| JPH0778522B2 (en) | 3D magnetic field analyzer | |
| Williamson et al. | Three-dimensional finite-element formulation for problems involving time-varying fields, relative motion, and magnetic saturation | |
| JP7848103B2 (en) | Eddy current analysis method, eddy current analysis device, and program | |
| Nakata et al. | 3-D open boundary magnetic field analysis using infinite element based on hybrid finite element method | |
| Varga et al. | Magnetic field of a uniformly magnetized hollow cylinder | |
| Chervyakov | On Finite-Element Modeling of Large-Scale Magnetization Problems with Combined Magnetic Vector and Scalar Potentials | |
| Muramatsu et al. | Investigation of effectiveness of 3-D nonconforming mesh | |
| Peng et al. | A comparison of finite element and boundary element formulations for three-dimensional magnetostatic problems | |
| Forsman et al. | Hybrid and integral formulations for 3D eddy current problems | |
| Macbain | A numerical analysis of time‐dependent two‐dimensional magnetic fields | |
| Tanaka et al. | Fast simulation method for eddy current testing | |
| Morisue | A new formulation of the magnetic vector potential method for three dimensional magnetostatic field problems | |
| Hoxha et al. | Fast computation of eddy currents for multiple conductors | |
| JP2574193B2 (en) | Electromagnetic field analysis method | |
| Peterson | Fixed‐point technique in computing nonlinear eddy current problems |