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COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY
スピードメータの非線形 3 次元電磁界シミュレーション
自動車部品のサプライヤーは設計プロセスにいち早く数値解析を取り入れ、開発サイクルの短縮と生産コス
トの削減を実現した業種のひとつです。CST EM STUDIO (CST EMS)のような静電磁界シミュレーションツー
ルも製品開発に役立てられています。
本資料では、CST EMS を使用したステッパモータのシミュレーション事例をご紹介します。
図 1：ステッパモータの CAD インポートモデル
開発プロセスにおけるシミュレーションの活用を考える上で、CAD データのインポートは外せません。CST
STUDIO SUITE の CAD データインポート機能は自動修復機能を備えています。これを利用して形状データ
を修正すると共にデータのパラメータ化が可能です。
本事例のステッパモータモデルは、Pro/Engineer®からインポートしたデータをそのまま何も手を加えずにシミ
ュレーションに使用します。今回のシミュレーションは主に、ローター位置をさまざまに変えたときのトル
クと角度の相関関係、および鉄材質部分の非線形透磁率の分布の確認のために行いました。
また、コイルの正弦波電流によって誘導される渦電流がシステムに及ぼす影響についても確認します。
図 2：磁束密度プロット
非線形静磁界シミュレーションから得られた磁束密度のプロットを図 3 に示します。プロットにより、鎖交
磁束の位置が分かります。また、磁気回路の 2 つめのブラケットに若干の磁束が通っていることが確認でき
ます。
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図 3: 比透磁率の分布
比透磁率分布を図 3 に示します。図では飽和に達した領域を確認することができます。
図 4: ローター角度によるトルクの変化
図 4 に示すトルクと角度の相関は、パラメータスイープによって容易に得られます。インポートした CAD モ
デルのローター角度は、CST EMS ではマウスクリック 2 回でパラメータ化できます。磁力によりウォームギ
アの減速率は 1:50、ポインタ位置のトルクは約 4 mNm です。
図 5: ローター位置によるコイルインダクタンスの変化
同じ計算から、コイルのインダクタンスも得られます。コイルのインダクタンスは、制御系の電子機器を設
計するうえで非常に重要な情報です。
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図 6: 固定子プレート上の渦電流分布
本事例のシステムは kHz 帯のパルス幅変調器で制御します。従って周波数領域シミュレーションも行い、固
定子のプレート上に誘導される渦電流を調べました。さらにエアギャップの磁束密度を観察することによっ
て、渦電流がトルクに及ぼす影響は、無視できるほど軽微であることが分かりました。
まとめ：
複雑な CAD モデルを使用した 3D 電磁界シミュレーションにより、ステッパモータの特性に関する情報が得
られることを示しました。ローター位置を変えるパラメータスイープを行い、トルクとインダクタンスを算
出しました。周波数領域の静磁界シミュレーションでは渦電流の情報が得られます。これらのタスクはすべ
て CST EM STUDIO の GUI（グラフィカルユーザーインターフェイス）のなかで実行可能です。CAD インポ
ート、パラメータ化、ソース定義、ポストプロセスのいずれについても設定と操作は容易です。
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