１． はじめに
新しい電気機器製品のリリースにあたって、製品の安全性確保は欠かすことができません。製品には規定内の負荷はもちろん、それを超えるような負荷に対しても、
事故を起こすことなく運用できるような安全性が求められます。安全性確保のため、規定値を超える負荷を予め想定して設計段階で余裕を持たせる、
さらに実機検証などによる事故を予測した評価（事故予測評価）を通して事故を防ぐ手段が講じられています。
その一方で現実には、リリース後の思わぬ事故により、製品を回収して再検証が必要になるという事態も少なからず発生しています。リリース前の実機試験による事故予測評価を実施しているにも関わらず、
事故が発生してしまうのは、実機試験の網羅性が十分でないことが原因として挙げられます。しかし網羅性を確保した実機試験の準備は、コストの面から困難である、
あるいは試験環境を用意できたとしても、実機試験そのものが危険を伴うことも少なくありません。
もし事故予測評価がシミュレーションを通して実現できれば、すべての事象は計算機という仮想空間の中で生じる話となるため、危険はありません。シミュレーションは、
現実には実現の困難な設定値であっても容易に試すことができることから、実機試験による評価項目を低減し、最低限に抑えることができます。シミュレーションを利用した事故予測評価は、
設計時の事前評価と同じかそれ以上に重要な評価だといえます。
２．事故予測評価に必要なシミュレーション技術とは何か
それでは、事故予測評価から見たときのシミュレーションに必要な要件とは何でしょうか。実際の事故が発生したときに問題となるのは、おもに発熱や振動/破壊などの、
熱的または構造的な現象です。しかしこれらは目に見える現象のみを取り上げており、内部で起きている物理は、もっと複雑かつ多様で、因果関係を持っています。
電気製品においては、発熱現象は主に銅損や鉄損がその原因になります。振動/破壊現象は主に電磁力が加振力の原因になります。これらの現象は、熱的または構造的な現象だけでなく、
電磁現象が関係した複合現象であることがわかります。このため、事故予測評価では複雑で多様な物理現象をモデル化して、実際の状況を再現できなければなりません。
現象の再現に必要な情報をモデルに反映できるような詳細度の高いシミュレーション技術が必要です。
また事故予測評価は、製品リリースの可否を決める重要な指標ですので、評価時に問題が発生した場合は、その要因を容易に分析して、改善策を迅速に設計に反映する必要があります。
このため、精度の高い詳細な解析結果を得られるだけでは駄目であって、その結果を容易に分析することのできる高い分析能力を持つシミュレーション技術が必要です。
このようなニーズを満たすシミュレーション技術として、私たちはFEAを強く推奨します。では、なぜFEAが事故予測評価に適したシミュレーション技術なのでしょうか。次節ではその理由について考えていきます。
３．なぜ事故予測評価にFEAが有効か
FEAは、解析に必要な物性値や各種条件を実際の状態に合わせて設定したり、設定された内容を解析に正確に反映することができます。一例として、磁化特性は非線形性を持ちますが、
FEAは、実際に測定された磁界−磁束密度の点列をそのまま入力することが出来ます。この非線形性はそのまま解析結果に反映されるため、入力した点列の精度が高いほど、
実現象により近い結果が得られることになります。さらに前節のような複合現象は、連成解析により現象を再現することができます。発熱現象であれば、磁界解析により損失分布を求めて、
熱解析により温度分布が求まります。さらにこの温度分布を磁界解析で使用する材料特性に反映させることで、相互に関連した現象をモデル化することができます。
FEAを利用した解析結果の評価と分析は、単に実機に生じる現象を再現するだけでなく、現実には測定ができないような内部状態を可視化できます。例えば磁束密度分布のコンターを見ることで、
想定した磁気回路が構成できているか、想定外の磁気飽和が起きていないかを確認することは、電磁界FEAの基本的な利用例のひとつです。前節のような相互に絡み合う複雑な複合現象も、
連成解析を通して現象を切り分けて、結果を見比べることで、相互の依存性と因果関係を確認できます。発熱現象であれば、損失の発生とそれによる温度分布の変化、
温度分布による物性の変化と損失への影響がわかります。振動/破壊現象であれば、電磁力による加振分布と応力の発生、応力分布による磁気特性の変化と電磁力への影響がわかります。
FEAは問題の発生状況を可視化を含めてさまざまな視点から具体的に把握することができることから、問題に対する改善策を迅速に打つことができます。
またこの分析を通して想定していないトラブルを予測することも可能になります。
このようにFEAは、物理現象の高い再現性からその分析に至るまで、事故予測評価が要求する要件を満たしたシミュレーション技術だといえます。
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