概要

EMSolutionでは、要素内にソース電流を分布させる機能として、従来"ELMCUR（内部電流ソース）"、"SDEFCOIL（表面定義電流ソース）"および"SUFCUR（面流入電流ソース）"を提供してきました。 ELMCURは、基本的には各要素の要素面を通過する電流量を指定するもので、要素配列が規則的でないと設定するデータの量が膨大となります。SDEFCOILは四角断面のコイルのみに使用でき、また、コイルを取り囲む4面を面要素で定義しなければならず、入力が容易でありません。 また、SUFCURは静解析では使用できず、電流分布が固定されません。
上のような欠点を補うものとしてPHICOILがあります。PHICOILは、導体内に電気スカラポテンシャルを配置し、その勾配から電流密度を定義します。

解説

電気スカラポテンシャルに対して、一定の導電率を持つ導体内の定常電流場を解きます。コイル定義には、コイル導体の物性番号と、電流流入面の面要素物性番号を入力します。SDEFCOILやSUFCURと同様に面の定義が必要ですが、SDEFCOILよりも入力が容易になります。 SUFCURの直流版と言えますが、電流分布は変化しないものとします。ただし、電流方向に曲率を持ったコイルですと、コイルの内半径側に電流密度が偏りますので注意が必要です。 PHICOILは従来のELMCUR, SDEFCOILやSUFCURと同様に、回路に組み込むことができます。

Fig.1に適用例を示します。この例ではx=0およびy=0面はBn=0の鏡面対称となっています。この対称面上に電流流入面を定義します。面を定義していない対称面に電流が流出します。Fig.1には電流密度分布を表示していますが、コイル内で電流分布が偏り、 1.5倍程度の差が生じています。この様な四角断面でSDEFCOILの定義が容易な場合は、SDEFCOILの使用を推奨します。面要素の向きは自由です。面は必ず解析領域の境界に定義してください。 PHICOILで電流の偏りを少なくするには、Fig.2のように、コイル断面を別物性の部分に分け、それぞれをPHICOILで定義することが考えられます。 ここでは流入面もそれぞれ別物性で定義しましたが、同じ物性で定義しても問題ありません。

Fig.1 PHICOILの適用例

Fig.2 多層に分割して定義したPHICOIL

周期境界条件の場合も同様に定義できます。周期の一方の端面に流入面を定義します。この端面の周期境界面（一周期移動した面）に連なるコイル要素は同じ物性番号を持つ必要があります。 例えば、Fig.3のように2本のヘリカルコイルが対向して配置され、半周期の周期性を考えて解析する場合を考えます。この時、周期対称条件(CYCLIC=0）を用いますと、Fig.4のように2本のコイルに同方向の電流が流れます。 また、周期反対称性(CYCLIC=1）を用いますと、Fig.5の様に、逆方向の電流となります。コイル端面のメッシュが対称面で一致することが重要です。また、この場合、電流流入面の定義が一面であることにも注意してください。

Fig.3 二本のヘリカルコイルを
周期対称条件を用いて解析する場合

Fig.4 周期対称条件の場合の電流分布

Fig.5 周期反対称条件の場合の電流分布