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公開番号2024175634
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-18
出願番号2023148911
出願日2023-09-14
発明の名称誘導加熱用コイルの設計方法および設計装置
出願人株式会社ジェイテクト
代理人弁理士法人明成国際特許事務所
主分類G06F 30/23 20200101AFI20241211BHJP(計算;計数)
要約【課題】誘導加熱用コイルの設計において、熱処理の解析に伴う演算負荷の低減と、解析精度の向上と、を両立できる設計方法を提供する。
【解決手段】誘導加熱用コイルは、被加熱物の周りに配され、被加熱物が回転されて、被加熱物を加熱し、かつ、1以上の円弧状コイル部分を備える。設計方法は、(a)誘導加熱用コイルを表し、中心軸に対して対称な1以上の組の断面によって表される2次元モデルを作成する工程と、(b)1以上の円弧状コイル部分に対応し、1以上の環状コイル部分にそれぞれ通電する電流の制御条件を設定する工程であって、制御条件は、電流を、周期的に変化させることを含む、工程と、(c)被加熱物の表面温度のシミュレーションを行って、2次元モデルと制御条件との組み合わせの評価を行う工程と、(d)工程(a)～(c)を繰り返すことにより、最適化の処理を行い、誘導加熱用コイルの形状を決定する工程と、を含む。
【選択図】図8
特許請求の範囲【請求項１】
誘導加熱用コイルの設計方法であって、
前記誘導加熱用コイルは、被加熱物の周りに配されるかまたは前記被加熱物が有する空隙内に配され、前記誘導加熱用コイルに通電されつつ前記誘導加熱用コイルと前記被加熱物の少なくとも一方が回転されて、前記被加熱物を加熱する、誘導加熱に使用され、
前記誘導加熱用コイルは、前記誘導加熱用コイルの中心軸の方向について互いに異なる位置に配されており、互いに接続されている１以上の円弧状コイル部分を備え、
前記設計方法は、
（ａ）前記誘導加熱の解析に用いられ前記誘導加熱用コイルを表す２次元モデルであって、前記中心軸を含む面内に存在する前記中心軸に対して対称な１以上の組の断面によって表される前記２次元モデルを作成する工程と、
（ｂ）前記１以上の円弧状コイル部分に対応し、前記２次元モデルの誘導加熱用コイルの中心軸に対して対称な１以上の組の断面が表す１以上の環状コイル部分にそれぞれ通電する電流の制御条件を設定する工程であって、前記制御条件は、前記電流を、周期的に変化させることを含む、工程と、
（ｃ）前記２次元モデルおよび前記制御条件に基づいて、前記被加熱物の表面温度のシミュレーションを行って、得られた前記表面温度に基づいて、前記２次元モデルと前記制御条件との組み合わせの評価を行う工程と、
（ｄ）前記工程（ａ）～（ｃ）を繰り返すことにより、前記２次元モデルと前記制御条件の組み合わせの前記評価にもとづいて、最適化の処理を行い、前記誘導加熱用コイルの形状を決定する工程と、を含む、誘導加熱用コイルの設計方法。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
請求項１に記載の設計方法であって、
前記誘導加熱用コイルの前記１以上の円弧状コイル部分は、中心角が３６０度未満の円弧状の形状を有する円弧状コイル部分を含み、
前記制御条件は、前記電流を、周期的に０にすることを含む、誘導加熱用コイルの設計方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の設計方法であって、
前記誘導加熱用コイルは、前記被加熱物が有する前記空隙内に配され、前記誘導加熱用コイルに通電されつつ前記被加熱物が回転されて、前記被加熱物を加熱する、前記誘導加熱に使用され、
前記被加熱物は、前記中心軸と平行な前記被加熱物の中心軸であって、前記中心軸と一致しない前記被加熱物の中心軸を有する形状を備える、誘導加熱用コイルの設計方法。
【請求項４】
請求項３に記載の設計方法であって、
前記最適化の処理は、前記表面温度を目的関数とし、前記制御条件としての前記電流を規定する第１種パラメータと、前記対称な１以上の組の断面についての、形状と位置を表す第２種パラメータと、を制御変数とする、誘導加熱用コイルの設計方法。
【請求項５】
誘導加熱用コイルの設計装置であって、
前記誘導加熱用コイルは、被加熱物の周りに配されるかまたは前記被加熱物が有する空隙内に配され、前記誘導加熱用コイルに通電されつつ前記誘導加熱用コイルと前記被加熱物の少なくとも一方が回転されて、前記被加熱物を加熱する、誘導加熱に使用され、
前記誘導加熱用コイルは、前記誘導加熱用コイルの中心軸の方向について互いに異なる位置に配されており、互いに接続されている１以上の円弧状コイル部分を備え、
前記設計装置は、前記設計装置の外部から情報を受け取る入力部と、前記設計装置の外部に情報を出力する出力部と、前記設計装置を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記入力部が受け取った情報に基づいて、
前記誘導加熱の解析に用いられ前記誘導加熱用コイルを表す２次元モデルであって、前記中心軸を含む面内に存在する前記中心軸に対して対称な１以上の組の断面によって表される前記２次元モデルを作成し、
前記１以上の円弧状コイル部分に対応し、前記２次元モデルの誘導加熱用コイルの前記中心軸に対して対称な１以上の組の断面が表す１以上の環状コイル部分にそれぞれ通電する電流の制御条件であって、前記電流を、周期的に変化させることを含む前記制御条件を設定し、
前記２次元モデルおよび前記制御条件に基づいて、前記被加熱物の表面温度のシミュレーションを行って、得られた前記表面温度に基づいて、前記２次元モデルと前記制御条件の組み合わせの評価を行い、
前記２次元モデルの作成と、前記制御条件の設定と、前記２次元モデルと前記制御条件の組み合わせの前記評価と、を繰り返すことにより、前記評価にもとづいて、最適化の処理を行って、前記誘導加熱用コイルの形状を決定し、前記出力部により出力する、誘導加熱用コイルの設計装置。
【請求項６】
請求項１に記載の設計方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記制御条件が設定された後に、さらに、
（ｂ１）前記１以上の円弧状コイル部分における前記誘導加熱用コイルを構成している素材の物性を規定する第３種パラメータを、前記電流の周期的な変化に応じて周期的に変化させる、物性の制御条件を設定する工程を含み、
前記工程（ｃ）において、
前記被加熱物の表面温度のシミュレーションは、前記２次元モデルおよび前記制御条件に加えて、さらに、前記物性の制御条件に基づいて行われ、
前記２次元モデルと前記制御条件との組み合わせの前記評価は、さらに、前記物性の制御条件を含む、誘導加熱用コイルの設計方法。
【請求項７】
請求項１または６に記載の設計方法であって、
前記１以上の円弧状コイル部分は、銅と珪素鋼板により構成されている、誘導加熱用コイルの設計方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、誘導加熱用コイルの設計方法および設計装置に関する。
続きを表示（約 5,700 文字）【背景技術】
【０００２】
誘導加熱用コイルについて、例えば、特許文献１に記載されているように、誘導加熱用コイルの内周面に突起が形成された誘導加熱用コイルの形状が開示されている。削り出しによる機械加工では、内周面に突起を形成することは、困難である。このため、特許文献１の技術においては、３Ｄプリンタを用いて誘導加熱用コイルが製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１５－２２００６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
被加熱物を効率良く加熱するためには、誘導加熱用コイルを被加熱物の形状に沿って形成することが望ましい。このため、複雑な３次元形状を有する被加熱物に最適な誘導加熱用コイルの形状は、複雑な形状になる場合がある。誘導加熱用コイルや被加熱物の３次元形状が複雑になることで、例えば、有限要素法による熱処理の解析を行う場合、３次元モデルの解析に要する演算時間が増大する。よって、誘導加熱用コイルの最適な設計は、膨大な時間を要する。
【０００５】
３次元モデルを２次元モデルにすることで、演算時間は軽減される。しかし、２次元モデルは、３次元モデルの一部の情報しか含まないため、３次元モデルよりも、実際の熱処理の結果と解析の結果との差異が大きくなる。複雑な３次元形状を有する被加熱物の場合、その傾向がより顕著となるため、誘導加熱用コイルの最適な設計に支障が生じていた。
【０００６】
したがって、誘導加熱による熱処理の解析に伴う演算負荷の低減と、解析精度の向上と、を両立できる誘導加熱用コイルの設計方法が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
（１）本開示の第１の形態によれば、誘導加熱用コイルの設計方法が提供される。誘導加熱用コイルの設計方法において、前記誘導加熱用コイルは、被加熱物の周りに配されるかまたは前記被加熱物が有する空隙内に配され、前記誘導加熱用コイルに通電されつつ前記誘導加熱用コイルと前記被加熱物の少なくとも一方が回転されて、前記被加熱物を加熱する、誘導加熱に使用される。前記誘導加熱用コイルは、前記誘導加熱用コイルの中心軸の方向について互いに異なる位置に配されており、互いに接続されている１以上の円弧状コイル部分を備える。前記設計方法は、（ａ）前記誘導加熱の解析に用いられ前記誘導加熱用コイルを表す２次元モデルであって、前記中心軸を含む面内に存在する前記中心軸に対して対称な１以上の組の断面によって表される前記２次元モデルを作成する工程と、（ｂ）前記１以上の円弧状コイル部分に対応し、前記２次元モデルの誘導加熱用コイルの中心軸に対して対称な１以上の組の断面が表す１以上の環状コイル部分にそれぞれ通電する電流の制御条件を設定する工程であって、前記制御条件は、前記電流を、周期的に変化させることを含む、工程と、（ｃ）前記２次元モデルおよび前記制御条件に基づいて、前記被加熱物の表面温度のシミュレーションを行って、得られた前記表面温度に基づいて、前記２次元モデルと前記制御条件との組み合わせの評価を行う工程と、（ｄ）前記工程（ａ）～（ｃ）を繰り返すことにより、前記２次元モデルと前記制御条件の組み合わせの前記評価にもとづいて、最適化の処理を行い、前記誘導加熱用コイルの形状を決定する工程と、を含む。
円弧状コイル部分は、誘導加熱用コイルが中心軸の方向について互いに異なる位置に配された状態である。しかし、誘導加熱の解析において、誘導加熱用コイルを中心軸に対して対称な断面を２次元モデルは、コイル部分を部分的な円弧状コイル部分ではなく環状のコイルとして取り扱うものである。本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、円弧状コイル部分に対応させた電流の制御条件を適切に設定することにより、２次元モデルにより３次元形状の円弧状コイル部分を模擬できる。したがって、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、電流の制御条件を設定しない２次元モデルの解析よりも、高精度の解析ができる。さらに、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、２次元モデルにより解析ができるため、３次元モデルよりも、演算時間の負荷を低減できる。
（２）上記形態において、前記誘導加熱用コイルの前記１以上の円弧状コイル部分は、中心角が３６０度未満の円弧状の形状を有する円弧状コイル部分を含み、前記制御条件は、前記電流を、周期的に０にすることを含む形態でもよい。このような形態によれば、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、円弧状コイル部分に対応させた制御条件を、その中心角から容易に設定できる。例えば、制御条件は、誘導加熱用コイルと被加熱物の回転による角速度と、中心角と、に基づいて、電流を周期的に０にする制御条件を設定できる。
（３）上記形態において、前記誘導加熱用コイルは、前記被加熱物が有する前記空隙内に配され、前記誘導加熱用コイルに通電されつつ前記被加熱物が回転されて、前記被加熱物を加熱する、前記誘導加熱に使用され、前記被加熱物は、前記中心軸と平行な前記被加熱物の中心軸であって、前記中心軸と一致しない前記被加熱物の中心軸を有する形状を備えていてもよい。このような形態によれば、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、被加熱物と誘導加熱用コイルのそれぞれの中心軸が異なる関係であっても、２次元モデルにより解析できる。例えば、局所的に被加熱物と誘導加熱用コイルの距離を短くさせた誘導加熱用コイルであっても、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、２次元モデルにより解析できる。
（４）上記形態において、前記最適化の処理は、前記表面温度を目的関数とし、前記制御条件としての前記電流を規定する第１種パラメータと、前記対称な１以上の組の断面についての、形状と位置を表す第２種パラメータと、を制御変数としてもよい。このような形態によれば、目的の表面温度に応じて、制御条件と誘導加熱用コイルの形状を最適化できる。
（５）本開示の第２の形態によれば、誘導加熱用コイルの設計装置が提供される。前記設計装置において、前記誘導加熱用コイルは、被加熱物の周りに配されるかまたは前記被加熱物が有する空隙内に配され、前記誘導加熱用コイルに通電されつつ前記誘導加熱用コイルと前記被加熱物の少なくとも一方が回転されて、前記被加熱物を加熱する、誘導加熱に使用される。前記誘導加熱用コイルは、前記誘導加熱用コイルの中心軸の方向について互いに異なる位置に配されており、互いに接続されている１以上の円弧状コイル部分を備える。前記設計装置は、前記設計装置の外部から情報を受け取る入力部と、前記設計装置の外部に情報を出力する出力部と、前記設計装置を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記入力部が受け取った情報に基づいて、前記誘導加熱の解析に用いられ前記誘導加熱用コイルを表す２次元モデルであって、前記中心軸を含む面内に存在する前記中心軸に対して対称な１以上の組の断面によって表される前記２次元モデルを作成し、前記１以上の円弧状コイル部分に対応し、前記２次元モデルの誘導加熱用コイルの前記中心軸に対して対称な１以上の組の断面が表す１以上の環状コイル部分にそれぞれ通電する電流の制御条件であって、前記電流を、周期的に変化させることを含む前記制御条件を設定し、前記２次元モデルおよび前記制御条件に基づいて、前記被加熱物の表面温度のシミュレーションを行って、得られた前記表面温度に基づいて、前記２次元モデルと前記制御条件の組み合わせの評価を行い、前記２次元モデルの作成と、前記制御条件の設定と、前記２次元モデルと前記制御条件の組み合わせの前記評価と、を繰り返すことにより、前記評価にもとづいて、最適化の処理を行って、前記誘導加熱用コイルの形状を決定し、前記出力部により出力する。
円弧状コイル部分は、誘導加熱用コイルが中心軸の方向について互いに異なる位置に配された状態である。しかし、誘導加熱の解析において、誘導加熱用コイルを中心軸に対して対称な断面を２次元モデルは、コイル部分を部分的な円弧状コイル部分ではなく環状のコイルとして取り扱うものである。本開示の誘導加熱用コイルの設計装置は、円弧状コイル部分に対応させた電流の制御条件を適切に設定することにより、２次元モデルにより３次元形状の円弧状コイル部分を模擬できる。したがって、本開示の誘導加熱用コイルの設計装置は、電流の制御条件を設定しない２次元モデルの解析よりも、高精度の解析ができる。さらに、本開示の誘導加熱用コイルの設計装置は、２次元モデルにより解析ができるため、３次元モデルよりも、演算時間の負荷を低減できる。
（６）上記形態の誘導加熱用コイルの設計方法において、前記工程（ｂ）は、前記制御条件が設定された後に、さらに、（ｂ１）前記１以上の円弧状コイル部分における前記誘導加熱用コイルを構成している素材の物性を規定する第３種パラメータを、前記電流の周期的な変化に応じて周期的に変化させる、物性の制御条件を設定する工程を含み、前記工程（ｃ）において、前記被加熱物の表面温度のシミュレーションは、前記２次元モデルおよび前記制御条件に加えて、さらに、前記物性の制御条件に基づいて行われ、前記２次元モデルと前記制御条件との組み合わせの前記評価は、さらに、前記物性の制御条件を含む形態でもよい。このような形態とすることで、２次元モデルに、現実の円弧状コイル部分における誘導加熱用コイルの物性の制御条件が設定される。さらに、２次元モデルに設定される物性の条件は、電流の周期的な変化に応じて設定される。よって、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、円弧状コイル部分に対応させた物性の制御条件を適切に設定することにより、２次元モデルにより３次元形状の円弧状コイル部分を、電流の制御条件のみを設定する場合に比べて、より正確に模擬できる。すなわち、本開示の誘導加熱用コイルの設計方法は、解析の精度を向上できる。
（７）上記形態において、前記１以上の円弧状コイル部分は、銅と珪素鋼板により構成されていてもよい。このような形態とすることで、円弧状コイル部分は、珪素鋼板に磁束が集中することにより、銅のみで構成されている場合に比べて、より高い磁束密度を発生できる。すなわち、誘導加熱用コイルは、被加熱物の表面温度をより高く加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１実施形態に係わる３次元の誘導加熱用コイルの斜視図である。
第１実施形態に係わる３次元の被加熱物の斜視図である。
３次元の誘導加熱用コイルと３次元の被加熱物との関係を示す説明図である。
図３の第１部分を示す説明図である。
図３のＶ－Ｖ断面を示す断面図である。
図５の第２部分と第３部分の近傍を示す説明図である。
第１実施形態の設計装置の機能的構成を示すブロック図である。
第１実施形態の２次元モデルを示す説明図である。
３次元の誘導加熱用コイルの設計方法の工程を示すフローチャートである。
円弧状コイル部分の範囲を示す説明図である。
２次元モデルの誘導加熱用コイルに通電する電流の波形である。
表面温度のシミュレーション結果を示す説明図である。
第２実施形態を示す説明図である。
図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ断面を示す断面図である。
第２実施形態の２次元モデルを示す説明図である。
第２実施形態の被加熱物と誘導加熱用コイルとの関係を示す説明図である。
第２実施形態の誘導加熱用コイルに通電する電流の波形である。
第３実施形態の誘導加熱用コイルを示す説明図である。
第３実施形態の円弧状コイル部分の範囲を示す説明図である。
第３実施形態の誘導加熱用コイルに通電する電流の波形である。
第３実施形態の磁束線を示す説明図である。
第３実施形態の比較例を示す説明図である。
第３実施形態の設計方法の工程を示すフローチャートである。
第３実施形態の物性の制御条件を示す説明図である。
表面温度のシミュレーションの結果を示す説明図である。
第４実施形態の構成を示す説明図である。
第４実施形態の物性の制御条件を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．誘導加熱用コイルと被加熱物：
図１は、第１実施形態に係わる３次元の誘導加熱用コイルＡ１１０の斜視図である。図２は、第１実施形態に係わる３次元の被加熱物Ａ１２０の斜視図である。誘導加熱用コイルＡ１１０は、被加熱物Ａ１２０に、誘導加熱による焼き入れや焼き戻しなどの熱処理を行うために用いられる。被加熱物Ａ１２０は、例えば、自動車の車軸を支えるハブの内軸や外輪などの金属部品である。本開示の設計装置３および設計方法は、誘導加熱用コイルＡ１１０の設計に用いられる。以下の説明において、まず、誘導加熱用コイルＡ１１０と被加熱物Ａ１２０について説明する。なお、後述する解析モデルとしての２次元モデル１１としての誘導加熱用コイル１１０と被加熱物１２０と区別するため、実物の誘導加熱用コイルＡ１１０と被加熱物Ａ１２０をそれぞれ、３次元の誘導加熱用コイルＡ１１０と、３次元の被加熱物Ａ１２０ともよぶ。
（【００１１】以降は省略されています）

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