マルチフィジックスが起爆剤となる革新的エンジン設計 C. Hartwig博士 TRW Automotive Barsinghausen（ドイツ）による寄稿低燃費が普遍的な目標となる中で有望視されるシステムの一つに、カムシャフトに代わる機構でありバルブ一つ一つを個別に制御する電磁バルブトレイン (EMVT)があります。EMVTシステムの使用によりスロットルを必要としないエンジンでは、カムシャフトで動くエンジンと比較し18％の燃費節約が可能と考えられています。さらに、EMVTはディーゼルエンジンでのみ一般的であった低回転トルクを実現できます。その存在はよく知られているにもかかわらず、EMVT の商品化はいまだ現実のものとなっていません。ドイツ、バルジングハイゼンのTRW Automotive社では、COMSOL Multiphysicsを使用したEMTVの電磁石図1　吸気側に電磁バルブトレイン、排気側にカムシャフトを備えたエンジン（左）は、電磁バルブトレインアクチュエータ（右）を採用しています。の最適化など、革新的なソリューションアクチュエータの構成品は下から順に、パペットの開発が行われています。バルブ、スプリング、開弁電磁石、ステム付きアーマチャプレート、閉弁電磁石、アッパースプリング。2つ磁石を使ったモデル（右上）では、磁気ポテンシャルのφ成分を示しています。図2　上部電磁石のスイッチを切ってから2ミリ秒後のアーマチャプレートにおける渦電流の分布。通電された下部電磁石に引き寄せられる直前、2つのコイル内の電流が同方向であるケース（左）および逆方向であるケース（右）の2つのケースを示しています。グラフの色は電流密度を示します。 EMVTという電気機械式駆動装置過渡シミュレーションでは、渦 EMVTアクチュエータは、機械的振動子1つとバルブとアーマ電流および運動方程式、さらチャの開閉を制御する2つの電磁石で構成されています。開に両者の組み合わせが計算さ閉の遷移時間は、スピードの速いエンジンでもバルブのタイれることで、アクチュエータへミング調整および制御を可能にするため、短時間でなければの電力伝達が解析されます。なりません。これを可能にするのが軽量設計です。魅力的な銅損、渦電流損失、機械的損ソリューションの一つが吸気用電磁バルブトレイン（図1）で、失の分布を確認できると同時このトレインでは吸気バルブはすべて個別に制御可能であに、さまざまな軟磁性材料にり、排気バルブはカムシャフトが制御します。このシステムを材料パラメータがどのような影使えば、全面的なEMVTの使用で得られる利点の90％を達響を与えるのかを分析できま成するとともに最大の短所を回避できます。す。しかしながら、シリンダヘッド内の空間は限られているたもう一つ、興味深い実験をご紹め、電磁アクチュエータは力密度が高く損失が少なくて、効率介しましょう。アーマチャは片のよいものでなければなりません。COMSOL Multiphysicsを側で解放されもう一方の側に向使えば静的力-ストローク-電流の特徴を容易に計算することかって加速します。アーマチャができ、ここからジオメトリの最適化を行うことができます。が受け側の磁石に近づいた非線形材料パラメータは表や機能から利用でき、この特徴は時、渦電流はまだ減衰していまさまざまな軟磁性材料検討の際や試作数低減に非常に役立せん。受け側磁石の通電には、ちます。電流の方向を解放側磁石と同ダイナミックなシミュレーションじにする場合と逆にする場合の2つの方法があります（図 TRW Automotive社の研究技師であるChristoph Hartwig 氏は、電磁アクチュエータのモデリング、シミュレーション、設計を担当しています。Har t wig氏はドイツのハノーバー大学で電子工学を研究し、同大学で D i p l o m Ingenieur（工学修士）およびDoktor Ingenieur（工学博士）を取得しています。アクチュエータの磁石に電流を流すと交番磁界が発生すると 2）。一方のケースでは磁場がともに電圧が誘起され、損失の原因となったり機構の働きをゆっくりと発生します。アーマ妨げたりする有害な渦電流が発生することがあります。そのチャプレートが高速で接近すため、軟磁性コアは渦電流を減少させるための薄板で覆われる場合に制御技術者は、電流の向きが機械的な衝撃を減らています。しかし、薄いアーマチャプレートは、機械的剛性をすようにするでしょう。他方のケースは、シリンダ内の気体の損なう可能性があるため覆うことができません。渦電流を低力などによってアーマチャが減速した場合に用いることがで減する唯一の手段は、材料の電気抵抗を上げ電流を分散さきます。せることです。計測エンジニアリングシステム株式会社 T E L : 0 3 - 52 8 2-70 4 0 FA X 0 3 - 52 8 2- 0 8 0 8 h t t p : // w w w . k e s c o . c o . j p / [email protected]