Motor Thermal Management Analysis — Theory and Practice of Electromagnetic-Thermal Coupling

Good question. To put it simply, coupled analysis is necessary. The reason is that the electromagnetic and thermal sides influence each other bidirectionally.

To be specific, the main heat sources in a motor are three — copper loss, iron loss, and mechanical loss. These losses raise the temperature. Then what happens is...

• Copper resistivity increases → Copper loss increases further (positive feedback)
• Permanent magnet remanent flux density $B_r$ decreases → Torque drops, requiring more current to maintain the same output, leading to more heat generation
• Iron loss characteristics also change → The B-H curve of silicon steel sheets changes with temperature

In other words, the loop "electromagnetic analysis calculates losses → thermal analysis calculates temperature → update material properties at that temperature and redo electromagnetic analysis" is necessary.

Yes. Particularly troublesome are NdFeB (neodymium) magnets. Their temperature coefficient is about $-0.12\%/°\text{C}$, so a magnet with $B_r = 1.3\,\text{T}$ at room temperature drops to about $1.14\,\text{T}$ at 150°C. Moreover, the risk of irreversible demagnetization rises sharply above 150°C. Once irreversible demagnetization occurs, it doesn't recover even when cooled.

Exactly, that kind of case is the biggest design challenge. Therefore, accurately predicting "magnet temperature under worst-case conditions" using electromagnetic-thermal coupled analysis is one of the most important tasks in motor design.

The proportions vary greatly depending on motor type and operating conditions, but for a typical EV IPMSM, it's roughly like this.

The basic formula is $P_{cu} = I^2 R$, but including temperature dependence it becomes:

For example, for a motor generating 10W of copper loss at 20°C, if the winding temperature reaches 150°C:

$P_{cu}(150) = 10 \times [1 + 0.00393 \times (150 - 20)] = 10 \times 1.511 \approx 15.1\,\text{W}$

That is, copper loss increases by about 50%. This is what gets overlooked without coupled analysis.

Iron loss has long been calculated using the Steinmetz equation. The improved version, iGSE (improved Generalized Steinmetz Equation), is mainstream in practice.

Yes, they are obtained by fitting from catalog data of steel sheet manufacturers (results from Epstein tests or ring core tests). For example, for Nippon Steel's 35H300 silicon steel sheet, you would back-calculate from data like iron loss of $3.0\,\text{W/kg}$ at $1.5\,\text{T}$ and 50Hz.

The basis is the three-dimensional unsteady heat conduction equation. The loss density $q_{loss}$ obtained from electromagnetic analysis enters as the heat generation term (source term).

The key point here is that $q_{loss}$ is a function of temperature $T$. Copper loss increases with temperature rise, and iron loss characteristics also change. That's why it's written as $q_{loss}(\mathbf{x}, T)$.

Exactly. Additionally, the thermal resistance between motor components is also important. Especially the following interfaces greatly affect temperature distribution:

It varies by NdFeB magnet grade, but summarizing representative values:

Whether irreversible demagnetization occurs depends not only on temperature but also on the strength of the demagnetizing field. During high d-axis current field-weakening operation at high temperature, the operating point on the B-H curve falls below the knee point, causing irreversible demagnetization. Therefore, it's a golden rule to verify the demagnetization margin for the worst-case combination of "maximum current × highest temperature".

Exactly. Winding insulation coating has heat resistance classes defined by IEC 60085. Exceeding these drastically shortens insulation life.

形状関数 $N_i$ を用いて未知量を近似:

これを数式で表すとこうなるよ。

これを数式で表すとこうなるよ。

連続体の支配方程式を離散化すると、以下の代数方程式系が得られる:

ここで $[K]$ は全体剛性マトリクス（または同等のシステムマトリクス）、$\{u\}$ は未知節点変数ベクトル、$\{F\}$ は外力ベクトルなんだ。

• 完全積分: 全ての項を正確に積分。剛性過大評価の傾向（ロッキング）
• 低減積分: 積分点数を削減。計算効率向上だが、アワーグラスモード発生のリスク
• 選択的低減積分 (B-bar法): 体積項と偏差項を分離して積分。ロッキング回避

• h-refinement: メッシュを細分化（要素サイズ h を小さく）して精度向上
• p-refinement: 要素の多項式次数を上げて精度向上
• hp-refinement: h と p を同時に最適化

収束速度: 二次要素で $O(h^2)$ のオーダーで誤差が減少（滑らかな解の場合）

モータ熱マネジメント解析の実務的な解析フローと注意点を解説する。

1. 前処理 (Pre-processing)

• CADデータのインポートと形状簡略化
• 材料特性の定義
• メッシュ生成（要素タイプ・サイズの決定）
• 境界条件と荷重条件の設定

2. 求解 (Solving)

• ソルバー設定（解法、収束基準、出力制御）
• ジョブ投入と計算実行
• 収束モニタリング

3. 後処理 (Post-processing)

• 結果の可視化（変位、応力、その他の物理量）
• 結果の検証と妥当性確認
• レポート作成

• 応力集中部: 最低3層以上の要素を配置
• 応力勾配の大きい領域: 要素サイズを周囲の1/3〜1/5に
• 荷重印加点近傍: 局所細分化
• 遠方領域: 粗いメッシュで計算効率を確保

• 過拘束に注意: 剛体移動の拘束は6自由度のみ
• 対称条件の活用: 計算規模の削減
• 荷重の等価分配: 集中荷重 vs. 分布荷重の選択

日本のJSOL Corporationが開発。電気機器設計に特化した電磁場解析ツール。

現在の所属: JSOL Corporation

Ansoft Maxwell。低周波電磁場解析。2008年Ansysに統合。

現在の所属: Ansys Inc.

• メッシュ収束性を3水準以上で確認したか
• 力の釣り合い（反力合計）を検証したか
• 結果が物理的に妥当な範囲か確認したか
• 既知の理論解またはベンチマーク問題と比較したか

うん、いい調子だよ！ 実際に手を動かしてみることが一番の勉強だからね。分からないことがあったらいつでも聞いてくれ。

モータ熱マネジメント解析に対応する主要な商用CAEツールの機能比較と、各製品の歴史的背景を詳述する。

日本のJSOL Corporationが開発。電気機器設計に特化した電磁場解析ツール。

現在の所属: JSOL Corporation

Ansoft Maxwell。低周波電磁場解析。2008年Ansysに統合。

現在の所属: Ansys Inc.

1986年スウェーデンで設立。MATLAB連携のFEMLABとして開始、後にCOMSOLに改名。マルチフィジックスに強み。

現在の所属: COMSOL AB

Ansoft Corporationが開発した3D高周波電磁界シミュレータ。2008年にAnsysがAnsoftを買収。

現在の所属: Ansys Inc.

• 要素タイプの非互換: ソルバー固有要素は中立フォーマットで表現不可
• 材料モデルの差異: 同名でも内部実装が異なる場合がある
• 境界条件の再定義: 多くの場合、手動での再設定が必要
• 結果データの比較: 出力変数の定義（節点値 vs. 要素値、積分点値）に差異

モータ熱マネジメント解析のツール選定においては以下を考慮:

• 解析規模: 数万〜数億DOFへのスケーラビリティ
• 物理モデル: 必要な構成則・要素タイプの対応状況
• ワークフロー: CADとの連携、自動化の容易さ
• コスト: 初期投資 + 年間保守 + 教育コスト
• サポート: 技術サポートの質とレスポンス

うん、いい調子だよ！ 実際に手を動かしてみることが一番の勉強だからね。分からないことがあったらいつでも聞いてくれ。

モータ熱マネジメント解析における最新の研究動向と先進的手法を見ていこう。

• 等幾何解析 (IGA): NURBS基底関数を直接使用し、CAD-CAE間のシームレスな連携を実現
• 粒子法 (SPH, MPM): メッシュフリー手法による大変形・破壊の追跡
• 位相場法 (Phase-Field): 界面の暗示的表現による複雑な界面追跡
• 機械学習支援: サロゲートモデル、物理インフォームドニューラルネットワーク (PINN)

症状: ソルバーが指定反復回数内に収束せず異常終了

考えられる原因:

• メッシュ品質の不足（過度に歪んだ要素）
• 材料パラメータの不適切な設定
• 不適切な初期条件
• 非線形性が強すぎる（荷重ステップの不足）

対策:

• メッシュ品質チェックを実施（アスペクト比、ヤコビアン）
• 材料パラメータの単位系を確認
• 荷重を複数ステップに分割（サブステップ数の増加）
• 収束判定基準の緩和（ただし精度に注意）

症状: 応力/変位/温度等が物理的に非現実的な値

考えられる原因:

• 境界条件の誤設定
• 単位系の混在（SI単位と工学単位の混同）
• 不適切な要素タイプの選択
• 応力特異点の存在

対策:

• 反力の合計を確認（力の釣り合い）
• 単位系の一貫性を確認
• 要素タイプの適切性を再検討
• 特異点除去またはサブモデリング

症状: 計算が想定時間の何倍もかかる

対策:

• メッシュの粗密分布の最適化
• 対称性の活用（1/2, 1/4モデル）
• ソルバー設定の最適化（反復法、前処理の選択）
• 並列計算の活用

症状: Out of Memory エラー

対策:

• アウトオブコア解法の使用
• メッシュ規模の削減
• 64bit版ソルバーの使用確認
• メモリ割り当ての増加

• FATAL 2012: 特異剛性マトリクス → 拘束条件の見直し
• USER WARNING 5291: 要素品質不良 → メッシュ修正
• SYSTEM FATAL 3008: メモリ不足 → MEM設定の調整

• Excessive distortion: 要素の過大変形 → NLGEOM確認、メッシュ改善
• Zero pivot: 拘束不足 → 境界条件追加
• Time increment too small: 収束失敗 → ステップ設定見直し