電磁界解析の基礎知識と無償ツール活用で進める設計最適化

電磁界解析とは何か？

電磁界解析は、現代の製造業に欠かせない技術の一つです。

電子機器、モーター、通信機器など、電子や磁気を利用した製品の設計・開発において、電磁界の挙動を正確に予測し、製品性能や品質の向上、トラブルの未然防止を行うために利用されます。

特に近年は、IoT機器や自動車のEV化、高周波通信（5Gや6G）といった新たな分野にも応用の範囲が広がっています。

本記事では、電磁界解析の基礎知識と、無償ツールを活用した設計最適化の実践的アプローチを現場経験者の視点から解説します。

なぜ電磁界解析が製造業で重要なのか

品質不良やクレームの未然防止

製造現場では、製品の品質トラブルやクレームが生じた際、その原因が電磁ノイズや予期せぬ電流経路によるものであるケースが増えています。

例えば、制御盤やモーター内部で配線設計の不備から高周波ノイズが発生し、電子回路の誤動作を引き起こす場合などは典型的です。

これらの問題は、設計段階で電磁界のシミュレーションを行うことで、事前に検出・対策が可能になり、現場での手戻りやクレームコストを大幅に低減できます。

設計の最適化とリードタイム短縮

製造業では「まずは試作品を作ってみる」「現物を触りながら課題を洗い出す」という昭和的なアプローチが未だ根強く残っています。

一方で、電磁界解析ツールを活用することで、試作前に問題点の洗い出しや最適設計が可能となり、設計から量産までのリードタイム短縮を実現できます。

特に、現場での“勘”や“経験”とデジタルなシミュレーションを融合させることで、現場力×デジタルの相乗効果が生まれます。

電磁界解析の３つの基本タイプ

電磁界解析には主に「静電界解析」「静磁界解析」「高周波電磁界解析」の３つがあります。

静電界解析

主にコンデンサや絶縁設計、プリント基板のノイズ対策など、電荷の分布や電位分布を解析するもので、低周波域やDC（直流）現象に着目します。

静磁界解析

モーターやトランスなど、コイルや磁石に電流を流した際の磁束密度・磁界分布を評価します。

近年では、EVモーターの高効率化の設計最適化に欠かせません。

高周波電磁界解析

無線通信機器やミリ波レーダー、コネクタのインピーダンス整合など、高周波信号（MHz〜GHz帯）における電波伝搬や放射ノイズ、共振現象の評価に使います。

5GやIoT分野ではこの解析の重要性が増しています。

解析アプローチごとの現場活用事例

品質トラブル防止へのアプローチ

ある電子制御ユニットの開発現場で、実装基板から電磁波ノイズの漏洩が疑われ、出荷後にリコール騒ぎに発展したことがあります。

事後解析で電磁界解析ツールを用いたところ、基板レイアウトの一部に異常な電界集中およびノイズ放射経路を視覚化。

設計段階でのちょっとしたレイアウト変更で簡単に回避できた…という苦い経験を多くの現場が持っているはずです。

設計最適化への貢献

自動車のモーターユニット設計時、コア形状や巻線パターン、ヨーク材質選定はトライ＆エラーが常でした。

しかし、事前に静磁界解析を使うと、材料コストや性能目標（トルク、効率）まで一気通貫で検討可能になり、試作品の数を１／３に削減できた事例があります。

サプライヤー・バイヤー視点の信頼性向上

バイヤーにとって、サプライヤーがただ言葉だけで「品質には自信があります」と言うだけでなく、「この製品は、どのような電磁界解析を用いて、どのレベルで安全性評価を行ったか」を明示できることは大きな付加価値です。

サプライヤーとしても、顧客（バイヤー）に技術的裏付けを再現性高く説明できれば、競合他社との差別化と信頼性確保につながります。

昭和アナログから“脱皮”しきれない現場への処方箋

日本の製造業、とりわけ中小企業や現場現場では、「現物主義」「アナログ測定への信仰」「計測器に頼り、設計時には使わない」という慣習が色濃く残っています。

しかし、DX（デジタルトランスフォーメーション）が叫ばれる今日、こうした慣習に固執している限り、市場の変化や国際競争についていくことは困難です。

電磁界解析（CAEツール）は、現場に残る“暗黙知”をデジタルデータに変換し、設計・開発の再現性・ノウハウ移転性を高める武器とも言えます。

特に若手設計者や次世代リーダーには、ツール活用スキルを身につけることで業務の付加価値向上とキャリアアップにつながります。

無償・オープンソースの電磁界解析ツールとは？

代表的なツールの紹介

従来はANSYS、COMSOL、JMAGなど数百万円規模の商用ソフトが主流でしたが、最近では下記のような、無償・オープンソースツールも現実的な選択肢となっています。

– OpenEMS（3D電磁界解析に対応）
– FEMM（2D磁界解析専用）
– Elmer FEM（多機能、御三家CAEのオープンソース版）
– Gmsh（メッシュ生成・可視化と連携）

これらは情報コミュニティも拡大しており、導入コストゼロで現場の設計最適化や教育にも活用できる環境が整いつつあります。

現場ベースの導入ポイント

– まずは2Dから始めるのがコツ
– 既存図面データのDXF変換や、Excelなど他ツールとのデータ連携
– 出力結果の物理的妥当性（単位・値域）を現場知見で検証

これらを組み合わせることで、商用ソフトに近い“課題解決力”の獲得が期待できます。

無償ツールを活用した設計最適化の実践手順

1. 設計課題とゴールを明確にする

例えば「コイル部品の漏洩磁界を1/2以下にしたい」「基板上の高周波ノイズ伝搬を低減したい」といった“現場ベースの課題・数値目標”を設定します。

2. 図面・モデルデータ化

既存図面や実物寸法をもとに、無償ツール上で2Dまたは3Dモデルを作成します。

FEMMなら、DXF取り込み後に材料設定や現行設計の再現が容易です。

3. 境界条件・材料特性入力

「実際の測定値」「材料規格書」など現場にある情報を生かし、精度と現実性を担保します。

例えば、コア材のB-Hカーブや導体の導電率データを入力します。

4. 解析実行＆結果評価

解析実行→磁束密度分布、電場強度分布などを可視化し、ピーク値や分布異常を確認します。

この段階で現場知見（異常箇所の直感検証）を交えて結果を“批判的”に読み解くことが、単なる「ツール使い」から「課題解決型エンジニア」への大きな一歩です。

5. 最適設計案の立案

解析結果をもとに、「コア厚み増加」「絶縁クリアランス改善」等の設計提案を作成。

現場と連携し、必要最小限かつ現実的な変更に収めることで、コストや品質へのインパクトを最小化します。

バイヤー・サプライヤーそれぞれの視点で考察

バイヤー視点

– 技術提案書やRFI（情報提供依頼）で、CAE解析の有無を明記することが差別化ポイントに
– サプライヤーを選定する際、電磁界解析の活用実績や再現検証の有無も評価軸に
– 技術打ち合わせ時には、解析根拠を定量的に説明できるサプライヤーが信頼されやすい

サプライヤー視点

– 顧客（バイヤー）への提案書や納入仕様書に、解析結果を添付し“技術裏付け”を提供
– 社内の設計ナレッジ・ノウハウ蓄積や、若手エンジニア教育にツールを活用
– 他社との差別化、またクレーム発生時の論拠整理として、CAE解析のデータをストック

今後求められる電磁界解析スキルと製造現場の進化

電磁界解析の活用は、単なる設計効率化・品質トラブル未然防止だけではありません。

人的ノウハウをデジタル化し、設計現場が“バラツキのない品質作り”に向かうための、新しい武器です。

今後、設計者やバイヤー、サプライヤーにとって必須のスキルとなり、昭和的な現物主義からデジタル融合型の現場＝令和型ものづくりへの進化がますます加速していくことは間違いありません。

電磁界解析を現場の血肉にするため、まずは無償ツールを用いたスモールスタートから始め、現実とDXの架け橋を作っていくことが、これからの製造業の競争力強化につながります。