電気製品の安全試験へのシミュレーション技術の活用、企業による設計リスクの早期発見と検証プロセスの最適化を支援

電気製品が次第にスマート化、小型化、高出力化および多機能統合へと発展するにつれ、製品設計と安全試験もより複雑になっています。従来の安全試験では通常、実物サンプルによる検証が行われます。製品の実際の性能を直接確認できる一方、試験段階になって初めて過熱、構造強度の不足、EMC干渉または電池の安全性に関する問題が発見された場合、再設計、サンプルの再製作、試験実施の延期および市場投入スケジュールの遅延につながることが少なくありません。

シミュレーション技術を活用すれば、製品開発の初期段階でデジタルモデルを構築し、熱、電磁、構造、気流、電池および使用状況について予測分析を行うことができ、研究開発チームがサンプル完成前に潜在的なリスクを把握するのに役立ちます。メーカーやブランド事業者にとって、シミュレーション技術は単なる研究開発ツールではなく、製品検証前における重要なリスク管理手法にもなります。

シミュレーション技術により設計上の欠陥を早期に発見できる

従来の製品試験では通常、サンプルの製作が完了するまで、安全規格、EMC、信頼性または性能に関する試験を実施できません。試験中に放熱不足、回路配置の不備、筐体強度の不足または部品配置の不合理が発見された場合、設計チームは構造、回路または部品配置を修正する必要が生じ、開発コストの増加につながる可能性があります。

シミュレーション技術を通じて、企業は設計段階で、さまざまな使用条件における製品の性能を事前に分析できます。例えば、電気ヒーターを長時間運転した後の温度分布、空気清浄機内部の気流経路、電源装置が最大負荷状態にあるときのホットスポットの位置、またはスマート家電の設置環境ごとの放熱性能などをシミュレーションできます。

このような分析は、設計者が通気孔、ヒートシンク、ファンの位置、部品間隔、筐体材料および内部構造を事前に調整し、その後の実物試験における不合格リスクを低減するのに役立ちます。

マルチフィジックス解析は複雑な製品リスクへの対応に役立つ

現代の電気製品には、複数の物理現象が同時に関係することが少なくありません。例えば、電流が流れることで熱が発生し、熱の蓄積が材料強度に影響を及ぼすほか、機械的振動がはんだ接合部やコネクターに影響し、電磁干渉が制御基板や無線モジュールの動作に影響を与える可能性もあります。

そのため、単一の試験項目だけでは、製品を実際に使用する際の複合的なリスクを完全に把握できない場合があります。マルチフィジックスシミュレーションでは、熱伝達、気流、電磁場、構造応力および材料特性を統合して解析できるため、企業は実際の使用状況により近い条件で設計上の判断を行うことができます。

例えば、エアコン、除湿機、電源製品、充電設備、スマート家電およびリチウム電池を搭載した製品では、熱管理、電気安全、EMC、機械的強度および長時間運転時の信頼性を同時に考慮する必要が生じる可能性があります。シミュレーション技術を活用することで、設計初期に製品リスクをより包括的に評価できます。

熱管理シミュレーション：過熱および火災リスクを低減

過熱は、電気製品の安全試験における重要なリスクの一つです。高出力機器、加熱製品、電源装置、充電器、モーター機器、照明製品および電池搭載製品は、放熱設計が不十分な場合、部品の劣化、筐体温度の過度な上昇、絶縁性能の低下を引き起こし、さらには安全事故につながる可能性があります。

熱管理シミュレーションでは、製品内部および外部の温度分布、熱源の位置、空気の流れ、放熱効率および熱が蓄積する可能性のある位置を分析できます。CFD数値流体力学または熱伝達解析を通じて、企業は製品設計段階で、ヒートシンク、ファン、通気孔、筐体材料および部品配置が合理的であるかを確認できます。

これは、電気ヒーター、オーブン、空気清浄機、電源装置、LED照明器具、ロボット掃除機、充電式家電およびスマート家電などの製品にとって、実務上の参考になります。

EMCシミュレーション：電磁干渉リスクを早期に把握

スマート家電、IoT製品、無線モジュールおよび高速回路の普及に伴い、EMC電磁両立性の問題がますます重視されています。製品の設計段階で回路レイアウト、接地、シールド、フィルタリングおよび配線を適切に考慮していない場合、その後のEMI放射、伝導妨害またはイミュニティ試験で問題が生じる可能性があります。

EMCシミュレーションは、技術者が電磁場分布、信号結合、ノイズ経路、アンテナ効果および干渉が発生する可能性のある位置を予測するのに役立ちます。シミュレーション結果に基づき、企業はPCBレイアウト、接地設計、シールド構造、フィルター部品および配線経路を事前に調整し、正式試験における不合格の可能性を低減できます。

電源製品、情報機器、映像・音響製品、スマート家電、無線制御機器、充電器および通信機能を備えた製品にとって、EMCシミュレーションは製品開発初期における重要な補助ツールとなります。

構造シミュレーション：製品の耐久性と機械的安全性を向上

電気製品は、輸送、設置および使用の過程で、落下、振動、衝突、圧力、スイッチの反復操作または長時間にわたる機械的負荷を受ける可能性があります。筐体、ブラケット、ドアカバー、ヒンジ、内槽、ハンドルまたは固定構造の設計が不十分な場合、製品の破損、部品の脱落または使用上の安全リスクにつながる可能性があります。

有限要素解析（FEA）は、荷重、振動、ねじれまたは衝撃を受けた際の製品の応力分布および変形状態を評価するために使用できます。構造シミュレーションを通じて、企業は弱い部分を事前に改善し、補強構造を追加し、材料の厚さを調整し、または固定方法を再設計できます。

例えば、洗濯機の運転時における振動、冷蔵庫のドアヒンジの長期的な開閉、空気清浄機の筐体落下、ハンドヘルド製品の把持および落下リスクについても、構造シミュレーションを設計最適化の参考として活用できます。

電池安全シミュレーション：熱暴走および充放電リスクを把握

ロボット掃除機、コードレス掃除機、モバイルバッテリー、充電式家電、スマートロック、ウェアラブル機器および小型スマート機器など、リチウム電池を搭載した製品はますます普及しています。リチウム電池が充放電、短絡、過熱、圧迫または異常操作によって故障した場合、膨張、液漏れ、過熱、さらには熱暴走のリスクを引き起こす可能性があります。

電池安全シミュレーションでは、さまざまな充放電条件、周囲温度、放熱条件およびパッケージ設計における電池の熱変化を分析でき、企業がバッテリーパック、保護回路、放熱構造およびBMS電池管理システムの設計が十分であるかを評価するのに役立ちます。

リチウム電池を搭載した電気製品において、シミュレーション技術は設計初期の判断に役立ちますが、製品リスクを包括的に評価するためには、実際の電池安全試験、異常動作試験および関連法規に基づく検証も併せて実施する必要があります。

シミュレーション技術により開発コストを削減し、市場投入までの期間を短縮できる

シミュレーション技術の価値の一つは、実物サンプルの製作前に、一部の設計リスクを事前に排除できることです。早期に問題を発見できれば、その後のサンプル再製作、試験の繰り返しおよび設計の手戻りを減らすことができます。

製品開発スケジュールが厳しい製品、試験費用が高額な製品、または法規上の要求事項が多い製品について、シミュレーション技術は、企業が研究開発、試作および試験のプロセスをより効率的に計画するのに役立ちます。特に、電源、電池、加熱、モーター、無線通信および高出力製品では、シミュレーション解析を事前に実施することが、初回試験の合格率向上につながります。

シミュレーションは実物試験および正式な検証に代わるものではない

シミュレーション技術は設計上の重要な参考情報を提供できますが、実物試験および法規に基づく検証を完全に代替することはできません。シミュレーション結果の精度は、モデル構築、材料パラメーター、境界条件、環境上の仮定および計算方法が適切であるかによって左右されます。モデルを過度に単純化すると、製品の実際の性能を反映できない可能性があります。一方、モデルが過度に複雑である場合も、計算コストと結果の判読難度が増加する可能性があります。

したがって、シミュレーション技術は、製品安全試験に先立つ補助ツールとして位置付けるべきです。企業は引き続き、製品に適用される規格に従い、SAFETY安全規格試験、EMC電磁両立性試験、信頼性試験、環境試験、電池安全試験、またはBSMI、CE、ULなどの関連認証手続を実施し、製品の市場投入における法令適合性を確保する必要があります。

AIとデジタルシミュレーションが試験効率を向上

今後、シミュレーション技術は、AI、機械学習、ビッグデータおよびデジタルツイン技術と組み合わせて使用される機会がさらに増えると考えられます。AIは、シミュレーションパラメーターの自動調整、異なる設計案の迅速な比較、および過去の試験データから生じ得る故障モードを見つけ出す作業を支援できます。

デジタルツインを活用すれば、企業は製品のデジタルモデルを構築し、実際の試験データ、量産データおよび使用記録と相互に比較することで、継続的に更新される製品安全および信頼性の管理ツールを形成できます。複雑な電気製品にとって、このような技術は開発期間の短縮とリスク予測能力の向上に役立ちます。

製品開発・検証に関する提案

亜信検測は、メーカー、ブランド事業者および研究開発チームが電気製品を開発する際、シミュレーション技術を製品設計および試験計画に組み込むことができると提言しています。ただし、シミュレーション解析、技術的判断および正式な検証それぞれの役割を明確に区別すべきです。

• 開発初期に高リスク項目を特定する：製品が高温、高出力、電池、モーター、無線通信、密閉空間における放熱または長時間運転に関係するかを確認します。
• 主要なリスクに応じてシミュレーションの種類を選択する：過熱問題については熱管理またはCFDシミュレーション、EMCリスクについては電磁シミュレーション、構造問題についてはFEA解析を実施できます。
• 合理的なモデルおよび条件を設定する：シミュレーションパラメーターは、実際の材料、部品配置、使用環境、負荷条件および製品の設置方法に可能な限り近づけるべきです。
• シミュレーション結果を設計に反映する：解析結果に基づき、放熱、配線、シールド、筐体、構造補強、電池配置または保護機構を調整します。
• シミュレーションおよび設計の記録を保存する：シミュレーション報告書、パラメーター、設計バージョンおよび改善記録は、その後の研究開発上の意思決定および試験計画の参考として使用できます。
• 実物試験と組み合わせて検証する：シミュレーション結果については、実際のサンプル試験による確認も行い、製品に関する法規および規格に従って、必要なSAFETY、EMCまたはBSMIの検証を完了すべきです。
• シミュレーションと実測との差異を継続的に比較する：実測データをモデルの修正に反映することで、その後の製品シミュレーションの精度および開発効率を向上できます。

まとめ

シミュレーション技術は、電気製品の安全試験および研究開発プロセスにおける重要な補助ツールになりつつあります。熱管理、EMC、構造、電池およびマルチフィジックスシミュレーションを通じて、企業は製品開発の初期段階でリスクをより早く発見し、設計を最適化するとともに、その後の手戻りおよび試験不合格の可能性を低減できます。

亜信検測科技股份有限公司は、今後も電気製品安全試験、EMC電磁両立性、SAFETY安全規格、BSMI認証、信頼性評価およびデジタル試験技術の動向に注目し、企業が製品開発、試験・検証および市場投入準備の各段階において、より完全な品質および法令適合性の基盤を構築できるよう支援してまいります。

出典：
亜信検測ニュースレター