ホイールモーターの振動問題、新研究で判明
電動車両（EV）の進化は、より高い効率性、パフォーマンス、そして革新的なデザインへの追求によって加速されている。この流れの中で、ホイールモーター（車輪内モーター）は次世代自動車の最も有望な技術の一つとして浮上している。モーターを直接車輪内部に統合することで、伝統的なトランスミッション、プロペラシャフト、デファレンシャルギアといった重量のある駆動系コンポーネントを排除できる。これにより、車両の内部空間が劇的に拡張され、よりダイレクトで反応性の高いトルク伝達が可能になる。しかし、重慶大学と重慶交通大学の研究チームが発表した新たな研究は、この画期的な技術が、乗り心地、安定性、安全性に深刻な影響を与える可能性のある、隠れた物理的課題を伴っていることを明らかにした。それは「電磁機械的カップリング」と呼ばれる現象であり、モーター内部の電磁力とサスペンションの機械的振動が相互に作用し、悪影響を及ぼすという悪循環である。
この研究は、重慶大学の李天成、鄧兆祥、張河山、盧泮苹、曾鵬飛らの研究者によって行われ、学術誌『重慶大学学報』に掲載された。彼らの研究は、EVが走行中に路面からの衝撃と車両の重量の両方の影響を受けると、モーターの固定子（ステータ）と回転子（ロータ）の間に相対的な偏心（エキセントリシティ）が生じることを指摘する。この偏心により、モーター内部の空隙（エアギャップ）の磁気特性が不均一になり、一方向に偏った「不平衡磁気吸引力（Unbalanced Magnetic Force, UMF）」が発生する。この力の垂直成分が、サスペンションシステムの垂直振動と直接的に結合し、最終的にEVの乗り心地や快適性に悪影響を及ぼすという。
この発見は、従来の自動車工学の枠組みを根本から揺るがすものである。これまで、モーター設計チームと車両ダイナミクスチームは、しばしば別々の「シロ」の中で作業してきた。前者は効率、トルク、熱管理に焦点を当て、後者はグリップ、乗り心地、操縦性に注力してきた。しかし、重慶大学の研究は、ホイールモーターにおいては、電気的領域と機械的領域が物理的に分離できないほどに密接に結びついていることを示している。つまり、この電磁機械的相互作用は、設計の初期段階から考慮されなければならず、単なる副次的な問題として扱ってはならないのだ。
一般的に、ホイールモーターの最大の欠点は「非サスペンション質量」の増加にあるとされている。車輪に重量のあるモーターを追加することで、サスペンションスプリングやダンパーで支えられていない質量が増える。この非サスペンション質量の増加は、タイヤが路面の凹凸を追従する能力を低下させ、グリップの喪失、タイヤの早期摩耗、そしてより硬い乗り心地を引き起こすことが知られている。しかし、この研究チームは、問題は単なる「重量」だけではないと主張する。真の危険は、この重量が運動しているときに生み出す「力の動的性質」にあるのだ。
例えば、車両が段差を乗り越えると、車輪とモーターのロータが上向きに加速する。この垂直方向の加速度が、ロータとステータの間に動的な偏心を引き起こす。その結果、モーター内部の磁場が歪む。空隙の磁束密度はもはや均一ではなく、空隙が狭くなっている側では密度が高くなり、広くなっている側では密度が低くなる。この非対称な分布がUMFを生み出し、ロータをステータの方へ「引っ張ろう」とする力が発生する。ここで重要なのは、この力には垂直方向の成分があり、それが車輪のハブと、それにつながるサスペンションシステムに直接作用する点だ。この垂直成分こそが、車両の垂直ダイナミクスに直接的に結合する要因なのである。
この研究が特に革新的なのは、このカップリング現象の「動的」かつ「リアルタイム」な性質に着目している点にある。過去の多くの研究では、UMFは固定された偏心状態に基づく定数的な力として扱われてきた。しかし、このチームは、路面の振動に応じて常に変化する偏心距離をリアルタイムでシミュレーションできる、高度な解析モデルを開発した。このモデルは、モーターのステータのスロット（溝）の影響という、磁場分布に大きな影響を与えるが、多くの簡略化されたモデルでは無視されがちな細かい点まで考慮に入れている。
この解析モデルの有効性は、二つの方法で厳密に検証された。第一に、非常に高精度な有限要素法（FEM）によるシミュレーションが行われた。この方法は、モーターを数千もの微小な要素に分割し、磁場の挙動を極めて正確に計算する。その結果、解析モデルの予測とFEMシミュレーションの結果が非常に高い一致を見せ、モデルの正確性が強く裏付けられた。第二に、そしてより説得力のある方法として、研究チームは実際にモーターのプロトタイプを作成し、試験台で実験を行った。モーターの実際のトルクと回転速度の測定値と、モデルの予測値を比較したところ、非常に良い相関が得られた。わずかな誤差は、モデルの理論的な簡略化や、実験装置の機械的摩耗、測定器の精度限界などに起因するものであり、全体的に見て誤差は許容範囲内であると結論づけられた。この実験的検証は、この研究の信頼性を確立する上で不可欠であり、結論が単なる理論的推測ではなく、現実の物理的現象を反映していることを示している。
信頼性の高い電磁モデルを手にした研究チームは、次に「1/4車体」の垂直振動モデルを構築した。このモデルは、車両の質量（サスペンションされた質量）、車輪とロータの質量（非サスペンション質量）、モーターのステータとその軸の質量、サスペンション（スプリングとダンパー）、そしてタイヤを含んでいる。画期的なのは、モーターから発生するUMFを、路面からの衝撃と同様に、車両の運動方程式への「入力力」として組み込んだ点だ。これにより、「路面の振動 → 偏心 → UMF → 機械的振動の増幅」という悪循環を捉える、真の「カップリング」モデルが完成した。
この統合モデルを用いたシミュレーションは、車両の性能指標に顕著な悪影響を示した。最も大きく影響を受けたのは、モーターのステータの垂直振動加速度だった。低速（8.9 km/h）で走行している場合、電磁機械的カップリングを考慮すると、ステータの振動加速度の実効値（RMS）が28.12%も増加した。これは無視できない数字である。モーターの心臓部であるステータにこれほど強い振動がかかると、乗員に不快なノイズや振動が伝わるだけでなく、モーターの軸受の摩耗を加速し、信頼性を損ない、寿命を短くする。スペクトル分析によれば、この増加は、電磁的なUMFに由来する高周波成分（6f、8fなど）の振幅が増大したことによるものだった。
一方で、車体そのものの垂直振動加速度への影響は比較的小さく、0.32%の増加にとどまった。これは、現代のサスペンションシステムが、高周波の外乱を車室内から効果的に遮断できていることを示している。しかし、このわずかな増加も、特に静粛性が重視される高級車では無視できない。さらに、車体の振動スペクトルには、8fといった新しいピークが現れ、これは「ブーン」というような金属音や高周波ノイズとして知覚される可能性があり、NVH（ノイズ、振動、ハーシュネス）の品質に悪影響を及ぼす。
サスペンションの動的たわみ（サスペンションがどれだけ圧縮・伸びるかを示す指標）は1.82%増加した。この値は穏やかに見えるが、サスペンションコンポーネントに継続的な追加負荷がかかることを意味する。長期間の使用では、材料の疲労やダンパー性能の低下につながる可能性がある。
しかし、最も懸念される発見は、タイヤの動的荷重が21.62%も増加したという点だ。これは安全性にとって極めて重要な指標である。タイヤの動的荷重とは、路面とタイヤの間で変動する力のことで、この値が大きくなると、タイヤと路面の間の平均的な接触力が不安定になり、グリップ力が低下する。これは、加速、制動、コーナリング中にスリップしやすくなり、特に滑りやすい路面では危険な状態を招く。ホイールホップやトラクションの喪失のリスクが高まり、車両の安定性と安全性が直接的に損なわれる。
研究はまた、このカップリング効果が低速走行時に特に顕著であることも発見した。これは共振現象によるものだ。ある特定の速度では、UMFの周波数成分（例えば、8.9 km/hでは2f=43.76 Hz）が、サスペンションシステムの固有振動数（この場合、ロータとタイヤの部分振動数48.63 Hz）や、車両全体の高次の固有振動数（549.9 Hz）に近づく。周波数が一致すると、小さな励起力でもシステムが共振し、振動が劇的に増幅される。高速走行では、これらの周波数がずれていくため、カップリングの影響は小さくなる。
この研究の産業界へのインパクトは計り知れない。ホイールモーターの採用を検討する自動車メーカーにとって、これは明確な警告である。モーターの設計は、車両全体のダイナミクスへの影響を完全に無視して行うことはできない。UMFを打ち消すアクティブサスペンションの開発、振動を効果的に遮断するモーターマウント構造の設計、あるいは電磁力と機械的応答をリアルタイムで調整する新しい制御アルゴリズムの開発など、新たな設計戦略が必要となる。そして何よりも、モーター設計チームと車両ダイナミクスチームの間で、これまで以上に密接な連携が求められる。
要するに、李、鄧、張、盧、曾らの研究は、次世代電動モビリティに潜む複雑な課題の一つを解明した。システムの統合は魅力的だが、それによって新たな相互作用が生じ、これを高度な工学的手法で管理しなければならないことを示している。彼らの研究は、今後、効率的でパワフルなだけでなく、極めて快適で安定、そして安全なEVを開発するための礎となるだろう。
李天成、鄧兆祥、張河山、盧泮苹、曾鵬飛、重慶大学、重慶交通大学、重慶大学学報、doi:10.11835/j.issn.1000-582X.2022.102