電気自動車モーターの効率革新を実現する新制御戦略
山東大学電気工学部の研究チームが、電気自動車（EV）の駆動システムに革命をもたらす新型モーター制御技術を開発した。この画期的な研究は、博士課程の王炳東氏が王導漢教授の指導のもと、特殊構造の永久磁石同期モーター（PMSM）においてトルク出力を最大化しつつ銅損を低減する制御戦略を確立。中国電気技術学会論文誌に掲載された本成果は、EVの航続距離と動力性能の両立に向けた新たな道筋を示すものとして注目を集めている。
二重巻線構造が生む磁束協調制御
従来のEV用モーターは、永久磁石または巻線のいずれか単一の磁気源を採用するのが一般的であった。これに対し、本研究で対象とした「交流磁束調整型PMSM（ACFR-PMSM）」は、回転子端部に追加の軸方向巻線を備える革新的な二重構造を特徴とする。放射状（ラジアル）巻線と軸方向（アクシアル）巻線がそれぞれ独立したインバーターで制御されるため、従来にない柔軟な磁場制御が可能となる。
伝統的なPMSMでは、高回転時に逆起電力が電池電圧を超過しないようd軸負電流による弱め磁束制御を実施する必要がある。この手法は安全面では有効だが、トルク出力が急激に低下し、定出力可能回転範囲が狭くなる重大な課題を抱えていた。ACFR-PMSMはこの問題に対して、「磁束協調制御」という独創的解決策を提案。ラジアル巻線で主磁束を弱めつつ、アクシアル巻線による補助磁束経路を積極活用することで、従来なら無駄に消滅していた磁気エネルギーを有効利用するメカニズムを確立した。
具体的な動作原理を説明する。高回転域では、ラジアル側で弱め磁束制御を実施する点は従来と同様だが、軸方向巻線の電流を巧妙に調整することで、副次的磁気経路を強化。これにより主磁束の弱体化に伴うトルク低下を補償し、幅広い回転数域で安定した動力出力を維持する。研究チームはこのプロセスを「滞留を流れに変え、漏れを活用に転換する」と表現し、エネルギー損失の最小化とシステム効率の最大化を両立させた。
最適化理論に基づくMTPCL制御アルゴリズム
二重巻線構造の潜在能力を最大限に引き出すため、研究チームは「最大トルク・銅損比（MTPCL）制御」と呼ばれる新制御戦略を開発。このアルゴリズムは、特定の銅損条件下で機械的トルクを最大化することを目的とした最適化問題の解法として構築された。銅損はモーター効率を左右する重要因子であり、損失削減は直接的にEVの航続距離延長に寄与する。
複雑な磁気干渉を伴う二重巻線システムにおいて、最適電流配分を求める数学的モデルの構築が最大の課題であった。研究チームはラグランジュ乗数法を適用し、ラジアル/アクシアル巻線のd-q軸電流（合計4変数）間の相互作用を考慮した制約条件付き最適化問題を解明。銅損を一定値に保ちつつトルクを最大にする電流軌跡の理論的導出に成功した。
シミュレーション検証では、総当たり法による数百万通りの電流組み合わせを計算。理論値との高度な一致を確認し、アルゴリズムの正確性を実証した。特に注目すべきは、従来のダブルid=0制御と比較し、定格トルク2.0N・m時の銅損を12.93%低減させた点である。この数値は実用レベルでの効率改善が可能であることを示す決定的証拠となった。
実機試験による性能検証
理論検証に続き、研究チームは200W出力の6極36スロット試作機を開発。ラジアル/アクシアル巻線用に個別設計した2台のインバーターを組み合わせ、完全な駆動システムを構築した。従来手法との比較試験では、動的応答性能に遜色なく、広範な負荷条件下で安定した効率改善を確認。具体的な動作解析から、MTPCL制御が両巻線のd軸負電流を戦略的に活用することで、磁気干渉を有効活用しているメカニズムが明らかになった。
ラジアル側の弱め磁束操作が高回転動作を可能にする一方、アクシアル側の同操作が磁気結合を強化。結果としてラジアル巻線のトルク寄与率が相対的に向上し、システム全体としての出力最大化を実現するという相互作用メカニズムが解明された。この知見は、複合磁気回路設計における新たな設計指針を示すものとして極めて重要である。
産業界への波及効果と将来展望
ACFR-PMSMの技術的革新点は、直流巻線を用いる従来の複合励磁モーターとは異なり、交流巻線による動的磁束制御を実現した点にある。補助巻線を単なる調整器から積極的な動力生成要素へと昇華させたことで、高速域での効率劣化というEVの宿命的課題に挑戦する新たな解決策を提示した。
自動車メーカーにとって、本技術はバッテリー容量削減と動力性能向上を両立させる可能性を秘める。特に回転数域の拡大は減速比選択の自由度を高め、駆動システム全体のコンパクト化に寄与する。現行試作機の出力規模は小さいものの、基本原理のスケーラビリティは確保されており、乗用車用大容量モーターへの応用が期待される。
今後の課題としては、トルクリップル抑制や量産プロセスの最適化が挙げられる。しかし複雑な構造がコスト増につながるリスクに対し、モーター本体の効率向上がシステム全体の簡素化（冷却装置削減やバッテリー容量低減）をもたらす可能性は大きい。研究チームは、材料技術の進歩と制御アルゴリズムの高度化が相まって、今後5年以内に実用化の目途が立つと楽観視している。
持続可能な輸送技術の新地平
地球規模での脱炭素化が加速する中、EV技術の革新は単なる内燃機関代替を超え、エネルギー社会全体の再設計を迫る段階に入った。本研究が示すのは、複雑さを恐れずにサブシステム間の相乗効果を追求するシステムズエンジニアリングの重要性である。伝統的な設計パラダイムを打破し、制御理論と機械設計を融合させることで、従来はトレードオフとされてきた性能要素の同時最適化が可能となる。
磁気回路と電力変換器の協調設計、非線形制御理論の実装、マルチフィジックスシミュレーション技術——これらを統合する学際的アプローチが、EV進化の次段階を牽引する。山東大学の研究成果は、持続可能な輸送システム実現に向けた技術開発の方向性を明確に示す好例と言えよう。
著者：ワン・ビンドン、ワン・ダオハン、ワン・シャオジ、シュー・グァンシェン、ワン・シウヘ（山東大学電気工学部）
掲載誌：中国電気技術学会論文誌
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230602