電気自動車用多層磁石IPMSM、高効率と低騒音を両立
電気自動車の性能、効率、快適性が最重要視される中、永久磁石同期モーター（PMSM）技術に画期的な進展をもたらす研究が発表された。安徽理工大学電気情報工学科の研究チームは、ハーピン巻線応用に特化した多層内蔵型永久磁石同期モーターを開発・最適化することに成功した。この革新的なモーター設計は、高い電力密度、改善された効率、そして大幅に低減されたトルクリプルとコギングトルクを実現する。これら三要素は現代のEVの運転性能と総合的なパフォーマンスに直接影響を与える重要な因子である。
ハン・リン准教授（博士）をリーダーとし、大学院生のチャン・ユーハン、ワン・ジョンゲン、デン・ティエンロンらからなる研究チームは、先進的な電磁界モデリング、有限要素解析、高度な最適化技術を統合した包括的なモーター設計手法を確立。その研究成果は『重慶理工大学学报（自然科学版）』に掲載された。
世界的な電動化の流れの中で、高効率で高出力な電気モーターへの要求はかつてない高まりを見せている。従来のモーターは信頼性が高いものの、電力密度、熱管理、静音性の面で限界に直面することが多い。ハーピン巻線技術は、従来の丸線巻線に比べて高いスロット充填率、低減されたAC損失、改善された放熱性能を提供し、これらの課題に対する有望な解決策として登場した。しかし、ハーピン巻線の利点があっても、回転子とその磁気構造の設計は依然として革新が求められる重要な領域なのである。
研究チームは回転子構造に焦点を当て、特に内蔵永久磁石（IPM）配置内での多層磁石構成を探求した。従来の単層または二層設計とは異なり、提案モーターはU字型、V字型、I字型の永久磁石を独自のUV-I構成で組み合わせた三層磁石構造を特徴とする。この複雑な配置により、モーター内の磁束分布を精密に制御することが可能となり、トルク発生、減磁制御能力、高調波成分といった性能特性を微調整できる。
高速電気モーターにおける主要な課題の一つは、振動、騒音、乗り心地の低下を引き起こすトルクリプルとコギングトルクの存在である。これらの望ましくない影響は、固定子の歯と回転子の磁極との相互作用により、内蔵永久磁石モーターで特に顕著になる。この問題に対処するため、研究者らは回転子の分割とスキュー角付与から始まる多段階最適化戦略を実施した。
分割スキューは、回転子セグメント間の制御された位置ずれを導入することで電磁高調波を低減するよく知られた技術である。本研究では、3セグメント、スキュー角5度の線形分割スキュー設計を採用。この最初の最適化ステップで顕著な結果が得られた：コギングトルクは97.01%という驚異的な低減を見せ、トルクリプルは9.91%から3.18%に低下した。気隙磁束密度の全高調波歪み（THD）がわずかに増加したものの、滑らかさと騒音低減における全体的な改善はこのトレードオフを正当化するものだった。
スキューによるベースライン性能の大幅な向上を踏まえ、研究者らはUU-I、UU、UV、UV-Iという4種類の多層磁石構成を比較検討した。各設計は、平均トルク、トルクリプル、逆起電力（EMF）のTHD、気隙磁束密度といった主要性能指標に基づいて評価された。この中でUV-I構成が最もバランスの取れた効果的な設計として注目された。平均トルク129.19 N·m、トルクリプルはわずか3.18%を達成し、比較的低いコギングトルク244.11 mN·mを維持した。逆起電力波形はTHDが僅か2.88%と優れた正弦波特性を示し、高調波歪みが最小限で滑らかな運転が可能であることを示唆した。
最適候補としてUV-I構造を特定した後、研究の次の段階では個々の磁石セグメントの寸法の微調整に焦点を当てた。ここでチームが採用したのは、実験回数を最小限に抑えながら最も影響力のあるパラメータを特定し、その最適設定を決定するために工学設計で広く使用される強力な統計的最適化手法、タグチメソッドである。
最適化のために、U字型磁石の幅と全長、V字型磁石の幅と全長、I字型磁石の幅と全長という6つの主要な幾何学的パラメータが選択された。各パラメータに5つの異なる水準が割り当てられ、直交表に基づく合計25の実験的な組み合わせが設定された。各組み合わせについて有限要素シミュレーションを実施し、平均トルクとトルクリプルを評価した。
タグチ分析法の結果、V字型磁石の長さ（D）が平均トルクに最も大きな影響を与え、変動全体の56.65%を占めることが明らかになった。次いでU字型磁石の長さ（B）が20.45%、I字型磁石の幅（E）が14.53%であった。トルクリプルについては、I字型磁石の幅（E）が最も影響力のある因子として浮上し、変動の43.13%を占め、次いでI字型磁石の全長（F）が31.48%であった。
これらの知見に基づき、研究者らはパラメータ水準の最適な組み合わせとしてA(5), B(5), C(4), D(4), E(3), F(5)を選択した。この構成は、平均トルクを最大化しつつトルクリプルを最小化する特定の寸法値に対応する。この最適化された幾何学形状を適用した後、モーターの性能はさらに向上：平均トルクは131.28 N·mに増加、トルクリプルは2%を下回る1.78%に低下、逆起電力の基本波振幅は274.09 Vから279.35 Vに上昇した。しかし、予期せぬ副作用として、コギングトルクが244.11 mN·mから259.78 mN·mへとわずかに増加することが観察された。これは、幾何学的な最適化がトルク出力と滑らかさの向上に成功した一方で、磁気的な保持力に関して新たな課題を導入したことを示していた。
この問題に対処するため、チームはハルバッハアレイ磁化として知られる先進的な磁化技術に着目した。ハルバッハアレイは、片側に磁界を集中させながら反対側では打ち消す特殊な永久磁石の配列である。電気モーターの文脈では、部分的なハルバッハ磁化を用いて気隙磁束分布を形成し、トルク密度を犠牲にすることなく高調波を低減し、コギングトルクを最小限に抑えることができる。
研究者らは、多層回転子の異なる層に対して選択的にハルバッハ磁化を適用した。I字型磁石、V字型磁石、U字型磁石の傾斜セグメント、U字型磁石の水平セグメントの4つの構成を試験した。各構成は、初期磁化角35度で評価され、最適設定を見つけるために磁化セグメントの長さをパラメトリックに変化させた。
結果は示唆に富むものであった。全ての構成でコギングトルクの低減がある程度見られたが、V字型磁石が最も一貫性と効果的な性能を示した。ハルバッハ磁化セグメントの長さが増加するにつれて、コギングトルクの抑制は着実に改善された。さらに重要なのは、トルクリプルの大幅な上昇を引き起こしたU字型磁石の傾斜セグメントとは異なり、V字型磁石は最適化プロセス全体を通じて低いトルクリプルを維持した点である。
これらの発見に励まされ、チームはV字型磁石のハルバッハ磁化の最適化に集中した。磁化角（25°から45°）と磁化セグメント長（4 mmから16 mm）の両方を変化させ、第二段階のパラメトリック掃引を実施した。目標は、最大のコギングトルク低減と、トルクリプル及び平均トルクへの影響最小化のバランスを見つけることだった。
分析結果は明確な傾向を示した：磁化角が大きくなるにつれて、コギングトルク抑制の効果も増大した。しかし、これには代償が伴った—トルクリプルも増加し、平均トルクは減少し始めた。磁化角45度、セグメント長9 mmでは、コギングトルクはタグチ最適化後の状態と比べて45.08%低減し最低点に達した。しかし、トルクリプルは2%を超え、平均トルクは4.59%低下した。
よりバランスの取れた解決策を求めて、研究者らは磁化角30度、セグメント長9 mmにスイートスポットを特定した。この設定では、コギングトルクは25.43%低減され、トルクリプルは1.72%と非常に低い水準を維持し、平均トルクは2.26%のみ減少し128.31 N·mとなった。この構成は、モーターの核心的な性能指標を損なうことなく、実質的な騒音と振動の低減をもたらす理想的な妥協点を表していた。
最終的に最適化されたモーターは、全体的に印象的な特性を示した。電流400Aの全負荷時、効率マップは96.74%の最高効率を明らかにし、広範囲の運転条件をカバーする広い高効率域を有していた。このモーターは、10000 rpmで定格出力134.35 kW、最大出力298 kW、最高速度22000 rpmを達成した。これらの数値は、現代のEVに不可欠な持続的な性能と高いダイナミックレスポンスの両方を提供するモーターの能力を強調している。
自社設計の優位性を検証するため、研究者らは類似の仕様（8極48スロット、同等の物理的寸法）で以前に発表されたハーピン巻線二層V形IPMSMと比較した。結果は驚くべきものだった：新しく開発された多層UV-Iモーターは、ほぼ全てのカテゴリーで参照設計を凌駕した。より高い定格トルク（128.31 N·m 対 82.9 N·m）、より大きな最大出力、更高的な最高速度（22000 rpm 対 12000 rpm）、そして優れた効率を達成した。この比較分析は、多層磁石アーキテクチャと先進的な最適化技術を組み合わせた具体的な利点を強調している。
製造と実用の観点から、提案された設計は既存のハーピン巻線製造プロセスとの互換性を維持しており、拡張性とコスト効率を確保している。分割スキューと選択的ハルバッハ磁化の使用は追加の複雑さを導入するが、研究者らは、特に洗練性と効率性が重要な販売ポイントである高級EVアプリケーションにおいて、性能向上が追加の工学的努力を正当化すると主張する。
さらに、この研究は多層回転子内の個々の磁石形状の役割について貴重な知見を提供している。V字型磁石がトルク生産と磁束制御性の両方を強化し、モーター性能に最もバランスの取れた影響を与えることを確認した。I字型磁石は、トルクと磁束レベルを低下させる一方で、高調波抑制と波形品質改善に極めて重要な役割を果たす。U字型磁石はトルクを高める力は強いが、リプルと歪みを増加させる傾向があり、悪影響を避けるための注意深い調整を必要とする。
この研究は、電気推進技術を前進させるために必要な学際的な工学の典型例である。電磁気理論、計算モデリング、統計的最適化、先進的な磁化戦略を組み合わせることで、チームは次世代電気自動車の要求を満たすだけでなく、それを超えるモーターを創り出した。ハーピン巻線と入念に最適化された多層回転子の統合は、高効率、低騒音、そしてより大きな電力密度を追求する上で重要な前進を表している。
自動車メーカーがEV性能の限界を押し広げ続ける中、このような革新は持続可能な輸送の未来を形作る上で極めて重要な役割を果たすだろう。安徽理工大学のハン・リン、チャン・ユーハン、ワン・ジョンゲン、デン・ティエンロンらによって行われた研究は、永久磁石モーターという確立された枠組みの中であっても、思慮深い設計と厳密な最適化を通じて画期的な改善の余地が十分に残されていることを実証している。
重慶理工大学学报（自然科学版）、第38巻第7号、2024年 DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.07.029