非対称V字型モーターがEV効率を革新
電気自動車（EV）の駆動用モーター設計において、非対称V字型構造の永久磁石同期モーター（PMSM）が従来の対称型設計を効率性とコストパフォーマンスの両面で凌駕することが画期的な研究によって実証された。この研究は実世界の走行条件を最適化対象とした新しい設計手法を導入し、EV用モーター開発に新たな指針を示すものである。
持続可能な輸送手段への世界的な移行に伴い、自動車エンジニアは多様な走行シナリオにおいて高い効率を発揮する推進システムの開発を迫られている。永久磁石同期モーター（PMSM）は高トルク密度、優れた効率性、コンパクトサイズといった特徴からEV用モーターとして広く採用されているが、従来の設計方法論は定格運転条件での性能に焦点が当てられる傾向があった。この狭隘なアプローチは、負荷と速度が大きく変動する実際の走行環境では最適ではない性能を招く可能性がある。研究チームはこの課題を認識し、特定の運転点ではなく走行全体を考慮した包括的な最適化戦略の開発に着手した。
本研究では電気工学分野の主要ジャーナルに掲載され、NEDC（新欧州ドライビングサイクル）走行パターンをモーター設計プロセスに統合する手法を提案している。NEDCはWLTCのようなより動的な試験サイクルに置き換えられつつあるものの、標準化条件下での車両エネルギー消費量と排出ガスを評価する貴重な基準としての価値を保持している。NEDCを最適化の基盤として使用することで、市街地の停頓走行から高速道路の巡航運転まで、実使用条件下での優れた性能を保証するモーター設計が可能となった。
研究の中核は、対称型と非対称型のV字型IPMモーター構造の比較検証にある。対称型設計はV字配置された同一の上下層永久磁石を特徴とし、EVモーター設計の定番として長年使用されてきた。一方、非対称型バリアントは上下の磁石セグメントを独立して幾何学的にパラメータ化できるため、設計の柔軟性が高く、性能向上の可能性を秘めている。研究チームはこの拡張された柔軟性を活用することで、高価な希土類永久磁石の使用量を最小化しつつ、更高の効率性とトルク出力を達成できると仮説を立てた。
仮説を検証するため、研究者らはまずNEDCサイクルにおける2012年式日産リーフのトルクと速度プロファイルを分析した。この分析は最適化プロセスの現実的な基礎を提供し、モーター設計が実際の走行条件に近い状態で評価されることを保証した。初期モーターモデルには自動車業界で広く使用されている24スロット4極の二層V字型IPMモーターが選定され、詳細なパラメトリック最適化に適していることが確認された。
最適化プロセス自体はNSGA-IIとして知られる高度な多目的遺伝的アルゴリズムによって駆動された。このアルゴリズムは複数の（往々にして相反する）目的を伴う複雑な工学問題に特に適している。本研究では、NEDC効率の最大化とトルクコスト比の最適化という二つの主要目的が設定された。NEDC効率は走行サイクル全体におけるモーターの平均効率を表し、省エネルギー性能の総合的な指標となる。一方、トルクコスト比はモーターのトルク出力と製造コストのバランスを考慮し、希土類永久磁石のような高価な材料の使用量削減に重点を置いている。
最適化の設計変数には、固定子と回転子の広範な幾何学的パラメータが含まれた。固定子についてはヨーク厚、スロット幅、スロット深さ、各種コーナー半径などの寸法が対象となった。回転子についてはウェブ厚と磁気ブリッジ厚、永久磁石の幅と厚さ、磁石バリアのサイズ、V字配置の角度などが変数として設定された。非対称設計の場合、これらのパラメータはV字の上下層で独立して扱われ、設計変数の数と最適化問題の複雑さが大幅に増加した。
本研究の主要な革新点の一つは、非対称モーターにおける上下永久磁石部分の独立したパラメトリックモデリングである。このアプローチにより、対称型構成では不可能であった広大な設計空間の探索が可能となった。例えば、上層磁石は高速性能向けに、下層磁石は低速時の最大トルク向けに最適化するといったカスタマイズが実現した。このレベルの設計自由度は、上下磁石が同一でなければならない対称型設計では達成不可能である。
最適化プロセスは有限要素法（FEA）を用いて実施され、各候補モーター設計の電磁気性能を正確にシミュレートした。これには磁束密度、逆起電力（EMF）、トルク出力、各種運転条件下での効率などのパラメータ計算が含まれた。FEAシミュレーションは計算集約的であり、相当の処理能力と時間を要したが、大規模な個体群と多数の世代を扱えるNSGA-IIアルゴリズムを使用することで、広大な設計空間を現実的な時間枠で探索することが可能となった。
個体数100で50回の反復を経て、最適化プロセスは対称型と非対称型モーター設計の両方についてパレートフロントを生成した。パレートフロントは、一つの目的（例：効率性）を改善すると他方の目的（例：コスト）が悪化する最適解の集合を表す。これらのフロントから、研究者らはNEDC効率が最も高い設計点を詳細な性能比較の最終候補として選定した。
最適化の結果は驚くべきものだった。非対称V字型モーターは96.63%のNEDC効率を達成し、対称型設計の93.51%を上回った。一見わずか3.33%ポイントの改善のように見えるが、EV推進の文脈ではエネルギー効率の著しい向上を意味する。車両の生涯を通じて、この改善は数百キロメートルに及ぶ航続距離の延伸、またはバッテリーサイズとコストの対応する削減につながる可能性がある。
さらに印象的だったのはトルクコスト比の改善である。非対称モーターは15.89の比率を達成し、対称型設計の14.20を11.90%上回った。これは非対称モーターが製造コスト単位でより多くのトルクを提供することを示し、量産において経済的に実行可能な選択肢となる。研究者らはこの改善を、永久磁石材料の総使用量がわずかに増加したにもかかわらず、材料をより効率的に使用して高いトルクを生成する非対称モーターの能力に帰因している。
最適化されたモーター設計の詳細な分析により、対称型と非対称型の構成間にいくつかの重要な差異が明らかになった。非対称モーターは上層磁石により急峻なV字角度を特徴とし、これが磁界集中を強化して逆起電力波形を改善した。下層磁石は最大トルク生成向けに最適化され、リラクタンストルク成分の最大化に重点が置かれた。この二層最適化戦略により、非対称モーターは永久磁石トルクとリラクタンストルクの両方を対称型設計よりも効果的に活用できるようになった。
最適化されたモーターの逆起電力波形は、非対称構成の利点をさらに強調した。非対称モーターはより正弦波に近い逆起電力波形を示し、基本波振幅は80.45ボルトで対称モーターの71.71ボルトを12.19%上回った。この基本波振幅の増加は更高のトルク出力と滑らかな運転に直接寄与する。さらに、非対称モーターの逆起電力は高調波歪みが低レベルであり、トルクリップルを低減して全体的な乗り心地を改善する。
定格負荷条件下では、両モーター間の性能差がいっそう明瞭となった。非対称モーターは平均トルク6.57N·mを生成し、対称モーターの5.73N·mを14.66%上回った。トルクリップルは非対称モーターでわずかに高かった（4.31%対3.92%）が、トルクと効率の著しい向上を考慮すれば許容範囲と判断された。研究者らは、非対称モーターの更高トルク出力により、同一性能でより小型軽量のモーター使用が可能となり、車両効率の向上とコスト削減がさらに進むと指摘した。
本研究で考慮されたもう一つの重要な指標は、単位体積または単位質量当たりのトルクを測定する単位トルク密度である。非対称モーターは単位体積トルク密度6.02N·m/Lを達成し、対称モーターの5.40N·m/Lを11.5%上回った。この高いパワー密度は、空間と重量が特に重視されるEV応用において極めて貴重である。単位永久磁石トルク密度（磁石材料キログラム当たりのトルク）は0.8%の改善に留まったものの、効率と性能の全体的な向上が磁石使用量のわずかな増加を十分に相殺した。
非対称V字型モーターの成功はいくつかの要因に起因する。第一に、上下磁石層の独立した最適化により、磁界分布の精密な調整が可能となり、永久磁石トルクとリラクタンストルクの利用を最大化した。第二に、非対称構成は磁界オフセット効果を生み出し、負荷下でのトルク生成能力を強化した。この効果は回転子内の磁束の不均一分布に起因し、対称設計には存在しない非対称トポロジー独自の利点を提供する。
本研究のEV産業への影響は極めて大きい。自動車メーカーが航続距離、性能、価格の限界に挑戦し続ける中で、モーター効率とコスト効率の漸進的改善はますます重要となっている。本研究で実証された非対称V字型IPMモーターは、明確な前進の道筋を提供する。この設計哲学と最適化方法論を採用することで、メーカーはより効率的でかつ価格競争力のあるモーターを開発でき、持続可能な輸送への移行を加速させることができる。
さらに、実世界の走行条件に焦点を当てた本研究は、モーター設計の新たな標準を設定するものである。単一運転点でのピーク性能ではなく、走行サイクル全体にわたる総合的性能の重要性を強調しており、EVの真の効率性はピーク効率ではなく典型的な走行条件下での平均効率であるという認識の高まりと一致する。
本研究はまた、現代の工学設計における先進的计算ツールの重要性を浮き彫りにしている。多目的遺伝的アルゴリズムと有限要素法の使用により、研究者らは従来の試行錯誤法では発見不可能だった最適解を探索し特定することができた。計算能力が継続的に増大する中、こうしたツールはモーター設計の可能性の限界を押し広げる上でさらに不可欠なものとなるだろう。
江東東、喬振洋、傅偉農 中国科学院深セン先端技術研究院 Journal of Electrical Engineering DOI: 10.1016/j.joe.2024.05.012