PWM周波数がEVモーター絶縁寿命に与える影響
電気自動車（EV）の技術革新は、バッテリーのエネルギー密度や充電インフラの整備といった目立つ分野に注目が集まりがちだが、真の信頼性と耐久性は、モーター内部の微細な世界で決まる。その中でも、特に重要なのが、モーターのコイルを覆う絶縁材料の性能である。この絶縁体が劣化し、最終的に破壊される「コロナ劣化」は、EVの寿命を左右する重大な課題だ。中国・四川大学電気工学部の彭増（Peng Zeng）、王鵬（Wang Peng）、朱英偉（Zhu Yingwei）、于超凡（Yu Chaofan）らの研究チームは、CRRC株洲電力機車研究所の趙安然（Zhao Anran）氏、先登高科電気株式会社の林熙雲（Lin Xiyun）氏と協力し、この問題の核心に迫る画期的な研究を発表した。彼らの研究は、EVの駆動に不可欠なパルス幅変調（PWM）電圧において、その基本波周波数と搬送波周波数が、モーターの絶縁寿命にどのように影響を与えるかを、実際のPWM波形を用いた高精度な実験で明らかにした。この研究は、今後のEVモーターの設計と信頼性評価の基盤となる可能性を秘めている。
現代のEVは、バッテリーの直流（DC）をモーターが回転するために必要な交流（AC）に変換する「インバーター」の存在なしには成り立たない。このインバーターは、PWMという技術を用いて、高速でスイッチングを行うことで、滑らかな交流電流を模擬している。近年、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）といったワイドバンドギャップ半導体がインバーターに採用され、そのスイッチング速度は飛躍的に向上した。これにより、モーターの効率が上がり、サイズが小さくなり、動作音も静かになった。しかし、この高速スイッチングには代償がある。スイッチングの立ち上がり・立ち下がり時間がナノ秒単位に短縮され、ケーブルのインピーダンスとの不整合により、モーター端子には直流電圧の2倍にもなる電圧過衝撃（サージ）が発生する。この過大な電圧が、絶縁体の「部分放電開始電圧（PDIV）」を超えると、絶縁体内部や表面で微小な放電、すなわち「部分放電（PD）」が発生する。
部分放電は、一回の放電ではごく微量のエネルギーしか持たないが、繰り返し発生することで、絶縁体に深刻なダメージを与える。高エネルギーの粒子が絶縁体表面を衝撃し、化学的に分解し、局所的な高温を発生させる。この繰り返しの攻撃により、絶縁体内部に「電気木（エレクトリカルツリー）」と呼ばれる導電性の経路が形成され、やがては絶縁破壊に至る。これは、モーターの完全な故障を意味し、高額な修理やリコールにつながる可能性がある。したがって、部分放電に対する絶縁体の耐性、つまり「耐コロナ寿命」を正確に評価し、延ばすことは、EV産業にとって死活問題である。
従来の研究では、絶縁体の劣化試験に単純な方形波や正弦波を用いることが多かった。しかし、これらは実際のEVで発生する複雑なPWM波形とは大きく異なり、正確な寿命予測には不十分だった。四川大学の研究チームは、この課題を解決するために、実際のPWM波形を再現できる「高周波耐コロナ試験装置」を構築した。彼らの装置の核となるのは、FPGA（現場プログラマブルゲートアレイ）で、これにより、基本波周波数（モーターの回転速度に相当）と搬送波周波数（インバーターのスイッチング速度に相当）を自由に設定し、本物そっくりのPWM電圧を発生させることができる。
実験では、実際のEVモーターに使用されるF級耐熱性のポリイミド絶縁コーティングを施した直径0.7mmの円線を用い、約12.5cmの長さで捩じったペアを試料とした。この試料を120℃、湿度40%の恒温恒湿槽内に設置し、過酷な環境下での劣化を加速させた。試料に印加するPWM電圧のピーク間電圧を変化させながら、試料が絶縁破壊に至るまでの時間を記録し、耐コロナ寿命を評価した。また、UHF（超高周波）アンテナを用いて、ノイズに埋もれがちな微弱な部分放電信号を高感度で検出し、その発生タイミングや分布を詳細に分析した。
実験の結果、最も注目すべき発見が一つあった。それは、「部分放電は、基本波周波数や搬送波周波数がどうであれ、常に基本波の極性が反転する瞬間（ゼロ交差点）に集中して発生する」ということだ。これは、極性反転の瞬間に、高周波の搬送波と基本波が重なり合い、電圧が一時的に最大ピークに達するため、PDIVを最も超えやすくなるからである。この発見は、モーター設計者にとって極めて重要だ。なぜなら、絶縁体の劣化が特定のタイミングに集中していることを意味し、設計段階でこのストレスポイントを緩和する工夫が可能になるからだ。また、試料が手作業で捩じられているため、幾何学的に完全な対称性が得られず、部分放電の分布にもわずかな非対称性が見られた。これは、量産モーターの巻線工程でも同様の問題が生じ得ることを示唆しており、製造プロセスの均一性の重要性を再確認させた。
さらに興味深いのは、周波数の上昇が耐コロナ寿命に与える劇的な影響だ。研究チームは、基本波周波数を50Hzから500Hzまで変化させた実験で、周波数が上がるにつれて寿命が指数関数的に短くなることを確認した。例えば、搬送波周波数を一定に保ち、基本波周波数を2倍にしただけで、寿命は70%以上も短縮された。これは、モーターが高速回転する状態（高速道路走行など）が、絶縁体にとって非常に過酷な状態であることを示している。
同様に、搬送波周波数（インバーターのスイッチング周波数）を5kHzから20kHzまで上げた実験でも、寿命は劇的に短くなった。特に重要なのは、搬送波周波数が上昇すると、絶縁体表面に蓄積された電荷（空間電荷）が十分に消散する時間がなくなり、次のスイッチングサイクルが始まってしまう点だ。この残留電荷が、次の部分放電を起こしやすくする「繰り返し部分放電開始電圧（RPDIV）」を下げてしまう。つまり、周波数が高くなるほど、同じ電圧でも部分放電が発生しやすくなり、劣化が加速するという負のスパイラルが生まれる。これは、SiCインバーターの利点（高効率・低ノイズ）を追求するあまり、絶縁寿命を犠牲にしてしまうという、設計上のジレンマを浮き彫りにしている。
研究チームは、これらのデータを基に、「周波数-寿命反べき乗モデル」という数学的モデルを構築した。このモデルは、寿命（L）が周波数（f）のマイナスのべき乗（L ∝ f⁻ᵐ）に比例して減少することを示しており、実験データとの適合性は非常に高く、決定係数（R²）が0.99を超えるほどだった。このモデルの強みは、予測性にある。設計者は、このモデルを用いて、ある周波数条件でのモーターの寿命を事前に予測できる。例えば、「このモーターを最高速で1時間走らせた場合、絶縁体にどれだけのダメージが蓄積されるか」を定量的に評価し、保守メンテナンスのスケジュールや、保証期間の設定に活用できる。
さらに、研究チームは基本波周波数と搬送波周波数の「相互作用」についても深く掘り下げた。彼らは、基本波周波数を一定に保ち、搬送波周波数を変えた場合の「電圧-寿命」曲線を、反べき乗変換すると、それらの曲線がほぼ平行に並ぶことに気づいた。この「平行性」は、非常に重要な意味を持つ。それは、基本波周波数と搬送波周波数の影響が、モデル上で独立して扱えることを示している。つまり、基本波周波数による寿命短縮の影響と、搬送波周波数による寿命短縮の影響を、単に「定数倍」で重ね合わせることができる。これにより、複雑な周波数の組み合わせによる寿命予測が、飛躍的に簡素化され、実用的な設計ツールとしての価値が高まった。
また、温度の影響についても検証が行われた。過酷な電気ストレス下では、試料の表面温度が上昇するが、その温昇が寿命に与える影響は、部分放電による電気的劣化に比べて極めて小さいことが分かった。これは、一旦部分放電が激しく始まると、局所的な放電エネルギーが支配的となり、モーター全体の温度上昇は相対的に無視できるほどになるためだ。この結果は、EVモーターの設計において、「熱管理」も重要だが、「電気的ストレスの低減」がより優先されるべき課題であることを明確に示している。
この研究の意義は、学術的なものに留まらない。まず、自動車メーカーにとっては、従来の簡易的な試験方法ではなく、実際のPWM波形を用いた、より現実的な耐久性評価の基準を提供する。これにより、モーターの信頼性を過大評価するリスクを避け、より正確な品質管理が可能になる。次に、モーター・インバーターのサプライヤーにとっては、最適な周波数バランスを見つけるための設計指針となる。高効率のための高周波スイッチングと、長寿命のための低周波スイッチングのトレードオフを、定量的に分析できるのだ。さらに、国際規格IEC 60034-18-42などの試験標準の見直しにも貢献するだろう。現在の規格は周波数パラメータが曖昧な部分があり、本研究の手法を採用することで、より統一的で再現性の高い試験方法が確立される可能性がある。
最後に、材料開発の観点からも、この研究は大きなインパクトを持つ。従来のポリイミド絶縁コーティングは、SiCインバーターが生み出す高周波ストレスに限界を迎えている。今後は、空間電荷の蓄積を抑制し、部分放電に対してより頑強な「次世代絶縁材料」の開発が急務となる。ナノコンポジット、多層構造、あるいは自己修復機能を持つポリマーなどが、その候補として挙げられる。
結論として、彭増、王鵬、朱英偉、于超凡、趙安然、林熙雲らの研究は、EVの「見えない心臓」であるモーターの健康を守るための、科学的で実用的な地図を提供した。彼らは、周波数というパラメータが、モーターの寿命を決定づける鍵であることを、実験と理論で証明した。今後、EVがますます普及する中で、この研究が基盤となり、より信頼性が高く、長寿命なモーターが開発され、消費者の安心につながることを期待したい。
彭増、王鵬、朱英偉、于超凡、趙安然、林熙雲、四川大学電気工学部；High Voltage Engineering、DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20231420