EVモーターの革新：田口法によるスター・デルタFSPMMの性能最適化
電気自動車（EV）産業は、高効率化、高出力密度化、静粛性・振動低減への要求によって劇的な変革を遂げています。この進化の核心にあるのが、電気エネルギーを機械的動力に変換する電動モーターです。次世代EV向けのモータートポロジーの中で、分数スロット永久磁石モーター（FSPMM）が、コンパクトサイズ、高パワー重量比、堅牢な性能特性から注目を集めています。しかし、その真の潜在能力を引き出すためには、複雑な電磁気的相互作用を考慮した高度な設計最適化が不可欠です。河南理工大学（自然科学版）に掲載された画期的な研究は、スター・デルタ接続の内部V字型ロータ構造を有するFSPMMの電磁気性能を、田口法を用いて大幅に改善する新手法を実証しました。
技術的課題と従来手法の限界
FSPMMは整数スロットモーターに比べて優位性を持つものの、電機子起磁力（MMF）に含まれる高調波成分が鉄損の増加、永久磁石内の渦電流損失、トルク変動の原因となっていました。これらは効率低下、騒音・振動、制御精度の悪化を招き、EVの性能に深刻な影響を与えます。従来研究ではスロット形状の変更や巻線構成の工夫が試みられてきましたが、個別パラメータの影響分析に留まり、包括的な最適化手法が求められていました。
研究のアプローチと革新性
研究チームは10極12スロット構成のFSPMMを対象に、二重層スター接続と四層スター・デルタ接続を比較。四層Y-Δ巻線は、巻線をスター部とデルタ部に分割し、位相差π/6、振幅比0.5774の電流を流すことで特定の高調波を相殺します。さらに機械的強度と高速応用を考慮し、磁石をロータ鉄心内部にV字配置する構造を採用。2D有限要素法（FEA）によるシミュレーションにより、Y-Δ構成がトルクリプル低減、電磁トルク向上、効率改善を同時達成することを確認しました。
田口法による多目的最適化
ロータ構造の最適化において、永久磁石厚（hm）、ロータヨーク高（ht）、ステータスロット開口幅（wm）、エアギャップ長（δ）、同極間フラックスバリア幅（Rs）、異極間フラックスバリア幅（Ri）の6パラメータを選定。最適化目標としてトルクリプル（TR）、コギングトルク（TC）、効率（η）、無負荷ギャップ磁束密度の全高調波歪率（THD）を設定しました。
L25(5^6)直交表を用いた25回のFEA解析により要因効果を分析。各パラメータのレベルが性能指標に与える影響を定量的に評価しました。例えば：
- エアギャップ増加：THD・TC低減（83.96%の影響度）
- スロット開口幅縮小：TR・TC改善
- 磁石厚薄化：効率向上（66.34%の寄与）
多目的トレードオフを解決するため分散分析を実施し、最適パラメータ組み合わせ（hm=4mm, ht=3mm, wm=1.5mm, δ=1.5mm, Rs=1.5mm, Ri=2.5mm）を導出。FEA検証ではトルクリプル20.24%低減、電磁トルク5.85%向上、THD10.52%改善、コギングトルク15.52%削減、効率95.30%→95.54%向上を達成しました。
EV産業への示唆
本研究が提示する主要な知見は以下の通りです：
- 巻線技術の進化：四層Y-Δ接続が高調波抑制とトルク品質向上に有効
- ロータ構造設計指針：磁石形状とフラックスバリアの幾何学的バランスが損失低減の鍵
- 効率的な開発手法：田口法による実験回数削減（従来法の0.16%）
- システム統合の重要性：電磁特性と機械強度の同時最適化が高速化対応を可能に
将来展望と応用可能性
この手法は他の極数・スロット数構成のFSPMMや各種モーター設計に適用可能です。特に、EV用モーターの小型化・高回転化が進む中で、磁気飽和や機械的応力の複合評価が重要となります。今後は材料特性のばらつきや温度影響を考慮したロバスト設計への発展が期待されます。
チェン・ジェンフェイ（河海大学 電気動力工学科）
ファン・チェンヤン、タン・ジュン、ワン・チンイェン（金陵理工学院）
リー・ジアユ
掲載誌：河南理工大学学报（自然科学版）
doi:10.16186/j.cnki.1673-9787.2022020030
（全2,512字）