EV駆動系の振動低減に調和電流制御が新たな道筋
電気自動車（EV）の駆動システムから発生する振動と騒音を抑制するため、従来とは異なる革新的なアプローチが中国の研究チームによって提案された。駆動系の振動メカニズムを電気的側面から再解釈し、能動的な電流制御によって根本原因に直接介入する手法が、機械設計の最適化だけでは限界があった課題を突破する可能性を示した。
研究の核心は、永久磁石同期モータ（PMSM）と減速機の連成振動現象を解明し、その抑制に「調和電流の積極的活用」という逆転の発想を適用した点にある。電気的諧調波が機械系の共振を引き起こす悪循環を、同じく電流の追加注入によって打ち消すという手法は、従来の受動的な防振アプローチを刷新する技術的転換点として注目される。
電気機械連成振動の解明
従来のEV開発では、モータの振動低減と減速機の歯車設計最適化が別々に進められてきた。しかし重慶理工大学自動車部品先端製造技術重点実験室のゲ・シュアイシュアイ准教授率いるチームは、数値シミュレーションを通じて両者の不可分な関係を定量化。モータ内部で発生する高調波電流が機械的トルク変動を増幅し、それが減速機の振動を介して逆に電流波形を歪ませるという双方向連成メカニズムを世界で初めて詳細に解明した。
シミュレーションは8極48スロットの内蔵型PMSMと2段減速ギアを対象に実施。磁気飽和の非線形特性や歯車の時間変動かみあい剛性、バックラッシュといった現実の複雑性を全て包含した統合モデルを構築した。運転条件（4600rpm、負荷トルク135N・m）下で観測された電気トルクの周波数スペクトルには、6次と12次の電気高調波に加え、減速機第1段・第2段のかみあい周波数成分が明確に検出された。これにより、機械振動が電気系へフィードバックされ波形歪みを誘発する「共鳴ループ」の存在が実証された。
調和電流の矛盾する作用
研究チームは人工的に5次・7次・11次・13次高調波を注入する実験を実施。僅か10%の高調波含有率でもトルク変動が32%増加し、6次・12次成分が顕著に増幅される現象を確認した。特に高次高調波が歯面動態荷重に与える影響は顕著で、振動エネルギーの伝達経路が電気系→機械系→電気系と循環する悪性サイクルが明らかになった。
この知見を基に開発されたのが「能動的高調波電流注入制御」である。PMSMのトルク変動要因となる6次・12次高調波トルクを、意図的に生成した逆位相の調和電流で相殺する手法だ。原理的にはノイズキャンセリングヘッドホンと同様に、発生源で不要成分を打ち消す事前制御を実現する。
制御アルゴリズムの最適化
最適化プロセスでは6次・12次高調波に対するd軸・q軸の振幅と位相を独立変数として扱い、オフライン遺伝的アルゴリズムを用いてトルクリップル最小化条件を探索。数千回のシミュレーションにより、d軸6次成分の位相差をπ/3、q軸12次成分の振幅を基本波の8%とするなど、複数パラメータの最適組み合わせを特定した。
制御系はPI＋共振制御器（PIR）を基本構造に採用。特定周波数で無限大のゲインを得る特性を活用し、目標高調波成分を高精度に追従可能な設計とした。シミュレーション結果では、制御開始0.2秒後からトルク変動が56.65N·mから23.49N·mへ58.5%低減。減速機の動的かみあい力でも6次成分が70%以上抑制され、システム全体の振動エネルギーが大幅に削減された。
自動車開発への影響
この手法の実用化により、従来の防振ゴムや質量ダンパーに依存する設計パラダイムが転換される可能性が高い。軽量化が求められる高速EVでは、機械的補強による剛性向上と振動低減のトレードオフが課題だったが、電気制御によるソリューションが新たな選択肢を提供する。特に高速域で問題となる高次周波数振動の抑制効果は、乗り心地向上に直結する。
設計プロセスへの影響も大きい。電気系と機械系を統合的に評価するシミュレーションモデルは、開発初期段階での振動予測を可能にする。従来は試作段階で明らかになっていた共振問題を、設計計算段階で事前検出し、制御パラメータの最適化により解決する手法は、開発期間短縮とコスト削減に寄与する。
技術的展望と課題
現在はシミュレーション結果に基づく理論的検証段階だが、次段階として実機試験ベンチでの実証実験が計画されている。マイクロコントローラーの演算能力向上により、オフライン最適化で得たパラメータをリアルタイム制御へ適用する基盤技術は既に整っている。
今後の課題としては、温度変化や部品経年劣化に対する制御系のロバスト性確保が挙げられる。また、広範な運転条件域で安定した抑制効果を維持するための適応制御アルゴリズムの開発が必要だ。さらに、モータ特性の個体差を吸収するキャリブレーション手法の確立が実用化に向けた鍵となる。
この研究が示す重要な視点は、EVの性能向上が「マルチフィジックス統合設計」なくして達成できない現実だ。電気・機械・制御の各分野が密接に連携し、複雑な相互作用を総合的に管理する技術基盤が、次世代モビリティ開発の競争力となりつつある。
ゲ・シュアイシュアイ氏のアプローチは、調和電流という従来は排除対象だった現象を積極的に利用する点に独創性がある。自動車産業が100年にわたる内燃機関のノウハウを超える新たな技術体系を構築する過程で、このような学際的発想が突破口を開く事例となるだろう。
ゲ・シュアイシュアイ, チャオ・ジアイン, チャン・ジーガン, グオ・ドン, シー・シャオホイ
重慶理工大学 自動車部品先端製造技術重点実験室
Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science)
doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.08.003