はじめに ｜EVドライブユニットにおけるPMSM性能の優位性

電気自動車がガス自動車と競争できるようになるまでの道のりは、主に効率、航続距離、コストに関する障害だらけだった。これらを克服するため、電動パワートレインのあらゆる面で技術革新が絶えず進んでいる。特に駆動装置では、永久磁石同期モータ（PMSM）が、効率と出力密度を高めながらモータの小型・軽量化を実現するトレンド技術となっている。しかし、なぜ最近になってPMSMがEVドライブユニットの特効薬のように言われるようになったのだろうか？

PMSMの主な利点は、永久磁石を使用してローター励磁を発生させ、ローターに電流を流さないことである。これによりコアロスが減少し、より小さなモーター容積でより大きな電力を発生させることができる。平均して、PMSMは誘導モーターより2～3倍出力密度が高く、モーターの公称出力と軽量化に応じて2～5％の効率向上をもたらします。その他の利点としては、熱管理の改善、より広い周波数範囲での高効率化、より優れたトルク制御などがあります。

しかし、このような利点が期待できる反面、PMSMの採用には開発コストや制御の複雑さといった課題もある。

課題 ｜PMSMの複雑な制御とコスト

PMSMのローターに使用される永久磁石は、ネオジム・鉄・ボロンといった高価な希土類材料で構成されているため、PMSMは誘導モーターよりも高価である。加えて、ネオジム磁石は温度が上昇すると磁性が低下するため、ある温度閾値以上では動作させるべきではありません。これはモーター効率に影響し、永久ローターの減磁につながることもある。そのため、PMSMの用途では温度制御が不可欠です。

さらに、高効率を達成するためには、トルクリップルのない純粋な正弦波電圧でPMSMステータを駆動する必要があり、界磁指向制御（FOC）、磁束弱め、センサーレス制御など、より複雑な制御技術が必要になる。これらの制御装置は、同期運転に関連する効率を確保するために、正確な速度測定に依存しています。そのため、角度位置、測定、または推定が必要となり、この複雑な制御ソリューションにさらに1つのピースが加わります。

つまり、電気自動車用のPMSMを開発するには、コストのかかる物理的なプロトタイプを製作する前に、信頼性を確保するための高精度な制御開発テストが必要です。これらの課題を克服するために、電気自動車メーカーは、リアルタイムのHIL（Hardware-in-the-Loop）シミュレーションと有限要素モデリング（FEM）を活用して、PMSMの制御をより効率的に検証することができます。

HILテスト｜EVドライブトレイン用PMSM

Typhoon HILコンポーネント・ライブラリには、PMSMのデジタル・ツイン・モデルを簡単に作成するためのドラッグ＆ドロップ・オプションがいくつか用意されています（図1参照）。1つ目（図1a）は三相永久磁石同期機コンポーネントで、モータのデータシートからデータを提供する必要があります。2つ目のオプション（図1b）は、三相永久磁石同期機（JMAG）で、Typhoon統合の利点を生かし、超高忠実度のモデルを実現します。このコンポーネントを構成するには、JMAG-RT有限要素解析（FEA）ツールによって生成されたモデルファイルをアップロードする必要があります（図2参照）。FEAベースのモデルは、より正確なモータの機械的、電気的、熱的動作データを提供し、テスト結果をよりインパクトのある現実的なものにします。

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図1. Typhoon 利用可能なPMSMモデルの例：（a）三相永久磁石同期機（JMAG）、（b）三相永久磁石同期機。
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図2. Typhoon HIL ToolchainでFEMモデルをインポートして使用する手順の説明図。詳細はビデオチュートリアルをご覧ください。

テストの妥当性は、パワーエレクトロニクスモデルの忠実度に大きく依存します。これを支援するために、Typhoon HILコンポーネントライブラリには、パワーコンバータコンポーネント（三相インバータなど）が豊富に用意されており、ドラッグ＆ドロップでドライブユニットアプリケーションに使用することができます。これらのモデルを使用して、半導体の電力損失と動作温度を個別に測定できます。図3は、三相インバータのSCADAインターフェースに表示される温度と損失の結果を示しています。

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図3. 三相インバータの温度と損失データを表示したSCADAパネル。

ドライブユニットのコンポーネントのハイフィデリティモデルを設定した後は、PMSMの制御システムを追加します。Typhoon HILでは、信号処理コンポーネント、C関数、または最終製品で使用されるDSP（Digital Signal Processor）でコントローラを実行するなど、コントローラを実装するための複数のオプションが用意されています。図4は、フィールド指向コントローラを実行する外部テキサス・インスツルメンツDSPによって制御される3相インバータを使用したPMSMアプリケーションのSCADA例を示しています。

図4
図4.フィールド指向コントローラによって制御されるPMSMアプリケーションのSCADAパネル。

FEMモデルと強力なTyphoon HILソリューションを組み合わせることで、モーターとパワーエレクトロニクスからの温度、損失、空間高調波、効率に関する情報を得ることができます。しかし、利点はそれだけにとどまりません。自動テストを活用することで、PMSM制御を幅広い動作シナリオで継続的にテストし、有意義なレポートを提供し、製品開発を加速させることができます。

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クレジット

テキスト ｜Cassiano F. Moraes, Heitor J. Tessaro
ビジュアル ｜Typhoon HIL Documentation, Karl Mickei, Milica Obradovic
編集 ｜Sergio Costa, Debora Santo