はじめに | EV駆動装置における永久磁石同期モーター（PMSM）の性能上の利点

電気自動車がガソリン車と競争力を持つ道程は、主に効率性、航続距離、コストに関する障壁に満ちていた。これらを克服するため、電動パワートレインのあらゆる側面で革新が絶えず生まれている。 特に駆動ユニットにおいては、永久磁石同期モーター（PMSM）が、モーターの小型化・軽量化を図りつつ効率と出力密度を高めるトレンド技術となっている。では、なぜ最近になってEV駆動ユニットの万能薬と見なされるようになったのだろうか？

永久磁石同期モーター（PMSM）の主な利点は、永久磁石を用いて回転子の励磁を生成するため、回転子内に実質的に電流が流れない点にある。これにより鉄損が低減され、より小型のモーターでより多くの電力を生成できる。 平均的に、PMSMは誘導電動機よりも2～3倍の電力密度を有し、モーターの定格出力と重量削減に応じて2～5％の効率向上をもたらします。その他の利点には、熱管理の改善、広い周波数範囲での高効率、トルク制御の向上が含まれます。

しかしながら、これらの利点が非常に有望に聞こえる一方で、PMSMの導入には開発コストや制御の複雑さに関連する課題が存在する。

課題 | 永久磁石同期モーターの複雑な制御とコスト

永久磁石同期モーター（PMSM）のローターに使用される永久磁石は、ネオジム鉄ホウ素などの高価な希土類材料で構成されているため、PMSMは誘導電動機よりも高価である。さらに、ネオジム磁石は温度上昇に伴い磁力が低下するため、特定の温度閾値を超えて動作させてはならない。これはモーター効率に影響を与え、場合によってはローターの永久的な減磁を引き起こす可能性がある。したがって、PMSMの応用においては温度制御が極めて重要である。

さらに、高効率を達成するためには、PMSM固定子にはトルクリップルのない純粋な正弦波電圧で駆動する必要があり、これにはフィールド指向制御（FOC）、磁束減衰、センサレス制御といったより複雑な制御技術が求められる。これらの制御器は、同期運転に関連する効率を確保するために精密な速度測定に依存している。したがって、角度位置の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一つの要素が加わることになる。

これらを総合すると、EV用途向けの永久磁石同期モーター（PMSM）を開発するには、高価な物理プロトタイプを構築する前に信頼性を確保するため、高精度な制御開発試験が必要となる。これらの課題を克服するため、電気自動車メーカーはリアルタイムのハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）シミュレーションと有限要素法（FEM）モデリングを活用し、PMSMの制御をより効率的に検証できる。

HIL試験| EV駆動系向け永久磁石同期モーター

Typhoon ライブラリは、PMSMのデジタルツインモデルを簡単に作成するための複数のドラッグアンドドロップオプションを提供します（図1参照）。最初のオプション（図1a）は三相永久磁石同期電動機コンポーネントであり、モーターのデータシートからのデータを提供する必要があります。 二つ目のオプション（図1b）は三相永久磁石同期機（JMAG）コンポーネントであり、Typhoon連携を活用することで超高精度のモデルを実現します。このコンポーネントを設定するには、JMAG-RT有限要素解析（FEA）ツールで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、モーターの機械的、電気的、熱的動作データについてより正確な情報を提供するため、試験結果のインパクトと現実性を高めます。

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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ツールチェーンにおけるFEMモデルのインポートと使用手順の図解。詳細についてはこちらの動画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精度に大きく依存します。これを支援するため、Typhoon は、ドライブユニットアプリケーションでドラッグ＆ドロップするだけで使用できる、豊富なパワーコンバータコンポーネント（例：三相インバータ）を提供します。これらのモデルを使用すると、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. 三相インバータからの温度および損失データを表示するSCADA パネル。

駆動ユニット部品の高精度モデルを設定した後、PMSMの制御システムを追加する段階です。Typhoon 、信号処理コンポーネント、C関数、あるいは最終製品で使用されるデジタル信号プロセッサ（DSP）上でコントローラを実行するなど、複数のコントローラ実装オプションが提供されます。 図4は、フィールド指向制御器を実行する外部テキサス・インスツルメンツ製DSPで制御される三相インバータを用いたPMSMアプリケーションのSCADA例を示している。

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図4.磁界指向制御器によって制御される永久磁石同期モーター（PMSM）アプリケーションのSCADAパネル。

FEMモデルとTyphoon 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られます。しかし利点はそれだけではありません。自動化されたテストを活用し、幅広い動作シナリオを通じてPMSM制御を継続的に検証でき、有意義なレポートを提供し、製品開発を加速させます。

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クレジット

テキスト | カシアーノ・F・モラエス、ヘイトール・J・テッサーロ
ビジュアル | Typhoon ドキュメンテーション、カール・ミッケイ、ミリカ・オブラドヴィッチ
編集 | セルジオ・コスタ、デボラ・サント