はじめに| EV駆動ユニットにおけるPMSMの性能上の利点

電気自動車をガソリン車と競合可能にするための道のりは、主に効率、航続距離、そしてコスト面で、多くの障壁に直面してきました。これらの課題を克服するため、電動パワートレインのあらゆる側面において、絶えず革新が起こっています。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、モーターの小型軽量化と効率性および出力密度の向上を実現する注目の技術です。しかし、なぜPMSMは近年、EV駆動ユニットの特効薬として注目されているのでしょうか？

PMSMの主な利点は、永久磁石を用いてローターを励磁するため、ローター内に実質的に電流が流れないことです。これによりコア損失が低減され、より小さなモーター容積でより多くの電力を生成できます。平均して、PMSMは誘導モーターの2～3倍の電力密度を持ち、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効率向上、トルク制御の向上などが挙げられます。

しかし、これらの利点は有望に思えますが、PMSM を導入する場合には、開発コストやこれらの機械の制御の複雑さに関連した課題がいくつかあります。

課題| PMSMの複雑な制御とコスト

PMSM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は誘導モーターよりも高価です。さらに、ネオジム磁石は温度上昇とともに磁力が低下するため、一定の温度閾値を超える温度では動作させないでください。これはモーターの効率に影響を与え、場合によってはローターの永久減磁につながる可能性があります。したがって、PMSMアプリケーションでは温度制御が不可欠です。

さらに、高効率を実現するためには、PMSMステータを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、磁界方向制御（FOC）、弱め磁束制御、センサレス制御といったより複雑な制御技術が必要となります。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、正確な速度測定に依存しています。そのため、角度位置の測定、あるいは推定が必要となり、この複雑な制御ソリューションに新たな要素が加わることになります。

これらを総合すると、EVアプリケーション向けPMSMの開発には、高価な物理プロトタイプを作成する前に、信頼性を確保するための高精度な制御開発テストが不可欠であることがわかります。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、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ドライブトレイン向け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アンドドロップオプションがいくつか用意されています（図1を参照）。最初のオプション（図1a）は、三相永久磁石同期機コンポーネントで、モーター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番目のオプション（図1b）は三相永久磁石同期機（JMAG）で、TyphoonとJMAGの統合を活用して非常に高いモデル忠実度を実現します。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を参照）。FEAベースのモデルは、モーターのより正確な機械的、電気的、および熱的動作データを提供するため、テスト結果はよりインパクトがあり現実的になります。

図1-新規
図 1. Typhoon コンポーネント ライブラリで使用可能な 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FEMモデルをインポートして使用する手順の図解。詳細については、こちらの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。そのため、Typhoon HILコンポーネントライブラリは、幅広い電力変換コンポーネント（三相インバータなど）を提供しており、ドラッグアンドドロップするだけで駆動ユニットアプリケーションで使用できます。これらのモデルを使用することで、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。

図3-2
図 3.三相インバータからの温度と損失データを表示する SCADA パネル。

駆動ユニットコンポーネントの高忠実度モデルをセットアップしたら、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言語関数、最終製品で使用されるデジタル信号プロセッサ（DSP）内でのコントローラ実行など、コントローラを実装するための複数のオプションが提供されています。図4は、フィールド指向コントローラ（FOC）を実行する外部Texas Instruments DSPによって制御される三相インバータを使用したPMSMアプリケーションのSCADAの例を示しています。

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、効率に関する情報が得られます。メリットはそれだけではありません。自動テストを活用することで、幅広い動作シナリオを通じてPMSM制御を継続的にテストし、有益なレポートを提供することで、製品開発を加速できます。

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クレジット

テキスト|カッシアーノ・F・モラエス、ヘイトール・J・テッサロ
ビジュアル| Typhoon HIL ドキュメント、Karl Mickei、Milica Obradovic
編集者|セルヒオ・コスタ、デボラ・サント