ロックドローター設計とバッテリー電気自動車用 PMSM システムの応用

EV で急な坂道を登るときに、一瞬パワーが抑えられているように感じた瞬間を経験したことがありますか?これはローターがロックされた状態です。いいえ、故障ではなく、トルク要求とモーターの制限の間で意図的に安全性が保たれている状態です。 PUMBAAEV で PMSM (永久磁石同期モーター) システムの調整に何年も費やしてきた者として、私はこの「瞬間的な停止」が車両の実際のパフォーマンスにどのように影響を与えるかを見てきました。教科書的な定義を無視して、実際に重要なこと、つまり、スマート ロックド ローター設計が BEV の潜在的な弱点を強みに変える方法について話しましょう。

PMSMを搭載したEVにおいてローターのロックが汚い言葉ではない理由

ほとんどのドライバーは「ローターのロック」を故障と結び付けます。ドリルの停止やファンの故障を思い浮かべてください。しかしEVではそれは計算された状態だ。最大トルクが必要なとき（峠を登るときや停止状態から発進するときなど）、PMSM のローターは瞬間的に「ロック」して、過熱や減磁を引き起こすことなくピークパワーを供給します。獲物は？従来の設計では、効率や耐久性が犠牲になることがよくあります。 PUMBAAEV では、鍵となるのはローターのロックされたシナリオを回避することではなく、それをマスターすることであることを学びました。

昨年の商用バンのクライアントとの仕事を例に挙げてみましょう。バッテリーの消耗を低く抑えながら、30% の勾配の登りに対応できる PMSM が必要でした。初期のテストでは、ロックされたローターのトルクが持続してから 90 秒以内に標準ローターが過熱することが示されました。単に大型の冷却ファンを追加しただけではありません。ロックアップ中の渦電流損失を低減するためにローターの磁気回路を再設計し、熱放散を改善するためにセグメント化されたステーターと組み合わせ、インバーターを安定に保持するのではなくパルストルクするようにプログラムしました。結果？バンはローター温度を臨界閾値より 20°C 低く保ちながら、同じ勾配を 5 分間連続で登ります。それが、ロックドローター設計が可能にする現実世界の勝利です。

PMSM エッジ: ロックドローターシナリオで誘導モーターに勝る理由

誘導モーターも適していますが、ロックローターの性能に関して言えば、PMSM が優れています。永久磁石は即座にトルクを提供します。誘導セットアップのように磁場が形成されるのを待つ必要はありません。しかし、その同じ性質が課題を生み出します。ロックアップ中の大電流により、巻線が焼けたり、磁石が弱くなったりする可能性があります。

ここがPUMBAAEVのアプローチと異なるところだ。ローターを静的コンポーネントとして扱う代わりに、その動作をモデル化します。その間ロックアップ。当社のエンジニアは、有限要素解析を使用して、さまざまな磁石グレード (カスタマイズされた保磁力を備えた焼結 NdFeB を好みます) と積層材料 (渦損失をカットするための薄ゲージのシリコン鋼) が突然のトルク スパイクにどのように反応するかをシミュレーションします。あるプロジェクトには、モーターを焼き切ることなく「瞬時の発進感」を求めるスポーツカーのクライアントが関与していました。最終的にローターに V 字型の磁石アレイを使用することになりました。確かに型破りではありますが、ロックアップ中に磁束がより均一に広がり、ピーク電流が 18% 削減されました。ドライバーは首を絞めるような加速を得ることができます。モーターは冷えたままです。

実験室を超えて: ロックドローター設計が成功する現実世界のアプリケーション

シミュレーションを熱心に検討するのは簡単ですが、ロックローターの設計は、それが路上で機能する場合にのみ意味を持ちます。スマート ロック ローター ロジックを備えた PMSM がその価値を証明する 3 つのシナリオを次に示します。

1. オフロードリカバリー​

電動 ATV を構築しているクライアントは、車両を泥の穴から引き上げるために、ロックされたローターのトルクを 2 ～ 3 分間維持するために、PMSM を必要としていました。 「トルク ブリージング」アルゴリズムを追加しました。インバーターは 500 ミリ秒のバーストでパルス電力を供給し、サイクル間でローターを冷却します。ステーター周囲の水グリコールジャケットと組み合わせることで、競合他社のモーターが60秒以内に過熱する中、酷使に対処しました。

2. 回生ブレーキフォールバック​

回生から加速に切り替えるときに、一部の EV が躊躇していることに気づいたことがありますか?それはロックローター移行の問題です。 PUMBAAEV では、トルク要求が達する前に車輪速度センサーを使用してローターに事前に電力を供給し、これらの変化を予測するように PMSM をプログラムしています。私たちが協力した配送用バン車両では、この調整後、都市部のドライブサイクル効率が 12% 向上しました。

3. フォールトトレランス​

駆動中にセンサーが故障した場合、致命的な損傷を避けるために、PMSM は「安全ロックローター」モードに入る必要があります。当社のシステムは、冗長温度センサーと、履歴データに基づいてトルクを制限するバックアップ制御ループを使用しているため、センサーが 1 つ存在してもモーターは自己調整します。これは理論的なものではありません。これにより、ノルウェーでの冬季テスト中にクライアントのプロトタイプが完全な失敗から救われました。

PUMBAAEV の見解: PMSM の DNA に組み込まれたロックドローターの設計

PMSM を生業とするメーカーとして、私たちはロックローターを解決すべき問題として捉えるのをやめました。それは特徴です。当社の最新の EV モーター製品ラインには、BMS に「ロックローター モード」トグルが含まれており、ドライバーは「エコ」 (ロックアップ時間の制限) または「スポーツ」 (ピークトルクの延長) を選択できます。ボンネットの下では、各モーターには生産中にマッピングされた固有の熱プロファイルがあるため、制御ソフトウェアはその固有の癖に適応します。

このパーソナライズされたアプローチは、当社の歴史に由来しています。 2018 年に遡ると、私たちは丘陵地帯の都市で失敗し続けたスクーターのスタートアップ企業のために PMSM を構築しました。結局のところ、彼らはすべての気候に対して同じロックドローターパラメータを使用していたことがわかりました。周囲温度とバッテリー残量に基づいてロックアップ時間を調整するようにファームウェアを再設計し、問題を解決しました。この教訓は定着しました。同じロックドローターの要求に直面する 2 つの EV は存在しないため、2 つの PMSM を同じように調整すべきではありません。

今後の道のり: 次世代 BEV 向けのよりスマートなロックドローター

全固体電池と 800V アーキテクチャが目前に迫っているため、ロックローターの設計はさらに難しくなるでしょう。電圧が高いほど、電流スパイクが速くなります。エネルギー密度の高いバッテリーでは、ロックアップ時間が長くなります。 PUMBAAEV では、ロックアップ時のスイッチング損失を削減する窒化ガリウム (GaN) インバーターと、冷却チャネルを最適化する 3D プリントされたローター コアの実験を行っています。目標？強力なトルクを提供する PMSMそして一日中オフロードで酷使されても生き延びます。

したがって、次回、EV の加速に「一時停止」を感じたら、それは欠陥ではないことを思い出してください。それは、最も重要な瞬間をデザインする、スマート エンジニアリングの音です。そして、通勤だけではない機能を必要とする EV を開発しているのであれば、ローターのロックをリスクではなくチャンスとして扱うチームと話し合う時期が来たのかもしれません。

プンバエフについて​

当社は、トルクを現実世界の能力に変えることに熱心に取り組んでいる PMSM システム メーカーです。商用バンからオフロードリグまで、当社のモーターは、EV が日常的に直面する厄介で予測不可能な瞬間に対処できるように構築されています。当社のロックローター設計哲学があなたのプロジェクトにどのように適合するかを知りたいですか?ご連絡ください。汗をかくことなく 40% の勾配を登った最新の ATV モーターのケーススタディをお送りします。

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