PMSM モーター: 電気自動車の効率的な運転に理想的な選択肢

I. はじめに

カーボンニュートラルへの世界的な注目と電気自動車（EV）産業の急速な発展に伴い、高効率、高性能の駆動モーターに対する需要はますます厳しくなっています。 EV の航続距離、動力性能、信頼性を決定する中核コンポーネントとして、PMSM モーターは徐々に新エネルギー車の主流の構成となり、多くのハイエンドおよび大衆市場モデルで従来のモーターに取って代わりました。

1970 年代以来、希土類永久磁石材料の開発により、永久磁石によって生成される安定した磁場に依存する永久磁石モータの改良が推進されてきました。EV用pmsmモーター従来の電気励起モーターの性能ボトルネックを打破し、省エネ、小型化、精密制御において明らかな利点を示しました。この記事では、PMSMモーターの技術的特性、主な利点、実用的価値を深く分析し、EV分野での開発の見通しについて説明します。

II. PMSM モーターと電気自動車におけるその役割の概要

PMSM モータは、永久磁石を使用してロータ磁界を確立し、スリップ リング、ブラシ、ロータ励磁巻線を使用せずにロータとステータの回転磁界間の同期動作を実現する AC モータです。従来のモーターとは異なり、その磁場は希土類永久磁石材料 (ネオジム鉄ホウ素 Nd2Fe14B など) によって提供され、高い保磁力、残留磁気、磁気エネルギー積などの優れた磁気特性を備えています。

電気自動車では、PMSMモーターfor evは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するという中核的なタスクを引き受け、車両の動的応答、エネルギー消費、運転体験に直接影響を与えます。

ベクトル制御、直接トルク制御、パワーエレクトロニクスデバイス技術の成熟により、PMSMモータは始動の困難さと複雑な制御という歴史的な問題を解決し、乗用車、商用車、新エネルギー特殊車両に広く使用されています。速い加速を追求する高性能EVから長距離を重視するファミリーカーまで、PMSMモーターはさまざまな製品配置ニーズに合わせてカスタマイズおよび調整できます。

開発の歴史から見ると、世界最初のモーターは永久磁石モーターでしたが、永久磁石材料の性能の遅れから、一旦は電気励磁モーターに取って代わられました。 PMSMモータが再び活気を取り戻し、高出力、高効率、小型化の方向に進んだのは、1970年代にNdFeBレアアース材料が登場してからです。現在、国内外の大手企業は大出力PMSM技術で画期的な進歩を遂げ、EV業界での普及に向けた強固な基盤を築いています。

Ⅲ． PMSMモーターの動作原理と技術的特徴

3.1 永久磁石と電磁界の相互作用原理

PMSM モーターの中心的な動作原理は、永久磁石と交流の間の電磁誘導と相互励起効果に基づいています。ローターには希土類永久磁石が装備されており、磁化後に一定の磁場を生成します。固定子巻線は三相交流に接続され、速度と振幅が調整可能な回転磁界を形成します。

電磁力の作用により、ローターはステーターの回転磁界に「ロック」され、回転速度が同期速度と同じ（スリップ損失なし）で同期して動作するため、エネルギー変換効率が根本的に向上します。

3.2 効率的なエネルギー変換プロセス

従来の電気励起モーターと比較して、ev用pmsmモーターはローター巻線の励磁損失やブラシやスリップリングの機械損失がなくなり、ステーター電流はトルク電流を供給するだけで済むため、銅損と鉄損が大幅に低減されます。エネルギー変換プロセスでは、永久磁石の磁場は安定していて信頼性が高く、エネルギー損失は低レベルに制御され、部分負荷または低速動作条件下でも高効率を維持できます。これは電気自動車の航続距離を延ばすために重要です。

3.3 正確な速度とトルク制御

PMSM モーターの正確な制御は、高度な制御アルゴリズムと高性能パワー エレクトロニクス デバイスに依存しています。ベクトル制御（FOC）は、ACモータの速度調整の問題を原理的に解決し、広範囲でのスムーズな速度調整と高速なトルク応答を実現します。ダイレクト トルク コントロール (DTC) は制御構造を簡素化し、パラメータ変更に対する強力なロバスト性と高速な動的応答を実現します。

これは、電気自動車の場合、モーターが発進時や加速時に瞬時に大きなトルクを出力し、高速巡航時に安定した動作を維持するとともに、走行状況に応じて速度とトルクを正確にマッチングさせ、エネルギー消費を最適化することを意味します。

さらに、高性能プロセッサーやパワーエレクトロニクスデバイスの適用により、PMSMモーターの制御精度や応答速度がさらに向上しました。一般的な周波数変換器は、電源周波数電力を可変周波数電力に変換することができ、同期モーターの起動問題を解決し、ev用pmsmモーターの用途に信頼できる技術保証を提供します。

IV.電気自動車の効率的な運転における PMSM モーターの利点

4.1 高効率による航続距離の拡大

PMSM モーターの全負荷効率は 94% ～ 97% に達する可能性があり、これは従来の非同期モーターの効率より 3 ～ 5 パーセントポイント高くなります。さらに重要なのは、電気自動車の日常の運転シナリオのほとんどを占める部分負荷条件下で高い効率を維持できることです。

バッテリー容量が限られているEVの場合、モーター効率の向上は航続距離の延長に直接つながります。同じバッテリー構成の下で、EV用pmsmモーターを搭載した車両は航続距離を10%～15%延長でき、ユーザーの航続距離に対する不安を効果的に軽減できます。

4.2 高トルク密度による動力性能の強化

PMSM モータは、ロータ励磁巻線の廃止と高性能希土類永久磁石の採用により、コンパクトな構造、小型、軽量という特徴を備えています。同じ体積と重量の下で、そのトルク密度は非同期モーターよりも 20% ～ 30% 高く、より強力な出力を提供できます。

これにより、電気自動車においては、モーターの配置がより柔軟になると同時に、低速域で大きなトルクを出力することができ、素早い加速と力強い登坂性能を実現し、ドライビングプレジャーを向上させることができます。

4.3 広い速度規制範囲で多様なニーズに対応

ベクトル制御技術と弱磁性速度拡張技術のサポートにより、ev用pmsmモーターは広い速度調整範囲を持ち、低速、大トルク、高速、定電力をシームレスに切り替えることができます。これにより、電気自動車は発進時や登坂時に大きなトルクを安定して出力し、高速巡航時に高い効率と安定性を維持するなど、複雑な走行条件に適応することが可能になります。特に内蔵PMSMモーターの場合、優れた弱磁気速度拡張能力を備えており、高速動作範囲をさらに拡大し、電気自動車の多様化する速度要件に対応できます。

4.4 高い信頼性で安全運転を確保

PMSMモーターはブラシレス構造を採用しているため、ブラシやスリップリングの磨耗や故障のリスクがなく、その耐用年数は15年以上（電気自動車の耐用年数に匹敵）に達します。同時に、構造の簡素化により、従来のモーターに比べて故障率が大幅に低くなります。

設計においては、極アーク係数やスロット幅の最適化、スキュースロットの採用などにより、コギングトルクを低減し、モーター運転時の振動や騒音を最小限に抑え、運転の快適性と安全性を向上させています。さらに、成熟した熱管理技術により、高温による永久磁石の減磁を効果的に防止し、極端な作業条件下でも安定した動作を保証します。

V. 電気自動車におけるPMSMモーターの実用化事例

世界的には、ev 用の pmsm モーターが主流の自動車メーカーの駆動モーターとして採用されています。例えば、テスラ モデル 3/Y は永久磁石埋込型同期モーターを採用しており、高効率と高性能のバランスを実現しており、最適な動作条件下でモーター効率は 97% に達し、0-100km/h 加速時間は 3.3 秒という低さです。国内自動車メーカーのBYDはブレードモーターを独自に開発し、HanやTangなどのモデルに広く採用されている。

ネオジウム・鉄・ボロン系の永久磁石材料を採用し、磁気回路設計を最適化することでトルク密度40N・m/kg以上、最大効率98.5％を実現。

商用車分野では、上海汽車の電気ライトバスと福田の電気トラックにもカスタマイズされたPMSMモーターが搭載されており、頻繁な発進停止や高負荷の作業条件に適応でき、100キロメートルあたりのエネルギー消費量は非同期モーターを搭載した車両より15～20％低い。

海外では、BMW iX3 とメルセデスベンツ EQC もコア駆動コンポーネントとして PMSM モーターを使用しており、その高い信頼性と効率を利用して製品の市場競争力を強化しています。

産業支援の面では、シーメンスやABBなどの大手モーター企業もev技術用のpmsmモーターで重要な進歩を遂げています。シーメンスは 1986 年に早くも 1095kW の 6 相 PMSM モーターを開発しました。これは船舶の推進に使用され、従来の DC モーターと比較して体積が 60% 近く削減されました。 ABB の船舶推進用 PMSM モーターの最大設置容量は 38MW で、高出力シナリオでの PMSM モーターの応用のための技術的基盤を築きます。

中国では、株州CRRCが3MW高速永久磁石風力発電機を開発し、その技術をEV分野に移転し、国産PMSMモーターの高度化を推進している。

VI. PMSMモーターと他の駆動モーターの比較

6.1 非同期誘導電動機との比較

非同期誘導モーター (IM) は、低コスト、構造が簡単、堅牢性が高いという利点があり、かつては初期の電気自動車で広く使用されていました。ただし、PMSM モーターと比較すると、その欠点は明らかです。全負荷効率は 90% ～ 93% にすぎず、部分負荷では効率が大幅に低下します。トルク密度が低いため、体積と重量が大きくなります。速度調整精度は滑りによって制限され、動的応答は遅くなります。

航続距離と性能を追求する電気自動車にとって、ev 用 pmsm モーターはより理想的な選択肢となっていますが、非同期モーターは少数の低価格モデルまたは高出力の特殊車両にのみ搭載されています。

6.2 スイッチトリラクタンスモーターとの比較

スイッチトリラクタンスモーター (SRM) は、構造が簡単、低コスト、減磁のリスクがないという利点があります。しかし、トルクリップルが大きい、騒音が高い、効率が低いなどの明らかな欠点があり、乗用車への適用が制限されています。 PMSM モーターは、より優れた滑らかさ、より低いノイズ、より高い効率を備えており、電気自動車の快適性の要件をよりよく満たすことができます。

さらに、PMSM モーターの制御精度と動的応答は SRM よりもはるかに優れており、高い運転性能が要求されるシナリオにより適しています。したがって、SRM は少数のローエンド電気自動車と特殊機器でのみ使用されており、PMSM モーターが主流の EV 市場を独占しています。

VII. PMSMモーターの開発動向と課題

7.1 開発動向

PMSM モータの将来の開発は、低コストと高性能の 2 つの方向に焦点を当てます。低コストの観点からは、非希土類永久磁石材料および再生永久磁石材料の研究と適用により、ネオジム-鉄-ホウ素への依存が低減され、設計および製造プロセスの最適化により、生産コストがさらに削減されます。

高性能の面では、ev用pmsmモーターは、高速、大トルク、インテリジェンスを目指して開発されます。炭化ケイ素（SiC）パワーデバイスと高度な制御アルゴリズム（スライディングモード制御、適応制御など）の採用により、効率と応答速度がさらに向上し、車載インテリジェントシステムとの統合が実現され、運転習慣に応じた適応調整が実現されます。

さらに、シミュレーション技術と設計技術の組み合わせが重要な開発方向になります。有限要素解析ソフトウェアにより、磁界分布やコギングトルクなどのモータパラメータを正確に計算でき、界磁回路組み合わせ法により計算効率と精度のバランスを図ることができ、PMSMモータの開発サイクルを短縮できます。同時に、永久磁石ブラシレス DC モーター (BLDCM) は PMSM テクノロジーとさらに統合され、高度な制御戦略が導入されて家電製品や小型電気自動車への応用が拡大されます。

7.2 主要な課題

PMSM モーターには明らかな利点があるにもかかわらず、EV 分野では依然として多くの課題に直面しています。まず、レアアース永久磁石材料の価格は変動しやすく、サプライチェーンは政策や環境要因の影響を受けるため、メーカーにコストリスクをもたらします。第二に、極端な条件下での永久磁石の減磁の問題は完全には解決されておらず、熱管理と磁気回路設計のさらなる最適化が必要です。第三に、制御システムが複雑であり、センサレス制御や低速起動技術の研究開発の敷居が高く、中小企業への普及が制限されている。

さらに、永久磁石材料のリサイクルおよび再利用技術はまだ成熟していないため、EV用PMSMモーターの使用済み廃棄処分に環境圧力が生じています。性能、コスト、環境保護、信頼性のバランスをとることが、PMSM モーターの持続可能な開発にとって重要な課題となっています。

Ⅷ.結論と展望

高効率、高トルク密度、広い速度調整範囲、高信頼性という利点を持つPMSMモーターは、電気自動車の効率的な駆動に理想的な選択肢となっており、レアアース材料技術と制御技術のアップグレードにより、EV駆動モーター市場で主流の地位をさらに占めることになるでしょう。電気自動車メーカーにとって、ev 用 PMSM モーターの設計を最適化し、コストを削減し、信頼性を向上させることが、市場を獲得するための中核的な競争力となります。消費者にとって、PMSM モーターを搭載した車両はより優れた運転体験をもたらし、使用コストを削減できます。

将来的には、非希土類永久磁石材料、インテリジェント制御技術、リサイクル技術のブレークスルーにより、PMSMモータの技術的ボトルネックが徐々に解決され、乗用車や商用車から新エネルギー船舶、航空宇宙などのハイエンド分野まで、その応用分野がさらに拡大すると予想されます。 PMSMモーターは新エネルギー車の中核コンポーネントとして、今後も世界の自動車産業の変革とアップグレードを促進し、カーボンニュートラル目標の実現に貢献していきます。