永久磁石同期モータの今後の発展方向は？

永久磁石同期モーターs (PMSM) は、現代の電化システムの中核となる電力コンポーネントに進化し、その高効率、優れた電力密度、および卓越した動的性能で知られています。世界的なカーボンニュートラル目標、厳格な省エネルギー政策、自動車や製造から航空宇宙に至る主要産業の急速な電化により、PMSM は新エネルギー車 (NEV)、産業オートメーション機器、航空宇宙推進システム、家庭用電化製品、分散型発電プロジェクトに広く採用されています。

材料科学、パワーエレクトロニクス技術、および制御アルゴリズムが進歩し続けるにつれて、PMSM はより高いパフォーマンス、インテリジェンス、グリーン化、およびシステム統合に向けて大きな変革を遂げています。この記事では、業界の研究者、エンジニア、意思決定者に体系的な洞察を提供することを目的として、高度な設計手法について詳しく説明しながら、PMSM の開発コンテキスト、コア テクノロジー、アプリケーション シナリオ、既存の課題、将来の傾向を包括的に調査します。

I. はじめに

世紀半ばの世界的なカーボンニュートラル目標と産業電化の加速の中で、高効率で信頼性の高いモーターの需要が急増しています。永久磁石同期電動機独自の技術的利点により、誘導モーター、スイッチトリラクタンスモーター、その他の従来のモーターよりも優れた性能を発揮します。

ローター巻線の励磁に依存する誘導モーターとは異なり、PMSM はローター磁場に高性能永久磁石を使用するため、ローターの銅損が排除されます。これにより、エネルギー効率が 5 ～ 10%、電力密度が 20 ～ 30% 向上し、NEV トラクション、高精度サーボ機器、航空宇宙補助電源ユニット、分散型風力/太陽光発電に最適です。

また、高速応答と低トルクリップルにより、産業用ロボットや機械加工装置などの精密なシナリオに不可欠なものとなっています。

しかし、大規模な PMSM アプリケーションはボトルネックに直面しています。それは、希土類磁石の高価なコスト (総コストの 30 ～ 40%)、劣った熱安定性、複雑な制御要件、およびハイエンドのパワー エレクトロニクス コンポーネントとシミュレーション ツールへの依存です。

磁石材料、構造設計、シミュレーション、制御アルゴリズムにおける継続的な革新が不可欠です。この記事では、PMSM の中核となる側面を実際の事例や課題分析とともに整理し、研究やエンジニアリングの参考にさせていただきます。

II. PMSMの開発・研究状況

（一）開発基盤

永久磁石同期モータの開発と普及は、永久磁石材料技術、パワーエレクトロニクス技術、制御理論という 3 つの中核分野におけるブレークスルーと密接に結びついています。これら 3 つの柱は相互に補完し合い、PMSM テクノロジーを実験室での研究から大規模な工業生産まで推進します。

永久磁石材料に関しては、20 世紀初頭のモーターはフェライトとアルニコ磁石に依存していましたが、これらの磁石の磁気エネルギー積は低く (フェライトでは 20 ～ 30 kJ/m3、アルニコでは 40 ～ 60 kJ/m3)、その結果、出力密度が低く、体積が大きくなり、効率が限られ、小型ファンなどの低出力シナリオでの使用が制限されていました。 1980 年代の希土類磁石の発明と工業化は画期的な出来事でした。ネオジム鉄ホウ素 (NdFeB) 磁石は 200 ～ 400 kJ/m3 (フェライトの 5 ～ 10 倍) の磁気エネルギー積を誇り、基本的に PMSM の小型化、高効率、高出力密度を可能にします。

サマリウム コバルト (SmCo) 磁石 (150 ～ 250 kJ/m3) は、高温環境における PMSM の用途をさらに拡大しました。一方、成熟した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）、炭化シリコン（SiC）MOSFET、および窒化ガリウム（GaN）デバイスは駆動効率と信頼性を向上させ、制御アルゴリズムの反復（スカラー制御からFOC/DTC、そしてMPCへ）により複雑な条件におけるPMSMの性能を強化しました。

（Ⅱ）国内外の研究状況

国際的には、先進国は成熟した PMSM 技術システムと産業チェーンを形成しています。日本は自動車および家電用途に注力している。トヨタ、日産、三菱電機は数十年にわたるNEV PMSMの経験があり、トヨタのプリウスハイブリッドは複数世代にわたってコアトラクションモーターとしてPMSMを採用しており（システム効率は90％を超え）、三菱の高精度サーボPMSM（トルクリップル<1％）は産業用ロボットで広く使用されている。

ドイツは高速、高出力の PMSM に優れており、シーメンスとボッシュは 20,000 RPM を超える速度と 98% を超える効率を備えたモデルを開発し、遠心圧縮機や航空宇宙用の補助電源ユニットに適用されています。米国はハイエンド分野をターゲットにしています。GE のマルチメガワット PMSM は船舶の推進力と風力タービンに電力を供給し、MIT とスタンフォードは AI ベースの制御アルゴリズムと新しい磁石を研究しています。

国内では、NEV産業の成長と政策支援に牽引され、BYD、ファーウェイ、長城汽車はコア技術（NdFeB調製、トポロジー設計、ベクトル制御）を習得し、NEVトラクション、産業用サーボ、家庭用電化製品用のPMSMを量産している。 BYD のブレード モーター (IPMSM の一種) は 3kW/kg 以上の出力密度を持ち、同社の NEV ラインアップで広く使用されています。しかし、ハイエンドの希土類材料、独立したシミュレーション ソフトウェア、高精度の制御チップにはまだギャップが残っています。

（III）産業用途

PMSM は主要な分野で広く採用されており、電化と省エネの中心的な推進力となっています。 NEV では、PMSM がトラクションおよび補助システムの主流を占めています。優れた磁束弱化機能を備えた IPMSM が、中級から高級 NEV のトラクション (発進、登坂、巡航のニーズを満たす) の主流である一方、SPMSM は、省エネと騒音低減を目的としてエアコンのコンプレッサーやウォーター ポンプに使用され、車両の耐久性を延長します。

産業オートメーションでは、PMSM はサーボ システム、産業用ロボット、CNC 機械の中核となります。高精度サーボ PMSM により、ロボットの関節や工作機械の安定した正確な動作が保証されます。航空宇宙分野では、SmCo ベースの PMSM (優れた熱安定性) が補助電源ユニット、飛行制御アクチュエーター、衛星姿勢制御システムに使用され、過酷な航空/宇宙環境に適応しています。

家電製品では、エアコン、洗濯機、冷蔵庫の誘導モーターが PMSM に徐々に置き換えられ、エネルギー消費量が 10 ～ 20% 削減され、厳しいエネルギー効率基準を満たしています。エネルギー分野では、永久磁石直接駆動風力タービンによりギアボックスが不要になり、メンテナンスコストが削減され、効率が向上し、風力発電業界のトレンドになっています。

Ⅲ． PMSMのコア技術

（I）設計技術

設計技術は、永久磁石同期モータの総合的な性能を向上させる上で中心となり、性能、コスト、製造可能性のバランスをとりながら、回転子/固定子のトポロジー、磁石のレイアウト、損失制御、構造的信頼性、冷却システムの設計をカバーします。ローター トポロジには 2 つの主流のタイプがあります。SPMSM はローター表面に磁石を取り付けます。シンプルな構造、製造が簡単、低コストが特徴で、低速、低電力のシナリオに適しています。

IPMSM はローター コアに磁石を埋め込み (磁気回路を最適化するためのフラックス バリアを備えています)、より高いトルク密度と磁束弱め範囲を提供し、NEV のトラクション システムや高性能サーボ システムに最適です。磁石レイアウトの最適化 (ハルバッハ配列、分数スロット集中巻) により、エアギャップ磁密度が向上し、トルクリップルが低減します。ハルバッハ配列は磁束を集中させることで出力密度を向上させ、一方、分数スロット巻線は端巻線を短くして銅損を低減します。

損失の最適化は、鉄損、銅損、浮遊損失を対象としています。冷却システム（高出力・高速モデルは水冷・油冷）により効率よく熱を逃がし、磁石の減磁を防ぎます。

（Ⅱ）シミュレーション技術

シミュレーション技術は、全次元の性能予測を可能にすることで、研究開発サイクルを短縮し、コストを削減し、信頼性を向上させます。最新の PMSM 設計は、マルチフィジックス シミュレーション ツールを利用して、電磁気、熱、機械、および流体力学シミュレーションを統合します。

電磁シミュレーションにより磁気回路を最適化し、トルクリップルや損失分布を計算し、磁気飽和を回避します。熱シミュレーションは巻線、磁石、ハウジングの温度分布を予測し、磁石の温度を 120 ～ 150 °C (NdFeB の安全限界) 未満に保つように冷却チャネルの設計を導きます。機械シミュレーション (Ansys Mechanical) により、高い遠心力下でのローターの強度と動的バランスを検証し、カーボンファイバースリーブなどの構造を最適化します。

デジタル ツイン テクノロジを使用すると、シミュレーションが物理プロトタイプと統合され、リアルタイムのパラメータ調整、反復的な最適化、予知保全が可能になり、予期せぬ障害のリスクが軽減されます。

（III）制御技術

制御テクノロジーは、PMSM の動的パフォーマンス、効率、安定性を直接決定し、従来のスカラー制御から最新のインテリジェントな戦略に進化しています。主流の FOC と DTC は、さまざまなアプリケーションのニーズに対応します。FOC は、パーク/クラーク変換を介して三相電流を d/q 座標に変換し、励起電流とトルク電流を独立して制御して、低リップル、高精度、スムーズな速度調整を実現します。

DTC は、電圧ベクトル選択によりトルクと磁束を直接制御し、高速応答とシンプルなアルゴリズムを特徴としています。新しい MPC と適応制御は複雑な条件に適応します。MPC は数学モデルを介してモーターの状態を予測し、制御信号をリアルタイムで最適化し、複数の制約を処理します。適応制御は、温度と負荷の変化に基づいてパラメータを動的に調整します。

AI 統合戦略 (ニューラル ネットワーク、ファジー制御、強化学習) は、従来のモデリングの限界を解決します。ニューラル ネットワークは非線形関係を近似し、ファジー制御は不確実性を処理し、強化学習は自己最適化を可能にします。

IV. PMSMの特徴と分類

（I）コア特性

PMSM の主な利点と制限によって、その適用範囲が定義されます。利点は次のとおりです。高効率 (定格効率 >95%、ハイエンドモデルでは最大 98%)、長期運転時に誘導モーターと比較して 5 ～ 10% のエネルギーを節約します。高い出力密度 (誘導モーターより 20 ～ 30% 高い) により、NEV やドローンなどのスペースに制約のあるシナリオ向けの小型軽量設計が可能になります。

さらに、精密制御のための優れた動的性能と、低トルクの高速条件および高トルクの低速条件に適応する広い速度範囲も利点です。

高コスト、劣った熱安定性 (NdFeB は 150°C を超えると消磁)、複雑な制御 (ハイエンドのコンポーネントと専門的なアルゴリズムが必要)、外部磁場に対する脆弱性 (消磁のリスク) などの制限が残ります。

（Ⅱ）分類

PMSM の分類は複数の基準に基づいており、それぞれが特定のアプリケーション シナリオに沿っています。ローター構造別: SPMSM (低コスト、低電力の家庭用電化製品)、IPMSM (NEV、サーボ システム)、および AFPMSM (電気自動車および風力タービンの高出力密度)。電力レベル別: マイクロ PMSM (<1kW、小型家電およびドローン用)、中出力 PMSM (1 ～ 100kW、産業オートメーションおよび NEV 補助機器用)、および高出力 PMSM (>100kW、船舶推進および大型風力タービン用)。

磁石の材質別: NdFeB、SmCo、希土類フリー。用途別: 自動車、産業、航空宇宙、家庭、エネルギー。

各分類カテゴリは独自の作業条件に合わせて最適化されており、さまざまな産業シナリオにわたって PMSM の適応性が確保されています。

V. 既存の課題と突破口

（I）主要な課題

急速な発展にもかかわらず、PMSM は 4 つの重要な課題に直面しています。まず、レアアース資源への依存: NdFeB はネオジム、プラセオジム、ジスプロシウムに依存しており、埋蔵量が限られており、価格の変動がサプライチェーンの安定性とコスト管理を脅かしています。第二に、高温減磁のリスク: NdFeB のキュリー温度と低い減磁温度により、高出力/高温環境での使用が制限されますが、SmCo の高コストにより大規模用途が制限されます。

第三に、独立したコア技術の欠如です。輸入されたハイエンド材料、SiC MOSFET、シミュレーション ソフトウェアへの国内依存により、コアの競争力が弱まります。この依存性は、産業チェーンの自律性と拡張性を妨げます。

4 つ目は、過酷な環境での信頼性です。高温、湿度、振動により磁石、巻線、ベアリングの故障が発生し、航空宇宙や深海機器などの需要の高いシナリオではメンテナンス コストが依然として高くなっています。

（Ⅱ）ブレークスルーパス

目標を絞ったブレークスルーパスは、これらの課題に対処します。材料の革新は、資源への依存を低減するために低/非希土類磁石 (フェライトベースの複合材料、Fe-Ni-Al 磁石、高エントロピー合金) に焦点を当てており、一方、磁石の改良 (ジスプロシウム/テルビウムの添加) とコーティング (酸化アルミニウム、窒化チタン) により熱安定性が向上しています。

技術アップグレードには、減磁リスクを軽減するための高度な冷却、予知保全のためのデジタルツインの統合、外国の独占を打破するためのシミュレーションツールと制御チップの独立した研究開発が含まれます。これらのアップグレードは、パフォーマンスと自律性のボトルネックに直接対処します。

産業チェーンの最適化により、完全なエコシステムが構築され、湿式冶金/乾式冶金によるレアアースのリサイクルが促進され、産学研究協力が強化されて技術の商業化が加速されます。

VI.今後の開発動向

テクノロジー、市場の需要、政策によって推進され、PMSM は 6 つの主要な方向に発展していきます。

高性能統合: モーター、インバーター、減速機、コントローラー、センサーを統合することで、トポロジー最適化 (AFPMSM) と材料アップグレードにより、5kW/kg の電力密度と 96% 以上のフルサイクル効率を目標に、体積/重量を 15 ～ 20% 削減し、効率を 5 ～ 8% 向上させます。

グリーンな低コスト: 非レアアース材料の工業化とレアアースのリサイクルによりコストが削減され、グリーン製造により炭素排出量が削減されます。

高温適応性: 最適化された冷却および磁石技術により 200°C 以上の動作が可能となり、航空宇宙および高温産業での使用が拡大します。

インテリジェンス/ネットワーキング: IoT + AI + 多次元センサーにより、リアルタイムの監視、予知保全、動的制御の最適化が可能になり、運用の信頼性が向上します。

高速軽量: カーボンファイバーローターとセラミックベアリングは >30,000 RPM を達成し、AFPMSM は航空/医療用途向けに体積を削減します。

カスタマイズ: 分野固有の最適化により、市場の競争力とシナリオの適応性が強化されます。

VII. PMSMの設計手法

PMSM 設計は、理論分析、シミュレーションの最適化、実験による検証、工業化の考慮事項を統合した体系的なプロジェクトです。従来の経験的手法は非効率かつ不正確であり、高性能要件には適していません。

最新の設計では、パラメータ化された CAD/CAE ツールを採用して調整可能なモデルを構築し、設計サイクルを短縮します。複数の目的を持った最適化により、効率、トルク密度、コスト、騒音、製造性のバランスが取れます。磁石のサイズを最適化してコストを削減し、スロットと磁極のマッチングを最適化して騒音を低減し、巻線を最適化して生産効率を向上させます。

統合されたモーター制御設計により、トポロジーとアルゴリズムが調整され、システムのパフォーマンスが最大化されます。実験検証では、「設計 - シミュレーション - 実験」サイクルを繰り返すことで設計を検証し、アプリケーションのニーズへの準拠を保証します。構造の簡素化と成熟したプロセスにより、製造性とコスト管理が優先されます。

結論

PMSM は、世界的な電化とカーボンニュートラルの目標において極めて重要な役割を果たしています。永久磁石材料、構造設計、シミュレーション、および制御技術における継続的な進歩により、PMSM はより効率的で信頼性が高く、コスト効率が高くなり、NEV、航空宇宙、産業オートメーション、およびエネルギー分野での適用範囲が拡大します。

レアアースへの依存や熱不安定性などの課題は依然として存在しますが、材料革新、技術アップグレード、産業チェーンの最適化を通じて、明確なブレークスルーの道が見えてきています。将来の PMSM は、エネルギー変革と産業のアップグレードを推進し、統合、グリーン化、インテリジェンス、カスタマイズに向けて進化します。

業界専門家にとって、中核的なボトルネックに焦点を当て、学際的な協力を強化し、技術の商業化を加速することで、PMSM の可能性を最大限に引き出し、持続可能な電化社会の発展に貢献します。