高効率EV推進：永久磁石同期モータシステム

永久磁石同期モータは、その高効率、強力な出力、柔軟な設計により、新エネルギー自動車の中核的な原動力となっている。世界の電気自動車市場は急速な成長を遂げており、PMSMはその優れた出力密度と省エネ性能により、自動車産業の未来を再構築しています。

永久磁石同期モータは、三相交流同期モータである。その核心は、ロータ上の永久磁石が一定の磁界を発生させ、ステータ巻線によって形成される回転磁界と相互作用してロータを同期速度で回転させることである。従来の誘導モーターと比較して、PMSMにはスリップ損失がない。三相固定子巻線に通電すると回転磁界が発生し、効率的で正確な出力が得られます。

PMSMは主にステータとロータで構成される。ステーターは通常、ケイ素鋼板を巻線とした積層コアを使用し、回転磁界を発生させる役割を果たす。ローターは永久磁石を内蔵または表面実装し、一定の磁界を供給する。PMSMは通常、インナー・ローターの設計を採用するが、一部の高効率家電製品ではアウター・ローター構造も使用されている。

コアの分類SPMSMとIPMSM

ローター内の永久磁石の位置に基づいて、PMSMは主に2つのカテゴリーに分けられる：

表面永久磁石同期モータ（SPMSM）：永久磁石がロータの表面に直接取り付けられており、AC軸とDC軸のインダクタンスが等しい。構造がシンプルで、産業オートメーションのサーボシステムなど、高速応答と高過負荷容量が求められる用途に適している。

永久磁石同期モータを内蔵：永久磁石がロータコアに内蔵されており、交流と直流のシャフトインダクタンスが等しくない。この構造はリラクタンストルクの原理を利用し、高いトルク密度と広い回転数範囲を実現し、新エネルギー車牽引システムの主流となっている。

ローターの設計と最適化

ローターは永久磁石同期モーター（PMSM）の中核部品であり、電気自動車が素早く加速するかどうか、また耐久性が長いかどうかを決定する。強力な磁石を巧みに配置することで、強力なパワーと静粛性をもたらしている。

ローターには高性能磁石であるネオジム磁石が使用されており、これによりモーターは95%の効率を達成し、従来のモーターよりも15%も電力を節約することができる。例えば、航続距離400kmの電気自動車の場合、50kmの走行距離を追加することができ、これは充電ステーションに行く回数を減らすことに相当する。ローターは薄い鋼板を積み重ねて作られており、磁石を固定するためのV溝が埋め込まれているため、エネルギーの無駄が省かれている。同時に、最適化された設計によって重量が軽くなり、加速の感度が向上している。

より静かな走行を実現するため、エンジニアは磁石のレイアウトを調整し、モーター作動時のハムノイズを低減。騒音は40デシベルと低く、静かなリビングルームの環境に近い。また、高度な製造技術により、磁石は高速回転や高温でも安定して作動し、故障率はわずか0.5%である。

ステーター設計

ステーターの設計はPMSMの性能にとって非常に重要である。新エネルギー車の主駆動モーターは一般的に分布巻きを採用しています。電磁力分布は、均等に分布した巻線によって最適化され、高調波を効果的に抑制し、効率とトルク出力品質を向上させます。集中巻きに比べ、分布巻きで発生する逆起電力は理想的な正弦波に近く、電磁ノイズが少なく、制御精度が高くなります。

ステーターの設計は、巻線レイアウトと電磁力分布を細かく最適化することで、NVH性能を大幅に向上させています。高度な電磁界シミュレーションにより、高周波高調波を30%まで低減することができ、消費者の高い静粛性要求に応えることができる。また、コンパクトなステーター構造設計により、様々なロータートポロジーに柔軟に対応し、モーターの内部スペースを最大限に活用することができます。

PMSMの特徴と利点

高効率と電力密度

PMSMはローター励磁電流を必要としないため、関連損失がない。そのピーク効率は95%以上に達し、従来の非同期モーターよりも大幅に優れています。その優れた電力密度により、同じ体積でより強い電力を出力することができます。

高性能、低騒音、高信頼性

PMSMは、広い定電力速度調整範囲を持ち、スムーズに動作します。ポールスラント構造やNVH最適化対策と相まって、運転音は40デシベル以下と低く、電磁干渉（EMI）も最小限です。ブラシレス設計により、ブラシの火花や摩耗がなく、メンテナンスがほとんど不要で、設計寿命は通常10年以上です。

コンパクトな設計と制御の柔軟性

PMSMは、コンパクトな構造、軽量、小さなローター慣性、高速な動的応答を持っています。界磁指向制御（FOC）技術と組み合わせることで、低速域での高トルクとスムーズな出力を実現し、瞬時の加速応答という新エネルギー車のニーズに完璧に応えます。

アプリケーション・シナリオ

新エネルギー自動車送電システム

PMSMは、新エネルギー自動車駆動システムの中核となる動力源である。Tesla Model 3に搭載されたPMSMモーターは、高い効率と275馬力（約205kW）のピーク出力で510km以上の航続距離（WLTP）をサポートしています。BYD Han EVに採用されたIPMSMモーターは、強力な加速性能と優れたエネルギー効率を達成し、最大200%の短期過負荷容量があります。

産業機械とサーボドライブ

産業分野では、PMSMは工作機械のスピンドル、送り軸、サーボドライブに高精度位置決めと高速動的応答を提供します。シーメンスのサーボシステムでは、応答時間が1ミリ秒という低慣性のSPMSMモーターが広く使用されており、自動化された生産ラインや精密CNC工作機械に最適です。

家電、ロボット、電力システム

PMSMは家電製品、ロボット関節駆動、電力システムに浸透している。Mideaの可変周波数エアコンPMSMコンプレッサーは、従来のモデルと比較して30%以上のエネルギーを節約することができる。ロボットジョイントモーターは、低慣性で精密かつ柔軟なモーションコントロールを実現する。PMSMはまた、送配電効率を向上させるため、電力網の力率改善（PFC）にも使用されている。

総括と展望

永久磁石同期モータは、優れた効率、高トルク密度、コンパクトな設計により、新エネルギー自動車やハイエンド産業分野のコア技術となっている。IPMSMは高トルク密度と幅広い速度調整能力で新エネルギー車牽引市場を支配し、SPMSMは高速応答とコスト優位性でサーボ分野で輝いている。インテリジェント・インバータと高度なセンサーレス制御技術の継続的な進歩により、システム・コストの削減と性能の向上が続いています。

Ethan Huang

私は磁石に関するポピュラー・サイエンスの執筆に専念している。私の記事は主に、磁石の原理、応用、業界の逸話に焦点を当てています。読者の皆様に価値ある情報を提供し、磁石の魅力や意義をより深く理解していただくことが目標です。同時に、磁石にまつわる皆さんのご意見もお待ちしています。磁石の無限の可能性を一緒に探っていきましょう！

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