電動化におけるキーコンポーネントであるモータに要求されるのはコンポーネントとしての高い性能だけでなくシステムとの高い整合性です。
シミュレーションを活用したモデルベース開発はモータ開発においても必須になりつつあります。
モータ設計で高い実績を持つJMAGが、モデルベース開発のための新しいワークフローを提案します。試作レスやフロントローディングが可能となり、開発期間とコストを大幅に削減します。
本資料では、EV用のモータの開発が、システム設計、コンポーネント設計、試作・性能評価、システム検証の中で具体的にどのように進んでいくかを紹介しています。
なお、ここで示されるのは既存のワークフローではなくシミュレーションをベースとしたモデルベース開発のワークフローです。

駆動用モータの動作範囲は広く、効率マップを用いてモータ性能を評価します。また、走行モードに対する電費、航続距離の算出にも効率マップは有用であり、モータ設計の要件を示す目的でも使用されます。
市街走行の多い車両であれば低速~中速、競技用の車両であれば中速~高速時での高効率が求められます。車両ごとに求められる効率マップ要件は異なり、制御も含めたモータドライブ開発が必要です。
システム設計フェーズでは、モータ種別、極・スロットコンビネーションの検討も含めた大域的な設計探査が必要です。ここでは短時間で多数の効率マップを描画し、要件に見合ったモータの開発方針を定めます。
試作・性能評価フェーズではモータと制御回路を連携させることで実駆動状態を再現させます。シミュレーションベースで開発を完遂するには実測効率誤差1%以内の精度が必要であり、JMAGでそれを達成した実績とポイントをご紹介します。

実測効率誤差1%以内を達成するとはどういうことかを考えてみます。例えば入力100kW、効率90%の状態を想定すると、損失は10kWとなります。これを効率誤差1%で評価するということは、損失誤差10%以内の精度が必要ということになります。
コア鉄損の算出に関して、JMAGは1D法、プレイモデルを採用しており、任意の駆動状態に対して古典的渦電流損失、ヒステリシス損失を高精度に算出することができます。本資料では、それぞれの有効性と適用限界を示します。また、量産時に問題となる応力、加工歪による損失をとらえるためのモデリング手法について示します。
銅損及び漂遊損は空間に広がる漏れ磁束によってもたらされるため、机上計算による推定は困難です。これら損失を高精度かつ短時間でとらえるための方法について示します。

モータ設計に求められる要件は高度化しており、トルクリップルや逆起電圧、線間電圧制限、磁石の減磁耐性、コアにかかる応力の制約を満たしつつ、低速時や高速時のトルクを最大化させることが求められます。このような厳しい要求を満たす設計探査を人の手で行うことは至難の業です。
JMAGでは遺伝的アルゴリズム(GA)を用いた最適化計算を用い、設計案の多様性を保ちつつ、改善案候補群を追い込むことができます。実用的な例題を通して、多目的・多制約最適化問題に対する大域的設計探査の自動化を試み、多段階FEA、等価回路モデル、実験計画法による絞り込みを行い、その数値実験結果を示しています。
また、近年注目度が増している、レイアウトを大胆に変更できるトポロジー最適化を用いてモータを設計した事例を示しています。結果として、各トポロジーがモータ特性に与える影響を明らかにしています。

モータなどコンポーネント単体では、従来より振動に対するシミュレーションを用いた評価および対策が数多く行われてきました。一方で、モータ単体で振動を抑えられたとしても、ギアボックスやインバータを含むドライブラインや車両全体での振動が問題となり、モータの設計に手戻りが発生する場合があります。製品設計全体のフローを円滑に進めるには、あらかじめモータ単体だけでなく、ドライブラインや車両全体も視野に入れた評価、対策が重要です。
本資料の中では、JMAGと振動解析ソフトウェアのRomax Nexusを連携させ、モータの電磁加振力がギアボックスの振動を引き起こすことを突き止めています。JMAGと汎用機構解析ソフトウェアAdamsを連携し、車両走行時の振動を評価しています。結果として、車両始動時にモータの空間高調波に起因する振動が発生することが分かりました。また、モータ等価回路モデルを用いることで、回路シミュレーション実施時に駆動状態に応じた物理量をモニタリングできます。これにより、例えば制御側での工夫による振動低減の検討が可能となります。

熱はモータ性能に大きく影響します。磁石を有するモータであれば熱減磁によりトルクの低下を引き起こしますし、誘導機の二次導体やステータコイルは電気抵抗が増加します。また、コイル素線の絶縁被膜の耐熱温度を超えることはできません。モータ設計は磁気設計と熱設計の両立が不可欠です。
磁気回路と部品温度の同時評価により、設計開発の手戻りを削減します。設計案が多数ある場合は、熱等価回路を用いることで迅速に部品温度を考慮したモータ性能を評価することができます。また、油冷や空冷など冷却機構を検討する場合は、熱流体の影響を考慮することが有効です。JMAGで求めた正確な損失と専門の熱流体解析ソフトウェアを連携することで、より高精度な温度推定が可能となります。

駆動用モータは各動作点で効率が最大になるように制御されます。​制御設計・検証の一つとして各動作点での電流指令値を同定します。​現状、最大効率制御の電流指令値は実機を用いて同定されています。​これをモデルベースに置き換える場合、モータモデルには正確な応答性が求めれます。
FEAをベースとした等価回路モデルには空間高調波や磁気飽和などの情報が含まれ、モータ特性を忠実に再現することが可能です。また、損失モデリングの工夫、軸方向の漏れ磁束の考慮によってさらに高精度な等価回路モデルとなります。モータモデルの高精度化によって実機試作を待たずにパラメータ適合作業のフロントローディングが可能となり、開発期間を短縮することが可能です。
また、本資料では近年注目を集めている多相モータに関してインバータ故障を模擬し、システムの冗長性を評価した事例を示しています。

PMモータの性能は使用される永久磁石によって影響を受けます。モータ開発においても磁石の状態を可視化し工夫や対策を行うことで、より高いパフォーマンスを発揮するモータの設計に役立ちます。
駆動用モータは幅広い領域で動作します。低速域では大トルクが求められ、高速域では逆起電圧を抑えたいという要求があります。両者は相反しますが、永久磁石の磁束を可変とすることで要求を実現するメモリモータが開発されています。メモリモータは連続的に着磁・減磁を繰り返します。そのような磁化状態の動的な変化の評価もJMAGは可能です。
また、永久磁石の減磁耐性は磁石の温度によって変化するため、磁石温度と反磁界の大きさを同時に考慮した減磁評価が有用です。減磁の対策として、磁石表面からジスプロシウムを拡散させ磁石の保磁力を高めるDy拡散磁石の使用があげられます。JMAGはDy拡散磁石の熱減磁耐性も正確に扱うことができます。

電気自動車向けの駆動用モータとして、PMモータに加えて誘導電動機も注目を集めています。ここでは、JMAGを使った誘導電動機の評価機能、解析事例およびキーとなるテクノロジーをご紹介します。
誘導電動機のモータ性能を評価する手段として、効率マップがあります。JMAGでは簡単かつ高速に誘導電動機の効率マップを描くことができます。実駆動時の損失を評価する場合、PWMパルスを生成するインバータドライブによる影響を取り込みます。
誘導電動機の二次導体は温度によって電気特性が変化し、モータ性能に大きく影響します。本資料ではスキューを有する三次元の誘導電動機を対象に、発熱源となる損失を高速に求めて部品温度を評価した事例を紹介します。
また、駆動時の電磁加振力を周波数分析し、電磁共振による振動状態を評価した事例を紹介しています。
モータドライブ開発では、モータ等価回路モデルを用いて回路シミュレーションを行います。JMAGは機器定数の算出方法を工夫し、モータ等価回路モデルにFEAと同等の精度を持たせています。

PMSM、誘導電動機に加え、様々なタイプのモータが注目されています。JMAGは汎用磁界解析ソフトウェアであり、任意のモータタイプに対する設計ツールとしてご利用いただけます。本資料では、様々なモータの特性解析事例をご紹介します。
アキシャルギャップモータはNTなどの基本特性、コギングトルクを求めています。また、ギャップ付近の漏れ磁束と交流損失の関係を明らかにしています。
シンクロナスリラクタンスモータはモータ等価回路モデルを用いた回路制御シミュレーション、効率マップの作成事例をご紹介します。
巻線界磁型同期モータに関しては、2次元モデルと3次元モデルの違いを明らかにし、同期インピーダンスへの影響を示しています。
リニアモータに関しては、机上計算では困難な直線運動部と曲線運動部でのギャップ磁束密度の違いを正確にとらえ、推力に与える影響を評価しています。