EV用内装型ロータBLDCモータ性能に対する磁石配向の影響の検討：応答曲面法アプローチ

未来の電動乗り物に向けた、より静かで滑らかなモータ

運転席から見ると電気自動車は静かで軽やかに見えますが、モータ内部では目に見えない綱引きが続いています。微小な磁力がホイールをピクつかせたり、ビビリ音を出したり、エネルギーを熱として浪費させたりします。本論文は、コンパクトなモータ内の磁石配列を新たに設計することで、ハイブリッドモペットのような小型電動車両が、バッテリを大きくすることなく、より滑らかで静か、かつ効率的に動く方法を探ります。

道路上でモータの滑らかさが重要な理由

現代の電動車両はしばしばブラシの代わりに永久磁石を用いるブラシレス直流（BLDC）モータを採用しています。これらのモータは軽量で効率が良く高出力のため、二輪車などの狭い空間に適しています。しかし、コギングトルクと呼ばれる望ましくない現象に悩まされます。これはロータ磁石とステータ歯の間の磁気的な“かみ合わせ”により振動やトルクリップル、特に低速時のぎくしゃくした動きを引き起こします。ライダーにとっては騒音、不均一な加速、効率損失となって現れます。高トルクや高効率を維持しつつコギングトルクを低減することは、よりクリーンで快適な電動モビリティのための重要な設計課題です。

新しい調整軸：磁石の指向角

これまでの多くの研究は、スロット形状、極幅、空気ギャップの変更やステータのスキュー付けなど、モータの金属部品の形状を変えてコギングを抑えようとしてきました。本研究では、全体のモータ寸法とステータは変えずに、磁石の配向（向き）とロータのスキュー角を主要な“設計ノブ”として扱います。対象は磁石が表面に取り付けられるのではなく回転コア内に埋め込まれた内装ロータBLDCモータです。Siemens Simcenter Motorsolveを用いて、磁石角（10°, 20°, 30°）とスキュー角（0°〜40°）を組み合わせた12の仮想プロトタイプを作成し、各ケースについて平均トルク、効率、コギングトルク、制御性に強く影響する逆起電力（バックEMF）波形などの重要な出力を算出しました。

賢い統計で最適点を探る

試行錯誤を超えるために、チームは応答曲面法（Response Surface Methodology: RSM）という統計手法を用いました。すべての角度の組み合わせを試す代わりに、RSMは磁石配向とスキュー角が同時に変化したときに性能がどう変わるかを示す数学的な“地図”を構築します。次に「良い」状態を定義します――高効率、高トルク、強いバックEMF、そして非常に低いコギングトルク――これらの目標を単一の望ましさスコアに圧縮します。この応答面を探索することで、全体的なトレードオフが最も優れる組み合わせを特定しました。最適な仮想設計は磁石配向20°、ロータスキュー角40°を示し、著者らはこの構成をPDC9と名付けました。この設計は基準レイアウトに比べて約43%のトルク増、ほぼゼロのコギングトルク、94%以上の効率を示し、BLDC駆動で好まれる梯形（トラペゾイダル）バックEMF波形も維持します。

画面から実験室へ：モータの製作と試験

その考えがシミュレーション外でも有効であることを示すため、研究者らはPDC9の仕様に従って実際のモータを製作しました。ステータとロータにはラミネート鉄心を、ロータ内部には高エネルギーのネオジム鉄ボロン磁石を使用し、48 V・約1.5 kWのハイブリッドモペット向けに寸法を合わせました。プロトタイプはダイナモメータ付きの試験台で回され、トルク、回転数、電圧が各動作点で計測されました。実験機は定格回転時に約3.8 N·mのトルクと約92%の効率を示し、望まれる梯形バックEMF波形を生成しました。摩擦や製造公差、追加損失のために理想化されたシミュレーション値よりやや低くはなりましたが、結果は予測傾向に近く、磁石の配向とスキューを慎重に調整することで、機械を大きくすることなくより滑らかで静かな性能が得られることを裏付けています。

日常の電動車にとっての意味

簡潔に言えば、本研究はモータ内部の磁石の“狙い方”が、磁石の大きさや材質と同じくらい重要になり得ることを示しています。磁石を適切な角度で傾け、スキューを与えることで、衝突や騒音の原因となる内部の磁気的引っかかりをほぼ消し去り、有効トルクを増やしながら効率を高く保つことができます。ライダーにとってはより滑らかな発進、振動の低減、バッテリ使用効率の向上を意味します。設計者や製造者にとっては、内装ロータBLDCモータを都市型電動輸送の増大する要求に合わせて調整するための、シミュレーションと実機検証によって裏付けられた実践的なレシピを提供する研究です。

引用: Chandra, V., Manoharan, P.S., Thenmozhi, G. et al. Investigation of magnetic orientation effects on interior rotor BLDC motor performance for EVs: a response surface methodology approach. Sci Rep 16, 7011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37981-2

キーワード: ブラシレス直流モータ, コギングトルク, 磁石配向, 電気自動車用モータ, ロータスキュー角