マルチポートカスケードコンバータと高度な直接トルク制御方式を用いた性能重視のスイッチドリラクタンスモータ駆動

なめらかな電動駆動が重要な理由

電気自動車が普及するにつれて、ユーザーは単にクリーンで効率的であるだけでなく、静かで滑らか、かつ信頼性の高い走りを期待するようになっています。将来のEVに期待される有望なモータの一つがスイッチドリラクタンスモータで、堅牢で安価、レアアース磁石を必要としない点が利点です。とはいえ、この種のモータはトルクの不連続や振動を生じやすく、乗り心地を損ない機械部品に負担を与えることがあります。本論文は、こうしたモータをより滑らかに駆動し、エネルギー損失を減らし、自動車の要求の厳しいトラクション用途に適合させるための新しい給電・制御方式を提示します。

一味違う電動機のしくみ

本研究はスイッチドリラクタンスモータに着目しています。内部構造はより馴染み深い永久磁石機とはかなり異なります。ロータに磁石を置くのではなく、ロータは磁気回路が通りやすい（＝インダクタンスが高い）領域へ移動しようとする性質を利用します。ステータの複数巻線に順次電流をオン／オフすることで、コントローラはロータを引き寄せ回転させてトルクを発生させます。この設計は頑丈で単純、製造コストも低く、希少資源への依存を避けられます。しかし、急速なオンオフ切り替えと強い非線形磁気特性により、トルクや電流に大きなリップルが生じ、騒音・振動・摩耗の原因になります。

モータのための新しい電力“橋”

これらの問題を抑えるために、著者らはバッテリとモータをつなぐ電子電力段を再設計します。従来のように各相に対して完全な電圧かゼロかを迅速に切り替える二レベルコンバータの代わりに、各相に積み重ねたサブモジュールで構成するモジュール式マルチポートカスケードコンバータを提案します。これにより各相はオン／オフだけでなく複数の中間電圧レベルを取れるようになり、電圧波形が滑らかになってスイッチや絶縁にかかる電気的ストレスが低減し、電流の不要な高調波も抑えられます。モジュール構造はスケーラビリティに優れ、故障耐性も高められるため、安全性の重要なトラクションシステムにとって有益です。

より賢いリアルタイムのトルク制御

このハードウェアには、パワースイッチの処理を迅速に仕切る拡張された直接トルク制御方式を組み合わせます。従来のフィードバックループでゆっくりと電流を整形する代わりに、直接トルク制御はリアルタイムでモータの磁束とトルクを推定し、トルクをどの方向にどの程度変化させる必要があるかに基づいて電圧パターン群から選択します。本研究では、モータの非線形挙動を詳細に数学的にモデル化し、取りうる電圧パターンを8つのセクタと8つのベクトルに整理しました。カスタムのスイッチングテーブルが、マルチレベルコンバータから最適なパターンを瞬時に選び、トルクと磁束を厳しい許容帯に保ちながら不必要なスイッチングを最小化します。

コンピュータモデルから実機試験まで

チームはこの手法を二段階で検証します。まずMATLAB/Simulinkで新しいコンバータと制御方式により駆動される四相8/6スイッチドリラクタンスモータの詳細なシミュレーションを構築し、定常運転や急速な速度変化時の速度、トルク、相電流を調べ、従来のコンバータと比較しました。次に、産業用パワーモジュール、センサ、エンコーダを備えた2.2キロワットの実験室用構成を構築し、1000回転/分での定常走行、400・1400・2400回転/分間のステップ変化、加速・制動・負荷擾乱などの実験を行いました。これらの試験を通じて、新しい駆動は速度を正確に保持しつつ、電流波形が明らかにきれいになりトルクが滑らかになることを示しました。

道路上での改善の意味

定量的には、提案するコンバータと制御により従来設計に比べトルクリップルが最大で約41.5パーセント低減し、リップル値は速度や負荷に応じて概ね16〜25パーセントにまで下がりました。同時に、ドライバーの要求変化への応答が速く、速度調整時のオーバーシュートが抑えられ、わずかに効率も向上し、すべて一定で予測可能なスイッチング周波数で動作します。日常的な意味では、このような駆動を採用した電気自動車は加減速がより滑らかになり、騒音や振動が減り、部品への負担も軽くなる可能性があります。新しいハードウェアは標準的なコンバータより複雑でコストが高くなるものの、堅牢性、滑らかさ、制御精度の組み合わせにより、高性能な将来の電動トラクションシステムの有力な候補であると著者らは主張しています。

引用: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

キーワード: スイッチドリラクタンスモータ, 電気自動車用駆動, トルクリップル低減, マルチレベルパワーコンバータ, 直接トルク制御