PMモータのモデリングパラメータ設計有限要素法を用いた最適化鉄損解析熱解析

はじめに ～ 製造業の現場から見たPMモータの進化と課題

PMモータ、すなわち永久磁石同期モータ（Permanent Magnet Synchronous Motor）は、近年の産業機器や電動車両、家電製品に至るまで、製造業の多岐にわたる用途で活躍しています。

省エネルギー化、小型化、高効率化が全産業的な命題となる中で、PMモータの性能最大化こそが差別化のカギとなっています。

ただし設計現場の現実は、そこまで理想的ではありません。

「なぜ同じ設計基準・仕様にもかかわらず、実際にできあがったモータごとに効率や発熱、騒音などの品質にバラつきが出るのか？」

「最先端のCAEツールや有限要素法を取り入れても、生産現場のアナログ文化に阻まれてなかなか着実な成果につながらない…」

本記事では、こうした製造現場の”生の悩み”や現実の壁に寄り添いながら、PMモータのモデリング・パラメータ設計・有限要素法による最適化と鉄損・熱解析について、現場目線の実践的な観点・業界動向とともに詳しく解説します。

PMモータのモデリングパラメータ ～ なぜ設計初期がすべてを左右するのか

PMモータの性能を決定づけるのは、「モデリングパラメータ」の精度です。

例えば、ステータやロータの寸法、巻線構造、永久磁石の材料特性、スロット数、エアギャップ、鉄心材料のB-Hカーブ、絶縁材仕様など、多くの要素が複雑に絡み合っています。

ベテラン設計者の「勘・経験・人脈」から脱却する難しさ

昭和の時代、熟練設計者は膨大な暗黙知（=ナレッジ）を蓄積していました。

カルテや設計ノートを握り、一子相伝ともいえる品質の担保ができていました。

しかし、設計者の高齢化や属人的ノウハウへの過度な依存によって「このパラメータがなぜ重要なのか」「どこでバラツキが生じるのか」を第三者（特にバイヤーや他社サプライヤー）が理解しにくいという課題が生まれています。

モデルベース開発（MBD）による設計の標準化・再現性向上

現代では3D CADやシミュレーションソフトによるモデルベース開発（MBD）が急速に普及しています。

モデル化とパラメータ最適化により、

– 製品仕様への迅速なフィードバック
– テスト回数・試作コストの削減
– 熟練技術の客観的な”見える化”

が実現できる一方、”机上の空論”にならないための「現場とのすり合わせ」も依然として重要です。

たとえばパラメータの数値範囲や制約条件の設定には、「この溶接工程だとこの寸法公差では現場が困る」といった現実的な制約を反映させる必要があります。

有限要素法による最適化 ～ 仮想空間でどこまでリアルにできるか

有限要素法（FEM）は、モータ開発に不可欠なシミュレーション手法です。

材料の磁化特性や実際の駆動状況まで詳細に再現できるため、従来経験でカバーしていた部分を”科学的根拠”に基づいて設計できるようになります。

現実のギャップ：「CAE万能神話」の落とし穴

最新のCAEツールでは、高度な電磁界・熱・構造連成解析も可能です。

ですが、FEMで理想的な性能が出たとしても、「製造現場の微小なバリ」「材料ロットごとの磁化特性差」「組立時の微妙なズレ」まで完全には再現できません。

このギャップを埋めるためには、

– シミュレーションモデルの定期的な現物検証
– 不確実性考慮設計（ロバスト設計）手法の導入
– 生産現場からのフィードバックループ強化

が欠かせません。

ラティス（格子）理論や多目的最適化の実践が必須

単一の最適点ではなく、「複数の性能指標を両立させる設計」が現場では求められます。

たとえば、「高効率」を狙うと「鉄損増」や「コスト上昇」を招くことがあります。

– DOE（実験計画法）ベースのパラメータ探索
– 遺伝的アルゴリズム（GA）による最適化
– マルチフィジックスシミュレーション

などを駆使し、理論と現実の橋渡しを行うことが、製品開発の速度と精度向上につながります。

鉄損解析 ～ 「損失の可視化」が競争力を生む

PMモータの効率最大化において「鉄損（コアロス）」は最重要指標です。

鉄損の主成分は、ヒステリシス損失と渦電流損失です。

これらは、モータの磁場変動や周波数・温度・材料特性によって変化し、最終的なエネルギー効率消費や発熱量、さらにはモータ寿命に直結します。

測定・解析の現場目線 ～ 高周波化と薄板材料の壁

現場でしばしば見かけるのは、高級なCAE解析と現場実測値が合わずに苦しむ設計・生産担当の姿です。

なぜなら最近はインバータ駆動による高周波・高次高調波成分が増加し、従来の鉄損評価式では現象を正確に捉えきれないからです。

また、ノンコア（無方向性電磁鋼板）やアモルファス材料など「次世代材料」の採用も進んでいますが、これらの材料特性データの蓄積・シミュレーション精度向上にはまだ時間がかかっています。

現場で使える具体的なアプローチ

– 材料ロットごとの鉄損パラメータ計測（高速鉄損測定装置等の活用）
– FEM解析時に部分詳細化（局所メッシュ細分化）と平均化モデルの使い分け
– 実測・シミュレーション両面からの誤差要因「見える化」

これらを徹底することで、バイヤーやサプライヤー問わず現場ごとの最適設計が高速・高精度で実現可能となります。

熱解析 ～ PMモータの目立たない「隠れ不良」を防ぐ

鉄損・銅損・摩擦損によって発生した熱を、いかに適切に放散できるか。

これがPMモータ設計最大の課題の一つです。

想定外の発熱が、外観上は正常でも長期的な絶縁劣化・磁石脱磁・焼損事故に直結します。

温度上昇は小さな差が「命取り」

溶接やはんだづけ工程でわずかな不良があるだけで、極端なホットスポットとなり故障の引き金となるケースも現場では多発しています。

そのため、

– FEM熱解析 by マルチフィジックス連成（熱－磁場－流体解析同時実施）
– 発熱部位マッピング & 臨界温度管理
– 放熱設計（ヒートシンク形状・冷却ファン有無など）最適化

こうした設計フローを「作る現場」「設計現場」両輪でPDCAを回すことが不可欠です。

デジタルツインでつながる「現場」と「管理」

最近は、IoTセンサをモータ内部に組み込んだ「デジタルツイン」概念も進化しています。

これにより、設計値と実際の量産品の温度マップ比較・フィードバックがリアルタイムに可能になりました。

これは現場の実態に即した設計・品質保証・予防保全につながり、バイヤー、サプライヤー双方にとって大きな武器になります。

PMモータ設計現場の未来 ～ アナログ文化とデジタルの調和

昭和から続く「職人芸」と、現代の「デジタル設計」の間にはまだまだ大きな溝があります。

それでも、現場では「現物第一主義」と「データドリブン」の両立が確実に前進しています。

バイヤー・購買担当者も、単にカタログやCAEシミュレーション結果を比較するだけでなく、

– サプライヤー独自の現場ノウハウ
– 技術継承の仕組みやプロセス改善活動
– 実データとシミュレーションギャップへの対応力

といった観点まで評価できる力が求められます。

おわりに ～ PMモータ最適化の競争力は「現場DX」と「人間力」の和音

PMモータのモデリング・最適化においては、

– 「現場の暗黙知」を形式知に変換するMBD・CAE活用
– 鉄損・熱問題も、物理現象＋現場現実の両側面から可視化
– バイヤー・サプライヤー間におけるWIN-WINの課題共有・価値創出

この3点が鍵となります。

機械学習やAI、IoTなど最新技術に振り回されず、設計・製造・調達・品質保証のすべての工程が「現場感覚で連携」できる未来が、製造業復活のための切り札となるでしょう。

この記事を読まれた皆さまの日々の業務・現場改革・キャリアアップの一助となれば幸いです。