電気モーターが鳴くのはなぜ?

電動モーターの唸りは謎ではなく、磁力とインバーターのスイッチング周波数が急速に一緒に上昇する、音楽的な署名なのです.
電動モーターの唸りは謎ではなく、磁力とインバーターのスイッチング周波数が急速に一緒に上昇する、音楽的な署名なのです.

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電気モーターのうなりは、二つの物理的要因の組み合わせです: モーター内部の磁気力が生み出す電磁音と、インバーターの高周波スイッチング音; そこに減速ギアとベアリングの機械的な寄与が加わります. 加速するとうなりの音程が上がります.これらの音が回転数に比例して周波数がずれるためです. メーカーはこの音を、スペクトラム拡散スイッチング、アクティブノイズキャンセリング、サウンドデザインによって和らげたり、意図的に作り込んだりしています.

注目ポイント

  • スイッチングに起因する騒音は、典型的には5〜15 kHzの範囲、つまり人間の耳が最も敏感な領域で発生します.
  • 計算例: 4500 rpmにおける24. 次の高調波は1800 Hzの音を生み出します.
  • スペクトラム拡散スイッチングは、トーナル騒音のエネルギーを周波数スペクトルに分散させ、ピークレベルを下げます.
  • EUでは2014年から、低速時の人工警告音(AVAS)が義務付けられています.

内燃機関のエンジンを始動すると、音の発生源は明白です: 爆発、排気、機械的な動き. 電気自動車に乗ると、なじみのある騒音のほとんどが消え、代わりに鋭く、トーナルで、急速に高まっていくうなりが現れます. この音は非常に特徴的であるため、多くの人はモーターそのものから発せられると考えがちです. それは部分的に正しいのですが; 物語の本当におもしろい部分は、音の相当部分がモーターではなく、モーターを駆動するパワーエレクトロニクスの仕業だという点です. 工学の観点から見ると、このうなりは実のところ故障ではなく、システムが正しく動作していることの聴覚的な証拠なのです.

電気自動車のうなり音はどこから来るのか?

Elektrikli motorun ötmesi tesadüf değil; besleme frekansının katlarındaki titreşimler metal gövdeyi bir enstrüman gibi çalar.

うなりの発生源は、主に三つの項目に分けられます. 第一に電磁ノイズです: モーターに流れ込む電流が、ローターとステーターの間に磁場を作ります; この磁場がエアギャップにおける力の変動を引き起こし、変動する力がモーター本体を振動させます. 振動するすべての構造物は音を放ちます. この騒音の性質は一貫していてトーナルです.なぜなら、その周波数は給電の電気周波数とその倍数、つまり高調波によって直接決定されるからです.

第二の発生源はインバーターです. バッテリーの直流をモーターに適した交流に変換するパワーエレクトロニクスは、トランジスタを非常に高い速度でオン・オフすることで動作します. このスイッチング動作は、スイッチング周波数およびその倍数の周辺で騒音を発生させます; 測定結果は、この範囲が典型的に5〜15 kHzの帯域に該当することを示しています. 私たちの耳はまさにこの領域で最も敏感です.だからこそ、電気自動車のうなりは絶対的な音響エネルギーが低いにもかかわらず、不快に感じられることがあるのです. スイッチングに起因する力の変動は同時に構造振動も生み出します; これは音とともに感じ取れる微細な質感を加えます. (この微細な質感は実際に車室内にも侵入します: 三つの異なるPWM方式が騒音、振動、ハーシュネスに与える影響は、それぞれ個別に測定できるレベルにあります.)

第三の項目は機械騒音です: 減速ギアとベアリング. EVモーターは、内燃機関とは異なり数万回転まで到達できるため、これらの構成部品は非常に高い回転数で回転します. 永久磁石式ドライブにおいて、速度に伴う滑らかな電子的音の発生源は、一般的にインバータのスイッチング波形がモーターに印加されることにあります. 一部のドライブでは、よく知られた8次の 電磁トーンが確認され、その軽微なものは完全に正常です.

スイッチング周波数はどのように音を決定するのか?

インバータの音の特性を理解するには、PWM(パルス幅変調)の仕組みを見る必要があります. トランジスタは一定の周波数でオン・オフを繰り返し、各サイクルでのオン時間(デューティサイクル)を変えることで、モーターに与える平均電圧が調整されます. 耳に届くのは、この切替操作の音です. 一定の音程を持つ、電子的な性格の「イー」という音. 多くの電気自動車で、加速が始まる前に聞かれるこの短く一定のトーンは、まさにPWM回路の正常な動作音です. その後、車が加速するにつれてトーンは高くなります.

回転数に伴ってトーンが移動するのは、算術的な帰結です. モーターに印加される電気周波数は回転数に比例して増加し、電磁力はこの周波数の高調波で振動します. 具体的な例で見てみましょう. 4500 rpmにおける24次の高調波は、1800 Hzに相当します. 次の高調波は1800 Hzに相当します. この種のトーン成分は、エアギャップ内の磁気力から、トーン性と広帯域の両方の騒音を生み出します. つまり、速度が上がるにつれて聞こえる音の音程が高くなるのは欠陥ではなく、物理的な必然なのです.

スイッチング周波数を一定に保つことと可変に保つことの間には、工学的な緊張関係があります. 固定周波数は、電磁妨害(EMI)のフィルタリングを予測可能にします. しかし、高音域のトーン性の不快な騒音が常に同じ箇所に留まることにつながります. 可変スイッチング周波数のPWM戦略は、インバータのスイッチング損失とシステム騒音の両方を低減するために用いられます. この均衡は、依然として活発な開発分野です. 音質を向上させるためにインバータのスイッチング周波数を動的に制御する新手法が、近年、登録された技術的ソリューションの仲間入りをしています.

ギアとベアリング. 機械的伝達の解剖学

EVのトランスミッションは一般的に単段の減速機ですが、騒音の観点からは決して静かではありません. ギア騒音には二つの主要なメカニズムがあります. 伝達誤差と歯車面に起因する摩擦振動です. 歯が互いに接触すると、金属と金属の接触が荷重下での微小スケールの偏差と結びつき、生じた振動は減速機の筐体からキャビンへと伝わります. オイルは、この接触が生む音を部分的にマスキングします. 寒冷時にはオイルの粘度が変化するため、朝に音がより目立つのも不思議ではありません.

設計面で最も効果的な武器は、はすば歯車です. 平歯車とは異なり、はすば歯は段階的かつ連続的に接触し、この移行の滑らかさが騒音を顕著に低減します. 電気自動車のトランスミッションにおける騒音低減の標準的な方法のひとつです.

一方、ベアリングには音に関わる理由が2つあります. メカニズム的には、高音のきしみ音の発生源はモーターのベアリングや減速ギア群である可能性があります. 音量の増加や音質の変化は、ベアリングの健康状態にとって良い早期警戒指標となります. 電気的には、インバータで駆動されるモーターでは高周波スイッチングがベアリング軸受に電気的な損傷を引き起こすことがあります.つまり、これらの部品は音の発生源であると同時に、音が語る物語の主役でもあるのです. 負荷がかかったモーターが負荷に関係なく発する特徴的なうなりも、このメカニカルな寄与に含まれます. 冷却ファンの騒音はモーターの回転数に依存しますが、負荷には依存しません.

モーターの種類は音の性格を変えるのか?

短い答えは: はい、測定可能なレベルで変わります. 永久磁石同期モーターのローター磁場は、ステーターのインダクタンスではなく磁石に基づいてあらかじめ形成されています. これにより、より高い効率とトルク密度が得られます. トルクサイクル内の脈動なしに一定のトルクを生成できるため、これらのモーターは非常に静かで低振動の設計が可能です. 一方、永久磁石モーターはインバータでの運転が必須であり、つまりスイッチング音は常に存在します. これらのモーターにおける振動と騒音の2つの主な原因は、電子的要因と機械的要因です. 極とスロットの組み合わせ、すなわちローター極数とステーター溝数のマッチングは、NVH研究の焦点となっています.

誘導モーターはローター磁場を誘導によって生成します. 一般的に、より大きく、より重く、効率は低くなりますが、コストは低く抑えられます. 音の性格もそれに応じて異なります. すべり周波数に依存する追加の成分が聞こえることがあります. モーター設計が音に与える影響は、モーターの種類だけにとどまりません. ローターの傾斜、ステーターとローターの溝加工、スロット開口幅などの設計パラメータは、エアギャップ内の力の波の形状を直接決定し、騒音低減の古典的な方法のひとつとされています.

スペクトラム拡散: 音を分散させる技術

スイッチングに起因するトナルノイズに対する最もエレガントな解決策のひとつが、理論的基礎を1992年に持つスペクトラム拡散スイッチング技術です. 仕組みはシンプルです. インバータのスイッチング周波数を、意図的に狭い帯域内で変調します. こうして一定周波数に集中していた騒音エネルギーはより広いスペクトルに分散し、単一のフォーク状ピークエネルギーが低下します. 人間の耳は狭帯域のトーンをはるかに不快に感じます. 広帯域の軽いうなり音であれば容易に許容できます. この技術は、スイッチング電源におけるEMI低減でも実証されています. 出力側の可聴ノイズを除去し、入力側のノイズを大幅に低減できます.

この技術のEV世界での位置づけは高まっています. 電気自動車では高電圧と高密度のチップ数により、システムは電磁干渉に特に敏感になります. この感覚を検知して低減するスマートセンサー技術も開発されています. スイッチング周波数を動的に制御する音質手法は、スペクトラム拡散と同じ哲学の延長です: 固定された予測可能なトーンの代わりに、スペクトラムに拡散された、あるいは動的に配置されるノイズ.

アクティブノイズキャンセリングと意図的なサウンドデザイン

音を完全に消そうとする技術もあります. アクティブノイズキャンセリングの原理は古典的です: ノイズ源に対して等しい振幅で逆位相の音波を生成し、2つの波が互いを打ち消し合います. 電気自動車においてこのアプローチの役割は、内燃機関車とは異なります. 古典的なエンジンノイズはすでに存在せず、 電気モーターの高周波ノイズの音響エネルギーは比較的低いものです. そのため現代のシステムは、キャビンに入り込む道路、風、タイヤの環境ノイズを常時監視し、逆位相の波を生成します. 多くのメーカーがこの分野でパッケージソリューションを提供しており、 一部のモデルではアクティブサウンドデザインがノイズの抑制にとどまらず、キャビンに意図的な音のキャラクターをもたらしています.

では、外の音はどうでしょうか? 電気モーターの騒音は低いため、低速では歩行者が車の存在に気づかない可能性があります. そのため、ハイブリッド車や電気自動車の存在を歩行者に知らせるために設計された人工警報音 - AVAS - が標準となっています: 低速でスピーカーから生成される、空気の動きを思わせるハミング音です. EUはこれらの音を2014年に義務化する決定を下しました; 米国でも特定速度未満では人工音が義務付けられています. サウンドデザインは、この安全上の義務をユーザーエクスペリエンスと融合させる分野として発展しており、各ブランドが自社の音響的シグネチャーを創り出す機会もここにあります.

うなりはいつ正常で、いつ問題なのか?

おおよその目安: 速度に追従する滑らかで調性のあるうなりは正常です. 加速とともに上がるトーンは、電磁高調波の自然な周波数シフトです; 一定音程の電子的な「ピー」音は、インバーターの動作音です. 以下の状況は注意して聞く価値があります:

  • うなりが新たに現れた場合、または以前より明らかに高くなった場合、
  • 音に振動やパワーロスが伴う場合、
  • 音のキャラクターが速度や負荷によって予期せず変化する場合.

これらの兆候は機械的な側面 - 特にベアリングと減速ギアグループ - を示しています. 騒音レベルの監視は、ベアリングの健康状態を確認する実用的で効果的な方法です; 早めに音の診断を受けることで、故障が深刻化する前に対処する機会が得られます.

音の発生源キャラクター速度との関係
電磁力調性があり、高調波を含む周波数は回転数とともに変化
インバータースイッチング電子的な「ピー」音、5-15 kHz帯スイッチング周波数に依存
減速ギアギアのうなりギア比に応じてスケール
ベアリング高い音程、時に電気的損傷を伴う回転数とともに増加、変化は故障の兆候
冷却ファンファンのカサカサ音/ハミング速度とともに増加、負荷には非依存

鳴き音は欠陥ではなく、設計の領域である

電気モーターの鳴き音は単一の部品の故障ではなく、 電磁力、インバータのスイッチング、歯車やベアリングの寄与が重なり合ったものである. エンジニアリング側の前進、すなわちスプレッドスペクトラム、可変スイッチング周波数、ヘリカルギア、アクティブノイズ低減の一歩一歩が、この音の車室内への浸透を減らすか、意識的にその音を形作っている. 次に電気自動車で加速するときに聞こえる音に耳を澄ませば、何が聞こえているのかもうわかるはずだ: モーターではなく、システム全体の聴覚上のシグネチャーである.

参考文献