数十kHzの低周波電磁界　3相モータ・インバータの場合

電磁界シミュレータ入門　CST Studioで3次元解析

低周波・三相インバータ駆動における電磁界挙動の解析


図1　PWMによる駆動においても，三相ラインを個別にシールドするのではなく，空間的に一体化した構造でのシールドが望ましい．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］川口正詳細：［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計100の要点【セッション6】USB4/DDR5からEV用インバータまで！初めての3次元電磁界シミュレータ活用

電気自動車（EV）では，三相インバータによるモータ駆動が一般的です．駆動波形は正弦波ではなく，パルス幅変調（PWM）による矩形波で構成されており，このようなスイッチング駆動により数十kHzの電磁界が形成されます．

従来の高周波電磁界シミュレータではGHz帯を対象とすることが多く，EV駆動における低周波領域（LF：Low Frequency）を扱うには不十分です．そこで，CST Studio Suiteのような低周波対応の電磁界解析ソフトウェアを用いた三相系の挙動解析が求められます．

三相インバータからの出力は，各相が120°位相をもち，それぞれのラインが時間差で電流を伝送します．シミュレーションでは，各相に$1\ \mathrm{MHz}$の信号を加えた状態を想定し，空間に発生する磁界のようすを可視化しています．

その結果，電流は単に導体内を流れるだけでなく，導体間の空間にも磁界が広がっていることが確認されます．この挙動は，導体が電源から駆動されるモデルでは顕著であり，エネルギが3本のライン全体で結合しているようすが見て取れます．

以下に，シールド設計における注意点を示します．

PWM駆動では高調波成分も含まれるため，より広い周波数帯域での電磁界解析が必要です．CST Studio Suiteでは，周波数ドメインおよび時間ドメインの双方での解析が可能であり，PWM波形のような複雑な駆動信号に対しても対応できます．

解析結果から，導体内部に閉じた電流パスだけでなく，導体間を介した空間磁界の構成が支配的であることがわかります．このような現象は，三相ラインが一定の空間構造をもつ場合，磁界が互いに干渉しながら進行するためです．

このため，PWMによる駆動においても，三相ラインを個別にシールドするのではなく，空間的に一体化した構造でのシールドが望ましいです．特にライン配置が複雑な場合は，構造設計段階から電磁界の広がり方を定量的に評価することが求められます．

EV用途においては，以下のような点で電磁界シミュレータによる検証が有効です．

CST Studio Suiteでは，三相駆動ラインにおける空間磁界の解析を行うことで，シールド設計や回路構成の方針決定に貢献できます．設計者は，配線方法やシールド構造を変えながら，シミュレーション結果をもとに妥当性を確認できます．

電磁界の可視化により，物理的直感では捉えにくい干渉や漏洩の状況を定量的に把握できるため，特にEVのようにノイズ要件の厳しいアプリケーションでは，シミュレーションによる支援は非常に有効です．

〈著：ZEPマガジン〉