EVのモーターは狂っているのか? その理由と仕組みを考える【内燃機関超基礎講座】

Sep 09, 2023

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2009年は「電気自動車元年」 内燃機関は燃焼という化学反応によって機械エネルギー(回転動力)を得るが、モーターは電気エネルギーを直接機械エネルギーに変換する。 EV(電気自動車)のモーターの場合、ケースに固定されたステーターに電気が流れ、その電気を回転体であるローターが回転エネルギーとして受け取ります。

ごく短い時間でのモーターの回転を見てみると、電流が流れるステーター側の磁力の向きが常に変化していることがわかります。 ローター側は「引っ張られる」、「離れる」、そしてまた「引っ張られる」という動作を繰り返します。 この方法は回転運動を求めるのに適しているためである。 片側だけを回転させる必要があります。 つまり、ステータは電流の向きを変えると磁化が反転する材料(軟磁性材料)で作る必要があり、ロータは電流の向きを変えると磁化が維持され続ける材料で作る必要があります。電流が変化します(硬磁性材料)。 材料)が必要です。 このため、モータでは外側の固定子には電磁鋼板が、回転する回転子には永久磁石が使用されています。

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富士重工業製プラグインステラモーター。 三菱i-MiEVとデザインは共通ですが、細かい仕様が異なります。 リョービのアルミダイカスト製ケーシングは二重構造で、内部に冷却水通路が形成されています。 芯の入れ方やキャストの仕方もノウハウに載っています。

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日産リーフのモーター部分。 アームを左右に伸ばしたマウントの大きさからもわかるように、金属の塊であるモーターは見た目よりも重い。 内燃機関と同様に、1% の効率向上が必要な理由は、この重量を可能な限り軽減するためです。
EV用モーターは非常に高性能で高価です。 また、軽量かつ高効率であることも求められます。 モーターメーカーによれば、EVモーターには「非常識な性能要件」が​​あるという。

通常、モーターはほぼ一定の回転速度で使用されることが多いです。 電車のモーターの回転は発進と停止によって変化しますが、加速度は一定であり、減速度も一定です。 駅間の速度は指定されており、勾配もわかっています。 したがって、プログラム通りに運転することで対応できます。 しかし、一般道を走るEVの場合、発進後何秒で何回転するかという決まりはありません。 同じ道路でも交通状況によってモーターの仕事は変わります。 回転が常に変化するモーターは通常の用途では使用できません。 だからこそ非常識なのです。
info-1-1ステータは極薄の電磁鋼板を多数積層して形成されています。 薄いほど渦電流損を抑えることができますが、形状精度を保つためにはある程度の厚みが必要です。 そのバランスは各鉄鋼メーカーのノウハウに依存します。 (ILLUST:熊谷俊尚)
この回転変動にスムーズに対応するためにはステーター側で瞬時に磁化を切り替える必要がありますが、次の瞬間にはローター側に大きな力を伝達する必要があります。 ステータには、高効率 (低損失) で磁化を容易に反転できる材料が必要です。 軟磁性材料である電磁鋼板です。 EVでは、厚さ{{0}}.3~0.5mmの電磁鋼板を重ねて厚板を形成します。 それを抑えるためです。 極薄の電磁鋼板の表面はコーティングされており、互いに絶縁されています。 この構造により渦電流損が低減されます。

一方、電流が流れて回転力を発生させるロータ側には永久磁石が使用されていますが、EVでは回転変動が大きく、高回転だけでなく「急減速」「急加速」の要求も厳しいため、そして大トルク。 モーターに関しては、まずローターの周囲に磁石を配置したマグネットトルク型モーターは不向きです。 ハイブリッド車では磁気トルク方式もありますが、ピュアEVでは磁気トルクとリアクタンストルクを組み合わせた方式で、ステーターに対向するロータの周囲に永久磁石の磁界が一定間隔で強くなるように磁石を配置しています。表面。 タイプのモーターです。

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強力な希土類磁石がローターに埋め込まれています。 それらの配置方法は運動性能に影響を与えます。 外周近くに磁石を配置すれば磁気トルクは大きくなりますが、それだけではEVには向きません。 磁石を斜めに配置し、リアクタンストルク(磁石トルクとは位相が異なる)を利用します。
上の写真ではローターに緑色の永久磁石が埋め込まれていますが、この磁石の配置がノウハウです。 また、磁石には永久磁石の中で最も強力なネオジム、鉄、ボロンを成分とした希土類磁石を使用しています。 また、高回転時の熱により磁力が弱くなる熱減磁を抑える目的でジスプロシウムを添加しております。 1%のジスプロシウムを添加すると熱減磁が約15度改善できると言われており、このような高性能磁石はEVのモーターには欠かせません。

電気自動車ではモーターの出力を上げることがよく行われますが、同じモーターで出力を上げるには回転数を上げることが一つの方法です。 ただし、回転数を高くすると熱減磁が発生しやすくなります。 また、回転数が高くなるほど、ローターとステーターの間の小さな隙間を管理することが難しくなります。 電磁鋼板には加工精度が要求されます。

高性能モーターの量産技術は非常に進んでいます。 デザインのノウハウだけでなく、素材のサポートも必要です。 製造工程でもお手伝いが必要です。 このため、多くの鉄鋼メーカーは加工技術を含めた電磁鋼板を提供しています。 このようにして、モーターの性能は飛躍的に向上しました。 モーターのケーシングには非磁性体であるアルミニウム合金を使用しています。 この形状設計と加工もノウハウの塊です。

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