EVモーターとは？（構造・仕組み・開発課題・解析）

電動化による自動車の構造変化

内燃エンジン車と電気自動車（EV）とで大きく異なるのは、車輪を駆動させるための動力源と動力の伝え方です。電気自動車（EV）は、バッテリー、モーター、インバーター、制御装置、ブレーキなどの機構で構成されます。バッテリーから供給される電気を使ってモーターを駆動し、車輪に直接動力を伝えます。アクセルを踏んだ瞬間の低回転域のうちから大きなトルクがかけられるのでスムーズに加速ができ、かつ細やかな速度コントロールが可能です。

EVモーターの構造と仕組み

EV（電気自動車）の動力として使用するモーターには、直流（DC）と交流（AC）の2種類がありますが、一般的なのはACモーターです。一方で、バッテリーからモーターへの電源供給はDCです。そのため、DCをACに変換するインバーターが必須です。DC／AC変換する過程では損失（ロス）が起こります。損失電力の大半は熱として排出されます。モーター開発においては、このエネルギー損失をなるべく減らして高効率化することを目指します。

EVで採用されるモーターの種類には、「永久磁石型同期モーター（PM：Permanent Magnet Synchronous Motor）」「巻線界磁型同期モーター（EESM： Electrically Excited Synchronous Motor）」「スイッチトリラクタンスモーター（SRM：Switched Reluctance Motor）」「誘導モーター（IM：Induction Motor）」などがあります。

PMは、回転子に永久磁石を用いたモーターです。「DCブラシレスモーター」とも言われます。さらに、永久磁石を付ける場所により、SPM（Surface Permanent Magnet：回転子表面に永久磁石がある）とIPM（Interior Permanent Magnet：回転子の内部に永久磁石がある）という方式に分類できます。PMモーターは、高効率で省エネルギーであり、なおかつ長寿命であることが特色です。損失も他の方式と比較して少ないことから小型化に有利な方式です。SPMは磁石が回転子表面にあることから高速回転時に剥離する恐れがある一方、磁石が回転子内部にあるIPMはそうしたリスクがありません。EV用モーターとしては現在、高性能ネオジム磁石によるIPMモーターが目立ちます。

SRMは、回転子に強磁性の鉄芯を採用し、かつ永久磁石を使用しないモーターです。固定子側には巻線を備えます。VR（variable reluctance）モーターとも呼ばれます。構造や回路がシンプルで安価であり、信頼性が高い利点がある一方、PMと比較すると効率で劣ります。また、比較的振動や騒音が起こりやすい構造でもあります。

EESMは、最近開発された新しいモーター方式であり、日産の次世代EVに搭載されるということで注目が集まっています。EESMでは、回転子に永久磁石を使用せず、巻線に電流を流すことで磁力を発生させます。電流制御によって磁力をコントロールできることが特色です。一方、巻線であることから銅損（巻線の抵抗による損失）による効率悪化への対処が課題となります。

IMは、DCとACの同期を行わない非同期モーターです。構造の違いで「かご型」と「巻線型」がありますが、電気自動車で用いられるのは前者のかご型です。IMは機構がシンプルであるため、比較的低コストで製造できることも利点です。固定子に取り付けた巻線にACで電流を送ることで発生する回転磁界で、回転子に誘導電流を発生させて回します。EVで主流のDC電源で用いるためには三相交流を利用します。磁石を使用せずに巻線を用いるため、部品供給でレアアース／レアメタル調達の影響を受けない一方、銅損への対処が課題となります。誘導モーターは1880年にニコラ・テスラが発明し、テスラの「モデルS」に採用されていることで知られます。

EVモーターのスペック

EVのモーターのスペックは、「最大出力（kW）：モーターが発生できる最大の出力」と「最大トルク（Nm）：モーターから発生する動力のトルク」、「回転数（rpm）：モーターの回転数」などで表します。

EVの動力の大きさは最大出力や最大トルクの他、「定格出力（kW/rpm）」の大きさでも評価します。定格出力とは、この電力量は電動モーターが定格電圧かつ定格周波数で、安定した出力を持続的に発生させることが可能な電力量のことです。また、エンジン車でいうところの「燃費」はEVの場合は「電費」といい、交流電力量消費率（Wh/km）で判断します。

EVモーター開発における課題

EV向けのモーター開発における課題としては、出力や効率など性能向上、品質や信頼性の向上、量産のためのコスト低減、レアアース／レアメタルなど長期供給が見込めない材料の依存度の低減、環境負荷の低減などが挙げられます。

モーターの性能評価においては、電磁、熱、振動・騒音といった複数の現象を考慮する必要があります。さらにコスト低減のためには、設計初期からの問題の洗い出しと、手戻り削減が求められることから、マルチフィジックスなシミュレーションも設計初期から適用するフロントローディング開発が必要になります。

また、モーター単体での性能向上を追い求めるだけではなく、業界での機電一体化設計のトレンドに基づいて、モーターとインバーター、減速機（ギア）を1ユニットとして設計するようになってきています。機電一体化は、車両の軽量・小型化、高効率化、積載空間の拡大といった多くのメリットがあります。

EVモーター解析による開発課題の解消

モーターの性能をシミュレーションで検討するためにはさまざまな物理現象を複合的に考慮する必要があり、一般的に煩雑な解析作業になりがちです。サイバネットシステムでは、初期検討段階である上流設計からその後の詳細設計まで、優れた操作性で複合的な物理現象が解析可能なAnsysによる各種モーター解析ソリューションを提供しています。

初期開発段階では、多数のモデルを検討するために、シミュレーションモデルの作成や解析作業に時間をかけるわけにはいきません。Ansys Motor-CADを使うことでテンプレートベースのモーター設計でモデル作成工数を削減することができます。また電磁界の高速な解析のみならず、熱解析や構造解析との連成解析が可能であり、初期段階でより多くの事象を検討して手戻りや開発工数を削減可能です。

Ansys MaxwellやAnsys Mechanicalは、有限要素法ベースの詳細な電磁界解析や構造／音響／伝熱解析に対応しています。電磁場-構造連成解析なども、直感的な操作環境で簡単に実現できます。

Ansys Twin BuilderはAnsys Maxwellの3D電磁界モデルと連成させた1D-3Dシステム連成や、他のAnsysツールで解析された3Dモデルを1D化して高速な物理環境-回路連成が行えます。またDynamic ROMにより非定常・非線形の複雑な現象のシステムモデル化も可能になります。こうした機能で、システムとしてモーターを捉えた設計検証が進められます。

解析ツールの紹介

「Ansys Motor-CAD」は、電動モーターのマルチフィジックスシミュレーションに特化した、電動モーター設計用ソフトウェアです。磁場解析（EMag）、熱解析（Therm）、駆動サイクル解析（Lab）、応力解析（Mech）の4つのソルバーを備えています。テンプレートベースの設定からモデルを作成し、励起条件の設定を行うことで解析を実行します。4つのソルバーを活用し、モーターの電気特性や熱の影響を設計者自身で管理・設計が可能です。

まとめ

EVに搭載するモーターはエンジン車におけるエンジンに相当し、車両性能に大きく左右します。エンジン駆動と比較すると、モーター駆動は静音、低振動であり排気ガスが発生することもありません。

モーターの性能評価においては、電磁、熱、振動・騒音といった複数の現象を考慮する必要があります。さらにコスト低減のためには、設計初期からの問題の洗い出しと手戻り削減が求められるため、フロントローディング設計が求められます。それにはCAEによるシミュレーションが必須です。

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