2023年6月21日

HILを用いた革新的な希土類フリーモーターのトポロジー開発

所要時間 | 4分

永久磁石（PM）モーターは、ネオジム、テルビウム、ジスプロシウムなどの重希土類元素を使用し、その効率性と出力密度から電気自動車（EV）モーターの主流選択肢となってきた。しかし、複雑な抽出プロセスと限られた供給網が価格変動を引き起こしている。これらの課題を克服するため、eモビリティ希土類元素を使用しない電気モーターの開発に注力しています。これらのモーターは、より低コストで高速化・高出力密度・高電圧化を実現し、希土類元素への依存度を低減することで、電気輸送の持続可能な未来を推進します。リアルタイムシミュレーションおよびテストツールソリューション「Typhoon 」はその開発を支援します。詳細については、こちらのブログ記事をご覧ください。

はじめに | 電気自動車用モーターの現状

永久磁石（PM）モーターは、電気自動車（EV）向け最先端ソリューションとして広く認知されてきた。現在、これらのモーターは高効率性と高出力密度を理由に、EVの90％以上に採用されている。

これらのモーターを構築するために使用される磁石は、ネオジム、テルビウム、ジスプロシウムなどの重希土類元素で構成されています。希土類元素は他の鉱物と比較して複雑な抽出プロセスを必要とする。これにより価格変動が生じ、供給網が限定されるため、PMモーターの製造プロセスには特有の課題が生じている。これに対応し、より高速・高出力密度・高電圧を実現しつつ低コスト化を図った希土類フリー電動モーターの開発が、eモビリティ新たな潮流となっている。

eモビリティ | 希土類金属を使用しないモーター技術

PMモーターの代替需要に伴い、自動車業界では即座に利用可能で環境に優しい様々な技術が模索されている。広く研究が進められている希土類元素を使用しないモーターには、スイッチド・リラクタンス・モーター（SRM）と希土類元素を使用しない内部永久磁石同期モーター（IPMSM）がある。

スイッチドリラクタンスモーター（SRM）

SRMは固定子に巻線を備え、回転子自体は突極形状に成形された鋼鉄で構成される。これらのモーターは可変リラクタンスの原理で動作する。回転子はリラクタンスが最小の経路に整列しようとするため、位置センサーを用いて回転子軸の角度を測定し、固定子巻線の切り替えを制御器に指示する。

誘導電動機（IM）、永久磁石同期電動機（PMSM）、ブラシレスDCモーターと比較して、SRMは効率と信頼性が向上し、定出力速度比が高く、高温耐性がある（回転子に磁石がないため）。さらに、これらのモーターの簡素で頑丈な構造により、製造が迅速かつ低コストで可能となり、軽量化と制御の複雑さの低減が実現される。

SRMの利点は、EV用途において非常に魅力的です。しかし、これらのモーターにはいくつかの欠点と設計上の課題も存在します。固定子と回転子に突極があるため、トルクリップルが増加し、望ましくない音響ノイズや振動を引き起こします。したがって、各巻線を制御し、可変リラクタンスを補償するために回転子位置を正確に追跡することは、メーカーにとって困難な課題です。

希土類元素を含まないIPMSM

永久磁石同期電動機（PMSM）は、表面型（SPMSM）と内部型（IPMSM）の2種類に分類される。表面型では永久磁石が回転子表面の外側に装着され、内部型では永久磁石が回転子内部に埋め込まれている。

内部磁石は表面磁石よりも機械的・磁気的に安定しているため、eモビリティより魅力的で信頼性の高いソリューションとなります。これらの磁石は長時間の定常電力運転に頻繁に使用され、エアギャップ内でより大きな磁束密度を生成します。

ネオジム鉄ホウ素（NdFeB）を基にしたIPMSMは、EVで使用される最も一般的なタイプのモーターである。しかし、希土類金属の使用に関連する問題のため、フェライト系永久磁石などの代替磁石が研究開発の対象となっている。

フェライト永久磁石は主に酸化鉄で構成されており、世界中で広く入手可能です。これらの磁石は環境負荷が低く、コスト削減が可能で、製造も容易です。さらに、優れた耐食性と高い電気抵抗率を有し、渦電流損失を最小限に抑えます。

フェライト磁石は利点があるものの、NdFeB磁石に比べて残留磁束密度と最大エネルギー積が大幅に低い。希土類磁石と同等の性能を実現するには、フェライト磁石の体積を増やす必要があり、その結果としてモーターの重量と体積が増加する。このため、フェライトモーターのコスト効率化を図る際には、効率的なモーター制御技術の開発がさらに重要となる。

HILの利点| EVモーターの未来をシミュレート

Typhoon 、電気機械の事前パッケージ済みモデルを網羅したライブラリを提供します。例えば下図に示すSRMモデルは、希土類元素を使用しない次世代モーター技術のシミュレーションに活用可能です。これらのHILソリューションは、モデルの容易な統合とテスト自動化機能により開発コストと時間を削減するだけでなく、製品ターゲットの精度向上と試作機故障の低減を通じてリスク軽減にも寄与します。