2023年6月21日

HILを活用した革新的な希土類元素フリーモータートポロジーの開発

|によって書かれましたカッシアーノ・F・モラエス、ヘイター・J・テッサロ

読了時間| 4分

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する永久磁石（PM）モーターは、その効率性と出力密度の高さから、電気自動車（EV）モーターの有力な選択肢となっています。しかし、複雑な抽出プロセスと限られたサプライチェーンが価格変動を引き起こしています。これらの課題を克服するため、eモビリティ業界は希土類元素を使用しない電気モーターの開発にますます注力しています。これらのモーターは、より高い速度、出力密度、そしてより高い電圧を低コストで実現し、希土類元素への依存を低減し、電気自動車の持続可能な未来を促進することを目指しており、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であるTyphoon HILは、これらの開発を支援しています。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| EVモーターの現状

永久磁石（PM）を用いたモーターは、電気自動車（EV）の最先端のソリューションとして広く認識されています。現在、このモーターは高い効率と電力密度により、EVの90%以上に採用されています。

これらのモーターの製造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作られています。希土類元素は他の鉱物と比較して抽出プロセスが複雑です。そのため、価格変動が激しく、サプライチェーンが限られているため、PMモーターの製造プロセスには特有の課題が生じています。こうした状況を受けて、eモビリティ業界では、より高い速度、出力密度、そしてより高い電圧を低コストで実現できる希土類元素フリーの電気モーターの開発が、ますます重要になっています。

e-モビリティのトレンド| 希土類金属を使用しないモーター技術

PMベースのモーターを置き換える必要性から、自動車業界は容易に入手可能で環境に優しい様々な技術を模索しています。希土類元素を含まないモーターとして広く研究されているものとしては、スイッチドリラクタンスモーター（SRM）と希土類元素を含まない内部永久磁石同期モーター（IPMSM）があります。

スイッチドリラクタンスモータ（SRM）

SRMは巻線を内蔵するステータを備え、ローター自体は突極形状の鋼板で作られています。これらのモーターは可変磁気抵抗の原理で動作します。ローターは最も磁気抵抗の低いレーンに整列しようとするため、位置センサーを用いてローターシャフトの角度を測定し、コントローラーにステータ巻線の切り替えを指示します。

誘導モータ（IM）、PMSM、ブラシレスDCモータと比較して、SRMは効率と信頼性が高く、定出力回転比が高く、ローターに磁石がないため高温にも強いという特徴があります。さらに、SRMは構造がシンプルで堅牢なため、製造コストの削減と迅速化、軽量化、制御の簡素化を実現します。

SRMの利点は、EV用途において非常に魅力的です。しかし、これらのモータにはいくつかの欠点と設計上の課題もあります。ステータとローターに突極があるため、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が発生します。そのため、各巻線を制御し、ローター位置を正確に追跡して変動する磁気抵抗を補正することは、メーカーにとって困難な課題です。

希土類元素フリーIPMSM

永久磁石同期モーター（PMSM）は、永久磁石がローター表面の外側に取り付けられている表面埋め込み型（SPMSM）と、ローターに永久磁石が埋め込まれている内部型（IPMSM）の2種類に分けられます。

内部磁石は表面磁石よりも機械的にも磁気的にも堅牢であるため、e-モビリティ用途において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、長時間の定電力動作に頻繁に使用され、エアギャップに大きな磁束密度を生成します。

EV用モーターとしては、ネオジム鉄ボロン（NdFeB）をベースとしたIPMSMが主流です。しかし、希土類金属の使用に伴う問題から、フェライト系永久磁石などの代替磁石の研究開発が進められてきました。

フェライト磁石は、世界中で広く入手可能な酸化鉄（III）を主成分としています。これらの磁石は環境への影響が少なく、コストも低く、製造も容易です。さらに、優れた耐腐食性と高い電気抵抗率を備えているため、渦電流損失を最小限に抑えることができます。

フェライト磁石は多くの利点を備えているものの、NdFeB磁石に比べて残留誘導磁場と最大エネルギー積がはるかに低いという欠点があります。希土類磁石と同等の性能を得るには、フェライト磁石の体積を大きくする必要があり、結果としてモーターの重量と体積が増加します。そのため、フェライトモーターのコスト効率を高めるには、効率的なモーター制御の開発がさらに重要になります。

HILのメリット| EVモーターの未来をシミュレート

Typhoon HILは、下図に示すSRMモデルをはじめとする、電気機械のプレパックモデルを豊富に揃えたライブラリを提供しており、将来のレアアースフリーモーター技術のシミュレーションに活用できます。これらのHILソリューションは、容易なモデル統合とテスト自動化機能により開発コストと時間を節約できるだけでなく、製品ターゲティングの向上とプロトタイプの不具合の減少によりリスクも軽減します。