近年、環境保護、エネルギー危機、温室効果などの課題が深刻化する中、電気自動車（EV）産業は急速な発展を遂げています。駆動モーターは EV の核心部品であり、その性能が直接駆動システムの効率と車両の走行性能を左右します。現在、電動駆動システムは永久磁石化、高速化、統合化への発展を続けており、モーターの構造設計や冷却放熱などの面で多くの課題に直面しています。本稿では、電気自動車用集中駆動モーターの種類、代表的なトポロジー構造、冷却システムの開発状況について詳しく解説し、今後の技術動向を展望します。
産業背景と市場動向
世界的な「カーボンニュートラル」「カーボンピーク」の目標達成に向け、各国は新エネルギー自動車の普及を積極的に推進しています。中国では、「新エネルギー自動車産業発展計画（2021-2035 年）」において、2035 年までに新車販売台数の 50％以上を EV とし、そのうち 95％以上を純電気自動車とする目標が掲げられています。米国能源省も 2025 年までに駆動モーターの出力密度を 5.7kW/kg まで高める計画を発表しており、高性能モーターの開発が国際的な競争の的となっています。
市場動向を見ると、2023 年の世界の新エネルギー乗用車販売台数は 724.95 万台に達し、前年比 38.5％増加しました。これに伴い、駆動モーターの搭載台数も 833 万台に上り、同 44％の成長を記録しました。現在、主要な EV メーカーにはテスラ、BMW、フォルクスワーゲン、比亜迪（BYD）、広汽エアンなどがあり、モーター供給メーカーとしては弗迪動力、テスラ、聯合電子、蜂巣電駆動などが市場をけん引しています。
駆動方式には大きく分けて集中駆動と分散駆動の 2 種類があります。集中駆動は従来の内燃機関に代わって 1 基の主駆動モーターを使用し、ドライブシャフトやデファレンシャルなどの機械構造を介して動力を車輪に伝達する方式で、生産技術が成熟して信頼性が高いという特徴があります。一方、分散駆動は各車輪に個別のモーターを搭載する方式で、制御精度と伝達効率に優れていますが、ばね下質量の増加や密封・熱管理の難易度が高いなどの課題が残っています。現段階では、市場の大部分を集中駆動方式が占めています。
駆動モーターの種類と特徴
電気自動車に使用される集中駆動モーターには、直流モーター、誘導電動機、スイッチトリラクタンスモーター（SRM）、永久磁石同期電動機（PMSM）、電界励磁同期電動機（EESM）などがあり、それぞれ特性が異なります。
- 直流モーター：構造が簡単で速度制御が容易であるため、初期の EV に多く採用されました。しかし、騒音が大きく故障が多いという欠点から、現在では市場シェアが大幅に低下しています。
- 誘導電動機：信頼性が高くコストが低いというメリットがありますが、力率が低いという特徴があります。米国や欧州のメーカー（テスラ、フォード、シボレーなど）で広く使用されており、その理由としては希土類資源の高騰を回避できること、高速走行域での効率が優れていることが挙げられます。
- スイッチトリラクタンスモーター（SRM）：回転子にコイルや永久磁石を必要としないため構造が簡単で信頼性が高く、回転数 – トルク特性が EV の走行シーンに適しています。しかし、トルク脈動と騒音が大きいため、搭載例は少なく、主にジャガー C-X75 や東風のハイブリッドバスなどに限定されています。
- 永久磁石同期電動機（PMSM）：高効率と高回転数を実現しており、現在 EV 市場の主流を占めています。回転子構造には表面磁石型と埋め込み型があり、埋め込み型はリラクタンストルクを利用して永久磁石の使用量を削減できるため、トヨタ、ホンダ、フォルクスワーゲン、BMW などの多くの国際ブランドで採用されています。
- 電界励磁同期電動機（EESM）：励磁制御が可能で効率が高いという特徴があり、近年注目を集めています。BMW iX3 の駆動システムは EESM を採用しており、ブラシモジュールを介して回転子巻線に給電しています。独采埃孚（ZF）グループは誘導励磁同期電動機を開発し、回転子軸内の誘導励磁機を通じて磁界エネルギーを伝達することでブラシ構造を廃止し、信頼性を向上させています。
また、希土類資源の価格高騰と供給不安を背景に、低希土類・無希土類永久磁石モーターの開発が注目されています。開発手法には、回転子の多層磁気障壁設計によりリラクタンストルクを増加させる方法、重希土類の使用量を減らして軽希土類の比率を高める方法、フェライト磁石でネオジム磁石を代替する方法などがあります。現在、これらの技術は効率やトルク密度の面で PMSM に劣るため、さらなる改良が必要です。
モーターのトポロジー構造と技術革新
EV の高性能化に伴い、モーターの回転数向上が重要な開発課題となっています。中国自動車工程学会は、乗用車用駆動モーターの最高回転数が 18,000r/min を突破すると予測しており、実際にテスラ Model S Plaid、Lucid Air、小米汽車 V8s、極氪 001FR などのモデルでは 20,000r/min を超えるモーターが搭載されています。高回転化により交流損失の増加、回転子強度の低下、放熱負荷の増大などの課題が生じており、これらを解決するために構造設計や材料開発が進められています。
回転子構造の進化
埋め込み型 PMSM は高回転に適した構造を持っており、回転子形状には一字型、V 型、△型、U 型などがあります。トヨタ Prius の駆動モーターは世代ごとに構造を改良しており、Prius IV では△型磁極構造を採用することで永久磁石の使用量を削減し、最高回転数を 17,000r/min まで高めています。
テスラ Model 3 の駆動モーターは V 型磁極構造を採用し、回転子外周の空隙付近に補助溝を設けて性能を最適化しています。冷却方式には油冷を採用し、最高回転数 17,900r/min、出力密度 2.4kW/kg を実現しています。フォルクスワーゲン ID.4 のモーターは△型磁極と 4 段式分節錯極構造を採用し、振動や騒音を低減させています。
高回転化に伴う遠心力の増大に対応するため、回転子の保護技術が開発されています。炭素繊維複合材料の保護スリーブは軽量で強度が高く、導電率が低いため、高回転モーターに適しています。テスラ Model S Plaid は炭素繊維で回転子を被覆することで 20,000r/min 以上の回転を実現し、0-100km/h 加速は 2.4 秒に達しています。極氪 001FR の後輪駆動モーターも炭素繊維回転子を採用し、最高回転数 20,620r/min、出力密度 4.4kW/kg を達成しています。小米汽車の V8s モーターはさらに性能を高め、最高回転数 27,200r/min、出力 425kW、効率 98.11％、出力密度 10.14kW/kg を実現しています。
固定子構造の進化
固定子の巻線構造はモーターの効率に大きな影響を与えます。従来の丸線巻線に代わり、平角線巻線（扁線巻線）が普及しています。平角線巻線はスロット占有率を大幅に向上させ、巻線端部の高さを低く抑えることができるため、直流銅損を 30-40％削減し、出力密度と効率を高めることができます。
平角線巻線には Hair-pin（ヘアピン）、I-pin、X-pin、重ね巻き、連続波巻きなどの形式があります。Hair-pin 巻線は生産技術が成熟しているため、BMW i7、テスラ Model Y など多くのモデルで採用されています。日本電装（Denso）は階段状の端部設計を採用することで、巻線の曲げ半径を小さくし、端部高さをさらに低減しています。I-pin と X-pin 巻線は線材を成型する必要がなく、軸方向から直接固定子スロットに挿入するため、スロット占有率がさらに高くなります。広汽エアンのクオーク電駆動や聯合電子などは X-pin 巻線を採用しています。
高回転・高周波化に伴う巻線の交流損失（表皮効果や近接効果による損失）が問題となっており、これを低減するための巻線構造が開発されています。分割巻線、不等断面積巻線、素線間換位平角線巻線、混合換位巻線などが研究されており、それぞれ高周波損失低減の効果を持っています。
固定子鉄心材料
モーターの小型化・高効率化に伴い、固定子鉄心材料には高飽和磁束密度、低損失、優れた力学的特性が求められています。現在、主流の材料は無方向性電磁鋼板で、日本の JFE や新日鐵、中国の宝鋼、武鋼などが生産しています。小米 V8s の超級モーターは、回転子の機械的性能を確保するため、降伏強度 960MPa の特殊電磁鋼板を採用しています。
鉄損を低減するため、電磁鋼板の薄肉化が進んでおり、従来の 0.35mm や 0.50mm から 0.25mm、0.27mm へと薄くなっています。2016 年モデルの BMW i3 のモーター鉄心は 0.27mm の電磁鋼板を積層して構成されており、回転子に多数の肉抜き孔を設けることで出力密度を高めています。日産 Leaf II のモーター鉄心には 0.25mm の電磁鋼板を使用し、鉄損を低減して効率を向上させています。
非晶質合金材料は低損失・高透磁率の特性を持っており、注目されています。研究データによると、磁束密度 1.5T、周波数 600Hz の条件下で、非晶質合金の鉄損は電磁鋼板の 19.2％に過ぎません。広汽エアンのクオーク電駆動はナノ結晶 – 非晶質合金材料を使用してモーター鉄心を製造し、鉄損を 50％削減し、運転効率を 97.5％まで高めています。ただし、非晶質合金は硬度が高く脆いため、加工が難しく大規模な実用化には課題が残っています。
熱解析と冷却構造設計
モーターの高出力密度化に伴い、発熱量が増加し、温度上昇による永久磁石の不可逆的減磁や絶縁材料の劣化が問題となります。そのため、効率的な冷却システムが不可欠です。モーターの温度上昇を解析する方法には、簡易公式法、集中定数熱回路法（LPTN）、数値シミュレーション法（FEM や CFD）などがあります。
簡易公式法は計算が簡単で がら誤差が大きく、初期設計段階の概略計算にしか適していません。集中定数熱回路法はモーターを熱抵抗で接続された節点にモデル化し、計算速度が速いという特徴があり、モデルにはノード数が少ないグレーボックスモデルとノード数が多いホワイトボックスモデルがあります。数値シミュレーション法のうち、有限要素法（FEM）は固体の熱伝導解析に適し、計算流体力学（CFD）は冷却媒体の流れと温度場の結合解析に用いられ、複雑な冷却構造の最適化に有効です。近年では、CFD で算出した対流熱伝達係数を LPTN モデルに導入するなど、複数の方法を組み合わせることで計算精度と効率を高める手法が普及しています。
冷却方式には空冷と液冷があります。空冷は構造が簡単で維持が容易ですが、冷却能力が限られるため、中小出力モーターに適しています。液冷は水や油を媒体として使用し、冷却効果に優れるため、電気自動車の駆動モーターに広く採用されています。水冷の場合、巻線の電流密度は通常 7-20A/mm² となり、直接冷却を採用すると 10-30A/mm² まで高めることができます。
水冷構造
水冷システムはモーターのケースや内部に冷却水路を設け、ポンプで冷却液を循環させて熱を除去します。冷却液には水、エチレングリコール、防食剤や消泡剤を混合した溶液が使用され、凍結防止や腐食抑制、水垢付着防止の効果を持っています。ケースに設けられる水路形状には螺旋型、全環型、半環型、軸方向型などがあります。螺旋型は放熱面積が大きく、出入口の圧力損失が小さいのに対し、軸方向型は出口の圧力損失が大きくエネルギー消費が多いという特徴があります。
近年、冷却効率を高めるための新しい構造が開発されています。例えば、固定子鉄心に磁気障壁を設けてケースの水路と連結した構造では、ピーク負荷時の固定子スロット領域の温度上昇を 20K 低減できます。また、冷却管に複数の突起を設けたディンプル構造は表面伝熱係数を高める効果があり、ケース水冷とヒートパイプを組み合わせた技術では冷却システムのエネルギー消費を 50％削減できるとされています。
ケース水冷は固定子巻線の直線部分の冷却には有効ですが、巻線端部や回転子の熱を十分に除去することが難しいため、長い端部巻線を持つモーターには適していません。そこで、巻線端部に冷却管を設けた分割放熱構造が開発され、これにより巻線端部の温度を 25％低下させることができます。さらに、スロット内に冷却管を配置するスロット内冷却方式は熱源に近いため放熱効率が高く、例えばスロット内に三角形の冷却管を設けた構造では、モーターの最高温度を 202℃から 85℃まで低減し、巻線の連続運転電流密度を 8.24A/mm² から 24.7A/mm² まで高めることに成功しています。
3D プリント技術の進展に伴い、中空導体を利用した冷却方式も研究されています。導体の中空部にヒートパイプを挿入したり、冷却媒体を流通させたりすることで放熱能力を高めることができます。ただし、端部の溶接技術や絶縁性確保、導体の強度維持などの課題が解決すべき課題として残されています。
油冷構造
油冷は不導電・不導磁の特性を持つ油を冷却媒体として使用し、直接熱源を冷却できるため放熱効率が高く、高出力密度モーターに適しています。油冷には間接油冷と直接油冷があり、直接油冷には浸漬式と噴射式が含まれます。実際のシステムでは、これらの方式を組み合わせてモーターの発熱部分を重点的に冷却することで、放熱能力をさらに高めることが一般的です。
現在、多くのメーカーが油冷技術の開発に注力しています。トヨタ Prius やホンダ IMMD は巻線端部の油冷を採用し、テスラ Model 3 は固定子鉄心に溝を設けるとともに巻線端部にスプレー冷却を施しています。比亜迪 DMI は回転子に直接油を噴射する方式を採用し、華為 DriveONE は固定子の浸漬油冷と回転軸油冷を組み合わせています。Lucid Air の駆動モーターは歯部に冷却通路を設けることで巻線に近い位置で冷却を行っていますが、この構造は電磁性能を一部犠牲にしており、冷却性能と電磁性能のバランスを取る技術が課題となっています。
ボグワーナーは向心式冷却システムを開発し、冷却油を固定子に導入して表面の突起に沿って流れる油路を形成することで、重力の影響で固定子鉄心の外表面全体を覆えない問題や流速が遅い問題を解決しています。回転子の冷却難題に対しては、ケースと回転軸を組み合わせた冷却構造が開発され、これにより回転子の温度上昇を効果的に低減できることが確認されています。
油冷は放熱効率に優れますが、課題も存在します。駆動モーターの冷却油は多くの場合ギアボックスの油と共用されるため、油の品質に高い要求があります。また、モーター内部で油が汚染されやすく（例えば平角線モーターの巻線溶接時に発生する屑など）、油自体の粘性による内部摩擦発熱や減衰作用、水に比べて熱伝導率が 20％程度と低いことなどが改善すべき点とされています。
放熱材料の研究も進んでおり、モーターケースと巻線の間に熱伝導性ゴムやセラミックなどの高伝熱絶縁材料を配置することで巻線端部の放熱を強化したり、高熱伝導率の金属材料や相変化材料で製作した放熱フィンやヒートパイプを用いて内部の熱をケース外部に伝達したりする技術が開発されています。これらの方法は局所的な温度上昇を抑制する効果があり、高出力密度モーターの放熱システムに新たなアイデアを提供しています。
今後の展望
電気自動車用集中駆動モーターの技術開発は、以下の方向に進むと予想されます。
- 低コスト化と資源依存の低減：現在、永久磁石同期電動機が電気自動車分野で主導的地位を占めていますが、希土類資源への依存を減らしコストを下げるため、低希土類・無希土類永久磁石モーターが技術開発の重点となっています。BMW やボグワーナーなどの企業はすでに電界励磁同期電動機や低重希土類永久磁石モーターなどの製品を開発しており、今後、低コストの磁石材料が研究のホットスポットとなるでしょう。
- 新しいトポロジー構造の開発：国内外の研究者はモーターの効率、出力密度、放熱などの面に注目し、多種多様なモータートポロジー構造と放熱構造を提案しています。モーターの高速化はモーターの損失増加や回転子強度低下などの問題を引き起こしており、広い周波数帯域で低損失、高過負荷特性を持つ新しいトポロジー構造のモーターの開発が急務となっています。
- 材料技術の革新と先進的な製造技術の応用：電気自動車用モーターの電磁負荷の限界を突破するためには、材料技術の革新が必要です。高熱伝導絶縁材料、高強度電磁鋼板、低抵抗率導体材料などの開発が期待されています。損失を低減し放熱性能を向上させることで、モーターの性能指標を不断に高めることができます。さらに、3D プリントなどの先進的な製造技術と組み合わせることで、高性能で複雑な構造の部品を製造することが可能となり、モーターの性能向上と小型化に大きな役割を果たすでしょう。
著者：贾广隆、鞠孝伟、赵泽、张凤阁
所属：沈阳工业大学 a. 国家稀土永磁电机工程技术研究中心、b. 电气工程学院
期刊：沈阳工业大学学报（Journal of Shenyang University of Technology）
DOI：10.7688/j.issn.1000-1646.2024.05.04