ラジアルフラックスモータと比較して、アキシャルフラックスモータは電気自動車の設計において多くの利点があります。例えば、アキシャルフラックスモータは、モータを車軸から車輪の内側に移動することで、パワートレインの設計を変更できます。
1. 権力の枢軸
軸方向磁束モータますます注目を集めています（注目を集めています）。長年にわたり、このタイプのモーターはエレベーターや農業機械などの据置型用途に使用されてきましたが、過去10年間で多くの開発者がこの技術を改良し、電動バイク、空港ポッド、貨物トラック、電気自動車、さらには飛行機への応用に取り組んできました。
従来のラジアルフラックスモータは永久磁石または誘導モータを使用しており、重量とコストの最適化において大きな進歩を遂げてきました。しかし、開発を継続する上で多くの困難に直面しています。全く異なるタイプのモータであるアキシャルフラックスモータは、良い代替手段となる可能性があります。
ラジアルモータと比較すると、軸方向磁束型永久磁石モータの有効磁気表面積はモータローターの外径ではなく表面です。そのため、一定のモータ容積において、軸方向磁束型永久磁石モータは通常、より大きなトルクを発生できます。
軸方向磁束モータよりコンパクトです。ラジアルモータと比較して、モータの軸長ははるかに短くなっています。内輪モータの場合、これはしばしば重要な要素となります。アキシャルモータのコンパクトな構造は、同様のラジアルモータよりも高い電力密度とトルク密度を確保し、非常に高い動作速度を必要としません。
アキシャルフラックスモータの効率も非常に高く、通常96%を超えます。これは、より短い1次元の磁束経路によるもので、市場で最も優れた2Dラジアルフラックスモータと比較しても同等、あるいはそれ以上の効率を誇ります。
モーターの長さは通常5～8分の1に短縮され、重量も2～5分の1に軽減されます。この2つの要因が、電気自動車のプラットフォーム設計者の選択を変えました。
2. 軸方向磁束技術
2つの主なトポロジーがあります軸流モータ: デュアルローターシングルステーター (トーラススタイルマシンと呼ばれることもあります) とシングルローターデュアルステーター。
現在、ほとんどの永久磁石モータはラジアルフラックストポロジを採用しています。磁束回路は、ローター上の永久磁石から始まり、ステータの最初の歯を通過し、ステータに沿って放射状に流れます。次に、2番目の歯を通過してローター上の2番目の磁性鋼に到達します。デュアルローターの軸方向磁束トポロジでは、磁束ループは最初の磁石から始まり、ステータの歯を軸方向に通過し、すぐに2番目の磁石に到達します。
これは、磁束経路がラジアルフラックスモーターよりもはるかに短いことを意味し、モーターの体積が小さくなり、同じ電力で電力密度と効率が高くなります。
ラジアルモータでは、磁束は最初の歯を通過し、ステータを通って次の歯に戻り、磁石に到達します。磁束は2次元的な経路を辿ります。
軸方向磁束機の磁束経路は一次元であるため、方向性電磁鋼板を使用できます。この鋼板は磁束の通過を容易にし、効率を向上させます。
ラジアルフラックスモータでは、従来、分布巻線が採用されており、巻線端の最大半分は機能していません。コイルのオーバーハングは、重量、コスト、電気抵抗、そして熱損失の増加につながるため、設計者は巻線設計の改善を迫られます。
コイルの端は軸流モータはるかに少なく、集中巻線やセグメント巻線を採用した設計もあり、これらは非常に効果的です。セグメントステータラジアルモータでは、ステータ内の磁束経路の断裂により損失が増加する可能性がありますが、アキシャルフラックスモータでは問題になりません。コイル巻線の設計は、サプライヤーのレベルを区別する鍵となります。
3. 開発
アキシャルフラックスモータは、技術的な優位性があるにもかかわらず、設計と製造において深刻な課題に直面しています。コストはラジアルモータよりもはるかに高くなっています。ラジアルモータに関する知識は広く普及しており、製造方法や機械設備も容易に入手できます。
アキシャルフラックスモータの主な課題の一つは、ローターとステーター間のエアギャップを均一に保つことです。磁力はラジアルモータよりもはるかに大きいため、エアギャップを均一に保つことが困難です。また、デュアルローターアキシャルフラックスモータは、巻線がステーターの奥深く、2つのローターディスクの間に配置されているため、放熱が非常に困難であり、放熱の問題も抱えています。
軸流モータも、様々な理由から製造が困難です。ヨークトポロジー（ステータから鉄ヨークを取り除き、鉄歯は保持する）を採用したデュアルローターモータは、モータの直径と磁石を拡大することなく、これらの問題の一部を克服します。
しかし、ヨークを取り外すと、ヨークとの機械的な接続なしに個々の歯を固定・配置するなど、新たな課題が生じます。冷却もまた、より大きな課題となります。
ローターディスクがローターを吸引するため、ローターの製造とエアギャップの維持も困難です。ローターディスクがシャフトリングを介して直接接続されているため、力が互いに打ち消し合うという利点があります。つまり、内部ベアリングはこれらの力に耐えることができず、ステーターを2つのローターディスク間の中央位置に保持する役割しか果たしません。
ダブルステータ・シングルローターモータは円形モータのような課題には直面しませんが、ステータの設計ははるかに複雑で自動化が難しく、関連コストも高くなります。従来のラジアルフラックスモータとは異なり、アキシャルモータの製造プロセスと機械設備はごく最近登場したばかりです。
4. 電気自動車の応用
自動車業界では信頼性が極めて重要であり、さまざまな製品の信頼性と堅牢性を証明することは、軸流モータこれらのモータが量産に適していることをメーカーに納得させることは、常に困難でした。そのため、アキシャルモータのサプライヤーは独自に広範な検証プログラムを実施し、各社は自社のモータの信頼性が従来のラジアルフラックスモータと変わらないことを実証してきました。
摩耗する可能性がある唯一の部品は軸流モータ問題はベアリングです。軸方向磁束の長さは比較的短く、ベアリングの位置も近いため、通常は少し大きめに設計されます。幸いなことに、アキシャルフラックスモータはローター質量が小さく、ローターの動軸負荷も低く抑えられます。そのため、ベアリングに実際に加わる力は、ラジアルフラックスモータよりもはるかに小さくなります。
電子アクスルは、アキシャルモータの初期の応用例の一つです。幅が狭いため、モータとギアボックスをアクスル内に収納できます。ハイブリッド用途では、モータの軸長が短いため、トランスミッションシステムの全長も短縮されます。
次のステップは、軸モーターを車輪に取り付けることです。これにより、モーターから車輪へ直接動力を伝達できるようになり、モーターの効率が向上します。トランスミッション、デファレンシャル、ドライブシャフトが不要になったため、システムの複雑さも軽減されました。
しかし、標準的な構成はまだ確立されていないようです。アキシャルモーターのサイズや形状の違いによって電気自動車の設計が変化する可能性があるため、各OEMは具体的な構成を研究しています。ラジアルモーターと比較して、アキシャルモーターは電力密度が高いため、より小型のアキシャルモーターを使用できます。これにより、バッテリーパックの配置など、車両プラットフォームに新たな設計オプションが提供されます。
4.1 セグメント化されたアーマチュア
YASA（ヨークレス・セグメント・アーマチュア）モータトポロジーは、デュアルローター・シングルステータトポロジーの一例であり、製造の複雑さを軽減し、自動化された大量生産に適しています。これらのモータは、2000～9000rpmの回転速度で最大10kW/kgの電力密度を実現します。
専用コントローラを使用することで、モータに200kVAの電流を供給できます。コントローラの容積は約5リットル、重量は5.8kgで、誘電油冷却による熱管理機能を備えており、アキシャルフラックスモータだけでなく、誘導モータやラジアルフラックスモータにも適しています。
これにより、電気自動車のOEMメーカーや一次開発企業は、用途や利用可能なスペースに応じて適切なモーターを柔軟に選択できるようになります。小型化と軽量化により、車両の軽量化とバッテリー搭載量の増加が実現し、航続距離の延長につながります。
5. 電動バイクの応用
電動バイクやATV向けに、いくつかの企業がACアキシャルフラックスモータを開発しています。この種の車両ではDCブラシベースのアキシャルフラックス設計が一般的に採用されていますが、新製品はACの完全密閉型ブラシレス設計です。
DCモーターとACモーターのコイルはどちらも固定されていますが、デュアルローターでは回転するアーマチュアの代わりに永久磁石が使用されています。この方式の利点は、機械的な逆転が不要なことです。
AC軸流設計では、ラジアルモータ用の標準的な三相ACモータコントローラも使用できます。コントローラは速度ではなくトルクの電流を制御するため、コスト削減に役立ちます。コントローラには、このようなデバイスの主流である12kHz以上の周波数が必要です。
高い周波数は、巻線インダクタンスが20µHと低いことから生じます。この周波数制御によって電流リップルを最小限に抑え、可能な限り滑らかな正弦波信号を得ることができます。動特性の観点から見ると、これは急速なトルク変化を可能にすることで、より滑らかなモータ制御を実現する優れた方法です。
この設計では、分散型二重層巻線を採用しているため、磁束はローターからステーターを通って別のローターに流れ、経路が非常に短くなり、効率が高くなります。
この設計の鍵となるのは、最大60Vの電圧で動作し、より高い電圧のシステムには適していないことです。そのため、電動バイクやルノー・トゥイジーなどのL7eクラスの四輪車に使用できます。
最大電圧が 60 V であるため、モーターを主流の 48 V 電気システムに統合でき、メンテナンス作業が簡素化されます。
欧州枠組み規則2002/24/ECのL7e四輪バイク仕様では、貨物輸送用車両の重量はバッテリーを除いて600kg以下と規定されています。これらの車両は、乗客200kg以下、貨物1000kg以下、エンジン出力15kW以下で輸送できます。分布巻き方式により、75～100Nmのトルク、ピーク出力20～25kW、連続出力15kWを実現できます。
軸方向磁束の課題は、銅巻線の放熱方法にあります。熱はローターを通過する必要があるため、これは困難です。分布巻線は多数の極スロットを備えているため、この問題を解決する鍵となります。分布巻線では、銅とシェルの間の表面積が大きくなり、熱は外部に伝達され、標準的な液体冷却システムによって排出されます。
複数の磁極は、高調波を低減する正弦波波形を利用する上で重要な役割を果たします。これらの高調波は磁石とコアの発熱として現れますが、銅部品では熱を逃がすことができません。磁石とコアに熱が蓄積すると効率が低下するため、波形と熱経路の最適化はモーターの性能向上に不可欠です。
モーターの設計はコスト削減と自動化された大量生産を実現するために最適化されています。押し出し成形されたハウジングリングは複雑な機械加工を必要とせず、材料コストを削減できます。コイルは直接巻き取ることができ、巻き取り工程中に接着工程を行うことで、正しい組立形状を維持します。
重要な点は、コイルは市販の標準的な線材で作られているのに対し、鉄心は標準的な既製の変圧器用鋼材を積層したもので、形状に合わせて切断するだけで済むという点です。他のモーター設計では、鉄心の積層に軟磁性材料を使用する必要があり、コストが高くなる場合があります。
分布巻の採用により、磁性鋼を分割する必要がなくなり、形状が簡素化され、製造が容易になります。磁性鋼のサイズを縮小し、製造の容易性を確保することは、コスト削減に大きな効果をもたらします。
このアキシャルフラックスモータの設計は、お客様のご要望に合わせてカスタマイズすることも可能です。お客様は基本設計に基づいてカスタマイズバージョンを開発し、試作生産ラインで製造して早期の生産検証を行い、他の工場でも再現することができます。
カスタマイズの主な理由は、車両の性能が軸磁束モーターの設計だけでなく、車両構造、バッテリーパック、BMS の品質にも依存するためです。
投稿日時: 2023年9月28日
