永久磁石同期電動機が主駆動電動機として使われるようになったのはなぜですか？

永久磁石同期電動機が主駆動電動機として使われるようになったのはなぜですか？

電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、その機械エネルギーを伝動システムを介して車輪に伝達して車両を駆動します。これは、新エネルギー車のコア駆動システムの1つです。現在、新エネルギー車で一般的に使用されている駆動モーターは、主に永久磁石同期モーターと交流非同期モーターです。ほとんどの新エネルギー車は永久磁石同期モーターを使用しています。代表的な自動車メーカーには、BYD、Li Autoなどがあります。一部の車両は交流非同期モーターを使用しています。電気モーターの代表的な自動車メーカーには、テスラやメルセデス・ベンツなどがあります。

非同期モータは主に固定子と回転子で構成されています。固定子巻線に交流電源を接続すると、回転子が回転して電力を出力します。その基本原理は、固定子巻線に通電（交流）すると回転電磁界が形成され、回転子巻線は固定子の回転磁界内の磁束線を連続的に切断する閉導体であるということです。ファラデーの法則によれば、閉導体が磁束線を切断すると電流が発生し、その電流によって電磁界が発生します。このとき、2つの電磁界が存在します。1つは外部交流に接続された固定子の電磁界、もう1つは固定子の磁束線を切断することによって発生する回転子の電磁界です。レンツの法則によれば、誘導電流は常に誘導電流の原因に抵抗し、つまり回転子の導体が固定子の回転磁界の磁束線を切断するのを阻止しようとします。その結果、回転子の導体が固定子の回転電磁界に「追いつく」ことになり、回転子が固定子の回転磁界を追いかけ、最終的にモータが回転し始めます。この過程で、回転子の回転速度（n2）と固定子の回転速度（n1）は同期していません（速度差は約2～6%）。そのため、これは非同期交流モータと呼ばれます。逆に、回転速度が同じ場合は、同期モータと呼ばれます。

永久磁石同期モーターも交流モーターの一種です。ローターは永久磁石を内蔵した鋼鉄製です。モーターが作動すると、ステーターに通電して回転磁界を発生させ、ローターを回転させます。「同期」とは、定常運転時のローターの回転速度が磁界の回転速度と同期していることを意味します。永久磁石同期モーターは、出力重量比が高く、サイズが小さく、重量が軽く、出力トルクが大きく、限界速度と制動性能に優れています。そのため、永久磁石同期モーターは、今日では電気自動車に最も広く使用されているモーターとなっています。しかし、永久磁石材料が振動、高温、過負荷電流にさらされると、透磁率が低下したり、減磁が発生したりして、永久磁石モーターの性能が低下する可能性があります。また、希土類永久磁石同期モーターは希土類材料を使用しているため、製造コストが安定していません。

永久磁石同期モータと比較して、非同期モータは動作時に励磁のために電気エネルギーを吸収する必要があり、その過程で電気エネルギーを消費し、モータの効率を低下させる。また、永久磁石モータは永久磁石を使用するため、価格が高くなる。

AC非同期モーターを採用するモデルは、性能を優先し、高速走行時のAC非同期モーターの性能出力と効率の利点を活用する傾向があります。代表的なモデルは初期のモデルSです。主な特徴：車が高速走行しているとき、高速動作と電気エネルギーの効率的な使用を維持し、最大出力を維持しながらエネルギー消費を削減できます。

永久磁石同期モーターを採用したモデルは、エネルギー消費を優先し、低速域での永久磁石同期モーターの性能出力と効率的な動作を活用する傾向があり、小型・中型車に適しています。小型軽量でバッテリー寿命が長いのが特長です。同時に、優れた速度制御性能を備え、発進、停止、加速、減速を繰り返しても高い効率を維持できます。

永久磁石同期モーターが主流となっている。先進産業研究所（GGII）が発表した「新エネルギー車産業チェーン月次データベース」の統計によると、2022年1月から8月までの国内の新エネルギー車駆動モーターの設置容量は約347万8000台で、前年同期比101%増となった。そのうち、永久磁石同期モーターの設置容量は332万9000台で、前年同期比106%増、交流非同期モーターの設置容量は129万5000台で、前年同期比22%増だった。

永久磁石同期モーターは、純電気乗用車市場における主要な駆動モーターとなっている。

国内外の主流モデルのモーターの選択から判断すると、国内のSAICモーター、吉利汽車、広州汽車、BAICモーター、デンザモーターなどが発売した新エネルギー車はすべて永久磁石同期モーターを使用しています。永久磁石同期モーターは主に中国で使用されています。第一に、永久磁石同期モーターは低速性能が優れており、変換効率が高いため、都市交通における頻繁な発進と停止を伴う複雑な作業条件に非常に適しているからです。第二に、永久磁石同期モーターのネオジム鉄ボロン永久磁石の材料には希土類資源の使用が必要であり、中国は世界の希土類資源の70％を保有し、NdFeB磁性材料の総生産量は世界の80％に達するため、中国は永久磁石同期モーターの使用に熱心です。

海外のテスラとBMWは、永久磁石同期モーターと交流非同期モーターを共同開発している。応用構造の観点から見ると、永久磁石同期モーターは新エネルギー車の主流となる選択肢である。

永久磁石同期モータのコストのうち、永久磁石材料費は約30%を占めます。永久磁石同期モータの製造に使用される原材料は、主にネオジム鉄ボロン、ケイ素鋼板、銅、アルミニウムです。その中で、永久磁石材料であるネオジム鉄ボロンは主に回転子永久磁石の製造に使用され、コスト構成比は約30%です。ケイ素鋼板は主に回転子コアの製造に使用され、コスト構成比は約20%です。固定子巻線のコスト構成比は約15%です。モータ軸のコスト構成比は約5%です。モータシェルのコスト構成比は約15%です。

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永久磁石同期モータは、主に固定子、回転子、筐体部品で構成されています。通常の交流モータと同様に、固定子コアは、モータ運転時の渦電流やヒステリシス効果による鉄損を低減するために積層構造になっています。巻線も通常は三相対称構造ですが、パラメータの選択方法が大きく異なります。回転子部分は、始動用かご形永久磁石回転子や、埋め込み式または表面実装式の純永久磁石回転子など、さまざまな形状があります。回転子コアは、ソリッド構造または積層構造にすることができます。回転子には、一般に磁石と呼ばれる永久磁石材料が取り付けられています。

永久磁石モータの通常運転時、回転子と固定子の磁界は同期状態にあります。回転子部には誘導電流は発生せず、回転子の銅損、ヒステリシス、渦電流損もありません。回転子の損失や発熱の問題を考慮する必要もありません。一般的に、永久磁石モータは専用の周波数変換器によって駆動され、ソフトスタート機能を備えています。さらに、永久磁石モータは同期モータであり、励磁強度によって力率を調整できる特性を持つため、力率を特定の値に設計することができます。

出発点から見ると、永久磁石モータは可変周波数電源またはインバータによって始動されるため、その始動プロセスは非常に簡単です。可変周波数モータの始動と似ており、一般的なかご形非同期モータの始動時の欠点を回避できます。

要するに、永久磁石モーターは効率と力率が非常に高く、構造も非常にシンプルで、過去10年間で市場が非常に活況を呈している。

しかしながら、永久磁石モータにおいて励磁喪失故障は避けられない問題である。電流が大きすぎたり、温度が高すぎたりすると、モータ巻線の温度が瞬時に上昇し、電流が急激に増加して、永久磁石は急速に励磁を失う。永久磁石モータの制御においては、モータ固定子巻線の焼損を防ぐために過電流保護装置が設けられているが、結果として生じる励磁喪失と機器の停止は避けられない。