電気自動車のモーターの仕組み: 知っておくべきことすべて

1. はじめに

持続可能性への世界的な取り組みが加速するにつれ、電気自動車 (EV) は世界中のドライバーにとってニッチな選択肢から主流の選択肢へと移行しました。すべての EV のスムーズ、静か、そして強力なパフォーマンスの中心には、「」と呼ばれることが多い電気自動車モーターがあります。EV駆動モーター1 世紀以上にわたり道路を支配してきた内燃機関とは異なり、EV モーターは電磁力に依存して運動を生成するため、優れた効率、メンテナンスの軽減、排気管排出ガスゼロを実現します。

車がどのように機能するかに興味がある現在の EV 所有者であっても、主要なコンポーネントを研究している将来の購入者であっても、環境に優しい交通手段の背後にある技術を理解したいと考えている人であっても、このガイドでは電気自動車のモーターについて知っておくべきことをすべて説明しています。

2. 基本の基本: 電気自動車のモーターとガソリンエンジンの違い

電気自動車のモーターがどのように機能するかを正確に理解するには、まず、ほとんどの人がよく知っているガソリン エンジンと電気自動車のモーターを対比することが役立ちます。根本的な違いは、それぞれの発電方法と、ガス エンジンに伴う非効率性に要約されます。

ガソリン エンジンは 4 ストローク サイクル (吸気、圧縮、燃焼、排気) で動作します。燃料を空気と混合し、点火プラグで点火する必要があり、その結果生じる爆発によってピストンが押され、クランクシャフトが回転して車輪を駆動します。このプロセスは本質的に非効率です。ガソリンからのエネルギーの約 20 ～ 30% のみが使用可能な運動に変換され、残りは熱と排気として失われます。

対照的に、電気自動車のモーターは、電磁原理を使用して電気エネルギーを機械エネルギーに直接変換します。燃焼、ピストン、クランクシャフトはなく、可動部品ははるかに少なくなっています。このシンプルさにより、効率が大幅に向上します。通常、電気エネルギーの 75 ～ 90% が使用可能な運動になります。その他の主な違いは次のとおりです。

瞬時のトルク: EV モーターは停止状態から最大トルクを発揮し、ギアシフトを必要とせずに素早い加速を実現します。

静かな動作: 燃焼や機械騒音がないため、EV モーターはほぼ静かに動作します。

メンテナンスの軽減: 可動部品が少ないため、磨耗が少なくなり、オイル交換、点火プラグの交換、排気システムの修理が不要になります。

ゼロエミッション: テールパイプからの排気がないため、EV はゼロエミッション交通の基礎となります。

3. 電気自動車モーターの基本原理

すべての電気自動車のモーターは、同じ中心原理、つまり 1831 年にマイケル ファラデーによって最初に発見された電磁誘導で動作します。ファラデーの法則は、導体が磁場中を移動するとき、または磁場が導体の周囲を移動するときに、導体に電圧が誘導されると述べています。この誘導電圧により電流が発生し、磁力が発生して運動が生じます。

簡略化すると、これが EV モーターでどのように起こるかは次のとおりです。

モーターには、固定コンポーネントと回転コンポーネント (ローター) の 2 つの主要な部分があります。
ステーターには、EV のバッテリーから電流が供給されるワイヤーのコイルが含まれています。
固定子巻線に電流が流れると、回転磁界が発生します。
永久磁石または電磁石であるローターは、ステーターの回転磁界に引き寄せられます。

ステーターの磁場が回転すると、ローターも一緒に引っ張られ、EVの車輪を駆動する回転運動が発生します。

ここで重要な点は、EV モーターが「可逆的」であるということです。自動車が減速またはブレーキをかけると、モーターが発電機として機能し、自動車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリーを再充電します (これが回生ブレーキであり、EV の効率と航続距離を向上させる機能です)。

4. 電気自動車駆動モーターの主要コンポーネント

電磁誘導の基本原理はシンプルですが、ev駆動モーターは、信頼性が高く効率的な電力を供給するために調和して動作するコンポーネントの洗練されたアセンブリです。以下は、知っておく必要がある重要な部分です。

4.1 ステータ

ステータはモーターの外側の固定部分で、通常は銅 (またはアルミニウム) ワイヤの巻線が巻かれた鉄心で作られています。その役割は、ローターを駆動する回転磁界を生成することです。巻線の数とその配置により、モーターの速度とトルク特性が決まります。高品質のステーターには銅巻線が使用されており、長期的なパフォーマンスにとって重要な導電率と耐熱性が向上しています。

4.2 ローター

ローターは、モーターの出力シャフトに接続される回転する内部コンポーネントです。ローターには、永久磁石ローターと誘導ローターの 2 つの主なタイプがあります。永久磁石ローターは、磁界を生成するために外部電流を必要としないため、より効率的ですが、誘導ローターはよりシンプルで耐久性があります。

4.3 インバータ

EV のバッテリーは直流電気を蓄えますが、ほとんどの電気モーターは回転磁界を生成するために交流 (AC) を必要とします。インバータの役割は、バッテリからの DC 電力を固定子巻線用の AC 電力に変換することです。また、AC 電流の周波数と電圧も制御し、モーターの速度とトルクを調整します。最新のインバーターは、炭化ケイ素または窒化ガリウム半導体を使用して効率を高め、スイッチング速度を高速化します。これは、EV 航続距離を向上させるための鍵となります。

4.4 減速機/変速機

電気モーターはガスエンジンよりもはるかに高速で回転します。減速機はモーターの出力速度を下げながらトルクを増加させ、車輪の駆動に適したものにします。モーターのトルク曲線が平坦であり、複数のギアが必要ないため、ほとんどの EV は単一の減速機を使用します。一部の高性能 EV は、高速効率を高めるために 2 速ギアボックスを使用しています。

4.5 冷却システム

他の機械/電気コンポーネントと同様、EV モーターは動作中、特に高負荷下では熱を発生します。過剰な熱により巻線、磁石、その他の部品が損傷する可能性があるため、冷却システムが不可欠です。ほとんどの EV モーターは液体冷却 (ガス エンジンと同様) を使用しており、冷却剤がステーターとインバーターの周りを循環して熱を放散します。一部の新しい設計では、熱伝達をさらに向上させるために直接オイル冷却を使用しています。

4.6 センサーとコントローラー

センサーはモーターの動作をリアルタイムで監視します。位置センサーはローターの位置を追跡し、インバーターが正しい周波数で AC 電流を供給していることを確認します。温度センサーは過熱を防ぎ、電流センサーは電気的故障を防ぎます。モーターコントローラーはこれらのセンサーからのデータを使用してインバーターの出力を調整し、スムーズで効率的かつ安全な動作を保証します。

5. 電気自動車モーターの種類

すべての EV モーターが同じというわけではありません。メーカーはコスト、効率、性能、用途に基づいてさまざまなタイプを選択しています。最も一般的な 3 つのタイプは、永久磁石同期モーター、誘導モーター、およびブラシレス DC モーターです。

5.1 永久磁石同期モーター (PMSM)

PMSM は、最新の EV (Tesla Model 3、Nissan Leaf、Toyota Prius Prime など) で最も広く使用されているモーターです。名前が示すように、ローターに永久磁石が使用されており、ローターの速度はステーターの回転磁界と「同期」します。

利点: 高効率、高出力密度、優れたトルク伝達。短所: 希土類磁石と高温での減磁の可能性によりコストが高くなります。

5.2 誘導モーター(IM)

誘導モーターは、テスラ ロードスターなどの初期の EV で普及しました。永久磁石は使用せず、ローターは導電性の棒でできており、ステーターの磁場が (電磁誘導により) ローターに電流を誘導し、それ自体に磁場が生成されます。

利点: コストが低く、耐久性が高く、高速および高温でのパフォーマンスが向上します。短所: 低速では効率が低下し、電力密度が低くなります。
現在、一部のメーカーは効率と性能のバランスを取るために PMSM と誘導モーターを組み合わせて使用​​しています。日常の運転には PMSM を、高性能シナリオには誘導モーターを使用します。

5.3 ブラシレス DC モーター (BLDC)

BLDC モーターは、ローター内の永久磁石と電子整流を使用してステーターの磁界を制御する同期モーターの一種です。 PMSM に似ていますが、台形電流を使用します。

利点：高効率、低騒音、長寿命、簡単な制御。短所: トルクリップルはブラシ付き DC モーターより低いですが、PMSM よりは高くなります。 BLDC モーターは小型 EV でより一般的ですが、一部の低価格乗用車 EV でも使用されています。

6. 電気自動車モーターの性能要因

EVの性能を評価する場合、バッテリーの容量と同様にモーターの仕様も重要です。以下は、電気自動車のモーターの性能を決定する重要な要素です。

6.1 電力 (kW)

パワー (kW で測定) は EV の最高速度と加速を決定します。パワーが高いほど、加速と最高速度が速くなります。たとえば、100 kW の小型 EV は、300 kW の高性能モデルに比べてパワーが弱く感じられます。

6.2 トルク (Nm)

トルク (Nm) は車輪を駆動する回転力であり、EV の瞬時のオフライン加速を可能にします。ガソリン エンジンとは異なり、EV モーターは 0 RPM から最大トルクを供給するため、都市部では低出力の EV でも応答性が高くなります。

6.3 効率 (%)

効率 (%) は、バッテリーの電力が使用可能な動作に変換される量を反映しており、効率が高いほど航続距離が長くなります (最新の EV モーター: 通常の使用で 85 ～ 95% の効率)。主な影響: モーターのタイプ、速度、負荷、冷却。

6.4 電力密度 (kW/kg)

出力密度 (kW/kg) は単位重量あたりの出力です。密度が高いということは、モーターが小さくて軽いことを意味します (航続距離や操作性にとって重要です)。 PMSM は、永久磁石が軽いため、誘導モーターよりも優れた性能を発揮します。

6.5 速度 (RPM)

EVモーターはガソリンエンジンよりも高速回転（10,000～20,000RPM）し、高速出力を可能にします。非常に高い RPM では効率が低下するため、メーカーはギアボックスの設計によって速度と効率のバランスをとります。

6.6 熱管理

安定したパフォーマンスを実現するには、熱管理が不可欠です。過熱により電力が低下したり、コンポーネントが損傷したりすることがあります。高度な冷却システムにより、高負荷下でもパフォーマンスが維持されます。

7. 一般的な障害とトラブルシューティング手法

電気自動車のモーターは一般的に信頼性が高いですが、他のコンポーネントと同様に、時間の経過とともに故障が発生する可能性があります。以下に、一般的な問題と基本的なトラブルシューティング手法を示します。

7.1 モーター騒音

原因: ベアリングの摩耗、コンポーネントの緩み、またはギアボックスの問題 (該当する場合)。トラブルシューティング: ボルトや接続部に緩みがないか確認してください。異音が甲高い鳴き声である場合は、ベアリングに問題がある可能性があります。ガリガリと音がする場合は、ただちに運転を中止してください。これは、ローターまたはギアボックスが損傷していることを示している可能性があります。

7.2 パワー/加速の低下

原因: 過熱、インバーターの問題、またはバッテリーの問題。トラブルシューティング: EV の温度計を確認してください。過熱した場合は、運転を停止し、モーターを冷却してください。バッテリーが充電されている場合は、インバーターまたはセンサーに問題がある可能性があります。技術者に診断スキャンを実行してもらいます。

7.3 モーターが始動しない

原因: バッテリ切れ、インバータの故障、またはセンサの故障 (位置センサなど)。トラブルシューティング: バッテリーの充電量を確認してください。バッテリーが充電されている場合は、問題は電気的なものである可能性があります。技術者にインバーターとセンサーのテストを依頼してください。

8. 電気自動車モーター購入ガイド

市場に参入している場合は、電気自動車モーター販売用(カスタム EV の構築、交換、またはアップグレードの場合など)、考慮すべき重要な要素は次のとおりです。

8.1 互換性

まず、モーターがEVのバッテリー電圧およびシャーシと互換性があることを確認してください。ほとんどの EV は 400V システムを使用しますが、新しい高性能モデルは 800V システムを使用します。また、モーターの取り付け寸法と出力シャフトのサイズを確認し、車両のドライブトレインに適合することを確認してください。

8.2 電力とトルクの要件

EV の使用方法に基づいて必要な電力を決定します。毎日の通勤用 EV には、80 ～ 150 kW のモーターで十分です。パフォーマンスを高めるには、200 kW 以上を探してください。トルクは車両の重量に合わせる必要があります。重い車両 (SUV など) では、適切な加速のためにより多くのトルク (300 Nm 以上) が必要です。

8.3 モーターの種類

優先順位に基づいてモーターの種類を選択します。効率と航続距離を重視する PMSM (日常の運転に最適)、耐久性と高性能を重視する誘導モーター (カスタム ビルドまたは頻繁に使用する場合に最適)、または低コストとシンプルさを重視する BLDC です。

8.4 ブランドと信頼性

交換用モーターには信頼性の高い実績のあるブランドを使用してください。カスタム ビルドの場合は、Pumbaaev など、信頼できる EV コンポーネント サプライヤーからのモーターを探してください。安価なノーブランドのモーターは避けてください。品質管理が不十分で、安全機能が欠けている可能性があります。

8.5 保証

安心感を得るには、充実した保証が不可欠です。ほとんどの OEM (相手先商標製品製造業者) 交換用モーターには 1 ～ 3 年の保証が付いています。アフターマーケットモーターの保証期間は短い場合がありますので、細字部分をよくお読みください。

9. 結論

電気自動車のモーターは EV 革命の縁の下の力持ちであり、輸送手段を再定義する効率的で強力かつ静かなパフォーマンスを実現します。電磁誘導の基本原理から、ステーター、インバーター、冷却システムなどのコンポーネントの複雑な相互作用に至るまで、EV モーターがどのように動作するかを理解すると、EV モーターがさまざまな点でガス エンジンよりも優れている理由を理解することができます。

現在の EV 所有者、将来の購入者、またはカスタム EV を構築する趣味のいずれであっても、このガイドには、ガス エンジンとの主要な違い、主要コンポーネント、モーターの種類、性能要因、トラブルシューティング、販売用の電気自動車モーターの選び方など、知っておくべきすべてのことが網羅されています。 EV テクノロジーが進化し続けるにつれて (800V システム、炭化ケイ素インバーター、希土類を含まない磁石などの進歩により)、電気自動車のモーターはより効率的で強力になり、手頃な価格になるだけです。

結局のところ、電気自動車のモーターは単なるコンポーネントではなく、持続可能な未来のエンジンなのです。その仕組みを理解することで、EV の所有について十分な情報に基づいた決定を下し、より環境に優しい地球に貢献できるようになります。