モーターの効率が低下する要因は何ですか?

モーターは現代の自動車システムの中核となる動力部品であり、その効率は車両の性能、エネルギー消費、耐用年数に直接影響します。のために自動車用モーターEV トラクション モーター、ハイブリッド パワートレイン モーター、補助モーターを含む - 効率が低いと、EV の航続距離が短くなり、HEV の燃料消費量が増加し、摩耗の促進により長期的なメンテナンス コストが増加します。

モーターの非効率は主に、ステーター銅損、ローター銅損、浮遊損失、鉄損、機械損失という 5 つの主要な損失によって発生します。これらの損失は動作中に相互に依存しており、厳しい業界効率基準を満たすようにモーターを最適化するには、その原因を理解することが重要です。この記事では、各損失タイプ、その自動車用途への影響、および主な要因を分析します。

I. はじめに

世界的な電動化や排ガス規制の強化に伴い、車載用モーターの高効率化への需要が高まっています。モーター効率は、損失として分類される散逸エネルギー (熱、騒音、摩擦) を含む、入力電力に対する機械出力の比率を指します。安定した環境にある産業用モーターとは異なり、車載用モーターはさまざまな速度、負荷、温度で動的に動作するため、損失が増大し、目標とする効率の最適化が必要になります。

低効率は車両の性能に直接悪影響を及ぼします。EV の航続距離が 5 ～ 15% 削減され、HEV の燃料消費量が 3 ～ 8% 増加する可能性があります。損失による過剰な熱はコンポーネントの摩耗を促進し、巻線やベアリングに損傷を与え、出力を制限する熱保護を引き起こします。損失の原因を特定することは、メーカーが耐久性があり効率的なモーターを設計し、メンテナンス チームが目標を絞った修正を実施するのに役立ちます。

II.固定子の銅損

コアの影響力

I²R 損失としても知られるステータの銅損は、モーターの非効率の主な原因であり、通常の動作条件下では総損失の 30 ～ 50% を占め、上り坂での走行や重牽引などの高負荷シナリオでは 60% に急増します。これらの損失は、電流が固定子巻線を流れるときに発生し、ジュールの法則に従って銅導体の固有抵抗により熱が発生します (損失は電流と巻線抵抗の 2 乗に比例します)。結果として生じる温度上昇は、電力変換効率を低下させるだけでなく、絶縁を損傷する危険性があり、出力ディレーティングは車両の加速と牽引能力に直接影響します。

特定の原因

1. 巻線抵抗: 巻線抵抗は、式 R = ρL/A (抵抗率 × 長さ / 断面積) によって銅損に直接関係します。細いワイヤ、長い巻線、不純な銅材料、または導体の酸化はすべて抵抗を増加させます。たとえば、直径 1 mm の銅線は、同じ長さの 2 mm の銅線よりも抵抗が 4 倍高く、同じ電流に対する銅損が 2 倍になります。これは、小型化において重要な問題です。自動電気モータースペースの制約によりワイヤのサイズが制限される場合。

2. 電流密度: 電流密度 (単位ワイヤ面積あたりのアンペア) が高くなると、銅損が大幅に増加します。 EV トラクション モーターなどの高性能自動車モーターは通常 20 ～ 30 A/mm² で動作しますが、過負荷になるとこれが 35+ A/mm² に達する可能性があります。従来のスターターモーターはコールドスタート時に 50+A/mm² の過渡電流密度に見舞われ、損失のリスクが高まり、巻線の絶縁に大きなストレスがかかります。

3. 巻線の欠陥: 巻線技術が不適切 (不均一な間隔、接続が緩い) とホットスポットが発生し、抵抗が上昇し、時間の経過とともに短絡が発生する可能性があります。

4. 熱劣化: 高温により銅の導電性が低下し、絶縁が損傷し、抵抗が増加して損失増幅サイクルが発生します。

Ⅲ．ローターの銅損

コアの影響力

ローターの銅損は、ハイブリッド パワートレインに一般的に選択される自動車用誘導モーターに特有のもので、ローター巻線に誘導される渦電流と、ステーターの磁界とローターの間の滑りによって引き起こされます。これらの損失は、定格負荷時に総損失の 10 ～ 20% を占め、低速時には 30% にまで急増する可能性があります。これは、頻繁に停止および発進する市街地走行でよく見られるシナリオです。結果として生じるローターの加熱により、トルク出力が 5 ～ 8% 減少し、HEV の燃費とプラグイン ハイブリッドの航続距離に直接悪影響を及ぼします。

特定の原因

1. スリップ: スリップとは、ステーターの磁界と実際のローター速度の間の速度差を指します。スリップが高くなると（定常巡航時の 1 ～ 2% と比較して、重負荷または急加速時には 3 ～ 8%）、ローター電流が増加し、銅損が増加します。たとえば、1000 RPM で 5% のスリップで動作する 20kW の誘導モーターは、1% のスリップで動作する場合よりも 2.5 倍高いローター銅損を経験するため、これが都市部の運転効率にとって重要な懸念事項となります。

2. ローター抵抗: オルタネーターなどのコスト効率の高い自動車用モーターで広く使用されているアルミニウム製ローターは、銅製ローターよりも抵抗率が 63% 高く、同じ設計の銅損が 20 ～ 30% 大きくなります。道路の塩分や湿気による汚染、ローターバーとエンドリング間の接続の緩みにより、時間の経過とともに抵抗がさらに増大し、損失が増大します。

3. ローター渦電流: 高周波ステーター電流 (VFD から) は余分なローター電流を誘導し、現代の自動車電気モーターの銅損を増大させます。

IV.漂遊損失

コアの影響力

漂遊損失はその他の損失とも呼ばれ、通常動作では総損失の 5 ～ 15% を占め、800V EV システムで駆動される高周波自動車モーターでは最大 20% を占めます。これらの損失は主ステータおよびロータ巻線の外側で発生し、直接測定することが難しく、熱や電磁干渉 (EMI) として現れます。 EMI はセンサーやインフォテインメントなどの車両電子システムに障害を与える可能性があり、過剰な熱により絶縁劣化が促進されるため、高速自動車モーターでは浮遊損失が重要な考慮事項となります。

特定の原因

1. 漏れ磁界: ステーターによって生成される磁束のすべてがローターと結合するわけではありません。モーターフレーム、エンドシールド、または隣接するコンポーネントへの漏れの一部（漏れインダクタンスとして知られています）。この漏れ磁束により導電部に渦電流が発生し、熱や漂遊損失が発生します。エアギャップが小さい小型の自動車用モーター (ホイール ハブ モーターなど) では、部品が近接しているために漂遊損失が 30 ～ 40% 高くなります。メーカーは非磁性フラックス バリアをモーター フレームに組み込むことで軽減しています。

2. 高調波: VFD によって生成された高周波高調波は、浮遊損失を 2 ～ 3 倍に増幅します。フィルタリングが不十分だと、EV 自動車の電気モーターの効率損失と EMI が悪化します。

3. 非対称性: ステーターとローターの位置ずれや製造上の欠陥により磁場が歪み、損失が増加します。車両の振動によって損失が悪化します。

V. 鉄損

コアの影響力

鉄損またはコア損失は、ステーターおよびローターコアの磁気ヒステリシスと渦電流に起因し、定格速度では総損失の 10 ～ 25%、高速 (15,000RPM 以上) では最大 40% を占めます。これらの損失は動作周波数の二乗に応じて増加するため、自動車の可変速モーターにとって大きな懸念事項となります。10,000 RPM で動作する EV モーターの鉄損は 3,000 RPM の 9 倍となり、高速走行の効率と航続距離に直接影響します。

特定の原因

1. ヒステリシス損失: ヒステリシス損失は、固定子磁界が交互になるにつれて、コア材料 (通常はシリコン鋼) が磁化と消磁を繰り返すことで発生します。狭いヒステリシスループを備えた高品位のシリコン鋼は、低品位の材料と比較して、これらの損失を 15 ～ 20% 削減します。永久磁石自動車モーターでは、磁石の磁束密度もヒステリシス損失に影響するため、設計時に慎重な材料のマッチングが必要です。

2. 渦電流損失: 積層の厚さと周波数の 2 乗に比例します。薄い絶縁ラミネーションにより、VFD 駆動の自動車電気モーターの損失が 60 ～ 70% 削減されます。

3. 磁気飽和: 過剰な磁束は磁場を歪め、損失を増加させます。これは、慎重なコア設計を必要とする高トルクの自動車モーターにとって重要です。

VI.機械的損失

コアの影響力

高性能 EV モーターの場合、摩擦や風損 (空気抵抗) によって生じる機械的損失は、定格速度で総損失の 5 ～ 10% を占め、超高速 (20,000 RPM 以上) では最大 25% を占めます。これらの損失は一定の速度では一定であり、高速道路を長時間走行すると顕著になります。これらは出力トルクを 3 ～ 5% 削減し、EV 航続距離に直接影響します。機械損失が 1% 削減されるごとに、航続距離が 0.5 ～ 1% 延長される可能性があるため、重要な最適化目標となります。

特定の原因

1. ベアリングの摩擦: ベアリングは総機械損失の 60 ～ 70% を占めます。潤滑不良、ベアリング軌道の磨耗、シャフトの位置ずれ、または過剰な予圧により、摩擦損失が 2 倍になる可能性があります。合成ポリ尿素またはパーフルオロポリエーテル グリースは、自動車の温度範囲 (-40℃ ～ 150℃) において従来のリチウムベースのグリースよりも優れた性能を発揮し、極端な条件下で動作する自動車電気モーターの低摩擦維持に役立ちます。

2. 風による損失: 速度の 2 乗に比例します。空力設計とオイルミスト潤滑により、高速自動車モーターの損失が低減されます。

3. シールの摩擦：シールが摩耗すると摩擦が増加し、漏れの危険があり、自動車の電気モーターが損傷し、効率が低下します。

VII.自動車電気モーターおよび車載モーターに関する重要な考慮事項

自動車の電気モーターの効率を最適化するには、自動車特有の条件をターゲットにする必要があります。メーカーとメンテナンス チームの主な戦略は次のとおりです。

1. 材料の選択: 巻線に高導電性の無酸素銅を使用することで、アルミニウムに比べて銅損が 20 ～ 30% 削減されます。低損失のシリコン鋼またはアモルファス金属コアが鉄損を最小限に抑え、セラミック ベアリング (鋼より摩擦係数が低い) と合成グリースが機械的損失を削減します。これらの材料のアップグレードは、高効率の自動車モーターにとって重要です。

2. 設計の最適化: 巻線を太くし、短いピッチの巻線を使用することで、抵抗と電流密度が低減されます。ステーターとローターのエアギャップを最小限に抑えることで (精密モーターの場合は 0.3 ～ 0.5 mm)、漏れ磁束と漂遊損失が減少します。空力ローター設計と液体冷却システムにより、風損を低減し、高負荷運転による熱を放散することで効率がさらに最適化されます。

3. 品質管理: 正確な製造とコンポーネントのチェックにより、自動車モーターの損失を増大させる欠陥を最小限に抑えます。

4. メンテナンス: 定期的なベアリング/シールの交換、潤滑、VFD 調整により、効率とモーターの寿命が維持されます。

Ⅷ.結論

自動車モーターの低い効率は、電気的および機械的損失の累積的な結果であり、自動車システムの過酷で動的な動作条件によって増幅されます。電動車両にとって、目標を絞った損失削減は、パフォーマンスの必須要件であるだけでなく、航続距離の延長と所有コストの削減を可能にする重要な要素でもあります。

それぞれの損失タイプの原因と影響を理解することで、メーカーはより効率的な自動車用電気モーターを設計し、メンテナンス チームが事前対策を講じることができるようになります。自動車業界が完全電動化に向けて進む中、持続可能性の目標を達成し、車両の競争力を高めるためには、モーター効率の最適化が引き続き極めて重要な焦点となります。