希土類を使わない電気モーター

 (renaultgroup.com)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 20 시간 전 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 電励同期モーター（EESM） は、固定子電流が生み出す磁場で回転子を動かし、バッテリーの電気を車輪駆動用の機械エネルギーに変換し、磁石と希土類を使用しない
  • 自動車市場の電気自動車の90%は磁石入りモーターを使っているが、Renault Groupは2012年から EESM電気モーター を量産販売している
  • Renault GroupのEESMモーターはKangoo Z.EとZoeから始まり、Megane E-Tech electric、Scenic E-Tech Electric、Alpine A290、Renault 5 E-Tech electric、Renault 4 E-Tech electricなどに採用されている
  • 2027年予定の E7A は、200kW出力、400Nmトルク、前世代比30%小型化、カーボン影響30%削減、約92%の効率を目標としている
  • 希土類と磁石の生産は中国依存度が非常に高く、巻線型回転子 の選択は原材料・磁石生産国への依存を避けるための戦略的な選択となる

希土類を使わない電気モーターの背景

  • Renault Groupは、磁石のない電気モーター、すなわち 希土類を使わない 電気モーター技術における歴史的な先導企業として位置づけられてきた
  • 電気自動車の90%が磁石入りモーターを使う市場において、Renault Groupは希土類不要モーターで差別化している {p:90}

電気モーターの主な種類

  • 電気自動車用モーターは、ピストンやシリンダーなしでバッテリーの電気エネルギーを機械エネルギーに変換する
  • 固定子で電流が磁場を生み出し、この磁場が回転子を動かして車両の車輪を駆動する
  • 電気モーターは、技術差の大きい3つの主要ファミリーに分かれる

  • 永久磁石同期モーター

    • 永久磁石同期モーター は希土類で作られ、現在の自動車市場で支配的な技術である
    • この技術は高効率と最適化された省スペース性を両立する

  • 非同期モーター

    • 非同期モーター（ASM） は非同期誘導モーター（IM）とも呼ばれる
    • この技術は効率がより低く、現在は一般に前車軸の補助モーターとして使われている

  • 電励同期モーター

    • 電励同期モーター（EESM） はやや大型だが、磁石なしで高い効率を実現する
    • この電気モーターは希土類を使わない
    • Renault Groupは2012年にEESM電気モーターの量産販売を開始し、この専門性が競争力のある電気モーター製品群につながった

Renault Groupの純電動モーター製品群

  • Renault Groupは2011年から電気自動車分野の先導企業として活動しており、EESM技術を量産販売する選択を行った

  • 第1世代モーター

    • 第1世代モーターは2011年のRenault Kangoo Z.Eと2012年のRenault Zoeに搭載された
    • このモーターは部品参照名 5A を使用し、出力は57〜100kWの範囲だった
    • 2020年にはこのパワートレインの最終アップグレードがTwingo Electricに適用され、参照名は5AL、出力は60kWだった

  • 第2世代EESMモーター

    • Renault Groupの第2世代EESMモーターは2021年に参照名 6A として生産に入った
    • Renault Megane E-Tech electricは2022年初頭に新モーターを初搭載したモデルであり、参照名6AMモーターはより小型・軽量・高出力となり、最大160kWを発揮する
    • その後、Renault Scenic E-Tech Electricと初の純電動AlpineであるAlpine A290がこの流れに続いた
    • 2024年10月発売のRenault 5 E-Tech electricは、110kW出力の6AK電気モーターを搭載する
    • 2025年3月から注文可能なRenault 4 E-Tech electricも、110kW出力の6AK電気モーターを搭載する
    • Alpine A390は2025年9月に公開された新しいパワートレインを備え、前車軸にはAlpine A290と同じ6AM電気モーターを、後車軸には新しいツインモーター構成を採用した
    • Alpine A390の3基の電気モーターはすべてCléonで製造され、合算推定出力は約345kW、約470馬力である

2027年の次世代純電動EESMモーター

  • Renault Groupのエンジニアは2021年に、E7A と呼ばれる第3世代EESM型電気モーターの開発を開始した
  • 開発段階はまだ進行中だが、仕様はすでに確定している
  • E7Aは200kW、約270馬力の出力と400Nmのトルクを目標としている
  • E7Aはオールインワンアーキテクチャにより、前世代モーターより30%小型化される
  • E7Aはカーボン影響を30%削減し、約92%の効率を目標としている
  • この電気モーターは、システム電圧を現在のRenault製品群の標準である400Vアーキテクチャから800Vへ引き上げ、充電時間を短縮する

希土類不要モーターがより戦略的な課題になった理由

  • Renault Groupは永久磁石の代わりに 巻線型回転子 を選び、希土類と磁石の生産国への依存を避けようとしている
  • 電気モーターにおける希土類の有無は細部の問題ではなく、戦略的な課題である
  • 中国は世界で使われる精製軽希土類の85%と重希土類の100%を生産している
  • 中国は今日、こうした原材料の販売を限定的にしか行わず、自国市場と永久磁石のような高付加価値製品を優先している
  • その結果、中国はほぼ完全な独占に近い地位を持ち、世界生産の90%以上が中国から供給されている
  • 同時に、中国は世界最大の電気自動車生産国でもある

Cléon、Renault Groupの電気モーター工場

  • Cléon工場は2015年からRenault Groupのパワートレインを製造してきた
  • この工場はRenault Zoe、Twingo ZE、Kangoo ZE、Master ZE向け電気モーターの生産を開始した拠点である
  • Megane E-Tech electric、Scenic E-Tech electric、Alpine A290、Renault 5 E-Tech electric、Renault 4 E-Tech electric向けモーターもすべてここで生産されている
  • 2027年からCléon工場は次世代200kW電気モーターを生産する

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1件のコメント

 
GN⁺ 20 시간 전
Hacker Newsの意見

  • 磁石なしの電気モーターの複雑な技術を歴史的に切り開いたかのような見出しは、電気機械の歴史を知っている立場からするとかなり笑える
    永久磁石なしのモーターこそ最初の実用モーターだったし、巻線型回転子モーターもすでに100年以上の歴史がある
    最大級のモーターは昔からこういう設計で作られることが多かったが、必要な磁石の大きさのせいで高価すぎて危険になり、サイズのわりに出力も足りないからだ
    界磁コイルは電流と巻線の抵抗発熱が許す限り磁場を作れるが、希土類磁石には磁場強度に固定された限界がある

    • 昔 Cub Scouts で電気モーターを作る課題があり、材料は土台用の板、6インチの釘を何本か、電線、板金用材料として使う缶、テープだった
      磁石はなかったが、電池につなぐとちゃんと回った
      科学少年らしく交流につなげばもっと良くなるだろうと思って電源コードを付けて差し込んだら、大きく振動したあと火が出て、母は気に入らなかった
    • この表現がおかしいという点には同意する
      大型の発電機はどれも磁場を作るための 励磁コイル を備えていて、事後調整よりはるかに効率よく界磁を調整して電圧を制御できるという利点がある
      モーターも発電機も磁場を作るために電力を供給する必要があるので効率損失はあるが、システムが大きくなるほど電磁石を使うほうが実際にはより効率的になる
      希土類鉱物の不足 まで考えればなおさら筋が通る
    • それなら、なぜすべてのモーターを永久磁石なしで作らないのか、永久磁石の利点 は何なのか気になる
    • 完全に正しいわけではない
      巻線とコアの 機械的強度 にも制限され、CERN や核融合施設の超伝導磁石でもこの限界が上限になる

  • 固定子と回転子の両方で誘導磁場を使うモーターを作ること自体が、ここでの革新であることは明らかにない
    産業用モーターのかなりの部分が永久磁石を使っていないからだ
    意味のあるトルクを出しつつ小型で高効率にすることが革新なのだろうが、通常は93%効率の電気モーターという主張は、2kWの巨大な機械を400Wで運転した結果であることが多い
    Renault がここで何をしているのか知っている人がいれば気になる

  • BMW もEV向けの希土類なしモーターを作っていて、現時点ではそちらのほうがはるかに先を行っている
    出力はほぼ2倍で（最大300kW 対 160kW）、800Vアーキテクチャ を採用している

    • Renault の最も安いEVは約 €20K で、BMW の最も安いEVは約 €65K だ
      両社が同じ市場セグメントにいるとは言いにくいのではないか
    • Mercedes の新しい アキシャルフラックス電気モーター とはかなり対照的だ
      その設計は希土類を積極的に使い、最高級の高性能永久磁石に依存している
      ただし Mercedes の目標生産量は BMW や Renault より少ない可能性が高い

  • 「磁石を 制御可能な磁石 に置き換える」という言い方は、自動車工学の文章としてこれ以上ないほど自動車工学っぽい表現だと思う

    • 別の言い方をすると「希土類を取り除いて ソフトウェア を追加しました」だ

  • これが ブラシ方式 である点が興味深い
    RCカーのコミュニティでは通常ブラシレスモーターのほうが優れていると考えられているが、もちろんそちらには希土類磁石の問題がある
    技術的にはブラシは摩耗しうるが、15万〜25万マイルは持つという主張も見かける

    • 厳密にはブラシではなく スリップリング だ
      この種のモーター設計は自動車用オルタネーターと非常によく似ており、電力ベースでおよそ100倍に拡大した形に近い
    • ブラシ付きDCモーター が摩耗するのは、極性を絶えず切り替えることでブラシでアークが発生するからだ
      ブラシは回転子に電力を入れるためのものではなく、回転子は結局のところ磁石であり、固定子に極性を切り替えるよう伝える役割を持つ
      ブラシレスDCモーターは、摩擦部品なしで回転子位置を検出する電子回路によって固定子の極性を切り替えるので、アークがない
      固定子電流パルスを細かく調整して広い速度範囲で効率を高めることもできるが、ブラシ付きDCモーターにはそれができない
      回転接点がないという事実よりも、アークがないこと のほうが重要だ
      ブラシ付きACモーターには回転接点であるスリップリングがあるが、理想的にはアークがないため、接点劣化はブラシ付きDCモーターほど速くない
      ただし回転子を励磁する必要があるので、大電流を流す
      ブラシ付きACモーターが理想的ではないにせよ、ACモーターを「ブラシレス」にする利点はDCモーターほど大きくはない
      結局のところ、すべてのモーターには絶えず変化する電流が必要であり、AC/DCモーターの違いは、外部からすでに正弦波交流を入れるのか、それともモーター自体が外部のDCを何らかの形のACに変えるのかにある

  • "At the same time, China is also the world's leading producer of electric cars..." のように、専門ブランドの企業が 三点リーダー を使うのは少し興味深い

  • 希土類を使わないモーターが CATLのナトリウム電池 といつごろ組み合わされるのか気になる
    価格競争と航続距離競争がもうすぐ来そう

  • 電気励磁同期機（EESM） または巻線界磁同期機には、北米のEVで主流の埋込磁石型永久磁石同期機（IPMSM）と比べて長所と短所がある。
    長所は、希土類永久磁石の価格・サプライチェーンの変動性から自由であり、高速道路中心の走行サイクルでは最新のIPMSMよりサイクル効率が高くなりうる点である。
    EESMは弱め界磁特性に優れ、中トルクおよび高速域で効率が最も良い傾向があるため、クラス8トラックや2つの駆動軸を持つ自動車の補助モーターに適していそうである。
    出力トルクは必ずしもローター温度の上昇に応じて低下せず、適切な制御を行えば理論上は力率1で運転して固定子インバーターのkVA定格を下げられるほか、固定子インバーター故障時にはローターを消磁する方式で安全面の利点もある。
    短所は、回転する界磁巻線に直流を伝送する必要があるためブラシとスリップリングを使うか、回転整流器付きの高周波変圧器を使う必要があり、いずれにせよ追加のパワーエレクトロニクスや部品によって永久磁石をなくして得られるコスト削減の一部が失われる点である。
    ブラシとスリップリングをローターへのオイル噴射冷却と併用する場合は別個の密閉区画が必要であり、Renaultが誘導式高周波変圧器の代わりにブラシとスリップリングを維持したのは少し意外である。
    その選択は出力密度を制限した可能性がある。
    トルク密度が非常に高い機械ではローター界磁巻線の冷却が難しく、オイル噴射冷却が最善だと思う。
    自動車のパッケージサイズではIPMSM並みの高い最高回転数に到達するのは難しく、高速時に界磁巻線がエアギャップ側へ押し出されないよう保持するローター巻線支持構造の設計が重要である。
    EESMは界磁巻線端部と励磁システムのため、不活性領域の軸方向長さが通常IPMSMより長く、効率は製造可能な界磁巻線のスロット充填率に大きく左右される。
    高性能な電流・トルク制御もはるかに難しい。
    高性能EESMは航空宇宙の発電機用途で何十年も使われてきたが、自動車向けとは異なるローター励磁システムを使っていた。
    RenaultとサプライヤーのContinentalがEESMの自動車向け量産商用化を事実上主導し、今ではBMWも追随しており、Mahle、ZFなど複数のサプライヤーがEESM設計を持っている。
    GMも2014年に高周波変圧器励磁方式の優れたEESM設計を発表している。
    同僚たちと米国エネルギー省のプロジェクトで複数世代のEESMを製作しており（https://www.osti.gov/servlets/purl/1837809）、特定の用途ではEV駆動モーターとして居場所があると考えている。

    • もう1つの利点は、永久磁石のないモーターを 空転モード に切り替えられる点である。
      Teslaのデュアルモーター構成では前モーターが磁石なし方式だと理解している。
      追加出力が必要なときだけ励磁を入れ、巡航速度では余計な「引きずり」を生じさせない。
      この分解動画の1つでは、同じ車両内でも前側駆動にはより安価で効率の低いIGBTを使い、後ろのモーターにはより高効率なSiC MOSFETを使っていた。
      短時間の加速にしか必要ないなら、低い効率も受け入れられる。
    • EESMが高速道路のような高速域でより効率的になりうる点は興味深く、以前に読んだこともある。
      EVの航続距離を気にするとき、大抵は長距離の高速走行での航続距離を心配するので、これはEESMの中核的な利点のように見える。
      RenaultのEVを持っているが、とても良い。
      モーター技術以外にも比較的軽く、ヒートポンプが標準で、バッテリーサイズも適切である。

  • その理由で Zoe に乗っている。

  • Model 3以前の Tesla ACIMドライブユニット も磁石なしではなかったか。
    絶縁された銅線の束とそのリラクタンスを磁石のように使っていると理解していた。