東北大、EVに適用可能なレベルのレアアース不使用大出力トルクモータを開発

東北大学は12月3日、レアアース磁石を一切用いずに現状のレアアース磁石モータ並みのトルクを有するアキシャルギャップ型スイッチトリラクタンスモータを開発したことを発表した。

同成果は同大大学院工学研究科の一ノ倉理 教授、中村健二 准教授、後藤博樹 助教らの研究チームと日立製作所日立研究所との共同研究によるもの。

環境保護や省エネルギーの観点から、普及が進んでいるハイブリッド自動車(HV)や電気自動車(EV)の駆動用モータには、強力な磁力を有するレアアース(希土類)磁石が使用されているが、レアアースは産出される地域が偏在しているため、地政学的リスクなどにさらされることとなっている。そのため、最近ではレアアースの使用量を削減するための技術や、レアアース磁石を安価なフェライト磁石で代替する試み、リラクタンスモータなどの磁石レスモータの見直しなどが、日本の各地の研究機関で進められるようになっている。

スイッチトリラクタンスモータ(SRモータ)は、固定子が鉄心と巻線、回転子は鉄心のみという単純な構造の磁石レスモータで、頑丈で高温に強いという特長を持つため、HVやEV用駆動モータとして期待されているが、同じサイズのレアアース磁石モータに比べるとトルクが小さいという問題があった。

研究グループではこうしたの課題に対し、鉄-コバルト系の高磁束密度磁性材料を鉄心に使用することで改善を目指していたが、コバルトを大量に使用するため、コストが問題となっていた。そこで今回、SRモータの構造を見直し、一般的なラジアルギャップ型からダブルロータタイプのアキシャルギャップ型に変更することで、トルクの改善を試みた。また、鉄心材料に高コストの鉄-コバルトを使用せず、通常のモータ鉄心材料であるケイ素鋼板を利用することでコストの削減を試みたという。

試作されたアキシャルギャップ型SRモータを測定したところ、アキシャルギャップ型SRモータは従来のラジアルギャップ型に比べてトルクが改善されることが判明した。自動車用モータの出力の目安とされる巻線電流密度20A/mm²におけるトルク密度を比較すると、アキシャルギャップ型SRモータは39.6N・m/Lで、従来のラジアルギャップ型SRモータの約1.5倍に達することが確認された。

現行のハイブリッド自動車に使用されているレアアース磁石モータのトルク密度は35～45N・m/L＠20A/mm²であるとの報告があることから、実用的なトルク密度が達成されたと言え、これまでの、磁石レスモータはレアアース磁石を用いたモータと比べて、トルクや効率が低いと考えられていたものを、モータの構造の工夫により同等程度の性能を実現できる可能性を示すものとなった。

研究グループでは、この結果について、SRモータに代表される磁石レスモータの研究開発に新たな展開を与えるとともに、同分野の発展に寄与するものと考えられるとしており、今後は、今回開発したアキシャルギャップ型SRモータを、インホイールダイレクトドライブモータとして電気バスに適用し、実走行試験などを通じて、実用化に向けた検討をさらに進めていく予定とする。また、それによって得られる知見を活用することで、最適形状や最適設計法の確立を図ることで、レアアース磁石モータの性能を超える磁石レスモータの実現も夢ではないと考えられるとしている。