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トコトンやさしい電気自動車の本

トコトンやさしい電気自動車の本

先日ストックホルムで今年のノーベル賞授賞式が開催されたが、化学賞はリチウムイオンバッテリー(以下LiB)が受賞対象となった。「あーっまた充電が切れそう」と電池の持続時間にはまだまだ不満は残るものの、もはやスマホ、パソコンなどのモバイル機器にLiBは欠かせなくなっている。特に電気自動車(以下EV)やハイブリット車など電動車の普及にはLiBが大きく貢献してきたといっても過言ではないだろう。ちょうど10年前、EVが主役となったフランクフルトモーターショーの時に映画『誰が電気自動車を殺したか?』を取り上げ、今回受賞者となったグッドイナフ博士や吉野博士のその年のノーベル賞を予想したことがあった。もう一人の日本人貢献者、水島公一氏は残念だったけど、10年経ってやっとLiBも市民権を得たのか、EVが殺されずに本格的に普及することを期待しての授与だったのか。この10年で3.11の原発事故も含め、EV推進の根拠となる地球温暖化を巡る政治や経済の状況が大きく変わったけれども、10月に開催された東京モーターショーを始め世界の主要なモーターショーは抹殺されるどころかもはやEV一色に変容してきた(正しいか否かは別にして)。今年の吉野さんノーベル賞受賞記念ということで、大人向けのクルマ絵本とでもいおうか『トコトンやさしい電気自動車の本(第2版)』(廣田幸嗣・文、志岐デザイン事務所・絵、日刊工業新聞社今日からモノ知りシリーズ)と三菱自工のEVやプラグインハイブリット(以下PHEV)をネタに子ども向けに電動車を学ぶために制作された漫画学習本『電気で走るクルマのひみつ~EV・PHEV~』(橘 悠紀・構成、もちつきかつみ・絵、三菱自動車工業㈱・協力、学研まんがでよくわかるシリーズ106)を取り上げてEVについて勉強してみる。


三菱”i-MiEV”
三菱i-MiEV

10年前の2009年は三菱自動車が世界初の本格的量産化EV、i-MiEVを販売開始した年。その翌年に日産が初代リーフを発表して、その後10年の間に三菱は日産の傘下へ。小型EVやPHEVの技術や市販車も手に入れてルノー・日産・三菱グループはEV時代の牽引役になると思われた矢先、日産があんな風になっちゃって。本当に未来というものは予測不能だ。EV開発や事業にアドバンテージを持っていた同グループだったが、アライアンスが混乱している間に他社もEVに本格参入をし始めたので、彼らが追い付かれ追い越されるのも時間の問題だろう。それだけ現在の自動車業界はちょっとの足踏みが致命傷となる戦国時代なのだ。

エンジンで走る自動車に比べ構成部品が少ないピュアEV(ハイブリットではない100%電池によるモーター駆動のEV)は、児童書のように一般向けの啓蒙書においてエンジンとトランスミッション(変速機)の代わりにモーターとバッテリーから構成されると記載されることが多い。しかし実際にはEVの主要部品としては次の3つの要素が上げられる。モーター(電動機)、インバーター(変換装置)、そしてバッテリー(蓄電2次電池)である。この3つがEVの性能を決めると言っても過言ではない。

図1-1
図1-1.一般的なEVのイメージ(『電気で走るクルマのひみつ~EV・PHEV~』より)

図1-2
図1-2.EVのシステム構成(『トコトンやさしい電気自動車の本(第2版)』より)

モーターは言わずもなが、電気エネルギーで回転力(運動エネルギー)に変換する装置だ。磁石の反発力を利用して軸を回転させる原理で、反発し合う磁石には永久磁石とコイル(巻線)を巻いて電流を流すと磁石になる電磁石を使う。主に自動車で使用されているモーターには直流(DC)モーターと交流(AC)モーターがあり、直流モーターはさらにブラシモーターとステッピングモーターに分類される[1]。これらはスターターや電動ファン、ワイパー、パワーウインドー等の電装品、可変ショックアブソーバーの制御や電子制御スロットル等の制御部品に使われる[2][3]。交流モーターはブラシレスモーターと言われるもので、電動車の駆動モーターは基本これ。中学で習うのかな?まずモーターの基本原理をマブチモーターで代表される直流のブラシモーターを例に復習してみる。

図2-1
図2-1.フレミングの左手の法則[4]

図2-2
図2-2.なぜモーターは回るのか?([4]に筆者追記)

モーターの回転原理を説明する際によく使われるのが「フレミングの左手の法則」だ(図2-1)。「磁界の向きと直角に交わるかたちで電流を流すと、その2つと直角に交わる向きに力がはたらく」ことを左手で模したものだ。外側に永久磁石―これをステーター(固定子)と呼ぶ―が、N極とS極、すなわち磁界の間に回転するコイル―これをローター(回転子)と呼ぶ―が入っている。『トコトンやさしい電気自動車の本』から引用すると、ローターはエンジンのピストン、ステーターはシリンダに相当する。図2-2はぐるぐる巻きにしたコイルを一巻きで単純化したものと考えればよい。このコイルに電流を流すと、前述の左手の法則に従ってコイルを時計周りに回す力が発生する[4]。ただ電磁気学の基礎知識なく唐突に「左手の法則」の概念を出されても特に子どもにはわかりにくいだろうし、この説明だけではブラシモーター特有のコミテーター(整流子)とブラシの役割が分かりにくい(この図にも突然整流子が登場する)。そこでステーターもローターもより直感的に理解できる永久磁石で考えるという中学校理科の先生の教え方が参考になる[5]。

誰もが馴染みのある永久磁石。N極とS極のある棒磁石やU磁石で誰もが小さい頃に遊んだ。だからN極とN極、S極とS極、同極どうしは反発し合うことは小さい子どもでも知っている。図3-Aのように外側の界磁石(ステーター)の磁界の中に永久磁石(ローター)を入れたと仮定すると、同極どうしで反発して内側のローター磁石は時計周りに回転する。しかし1/2回転、すなわち90°回転すると図3-BのようにN極とS極とが引き合って完全に回転が止まってしまうので、これではモーターにならない。そうならないようにするには図3-Bのタイミングで極性を変えればよい。具体的には図3-CからFのようなコントロールが必要になるが、それを可能にするのが電磁石であり、コミテーターとブラシなのである。

図3-1
図3-2
図3.簡易モーターは永久磁石で教える[5]

図4のように鉄芯にコイルを巻いて電流を流すと磁石になる装置が電磁石で、電流を流す方向で極性を制御できる[6]。その性質は右ネジの法則に従い、右手を使って電流と磁界の向きを覚えた御仁もいるだろう(図5)[7]。コミテーターとは、コイルの先に付けてある円筒状の小さな金属の部品のことでローターと同期して回転する。図6のようにステーターがN極とS極が一つずつの2極モーターであればコミテーターは2分割され、それぞれが2片のブラシ(導電体)に接触していて、電源をつなぐと電流はブラシからコミテーター片を通ってローターに巻かれたコイルを流れ、もう一方のコミテーター片から反対側のブラシを通って出て行く。分割されたコミテーターの切れ目はブラシに接触していない、つまり通電しない部分がある。このコミテーターとブラシによって、コイルが半回転するごとにコイルを流れる電流の向きが反対になる[7][8]。

図4-1
図4-2
図4.電磁石とその性質[6]

図5
図5.右ねじの法則の覚え方[7]

図6
図6.コミテーター(整流子)とブラシの働き[8]

前述の図3の一連の流れをこの電磁石を使って確かめてみる。円筒状の左右に配置された永久磁石ステーターの磁界の中に電磁石ローターを入れる。次にコミテーターをローターの回転軸に取り付け、コイルの導線の両端を2分割されたコミテーター部品のそれぞれにつなげる。各コミテーターの表面に接触させたブラシは動かないようにして電池とつなぐ。電流を流すとローターが電磁石となって回り始める。コミテーターの切れ目のところでは電流が切れるため勢い(慣性力)で通り過ぎ、反対側についた途端、それまでとは逆向きの電流が流れるため、ローターの極が上手く切り替わる(図7のアニメーションがわかりやすい)。実際の直流ブラシモーターのローターはもっとスムーズな回転をさせるために図8のような3つに分かれているのが一般的だ。以上で身近な直流モーター(ブラシモーター)が回転するメカニズムが少しわかったと思う。しかし直流電源を用いるブラシモーターは、一旦ローターが回転すれば自動的に磁極が変化して回り続けることと、構造が簡単でコストが安いメリットはあるものの、ブラシとコミテーターが常に接触しているので摩耗が生じメンテナンスが必要になるし当然音もうるさい[1]。従ってEVの駆動モーターの主流はブラシレスの交流モーターだ。次に本題であるこのブラシレスモーターについて勉強してみる。

図7
図7.直流ブラシモーターが回転する仕組み[6]

図8
図8.直流ブラシモーターの基本構造(『トコトンやさしい電気自動車の本(第2版)』より)

ブラシレスモーターがブラシモーターと異なるのは、外側のステーターが極性を切り替えられる電磁石で内側のローターが永久磁石であること(図9)。直流モーターにはブラシモーターの他にステッピングモーターがあると前述したが、このステッピングモーターも外側のステーターに電磁石を、ローターに永久磁石を配置している。ローターが電磁石に近づく瞬間に電磁石をオフにし、回転する方向の一つ先の電磁石をオンにする。これを繰り返すことでローターの回転を維持し、回転速度を制御する(図10)。但しなめらかな制御を行うには数多くの電磁石が必要になるし、その切り替え制御が大変だ[10]。この欠点を克服したのがブラシレスモーターだ。交流電源ではsin波のように時間とともに電圧、あるいは電流が変化するので、これがブラシレスモーターでの電流の向きの切り替えやステッピングモーターでの電磁石オン/オフの役割を自動的に果たしてくれる。

図9
図9.ブラシレスモーターの基本構造[9]

図10
図10.直流ステッピングモーター[10]

交流モーターを説明するとき、相、極、スロットという概念の理解が必要である。極とは、回転するローターの永久磁石の極数を表し、N極/S極が一組のモーターを2極モーターと呼ぶ。極数は2の倍数となり極が2倍になると回転速度は半分、4倍になれば速度は1/4となる。相とは波形における位相の意味で、外側に固定されたステーターの独立したコイルの数を表し、3相モーターとは120°間隔で独立したコイルが3個あるモーターのこと。それぞれのコイルをU相、V相、W相と呼んだりする。この相は交流電源の波形と密接に関係する。スロットとは、固定ステーターのコイルの数を表し、3相モーターでは3の倍数となる。2相2極スロットモーターとか3相2極3スロットモーターといった言い方をモーターの専門家はするのだ[11]。

図11は3相交流で駆動する3相2極3スロットモーターを示している。3相交流は大容量の電気を効率よく送るための送電方式で図12のように3相交流のU相、V相、W相は120°の位相差を持つ。したがって例えば①のタイミングでは各コイルで発生する磁界の合成が①の方向になる。②③も同様だ[12][13]。この合成磁界が時間によって切り替わる様子は、3相6スロットモーターのステーターではあるが下記アニメーション(図13)で理解できるだろう。ここに2極の永久磁石ローターをぶち込めば、図14のアニメーションでローターが回転することもわかる。このメカニズムにより劣化が少ない静かなモーターを手に入れられるのだ。

図11
図11.3相2極3スロットブラシレスモーター[12]

図12
図12.3相交流モーターの回転の仕組み[13]

図13
図13.3相交流の入力に対する合成磁界の経時変化[出典]

図14
図14.3相交流の入力に対するローター位置の経時変化[出典]

ところで肝心の交流電源はどこから持ってくるのだろう?車載バッテリーは直流電源のはず。EVへの充電からモーターまでの電力供給の流れは次のようになる。普通充電器で充電する場合、コンセントの先は単相交流100Vとか200Vなので、車載された充電器でまず直流に変換する(AC/DC)。それをLiBなどのバッテリーに充電。バッテリーからの出力は直流になるからここでまた交流に変換する必要がある。そこで登場するのがインバーターという装置だ。この装置を使ってモーターが3相なら直流から3相交流に変換するのだ。これでやっと交流モーターを駆動することができる。急速充電器の場合は充電器内で交流から直流に変換されるから、充電器からは直接直流でバッテリーに充電される。以降は普通充電器の場合と同じ[14]。

インバーターには直流から交流、交流から直流(回生)への電流変換以外にもう一つ、運転状況に応じて細かく電力を制御する役割を持つ。前述のモーターメカニズムからもわかるように、クルマが加減速する場合はモーターの回転数を変えて加減速を調節する。モーターの回転数を変える場合は、インバーターで交流電流の周波数(図12の波形における山と山)を変えて、バッテリーからの電力量を制御させるのだ。周波数が上がるとバッテリーから供給される電力が増えEVは加速する[15]。『トコトンやさしい…』によるとインバーターの肝はパワートランジスタだという。100V以下の低電圧ではDMOSトランジスタが使われるそうだが、EVなど高電圧の場合、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が主に使われる。これは日本発の技術で生産も含めた高度な半導体技術の塊であるから[16]、EV化を加速する中韓などとの貿易摩擦が生じれば外交交渉の鍵になるのかもしれない重要キーワード。ちなみに日産リーフで用いられている3相交流モーター「EM61型」は駆動電圧が345V[10]。LiBについては後述するが、同じくリーフで使用されている最新の容量62kWhのLiBは単セル電圧が3.65V、それが3セル並列接続のグループを96個直列接続で3×96=288セル。つまりモジュール全体で起電力は3.65V×96=350.4Vである[17][18]。

自動車用に交流モーターを使う構造上のメリットはわかったが、機能上のメリットは何なのだろう?エンジンとモーターとでは、回転を始めるときの力の出方=トルク特性が大きく異なる。トルクは加速力とでもいえばよいかな。自動車のカタログなどを見ると以下のようなトルク特性線図(図15)というものが掲載されているはずだ。これは回転数に応じて発生するトルクを示したものだ。エンジンの場合、500-600rpm(毎分回転数)のアイドリング時からペダルを踏み込んで回転数を上げると、徐々にトルクも大きくなる。ある回転数をピークにトルクは小さくなっていく。ところがモーターの場合は、ペダルを踏み込んだ瞬間に最大トルクが出力される。ある回転数までは一定で、そこから急激に低下する台形のようなトルク特性線図を描く。EVは出足の加速が半端ないとか気持ちいいとか言われるが、このようなモーター特有のトルク特性があるからだ。変速機もないので変速ショックもない滑らかな加速もEVのアドバンテージだ。これはエンジン車とはまた別の価値となり得る。しかしいきなり最大トルクを出せるといっても小さいモーターで1トンや2トンもの鉄の塊を動かすには物理的無理がある。そこで一般的なEVではモーターから車軸への伝達路にデファレンシャルを介して減速を行っている[15][20]。

図15
図15.エンジンと電気モーターのトルク特性線図のイメージ[19]

図16
図16.EV用減速機[20]

もう一つの交流モーターのメリットは前述した“回生”機能。電力を入力して回転力を出力するモーターは、その逆を辿れば軸回転力の入力で電力を出力する、つまりは構造的に発電機と等価である。その軸回転力の入力はタイヤの回転だ。ドライバーがアクセルを離してモーターへの電力供給を止めると、走っているタイヤの回転がモーターに伝わり、モーターは発電機へと変身する。これが回生である。回生が働くときは速度を落とす力である制動力=抵抗が働くが、これをブレーキペダルによる制動摩擦ブレーキに対して回生ブレーキと呼ぶ。そして回生によって発電された電力はバッテリーに戻して回収し電費を稼ぐことができる。これを成せる技が前述のインバーターのお陰なのだ[15]。他にも各タイヤにモーターを組み込むインホイールモーターという機能もあるが、実用化されている事例が極めて少ないのでここでは割愛する。

図17
図17.回生の仕組み[14]

12月に入って未だ混迷する日産自動車は新しい経営体制を発表したが、そのトロイカ体制の一角、No.3の関潤・副COO(副最高執行責任者って何やねん)が日本電産のCEOへ転身するという衝撃的ニュースが年の瀬に飛び込んできた[21]。所信を表明してまだ1ヵ月も経たないうちに、「社長になりたかったから」とは、じゃあなんで引き受けたんだと無責任に思うけれど(彼防大出身なんで敵前逃亡ってヤツかね?)、日本電産は京都に本社を置く精密小型モーターの開発・製造において世界一のシェアを持ち、EV駆動用モーターへの事業拡大も虎視眈々と狙う業界大手[22][23]。曲者の創業者、永守重信会長と様々な思惑が一致したのだろう。EV化が大きな流れになっている自動車業界において、モーターはバッテリーと並ぶキーテクノロジーになっている。

関潤
日産から日本電産(奇しくも同じ”日産”)へ転身する関潤氏[21]
電動化・自動化が進んで自動車の基幹部品はサプライヤの技術なしでは生きていけない下剋上の未来が見える

学研まんがでよくわかるシリーズには、日本電産監修で『モーターのひみつ』(シリーズ150)も出版されている。ここから無料で読めるよ!

図18
図18.EV用モーターとインバーター[24]

少しモーターの歴史に触れると、EVにおけるエンジンともいえる交流モーターを発明したのは誰か?という疑問が沸く。諸説はあるが、“火花を発して回転する”直流モーターの祖は米国のダベンポート(Davenport)らしい。1836年のことだ。それに代わる交流モーターの祖は1882年に2相交流モーターの原理を発見したユーゴスラビアの二コラ・テスラ(Tesla)といわれる[25][26]。イーロン・マスクのEV会社名の由来になっているのも頷ける。言うなれば電気自動車のダイムラーとベンツみたいなもんだろう。

ニコラ・テスラ
ニコラ・テスラ

これでEVの三要素のうちモーターとインバーターを学んだ。次回はEV飛躍の鍵を握る、2019ノーベル賞技術のLiBを中心に畜電池のお勉強を。年内に書けるかなあ…。

[参考・引用]
[1]EV車のモーター技術、力丸 進、次世代自動車 エキスパート(FCV編)≪次世代自動車と自動車社会を取り巻く新技術(FCV)について≫、文部科学省委託事業 『次世代自動車エキスパート養成教育プログラム開発事業』、2015年12月18日、
http://jisedai-jidosha.com/images/2contents/07/02.pdf
[2]自動車電装用ブラシ、日立ケミカル・ホームページ、
https://www.hitachi-chem.co.jp/japanese/products/cc/002.html
[3]ステッピングモーター stepping motor、自動車情報辞典 大車林、Motor-Fan.jp、2019年5月7日、
https://motor-fan.jp/daisharin/30002318
[4]Q4. 磁石と電流で「力」が生まれるってどういうこと?、なぜ?なに?サイエンス、関西電力ホームページ、
https://www.kepco.co.jp/sp/energy_supply/energy/kids/science/topic04.html
[5]簡易モーターは永久磁石で教える、野口祐希、中学受験理科の玉手箱、
http://rika.g.dgdg.jp/rika/gakushuhouhou/gokakujizairyu/motor/
[6]電磁石について、モーターのしくみを知ろう~モーター博士へのみち~、モーターを学ぼう、Let’s Motorize!、
https://www.mabuchi-motor.co.jp/motorize/academy/mechanism/
[7]右ねじの法則とは?、電気の資格とお勉強、
https://eleking.net/study/s-electromagnetism/se-screw.html
[8]モーターの話、雑科学ノート、
https://hr-inoue.net/zscience/topics/motor/motor.html
[9]ブラシレスモーター、日本電産ホームページ、
https://www.nidec.com/jp/technology/capability/brushless/
[10]EV用モーターの種類、EV業界が熱い!EV用モーターの電源電圧、技術コラム、松定プレシジョンホームページ、
https://www.matsusada.co.jp/column/ev-power.html
[11]第2章:極、相、スロットの関係、ブラシレスモーター、東芝デバイス&ストレージホームページ、
https://toshiba.semicon-storage.com/jp/design-support/e-learning/brushless_motor/chap2/1274507.html
[12]②そもそも三相交流ってなに?、電気を送るしくみの今とこれから、ミカドONLINE、2018年5月12日、
https://www.mikado-d.co.jp/m-online/post-398
[13]三相交流:どのようにしてモータは回る?(2)、ローム社ホームページ、
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/motors/motor_what3
[14]電気自動車はエコなうえに、走りもすごい!〈前編〉、LOTAS TOWN、2016年5月6日、
https://www.lotascard.jp/column/future/1341/
[15]クルマはなぜ走るのか●知っておきたいガソリンエンジン自動車と電気自動車の基礎知識●、御堀直嗣、日経BP社、2009
[16]日本が誇るパワー半導体IGBT。原理や仕組み、使い方を解説!、CoreContents、2019年9月10日、
https://contents.zaikostore.com/semiconductor/2857/
[17]日産リーフe+のリチウムバッテリーの構造 一体なにが進化したのか?、MotorFan TECH、2019年1月16日、
https://motor-fan.jp/tech/10007680
[18]日産が62kWhの電気自動車「新型リーフe+」発表。電池冷却システムは無いが新搭載方法で発熱に対処、箱守知己・寄本好則、EVsmartブログ、2019年1月10日、
https://blog.evsmart.net/ev-news/nissan-leaf-eplus-62kwh/
[19]電動バイクとは?、Web!ke、
http://ev.webike.net/learn/motor/
[20]電気自動車向けパワートレインのしくみ、愛知機械ホームページ、
http://www.aichikikai.co.jp/powertrain/
[21]日産ナンバー3が日本電産社長へ電撃移籍、渦中の関副COOを直撃、浅島亮子、DIAMONDonline、2019年12月25日、
https://diamond.jp/articles/-/224649
[22]日本電産、Wikipedia、
https://ja.wikipedia.org/wiki/日本電産
[23]日本電産、EVモーターの受注見込みが3カ月で5倍に 23年度までに455万台、日本経済新聞、2019年10月24日、
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO51332100U9A021C1000000/
[24]明電舎:地球にやさしい電気自動車、すみともキッズ、住友グループ広報委員会、
https://www.sumitomo.gr.jp/kids/shikumi/meidensha02.html
[25]モーターの歴史、日本電産ホームページ、
https://www.nidec.com/jp/technology/motor/history/
[26]第一回 二コラテスラ: 沈む夕日から交流モータを発明、見城尚志、日本電産ホームページ、2012年10月1日、
https://www.nidec.com/jp/technology/motor/academic/001/
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