永久磁石モーター

永久磁石モーターは、永久磁石を磁界励起に使用し、巻線アーマチュアを使用するタイプの電気モーターです。永久磁石は固定または回転のいずれかで、ラジアル フラックス マシンの場合はアーマチュアの内側または外側に、アキシャル フラックス トポロジーの場合はアーマチュアと重ねて配置できます。図は、ブラシ付きアーマチュアの外側に固定磁石を配置した永久磁石モーター (おもちゃのスロットカーでよく使用されるタイプ) を示しています。

このタイプのモーターは、GMのシボレーボルト^[1]とボルト、およびテスラのモデル3の後輪駆動に使用されています。^[2]最近のデュアルモーターのテスラモデルは、後部に永久磁石モーター、前部に従来の誘導モーターを組み合わせて使用​​​​しています。 ^[3]

永久磁石モーターは、電気自動車などの特定の高効率アプリケーションでは、誘導モーターや界磁巻線付きモーターよりも効率的です。テスラの主任モーター設計者は、これらの利点について次のように述べています。

永久磁石式機械には磁石による事前励起の利点があり、そのため効率面で利点があることはよく知られています。誘導式機械は磁束制御が完璧であるため、効率を最適化できます。どちらも、自動車の駆動ユニットとしての可変速ドライブシングルギアトランスミッションに適しています。ご存知のように、モデル3には現在永久磁石式機械が搭載されています。これは、パフォーマンスと効率の仕様に関して、永久磁石式機械の方がコスト最小化機能をより適切に解決し、航続距離とパフォーマンスの目標に最適だったためです。定量的に、その違いが機械の将来を左右し、モーターコスト、航続距離、バッテリーコストのトレードオフが、将来どの技術が使用されるかを決定します。^[2]

• 永久磁石DCモーター（直流で駆動）
• 永久磁石同期モーター（交流電流で駆動）

永久磁石モーターには、主に 2 つのタイプがあります。表面永久磁石モーター (SPM) と内部永久磁石 (IPM) モーターです。主な違いは、SPM モーターは磁石をローターの外側に配置するのに対し、IPM モーターは磁石をモーターの内側に配置することです。内部磁石の利点には、構造の完全性と逆起電力の低減があります。磁石を配置するためにローターに穴を開ける必要があるため、高磁気抵抗領域が作成され、自動車メーカーは磁気抵抗モーターと永久磁石モーターの両方の利点の一部を得ることができます。^[4]

逆起電力（EMF）は逆起電力とも呼ばれます。これは、ステータ巻線とローターの磁場の相対運動によって電気モーター内で発生する電圧です。波形の形状はローターの形状によって決まります。^[4]

この効果は永久磁石モーターに限ったことではありません。誘導モーターにもこの影響があります。しかし、誘導モーターでは、回転子からの磁場は速度が上昇するにつれて減少します。永久磁石モーターは独自の一定の磁場を生成します。つまり、速度が上昇すると、固定子に速度に比例した電圧が誘導されます。この電圧はモーターに供給される電圧に対して負であるため、システム全体にとって損失となります。^[4]

永久磁石モーターの駆動には、さまざまな永久磁石材料が使用され、主に必要な磁力とコストなど、さまざまな要因によって異なります。ほとんどの産業用途で使用されている主な 4 つの永久磁石材料は、ネオジム鉄ホウ素 (NdFeB)、サマリウムコバルト (SmCo)、アルミニウムニッケルコバルト (アルニコ)、炭酸ストロンチウム-酸化鉄 (「セラミック磁石」とも呼ばれます) です。さらに、非希土類 (NRE) 永久磁石材料の開発に向けた重要な材料科学研究が進行中です。

NdFeBは、工業用途で使用されるすべての永久磁石材料の中で最も強力であり、ディスクドライブのスピンドルモーター、電気自動車のモーター、オルタネーター、センサー、電動工具、発電機、磁気共鳴画像（MRI）など、多くの種類の永久磁石モーターで幅広く使用されています。^[5] NdFeBは、室温よりも大幅に高い約320°Cのキュリー温度と、永久磁石用途で優れた性能を発揮する非常に高い残留磁化、保磁力、エネルギー積を示します。 ^[6] NdFeB磁石の最も一般的な製造方法は、ネオジム、鉄、ホウ素の合金を焼結することであり、通常、公称組成は約Nd14Fe78B8（at％）です。焼結により、NdFeB磁石に見られる特徴的な強力な磁気挙動の原因となるNd2Fe14B相の成長が促進されます。しかし、これにより、焼結粒界に沿ったNdFeB磁石の腐食脆弱性も引き起こされ、銅ニッケルまたはアルミニウムベースの金属表面コーティングを追加することで緩和する必要があります。^{[7] [8]}さらに、入力として金属ネオジムを製造することに伴う高コスト、希少性、および放射性廃棄物は、NdFeB磁石が経済的にも環境的にも非常に高価であることを意味します。^[9]

SmCoはNdFeBに匹敵する強度を持つ強力な永久磁石材料で、非常に高性能な自動車用電気モーター、NMR分光計、ターボ機械、摩擦のないベアリングなど、幅広い用途に使用されています。^[10] NdFeB磁石は優れた磁場を示しますが、SmCo磁石は保磁力が高く（減磁しにくい）、耐腐食性も優れています。さらに、SmCo磁石はキュリー温度が700℃を超え、NdFeBに比べて温度安定性に優れているため、高温または極低温条件を伴う永久磁石モーター用途に最適です。^{[11] [12]}しかし、SmCo磁石はNdFeB磁石よりも希土類金属の含有量が多いため、さらに高価になり、生産時の希少性と環境への懸念が生じます。そのため、SmCo磁石は現在、特定の温度と保磁力の利点が重要な特殊な用途にのみ使用されています。

アルニコは、磁気速度および流量センサー、発電機、および消費財などの永久磁石モーター用途で使用される非希土類永久磁石材料です。これらの磁石は、NdFeB および SmCo の同等品と比較して性能が劣りますが、それでも高い保磁力を維持し、希土類金属を含まないためはるかに安価です。さらに、これらの磁石内のアルミニウムと鉄の両方の高割合により、優れた耐腐食性、電気伝導性、および高温安定性が得られます。アルニコは、既知の磁性材料の中で最も高いキュリー温度の 1 つであり、約 800°C です。^{[13]それにもかかわらず、アルニコの比較的低い磁力は、特に構成するフェライト鉄が}超伝導に転移する可能性のある極低温で、最も減磁の影響を受けやすい永久磁石の 1 つであることを意味します。^[14]

炭酸ストロンチウムと酸化鉄は、「セラミック」または「フェライト」磁石としても知られ、電動工具、産業用磁気分離プロセス、自動車センサーなどの永久磁石モーター用途で使用されている非希土類元素永久磁性材料です。セラミック磁石はSmCoやNdFeBよりも大幅に弱いですが、一般的にアルニコ磁石よりも強く、耐腐食性が高く、低コストです。^[15]しかし、セラミック磁石はアルニコに比べて温度安定性が悪く、高温と低温の両極端の温度にさらされると比較的簡単に磁化を失います。キュリー温度は450℃前後とはるかに低く、極低温条件下ではアルニコと同じフェライトによる減磁現象の影響を受けやすいです。^[14]

希土類元素を含まず、低コストで機械的に堅牢で高強度の永久磁石材料の開発は、現在も活発に研究が進められている分野です。現在注目されている注目すべき材料系としては、鉄-コバルト-モリブデン三元合金^[16] 、ナノ構造コバルト-白金合金^[17]、隕石型規則鉄-ニッケル合金^[18]などがあります。

希土類元素の生産は、鉱石の自然放射能に比べて放射能の高い廃棄物（米国環境保護庁がTENORM（技術的に強化された自然発生放射性物質）と呼ぶ廃棄物）を生み出すことになる。ネオジム最大の生産国である中国は、島嶼の所有権をめぐる論争の最中、2010年に日本への輸出を制限した。中国は、汚染を抑制し資源を保護するため、いくつかの希土類元素に厳しい輸出割当を課した。割当は2015年に撤廃された。ネオジムは比較的豊富であるが、2017年には世界の需要が生産を約10％上回った。^[3]

• 誘導モーター

• Vavra, Chris (2017-01-31). 「永久磁石モーターを理解する」.制御エンジニアリング. 2023-01-24に閲覧。