(トヨタ自動車㈱)
これらの要件を満足させるため注目されたのが、永久磁石を用いた交流同期モータ(PMモータ:Permanent Magnet Motor)です。電気白動車で培われたモータ技術を礎に、量産性と低コスト化を進めた結果、プリウスやエステイマHVなどの量産ハイブリッド白動車に用いることができるようになりました。
PMモータが実用化されるには、高性能な永久磁石の開発が必要でした。ネオジムなど希土類磁石の強磁性化と耐熱性向上により、大きな出カトルクをコンパクトなモータ体格で実現することができました。また数十キロワットクラスのモータ駆動を可能としたIGBT(Insu1ated Gate Bipo1ar Transistor)の白動車への適用が可能となったことも技術革新の一つです。
図1 モータとインバータ制御回路
図3は永久磁石の開発状況を示したもので、最大エネルギー積を指標に、年代別に整理したものです。フェライト磁石は酸化鉄を主成分とし、性能バランスは良く、もっともコストパフォーマンスに優れた磁石として多方面で使われています。サマリウム・コバルト希土類磁石はコバルトと希土類鉱石中における含量の少ないサマリウムを主成分としており高価でした。そこで、コバルトに依存しない、豊富なフェライトをべ一スにした永久磁石(ネオジム、フェライト、ボロン系)の希土類磁石が1983年に発明され、この20年余りでさらに性能が向上してきました。PMモータを実用化するにあたり、さまざまな設計工夫も織り込まれました。電気自動車では、エンジンによる発熱がないこともあり、部品にかかる熱は比較的少ないのですが、ハイブリッド白動車ではガソリンエンジン車と同じように、厳しい使用環境(熱、振動、腐食)を満足させる必要があります。こうした要求に対しても、磁石をロータ部に埋め込み、コーティングするなど、満足できるものが設計されました。
モータの制御方式も、エネルギー効率を一層高め、高速でもスムーズな走りを実現するため、さまざまな技術が織りこまれています。高トルク性能と高効率化を実現するためのインバータ制御技術は、電池の直流電力を三相交流電流に変換し、電流の位相を最適に制御することで、モータのトルク出力と効率向上を実現しました。効率の向上は発熱=損失の低減であり、優れた燃費性能を達成するだけでなく、温度上昇を抑えることにより部品の耐久信頼性の向上にもつながるわけです。
もう一つ、PMモータ制御の特徴に「弱め界磁制御」というのがあります。永久磁石モータでは、小型軽量で高効率である長所を持つ一方、高速回転領域ではロータ(回転子)の永久磁石の回転により、ステータ(固定子)の巻線に起電力が誘起され、この起電力とインバータ駆動電圧がバランスするところで、最高回転数が決定されます。最高回転を高めるには、この誘導起電力を弱めることが必要で、駆動電流の制御手法として「弱め界磁制御」が用いられています。
図2 EV,HV駆動モータの開発動向
図３ 永久磁石の開発状況(出典[粉体と工業Vo131,No.6』1999,P37,金子祐治著)
ハイブリッド自動車が実用化できた背景には、こうした部品技術が同時に進歩したことが見逃せません。これらの周辺技術の発展を促したのは、21世紀の自動車技術として「環境負荷抑制に優れたクルマ造り」を「時代の二一ズ」としてわたしたち社会全体の受け止める姿勢が醸成されてきたからだと思います。これらの二一ズ、それを受け止めるシーズ技術の進歩を一層促進させるとともに、お客さま一人ひとりにその良さをご理解いただき、その優れた走りを楽しんでいただけるようよりよいクルマを提供することが、わたしたち自動車エンジニアの使命と考えています。
①高トルク化→電流位相制御（最大トルク制御）
②高速化→弱め界磁制御
③高効率化→最適電流位相制御
図４ モータ制御への織り込み技術
図５ プリウスのインバータの構成部品
*本文中の用語について：JlS用語で定めた表記を用いましたので、「モータ」「インバータ」と表記しました。