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特集論

電気自動車用小型・軽量・高出力
IPM モータの開発

文

Development of Small Size, Light Weight and HighPower IPM Motor for Electric Vehicle
西尾入江隆章平

野之馬場雅弘加藤義樹功

この度，当社では電気自動車用小型・軽量・高出力 IPM モータとインバータを開発した．本報では，電気自動車，ハイブリッド自動車のシステム構成，当社で開発した電気自動車用 IPM モータ及びインバータの小型・軽量・高出力化技術について述べる．モータは磁石配置の工夫，ロータ極数／ステータスロット数の組合せの最適化，集中巻の採用等などにより高電流密度，高トルク定数，高力率設計とすることで出力／体積比が従来の約 2.5 倍の高出力化を実現した．インバータは，水冷構造の最適化や電源回路と制御回路を１枚の基板にすることにより小型・軽量化を実現した．

1．はじめ

IPM モータとインバータを開発した．本報では，電気自動に車，ハイブリッド自動車のシステム構成，当社で開発した電近年，資源の枯渇，二酸化炭素排出量の増加等，環境問題の観点から電気自動車（EV），ハイブリッド自動車（HEV），燃料電池自動車（FCEV）等の開発が活発になっている．これらの自動車の駆動用モータとしては，燃費改善，室内空間

気自動車用 IPM モータ及びインバータの小型・軽量・高出力化技術，製品仕様について述べる．

2．システム構成概要の確保，低排出ガス等のため小型・軽量・高出力なモータが電気自動車，ハイブリッド自動車（シリーズ方式，パラレ求められ，特に低速回転域から高速回転域にわたって，高出ル方式，シリーズ・パラレル方式）のシステム構成を図１に力・高効率な特性が求められる．

示す．

最近では希土類系磁石の高性能化，低価格化が進んでいる

電気自動車はモータを動力源とし，バッテリからの電力のこともあり高速回転に適し，誘導モータに比べ小型，軽量，みで駆動する．減速，下坂時にはモータは発電機として働き高効率化が可能な埋込磁石同期モータ（IPM モータ:Interior

電力をバッテリに回生する．燃料電池自動車はこのシステム

Parmanent Magnet）が注目されている．のバッテリが燃料電池に置き換わったものである．

この度，当社では従来のサーボモータ・アンプ開発での技術の蓄積をいかし，小型・軽量・高出力な電気自動車用

バッテリ

インバータ

モータ

バッテリ

発電機

エンジン

ハイブリッド自動車はエンジンとモータの２つを動力源とする．このハイブリッド自動車には主に３種類ある．

バッテリ

インバータ

モータ

バッテリ

発電機

インバータ

動力分割機構

モータ

インバータ

エンジン

モータ／発電機
エンジン

電気自動車

図１

ハイブリット自動車（シリーズ方式）

電気自動車，ハイブリッド自動車のシステム構成

ハイブリット自動車（パラレル方式）

ハイブリット自動車（シリーズ・パラレル方式）

電気自動車，ハイブリッド自動車は主に４つのシステムに分類される．
三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）

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シリーズ方式はエンジンで発電機を回し，発電された電力ータ）では磁石を表面に貼り付ける構造のため高速領域でのでモータを駆動し走行するものである．パラレル方式はエン遠心力による磁石の飛散及び弱め界磁制御による減磁耐力がジンが走行の主体であり，場合によりバッテリを充電する動問題となる．そこで，磁石を内部に埋め込む構造の IPM モ力源として使用され，発進や加速時にモータが作動し駆動力ータを採用した．IPM モータは弱め界磁制御を用いることを補助するものである．シリーズ・パラレル方式はシリーズで高速領域まで高い出力を維持することができるという利点

方式とパラレル方式を合わせた方式でモータと発電機を両方も有している．

持ち，低速時はモータで走行し，ある速度以上になるとエンモータを小型・軽量・高出力にするためには，出力に対すジンが回転し始め，駆動負荷が軽くなると発電しながら走行るモータ体積比であるエネルギー密度を大きくとることが必するものである．

要となる．

これらのシステムにおいて，モータ・インバータはエンジンの代わり，もしくは補助する役割を有するため，燃費向上，このためには以下の３つのポイントが挙げられる．
（1）高電流密度
従来の IPM モータでは電流を多く流すと磁気飽和し，低排出ガスの効果を高めるため小型・軽量・高効率が求めらインダクタンスが大きく変化するため電流を多く流せなかれる．
ハイブリッド自動車の燃費改善効果について図２ (1)に示った．また，弱め界磁制御時に電流進み角が大きくなるとす．この図から分かるように高出力モータほど燃費改善効果

インダクタンスが急に大きくなる特性がある（図４）．こが高くなっている．ハイブリッド自動車はエンジンとモータ

れらの特性は式(1)から分かるように高速回転時にモータの両方を必要とするため，モータ・インバータの配置スペー端子電圧の上昇を招く．インバータの出力可能な電圧はバスは限られている．このためモータ・インバータの小型・軽ッテリ電圧から上限があるため，モータ端子電圧がこの上量・高出力化が不可欠である．

限値を超えた場合電流を多く流すことができなくなる．

3．小型・軽量・高出力化技術

Ra i d −ωLq i q

Va=

今回開発した，電気自動車用モータ・インバータの一例をモ+

Ra i q +ωLd i d+ωψa2（1）

ここで，
Va ：モータ端子電圧［Vrms］

図３に示す．
3．1

2ー

Ra ：モータ巻線抵抗［Ω］

タ

電気自動車用モータは高速領域までの運転を求められる．

id，iq ： d，q 軸電流［A］

従来のサーボモータのような表面磁石構造モータ（SPM モLd，Lq ： d，q 軸インダクタンス［H］
ω ：電気角速度［rad/sec］
ψa ：永久磁石による電機子鎖交磁束［Wb］

80：33kWモータ搭載：８kWモータ搭載

燃費改善率（％）

70

しかし，当社モータではマグネットの配置を工夫するこ60とにより，磁気飽和の限界を高くすると同時に，インダク50タンスを小さくしている．また，高速回転領域での弱め界磁制御時に電流進み角が大きくなる場合においてもインダ40クタンスの変化を小さく抑えてモータ端子電圧の上昇を抑30えている．これにより高電流密度を実現している．

20（2）高トルク定数

100
11.5

22.5

33.5

43.5
：従来の IPMモータ：当社開発 IPMモータ

エンジン排気量（＊1 000cc）

走行距離／リッタ

高出力なモータほど燃費改善効果が高くなっている．

モータ

インバータ

3インダクタンス（相対値）

図２(1)

2.5
2
インダクタンスが急激に増加

1.5
10.50インダクタンスは増加しない

102030405060708090

進み角（deg）

図４
図３

電気自動車用モータ及びインバータモータ及びインバータの一例を示す．

開発した電気自動車用

電機子インダクタンスと電流進み角 当社開発 IPM モータ
では電流進み角が増加しても電機子インダクタンスはほとんど増加しない．
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式(2)，式(3)から分かるように従来，エネルギー密度を大くできるため高トルク定数を実現できる．
当社ではこのことを考慮しスロット開口部広さの最適化きくするためにモータのトルク定数（永久磁石による電機子鎖交磁束）を大きくすることは誘起電圧が高くなるため敬遠されてきた．しかし，弱め界磁制御を積極的に活用することを行い高トルク定数を実現している．
（3）高力率
従来の IPM モータでは q 軸インダクタンスが大きく，電により，トルク定数を大きくし，高出力モータを実現するこ

機子反作用の影響が大きいため，発生トルクが大きいときとができる．

T = Pn ψa i q +Ld − Lq i d i q＊ωψa =には力率が低下する．しかし，当社モータはロータに埋め（2）込まれた磁石とロータ表面との距離を最適化し，q 軸インダクタンスを小さくすることによって発生トルクが大きい（3）3 Ke N時でも高力率を実現している．

ここで，T ：トルク［Nm］

その他，巻線方式は省スロットでかつ巻線作業を自動機でPn ：モータ極対数行える集中巻を採用することとした．また，従来サーボモー

Ke ：相誘起電圧定数［Vrms/rpm］

タの冷却は強制空冷であったが，水冷とすることにより小型N ：回転速度［rpm］化を実現している．

ロータ外径と巻線方式，その他電気的特性を同一とした

従来のサーボモータとの比較を表１に示す．上記の技術に場合，トルク定数を大きくするためには極数を大きくする

より従来サーボモータと比べ，出力／体積比が約 2.5 倍となことが必要となる．

った．
3．2 イ ン バ ー タまた，ステータ外径，積厚，極数を同一とした場合，トルク定数は巻線のターン数に比例する．ターン数を増やす

電気自動車用インバータと従来サーボアンプの主要諸元をには巻線溝であるスロット断面積を大きくとる必要があ

表２に，インバータの内部構成を図５に示す．従来サーボア

り，スロット数が同じ場合１本のスロット歯部断面積が小ンプとの大きな違いは，さいことがその条件となる．当社ではこれらのことを考慮

際規格である CAN を採用していること，しトルク定数を大きくするため，極数とスロット数の組合め界磁制御を行っていることである．

上位コントローラとの通信に国電流制御では弱従来のサーボアンプはパワーモジュールの冷却は強制空冷わせの最適化を行った．
スロット数と極数が最適化されたモータでは，スロットであったが，今回開発したインバータは小型化のため水冷との開口部広さを調節することにより基本波磁束に対する巻なっている．水冷構造についても冷却フィンの最適化を行い線係数を１に近くかつ高周波磁束に対する巻線係数を小さ小型で効率の良い設計となっている．
また，エンジンルーム内に設置するため全閉・防水構造としている．その他，電源回路と制御回路を１枚の基板にする

モータ主要諸元比較

No.

項

1定格出力（kW）

40222定格入力電流（Arms）

1331203最大出力（kW）

7547

4最大入力電流（Arms）

340

310

5

体 積（m3）0.01410.02426

質 量（kg）

5876

7

冷却方式

水 冷

強制空冷

8

構 造

防水仕様

−

目

表２No.

項

ことにより，省配線，小型化を実施し，組立て時の作業効率

電気自動車
従来サーボモータ
モータ（例）

上記の技術により同出力の従来サーボアンプと比べ，体積が 1/3，重量も 1/2 となった．

インバータ
インバータ基板
上位
CAN
コントローラ

電気自動車
インバータ

従来サーボモータ

1定格出力電流（Arms）

1331382最大出力電流（Arms）

340

345

3電流制御方式

4入力電源放電
抵抗

5

構造

6

重量（kg）

7体積（m3）

電源回路部

DC 288AC 200〜220

全閉・水冷式

強制空冷式

1840

0.01734

0.05337

N
バッテリ+P

パワーモジュール
電流検出器

正弦波 PWM 制御 正弦波 PWM 制御（V）

平滑コンデンサ

制御回路部

外部インターフェース

インバータ主要諸元比較
目も高めている．

R1

表１W

VU

モータ

図５

インバータのシステム構成

上位コントローラとの通信には国際規格である

CAN を採用している．
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表３項

既開発品電気自動車用，ハイブリッド自動車用モータ主要緒元

目

最大出力

タイプ１

タイプ２

タイプ３

タイプ４

100

33

1335（kW）

最大トルク（Nm）

250

82

90

197

最高回転数（rpm）

5 750

6 000

6 000

3 750

ケース直径／ステータ直径＊1 （mm）

320280

238

330

290

189

3560

水 冷

水 冷

水 冷水 冷＊1

ケース長／ステータ直径（mm）

冷却方式

380240

42288

適用車種

電気自動車

ハイブリットパラレルハイブリット

パラレルハイブリット

タイプ＊2モータタイプ

モータタイプ

ビルドインタイプ

ビルドインタイプ

電源電圧（V）

140

14120

12：出力：トルク

100

インバータ

1080860640

4202

出 力（kW）

トルク（Nm）＊１：モータタイプの場合は，ケース直径，ケース直を示し，ビルドインタイプの場合はステータ直径，ステータ長を示す＊２：モータタイプとは通常のモータケースのタイプ．ビルドインタイプはエンジンケースに組み込まれたタイプ

バッテリ

エンジン
モータ

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

0回転数（rpm）

図６

速度−トルク・出力特性（タイプ３）

図７
高速領域まで高い出力を維持していることが分かる．

4．製品

仕様

タイプ３モータ搭載ハイブリッド自動車システム
バッテリの電圧は 42V，モータはスタータ，ジェネレータ，発進・加速時の駆動力補助の機能を有している．

リッド自動車のシステムに搭載することにより，燃費の改善効果が十分にあることが分かった．

これまでに開発した電気自動車用・ハイブリッド自動車用

今後は，更なるモータ・インバータの小型・軽量・高出力モータの諸元表を表３に示す．この表から分かるように３章化を実現するため開発を進めていくとともに，信頼性を向上で述べた小型・軽量・高出力化技術を用い，モータ・インバさせ適用車種の拡大を図っていきたい．

ータの小型・軽量・高出力化を実現している．
パラレルハイブリッド方式に適用されるタイプ３モータの速度−トルク・出力特性を図６に，このモータを用いたハイブリッド自動車のシステム構成を図７に示す．このシステム
ではバッテリの電圧を 42 V とし，モータはスタータ，ジェネレータ，発進・加速時の駆動力補助の３つの機能を有している．このシステムにおいて，当社の小型・軽量・高出力モータ・インバータの効果により，燃費が約 40 ％改善することが立証されている．

5．まとめ

当社が開発した電気自動車用モータ・インバータの小型・軽量・高出力化技術について述べた．モータは磁石配置の工夫，ロータ極数／ステータスロット数の組合せの最適化，集参 考 文 献（1）モータジェネレータの出力と燃費改善率の関係及びメー
カカタログデータ D&M 日経メカニカル 日経 BP 社
No.573（2002） p.81
西尾章

平野雅弘

神戸造船所
機械・環境プラント部
EV モータ課

神戸造船所
機械・環境プラント部
EV モータ課

加藤義樹

入江隆之

神戸造船所
機械・環境プラント部
EV モータ課主席

技術本部
高砂研究所
燃焼・伝熱研究室主席

中巻の採用等により，同体積で従来サーボモータの約 2.5 倍の出力を実現した．また，インバータは水冷構造，制御回路，電源回路の一体基板化により，同出力の従来サーボアンプの馬場功
西菱エンジニアリング

1/3 の体積を実現できた．
また，これらの技術を用いたモータ・インバータをハイブ
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