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テクノロジー

NEDO、レアアースを使わないハイブリッド自動車用モーターを開発 57

ストーリー by hylom
レアアース不足特需 部門より

KAMUI 曰く

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と言えばつい先日もセリウム使用量を減らす技術を開発したトイウニュースがあったばかりだが、このたび、NEDOの別の研究グループがレアアースを使用せずに高出力を出せるモーターを開発したとのこと。(参考:NEDOのプレスリリース

ハイブリッド車のモーターは磁石にネオジムジスプロシウムといったレアアースを使って高出力を得ていたが、NEDOでは従来からあるフェライト磁石を使ってこれと同等の出力を得られるようにしたほか、フェライト磁石はネオジム磁石に比べて熱を原因とする永続的な磁力低下(不可逆減磁)が起きやすかったのを、モーターの構造を変えることで解消したそうだ。

この議論は賞味期限が切れたので、アーカイブ化されています。 新たにコメントを付けることはできません。
  • by Anonymous Coward on 2010年09月30日 20時44分 (#1832747)

    ネオジム磁石は熱で減磁しやすいので扱いが面倒なのに対し、フェライト磁石は熱に強いはずですが。

    かつてJBLがProject K2でウーファーにネオジム磁石を使ってきたとき、熱問題ついてかなり説明していたなぁ。

    • ですよね.
      おそらく元々のプレスリリースで言ってる熱に強い希土類磁石ってのはサマコバ系(SmCo磁石)でしょうね.

      ただ,フェライト系もそれほど熱に強いというわけでは.
      キュリー温度(単純に言うと磁石に転移する温度.これ以下の温度では磁石,これ以上に上げると常磁性として振る舞う)だと,ネオジム系が300°C,フェライト系が450°C,サマコバが700-800°Cぐらいでしたっけ.組成によっても違いますが.

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    • by Anonymous Coward on 2010年09月30日 23時44分 (#1832834)
      いけません。
      モータの大型化、複雑化を招き、ハイブリッド自動車には不適切です。

      現在ハイブリッド自動車に使われているモータは、永久磁石型同期電動機で、構造的には、従来の直流直巻電動機からブラシを取り去ったものです。

      これに電磁石を使用する場合(電磁石型同期電動機といいます)、ロータに電力を供給するためにブラシとコイルが必要になり、構造が複雑化するだけでなく、効率の低下、そして消耗部品であるブラシ保守など悪いことづくめで、現実的な選択肢ではありません。

      #電磁石を用いるのであれば、誘導電動機が有利なのですが、同期電動機と比べてモータが大型化するうえ、モータの特性が自動車には不向き(低速時にトルク、効率が低下します)なので厳しいでしょう。
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      • by Anonymous Coward
        どの位大型化するのか。(5倍、10倍じゃ話にならんでしょう。)
        どの位低速トルクが不足するのか。(変速機使って回転数上げても実用にならない程?)

        ##定性的な欠点を一言で論って終わりではなく、影響度合いを定量化して
        ##許容範囲に入るなら採否を図るというのも、技術的検討ではないかと思い。
        • by Anonymous Coward on 2010年10月01日 15時26分 (#1833142)
          ハイブリッド車に誘導電動機が不適切な理由を考えるためには、ハイブリッド車の登場の経緯を理解する必要があります。

          まず、エンジン(これはガソリン、ディーゼルのどちらもが該当します)は、高効率を発揮できる領域が狭く、特にアイドル時および低速時走行時などの軽負荷時に効率が著しく低下します。
          ハイブリッド自動車は、この低負荷時にエンジンを使用せず、モータによる駆動を行なうとともに、ブレーキ時に基本的に熱に変換していた運動エネルギーをモータにより発電しバッテリに蓄えることにより燃費の向上を図っています。
          すなわち、ハイブリッド自動車のモータは基本的に「低速時の走行」のみを担当していることになります。

          以上から、ハイブリッド自動車に求められるモータの特性は、「低負荷時(要するに停止から起動までの領域)に最大性能が出せるモータ」ということになります。
          誘導電動機は、最大トルクが発揮できるのは回転数がある程度上昇した点(より正確にはすべりが一定の値まで減少した点)にあり、最も重要な「起動時のトルク」は不足するうえ、モータに大電流が流れ、効率も著しく低下する欠点があります。このため(インバータの性能向上もあり、以前よりはまともになっている)、「エンジンの補完」として使うのには非常に使いにくいモータなのです。
          一方、現在用いられている、永久磁石型同期電動機の特性は、直流電動機と同じく「起動時に最大トルク出る」という特性を持っており、「エンジンの役割補完する」という、ハイブリッド車の目的にこの上なく合致したモータといえます。

          #言い換えれば、電気自動車の場合は、全速度域を担当する誘導電動機の選択も十分に考えられるということです。
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        • by Anonymous Coward

          技術的検討した結果、現状使われていないんでしょ

    • 車輪の軸にコイルを置き、車輪を回転子とした誘導電動機なら、永久磁石は不要。
      この場合、かならず4WDになるので、ついでに4DS化すれば内輪差のほとんど無いクルマが作れます。
      うまくインバータを設計すれば、低速から高速まで同じトルクを発生する大変運転しやすいクルマになるでしょう。

      トラックやバス、建設用重機などの場合は電磁石式同期電動機が使えるでしょう。
      回転子の端に発電用の回転子を配置し、ここで発電した交流電力を軸に組み込んだ整流回路で直流にして電機子電流とします。(30年以上の実績のある技術です)
      なお、回転子に整流回路を組み込まず、スリップリングで給電する方法もあります。(こちらは100年以上の技術蓄積のある枯れきった技術です。)
      この場合、電機子電流を精密に制御できるので高効率で運転可能です。
      ・ブラシは消耗品ですので、定期的な損耗の検査が必要になります。

      ※リラクタンス型同期電動機という鉄だけの回転子もありますがトルクが細いので自動車用としては失格。
      --
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      • by Anonymous Coward on 2010年10月01日 23時12分 (#1833399)

        >車輪の軸にコイルを置き、車輪を回転子とした誘導電動機なら、永久磁石は不要。

        誘導電動機は直流電動機と比べて始動トルクが小さ過ぎる。ダイレクトドライブに使うと効率が悪い。
        低速から高速まで同じトルクを発生する為には低速時に非常に大きな電流が必要になる。

        >回転子の端に発電用の回転子を配置し、ここで発電した交流電力を軸に組み込んだ整流回路で直流にして電機子電流とします。

        それはロスが多い。界磁チョッパやブラシレスDCが登場した時に過去の技術になっている。
        電機子と界磁どちらもインバーターで供給制御するのが今風。

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        • ・誘導電動機のトルク特性
          「誘導機の磁界加速法(FAM)制御」とか「磁界加速法による三相誘導電動機のトルク制御」とか、
           知らないのですか? きっとVVVFインバータすら知らない「ど素人」なんだろうな……
           誘導電動機のトルクは「すべり周波数」で制御します。(電流は回転数に関係なく一定に保って良い)

          ・静止時の電気抵抗が極端に小さな直巻電動機と比較したら、どんな電動機でもトルク不足でしょうね。
           トルクが出るのは、それだけの大電流がながれている事を意味するのですが。

          # あなたは、過電流で黒こげになった直巻電動機の整備を一度でいいから行ってみるべきだ。

          ・界磁チョッパ?
          また中途半端な品を出してきましたな……
          まともなインバータが作れなかった時代の直流モータ制御方法でしょ、それ。
          (しかもモータに変な巻き線を追加しないと駄目な奴)

          # 整流子付の直流モータの運用は面倒です。
          # 電車のモータが最低でも年1回は分解検査する事が義務になっている理由、理解してないでしょ?

          ・ブラシレスDCが何か、判って書いてますか?
           DC入力をインバータで3相交流に変換して誘導電動機や同期電動機を駆動しているのですけど。
          (インバータ駆動の同期電動機の多くは永久磁石型ですけどね:フロッピディスクドライブやHDDの駆動モータなど)

          # この中途半端な知識は鉄道マニアかな?すくなくとも強電屋では無いな。
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          • by Anonymous Coward on 2010年10月02日 6時25分 (#1833480)

            >誘導電動機のトルクは「すべり周波数」で制御します。(電流は回転数に関係なく一定に保って良い)
            誘導電動機は、減速器なしのダイレクトドライブには向かないと言いたいだけなんだが。

            >DC入力をインバータで3相交流に変換して誘導電動機や同期電動機を駆動しているのですけど。
            それが出来る時代に電磁石同期電動機にわざわざ発電機を組み込むのはロスが多いと言いたいだけなんだが。

            #あなたの文章から素人だと思って分りやすい例を出したつもりだったが、かえって混乱させてしまったようで申し訳ない。

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            • 直流電動機には例外なく整流子が付きますのでメンテナンスが面倒になりますが、その辺りは考慮していないのですね。(スリップリングなら整備はかなり楽になりますが、2年以上の放置はできません)

              ブラシがなければ5~6年間はメンテナンスせずに運転できるでしょう。(軸受の潤滑だけが問題になるため)
              メンテナンスの手間を省くために組み込むのは十分「あり」だと思いますけど。
              ・同期電動機の電機子電流は大電流ではないので発電機を組み込んでも、それほど大きくなりません。
               むしろスリップリングとブラシホルダよりも長さは短くなるでしょう。

              >減速器なしのダイレクトドライブには向かない
              「同じトルクを発生する為には低速時に非常に大きな電流が必要になる。」とお書きになった件については?
               インバータを使用する事が前提の議論で、このような主張をなさったのは何故でしょう?

               故意にデタラメを書いたと受け取ってもよろしいのでしょうか?
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              • 1.誘導電動機の出力について
                誘導電動機の出力は磁気飽和を起こすまでが限界です。これが最大トルクとなります。
                したがって、電源周波数に関係なく一定値になります。(幾何学的形状によって決まる)
                始動トルクも幾何学的形状によって決まりますが、最大トルクの7割程度となります。
                定格トルクは最大トルクの半分に設定する事が多いようです。
                ・これ以上は電動機工学の本を参照してください。細かく書いても退屈なだけですから。

                直流電動機の場合、電機子電流をいくらでも流せるので誘導電動機よりもトルクは出せます。
                (誘導電動機は磁気飽和した時点で電機子電流が上限となるが、巻き線形機器には制限が無い)
                ・冷却が追いつかなければ燃えます。
                ・界磁を飽和させる様な使い方は直巻電動機以外では行いません。(このような運転は主に電車の運転手によって為されます)

                2.同期電動機の電機子電流発電機について
                 形式的には「回転電機子形同期発電機」となるため固定子側は直流を流すだけです。
                 電機子電流のロスは(インバータのロスを含めて)多目に見積もっても2割以下です。
                 電機子電流は、それほど大きな電流ではありませんので同期電動機全体でのロスは数%以下になるでしょう。

                ・「同期発電機のブラシレス励磁装置」と同じですので、そちらを参照してください。
                 車両用の場合、固定子側もインバータを用いて任意の磁界を与える必要があるかもしれません。
                 その場合でも直流チョッパがインバータに置き換わるだけなので重量に大差はないでしょう。

                ・電機子電流を調整することにより力率の調整ができます。
                 これはインバータの変換効率を上げる事と同じ意味を持ちます。また、回生制動を行う際の発電効率を上げられます。

                巻き線形電機子の場合、重量と体積が嵩むので大型車両にしか向かないのは最初に書いた通り。
                上記の利点も、大型の場合ほど利幅が大きいので小型車には向きません。

                小型車には、かご形誘導電動機の方が向いています。
                制限の緩い電車の動力は、かご形誘導電動機への置換が行われています。
                もうじき20年になるのかな?(半世紀近く使う代物なので交代が完了するのは大分先になりそうですけど)
                メンテナンスの手間=人件費ですので……

                ・リラクタンス利用型は永久磁石との併用が前提となります。
                 ここの「お題」は、"電磁石じゃだめなの?"=巻き線形、ですのでオフトピックとなるのでは?

                ・かご形誘導電動機を用いた4WD,4WSのクルマは基本的には電気自動車です。
                 ハイブリッド化する場合は低出力の内燃機関と発電機を乗せる事になります。(常に一定出力で運転するため内燃機関の効率があがる)
                 (バッテリーを半分以下にできるので全体では軽くなると期待。起動トルクの問題も4WDならなんとかなるでしょう。)
                 もっとも、他に色々と問題があり、未だに試作段階ですけど。

                # 実現可能性という点では、冷却を効かせた永久磁石形同期電動機が一番でしょう。回生制動時の発電効率が低いのが問題ですけど。
                # 効率の点では巻き線形の同期電動機(発電機)が一番なのですが……
                --
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              • 横入りする場合はIDで御願いします。
                あるいは発言が区別できる何らかの措置(電子署名など)を講じてください。
                以降は横入りのACに対しては返事をしませんので宜しくご了承くださいませ。

                さて、本題ですが、誘導負荷である巻線を駆動するインバータには期待していません。

                ただし、目的にあった特性のインバータを設計する事は前提にしています。
                (低電圧大電流という非常に嫌な設計をさせられる設計屋には同情しますけど)

                誤解があるようなので指摘しておきます。
                インバータの出力周波数の下限は実用上は制御素子の放熱器のサイズに依存します。
                極端な話、周波数0Hzのインバータも製作可能です。
                極端に低い周波数では僅かな電流で磁気飽和を起こすので誰も作らないだけです。
                (始動トルクはモータの物理的形状で決まってしまうので周波数だけ下げても意味が無い)

                ・それでも0.2Hzという品がカタログに載っています。
                 いったい何処から3Hzという数値が出てきたのでしょうか?

                ・非同期モード
                 電圧可変・周波数可変とする為に(電流を制御するために)インバータを利用しているのですが。
                 巻き線が焼けないように界磁電流を制御している状態で「炎上」したら怪奇現象ですね。

                ・4WDにする理由のひとつが始動トルクの問題です。
                 誘導電動機の始動トルクは定格トルクと大差がないので数でまかないます。(ついでに4WS化して操縦特性を上げる)

                ・ばね下荷重
                 渋滞前提のクルマなら、基本的に舗装された道路しか走らないので問題にならないかもしれません。
                 ※ この問題に対しては試作車両を用いた実測が必要でしょう。
                --
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      • 昔はディストリビュータという、エンジンの回転数の半分で回転する接点で、
        点火プラグに電気を配分していたので、
        スリップリングぐらいならば、車検時点検程度で大丈夫そうだけれど。

        親コメント
        • その場合、車検を毎年行う事になりそうですけど……
          ・電子化が始まって最初に無接点化されたのがディストリビュータという話ですので、故障が多かったのでしょう。
          ・点検可能にするため、配置を考えないといけないので設計屋さんが嫌がると思います。
           ブラシが削れる=周囲に導電性の粉末が飛び散るって事ですので、点検=清掃でもあるのです。
           点検の有無って地味~に全体のデザインに影響します。
           直巻電動機を使用する電車の場合、台車の真上に点検用ハッチが設けられている事が多いです。(かご形誘導電動機を採用した電車では省略されるようです。)

          # この点検用ハッチを開くのが趣味という困った鉄道ファンがいるそうで……
          --
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  • by Anonymous Coward on 2010年10月01日 2時13分 (#1832884)
    「レアアース」じゃなくて「希土類」とか「希土類元素」と書けば無用な勘違いも生まれないのに
    • by snurf-kim (10835) on 2010年10月01日 9時39分 (#1832934) 日記

      >「レアアース」じゃなくて「希土類」とか「希土類元素」と書けば無用な勘違いも生まれないのに

      確かにそうだ。
      東京タワーで偶然出会った3人の少女が異世界に飛ばされるやつと勘違いして、ちょっと懐かしさに浸ってしまうんだ。
      アナウンサーがうっかり言い間違ってくれないか期待してしまうんだ。

      #止まらない支配を目指して ゆずれない資源を抱きしめて

      親コメント
      • by Anonymous Coward

        それにほら、キドカラーのHITACHIがスポンサーだったし
        光ちゃんの顔入りロゴに「日立のお店へ」っておばさん声のNRをかぶせてたもんなあ

    • >無用な勘違いも生まれないのに
      ホントホント、「レアアース」と「希土類元素」は別の分類かと思ってたよ。
      (それ以前にアクチニドもごっちゃにしてたけど)

      --
      the.ACount
      親コメント
    • by Anonymous Coward
      ニワカがカタカナを使うとそれっぽくてカッコイイ。 という俗に言う中ニ病という奴です。 希土類に関しては、本当に中ニぐらいの理科で習うんだけどな。 この言葉の方が馴染み深いと思ってます。
    • by Anonymous Coward

      正しくは“rare earth elements”なのね。
      全部まとめてレアメタルでいい気もするが…
      希土類はメタルなのか微妙だけど

      • by Anonymous Coward

        >希土類はメタルなのか微妙だけど

        いや、微妙な点は全くなく、完全にメタルだと思いますが。
        #どのあたりが微妙だと?

  • by Anonymous Coward on 2010年09月30日 1時14分 (#1832386)

    脱レアアース強力磁石を大阪府立大が開発
    http://blog.livedoor.jp/namidame_2ch_news/archives/1245874.html [livedoor.jp]

    • by Anonymous Coward
      ちょっと前に聞いた話なのになんで?と思ったら
      発表者が違うのか
  • かご型IMならそもそも磁石要らんだろうと思うのだけど。鉄とか銅とかアルミだけでできちゃう。
    わずかな小型化とほんの数%の効率向上との引き換えに、高価な磁石と1モータ1つの接触器とインバータが必要なPMSMってどうなのよ。

  • by Anonymous Coward on 2010年09月30日 18時11分 (#1832659)

    トイウニュース
    って何のことかとちょっと考えてしまった

    • Re:typo (スコア:2, おもしろおかしい)

      by Anonymous Coward on 2010年09月30日 18時21分 (#1832668)
      面白いからググったら24件モヒットしたぜ
      親コメント
      • Re:typo (スコア:5, おもしろおかしい)

        by BlueRain (37857) on 2010年09月30日 18時28分 (#1832676)
        ちなみに「モヒット」は922件
        親コメント
      • by renja (12958) on 2010年10月01日 3時38分 (#1832893) 日記

        スラド発の流行語?
        約 53 件に増えてますよ! [google.co.jp]

        ネット上のニュース配信サイトでは、スラドの記事を配信しているところもありますからね(Yahoo!ニュースとか、Livedoorニュースとか、etc.)
        スラドの記事で誤報や歪曲すればあたかもそれが正確な話であるかのようにネット上に拡散します。

        --

        ψアレゲな事を真面目にやることこそアレゲだと思う。
        親コメント
  • by Anonymous Coward on 2010年09月30日 18時30分 (#1832677)

    さらに出力アップなのでは?

    • ネオジムを使わないモーターの話をしている所にネオジムを使う話をされると
      希土類離れはいや~んな中国さんの韜晦工作扱いしたくなります。:-)
      親コメント
      • by Anonymous Coward

        使わなくてもできる、っていうのと使った方が効率的ってのは別の話だからなぁ。同じ土俵の上で優劣を競うのなら、それが技術力ってものだろうけど、土台から違うんじゃ競争に不利なのは当然。

        さらに言うと、希土類を使ったイノベーションが、今後脱希土類の掛け声の下起こらなくなるなら、産業界だけにとどまらない痛手だろう。

    • by Anonymous Coward
      磁力は足りてるんで、ネオジム使ってできることといえば小型化だけですね。
      • by Anonymous Coward
        小型化できるってことは、同サイズなら出力アップできるということにはならないのでしょうか?
    • by Anonymous Coward

      100メガショック!
      # それはネオジオ

  • by Anonymous Coward on 2010年09月30日 21時47分 (#1832771)

    とあるメーカーが圧倒的な変換効率の太陽電池を試作したんですが、カドミウム使用が前提だそうで、泣く泣くお蔵入りになったとか。

    管理を厳しくして水銀やら鉛やPCBや石綿や使えたらなあと

    • by Anonymous Coward on 2010年10月01日 9時42分 (#1832936)

      >カドミウム使用が前提

      CdTe系?それともCIS系にCd加えた奴かな?
      一応関連業界にいてちょろちょろとその手の分野の話は聞きますが、圧倒的と言うほどのものは出てきていませんよ。
      (というか、本当に圧倒的な性能なら分野を限って使うことが出来るので諦めるわけがない)
      まあ、組成を変えて同種の太陽電池の中では画期的な変換効率の上昇(例えば10%から12%へ、など)はあり得ないとは言いませんが。

      薄膜系太陽電池などではCdTeが安価でそこそこ良い変換効率かつ長寿命でなかなか優れた特性を出します。でもアメリカのFirst Solar社がほぼ独走状態。
      Cdなどが入っているので一般家庭向けの販売には向いていませんが、産業用途などで大規模に入れる際などには使われます。そういう意味では、たとえCdなどが入っていても十分な市場はある(ニッチに近いっちゃあ近いですが)。だから、「圧倒的な効率」であるならば単にCdを使ってるってだけでお蔵入りしたりはしません。お蔵入りをするのは、「コストまで考えると微妙」か、「別系統のものと比べるとそんなに凄い効率じゃない」場合です。

      親コメント
    • by Anonymous Coward

      >管理を厳しくして水銀やら鉛やPCBや石綿や使えたらなあと

      いくら管理を厳しくしても、コンシューマ用途だと「めんどくせ」と管理をぶっちぎる輩が少なからず出てくるでしょうねぇ・・・・
      産業用途でも中小企業でぶっちぎるのが出てきそうだし。

      そもそも、「管理コスト」を考えるとよほど差がないと足が出るのでは?

      • Re:オフトピック (スコア:1, 参考になる)

        by Anonymous Coward on 2010年10月01日 8時13分 (#1832914)

        実は「使用しない」ためのコストも上がってます。

        直接関与していないのでキイハナですが。
        部品・素材メーカに要求されることの多い「不使用証明書」(原材料としてだけでなく、混入の可能性のあるところも含めて不使用であることを保証する書面)は、ちょっと前まではRoHSの6物質だけだったのが、最近では3000もの物質のリストが送られてくることがあるそうな。
        #その中には「woods」もあったとか

        そんなもん、リスト内の物質が何なのか、どういうものに使われるものなのかを調べ、そしてその使用・不使用をさらに上流の部品・原材料メーカーに問い合わせるだけでえらい時間がかかる。

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    • by Anonymous Coward

      人工衛星とかの太陽電池パネルになら使ってもいいんじゃないかとおもうけどなぁ

  • by Anonymous Coward on 2010年10月01日 9時52分 (#1832939)
    我々に関係する中で重要なのは、HDDのモーターだよね。
    ほとんどが、ネオジウム磁石を使っているようだ。
    これを代替できるのかな?
    あと、ニッケル水素電池の水素吸蔵に使うミッシュメタルは、希土類金属混合物だね
    • by Anonymous Coward on 2010年10月02日 0時05分 (#1833434)

      HDDのモーターはネオジムが使えなくて大型化しても大丈夫では?
      構造的に3.5"や2.5"ならモーターの直径を大きくする余地があるので(厚みはそのまま)影響ないと思います。
      1.8"以下だと直径を大きくするのは難しいかも。回転数を落としたりする必要があるかも知れません。

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      • Re:HDDのモーター (スコア:1, 参考になる)

        by Anonymous Coward on 2010年10月02日 8時45分 (#1833491)
        実際にHDDを分解してみればわかりますが、巨大なネオジム磁石を使っているのはアームを駆動するためのボイスコイルモータです。
        それなので、スピンドルモータのみをフェライトに置き換えてもネオジムの大幅な削減とはいかないところが悲しいところです。
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    • by Anonymous Coward
      ヘッドフォンやスピーカーでもネオジム磁石は結構使われてますよ。
  • 脱中国で品質が格段に上がりましたとさ。
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