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開発したモーターは、EVの走行に必要となる高い駆動力をホイールに直接伝えるとともに、モーターを軽量化することで、パワー密度*3として世界トップクラスの2.5kW/kgを実現し、従来のインホイール式で課題だったホイール内の重量増加を大幅に抑制した。また、小型化したモーターにインバーターとブレーキを一体化することで、サスペンションなどの既存構造を大きく変更せずにホイール内部への搭載を可能とした。さらに、開発したインホイール式EVでは、ドライブシャフトなどの間接機構を廃してモーターの力をそのままEVの走行に利用することで、既存のEVに比べてエネルギーロスを30%低減し、一回の充電で走行できる航続距離を増やすことができる。
今後、日立と日立Astemoは、本技術の実用化に向けた研究を進め、車内空間やバッテリー設置スペースの拡大が容易なインホイール式のEVの実現に貢献していく。また、日立Astemoは今回開発したダイレクト駆動システムやこれまで培った車両制御技術を基に、EV向け製品をより幅広いラインアップでグローバルに展開することをめざす。
脱炭素社会の実現に向けた投資活動や技術開発が活発となり、特に自動車分野では法規制の改正と併せてガソリン車からEVへの転換が強力に進められている。従来のEVでは駆動システムを車体側に設置するため、車内空間やバッテリー設置スペースの確保が課題だった。これを解決する方法として、モーターをホイール内部へ搭載するインホイール式が知られているが、ホイール内の重量が増加するほか、既存のブレーキやサスペンションの大幅な改造が必要だった。
そこで、日立と日立Astemoでは、これまで日立グループで培った鉄道、エレベーターなど広範なモビリティ分野の技術開発や製品化実績に基づき、インホイール式のEV向けにモーターとインバーター、およびブレーキを一体化した小型・軽量のダイレクト駆動システムを開発した。
ハルバッハ配列磁石と扁平コイルにより、世界トップクラスのパワー密度を実現
モーターの駆動力を向上するためには磁極数の増加が効果的だが、有効に使える磁束の割合が低下する課題や、コイルの溶接箇所と溶接スペースが増大する課題があった。そこで今回、磁石をハルバッハ配列*4にすることで、磁極ごとの有効磁束を増加させて駆動力を高めるとともに、ビーム溶接*5などによって扁平なコイルを高密度に配列することでモーターを軽量化し、世界トップクラスのパワー密度2.5kW/kgを実現した。これにより、開発したEVではホイール内の重量増加を大幅に抑制し、従来のインホイール式で課題だった重量化に伴うエネルギー消費量の増大を回避することができる。
モーター、インバーター、ブレーキを一体化したダイレクト駆動システム
従来のモーターはパワー密度が低く、十分な駆動力を確保する場合にはホイール内部のスペースが占有されてしまうため、既存のブレーキやサスペンションの流用が困難だった。また、インバーターを構成するパワー半導体に冷却水が付着し漏電することを防ぐため、電気的に絶縁された専用の冷却水路のスペースが必要だった。本開発では、小型・軽量化したモーターにブレーキとインバーターを一体化するとともに、絶縁性の高い冷却油でパワー半導体を直接冷却したあと、そのままモーターに循環してコイルも直接冷却する技術により、冷却配管のスペースを大幅に削減した。これにより、サスペンションなどの既存構造を大きく変更せずに、ホイール内への搭載を可能とした。
*1 EV: Electric Vehicle、電気自動車
*2 ダイレクト駆動: モーターの駆動力をダイレクトに車輪に伝達する駆動方式
*3 モーターのパワー密度: モーターの出力と重量の比。重量にはモーターを格納する筐体、駆動シャフトを含む。
*4 ハルバッハ配列: 磁石のN極の向きを90°ずつ回転させて配置することで、モーターの各磁極で高密度の磁束を発生する構造。
*5 ビーム溶接: ビームを集中して照射することにより金属を局部的に溶融させる溶接方法。