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アモルファスでモーターを作る

モーター──日本語では電動機。電気エネルギーを回転運動に変換する機械である。その開発は19世紀初頭から始まり、そしてより効率が高い高性能モーターをめざす研究は、今なお続いている。日立製作所は、工場など生産現場で使われる産業用モーターを生産している。そもそも1910年の創業時、最初の製品は「5馬力誘導電動機」という、鉱山で使用するモーターだった。産業用モーターでは、エネルギー効率が大変重要な性能指標となる。効率が高いモーターは、より少ない電力で同じ仕事をする。電気代を節約できれば、工場全体の生産コストを低減でき、製品の価格競争力を強化できる。それだけではない。日本の産業用電力の実に75%をモーターが消費している。モーターの効率を上げれば、日本全体の電力消費を低減することができる。

2008年、日立製作所はアモルファス金属を使った高効率モーターの開発に成功した。アモルファス金属を使用したモーターの開発は現在も続いており、2014年には電気・電子工学の分野の標準化を行う国際組織の国際電気標準会議(IEC)が策定した産業用モーターの省エネ規格「IE5」をクリアする技術を発表した。現在は製品第一号として、日立産機システムのスクロール型空気圧縮機に組み込んで販売している。アモルファス金属がモーターの効率を上げることは分かっていた。しかしアモルファス金属は加工が非常に難しいという問題があり、モーターへの利用には大きな困難が予想された。

そもそもアモルファスとはなにか。日本語では非晶質という。元素としては鉄、元素記号Feそのものだ。若干の添加物として微量の他元素は入っている。が、それは他の鉄系材料と同じである。しかしアモルファスは材質内部の原子の並び方が異なる。熱した鉄は冷えていく過程で結晶を形成する。だから鉄の表面を磨いて顕微鏡で見ると小さな結晶の集合であることが分かる。しかし結晶が生成する間がないぐらいに一気に冷やしたら──結晶構造を持たないアモルファスになる。

アモルファス金属は、モーターの高効率化に大変向いた物性を持っている。鉄損が通常の鉄の1/10と小さい。

電線をぐりぐりと巻くとコイルになる。コイルに電流を流すと磁場が発生する。コイルの内側に鉄の芯を入れると、発生する磁場は強くなる。だからモーターに使うコイルには鉄芯が入っている。

ところで、電磁誘導は「電気が流れると磁場が発生し、磁場が変化すると電流が流れる」という物理現象だ。コイルが磁場を発生すると鉄心の内部で電流が流れるのだ。鉄心内部の電流エネルギーは熱となり、外部に逃げていく。このことを鉄損という。鉄心にアモルファス金属を使うと、この鉄損が1/10まで減る。また、アモルファス金属は磁場を強化する能力も高い。

しかし、良いことだけではない。アモルファス金属は、熱くなった鉄を急速に冷却して作る。厚さ25μmという薄い箔の状態で一気に冷やす。このためアモルファス金属は家庭用のアルミフォイルのような、箔の状態で形成される。“アモルファス金属の塊”は、中心部を急速冷却できないので作れない。

しかもアモルファス金属は硬くて脆く、加工するのが難しい。現在のところ使えそうな加工法は剪断による切断だけ。ハサミで切るような加工だ。その他の加工は、よほどのコストを掛けない限りできない。

モーターの鉄心に使った場合の性能は非常に高い。だから、モーター技術者なら誰もがアモルファス金属をモーターに使いたかった。しかし、加工があまりに難しく、現実的な値段で製品にすることができなかった。

通常、鉄心は電磁鋼板という鉄心向けに作られた鉄板から作る。薄板を金型で打ち抜き、何十枚も重ねて鉄心を形作るわけだ。薄板を積層して作るのは、エネルギー損失を発生させる鉄心内の電流の流れを制限することでモーターの性能を上げるためである。同時に、打ち抜き加工は一度金型を作ってしまえば加工コストが安くなるという理由もある。しかし、アモルファス金属はあまりに硬く脆く、そして薄っぺらいので打抜き加工が使えない。

そこで我々は、モーターの形式を変えた。

図:ラジアルギャップ型とアキシャルギャップ型

▼アモルファスで作った鉄心

▼低損失な鉄基アモルファス金属を鉄心に採用したモータが実装されている

▼アモルファスはロール紙のような形で納品される。ハサミで簡単に切ることができる

ラジアルギャップ型からアキシャルギャップ型へ

モーターには様々な形式がある。ここで開発ターゲットとなっているのは、回転軸の側(ローターという)に永久磁石を、モーターケースの側(ステーターという)に電磁石を配置したものだ。従来は円筒形のローターの回りをステーターが取り囲むラジアルギャップ型という形式を採用していた。この方式では打ち抜き加工した電磁鋼板を何枚も重ねて鉄心を形成する。それに対してアモルファス金属を使うモーターでは、2枚の円盤形ローターの間にステーターが挟まるアキシャルギャップ型という形式に変更した。

こうすると鉄心が一部を切り出したバウムクーヘンのような形になる。すると、まさにバウムクーヘンの“年輪”と同じように薄い箔のアモルファスを積みかさねることで、鉄心を製造することができる。具体的にはバウムクーヘン型の型を作って、上から剪断加工で裁断したアモルファス片を落としていって積みかさねる。アモルファス金属を裁断する長さを少しずつ長くしていけば、バウムクーヘンみたいな“年輪”をもつ鉄心の完成だ。この形なら打ち抜き加工がいらない。長いロールとして供給されるアモルファス金属を切っていくだけで、鉄心が作れる。それだけではなく、この設計だと、永久磁石に安いフェライト磁石が使える。

ここで少々物理と算数を使うことを許してほしい。モーター出力は磁束──すなわちローターとステーターの間に働く磁界の強さと流す電流の積に比例する。そして磁束は永久磁石の強さと、ギャップ面積の積に比例する。

ギャップ面積というのは、ローターの永久磁石とステーターの電磁石が向かい合う面の面積のことだ。ラジアルギャップ型だと円筒型のローターの側面の面積となる。アキシャルギャップ型だとステーターを挟み込むローターの面積ということになる。モーター体積を一定として計算していくと、アキシャルギャップ型はギャップ面積をラジアルギャップ型の3倍ぐらいとれることが分かった。つまり同じモーター出力なら永久磁石が1/3の強さでもいいということだ。弱い永久磁石は安い。安いフェライト磁石で同等の出力のモーターが作れるのだ。

モーターの出力を上げるのに一番手っ取り早い方法は、より強力な永久磁石を使うことだ。このため、強力な磁石の開発は材料工学にとって大変大きな課題である。現在、産業的に使われているもっとも強力な磁石はネオジム磁石というものだ。鉄とホウ素、そして希土類元素のネオジムの3つの元素から成る合金である。ハードディスクや電気自動車などでつかう、小さく軽く強力なモーターではネオジム磁石が使われている。

が、ネオジムは産出量が少なく高価な元素だ。ネオジム磁石は、フェライト磁石の20倍ぐらいの価格がする。しかも磁石の性能を高める重希土(Dy,Tb)の産出量は、ほとんどを中国が占めており、安定的な調達が課題となっていた。

弱い永久磁石でも大丈夫ということになると、ネオジムのような希土類元素を使わないフェライト磁石が使えるようになる。フェライト磁石は、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化マンガンなどの酸化物が主成分の磁石だ。磁力はネオジム磁石に及ばないが、ずっと安い。

アモルファス金属を鉄心に使い、アキシャルギャップ型を採用すると、フェライト磁石でも性能は下がらず、しかも、従来よりもずっと高効率になる。こうして同じサイズで同じ出力、かつ価格は安く、しかも高効率というモーターの開発に成功した。これまでのモーターを買い換えても、下がる電気代の分で1年も経たずに元が取れるというものだ。デメリットもある。フェライト磁石を使うとローターが重くなる。だから、電気自動車のように回転数を上げたり落としたりと迅速な応答性が要求される分野では不利になる。しかし、産業用のモーターはほとんどが一定の回転速度で使うので、問題はない。

榎本裕治
日立製作所 研究開発グループ 材料イノベーションセンタ 電動機材料研究部 主任研究員
愛読書は『電気学会誌』(電気学会)

電気学会誌

出身が松山なので同じ松山出身の秋山兄弟と正岡子規を主人公に据えた『坂の上の雲』が好きだ。最近の小説では池井戸さんの『下町ロケット』『陸王』などに開発に取り組む勇気をもらった。しかし(研究者として)直接役に立ったのはなんのことはない、学会誌だ。技術士を取得する時に自分の専門に隣接する関連分野の知識を得るのにとても有効だ。専門分野だけではなく広く知識を持たなければいけないのだなと痛感したので、若い人にはあえて学会誌をお薦めする。

■関連リンク
【開発ストーリー】アモルファス金属を用いたモーターを開発する

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