電動モータとは

電動モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに、あるいはその逆に変換したり、電気エネルギーを別のタイプの電気エネルギーに変換したりする、相互に接続されたコンポーネントから構成されるシステムです。洗濯機などの家電製品から医療用インプラントやロボティクスまで、さまざまな電子システムに採用されています。発電され、送電線などのエネルギーインフラを介して送電される電力の大部分は、電動モータによるものです。近年は、電気自動車（EV）向けの電動モータへの関心が高まっています。

電動モータは、モータの一部が可動するかどうかに基づいて、2つのカテゴリに分類されます。1つ目のタイプは、2つの静止アーマチュアを持ち、可動部がない静止形電動モータです。代表的なものは、トランスです。2つ目のタイプは、発電機やモータなどの回転式電動モータ（リニアモータ）で、常に回転または平行移動する可動部があります。これらの電動モータには、可動部（ロータまたは発動機）と静止部（ステータ）があります。

電動モータは（モータであるか発電機であるかに関係なく）、双方向エネルギーシステムとして、理論上は機械エネルギーまたは電気エネルギーのいずれかを出力としてエネルギーを変換できます。

トランスは、一般的には静止形電動モータのカテゴリに分類されます。そのほとんどは可動アーマチュアがなく、エネルギーを変換するために運動を必要としないためです。それに対して、発電機やモータは回転部を持ち、運動を利用して電気エネルギーを機械エネルギーに変換するか、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する可動形電動モータです。回転する電気-機械式デバイスは、一般には、電圧供給または電磁誘導によって生じる回転電磁界間の相互作用を通じて動作します。こうした回転磁場は、機械側ではトルクを発生させ、電気側では電圧と電流を発生させます。

電動モータの利点としては、以下のものがあります。

• 電動モータは、内燃機関（ICE）などのエネルギー変換システムよりもはるかに効率的です。たとえば、ICE車両の効率が20～30%であるのに対して、EVの効率は90～95%を超えます。
• 電気自動車（EV）に搭載される電動モータは、ICE車両のモータよりも可動部品が少ないため、予測されるライフサイクルは長くなります。
• 電動モータは、ゼロエミッションテクノロジーです。
• 電動モータは、モータモードと発電モードの両方で動作する、双方向エネルギー変換が可能です。

一方で、電動モータの短所としては、一般的に以下のものがあります。

• 電動モータは、その電力供給能力によって制約を受けることがあります。たとえば、EVはバッテリの貯蔵容量と充電能力により、一定の制約があります。これは、エネルギー密度がはるかに高いガソリンとは対照的です。ICE車両は、たとえエネルギーの70%を失っても商業的に成り立ちます。
• 電動モータによって発生する電磁界に長時間さらされた生物は、その影響を受ける可能性があります。
• 電気機器の電磁界は同じ周波数で相互に作用するため、近くに配置された電気機器と相互に摂動します。これは、電磁干渉（EMI）と呼ばれます。
• 電動モータの短絡が原因で、火災が発生することがあります。

可動形電動モータの場合、ステータとロータの電磁界が相互に作用します。こうした相互作用は、以下のように、さまざまな構成の形をとります。

• ロータ場は自己励起です（永久磁石）。
• ロータ場には、独立した電気エネルギー供給が必要です（巻線場同期モータ）。
• ロータ場は、ステータ場による誘導によって生成されます（誘導モータ）。

どのような可動形電動モータでも、発電機またはモータとして動作できます。発電機として動作する電動モータは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電用途に使用されます。重要な適用分野の1つとして、風力タービンや水力発電などの再生可能エネルギー発電があります。

エネルギーは、通常は回転運動によって生成されます。線形運動も使用できますが、装置のサイズによって制約を受けます。回転運動を利用することで、可動部は制約を受けることなく、無限に移動できるようになります。

発電機を動作させるには、入力側に機械エネルギー源が必要です。一般的な例として、クランクシャフト、再生可能エネルギー技術における風や水の力、燃料や原子炉の燃焼による蒸気などがあります。これらの力は、発電機内の原動機（ファンやタービンなど）を駆動し、回転エネルギーを電圧と電流に変換します。

発電機にはさまざまなタイプがあります。AC（同期または誘導／非同期）発電機は、機械エネルギーを交流電流および電圧に変換します。それに対して、DC発電機は機械エネルギーを直流電流および電圧に変換します。同期発電機では、電圧は発電機の回転速度に固定されますが、誘導（非同期）発電機では、グリッドの周波数に一致するために固定ロータ速度は必要ありません。

電動モータは、モータとして動作するときに電気エネルギーを機械的な運動に変換します。モータは、シャフト、支持として機能するベアリング、そして全コンポーネントを囲うハウジングで構成されています。

モータで生成されるトルクは、ステータ場とロータ場の電磁界相互作用から発生します。ステータ巻線によって回転磁場が形成され、ロータ場は永久磁石の回転、ロータ巻線内の誘導電磁界、または電磁石の回転によって形成されます。トルクは、モータで生成される物理的な力に比例し、モータが搭載されているシステム（車両など）で速度を生成するために使用されます。インバータは、モータの電源の周波数を制御して、モータを連続的に動作させることで、モータの速度を制御します。

モータは、さまざまな業界や用途に使用されています。以下はその一例です。

• 産業機器
• 車両
• 家電製品
• ポンプ
• ファン
• ロボティクス
• フィットネス機器
• ドローン
• 電動工具

トランスは、電動モータの一種です。機械エネルギーと電気エネルギーの間で変換を行うのではなく、ある電圧レベルの電気エネルギーを、わずかな損失で別の電圧レベルに変換します。トランスの動作には機械的なエネルギー変換は関与しませんが、トランスは電力網の重要な構成要素であり、高電圧伝送線を介して電力を長距離伝送し、家庭用の低電圧配電網に適した形に変換する役割を担っています。

トランスには、ステップアップトランスとステップダウントランスの2種類があります。どちらのトランスも、電気エネルギーの電圧を別の電圧に変換します。

ステップアップトランスは、低電圧の電気を、伝送線に対応した高電圧の電気に変換します。ステップアップトランスの二次回路は、一次回路よりも磁石周りのコイル数が多いため、電圧が上昇します。

ステップダウントランスは、家庭や企業向けに電圧を下げます。ステップダウントランスの二次回路は、一次回路よりも磁石周りのコイル数が少ないため、電圧が低下します。

高電圧の電気は長距離をより効率的に伝送できる一方で、日常的な電子機器で使用するには安全ではありません。そのため、トランスが不可欠です。電気を使用するには、より低い電圧にすることが必要であるため、送電網の特定地点でトランスを導入し、電圧を容易に変更しています。

シミュレーションは、さまざまな業界で使用されている電動モータの性能と効率を向上させるために導入されています。電動モータを設計する際にシミュレーションを導入し、電動モータの可動部と非可動部両方の性能をシミュレーションし、熱、電磁界、機械的性能に関する知見を得ることで、効率的な設計を実現できます。

高度な電磁界ソルバーであるAnsys Maxwell: 2Dまたは3D有限要素法を使用して、静的、周波数領域、および時間変化する磁場および電場を解析します。Maxwellは、ISO 26262に準拠したソフトウェアです。

電動モータの設計に特化したツールであるAnsys Motor–CAD: トルク速度の全動作範囲にわたる高速マルチフィジックスシミュレーション用のプラットフォームです。組込み2D有限要素法解析（FEA）、解析での計算、電磁界性能のための等価回路手法を使用します。また、機械の冷却システムを最適化して、機械的な応力や騒音、振動、ハーシュネス（NVH）応答を最小限に抑えることもできます。

構造FEAソフトウェアのAnsys Mechanicalおよび流体シミュレーションソフトウェアのAnsys Fluent: 電動モータの物理設計のために、より詳細でカスタマイズされたポストプロセスシミュレーションを実行できます。

設計およびシミュレーションプラットフォームのAnsys ConceptEV: EVパワートレインをシミュレーションするための専用ツールです。システムやコンポーネントを設計するエンジニアリングチームは、要件が適用され誰もがアクセスできる共有のシステムシミュレーションで、設計プロセスがスタートした時点からチームを超えて情報共有ができます。これにより、さまざまな車両アーキテクチャ候補に対して電動モータ設計プロセスの仕様を導き出すことができます。

デジタルツインシミュレーションプラットフォームのAnsys Twin Builder: システム内の電動モータとパワーエレクトロニクスの相互作用を解析できます。Maxwellなどのツールとのコシミュレーションを通じて電動モータをモデル化したり、仮想環境で電動モータの次数低減モデル（ROM）を作成し、さまざまなシナリオを検証したりすることもできます。

より効率的な電動モータを設計するためにAnsysのさまざまなソリューションを導入する方法については、今すぐAnsysのテクニカルチームにお問い合わせください。

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