2023年2月23日、Stéphane Melançon
バッテリー＆EV
ヘッダー画像提供：Zeiss
ヘアピンモーターは電気自動車に使われることが増えています。従来のタイプの電気モーターよりも効率が良く、出力密度と熱性能が高く、製造が簡単です。
ヘアピンモーターがもたらすメリットにより、電気自動車は前世代のEVだけでなく、燃焼エンジンに対しても競争力を高めています。
このページでは、次のトピックについて説明します。
電気モーターの仕組みとは？
ヘアピンモーターの仕組みを知る前に、EVモーターの仕組みを理解することが重要です。ここでは、ヘアピンモーターがなぜ違うのかを理解するために重要となる、EVモーターの概念を紹介します。
ハイブリッド車や電気自動車では、電気モーターがバッテリーから供給される電気を運動に変換することでホイールを動かします。運動は、固定子に1つ、ローターに1つという反対の磁場を作り出すことによって実現します。固定子とローターの間で発生する押す力と引く力がローターを回転させます。
固定子では、銅巻線を通る電気によって磁場が発生します。
しかしローターの場合は別です。最も一般的な2種類の電気モーターでは、ローター内で異なる磁力を生成します。
- 永久磁石モーターでは、ローターに配置された磁石が永久磁場を生成します。
- 誘導モーターでは、ローターの磁場が誘導されます。これはローターにアルミニウムまたは銅のバーを使用することで発生します。これらのバーは固定子の磁場の中にあるため、そこに電流が誘導されてローターの磁場が発生します。
ヘアピンモーターとは？
異なるタイプの銅巻線を持つ2つの固定子。左側の丸線は、従来の巻線です。右側は新しいヘアピン技術です。提供：Lucid Motors
|
ヘアピンモーターは、固定子の巻線を丸線ではなくヘアピンで行う電気モーターです。ヘアピンは長方形で、ワイヤーに比べて大型です。長方形の形状により充填率が向上するため、銅巻線の方がスペースを有効に活用できます（20%以上の効率）。 |
 ヘアピンのレンダリング（ソース）。電気駆動システムの固定子には何百ものヘアピンが使用されています。 |
ヘアピン固定子のメリット
ヘアピン巻線と丸線巻線の比較（ヘアピンの方が良好なフィルファクターを実現する仕組み）（ソース）
ヘアピン巻線技術には以下のようなさまざまなメリットがあります。
- より優れたフィルファクターにより、銅を追加することでより強い磁場が発生します。これによってローターの回転が強くなり、ホイールのトルクが大きくなります。
- より優れたフィルファクターにより、固定子を小さくすることができます。
- 電流が銅を通過するときのエネルギー損失（銅損）は最小になります。これは、巻線経路の最適化（すべての巻線形状が同一で対称）によるものです。
- 電気モーターは少ないエネルギーで同じ量の電力を生み出すことができるため、航続距離延伸に貢献します。
- ヘアピンは左右対称で立体的な形状をしているため、丸線よりも巻きやすく、組み立てが非常に簡単です。
- 丸線には、巻線を固定するステッチコードが必要です（固定子レースと呼ばれるプロセス）。ヘアピンには必要ありません。
- ヘアピンモーターは長期的に見て破損リスクが低まります。より大きく、立体的な導体ほど振動の影響を受けにくいことが理由です。
- ヘアピンは丸線よりも多くの電流を通すことができます。この効率性向上により、巻線やモーターの発熱が少なくなります。このため温度管理が簡単になり、モーターの信頼性と寿命が向上します。
- 丸線と異なり、ヘアピンは正確に配置することができるため、より整理された設計になります。
ヘアピンモーターの保護ワニスとコーティング
銅線と同様に、銅製ヘアピンも保護用のワニス（絶縁層）でコーティングされており、ヘアピンが接触しても電流が全方向に流れないようになっています。ヘアピン固定具は通常、次のいずれかのワニスを使用します。
- ポリアミドイミド（PAI）
- ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）
- ポリイミドフォイル付属ポリアミドイミド（PAI+FEP）
ヘアピンモーターの製造
ヘアピン固定子の製造プロセス
次の動画は、ヘアピンモーターの重要部分であるヘアピン固定子の製造プロセスを表しています。表示される手順は次のとおりです。
- ヘアピンとスチールラミネート間の摩耗を防ぐために固定子スロットに配置された絶縁紙
- ヘアピン製造プロセス
- 公差を確実に満たすための品質管理
- 絶縁層のレーザー剥離
- ヘアピンレーザー溶接プロセス
- 固定子の一部を粉体塗装し、溶接された露出部分を保護する含浸工程
完全な電気回路形成のためのレーザー剥離と溶接
固定子で使用される従来の丸線は既に連続パスを形成していますが、完全な電気回路を形成するにはヘアピンを相互に接続する必要があります。そこでレーザー塗装剥離とレーザー溶接が必要になります。
ヘアピン端のワニスは、溶接部を貫通して汚染しないように、溶接前に剥がす必要があります。
絶縁層の除去には機械摩耗が使用できますが、レーザー剥離の方が一貫性があり正確です。回転ブラシは摩擦により磨耗し、結果のバラつきを防ぐために定期的なメンテナンスが必要です。また、絶縁層の下にあるベースメタルの一部を摩耗させ、銅が除去されるという、望ましくない副作用もあります。
ヘアピン含浸プロセスと電気モーターへの接続
3つのコネクタータブ（左）とブリッジ（右）は、最終的な電気接続を行う前に、エポキシを除去するためにレーザー剥離が行われます。
ヘアピン溶接後、溶接部が露出している固定子側は、酸化、湿気、およびその他の導電性素材から保護する必要があります。そのため、溶接部を絶縁保護するためにエポキシ粉体塗装が施されています。この過程を含浸と呼びます。
最終的な接合を行うには、組立フェーズで電気モーターの他の部分に接続されるコネクタータブからこのエポキシを剥がす必要があります。
固定子のデザインによっては、さまざまな部品にレーザー剥離を施して溶接する必要があります。例えば、ヘアピン、コネクタータブ、固定子ブリッジなどがあります。
厚いエポキシコーティングのレーザー剥離プロセスの例をここから見ることができます。
E-モビリティの未来におけるヘアピンモーターの役割
ヘアピン巻線は、より効率的なモーターを設計するために、自動車業界で急速に地位を確立しつつある成長中の技術です。
ヘアピンモーターは、より大きなバッテリーに対応し、省スペースを実現し、より軽量にすることができます（そのため、車両を軽量化することができます）。電気自動車の競争力を高め、誰もが手頃な価格で購入できるようにするための正しい方向に踏み出す一歩です。
