アキシャルフラックス：ドライブシャフトを不要にするモーターの背後にある物理学

Tesla Model S Plaid のボンネットを開けると、驚異的なエンジニアリングが見られます。しかし、それは依然としてモーターのように見えます。銅と鋼鉄でできた重い円筒形のバレルです。これは Radial Flux モーターで、これまでの EV 革命全体に動力を与えてきました。

しかし、メルセデス・ベンツ ビジョン ワンイレブン コンセプトを見ると、モーターはなくなっています。というか、車輪の中に消えてしまった。

これが Axial Flux テクノロジーの約束です。それは単にモーターが優れているだけではありません。それは、ドライブシャフト、ディファレンシャル、アクスルを車から永久に削除する可能性があるフォームファクターの変更です。

物理学: ラジアルとアキシャル

これがなぜ重要なのかを理解するには、物理学 101 に戻る必要があります。 トルク = 力 × 半径

ラジアル磁束 (標準)

標準的なモーター (ラジアル フラックス) では、磁石は固定コイル (ステーター) 内で回転します。磁力は車軸に対して「垂直」に作用し、車軸を押し動かします。

• 制限: より多くのトルクを得るには、より長いモーター (より多くの磁石) またはより幅の広いモーター (より多くのてこ作用) が必要です。しかし、シリンダーの端にある銅の巻線 (端巻線) は熱を発生するだけです。それらは「死の重さ」なのです。
• ヒートトラップ: 銅コイルは鉄心の奥深くに埋め込まれています。熱を取り出すには、外部機能のウォーター ジャケットに到達する前に、熱が鋼鉄と断熱材の層を通過する必要があります。

軸流束 (パンケーキ)

アキシャル フラックス モーターでは、ローターはディスクであり、ステーターはその隣のディスクです。磁束はコイルを挟んで車軸に平行に流れます。

• レバレッジハック: モーターは平らなディスク (パンケーキのような) であるため、アクティブな磁石は中心からさらに外側に押し出されます。 Torque = Force × Radius を覚えていますか?力をディスクの外縁に移動させることで、重量を追加することなく、大きな機械的てこ作用が得られます。
• デッドカッパーなし: コイルはシンプルなフラットループです。銅はほぼ100％トルクに貢献します。

製造業の悪夢

Axial Flux の方が優れているのであれば、なぜ誰もがそれを使用しないのでしょうか? なぜなら、それを構築するのは悪夢だからです。

標準的なラジアルモーターでは、ローターとステーターの間の隙間が 1 ミリメートルずれると、回転効率がわずかに低下します。アキシャル磁束モータでは、2 枚の磁気ディスク間の引力は計り知れず、それらを叩きつけようとする何トンもの圧力がかかります。

• エアギャップ: メーカーは、巨大な磁気負荷の下で曲がる 2 つの回転ディスク間にミリメートル未満のエアギャップを維持する必要があります。
• ベアリング荷重: 軸方向の力により、標準ベアリングが破壊されます。面が接触しないようにするには巨大で重いスラストベアリングが必要ですが、これにより軽量化が無駄になります。

YASA の画期的な進歩: 「ヨークレス」冷却

アキシャル磁束モータは新しいものではなく、理論上は 1 世紀前から存在しています。しかし、それらには 熱 という致命的な欠陥がありました。 2枚の磁気ディスクを挟むと圧力鍋が完成します。モーターを破壊せずに「パンケーキ」の中心を冷却する方法はありませんでした。

YASA (ヨークレス アンド セグメント アーマチュア) は、オックスフォード大学からスピンアウトしてメルセデス ベンツが買収した会社です。

彼らの画期的な進歩は「ヨークレス」ステーターでした。

1. 3D オイル チャネル: 外側にオイルをスプレーするだけでなく、Yasa は冷却オイルをステーター コイルの中心に 通して送り込みます。
2. 誘電体の違い: 銅と直接接触して流れる誘電性 (非導電性) オイルを使用します。ケースを冷やすだけではありません。ワイヤー自体を冷却します。
3. 結果: 重量は 50 ポンド (23 kg) ですが、480 馬力 を発生するモーターです。
   • 比較: その出力を備えた標準的な EV モーターの重量はほぼ 200 ポンドになります。

材料科学: 秘密の粉

標準モータは磁気をガイドするために積層鋼板（ケイ素鋼）を使用しています。 Yasa は 軟磁性複合材料 (SMC) を使用しています。

• これは何ですか?: シートの代わりに、絶縁セラミック層でコーティングされた鉄粉粒子を使用し、3D 形状にプレスされます。
• 物理学:
  • 渦電流: 固体鉄では、磁場の変化により不正な電流 (渦電流) が発生し、熱が発生します。 SMC では、すべての粒子の周りに絶縁体があり、これらの電流を完全に止めます。
  • 3D 磁束: ラミネート鋼は磁気を 2D (シートに沿って) にのみ誘導します。 SMC は磁力を 3D に流すことを可能にし、磁石からさらに多くのトルクを絞り出す複雑な「クローポール」設計を可能にします。

なぜ重要なのか: 「バネ下重量」戦争

自動車デザインの聖杯は インホイール モーターです。 モーターをホイールの中に入れることができれば、トランスミッション、ドライブシャフト、アクスル、ディファレンシャルを削除できます。完全にフラットな車、つまり無限の室内空間を備えた真の「スケートボード」が手に入ります。

問題:「バネ下重量」。

• 定義: サスペンション (ホイール、タイヤ、ブレーキ) によってサポートされていない重量。
• 物理学: F = ma。重いホイールが段差にぶつかると、上向きに大きな勢いが生まれます。サスペンション スプリングは、タイヤを路面上に維持するためにその勢いと戦わなければなりません。
  • 重いホイール: 段差にぶつかる -> 空中に飛ぶ -> タイヤが接触を失う -> 衝突する。
  • 軽量ホイール: 段差にぶつかる -> 素早く上昇する -> サスペンションがホイールを押し戻す -> タイヤはグリップしたままになります。

軸方向磁束ソリューション: Yasa のモーターは信じられないほど軽い (ブレーキ ローター未満) ため、高性能のインホイール ドライブを可能にする * 唯一の * テクノロジーです。

• ベクトル化: 4 つの独立したモーターを使用して、トルクを瞬時にベクトル化できます。コンピューターは、左車輪を後方に回転させ、右車輪を前方に回転させて車を一銭で回転させることができます (タンクターン)。

未来: メルセデス AMG.EA

メルセデスは科学プロジェクトのためにヤサを買収したわけではない。彼らは、今後の AMG.EA プラットフォームのためにそれを購入しました。 EV市場はまさに二分化を迎えようとしている。

• エコノミーカー: 安価で重いラジアルフラックスモーターを引き続き使用します。
• パフォーマンス/高級感: Axial Flux に切り替わります。

次世代の AMG 電動スーパーカーが 4 つの独立した車輪でタンクターンをしたり、ビジョン ワンイレブンがボンネットの高さをゼロにして巡航したりするのを見たら、思い出してください。それは魔法ではないということです。これは、最終的に冷却を保つ方法を見つけたパンケーキ モーターにすぎません。

出典 (2)

• yasa.com YASA Technology
• mercedes-benz.com Mercedes-Benz Vision One-Eleven