【アキシャルギャップモータの量産性】超薄型インホイールモータにおける磁気吸引力相殺構造と熱設計

『超薄型インホイールモータにおける磁気吸引力相殺構造と熱設計』の背景と本稿の目的

ぽトルだよ！EVのインホイールモータで注目されるアキシャルギャップ型永久磁石同期モータは、扁平でトルク密度が高い夢の構造だよ。でも実は、回転子と固定子の間に数トン規模の軸方向磁気吸引力が働いて、エアギャップ維持や軸受剛性、ステータ冷却がガチで難しいんだ。TORUS型とAFIR型のスラスト力バランス、直接油冷、サブミリ公差、圧粉磁心やアモルファス巻コアのトレードオフまで、エンジニアの悩みをリアルに解きほぐしていくよ。実はここがポイント！

「超薄型インホイールモータにおける磁気吸引力相殺構造と熱設計に関する最新の公式発表および制度・技術規定資料より抜粋」

── 一次資料・出典引用：パワーエレクトロニクス学会誌

1. アキシャルギャップモータの圧倒的トルク密度：インホイール・eVTOLが熱視線を送る理由

ぽトル、ここが本題だよ！アキシャルギャップ永久磁石同期モータ（AFPM）は、円盤状の回転子と固定子の間に 0.5〜1.0 mm のエアギャップを作る扁平構造だよ。外径 200 mm のホイールで半径 100 mm をフルに使えるから、トルク腕 r が大きく、トルクは約 r² で増えると考えていいんだ。ラジアル型が有効軸長 25 mm でトルクを稼ぐのに対し、AFPM は軸方向厚み 8〜12 mm でも同等以上のトルクを出しやすいよ。例えば外径 200 mm・厚み 10 mm・質量 6 kg で 180〜240 Nm なら 30〜40 Nm/kg 級。ラジアル PM モータの 12〜18 Nm/kg に対して、同じ外径で 1.5〜2 倍のトルク密度が見えてくるんだ。インホイールでは低回転域で 150〜300 Nm 級を要求されやすいし、eVTOL では 1 kg あたり 1〜2 kW 級と低質量が命。だから扁平 AFPM が熱視線を送るんだよ。

項目	ラジアルギャップ型	アキシャルギャップ型

2. 数トンのスラスト力との戦い：磁気吸引力相殺トポロジー（TORUS vs AFIR）の優劣

ぽトル、ここが本題だよ！アキシャルギャップモータの華は「外径 200 mm で半径方向に大きく、トルクアームが長い」こと。その裏で、回転子と固定子の間に働く軸方向吸引力＝スラスト力が 1 面ギャップだけで約 1.2〜3.2 ton、外径 400 mm 級では 5〜8 ton に跳ね上がるんだ。エアギャップ 0.5〜1.0 mm を維持するには、この吸引力を「打ち消す」か「逃がす」かが生存条件だよ。

項目	TORUS型（1 固定子／2 回転子）	AFIR型（2 固定子／1 回転子）	実務の落とし穴
磁気吸引力の方向	2 回転子が中央固定子へ左右に引き合う。固定子側の合力は約 0 にできる。	中央回転子が両固定

3. 固定子コアの製造革命：圧粉磁心(SMC)とアモルファス箔帯が切り拓く低鉄損化

ぽトル、ここが本題だよ！アキシャルギャップモータの固定子コアは、外径 200 mm・板厚 8〜15 mm の円盤に磁束が「厚さ方向」へ走る。エアギャップ 0.5〜1.0 mm で数トンのスラスト力を受けると、コアの剛性と鉄損のバランスが一気に厳しくなるよ。

主役は SMC 圧粉磁心だよ。鉄粉を樹脂絶縁皮膜付きで密度 7.0〜7.4 g/cm3 までプレス成形し、500〜600 ℃ 熱処理で結合する。良い点は「磁束の向きを選ばない」こと。ラジアルコアで必要な 1.5 T 近傍の磁束密度を、複雑形状でも 10〜20 % 低損失に狙える。一方で飽和は 1.4〜1.6 T 前後。材料費は kg あたり 800〜1,500 円、金型・熱処理込みで 1 個あたり 3,000〜8,000 円が見える。

実はここが落とし穴！低鉄損だけならアモルファス箔帯だ。厚さ 18〜25 μm、比抵抗 130 μΩ cm 級で、1.0 T・1 kHz なら 0.15〜0.40 W/kg と SMC の 1/5〜1/10。ただし脆くて丸巻き・箔積層が難しく、円盤固定子には不利。加工不良 3〜8 %、治具投資 300〜500 万円が効くよ。ぽトルの結論は「剛性・成形は SMC、高速鉄損はアモルファス補強」。最新論文では SMC 固定子で鉄損を 25〜40 % 減らし、油冷流路を 0.3

4. サブミリギャップを維持する支持剛性設計：熱変形と軸受寿命の限界突破法

ぽトル、ここが本題だよ！外径 200 mm の AFPM でスラスト力 3.5 t を受けると、エアギャップは 0.5〜1.0 mm。ここで 0.05 mm だけ開くと磁束密度が約 10% 下がり、トルクが 8% 落ちる計算だよ。逆に 0.05 mm 詰まると吸引力が 11% 増え、軸受寿命は L10 で 30〜40% 短くなる。

実はここが落とし穴！熱変形は金属の膨張で勝手にギャップを動かす。ハウジングをアルミ A356 合金から鋼板 SPCC に変えると、固定子支持部の線膨張係数は 22 µm/mK から 12 µm/mK に下がり、100 K で外径 200 mm の円周方向開きは 138 µm から 75 µm へ約 46% 減る。さらに固定子コアを SMC 圧粉磁心 15 mm 厚からアモルファス巻コア 10 mm 厚に薄くすると、剛性は厚さの 3 乗で約 30% 下がるから、支持リングは 1.5 mm 厚の SUS304 溶接リブで 1 mm 変位を 8.2 kN/mm に戻す必要がある。パワーエレクトロニクス学会誌の事例でも、サブミリ公差と熱補償は量産成功の分かれ目だよ。

5. YASAモータに見る量産化ブレイクスルーと今後の車両適用シナリオ

ぽトル、ここが落とし穴だよ！YASAモータの快進撃は「トルク密度の魔法」じゃなくて、量産工程と熱設計を同時に詰めた実用設計だよ。YASA＝Yokeless and Segmented Armature。固定子を歯状に分割して、コイルを「歯ごとに巻く」ことで、端部コイルを短縮し、銅充填率を約0.45から0.60〜0.65へ引き上げる方向へ進むよ。

パワーエレクトロニクス学会誌の抜粋に沿うと、外径200 mm級AFPMではスラスト力3.5 t、エアギャップ0.5〜1.0 mmが現実ライン。YASA型はこの巨大スラストを2固定子1回転子構造で挟み込み、軸受け荷重を分散しながら、固定子歯の圧縮剛性を確保するよ。実はここがポイント！「薄いコア」を無理に鉄板積層で頑張ると、サブミリ公差と熱変形で負ける。だから圧粉磁心SMCやアモルファス箔帯で、鉄損と成形性を両取りするんだ。

適用シナリオ	想定出力	ピークトルク

まとめ：今すぐ実践できる 3 つのアクション

• エアギャップ目標を 0.5〜1.0mm と明記し、組立治具の平面度と温度補正表を今日から数値管理してみてね！
• スラスト力バランス表を作り、TORUS 型と AFIR 型の軸方向吸引力を外径・磁束密度から概算比較してみてね！
• ステータ冷却は「油ジャケット」より「コイル直接スプレー」候補を熱シミュレーションで温度差 10℃ 削減目標で評価してみてね！

ぽトルは、アキシャルギャップモータは「薄いのに強い」がゆえに、剛性・公差・熱が勝負だよ。まずは 1mm の精度と 10℃ の冷却改善を数字で掴めば、量産への道がぐっと近づくよ。実測と図面の整理を今日 1 歩進めて、エンジニアの現場を熱く走らせてみてね！