eAxleは、車の部品の一つで、モーターやインバータ、減速機などの機能をひとつのユニットにまとめたものです。これにより、大きな電力を扱うことができるだけでなく、コンパクトで効率的な性能も備える必要があります。
EVでは電池、モーター、インバーターが「三種の神器」とされ、eAxleは三種の神器のうち2つをまとめてユニットとして扱うものです。
この記事では、駆動用モーターやインバーターなど、eAxleを構成する重要な部品について詳しく解説します。
EVの電動アクスル（eAxle）とは
電気自動車には、「三種の神器」と呼ばれる3つの部品があります。
- 電池
- モーター
- インバーター
これらのうち、モーターとインバーター、そしてトランスミッション（減速機）を統合したeAxleが、EVで用いられるようになっています。
EVの構成
EVでは、電池の電力をインバータで変換し、モータに伝え、モータからトランスミッション（減速機）を経由して動力がタイヤに伝わります。
ここで登場するインバータ、モータ、減速機を、１つのモジュールにまとめてコンパクト化したものが、e-Axleと呼ばれています。
e-Axle
モーター・インバータ・減速機など、従来個別の部品であったものを１つのユニットに組み込んだモジュールとすることで、EV内での搭載スペースが効率化できます。
電動アクスルは通常、駆動輪の近くに組み込まれます。二輪駆動の場合、駆動輪に１つ、四輪駆動車の場合は。前後の駆動輪の近くにそれぞれ１つずつ組み込まれます。
トヨタ向けのeAxleのイメージです。
e-Axleを設計する際には、搭載しやすいようにサイズを小さくしながらも、モーターへの出力を高くし、効率も高くすることが重要なポイントです。小さくてもパワフルで効率の良いe-Axleを作り出すことが目標となります。
以下では、「モーター」「インバータ」「減速機」それぞれの構成要素について解説します。
モーター
電気自動車（EV）の駆動に使われているモーターには、主に交流モーターが使われています。その中でも、特に「同期モーター」と「誘導モーター」という2種類がよく使われます。
以下の表は同期モーターと誘導モーターの比較です。近年のEVでは同期モーターが採用される例が多いですが、テスラが一部の車種で誘導モーターを採用していたこともあり、市場では両タイプが共存しています。
| 誘導モーター | 同期モーター | ||
|---|---|---|---|
| タイプ | 巻線界磁型 | 永久磁石型 | |
| 体積 | 〇 | ◎ | ◎ |
| 効率 | 〇 | ◎ | ◎ |
| 騒音 | 〇 | ◎ | ◎ |
| コスト | ◎ | 〇 | △ |
| 信頼性 | 〇 | ◎ | ◎ |
| メンテナンス | ◎ | 〇 | 〇 |
| その他 | 構造がシンプル モーターが大型化する | 効率が高く、永久磁石を使わない | ネオジムを利用するためコスト高 |
誘導モーター
誘導モーター(Induction Motor、IM)では、ステーター(固定子)に流れる電流によって内部に回転磁界が発生し、それによってローター(回転子)に誘導電流が流れることで回転します。誘導モーターは構造がシンプルで比較的安価であり、長い寿命を持っています。テスラの一部の車種でも誘導モーターを使っています。最近では、モーターが大きくなってしまうため、誘導モーターをEV設計の選択肢から外す動きがあります。
同期モーター
同期モーター(Synchronous motor, SM)も同様に、ステーター(固定子)とローター(回転子)という2つの部品が回転することで動力を発生させます。ステーターが作る回転磁界とローターが同じ速さで回るため、同期モーターと呼ばれています。
同期モーターには、巻線界磁型と永久磁石型の2つのタイプがあります。巻線界磁型の同期モーターは、効率が高く、永久磁石を使わないため、磁石の貴重な素材を節約することができます。一方、永久磁石型の同期モーターは、効率がよく出力も高い一方で、ネオジム(特殊な磁石)を利用するためコストも高くなります。
インバーター
インバーターは、電池の直流電流を使ってモーターを回転させるために、交流電流を作り出す装置です。
インバータの中身
インバータを解体すると、主にキャパシタ、基板、MOSFET（パワー半導体）で構成されます。韓国現代のEV、IONIQ5のインバータは非常にコンパクトです。数年前のプリウスのようなハイブリッド用のインバータは、小さめのスーツケースほどのサイズであったことを考えると、近年のインバータは非常にコンパクトになっていると感じます。
写真の構造をそれぞれ図に示します。電池に接続されたバスバーから、フィルムキャパシタを通ってSiC MOSFETで交流に変換、モーターへ電力を供給します。
なぜインバータが必要？
EVのモーターは、交流の波の周波数を調整してモーターの回転数を自由に変える必要があります。この調整を行うのがインバーターで、直流で電力を出力するバッテリーの電気を交流に変換、その周波数を調整する役割を担います。
インバーターが交流を作り出す仕組みは、スイッチのオンとオフの切り替えです。実際にインバーターのスイッチングを行うためには、特殊な素子である「IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)」や「MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）」というものが使われています。
SiCが採用され、効率が向上する
これまでは、スイッチングに用いられるIGBTにはシリコンという素材が使われていました。近年、より高性能で損失の少ない素材である「SiC(シリコンカーバイド)」という材料が使われ始めています。
SiCを用いたIGBTは、2017年にテスラのモデル3に搭載されることで大きく普及が進みました。以下の記事では、SiC製造の主なメーカーと、今後の展望を議論しています。
パワー半導体モジュール（SiC MOSFET）は、冷却用のフィンや筐体を含めてすべてインフィニオンが設計しているようです。インフィニオン テクノロジーズはドイツの半導体メーカーで、2021年時点でのSiCパワー半導体のシェアで22%を占め、世界２位のシェアを持つ企業です。
eAxle部品の使用環境は過酷
インバーターなどの走行に関わる電子部品は、車のボンネットの中に収められています。夏の暑い日や冬の寒い日、また、ちりやほこりや水しぶき、振動など、過酷な環境で使われています。そのため、長い期間使用されることで性能が劣化したり、故障の原因となりやすいと言えます。
減速機
EV化に伴って消えるとされる部品の代表的なものとしてトランスミッションが挙げられますが、EVにもトランスミッションの機能を一部残した「減速機」が必要になります。
トヨタの中国向けEVであるbZ3は、トランスアクスル（減速機を含む）、モータ、PCU（インバータ）を組み合わせたeAxleを採用しています。
自動車を加速させるために必要なトルクは大きく、大きなトルクのモーターを実現するためには、大きくて重い、車に搭載するのが難しいモーターになってしまうため、減速機を使うことで、モーターの回転を適切に減らし、車輪にトルクを伝えることができるようにします。
減速機にはいくつかの種類があります。一つは「同軸タイプ」と呼ばれるもので、遊星歯車という仕組みを使って小型化するタイプの減速機です。同軸タイプは小型化が容易で、EVの設計において、パッケージング（部品レイアウトの自由度）の制約を減らすことができます。
もう一つは「平行軸タイプ」と呼ばれるもので、こちらは比較的コストを抑えて減速機を作ることができます。
まとめ
電動アクスルは、駆動用のモーター、インバーター、減速機などの機能を一つのユニットに統合し、車の駆動を担っています。その設計は小型化しながらも最高出力を高めることを重要視しており、電気自動車の航続距離の向上に貢献しています。
今後も進化が続くと考えられ、この3要素だけでなく、より多くの部品が統合され「eAxle」と呼ばれるようになると言われています。EV用電池と並び、今後も注目が必要な部品です。
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