実はこれはモーター同士の戦い：ポルシェとテスラのパフォーマンスバトル

1. ポルシェが永久磁石同期モーターを選択した理由は何ですか?

テスラ モデル S がどれほど速いかについては詳しく説明する必要はありません。非常に高速なので、今日では高級純電気ブランドといえば、このブランドを思い浮かべるほどです。新興自動車会社が意欲的である以上、当然ながら従来の自動車会社も黙って見ているは​​ずがない。ポルシェは競争のためにタイカンを発売する準備をしているが、その前にその実力を試すためにミッションEクロスツーリスモというコンセプトカーを作った。でも、ご存知ですか？テスラは、コア部品である駆動モーターの技術で少し「遅れている」ようだ。駆動モーターに関する話はまだまだたくさんあります。今日は友達とモーターについて話します。

テスラ モデル S P100D は 0 ～ 100 km/h の加速時間が 2.7 秒で、燃料車としては非常に速いです。内燃機関が主流だった時代に絶大な人気を誇った、伝統的な自動車会社の中でも老舗の強豪であるポルシェは、電動化の分野でも依然として強いことを証明するため、0-100km/h加速が3.5秒以内というミッションEクロスツーリスモも作りました。コンセプトカーですが、すでにかなりの迫力があります。しかし、両者は全く異なる技術的ルートを選択しました。本当の勝者は誰でしょうか？

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1. ポルシェとテスラは異なる駆動モーター技術ルートを採用しており、前者は永久磁石同期モーター、後者は誘導非同期モーターです。

2. 永久磁石同期モーターは、高効率、小型などの利点がありますが、比較的高価であり、温度変化の影響を大きく受けます。

3. 誘導非同期モータは低コストで比較的信頼性が高いという特徴がありますが、エネルギー消費量が多いことが最大の欠点です。

4. テスラはかつて、モーターのエネルギー消費量が多いため、車の所有者に「過剰排出」として約7万元の罰金を支払ったことがある。

● 双子の兄弟：見た目は似ているが、性格は全く違う

永久磁石同期モーターと AC 非同期モーターは双子の兄弟のようなものです。見た目は非常に似ていますが、気質は異なります。 2 つのモーターは、基本的な構造と外観がほぼ同じであり、ステーター、ローター、モーター ハウジングなどの共通の部品で構成されています。唯一の違いは、ローターの構造、材質、動作原理が異なることです。永久磁石同期モーターは交流モーターの一種です。ローターは永久磁場を備えた鋼鉄で作られています。モーターが作動すると、ステータが通電されて回転磁界が発生し、ローターが回転します。 「同期」とは、定常動作時に、ローターの回転速度が磁場の回転速度と同期していることを意味します。

誘導非同期モーターも AC モーターです。ローターはアルミニウムや銅などの導電性に優れた金属材料で作られており、ほとんどのローターはかご型構造を採用しています。動作中はステータに電流が流れ、誘導電流がローターと相互作用して電磁トルクを発生させ、ローターを回転させます。 「非同期」とは、動作中にローターの速度が回転磁界の速度よりも常に低いことを意味するため、非同期と呼ばれます。

もっと簡単に言えば、どちらのタイプのモーターも AC モーターです。永久磁石同期モーターのローターには独自の磁場がありますが、誘導非同期モーターのローターは単なる導体であり、磁場はありません。電源が投入されて誘導磁場が発生した後にのみ、ステータと相互作用できます。技術的なルートが異なるため、2 つのモーターにはそれぞれ独自の特性があります。次に、それぞれのメリットとデメリットについてお話しします。

◆なぜポルシェは永久磁石同期モーターを選択したのか？

前述のモデルと組み合わせて、これら 2 種類のモーターを個別に見てみましょう。 2018年の北京モーターショーでデビューしたミッションEクロスツーリスモには、2つの永久磁石同期モーターが搭載されています。 2つのモーターは前車軸と後車軸の間に配置され、同時に動力を出力して四輪駆動を実現します。このレイアウトにより、前後の重量配分をより均等にしながら四輪駆動を実現できます。

ミッションEクロスツーリスモの動力システムは、デュアルモーターが同時に作動すると、最大出力600Ps（440キロワット）、0-100km/hの加速時間は3.5秒未満、200km/hまでの加速時間は12秒となり、燃料スーパーカーを圧倒するのに十分な性能を発揮します。これは、ドイツ人が急速に変革し、純粋な電気分野に参入するという決断を反映したものでもあります。結局のところ、スーパーカーのプロフェッショナルにとって、勝つことはすべてをやる価値があるのです。

■ エネルギー変換率が高く、低速や複雑で変化する道路状況に適しています

永久磁石同期モーターの特徴の一つは、高いエネルギー変換率であり、90% 以上に達します。それに比べると、化学エネルギーを運動エネルギーに変換する効率がわずか 35% のガソリン エンジンや、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する効率が 85% ～ 90% の誘導非同期モーターは見劣りします。

第二に、速度調整範囲が比較的広いことです。 「速度調整範囲」という用語は少しわかりにくいかもしれません。簡単に言えば、低速から高速まで走行時の車両の電力要件に適応し、あらゆる動作条件下で比較的高いエネルギー変換効率を維持します。つまり、都市部の渋滞や高速交通状況のいずれにおいても、永久磁石同期モーターは比較的エネルギー効率が高く、車両に必要な動力性能を提供することができます。

最後に、同じ出力密度の誘導非同期モータと比較して、サイズが小さく、重量が軽いという特徴があります。たとえば、どちらの選手も 100kg を持ち上げることができますが、重量挙げ選手は相撲取り選手よりもずっと小さいです。これは、重量挙げ選手の方が「パワー密度」が高いためです。サイズが小さいため、車両の全体的なレイアウトにさらなる利点がもたらされます。車両の前部キャビンとトランクにさらに多くの収納スペースを設計でき、シャーシなどに動力バッテリー用の拡張スペースを設計できます。また、車両の軽量設計にも役立ちます。

■ 比較的高価、温度変化によって性能が左右される

さらに、永久磁石同期モーターには欠点がないわけではありません。誘導非同期モータと比較すると、理論的には単位電力コストが高くなります。つまり、同じ出力のモーター 2 つを比較すると、永久磁石同期モーターの方がコストが高くなります。もう一つの問題は、永久磁石材料で作られたローターは、温度が急激に変化すると減磁を起こし、モーターの性能が低下することです。この感覚は、人が暑い砂漠に到着して脱水症状を起こし、身体機能が低下するのと少し似ています。

2. AC 非同期モーターは本当に「後進的」なのでしょうか?

◆ 先進的なテスラは「後進」AC非同期モーターを採用した？

テスラ モデル S P100D を見てみましょう。ルディクラスモードをオンにすると、0～100km/hの加速時間はわずか2.7秒、最高速度も250km/hになります。このような優れた性能は、一見「逆」誘導非同期モーターによるものです。このタイプのモーターが「後進的」であると考えられるのはなぜですか?これは、高齢者向けのいわゆるモビリティスクーターや公園の電気自動車など、一部の低価格の純電気自動車では、主に誘導非同期モーターを使用しているためです。そのため、このタイプのモーターには「安っぽい」「時代遅れ」といったレッテルが貼られています。しかし、テスラが成功するまでは、私を含め、ほとんどの人は誘導非同期モーターがこれほど強力な性能を発揮できることを知りませんでした。

■ 比較的低コスト、温度による性能の影響を受けない

これらのデータを見ると、この車を説明するのに「ひどい」という言葉が本当に使えます。では、その強力な「心臓」には他にどのような利点があるのでしょうか?まず、永久磁石同期モーターと比較して、誘導非同期モーターのコストは比較的低く、主な理由は、ローターの製造に高価な永久磁石材料を使用する必要がないためです。第二に、ローターの磁場は電源投入後に形成される電磁場であるため、ローターの磁場が減磁されることがなく、適応できる動作環境温度が永久磁石同期モーターよりも広いです。

■ 比較的高いエネルギー消費量、低速性能は永久磁石同期モータほど良くない

誘導非同期モーターの構造上、モーターのパワーを上げたい場合は、モーター内部の導体の体積を増やす必要があります。そのため、永久磁石同期モーターと同じ出力の誘導非同期モーターは、相対的に大きく重くなります。副作用としては、車内のスペースの占有が増え、車両の重量が増加し、車両自体のエネルギー損失が増加するという点があります。しかし、モデルS P100Dは、この欠点を超大型の100kWhバッテリーで補っています。しかし、モーターは重く、大容量のバッテリーは軽量化できないため、自重によりエネルギー変換効率が低下してしまいます。

第二に、速度調整範囲が狭く、高速条件下でのエネルギー変換効率が比較的高い。その結果、モデル S P100D は、低速走行時に、同じ出力の永久磁石同期モーターよりも多くのエネルギーを消費することになります。高速走行時には、この条件下では誘導非同期モーターのエネルギー変換効率は高くなりますが、風の抵抗によってエネルギー消費量が多くなり、車両の電力消費が早くなります。要約すると、モデル S P100D のエネルギー消費量は、あらゆる動作条件下で同じ出力の永久磁石同期モーターのエネルギー消費量よりも高くなります。簡単に言えば、常に電力を消費します。

●永久磁石同期と誘導非同期のどちらが主流になるのでしょうか？

非常に代表的な 2 台の車を通じて、2 つの異なる技術的ルートを備えたモーターについても予備的な理解が得られます。では、その中でどれが今後の開発トレンドになるのでしょうか？結論を出す前に、まずこれら 2 つのモーターの特性をまとめてみましょう。

2 つのモーターの長所と短所から判断すると、永久磁石同期モーターは、低速と高速の両方の条件下で高い電力密度と比較的高いエネルギー変換効率を備えています。そのため、高速条件で効率が高い誘導非同期モータと比較して、低速条件が多く、発進と停止が頻繁に行われる市街地道路に適しています。これは、現在生産されている純粋な電気自動車で永久磁石同期モーターが主流となっている理由も説明しています。

もう一つの理由は、ほとんどの純粋な電気自動車が極めて高い性能を追求していないことです。永久磁石同期モーターの単位電力コストは高いものの、各社が使用するモーター出力は自動車の製造コストに大きな影響を与えるほど高くはありません。したがって、高性能車を除いて、自動車会社は誘導非同期モーターの技術的ルートの使用を検討しません。

テスラは、誘導非同期モーターには低速状態では比較的高いエネルギー消費という欠点があることも知っていますが、なぜこのタイプのモーターの使用にこだわるのでしょうか?それは単にコストが低いからでしょうか?完全にはそうではありません。テスラがこの技術的なルートを選択した理由は他にもある。その中で最も重要な理由は、永久磁石ローターの製造に使用される材料であるネオジム鉄ホウ素が米国では希少な資源であることだ。ネオジム鉄ホウ素永久磁石材料は希土類資源です。希土類資源が不足している国や希土類産業が未発達な国にとって、自動車用動力モーターの技術的解決策は国家安全保障に関係するため、アメリカのおじさんたちは依然として誘導非同期モーターの「技術的障壁」に固執しています。しかしそれに比べると、欧州人は米国人ほど希土類資源に対して「過度に神経質」ではなく、多くの欧州企業は永久磁石同期モーターの技術的道を選んでいる。

希土類資源について話している間に、もう一つあまり知られていない事実をお話ししましょう。私の国と日本は、他の国と比べて希土類資源に関して絶対的な先天的優位性を持っています。我が国は世界の希土類資源の70％を保有しており、NdFeB磁性材料の総生産量は世界全体の80％を占めています（ただし、高級NdFeBの生産量は限られています）。日本は希土類産業の主要国です。売上高世界トップ3のNdFeB企業である住友特殊金属、信越化学、TDKグループはすべて日本企業であり、その強さを物語っています。そのため、中国や日本のブランドの純電気自動車では永久磁石同期モーターを使用するのが一般的です。

しかし、テスラも永久磁石同期モーターへと技術路線を転換し始めたというニュースがあります。以前、海外メディアは、テスラのモーター設計者コンスタンティノス・ラスカリス氏にインタビューした際、テスラモデル3では誘導非同期モーターの使用を断念し、永久磁石同期モーターを採用すると明らかにしたと報じた。常識的に考えれば、これはテスラの「反省」であり、モーターのエネルギー変換効率を向上させ、エネルギー消費を減らし、走行距離を伸ばすために技術路線を変更したことになる。しかし、テスラが技術的な方向性を変えるきっかけとなるかもしれない別の理由もある。

● 古い噂：テスラは「過剰な排出」で罰金を科せられた

2016年に「ガーデンシティ」として知られる東南アジアの国がテスラに対して初めて「基準を超えた炭素排出量」の罰金を科したことを覚えていますか。この違反切符だけでも、テスラの所有者は約7万元相当の罰金を支払わなければならなかった。低炭素で環境に優しく、公害ゼロの純粋な電気自動車がシンガポールで「過剰排出」と非難されるのはなぜかと言うと奇妙だ。

当時の状況はこんな感じでした。処罰を受けたテスラ・モデルSがシンガポール政府の自動車炭素排出基準に基づいて検査されたところ、1キロメートルあたり444Wh（44.4kWh/100km）の電力を消費したと報告された。シンガポールの関連規制によれば、すべての電気自動車の電力消費基準は二酸化炭素量0.5g/Whとなっている。つまり、モデルSの二酸化炭素排出量は1キロメートルあたり222グラムだったのに対し、100キロメートルあたり7リットルの燃料を消費する一般的な燃料車の二酸化炭素排出量は189グラムなので、テスラは排出基準を超えたと判断されたというわけだ。しかし、この事件は世界中の純電気自動車の分野で大きな論争を引き起こしました。テスラのCEOマスク氏はこの件についてシンガポール政府に正義を求めたが、実際のデータが証拠となったため、処罰を受け入れるしかなかった。しかし、マスク氏がモデルSの所有者に罰金を支払わせたかどうかは不明だ。

テスラは、こうした痛い教訓を生かして、電子制御システムの制御ロジックを最適化し、エネルギー消費量を削減するなど、「省エネと排出削減」の道を歩み始めました。しかし、モデル3に関しては、モデルが小型化していることと、世界各国で低エネルギー消費に対する要求が高まっていることも原因である可能性があります。これにより、テスラ社内からは、モデル3が永久磁石同期モーターを採用するというニュースも流れた。

全文の要約:

実際、永久磁石同期モーターと誘導非同期モーターは、純粋な電気自動車の分野における 2 つの主要な技術方向です。どちらが優れているか、あるいは劣っているかについて単純にコメントすることはできません。それは、使用シナリオと車両の本来の設計意図によって異なります。同じ電力条件下では、永久磁石同期モーターはサイズが小さく、効率が高く、複雑な道路状況や頻繁な発進と停止を伴う作業環境に適しています。一方、誘導非同期モータはコストが比較的低く、周囲温度の変化の影響を受けにくく、高速道路での走行に適しています。 2つのモーターにはそれぞれ利点があると言えます。永久磁石材料技術の継続的な進歩により、永久磁石同期モーターは徐々に高速化を実現し、現在では 16,000 rpm 以上まで到達できます。さらに、一部の国では規制があるため、自動車メーカーは現地の政策要件を満たすためにエネルギー消費を削減する方法を見つけなければなりません。したがって、乗用車では、ファミリーカーであれ高性能車であれ、より新しく効率的な技術が登場するまで、永久磁石同期モーターを電力システムに適用することが大きなトレンドになると考えられます。

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。