永久磁石モーターがeVTOLの可能性を広げる

皆さんこんにちは！

エアタクシー（eVTOL)の推進装置は、電気式モーターやハイブリッド式、そして新しく開発中の水素推進装置です。

しかしこれらには燃料となるバッテリーや水素などその量に限りが有ります。今日紹介するのは永久磁石を使った無限のエネルギー。

磁気推進 – eVTOLの効率と信頼性を劇的に変える
マグノマティクスの技術のポイント
まとめと解説

磁気推進 – eVTOLの効率と信頼性を劇的に変える

実用的な eVTOL 航空機の開発において、効率性と信頼性は依然として 2 つの最大の課題です。

マグノマティクスのCEO、ゲイリー・ロジャーズ氏は、スケーラブルな電気モーターシステム

がこれらの課題にどのように対処し、メーカーに汎用性とコスト効率を提供するのかを説明します。

マグノマティクスのCEO、ゲイリー・ロジャーズ氏

推進力への新しいアプローチ

都市部の道路は交通量の増加に対応できないため、eVTOL航空機は、迅速、静か、クリーン、

環境に優しい輸送手段を提供しながら、渋滞に対抗する効果的な手段となることが期待されます。

この約束を実現するために、これらの航空機の開発には綿密な計画と綿密な調査が必要です。

このプロセスでは、eVTOLの設計が安全で信頼性が高く、エネルギー効率が高く、規制に準拠

し、潜在的な購入者のニーズを満たすことを確認するために、無数のプロトタイプが作成・分析されます。

推進力に関しては、製造、運用、保守コストを削減する航空機を実現するために、エネルギー

効率の高い代替手段に重点を置くことが不可欠です。標準的なシステムと比較して、磁気ギア

モーターは大幅に小型、軽量、そしてエネルギー効率に優れています。

これらの特性は、飛行中の省エネ推進力を提供するだけでなく、メーカーが高効率なeVTOL機

を開発することも可能にします。さらに、拡張性に優れているため、ドローン配送、個人用

エアタクシー、緊急サービスといった小規模eVTOLプロジェクトを含む様々な用途に

活用でき、eVTOL開発において優れた汎用性を提供します。

商業的に実現可能な航空機の開発において、磁気モーターはメーカーに重要なメリットをもた

らします。磁気モーターは、設置の容易さ、標準的な電子機器との互換性、部品点数の削減に

より製造コストを削減します。また、安全性と信頼性を高める機能が組み込まれているため

メンテナンスコストも低減し、優れたエネルギー効率により運用コストも最小限に抑えられます。

この効率性、静かな動作、製造時に必要な原材料の少なさを合わせると、磁気ギアモーターは

従来のシステムよりも本質的に持続可能と言えます。

永久磁石モーターの問題点

永久磁石（PM）モータは、電動推進に必要な電力密度を生成するための従来の方法です。

しかし、eVTOL用途で使用する場合、10,000rpmを超えることもあるPMモータの

出力速度を、元の速度の1/7にまで低下させる必要があります。

機械式ギアボックスは減速の伝統的な手段ですが、単一故障が検出されない場合、ローターの

詰まりを引き起こし、推進力の重大な喪失につながる可能性があります。つまり、機械式ギア

ボックスは、安全性が極めて重要なeVTOLアプリケーション、特に旅客飛行や都市部での輸送

には全く適していません。結果として、旅客輸送型eVTOLと非旅客輸送型eVTOLの両方に

おいて、より安全で信頼性の高い推進システムが求められています。

機械式ギアのもう一つの懸念事項は、メンテナンスです。摩耗や故障が発生しやすいため、

定期的な物理検査が必須となり、摩耗した部品はより頻繁に交換する必要があります。その

結果、メンテナンスコストが上昇し、ダウンタイムも増加し、機械式ギアを採用したeVTOL

機は潜在的な購入者にとって魅力が薄れてしまいます。

機械式ギアの最後の問題は、騒音です。この騒音は乗客の快適性を損なうだけでなく、特に

航空機が離着陸時や都市部上空を比較的低高度で飛行している際に、騒音公害を引き起こ

す可能性があります。騒音レベルによっては、航空機が現行または将来の規制を満たせなく

なり、騒音認証や免許の取得が拒否される可能性があります。

eVTOL の騒音規制はまだ進化を続けており、欧州の認証規制機関であるEASA は、

eVTOL航空機が生成する騒音を評価するための最初の提案を作成しました。

EASAのeVTOL騒音評価提案書とは？

この提案書は、簡単に言うと、「空飛ぶタクシー（エアタクシー）など、新しいタイプの

航空機であるeVTOLがどれくらいの騒音を出すのかを測り、その騒音の限度をどう定めるか」についての、世界で初めての具体的なルール案です。

EASAは、2021年に欧州全体で都市航空交通（UAM）に関する調査を行った際、「騒音」

が人々の大きな懸念事項の一つとして挙げられたことを受け、この問題に取り組んでいます。

提案書の主なポイント

騒音測定の方法と基準を定める:
- eVTOLの騒音をどのように測定するか、具体的な手順と技術的な基準が示されています。
- 従来のヘリコプターとは異なるeVTOLの特性（例えば、特定の飛行段階で静かになることなど）に合わせて、測定方法が調整されています。例えば、静かな飛行段階では、よりマイクに近づけて測定することを許可することで、正確なデータを取得しようとしています。
既存のヘリコプターの基準を参考に:
- 現時点ではeVTOLに特化した騒音データが不足しているため、まずは国際民間航空機関（ICAO）が定めている大型ヘリコプターの最新の騒音基準を上限として適用することから始めています。これは、様々な種類のeVTOLに対する公平な評価と、技術の比較を可能にするためです。
ホバリング時の騒音評価も追加:
- eVTOLはヘリコプターのようにホバリング（空中停止）する能力があるため、特に離着陸場所（バーティポート）周辺での騒音評価を助けるために、ホバリング時の騒音レベルの評価方法も新たに開発されました。
将来的なデータ収集と基準の見直し:
- EASAは、今後の型式認証プロジェクトを通じて、様々なeVTOLの設計からより多くの騒音データを収集していく予定です。このデータに基づいて、将来的にはeVTOLに特化した、より洗練された騒音基準を策定していくことを目指しています。
環境保護への配慮:
- この提案の目的は、EU域内における騒音による人体への有害な影響を最小限に抑え、高いレベルの環境保護を達成することです。
- 現時点では、eVTOLは電気推進のため、運用中に二酸化炭素やその他の排出ガスを出さないため、排出ガスに関する仕様は含まれていません。

なぜこれが重要なのか？

eVTOLが都市部で広く利用されるようになるためには、騒音問題への対応が非常に重要です。

この提案書は、eVTOLが「静かで環境に優しい交通手段」としての可能性を最大限に引き出す

ための第一歩であり、業界が安全かつ責任ある形で新しい航空機を開発・運用するための明確な指針を提供しています。

eVTOL設計への革新的なアプローチ

PM モーターの問題を考慮すると、磁気モーターシステムは、機械式ギアの必要性をなくし、

eVTOL 航空機にさまざまな利点をもたらす実現可能な代替手段となります。

革新的な設計は、磁気ギアと永久磁石モーターを同心円状に組み合わせたものです。磁気ギア

をステーターの内側に取り付け、ギアの外側の磁性体をステーターの内孔に取り付けることで

ステーターの銅巻線が磁気ギアの内側のローターを駆動します。

この設計は、システムのトポロジーが推進システムのトルク能力を最大化するため、高トルク

と低速を必要とするeVTOLアプリケーションに最適です。従来のダイレクトドライブ電気機械

の限界を克服し、磁気ギアは単段機械ギアと同等の出力トルクの向上を実現します。

さらに、中央ギア要素を完全に統合することで、インナーローターの二重使用と、アウター

マグネットおよびポールピースローターアレイによるわずかな質量増加を組み合わせることで、軽量・コンパクトな設計を実現しています。

この設計は、安全性と信頼性も向上させています。磁気ギアが不要なため、同等の機械式ギア

に比べて故障リスクが低く、位相バンク故障後も全負荷トルクを維持できます。

さらに、相とバンクの熱的、電気的、機械的、磁気的な分離により、全二重冗長性が実現さ

れ、火災を回避し、感電の影響を軽減します。また、フォールトトレラントモーターはパッシ

ブリセット可能なトルクヒューズとして機能し、故障発生時にクラッチやせん断ピンが不要になります。

信頼性、エネルギー効率、軽量性に優れた電動モーターを開発するには、効果的な熱管理が

不可欠です。熱伝達経路は、モーターのエンジニアリングパラメータ、熱インターフェース、

構成材料によって大きく異なります。電動ファンではなく、eVTOL機に適した代替手段は、

全閉式強制換気システム（TEFV）です。eVTOLのローター負荷はローター速度の2乗に

ほぼ比例するため、より軽量でコンパクトな遠心ファンをモーターシャフトに取り付け、その

高速回転を利用できます。このアプローチにより、内部の気流に頼ることなく比較的高い熱伝

達が可能になり、外部流体冷却システムに関連する複雑さ、質量増加、信頼性などの懸念を軽減できます。

高度な巻線技術によっても、熱管理が強化されています。丸型導体の精密な配線とモジュラー

ステータ構造を組み合わせることで、高いパッキングファクタを実現し、巻線の熱伝導率を

高め、渦電流損失を最小限に抑えます。その結果、放熱要件も最小限に抑えられます。

さらに、磁気ギアリングにより最小市場性特性（MMF）要件が緩和されるため、銅使用量が

大幅に削減されます。これにより、損失の低減、高い熱伝導率、そして巻線断面積の縮小により、巻線温度も低下します。

幅広い用途に適した拡張性と汎用性に優れたソリューションを求める eVTOL メーカーにとっ

て、磁気ギアモーターは、商業的に実現可能な航空機の開発に不可欠な信頼性、コスト効率、エネルギー効率を提供します。

「マグノマティクス」は、磁気ギアという特殊な技術を使った電動モーターシステムを開発し

ている会社です。彼らのシステムが「スケーラブル（拡張可能）」というのは、簡単に言う

と、様々な大きさや用途に合わせて、モーターの性能やサイズを柔軟に変えられるということです。

マグノマティクスの技術のポイント

磁気ギアとは？

一般的なモーターには、歯車（ギア）を使って回転力を調整する「機械式ギアボックス」が

組み合わされていることが多いです。しかし、マグノマティクスはこれに代わって「磁気ギア」という技術を使っています。

磁気ギアの仕組み:
- 従来の歯車のように物理的に接触して力を伝えるのではなく、磁石の力（N極とS極が引き合ったり反発したりする力）を使って回転力を伝えます。
- これにより、部品同士が擦れ合うことがなく、摩擦がほとんど発生しません。

マグノマティクスのシステムが「スケーラブル」である理由とメリット

高効率で電力の無駄が少ない:
- 磁気ギアは物理的な接触がないため、摩擦によるエネルギーロスが非常に少ないです。これにより、モーターの効率が向上し、より少ない電力で大きな力を生み出すことができます。
- これは、バッテリーで動く電気自動車やeVTOLにとって、航続距離や稼働時間の延長に直結するため、非常に重要です。
高い信頼性とメンテナンスの容易さ:
- 接触部品がないため、摩耗がほとんど発生しません。これにより、故障のリスクが減り、長寿命でメンテナンスの頻度も少なくて済みます。
- 過負荷がかかった場合でも、機械式ギアのように破損するのではなく、磁気的に「滑る」ことでシステムを保護する機能（トルクヒューズ機能）があるため、安全性も高まります。
様々な用途への応用が可能（スケーラビリティ）：
- 磁気ギアは、その設計を比較的容易に変更できるため、小型の産業用モーターから、大型の船舶推進システム、風力発電機、さらには自動車のハイブリッドシステムまで、幅広い分野や出力レベルに合わせて調整・拡張することが可能です。
- 彼らは「トラクションモーター（駆動用モーター）」を、他のシステムに組み込みやすい「カートリッジ型」や、単体で使用する「スタンドアロン型」で提供しており、シンプルな製造方法で大量生産も可能だと述べています。
低騒音・低振動:
- 物理的な接触がないため、機械式ギアに比べて騒音や振動が大幅に少ないです。これは、静音性が求められる電気自動車や、特に都市部での運用が想定されるeVTOLにとって大きなメリットです。
コンパクトな設計:
- 高いトルク密度（同じ大きさでもより大きな力を出せる）を実現できるため、モーターシステム全体をよりコンパクトに設計できます。

まとめると、マグノマティクスは、摩擦がなく、非常に効率的で、壊れにくく、様々な用途に

柔軟に対応できる「磁気ギア」を核とした電動モーターシステムを開発しており、これに

よって多様な産業における電動化の進化を支えようとしています。

まとめと解説

マグノマティクス社が開発中の電気モーターシステムは、eVTOL（電動垂直離着陸機）以外

にも様々な分野での活用が期待されています。彼らの主要な技術である「磁気ギア」は、その特性から幅広いアプリケーションに適しています。

マグノマティクスの電気モーターのeVTOL以外の活用例

マグノマティクス社は、その磁気ギア技術を核としたシステムを、以下のような分野で展開または検討しています。

自動車（特にハイブリッド車）:
- 従来のギアボックスに代わる、効率的でコンパクトな「磁気式無段変速機（eCVT）」を開発しています。これにより、燃費向上、振動低減、設計の簡素化、コスト削減といったメリットが期待されます。
産業用モーター:
- 高効率で信頼性の高い産業用モーターとして、様々な機械や設備への応用が可能です。
船舶推進システム:
- 海洋推進システム向けに、高効率で信頼性が高く、メンテナンスが少ない磁気ギア式スラスタを提供しています。キロワットからメガワット規模の電力出力に対応可能です。
風力発電機:
- 風力タービンにおいて、機械式ギアボックスの代わりに磁気ギアを統合することで、ダウンタイムの削減、稼働寿命の延長、電力密度の向上が図れます。潤滑油が不要なため、環境負荷も低減されます。
防衛車両:
- 耐久性や信頼性が求められる防衛車両への応用も検討されています。

これらの例から、マグノマティクスの技術は、高トルク、低速駆動、高効率、高信頼性、

低騒音・低振動といった特性が求められるあらゆる分野で活用できる可能性を秘めていることがわかります。

電磁モーターの可能性

電磁モーター（電気モーター全般）は、現代社会において必要不可欠な存在であり、その可能

性は今後も広がり続けます。マグノマティクスの技術のような磁気ギアの進化も含め、一般的

な電磁モーターの持つ可能性とメリットは以下の通りです。

高効率と環境負荷の低減:
- 電気エネルギーを運動エネルギーに変換する効率が非常に高く、90%を超えるものもあります。これは内燃機関と比較して圧倒的に優れています。
- 排気ガスを出さないため、地球温暖化対策や大気汚染改善に大きく貢献します。再生可能エネルギー源との組み合わせで、真に持続可能なシステムを構築できます。
精密な制御と高い応答性:
- 速度、トルク、位置を非常に精密に制御できるため、ロボット、自動化システム、医療機器など、高度な制御が必要なアプリケーションで不可欠です。
- 入力信号の変化に素早く応答できるため、車両の加速性能など、瞬時の出力が求められる場面で優位性があります。
多様なサイズと形状:
- 小型の家電製品から、大型の産業機械、列車、船舶まで、用途に応じて様々なサイズや形状に設計可能です。
低騒音・低振動:
- 内燃機関に比べて運転中の騒音や振動が少ないため、居住空間や都市環境における快適性を向上させます。
メンテナンスの容易さ:
- 可動部品が少なく、オイル交換やスパークプラグの交換といった定期的なメンテナンスが不要なため、運用コストを削減し、稼働時間を延ばすことができます。
エネルギー回生機能:
- 電気自動車や鉄道などで、減速時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリーに戻す「回生ブレーキ」機能を持つものもあり、エネルギー効率をさらに高めます。
新たな材料と設計の進化:
- 高性能な磁性材料や冷却技術、パワーエレクトロニクスの発展により、より小型で高出力なモーターの開発が進んでいます。軸方向磁束モーター（Axial Flux Motor）など、新しい設計も登場しており、さらなる高効率化や省スペース化が期待されます。