表面永久磁石モーターと内部永久磁石モーター、どちらを選ぶべきか？

2026年6月30日

電気自動車は、ローター内に磁石が配置されているため、低速時でも高いトルクを維持することができます。現代の電気自動車や高性能な産業用駆動システムの基盤となる主要技術は、内部永久磁石モーター（IPM）です。

新エネルギー車（NEV）の時代において、IPM技術はモーター設計エンジニアやEV駆動システムの調達担当者からますます注目を集めています。以下では、IPMの動作原理と、表面実装型永久磁石モーター（SPM）との主な違いについて解説します。

IPMとSPMのどちらを採用するかは、電気自動車の設計において最も重要な決定事項の一つです。これは、磁石の位置の違いが、モーターのトルク出力、効率曲線、および高速走行時の信頼性を左右するからです。

永久磁石モーターの基礎：希土類磁石の役割

永久磁石モーター（PM）は、交流モーターの一種であり、ローターの内部または表面に埋め込まれた、あるいは取り付けられた磁石によって磁場を発生させます。電気自動車では、高いトルク密度と効率を特徴とする永久磁石同期モーター（PMSM）が広く採用されており、最も一般的な駆動モーターの一種となっています。

モーターには一般的に、業界で「超強力磁石」と呼ばれるネオジム磁石（Nd-Fe-B）が搭載されています。ネオジム磁石は、単位面積あたりの磁場強度が高く、磁場が集中しているため、小型であっても大きな磁力を発生させることができます。

高効率かつ高磁束密度という特性により、永久磁石を使用することで、従来のモデルと同等の性能を維持しつつ、モーターのサイズをわずか3分の1にまで小型化することができます。これにより、電気自動車の軽量化が可能となり、高い効率によって車両全体のエネルギー消費量を削減することができます。さらに、希土類磁石の磁気寿命は約400年に及ぶため、モーターは耐用年数全体を通じて安定した性能を維持して動作することが保証されます。

ネオジム磁石以外にも、サマリウム・コバルト（SmCo）磁石は、一部の高温用途で使用されます。磁力はネオジム磁石よりわずかに弱いが、耐熱性が高いため、動作温度が頻繁に150°Cを超える用途に適している。EV駆動モーターの動作環境では温度変動が生じるため、磁石の選定にあたっては、磁力と耐熱性能の両方を考慮する必要がある。

IPMおよびSPM：磁石の位置によって決定される

永久磁石モーターには、IPMとSPMの2種類があります。どちらも永久磁石によって磁束を発生させますが、磁石の配置が異なります。 IPMはローター内部に磁石を埋め込むのに対し、SPMは磁石をローターの表面に直接取り付ける。この構造上の違いにより、2種類のモーターの性能特性、制御方式、および適用分野が異なり、これは電気モーター設計において最も特徴的な分類の一つとなっている。

SPMのローター構造は、製造の観点から見ると比較的単純です。磁石はローターの外表面に直接埋め込まれており、一部の設計では保護のために炭素繊維やステンレス鋼製のスリーブが使用されています。これにより、高速回転時の遠心力による磁石の脱落を防ぐことができます。一方、IPMのローター製造プロセスはより複雑です。埋め込まれた磁石の配置や角度精度がモーターの性能に影響を与える可能性があるため、コア内部に磁石用スロットを機械加工する必要があり、これが製造コストが高くなる理由の一つとなっている。

2つの磁石設計の形状も異なります。 SPMでは主にリング型やアーチ型の磁石が使用されるのに対し、IPMでは機械加工されたスロットを備えた長方形や直方体の磁石が使用されます。さらに、IPMではSPMで使用される磁石材料のわずか66.7%で済むことを示す研究結果もあり、希土類価格の高騰が続く中、コスト面での優位性をもたらしています。

ハイブリッド車や電気自動車がもたらした変革

高速性能はIPMの最大の利点であり、自動車用途の分野において重要である。一方、SPMの出力-回転数特性は双曲線を描いており、狭い回転数範囲で出力が徐々に増加して一定の出力プラトーに達した後、それ以降は減少していく。かつてはSPMが永久磁石モーター市場を支配していましたが、近年その状況は変化しています。ハイブリッド車や電気自動車の台頭により、IPMへの需要が高まっています。IPMモーターは広い回転数範囲で一定の出力を維持できるため、駆動モーターや補助モーターなどの用途に適しています。

IPMモーターの利点は、自動車用途においてより顕著です。これは、磁気回路の磁化状態をより精密に制御できるため、より広い範囲で安定したトルク出力が得られるからです。したがって、電流を変化させることで電気モーターの動作性能を制御することが可能であり、これは現代の電気自動車の駆動システムにおいて不可欠な技術となっています。

世界的なEV普及率の上昇に伴い、今後10年間でIPMの市場需要は拡大すると予想される。主要自動車メーカーの次世代EVプラットフォームのほぼすべてが、主駆動モーターとしてIPMを採用しており、この傾向により、トラクションモーター分野におけるIPMの優位性はさらに強まると見込まれる。

SPMの構造的特性

磁石は、機械的強度が比較的低いロータの表面に取り付けられています。この構造により、モーターの最大安全運転回転数が制限されます。さらに、ロータ端で測定されるインダクタンス値は、ロータの位置に関係なく一定であるため、SPMによるトルクの発生は、主に磁気トルクという単一のメカニズムに依存することになります。

こうした性能上の制約があるにもかかわらず、SPMは製造が簡単でコストも低いため、家電製品や低速の水ポンプなど、高い機械的強度が求められない用途で広く利用されてきた。

IPMの構造上の利点

ローター内部に磁石を埋め込んだIPMの構造は、機械的性能の向上につながり、そのため高速用途に適しています。また、これらのIPMはLq/Ldインダクタンス比が比較的高いという特徴があり、これはローターの各軸に沿った磁気リラクタンスの差を測定する上で重要な指標となります。

IPMは、その構造上、磁気トルクとリラクタンストルクの両方のメカニズムによってトルクを発生させることができるため、電気自動車のさまざまなニーズに対応することが可能です。これにより、市街地での低速走行から高速道路での高速走行に至るまで、理想的なトルク出力を維持することができます。

IPMのデュアルトルクの利点を最大限に活用するために、通常は「1アンペアあたりの最大トルク（MTPA）」という制御戦略が採用されます。最適な効率で出力を行うためには、電流ベクトルを動的に調整し、磁気トルク源とリラクタンストルク源のバランスを保つ必要があります。そのため、より高精度なセンサーと演算能力を必要とするIPMの制御アルゴリズムは、SPMのそれよりも複雑である。

IPMおよびSPMの今後の方向性

IPMは、より少ない磁石材料で同等のトルク出力を実現できるため、牽引モーターなどの高速用途において好ましい選択肢となっています。 IPMでは、磁気トルクに加え、リラクタンストルクも利用され、高いトルク出力を生み出しています。また、高速モーターの運転中に生じるさまざまな負荷変動に対応するため、IPMにはベクトル制御技術も採用されています。

効率曲線を比較すると、SPMは磁気回路の設計が単純であるため、低速かつ安定した回転数で高い効率を達成できるのに対し、IPMはより広い回転数範囲にわたって高い効率を維持することができます。したがって、高速域ではIPMの効率が高くなります。IPMでは、磁気回路の磁化状態を調整することで、広い回転数範囲にわたって高い効率を維持することができます。磁石はローター内部に封入されており、遠心力によって脱落することはありません。そのため、ローター構造全体の高い耐久性により、機械的な信頼性が向上しています。IPMは、同じ出力において従来の設計と比較して約30%のエネルギー消費を削減することができ、航続距離とエネルギー効率を重視するEV業界にとって魅力的な利点となっています。

高速運転時にIPMの磁界弱化技術を利用することで、基本回転数を超えた後のローターの有効磁界を弱めることができ、これによりモーターは幅広い回転数範囲にわたって一定の出力を維持することが可能になります。その結果、低速での登坂時でも高速での巡航時でも、電気自動車の高い効率を維持することが可能となり、これがIPMが新エネルギー車分野で広く採用されている理由です。

どうやって選べばいいですか？

広い速度範囲を必要としないアプリケーションや、予算を最優先とする場合は、構造がシンプルでコストも低いSPMを選択すべきです。

幅広い回転数範囲にわたって高効率が求められる場合、特にEVの駆動モーターや新エネルギー関連用途など、高速運転や高いトルクが要求される用途においては、IPMはその高速性能、高いトルク密度、および優れた機械的信頼性から、採用を検討すべきである。

IPMでは、コアをカプセル化した構造により、ある程度の放熱が確保されており、これにより磁石の温度を低く抑え、高温による磁気性能の低下を防ぐことができます。対照的に、SPMでは磁石が直接露出しているため、放熱性が劣ります。これが、高出力密度の用途においてIPMが好まれる理由でもあります。

結論として、家電製品や低速ウォーターポンプなど、回転数範囲やトルクの安定性に対する要求が低い用途においては、コスト面での優位性からSPMが好まれる。一方、広い回転数範囲で動作するトラクションモーターや産業用駆動システムの場合、IPMの導入初期コストは高いものの、長期的な効率の向上や磁石材料の使用量削減によって、そのコストを回収することが可能です。

決定を下す前に、目標速度や予算の制限など、運用上の要件について磁性材料のサプライヤーと話し合うことをお勧めします。そうすることで、将来的に仕様の不一致による再設計を招くことなく、最適な選択肢を選定することができます。

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