水

出力密度の高い前世代の電気自動車 (EV) の熱管理には、冷却液が電気モーターのホット スポットと直接接触する直接冷却戦略が必要です。 永久磁石同期モーター (PMSM) では、固定子端の巻線と回転子の磁石が一定量の熱を発生しますが、従来のウォーター ジャケット冷却では適切に冷却することができません。 そこで、トランスミッションオイルを電動モーターの冷却液として使用する直接油冷技術が開発されました。 この新しい冷却アーキテクチャでは、通常、トランスミッション オイルが流れる中空のローター シャフトが実装されています。 また、ローターシャフトの両端にある穴により、遠心力によりトランスミッションオイルが巻線端に飛散します。 直接オイル冷却システムにより、熱伝達が大幅に向上します。

この変化は、トランスミッション オイルが水ベースの冷却剤より優れた冷却特性を持っているという事実によって動機付けられたものではありません。 逆に、水はその高い熱伝導率 (油と比較して 4 倍)、高い熱容量 (2 倍)、および低い粘度により、理想的な冷却流体となることがよくあります。 しかし、水の適用は 2 つの主な理由から実行不可能であると考えられていました。 まず、冷却液は電気コンポーネントと直接相互作用し、そこで高電流と高電圧が発生します。 したがって、非常に低い導電率を有することが必要であり、これは潤滑油によって有利に達成される。 第二に、流体は潤滑特性を持たなければならないため、ギアやベアリングと直接接触します。これにより、水と比較して潤滑油には別の利点が生じます。

これらすべての側面は、水の化学配合によって改善できます。 私たちの目標は、水の優れた冷却特性を維持しながら、優れた潤滑特性を備えた革新的な水ベースの潤滑剤を開発することでした。 当社の WBL は、電気駆動ユニット (EDU) の潤滑および冷却用に設計された単一の流体のすべての要件を満たすことができます。 WBL を使用すると、特に環境負荷に関して多くの特性において潤滑油を上回る性能を発揮することができ、潤滑油および自動車産業に革命への扉を開きます。

TotalEnergies は、電気モーターの冷却を研究するためのシミュレーション ワークフローを開発しました。 図 1 に示すさまざまなシミュレーション ツールを使用すると、電気モーターの熱モデリングに包括的にアプローチできます。

ワークフローを明確にするために、電動モーター効率マップに典型的な 1 つの動作条件が選択されました。6000 rpm、トルク 90 Nm。これは、時速 70 km で安定して走行する自動車を表します。 直接液体冷却アーキテクチャ内で、基準の油ベースの潤滑剤と TotalEnergies の水ベースの潤滑剤の 2 つの流体を比較しました。 直接水冷システムは、図2に示すように、中空シャフトとその前後に配置された4つのチャネルで構成されています。ロータの回転による遠心力により、4つのチャネルを介して端巻線に液体が飛散します。 流体入口温度は60℃、流量は5L/minです。

移動粒子シミュレーション (MPS) に基づくメッシュレス CFD ソフトウェアである Particleworks を使用しました。 MPS メソッドは、もともと、複雑な移動境界問題に柔軟なモデリングとシミュレーションを提供するために腰塚教授によって提案されました。1 メッシュレス機能のおかげで、電動モーターの巻線やローターなどの可動部品などの複雑な形状の管理に特に適しています。

図 3 と図 4 に示す結果は、TotalEnergies の水ベースの潤滑剤が電動モーターの冷却効果を向上させることを裏付けています。 電動モーターの各部品では、巻線の -16% からシャフトの -58% まで、大幅な温度低下が計算されています。 非常に低い粘度値であっても、油ベースの潤滑剤ではこれらの温度低下は達成できなかったでしょう。 水の優れた熱伝達能力により、TotalEnergies の WBL はこの優れた冷却性能を達成できます。 WBL による直接冷却により、より高い出力密度の電動モーターと最適化された冷却戦略への道が開かれました。

電子モーターの直接冷却に水ベースの潤滑剤の使用を妨げる主な要因の 1 つは、水の高い導電率による電流漏れの恐れです。 確かに、水と金属銅が直接接触すると致命的な結果を招く可能性があります。 ただし、冷却液と電動モーター内の金属銅が直接接触することはありません。 銅線は数層の絶縁材でコーティングされています。 一般に、ワイヤ エナメルの化学的性質には、ポリエステル (PE)、ポリエステル イミド (PEI)、ポリアミド イミド (PAI)、またはポリエーテル エーテル ケトン (PEEK) が含まれます。 含浸樹脂の層を追加することで、絶縁システムをさらに強化できます。 したがって、電気絶縁性は電線の絶縁材によって十分にサポートされていると考えられ、絶縁材との相溶性が良ければ水系冷却液も使用可能です。

部分放電 (PD) 試験は、巻線材料の絶縁特性をチェックする強力なツールです。 PD は、2 つの導体間の絶縁部分にわたる局所的な絶縁破壊現象です 2。これは、電界強度が絶縁材料の一部の絶縁破壊強度を超えるときに発生します。 PD は絶縁システムの故障につながる可能性があります。 PD を開始するために必要な電圧値が部分放電開始電圧 (PDIV) です。 PD は、開始されると、電圧が部分放電消滅電圧 (PDEV) を下回るまで継続します。

PDIV および PDEV 測定は、Damid 200 (混合 PEI/PAI コーティング) ツイストペアで実行されました。 ツイストペアは、一緒に撚り合わされた 2 本の絶縁銅線で構成されています。 図 5 に示すように、ツイストペアは、90°C のオーブンでさまざまなエージング時間にわたって当社の水ベースの潤滑剤に浸漬され、液体に浸されていないツイストペアの参照グループと比較されます。

次に、高電圧発生器を使用して、異なるエージング時間で PDIV と PDEV を測定します。 図６に実験結果を示す。

24 時間から 672 時間まで、全体の PDIV と PDEV は比較的安定した値を維持し、基準値に近い値を維持しています。これは、TotalEnergies の WBL が巻線と互換性があることを明確に示しています。 TotalEnergies の WBL で 672 時間のエージング プロセスを経た後でも、巻線は元の電気絶縁特性を維持しています。

水を含む流体は、例外的な摩擦挙動を示します。 これらは、いわゆる超潤滑性、つまり、相対運動する 2 つの表面間の摩擦が超低状態を達成することができます。 多くの研究では、EHL 条件で 0.001 程度の摩擦係数が測定されています 3。彼らは、せん断に容易に適応する水和層の形成により超潤滑性が達成され、その結果超低摩擦が得られると説明しています。4

摩擦測定は、PCS Instruments によって設計された Mini-Traction Machine (MTM) によって実装されたボールオンディスク技術を使用して実行されました。 図７にトライボメータの概略図を示す。 鋼球とディスクは潤滑剤に浸されています。 これらは、所定の転がり/滑り条件で別々のモーターによって駆動され、試験中に摩擦係数が測定されます。 EHL 領域を代表する実験設定が適用されました。最大ヘルツ圧力 1.2 GPa、同伴速度 1 m/s、試験温度 40°C、および完全な描画のためのさまざまなスライド対ロール比 (SRR) です。摩擦曲線。 当社の TotalEnergies 水ベースの潤滑剤と、基準の EV フルードである油ベースの潤滑剤の 2 つの流体を使用して実験しました。

図 8 の結果は、TotalEnergies の WBL によって達成された超潤滑現象を明確に示しています。 SRR を 5% (ほぼ純粋な回転) から 100% (純粋な滑り) に増加させると、摩擦係数は 0.0004 から 0.002 まで変化しますが、基準 EV 流体の大きさはほぼ 2 桁大きくなります。 WBL と油ベースの潤滑剤の摩擦挙動の間には定性的なギャップがあります。

水は圧粘性液体ではありません。 その圧力感度はオイルよりもはるかに顕著ではありません。5 オイルの粘度は圧力とともに劇的に増加し、50 MPa が増加するごとに約 2 倍になるため、高圧での接触動作では潤滑膜の厚さを厚くするのに役立ちます。 水は圧力と粘度の応答性が低いため、水ベースの潤滑剤の膜厚は油よりも約 50% 低くなり、より安全な完全膜潤滑からよりリスクの高い境界潤滑体制への移行が起こりやすくなります。

境界潤滑領域に関連するギアの故障モードの 1 つは、ギアのスカッフィングです。 高圧および高い摺動速度で動作する接触では、接触内の潤滑膜が崩壊するときにスカッフィングが発生し、その結果、広範囲の摩耗損傷が生じます。7 さまざまな研究では、耐スカッフィング性能は表面上の保護摩擦皮膜の成長によるものであると考えられています。 トライボフィルムは、潤滑剤の耐摩耗/極圧添加剤と摩擦応力下での接触凹凸の間の化学反応から生じます。 水ベースの潤滑では、境界潤滑の制約に耐えられるように添加剤を慎重に選択する必要があります。

標準 FZG テスト A20/8.3/90、A10/16.6/90、および S-A10/16.6R/90 は、ギヤ オイルのスカッフィング特性の評価に広く使用されています。 FZG スカッフィング試験では、一定速度で動作するサンプ潤滑ギアペアに適用される負荷を段階的に増加させます。 各負荷段階の後、歯面の表面損傷が検査され、外観の変化が記録されます。 ピニオン ギアのすべての歯に存在する損傷の幅の合計が 1 つの歯の幅以上であると推定される場合、破損負荷段階 (FLS) に達します。 テストは、故障基準が満たされた場合、または故障基準を満たさずにロード ステージ 12 が実行された場合に完了したとみなされます。

A10/16.6/90 バージョンは、ピッチ ライン速度が 8.3 m/s から 16.6 m/s に増加し、20 mm ではなく 10 mm 幅の狭いピニオンが使用されるため、A20/8.3/90 よりも厳しいです。接触圧。 衝撃試験 S-A10/16.6R/90 は、荷重を段階的に加えないため、FZG 試験の中で最も厳しい試験です。 なじみが無いため接触面が滑らかにならず、機械的制約が大きくなります。 標準手順の温度は、「WBL 研究」に適合させるために 60°C に下げられたことに注意してください。 特定の熱応力では、冷却能力が優れているため、水の温度は油よりも低くなります。

結果を図 9 に示します。一般に、ほとんどの EV 流体仕様では、FZG A20/8.3/90 で 12 より高い FLS が必要です。 TotalEnergies の水ベースの潤滑剤はその要件を満たしており、非常に優れた性能でより過酷なバージョンの FZG に耐えることができます。

マイクロピッチングは、ギアやローラー ベアリングでよく見られる表面疲労の一種です。 ISO 15243 では、この損傷を表面開始疲労として定義しています。8 上田ら。 は、転がり滑り接触における粗さの凹凸の相互作用による応力変動によって引き起こされると規定しています9。これは、光沢のある領域、凹凸のマイクロクラック、および凹凸のマイクロスポールの形成によって現れます。

PCS Instruments が設計した MPR (Micro Pitting Rig) は、マイクロピッチング性能を評価するために広く使用されています。 MPR は、直径 54 mm の 3 つのリングが直径 12 mm の中央ローラーに同時に接触する 3 接触ディスク トライボメータです。 図 10 に示すこの幾何学的配置により、テスト ローラーが短期間に多くの接触サイクルにさらされることが可能になり、マイクロピッチングが促進されます。 試験は 20 時間実施されます。 マイクロピッチング現象は、振動モニターに接続された加速度計によって検出されます。 振動信号のモニタリングを使用して、材料内にマイクロピッチングが発生したかどうかを判断できます。 圧延方向に沿った摩擦跡の光学顕微鏡写真により、発生した損傷が確かにマイクロピッチングであることが確認されます。

この研究で実施された試験手順は、FZG C/9/90 試験規格におけるギア潤滑剤の性能に関するマイクロピッチング性能を評価するために特別に開発されました。 WBL に適合させるために、テスト温度のみを 60°C に変更しました。 当社の TotalEnergies WBL と基準電気自動車 (EV) 流体の 2 つの流体を使用して実験しました。 結果を図11に示します。

マイクロピッチング性能は、マイクロピッチング時間が10時間未満の場合は不良、マイクロピッチング時間が10～15時間の場合は平均、15時間を超えた試験後にマイクロピッチングがない場合は良好であると記載されます。 TotalEnergies の水性潤滑剤は、マイクロピッチングに典型的な表面亀裂を発現させることなく、試験期間全体を遂行できることがわかります。 基準の EV 流体には当てはまらず、6.5 時間で破損し、表面開始疲労の典型である「V」字型のかなりの数の表面亀裂が摩擦トラック全体に見られます。 これは、マイクロピッチングプロセスが発生していることを示す明らかな兆候です。

今日の世界における気候変動への取り組みと環境への配慮の重要性を考慮すると、潤滑油業界が製品の評価に持続可能性の側面を含めることは不可欠です。 したがって、潤滑剤のライフサイクル全体にわたって環境への影響を軽減するには、エコ設計が不可欠です。 WBL の設計から期待される付加価値の 1 つは、環境への影響が低いことです。

この側面に関しては、Ecoinvent 3.8 データベースを使用して製品環境フットプリント (PEF) 多基準方法論に従ってライフ サイクル アセスメント (LCA) を実行し、TotalEnergies の WBL を石油ベースの従来の同等品と比較しました。

LCA を扱うときの問題は、特に多くのプロセスが関与する場合に、信頼できるデータが欠如していることです。 そのため、データがよく知られている TotalEnergies の工場での原材料の抽出、原材料の輸送、混合プロセス (システム境界計算) を考慮した「ゆりかごからゲートまで」の分析が実施されました。 焦点は、企業の活動と潤滑剤の適用分野に関連する次の 3 つの環境指標にありました。

図 12 に示した LCA の結果は、TotalEnergies の WBL の環境上の利点を示しています。 地球温暖化係数が 30% 削減され、水と資源の使用量が 60% 削減されます。 WBL を考慮することによる環境上の利点は、LCA のおかげでこれら 3 つの主要な環境指標で実証されています。

TotalEnergies の研究開発チームとパートナーによる集中的な研究のおかげで、TotalEnergies の WBL は EV 潤滑剤の状況を前進させることを約束しており、同社は今後も e-モビリティの将来の課題に向けて段階的な流体技術の策定に努めています。

TotalEnergies は、B. Eng Yu Cao 氏と M. Sc 氏に感謝の意を表したいと思います。 IEM RWTH アーヘン大学の Liguo Yang 氏は、断熱材の適合性テストに関する貴重な研究に感謝します。 eモビリティの研究開発にご尽力いただいた同僚のGoulven Bouvier氏、Maria Rappo氏、Julien Chaminand氏、Shimin Zhang氏、Eric Tinguy氏、Mathieu Desormeaux氏、Francis-Olivier Ramoni氏に感謝の意を表したいと思います。

なお、この記事は季刊誌第13号にも掲載される予定です。

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