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電動パワートレーンの高効率化を包括的に支える 【不二越】カーハイドロリクス&軸受:油圧制御で培われた技術で新たなデバイスを創出 PR

  • 2021/06/15
  • Motor Fan illustrated編集部
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電動式3ポートオイルポンプ

ベアリングから油圧制御用コンポーネンツ、機械加工用の切削工具などの幅広い分野を、素材開発から手がける不二越。 パワートレーンを中心に電動化が進むなか、従来から持つ技術を堅実に磨きながら、独自のアプローチで効率向上に挑む。

TEXT:髙橋一平(Ippey TAKAHASHI) PHOTO:山上博也(Hiroya YAMAGAMI)/NACHI FIGURE:NACHI

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 社会全体のCO2削減目標が引き上げられるなか、自動車におけるエネルギー効率を取り巻く状況はよりいっそうシビアなものとなりつつある。もはや内燃エンジンは電動化の助けなしには成立が難しいところまできている。いっぽうで、直接的にはCO2を排出しないとされるEVが期待を集めているが、そのEVにしてもバッテリーが蓄えることのできるエネルギーの密度が低い(ガソリン比1/40程度)という問題がいまだ残る。

 決して安価とはいえないバッテリーをフロア下の全面に敷き詰め、ようやく内燃エンジン車なみの航続距離が確保できる現状において、これを少しでも改善すべく、現在のEV開発はエネルギー効率の向上に力が注がれている。熱効率が50%に届かない内燃エンジンに対し、EVに用いられる電気モーターのエネルギー効率は90%を優に超えるとあって、改善の余地はほとんど残されていないようにも見えるが、その先には減速機構やデファレンシャルギヤからなるトランスミッションが繋がっている。内燃エンジン用と比べればシンプルではあるが、ギヤなどといった個々の構成要素は共通であり、損失の発生メカニズムも同じだ。

 上にイラストで紹介しているのは、ギヤボックスの潤滑に用いられるメカニカルオイルポンプ(MOP)を電動化、さらにモーター冷却用(ローターを支持するベアリングへのオイル供給にも用いられる場合もある)の電動オイルポンプ(EOP)と統合するという提案だ。車両駆動用モーターの出力軸と連れ回るかたちをとるメカニカルオイルポンプの機械的な損失を排除し、運転状態に応じたオンデマンド運転を行なうことで、エネルギー損失を必要最小限に抑制する。

 注目すべきはひとつのローターに3つのポンプ要素を持たせるという構造。ベーンの動きを司る外周部のカムリングには3箇所に“山”(実際のには凹みであり谷だが)が刻まれている。ひとつのカムリングにふたつの“山”が設けられる例は他でも見られるが、3つというのは不二越でも初めてとのこと。不二越では産業機械用として古くから手掛けるベーンポンプで培われたノウハウが生きており、ポート開口部付近などで急激な圧力変化が起きないよう、流路の形状に工夫を凝らすことで、ポンプの効率に悪影響を及ぼすキャビテーションを最小限に抑制。当然ながらモーターはひとつだから、ここでも高い効率が期待できるはずだ。

小型化と高効率化に貢献する電動式3ポートオイルポンプ:3系統の吐出口(ポート)を設けた機電一体の電動式オイルポンプ(EOP)。核となるのはひとつのローターに3つのポンプ要素をまとめるという独自構造。減速機構などのトランスミッションを含むEV用電動パワートレーンでの用途を前提としており、車両駆動用モーターに連結されるメカポンプ(MOP)を既存のEOPと統合することで、MOPの駆動にともなう機械損失を排除、同時にシステムの小型軽量化にも繋がる。

 
サイズは73mm×82mm×108mmとコンパクトながら、制御基板も内蔵する機電一体構造。カムリングに刻まれるそれぞれの“山”の形状は個別に作り分けることが可能で、モーター冷却用、減速機の軸受、そしてギヤの潤滑用途と、供給先に応じて吐出特性を決めることができるという。減速機構のみのシンプルなギヤボックスでは、オイルポンプを持たない例も見られるが、今後進むとされるモーターの高回転化では潤滑の必要が高まるうえ、オイルの攪拌抵抗を抑制する意味でもオイルポンプは必須となるだろう。近年EVでも増えつつある変速機構を備えたものであればなおさらである。

新たな原理で動作するアクチュエーター:一般的なソレノイド式アクチュエーターのように軸方向にストロークさせるのではなく、ロック状態を保持するという機能に絞り込んだもの。無通電でしっかりとロック状態を保ちながら、わずかな電力で解除することができる。カギとなるのは磁気の飽和現象を利用して磁力の流れを変える技術で、不二越が得意とする油圧制御用アクチュエーターの研究から生まれている。

 電動化は車両駆動だけでなく、これまでドライバーが行なっていた操作領域にも広がっている。そのひとつがPレンジで作動するパーキングロック。かつてはセレクターレバーに連結されたワイヤーやリンク機構などが用いられていたが、現在では電動化が進んでいる。

 パーキングロックはEV用のトランスミッションにも組み込まれるのだが、同機構は停車状態で用いられることから、ソレノイド式の直動アクチュエーター単体では成立が難しく(状態の維持に電力消費がともなうため)、複雑でスペースを必要とするものが多かった。こうした状況を大きく変えるのが、不二越の非通電ロック型アクチュエーターだ。

 内蔵するネオジム系磁石の吸引力により、電力消費をともなわずにロック状態を維持するというものなのだが、興味深いのはロック解除時。磁気飽和という現象を利用して磁路を切り替える技術により、磁石の吸引力をキャンセルするのだ。パーキングロック機構がシンプルにまとまれば、トランスミッションはより軽くコンパクトになる。当然ながらEVの効率向上にも生かせる可能性がある。

セラミックボールで絶縁、“電食”を防ぐ:高電圧が用いられる車両駆動用モーターでは、ローター側に発生する誘導電流によりケース側との間で電位差が大きくなり、ベアリングで“電食”と呼ばれる現象が引き起こされる。いくつかある対策のなかでも効果的なひとつが絶縁性に優れるセラミックボールを用いるベアリング。不二越が加工機用途で培ってきた技術を応用したものである。
CVTにも対応する高効率ベーンポンプ:効率低下に繋がるキャビテーションを徹底的に排除する設計により、低油圧から高油圧、低回転域から高回転域まで、あらゆる運転状態で高効率かつ安定した性能を発揮するトランスミッション用ベーンポンプ。EV用から高油圧が求められるCVT用まで幅広い用途に適用が可能で、マイナス30°Cという極低温でも供給することができる。
独自開発の素材により高い耐久性を確保:エアコン用の電動コンプレッサーに用いられるベアリングは、冷媒で希釈されたオイルで潤滑されている。不二越では軌道輪にMT鋼という独自素材を採用した深溝玉軸受を適用することで、一般的なものと比べ7倍もの耐久性を確保。スクロール部を支えるベアリングは保持器の設計の工夫により、偏心運動にともなう応力を低減させている。
円すいころ軸受を複列玉軸受に置き換える:左はデフギヤを支える円すいころ軸受と置き換えることで、希薄な潤滑に対応しながらトルク損失を大幅に低減するELT(Extra Low Torque)軸受。組み付け手順や管理など扱いかたは円すいころ軸受と基本的に共通で、予圧を掛けて使うためリングギヤの噛み合い点変位量も同等だ。より低トルクを追求する用途向けに複列4点接触玉軸受も用意される。

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