EVドライブトレインのベアリングの電食の防止

Jun 01, 2023

軸受メーカーの NSK は現在、電気自動車 (EV) のドライブトレインにおける電食を防止する、費用対効果の高い新しい方法を開発中です。 深溝玉軸受用の特許取得済みのプラスチックオーバーモールディングを製造する独自の方法に基づいて、EVメーカーは、セラミック製の絶縁コンポーネントを備えた高価な「ハイブリッド」軸受と比較して、大幅なコストを削減できると報告されています。

寄生電流は、複数の相間で頻繁に切り替わるインバータの存在などの状況により、EV モータを通るさまざまな経路を通る可能性があります。 特定のタイプの電気モーター構造も、ローターの接地ベアリング電流、循環ベアリング電流、EDM (放電加工) 電流など、さまざまなベアリング電流の流れを引き起こす可能性があります。

特に EDM 電流は、主に特定の電圧で発生するアーク放電により、ベアリングに深刻なリスクをもたらします。 このアーク放電（負荷の充電）は、かなり高いアンペア値での制御されない放電を引き起こし、本質的に鋼製ベアリングのリングとボールの形態を変化させます。 ここでは、材料が金属表面で溶けて再凝固し、内輪と外輪の両方の軸受軌道に数ミクロンの深さの波紋が現れ始めます。 多くの場合、過度のノイズはこの問題の最初の兆候です。 開発が進められ静粛性が高まっているEVにとって、騒音は非常に望ましくないものです。

NSK は、この長年の問題に対する解決策の開発に着手するときが来たと判断しました。まず、負荷、回転速度、温度、潤滑剤の粘度などの動作条件、電食を促進する条件を評価することから始めます。 結果として生じる潤滑の状態 (流体力学的、混合、境界)。 抵抗 (材料と容量) などの電気的特性。

電気的侵食を防ぐために確立された方法には、基本的に絶縁または伝導のいずれかが含まれます。 電荷がそれほど高くない場合は、導電性グリースまたは適切な寸法の接地要素を使用するだけで十分な場合があります。 ただし、ギアボックスの前のドライブエンドベアリングなど、特定のベアリング位置では、セラミックまたはプラスチックのベアリングコンポーネントの形で絶縁する必要があります。 たとえば、NSK は外輪または内輪のコーティングとしてセラミックを使用したり、ローラー要素とボール全体をセラミックから製造したりできます。 これらの「ハイブリッド」ベアリングは電食に対する最適な対策を提供しますが、高価でもあります。

EV の高電圧アーキテクチャが現在主流の 400V システムから 800V に変わろうとしているため、よりコスト効率の高いソリューションの要求が差し迫っています。 後者は早ければ2030年にも市場の50％を占める可能性があり、これにより問題は単純に2倍となり、ベアリングに対するさらに優れた保護対策が必要となる。

そこでNSKは、耐熱性や耐薬品性が高く、温度下でも安定した電気的・機械的性能を発揮する高性能PPS（ポリフェニレンサルファイド）ポリマーを用いたプラスチックオーバーモールディングの使用を提案しています。 150℃まで）。 さらに、この材料は他の多くのポリマータイプとは異なり、吸水率が低いため、寸法安定性が保証されます。

NSKの包括的なテストにより、同社の標準ベアリングと比較したオーバーモールドベアリングの性能が明らかになりました。 たとえば、電圧 24V、周波数 15kHz では、標準ベアリングでは内輪と外輪に明らかな電食が見られました。 対照的に、新しい NSK オーバーモールド軸受にはこの現象の証拠はありませんでした。 さまざまな回転速度で同じ結果が得られました。

オーバーモールディングの製造は、EV 業界への供給を最適化するために、ヨーロッパの NSK 施設にある革新的な射出成形プロセスによって行われます。 特殊な金型機能により、分子とガラス繊維の均一な分布と配向が確保され、機械的性能が最適化されます。 特に、オーバーモールディングの精度により、研削の必要がなく、「構造化された」仕上げがそのまま残ります。 その結果、ハウジングとベアリングの外径との間には100%の接触がなく、空気が詰まった隙間が生じます。 空気は優れた絶縁体であり、コストはかかりません。 このイノベーションは、NSK ソリューションに市場での差別化をもたらします。 さらなる利点として、構造化仕上げにより、(使用例に応じて) 複数の接触点により優れたフィット感が得られる可能性があるため、ハウジング内のベアリングのクリープという確立された問題が克服されます。

内輪と外輪に適用される特許取得済みの絶縁層の厚さは通常 0.7 ～ 1.2 mm です。 追加の材料に対応するために、NSK はスペースニュートラルなソリューションを提供できます。 これは新しい軸受の設計を開始する場合に最も簡単ですが、NSK では既存の軸受の外径から材料を適宜機械加工することもできます。 ただし、このソリューションにはコストの要素があります。 代替案として、OEM はベアリングを収容するハウジングをオープンにすることを検討できます。これは、NSK がプロセスを変更する必要がないことを意味します。 この方法を採用することで、EV メーカーはハイブリッド ベアリングと比較して大幅なコスト削減を最大限に活用できるようになります。

ついに、EV業界は、電動ドライブトレインのベアリングの電食を無効にする、コスト効率の高いソリューションを手に入れました。 このオーバーモールディングは現在、NSK の 6008 に適用され、まもなく EV アプリケーションに適した 6206 深溝玉軸受シリーズ (シール型および非シール型) に適用されます。 NSK は、外径 55 ～ 95 mm (幅 30 mm まで) をカバーするモジュール式テスト金型も用意しており、この範囲の要件を持つ顧客に代わってテストを引き受けることを検討しています。