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EV用転がり軸受に求められる性能要求
高速化対応で新技術
究極のEVは4輪独立してインホイールモーターで駆動するシステムと言われているが、現在はモーターと減速機を組み合せて使用されている。エンジンの代わりにモーターを使うことになるので、モーターの高性能化に対応した転がり軸受が必要となる。
モーターの効率を考えると高速にした方がよいことは常識として知られている。現在は毎分1万5000回転程度であるが、将来的には毎分3万回転以上が要求されているので、高速に適したモーター用軸受の開発が行われている。
ほかの業界を見ると、工作機械主軸用軸受はもっと高い回転数で使用されているが、オイルエア潤滑という特殊な潤滑方法を用いている。EVモーター用途では、コストの観点から深溝玉軸受を用いて、グリース潤滑で高速回転を実現する必要があるので、新しい技術の開発が必要である。
高速化において共通した対策は保持器の改良である。保持器は冠型樹脂保持器が使われるので、保持器が高速回転になると遠心力が大きくなって、花弁が開くように柱部分が変形してしまう。
保持器の変形が大きくなるとトルクや軸受温度が上昇することが確認されているので、遠心力による保持器の変形を抑制する対策が取られている(図1)。コンピューターを用いて保持器が高速で回転した場合の変形を解析し、変形が大きい部位の応力を小さくするように設計や使用する材料を変更して、最適解を求めている。
さらに保持器開発に加えて、高速対応グリース、特殊熱処理鋼球、グリース漏れ抑制ゴムシールの採用、外輪耐クリープ性向上なども同時に行っていることやグリース潤滑だけでなく油潤滑でも適用できるようにしたことなども発表されている。
EV用、電食対策カギ
EV用モーターの駆動電圧は現在400ボルト程度であるが、走行距離向上、充電時間短縮、ケーブル発熱抑制、モーターの小型化などに対応するため、駆動電圧を2倍の800ボルトにする開発が進められている。駆動電圧が2倍になることで、EVモーター用転がり軸受には電食対策も必要とされている。
転がり軸受における電食は、鉄道車両用軸受で古くから知られた軸受損傷である。電食対策としては、転動体に絶縁体である窒化ケイ素のセラミック球を用いる方法や、軸受外輪外周面に絶縁皮膜を形成する方法が用いられている。
どちらの方法もEVで想定されている電圧よりも高い電圧(直流1500ボルト)で実績があるため、EV用に転用するに当たっての技術課題はないと思われる。
しかし、唯一の課題はコストである。最近は、セラミック玉軸受の需要増加を見越して窒化ケイ素の素球を増産する計画も発表されているが、素材費だけでなく加工費の低減も不可欠である。ただし、密度の低いセラミック球を使うことは高速化対策としても有効であり、高速化と耐電食の両方の課題克服の方法として、検討に値すると思われる。
最近はセラミック球よりも低コストな電食対策として、外輪外周面を絶縁膜で被覆した玉軸受(図2)の開発が行われている。外輪外周面を特殊コーティング材やセラミック、樹脂などで被覆(皮膜)して、ハウジングとの絶縁を図っている。また、ハウジングと軸の間にバイパス部品を挿入することによって、ハウジングと軸の電圧を小さくして電食を防止する技術の開発も行われている。
被覆軸受で低コスト化
ブラシなどを使った導電は“ブラシ付きモーター”としてモーター業界では古くから用いられてきた技術だが、ブラシの摩耗が課題であった。図3は接触式シールの材料を導電材料とすることで、ハウジングと軸の電位差を低くしている。
セラミック球以外の電食対策については、被覆軸受は軸受挿入時の傷、稼働中のクリープによる摩耗、バイパス方式では接触部の摩耗、異物堆積や油膜による絶縁などが課題として考えられる。EVへの採用に当たっては、コストと安全性を検討して、最適な選択を心がける必要がある。
【執筆】
東京理科大学
創域理工学部 機械航空宇宙工学科
教授 野口 昭治