電動モーターの冷却:水か、それとも油か?

水はより効果的に冷却しますが、エンジン内部には届きません.一方オイルは熱が発生する場所へ染み込み、実際にさらに冷えたエンジンを実現します.
水はより効果的に冷却しますが、エンジン内部には届きません.一方オイルは熱が発生する場所へ染み込み、実際にさらに冷えたエンジンを実現します.

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電気自動車モーターの水/グリコール冷却とオイル冷却、どちらが優れているかという問いに一言で答えることはできない.水はより効率的な冷却媒体だが、電気伝導性があるためにモーターに直接触れることができない.一方、オイルは物理的には劣る流体でありながら、熱が発生する場所そのものに浸透できるため、実際にはより低温のモーターを実現する.そのため、現代のドライブユニットは次第にオイル側へ傾きつつも、水/グリコール回路を完全に放棄してはいない.本稿では、両戦略の動作原理、数値的な差異、設計上の判断を比較する.

注目ポイント

  • 直接オイル冷却は、ウォータージャケット方式に比べて、高負荷時のコイル温度を最低でも 14 °C、高回転時には 最大40 °C 低下させる.
  • オイル冷却モーターは、2022年上半期に電気自動車市場で 50%のシェア に達し、支配的な形式となった.
  • ハイブリッド冷却では、オイル噴射が総冷却容量の約 80% を担う.
  • 同等の大型商用車モーターにおいて、水冷版は 連続220 kW を出力するのに対し、オイル冷却版は 連続400 kW の出力を維持する.

水/グリコールはなぜ優れた冷却媒体でありながら、悪い隣人なのか?

熱輸送能力の点で、水に匹敵するものはほとんど存在しない.比熱容量も熱伝導率もオイルより明確に高い.つまり、同じ体積を流れる水は、オイルよりも多くの熱をより速く運び去る.エチレングリコールを混合液に加えることは、凝固点と腐食特性を調整するものであり、流体の基本的な熱的特性は変わらない.

問題は、水と電子機器の世界との間の根本的な非両立性にある.グリコール混合液は電気を導く.コイル、コネクター、パワーエレクトロニクスが表面に接触するあらゆる箇所で、短絡と電解腐食のリスクが生じる.そのため、水/グリコールは、ドライブユニット内では電気部品から金属の壁で隔てられた領域でしか使用できない.実用上、この境界となるのがステーターを外側から覆うウォータージャケットである.

ウォータージャケットはどのように機能し、その限界はどこから始まるのか?

ウォータージャケットは、古典的な内燃機関の水路と概念的に類似している.グリコール水混合液は、ステーターコアの外表面を囲む密閉された筐体空間を循環し、熱を外部のラジエーターへ運ぶ.こうして銅コイルが発生させた熱は、まずステーター積層板に沿って外表面へ伝わり、その後流体へ移る.このシステムは堅牢で、電気的に安全であり、コストも低い.

弱点はその幾何学にある.ローターはエアギャップによってステーターから隔てられているため、流体とは一切接触しない.ローターとその上の永久磁石は、実質的にエアギャップとシャフトを介して、すなわち伝導経由で非効率に冷却される.熱シミュレーションでは、ローターと磁石が水/グリコールシステムの最も重要な温度上の弱点として現れる.高負荷時にはモーター温度が200 °Cを超えることもあり、これは永久磁石の部分的な減磁、絶縁材の加速的な劣化、そして連続出力の低下につながる.

エンジニアはこの限界を時に創造的に押し広げています.Audiは、ウォータージャケットの隣にローターの中心を貫く水路を追加し、ローターを直接狙ったソリューションを実装していますが、この種の設計は例外的であり、原則は水が電気区域に入れないことです.

オイル噴射:熱の発生源での冷却

オイルの物理的利点は一つの言葉に集約できます:誘電性.絶縁特性を持つオイルは、コイル、ローター、磁石に直接接触でき、さらに潤滑の役割も担います.熱は伝達経路の末端ではなく、発生した地点で流体に移ります.このただ一つの違いが、熱抵抗の連鎖全体を短縮します.

数値的な違いは顕著です.TotalEnergiesとEnginSoftのシミュレーション比較では、直接オイル冷却構成は平均温度で 10 °C、コイル温度で少なくとも 14 °C の利点をもたらします - しかもオイル流量を低く抑えた比較条件においてです.高速の追い越しシナリオ、約10,000 rpmでは、差は 40 °Cに 達します.独立した学術研究も同じ方向を示しています:高速道路走行時、直接冷却モーターの温度はウォータージャケット式より約30 °C低く保たれ、これは最大トルクと出力に直接反映されます.

オイルはどのようにモーター内部に届けられるのか?

エンドターン冷却には、いくつかの成熟した手法があります:

  • マニホールド滴下冷却: 冷却液はコイルのエンドターンに精密かつ均一に滴下されます.ローターバスより少ないオイルで済みます.
  • 加圧噴射: ポンプで加圧されたオイルは、エンドターンに直接噴射され、垂直衝突による冷却を実現します.
  • 中空シャフトを通じたローター噴射: オイルはシャフトの一方から入り、回転構造によって分散します.ヘアピン巻線のPMSMで広く用いられるソリューションです.
  • 軸方向通路付きローター冷却: ローター内の軸方向通路が、エンドターンのホットスポット近くへオイルを運びます.

ローターからの遠心力が作業を容易にします:回転部品は、オイルをコイルとコアに分散させる補助ポンプのように機能します.ハイブリッドアーキテクチャにおいて、オイル噴射の総冷却容量への寄与は約80%であり、残りは主に水側の役割です.

モーター種類が熱負荷をどう変えるか:PMSMと誘導モーター

冷却戦略は、モーターの種類に応じて異なる問題定義から始まります.永久磁石同期モーター(PMSM)では、ローター磁界は誘導ではなくローターに埋め込まれた磁石によって供給され、ローター損失は非常に低く、これが熱管理を容易にします.その代償は磁石の温度感受性です:ローターはシステムで最も脆弱な熱領域であり、減磁リスクが設計の熱限界を決定します.

非同期モーターでは、ローターに電流が誘導されるため、ローター損失が構造的に大きく、効率はPMSMに及びません.一方で、モーターの磁石には減磁のリスクがなく、熱の限界はより緩やかに管理できます.一部のメーカーが前輪駆動軸には効率の高いPMSMを、後輪駆動軸には熱により高い耐性を持つ非同期モーターを選ぶのは、まさにこのエンジニアリング上の論理です.つまり、各モーターはそれぞれの熱的特性に応じて冷却されるのです.

この熱の違いは、冷却流体の選択においても決定的です.ローターと磁石に熱のリスクを抱えるすべてのモーターにおいて、ウォータージャケットが届かない領域に入り込めるオイルの価値が高まります.2022年前半にオイル冷却モーターが電気自動車市場で50%のシェアに達したことは、この傾向の具体的な結果です.市場シェアはさらに拡大し続けると予想されていますが、ウォータージャケットのみのモーターも重要な位置を保ち続けると見込まれています.

インバーターにおける冷却プレートの仕組み

Invertörü yağla değil su/glikollü bir soğutma plakasıyla soğutmak, elektriksel iletkenlik riskinden kaçınmanın neredeyse tek yolu.

駆動系の中で最も温度に敏感な部品はモーターではなく、インバーターです.内部のシリコンIGBTやSiC MOSFETスイッチは、電流の開閉のたびに熱を発生し、半導体の温度許容範囲は非常に狭いものです.そのため、インバーターモジュールはほぼ常に水/グリコールで満たされた冷却プレートによって冷却されます.

原理は伝導に基づいています.パワー半導体は冷却プレートに直接接続され(接触抵抗を下げるためにサーマルグリースが使用されます)、熱は伝導によってプレートに伝わり、プレート内のチャネルを流れる液体がこの熱を回収し、ポンプによって遠くの熱交換器へ運びます.液体は空気よりもはるかに速く熱を運ぶため、コンパクトなパワーエレクトロニクスにおいてほぼ唯一の選択肢となります.IGBTモジュールの冷却プレート設計は、インバーター性能の改善において依然として重要な課題です.

では、なぜインバーターは直接オイルで冷却されないのでしょうか? 答えはやはり伝導性の問題と回路の複雑さです.研究は進められており、モーターとインバーターを単一の冷却液で冷却することを目指すコンソーシアムプロジェクト(Dana、Diabatix、Lubrizol、Siemens、Flanders Makeが参加するSingleOilCnLなど)は有望とされていますが、近い将来に支配的な戦略になるとは期待されていません.現在の典型的なアーキテクチャはハイブリッド型です.絶縁油がローターとステーターを冷却し、熱交換器で熱を水/グリコール回路に受け渡し、グリコールがインバータープレートとラジエーターに供給します.

ピーク出力と連続出力の違いが冷却システムに依存する理由

カタログ記載のkW値はピーク出力、つまりモーターの短時間の最大出力です.連続出力とは、モーターが過熱せずに無期限に維持できる出力であり、この両者の差を決める唯一の要因は熱管理です.冷却システムは熱の緩衝材として機能します.冷却が優れているほど、ピーク出力は長く維持され、連続出力はより高いレベルで保たれます.

具体化しましょう.類似した外寸を持つ2つの大型商用車用モーターのデータは、この違いを明確に示しています.

特性複式水冷複式油冷
ピーク出力420 kW600 kW
連続出力220 kW400 kW
最大トルク620 Nm1200 Nm
連続トルク360 Nm600 Nm

水冷モーターでは上り坂の登坂時に巻線温度が1分以内に限界を超えるのが典型的で、システムはトルクを制限し(サーマルトルク制限)、必要に応じて車両は出力低下を強いられます.オイル冷却は不要な熱抵抗を排除するため連続性能を引き上げます.10キロメートルにわたる4%勾配の坂道では、オイル冷却モーターは約 20%高い連続出力 と 37.5%高い連続トルク を維持します.この差は都市間列車ではなくトラックや大型商用車を運転する人にとって、長い坂道と高い平均速度が現実となる状況において、購入決定を変えるほどの大きさです.

効率的な冷却には間接的なメリットもあります.同じ熱的予算でより小型で強力なモーターを設計でき、これは重量とコストの節約を意味します.

どのような状況でどちらを選ぶべきか?

表は2つのアプローチの長所と短所をまとめたものです:

評価基準水/グリコールジャケット直接オイル冷却
熱容量優れている(比熱と伝導率)より低いが、直接接触で補われる
電気的安全性導電性 - モーターに直接入れることはできない誘電性 - 巻線とローターに直接接触する
ローター/磁石の冷却弱い.ホットスポットのリスク効果的.噴射によって狙うことができる
連続出力より低く、熱的に制限される同等のサイズで明らかに高い
複雑さとコスト低い、成熟したソリューション高い精度、追加部品とコスト

選択は本来、競合ではなく最適化の問題です.油冷と水冷は互いの代替手段としてではなく、異なる稼働サイクルに対する異なる回答として考えるべきです.低・中負荷のプロファイルでは、コストとシンプルさが優先される場合、水冷ジャケットで多くの場合十分です.長い登坂路、高い平均速度、高回転を必要とする用途では、直接油冷の優位性が明確になります.さらに、油冷式の駆動ユニットでは通常、水/グリコール回路も依然として存在します.これは、油が受け取った熱を最終的に大気へ運び、インバータープレートにも供給する回路です.

また、統合のトレンドは油の立場を強めています.モーターとトランスミッションが1つのパッケージに統合されるにつれ、潤滑とモーター冷却を1つの流体で解決することが実用的な必須要件になりつつあります.流体の配合においては、熱管理が潤滑性能と並ぶ主要な設計基準として受け入れられています.

結論: 流体の比較ではなく、配置の比較

この比較を正しく読む方法は、勝者を探すことではなく、用語を正しく位置付けることです.水は紙の上ではより優れた冷却剤であり、油は実用面でより良い位置にあります.なぜなら、熱が発生する地点に入り込める唯一の流体だからです.平均10 °C、巻線では14 °Cを超え、高回転時には40 °Cに達する温度差は、物理的な優位ではなく、接触による優位の結果です.次世代の駆動ユニットでも水/グリコール回路はしばらく残りますが、熱源の近くにある油の役割は成長し続けるでしょう.モーターを選ぶ際は、カタログ上のピーク出力ではなく、連続出力とそれを可能にする冷却アーキテクチャに注目してください.真の性能はそこに隠されています.

参考文献