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Mar 09, 2023

電気自動車モーターの組み立て

Transizione dai motori a combustione interna alle batterie e ai motori elettrici

内燃エンジンからバッテリーと電気モーターへの移行は、自動車の観点から見ると画期的なものです。 しかし、メーカーやサプライヤーが正面から取り組んでいる課題であることは否定できません。

世界的な炭素排出量削減に向けた新たな規制に直面し、相手先ブランド供給メーカー (OEM) はディーゼルやガソリンからバッテリーに焦点を移すしかありませんでした。 現在、ほぼすべての OEM が電気自動車の計画について公表しています。 このパラダイムシフトは、従来のモーターメーカーと新技術を開発する少数の新興企業の両方の興味をそそりました。

電気自動車、トラック、トラクターのいずれであっても、車輪を回転させるにはトラクション モーターが不可欠です。 BMW、フォード、ゼネラルモーターズ、フォルクスワーゲンなどの多くの自動車メーカーがモーターを社内で組み立てる計画を立てているのはそのためだ。

例えば、フォードは53年前の自動車の改修に1億5000万ドルを費やしている。ヴァンダイク送電工場ミシガン州スターリングハイツで電動モーターを量産する。 ゼネラルモーターズはまた、3 つの交換可能なモーターで構成されるモジュラー Ultium Drive パワートレイン ファミリに対して垂直統合アプローチを採用しています。

「複雑で資本集約的で、大量の知的財産を含む他の推進システムと同様に、常に自社で作ったほうが得策です」と、GM のグローバル電気推進担当エグゼクティブチーフエンジニア、アダム・クウィアトコウスキー氏は述べています。

「鋳物、ギア、アセンブリを含む Ultium Drive コンポーネントのほとんどは、共有の柔軟な組立ライン上の既存のグローバル推進施設で世界中から調達された部品を使用して構築されます」とクウィアトコウスキー氏は説明します。 「これにより、EVの生産をより迅速に増やし、規模の経済を達成し、市場の需要に合わせて生産構成を調整することが可能になります。」

「自動車工学における内燃エンジンの役割を引き継いだ電動モーターは、バッテリーやパワーエレクトロニクスとともに電気自動車の基本的な構成要素です」とボルボ・カーズの最高技術責任者ヘンリック・グリーン氏は付け加えます。スウェーデンのシェブデにあるパワートレイン工場で電気モーターを組み立てています。

「電気モーターの開発を社内に持ち込むことで、[当社の]エンジニアは電気ドライブライン全体をさらに最適化できるようになります」とグリーン氏は説明します。 「このアプローチにより、エネルギー効率と全体的なパフォーマンスの面でさらなる向上が可能になります。」

電子モーターの設計にはさまざまな種類がありますが、どのデバイスにもローター、ステーター、本体アセンブリ、バッテリー制御モジュールという 4 つの基本コンポーネントがあります。 また、内燃機関 (ICE) に比べて部品点数が全体的に少なくなります。 通常、電動モーターには約 20 個の可動部品しかありませんが、ICE には 200 以上の可動部品があります。

OEM やサプライヤーが EV の生産を増やすにつれ、モーター全体だけでなく、より小さな部品やサブアセンブリの組み立てにもロボットが使用されるようになります。 自動化の理想的な候補となる領域の 1 つはローターの組み立てであり、公差が厳しいため多くの課題が生じます。

ローターとステーターのアセンブリ アプリケーションでは、ロボットを使用してコイルや巻線を選択、巻き取り、成形します。 ロボットは、接続の作成、ローター シャフトのプレス、溶接と接着、さらに本体のボルト締めにも使用できます。

「15,000 rpm 以上の非常に高い回転速度でも磁石を確実に保持するには、磁石ハウジングへの接着剤の正確な自動注入が不可欠です」と ABB ロボティクスのグローバル パワートレイン グループ マネージャーのパトリック マシューズは述べています。 「テストと検査は電動モーターの生産全体を通じて継続的な活動でもあり、ロボットが常に品質を監視し、非常に厳しい公差内で正しい組み立てが行われています。」

ABB などのサプライヤーは、自動車業界の最近の電動化への移行により業績が上昇しています。 特に、電気モーターを組み立てるためのより自動化されたシステムを製造しています。 Matthews 氏によると、電気モーター市場の 2 つのテーマは、絶え間ない変化と継続的な製品改良です。

「電気自動車に関わるすべての人にとって、レース全体はより速く、より高品質の自動車を生産することにかかっています」とマシューズ氏は言います。 「そのためには、開発を実際にスケールアップする必要があり、それが課題であると同時に新たな可能性であると私たちは考えています。長年にわたり、OEM は少量生産が容易であることに気づいてきましたが、課題は必要なときにやって来ます。 1 か月で何千ものコンポーネントを構築する必要があります。」

ABB のエンジニアは、メーカーがこれらの大量生産レベルを達成できるように支援できるロボット組立セルを開発しています。

「私たちは、彼らが 500 ～ 1,000 ユニットの生産量を達成できるように支援し、その後さらにスケールアップしたいと考えています」と Matthews 氏は説明し、高レベルの品質を維持することが不可欠であると付け加えました。 「電気モーターはもはやニッチな製品ではありません。主流になりつつあり、正しく組み立てられる必要があります。」

ABB は、従来の車体工場およびパワートレイン用途における豊富な経験を活用して、EV モーター製造に対するより柔軟なアプローチを開発してきました。

「標準ラインでの当社の連続プロセスは、すべての部品が次々とステーションに搬入されることを意味します」とマシューズ氏は説明します。 「私たちは現在、そのプロセスを分解し、並行生産を検討しています。並行ステーションが増えると、部品が一緒にラインに送られ、特定のコンポーネントのすべての部品が一緒に[結合]されます。完全なアセンブリ、または主要部分は、次の駅に行く前に完了してください。」

Matthews 氏によると、電気モーター メーカーにとって、並列生産と直列生産には 4 つの重要な利点があります。 「最初の利点は、シリーズ生産を遅らせたり停止したりする可能性がある『ワンダウン、オールダウン』の概念を克服できることです」と彼は指摘します。 「並列プロセスでは、ライン全体を停止することなく、1 つまたは 2 つのセルを実行し続けることができます。

「2 番目の利点は、オンボーディングまたは [設備投資] です」と Matthews 氏は言います。 「支出量は縮小された量に基づいています。並列プロセスを使用するとセルを拡張できるため、最初に資本を投資する必要はありません。」

もう 1 つの利点は、生産をオンラインに保ちながら、より多くの製品をミックスに追加できることです。 さらに、マシューズ氏は、並行生産システムのほうが柔軟性が高いと主張しています。

「ある施設では細胞量が減少しているのに、別の施設では増加しているため、ある施設から細胞を取り出して別の施設に移した顧客もいます」とマシューズ氏は指摘する。 「彼らはセルを受け取り、工場に移動し、1週間で設置し、週末までに生産を再開しました。

「新しいアプローチには明らかな利点があります」とマシューズ氏は言う。 「これらの柔軟な方法を使用すると、効率が 5 ～ 10 パーセント向上することがわかります。プラントの構造 (ブラウンフィールドかグリーンフィールドか) によって大きく異なりますが、従来の連続生産に比べて拡張性と節約効果が確実に得られます。」プロセス。"

電気モーターの組立ラインには、ICE ラインとはかなり異なるプロセスがあるとマシューズ氏は指摘します。 たとえば、金属の切断や機械加工が大幅に削減されます。

「もはや機械センターの大きな集積はなくなり、穴あけ、タップ加工、フライス加工が減少しました」とマシューズ氏は説明します。 「組み立て、成形機、加熱と硬化用のオーブンが増えています。ワイヤーの巻き取りも増えています。」

多くの起業家や新興企業が革新的なEVモーター技術の開発に躍起になっている。 その 1 つである Saietta Group は、英国に本拠を置く企業で、幅広い電気自動車用途に適した新しいモーターに期待を寄せています。

アキシャル フラックス トラクション (AFT) モーターはモジュール式で軽量、手頃な価格です。 ユニークな設計は、デュアルローター、分布巻とヨークレスステーターを組み合わせた軸方向磁束永久磁石を備えています。 Saietta の最初の商用製品である AFT140 は、中型バイクやファイナルマイル配送車両で使用するために設計されています。 しかし同社は、AFTモーターの他のバージョンは他のタイプのEVでも使用できると主張している。

英国の先進推進センターからの助成金のおかげで、同社はさまざまな自動車メーカーやティア 1 サプライヤーと協議中です。 この助成金により、オックスフォードシャーのパイロット工場での生産量を年間 150,000 個まで増やすことが可能になります。 しかし、サイエッタの長期計画は、年間数百万個のモーターを量産することです。 この目標の達成を支援するために、同社は Brandauer および AEV Group と協力しています。

「Brandauer はスタンピングを専門としており、方向性鋼の切断と梱包のスケールアップに役立っています」と Saietta の CEO、Wicher Kist 氏は述べています。 「AEV は、電気コンポーネントのポッティングを専門としています。これらのコンポーネントは、熱を遮断するために導電性である必要がありますが、電気的な観点からは絶縁されている必要があります。」

キスト氏によると、モーターのコイルの独特な設計は、AFTの量産方法に影響を与えるだろうという。

「電気モーターの約 99% は鋼鉄構造をしており、銅を巻き付けるボビンとして使用されます」とキスト氏は説明します。 「しかし、私たちはアンテナのコイルに似た個別のコイルを作成しました。

「これをねじって、片側の電流が 1 つの磁石と一致し、もう一方の電流が一致して回路が形成されるようにします。」 キスト氏は指摘する。 「これを96回繰り返し、両側に6本のバスバーを挿入して円を作りました。

「その後、コイルを円形に置き、らせん状に配置します」とキスト氏は付け加えた。 「その時点での組み立ては、初期段階である手作業ではなく、量産に向けて自動化されるように設計されています。」

次に、個々の個別のコイルがコンベア ベルトを下って、電流の出入りを行うためにペアにされてから、ステーター リングに落とし込まれ、硬化機械に入れられて組立ラインに戻されます。

「私たちが協力した企業の 1 つが、インドでオートバイを製造しているロイヤル エンフィールドです」とキスト氏は説明します。 「しかし、同社はモーターを少し大きくして、2つを接着したいと考えています。また、モーターの製造を社内で続けることにも関心を示しています。」

Infinitum Electric のエンジニアによって別の新しいアプローチが開発され、プリント基板 (PCB) ステーターを使用する電気モーターが開発されました。 同社は、従来の電気モーターよりも 50% 軽量で、30% 静かで、10% 効率が高い、IEh シリーズと呼ばれる家庭用電化製品用のデバイスを開発しました。 また最近、ハイブリッド車の開発に携わる北米のサプライヤーにIEmシリーズモーターを提供することにも合意した。

「私たちはすべてのモーターの固定子から鉄と銅の巻線を引き出し、銅の導体を回路基板にエッチングします」と CEO 兼創設者の Ben Schuler 氏は述べています。 「鉄の除去により、[はるかに効率的]、小型、軽量、静かで耐久性の高いモーターが実現しました。

「自動車サプライヤーとの契約は、研究開発とステーターへの油冷技術の適用に関するものです」とシューラー氏は説明します。 「プロセス全体を通じて、他の製品で行っているように、空気の代わりにオイルを使用してモーターを冷却することで、ステーターの出力密度と性能を向上できることがわかりました。」

「当社はモーター全体を製造していますが、IEm シリーズは、[当社の] 汎用製品とは異なり、標準の製品ラインではありません。標準のモビリティ製品がないためです」と彼は説明します。 「当社はお客様のニーズに合わせて製品を設計していますが、既製のソリューションも多数あります。多くの車は異なるため、電力と電圧の要件も異なります。」

Schuler 氏は、彼の会社の長期的な目標は、大手自動車 OEM への電動モーターのサプライヤーになることであると述べています。 同氏は、今後 2 ～ 3 年以内に、Infinitum モーターを搭載した車両が道路を走行できるようになると確信しています。

「（私たちのユニークな特性は）市場のEV側で他の誰もやったことがないことです」とシューラー氏は主張します。 「それは、鉄を取り除き、すでに車に搭載されている回路基板を使用することです。これにより、より高い効率が得られ、コア損失を取り除くことができます。」

もう一つの利点は、原材料の節約です。 「当社の電気モーターは他のほとんどのものよりも小型で軽量です。電気自動車への全体的な動きは気候変動とより効率的なものを中心に構築されているため、これは重要です」とシューラー氏は言います。 「原材料の輸送は気候変動の大きな原因であり、私たちは削減したいものです。」

シューラー氏によると、EVモーター製造の最大の課題は開発時間が長いことだという。 「モーター（生産）よりも、OEM の開発サイクルが重要ですが、それでもモーターを作成して承認する必要があります」と彼は指摘します。

「当社には独自の設計ソフトウェア プラットフォームがあり、ユーザーの仕様を入力して Enter キーを押すと、設計ファイルを世界中の PCB ショップに送信できます」と Schuler 氏は説明します。 「一部の製品では数か月、数年かかるサンプル作成が、数日、数週間で完了します。」

Infinitum Electric の革新的な設計のもう 1 つの利点は、従来のモーター組立ラインに必要な従来の設備投資が必要ないことです。

「それらは多くの異なる製造段階を経ますが、私たちのものは単純な PCB であり、非常に簡単に数千枚を印刷できます」と Schuler 氏は主張します。 「これは大幅に合理化された生産プロセスです。

「私たちのプロセスはファブレスです」とシューラー氏は言います。 「一部の半導体メーカーの一部のモデルと同様に、私たちは既製のコンポーネントを注文しており、資本コストはハウジングの金型と鋳造品だけです。そして、顧客が私たちにハウジングの使用を希望した場合、私たちはそうしますよ。

「積層板をプレスしたり、巻線を巻いたり、その他すべてを行わなければならない従来の電気モーターメーカーとは対照的に、私たちはコンポーネントを集めてテストし、顧客に出荷しているだけです。」とシューラー氏は付け加えます。 「彼らのやり方ははるかに労働集約的です。」

インフィニタム・エレクトリックの生産台数は現在約5,000台だが、自社施設のスケールアップと委託製造パートナーシップの活用を組み合わせることで、2023年までに同社は「年間数十万台」に達するとシューラー氏は語る。

「電気モーターは毎年世界中で電力の 53% 以上を消費しています」とシューラー氏は主張します。 「あらゆるものの電化が進むにつれて、その数は増えるばかりです。しかし、これらのモーターがすべて私たちのものであれば、CO2排出量を毎年ほぼ1ギガトン削減し、最大1.2兆キロワット時を節約できるでしょう。」

「これらの数字が絵に描いた餅であることは承知していますが、より軽量でより効率的なモーターを使用することで違いが得られることを示しています」とシューラー氏は主張します。

Draper Laboratory Inc. は、従来の EV モーターよりも強力、効率的、軽量で製造コストが低いことを約束する新しい電気モーター ファミリの開発も行っています。 とりわけ、レアアース材料は必要ありません。

「電気自動車は電気モーターの性能の向上を必要としますが、従来のモーターの製造に必要な材料（鋼鉄、銅コイル、希土類磁石）の重量とコストによって制限されます」と、ドレイパー社の自動車事業開発マネージャーのサブリナ・マンスール氏は述べています。 「最近特許を取得した電気モーターへのアプローチは、これらの材料を薄くて軽く、広く入手可能な材料に置き換えます。

「ほぼすべての電気モーターは磁気を利用してトルクを生成します」とマンスール氏は説明します。 「技術者たちは何世紀にもわたって、電場からの力を利用してモーターを構築できることを知っていましたが、これらのいわゆる静電モーターは、電磁モーターと競争するには弱すぎると考えられていました。

「最先端の材料、斬新な設計、数十年にわたる製造専門知識を活用することで、以前の静電モーターが抱えていたトルクの壁を打ち破る強力な新しい電気モーターを開発しています」とマンスール氏は主張する。

「当社の電動モーターは薄い電極とエレクトレットを使用しているため、従来のモーターと比較して重量が 80 パーセント以上削減されています」とマンスール氏は指摘します。 「私たちのシミュレーションに基づくと、これは電気自動車の場合は最大 25 パーセント（ドローンの場合は最大 40 パーセント）の航続距離の延長に相当します。」

Bentley Motors Ltd.は、電気モーターの持続可能性に革命を起こすことを目的とした3年間の研究開発研究に着手しています。 これは、2026年までにハイブリッド車と電気自動車のみを生産するという高級自動車メーカーの取り組みの一環である。

RaRE (電気機械のための希土類リサイクル) プロジェクトの目標は、リサイクルされた希土類磁石を電気モーターに使用することです。 ベントレーのエンジニアは、バーミンガム大学で完了した研究を基にして、廃電子機器から磁石を抽出する方法を考案したいと考えている。

RaRE が提供する持続可能性の利点に加え、この方法で作成されたオーダーメイド モーターは、製造を通じて複雑さを最小限に抑えながら、量産部品と少量部品の両方で英国のサプライ チェーンの発展をサポートすることを約束します」と Matthias Rabe 博士は述べています。 . 、ベントレーモーターズのエンジニアリング取締役会のメンバー。

電動化への取り組みを加速し、2026年までにハイブリッド車または電気自動車のみを提供し、2030年までに完全電気自動車を提供する中で、材料や部品の持続可能な調達方法を含め、車両の持続可能性のあらゆる側面に焦点を当てることが重要です」とラーベ氏は説明する。

RaRE は電気のリサイクル可能性の大きな変化を約束し、さまざまな用途に低電圧モーターの供給源を提供し、その結果が完全に持続可能な電気ドライブの基盤を提供すると確信しています」と Rabe 氏は述べています。

この研究は、EVアーキテクチャをサポートする完全に統合された希土類磁石を含まないeアクスルを利用して、電動パワートレインのブレークスルーを実現することを目的とした[当社の]OCTOPUS研究プログラムと並行して実行されます」とラーベ氏は付け加えた。