チーム・オクタン・レーシングとEOS、AMで車のモーター冷却を最適化

COEP工科大学｜サクセスストーリー

複雑な内部形状に対する設計の自由度
高い構造強度を確保
熱吸収を高める一体型デザイン

チーム・オクタン・レーシングでは、卓越したエンジニアリングはレイヤーごとに焼結されると信じています。EOSの最先端の金属3Dプリンティングにより、私たちはハブモーター用の完璧なケーシングを作り上げ、インド初のハブモーター付きFSレーシングカーに命を吹き込みました。

ピユーシュ・ゴヤル｜チーム・オクタン・レーシング、キャプテン

チーム・オクタン・レーシングは、デュアルハブ・マウントの永久磁石同期モーター（PMSM）を搭載したインド初のフォーミュラ・ステューデント・レースカーの製作という野心的なプロジェクトに乗り出した。

従来の製造方法では、必要とされる複雑で統合されたデザインを製造できないことが判明した。このため、チームはEOS積層造形（AM）を検討することになった。

その結果、DMLSを使用して製造された、一体型コンフォーマル冷却チャンネルを備えた画期的な軽量モーター・ケーシングが完成した。

クライアントとプロジェクト

チーム・オクタン・レーシングは、インドのプネにあるCOEP工科大学の公式フォーミュラ・スチューデント・チームです。2010年に設立されたこのチームは、フォーミュラ・バーラットやフォーミュラ・ステューデント・ドイツといった国内外の権威ある大会に出場するF1スタイルのレーシングカーを設計・製作してきた豊かな歴史を持っています。内燃エンジンや電気自動車のレーシングカーを何台も製作した経験を持つ。

プロジェクトの目標は、ホイールハブに直接取り付けられたデュアル高出力密度永久磁石同期モーターを搭載したインド初のフォーミュラ・ステューデント・レースカーを開拓することだった。このプロジェクトの重要な部分は、効果的な冷却システムを組み込んだ、これらのモーター用の斬新なカスタム・ハウジングの設計と製造でした。

このような高出力密度モーターは、高温の周囲条件と相まって、熱管理上の大きな課題となりました。かなりの熱を発生するため（2.2kWもの放熱が必要）、ホイールハブの厳しいスペース制約の中で効果的な冷却ソリューションが必要でした。

挑戦

主な技術要件は、新しい高出力密度PMSMハブモーター用に、効果的な熱管理を備えた特注ケーシングを作ることだった。

モーターはかなりの熱を発生し、1台あたり最大2.2kWを放熱する必要がある。管理されていない熱はモータの効率と性能を大幅に低下させ、絶縁破壊、ベアリングの欠陥、巻線の損傷、磁石の減磁などの部品の故障につながる可能性があります。そのため、効果的な冷却は、最高の性能を維持し、モーターの寿命を確保するために最も重要でした。

いくつかの設計上の制約が、この作業を複雑にしていた。モーター・メーカーは、内径90mm、外径120mm、長さ105mmという厳しいケーシング・エンベロープを指定した。さらに、ホイール・アセンブリ内のスペースは極めて限られており、直径120mmのケーシングの外側に別の冷却ジャケットを追加することはできなかった。このため、モーター・ケーシングと効率的な冷却システム、特にコンフォーマル冷却ジャケットを単一の統合部品に統合する必要があった。設計は、構造的完全性と放熱能力の両方を最大化する必要があった。

機械加工や鋳造のような従来の製造技術では、必要とされる複雑な内部スパイラル冷却流路の設計自由度が不十分だった。ケーシングと冷却ジャケットをシームレスに一体化することは、これらの方法では不可能ではないにせよ、困難だった。従来のアプローチで望ましい性能目標を達成しようとすると、材料利用率が低く（推定25～30％）、著しく重く大きな部品になる可能性が高かった。

ソリューションEOSアディティブ・マニュファクチャリング

広範な設計の反復とフィージビリティ・スタディの後、EOS M 290を使用したDMLSが採用された。 EOS M 290を使用するDMLSが理想的な製造ソリューションであることが判明しました。DMLSは、複雑な内部形状に必要な設計の自由度を提供し、大幅な軽量化の可能性を提供し、高い構造強度を確保します。アルミニウム合金、特にEOS Aluminium AlF357は、熱伝導性、強度対重量比、耐食性、機械加工性が良好であることから選択されました。

チームは、内部に螺旋状のコンフォーマル冷却チャンネルを組み込んだ革新的な一体型円筒ケーシングを設計した。この統合設計により、冷却チャンネルと発熱モーター部品との接触面積が最大化され、熱吸収が向上しました。また、複数の部品で構成されるアセンブリにありがちな潜在的なリークポイントを本質的に排除した。AMは、複雑なホイール・アセンブリ内にシームレスに統合するために、流体の出入口と取り付け位置を正確に配置することを可能にした。最終的な設計は、非常にコンパクトで簡素化されたモーター・アセンブリを実現した。

EOSは、AlF357プロセスの強度と延性が、国際規格に準拠した6061グレードの展伸材を上回ることができるように、印刷と後処理パラメーターを最適化する専門知識を提供することで、重要な役割を果たしました。顧客は、最終部品が気孔率ゼロ、滑らかな表面仕上げ、AA6061のビレット・アルミ等級に匹敵する機械的強度を達成することを保証するために、サンプル部品を印刷し、厳密にテストすることができました。

ゴールラインを越える：結果

AMコンポーネントは驚くべき放熱率を達成した。この優れた冷却により、モーター表面温度は臨界しきい値である50℃以下に維持され、モーターは一定のピーク性能で作動することができた。付加製造されたケーシングの重量はわずか1.3kgで、従来の機械加工による同等部品の推定重量（少なくとも2.5kg）の半分になった。さらに、AM部品は、すべての構造強度要件を満たすことに成功し、6061アルミニウム展伸材の特性（～300MPa、延性10%以上）を上回りました。さらに、EOS Aluminium F357は、要求の厳しい用途においてAA6061に代わる強力な候補であることが証明され、同等の性能だけでなく、従来の製造方法と比較して設計の自由度も大幅に向上しています。

AMは、性能指標だけでなく、設計や製造面でも明確な利点を提供した。それは、モーターケーシングとコンフォーマル冷却チャネルを単一のモノリシック部品に統合することに成功したことである。チームは、車両特有のパッケージングと性能のニーズに合わせて、非常に複雑な内部および外部形状を実現した。材料利用率は95%以上と劇的に改善され、減法的製造の推定25～30%とは対照的である。最終的に、EOS AMテクノロジーは、Team Octane Racingが、デュアル・ハブ・モーターを搭載したインド初のフォーミュラ・ステューデント・カーを製作するという野心的な目標を達成することに直接貢献しました。

未来

EOS Additive Manufacturing テクノロジーは、高性能ハブモーターの冷却に関連する複雑な設計統合と製造上の課題を克服するための重要なソリューションを提供し、Team Octane Racing にとって不可欠であることを証明しました。DMLSの採用により、完全に統合されたケーシングと冷却システム、モーターのピーク性能の持続につながる優れた熱管理、大幅な軽量化、従来の手段では達成できなかった複雑な設計の実現など、具体的なメリットがもたらされました。このプロジェクトは、要求の厳しい高性能自動車用途やそれ以外の用途において、複雑で軽量かつ熱効率の高いコンポーネントを開発するためのAMの大きな可能性を浮き彫りにしている。特筆すべきは、その結果得られた特性が、T6状態の溶製アルミ6061の特性を上回ったことで、AMが引き出すことのできる材料と設計上の利点が浮き彫りになった。