怠速停止系統用電動機油泵的開發

【日】 井上昌弘

0 前言

近年來，出于節能環保的需求，排放法規呈逐年收緊的趨勢，各汽車制造商都在積極引進能改善車輛燃油經濟性的技術。作為新技術研發的中心，混合動力車被賦予極為重要的地位。然而，相比普通的汽油車，混合動力車結構復雜，成本較高。因此，作為能改善汽油車5%～10%燃油經濟性的技術，在行駛過程中短暫停車時停止發動機運轉的怠速停止系統已進入實用化階段，由于這一技術能顯著降低燃油耗，配裝該系統的車輛現已逐年增加。

在采用怠速停止系統的車輛上，為確保發動機起動后變速器（包括無級變速器（CVT）和自動變速器（AT））離合器接合所需的液壓，如圖1所示，必須配備在發動機停止運轉時工作的電動機油泵（EOP）。怠速停止系統是成本較低的實用技術，但為了將其安裝在現有車輛空間內，其安裝受限較為苛刻，必須開發出能夠設置在各種車型不同安裝空間內的小型、高效率EOP。此外，輕量高效率的EOP也有利于降低汽車的燃油耗。基于JTEKT公司以往的產品銷售情況及市場調查結果，研究人員設定了圖2所示技術開發目標，著手開發小型高效的EOP產品。

1 開發成果

為了在現有汽油車的結構基礎上，在最低限度改造車輛的前提下配裝怠速停止系統，要求設計出小型、低成本的EOP。相比傳統的產品，新開發的怠速停止系統專用EOP通過結構優化設計及削減零件數量等技術措施（表1），獲得了顯著的效果，電動機體積縮小約30%，效率提高約47%，成本降低約50%。下文將介紹應用于新型EOP的技術實例。

2 開發過程

EOP是安裝在變速器周邊狹窄空間內的，有尺寸上的限制，因此，為了能夠配裝于各種不同車型，必須將其設計得更為小型化。然而，如單純考慮小型化的設計要求，會導致經由電動機本身的電流增加，進而產生發熱現象，這會縮短電子元件及繞組線的使用壽命。

因此，要在維持輸出功率的同時實現產品的小型化，就必須抑制電動機的發熱現象。作為相應對策，可采取抑制電流值，以及降低由電動機內部到外機的熱阻等方法，而前文所述技術措施都能對提高汽車的效率作出貢獻。因此，將這些技術作為主要的開發項目，著力開展研究，致力于開發出高效率化、小型化以及低成本的EOP產品。

表1 開發技術概要

2.1 過度功率輸出控制

圖3示出了EOP的輸出功率特性及其負荷特性曲線，圖中EOP的工作點位于功率輸出特性曲線與負荷特性曲線的交匯處。圖3中虛線為傳統EOP的特性曲線，按這一工作特性曲線所示，負荷下的機油泄漏量越少，液壓就越高，也就有可能產生超出必要性能范圍的多余液壓。

作為上述問題的對策，為新開發的EOP配備了過度功率控制裝置。在新開發的EOP控制回路中，基于轉速、電流及機油溫度推定吐出壓力，當吐出壓力超過必要的性能范圍時，降低電動機的轉速，控制多余液壓，從而實現最大降低47%耗電量的開發目標。

2.2 電動機的小型化

重新評價零部件的一體化設計與結構，使電動機盡可能小型化且結構簡單。本次開發的結果是，電動機的質量得以減輕，這有利于改善車輛的燃油經濟性，同時還有利于提高部件的可裝配性。

2.2.1 扁平型電動機

為了縮小EOP的尺寸，開發了扁平型的電動機。其理由是，由于電動機的扭矩與鐵心長度成正比，與直徑的平方成正比，因此，如擴大鐵心直徑，就能縮小單位輸出功率的電動機體積，實現提高效率的開發目標。

此外，通過采用空心的轉子，降低慣性，從而抑制起動時的沖擊電流，并且可以在轉子內部設置軸承。采用基于燒結工藝加工而成的轉子，無須機加工工序，可以降低成本，優化性能與成本之間的平衡。開發的結果是，相比傳統產品，新電動機的軸向長度縮短了32%（圖4、圖5）。

2.2.2 磁鐵固定裝置的應用

傳統的電動機是應用將環形磁鐵粘結固定在轉子上的結構型式。另外，在對磁鐵進行分區的過程中，在環形磁鐵基礎上安裝磁鐵的相位極為重要，所以，迄今為止所采用的粘結工藝，將難以確保新產品具備與傳統產品同等的品質。因此，在本次開發中，著眼于電動機的低扭矩，基于利用對轉子的吸引力固定磁鐵的構想，在設計上取消粘結工序，并在轉子上設置樹脂固定框架，以保持扇形分區磁鐵之間的定位間隔（圖6）。

此時，最大的課題是由磁鐵與樹脂之間的熱膨脹系數差異所導致的熱應力，為此，開發了將成形時殘余應力及填料流動等因素都考慮在內的流動解析方法，從而在設計階段就將熱應力降至最低程度（圖7）。開發結果表明，由于完全取消粘結工序，降低了管理成本，并將傳統的環形磁鐵改為扇形分區的磁鐵后，使釹磁鐵的用量減少約30%。

2.2.3 采用樹脂定子架

傳統EOP的定子架采用鋁合金結構（圖8）。本次開發中，為了縮小體積，降低成本，在零部件設計上應用一體化結構型式。

采用以下2項措施，設計了新型EOP的結構（圖9）：（1）定子架采用樹脂材料；（2）減少零件數量。由于采用扁平型電動機，提高了扭矩常數，降低了電流，因而，也降低了繞組線的銅損，抑制了電子部件的發熱現象，最終使樹脂制定子架的應用成為可能。由此，也可以直接在定子架內部進行定子鐵心的模壓成形處理，從而取消鋁合金定子架的切削工序，以及定子鐵心的連接螺栓。

此外，由于電源部分的金屬配件也在定子上實施模內處理，同時連接器與樹脂制定子架均采用一體化成形工藝，因此，在保持絕緣性的同時，減少了以防水為目的的金屬封油環，由此也減少了裝配工序。電動機的支架改為與定子架相同的樹脂構件，利用旋轉熔敷工藝實現一體化結構，從而減少了螺栓、O型密封圈，以及金屬封油環等零件的數量。并且，在此基礎上，重新評價泵葉片等零件的尺寸，最終采用前文所述扁平型電動機的設計方案。相比傳統EOP，新產品的體積縮小約30%。同時，由于直接減少了材料費和零件數量，成本降低約50%。

3 結語

怠速停止系統能以較低的成本實現降低汽油車燃油耗的目標，是今后值得重視的技術。本次開發的EOP在滿足用戶對產品性能要求的同時，相比傳統的同類產品，體積縮小約30%，效率提高約47%，成本降低約50%，這樣的成果對于進一步擴大怠速停止系統的應用范圍將會作出極大貢獻。在本次開發成果的基礎上，今后應繼續開展以下工作。

（1）進一步擴大怠速停止系統的應用車型范圍。隨著配裝怠速停止系統車型范圍的擴大，為確保變速器離合器接合的液壓，EOP的市場也在不斷擴展。此次開發的EOP具備小型、低成本的特點，可作為怠速停止系統的標準裝備迅速推廣應用。

（2）今后也應將EOP推廣應用于混合動力車及電動車。除了應用于汽油車的怠速停止系統外，EOP還可用于混合動力車及電動車的電動機、逆變器、減速器等部件的冷卻和潤滑系統。

（3）作為小型化與低成本化技術推廣應用。在此次開發過程中所獲得的融合了電氣與機械的設計（機電一體化）技術、有利于降低成本的樹脂成形技術，以及有利于小型化和低成本化的機械部件控制轉換技術等，都有望在今后為日益發展的電動液壓執行器產品的研發作出貢獻。