粒子ベース CFD 技術による電動モーターの冷却

電気自動車（EV）の急速な普及に伴い、大出力電動モーターの冷却は熱管理上の大きな課題となっています。従来の CFD 手法では限界がありますが、Particleworks の粒子ベース CFD（Particle-based CFD）技術 は画期的なソリューションとして注目されています。

この技術により、複雑な多相流を正確にシミュレーションし、モーターの 性能最適化 と 寿命延長 を実現することが可能です。

1. 従来手法の限界を超える

オイル冷却式電動モーターの冷却システムでは、油を供給する中央シャフトから戦略的に配置された噴射孔を通じて、ステータ巻線や周辺部に油を噴射する仕組みが一般的です。この環境は非常に複雑で、液体油、空気、そして高速で動く機械部品との間で乱流的な相互作用が発生します。

従来の CFD ツールでは、メッシュ作成や表面処理に膨大な時間がかかり、液体の飛散挙動をシミュレーションする際には計算リソースも膨大に消費されます。

一方、Particleworks の MPS（Moving Particle Semi-implicit）法 はメッシュ不要で、多相流の相互作用を効率的にシミュレーション可能です。これにより、計算コストを抑えつつ、製品開発期間を大幅に短縮できます。

2. 流体解析とシミュレーションのプロセス

電動モーターの冷却効率を最適化するため、エンジニアは Particleworks の性能を最大限に活用した革新的なワークフローを各ステップで適用しました。

2.1 流量分布の定量化

プロセスの最初のステップは、各冷却対象領域に供給される油量を正確に特定することです。内部流れのシミュレーションにより、3 つの噴射孔グループ間の流量分布マップを作成しました。結果はそれぞれ 47%、34%、19% となりました。この入力データの正確な把握は、現行設計が各ホットスポットに十分な油量を供給できているかを評価する上で重要な前提となります。

2.2 多相流の詳細シミュレーション

収集した流量データに基づき、まず 粒子径 0.5mm の粗い粒子を用いた空力シミュレーションを行い、計算リソースを節約しました。その後、空力マップを基に 粒子径 0.2mm の高解像度シミュレーションを実施し、油滴がモーター部品に衝突して冷却する詳細な挙動を解析しました。

シミュレーション結果により、高速油流がステータ巻線に直接作用する様子を可視化できます。さらに、モーター表面全体の 熱伝達率（Heat Transfer Coefficient, HTC） データを抽出可能です。これらは、局所ごとの冷却効率を理解する上で非常に重要な「ゴールデンデータ」となります。

この複雑なプロセスは、数百万粒子のシミュレーション を含みながらも、Particleworks の優れたハードウェアアクセラレーションにより、単一 GPU で わずか 6 日間 で計算を完了できます。

3. CFD-FEA 統合プロセスによる精度検証

シミュレーションは、現実を正確に反映して初めて価値があります。モーターの実運転温度を予測するため、Particleworks から得られた HTC データを、専用ソルバーでの有限要素法（FEA）熱伝導解析と組み合わせました。

油流データは、巻線の絶縁特性を考慮した FE モデルに マッピング されます。最終結果は非常に印象的で、巻線上の 6 か所で実測値と比較した場合、シミュレーションと実測の温度誤差は ±2.8°C に収まりました。

この高い相関性は、CFD-FEA 統合プロセスが信頼できる仮想ツールであることを裏付けます。これにより、メーカーは試作（プロトタイプ）でのコスト高や修正を避け、開発初期段階からモーター冷却システムを 熱的に最適化 して設計・調整することが可能となります。

4. よくある質問（FAQ）

電動モーター冷却シミュレーションソリューションに関して、エンジニアやマネージャーからよく寄せられる質問は以下の通りです。

4.1 なぜ従来の CFD ではなく、粒子ベース CFD（MPS）を使用すべきですか？

MPS（Moving Particle Semi-implicit）法 はメッシュ不要（mesh-free）でモデル設定時間を大幅に短縮できます。特に、ギアや回転機器内の 自由表面流（free surface flow）、油の飛散や噴射流など、従来 CFD ではメッシュが歪んだり誤差が大きくなる問題を高精度で処理可能です。

4.2 このソリューションは電気自動車以外のモーターにも適用できますか？

はい。本技術は、ギア（transmission）、駆動軸（axle）、内燃機関、さらには大出力電動モーター冷却システムを最適化する必要がある産業機械など、あらゆる潤滑・冷却システムに効果的に適用可能です。

4.3 シミュレーション精度はどの程度ですか？

本記事で紹介したケーススタディのように、温度誤差は ±2.8°C 程度です。ただし、精度は入力データの品質（材料特性、形状）や、エンジニアによる解析設定の経験にも依存します。

Particleworks は電動モーター冷却を最適化するだけでなく、次世代 EV の新たな標準を切り開きます。最先端のシミュレーション技術を習得し、製品の熱最適化を実現するためには、信頼のある産業ソリューションパートナー SDE Tech へぜひご相談ください。

内容出典：particleworks-europe.com

• Email: sales@sde.vn
• Hotline/Zalo: 085 256 2615 – 0909 107 719