JP2006074962A - 電動機用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない消費電力で効率良く電動機を冷却する電動機用冷却装置を提供する。
【解決手段】電動機が備えるステータコア７を冷却する第１の冷却流体を循環させる第１の循環部（コア用ポンプ）１０と、ステータコア７に巻かれた巻線３を冷却する第２の冷却流体を循環させる第２の循環部（巻線用ポンプ）１１と、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御する流量制御部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機用冷却装置に関し、特に、ステータ冷却装置及び巻線冷却装置の両方を備える電動機用冷却装置に関する。

従来から、電動機（モータ）のステータコアやモータ筐体に冷却流体が流れる冷却流路を設けて、ステータコアを冷却するステータ冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。一方、ステータに備えられた巻線の周囲に冷却流体が流れる冷却流路を設けて、巻線を冷却する巻線冷却装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−０１９２１８号公報 特開２００１−１４５３０２号公報

モータの冷却効率を向上させるために上記のステータ冷却装置及び巻線冷却装置の両方を同時に設けた場合、通常それぞれの冷却流路内に冷却流体を供給するためのポンプが必要となる。モータの冷却性能を維持するためには、これらの冷却流体の流量はモータの使用条件下において最も発熱量の大きい条件を考慮して設定されなくてはならない。しかし、冷却流体の流量を常に最も発熱量の大きい条件に合わせてポンプを作動させると、例えばポンプが電動ポンプである場合には、ポンプによる消費電力が大きく、ハイブリッド車等に適用する場合などでは電源装置の大型化や燃費が悪化してしまう。

本発明の特徴は、電動機が備えるステータコアを冷却する第１の冷却流体を循環させる第１の循環部と、ステータコアに巻かれた巻線を冷却する第２の冷却流体を循環させる第２の循環部と、第１の循環部による第１の冷却流体の流量と第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御する流量制御部とを有する電動機用冷却装置であることを要旨とする。

本発明によれば、少ない消費電力で効率良く電動機を冷却する電動機用冷却装置を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる電動機（モータ）は、回転軸となるシャフト５と、シャフト５の外周に配置されたロータ４と、シャフト５及びロータ４の外周に配置されたステータコア７と、ステータコア７に巻かれた巻線３（コイルエンド）と、ステータコア７の外周に配置されたフレーム１４とを備える。ロータ４はシャフト５とともにステータコア７、フレーム１４などに対して回転する。

第１の実施の形態に係わる電動機用冷却装置は、円筒状のフレーム内１４に配置されたコア用冷却流路１と、巻線３を覆うようなリング状の形状を有する巻線用冷却流路２と、コア用冷却流路１内に第１の冷却流体を循環させる第１の循環部（例えば、コア用ポンプ１０）と、巻線用冷却流路２内に第２の冷却流体を循環させる第２の循環部（例えば、巻線用ポンプ１１）と、ステータコア７の温度を検出する第１の温度センサ８と、巻線３の温度を検出する第２の温度センサ９と、電動機（シャフト５及びロータ４）の回転数を検出するモータ回転数検出部（例えば、レゾルバ６）と、第１の冷却流体の温度を検出する第３の温度センサ１２と、第２の冷却流体の温度を検出する第４の温度センサ１３とを有する。

第１の冷却流体は、電動のコア用ポンプ１０によりコア用冷却流路１内を循環することにより、ステータ側からステータコア７及び巻線３を冷却する。第１の冷却流体によるステータコア７の冷却能力は、コア用冷却流路１内の第１の冷却流体の流量により定まる。第１の冷却流体の流量は、コア用ポンプ１０の回転数により定まる。同様に、第２の冷却流体は、電動の巻線用ポンプ１１により巻線用冷却流路２内を循環することにより、コイルエンド側から巻線３を冷却する。第２の冷却流体による巻線３の冷却能力は、巻線用冷却流路２内の第２の冷却流体の流量により定まる。第２の冷却流体の流量は、巻線用ポンプ１１の回転数により定まる。なお、第１の温度センサ８は、ステータコア７内に配置され、ステータコア７の周辺温度を検出する。第２の温度センサ９は、巻線用冷却流路２内に巻線３に隣接して配置され、巻線３の周辺温度を検出する。

図２に示すように、図１の電動機及び電動機用冷却装置は、電動機２８に対して要求するトルク値を示すトルク指令値Ｔ’を出力するモータトルク指令部１５と、モータトルク指令部１５から出力されたトルク指令値Ｔ’に基づいて電動機２８を制御する電動機制御部２０と、電動機制御部２０から出力された電圧指令値Ｖ’に基づいてバッテリ２３からの直流電力を交流電力に変換するインバータ２１と、インバータ２１からモータへ供給される実電流値Ｉを測定する電流センサ２２と、インバータ２１へ直流電力を供給するバッテリ２３と、バッテリ２３からの直流電力を降圧してコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１へ供給するＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、電動機制御部２０からの制御信号（Ｎ１’、Ｎ２’）に従ってコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１をそれぞれ駆動するコア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６とを更に有する。

なお、電動機制御部２０は、通常のコンピュータの中央処理演算部（ＣＰＵ）の一部分として構成することができる。また、図２の破線２７で囲んだ部分は、図１に示した電動機２８と、電動機２８内に配置された第１及び第２の温度センサ８、９、レゾルバ６と、コア用冷却流路１と、巻線用冷却流路２とを示す。

電動機制御部２０は、レゾルバ６からの信号に基づき電動機２８の回転数Ｎｍを算出して出力するモータ回転数検出部１８と、モータトルク指令部１５から出力されたトルク指令値Ｔ’及びモータ回転数検出部１８が出力する電動機２８の回転数Ｎｍに基づいて電流指令値Ｉ’を算出して出力する電流指令部１６と、電流センサ２２が測定する実電流値Ｉが電流指令部１６が出力する電流指令値Ｉ’に一致するように電圧指令値Ｖ’を算出してインバータ２１へ出力する電流制御部１７と、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御する流量制御部１９（以後、「ポンプ回転数指令部」という）とを有する。

ポンプ回転数指令部１９は、第１乃至第４の温度センサ８、９、１２、１３が測定した温度Ｔｃ、Ｔｍ、Ｔｐ１、Ｔｐ２に基づいて、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御する。

具体的には、ポンプ回転数指令部１９は、第１の温度センサ８によるステータコア７の温度Ｔｃと第２の温度センサ９による巻線３の温度Ｔｍとの差に基づいて、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御する。

更に具体的には、ポンプ回転数指令部１９は、第１の温度センサ８から受信するステータコア７の温度Ｔｃと第２の温度センサ９から受信する巻線３の温度Ｔｍから温度差（△Ｔ＝Ｔｃ−Ｔｍ）を算出し、算出した温度差△Ｔに基づいてコア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’をコア用ポンプ制御部２５へ送信し、巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６は、ポンプ回転数指令部１９からの回転数指令値Ｎ１’、Ｎ２’に従ってコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の回転数をそれぞれ制御する。このようにして、ポンプ回転数指令部１９は、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御し、ひいては、第１及び第２の冷却流体によるステータコア７及び巻線３の冷却能力のそれぞれを制御する。

なお、第１及び第２の冷却流体の流量をそれぞれ制御する時、ポンプ回転数指令部１９は、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の消費電力の和が一定となるように制御する。即ち、ある温度変化に応じて、コア用ポンプ１０の回転数を高める指令Ｎ１’を出す場合には、これに合わせて巻線用ポンプ１１の回転数を低くする指令Ｎ２’を出す必要があり、逆に、巻線用ポンプ１１の回転数を高める指令Ｎ２’を出す場合には、これに合わせてコア用ポンプ１０の回転数を低くする指令Ｎ１’を出す必要がある。なぜなら、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の駆動電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力能力には一定の限界があるからである。

インバータ２１は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む電力変換素子をスイッチング素子として使用してバッテリ２３からの直流電力を交流電力へ変換する。

図３は、図２に示す電動機（モータ）２８の運転範囲、具体的にはモータ回転数Ｎｍと出力トルクＴとの関係を示すグラフである。電動機２８の運転範囲には、主として運転される定格トルク／出力範囲と、必要に応じて短時間で運転される最大トルク／出力範囲とが含まれる。定格トルク／出力範囲内の最大損失点において電動機２８の巻線３の温度が許容範囲内で飽和するように、第１及び第２の冷却流体の基準流量、即ちコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の基準回転数を設定する。最大トルク／出力範囲での運転は必要に応じて短時間で行われるため、次に示す冷却方式で冷却する。

即ち、巻線３が配置されているコイルエンド部分の熱容量は、ステータコア７に比べて一般的に小さいため、巻線３の温度上昇速度は、ステータコア７に比べて速い。したがって、電動機２８の運転パターンによっては、コイルエンド部分の巻線３の温度とステータコア７部分の巻線３の温度は必ずしも一致しない。よって、コイルエンド部分の巻線３の温度とステータコア７部分の巻線３の温度の差が比較的大きい場合、温度が高い方の冷却能力を高めることによって、電動機２８全体としての冷却効率が向上する。即ち、ポンプ回転数指令部１９は、第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃ及び第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍに基づいて、第１及び第２の冷却流体の流量を決定するコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の回転数を制御する。

図４を参照して、図１及び図２に示した電動機用冷却装置の制御方法を説明する。

（イ）先ずＳ０１段階において、第１乃至第４の温度センサ８、９、１２、１３を用いて、ステータコア７の温度Ｔｃ、巻線３の温度Ｔｍ、第１の冷却流体の温度Ｔｐ１、及び第２の冷却流体の温度Ｔｐ２を検出する。Ｓ０２段階において、ポンプ回転数指令部１９は、第１の冷却流体の温度Ｔｐ１及び第２の冷却流体の温度Ｔｐ２に基づいて、第１及び第２の冷却流体の基準流量（コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の基準回転数）に必要なコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力Ｗｐ１、Ｗｐ２を算出する。なお、必要な出力Ｗｐ１、Ｗｐ２をコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の回転数及び第１及び第２の冷却流体の温度Ｔｃ、Ｔｍをパラメータとして実験などにより測定しておき、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の回転数及び第１及び第２の冷却流体の温度Ｔｃ、Ｔｍに対する必要な出力Ｗｐ１、Ｗｐ２をマップ化しておくことが望ましい。

（ロ）Ｓ０３段階において、ポンプ回転数指令部１９は、ステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差（△Ｔ＝Ｔｃ−Ｔｍ）を算出する。Ｓ０４段階において、ポンプ回転数指令部１９は、ステータコア７の温度Ｔｃが巻線３の温度Ｔｍ以上であるか否かを判断する。即ち、温度差△Ｔの正負を判定する。ステータコア７の温度Ｔｃが巻線３の温度Ｔｍ以上である場合（Ｓ０４段階においてＹＥＳ）Ｓ０５段階に進み、ステータコア７の温度Ｔｃが巻線３の温度Ｔｍ未満である場合（Ｓ０４段階においてＮＯ）Ｓ０７段階に進む。

（ハ）Ｓ０５段階において、ポンプ回転数指令部１９は、図５（ａ）に示す温度差の絶対値｜△Ｔ｜と出力係数Ｋ１との関係に従い、出力係数Ｋ１を決定する。図５（ａ）に示すように、温度差の絶対値｜△Ｔ｜が第１の基準温度（Ｔ１）未満である場合、Ｋ１は１である。なぜなら、温度差△Ｔは比較的小さいと判断することができ、ポンプ回転数指令値Ｎ１’、Ｎ２’のチャタリングを防止するためである。第１の基準温度（Ｔ１）、及び後述する第２乃至第４の基準温度（Ｔ２〜Ｔ４）は、予め実験的に求めておくことが望ましい。温度差の絶対値｜△Ｔ｜が第１の基準温度（Ｔ１）より大きい第３の基準温度（Ｔ２）以上である場合、Ｋ１は０である。温度差の絶対値｜△Ｔ｜が第１の基準温度（Ｔ１）以上第３の基準温度（Ｔ２）未満である場合、Ｋ１は０〜１の間で線形性を持ちながら変化する。

（ニ）Ｓ０６段階において、ポンプ回転数指令部１９は、Ｓ０２段階で算出した出力Ｗｐ１、Ｗｐ２、及びＳ０５段階で決定した出力係数Ｋ１を（１）式及び（２）式に代入して、新たなコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’を求め、出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’が得られるような、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を算出し、そして、コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。

Ｗｐ１’＝(１−Ｋ１)・Ｗｐ２＋Ｗｐ１ ・・・（１）
Ｗｐ２’＝Ｋ１・Ｗｐ２ ・・・（２）
（ホ）一方、Ｓ０７段階において、ポンプ回転数指令部１９は、図５（ｂ）に示す温度差の絶対値｜△Ｔ｜と出力係数Ｋ２との関係に従い、出力係数Ｋ２を決定する。図５（ｂ）に示すように、温度差の絶対値｜△Ｔ｜が第２の基準温度（Ｔ３）未満である場合、Ｋ２は１である。温度差の絶対値｜△Ｔ｜が第２の基準温度（Ｔ３）より大きい第４の基準温度（Ｔ４）以上である場合、Ｋ１は０である。温度差の絶対値｜△Ｔ｜が第２の基準温度（Ｔ３）以上第４の基準温度（Ｔ４）未満である場合、Ｋ２は０〜１の間で線形性を持ちながら変化する。

（ヘ）Ｓ０８段階において、ポンプ回転数指令部１９は、Ｓ０２段階で算出した出力Ｗｐ１、Ｗｐ２、及びＳ０７段階で決定した出力係数Ｋ２を（３）式及び（４）式に代入して、新たなコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’を求め、出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’が得られるような、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を算出し、そして、コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。以上の手順を繰り返すことにより電動機用冷却装置の制御が行われる。

Ｗｐ１’＝Ｋ２・Ｗｐ１ ・・・（３）
Ｗｐ２’＝(１−Ｋ２)・Ｗｐ１＋Ｗｐ２ ・・・（４）
第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃが第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍよりも高く（Ｓ０４段階においてＹＥＳ）、且つステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差△Ｔが第１の基準温度（Ｔ１）未満である場合（Ｓ０５段階においてＫ１＝１）、ポンプ回転数指令部１９は、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を「所定の流量」とする。ここで「所定の流量」とは、第３の温度センサ１２により検出された第１の冷却流体の温度Ｔｐ１及び第４の温度センサ１３により検出された前記第２の冷却流体の温度Ｔｐ１に基づいて設定される。具体的には、「所定の流量」の一例として、図３を参照して説明した、第１及び第２の冷却流体の基準流量（コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の基準回転数）が挙げられる。なお、Ｓ０５段階においてＫ１＝１の場合、（１）式及び（２）式より、Ｗｐ１’＝Ｗｐ１、Ｗｐ２’＝Ｗｐ２となり、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力に変化はない。

第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍが、第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃよりも高く（Ｓ０４段階においてＮＯ）、且つステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差△Ｔが第２の基準温度（Ｔ３）未満である場合（Ｓ０７段階においてＫ２＝１）、ポンプ回転数指令部１９は、同様にして、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を「所定の流量」とする。なお、Ｓ０７段階においてＫ２＝１の場合、（３）式及び（４）式より、Ｗｐ１’＝Ｗｐ１、Ｗｐ２’＝Ｗｐ２となり、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力に変化はない。

第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃが第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍよりも高く（Ｓ０４段階においてＹＥＳ）、且つステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差△Ｔが第１の基準温度（Ｔ１）以上である場合（Ｓ０５段階においてＫ１＜１）、ポンプ回転数指令部１９は、差△Ｔに応じてコア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量を増やし、巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を減らす。

第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍが、第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃよりも高く（Ｓ０４段階においてＮＯ）、且つステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差△Ｔが第２の基準温度（Ｔ３）以上である場合（Ｓ０７段階においてＫ２＜１）、ポンプ回転数指令部１９は、差△Ｔに応じて巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を増やし、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量を減らす。

第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃが第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍよりも高く（Ｓ０４段階においてＹＥＳ）、且つステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差△Ｔが第１の基準温度（Ｔ１）より大きい第３の基準温度（Ｔ２）以上である場合（Ｓ０５段階においてＫ１＝０）、ポンプ回転数指令部１９は、コア用ポンプ１０を動作させて第１の冷却流体を循環させ、巻線用ポンプ１１の動作を停止する。これにより、第１の冷却流体のみがコア用冷却流路１内を循環し、第２の冷却流体は巻線用冷却流路２内を循環しない。電動機用冷却装置が有する冷却能力の総てを第１の冷却流体によるステータコア７の冷却に費やす。

第２の温度センサ９により検出された巻線３の温度Ｔｍが、第１の温度センサ８により検出されたステータコア７の温度Ｔｃよりも高く（Ｓ０４段階においてＮＯ）、且つステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの差△Ｔが第２の基準温度（Ｔ３）より大きい第４の基準温度（Ｔ４）以上である場合（Ｓ０７段階においてＫ２＝０）、ポンプ回転数指令部１９は、巻線用ポンプ１１を動作させて第２の冷却流体を循環させ、コア用ポンプ１０の動作を停止する。これにより、第２の冷却流体のみが巻線用冷却流路２内を循環し、第１の冷却流体はコア用冷却流路１内を循環しない。電動機用冷却装置が有する冷却能力の総てを第２の冷却流体による巻線３の冷却に費やす。

以上説明したように、ステータコア７の温度Ｔｃと巻線３の温度Ｔｍとの温度差△Ｔに応じて、第１及び第２の冷却流体の流量（コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の回転数）を変化させることで、少ない消費電力で効率良く電動機２８を冷却することができる。

また、（１）式乃至（４）式に示したように、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の消費電力の和である総出力（Ｗｐ１＋Ｗｐ２、Ｗｐ１’＋Ｗｐ２’）は変化しないため、ポンプ用の電源容量を大きくする必要がない。

なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）の第１の基準温度Ｔ１及び第２の基準温度Ｔ３は同一の値であっても良いが、例えば、ステータコア７に対して巻線３の熱容量が小さく、冷却流体の流量を増加させた場合に温度が低下しやすい場合、Ｔ１＞Ｔ３とするなど、異なる値であっても構わない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係わる電動機（モータ）は、図１に示した電動機と同じであり、図示及び説明を省略する。

図６に示すように、第２の実施の形態に係わる電動機及び電動機用冷却装置は、図２に比べて、ポンプ回転数指令部１９の構成が異なり、第１及び第２の温度センサ８、９を備えていない点が異なる。その他の点は、図２と同一であり、説明を省略する。

ポンプ回転数指令部１９は、ステータコア７の温度上昇速度及び巻線３の温度上昇速度に基づいて、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御する。

具体的には、ポンプ回転数指令部１９は、少なくとも電動機２８の回転数Ｎｍに基づいて、ステータコア７の温度上昇速度と巻線３の温度上昇速度との大小関係を推定し、この大小関係に基づいて、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を制御する。

更に具体的には、ポンプ回転数指令部１９は、第３及び第４の温度センサ１２、１３が測定した温度Ｔｐ１、Ｔｐ２、トルク指令値Ｔ’、及びモータ回転数検出部１８によって検出された電動機２８の回転数Ｎｍに基づいて、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を算出し、そして、コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。

図７は、図６に示す電動機（モータ）２８の運転範囲、具体的にはモータ回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。電動機２８の運転範囲には、主として運転される定格トルク／出力範囲と、必要に応じて短時間で運転される最大トルク／出力範囲とが含まれる。定格トルク／出力ライン上の最大損失点において電動機２８の巻線３の温度が許容範囲内で飽和するように、第１及び第２の冷却流体の基準流量、即ちコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の基準回転数を設定する。最大損失点でのトルクをＴｑ１とし、電動機２８の回転数をＮｍ１とする。

電動機２８のトルクＴがＴｑ１より大きい場合、銅損が増加する。コイルエンド部はステータコア部に比べて一般的に熱容量が小さいため、巻線３の温度上昇速度の方がステータコア７に比べて速く、主としてコイルエンド（巻線）部の冷却能力を強めた方が効果的である。一方、電動機２８の回転数ＮｍがＮｍ１より大きい場合、鉄損が増加して、ステータコア部の温度が上昇するため、主としてステータコア部の冷却能力を強めた方が効果的である。以上の点を考慮すると、図７に示すように、電動機２８の運転範囲を、＜１＞〜＜３＞の範囲に分けて、コア用ポンプ１０による第１の冷却流体の流量と巻線用ポンプ１１による第２の冷却流体の流量を、電動機２８のトルクＴ及び回転数Ｎｍに応じて変化させることで、冷却効率を高めることができる。

＜１＞トルクＴがＴｑ１以下であり且つ回転数ＮｍがＮｍ１以下である範囲
＜２＞回転数ＮｍがＮｍ１より大きい範囲
＜３＞トルクＴがＴｑ１より大きい範囲
図８を参照して、図１及び図６に示した電動機用冷却装置の制御方法を説明する。

（イ）先ずＳ１１段階において、第３及び第４の温度センサ１２、１３を用いて、第１の冷却流体の温度Ｔｐ１、第２の冷却流体の温度Ｔｐ２、及びモータ回転数Ｎｍを検出すると共に、トルク指令値Ｔ’を読み込む。Ｓ１２段階において、ポンプ回転数指令部１９は、第１の冷却流体の温度Ｔｐ１及び第２の冷却流体の温度Ｔｐ２に基づいて、第１及び第２の冷却流体の基準流量（コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の基準回転数）に必要なコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力Ｗｐ１、Ｗｐ２を算出する。

（ロ）Ｓ１３段階において、モータトルク指令部１５から出力されたトルク指令値Ｔ’がＴｑ１以下であり且つモータ回転数検出部１８によって検出された回転数ＮｍがＮｍ１以下であるか否かを判断する。即ち、図7の＜１＞の範囲内であるか否かを判断する。図7の＜１＞の範囲内である場合（Ｓ１３段階においてＹＥＳ）Ｓ１４段階に進む。図7の＜１＞の範囲内でない場合（Ｓ１３段階においてＮＯ）Ｓ１５段階に進む。

（ハ）Ｓ１４段階において、Ｓ１２段階で算出した出力Ｗｐ１、Ｗｐ２が得られるような、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を算出し、そして、コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。具体的には、図7の＜１＞の範囲内であるため、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’は変更せずに、Ｓ１２段階で使用したポンプ１０、１１の回転数及び第１及び第２の冷却流体の温度に対するポンプ出力マップから、出力Ｗｐ１、Ｗｐ２に対応する回転数指令値Ｎ１’、Ｎ２’を出力する。

（ニ）一方、Ｓ１５段階において、回転数ＮｍがＮｍ１より大きいか否かを判断する。即ち、図7の＜２＞の範囲内であるか＜３＞の範囲内であるかを判断する。回転数ＮｍがＮｍ１より大きい場合（Ｓ１５段階においてＹＥＳ）Ｓ１６段階に進む。回転数ＮｍがＮｍ１以下である場合（Ｓ１５段階においてＮＯ）、トルク指令値Ｔ’がＴｐ１より大きいことになりＳ１８段階に進む。

（ホ）Ｓ１６段階において、＜２＞の範囲内であるため、ポンプ回転数指令部１９は、図９（ａ）に示す電動機２８の回転数Ｎｍと出力係数Ｋ３との関係に従い、出力係数Ｋ３を決定する。電動機２８の回転数Ｎｍは基準回転数（Ｎｍ１）以上であるため、図９（ａ）に示すように、電動機２８の回転数Ｎｍが基準回転数（Ｎｍ１）以上最大回転数（Ｎｍ_MAX）以下である場合、Ｋ３はＫ３_min〜１の間で線形性を持ちながら変化する。電動機２８の回転数Ｎｍが最大回転数（Ｎｍ_MAX）である時でも銅損は零とは限らないため、Ｋ３は零とならない。なお、基準回転数（Ｎｍ１）、最大回転数（Ｎｍ_MAX）及び出力係数最小値（Ｋ３_min）は、予め実験的に求めておくことが望ましい。

（ヘ）Ｓ１７段階において、ポンプ回転数指令部１９は、Ｓ１２段階で算出した出力Ｗｐ１、Ｗｐ２、及びＳ１６段階で決定した出力係数Ｋ３を（５）式及び（６）式に代入して、新たなコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’を求め、出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’が得られるような、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を算出し、そして、コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。このように、図7の＜２＞の範囲内である場合、ステータコア部の冷却を強化する。

Ｗｐ１’＝(１−Ｋ３)・Ｗｐ２＋Ｗｐ１ ・・・（５）
Ｗｐ２’＝Ｋ３・Ｗｐ２ ・・・（６）
（ト）一方、Ｓ１８段階において、＜３＞の範囲内であるため、ポンプ回転数指令部１９は、図９（ｂ）に示すトルク指令値Ｔ’と出力係数Ｋ４との関係に従い、出力係数Ｋ４を決定する。トルク指令値Ｔ’は基準トルク値（Ｔｑ１）以上であるため、図９（ｂ）に示すように、トルク指令値Ｔ’が基準トルク値（Ｔｑ１）以上最大トルク値（Ｔｑ_MAX）以下である場合、Ｋ４はＫ４_min〜１の間で線形性を持ちながら変化する。トルク指令値Ｔ’が最大トルク値（Ｔｑ_MAX）である時でも鉄損は零とは限らないため、Ｋ４は零とならない。なお、基準トルク値（Ｔｑ１）、最大トルク値（Ｔｑ_MAX）及び出力係数最小値（Ｋ４_min）は、予め実験的に求めておくことが望ましい。

（チ）Ｓ１９段階において、ポンプ回転数指令部１９は、Ｓ１２段階で算出した出力Ｗｐ１、Ｗｐ２、及びＳ１８段階で決定した出力係数Ｋ４を（７）式及び（８）式に代入して、新たなコア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’を求め、出力Ｗｐ１’、Ｗｐ２’が得られるような、コア用ポンプ１０の回転数指令値Ｎ１’及び巻線用ポンプ１１の回転数指令値Ｎ２’を算出し、そして、コア用ポンプ制御部２５及び巻線用ポンプ制御部２６へ送信する。このように、図7の＜３＞の範囲内である場合、巻線部の冷却を強化する。以上の手順を繰り返すことにより電動機用冷却装置の制御が行われる。

Ｗｐ１’＝Ｋ４・Ｗｐ１ ・・・（７）
Ｗｐ２’＝(１−Ｋ４)・Ｗｐ１＋Ｗｐ２ ・・・（８）
以上説明したように、モータトルク指令部１５から出力されたトルク指令値Ｔ’及びモータ回転数検出部１８によって検出された回転数Ｎｍに基づいて、第１及び第２の冷却流体の流量（コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の回転数）を変化させることで、少ない消費電力で効率良く電動機２８を冷却することができる。

また、（５）式乃至（８）式に示したように、コア用ポンプ１０及び巻線用ポンプ１１の消費電力の和である総出力（Ｗｐ１＋Ｗｐ２、Ｗｐ１’＋Ｗｐ２’）は変化しないため、ポンプ用の電源容量を大きくする必要がない。

ここでは、電動機２８の第１象限の運転範囲で説明したが、当然第２、第３、第４象限についても同様な考え方で、第１及び第２の冷却流体の流量を可変することで、効果的な電動機の冷却が可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、第２の実施の形態では、トルク指令値Ｔ’と電動機の回転数Ｎｍに基づいて電動機の運転範囲を＜１＞〜＜３＞の３つの範囲に分割し、夫々の範囲毎に流量を変更したが、例えば、回転数Ｎｍに基づいて＜１＞及び＜３＞の範囲と＜２＞の範囲、或いはトルク指令値Ｔ’に基づいて＜１＞及び＜２＞の範囲と＜３＞の範囲の２つの範囲に分割して、２つの範囲それぞれに応じて流量を変更する等、適宜変更可能である。また、トルク指令値Ｔ’に代えて電動機の出力トルクを検出し、電動機の出力トルクに基づいて流量を変更しても構わない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係わる電動機（モータ）及び電動機用冷却装置の一部分を示す断面図である。 図１に示した電動機及び電動機用冷却装置の残りの制御部分を示すブロック図である。 図２に示す電動機（モータ）の運転範囲、具体的にはモータ回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。 図１及び図２に示した電動機用冷却装置の制御方法を示すフローチャートである。 図５（ａ）は温度差の絶対値｜△Ｔ｜と出力係数Ｋ１との関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は温度差の絶対値｜△Ｔ｜と出力係数Ｋ２との関係を示すグラフである。 第２の実施の形態に係わる電動機及び電動機用冷却装置の残りの制御部分を示すブロック図である。 図６に示す電動機（モータ）の運転範囲、具体的にはモータ回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。 図１及び図６に示した電動機用冷却装置の制御方法を示すフローチャートである。 図９（ａ）は電動機の回転数Ｎｍと出力係数Ｋ３との関係を示すグラフであり、図９（ｂ）はトルク指令値Ｔ’と出力係数Ｋ４との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…コア用冷却流路
２…巻線用冷却流路
３…巻線
４…ロータ
５…シャフト
６…レゾルバ
７…ステータコア
８…第１の温度センサ
９…第２の温度センサ
１０…コア用ポンプ
１１…巻線用ポンプ
１２…第３の温度センサ
１３…第４の温度センサ
１４…フレーム
１５…モータトルク指令部
１６…電流指令部
１７…電流制御部
１８…モータ回転数検出部
１９…流量制御部（ポンプ回転数指令部）
２０…電動機制御部
２１…インバータ
２２…電流センサ
２３…バッテリ
２４…コンバータ
２５…コア用ポンプ制御部
２６…巻線用ポンプ制御部
２７…破線
２８…電動機
Ｉ…実電流値
Ｉ’…電流指令値
Ｋ１〜Ｋ４…出力係数
Ｎ１、Ｎ２…ポンプ回転数指令値
Ｎｍ…回転数
Ｔ…トルク
Ｔ’…トルク指令値
Ｔ１…第１の基準温度
Ｔ３…第２の基準温度
Ｔ２…第３の基準温度
Ｔ４…第４の基準温度
Ｖ’…電圧指令値

Claims (14)

1. 電動機が備えるステータコアを冷却する第１の冷却流体を循環させる第１の循環部と、
   前記ステータコアに巻かれた巻線を冷却する第２の冷却流体を循環させる第２の循環部と、
   前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御する流量制御部
   とを有することを特徴とする電動機用冷却装置。
2. 前記流量制御部は、前記ステータコアと前記巻線との温度差、若しくは前記ステータコアの温度及び前記巻線の温度の温度上昇速度に基づいて、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御することを特徴とする請求項１記載の電動機用冷却装置。
3. 前記第１の循環部は、前記ステータコアに隣接して配置されたコア用冷却流路内に前記第１の冷却流体を循環させるコア用ポンプであり、前記第２の循環部は、前記巻線に隣接して配置された巻線用冷却流路内に前記第２の冷却流体を循環させる巻線用ポンプであり、前記流量制御部は、前記コア用ポンプ及び前記巻線用ポンプの消費電力の和が一定となるように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電動機用冷却装置。
4. 前記ステータコアの温度を検出する第１の温度センサと、
   前記巻線の温度を検出する第２の温度センサとを更に有し、
   前記流量制御部は、前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度及び前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度に基づいて、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の電動機用冷却装置。
5. 前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度が、前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度よりも高く、且つ前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度と前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度との差が第１の基準温度未満である場合、及び前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度が、前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度よりも高く、且つ前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度と前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度との差が第２の基準温度未満である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を所定の流量とし、
   前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度が、前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度よりも高く、且つ前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度と前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度との差が前記第１の基準温度以上である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量を増やし、
   前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度が、前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度よりも高く、且つ前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度と前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度との差が前記第２の基準温度以上である場合、前記流量制御部は、前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を増やす
   ことを特徴とする請求項４記載の電動機用冷却装置。
6. 前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度が、前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度よりも高く、且つ前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度と前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度との差が前記第１の基準温度より大きい第３の基準温度以上である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部を動作させて前記第１の冷却流体を循環させ、前記第２の循環部の動作を停止することを特徴とする請求項５記載の電動機用冷却装置。
7. 前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度が、前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度よりも高く、且つ前記第１の温度センサにより検出された前記ステータコアの温度と前記第２の温度センサにより検出された前記巻線の温度との差が前記第２の基準温度より大きい第４の基準温度以上である場合、前記流量制御部は、前記第２の循環部を動作させて前記第２の冷却流体を循環させ、前記第１の循環部の動作を停止することを特徴とする請求項５記載の電動機用冷却装置。
8. 前記電動機の回転数を検出するモータ回転数検出部を更に有し、
   前記流量制御部は、少なくとも前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数に基づいて、前記ステータコアの温度上昇速度と前記巻線の温度上昇速度との大小関係を推定し、
   推定した前記大小関係に基づいて、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の電動機用冷却装置。
9. 前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数が基準回転数未満である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を所定の流量とし、
   前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数が基準回転数以上である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量を増やす
   ことを特徴とする請求項８記載の電動機用冷却装置。
10. トルク指令値を出力するモータトルク指令部と、
    前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御部とを更に有し、
    前記流量制御部は、少なくとも前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値に基づいて、前記ステータコアの温度上昇速度と前記巻線の温度上昇速度との大小関係を推定し、
    推定した前記大小関係に基づいて、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の電動機用冷却装置。
11. 前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値が基準トルク値未満である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を所定の流量とし、
    前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値が基準トルク値以上である場合、前記流量制御部は、前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を増やす
    ことを特徴とする請求項１０記載の電動機用冷却装置。
12. トルク指令値を出力するモータトルク指令部と、
    前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御部と、
    前記電動機の回転数を検出するモータ回転数検出部を更に有し、
    前記流量制御部は、前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値及び前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数に基づいて、前記ステータコアの温度上昇速度と前記巻線の温度上昇速度との大小関係を推定し、
    推定した前記大小関係に基づいて、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の電動機用冷却装置。
13. 前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数が基準回転数未満であって、且つ前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値が基準トルク値未満である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量と前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を所定の流量とし、
    前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数が基準回転数以上であって、且つ前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値が基準トルク値未満である場合、前記流量制御部は、前記第１の循環部による第１の冷却流体の流量を増やし、
    前記モータ回転数検出部によって検出された前記回転数が基準回転数未満であって、且つ前記モータトルク指令部から出力された前記トルク指令値が基準トルク値以上である場合、前記流量制御部は、前記第２の循環部による第２の冷却流体の流量を増やす
    ことを特徴とする請求項１２記載の電動機用冷却装置。
14. 前記第１の冷却流体の温度を検出する第３の温度センサと、
    前記第２の冷却流体の温度を検出する第４の温度センサとを更に有し、
    前記所定の流量は、前記第３の温度センサにより検出された前記第１の冷却流体の温度及び前記第４の温度センサにより検出された前記第２の冷却流体の温度に基づいて設定されることを特徴とする請求項５、９、１１及び１３の何れか１項記載の電動機用冷却装置。

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