JP2008306861A - モータ利用機械 - Google Patents

Abstract

【課題】防災用オフロード電気自動車のようなモータ利用機械において、モータの回転数に応じてそれぞれの場面に適した方法でモータを冷却する。
【解決手段】
モータ２のケース２ｃ内のロータ２ａとステータ２ｂとに臨む内部空間に、電気絶縁性の冷却液を注入し、この冷却液によりモータ２を冷却する。モータ２が極低速回転を行う場合には、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液面高さを最高液位とし、モータ２が低速回転を行う場合には、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液面高さを中間液位とし、モータ２が高速回転を行う場合には、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液面高さを最低液位とする。モータを高出力動作させる場面において、モータの回転数に応じてそれぞれの場面に適した方法でモータを効果的に冷却することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機（モータ）を動力源として備えるモータ利用機械に関し、特に、電気自動車やハイブリッド自動車などのモータ利用機械に関する。

近年、産業分野及び自動車分野において、電動機（モータ）の小型化と高出力化という相反する２つの要求が求められる傾向にある。これらの相反する要求を満足するためにはモータを冷却する必要があるが、従来はこれらの用途に用いられるモータは空冷式が主流であった。ところが、最近では、モータの小型化と高出力化の要求に応えるために様々な冷却方式が考案されている。例えば、モータのステータとコイルエンドをカバー部材で覆って、その内部に冷却液を充填して冷却を行う冷却方式が採用されている（例えば、特許文献1参照）。また、ステータとコイルエンドをロータ側から隔離する隔壁をモータケースの内部に設けて、その内部に冷却液を充填する冷却方式も採用されている（例えば、特許文献２参照）。これらの２つの事例では、モータの内部に冷却液を封じ込めるためのカバー部材や隔壁を設ける必要があるために、モータ全体の耐震性や耐衝撃性がやや低下するものの、ロータが冷却液に接触することがないので、モータが高速回転してもロータと冷却液の間で粘性抵抗による損失を受けることがないため、モータの効率低下を防止することができる。

また、立型電動機において、ケーシング内部にあるロータとステータの両方に冷却液を流入又は噴霧して冷却を行う冷却方式も開示されている（例えば、特許文献３参照）。この冷却方式では、冷却に利用可能な冷却液の分量が少ないために、コイルから発生する熱量が大きい場合には充分に冷却できないこともあるが、冷却液の量を必要最小限にすることによって、モータの高速回転時におけるロータと冷却液との間の粘性抵抗による損失を小さくすることができる。

また、ロータの端面に冷却ファンを設け、ロータの回転に伴って空気流を生成して、ステータコイルのコイルエンドを冷却する技術も開示されている（例えば、特許文献４参照）。また、ロータの回転軸から冷却油を噴霧することにより、冷却油をミスト状にして、ステータコイルエンドを冷却する技術が開示されている（例えば、特許文献５参照）。また、冷却オイルとロータの継続的な接触を排除しつつ、冷却オイルを滴下口からコイルエンド部に噴霧する技術が開示されている（例えば、特許文献６参照）。さらに、モータ内部のコイル等の温度上昇を検出して、冷却液の流量を自動調整し、また、冷却液を流す部位を選択する技術が開示されている（例えば、特許文献７参照）。さらに、モータの電機子コイル全体を絶縁性の冷却液に浸漬させることによって高い冷却能力を発揮させる技術も開示されている（例えば、特許文献８参照）。但し、この技術はリニアモータの電機子コイルを冷却させるものであり、ロータが存在しないモータの構造において実現することができるものである。
特許第２７１６２８６号公報 特開２００３−１０２１４７号公報 特許３４９４７６７号公報 特開２００３−２７４６０６号公報 特開２００５−７３３５１号公報 特開平１１−３１８０５５号公報 特開２００６−７４９６２号公報 特開２００６−１２１８１３号公報

例えば、散乱する瓦礫や地すべり現場などで利用される防災用オフロード自動車は、瓦礫や地すべりによる段差や急斜面を乗り越えるため、通常の乗用車よりも大きな最大登坂能力と耐震・耐衝撃性が要求される。これらの要求は、シリーズハイブリッドの構造を持つ防災用オフロード電気自動車（以下、単に車両ということがある）についても同様に必須の基本性能となる。

このような最大登坂能力を実現するためには、モータには、極低速回転域で動作する（車両が極低速で走行する）場面で、非常に高い駆動トルク、例えば、一般的な電気自動車のモータの定格トルクの約３倍のトルクを発生させることが要求される。もし出力トルクが電流に比例するタイプのモータを使用する場合には、通常の電気自動車の３倍もの電流を流す必要がある。コイルの熱損失は電流の二乗に比例するので、電流が３倍に増大すると、９倍のエネルギー損失が熱となってコイルから発生する。

例えば、効率９５％（つまり、損失５％）のモータの場合には、極低速回転時において、定格トルクの約３倍のトルクを発生させると、５％×９＝４５％もの多大な損失が発生する。したがって、通常の約３倍の高トルクを連続的に発生し続けるためには、上記したような冷却方法（例えば、特許文献１乃至７）は冷却能力が不足し実用できない。

また、特許文献８に開示されたリニアモータのように、モータのコイル全体を絶縁性の冷却液に浸漬すれば強力な冷却効果を得ることはできる。しかしながら、この技術をロータをもつモータにそのまま適用しようとすると、高速回転時（つまり、車両の高速走行時）に、冷却液の粘性抵抗によってロータの回転エネルギーに大きな損失が発生して、燃費が著しく低下したり、冷却液の粘性抵抗により発熱量が増大したりするという問題が生じる。

一方、定格トルクが通常のモータより約３倍である高トルクモータを用いることも考えられるが、このようなモータは、従来の冷却方法を採用する限り、寸法や重量が大きく車両に搭載することができない場合がある。また、このようなモータは、高トルクを必要としない状況、例えば高速走行時においては、不経済である。

また、防災用オフロード電気自動車に搭載されるモータに対しては、耐震・耐衝撃性が求められるため、特許文献１や特許文献２に示したようなステータやコイルエンドだけを隔離して冷却するカバー部材や隔壁をモータ内に設ける構造を採用することができない。

従って、本発明の目的は、モータ利用機械のモータを高出力動作させる場面において、モータの回転数に応じてそれぞれの場面に適した方法でモータを冷却することにある。

本発明に従うモータ利用機械は、ロータとステータとが収容されたケースを有するモータ、を搭載したモータ利用機械において、前記ケース内の前記ロータと前記ステータとに臨む内部空間に冷却液を注入し、且つ前記内部空間から前記冷却液を排出する冷却液供給手段と、前記モータの回転数に応じて、前記冷却液供給手段を制御して、前記内部空間に存在する前記冷却液の量を変更する制御手段とを備える。

係るモータ利用機械によれば、モータのケース内のロータとステータとに臨む内部空間に冷却液を注入し、その内部空間に存在する冷却液の量をモータ回転数に応じて変更することができる。このため、モータ回転数に応じて最適な冷却を行うことができ、より大きな電流をモータに供給してより大きなトルクを発生させることができる。

また、上記モータ利用機械において、前記制御手段は、前記モータの回転数が高いほど、前記内部空間に存在する前記冷却液の量を減少させるようにしてもよい。係るモータ利用機械によると、ロータと冷却液との接触による熱発生を適切に低減させることができ、モータ全体における冷却効果を向上することができる。そのため、より大きな電流をモータに供給してより大きなトルクを発生させることができる。

また、上記モータ利用機械において、前記ロータの端面に、前記ロータの回転軸方向に起立し、前記内部空間内の冷却液を攪拌するための攪拌突起部を有し、前記攪拌突起部は、前記ロータの回転軸から半径方向に最も遠い部分において、回転軸方向の高さが最低となるように形成されていてもよい。係るモータ利用機械によると、ロータの回転数が高くなって冷却液が少なくなると、攪拌突起部と冷却液との接触面が減少するので、より高い回転時における攪拌突起部と冷却液との接触による熱の発生を適切に低減させることができ、モータ全体における冷却効果を向上することができる。そのため、より大きな電流をモータに供給してより大きなトルクを発生させることができる。

また、上記モータ利用機械において、前記攪拌突起部は、前記ロータの回転軸側から半径方向に遠ざかるほど、回転軸方向の高さが低くなるように形成されていてもよい。
係るモータ利用機械によると、ロータの回転数が高くなって冷却液が少なくなると、攪拌突起部と冷却液との接触面が減少するので、より高い回転時における攪拌突起部と冷却液との接触による熱の発生を適切に低減させることができ、モータ全体における冷却効果を向上することができる。そのため、より大きな電流をモータに供給してより大きなトルクを発生させることができる。

また、上記モータ利用機械において、前記攪拌突起部は、前記ロータの回転軸側の端部の回転軸方向の高さより、回転軸から最も遠い端部の回転軸方向の高さが低くなっていてもよい。係るモータ利用機械によると、ロータの回転数が高くなって冷却液が少なくなると、攪拌突起部と冷却液との接触面が減少するので、より高い回転時における攪拌突起部と冷却液との接触による熱の発生を適切に低減させることができ、モータ全体における冷却効果を向上することができる。そのため、より大きな電流をモータに供給してより大きなトルクを発生させることができる。

また、上記モータ利用機械において、前記制御手段は、前記内部空間に存在する前記冷却液の量を、前記ロータの攪拌突起部の少なくとも一部に冷却液が接触可能な量以上の範囲で変更するようにしてもよい。係るモータ利用機械によると、攪拌突起部が冷却液に接触して冷却液を前記内部空間内に飛ばして、各部を冷却することができるので、モータを効果的に冷却することができる。そのため、より大きな電流をモータに供給してより大きなトルクを発生させることができる。

本発明に従うモータ利用機械によれば、モータを高出力動作させる場面において、モータの回転数に応じてそれぞれの場面に適した方法でモータを冷却することができる。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータ利用機械の一部の構成図である。なお、同図においては、モータ利用機械の一例である防災用オフロード自動車の一部の構成であるモータ２の冷却を行う冷却システムを示している。

防災用オフロード自動車１は、防災用オフロード自動車１のタイヤを回転させるための回転トルクを発生させるモータ２と、冷却液配管３と、循環ポンプ４と、熱交換器５と、制御手段の一例としての制御装置８と、ガス吸排気部１０と、冷却液供給手段の一例としての冷却液保管シリンダ６と、アクチュエータ７と、切替スイッチ９とを備える。

ここで、冷却液は、電気絶縁性と良好な熱伝導性をもつことが望ましく、例えば、フロリナート（商標）のようなフッ素系不活性液体を用いることができる。因みに、フロリナートは、低い粘性、高い電気絶縁性、高い熱伝導性、不燃性、無臭及び無毒などの性質を有している。

モータ２は、ロータ２ａと、ステータ２ｂと、ロータ２ａとステータ２ｂとを収容するケース２ｃと、気体取り出し突起部２ｄとを有する。ケース２ｃ内には、ロータ２ａとステータ２ｂとに臨む内部空間がある。モータ２に注入された冷却液は、その内部空間に入り存在することになる。

図２は、本発明の一実施形態に係るロータ２ａの周囲の構成を説明する図である。

ロータ２ａの回転軸方向の端面２ｅには、図２（Ａ）に示すように、ケース２ｃの内部空間に存在する冷却液を攪拌するための複数（例えば、４つ）の攪拌突起２ｆが回転軸方向に起立するように設けられている。なお、ロータ２ａの両側の端面に攪拌突起２ｆを設けるようにしてもよい。

攪拌突起２ｆは、ロータ回転軸Ｏから半径方向に少しずれた位置Ａから、ロータの外周Ｃよりもロータ回転軸Ｏ側の位置Ｂまでにわたって形成されている。攪拌突起２ｆの形状は、攪拌突起２ｆのロータ回転軸方向の高さＨを、ロータ回転軸Ｏから半径方向の距離ｒで示すと、図２（Ｂ）に示すように、攪拌突起２ｆは、攪拌突起の位置Ａ（内周端）では、攪拌突起の高さが最大の高さのＨａとなっており、そこから半径方向に進むにつれて徐々に低くなり、位置Ｂ（外周端）において高さが０となっている。このような、攪拌突起２ｆの突起の高さの半径方向における変化は、距離ｒを用いて示すと、ｄＨ／ｄｒ≦０となっている。なお、本実施形態の攪拌突起２ｆは、位置Ａと位置Ｂとの間の所定の位置において、突起の高さが低くなるように形成されている。このような形状となっているので、後述する冷却液が最低液位の場合において、攪拌突起２ｆが冷却液と衝突する面積を抑えることができ、攪拌突起２ｆによるロータ２ａの回転への抵抗や、衝突に起因して発生する熱を低減することができる。

図１に戻り、本実施形態におけるモータ２は、ロータ２ａの周囲に冷却液を流さないとした場合における連続定格が５０ＫＷであり、動作効率が例えば９５％の性能を備えている。気体取り出し突起部２ｄは、モータ２１のケース２１ｃの上部に上方に突出するように形成されている。

気体取り出し突起部２ｄは、内部に気体を収容可能な空間を有し、モータ２内の冷却液が流れる（ロータとステータとに臨む）内部空間と連通している。更に、気体取り出し突起部２ｄ内の空間は、気体配管１０ａにも連通している。気体取り出し突起部２ｄがケース２ｃの他の部分より上方へ突出しているので、モータ２が或る程度傾いても、気体取り出し突起部２ｄ内の空間が冷却液で塞がれることが防止される。このため、モータ２がある程度傾いたとしても、モータ２の内部空間と気体配管２７ａとの連通状態が確保される。

冷却液配管３は、熱交換器５から押し出される冷却液がモータ２内部に注入されるように導くための配管である。

循環ポンプ４は、モータ２内から冷却液を負圧によって引き出すとともに、冷却液を循環させるためのポンプである。

熱交換器５は、循環ポンプ４によって流入された冷却液をエンジンラジエータ（図示せず）によって冷却される２次冷却水によって冷却させる、いわゆる水冷式の熱交換器である。本実施形態では、熱交換器５は、例えば、最大３０ＫＷの冷却能力を有する熱交換器としている。

冷却液保管シリンダ６は、冷却液を保管する冷却液貯め部６ｂ、空気を収容するエア貯め部６ｃと、冷却液貯め部６ｂとエア貯め部６ｃとの容積を変更させるためのシリンダ・ロッド（ピストン）６ａとを有する。

エア貯め部６ｃには、気体配管１０ａが接続されており、気体取り出し突起部２ｄと気体配管１０ａを介して連通している。気体配管１０ａにおける気体取り出し突起部２ｄとエア貯め部６ｃとの間の経路には、ガス吸排気部１０が設けられている。

ガス吸排気部１０は、気体配管１０ａ内部のガス圧が所定の最大圧力以上になった（つまり、ガス圧が異常上昇した）場合に、気体配管１０ａを大気開放して内部ガスを外へ放出し、気体配管１０ａ内部のガス圧が所定の最低圧力以下になった（つまり、ガス圧が異常低下した）場合に、大気開放して外の空気を気体配管１０ａ内に吸入する。これによって、例えば、モータ２内にガスが溜まっている状態で温度上昇によって内圧が高くなった場合であっても、あるいは、低温状態となってモータ２の内圧が下がった場合であっても、内圧を適切な範囲内にとどめて、気体配管１０ａへの外部圧力（例えば、大気圧）による負荷を低減することができる。なお、ガス吸排気部１０からは気化した冷却液の蒸気が外へ放出される可能性があるので、冷却液には、人体や地球のオゾン層やその他の環境に対し無害な物質を用いることが望ましい。

アクチュエータ７は、制御装置８の制御により、シリンダ・ロッド６ａを駆動する。

アクチュエータ７がシリンダ・ロッド６ａを冷却液貯め部６ｂの容積が増加する方向、すなわちモータ２内の冷却液の液位を下げる方向（図面「下げ」方向）に移動させると、冷却液貯め部６ｂの容量が増加し、エア貯め部６ｃの容量が減少し、冷却液を循環させる配管内の冷却液の一部が冷却液貯め部６ｂへ吸入され、モータ２内に存在する冷却液の量が減少し、その減少量に相当する量のエア貯め部６ｃ内の気体が気体配管１０ａを通じて気体取り出し突起部２ｄからモータ２内に供給される。

また、アクチュエータ７がシリンダ・ロッド６ａを冷却液貯め部６ｂの容積が減少する方向、すなわちモータ２内の冷却液の液位を上げる方向（図面「上げ」方向）に移動させると、冷却液貯め部６ｂの容量が減少し、エア貯め部６ｃの容量が増加し、冷却液貯め部６ｂの減少した容量に相当する冷却液が、冷却液配管３を通じてモータ２内に供給されて、モータ２内に存在する冷却液の量が増加し、その増加量に相当する量のモータ２内の気体が、エア貯め部６ｃに吸入される。

切替スイッチ９は、運転者によって、省エネルギー運転モード（省エネモード）と馬力優先モードとのいずれかのモードに切替設定できるようになっており、その切替設定に応じて、いずれのモードであるかを示す運転モード信号を制御装置８に出力する。
運転者は、典型的には、例えば、馬力が必要であることが多い場面では、切替スイッチ９を馬力優先モードに設定し、それ以外の場面においては、切替スイッチ９を省エネモードに設定する。

制御装置８は、切替スイッチ９から出力された運転モード信号に基づいて、モータ２内の上述した内部空間に存在する冷却液の量をモータ回転数に応じて制御するか否かを判定する。本実施形態では、制御装置８は、運転モード信号が省エネモードの場合には、アクチュエータ７によってシリンダ・ロッド６ａを駆動して、冷却液保管シリンダ６に保管される冷却液の量を調整させて、モータ１の内部空間に存在する冷却液が所定の最低液位となるように制御する。

また、制御装置８は、運転モード信号が馬力優先モードの場合には、図示しない回転数センサからモータ２の回転数を取得し、当該回転数に応じて、モータ２の内部空間に存在する冷却液の量を制御する。例えば、モータ２の回転数が極低速（例えば、１００ｒｐｍ以下）である場合には、制御装置８は、アクチュエータ７によってシリンダ・ロッド６ａを駆動することにより、冷却液保管シリンダ６に保管される冷却液の量を制御させて、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液面の高さが最高液位（例えば、モータ２内部に冷却液が充満した状態）となるように制御する。また、モータ２の回転数が低速（例えば、１００ｒｐｍより速く、３０００ｒｐｍ以下）である場合には、制御装置８は、アクチュエータ７によってシリンダ・ロッド６ａを駆動することにより、冷却液保管シリンダ６に保管される冷却液の量を制御させて、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液面の高さが中間液位となるように制御する。また、モータ２の回転数が高速（例えば、３０００ｒｐｍより速い）である場合には、制御装置８は、アクチュエータ７によってシリンダ・ロッド６ａを駆動することにより、冷却液保管シリンダ６に保管される冷却液の量を制御させて、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液面の高さが最低液位となるように制御する。

図３は、本発明の一実施形態に係る冷却液の液面の高さ毎のモータ２内の状態を説明する図である。図３（Ａ）は、冷却液を最低液位にした場合におけるモータ２内の状態を示し、図３（Ｂ）は、冷却液を中間液位にした場合におけるモータ２内の状態を示し、図３（Ｃ）は、最高液位にした場合におけるモータ２内の状態を示す。なお、図３中においては、ステータ２ｂは、図示を省略している。

冷却液を最低液位にした場合には、図３（Ａ）に示すように、ロータ２ａは、最も低い位置の近傍が冷却液に沈み込むようになる。また、ロータ２ａの攪拌突起２ｆは、もっとも低い位置の近傍に存在する場合において、外周側の一部のみが冷却液に沈みこととなる。なお、本実施形態では、最低液位としては、例えば、冷却液をモータ２内に充満させた場合の高さ(ｈmax)の０．２５倍の高さとしている。

この状態では、ロータ２ａと冷却液との接触が少ないとともに、攪拌突起２ｆと冷却液との接触も外周部の一部のみとなっているので、ロータ２ａの回転に対する冷却液の粘性抵抗の影響を抑えることができる。このように冷却液を最低液位にした状態で、モータ２を例えば、３０００ｒｐｍよりも速い回転で動作させるようにすると、攪拌突起２ｆの外周側の一部が冷却液と衝突することとなり、冷却液を砕いて冷却液をミスト状にする。なお、ミスト状の冷却液を冷却ミストということとする。このように生じた冷却ミストは、モータ２内に充満する。冷却ミストは、単位質量あたりの表面積が大きく熱に対する吸収効率が高いので、ステータコイルエンドなどの高温部を効率的に冷却することができる。

また、このように高回転で動作している場合には、上述のように攪拌突起２ｆの外周部の一部が冷却液と衝突して冷却ミストを生じさせるので、冷却ミストに相当する分だけ冷却液の液面が下がる。この際、攪拌突起２ｆは、外周端に至って高さが減少している形状となっているので、攪拌突起２ｆが冷却液と接触する面積が減って、モータ２内の冷却ミストの量が必要以上にならないようにすることができるとともに、攪拌突起２ｆが冷却液と接触することによるモータ２の回転ロスを低減することができる。

冷却液を中間液位にした場合には、図３（Ｂ）に示すように、ロータ２ａは、ロータ２ａの中心まで冷却液に沈み込むようになる。本実施形態では、中間液位としては、例えば、冷却液をモータ２内に充満させた場合の高さ（ｈmax）の０．５倍の高さとしている。また、ロータ２ａの攪拌突起２ｆは、ロータ回転軸の中心よりも低い位置に存在する場合において、全体が冷却液に沈みこととなる。この状態で、モータ２を例えば、８００ｒｐｍ程度の低速回転で動作させるようにすると、攪拌突起２ｆは、冷却液を細かく砕かずに、冷却液をすくいあげることなる。このようにすくいあげられた冷却液は、モータ２内部で飛び散ってステータコイルエンド等の高温部を効果的に冷却する。

中間液位の状態では、ロータ２ａ及びステータ２ｂと、冷却液との接触が最低液位の状態より多くなるので、ロータ２ａやステータ２ｂを効果的に冷却することができる一方、最低液位の状態よりは、ロータ２ａの回転に対する冷却液の粘性抵抗の影響（モータの動作効率や熱の発生）が大きくなる。中間液位の状態においては、低速回転時（例えば、１００ｒｐｍより速く、３０００ｒｐｍ以下）であれば、冷却液とロータ２ａとが接触することにより発生する熱を、冷却液によって十分に取り除くことができ、さらに、最低液位の状態で許容される電流よりもより大きな電流をモータ２に流しても十分に冷却することができる。このため、最低液位とした場合よりもより大きなトルクをモータ２により発生させることができる。

冷却液を最高液位にした場合には、図３（Ｃ）に示すように、ロータ２ａは、全体が冷却液に沈み込むようになる。本実施形態では、最高液位としては、例えば、冷却液をモータ２内に充満させた場合の高さ（ｈmax）としている。また、ロータ２ａの攪拌突起２ｆは、常に冷却液中に存在することとなる。

最高液位の状態では、ロータ２ａやステータ２ｂと、冷却液とが常に接触するようになっており、モータ２を例えば、１００ｒｐｍ以下の極低速回転動作であれば、冷却液とロータ２ａとの接触による発熱の影響を殆ど受けず、ロータ２ａやステータ２ｂを効果的に冷却することができる。この状態では、攪拌突起２ｆがモータ２内に充満した冷却液を攪拌するので、冷却液による冷却を効果的に行うことができる。したがって、モータ２に中間液位の状態で許容される電流よりも更に大きな電流を流しても十分に冷却することができる。これにより、より大きなトルクをモータ２に発生させることができる。

図１に戻り、制御装置８は、アクチュエータ７によるシリンダ・ロッド６ａの押し込み長さ（シリンダ押し込み長さという）を制御することにより、モータ２内部の液面の高さを制御している。

ここで、シリンダ押し込み長さと、冷却液の液面の高さとの関係を以下に説明する。

図４は、シリンダ押し込み長さと、冷却液の液面高さとの関係を説明する図である。

モータ２が水平の状態においては、モータ２の内部空間に存在する冷却液の液量（容積）Ｖとモータ内の液面の高さｈとは、モータ２の内部構造によって決まる関数Ｆによって、式（１）で示される。

Ｖ＝Ｆ（ｈ） （１）
ここで、モータ２内の冷却液の液面の高さｈは、図４（Ａ）に示すように、モータ２の最下の位置からの高さとなっている。なお、モータ２内に冷却液を充満させた場合における液面の高さをｈmaxで表す。

本実施形態におけるモータ２においては、関数Ｆは、図４（Ｂ）に示すように、単調増加関数となっている。なお、Ｖmotorは、モータ２に冷却液を充満させた場合における冷却液の容積を示している。

式（１）より、液面高さｈは、Ｆの逆関数Ｆ^−１によって、式（２）で表わされる。

ｈ＝Ｆ^−１（Ｖ） （２）
冷却液保管シリンダ６の冷却液貯め部６ｂの断面積（冷却液が貯められる領域の断面積）をＳとすると、モータ２内の冷却液の容積Ｖと、シリンダ押し込み長さｘとの関係は、式（３）で表される。

Ｖ＝Ｖmotor−Ｓｘ （３）
なお、ｘ＝０において、Ｖ＝Ｖmotorとなるように各部が構成されているものとする。

上記した式（２）及び式（３）から、モータ２内の液面の高さｈと、シリンダ押し込み長さｘとの関係は、式（４）で表される。

ｈ＝Ｆ^−１（Ｖmotor−Ｓｘ） （４）
式（４）の関係は、図４（Ｃ）に示すようになる。ここで、ｘ０は、モータ２内部の冷却液の液面高さｈがゼロとなる場合におけるシリンダ押し込み長さｘの値を示し、ｘmaxは、シリンダ押し込み長さの最大長さを示している。図４（Ｃ）に示すように、シリンダ押し込み長さｘを調整することにより、モータ２内の冷却液の液面を所望の高さに制御できることがわかる。

ここで、モータ２内に冷却液を充満させた場合におけるシリンダ押し込み長さｘを０として各部を構成していたとしても、使用によって冷却液が漏れる等すると、シリンダ押し込み長さｘが０において、モータ２内に冷却液が充満していない状況が発生する可能性がある。

そこで、本実施形態では、冷却液保管シリンダ６により多くの冷却液を保管するようにして、シリンダ押し込み長さｘinit（０よりも長い長さ）において、モータ２内に冷却液が充満するようにしている。

図４（Ｄ）には、より多くの冷却液を保管するようにした場合におけるシリンダ押し込み長さｘと液面高さｈとの関係を示している。図４（Ｄ）は、図４（Ｃ）におけるｘ＝０がｘinitに対応するようなグラフとなっている。

図４（Ｄ）に示すように、シリンダ押し込み長さｘをｘinitとすると、モータ２内に冷却液を充満させることができ、それより更に押し込むことにより、モータ２内の冷却液を減少させることができる。

ここで、ｘinitの具体的な値は、モータ２内に冷却液が充満したことを検出する検出器を備えるようにし、当該検出器の検出結果によって、検出することができる。例えば、ｘinitを所定時間毎に検出するようにすると、常に、モータ２内の冷却液の高さを正確に調整することができる。

なお、モータ２内に冷却液が充満しているか否かの検出方法としては、次のような方法がある。すなわち、モータ２内の内部空間の下部及び最上部の２箇所に温度センサを設け、制御装置８が、これら温度センサの出力を比較しつつ、シリンダ・ロッド６ｃをモータ２内の冷却液の高さを上げる方向（図１中の「上げ」方向）に徐々に引き抜く。そして、制御装置８が、２箇所の温度センサからの出力に大きな差異があれば、下部の温度センサだけが冷却液に沈んでいると把握し、両方の温度センサからの出力が略同じ出力となった場合には冷却液がモータ２内に充満していると把握する。なお、制御装置８は、充満していると把握した場合におけるシリンダ押し込み長さｘをｘinitとして検出し、ｘinitに基づいて、シリンダ押し込み長さｘと液面高さｈとの関係を調整し、この調整した関係に基づいて以降における液面高さの調整制御に利用する。

図１に戻り、制御装置８は、切替スイッチ９から出力された運転モード信号に基づいて、モータ２の動作を制御する。例えば、制御装置８は、運転モード信号が省エネモードの場合には、省エネ運転に比較的適した制御、すなわち、モータ２に供給する最大電流値を比較的低い所定の電流値（ケース２ｃ内の冷却液の液面の高さが最低液位である場合におけるモータ２の定格電流値）とした範囲内での制御を行う。また、制御装置８は、運転モード信号が馬力優先モードの場合には、高馬力運転に比較的適した制御、すなわち、モータ２に供給する最大電流値を高いトルクを発生させるための高い電流値（例えば、ケース２ｃ内の冷却液の液位に応じて許容される最大電流値）とした範囲内での制御を行う。

次に、モータ利用機械１の冷却システムの動作について説明する。

図５は、図１に示す冷却システムの処理動作のフローチャートである。

制御装置８は、切替スイッチ９から運転モード信号を受信すると、運転モード信号の内容を判断する（ステップＳ１）。ここで、運転モード信号の内容が省エネ運転モードであれば、制御装置８は、モータ２の内部の冷却液の液位を最低液位にするように制御する（ステップＳ５）。

具体的には、制御装置８は、アクチュエータ７によってシリンダ押し込み長さを、最低液位に対応する長さに調整する制御を行う。これによって、モータ２内の冷却液の液位が最低液位となり、モータ２の内部の冷却液が少量となるので、冷却液とロータ２ａとの接触面が少なくなるとともに、攪拌突起２ｆと冷却液との接触が攪拌突起２ｆの一部となるので、ロータ２ａの回転損失を低減することができる。したがって、モータ２が効率よく回転動作することができる。例えば、防災用オフロード自動車が効率よく高速移動することができる。

また、ステップＳ１において、運転モード信号の内容が馬力優先であれば、制御装置８は、モータ２の回転数をセンサから取得し、回転数が極低速、低速、又は、高速のいずれであるかを判断する（ステップＳ２）。

この結果、極低速と判断した場合には、制御装置８は、モータ２の内部の冷却液の液位を最高液位にするように制御する（ステップＳ３）。

具体的には、制御装置８は、アクチュエータ７によってシリンダ押し込み長さを、最高液位に対応する長さ（ｘinit）に調整する制御を行う。これによって、モータ２内の冷却液の液位が最高液位となり、ロータ２ａやステータ２ｂと、冷却液とが常に接触するようになる。モータ２のロータ２ａは、極低速回転しているので、ロータ２ａの回転に対する冷却液の粘性抵抗に影響力が弱いので問題がなく、ロータ２ａやステータ２ｂを効果的に冷却することができる。この状態では、攪拌突起２ｆがモータ２内に充満した冷却液を攪拌するので、冷却液による冷却を効果的に行うことができる。このため、モータ２に大電流を供給して、高トルクを発生させても、モータ２が過熱するおそれがない。

また、ステップＳ２の結果、低速と判断した場合には、制御装置８は、モータ２の内部の冷却液の液位を中間液位にするように制御する（ステップＳ４）。

具体的には、制御装置８は、アクチュエータ７によってシリンダ押し込み長さを、中間液位に対応する長さに調整する制御を行う。これによって、モータ２内の冷却液の液位が中間液位となり、ロータ２ａは、ロータ２ａの中心まで冷却液に沈み込むようになる。この場合、ロータ２ａの攪拌突起２ｆは、ロータ回転軸の中心よりも低い位置に存在する場合において、全体が冷却液に沈みこととなる。この状態においては、低速回転時（例えば、１００ｒｐｍより速く、３０００ｒｐｍ以下）であるので、冷却液とロータ２ａとが接触することにより発生する熱を、冷却液によって十分に取り除くことができ、さらに、最低液位の状態で許容される電流よりもより大きな電流をモータ２に流しても十分に冷却することができる。このため、最低液位とした場合に発生できるトルクよりも大きなトルクをモータ２により発生させることができる。

また、ステップＳ２の結果、高速と判断した場合には、制御装置８は、モータ２の内部の冷却液の液位を最低液位にするように制御する（ステップＳ５）。したがって、モータ２が効率よく高回転動作することができる。例えば、防災用オフロード自動車が効率よく高速移動することができる。

このように、上記実施形態によれば、モータの回転速度に応じてモータ内の冷却液の高さを調整することにより、モータの冷却方法を変えるようにしたので、各回転速度に適した最適な冷却を行うことができる。このため、各回転速度においてモータ２により大きな電流を流すことができるようになり、モータ２により大きなトルクを発生させることが可能になる。

また、上記実施形態によれば、モータ２の内部に冷却液を隔離するためのカバー部材や隔壁を備えておく必要がないので、耐震・耐衝撃性を維持することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の適用範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。

例えば、上記実施形態では、攪拌突起２ｆの形状を図２に示すようにしていたが、本発明はこれに限られず、例えば、冷却液の粘性が高いために中間液位から最高液位までの状態において十分に攪拌できない場合には、次のようにすることができる。

図６は、本発明の変形例に係る攪拌突起の形状を示す図である。

攪拌突起２ｆは、外周端（位置Ｂ）近傍において、外周端に近づくにつれて高さが徐々に減少する形状とし、その部分よりも内周側において図２に示す攪拌突起の高さ（Ｈａ）より高い部分を有する形状としてもよい。係る攪拌突起２ｆによれば、より効果的に冷却液を攪拌することができる。

また、上記実施形態においては、制御装置８は、馬力優先モードの場合に、回転速度に応じて冷却液の液位を３段階のいずれかに切り替えるようにしていたが、回転速度に応じてより多くの段階に切り替えるようにしてもよく、また、次に示すように、連続的に切り替えるように制御してもよい。

図７は、本発明の変形例に係るモータの回転数と、冷却液の液面高さとの関係の一例を示す図である。

制御装置８を、回転数センサからモータ２の回転数を逐次受信するようにし、図７に示すような単調減少線（曲線又は折れ線）で示される対応関係に基づいて、当該回転数に対応する液面高さを検出するようにし、検出した液面高さになるようにモータ２内の冷却液の液面高さを調整するようにしてもよい。このようにすると、モータ２の回転数に応じて、その回転数において適した冷却を行うことができ、より大きなトルクを発生させることができるようになる。

また、上記実施形態において、モータ２内に、冷却液の液面が所定の位置より低下したことを検出する液面低減センサを備えるようにしてもよい。この液面低減センサによると、液漏れ等によりモータ内部の冷却液の量が異常に減少したことを適切に検出することができる。

また、上記実施形態では、モータ利用機械として、防災用オフロード電気自動車を例に説明していたが、本発明はこれに限られず、大トルクを必要とするモータを搭載した他のモータ利用機械に適用することができる。

本発明の一実施形態に係るモータ利用機械の要部の構成図である。 本発明の一実施形態に係るロータの周囲の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る冷却液の液面の高さ毎のモータ２内の状態を説明する図である。 シリンダ押し込み長さと、冷却液の液面高さとの関係を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る冷却システムの処理動作のフローチャートである。 本発明の変形例に係る攪拌突起の形状を示す図である。 本発明の変形例に係るモータの回転数と、冷却液の液面高さとの関係を示す図である。

符号の説明

１ 防災用オフロード自動車、２ モータ、２ａ ロータ、２ｂ ステータ、２ｃ ケース、２ｄ 気体取り出し突起部、２ｅ 端面、２ｆ 攪拌突起、３ 冷却液配管、４ 循環ポンプ、５ 熱交換器、６ 冷却液保管シリンダ、６ａ シリンダ・ロッド、６ａ エア貯め部、６ｂ 冷却液貯め部、７ アクチュエータ、８ 制御装置、９ 切替スイッチ、１０ ガス吸排気部。

Claims (6)

1. ロータ（２ａ）とステータ（２ｂ）とが収容されたケース（２ｃ）を有するモータ（２）、を搭載したモータ利用機械（１）において、
   前記ケース（２ｃ）内の前記ロータ（２ａ）と前記ステータ（２ｂ）とに臨む内部空間に冷却液を注入し、且つ前記内部空間から前記冷却液を排出する冷却液供給手段（６）と、
   前記モータ（２）の回転数に応じて、前記冷却液供給手段を制御して、前記内部空間に存在する前記冷却液の量を変更する制御手段（８）と
   を備えるモータ利用機械。
2. 前記制御手段（８）は、前記モータ（２）の回転数が高いほど、前記内部空間に存在する前記冷却液の量を減少させる
   請求項１に記載のモータ利用機械。
3. 前記ロータ（２ａ）の端面に、前記ロータ（２ａ）の回転軸方向に起立し、前記内部空間内の冷却液を攪拌するための攪拌突起部（２ｆ）を有し、前記攪拌突起部（２ｆ）は、前記ロータ（２ａ）の回転軸から半径方向に最も遠い部分において、回転軸方向の高さが最低となるように形成されている
   請求項２に記載のモータ利用機械。
4. 前記攪拌突起部（２ｆ）は、前記ロータ（２ａ）の回転軸側から半径方向に遠ざかるほど、回転軸方向の高さが低くなるように形成されている
   請求項３に記載のモータ利用機械。
5. 前記攪拌突起部（２ｆ）は、前記ロータ（２ａ）の回転軸側の端部の回転軸方向の高さより、回転軸から最も遠い端部の回転軸方向の高さが低くなっている
   請求項３に記載のモータ利用機械。
6. 前記制御手段（８）は、前記内部空間に存在する前記冷却液の量を、前記ロータの攪拌突起部（２ｆ）の少なくとも一部に冷却液が接触可能な量以上の範囲で変更する
   請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載のモータ利用機械。

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