JP2010220274A - 回転電機の冷媒流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な冷却と高効率化を図ることが可能な回転電機の冷媒流量制御装置を提供すること。
【解決手段】 回転電機の冷媒流量制御装置において、ハウジング内の上部に汲み上げられる冷媒のうち、モータ内に供給される流量と冷媒溜りに還流される流量とを、回転電機の出力トルクの反力に応じて変更する流量制御バルブを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転電機の冷媒流量を制御する装置に関する。

従来、ハウジング内のオイル液面を調整する液面高さ調整手段として、特許文献１に記載の技術が知られている。この公報には、ギアで掻き揚げられるオイルを受け入れて貯留するオイルキャッチタンクと、このタンクのオイル排出口を開閉するドレーン弁と、変速機がパーキングポジションのときはドレーン弁を解放し、オイルキャッチタンク内のオイルをケース内に戻してケース内のオイルの液面高さを高くする一方、駆動系のシフトポジションが選択された場合には、ドレーン弁を閉塞して、オイルキャッチタンクにケース内のオイルを貯留するようにして、ハウジング内のオイルの液面高さを低くする技術が開示されている。

特開２００８−５１１７６号公報

しかしながら、駆動系のシフトポジションが選択されている場合でも、低回転高トルクという状態は当然に想定され、単にオイル液面を低下させると十分な冷却を行えないという問題があった。また、低回転でも十分な冷却ができるようにオイルの液面を高くすると、高回転時にはフリクションが増大し、効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、駆動状態に応じた冷媒流量を供給可能な回転電機の冷媒流量制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の回転電機の冷媒流量制御装置では、ロータにより駆動されるポンプを用いて冷媒を汲み上げ、ハウジング内の上部に連通する流路における冷媒流量と冷媒溜りに還流される流路における冷媒流量とを、回転電機の出力トルクに対する反力により変更する流量制御バルブを備えた。

低回転高トルク時には、ポンプの汲み上げる冷媒量が少ないものの、反力が大きいため流量制御バルブによって多くがハウジング内に流れ込む。よって、低回転でも十分冷却することができる。一方、高回転低トルク時には、ポンプの汲み上げる冷媒量が多いものの、反力が小さいため流量制御バルブによって多くが冷媒溜りに還流される。よって、フリクションを抑制して高効率化を図ることができる。

実施例１のドライブユニットを表す概略図である。 実施例１の反力伝達機構の構成を表す概略図である。 実施例１のドライブユニットの潤滑特性を表す概略図である。 実施例１の流量制御バルブのストローク量と流量特性との関係を表す特性図である。 実施例１の最終的な流量特性の設定プロセスを表す特性図である。 実施例２の流量制御バルブ１１のストローク量と流量特性との関係を表す特性図である。 実施例３の反力伝達機構の構成を表す概略図である。 実施例４のドライブユニットの構成を表す概略図である。

図１は本発明の回転電機の冷媒流量制御装置が適用された実施例１のドライブユニットの構成を表す概略図である。このドライブユニットは、円筒形であって両側が閉塞されたハウジング１と、ハウジング１内周に固定支持され複数のコイルから成るステータ２と、複数の永久磁石対から構成されステータ２の内周側において回転するロータ３と、ロータ３と一体に回転する駆動軸４を有する。ステータ２とロータ３によりモータ（回転電機）を構成する。尚、図１に示すように、ハウジング１は車両等に搭載された状態を表し、図１中の上方向は車両搭載時の鉛直方向上方と一致し（以下、上と記載する）、下方向は車両搭載時の鉛直方向下方と一致する（以下、下と記載する）。以下の説明において高い、低いという言葉は、この上下方向に沿った概念を表すものとする。

ハウジング１の下部にはロータ３の一部が浸漬する冷媒溜り７が形成されている。また、ハウジング１の左側面には円筒部を閉塞する第１側壁１ａが形成され、この第１側壁１ａの下方にはオイルパン６が取り付けられている。ハウジング１内の冷媒溜り７とオイルパン６とは流路８を介して連通されている。また、ロータ３にはオイルポンプ１０が接続され、ロータ３の回転数に応じてオイルパン６内のオイルをハウジング１の上部に汲み上げる。

駆動軸４には減速機構として遊星歯車機構ＰＧが設けられている。遊星歯車機構ＰＧはサンギヤＳと、ピニオンＰを軸支するピニオンキャリヤＰＣと、リングギヤＲから構成されている。駆動軸４はサンギヤＳに連結され、ピニオンキャリヤＰＣには出力軸５が連結され、リングギヤＲはハウジング１に対し僅かに相対回転可能に支持されている。リングギヤＲの外周には後述する流量制御バルブ１１を作動させるための反力伝達機構２０が配置され、この反力伝達機構２０を介して流量制御バルブ１１の作動を制御する。この反力伝達機構２０については後述する。出力軸５は図外の車両の駆動輪に接続され、インホイールモータとして構成されている。

オイルパン６には、オイルポンプ１０の吸入側と接続された吸入油路101が接続されている。また、オイルポンプ１０の吐出側と接続された吐出油路102には、流量制御バルブ１１が設けられている。流量制御バルブ１１の下流側には、ハウジング１内の上部に開口するオイル供給ポート103aと接続された第１流路103と、オイルパン６に接続されて汲み上げたオイルをオイルパン６内に還流する第２流路104が接続されている。流量制御バルブ１１は、オイルポンプ１０により汲み上げられたオイルを第１流路103と第２流路104に分配する分配量を制御する。

図２は反力伝達機構２０の構成を表す概略図である。図２（ａ）に示すように、反力伝達機構２０は、リングギヤＲの外周から外周方向に延在された反力伝達ロッド２１と、反力生成シリンダ２２と、反力生成シリンダ２２内に収装されて反力伝達ロッド２１の作動によりストロークする反力生成ピストン２３と、反力生成ピストン２３もしくは反力伝達ロッド２１を初期位置に付勢するリターンスプリング２４が取り付けられている。

また、反力生成シリンダ２２で発生した圧力を流量制御バルブ１１側に伝達する反力伝達配管２５と、流量制御バルブ１１の一端に形成され反力伝達配管２５内で生じた圧力を受ける受圧面２６と、流量制御バルブ１１を初期位置に付勢するリターンスプリング２７とを有する。尚、図２に示す流量制御バルブ１１の位置は、中程度の反力が発生している状態を示し、反力が生じていない初期位置は、図２中の右端に位置した状態となる。流量制御バルブ１１は、反力が大きいときは吐出流路102と第１流路103とを連通し、反力が小さいときは吐出流路102と第２流路104とを連通し、反力が中程度のときは吐出流路102と第１流路103及び第２流路104の両方と連通する。

図２（ｂ）に示すように、ロータ３から駆動軸４に出力されたモータトルクは、遊星歯車機構ＰＧの減速比に応じて減速されて出力軸５から出力される（出力トルク）。このとき、リングギヤＲには反力トルクが作用する。この反力トルクによって反力伝達ロッド２１を作動させ、反力生成シリンダ２２内に圧力を発生させてバルブ作動ピストン２６を駆動する。

〔潤滑作用〕
次に、実施例１のドライブユニットにおける潤滑作用について説明する。図３は実施例１のドライブユニットの潤滑特性を表す概略図である。オイルポンプ１０による吐出流量はオイルポンプ１０の回転数に比例する。言い換えると、ロータ３とオイルポンプ１０は一体に回転することから、オイルポンプ１０の吐出流量は回転数に拘束されている。一方、モータの要求油量は、モータの各運転点での損失特性によって決定される。損失が高いほど発熱の可能性が高いことから要求流量は多くなり、損失が低いほど発熱の可能性が低いことから要求流量は少なくなる。つまり、モータの要求油量はモータ回転数と線形な関係には無く、回転数とトルクによって決定されるのである。

そこで、ロータ３と一体に回転駆動するオイルポンプ１０を設けると共に、高トルク時には汲み上げられたオイルの大半を第１流路103に流れるよう反力を用いて流量制御バルブ１１を調整し、低トルク時には汲み上げられたオイルの大半を第２流路104に流れるよう反力を用いて流量制御バルブ１１を調整する。具体的には、図３のモータ出力特性に示すように、等損失マップに沿った流量特性となるように流量制御バルブ１１を制御する。

〔流量特性ｃ（L/min）を得る場合〕
例えば、モータの運転点として低回転高トルクを表すA点で動作させた場合、低回転であればオイルポンプ１０により汲み上げられる流量は比較的少なめである。流量制御バルブ１１は出力トルクに応じた反力により作動するため、汲み上げられた全てのオイルを第１流路103側に流し、十分な流量を確保する。すなわち、出力トルクが高ければ反力も大きくなることから、第１流路103側に流れる流量を増大させて十分な冷却性能を得ることができる。

一方、高回転高トルクを表すB点で動作させた場合、高回転であればオイルポンプ１０により汲み上げられる流量は比較的多めである。流量制御バルブ１１は出力トルクに応じた反力により作動するため、汲み上げられたオイルの一部分を第１流路103側に流し、その他を第２流路104側に流す。すなわち、出力トルクが低くなった分第１流路103側に流れる流量を減少させる。これにより、回転数が高まったとしてもA点と同じ流量特性ｃ（L/min）を得ることができる。

〔流量特性ｂ（L/min）（＜ｃ）を得る場合〕
次に、モータの運転点として低回転中トルクを表すC点で動作させた場合、低回転であればオイルポンプ１０により汲み上げられる流量は比較的少なめである。流量制御バルブ１１は出力トルクに応じた反力により作動するため、汲み上げられたオイルの大部分を第１流路103側に流し、出力トルクがA点より低い分だけ第２流路104側に流すことで、モータ損失に応じた流量を確保する。一方、高回転中トルクを表すD点で動作させた場合、高回転であればオイルポンプ１０により汲み上げられる流量は比較的多めである。流量制御バルブ１１は出力トルクに応じて作動させるため、汲み上げられたオイルの一部分を第１流路103側に流し、出力トルクの低下分だけ第２流路104側に流す。すなわち、出力トルクが低くなった分第１流路103側に流れる流量を減少させる。これにより、回転数が高まったとしてもC点と同じ流量特性ｂ（L/min）を得ることができる。尚、流量特性ａ（L/min）を得る場合には、更に流量制御バルブ１１によって第２流路104に還流する量が増大する。

ここで、流量特性設定プロセスについて説明する。図４は流量制御バルブ１１のストローク量と流量特性との関係を表す特性図である。図４（ａ）に示すように、流量制御バルブ１１のストローク位置と第１流路103に流れる流量との関係を検討する。この場合、オイルポンプ１０を一定回転数（3000rpm）で駆動した場合、図４（ｂ）に示すように、ストロークの初期においては緩やかに流量が増大し、ストロークの後期においてはほぼ線形に流量が増大している特性が見て取れる。ストローク量は、反力によって決定されるため、モータ出力トルクと流量の関係は図４（ｃ）に示す関係となることが分かる。

図５は最終的な流量特性の設定プロセスを表す特性図である。流量制御バルブ１１をある位置に固定し、オイルポンプ１０の回転数を変化させたとき、第１流路103に流れる流量は回転数に対して線形に増大していく（図５（ａ）参照）。よって、図４において説明したモータ出力トルクに対する流量特性を重ね合わせると、モータ出力トルク毎に回転数に対する流量特性を描くことができ、この描かれた範囲が流量調整可能範囲となる。この関係を用いることで、図３に示すように回転数とトルクによって流量特性をモータ損失に応じた特性に設定する。

以上説明したように、実施例１にあっては下記の作用効果を得ることができる。
(1) ハウジング１内に収装されたロータ３を有するモータ（回転電機）と、オイル（冷媒）を貯留するオイルパン６と、ロータ３により駆動されオイルパン６に貯留されたオイルをハウジング１上部に汲み上げるオイルポンプ１０と、オイルポンプ１０の吐出口側に接続されハウジング１内の上部に接続された第１流路103と、オイルポンプ１０の吐出口側に接続されオイルパン６に接続された第２流路104と、モータの出力トルクに対する反力により作動し、反力が高いときは、低いときに比べて第１流路103側への供給量を増大させ、第２流路104側への供給量を減少させる流量制御バルブ１１と、を備えた。

低回転高トルク時には、オイルポンプ１０の汲み上げるオイルが少ないものの、流量制御バルブ１１によって多くがハウジング１内に流れ込むため、低回転でも十分冷却することができる。一方、高回転低トルク時には、オイルポンプ１０の汲み上げるオイルが多いものの、流量制御バルブ１１によって多くがオイルパン６に還流されるため、過剰な流量とならずフリクションを抑制できる。

また、モータ損失とモータ側の要求流量とは相関を有する。このとき、モータ反力を利用して流量調整することで、特別な電子制御アクチュエータ等を備えることなく、機械的構成によって最適な流量調整を達成できる。すなわち、オイルポンプ吐出量が回転数により規定されていても、実際にモータ側に供給される流量をモータ損失に応じた流量に設定できるからである。

(2)モータは、ロータ３と接続されたサンギヤＳと、出力軸５と接続されたキャリヤＰＣと、リングギヤＲとを有し、流量制御バルブ１１は、ハウジング１とリングギヤＲとの間に作用する反力によって作動することとした。よって、ステータ２のようにロータ３との位置関係が重要なものを利用するのではなく、多少の相対移動が生じても問題の無い要素を用いることで、安定したモータ制御を達成できる。

(3)モータは、電動車両のインホイールモータである。インホイールモータはタイヤのサイズが限られていることから、レイアウト上制約が非常に多い。このとき、他のユニットと分離独立して流量を制御できるように構成しているため、搭載性が良好な冷媒流量制御装置を提供することができる。

次に実施例２について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため異なる点についてのみ説明する。図６は実施例２の流量制御バルブ１１のストローク量と流量特性との関係を表す特性図である。図６（ａ）に示すように、流量特性をストローク初期は流量変化をより少なく設定し、ストローク後期は流量変化を大きく設定するものである。具体的には、図６（ｂ）に示すように、流量制御バルブ１１の形状として、第１流路103側に斜面を形成し、これにより流量変化感度調整部とする。これにより、ストロークが大きくなると流量を等比級数的に増大させることができる。一方、第２流路104側に斜面を形成すれば、ストロークが大きくなってもあまり流量は変化せず、ストロークが小さいときに大きく流量を増大させることも可能である。

(4)モータの出力トルクが低いときの流量変化率と出力トルクが高いときの流量変化率とが異なるように設定することで、モータの特性に応じて自由に流量特性を設定することができ、より状態に応じた冷媒流量制御を達成できる。

次に実施例３について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため、異なる点についてのみ説明する。図７は実施例３の反力伝達機構２０の構成を表す概略図である。実施例３ではモータ等に発生する振動等に起因する発散を防止する観点から、リターンスプリング２４，２７にダンパ３０，３１を設けたものである。尚、このダンパは一方のリターンスプリングにのみ設けることとしてもよい。

(5)ハウジング１とリングギヤＲとの間及び／又は流量制御バルブ１１にダンパ３０，３１（減衰部材）を設けたため、振動により流量特性が変化することがなく、トルク変動を防止することができる。

図８は実施例４のドライブユニットの構成を表す概略図である。実施例１ではオイルパン６をドライブユニットと一体に取り付けた。これに対し、実施例４では、オイルパン６を別体とし、配管によって両者を接続したものである。インホイールモータのようにレイアウト規制が多いものの場合、このように配置することで、レイアウト自由度を高めることができるものである。

以上、各実施例について説明したが、本発明の範囲であれば他の構成を取っても構わない。例えば、実施例１では減速機構を備えた構成としたが、減速機構を備えることなく、ステータに生じる反力に応じて流量制御バルブ１１を作動させる構成としてもよい。また、実施例１では配管をハウジングの外側に構成した例を示したが、ハウジング内に油路を形成し、その油路を用いて実施例１と同様の構成としてもよい。また、冷媒溜り７とオイルパン６との接続について単に流路８で接続する例を示したが、この流路に適切なオリフィス特性を設定し、冷媒溜り７内のオイル液面の高さを適宜調節する構成としてもよい。この場合、モータに作用するフリクションを最適に制御することができ、更にモータの高効率化を図ることができる。

また、オイルポンプ１０をモータの出力軸５と反対側に配置したが、モータの出力軸５と同じ側に配置してもよいし、同軸上に限らずオフセットして配置してもよい。

１ ハウジング
２ ステータ
３ ロータ
４ 駆動軸
５ 出力軸
６ オイルパン
７ 冷媒溜り
８ 流路
１０ オイルポンプ
２０ 反力伝達機構
３０ ドレーン
PG 遊星歯車機構（減速機構）

Claims (5)

1. ハウジング内に収装されたロータを有する回転電機と、
   冷媒を貯留する冷媒溜りと、
   前記ロータにより駆動され前記冷媒溜りに貯留された冷媒をハウジング上部に汲み上げるポンプと、
   前記ポンプの吐出口側に接続され前記ハウジング内の上部に接続された第１流路と、
   前記ポンプの吐出口側に接続され前記冷媒溜りに接続された第２流路と、
   前記回転電機の出力トルクに対する反力により作動し、反力が高いときは、低いときに比べて前記第１流路側への供給量を増大させ、前記第２流路側への供給量を減少させる流量制御バルブと、
   を備えたことを特徴とする回転電機の冷媒流量制御装置。
2. 請求項１に記載の回転電機の冷媒流量制御装置において、
   前記流量制御バルブは、前記回転電機の出力トルクが低いときの流量変化率と出力トルクが高いときの流量変化率とが異なるように設定することを特徴とする回転電機の冷媒流量制御装置。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の冷媒流量制御装置において、
   前記回転電機は、前記ロータと接続されたサンギヤと、回転電機出力軸と接続されたキャリヤと、リングギヤとを有し、
   前記流量制御バルブは、前記ハウジングと前記リングギヤとの間に作用する反力によって作動することを特徴とする回転電機の冷媒流量制御装置。
4. 請求項３に記載の回転電機の冷媒流量制御装置において、
   前記ハウジングと前記リングギヤとの間及び／又は前記流量制御バルブに減衰部材を設けたことを特徴とする回転電機の冷媒流量制御装置。
5. 請求項１ないし４いずれか一つに記載の回転電機の冷媒流量制御装置において、
   前記回転電機は、電動車両のインホイールモータであることを特徴とする回転電機の冷媒流量制御装置。

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