JP2014110705A - 回転電機の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い運転領域において十分な冷却能力を効率よく発揮することができる回転電機の冷却装置を提供する。
【解決手段】ポンプ３１からの冷媒を回転電機１に供給する冷媒供給通路３３の下流側を、コイル２１側に冷媒を供給する第１の分岐通路３３ａと、永久磁石１８側に冷媒を供給する第２の分岐通路３３ｂとに分岐させ、第１，第２の分岐通路３３ａ，３３ｂを流通する冷媒の流量を連続的に切り換える切換部３６を冷媒供給通路３３に介装し、制御ユニット２５において、回転電機１の作動状態に基づく総発熱量を推定するとともに、コイル２１側の発熱量と永久磁石１８側の発熱量とをそれぞれ推定し、回転電機１の総発熱量に基づいてポンプ３１からの冷媒の吐出量を制御するとともに、コイル２１側及び永久磁石１８側の各発熱量に基づいて切換部３６を通じた冷媒の流量配分制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータとロータとを備えた回転電機に冷却液を供給して冷却を行う回転電機の冷却装置に関する。

従来、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車のモータ、ジェネレータ、或いは、モータジェネレータとして用いられる回転電機は、車両の燃費（電費）向上のため、小型、高出力化が進められている。同時に、この種の回転電機について、各運転領域における性能を確保するためには、十分な冷却を行う必要がある。

ところで、回転電機には、一般に、巻線を構成する導線の電気抵抗によって失われる電気エネルギー（銅損）と、磁性材料の鉄心を交流で磁化したときに失われる電機エネルギー（鉄損）と、が発生する。従って、この種の回転電機では、運転状況に応じて、エネルギー損失の発生状況が変化し、主たる発熱部位が変化する。すなわち、例えば、回転電機が低回転（低速）、高トルクで運転されている場合、コイルに流れる電流が大きくなるため、銅損が大きくなる。一方、例えば、回転電機が高回転（高速）、低トルクで運転されている場合、ロータの高回転化に伴う磁場の乱れによる鉄損が大きくなる。

そこで、例えば、特許文献１には、永久磁石を冷却する冷媒が流通する第一流路と、コイルを冷却する第２流路とを選択的に切り替える流通切替手段を備え、回転電機の回転数が所定の切替回転数以上の場合に、永久磁石を冷却する第一流路に冷媒を流通し、回転電機の回転数が切替回転数未満の場合に、コイルを冷却する第二流路に冷媒を流通する技術が開示されている。このような技術によれば、永久磁石が発熱しやすい状態では永久磁石へ冷媒を供給し、コイルが発熱しやすい状態ではコイルへ冷媒を供給することにより、冷却が必要な部位を効率的に冷却することが可能となる。

特開２００９−１１８６８６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術のように、永久磁石或いはコイルの何れか一方に対して冷媒を選択的に供給する構成では、回転電機に対して十分な冷却を行うことが困難となる虞がある。すなわち、例えば、主として鉄損による発熱が発生している運転領域において、銅損による発熱も鉄損ほどではないが無視できないレベルで発生している場合（或いは、逆の場合）、上述のように、何れか一方に対してのみ冷媒を選択的に供給する構成では、十分な冷却を行うことが困難となる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、幅広い運転領域において十分な冷却能力を効率よく発揮することができる回転電機の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による回転電機の冷却装置は、ステータ或いはロータの何れか一方にコイルが設けられ、他方に永久磁石が設けられた回転電機の冷却装置であって、冷媒を吐出するポンプが上流側に接続されるとともに、下流側が前記コイル側に冷媒を供給する第１の分岐通路と前記永久磁石側に冷媒を供給する第２の分岐通路とに分岐された冷媒供給通路と、前記冷媒供給通路に介装され、前記第１の分岐通路と前記第２の分岐通路とを流通する冷媒の流量配分を連続的に切り換える切換手段と、前記回転電機の作動状態に基づいて前記回転電機の総発熱量を推定するとともに、前記コイル側の発熱量と前記永久磁石側の発熱量とをそれぞれ推定する発熱量推定手段と、前記回転電機の総発熱量に基づいて前記ポンプからの冷媒の吐出量を制御するとともに、前記コイル側及び前記永久磁石側の各発熱量に基づいて前記切換手段を通じた冷媒の流量配分制御を行う流量制御手段と、を備えたものである。

本発明の回転電機の冷却装置によれば、幅広い運転領域において十分な冷却能力を効率よく発揮することができる。

回転電機の冷却装置を示す概略構成図 冷媒の循環系を回転電機の要部断面とともに示す回路図 回転電機の冷却制御ルーチンを示すフローチャート 発熱量推定用のマップを示す説明図 目標トルクが一定である場合の目標回転数と冷媒配分量との関係を示す特性図 冷媒の循環系の変形例を回転電機の要部断面とともに示す回路図

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は回転電機の冷却装置を示す概略構成図、図２は冷媒の循環系を回転電機の要部断面とともに示す回路図、図３は回転電機の冷却制御ルーチンを示すフローチャート、図４は発熱量推定用のマップを示す説明図、図５は目標トルクが一定である場合の目標回転数と冷媒配分量との関係を示す特性図、図６は冷媒の循環系の変形例を回転電機の要部断面とともに示す回路図である。

図１，２において符号１は、例えば、電気自動車の走行用モータとして用いられる高出力型の回転電機を示す。

図２に示すように、回転電機１は、ハウジング５内に、ロータ６と、ステータ７とが収容されて要部が構成されている。

ハウジング５は、一端側に壁部１０ａを有するとともに他端側が開放された筒状のハウジング本体１０と、このハウジング本体１０の他端側の開口部を閉塞する蓋体１１と、を有して構成されている。

ロータ６は、ハウジング５の壁部１０ａ及び蓋体１１にベアリング１６を介して回動自在に支承されたロータ軸１５を有する。本実施形態において、ロータ軸１５の外周部には、例えば、円環状をなす複数の電磁鋼板の積層体で構成されたロータ本体１７が設けられている。さらに、このロータ本体１７には、複数の永久磁石１８が、ロータ軸１５を中心とする所定回転角度毎に保持されている。

ステータ７は、例えば、円環状をなす複数の電磁鋼板の積層体で構成されたステータコア２０を有する。このステータコア２０は、内周側がロータ６に対して微少なギャップを有して対向された状態で、ハウジング本体１０に保持されている。また、ステータコア２０には、複数のコイル２１が巻装されている。

ここで、図１に示すように、ステータ７のコイル２１には、インバータ２２を介して制御ユニット２５が接続されている。制御ユニット２５は、例えば、アクセル開度センサ２６及び車速センサ２７等からの信号に基づいて、目標トルク及び目標回転数を設定し、これらに応じた制御信号をインバータ２２に出力する。インバータ２２は制御信号に応じた駆動電流をコイル２１に供給し、この駆動電流によってコイル２１に発生した電磁力により、ステータ７に対してロータ６が相対回転する。

次に、このように構成された回転電機１の冷却装置３０の構成について説明する。本実施形態の冷却装置３０は、例えば、冷却オイルを冷媒として用いて回転電機１の各部を冷却する油冷式の冷却装置である。

この冷却装置３０は、リザーバタンク３２に貯留された冷媒を吐出するポンプ３１を有し、このポンプ３１には、下流側が第１の分岐通路３３ａと第２の分岐通路３３ｂとに分岐された冷媒供給通路３３の上流端部が接続されている。

第１の分岐通路３３ａは、主としてステータ７側（すなわち、本実施形態においては、コイル２１側）に冷媒を供給するためのものであり、この第１の分岐通路３３ａの下流端部は、ハウジング本体１０に開口する冷媒吐出口１０ｂに連通されている。冷媒吐出口１０ｂは、例えば、コイル２１のコイルエンド２１ａに対向して複数設けられており、これら冷媒吐出口１０ｂを介してハウジング５内に冷媒が供給されることにより、主たる熱源の１つであるコイル２１が冷却される。

第２の分岐通路３３ｂは、主としてロータ６側（すなわち、本実施形態においては、永久磁石１８側）に冷媒を供給するためのものであり、この第２の分岐通路３３ｂの下流端部は、ロータ軸１５の軸心方向に穿設された冷媒導入通路１５ａに連通されている。ここで、ロータ本体１７には、永久磁石１８に近接する複数の冷却通路１７ａが、ロータ軸１５を中心とする所定回転角度毎に穿設されている。これら冷却通路１７ａの一端側は冷媒導入通路１５ａに連通され、他端側はハウジング５内に開放されている。これにより、冷却通路１７ａ内には冷媒導入通路１５ａからの冷媒が流通され、この冷媒の流通により、主たる熱源の１つである永久磁石１８が冷却される。

ここで、ハウジング本体１０の底部には、ロータ６及びステータ７を冷却した後の冷媒を排出するためのドレーン開口部１０ｃが開口されている。このドレーン開口部１０ｃには、リターン通路３４の上流端部が連通されている。リターン通路３４の中途には、冷媒を冷却するためのクーラ３５が介装され、さらに、リターン通路３４の下流端にはリザーバタンク３２が接続されている。これにより、回転電機１を冷却後の冷媒は、クーラ３５で冷却された後、リザーバタンク３２に還流される。

このような冷媒の循環系において、冷媒供給通路３３には、第１の分岐通路３３ａと第２の分岐通路３３ｂを流通する冷媒の流量配分を連続的に切り換えるための切換手段としての切換部３６が介装されている。図２に示すように、本実施形態において、切換部３６は、第１の分岐通路３３ａに介装された第１の制御弁３６ａと、第２の分岐通路３３ｂに介装された第２の制御弁３６ｂと、を有して構成されている。これら第１，第２の制御弁３６ａ，３６ｂは、例えば、制御ユニット２５においてポンプ３１とともに駆動制御されるものであり、より具体的には、第１，第２の制御弁３６ａ，３６ｂは、例えば、制御ユニット２５からの制御信号（デューティ信号等）に応じてその開度が連続的に変化する電磁弁によって構成されている。

ここで、制御ユニット２５は、例えば、回転電機１の動作状態を示すパラメータとして上述した目標トルク及び目標回転数を用い、これら目標トルク及び目標回転数に基づいて、回転電機１の総発熱量を推定するとともに、コイル２１側の発熱量と永久磁石１８側の発熱量とをそれぞれ推定する。そして、制御ユニット２５は、推定した回転電機１の総発熱量に基づいてポンプ３１からの吐出量を制御するとともに、ステータ７側（コイル２１側）及びロータ６側（永久磁石１８側）の各発熱量に基づいて各制御弁３６ａ，３６ｂを通じた冷媒の流量配分制御を行う。このように、本実施形態において、制御ユニット２５は、発熱量推定手段、及び、流量制御手段としての各機能を実現する。

次に、制御ユニット２５において実行される回転電機１に対する冷却制御について、図３に示す冷却制御ルーチンのフローチャートに従って説明する。このルーチンは、設定時間毎に繰り返し実行されるものであり、ルーチンがスタートすると、制御ユニット２５は、先ず、ステップＳ１０１において、回転電機１の目標トルク、及び、目標回転数の設定を行う。すなわち、ステップＳ１０１において、制御ユニット２５は、例えば、アクセル開度センサ２６で検出されたアクセル開度、及び、車速センサ２７で検出された自車速等に基づいて、回転電機１の作動状態を示すパラメータとして、目標トルク及び目標回転数を設定する。

ステップＳ１０１からステップＳ１０２に進むと、制御ユニット２５は、設定した目標トルク及び目標回転数に基づいて、回転電機１の熱損失（発熱量）を推定する。具体的に説明すると、制御ユニット２５には、例えば、予め実験等によって求められた目標トルク及び目標回転数と発熱量（例えば、コイル２１側及び永久磁石１８側の各発熱量）との関係がマップ化されて格納されており（図４参照）、制御ユニット２５は、このマップを参照してコイル２１側及び永久磁石１８側の各発熱量を推定するとともに、これらの和である回転電機１の総発熱量を推定する。

ステップＳ１０２からステップＳ１０３に進むと、制御ユニット２５は、推定した総発熱量に基づいて必要冷却容量を推定する。

続くステップＳ１０４において、制御ユニット２５は、推定した必要冷却容量に応じたポンプ吐出量を設定するとともに、第１の分岐通路３３ａ側と第２の分岐通路３３ｂ側との冷媒の配分量を設定する（例えば、図５参照）。なお、図５に示す例は、説明を簡略化するため、目標トルクが一定である場合における、目標回転数と冷媒配分量との関係を示すものである。

そして、ステップＳ１０５に進むと、制御ユニット２５は、設定したポンプ吐出量に基づいてポンプ３１を駆動制御するとともに、冷媒の配分量に基づいて第１，第２の制御弁３６ａ，３６ｂを駆動制御した後、ルーチンを抜ける。

このような実施形態によれば、ポンプ３１からの冷媒を回転電機１に供給する冷媒供給通路３３の下流側を、コイル２１側に冷媒を供給する第１の分岐通路３３ａと、永久磁石１８側に冷媒を供給する第２の分岐通路３３ｂとに分岐させ、第１，第２の分岐通路３３ａ，３３ｂを流通する冷媒の流量を連続的に切り換える切換部３６を冷媒供給通路３３に介装し、制御ユニット２５において、回転電機１の作動状態に基づく総発熱量を推定するとともに、コイル２１側の発熱量と永久磁石１８側の発熱量とをそれぞれ推定し、回転電機１の総発熱量に基づいてポンプ３１からの冷媒の吐出量を制御するとともに、コイル２１側及び永久磁石１８側の各発熱量に基づいて切換部３６を通じた冷媒の流量配分制御を行うことにより、幅広い運転領域において十分な冷却能力を効率よく発揮することができる。

すなわち、回転電機１の動作状態に応じて総発熱量を推定してポンプ３１からの冷媒の吐出量を制御するとともに、主要な発熱源であるコイル２１側と永久磁石１８側の発熱量をそれぞれ推定し、推定した発熱量に応じて流量配分を連続的に変化させながら各部に冷媒を供給することにより、冷媒の供給をコイル側或いは永久磁石側の何れかに対して選択的に行う場合等に比べ、余剰な冷媒の流量を発生させることなく、効率的且つ的確に回転電機１の冷却を実現することができる。従って、例えば、ポンプ３１の駆動電力等についても必要最低限にとどめることができ、消費電力量を抑制することができる。

ここで、上述の実施形態においては、第１の分岐通路３３ａの流量を制御する第１の制御弁３６ａと、第２の分岐通路３３ｂの流量を制御する第２の制御弁３６ｂと、を有して切換部３６を構成した一例について説明したが、例えば、図６に示すように、第１の分岐通路３３ａの流量を制御する第１の制御弁３６ａのみによって切換部３６を構成することも可能である。このような構成によれば、第１の制御弁３６ａの開度によって変化する第１，第２の分岐通路３３ａ，３３ｂ間の有効径のバランスを、第１の制御弁３６ａの開度制御によって変更することにより、流量配分を制御することができる。この場合、例えば、図６に示すように、第１の分岐通路３３ａと第２の分岐通路３３ｂとの通路径を異ならせ、制御弁が介装されていない第２の分岐通路３３ｂ側の通路径を第１の分岐通路３３ａ側の通路径よりも相対的に細く設定することにより、単一の制御弁（第１の制御弁３６ａ）によって、幅広い配分比での流量制御を実現することができる。このように構成すれば、より簡単な構成によって、回転電機１の冷却を実現することが可能となる。なお、第１の制御弁３６ａに代えて第２の制御弁３６ｂのみによって切換部３６を構成してもよいことは勿論である。

なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。例えば、上述の実施形態においては、回転電機１を走行用モータとして用いる場合の一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、回転電機をジェネレータ或いはモータジェネレータ等として用いてもよいことは勿論である。

また、上述の実施形態においては、ロータ６の外側にステータ８を配置し、ロータ６側に永久磁石１８を配置し、ステータ７側にコイル２１を配置した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ロータ側にコイルを配置し、ステータ側に永久磁石を配置する、あるいはロータを外側に、ステータを内側に配置した構成であってもよいことは勿論である。

１ … 回転電機
５ … ハウジング
５ … ハウジング
６ … ロータ
７ … ステータ
１０ … ハウジング本体
１０ａ … 壁部
１０ｂ … 冷媒吐出口
１０ｃ … ドレーン開口部
１１ … 蓋体
１５ … ロータ軸
１５ａ … 冷媒導入通路
１６ … ベアリング
１７ … ロータ本体
１７ａ … 冷却通路
１８ … 永久磁石
２０ … ステータコア
２１ … コイル
２１ａ … コイルエンド
２２ … インバータ
２５ … 制御ユニット（発熱量推定手段、流量制御手段）
２６ … アクセル開度センサ
２７ … 車速センサ
３０ … 冷却装置
３１ … ポンプ
３２ … リザーバタンク
３３ … 冷媒供給通路
３３ａ … 第１の分岐通路
３３ｂ … 第２の分岐通路
３４ … リターン通路
３５ … クーラ
３６ … 切換部（切換手段）
３６ａ … 第１の制御弁
３６ｂ … 第２の制御弁

Claims (3)

1. ステータ或いはロータの何れか一方にコイルが設けられ、他方に永久磁石が設けられた回転電機の冷却装置であって、
   冷媒を吐出するポンプが上流側に接続されるとともに、下流側が前記コイル側に冷媒を供給する第１の分岐通路と前記永久磁石側に冷媒を供給する第２の分岐通路とに分岐された冷媒供給通路と、
   前記冷媒供給通路に介装され、前記第１の分岐通路と前記第２の分岐通路とを流通する冷媒の流量配分を連続的に切り換える切換手段と、
   前記回転電機の作動状態に基づいて前記回転電機の総発熱量を推定するとともに、前記コイル側の発熱量と前記永久磁石側の発熱量とをそれぞれ推定する発熱量推定手段と、
   前記回転電機の総発熱量に基づいて前記ポンプからの冷媒の吐出量を制御するとともに、前記コイル側及び前記永久磁石側の各発熱量に基づいて前記切換手段を通じた冷媒の流量配分制御を行う流量制御手段と、を備えたことを特徴とする回転電機の冷却装置。
2. 前記切換手段は、前記第１の分岐通路或いは前記第２の分岐通路を流通する冷媒の流量を調整する単一の制御弁によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却装置。
3. 前記流量制御手段は、前記ロータの回転数が高くなるほど、前記第２の分岐通路を流通する冷媒の流量を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の冷却装置。

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