JP2016201959A - 車両用電動モータの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構造で、低油温時、円滑にオイルポンプで、オイル溜り部のオイルが電動モータへ循環されるようにした車両用電動モータの冷却装置を提供する。【解決手段】本発明は、ロータ９およびステータ７が収容されたモータ室３の下方にオイル溜り部１１を有した電動モータ１と、オイル溜り部１１とモータ室３の上方とをオイルポンプ２７を介して接続し、オイル溜り部１１のオイルをモータ室３へ循環させるオイル循環路２３とを備えた冷却装置で、ロータ９の下端より上方に位置してキャッチタンク３１を配設し、このキャッチタンク３１の入口部３１ａをモータ室３へ向かうオイル循環路部分に接続し、キャッチタンク３１の出口部３１ｂをオイル溜り部１１に流路３７を介して接続する。このキャッチタンク３１の出口部３１ｂとオイル溜り部１１との間の流路３７に、オイルの温度が所定温度値以下のときに開作動するキャッチタンクバルブ４３を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、オイルをモータ室へ循環させて電動モータを冷却する車両用電動モータの冷却装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車などの車両に用いられる電動モータ（含むジェネレータ機能を有するモータ）は、励磁が行われると、ステータやロータなどから発熱する。このため、車両用の電動モータでは、同モータを冷却する冷却装置が設けられる。冷却装置の多くはオイルを用いて冷却が行われる。
具体的には冷却装置は、ロータやステータを収容するモータ室の上方と、モータ室の下方に形成されているオイル溜り部との間を、電動式のオイルポンプを介装したオイル循環路で接続した構造が用いられる。つまり、オイルポンプでオイル溜り部に溜まっているオイルを汲み上げ、モータ室へ流入させることにより、オイルがモータ室からオイル溜り部に戻るまでにモータ室の各部の潤滑やロータやステータの冷却が行われる。

ところで、オイルの粘度は、温度により変化する。すなわち、オイルは、低温になるにしたがい粘度が高まる性質をもつ。
このため、例えば低外気温など冷態時における車両の走行開始時では、オイルの高粘度の影響を受けやすい。すなわち、オイルの高粘度がオイルポンプに過剰負荷をもたらして、ポンプ動作を行えない状態に陥りさせ、オイルが電動モータへ十分に循環されなくなってしまうことがある。

そこで、特許文献１のモータ冷却装置に開示されているようにオイル溜り部の底部と側部上段とにそれぞれオイル循環路につながるオイル排出口を設け、下側のオイル排出口に開閉弁を設けて、低油温時のとき、開閉弁を閉じ、オイルポンプの駆動により、オイル溜り部の油面を上昇させて、オイルの温度を暖まりやすくする技術がみられる。
しかし、特許文献１のモータ冷却装置は、低油温時のオイルの粘度が高いときに、オイルポンプを稼働させて、オイル溜り部に溜まるオイルの量を増やすことが求められるため、当該特許文献１の実施形態の制御にも見られるようにオイルポンプの駆動で、無理して高粘度のオイルを圧送させたり、ヒータを用いてオイル溜り部のオイルを加熱してオイルの粘度を低下させたりするなど、複雑な制御や構造が必要となる。このため、簡単にはオイル溜り部の油温を上昇させることはできない。

一方、特許文献２の動力伝達装置は、低油温のときにおけるギヤ室に収められたギヤとオイルとの抵抗が抑えられるよう、ギヤ室のギヤによって掻き上げられたオイルを一時的に貯留するキャッチタンクを設けて、低油温時におけるギヤの抵抗を抑えることも行われているが、電動モータにオイル溜り部のオイルを十分に循環させようとする技術には至っていない。

特開２０１３−１９８３７８号公報 特開２０１１−２５０５２４号公報

このため、電動モータの冷却装置は、簡単な構造で、低油温時におけるオイルの温度をに上昇させようとする技術は見られなく、改善が求められている。
そこで、本発明の目的は、簡単な構造で、低油温時、円滑にオイルポンプで、オイル溜り部のオイルが電動モータへ循環されるようにした車両用電動モータの冷却装置を提供する。

本発明の態様は、ロータおよびステータが収容されたモータ室の下方にオイル溜り部を有した電動モータと、オイル溜り部とモータ室の上方とをオイルポンプを介して接続し、オイル溜り部のオイルをモータ室へ循環させるオイル循環路とを備えた車両用電動モータの冷却装置であって、ロータの下端より上方に位置して配設され、入口部がモータ室へ向かうオイル循環路部分に接続され、出口部がオイル溜り部に流路を介して接続され、モータ室へ向かうオイルの一部を貯留可能なキャッチタンクと、キャッチタンクの出口部とオイル溜り部との間の流路に設けられ、オイルの温度が所定温度値以下のときに開作動するキャッチタンクバルブとを有するものとした。

本発明によれば、低外気温時など低油温時には、キャッチタンクバルブが開き、高い位置に配置されていたキャッチタンク内の貯留オイルが、重力の作用によりオイル溜り部へ流出され、オイル溜り部の油面が、油量の増加によりロータの下端を越えるまでに上昇する。電動モータの励磁によってロータが回転するようになると、ロータを浸漬していたオイルが撹拌される。このロータによるオイルの撹拌により、ステータやロータから発する熱は、オイル溜り部の各部のオイルへ効率よく伝わり、オイル溜り部のオイルの温度が急速に上昇する。すると、オイル溜り部のオイルの粘度は低下する。これにより、高粘度を要因にオイルポンプが負担する過剰負荷は速やかに解消され、限られたオイルポンプの性能にて、電動モータへオイルを十分に圧送することができる。

したがって、キャッチタンクやキャッチタンクバルブを設けるという簡単な構造で、低油温時、円滑にオイル溜り部のオイルを電動モータへ循環させることができる。

本発明の第１の実施形態の車両用電動モータの冷却装置の構成を、同装置を制御する制御ブロックと共に示す断面図。 低油温時の車両走行開始時における電動モータのオイル溜り部の状態を示す断面図。 同車両走行開始時における冷却装置の制御を説明するフローチャート。 車両走行後のイグニションオフ後におけるキャッチタンクバルブの制御を説明するフローチャート。 本発明の第２の実施形態の要部を示す断面図。

以下、本発明を図１から図４に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１中１は電気自動車、ハイブリッド車などに搭載される車両の電動モータ、例えば走行用として用いるモータ・ジェネレータ（以下、単に電動モータという）、２１は電動モータ１を冷却する冷却装置をそれぞれ示している。
電動モータ１は、モータ室３を有した本体部５、モータ室３内に収められた環状のステータ７、ステータ７内に配設されたロータ９を有していて、ステータ７が所定に励磁されるにしたがいロータ９が回転駆動される。ロータシャフトは、図示していない。

モータ室３の直下となる本体下部分には、オイル溜り、例えば上方開口がステータ７に臨む皿状空間でなるオイルパン形のオイル溜り部１１が設けられている。オイル溜り部１１内には、通常時、オイル１３が油面レベルａの高さまで集溜される。また本体部５の上部には、モータ室３と連通するオイル流入口１５が設けられ、モータ室３の上方から供給されるオイル１３が、図１中の矢印に示されるようにモータ室３内の各部、例えばステータ７やロータ９やロータシャフトを支えるベアリングなど潤滑部分（いずれも図示しない）を経て、オイル溜り部１１へ至るようにしている。

冷却装置２１は、モータ室３の上方のオイル流入口１５とオイル溜り部１１の底部側に設けられたオイル流出口１７との間に接続されたオイル循環路２３と、同オイル循環路２３に設けられた冷却器であるオイルクーラ２５およびオイル１３を循環させる電動式のオイルポンプ２７（本願のオイルポンプに相当）とを有している。つまり、オイル流入口１５とオイル流出口１７との間は、オイルクーラ２５およびオイルポンプ２７を介装したオイル循環路２３で接続される。

これにより、オイルポンプ２７が稼働されると、オイル溜り部１１に貯留されたオイル１３が、モータ室３内の各部を経て、再びオイル溜り部１１へ戻るというルートで電動モータ１を循環する。ちなみに、オイルクーラ２５には、油温に応じて、オイルクーラ２５を通るルートとオイルクーラ２５を通らないルートに切り換えるためのバイパス路２９ａやバイパスバルブ２９ｂが設けられ、オイル１３の冷却を要するときのみ、オイルクーラ２５を通るようにしてある。

上記冷却装置２１には、低油温時におけるオイルポンプ２７の運転を助ける構造が設けられている。
同構造は、電動モータ１へ向かうオイル１３の一部を貯留するキャッチタンク３１と、同キャッチタンク３１内のオイル１３の流出を制御する制御系４１とを組み合わせた構造が用いられる。具体的には、キャッチタンク３１は、例えば電動モータ１の本体部５のうち、ロータ９から斜め上方の部位に、ロータ９の下端よりも上方に位置してタンク用空間を形成し、同空間をキャッチタンク３１とする構造が用いられる。ちなみにキャッチタンク３１は、通常時におけるオイル溜り部１１の油面レベルａ（通常時の油面）を、少なくともロータ９の下端部を浸す油面レベルｂ（図２）まで上昇させるタンク容量を備えている。

そして、キャッチタンク３１の上部に形成された入口部３１ａは、オイル流入口１５からモータ室３に至る入側の流路２３ａ（オイル循環路部分に相当）から分岐した分岐路３５に接続される。つまり、キャッチタンク３１は、モータ室３へ向かうオイル１３の一部が流入して貯留が行われる。
キャッチタンク３１の底部（下部）に形成された出口部３１ｂは、出側の流路３７を介して、例えばオイル溜り部１１の天井壁（上部）に接続（開口）されている。つまり、キャッチタンク３１のオイル１３は、重力の作用により、流路３７を通じ、自然とオイル溜り部１１へ流出されるようにしている。

制御系４１は、流路３７に設けられたキャッチタンクバルブであるところの電磁バルブ４３と、同電磁バルブ４３を制御するバルブ制御系４５とを組み合わせた構造が用いられている。
すなわち、電磁バルブ４３は、例えば常閉式の電磁バルブが用いられる。
バルブ制御系４５は、車両の走行制御を行うＥＣＵ４７（マイクロコンピュータから構成される）を用いて、オイル１３の温度（以下、油温という）が所定温度値以下、例えば極低温のときに電磁バルブ４３を開動作させる構造が用いられる。

すなわち、例えばＥＣＵ４７は、インバータ（図示しない）を介して電動モータ１と接続されている他に、イグニションスイッチ４９、アクセルペダル（図示しない）の踏込み量を検出するアクセルセンサ５１、オイルポンプ２７を駆動するモータ部２７ａが接続されている。このＥＣＵ４７には、例えばイグニションスイッチ４９がオンされた後、アクセルペダルを踏込むと、インバータを通じ、電動モータ１が励磁される設定がされていて、アクセルペダル操作で、車両は走行を始める。さらにＥＣＵ４７には、例えばアクセル操作に連動してオイルポンプ２７を稼働（モータ部２７ａを励磁）させる設定がなされていて、電動モータ１が稼働する段階になると、オイルポンプ２７が稼働して、オイル溜り部１１からオイル１３を汲み上げ、オイル循環路２３を通じ、電動モータ１にオイル１３を循環させる（冷却、潤滑）。

ＥＣＵ４７には、この他、油温、例えば油溜り部１１に貯留されているオイル１３の温度を検出する油温センサ５３、外気温を検出する外気温センサ５５が接続されている。ＥＣＵ４７は、極低温の油温を判定する閾値として所定温度値αを定め、油温センサ５３で検出される油温が所定温度値α以下のとき、常閉式の電磁バルブ４３を「開」にする設定がされている。つまり、オイルポンプ２７の稼働に影響を与える油温（オイルの粘性:大）のときは、キャッチタンク３１に貯留されているオイル１３をオイル溜り部１１へ流出させ、オイル溜り部１１の油面をロータ９の下端部を浸漬する油面レベルｂまで上昇させる制御を形成している。これにより、ロータ９の回転によるオイル１３の撹拌にて、ステータ７やロータ９から発する熱を有効にオイル溜り部１１の各部のオイル１３へ伝え、オイル溜り部１１の油温が上昇されるようにしている。

またＥＣＵ４７には、復帰用の所定温度値βが定められていて、油温センサ５３で検出される油温が復帰用の所定温度値βを上回るときは、電磁バルブ４３を「閉」にする設定にしている。この設定により、オイル１３の粘性がオイルポンプ２７の稼働に影響を与えない油温のときは、キャッチタンク３１でオイル１３を貯留し続け、通常の油面レベルａが保たれるようにしている（ロータ下端がオイル１３に浸らない油面状態）。さらにＥＣＵ４７には、イグニションスイッチ４９がオフされたとき、予め設定されている低外気温の判定を行う閾値としての所定温度値γと、外気温センサ５５で検出される外気温とを対比し、所定温度値γよりも外気温が低いときは、電磁バルブ４３を所定の時間だけ「開」にする設定がなされている。この開時間は、例えばキャッチタンク３１内のオイル１３の大部分がオイル溜り部１１へ導出されるのに必要な時間で設定され、次回、車両を走行させるときに備えて、オイル溜り部１１の油面を油面レベルｂまで上昇させておけるようにしている。

つぎに、図３のフローチャートを参照して、この低油温時におけるオイルポンプ２７の運転を助ける制御を説明する。
車両の走行を開始すべくイグニションスイッチ４９をオンすると、ステップＳ１からステップＳ３へ進む。すると、オイル溜り部１１のオイル１３の温度（油温）が所定温度値α以下か否かの判定が行われる。

このとき例えば極低外気温で車両が冷態時であると、油温センサ５３で検出される油温も極低温である。このためステップＳ３は、油温は所定温度値α以下と判定し、ステップＳ５へと進む。すると、ステップＳ５は実行され、電磁バルブ４３（キャッチタンクバルブ）を開動作する。ちなみに、オイル１３の温度が所定温度値αを上回るときは、オイルポンプ２７の運転の助けが必要でないと判定され、ステップＳ７へ進み、電磁バルブ４３を閉じたままとなる。

多くは図１に示されるようにキャッチタンク３１内には、前回走行の際、既にオイル１３が貯留されているから、電磁バルブ４３の開動作によって、キャッチタンク３１内のオイル１３は、重力の作用により、流路３７および電磁バルブ４３を通じて、オイル溜り部１１へ流出される。
このときオイル１３の粘性は、極低温により高くなっているため、徐々にキャッチタンク３１からオイル溜り部１１へ流出する。これにより、オイル溜り部１１内の油量は次第に増加し、当初の油面レベルａは上昇し始める。

キャッチタンク３１は、ロータ９の下端よりも上方に位置して配置されているため、所定時間の経過にしたがい、多くのオイル１３がキャッチタンク３１から流出される。大部分のオイル１３が流出されるにしたがい、図２に示されるようにオイル溜り部１１の油面は、当初の通常時の油面レベルａ（図１）から、電動モータ１のロータ９の下端を越え、油面レベルｂまで大きく変位（上昇し）、ロータ９の下端部がオイル１３で浸漬される。

一方、運転者は、イグニションオン後、走行を開始するため、アクセルペダルを踏み込む。すると、アクセルセンサ５１からの出力を受けて、電動モータ１は励磁される。これにより、電動モータ１は、アクセルセンサ５１からのアクセル踏込み信号にしたがい回転駆動され、ロータ９に発生する駆動力が、車両の駆動輪に伝わり、車両を走行させる。オイルポンプ２７は、この走行開始にしたがい励磁が始まる。

このとき、図２に示されるように電動モータ１のロータ９は、オイル１３に浸されているため、ロータ９が回転すると、ロータ９を浸漬しているオイル１３が撹拌される。すると、ロータ９による撹拌により、ステータ７やロータ９から発熱する熱は、オイル溜り部１１の各部にオイル１３へ伝わり（加熱）、オイル溜り部１１の油温を急速に上昇させる。むろん、油温の上昇は、ロータ９の撹拌による撹拌抵抗で生ずる熱（摩擦熱）にもよる。

この油温上昇により、オイル溜り部１１のオイル１３の粘度は回復、すなわち粘度は低下するから、高粘度のオイル１３が要因にオイルポンプ２７に加わる過剰負荷は解消される。つまり、オイルポンプ２７は、限られたモータ部２７ａの性能で十分に駆動可能となる。これにより、オイルポンプ２７によるオイル１３の圧送は十分に行え、オイル１３は電動モータ１を循環する。

ステップＳ９は、オイル溜り部１１での油温上昇を判定していて、油温が所定温度値βを上回ると、オイルポンプ２７の運転を助ける油温上昇は不要と判断し、電磁バルブ４３を閉じる。
すると、電動モータ１を循環する一部のオイル１３がキャッチタンク３１内に貯留され始める。これにより、オイル溜り部１１内の油量は次第に低下し、油面が低下する。最終的には、図１に示されるようにオイル溜り部１１の油面は、当初の油面レベルａまで戻る。

つまり、オイルポンプ２７の運転を助ける油温上昇が必要でないときは、オイル溜り部１１の油面は、ロータ９から遠ざった、ロータ９と触れないに油面レベルａに保たれる。これにより、ロータ９には、オイル１３を撹拌する撹拌抵抗が発生せず、ロスの発生なく走行用の電動モータ１は稼働され続ける。
車両が走行を終えると、続くステップＳ１５にて、次回の走行開始に備えた電磁バルブ４３の設定が行われる。このルーチンが図４のフローチャートに示されている。

フローチャートのステップＳ１５は、走行を終えてイグニションスイッチ４９をオフしたオフ時の外気温が所定温度値γ以下のとき、次回、速やかに温度上昇が行えるようにしたものである。
すなわち、図４中のステップＳ１７は、イグニションスイッチオフ時における外気温が、所定温度値γ以下か否かを判定する。この判定は、例えば現在の外気温が低外気温である場合、次回の走行の場合も低外気温度であることが多いことに着眼して設定されたものである。これは、例えば前日夜に駐車させた後、翌朝に車両を走行させる場合などは、前日が低外気温であると、翌朝も低外気温であることが多いので、このような場合を想定している。

イグニションスイッチオフ時、外気温が所定温度値γ以下の場合、次回の走行開始のときも電動モータ１のオイル１３の粘度は高くなると判定する（予想）。そして、ステップＳ１９へ進み、電磁バルブ４３を開動作、具体的には所定時間の間、開け、キャッチタンク３１のオイル１３を、次回の走行開始に備えて、オイル溜り部１１へ移しておく。また外気温が所定温度値γを上回る場合、電動モータ１のオイル１３の粘度は高くならないと判定する（予想）。この場合、ステップＳ２１へと進み、電磁バルブ４３を閉じたままにする。

これにより、オイル１３が高粘度になると予想された場合、イグニションスイッチオン後から、即、ロータ９でオイル１３が撹拌されるので、即、油温上昇が行え、速やかにオイルポンプ２７の運転が立上がる。
以上のように低油温時、キャッチタンク３１内のオイル１３を重力の作用で、オイル溜り部１１へ流出させて油面をロータ下端に浸るまで上昇させ、ロータ９によるオイル１３の撹拌で油温を上昇させる構造により、低油温時にオイルポンプ２７に加わる過剰な負荷が解消できる。これにより、低油温時でも、既存の限られたオイルポンプ２７の性能で、電動モータ１へオイル１３を十分に圧送することができる。

それ故、キャッチタンク３１、電磁バルブ４３（キャッチタンクバルブ）を設けるという簡単な構造で、低油温時、円滑にオイル溜り部１１のオイル１３を電動モータ１へ循環させることができる。
特にキャッチタンク３１は、十分にロータ９をオイル１３で浸すだけのタンク容量を備えているので、ロータ９の撹拌で、迅速に油温を上昇させることができる。

しかも、イグニッションオン時、低油温時のときに開く電磁バルブ４３を用いたことにより、キャッチタンク３１に貯留されたオイル１３を、低油温時、速やかにオイル溜り部１１へ流出させることができる。
そのうえ、電磁バルブ４３は、油温の上昇により閉じるようにしてあるので、油温が上昇後は、オイル溜り部１１の油面はロータ９から離れるので、ロータ９に加わる撹拌抵抗は解消され、電動モータ１が効率よく運転できる。

加えて、終了設定としてイグニションオフ時、低外気温のとき、電磁バルブ４３を開くことにより、現在の外気温から次回の走行開始を見越して（予想）、キャッチタンク３１に貯留されたオイル１３をオイル溜り部１１へ移すよう制御したことにより、次回の走行開始の際は、即、油温上昇が行える。なお、同制御は、無くとも十分にオイル１３の温度上昇を十分に果たせるものである。

図５は、本発明の第２の実施態様を示す。
本実施形態は、キャッチタンクバルブとして、第１の実施形態に示した電磁バルブでなく、サーモワックスバルブ６１を用いたものである。具体的にはサーモワックスバルブ６１は、ワックス６１ａの容積変化により，オイルの温度（油温）が所定温度値以下のときに開動作し、所定温度値を上回るとき閉動作されるバルブが用いられている。

こうしたサーモワックスバルブ６１を用いた構造でも、第１の実施形態と同様、低油温時、ロータの撹拌にてオイルの温度を上昇させることができる。特にサーモワックスバルブ６１は、電磁バルブを制御するバルブ制御系は不要なので、構造的に簡素ですむ。
但し、図５において第１の実施形態と同じ部分には、同一符号を付してその説明を省略した。

なお、上述した実施形態における各構成および組合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であることはいうまでもない。また本発明は、上述の実施形態によって限定されることはなく、「特許請求の範囲」によってのみ限定されることはいうまでもない。例えば上述の実施形態では、キャッチタンクは電動モータの本体部に内蔵させたが、これに限らず、電動モータのロータ下端より上方に位置して配設されるものであれば、キャッチタンクは電動モータの外側部などに設けても構わない。

１ 電動モータ
３ａ モータ室
７ ステータ
９ ロータ
１１ オイル溜り部
２３ オイル循環路
２７ オイルポンプ
３１ キャッチタンク
３１ａ 入口部
３１ｂ 出口部
３７ 流路
４３，６１ 電磁バルブ，サーモワックスバルブ（キャッチタンクバルブ）

Claims (6)

1. ロータおよびステータが収容されたモータ室の下方にオイル溜り部を有した電動モータと、前記オイル溜り部と前記モータ室の上方とをオイルポンプを介して接続し、前記オイル溜り部のオイルを前記モータ室へ循環させるオイル循環路とを備えた車両用電動モータの冷却装置であって、
   前記ロータの下端よりも上方に位置して配設され、入口部が前記モータ室へ向かうオイル循環路部分に接続され、出口部が前記オイル溜り部に流路を介して接続され、前記モータ室へ向かうオイルの一部を貯留可能なキャッチタンクと、
   前記キャッチタンクの出口部と前記オイル溜り部との間の流路に設けられ、前記オイルの温度が所定温度値以下のときに開動作するキャッチタンクバルブと
   を具備したことを特徴とする車両用電動モータの冷却装置。
2. 前記キャッチタンクは、前記オイル溜り部の油面を少なくとも前記ロータの下端を浸すまで上昇させるタンク容量を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動モータの冷却装置。
3. 前記キャッチタンクバルブは、車両のイグニションオン時、オイルの温度が所定温度値以下のときに開く電磁バルブで構成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動モータの冷却装置。
4. 前記電磁バルブは、所定温度値を上回るときには閉じるものであることを特徴とする請求項３に記載の車両用電動モータの冷却装置。
5. 前記電磁バルブは、車両のイグニションオフ時、外気温が所定温度値以下のときに開くことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の車両用電動モータの冷却装置。
6. 前記キャッチタンクバルブは、オイルの温度が所定温度値以下のとき、ワックスの容積変化により開動作するサーモワックスバルブで構成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動モータの冷却装置。

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