JP5205017B2 - モータ利用機械 - Google Patents

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ハウジングの内部に設けて、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。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４参照）。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。

さらに、モータのハウジング内部を通る冷媒の体積流を、モータの速度及びトルクの関数として調節する技術も知られている（例えば、特許文献５参照）。特許文献５の開示によれば、モータの出力軸に取り付けられた速度センサとトルクセンサによりモータの現在の速度とトルクを検出し、検出された速度とトルクに基づいて、制御装置が、モータの現在の動作点が速度―トルク特性図内の複数の領域（例えば、トルクの異なる３つの領域）のどれに位置するかを判断し、モータのハウジング内に冷媒（例えば油）の量を、例えばトルクの最も大きい領域では冷媒をハウジングに充満させ、トルクの最も小さい領域では冷媒をハウジングから無くす、というように制御する。
特許第２７１６２８６号公報 特開２００３−１０２１４７号公報 特許３４９４７６７号公報 特開２００６−１２１８１３号公報 特表平９−５００２６０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、極低速回転レンジで動作する（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、通常の自動車用モータと同様な冷却方法（例えば、空冷）は冷却能力が不足実用できない。

また、特許文献４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、燃費が著しく低下するという問題が生じる。この問題に対して、特許文献５に開示された、モータの速度とトルクの検出値に応じてモータのハウジング内の冷媒の量を調節する技術は、一つの解決を与えるように理論的には見える。しかしながら、実際には、特許文献５の開示技術は実用的ではない。すなわち、モータの速度とトルクは、アクセルやブレーキなどの操作や地形の変化などに応じて、短時間に大きく変化する。速度は、例えば数秒程度で低速レンジから高速レンジまで変化するであろう。トルクはもっと激しく変化し、例えば数ミリ秒ごとに変化するであろう。このような速度やトルクの高速変化に敏感に追従してモータ内の冷媒量を高速変化させることは不可能に近い。また、このような敏感な冷媒量の制御が、実際上、意義あるものであるかも疑問である。

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、モータ利用機械において、モータを低速回転レンジで高トルクで動作させる場面と高速回転レンジで低トルクで動作させる場面のそれぞれに適した実用的な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、ハウジング内にロータとステータとが収容されたモータと、モータにより駆動される作業装置とを備えるモータ利用機械において、ハウジング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、且つその内部空間から冷却液を排出する冷却液供給手段と、運転者が前記作業装置の瞬時的な動作を操作するための第１の操作入力とは別途に、前記運転者からの第２の操作入力を入力する入力装置と、入力装置に入力された第２の操作入力に応答して、冷却液供給手段を制御して、前記ハウジング内の内部空間に存在する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、モータのハウジング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変更することができる。このため、例えば、モータを低速回転レンジで高トルクレンジで動作させる場面においては、大量の冷却液をモータの内部空間に存在させておくことにより、冷却能力を高め、大きい発熱に対処することができる。他方、例えば、モータを高速回転レンジで低トルクレンジで動作させる場面においては、上記内部空間に存在する冷却液の量を減らすことによって、冷却液によるロータの回転エネルギー損失の低減することができる。

このようなモータ内の冷却液量の制御は、運転者から入力される上記第２の操作入力に応答して行われる。この第２の操作入力は、運転者が作業装置の瞬時的な動作を操作するための第１の操作入力とは別途に入力されるものである。ここで、作業装置の瞬時的な動作を操作するための第１の操作入力とは、例えば、モータ利用機械が、車輪や車軸などの走行機構を作業装置としてもつ自動車である場合、その瞬時的な走行速度や走行方向を操作するアクセル操作やブレーキ操作やステアリング操作がこれに該当し、あるいは、モータ利用機械がブームやバケットを作業装置としてもつ建設機械である場合、そのブームやバケットの瞬時的速度や移動方向を操作する作業レバー操作などがこれに該当する。従って、上記第１の操作入力に応じてモータの回転速度やトルクの瞬時値は時々刻々めまぐるしく変化することになるが、モータ内の冷却液の量は、そのようなめまぐるしい変化に応じてなされるのではない。第１の操作入力とは別途に運転者が入力する第２の操作入力に応じて、モータ内の冷却液量が制御されることになる。従って、運転者が、モータ利用機械の運転環境や状況（例えば、自動車の場合、走行している地形の険しさ、あるいは、建設機械の場合、掘削や運搬の対象物の堅牢さや重量など）に応じて第２の操作入力を適切に選ぶことで、その運転環境や状況に適した量に、モータ内の冷却液量を設定することができる。

好適な実施形態では、上記第２の操作入力は、運転者が意図するモータの回転速度レンジのレベル、又は運転者が意図する前記モータのトルクレンジもしくは冷却能力レンジのレベルを表す。そして、制御手段は、第２の操作入力に応答して、上記意図する回転速度レンジのレベルが所定レベルより低いか又は上記意図するトルクレンジもしくは冷却能力レンジのレベルが所定レベルより高い場合、上記意図する回転速度レンジのレベルが所定レベル以上であるか又は上記意図する冷却能力のレベルが所定レベル以下である場合に比較して、モータの内部空間に存在する冷却液の量がより多くなるように、冷却液供給手段を制御する。ここで、上述した「運転者が意図するモータの回転速度レンジ（又はトルクレンジ、又は冷却能力レンジ）のレベル」とは、現在置かれている運転環境や状況に応じて運転者が決めた、モータをどのレベルの回転速度レンジ又はトルクレンジ、又は冷却能力レンジ）で運転することが適当かの意図又は判断である、例えば、険しい地形を走行する状況下では、低速回転レンジ（高トルクレンジ、高冷却能力レンジ）が適当であると判断されるであろうし、舗装道路を走行する状況下では、高速回転レンジ（低トルクレンジ、低冷却能力レンジ）が適当であると判断されるであろう。しかし、これは、実際のモータの回転速度の瞬時値とは異なる。例えば、舗装道路を走行する時、第２の操作入力で高速回転レンジ（低トルクレンジ）が選択されても、実際には交通規則に応じて第１の操作入力（アクセル操作やブレーキ操作）や地形の変化でモータが低速回転したり停止したり、モータのトルクが上がったり下がったりすることが頻繁にある。

上記第２の操作入力を入力するための入力装置としては、運転者が第２の操作入力のみを専用に入力するためのスイッチ（例えば、運転者の意図する回転速度レンジを高速と低速間で切り替える切り替えスイッチ）、又は、モータの出力を作業装置へ伝達するためのトランスミッションの変速ギアを運転者が選択するギアチェンジ装置（例えば、変速レバー）を用いることができる。ギアチェンジ装置を用いた場合、例えば、速度段として「ロー」と「ハイ」の２段階が選択できるならば、「ロー」では低速回転レンジが意図されたとみて、モータ内に冷却液を充満させ、「ハイ」では高速回転レンジが意図されたとみて、モータ内から冷却液を完全に排除する、というような制御が行ない得る。あるいは、速度段として「バック」、「ロー」、「セコンド」、「自動」の４段階が選択できるならば、「ロー」では低速回転レンジが意図されたとみて、モータ内に冷却液を充満させ、「バック」と「セコンド」では、中速回転レンジが意図されたとみて、モータ内の冷却液量を中間的な量にし、また、「ハイ」では高速回転レンジが意図されたとみて、モータ内から冷却液を完全に排除する、というような制御が行ない得る。

上述したモータ内の冷却液量の制御に加えて、モータの通電電流の大きさを検出し、そして、少なくとも、モータ内の冷却液の量を所定量以上に制御している場合（例えば、モータ内に冷却液を充満させている場合、あるいは、充満させている場合と中間的な量にしている場合）には、検出された通電電流の大きさに応じてモータ内を流れる冷却液の流量を変更するようにしてもよい。例えば、通電電流が大きいほど、冷却液の流量を大きくすることができる。モータの発熱の大部分は、通電電流が巻線を流れるときの銅損であるからである。

好適な実施形態では、上記冷却液供給手段がシリンダを備える。このシリンダは、モータの内部空間に連通する容量可変の液貯め部を有し、その液貯め部内に、モータ外に存在する余分な量の冷却液を収容し保管する。そして、シリンダの液貯め部の容量を変更することで、モータの内部空間に存在する冷却液の量を変更することができる。また、上記しリンダとは別に、冷却液をモータの内部空間から排出させて再びモータの内部空間へ送り込む循環ポンプが設けられる。さらに、循環ポンプによりモータから排出された冷却液を冷却する冷却手段（例えば熱交換器）が設けられ、そこで冷却された冷却液が再びモータに注入されるようになっている。シリンダを用いて、モータ内の冷却液量をある程度高速に増大又は減少させることができる。シリンダロッドの位置を検出することで、液貯め部の容量（換言すれば、モータ内の冷却液量）を段階的又は無段階的に制御するようにしてもよい。

ところで、モータの高速運転時、モータ内から冷却液を排除したとしても、少量の冷却液がモータ内に残留する可能性がある。もし、その残留冷却液が、モータの発熱で高温に熱せられ、そして、高速回転しているロータに衝突して砕かれ、あるいはキャビティを発生して気化すると、モータハウジングの内部気圧を上昇させたり、あるいは、安全弁から大気へ逃げて全体的な冷却液量を減少させるなど、好ましくない現象が生じる。そこで、残留冷却液が気化しないように、冷却液として、モータの絶縁階級の温度よりも高い沸点をもつ物質を用いることが好ましい。

好適な実施形態では、モータが、そのハウジングの上部から上方に突出する突出部を備え、この突出部が、ハウジングの内部空間とモータの外部の空間とに連通して、上記内部空間内の冷却液の量の変化に応じて内部空間内の気体の量を変化させるように構成される。モータが多少傾いたとしても、突出部は冷却液で塞がれないので、モータ内の冷却液量を変化させる時に、突出部を通じてモータ内から外へ空気を逃がしたり外からモータ内へ空気を入れたりすることができる。また、突出部の空気出し入れ機能により、温度変化などでモータ内の気圧が変わっても、その気圧の異常上昇又は異常低下を防ぐことができる。

本発明に従うモータ利用機械によれば、モータを低速回転レンジで高トルクで運転する場面と高速回転レンジで低トルクで動作させる場面のそれぞれに適した実用的な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要部の基本的な構成図である。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１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１０は、タイヤや車輪などの走行機構（図示省略）と、その走行機構を駆動するためのパワーを発生させるモータ１と、モータ１の出力を走行機構へ伝えるトランスミッション（図示省略）と、冷却液をモータ１の内部に注入する注入手段２と、モータ１の内部から冷却液を排出する排出手段３と、モータ１から熱を奪って高温になってモータ１から排出された冷却液を冷却する冷却手段４と、モータ１の内部から取り出された冷却液を一時的に保管するとともに冷却手段４へ送り込む保管手段５と、モータ１の内部に存在する冷却液の量を制御する制御手段６と、防災用オフロード自動車１０の運転者によって操作される入力装置７とを有する。

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、また、モータ１の絶縁階級の温度よりも高い沸点をもつ物質であることが望ましい。冷却液として、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１は、ロータ１ａと、ステータ１ｂと、ロータ１ａとステータ１ｂとを収容するハウジング１ｃとを有する。ハウジング１ｃ内には、ロータ１ａとステータ１ｂとに臨む内部空間がある。モータ１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１には図示してないが、モータ１のハウジング１ｃの所定個所（例えば上部の特定個所）には、モータ１の内部空間に存在する冷却液の量が変わるときにモータ１の内部空間と外部空間との間で空気が出入りするための通気構造が設けられている。この通気構造は、例えば、モータ１の内部空間を大気空間に連通させる通気孔であってもよいし、或いは、モータ１の内部空間を保管手段５の内部空間又はこの目的専用の空気室（図示せず）に連通させる通気管であってもよい。

注入手段２は、例えば、ポンプであり、冷却手段４により冷却された冷却液をモータ１内に注入する。なお、注入手段２は、モータ１内における冷却液を流す際の抵抗が大きい場合にはポンプであることが望ましいが、モータ１内における冷却液を流す際の抵抗が小さい場合には、ポンプでなくてもよく、この場合には、注入手段２を単なる注入口としてもよい。

冷却手段４は、冷却液を冷却するものであり、例えば、冷却液を空気又は冷媒などによって冷却する熱交換器、或いはヒートポンプなどである。保管手段５は、モータ１の内部の冷却液の量に変化に伴って変化する余分な量の冷却液を一時的に蓄えるとともに、蓄えた冷却液を冷却手段４へ送り込むものである。保管手段５は、例えば冷却液を貯めるタンクとそれを送り出すポンプの組み合わせ、或いは冷却液の貯蔵容量が可変であるとともに冷却液を圧送することができるシリンダ・ロッド（ピストン）を備えたシリンダなどである。

入力装置７は、運転者により操作されて、運転者が意図するモータ１の回転速度レンジのレベル、又は運転者が意図するモータ１のトルクレンジもしくは冷却能力レンジのレベルを表した操作入力を入力する。入力装置７として、具体的には、運転者によって、Ｈ（ハイ）状態とＬ（ロー）状態の２レベルの状態、あるいは、より多くのレベルの状態に切り替え設定できる切替スイッチ、あるいは、無段階に出力信号レベルを変えることができるレベル調整器を用いることができる。例えば、入力装置７として用いたれる２レベルの切替スイッチは、運転者によるその切替設定に応じて、Ｈ（ハイ）状態とＬ（ロー）状態のいずれかを示すＨ／Ｌ切替信号を制御手段６に出力する。運転者は、典型的には、例えば、防災用オフロード自動車１０を高速度レンジ（モータ１の高速回転レンジ）及び／又は低トルクレンジで運転することの多い場面では、切替スイッチをＨ（ハイ）状態に設定し（これは、運転者が意図するモータ１の回転速度レンジのレベルが高い、又はトルクレンジもしくは冷却能力レンジが低いことを意味する）、他方、例えば防災用オフロード自動車１０を低速度レンジ（モータ１の低速回転レンジ）及び／又は高トルクで運転することの多い場面では、切替スイッチをＬ（ロー）状態に設定する（これは、運転者が意図するモータ１の回転速度レンジのレベルが低い、又はトルクレンジもしくは冷却能力レンジが高いことを意味する）。あるいは、入力装置７として、トランスミッションの変速ギアを運転者が選択するギアチェンジ装置（例えば、変速レバー）を用いることができる。ギアチェンジ装置を用いた場合、例えば、速度段として「ロー」と「ハイ」の２段階が選択できるならば、「ロー」では低速回転レンジ（又は高トルクレンジ、又は高冷却能力レンジ）が運転者により意図されたとみなすことができ、また、「ハイ」では高速回転レンジ（又は低トルクレンジ、又は低冷却能力レンジ）が意図されたとみなすことができる。もしくは、速度段として「バック」、「ロー」、「セコンド」、「自動」の４段階が選択できるならば、「ロー」では低速回転レンジが意図されたとみなし、「バック」と「セコンド」では、中速回転レンジが意図されたとみなし、また、「ハイ」では高速回転レンジが意図されたとみなすことができる。

いずれにしても、入力装置７に入力される操作入力は、運転者がこのオフロード自動車１０の瞬時的な動作を操作するための操作入力とは別途に入力されるものである。ここで、上述した「オフロード自動車１０の瞬時的な動作を操作するための操作入力」とは、典型的には、タイヤや車軸などの走行機構の瞬時的な走行速度や走行方向を制御する操作入力、すなわち、アクセル操作やブレーキ操作やステアリング操作などを指す。入力装置７に入力される操作入力は、アクセル操作やブレーキ操作やステアリング操作とは別の入力である。従って、入力装置７に入力される操作入力が表すレベルは、モータ１の実際の回転速度やトルクの瞬時値のように短時間にめまぐるしく変化するようなものではなく、オフロード自動車１０が現在置かれている運転環境や状況（例えば、走行している地形の険しさや、行おうとしている作業の種類など）に応じて運転者によって選択される、より長い時間にわたって一定のものである。

以下の説明では、説明を簡単にするために、入力装置７が、操作入力として、Ｈ（ハイ）状態とＬ（ロー）状態の２レベルに切替わる信号（以下、Ｈ／Ｌ切替信号という）を入力する場合を想定する。

制御手段６は、入力装置７から出力されたＨ／Ｌ切替信号に基づいて、モータ１内の上述した内部空間に存在する冷却液の量を制御する。本実施形態では、制御手段６は、Ｈ／Ｌ切替信号がＨを示す場合には、モータ１の内部空間に存在する冷却液の量を所定の少量に制御する（例えば、モータ１の内部空間から冷却液を無くす）。また、制御手段６は、Ｈ／Ｌ切替信号がLを示す場合には、モータ１の内部空間に存在する冷却液の量を所定の多量に制御する（例えば、モータ１の内部空間の略全体に冷却液を充満させる）。なお、例えば排出手段３による排出流量が注入手段２による注入流量より多くなるように排出流量及び注入流量の少なくとも一方を制御することで、モータ１内の冷却液の量を減らすことができ、それとは逆の制御をすることで、モータ１内の冷却液の量を増加させることができる。ここで、注入手段２及び排出手段３は、冷却液供給手段の一例に相当する。

また、モータ１内に、冷却液の液量を検出する液量検出手段（例えば、センサ）を設けるようにし、液量検出手段による検出結果に基づいて、制御手段６がモータ１内の冷却液が所定量になるように制御するようにしてもよい。

次に、モータ利用機械１０の冷却システムの動作について説明する。

図２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。

制御手段６は、入力装置７からＨ／Ｌ切替信号を受信すると（ステップＳ１）、Ｈ／Ｌ切替信号の内容を判断する（ステップＳ２）。ここで、Ｈ／Ｌ切替信号の内容がハイ（Ｈ）であれば、それは、モータ１を高速回転レンジ及び／又は低トルクレンジで運転することが多い場面が選択された（運転者がそうすることを意図した）ことを意味するので、制御手段６は、モータ１のハウジング内部の冷却液の残量が少量（例えば、実質ゼロ）になるように冷却液の循環を制御する（ステップＳ３）。

具体的には、制御手段６は、ハイの信号の場合には、例えば注入手段２の注入流量を維持しつつ排出手段３による排出流量を増加させるなどの方法で、モータ１内の冷却液の量を減らし、そして、モータ１内の冷却液の量が所定の少量（例えば、実質ゼロ）となった後は、排出流量と注入流量とを同じにする制御を行う。これによって、モータ１内に所定の少量の冷却液が存在する状態を維持しつつ、冷却液の循環が行われる。なお、モータ１内で減少した分量に相当する量の冷却液が保管手段５に貯えられることとなる。モータ１内の冷却液の量が少なくなる分、保管手段５内にある余分な冷却液の量が増える。

これによって、モータ１の内部の冷却液が少量（例えば、実質ゼロ）となるので、冷却液とロータ１ａとの接触面が少なくなり、ロータ１ａに与える冷却液の粘性抵抗の影響が減少するので、ロータ１ａの回転損失を低減することができる。したがって、モータ１が効率よく高速回転で動作することができる。すなわち、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。この場合、モータ１が高速回転しても、モータ１内の冷却液の量が少ないので、冷却液の粘性抵抗によるエネルギーロスは小さい。

また、ステップＳ２において、Ｈ／Ｌ切替信号の内容がローであれば、それは、モータ１を低速回転レンジ及び／又は高トルクレンジで運転することが多い場面が選択された（運転者がそうすることを意図した）ことを意味するので、制御手段６は、モータ１のハウジング内部に大量の冷却液が存在する（例えば、略充満する）ように冷却液の循環を制御する（ステップＳ４）。

具体的には、制御手段６は、ローの信号の場合には、例えば排出手段３による排出流量を維持しつつ注入手段２による注入流量を増加させるなどの方法で、モータ１内の冷却液の量を増やし、そして、モータ１内の冷却液が所定の大量（例えば、略充満する量）となった後、注入流量と排出流量とを同じにする制御を行う。これによって、モータ１内に冷却液が大量に存在する（例えば、略充満した）状態を維持しつつ、冷却液の循環が行われる。ハイ信号の時に比べて、モータ１内に存在する冷却液の量が増える分、保管手段５内に存在する余分な冷却液の量が減る。冷却液は、注入手段２からモータ1内に注入され、モータ１内でロータ１ａの周囲を通過することにより、ロータ１ａ等を冷却する。そして、冷却することによって高温になった冷却液は、排出手段３から保管手段５に一時的に保管される。その後、冷却液は、保管手段５から冷却手段４に導かれ、冷却手段４によって冷却されて、再び注入手段２によってモータ1内へ注入されることとなる。

このようにして、ロー信号の場合においては、モータ1のハウジング内部に冷却液を大量に存在させた（例えば、略充満させた）状態で、冷却液の循環を行うので、冷却効果が非常に高い。このため、モータ１に高トルクを発生させるために、大電流が供給されている場合にあっても、モータ１が過熱するおそれがない。また、高トルクが必要なのは通常、モータ１のロータが低速回転している場合であるので、このような低速回転時には、ロータ１ａ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い。

さらに、（必ずしもそうしなければならないわけではないが、）少なくともロー信号の場合、すなわち、少なくともモータ1の内部にある程度以上に大量の冷却液が存在する場合、ステップＳ５の制御を行ってもよい。ステップＳ５では、モータ１の例えば主回路に設置された電流センサ（図示省略）により、モータ１の巻線に流れる通電電流の大きさ（典型的には界磁成分とトルク成分のベクトル和の絶対値）が検出され、その検出値（通電電流の瞬時値）に応じて、モータ１内を通って流れる冷却液の流量（循環流量）（換言すれば、冷却能力）が制御される。ここでは、通電電流が大きいほど、モータ１内を通る冷却液の流量（冷却能力）が大きくなるように、制御がなされる。このステップＳ５での冷却液流量の制御は、ステップＳ４でのモータ内冷却液量の制御に比べて、モータ１の瞬時的な動作状態（通電電流、回転速度あるいはトルクなど）の高速変動に対して、より高い応答性をもった、よりきめの細かい冷却能力の制御であるといえる。

上記の構成によれば、モータ１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。

上記説明では、入力装置７に入力される操作信号のレベルをハイとローの２レベルに切り替えるようにしていたが、さらに、中間的なレベルを含んだ３レベル以上に切り替えるようにしてもよい。中間的なレベルの操作信号が入力された場合には、モータ１のハウジング内に存在する冷却液の量は、中間的な量に制御される。この中間的な場合にも、上記したステップＳ５と同様の制御が行われてよい。

図３は、本発明の一実施形態に係るモータ利用機械の要部の具体的構成図である。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１１の冷却を行う冷却システムを示している。なお、図１に示す基本的構成と対比しながらこの実施形態に係る具体的構成を説明する。

防災用オフロード自動車１０は、注入配管１２と、モータ１１と、強制排出ポンプ１３と、冷却液タンク１５と、輸液ポンプ１４ａと、熱交換器１４と、制御装置１６と、入力装置７とを備える。

モータ１１は、図１に示したモータ１の基本構成に加えて、更に、内部に、冷却液の液量を検出するための液量センサ（図示せず）が設けられたものである。本実施形態におけるモータ１１は、モータ１１内に冷却液を入れない状態で連続運転する場合における定格電力が例えば５０ＫＷであり、動作効率が例えば９５％の性能を備えている。

注入配管１２は、熱交換器１４から押し出される冷却液がモータ１１内部に注入されるように導くための配管である。

強制排出ポンプ１３は、図１に示す排出手段３に対応し、モータ１１内から冷却液を負圧によって引き出すためのポンプである。

冷却液タンク１５は、図１に示す保管手段５に相当し、冷却液を一時的に保管する。図３には図示してないが、冷却液タンク１５の所定個所（例えば上部の特定個所）には、モータ１１及び冷却液タンク１５内に存在する冷却液の量が変わるときに冷却液タンク１５の内部空間と外部空間との間で空気を出入りさせるための通気構造が設けられている。この通気構造は、例えば、冷却液タンク１５の内部空間を大気に連通させる通気孔であってもよいし、或いは、冷却液タンク１５の内部空間をモータ１１の内部空間へ連通させる通気管であってもよい。

輸液ポンプ１４ａは、冷却液タンク１５に保管された冷却液を吸い出して熱交換器１４に送り込む。熱交換器１４は、輸液ポンプ１４ａ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１４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。これは、大トルクを発生させるときに、モータの能力５０ＫＷに対して、例えば、５割以上が熱損失として発生する場合が考えられるので、これに対応することができるようにするためである。

制御装置１６は、入力装置７から出力された操作信号（ここでは、一例として、Ｈ／Ｌ切替信号とする）に基づいて、モータ１１の内部に存在する冷却液の量を制御する。本実施形態では、制御装置１６は、Ｈ／Ｌ切替信号がハイの場合には、強制排出ポンプ１３又は輸液ポンプ１４ａの少なくとも一方を制御することにより、モータ１１内の冷却液の量が少量（例えば、実質ゼロ）となるように制御する。また、制御装置１６は、Ｈ／Ｌ切替信号がローの場合には、強制排出ポンプ１３又は輸液ポンプ１４ａの少なくとも一方を制御することにより、モータ１１内の冷却液の量が大量となる（例えば、モータ内に充満する）ように制御する。

制御装置１６は、モータ１１内の液量の制御において、モータ１１内に設けられた液量センサによる検出値に基づいて、モータ１１内に存在する冷却液の量を検出し（例えば、冷却液の液面の高さを検出して、その高さから冷却液の量を割り出し）、その検出された冷却液量に基づいて、強制排出ポンプ１３又は輸液ポンプ１４ａの少なくとも一方を制御するフィードバック制御を行っている。

モータ１１に存在（滞留）する液量Ｌは、以下の式（１）により検出することができる。

Ｌ＝ｆ（ｘ） （１）
但し、ｘは、モータ１１を水平にしている場合におけるモータ１１内の液面の高さｘを示し、ｆは、液面の高さｘと液量Ｌとの関係を示す関数であり、モータ１１の内部形状によって決まる関数である。

オフロード防災自動車１０の走行中、モータ１１を常に水平にすることは一般的には困難である。そこで、本実施形態では、例えば、モータ１１の軸方向の前後１点づつの液面高さＸをモータ１１内の液量センサによって計測し、２点で得られた液面高さＸを平均したものを式（１）の液面の高さｘとして、液量Ｌを検出するようにしている。

また、輸液ポンプ１４ａや強制排出ポンプ１３による制御を行った際の液量Ｌは、輸液ポンプ１４ａの吐出量Ｑ１と、強制排出ポンプ１３の吐出量Ｑ２と、所定の時点でモータ１１に滞留していた液量Ｌ_０とを用いると式（２）で表わされる。

Ｌ＝∫（Ｑ１−Ｑ２）ｄｔ＋Ｌ_０ （２）
ここに、∫は積分記号、ｔは時間である。

制御装置１６は、このように検出されるモータ１１内の液量Ｌを利用して、輸液ポンプ１４ａの吐出量Ｑ１と強制排出ポンプ１３の吐出量Ｑ２との差を制御することにより、モータ１１内の液量Ｌが所望の量となるように調整制御している。

なお、モータ１１内の液量Ｌの制御に加え、冷却液の温度を計測して輸液ポンプ１４ａの流量Ｑ１または強制排出ポンプ１３の流量Ｑ２を制御するようにすれば、モータ１１内の冷却液の温度を監視し、それに応じて冷却液の量を自動調整することができる。

図４は、本発明の一実施形態の変形例に係るモータ利用機械の要部の具体的構成図である。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２１の冷却を行う冷却システムを示している。なお、図１に示す基本的構成と対比しながらこの変形例に係る具体的構成を説明する。

防災用オフロード自動車１０は、注入配管２２と、モータ２１と、循環ポンプ２３と、熱交換器２４と、制御手段の一例としての制御装置２６と、非常用ガス吸排気部２７と、冷却液供給手段の一例としての冷却液保管シリンダ２５と、アクチュエータ２８と、入力装置７とを備える。

モータ２１は、図１に示したモータ１のハウジング１ｃの通気孔（図１に図示せず）を発展させたものとして、そのハウジング２１ｃの上部に、突出部すなわち気体取り出し突起部２１ａを備える。本実施形態におけるモータ２１は、モータ２１に冷却液を入れない状態で連続運転する場合における定格電力が例えば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２１ａは、モータ２１のハウジング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２１ａは、内部に気体を収容可能な空間を有し、モータ２１内の冷却液が流れる(ロータとスステータと臨む)内部空間と連通している。更に、気体取り出し突起部２１ａ内の空間は、気体配管２７ａにも連通している。気体取り出し突起部２１ａがハウジング２１ｃの他の部分より上方へ突出しているので、モータ２１が或る程度傾いても、気体取り出し突起部２１ａ内の空間が冷却液で塞がれるが防止される。このため、モータ２１がある程度傾いたとしても、モータ２１の内部空間と気体配管２７ａとの連通状態が確保される。

注入配管２２は、熱交換器２４から押し出される冷却液がモータ２１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２３は、図１に示す排出手段３に対応する構成であり、モータ２１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２４は、循環ポンプ２３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２４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２５は、図１の保管手段５に相当し、モータ１のハウジングの内部空間に連通し、モータ１外に存在する余分な冷却液を収容し保管する冷却液貯め部２５ｂ、空気を収容するエア貯め部２５ｃと、冷却液貯め部２５ｂとエア貯め部２５ｃとの容積（容量）を変更させるためのシリンダ・ロッド（ピストン）２５ａとを有する。

エア側シリンダ２５ｃには、気体配管２７ａが接続されており、気体取り出し突起部２１ａと気体配管２７ａを介して連通している。気体配管２７ａにおける気体取り出し突起部２１ａとエアシリンダ２５ｃとの間の経路には、ガス給排気部２７が設けられている。

非常用ガス吸排気部２７は、気体配管２７ａ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２７ａを大気開放して内部ガスを外へ放出し、また、気体配管２７ａ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、気体配管２７ａを大気開放して外の空気を気体配管２７ａ内に吸入する。これによって、例えば、モータ２１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２１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２７ａ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、非常用ガス吸排気部２７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２８は、制御装置２６の制御により、シリンダ・ロッド２５ａを駆動する。

制御装置２６は、入力装置７から出力された操作入力（ここでは、一例として、Ｈ／Ｌ切替信号とする）に基づいて、モータ２１の内部に存在する冷却液の量を制御する。本実施形態では、制御装置２６は、Ｈ／Ｌ切替信号がハイの場合には、アクチュエータ２８を制御することによりモータ２１内の冷却液の量が少量（例えば、実質ゼロ）となるように制御する。具体的には、制御装置２６は、アクチュエータ２８を制御して、シリンダ・ロッド２５ａを冷却液側シリンダ２５ｂの容積が増加する方向（Ｈ側）に所定の位置（ハイの位置）まで移動させる。このように、冷却液保管シリンダ２５のシリンダ・ロッド２５ａがＨ（ハイ）側へ押し込まれると、冷却液貯め部２５ｂの容量が増加し、エア貯め部２５ｃの容量が減少する。それにより、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２５ｂへ吸入され、モータ２１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２５Ｃ内の気体が気体配管２７ａを通じて気体取り出し突起部２１ａからモータ２１内に供給される。

また、制御装置２６は、Ｈ／Ｌ切替信号がローの場合には、アクチュエータ２８を制御することによりモータ２１内の冷却液の量が大量となる（例えば、モータ内に充満する）ように制御する。具体的には、制御装置２６は、アクチュエータ２８を制御して、シリンダ・ロッド２５ａを冷却液貯め部２５ｂの容積が減少する方向（Ｌ側）に所定の位置（ローの位置という）まで移動させる。このように、冷却液保管シリンダ２５のシリンダ・ロッド２５ａがＬ（ロー）側へ引き出されると、冷却液貯め部２５ｂの容量が減少し、エア貯め部２５ｃの容量が増加する。それにより、冷却液貯め部２５ｂの減少した容量に相当する冷却液が、注入配管２２を通じてモータ２１内に供給されて、モータ２１内に存在する冷却液の量が増加し、また、その増加量に相当する量のモータ２１内の気体が、エア貯め部２５Ｃに吸入される。

本実施形態では、上記したように、冷却液の総量が一定であり、冷却液保管シリンダ２５のシリンダ・ロッド２５ａの位置又は移動距離によって冷却液の循環量を制御することができるので、モータ２１内の冷却液の液量を直接計測することなく、シリンダ・ロッド２５ａの位置又は移動距離からモータ２１内の冷却液の量を把握することができる。したがって、モータ２１内の冷却液の量を所望の量に容易且つ確実に調整することができる。シリンダ・ロッド２５ａの位置又は移動距離は、冷却液保管シリンダ５又はアクチュエータ２３に設けられたセンサなどによって検出し、制御することができる。

本実施形態では、アクチュエータ２８による冷却液保管シリンダ２５のシリンダ・ロッド２５ａの移動により、モータ１のハウジング内の冷却液量を、或る程度に高速に増大又は減少させることができる。

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、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、低速回転時に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。

また、上記実施形態では、モータのハウジング内の冷却液の量を、ハウジングに略充満する量と、ハウジング内に冷却液が実質存在しない量に変更可能に制御していたが、本発明はこれに限られず、例えば、３段階以上に冷却液量を変更したり、あるいは、無段階に連続的てきに冷却液量を変更するようにしてもよい。

本発明は、モータのステータの内部でロータが回転する「インナーロータ型」のモータにも、ステータの外周でロータが回転する「アウターロータ型」のモータにも、また、車両のタイヤや車輪のリムなどにモータが格納される「インホイール型」にも、冷却液漏れを防ぐシール構造として、それぞれのモータに適した設計のシール構造の採用とともに、適用可能である。

本発明の一実施形態に係るモータ利用機械の要部の基本的構成図である。 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。 本発明の一実施形態に係るモータ利用機械の要部の具体的構成図である。 本発明の一実施形態の変形例に係るモータ利用機械の要部の具体的構成図である。

符号の説明

１、１１、２１ モータ、１ａ ロータ、１ｂ ステータ、１ｃ ハウジング、２ 注入手段、３ 排出手段、４ 冷却手段、５ 保管手段、６ 制御手段、７ 切替スイッチ、１２、２２ 注入配管、１３ 強制排出ポンプ、１４、２４ 熱交換器、１４ａ 輸液ポンプ、１５ 冷却液タンク、１６、２６ 制御装置、２１ａ 気体取り出し突起部、２３ 循環ポンプ、２５ 冷却液保管シリンダ、２５ａ シリンダ・ロッド、２５ｂ 冷却液貯め部、２５ｃ エア貯め部、２７ 非常用ガス吸排気部、２７ａ 気体配管、２８ アクチュエータ。

Claims (7)

1. ロータ（１ａ）とステータ（１ｂ）とが収容されたハウジング（１ｃ）を有するモータ（１）と、前記モータ（１）により駆動される作業装置とを備えるモータ利用機械（１０）において、
   前記ハウジング（１ｃ）内の前記ロータ（１ａ）と前記ステータ（１ｂ）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（２，３）と、
   運転者が前記作業装置の瞬時的な動作を操作するための第１の操作入力とは別途に、前記運転者からの第２の操作入力を入力する入力装置（７）と、
   前記運転者からの第１の操作入力に応答せずに、前記入力装置に入力された前記運転者からの第２の操作入力に応答して、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（６）と
   を備えるモータ利用機械。
2. 前記第２の操作入力は、前記運転者が意図する前記モータ（１）の回転速度レンジのレベル、又は前記運転者が意図する前記モータ（１）のトルクレンジもしくは冷却能力のレベルを表し、
   前記制御手段（６）は、前記第２の操作入力に応答して、前記意図する回転速度レンジのレベルが所定レベルより低いか又は前記意図するトルクレンジもしくは冷却能力レンジのレベルが所定レベルより高い場合、前記意図する回転速度レンジのレベルが前記所定レベル以上であるか又は前記意図するトルクレンジもしくは冷却能力レンジのレベルが所定レベル以下である場合に比較して、前記内部空間に存在する前記冷却液の量がより多くなるように、前記冷却液供給手段（２，３）を制御する、
   請求項１記載のモータ利用機械。
3. 前記入力装置（７）は、前記運転者が前記第２の操作入力のみを専用に入力するためのスイッチ、又は、前記モータ（１）の出力を前記作業装置へ伝達するためのトランスミッションの変速ギアを前記運転者が選択するギアチェンジ装置である請求項２記載のモータ利用機械。
4. 前記モータ（１）の通電電流の大きさを検出する電流検出手段を更に備え、
   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所定量以上に制御している場合、前記電流検出手段に応答して前記冷却液供給手段を制御して、前記内部空間を流れる前記冷却液の流量を変更する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ利用機械。
5. 前記冷却液供給手段が、
   前記モータ（１）の前記内部空間に連通する容量可変の液貯め部（２５ｂ）を有し、前記内部空間外に存在する余分な量の冷却液を前記液貯め部（２５ｂ）内で保管し、制御手段（２６）によって前記液貯め部（２５ｂ）の容量が変更されることにより前記内部空間に存在する前記冷却液の量を変更することができるようになったシリンダ（２５）と、
   前記冷却液を前記内部空間から排出させて再び前記内部空間へ送り込む循環ポンプ（２３）と、
   前記循環ポンプ（２３）により前記内部空間から排出された前記冷却液を、前記内部空間に再び注入する前に、冷却する冷却手段（２４）と
   を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ利用機械。
6. 前記冷却液が、前記モータ（１）の絶縁階級の温度よりも高い沸点をもつ物質である請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ利用機械。
7. 前記モータ（２１）が、
   前記ハウジング（１ｃ）の上部から上方に突出する突出部（２１ａ）を備え、前記突出部は、前記内部空間と前記モータ（１）の外部の空間とに連通して、前記内部空間内の前記冷却液の量の変化に応じて前記内部空間内の気体の量を変化させる
   請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のモータ利用機械。
   
   

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