JP6583186B2

JP6583186B2 - 回転電機の冷却装置

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Publication number: JP6583186B2
Application number: JP2016158409A
Authority: JP
Inventors: 利典大河内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: JP2018026974A

Description

本発明は、回転電機に冷却液を流通して冷却する回転電機の冷却装置に関する。

従来より、ハイブリッド自動車や電気自動車には、モータとして用いられる回転電機が搭載されている。この回転電機は、回転に伴い高温化するため、冷却を行う必要がある。

特許文献１には、電気自動車に搭載された回転電機に冷却液を流通して冷却する冷却装置が開示されている。この冷却装置は、回転電機の総発熱量に基づいて供給する冷却液の吐出量を制御すると共に、回転電機のコイル側及び永久磁石側の各発熱量に基づいてその各々に供給する冷却液の配分を制御している。

特開２０１４−１１０７０５号公報

ところで、回転電機の出力が大きい場合、すなわち、回転電機が高トルク、高速回転で動作する場合には、回転電機の負荷が大きくなる為、多量の冷却液を供給する必要がある。よって、予め冷却液を送り出すポンプは容量の大きなものを用意する必要がある。また、多量の冷却液を供給する際には、ポンプの駆動電力（消費電力）が大きくなってしまう課題がある。

そこで、本発明は、回転電機の出力が大きい場合であっても、回転電機への冷却液の供給量を抑制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。

本発明の回転電機の冷却装置は、回転電機に冷却液を流通して冷却する回転電機の冷却装置であって、ステータに備えられたコイルを冷却する第１流路と、ロータに備えられた永久磁石を冷却する第２流路と、前記冷却液を、前記第１流路と前記第２流路とに分配する分配器と、インバータに最大システム電圧が供給される場合に、前記第１流路への前記冷却液の分配量である第１流路分配量を第１分配量とし、前記第２流路への前記冷却液の分配量である第２流路分配量を第２分配量とするように前記分配器を制御する分配制御部と、を備え、前記分配制御部は、前記インバータに前記最大システム電圧より低い電圧が供給され、かつ、前記回転電機が弱め界磁制御される、弱め界磁状態の場合に、前記第１流路分配量を前記第１分配量より変化量αだけ少なくし、前記第２流路分配量を前記第２分配量より変化量αだけ多くするように前記分配器を制御し、前記弱め界磁状態の場合に、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑの電流ベクトルＩａの大きさ｜Ｉａ｜が大きくなるほど、かつ、ｄ−ｑ軸平面上におけるｑ軸に対して前記電流ベクトルＩａがなす角度である電流位相βが大きくなるほど、前記変化量αを大きくする、ことを特徴とする。

本発明によれば、低いシステム電圧で、回転電機の出力が大きく回転電機が弱め界磁制御される場合には、コイル側への冷却液の分配量を少なくし、永久磁石側への冷却液の分配量を多くするので、回転電機全体での冷却液の供給量を抑制できる。

回転電機の要部断面と冷却装置の循環路とを示す図である。回転電機の冷却装置とモータ制御システムとの構成の概略を示す図である。分配制御部が行う分配制御の流れを示すフローチャートである。ｄ−ｑ軸平面上における電流ベクトルＩａと電流位相βとを示す図である。電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとに対応づけられた変化量αを示す対応表である。回転電機の制御を行う際の回転速度及びトルクに対する制御モードの適用範囲を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の回転電機１０の要部断面と、回転電機の冷却装置３０の循環路３２とを示す図である。回転電機１０は、例えばハイブリッド車両を駆動するモータとして用いられる。

図１に示すように、回転電機１０は、ケース１４内にロータ１２とステータ２０とを備えている。

ロータ１２は、ベアリング（図示せず）等を介してケース１４に対して回転可能に支持されているロータ軸１６と、ロータ軸１６の外周部に設けられたロータ本体１８とを有する。ロータ本体１８には、複数の永久磁石１９が配設されている。

ステータ２０は、ステータコア２２を備えている。このステータコア２２は、内周側が空隙を空けてロータ１２と対向配置された状態で、ケース１４に保持されている。また、ステータコア２２にはコイル２４が巻回されている。

ステータ２０のコイル２４には、後述するインバータ７６から駆動電流が供給され、この駆動電流によってコイル２４に発生した電磁力により、ステータ２０に対してロータ１２が回転する。

本実施形態の回転電機の冷却装置３０は、回転することで発熱する回転電機１０を、冷却液を流通することで冷却する。冷却液は、例えば、オイルである。

図１に示すように、冷却装置３０の循環路３２は、リザーバタンク３４と、ポンプ３６と、分配器３８と、クーラ４０とを備えている。図１において、黒矢印は冷却液の流れを示している。

リザーバタンク３４に貯蓄された冷却液は、ポンプ３６により吸い上げられ、吸引流路４２を通ってポンプ３６に達し、ポンプ３６から共通流路４４に吐出される。共通流路４４はポンプ３６と分配器３８とを繋いでおり、冷却液は、分配器３８に供給される。分配器３８では、後述する分配制御に従った分配量で、共通流路４４から供給された冷却液を第１流路４６と第２流路４８とに分配する。

第１流路４６は、ステータ２０に備えられたコイル２４に冷却液を供給するものであり、回転電機１０のケース１４内に備えられたパイプ５０に連通されている。パイプ５０には複数の吐出口５２が設けてあり、これらの吐出口５２からコイル２４に向けて冷却液が吐出され、コイル２４が冷却される。

第２流路４８は、ロータ１２に備えられた永久磁石１９に冷却液を供給するものであり、回転電機１０のロータ軸１６に設けられたロータ軸流路５４に連通されている。ロータ軸流路５４は、ロータ本体１８に設けられたロータ本体流路５６と連通しており、冷却液がロータ本体流路５６を流通することにより、ロータ１２に備えられた永久磁石１９が冷却される。なお、ロータ本体流路５６の一端はケース１４内に開放されており、冷却後の冷却液はケース１４内に吐出される。

ケース１４の底部には、ステータ２０とロータ１２とを冷却した後の冷却液を排出する排出口５８が設けられている。排出口５８には戻り流路６０の一端が接続されている。戻り流路６０の途中には、冷却液を冷却するためのクーラ４０が設けられ、戻り流路６０の他端はリザーバタンク３４に接続されている。これにより、回転電機１０を冷却後の冷却液がクーラ４０で冷却され、冷却液がリザーバタンク３４に戻る。

図２は、本実施形態の回転電機の冷却装置３０とモータ制御システム７０との構成の概略を示す図である。

本実施形態の冷却装置３０は、前述した循環路３２と、循環路３２にある分配器３８の分配制御を行う分配制御部６２とを備えている。分配制御は、前述したように、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓと、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒとを制御するものである。分配制御部６２は、回転電機１０の制御状態に基づいてこの分配制御を行う。

回転電機１０の制御は、モータ制御システム７０により行われる。図２に示すように、モータ制御システム７０は、バッテリ７２と、バッテリ７２から供給される直流電力の電圧を昇圧して昇圧直流電力を出力する昇圧コンバータ７４と、昇圧コンバータ７４から供給される昇圧直流電力を交流電力に変換して回転電機１０に供給するインバータ７６と、昇圧コンバータ７４とインバータ７６とを制御するモータ制御部７８と、を備えている。

昇圧コンバータ７４の出力には、インバータ７６に入力される電圧であるシステム電圧Ｖ_Hを検出するための電圧センサ８０が取り付けられている。また、インバータ７６から回転電機１０にＶ，Ｗ相の電力を供給する２本の出力線には、各出力線に流れる電流を検出して電流信号Ｉｖ，Ｉｗとして出力する電流センサ８２，８４が取り付けられている。

モータ制御部７８は、システム電圧Ｖ_H、電流信号Ｉｖ，Ｉｗと、外部から入力されるトルク指令値および回転速度指令値とに基づいて、昇圧コンバータ７４とインバータ７６とを制御する。例えば、モータ制御部７８は、回転電機１０がトルク指令値および回転速度指令値に従って動作するように、昇圧コンバータ７４を制御してシステム電圧Ｖ_Hを変化させ、回転速度指令値が大きい場合には弱め界磁制御を行うようにインバータ７６を制御する。また、モータ制御部７８は、電流信号Ｉｖ，Ｉｗからインバータ７６を制御するために用いられるｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとを算出する。

なお、回転電機１０の制御については、例えば、特開２０１４−１１７１１７号公報や特開２０１５−１２６６０７号公報などに記載がある。

冷却装置３０の分配制御部６２は、モータ制御部７８から、システム電圧Ｖ_Hと、弱め界磁制御を行っているか否かを示す信号Ｓと、ｄ軸電流Ｉｄと、ｑ軸電流Ｉｑとを取得し、これらに基づいて分配制御を行う。

システム電圧Ｖ_Hが低い場合（例えば、昇圧コンバータ７４で昇圧を行わない場合）は、ステータ２０に備えられたコイル２４の皮膜の絶縁耐性強度に余裕があるため、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓを少なくすることが可能である。一方、システム電圧Ｖ_Hが低い場合に、回転電機１０が高速回転する際には、弱め界磁制御が行われるため、ロータ１２に備えられた永久磁石１９の負荷が大きくなり、永久磁石１９が減磁し易くなる。よって、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒを多くする必要がある。そこで、分配制御部６２は、システム電圧Ｖ_Hが低く、弱め界磁制御が行われる場合には、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓを少なくし、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒを多くするように分配制御を行う。

図３は、分配制御部６２が行う分配制御の流れを示すフローチャートである。分配制御部６２は、所定の時間間隔でこのフローを実行する。

まず、Ｓ１００で、分配制御部６２は、システム電圧Ｖ_Hが、モータ制御システム７０における最大のシステム電圧（最大システム電圧Ｖ_H#MAX）より低いかを確認する。低くはない場合（Ｓ１００：Ｎｏ）、すなわち、システム電圧Ｖ_Hが最大システム電圧Ｖ_H#MAXである場合には、Ｓ１０２に進む。Ｓ１０２で、分配制御部６２は、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓを第１分配量Ｆｓｉに、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒを第２分配量Ｆｒｉに設定する。

本実施形態では、システム電圧Ｖ_Hが最大システム電圧Ｖ_H#MAXである時に供給すべき冷却液の総量Ｆ（＝Ｆｓｉ＋Ｆｒｉ）と、第１流路４６への第１分配量Ｆｓｉと、第２流路４８への第２分配量Ｆｒｉとが予め決定されている。本実施形態の冷却装置３０は、冷却液の総量Ｆは一定であり、分配制御部６２は、第１分配量Ｆｓｉと第２分配量Ｆｒｉとを基準として、第１流路４６の分配量Ｆｓと第２流路４８の分配量Ｆｒとを増減させる分配制御を行う。

Ｓ１００で、システム電圧Ｖ_Hが最大システム電圧Ｖ_H#MAXより低い場合には、Ｓ１０４に進む。Ｓ１０４で、分配制御部６２は、弱め界磁制御を行っているか否かを示す信号Ｓを確認する。弱め界磁制御が行われていない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）には、Ｓ１０２に進み、第１流路４６の分配量Ｆｓを基準である第１分配量Ｆｓｉに、第２流路４８の分配量Ｆｒを基準である第２分配量Ｆｒｉに設定する。

Ｓ１０４で、弱め界磁制御が行われている場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）には、Ｓ１０６に進む。Ｓ１０６では、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとから、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と、電流位相βとを算出する。

図４は、ｄ−ｑ軸平面上における電流ベクトルＩａと電流位相βとを示す図である。電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜は、以下の数（１）式に基づいて算出することができる。

また、電流位相βは、以下の数（２）式に基づいて算出することができる。

弱め界磁制御はＩｄの電流（負の電流）を大きくすることにより行われ、回転電機１０の回転速度指令値が大きくなるに従って、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜が大きくなり、電流位相βが大きくなる（電流ベクトルが進角側へ倒れる）。ロータ１２に備えられた永久磁石１９は、電流位相βと、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜とが大きくなるに従って、負荷が増加し、減磁し易くなる。

Ｓ１０６で、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとを取得した後は、Ｓ１０８に進む。Ｓ１０８では、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとに基づいて、第１流路４６の分配量Ｆｓと第２流路４８の分配量Ｆｒとを、基準の第１分配量Ｆｓｉ、第２分配量Ｆｒｉから変化させる量である変化量αを取得する。

図５は、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとに対応づけられた変化量αを示す対応表である。本実施形態では、この対応表が、複数のシステム電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，．．Ｖ_HN（Ｖ_H1＞Ｖ_H2＞Ｖ_H3．．＞Ｖ_HN）毎に用意されている。図５に示すように、対応表には、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜の０〜Ｉａｍの各値と、電流位相βの０〜９０（βｎ）の各値との組み合わせに対して、変化量α＝αｉｊ（ｉ＝０〜ｍ、ｊ＝０〜ｎ）が規定されている。この対応表は、予め作成されて、例えば、分配制御部６２が有するメモリに記憶されている。対応表では、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜が大きくなるに従って、また、電流位相βが大きくなるに従って、変化量αが大きな値となるように作成されている。また、システム電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，．．Ｖ_HN毎の対応表を比較した場合、システム電圧Ｖ_Hが低い対応表ほど、最も大きい変化量αｍｎが大きくなるように作成されている。分配制御部６２は、システム電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，．．Ｖ_HNの各々の対応表の中から、現在のシステム電圧Ｖ_Hに対応する対応表を用いて、Ｓ１０６で取得された電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜及び電流位相βに対応付けられた変化量αを取得する。なお、現在のシステム電圧Ｖ_Hに対応する対応表が無い場合には、例えば、現在のシステム電圧Ｖ_Hの上下のシステム電圧Ｖ_Hの対応表（例えば、Ｖ_H1＞現在のシステム電圧Ｖ_H＞Ｖ_H2であれば、Ｖ_H1の対応表とＶ_H2の対応表）の変化量αを加重平均することによって、変化量αを取得する。

なお、図５のような対応表を用いずに、システム電圧Ｖ_Hと、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と、電流位相βとを用いて演算を行うことにより、変化量αを取得しても良い。

Ｓ１０８の後は、Ｓ１１０に進む。Ｓ１１０では、変化量αを用いて、第１流路４６の分配量Ｆｓと第２流路４８の分配量Ｆｒとを設定する。分配制御部６２は、第１流路４６の分配量Ｆｓを基準である第１分配量Ｆｓｉから変化量αを引いた量に設定し、第２流路４８の分配量Ｆｒを基準である第２分配量Ｆｒｉから変化量αを足した量に設定する。これにより、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓは基準である第１分配量Ｆｓｉより少なくなり、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒは基準である第２分配量Ｆｒｉより多くなる。

以上説明したフローを、分配制御部６２は、所定の時間間隔で実行する。

以上説明した本実施形態の回転電機の冷却装置３０は、システム電圧Ｖ_Hが低い場合には、コイル２４の皮膜の絶縁耐性強度に余裕があるため、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓを、基準の分配量である第１分配量Ｆｓｉよりも少なくする。

一方、システム電圧Ｖ_Hが低い場合に、回転電機１０の出力が大きい（回転電機１０が高速回転する）際には、弱め界磁制御が行われ、ロータ１２に備えられた永久磁石１９の負荷が増加し、減磁し易くなるため、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒを、基準の分配量である第２分配量Ｆｒｉよりも多くする。

また、弱め界磁制御において、回転電機１０の回転速度が高くなるに従って、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとが大きくなり、永久磁石１９の負荷が増加し、より減磁し易くなる。そこで、本実施形態の回転電機の冷却装置３０は、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとが大きくなる従って、変化量αを大きくし、永久磁石１９へ冷却液を供給する第２流路４８の分配量Ｆｒをより多くする。また、この際、第１流路４６の分配量Ｆｓを、第２流路４８の分配量Ｆｒを多くした分だけ少なくする。

このように、本実施形態の回転電機の冷却装置３０によれば、回転電機１０に供給する冷却液の総量Ｆを増やすことなく、弱め界磁制御により減磁し易くなる永久磁石１９を効果的に冷却することが可能である。

したがって、回転電機１０に供給する冷却液の総量Ｆを抑制できる。また、冷却液を送り出すポンプ３６の容量を小さくでき、ポンプ３６の駆動電力を小さくできる。

なお、システム電圧Ｖ_Hが比較的高い場合（例えば、システム電圧Ｖ_Hが最大システム電圧Ｖ_H#MAXより若干低い程度である場合）には、コイル２４の皮膜の絶縁耐性強度に大きな余裕はない為、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓを少なくする量である変化量αは、小さくすべきである。一方、システム電圧Ｖ_Hが低い場合（例えば、昇圧コンバータ７４で昇圧を行わない場合）には、コイル２４の皮膜の絶縁耐性強度に大きな余裕がある為、コイル２４へ冷却液を供給する第１流路４６の分配量Ｆｓを少なくする量である変化量αは、大きくすることができる。そこで、以上説明した実施形態では、複数のシステム電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，．．Ｖ_HN毎に、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜と電流位相βとに対応づけた変化量αの対応表を用意し、システム電圧Ｖ_Hが低い対応表ほど、最も大きい変化量αｍｎが大きくなるようにしている（システム電圧Ｖ_Hが高い対応表ほど、最も大きい変化量αｍｎが小さくなるようにしている）。

以上説明した実施形態の回転電機の冷却装置３０は、モータ制御システム７０のモータ制御部７８から、弱め界磁制御を行っているか否かを示す信号Ｓを分配制御部６２が取得することで、分配制御部６２が分配制御を行った。しかし、信号Ｓの替わりに、回転電機１０の制御モードを示す信号ＣＭを、モータ制御部７８から分配制御部６２が取得することで、分配制御部６２が分配制御を行ってもよい。

図６は、回転電機１０の制御を行う際の回転速度及びトルクに対する制御モードの適用範囲を示す図である。図６に示すように、低回転数域では正弦波ＰＷＭ制御が用いられ、高回転数域では矩形波制御が適用され、中間回転数領域では過変調ＰＷＭ制御が適用される。一般的に、制御モードが矩形波制御である場合には弱め界磁制御が行われるため、分配制御部６２は、制御モードを示す信号ＣＭを用いて、制御モードが矩形波制御であるか否かを確認することで、弱め界磁制御が行われているか否かの情報を得ることが可能である。

また、以上説明した実施形態の回転電機の冷却装置３０は、電流ベクトルの大きさ｜Ｉａ｜を用いて、変化量αを取得した。しかし、電流センサ８２，８４によって検出されたインバータ７６から回転電機１０にＶ，Ｗ相の電力を供給する２本の出力線に流れる電流であるＩｖ，Ｉｗを分配制御部６２が取得し、このＩｖ，Ｉｗを用いて、変化量αを取得しても良い。この場合には、図５に示した対応表は、電流Ｉｖ，Ｉｗと電流位相βとに対応づけられた変化量αを示す対応表となる。

１０回転電機、１２ロータ、１４ケース、１６ロータ軸、１８ロータ本体、１９永久磁石、２０ステータ、２２ステータコア、２４コイル、３０回転電機の冷却装置、３２循環路、３４リザーバタンク、３６ポンプ、３８分配器、４０クーラ、４２吸引流路、４４共通流路、４６第１流路、４８第２流路、５０パイプ、５２吐出口、５４ロータ軸流路、５６ロータ本体流路、５８排出口、６０戻り流路、６２分配制御部、７０モータ制御システム、７２バッテリ、７４昇圧コンバータ、７６インバータ、７８モータ制御部、８０電圧センサ、８２，８４電流センサ。

Claims

回転電機に冷却液を流通して冷却する回転電機の冷却装置であって、
ステータに備えられたコイルを冷却する第１流路と、
ロータに備えられた永久磁石を冷却する第２流路と、
前記冷却液を、前記第１流路と前記第２流路とに分配する分配器と、
インバータに最大システム電圧が供給される場合に、前記第１流路への前記冷却液の分配量である第１流路分配量を第１分配量とし、前記第２流路への前記冷却液の分配量である第２流路分配量を第２分配量とするように前記分配器を制御する分配制御部と、を備え、
前記分配制御部は、
前記インバータに前記最大システム電圧より低い電圧が供給され、かつ、前記回転電機が弱め界磁制御される、弱め界磁状態の場合に、前記第１流路分配量を前記第１分配量より変化量αだけ少なくし、前記第２流路分配量を前記第２分配量より変化量αだけ多くするように前記分配器を制御し、
前記弱め界磁状態の場合に、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑの電流ベクトルＩａの大きさ｜Ｉａ｜が大きくなるほど、かつ、ｄ−ｑ軸平面上におけるｑ軸に対して前記電流ベクトルＩａがなす角度である電流位相βが大きくなるほど、前記変化量αを大きくする、
ことを特徴とする回転電機の冷却装置。