JPWO2019098224A1 - 回転電機の冷却装置 - Google Patents

Abstract

車両に搭載される回転電機の冷却装置は、回転電機のステータ及びロータを収容する筐体の壁内に形成され、筐体の壁内に冷媒を流通可能な冷媒経路と、冷媒経路において冷媒を循環させる回転電機用冷凍サイクルとを備え、回転電機用冷凍サイクルは、回転電機用圧縮機と回転電機用凝縮器と回転電機用膨張弁とを含み、冷媒が回転電機用圧縮機、回転電機用凝縮器、回転電機用膨張弁、冷媒経路を順次流通するように循環可能に構成され、回転電機の筐体を蒸発器として機能させるとともに冷媒経路の冷媒入口部又は冷媒入口部の直前に回転電機用膨張弁を設けたことを特徴とする。

Description

本開示は、回転電機の冷却装置に関する。

電動車両の普及により駆動用モータのような回転電機の冷却の重要性が増し、高出力化が進めば発熱への対応が不可避になる。現在主流のモータ冷却は筐体に水路を設けた「水冷方式」もしくは筐体内部の発熱部に油を直接かける「油冷方式」が行われている。しかし、水冷方式は冷却効果が小さく、また油冷方式はモータ全体を均一に冷やしにくい課題点を持つ。また、水冷方式及び油冷方式以外のものとして、冷凍サイクルを用いて冷却するものもあり、例えば、特許文献１及び特許文献２が知られている。

特許文献１には、圧縮機駆動用モータの冷却装置が開示され、モータと圧縮機との共通のハウジング内に導入された冷媒が圧縮機により吸入されて圧縮された後、ハウジング外の流路へと吐出されて、圧縮された圧縮冷媒は、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を経て再び圧縮機へと吸入される構成が示されている。

また、特許文献２には、自動車用ヒートポンプ式空調装置について開示され、特許文献２の図１２、１３等には、膨張弁１５を通過した後の冷媒が、室内側熱交換器１６を通過し、その後開閉弁３３、３４を介して駆動用電動機のケーシング３６に導入される構成が開示されている。

特開２０１６−１７６３５９号公報 特開平６−２１３５３１号公報（図１２、図１３）

特許文献１に開示された発明は、モータと圧縮機との共通のハウジング内に冷媒が導入される構成であり、モータの出力軸がハウジングから突出する構成ではないので、ハウジング内に導入された冷媒が外側へは漏れにくいが、電動車両用の駆動モータでは、モータ出力軸にギヤが連結され又は直接的に車輪に連結される構造であるため、ハウジングを貫通させる部分での冷媒のシール性において問題があり、特許文献１のモータ冷却構造を電動車両用の駆動用モータへ適用することは難しい。さらに、この特許文献１の冷媒回路は、大規模なビルや施設等に設置される大型冷凍機に用いられるものであり、電動車両への適用は難しい。

また、特許文献２には、その段落００２４に、駆動用電動機３５の冷却が必要な場合には膨張弁１５を通過した後の冷媒が、室内側熱交換器１６を通過し、その後開閉弁３３、３４を介して駆動用電動機のケーシング３６に導入される構成が開示されているが、駆動用電動機に導入される冷媒は、室内側熱交換器１６で加熱された冷媒である。そのため、冷凍サイクルにおける膨張弁の通過直後の蒸発気化潜熱を利用しての効果的な冷却が駆動用電動機において期待できない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、冷凍サイクルを用いて冷却効果が高く、均一な冷却が可能な回転電機の冷却装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために発明されたものであって、本発明の少なくとも一つの実施形態は、車両に搭載される回転電機の冷却装置であって、前記回転電機のステータ及びロータを収容する筐体の壁内に形成され、前記筐体の壁内に冷媒を流通可能な冷媒経路と、前記冷媒経路において前記冷媒を循環させる回転電機用冷凍サイクルとを備え、前記回転電機用冷凍サイクルは、回転電機用圧縮機と回転電機用凝縮器と回転電機用膨張弁とを含み、冷媒が前記回転電機用圧縮機、前記回転電機用凝縮器、前記回転電機用膨張弁、前記冷媒経路を順次流通するように循環可能に構成され、前記回転電機の前記筐体を蒸発器として機能させるとともに前記冷媒経路の冷媒入口部又は該冷媒入口部の直前に前記回転電機用膨張弁を設けたことを特徴とする。

上記構成によれば、回転電機の筐体に回転電機用冷凍サイクルにおける回転電機用蒸発器の機能を有する冷媒経路を形成して、冷媒経路の冷媒入口部又は冷媒入口部の直前の配管に回転電機用膨張弁を設けることにより、回転電機用膨張弁によって減圧された冷媒は、回転電機用膨張弁と冷媒経路との間で加圧も加熱もされずに直接冷媒経路に流入するので、回転電機の筐体内部で冷媒を蒸発させて蒸発潜熱を用いて効率よく吸熱できるようになり、その結果、回転電機を効率よく均一な冷却ができる。また、回転電機の冷却性能の向上によって、回転電機の定格出力の向上や小型化が可能になる。なお、「回転電機」には、例えば駆動用のモータや駆動に必要な発電を担うジェネレータが含まれる。

幾つかの実施形態では、前記冷媒経路は、前記ステータのステータコイルの外側を周方向にわたって囲むように形成されてもよい。この構成によれば、ステータコイルの外側を周方向にわたって囲むように冷媒が冷媒経路を流通するので、回転電機の稼働時に発熱するステータコイルを効率的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、前記冷媒経路は、前記回転電機の出力軸方向の長さにおいて、前記ステータのステータコイルが配置されている範囲よりも長く延びて形成されてもよい。この構成によれば、ステータコイル全体を囲むように冷媒が冷媒経路を流通するので、ステータコイルをさらに効率的に冷却することができる。

幾つかの実施形態では、前記冷媒経路の冷媒入口部は、前記冷媒経路の冷媒出口部よりも鉛直方向上方に設けられてもよい。この構成によれば、冷媒は冷媒経路を鉛直上方から鉛直下方に向かって流れる。一般に、気体は温度が低いほど密度が大きくなるため、鉛直方向下方へ移動しやすい。回転電機用膨張弁で減圧された冷媒はその一部が気化しているので、気体の冷媒は、冷媒経路を鉛直上方から鉛直下方に向かって移動しやすくなる。このため、液体の冷媒だけでなく気体の冷媒も冷媒経路を鉛直上方から鉛直下方に向かって確実に移動するようになるので、回転電機を効率よく均一に冷却できる。

幾つかの実施形態では、前記冷媒入口部の位置と前記冷媒出口部の位置とは、前記回転電機の出力軸方向にずれてもよい。この構成によれば、冷媒が冷媒経路を鉛直上方から鉛直下方に向かって流れる間、回転電機の出力軸方向にも流れるので、回転電機をより均一に冷却できる。

幾つかの実施形態では、前記車両には室内空調装置が設けられ、該室内空調装置は、空調用圧縮機と空調用凝縮器と空調用膨張弁と空調用蒸発器とを含む空調用冷凍サイクルを備え、該空調用冷凍サイクルは、前記回転電機用冷凍サイクルを循環する前記冷媒の一部が前記空調用圧縮機、前記空調用凝縮器、前記空調用膨張弁、前記空調用蒸発器を順次流通して再び前記空調用圧縮機に流入するように循環可能に構成され、前記空調用凝縮器と前記回転電機用凝縮器とは１つの同じ共用凝縮器であってもよい。

この構成によれば、回転電機用冷凍サイクルと室内空調装置の空調用冷凍サイクルとが一体化され、これら冷凍サイクルを構成する凝縮器が共用されるので、部品点数の減少及び冷媒の配管の簡素が見込める。その結果、重量及びコスト面において有利になる。また、この構成によれば、回転電機用冷凍サイクルと室内空調装置の空調用冷凍サイクルとのそれぞれに別々に圧縮機を設けることができるので、室内空調装置による室内冷却性能に影響を与えることなく回転電機用冷凍サイクルによる回転電機の冷却能力を得ることができ、これにより、回転電機用冷凍サイクルと空調用冷凍サイクルとの両立が容易となる。

幾つかの実施形態では、前記空調用圧縮機と前記回転電機用圧縮機とがさらに１つの同じ共用圧縮機であってもよい。この構成によれば、回転電機用冷凍サイクル及び空調用冷凍サイクルのそれぞれを構成する圧縮機も共用されるので、部品点数のさらなる減少及び冷媒の配管のさらなる簡素化が見込める。その結果、重量及びコスト面においてさらに有利になる。

幾つかの実施形態では、前記回転電機用冷凍サイクルには、前記共用圧縮機と前記回転電機との間に、増設圧縮機が設けられてもよい。この構成によれば、回転電機用冷凍サイクルに、増設圧縮機が設けられるので、共有圧縮機の能力を補うことができる。室内空調装置による室内冷却性能に影響を与えることなく回転電機用冷凍サイクルによる回転電機の冷却能力を得ることができ、これにより、回転電機用冷凍サイクルと空調用冷凍サイクルとの両立が容易となる。

幾つかの実施形態では、前記空調用膨張弁に流入する冷媒量と、前記回転電機用膨張弁に流入する冷媒量との比率を調整する流量調整弁が設けられてもよい。この構成によれば、流量調整弁によって、空調用膨張弁に流入する冷媒量と、回転電機用膨張弁に流入する冷媒量との比率が調整されるので、回転電機の冷却と室内空調装置の冷却との必要性に応じた冷媒配分が可能になる。

幾つかの実施形態では、前記車両の室内温度を検出する室内温度センサと、前記ステータのステータコイルの温度を検出するステータコイル温度センサと、前記室内温度及び前記ステータコイルの温度に基づいて、前記比率を調整するように前記流量調整弁を制御してもよい。この構成によれば、流量調整制御部によって、室内温度及びステータコイルの温度に基づいて、空調用膨張弁に流入する冷媒量と、回転電機用膨張弁に流入する冷媒量との比率が調整されるので、回転電機の冷却と室内空調装置の冷却との冷媒の配分が適切に行われる。

幾つかの実施形態では、前記ステータのステータコイルの温度を検出するステータコイル温度センサと、前記ステータコイルの温度が予め設定された目標温度以上の時に、前記回転電機用圧縮機の運転を制御する圧縮機制御部とを備えてもよい。この構成によれば、圧縮機制御部によって、ステータコイルの温度が目標温度以上のときに、回転電機用圧縮機が運転されるので、回転電機の発熱状態に対応した適切な冷却が可能になる。

幾つかの実施形態では、前記目標温度は、前記ステータコイル及び前記ロータの磁石それぞれの上限温度を超えないように前記回転電機の最大トルクの抑制が開始されるコイル温度以下に設定されてもよい。

この構成によれば、ステータコイルの温度の目標温度を、ステータのコイル及びロータの磁石の機能低下が生じる上限温度（Ｔｍ）を超えないようにするために、上限温度に達する前に回転電機の最大トルクの抑制が開始される温度（Ｔｓ）以下に設定することで、最大トルクの抑制の開始以前に回転電機を回転電機用冷凍サイクルによって冷却するので、ステータコイルの温度が最大トルクの抑制の開始温度および上限温度に到達することを効果的に防止することができる。

幾つかの実施形態では、前記圧縮機制御部は、前記回転電機の要求トルク及び要求回転数に応じて前記回転電機用圧縮機の回転数を制御してもよい。この構成によれば、回転電機の要求トルク及び要求回転数に応じて回転電機用圧縮機の回転数を制御することにより、回転電機の発熱量に対応して回転電機用冷凍サイクルによる冷却能力が増減するので、効率よく回転電機を冷却できる。

幾つかの実施形態では、前記ステータのステータコイルの温度を検出するステータコイル温度センサと、前記回転電機用圧縮機を作動させて前記回転電機を冷却する事前冷却スイッチと、前記事前冷却スイッチがＯＮされたときに前記ステータコイルの温度が予め設定された温度まで冷却する事前冷却制御部とを備えてもよい。この構成によれば、事前冷却スイッチのＯＮによって事前冷却制御部は、ステータコイルの温度を予め設定された温度まで冷却するので、運転者の好みのタイミングで回転電機の冷却が可能になる。

幾つかの実施形態では、前記事前冷却制御部は、前記事前冷却スイッチがＯＮされた場合に、前記回転電機用圧縮機を最大回転数で稼働させる最大回転稼働部と、前記ステータコイルの温度が予め設定された前記温度まで低下したことを判定する温度低下判定部と、前記ステータコイルの温度が予め設定された前記温度まで低下したことを前記温度低下判定部が判定したとき、前記車両の加速運転の許可を行う加速許可部とを備えてもよい。この構成によれば、回転電機用冷凍サイクルによる冷却によって加速運転前に回転電機が予め設定された温度まで低下され、低下した後に加速許可されるので、その後の加速運転時における最大トルク運転時においても、回転電機の発熱を抑制でき、最大トルク運転時間を延伸することができる。

幾つかの実施形態では、前記回転電機用冷凍サイクルには、前記回転電機よりも冷媒流れ方向下流側にインバータを冷却するインバータ冷却部が設けられてもよい。この構成によれば、回転電機用冷凍サイクルにおいて気化した冷媒がインバータ冷却部に導入されることで、インバータも冷却することが可能になる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、冷凍サイクルを用いて冷却効果が高く、均一な冷却が可能な回転電機の冷却装置を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る電動車両用モータの変形例の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の圧縮機制御部の制御フローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の圧縮機制御部の制御フローチャートである。 駆動用モータのコイル温度と出力トルクとの関係を示す特性図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の冷却制御部の構成ブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の事前冷却制御部の制御フローチャートである。 駆動用モータの運転開始時のステータコイルの温度と最大トルク運転時間との関係を示す特性図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の全体構成図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の流量調整制御部の制御フローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の流量調整制御部の制御フローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の流量調整却制御部の配分比率を調整する制御フローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の冷却制御部の構成ブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の事前冷却制御部の制御フローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の全体構成図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の全体構成図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の要部構成図である。 本発明の他の実施形態に係る電動車両用モータの冷却装置の要部構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれらに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の一実施形態に係る回転電機である駆動用モータ３の冷却装置１について、図１を参照して説明する。なお、この回転電機は主に車両に搭載されるものであり、特にハイブリッド車には、駆動用モータで駆動と発電を担う１モータ式と、駆動用と発電用との２つのモータをもつ２モータ式があり、発電用モータも駆動用モータと同様に冷却が必要となる。そのため、以下の説明では回転電機を駆動用モータ３の冷却装置１として説明するが、回転電機が発電用モータであってもよい。

図１に示すように、電動車両の駆動用モータ３を、冷凍サイクルを用いて冷却する。この駆動用モータ３を冷却する回転電機用冷凍サイクル５は、回転電機用圧縮機７と、回転電機用凝縮器９と、受液器１１と、回転電機用膨張弁１３と、冷媒経路１５とを、備え、これら機器が配管１７によって環状に接続して構成されている。

なお、冷媒経路１５は、蒸発器の機能を有しており、駆動用モータ３の筐体１９の壁内に形成され、ステータコイル２１の外側を周方向に囲むように形成されている。冷媒経路１５がこのように形成されていることにより、ステータコイル２１の外側を周方向にわたって囲むように冷媒が冷媒経路１５を流通するので、駆動用モータ３の稼働時に発熱するステータコイル２１を効率的に冷却することができる。

また、冷媒経路１５は、駆動用モータ３の出力軸２３方向の長さにおいて、ステータコイル２１を均等に偏りなく冷却するために、ステータコイル２１が配置されている範囲よりも長く延びて形成されている。冷媒経路１５がこのように形成されていることにより、ステータコイル２１全体を囲むように冷媒が冷媒経路１５を流通するので、ステータコイル２１を効率的に冷却することができる。

そして、冷媒経路１５の冷媒入口部２５と冷媒出口部２７とは、周方向において互いに反対側に位置して設けられるが、特に限定されるものではない。周方向及び駆動用モータ３の出力軸２３方向において任意の位置に設けられてもよい。

例えば、図２に示すように、冷媒入口部２５は、冷媒出口部２７よりも鉛直方向上方に設けてもよい。この構成によれば、冷媒は冷媒経路１５を鉛直上方から鉛直下方に向かって流れる。一般に、気体は温度が低いほど密度が大きくなるため、鉛直方向下方へ移動しやすい。回転電機用膨張弁１３で減圧された冷媒はその一部が気化しているので、気体の冷媒は、冷媒経路１５を鉛直上方から鉛直下方に向かって移動しやすくなる。このため、液体の冷媒だけでなく気体の冷媒も冷媒経路１５を鉛直上方から鉛直下方に向かって確実に移動するようになるので、駆動用モータ３を効率よく均一に冷却できる。

また、図１に示される構成では、駆動用モータ３の出力軸２３方向において、冷媒入口部２５の位置と冷媒出口部２７の位置とは同じであるが、図２に示すように、冷媒入口部２５の位置と冷媒出口部２７の位置とを駆動用モータ３の出力軸２３方向にずらしてもよい。この構成によれば、冷媒が冷媒経路１５を鉛直上方から鉛直下方に向かって流れる間、出力軸２３方向にも流れるので、駆動用モータ３をより均一に冷却できる。

また、回転電機用膨張弁１３は、冷媒経路１５の冷媒入口部２５、又は冷媒入口部２５に接続する配管１７であって冷媒入口部２５の直前の部分に設けられている。冷媒入口部２５に近接することが望ましく、例えば、管径の異なる冷媒の配管１７と冷媒経路１５の冷媒入口部２５の入口ニップルとを接続するコネクタに回転電機用膨張弁１３を内蔵させてもよい。また、回転電機用膨張弁１３は、配管１７やコネクタに設けられずに、駆動用モータ３の筐体１９の肉厚内部に埋め込まれても、また、筐体１９の表面に取り付けられてもよい。

また、駆動用モータ３は、電動車両の走行用のモータであり、ステータ部のステータコイル２１の内側には、ロータ部２９が設けられ、ロータ部２９に出力軸２３が設けられている。この出力軸２３は、図示しない歯車機構を介して車輪を駆動するアクスルシャフトに、または車輪に直接連結されている。

回転電機用冷凍サイクル５による駆動用モータ３の冷却時の作動を説明する。図１において冷媒は矢印の方向に流れる。回転電機用圧縮機７によって高温高圧に圧縮された気体状態の冷媒は、回転電機用凝縮器９によって放熱凝縮して冷却され低温高圧の気液混合状態となり受液器１１に導入される。受液器１１では、液量変動が吸収されてその後低温高圧の液体状態の冷媒が回転電機用膨張弁１３に導入される。回転電機用膨張弁１３では、液体状態の冷媒が断熱膨張して蒸発され冷媒経路１５に導入される。冷媒経路１５では、蒸発した冷媒の蒸発気化潜熱によって周囲から熱を奪い取り筐体１９の冷却を行う。気化した低温低圧の気体状態の冷媒は、回転電機用圧縮機７に導入されて再度圧縮される。

以上の一実施形態によれば、駆動用モータ３の筐体１９の内部に回転電機用冷凍サイクル５における蒸発器の機能を有する冷媒経路１５を形成して、冷媒経路１５の冷媒入口部２５、又は冷媒入口部２５の直前の部分に回転電機用膨張弁１３を設けることにより、回転電機用膨張弁１３によって減圧された冷媒は、回転電機用膨張弁１３と冷媒経路１５との間で加圧も加熱もされずに直接冷媒経路１５に流入するので、駆動用モータ３の筐体１９の内部で冷媒を蒸発させて蒸発潜熱を用いて効率よく吸熱できるようになり、その結果、電動車両の駆動用モータ３を効率よく均一に冷却ができる。また、モータ冷却性能の向上によって、駆動用モータ３の定格出力の向上や小型化が可能になる。

また、電動車両用の冷却装置１には、回転電機用冷凍サイクル５による駆動用モータ３の冷却を制御する冷却制御部３１が設けられてもよい。この冷却制御部３１にはステータコイル２１の温度に基づいて回転電機用圧縮機７の作動を制御する圧縮機制御部３３が設けられている。

冷却制御部３１は、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部、等が設けられている。そして、信号入力部には、駆動用モータ３のステータコイル温度センサ３５からの信号、さらに、車両側の要求に基づいて駆動用モータ３の運転を制御するモータ運転制御部３７からの要求トルク信号や、要求回転数信号が入力される。

圧縮機制御部３３の制御を図３、４のフローチャートを参照して説明する。図３において、ステップＳ１では、ステータコイル温度センサ３５からステータコイル２１の温度を取得する。ステップＳ２では、取得したステータコイル２１の温度が目標温度以上かを判定する。目標温度は、ステータコイル２１及びロータ部２９の磁石の上限温度を超えないように駆動用モータ３の最大トルクの抑制が開始されるステータコイル２１の温度以下の温度である。

このように、ステータコイル２１の温度の目標温度を、ステータコイル２１及びロータ部２９の磁石の機能低下が生じる上限温度（Ｔｍ）を超えないようにするために、上限温度に達する前に駆動用モータ３の最大トルクの抑制が開始される温度（Ｔｓ）以下に設定することで、最大トルクの抑制の開始以前に駆動用モータ３を回転電機用冷凍サイクル５によって冷却するので、駆動用モータ３のトルク抑制およびステータコイル２１の温度が上限温度に到達することを効果的に防止することができる（図５参照）。

図５は、ステータコイル２１の温度と出力トルクとの関係を示す特性図である。横軸にステータコイル２１の温度を示し、縦軸に出力トルクを示し１００％が最大出力状態を示す。ステータコイル２１及びロータ部２９の磁石の機能低下が生じる上限温度（Ｔｍ）を超えないようにするために、上限温度に達する前に駆動用モータ３の最大トルクの抑制が開始される。目標温度はこの最大トルクの抑制が開始される温度（Ｔｓ）以下とする。

次に、ステップＳ２でＹｅｓの場合にはＳ３に進んで、ステップＳ３では、回転電機用圧縮機７を定常運転する。この定常運転は回転電機用圧縮機７を所定の一定回転数で運転させる状態である。そして、ステップＳ４では、目標温度未満になったら回転電機用圧縮機７の運転を停止する。

また、図４に図３のフローチャートの変形例を示す。図４のフローチャートでは、ステップＳ１１、Ｓ１２は図３のステップＳ１、Ｓ２と同様であり、ステップＳ１３では、モータ要求トルク及びモータ要求回転数の情報をモータ運転制御部３７から取得する。

そして、ステップＳ１４では、取得したモータ要求トルク及びモータ要求回転数の情報を基に、モータ要求トルク及びモータ要求回転数に対応して回転電機用圧縮機７の回転数を制御する。そして、ステップＳ１５では、目標温度未満になったら回転電機用圧縮機７の運転を停止する。

このように、図３のフローチャートによれば、圧縮機制御部３３によって、ステータコイル２１の温度が目標温度以上のときに、回転電機用圧縮機７が運転されるので、駆動用モータ３の発熱状態に対応して、最大トルクの抑制が開始される温度（Ｔｓ）を超えないように適切な冷却が可能になる。

また、図４のフローチャートによれば、駆動用モータ３の車両側からの要求トルク及び要求回転数に応じて回転電機用圧縮機７の回転数を制御するので、駆動用モータ３の運転状態に対応して回転電機用冷凍サイクル５による冷却能力を増減することができ、効率よい駆動用モータ３の冷却ができる。

また、冷却制御部３１によって、ステータコイル２１の温度が目標温度以上の場合に、回転電機用圧縮機７が稼働して駆動用モータ３を、回転電機用冷凍サイクル５を用いて冷却することができる。これによって、ステータコイル２１の温度が目標温度未満の状態に維持されるように冷却される。従って、水冷や油冷に比べて冷却効果が高い回転電機用冷凍サイクルを用いて駆動用モータ３の効率よい冷却が可能になる。

また、上限温度（Ｔｍ）に達する前に駆動用モータ３の最大トルクの抑制が開始される温度（Ｔｓ）以下に、目標温度を設定することで、最大トルクの抑制の開始以前に駆動用モータ３を回転電機用冷凍サイクル５によって冷却を開始するので、駆動用モータ３のトルク抑制およびステータコイル２１の温度が上限温度に到達することを効果的に防止することができる。

また、圧縮機制御部３３によって、駆動用モータ３の車両側からの要求トルク及び要求回転数に応じて回転電機用圧縮機７の回転数を制御するので、駆動用モータ３の発熱量に対応して回転電機用冷凍サイクル５による冷却能力を増減することができため、効率よい駆動用モータ３の冷却ができる。

次に、他の実施形態を図６に示す。図６に示す他の実施形態は、冷却制御部３１が、図１の冷却制御部３１に対して事前冷却制御部７１をさらに有し、事前冷却スイッチ４２からの信号が入力されることが相違する。その他の構成は、図１の冷却制御部３１と同様である。従って、図１と同様の構成部品については同一符号を付して説明は省略する。

事前冷却制御部７１は、事前冷却スイッチ４２がＯＮされたときに回転電機用冷凍サイクル５を作動させてステータコイル２１の温度を所定温度まで冷却制御する。そして、事前冷却制御部７１は、事前冷却スイッチ４２がＯＮ操作されたとき、回転電機用圧縮機７を最大回転によって稼働させる最大回転稼働部４６と、ステータコイル２１の温度が所定の温度範囲（例えば２０℃以下）まで低下したことを判定する温度低下判定部４８と、温度低下判定部４８によって所定の温度範囲まで低下したと判定したとき、加速運転の許可を行う加速許可部４９と、を有している。

事前冷却制御部７１の制御を図７のフローチャートを参照して説明する。図７において、まず、ステップＳ６１では、事前冷却スイッチ４２がＯＮされたかを判定する。ＯＮの場合には、ステップＳ６２において、回転電機用圧縮機７を最大回転数にて回転して駆動用モータ３を冷却する。その後、ステップＳ６３で、ステータコイル２１の温度が所定温度範囲、例えば２０℃以下に低下したかを判定する。ステップＳ６３でＹｅｓの場合には、ステップＳ６４に進み、ステップＳ６４では加速許可灯を点灯する。例えば、加速許可灯は、運転者が視認しやすいメータパネル内に設置されている。

その後、ステップＳ６５では、制限なしの加速制御に移る。すなわち、加速時にアクセルペダルの踏込みに対して、制限を設けずに、例えば踏込み量と出力トルクとを比例的に増加する制御に移行する。

図６に示す冷却制御部３１の実施形態によれば、事前冷却スイッチ４２のＯＮによって事前冷却制御部７１は、ステータコイル２１の温度を所定温度まで冷却するので、運転者の好みのタイミングに駆動用モータ３の冷却が可能になる。

また、事前冷却制御部７１は、事前冷却スイッチ４２がＯＮ操作された場合に、回転電機用圧縮機７を最大回転によって稼働させる最大回転稼働部４６と、ステータコイル２１の温度が所定の温度範囲まで低下したことを判定する温度低下判定部４８と、温度低下判定部４８によって所定の温度範囲まで低下したことを判定したとき、加速運転の許可を行う加速許可部４９と、を備えるので、回転電機用冷凍サイクル５による冷却によって加速運転前に駆動用モータ３を所定の温度範囲まで迅速に低下させて強力な加速が可能になる。さらに、加速運転時における最大トルク運転時においても、駆動用モータ３の発熱を抑制でき、最大トルク運転時間を延伸することができる（図８参照）。

図８は、駆動用モータ３の運転開始時のステータコイル２１の温度と最大トルク運転時間との関係を示す特性図である。横軸に運転開始時のステータコイル２１の温度を示し、縦軸に最大トルク運転時間を示す。冷媒制御温度はゼロ℃として、駆動用モータ３の運転開始前から冷却を開始し、運転開始時のコイル温度による最大トルク運転時間の関係が示される。図８に示されるように、冷媒冷却によって得られる最大トルク運転時間が最大の時点では、水冷冷却による最小の時点に対して、矢印で示すように２倍弱延びることが示される。このように、運転開始のステータコイルの温度が低いほど最大トルク運転時間が長くなることが示される。

水冷では運転開始時のステータコイル２１の温度の低下に限界があり、ゼロ℃近くまでは冷却できない。それに対して、本実施形態のように回転電機用冷凍サイクル５を用いることでゼロ℃近くまでの冷却が可能となる。それによって最大トルク運転時間を水冷に比べて延伸することが可能になる。

次に、他の実施形態を図９に示す。図９に示す他の実施形態は、図１に示す実施形態に対して、電動車両に室内空調装置４１が備えられ、回転電機用冷凍サイクル５と室内空調装置４１の空調用冷凍サイクル４３とが一体化され、これら冷凍サイクルを構成する機器のうち、回転電機用冷凍サイクル５の回転電機用圧縮機７、回転電機用凝縮器９、受液器１１がそれぞれ、空調用冷凍サイクル４３を構成する圧縮機、凝縮器、受液器と共用され、共用圧縮機、共用凝縮器、共用受液器を構成している。各冷凍サイクルの膨張弁と蒸発器とは別々に設けられている。つまり、空調用冷凍サイクル４３には空調用膨張弁４５と空調用蒸発器４７とが設けられ、回転電機用冷凍サイクル５には回転電機用膨張弁１３と冷媒経路（蒸発器）１５とが設けられている。

空調用冷凍サイクル４３は、図９に示すように、回転電機用圧縮機７（共用圧縮機）と、回転電機用凝縮器９（共用凝縮器）と、受液器１１（共用受液器）と、空調用膨張弁４５と、空調用蒸発器４７とを配管４９によって環状に接続して構成されている。そして、受液器１１から空調用膨張弁４５への配管４９と、受液器１１から回転電機用膨張弁１３への配管１７との分岐部分に流量調整弁５１が設けられていて、空調用膨張弁４５に流入する冷媒量と、回転電機用膨張弁１３に流入する冷媒量との比率が調整される。

このように、図９に示す他の実施形態によれば、流量調整弁５１によって、空調用膨張弁４５に流入する冷媒量と、回転電機用膨張弁１３に流入する冷媒量との比率が調整されるので、駆動用モータ３の冷却と室内空調装置４１の冷却との必要性に応じて冷却配分が可能になる。

また、図９に示すように、冷却制御部３１には、図１に示した圧縮機制御部３３に加えて、流量調整制御部５５が設けられてもよい。この構成では、冷却制御部３１には室内温度センサ５７からの信号がさらに入力される。

流量調整制御部５５は、室内温度センサ５７からの室内温度及びステータコイル温度センサ３５からのステータコイル２１の温度に基づいて、流量調整弁５１を制御して空調用膨張弁４５に流入する冷媒量と回転電機用膨張弁１３に流入する冷媒量との配分率を制御する。

流量調整制御部５５の制御を図１０、１１、１２のフローチャートを参照して説明する。図１０において、ステップＳ２１では、室内空調装置４１がＯＮされているかを判定する。ステップＳ２１がＹｅｓの場合には、ステップＳ２２に進み流量調整弁５１による冷媒配分比を決定する制御を実施し、次に、ステップＳ２３に進み回転電機用圧縮機７の回転数制御（１）を実施する。なお、この回転電機用圧縮機７の回転数制御（１）は、図３に示す回転電機用圧縮機７の回転数制御である。

また、ステップＳ２１がＮｏの場合には、ステップＳ２４に進んで、室内空調装置４１がＯＦＦであるので、流量調整弁５１によって空調用膨張弁４５への冷媒の流れを全閉にして、回転電機用膨張弁１３へ冷媒を全て流す。そして、ステップＳ２３に進み回転電機用圧縮機７の回転数制御（１）を実施する。

ここで、ステップＳ２２の流量調整弁５１による冷媒配分比を決定する制御について、図１２のフローチャートを参照して説明する。図１２において、まず、ステップＳ４１では、ステータコイル温度センサ３５からステータコイル２１の温度を取得する。ステップＳ４２では、取得したステータコイル２１の温度が目標温度以上かを判定する。目標温度は、既に説明したようにステータコイル２１及びロータ部２９の磁石の上限温度を超えないように駆動用モータ３の最大トルクの抑制が開始されるステータコイル２１の温度以下の温度である。

ステップＳ４２でＹｅｓと判定した場合には、次に、ステップＳ４３では、取得したステータコイル２１の温度と目標温度との偏差を算出する。ステップＳ４４では、室内温度センサ５７から室内温度を取得する。ステップＳ４５では、取得した室内温度が要求温度以上かを判定する。要求温度は室内空調装置４１に乗員によって設定された温度である。

ステップＳ４５でＹｅｓと判定した場合には、次に、ステップＳ４６では、取得した室内温度と要求温度との偏差を算出する。次に、ステップＳ４７において、ステップＳ４３及びステップＳ４６において算出したステータコイル２１の温度の偏差又は室内温度の偏差のいずれかが増大傾向にあるかを判定する。判定結果が増大の場合には、ＹｅｓとなってステップＳ４８に進み、ステップＳ４８では、さらに、ステータコイル２１の温度の偏差と室内温度の偏差との両方が増大傾向にあるかを判定する。

ステップＳ４８においてＹｅｓと判定した場合には、ステップＳ４９に進みステップＳ４９では、偏差の増大率が大きい方の配分比率を増大する。また、ステップＳ４８においてＮｏと判定した場合には、ステップＳ５１に進みステップＳ５１では、偏差が増大傾向にある方の配分比率を増大する。

なお、ステップＳ４２でＮｏと判定した場合、またはステップＳ４５でＮｏと判定した場合には、ステップＳ５０に進み、ステップＳ５０では、空調用膨張弁４５に流入される冷媒量と回転電機用膨張弁１３に流入される冷媒量との配分率を一定の比率で配分する。例えば、５０：５０に設定する。従って、ステップＳ４９、Ｓ５１の配分率を増大するとは、例えば５０％から増大させることをいう。

また、図１０に示すフローチャートの変形例を図１１に示す。図１１のフローチャートでは、ステップＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３４は図１０のステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２４と同様であり、ステップＳ３３は回転電機用圧縮機７の回転数制御（２）が、図１０のステップＳ２３と相違するだけである。この回転電機用圧縮機７の回転数制御（２）は、図４に示す回転電機用圧縮機７の回転数制御である。

このように、図９に示す他の実施形態の流量調整制御部５５によれば、室内温度及びステータコイル２１の温度に基づいて、空調用膨張弁４５に流入する冷媒量と、回転電機用膨張弁１３に流入する冷媒量との比率が調整されるので、駆動用モータ３の冷却と室内空調装置４１の冷却との冷却の配分が適切に行われる。

次に、他の実施形態を図１３に示す。図１３に示す他の実施形態は、冷却制御部３１が、図９の冷却制御部３１に対してさらに事前冷却制御部７１を有し、事前冷却スイッチ４２からの信号が入力されることが相違する。その他の構成は、図９の冷却制御部３１と同様である。従って、図９と同様の構成部品については同一符号を付して説明は省略する。

事前冷却制御部７１は、事前冷却スイッチ４２がＯＮされたときに、流量調整弁５１の空調用膨張弁４５の側を全閉して、冷媒を全て、回転電機用膨張弁１３に流して、ステータコイル２１の温度を所定温度まで冷却制御する。

そして、事前冷却制御部７１は、事前冷却スイッチ４２がＯＮ操作されたとき、回転電機用圧縮機７を最大回転によって稼働させる最大回転稼働部４６と、ステータコイル２１の温度が所定の温度範囲（例えば２０℃以下）まで低下したことを判定する温度低下判定部４８と、温度低下判定部４８によって所定の温度範囲まで低下したと判定したとき、加速運転の許可を行う加速許可部４９と、を有している。

事前冷却制御部７１の制御を図１４のフローチャートを参照して説明する。図１４において、まず、ステップＳ７１では、事前冷却スイッチ４２がＯＮされたかを判定する。ＯＮされていれば、ステップＳ７２において、室内空調装置４１がＯＮされたかを判定する。

ステップＳ７２でＹｅｓと判定した場合には、ステップＳ７３に進んで、流量調整弁５１の空調用膨張弁４５の側を全閉して、冷媒を全て、回転電機用膨張弁１３に流す。その後、ステップＳ７４に進んで、回転電機用圧縮機７を最大回転数にて回転して駆動用モータ３を冷却する。

また、ステップＳ７２でＮｏと判定した場合には、室内空調装置４１がＯＦＦであるので、空調用膨張弁４５側へは流れないことを前提に流量調整弁５１は制御せずに、ステップＳ７４に進んで、回転電機用圧縮機７を最大回転数にて回転して駆動用モータ３を冷却する。なお、室内空調装置４１がＯＦＦの場合でも、流量調整弁５１の空調用膨張弁４５側を全閉にしてもよい。その後、ステップＳ７４からステップＳ７７は、図６の実施形態で説明した図７のフローチャートのステップＳ６２からＳ６５の事前冷却の制御と同様であるので省略する。

図１３に示す実施形態によれば、図９に示した実施形態による作用効果と同様の作用効果を有し、さらに、本実施形態によれば、事前冷却スイッチ４２がＯＮされたとき、流量調整弁５１の空調用膨張弁４５側を全閉にして冷媒全てを、回転電機用膨張弁１３側に流して、駆動用モータ３のステータコイル２１の温度を所定温度まで冷却制御するので、運転者の好みのタイミングで駆動用モータ３の迅速な冷却が可能になる。その結果、加速運転時における最大トルク運転時においても、駆動用モータ３の発熱を抑制でき、最大トルク運転時間を延伸することができる。

次に、他の実施形態を図１５に示す。図１５に示す他の実施形態は、図９に示す実施形態に対して、空調用冷凍サイクル４３と回転電機用冷凍サイクル５とには共用圧縮機である回転電機用圧縮機７が設けられ、さらに、回転電機用冷凍サイクル５側には増設圧縮機５９が設けられることが相違する。その他の構成は、冷却制御部３１も含めて図９の冷却装置１と同様である。なお、冷却制御部３１の圧縮機制御部３３によって制御される圧縮機は、共用圧縮機である回転電機用圧縮機７であっても、増設圧縮機５９でもよい。さらに、両方を制御するようにしてもよい。図１５においては、図９と同様の構成部品については同一符号を付して説明は省略する。

図１５に示す実施形態によれば、図９に示す実施形態と同様の作用効果を有し、さらに、図１５の実施形態においては、回転電機用冷凍サイクル５側に、増設圧縮機５９が設けられるので、共有圧縮機である回転電機用圧縮機７の能力を補うことが可能になり、冷凍サイクルによって駆動用モータ３の冷却が確保されるようになる。

次に、他の実施形態を図１６に示す。図１６に示す実施形態は、図１５の実施形態に対して、空調用冷凍サイクル４３に空調用圧縮機６１が設けられ、回転電機用冷凍サイクル５に回転電機用圧縮機７が設けられることが相違する。その他の構成は、冷却制御部３１も含めて図１５の冷却装置１と同様である。なお、冷却制御部３１の圧縮機制御部３３によって制御される圧縮機は、回転電機用圧縮機７である。図１６においては、図１５と同様の構成部品については同一符号を付して説明は省略する。

図１６に示す実施形態によれば、図１５に示す実施形態と同様の作用効果を有し、さらに、図１６の実施形態においては、空調用冷凍サイクル４３側と、回転電機用冷凍サイクル５側とに別々の圧縮機が設けられるので、それぞれの圧縮機の配置及び制御の設計の自由度が得られる。その結果、室内空調装置４１による室内冷却性能に影響を与えることなく回転電機用冷凍サイクル５によるモータ冷却能力を得ることができ、これにより、回転電機用冷凍サイクル５と空調用冷凍サイクル４３との両立が容易となる。

次に、他の実施形態を図１７、１８に示す。図１７、１８に示すように、回転電機用冷凍サイクル５の駆動用モータ３の冷媒流れ方向下流側にインバータ６５を冷却するインバータ冷却部６７が設けられている。インバータ冷却部６７は、インバータ用蒸発器がインバータの筐体の内部に設けられている例を示すが、外部の配管に設けられてもよい。

図１７、１８に示す実施形態よれば、回転電機用冷凍サイクル５の回転電機用膨張弁１３によって気化して冷媒経路１５に導入された気化冷媒が引き続いてインバータ冷却部６７にも導入されることで、インバータ６５をも冷却することが可能になるので、インバータ６５も含めて効率よい冷却ができるようになる。

なお、インバータ６５を含めた場合の冷却制御部では、図１、図９、図１５に示す圧縮機制御部３３及び流量調整制御部５５の制御において、「ステータコイル２１の温度」を「ステータコイル２１の温度」と「インバータ６５の温度」とのうち高い方を意味するものとすることで、インバータ６５も含めた冷却制御部を構成することができる。

また、図１８は、駆動用と発電用との２つのモータをもつ２モータ式であり、駆動用モータ３は、駆動用専用として説明し、他に発電用モータとしてジェネレータ６９を備える電動車両における適用例を示すものである。回転電機用冷凍サイクル５において駆動用モータ３と並列的にジェネレータ６９を配設して、ジェネレータ６９に対しても駆動用モータ３と同様に、ジェネレータ用膨張弁７２、ジェネレータの筐体の内部に形成されたジェネレータ用冷媒経路７３によって冷却が可能になる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、冷凍サイクルを用いて冷却効果が高く、均一な冷却が可能な電動車両用モータの冷却ができるので、電動車両用モータの冷却装置への利用に適している。

１ 冷却装置
３ 駆動用モータ（回転電機）
５ 回転電機用冷凍サイクル
７ 回転電機用圧縮機
９ 回転電機用凝縮器
１１ 受液器
１３ 回転電機用膨張弁
１５ 冷媒経路（蒸発器）
１７、４９ 配管
１９ 筐体
２１ ステータコイル
２５ 冷媒入口部
２７ 冷媒出口部
３１ 冷却制御部
３３ 圧縮機制御部
３５ ステータコイル温度センサ
３７ モータ運転制御部
４１ 室内空調装置
４３ 空調用冷凍サイクル
４５ 空調用膨張弁
４７ 空調用蒸発器
５１ 流量調整弁
５５ 流量調整制御部
５７ 室内温度センサ
５９ 増設圧縮機
６１ 空調用圧縮機
６５ インバータ
６７ インバータ冷却部

Claims (16)

1. 車両に搭載される回転電機の冷却装置であって、
   前記回転電機のステータ及びロータを収容する筐体の壁内に形成され、前記筐体の壁内において冷媒を流通可能な冷媒経路と、
   前記冷媒経路に前記冷媒を循環させる回転電機用冷凍サイクルと
   を備え、
   前記回転電機用冷凍サイクルは、回転電機用圧縮機と回転電機用凝縮器と回転電機用膨張弁とを含み、冷媒が前記回転電機用圧縮機、前記回転電機用凝縮器、前記回転電機用膨張弁、前記冷媒経路を順次流通するように循環可能に構成され、
   前記回転電機の前記筐体を蒸発器として機能させるとともに前記冷媒経路の冷媒入口部又は該冷媒入口部の直前に前記回転電機用膨張弁を設けた、回転電機の冷却装置。
2. 前記冷媒経路は、前記ステータのステータコイルの外側を周方向にわたって囲むように形成されている、請求項１に記載の回転電機の冷却装置。
3. 前記冷媒経路は、前記回転電機の出力軸方向の長さにおいて、前記ステータのステータコイルが配置されている範囲よりも長く延びて形成されている、請求項１または２に記載の回転電機の冷却装置。
4. 前記冷媒経路の冷媒入口部は、前記冷媒経路の冷媒出口部よりも鉛直方向上方に設けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。
5. 前記冷媒入口部の位置と前記冷媒出口部の位置とは、前記回転電機の出力軸方向にずれている、請求項４に記載の回転電機の冷却装置。
6. 前記車両には室内空調装置が設けられ、該室内空調装置は、空調用圧縮機と空調用凝縮器と空調用膨張弁と空調用蒸発器とを含む空調用冷凍サイクルを備え、該空調用冷凍サイクルは、前記回転電機用冷凍サイクルを循環する前記冷媒の一部が前記空調用圧縮機、前記空調用凝縮器、前記空調用膨張弁、前記空調用蒸発器を順次流通して再び前記空調用圧縮機に流入するように循環可能に構成され、
   前記空調用凝縮器と前記回転電機用凝縮器とは１つの同じ共用凝縮器である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。
7. 前記空調用圧縮機と前記回転電機用圧縮機とがさらに１つの同じ共用圧縮機である、請求項６に記載の回転電機の冷却装置。
8. 前記回転電機用冷凍サイクルには、前記共用圧縮機と前記回転電機との間に、増設圧縮機が設けられている、請求項７に記載の回転電機の冷却装置。
9. 前記空調用膨張弁に流入する冷媒量と、前記回転電機用膨張弁に流入する冷媒量との比率を調整する流量調整弁が設けられている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。
10. 前記車両の室内温度を検出する室内温度センサと、
    前記ステータのステータコイルの温度を検出するステータコイル温度センサと、
    前記室内温度及び前記ステータコイルの温度に基づいて、前記比率を調整するように前記流量調整弁を制御する流量調整制御部と
    を備える、請求項９に記載の回転電機の冷却装置。
11. 前記ステータのステータコイルの温度を検出するステータコイル温度センサと、
    前記ステータコイルの温度が予め設定された目標温度以上の時に、前記回転電機用圧縮機の運転を制御する圧縮機制御部と
    を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。
12. 前記目標温度は、前記ステータコイル及び前記ロータの磁石それぞれの上限温度を超えないように前記回転電機の最大トルクの抑制が開始されるコイル温度以下に設定される、請求項１１に記載の回転電機の冷却装置。
13. 前記圧縮機制御部は、前記回転電機の要求トルク及び要求回転数に応じて前記回転電機用圧縮機の回転数を制御する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。
14. 前記ステータのステータコイルの温度を検出するステータコイル温度センサと、
    前記回転電機用圧縮機を作動させて前記回転電機を冷却する事前冷却スイッチと、
    前記事前冷却スイッチがＯＮされたときに前記ステータコイルの温度が予め設定された温度まで冷却する事前冷却制御部と
    を備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。
15. 前記事前冷却制御部は、前記事前冷却スイッチがＯＮされた場合に、前記回転電機用圧縮機を最大回転数で稼働させる最大回転稼働部と、
    前記ステータコイルの温度が予め設定された前記温度まで低下したことを判定する温度低下判定部と、
    前記ステータコイルの温度が予め設定された前記温度まで低下したことを前記温度低下判定部が判定したとき、前記車両の加速運転の許可を行う加速許可部と
    を備える、請求項１４に記載の回転電機の冷却装置。
16. 前記回転電機用冷凍サイクルには、前記回転電機よりも冷媒流れ方向下流側にインバータを冷却するインバータ冷却部が設けられている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の回転電機の冷却装置。

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