JP6452840B2 - 回転電機の冷却構造およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の冷却構造とその制御方法に関し、特に車両に搭載されている回転電機を冷却液によって冷却する冷却構造とその制御方法に関する。

自動車などの車両に搭載される回転電機は、回転子（ロータ）と、その周囲に設けられる固定子（ステータ）とを有する。回転電機は、モータや発電機として使用され、モータの場合には、ステータに電流を流してロータに回転力を生じさせ、発電機の場合には、ロータの回転によってステータに流れる電流を取り出すように使用される。そして、回転電機に大きな出力を発生させる場合には、回転電機のロータおよびステータからの発熱が大きくなる。ロータおよびステータの温度が上昇すると、ロータの磁力の低下、ステータにおける絶縁不良などの不具合が生じる。

このため、回転電機には冷却構造が採用されている。回転電機の冷却構造として、ポンプからロータ内を通った冷却媒体がステータに噴出され、ロータおよびステータを冷却する構造が知られている（特許文献１）。また、ハイブリッド車輌用駆動装置の発電機と電気モータの２台の回転電機の両方を、１つのポンプによって冷却を行う構成が提案されている（特許文献２）。
ロータ内を通った冷却媒体をステータに噴出する冷却構造では、構造をできるだけ簡素にするために、ロータの回転による遠心力を利用して冷却媒体をステータに噴出するように構成している。
また、ハイブリッド車両用駆動装置では、発電機だけでなく電気モータの冷却を行うための冷却媒体の経路や冷却媒体を溜める位置の最適化について提案されている。

特開２０１４−１８３６０２号公報 特許第５１９６２６８号

ロータの回転による遠心力を利用してステータに冷却媒体を噴出する冷却構造では、冷却媒体の噴出がロータの回転数に依存するため、ロータが低回転の場合には、ステータに供給される冷却媒体の量が少なくなり、ステータの冷却が十分に行われないという問題がある。この問題に対しては、一般的には、それぞれの部分に必要な流量の冷却媒体を供給する複数のポンプを設ける、もしくは液量の総量を増加させることが考えられる。しかし、装置全体として、小型軽量化の条件を設定した場合には、複数のポンプを設けることは、必ずしも適切な解決策ではない。

また、複数の回転電機のロータおよびステータを冷却する場合においても、ポンプを共有して、冷却媒体の流路を単純に接続しただけでは、回転電機への冷却媒体の流路抵抗の相違および回転電機のロータの回転数に応じた吸い込み効果の相違等によって、それぞれの回転電機に必要な流量の冷却媒体を供給できないという問題がある。

本発明は、前記問題に着目してなされたもので、回転電機の運転状況に応じて、ステータとロータの冷却性能を向上させることのできる回転電機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、回転電機のステータとロータにポンプによって冷却媒体を供給して前記ステータおよび前記ロータを冷却する回転電機の冷却構造であって、前記ポンプから前記ステータに冷却媒体を供給する第１流路、前記ポンプから前記ロータに冷却媒体を供給する第２流路、および前記第１流路の冷却媒体の流量と前記第２流路の冷却媒体の流量を調整する弁を備え、前記ポンプの始動時に、前記ロータへの冷却媒体の流量を増加させ、前記ステータへの冷却媒体の流量を制限するよう前記弁を操作するようにしたものである。

本発明では、回転電機の冷却に使用する冷却媒体を回転電機の回転数に依存しないで、ステータとロータの状態に応じて、冷却媒体をステータとロータに効率良く分配して供給できるので、回転電機の冷却性能を向上させることができる。また、ロータの冷却効率を上げることで、ロータの磁力を低下させることがないので、一般的に、磁石の磁力を上昇させるために使用される高価な希土類元素の使用を削減でき、コスト低減につながる。また、ステータの冷却効率をあげることでコイルや絶縁材の耐熱を下げることが可能となる。また、冷却媒体が円滑に流れることができるため、冷却性能が向上するものである。

本発明の実施の形態１の回転電機の冷却構造を示す概略的な構成図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の冷却構造の構成図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の冷却構造の始動時の動作を示すフロー図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の運転状態を示す図である。 本発明の実施の形態１の回転電機の冷却構造の制御システムを示す図である。 本発明の実施の形態２の回転電機の冷却構造の構成図である。

実施の形態１
図１は、本発明の回転電機の冷却構造を示す概略的な構成図である。図１に示すように、回転電機１０は、ステータ１、ロータ２を備え、このステータ１およびロータ２に冷却媒体を供給するためにポンプ３が外付けされている。ポンプ３とステータ１との間には第１流路４１が設けられ、ポンプ３からステータ１に冷却媒体が供給される。また、ポンプ３とロータ２との間には第２流路４２が設けられ、ポンプ３からロータ２に冷却媒体が供給される。実際には、ステータ１に冷却媒体が直接供給されるのではなく、ポンプ３から第１流路４１を通じて、回転電機１０の上部に設けられた冷却媒体の上部液溜まり部５１に供給され、この上部溜まり部５１からステータ１に向けて冷却媒体が落下あるいは噴出される。

回転軸２１およびロータ２には軸方向および径方向に冷却媒体の通路が設けられている。第２流路４２からロータ２に供給された冷却媒体は、ロータ２の回転軸２１の中心に設けられた冷却媒体の通路に注入され、回転軸２１の回転による遠心力によって、径方向の冷却媒体の通路を通って、ロータ２の外周に放出される。ここで、ロータ２の回転が大きくなると、この回転に伴う遠心力によって、冷却媒体は、吸入され、排出されるという自己ポンプ効果を発生するように構成されている。

ステータ１およびロータ３に浴びせられた冷却媒体は、それぞれの熱を奪い、落下して回転電機10の下部に設けられた下部液溜まり部５２に溜まる。下部液溜まり部５２の冷却媒体は、ポンプ３によって吸引され、再び第１流路４１および第２流路４２を通じてステータ１およびロータ２に供給される。

前述の自己ポンプ効果を発生させるためには、ロータ２の構造だけでなく、下部液溜まり部５２からロータ２の回転軸２１に至る冷却媒体の循環する流路が冷却媒体によって満たされている必要がある。すなわち、ロータ２の回転によって遠心力が働いて冷却媒体が排出される際に吸引力が作用するが、流路が冷却媒体によって満たされている状態でなければ、冷却媒体が吸引されないことになるからである。

ポンプ３とステータ１との間に設けられた第１流路４１には、弁６が設けられており、第１流路４１からステータ１に供給される冷却媒体の流量が制御される。ここで、ポンプ３の吐出しに対して、流路が第１流路と第２流路の二つであるため、第１流路４１における流量を少なくするように弁６を絞ると、第２流路４２を流れる冷却媒体の流量が多くなる。

ここで、弁６としては、電気的な制御が可能な弁が望ましく、例えば、電磁弁と電動弁が適しており、流路の開閉動作を高速に行うには、電磁弁が適しており、また、流量の調整を多段階に細かく制御するには電動弁が適している。

この図１に示した構造を簡略的に表すと、図２に示すようになる。すなわち、ポンプ３からの流路は、ステータ１とロータ２に冷却媒体を強制的に流し、ステータ１およびロータ２を冷却した後、冷却媒体は、ステータ１の下部からポンプ３に回収される。

この冷却構造を備えた回転電機では、始動において、図３に示す手順で、定常運転に入る。なお、この図３に示したフロー図では、図１における冷却媒体の第１流路４１と第２流路４２の両側に弁６を設けた構成とした場合を事例として説明している。ここで、図１に示すように、第１流路４１だけに弁６を設けた場合と、第１流路４１および第２流路４２の両方に弁６を設けた場合、さらに第１流路４１と第２流路４２の分岐に三方弁を設けた場合であっても、要するにそれぞれの流路に流れる冷却媒体の流量を制御するという意味ではどれを採用しても同様の効果を得ることができる。

図３のフロー図に示すように、始動時の制御が開始されると、ステップ１として、ステータ１側の弁６を高圧損側にセットし、ロータ２側の弁を低圧損側にセットする。このように弁６の操作を行うと、ステップ２として、ロータ２への冷却媒体の流量が増加させられ、ステータ１側に供給される冷却媒体の流量が制限される。この操作によって、流路中の空気が排気される。この操作を行わない場合には、ポンプ３において圧力を加える部分に空気が入り、空気が圧縮されて、ポンプ３の空回りが生じ、冷却媒体を供給できなくなるという問題あるいは、異音を生じたり、ロータ２からの吐出能力が落ちたりすることによって冷却が不十分になるという問題が生じる。
この始動時の制御が完了すると、ステップ３として、回転電機１０における温度分布に応じて、弁６の制御を行い、定常運転に移る。

図３に示したフロー図を、ロータ２の運転と弁６の操作およびポンプ３の出力の関係を図４に示す。まず、始動状態においては、図４Ａに示すようにロータ２の回転数が上昇し、図３において説明したように、ポンプ３の出力を立ち上げると同時に弁６を操作して、図４Ｂに示すように、ロータ２への冷却媒体の流量を大きくする。その後、定常状態になれば、ロータ２の回転数が所定値になり、遠心力による自己ポンプ効果によって、ポンプ３の動力なしで冷却のシステムを運転することができる。そのため、図４Ｃに示すように、ポンプ３の運転は冷却媒体に力を与えない状態になる。さらに、ロータ２の回転を停止する場合には、ロータ２の回転の低下に応じて、再びポンプ３の出力を増加させ、回転電機１０の温度を低下させる。

前述の操作は、コンピュータ制御によって行われ、その制御システムは、図５に示す構成を持っている。
図５において、ポンプ３の情報５１および弁６の情報５２は、データバス５３を通じて中央演算処理装置（ＣＰＵ）５０に送られ、ＣＰＵ５０では、回転電機１０の様々なところに設けられた各種のセンサ（第１のセンサ５４、第２のセンサ５５、第３のセンサ５６）からの情報に基づいて、ポンプ３および弁６の動作を制御する。センサとしては、例えば、ステータ１の温度情報、ロータ２の温度情報、上部液溜まり部５１の温度情報、下部液溜まり部５２の温度情報、外気の温度情報、ロータ２の回転数の情報などを得るものを想定することができる。また、この回転電機の冷却構造においては、回転電機の回転数と出力トルクの関係に基づいて、第１流路の冷却媒体の流量と第２流路の冷却媒体の流量の、流量分配を決定するようにしている。

実施の形態２
図６は、本発明の実施の形態２の構成を示している。この図６に示す構成は、図２に示した本発明の実施の形態１の変化例である。この実施の形態２では、単一のポンプ３から２台の回転電機１０本体に冷却媒体を供給する構成を示している。
ここでは、回転電機が２台組み合わされて使用される回転電機の場合の冷却構造であって、回転電機としては、例えば、ハイブリッド車両用の駆動装置で、エンジンと駆動用回転電機と発電用回転電機を備える場合であって、それぞれのステータ１およびロータ２に供給される冷却媒体の流量分配状態を制御できる弁６を有している。そして、エンジンの回転数が低い領域では駆動用回転電機の発熱量が増大し、エンジン回転数の高い領域では発電用回転電機の発熱量が増大する。したがって、エンジン回転数に応じて、あるいは回転電機の発熱量に応じて、冷却性能を上昇させることができる。

この構成によれば、ポンプを複数設けて、個別に制御するよりコスト低減・省スペース化が可能となる。なお、この実施の形態２においては、冷却媒体の流路と弁の関係についてのみ説明しているが、実施の形態１と同様に、図３に示した回転電機の始動時の制御および図５に示した制御システムの構成を採用することが出来るものである。

また、回転電機本体が複数ある場合には、個別にポンプを設けると、各々の回転電機のロータの回転数の違いによるロータのポンプ効果において差が生じ、回転数の高い回転電機に多くの冷却媒体を取られ、適切な流量分配ができないという問題が生じる。このため、ポンプ効果の差を補正するために、冷却媒体の流路を大気に開放することになる。
しかし、本発明の実施の形態２の構成によれば、１台のポンプを使用して、複数の回転電機に冷却媒体を供給し、ステータとロータへの冷却媒体の供給量を制御する弁を流路に設けることによって、冷却構造全体の制御を行うことが可能になると共に、ポンプ効果の差が生じたとしても、大気に開放することなしにポンプ圧をそのまま冷却媒体の供給に利用することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。また、実施の形態において、説明に使用している装置は、単体に限らず、複数の機能の装置を組合せて同様の機能を達成する手段として実施することが可能である。

Claims (8)

1. 回転電機のステータとロータにポンプによって冷却媒体を供給して前記ステータおよび前記ロータを冷却する回転電機の冷却構造であって、前記ポンプから前記ステータに冷却媒体を供給する第１流路、前記ポンプから前記ロータに冷却媒体を供給する第２流路、および前記第１流路の冷却媒体の流量と前記第２流路の冷却媒体の流量を調整する弁を備え、前記ポンプの始動時に、前記ロータへの冷却媒体の流量を増加させ、前記ステータへの冷却媒体の流量を制限するよう前記弁を操作するようにしたことを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 前記ロータの回転軸には径方向の流路を備え、前記ロータの回転による遠心力で前記流路から冷却媒体を吸入し、排出する自己ポンプ効果を有し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構造。
3. 前記ステータおよび前記ロータが複数設けられ、複数の前記ステータに前記第１流路が設けられ、複数の前記ロータに前記第２流路が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記弁は、前記ロータの回転数と出力トルクの関係に基づいて流量分配の制御が行わ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構造。
5. 前記弁は、前記ステータの温度情報または前記ロータの温度情報に基づいて流量分配の制御が行わ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構造。
6. 前記弁が、電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
7. 前記弁が、電動弁であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
8. 回転電機のステータとロータにポンプによって冷却媒体を供給し、前記ポンプから前記ステータに冷却媒体を供給する第１流路と、前記ポンプから前記ロータに冷却媒体を供給する第２流路と、前記第１流路の冷却媒体の流量と前記第２流路の冷却媒体の流量を調整する弁とを備え、前記ポンプの始動時に、前記ロータへの冷却媒体の流量を増加させ、前記ステータへの冷却媒体の流量を制限するよう前記弁を操作するようにしたことを特徴とする回転電機の冷却構造の制御方法。

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