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技術 回転電機の冷却装置

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 大河内利典
出願日 2016年8月12日 (3年6ヶ月経過) 出願番号 2016-158409
公開日 2018年2月15日 (2年0ヶ月経過) 公開番号 2018-026974
状態 特許登録済
技術分野 車両の電気的な推進・制動 電動機、発電機の冷却
主要キーワード 各発熱量 本体流路 変化量α 各出力線 永久磁石側 軸平面 モータ制御システム 戻り流路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

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。

解決手段

ステータに備えられたコイルを冷却する第1流路46と、ロータに備えられた永久磁石を冷却する第2流路48と、冷却液を、第1流路46と第2流路48とに分配する分配器38と、分配器38を制御する分配制御部62とを備える。分配制御部62は、インバータ76に最大システム電圧より低い電圧が供給され、かつ、回転電機10が弱め界磁制御される場合には、第1流路46の分配量を少なくし、第2流路48の分配量を多くする。

概要

背景

従来より、ハイブリッド自動車電気自動車には、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。

概要

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。ステータに備えられたコイルを冷却する第1流路46と、ロータに備えられた永久磁石を冷却する第2流路48と、冷却液を、第1流路46と第2流路48とに分配する分配器38と、分配器38を制御する分配制御部62とを備える。分配制御部62は、インバータ76に最大システム電圧より低い電圧が供給され、かつ、回転電機10が弱め界磁制御される場合には、第1流路46の分配量を少なくし、第2流路48の分配量を多くする。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

回転電機冷却液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の、前記第1流路への前記冷却液の分配量を第1分配量とし、前記第2流路への前記冷却液の分配量を第2分配量としたとき、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場合には、前記第1流路の分配量を前記第1分配量より少なくし、前記第2流路の分配量を前記第2分配量より多くするように前記分配器を制御する分配制御部と、を備えた、ことを特徴とする回転電機の冷却装置。

技術分野

0001

本発明は、回転電機冷却液流通して冷却する回転電機の冷却装置に関する。

背景技術

0002

従来より、ハイブリッド自動車電気自動車には、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。

0003

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。

先行技術

0004

特開2014−110705号公報

発明が解決しようとする課題

0005

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。

0006

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。

課題を解決するための手段

0007

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の、前記第1流路への前記冷却液の分配量を第1分配量とし、前記第2流路への前記冷却液の分配量を第2分配量としたとき、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場合には、前記第1流路の分配量を前記第1分配量より少なくし、前記第2流路の分配量を前記第2分配量より多くするように前記分配器を制御する分配制御部と、を備えた、ことを特徴とする。

発明の効果

0008

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。

図面の簡単な説明

0009

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。

実施例

0010

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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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VH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。

0026

モータ制御部78は、システム電圧VH、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VH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。

0027

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。

0028

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VH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。

0029

システム電圧VH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VH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VH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。

0030

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。

0031

まず、S100で、分配制御部62は、システム電圧VH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VH#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VHが最大システム電圧VH#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。

0032

本実施形態では、システム電圧VHが最大システム電圧VH#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。

0033

S100で、システム電圧VHが最大システム電圧VH#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。

0034

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。

0035

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。

0036

0037

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。

0038

0039

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。

0040

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。

0041

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VH1,VH2,VH3,..VHN(VH1>VH2>VH3..>VHN)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VH1,VH2,VH3,..VHN毎の対応表を比較した場合、システム電圧VH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VH1,VH2,VH3,..VHNの各々の対応表の中から、現在のシステム電圧VH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VH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VHの上下のシステム電圧VHの対応表(例えば、VH1>現在のシステム電圧VH>VH2であれば、VH1の対応表とVH2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。

0042

なお、図5のような対応表を用いずに、システム電圧VH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。

0043

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。

0044

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。

0045

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VH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。

0046

一方、システム電圧VH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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

なお、システム電圧VHが比較的高い場合(例えば、システム電圧VHが最大システム電圧VH#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VH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VH1,VH2,VH3,..VHN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VH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VH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)。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

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