(57)【要約】【課題】ロータに設けられた永久磁石を効率的に冷却し、熱による不可逆熱減磁の発生を抑えることが可能なモータ装置を提供する。【解決手段】モータ装置１０は、ステータコイル１５を有するステータ１６と、モータケース１８に軸受け１２によって回転自在に保持されるロータ１３と、モータ装置１０を冷却するための冷却油を供給するポンプ３１と、ポンプ用モータ３２と、モータ装置を制御するモータ制御部２５と、を含んでいる。車両制御部２６は、モータ制御部２５に指示を出力すると共に、モータ装置１０のステータコイルエンド部の温度を温度センサ２１により測定し、モータ装置１０の回転数を測定する。さらに、車両制御部２６は、モータインバータ２２より、駆動電圧又は駆動電流等からモータトルクを算出すると共に、モータ制御部２５からの制御状況の情報を入手してポンプ用モータ３２の回転数を制御する。【選択図】図１
2008312343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、永久磁石を有するロータと、
冷却媒体をロータに供給する冷却媒体路と、
冷却媒体路に冷却媒体を供給する冷媒供給手段と、
少なくともモータトルクを検知する状態検知手段と、
検出されたモータトルクに応じて冷媒供給手段の供給量を制御する冷却制御手段と、
を備えることを特徴とするモータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ装置において、
状態検知手段は、モータ回転数とモータトルクとを検知し、
冷却制御手段は、検知されたロータ回転数とモータトルクとに応じて冷媒供給手段の供給量を制御することを特徴とするモータ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のモータ装置において、
冷却制御手段は、予め設定されたロータの発熱状態と、状態検知手段にて検知されたモータ回転数とモータトルクとに基づいて冷媒供給手段の供給量を制御することを特徴とするモータ装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ装置において、
状態検知手段は、モータ駆動電圧とモータ駆動電流とのうち少なくとも一つを測定することを特徴とするモータ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のモータ装置において、
冷却媒体路には、ロータの軸方向に設けられた複数の貫通穴に冷却媒体を送り込むためにロータの周方向に対して所定の角度が与えられた噴出口が設けられ、ロータが所定回転数にて回転するとき、冷却媒体が貫通穴とロータ壁面とに送られることを特徴とするモータ装置。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ装置において、
冷却制御手段は、冷却媒体を供給するためのポンプの吐出量を制御することを特徴とするモータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ装置に関し、特にモータ装置の作動に伴うステータやロータ等の温度上昇を抑えるための手段を含むモータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車、電気自動車及び燃料電池自動車等では、車両の走行性能を向上させるため、高電圧によるモータ装置の高出力化が進められている。一般に、モータ装置に用いられる巻き線は、電気抵抗を有するためモータ装置を作動させることによりステータのコイルから発熱する。この発熱が放熱を上回るとモータ装置の内部温度が上昇してモータ装置の寿命が確保できないため、モータ装置自身を冷却して放熱を促進させることが必要となる。
【０００３】
従来より、さまざまなモータ装置の冷却に関する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、モータ装置を冷却するためにモータ装置内を循環させる潤滑油をモータケース上部の油路室から油穴を通してステータのコイルエンド部に落下させる技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には冷却用の潤滑油噴出口がコイルエンド部に対向してモータ装置の回転軸に設けられ、ポンプにより吐出される冷却用の潤滑油が巻き線部に直接かけられる。さらに、モータ装置の駆動状態により変化する巻き線部の温度に応じて潤滑油量を制御する技術が開示されている。このような技術は、主としてステータのコイルを冷却することができるため、コイルの電気抵抗の増加を抑えて、大電流供給時の過熱によるモータ特性の変化を防止することができる。
【０００５】
しかし、ロータ側に永久磁石を有するモータ装置では、ロータの外周に配設された永久磁石は、温度が高くなると熱による不可逆熱減磁（以下、熱減磁ともいう。）を起こすという問題に対し、特許文献３にはロータの遠心力を利用してモータ装置内に冷却油を循環させることでロータ温度の上昇を抑え、ロータに組み込まれた永久磁石の熱減磁を防止する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１２２９０３号公報
【特許文献２】特開平５−２３６７０４号公報
【特許文献３】特開平９−１８２３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した技術では、モータが低回転運転時には冷却媒体である冷却油の油量を十分確保することが難しく、低回転運転が継続するとロータの温度を十分に下げることが困難であった。
【０００８】
一方、従来の技術では、発熱量が多いステータの冷却を主目的としてるため、高モータトルク、高モータ回転時に冷却油量を増加させている。しかし、ロータが高温となる運転領域は低速領域にも存在するため、低速領域における永久磁石の熱減磁の可能性があったが、余裕をもたせて冷却を行うことで対処していた。
【０００９】
このように、従来の冷却方法では、ステータとロータに対しての供給量をきめ細かく制御することができないため、冷却を必要としない運転領域においても不要な油を循環させることとなり、循環のためのエネルギーを消費することでモータ効率低下となっていた。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、モータ装置のロータに設けられた永久磁石を効率的に冷却して、熱による不可逆熱減磁の発生を抑えることが可能なモータ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上のような目的を達成するために、本発明に係るモータ装置は、ステータと、永久磁石を有するロータと、冷却媒体をロータに供給する冷却媒体路と、冷却媒体路に冷却媒体を供給する冷媒供給手段と、少なくともモータトルクを検知する状態検知手段と、検出されたモータトルクに応じて冷媒供給手段の供給量を制御する冷却制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るモータ装置において、状態検知手段は、モータ回転数とモータトルクとを検知し、冷却制御手段は、検知されたロータ回転数とモータトルクとに応じて冷媒供給手段の供給量を制御することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明に係るモータ装置において、冷却制御手段は、予め設定されたロータの発熱状態と、状態検知手段にて検知されたモータ回転数とモータトルクとに基づいて冷媒供給手段の供給量を制御することを特徴とする。
【００１４】
さらにまた、本発明に係るモータ装置において、状態検知手段は、モータ駆動電圧とモータ駆動電流とのうち少なくとも一つを測定することを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、本発明に係るモータ装置において、冷却媒体路には、ロータの軸方向に設けられた複数の貫通穴に冷却媒体を送り込むためにロータの周方向に対して所定の角度が与えられた噴出口が設けられ、ロータが所定回転数にて回転するとき、冷却媒体が貫通穴とロータ壁面とに送られることを特徴とする。
【００１６】
さらにまた、本発明に係るモータ装置において、冷却制御手段は、冷却媒体を供給するためのポンプの吐出量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明を用いることにより、高モータトルク、低回転において永久磁石が発熱する場合でも、冷却媒体である冷却油の供給量を制御することで永久磁石を好適に冷却することができるたけでなく、モータ装置の運転状態全域において冷却油量を制御することが可能となる。
【００１８】
また、本発明を用いることにより、磁石発熱量を予測することで、冷却油の供給量をきめ細かく制御することができる。このため、冷却の必要が無い領域では供給量を少なくすることができ、冷却媒体の循環における無駄なエネルギーの消費を抑制することができる。さらに、電圧と電流の少なくとも一方を測定する構成のため、モータトルクの検知が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００２０】
図１には、モータ装置１０を含むモータシステム１００の全体構成が示されており、図１を用いて概要を示す。モータ装置１０は、モータケース１８に設けられたステータコイル１５を有するステータ１６と、軸受け１２によって回転自在に保持されるシャフト１１と、シャフト１１に組み付けられたロータ１３と、モータ装置１０を冷却するための冷却油を供給するポンプ３１と、ポンプ３１を駆動するポンプ用モータ３２と、モータ装置１０を制御するモータ制御部２５と、を含んでいる。
【００２１】
モータ装置１０を冷却するための冷却油は、ポンプ３１によって加圧され、図示しないオイルクーラによって温度が下げられる。冷やされた冷却油は、オリフィスなどによって流量が調整された分配器３３により、例えば、ノズルや軸受けに分けられる。例えば、軸受け１２に供給され冷却油は、軸受け油路３４から軸受け１２に供給され、軸受け１２を通過してロータ側面を流れ、ロータを冷却した後にステータコイル１５のコイルエンド部を冷却する。また、シャフト油路３５に供給された冷却油は、ロータ中央部の冷却油路を通り、軸方向油路１７に流れ、ロータ内部を冷却したのち、ロータ側面に導かれてロータ側面を冷却した後に、コイルエンド部を冷却する。
【００２２】
他方、所定の角度だけ傾けて配置されたノズル噴出口から吐出された冷却油は、ノズルよりロータ側面に吹き付けられる。より具体的には、吹き付けられた冷却油は、ロータの周速度と冷却油の吐出速度との速度三角形を形成する角度でロータ側面と軸方向油路に吹き付けられる。
【００２３】
モータシステム１００は、バッテリ２４と、バッテリ２４の電圧（ＶＢ）を昇圧する昇圧コンバータ２３と、昇圧された電圧（ＶＨ）によりモータ装置１０を駆動するモータインバータ２２と、車両を制御する車両制御部２６と、を含んでいる。
【００２４】
車両制御部２６は、運転者からの指示をアクセル４１及びシフトスイッチ４２より検知してモータ制御部２５に指示を出力すると共に、モータ装置１０のステータコイルエンド部の温度を温度センサ２１により測定し、モータ装置１０の回転数を図示しないレゾルバにより測定する。さらに、車両制御部２６は、モータインバータ２２より、駆動電圧又は駆動電流等からモータトルクを算出すると共に、モータ制御部２５からの制御状況の情報を入手する。
【００２５】
図２には、実測によるロータ磁石発熱マップとステータ発熱マップとが示されている。一般的に、ステータはモータケースに固定されているため、温度センサなどにより温度測定は容易であるが、ロータは回転しているため容易に温度測定を行うことができない。そこで、本実験では、ロータ磁石の温度測定をモータシャフトに設けたスリップリングにより測定可能とする実験車を特別に製作して実験を行った。
【００２６】
図２（Ｄ）のロータ磁石発熱マップにおける等高線状の発熱量おいて、高モータトルクであり、かつ、４０００ｒｐｍ付近では、ＰＷＭ制御における高周波ノイズがロータ磁石に影響して発熱量が増加し、矩形波制御では急激に発熱量が減少する。さらに、上述したＰＷＭ制御と矩形波制御の変曲点を境にして不連続な発熱特性を示している。
【００２７】
図２（Ｃ）のステータ発熱マップにおける等高線状の発熱量は、図２（Ｄ）に示すロータ磁石発熱マップのほぼ１０倍を示しており、発熱のほとんどがステータコイルであることが分かる。
【００２８】
図３に示したロータ磁石熱減磁温度限界マップには、モータ装置の駆動に伴って発生する弱め磁界による熱減磁限界温度が、例えば、１６０℃から２１０℃まで５段階で区切られている。このような制限から、回転数とトルクとの組み合わせによる各運転条件下において、ロータ磁石温度を熱減磁限界温度以下で動作させることが必要となる。さらに、上述したように、発熱のほとんどがステータコイルであるものの、熱減磁限界温度は、高モータトルク低回転で発生し、高モータトルクになるに従い、熱減磁限界温度は低下することから細かな冷却制御が必要とされる。
【００２９】
図４はモータ装置を低モータトルク、かつ、低回転数で使用した状態を示し、図５はモータ装置を高モータトルク、かつ、低回転数で使用した状態を示している。また、図６には、図４と図５で示した状態がロータ磁石熱減磁温度限界マップ上に示されている。以下、図４〜図６を用いて説明する。
【００３０】
図４に示すようにモータトルクが、例えば、１００Ｎｍ以下であれば、発熱量はロータ磁石発熱が０．５ｋＷ程度であり、ステータ発熱が５ｋＷ程度である。これに対して、図５に示すようにモータトルクが、例えば、２００Ｎｍ以上となる場合には、発熱量は約２倍となり、ロータ磁石発熱が１ｋＷ程度となり、ステータ発熱が１０ｋＷ程度となる。さらに、図６に示すように、ロータ磁石熱減磁限界温度は、高モータトルクになるに従い限界温度が下がることから、ロータ磁石が熱減磁とならないように冷却油の吐出量を増加させ、放熱を促進させる必要がある。そこで、本実施形態では、このような状況を検知して、モータ制御部２５によって制御されるポンプ用モータ３２の回転数を増加させている。
【００３１】
図７，図８，図９には、高モータトルクかつ低回転で使用した状態において、効率的にロータを冷却するための構造を説明した図である。具体的には、図７はロータ側面の形状を示し、図８はノズル噴出口の配置を示しており、図９は冷却油の吐出速度の変化による軸方向油路に送出される送出量を示している。
【００３２】
図７のロータは、シャフト１１と、永久磁石１４と、軸方向油路１７と、軸方向油路１７に冷却油を導くための油受け部１９と、を有している。油受け部１９を設けたことにより、軸方向油路１７に導くことができるロータの周方向速度の該当回転数範囲を広げることが可能となる（例えば、２０００〜８０００ｒｐｍ）。
【００３３】
図８に示すように、モータ装置には、ロータの軸方向に設けられた複数の軸方向油路に冷却油を送り込むためにロータの周方向に対して所定の傾け角度（θ度）が与えられた噴出口が設けられている。このような構造にすることで、ロータが例えば２０００〜８０００ｒｐｍにて回転するときは、軸方向油路の周速度と一致するように冷却油の吐出速度と傾け角度とが設定されているため、冷却油が軸方向油路とロータ壁面とに送られ、それ以外の回転数の時には、もっぱらロータ壁面に送られ、軸方向油路には届かず、ステータのエンド部の冷却に用いられる。
【００３４】
図９には、噴出速度に対する冷却油の送出量との関係が示されている。ロータの周方向回転速度はロータの回転数に比例し、吐出速度：「中」において、速度三角形の関係により軸方向油路に冷却油が多く送出され、ロータが冷却される。また、吐出速度が「小」又は「大」の場合には、もっぱらロータ側面に送られ、ステータコイルエンド部を冷却する。
【００３５】
上述したように、本実施形態に係るモータ装置において、冷却油の吐出量を制御することにより、低モータトルク時には、吐出量を低減することで、軸方向油路に冷却油を送り込むこと無くステータを直接冷却することができる。このため、細かな制御が可能となり、無駄な冷却油の循環を抑制することが可能となる。なお、上述したノズル噴出口の傾け角度は、ロータ径、回転数、冷却油の吐出速度等によって適切に設定する必要があることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係るモータ装置を含むモータシステムの全体構成図である。
【図２】実測によるモータ装置のステータ発熱マップ図とロータ磁石発熱マップ図である。
【図３】本発明の実施形態に係るロータ磁石熱減磁温度限界マップ図である。
【図４】本発明の実施形態に係るモータ装置を低モータトルク、かつ、低回転数で使用した状態を説明する説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係るモータ装置を高モータトルク、かつ、低回転数で使用した状態を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るモータ装置において、異なる運転条件で作動させた場合のロータ磁石熱減磁温度限界を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係るロータのロータ側面を説明する説明図である。
【図８】本発明の実施形態に係る噴出口の配置を説明する説明図である。
【図９】本発明の実施形態に係る冷却油の送出量の特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  モータ装置、１１  シャフト、１２  軸受け、１３  ロータ、１４  永久磁石、１５  ステータコイル、１６  ステータ、１７  軸方向油路、１８  モータケース、１９  油受け部、２１  温度センサ、２２  モータインバータ、２３  昇圧コンバータ、２４  バッテリ、２５  モータ制御部、２６  車両制御部、３１  ポンプ、３２  ポンプ用モータ、３３  分配器、３４  軸受け油路、３５  シャフト油路、４１  アクセル、４２  シフトスイッチ、１００  モータシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008312343.tif 000009
【図８】
2008312343.tif 000010
【図９】
2008312343.tif 000011