JP4096858B2 - 車両用電動モータの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両駆動用の電動モータと、該電動モータの出力軸の駆動力を調整して駆動軸に伝える減速機とを備えてなる車両用電動モータの冷却装置に関する。

電気自動車の駆動用電動モータにおいて、ロータはその鉄心で発生する渦電流損やヒステリシス損により発熱するため、温度上昇により部材の劣化が生じ、或いは、温度上昇を抑制するために運転時間を制限する必要が生じる。

そこで、従来から、電動モータの出力軸内或いはロータ鉄心内部にオイルなどの冷媒を流すことで、ロータを冷却する冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

前記特許文献１に開示される冷却装置では、冷却後の冷媒をロータ内部からモータケース内部へ出し、モータケース内部で冷媒を回収して循環させるようにしていた。
特開平９−１８２３７５号公報

しかし、従来のように、モータケース内部で冷媒を回収する構成では、同期モータなど磁石を用いたモータを用いる場合に、磁石に冷媒が接触することになり、他の構成物に比べて耐熱温度が低い磁石に冷却後で高温となっている冷媒が接触することで磁石の劣化が発生し、また、冷媒に含まれる添加物等により磁石が変質するという問題があった。

また、特に、減速機と電動モータの冷媒冷却経路が共通になっている場合には、減速機内部の摩耗などによって冷媒に金属粉などの異物が混入することがあり、この金属異物が混入した冷媒が磁石に接触すると、冷媒中の金属異物が磁石に付着して、磁石の劣化を引き起こすという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、冷媒による磁石の劣化・変質を回避できる車両用電動モータの冷却装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明に係る車両用電動モータの冷却装置は、減速機の軸と電動モータの出力軸との間を連通する軸内冷媒経路と、前記電動モータの出力軸の回転を検出する回転検出器を収容する室であって、前記電動モータを収容するモータケースと分離して前記電動モータの軸端部に設けられた回転検出器室と、前記減速機を収容する減速機ケース内に設けられた減速機ケース内の冷媒帰還経路と、前記回転検出器室内と前記減速機ケース内の冷媒帰還経路とを前記モータケースの外部で連通させる外部冷媒帰還経路と、を設け、前記軸内冷媒経路を通過した冷媒を前記回転検出器室内に流入させ、前記外部冷媒帰還経路を介して前記減速機ケース内の冷媒帰還経路に循環させる構成とした。

本発明によると、減速機の軸と電動モータの出力軸との間を連通する冷媒経路を流れた冷媒を、モータケースと分離して設けられる回転検出器室内に流入させ、その後、外部冷媒帰還経路を介して減速機ケース内の冷媒帰還経路に循環させるので、モータケース内部に冷媒が入ることがない。

このため、冷媒が電動モータの磁石に接触することがなく、冷媒温や冷媒の添加物・金属異物による磁石の劣化・変質を防止できる。

また、減速機・電動モータを冷却した後の高温の冷媒をモータケース内に流入させないため、別の冷却経路による冷媒でモータケースを冷却する構成としたときに、減速機・電動モータを冷却した後の高温の冷媒が、モータケースの冷却に悪影響を及ぼすことがない。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は、第１の実施形態を示す車両用電動モータの軸方向断面図である。

尚、本実施形態では、相互に連通している冷媒経路を含む軸を有する電動モータと減速機との組み合わせとして、同軸同期モータを例として説明する。

また、電動モータと減速機の共通冷媒として、オイルによる油冷を用いる場合を記載し、図中の矢印は冷却オイルの流れを示すものとする。

図１において、車両駆動用の電動モータ１は、モータケース２に収容される。

前記電動モータ１は、前記モータケース２内側に周回方向に設置された複数組のステータコイル３、前記モータケース２に取り付けられた軸受け４で回転自在に支持されたモータ出力軸５、該モータ出力軸５に固定され極数に応じた複数の永久磁石を備えたロータ６によって構成される。

前記モータ出力軸５には、減速機軸７が同軸に接続されており、減速機８は、前記減速機軸７上に取り付けられてモータ出力軸５の駆動力を調整して駆動軸９に伝達する一対の減速ギヤ（遊星歯車）１０ａ，１０ｂと、左右の駆動軸の回転差異を調整するディファレンシャルギヤ１１からなる。

前記減速機８を収容する減速機ケース８ａ内の下部には、冷媒溜１２が形成され、該冷媒溜１２内の冷却オイル（冷媒）は、前記減速ギヤ１０ｂを介して駆動されるオイルポンプ１４によって吸引され、減速機ケース８ａの外側に設置されるオイルクーラー１３に送られる。

前記冷媒溜１２及びオイルポンプ１４が、減速機ケース内冷媒帰還経路を構成する。

前記減速機８で調整された電動モータ１の駆動力は、前記モータ出力軸５及び減速機軸７の中空部に挿通される駆動軸９を介して左右の駆動輪（図示省略）に伝達される。

前記減速機８と反対側のモータ出力軸５端部は、前記モータケース２を貫通して、隣接して設けられるレゾルバ室（回転検出器室）２４内に突出し、該レゾルバ室２４に設けられたレゾルバ（回転検出器）１５が、モータ出力軸５（ロータ６）の周回方向位置を検出する。

尚、本実施形態では、回転検出器としてレゾルバを用いるが、回転検出器をレゾルバに限定するものではない。

一方、減速機ケース８ａ内の駆動軸９には、その軸心部分に冷却オイルを通過させるための軸方向経路１６が延設されており、前記オイルクーラー１３の出口と前記軸方向経路１６の反モータ側の端部とが連通される。

前記軸方向経路１６の途中には、減速ギヤ１０ａ，１０ｂに冷却オイルを供給するための径方向経路１７が分岐して設けられる。

また、前記軸方向経路１６のモータ側端部は閉塞されるが、該閉塞部の直前から分岐する径方向経路１８が設けられ、該径方向経路１８は、駆動軸９の外周と減速機軸７・モータ出力軸５の内周とで挟まれる円筒状空間である軸方向経路１９に臨む。

前記軸方向経路１９は、その両端が軸受け２０で閉塞され、レゾルバ室２４側の軸受け２０の直前に設けられる径方向経路２１によって、レゾルバ室２４内の駆動軸９の軸心部分に延設される軸方向経路２２に連通する。

前記軸方向経路２２はその両端が閉塞され、途中に設けられる径方向経路２３によってレゾルバ室２４内と連通する。

更に、レゾルバ室２４の下部と前記減速機ケース８ａ下部の冷媒溜１２とを、モータケース２の外部で連通させる外部冷媒帰還経路２６が設けられている。

ここで、図２のオイルの流れ図を併用して、本実施形態における冷却オイルの流れを説明する。

前記減速機ケース８ａ内の冷媒溜１２からオイルポンプ１４によって汲み上げられた冷却オイルは、オイルクーラー１３に送られ、ここで所定の温度にまで冷却された後、駆動軸９内に設けられた軸方向経路１６に対して反モータ側の端部から流入する。

前記軸方向経路１６に流入した冷却オイルは、モータ側に向けて（図１で右方向に）進み、一部の冷却オイルは径方向経路１７に流入して、該径方向経路１７から遠心力により減速ギヤ１０ａ，１０ｂ及びディファレンシャルギヤ１１に吹き掛けられる。

残りの冷却オイルは、そのまま軸方向経路１６を進んで、径方向経路１８から駆動軸９と減速機軸７・モータ出力軸５との間の軸方向経路１９に流入する。

前記軸方向経路１６，１９が、前記減速機軸７と出力軸５との間を連通する軸内冷媒経路に相当する。

径方向経路１７から減速ギヤ１０ａ，１０ｂ及びディファレンシャルギヤ１１に吹き掛けられた冷却オイルは、ギヤ表面に付着して潤滑と冷却を行い、その後、重力によって冷媒溜１２に落下する。

一方、軸方向経路１９に流入した冷却オイルは、ロータ６を冷却しながらレゾルバ室２４側に向けて流れ、レゾルバ室２４側の軸受け２０の手前まで流れると、径方向経路２１を介して軸方向経路２２に入り、径方向経路２３を経由してレゾルバ室（回転検出器室）２４へ流入する。

ここで、前記レゾルバ室２４とモータケース２とは、オイルシール２５により完全に密封されているため、ロータ６冷却後の冷却オイルは、モータケース２内に入ることなく、レゾルバ室２４内から外部冷媒帰還経路２６を経由して冷媒溜１２へと帰還することになる。

そして、冷媒溜１２に帰還した冷却オイルは、再度オイルポンプ１４によって汲み上げられて上記経路を循環することになる。

尚、本実施形態では、外部冷媒帰還経路２６を１経路のみとしているが、外部冷媒帰還経路２６を複数設けても同様である。

上記実施形態によると、モータケース２の内部（モータ出力軸５とモータケース２とで囲まれる環状空間）が、減速機８，モータ出力軸５，レゾルバ室２４のオイル循環経路に対して分離されており、モータケース２内に冷却オイルが侵入することがない。

即ち、モータ出力軸５がモータケース２を貫通する両端の位置には、オイルシール２５，２７が備えられており、減速機ケース８ａ内及びレゾルバ室２４内の冷却オイルがモータケース２内に入ることがない。

また、モータ出力軸５内部には冷却オイルが流れるが、モータ出力軸５は完全な円筒となっており、モータ出力軸５の内部から冷却オイルがモータケース２内に流れ出ることがない。

従って、冷却オイルがロータ６（磁石）に接触することがなく、冷却後の高温になった冷却オイルの熱によってロータ６（磁石）が劣化することや、冷却オイル中の添加物や金属異物によってロータ６（磁石）が変質・劣化することを防止できる。

また、減速機８及びロータ６を冷却した後の高温の冷却オイルをモータケース２内に流入させないため、別の冷却経路による冷媒で冷却しているモータケース２の温度が、減速機８及びロータ６を冷却した後の高温の冷却オイルによって上昇することを防ぐことができる。

次に、図３に基づいて第２の実施形態を説明する。

図３に示す第２の実施形態が、図１に示した第１の実施形態と異なる点は、レゾルバ室２４出口付近の外部冷媒帰還経路２６に、ステータコイル３の磁力を使用した金属異物トラップ２８を設置している点である。

前記金属異物トラップ２８は、冷却オイルの流れに対して直交する方向の磁力Ｈによって冷却オイル中の金属異物をポケット３０に誘導して、冷却オイル中から金属異物を取り除くものである。

また、前記金属異物トラップ２８には、補助コイル２９が設けられており、電動モータ１内の磁気回路の電流と反位相の電流を流すことで前記磁力Ｈを補い、より効率良く金属異物を収集できるようにしてある。

前記補助コイル２９の電流制御方法は、図４のフロー図に示される。

まず、ステータコイル３の電流位相に基づき、補助コイル２９に最も近いステータコイル３の位相を計算し、前記磁力Ｈが働く適正な補助コイル２９の位相を計算する。

一方、電動モータ１の回転数からオイルポンプ１４の回転数を計算し、該オイルポンプ１４の回転数から冷却オイルの流量を計算し、更に、前記冷却オイルの流量から補助コイル２９の必要電流値を計算する。

そして、前記計算した位相及び電流値に従って、補助コイル２９に対する電力供給を制御する。

上記のように、金属異物に作用する磁力が最も大きなトラップ近傍のステータコイル３の位相から補助コイル２９の位相を決定することで、前記磁力Ｈを効果的に補うことができ、また、冷却オイル流量から補助コイル２９の電流値を決定することで、流量に応じた磁力Ｈを作用させて、効率良く金属異物を収集させることができる。

また、上記第２の実施形態のように、金属異物トラップ２８を備える構成であれば、冷却経路内で金属異物を除去することができるため、冷却オイルの劣化を防ぐことができると共に、各部に金属異物が付着することを防ぐことができ、装置の劣化を防止することができる。

尚、前記金属異物トラップ２８の前後の外部冷媒帰還経路２６には、金属異物トラップ交換用バルブ３１をそれぞれ設け、更に、前記金属異物トラップ２８が外部冷媒帰還経路２６に対して取り外し可能に構成されており、ポケット３０に金属異物が溜まった場合は、手動で両側の交換用バルブ３１を閉じることで、金属異物トラップ２８の交換・メンテナンスが容易に行えるようになっている。

次に、図５に基づいて第３の実施形態を説明する。

図５に示す第３の実施形態は、図３の第２の実施形態で示したものと同様な金属異物トラップ３２及び補助コイル３３を、冷媒溜１２近傍の外部冷媒帰還経路２６に設けてある。

上記構成によると、前記電動モータ１の出力軸５内を経由する冷却油冷経路内部の金属異物をトラップするだけでなく、減速機８側から冷媒溜１２に落ちてくる金属異物をトラップすることも可能となる。

更に、極低温始動時で冷却オイルの粘度が高く、オイルポンプ１４への負荷が高くなる場合に、補助コイル３３にのみ通電してその熱で冷却オイルを温めることにより、極低温時のオイルポンプ１４の負荷を下げることが可能となると共に、通常運転への移行時間を短くできる。

次に、図６に基づいて第４の実施形態を説明する。

図６に示す第４の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対して、外部冷媒帰還経路２６内部の冷却オイルを観察できるようにした点が異なる。

即ち、第４の実施形態では、レゾルバ室２４直後の外部冷媒帰還経路２６が垂直に延設される部分を、内部の状況が外から見える透明な材質で形成された透明管３４で構成し、更に、夜間でも内部の冷却オイルを観察できるように、外部から電源を取る照明３５を前記透明管３４の背後に設けてある。

上記構成によると、特別なセンサなどを付加せずに、冷却オイルの汚れや劣化を随時目視により確認することができる。

尚、外部冷媒帰還経路２６が十分明るいところに設置され、かつ、目視する方向が決まっている場合には、図７に示すように、外部冷媒帰還経路２６の垂直部分の不透明管３６の一部に、目視方向に対応する向きの未透明な窓３７を設けても良い。

更に、外部冷媒帰還経路２６の全てを透明管で構成しても良い。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定する為に記載されたものではない。

従って、上記の各実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属するすべての設計変更が含まれる。

たとえば、上述した実施形態では、駆動軸９はモータ出力軸５内に同軸に配置される構成であるが、電動モータ１と減速機８の軸冷却が共通の経路で行われる構成であれば、前記駆動軸９，モータ出力軸５のレイアウトは適用される車両の構造に応じて適宜変更することができる。

また、第４の実施形態のように、外部冷媒帰還経路２６に透明で内部の冷却オイルを目視できる部分を設ける構成と、第２，３の実施形態のように、金属異物トラップを備える構成とを組み合わせ、透明目視部分と金属異物トラップとの双方を備える構成とすることができる。

更に、第２の実施形態のようにレゾルバ室２４に近い側の金属異物トラップ２８と、第３の実施形態のように冷媒溜１２に近い側の金属異物トラップ３２との双方を備える構成とすることができる。

ところで、上記各実施形態においては、軸方向経路１９を、駆動軸９の外周と減速機軸７・モータ出力軸５の内周とで挟まれる円筒状空間としたが、冷媒経路が円筒状空間であると、軸と冷媒との接触面積を充分に確保することが困難である。

そこで、図８に示す第５の実施形態では、出力軸５の内周壁に螺旋状の溝４１を形成してある。

尚、図８に示す螺旋状の溝４１を有する構成は、上記第１〜第４の実施形態のいずれにも適用され得るものである。

上記のように、出力軸５の内周壁に螺旋状の溝４１を備える構成とすれば、出力軸５と冷媒との接触面積が増加して、前記出力軸５と冷媒との間で熱交換作用がより積極的に行われることになり、電動モータ１から冷媒への抜熱量を増加させることができる。

また、前記螺旋状の溝４１を、出力軸５の回転方向に沿ってその位置がレゾルバ室２４に向けて変位するように形成すれば、前記出力軸５の回転により、軸方向経路１９内部の冷媒にレゾルバ室２４に向かう軸方向の推進力を与えることになる。

これにより、冷媒をレゾルバ室２４に向けて積極的に圧送する機能を有することになり、係る機能に持つことで、冷媒の循環をより効率良く行わせることが可能となる。

尚、出力軸５の内周壁に螺旋状の溝４１を形成する代わりに、駆動軸９の外周に螺旋状の溝を形成しても良い。

第１の実施形態における電動モータ及び減速機の軸方向断面図。 第１の実施形態における冷却オイルの流れ経路を示すブロック図。 第２の実施形態における電動モータ及び減速機の軸方向断面図。 第２の実施形態における補助コイルの電流制御を示すフロー図。 第３の実施形態における電動モータ及び減速機の軸方向断面図。 第４の実施形態における電動モータ及び減速機の軸方向断面図。 第４の実施形態における外部冷媒帰還経路の垂直部分の模式図。 第５の実施形態における電動モータの出力軸部分の拡大断面図。

符号の説明

１…電動モータ、２…モータケース、３…ステータコイル、４，２０…軸受け、５…モータ出力軸、６…ロータ、７…減速機軸、８…減速機、８ａ…減速機ケース、９…駆動軸、１２…冷媒溜、１３…オイルクーラー、１４…オイルポンプ、１５…レゾルバ（回転検出器）、１６，１９，２２…軸方向経路、１７，１８，２１，２３…径方向経路、２４…レゾルバ室（回転検出器室）、２５，２７…オイルシール、２６…外部冷媒帰還経路、２８，３２…金属異物トラップ、２９，３３…補助コイル、３０…ポケット、３１…金属異物トラップ交換用バルブ、３４…透明管、３５…照明、３６…不透明な管、３７…透明な窓，４１…溝

Claims (12)

1. 車両駆動用の電動モータと、該電動モータの出力軸の駆動力を調整して駆動軸に伝える減速機とを備えてなる車両用電動モータにおいて、
   前記減速機の軸と前記電動モータの出力軸との間を連通する軸内冷媒経路と、
   前記電動モータの出力軸の回転を検出する回転検出器を収容する室であって、前記電動モータを収容するモータケースと分離して前記電動モータの軸端部に設けられた回転検出器室と、
   前記減速機を収容する減速機ケース内に設けられた減速機ケース内の冷媒帰還経路と、
   前記回転検出器室内と前記減速機ケース内の冷媒帰還経路とを前記モータケースの外部で連通させる外部冷媒帰還経路と、
   を設け、
   前記軸内冷媒経路を通過した冷媒を前記回転検出器室内に流入させ、前記外部冷媒帰還経路を介して前記減速機ケース内の冷媒帰還経路に循環させることを特徴とする車両用電動モータの冷却装置。
2. 前記電動モータのステータコイルの磁力によって冷媒中の金属異物をポケットに導いて収集する金属異物トラップを、前記外部冷媒帰還経路の途中に設けたことを特徴とする請求項１記載の車両用電動モータの冷却装置。
3. 前記金属異物トラップに補助コイルを設け、該補助コイルに流す電流を制御することで、前記金属異物を前記ポケットに導く磁力を補うことを特徴とする請求項２記載の車両用電動モータの冷却装置。
4. 前記補助コイルに最も近いステータコイルの位相に基づいて前記補助コイルの電流位相を決定することを特徴とする請求項３記載の車両用電動モータの冷却装置。
5. 前記外部冷媒帰還経路を流れる冷媒の流量に応じて前記補助コイルの電流値を決定することを特徴とする請求項３又は４記載の車両用電動モータの冷却装置。
6. 前記減速機ケース内の冷媒帰還経路が、冷媒溜と該冷媒溜内の冷媒を吸引して吐き出すポンプからなり、
   前記金属異物トラップを、前記冷媒溜の近傍に設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。
7. 前記減速機ケース内の冷媒帰還経路が、冷媒溜と該冷媒溜内の冷媒を吸引して吐き出すポンプからなり、
   前記金属異物トラップを、前記冷媒溜の近傍に設けると共に、冷媒の温度が低いときに前記補助コイルにのみ通電し、該補助コイルの熱で冷媒を加熱することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。
8. 前記金属異物トラップの両側の前記外部冷媒帰還経路にバルブを介装すると共に、前記金属異物トラップを前記外部冷媒帰還経路に対して取り外し可能に構成したことを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。
9. 前記外部冷媒帰還経路の少なくとも一部を、内部の冷媒を目視観察するための透明材料で形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。
10. 前記軸内冷媒経路が、冷媒を軸方向に圧送する機能を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。
11. 前記軸内冷媒経路が、前記出力軸と冷媒との間で熱交換作用を行う形状に形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。
12. 前記軸内冷媒経路の内壁に螺旋状の溝を形成したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の車両用電動モータの冷却装置。

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