JP6623951B2

JP6623951B2 - 回転電機の冷却装置

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Publication number: JP6623951B2
Application number: JP2016123946A
Authority: JP
Inventors: 石川　智一; 智一石川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2019-12-25
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Also published as: JP2017229164A

Description

回転子及び固定子のいずれか一方に導体が設けられ、他方に永久磁石が設けられた回転電機の冷却装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されているモータや、ジェネレーターや（発電機）、モータジェネレータといった回転電機において、その回転電機の出力向上やエネルギー損失の低減を目的として、冷却装置が用いられている。

回転子及び固定子のいずれか一方に巻線が設けられ、他方に永久磁石が設けられた回転電機におけるエネルギー損失の低減を目的として、巻線と永久磁石とをそれぞれ冷却する技術が提案されている。より具体的には、巻線及び永久磁石それぞれの発熱量に基づいて、巻線及び永久磁石をそれぞれ冷却する技術が特許文献１に記載されている。例えば、永久磁石が発熱しやすい状況下では永久磁石を冷却し、巻線が発熱しやすい状況下では巻線を冷却している。

特開２０１４−１１０７０５号公報

ここで、本願発明者は、永久磁石により生じる最大磁束密度が大きくなるほど、回転電機における鉄損（磁気損失）が大きくなることに着目した。即ち、回転電機に生じる鉄損は、主として渦電流損とヒステリシス損とから構成され、渦電流損は、最大磁束密度の２乗に比例し、ヒステリシス損は、最大磁束密度の１．６乗に比例する。また、永久磁石の温度低下に伴い、最大磁束密度は増加する。つまり、上記構成の特許文献１に記載の技術では、永久磁石が冷却されることで永久磁石の最大磁束密度が上昇して鉄損が大きくなり、かえってエネルギー損失が大きくなることが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回転子及び固定子のいずれか一方に電流が流れることで磁束を発生させる導体が設けられ、他方に永久磁石が設けられた回転電機の冷却装置において、回転電機に生じるエネルギー損失の増加を抑制することを主たる目的とする。

本構成は、回転子（１１）及び固定子（１３）のいずれか一方に電流が流れることで磁束を発生させる導体（１４）が設けられ、他方に永久磁石（１２）が設けられた回転電機（１０）の冷却装置であって、前記導体を冷媒によって冷却する第１冷却経路（５１）と、前記永久磁石を冷媒によって冷却する、前記第１冷却経路と異なる第２冷却経路（５２）と、前記回転電機に生じる鉄損が判定値より大きいことを条件として、前記第２冷却経路に流れる前記冷媒の流量である第２流量を減少させる制御を実施する制御部（３０）と、を備えることを特徴とする。

鉄損が判定値より大きい場合、永久磁石を冷却する第２冷却経路に流れる冷媒の流量を減少させる制御を実施する。当該制御により、永久磁石の温度低下を抑制できる。永久磁石の温度低下を抑制することで最大磁束密度の増加を抑制できる。即ち、鉄損が判定値より大きい場合に、鉄損の増加を抑制できる。ここで、渦電流損は、回転電機の回転速度の２乗、及び最大磁束密度の２乗にそれぞれ比例する。また、ヒステリシス損は、回転電機の回転速度、及び最大磁束密度の１．６乗にそれぞれ比例する。つまり、回転速度、及び最大磁束密度の高い領域において、回転電機における鉄損が大きくなる。

また、鉄損が判定値以下の場合、第２冷却経路に流れる冷媒の流量を減少させる制御は行われない。これにより、鉄損が判定値以下の場合に、永久磁石の温度上昇が抑制される。永久磁石の温度上昇が抑制されることで、最大磁束密度の低下が抑制される。これにより、最大磁束密度の低下に伴う回転電機の出力低下や、当該出力低下を補うために回転電機の入出力電流が増加することで、銅損が増加することを抑制できる。

また、導体の温度が上昇すると、導体の抵抗値が増加し、導体に生じる銅損は増加する。導体の冷却と永久磁石の冷却とが異なる冷却経路を用いて実施される本構成では、鉄損の大きさに関わらず導体の冷却が実施されることで、導体の温度上昇が抑制され、銅損の増加を抑制できる。このため、回転電機に生じるエネルギー損失を低減することができる。

第１実施形態の電気的構成を表す図。永久磁石の温度と磁束密度及び磁界の強さとの関係を表す図。第１実施形態の回転電機の構造を表す概略図。トルク及び回転速度と、鉄損及び銅損との関係を表す図。第１実施形態の冷却制御を表すフローチャート。第２実施形態の冷却制御を表すフローチャート。第３実施形態の冷却制御を表すフローチャート。第４実施形態の冷却制御を表すフローチャート。第５実施形態の回転電機の構造を表す概略図。

（第１実施形態）
以下、本発明にかかる回転電機の制御装置を具体化した実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、車両に搭載された電源システムを具体化するものとしている。本システムの全体概略図を図１に示す。

図１に示すように、回転電機１０、インバータ２０、及び、インバータ２０を制御する制御装置３０を備えている。回転電機１０のロータ１１（回転子）には、界磁を行う永久磁石１２が設けられている。つまり、回転電機１０は、永久磁石１２により界磁を行う永久磁石界磁型回転電機である。また、回転電機１０のステータ１３（固定子）には、Ｕ相、Ｖ相、及び、Ｗ相の各相に対応した電機子巻線１４が設けられている。永久磁石１２は、具体的にはネオジム磁石である。電機子巻線１４は、巻線であって、「電流が流れることで磁束を発生させる導体」に相当する。

回転電機１０は、回生発電及び力行駆動の機能を有し、具体的には、ＭＧ（Motor Generator）である。回転電機１０は、力行時には、車両に推進力を付与し、回生時には、車両の減速エネルギーを用いて発電を行い、バッテリ４０の充電を行うものである。

回転電機１０の電機子巻線１４は、インバータ２０を介して、直流の電源部であるバッテリ４０に接続されている。バッテリ４０の出力電圧は、例えば２００Ｖ以上の高電圧である。バッテリ４０は、具体的には、複数のリチウムイオン蓄電池が直列接続された組電池である。なお、他の種類の蓄電池であってもよい。

インバータ２０は、高電位側のスイッチング素子２２a，２２ｂ，２２ｃ（上アームスイッチ）及び低電位側のスイッチング素子２３a，２３ｂ，２３ｃ（下アームスイッチ）の直列接続体が、３つ並列に接続されて構成されている。各相上、上アームスイッチと下アームスイッチの接続点には、回転電機１０の対応する相が接続されている。なお、本実施形態では、スイッチ２２，２３として、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、より具体的にはＩＧＢＴを用いている。そして、各スイッチには、フリーホイールダイオード２４が逆並列にそれぞれ接続されている。

制御装置３０は、回転電機１０を構成する電機子巻線１４の各相に流れる電流を検出する相電流センサや回転電機１０の回転角を検出する回転角センサ等から検出値を取得する。そして、取得した検出値に基づいて、インバータ２０を構成する各スイッチ２２，２３をオンオフ操作すべく、各操作信号を生成し、生成した各操作信号を各スイッチに出力する。ここで、上アーム側の操作信号と、対応する下アーム側の操作信号とは、互いに相補的な信号となっている。すなわち、上アームスイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、対応する下アームスイッチ２３ａ，２３ｂ，２３ｃとは、交互にオン状態とされる。

ここで、回転電機１０における力行時及び発電時、回転電機１０においてエネルギー損失が生じる。当該エネルギー損失は、銅損、鉄損、機械損、及び、漂遊負荷損から構成される。銅損は、電機子巻線１４の抵抗成分に電流が流れることで生じる。鉄損は、ロータ１１が回転することで、電機子巻線１４の鉄心部（ステータコア）の磁束が周期的に変化することで生じる。なお、鉄心部は、鋼板が積層されて構成されている。機械損は、回転電機１０のロータ１１などの回転部分と、ステータ１３などの静止部分との摩擦や回転部分の扇風作用による損失である。漂遊負荷損は、銅損、鉄損、及び、機械損に含まれない損失である。

回転電機１０におけるエネルギー損失は、主として銅損及び鉄損によるものである。銅損Ｐｃｕは、電機子巻線１４に流れる入力電流のＵ相成分ｉｕ、Ｖ相成分ｉｖ、Ｗ相成分ｉｗ、及び、電機子巻線１４のＵ相抵抗成分Ｒｕ、Ｖ相抵抗成分Ｒｖ、Ｗ相抵抗成分Ｒｗを用いて、
Ｐｃｕ＝ｉｕ＾２・Ｒｕ＋ｉｖ＾２・Ｒｖ＋ｉｗ＾２・Ｒｗ …（１）
と表すことができる。電機子巻線１４の抵抗成分Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗは、電機子巻線１４の温度が上昇すると増加する。このため、電機子巻線１４の温度が上昇するほど、銅損Ｐｃｕは増加する。

また、鉄損のうち渦電流損Ｐｅは、損失係数ｋｅ、ステータコアを構成する鋼板の板厚ｔ、鋼板の抵抗率ρ、周波数ｆ（回転電機１０の回転速度）、及び、永久磁石１２による最大磁束密度Ｂｍを用いて、
Ｐｅ＝ｋｅ（ｔ・ｆ・Ｂｍ）＾２／ρ …（２）
と表すことができる。鉄損のうちヒステリシス損Ｐｈは、損失係数ｋｈ、周波数（回転電機１０の回転速度）ｆ、及び、永久磁石１２による最大磁束密度Ｂｍを用いて、
Ｐｈ＝ｋｈ・ｆ・Ｂｍ＾１．６ …（３）
として表すことができる。

つまり、渦電流損Ｐｅは、回転電機１０の回転速度の２乗、及び最大磁束密度の２乗にそれぞれ比例する。また、ヒステリシス損Ｐｈは、回転電機１０の回転速度、及び最大磁束密度の１．６乗にそれぞれ比例する。つまり、回転速度が高いほど、回転電機１０における鉄損は大きくなる。

ここで、図２に、永久磁石１２の温度を変化させた場合に、各温度における磁界の強さＨと磁束密度Ｂとの関係を表す減磁曲線の第２象限を示す。各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３という関係を有する。具体的には、温度Ｔ１は約２０度、温度Ｔ２は、約８０度、温度Ｔ３は、約１４０度である。永久磁石１２の温度が高いほど、磁束密度Ｂは小さくなる。即ち、永久磁石１２の温度が高いほど、最大磁束密度Ｂｍは小さくなる。

そこで、本実施形態では、鉄損が大きい領域において、永久磁石１２の温度を上昇させることで、最大磁束密度Ｂｍを減少させ、渦電流損Ｐｅ及びヒステリシス損Ｐｈを減少させることができる。

図３に本実施形態の回転電機１０の構造の概略図を示す。回転電機１０の入出力軸であるシャフト１５は、円筒状の筐体１６に設けられたベアリング１７によって回転可能に支持されている。筐体１６の内部において、シャフト１５の外周部には円筒状のロータ１１が連結されている。また、筐体１６の内周には、ロータ１１と対向するようにステータコア１８が設けられている。ステータコア１８には、電機子巻線１４が巻回されている。

本実施形態の回転電機１０は、冷却経路５１〜５４、第２冷却経路５２に流れる調整部５０、及び、調整部５０を制御する制御装置３０（制御部）を備えて構成される冷却装置によって冷却される。第１冷却経路５１及び第２冷却経路５２は、上流側において共通の冷却経路５３から分岐されている。共通の冷却経路５３には、冷媒が蓄えられたリザーバタンク（図示略）から冷媒を吐出するポンプ（図示略）と、第１冷却経路５１に流れる冷媒の流量（第１流量）と第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量（第２流量）とを調整する調整部５０とが設けられている。調整部５０は、制御装置３０（図１）によって制御されている。

第１冷却経路５１は、主としてステータ１３側に冷媒を供給する。第１冷却経路５１は、筐体１６の径方向に穿設された冷媒吐出口１６１に連結されている。冷媒吐出口１６１は、電機子巻線１４に対応する位置、より具体的には、電機子巻線１４に対向する位置にそれぞれ設けられている。第１冷却経路５１は、冷媒吐出口１６１を介して筐体１６内部に冷媒を供給することで、ステータ１３、特に、発熱源である電機子巻線１４を冷却する。

第２冷却経路５２は、主としてロータ１１側に冷媒を供給する。第２冷却経路５２は、シャフト１５の軸方向に穿設された中空部１５１に連通されている。また、ロータ１１には、永久磁石１２に近接する複数の冷却通路１１１がシャフト１５を中心として所定角度毎に穿設されている。冷却通路１２１は、それぞれ一端が中空部１５１に連通され、他端が筐体１６内部に開放されている。第２冷却経路５２は、中空部１５１及び冷却通路１１１を介して冷媒を供給することで、ロータ１１、特に、発熱源である永久磁石１２を冷却する。

排出経路５４は、ロータ１１及びステータ１３を冷却した後の冷媒を筐体１６の内部から排出する。排出経路５４の一端は、筐体１６内部の底面に設けられた排出口１６２に連通されている。排出経路５４の他端は、リザーバタンクに連通されている。回転電機１０は、排出口１６２が下面に位置するように車両に取り付けられる。このため、冷媒吐出口１６１及び冷却通路１１１を介して筐体１６内部に吐出された冷媒は、排出口１６２を介して排出経路５４に流れ込む。そして、排出口１６２から排出経路５４に流れる冷媒は、排出経路５４において冷却された上で、リザーバタンクに環流される。

図４に回転電機１０の力行時における回転電機１０の出力トルク及び回転速度と、銅損及び鉄損との関係を表す図を示す。回転速度が低く、かつ、出力トルクが大きい領域では、その出力トルクを実現するために電機子巻線１４への入力電流が大きくなる。このため、鉄損に比して銅損が大きい（式（１）参照）。一方、回転速度が高く、かつ、出力トルクが小さい領域では、銅損に比して鉄損が大きい（式（２），（３）参照）。

また、回転電機１０の回生時における回転電機１０の入力トルク及び回転速度と、銅損及び鉄損との関係は図４と同様の傾向を示す。即ち、回転速度が低く、かつ、入力トルクが大きい領域では、その入力トルクに応じて電機子巻線１４の出力電流が大きくなる。このため、鉄損に比して銅損が大きい。一方、回転速度が高く、かつ、入力トルクが小さい領域では、銅損に比して鉄損が大きい。

ここで、永久磁石１２の温度が基準温度（８０度）である場合と、永久磁石１２の温度が基準温度より低い低温（２０度）である場合と、永久磁石１２の温度が基準温度より高い高温（１４０度）である場合の回転電機１０の力行時におけるエネルギー損失をシミュレーションによりそれぞれ取得した。なお、いずれの場合も、電機子巻線１４の温度は基準温度としている。

永久磁石１２の温度が低温である場合、永久磁石１２の温度が基準温度である場合と比較して、回転速度が低く、出力トルクが大きい領域で、エネルギー損失が１．５％減少した。また、回転速度が高く、出力トルクが小さい領域で、エネルギー損失が３％増加した。また、永久磁石１２の温度が高温である場合、永久磁石１２の温度が基準温度である場合と比較して、回転速度が低く、出力トルクが大きい領域で、エネルギー損失が２％増加した。また、回転速度が高く、出力トルクが小さい領域で、エネルギー損失が２．５％減少した。

即ち、鉄損が判定値より大きい領域（回転速度が高く、かつ、トルクが小さい領域）において、永久磁石１２の温度を増加させると、鉄損が減少する結果、エネルギー損失が全体として減少する。また、銅損が判定値より大きい領域（回転速度が低く、かつ、トルクが大きい領域）において、永久磁石１２の温度を低下させると、銅損が減少する結果、エネルギー損失が全体として減少する。

そこで、本実施形態では、鉄損が判定値より大きいことを条件として、制御装置３０が調整部５０を制御することで、第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量である第２流量を減少させる。第２流量を減少させることで、永久磁石１２の温度低下を抑制し、鉄損の増加による回転電機１０全体としてのエネルギー損失の増加を抑制する。

さらに、鉄損が判定値より大きいことを条件として、第２冷却経路５２に冷媒が流れることで永久磁石１２から吸収される吸熱量が、永久磁石１２の発熱量より小さくなるように、第２冷却経路５２に流れる冷媒の量を減少させる。これにより、永久磁石１２の温度が上昇し、永久磁石１２により生じる最大磁束密度Ｂｍが減少することで、鉄損を減少させることができ、回転電機１０全体としてのエネルギー損失の増加を抑制できる。

また、鉄損と比較する「判定値」を銅損が大きくなるほど大きくなるように設定する。より具体的には、銅損を判定値として設定する。永久磁石１２の温度が上昇すると、永久磁石１２によって生じる最大磁束密度Ｂｍが低下し、最大磁束密度Ｂｍの低下に伴って回転電機１０の出力（力行時は機械出力、及び、回生時は出力電力）が低下する。当該出力低下を補うために回転電機１０の入出力電流が増加することで銅損が増加し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することが懸念される。ここで、銅損が大きい領域において、永久磁石１２の温度上昇を抑制し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することを抑制できる。ここで、銅損を直接的に算出して取得し、その算出した銅損を制御に用いることで、エネルギー損失の低減効果がより向上する。

図５に本実施形態の回転電機１０の冷却制御を表すフローチャートを示す。当該制御は制御装置３０によって所定周期毎に実施される。

ステップＳ０１において、回転電機１０が力行動作中であるか、又は、回生動作中であるかを判定する。ステップＳ０２において、回転電機１０のトルク及び回転速度と、トルク及び回転速度と鉄損とを対応付けるマップに基づいて、鉄損を取得する。ここで、回転電機１０のトルク及び回転速度と鉄損とを対応付けるマップとして、回転電機１０が力行動作中の場合と、回生動作中である場合とで異なるものを用いる。なお、力行動作中と回生動作中とで同じマップを用いてもよい。

ステップＳ０３において、回転電機１０への入力電流又は出力電流に基づいて、回転電機１０の銅損を取得する。具体的には、回転電機１０の入出力電流、電機子巻線１４の抵抗成分、及び、式（１）に基づいて銅損を取得する。ステップＳ０４において、銅損と鉄損との比率に基づいて、第１冷却経路５１に流れる冷媒の流量である第１流量と第２流量との比率の目標値である目標比率を設定する。より具体的には、銅損と鉄損との比率を、目標比率として設定する。

ステップＳ０５において、鉄損が「判定値」である銅損より小さいか否かを判定する。鉄損が銅損以下の場合（Ｓ０５：ＹＥＳ）、ステップＳ０６において、第１流量と第２流量との比率がステップＳ０４で設定された目標比率となるように調整部５０を制御し、処理を終了する。

鉄損が銅損より大きい場合（Ｓ０６：ＮＯ）、ステップＳ０７において、回転電機１０のトルク及び回転電機１０への入出力電流に基づいて、永久磁石１２の温度を取得する。永久磁石１２による最大磁束密度Ｂｍは、永久磁石１２と相関を有する。また、回転電機１０のトルクは、回転電機１０の入出力電流及び永久磁石１２の最大磁束密度Ｂｍと相関を有する。このため、制御装置３０は、回転電機１０のトルク及び回転電機１０への入出力電流に基づいて、永久磁石１２の温度を取得することができる。ステップＳ０８において、永久磁石１２の温度が所定温度を超えるか否かを判定する。ここで、所定温度とは、具体的には、永久磁石１２において不可逆減磁が生じる温度より低く設定されている。永久磁石１２において不可逆減磁が生じる温度は、永久磁石１２の材質及び形状によって定まる値である。

永久磁石１２の温度が所定温度以下の場合（Ｓ０８：ＮＯ）、ステップＳ０９において、鉄損が判定値より大きいことを条件として、第１流量に対する第２流量の比率が目標比率より小さくなるように調整部５０を制御し、処理を終了する。また、永久磁石１２の温度が所定温度を超えることを条件として（Ｓ０８：ＹＥＳ）、ステップＳ０４の制御を実施し、処理を終了する。即ち、鉄損が銅損より大きい場合であっても、第２流量を減少させる制御を実施しない。

以下、本実施形態の構成による効果を述べる。

鉄損が判定値より大きい場合、永久磁石１２を冷却する第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させる制御を実施する。当該制御により、永久磁石１２の温度低下を抑制できる。永久磁石１２の温度低下を抑制することで最大磁束密度Ｂｍの増加を抑制できる。即ち、鉄損が判定値より大きい場合に、鉄損の増加を抑制できる。ここで、渦電流損Ｐｅは、回転電機１０の回転速度の２乗に比例する。また、ヒステリシス損Ｐｈは、回転電機１０の回転速度の１．６乗に比例する。つまり、回転速度が高いほど、回転電機１０における鉄損が大きくなる。

また、鉄損が判定値以下の場合、第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させる制御は行われない。これにより、鉄損が判定値以下の場合に、永久磁石１２の温度上昇が抑制される。永久磁石１２の温度上昇が抑制されることで、最大磁束密度Ｂｍの低下が抑制され、最大磁束密度Ｂｍの低下に伴う回転電機１０の出力低下や、当該出力低下を補うために回転電機１０の入出力電流が増加することを抑制できる。

また、電機子巻線１４の温度が上昇すると、電機子巻線１４の抵抗値が増加し、電機子巻線１４に生じる銅損は増加する。電機子巻線１４の冷却と永久磁石１２の冷却とが異なる冷却経路５１，５２を用いて実施される本構成では、鉄損の大きさに関わらず電機子巻線１４の冷却が実施されることで、電機子巻線１４の温度上昇が抑制され、銅損の増加を抑制できる。このため、回転電機１０に生じるエネルギー損失を低減することができる。

さらに、本実施形態の構成では、第２冷却経路５２に流れる冷媒による吸熱量が、永久磁石１２における発熱量より小さくなるように、第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させる制御を実施する。これにより、永久磁石１２の温度が増加するため、永久磁石１２による界磁磁束が小さくなり、鉄損を減少させることができる。

鉄損が判定値より大きい場合に、永久磁石１２の温度低下を抑制する。ここで、永久磁石１２の温度が上昇すると、永久磁石１２によって生じる最大磁束密度Ｂｍが低下し、最大磁束密度Ｂｍの低下に伴って回転電機１０の出力が低下する。当該出力低下を補うために回転電機１０に入力される電力が増加することで銅損が増加し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することが懸念される。

そこで、本実施形態の構成では、回転電機１０に生じる銅損が大きいほど、第２流量の抑制の判定に用いる判定値を大きく設定する。より具体的には、銅損を判定値として用いる構成とした。本実施形態の構成によれば、銅損が大きい領域において、永久磁石１２の温度上昇を抑制し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することを抑制できる。銅損を直接的に制御に用いることで、エネルギー損失の低減効果がより向上する。

本実施形態における第１冷却経路５１及び第２冷却経路５２は、上流側において共通の冷却経路５３から分岐されたものである。また、共通の冷却経路５３にはポンプが設けられているとともに、冷媒の配分を調整する調整部５０が設けられている。

そして、制御装置３０は、調整部５０を制御することで、第１流量に対する第２流量の比率を、銅損に対する鉄損の比率に基づく目標比率に設定する構成とした。このような構成にすることで、鉄損及び銅損のそれぞれによって発生する熱に応じて、永久磁石１２と電機子巻線１４とを冷却することができる。そして、鉄損が判定値より大きいことを条件に、第１流量に対する第２流量の比率を目標比率より小さくなるように制御することで、永久磁石１２の温度低下に伴う鉄損の増加を抑制できる。また、鉄損が判定値より大きいことを条件として、第２流量を減少させると、第１流量が増加する。このため、銅損が減少し、回転電機１０におけるエネルギー損失を効果的に減少させることができる。

鉄損は、回転電機１０のトルク及び回転速度と、トルク及び回転速度と鉄損とを対応付けるマップと、に基づいて算出することができる。本実施形態の構成によれば、鉄損を直接的に算出するため、鉄損の算出精度がよい。そして、その算出された鉄損を制御に用いることで、エネルギー損失の低減効果がより向上する。

鉄損が大きい場合に、永久磁石１２の冷却を抑制すると、永久磁石１２の温度が過上昇し、永久磁石１２に不可逆減磁が生じることが懸念される。そこで、永久磁石１２の温度が所定温度を超えることを条件として、鉄損が判定値より大きい場合であっても、第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させる制御を実施しない構成とした。これにより、永久磁石１２において不可逆減磁が生じることを抑制できる。

回転電機１０のトルクは、主として、回転電機１０の入出力電流、及び、永久磁石１２により生じる磁束密度Ｂに依存する。また、永久磁石１２により生じる磁束密度Ｂは、永久磁石１２の温度に依存する。即ち、制御装置３０は、回転電機１０のトルク及び入出力電流に基づいて、永久磁石１２の温度を取得することができ、永久磁石１２の温度を検出する温度センサを省略することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、銅損が大きいほど「判定値」を大きくする構成とした。本実施形態では、当該構成を変更し、回転電機１０に生じる全エネルギー損失が増加するほど、その全エネルギー損失の増加量を超えない範囲（又は、その全エネルギー損失の増加量より小さい範囲）で「判定値」を増加させる構成とする。より具体的には、全エネルギー損失に１未満の所定の係数（例えば、１／２）を積算した値を「判定値」として用いる。なお、これを変更し、全エネルギー損失から機械損や漂遊負荷損に相当する所定値を減算した上で、１未満の所定の係数（例えば、１／２）を積算した値を「判定値」とする構成としてもよい。

また、第１実施形態では、鉄損の大きさと銅損の大きさとの比率に基づいて、第１流量と第２流量との目標比率を設定する構成とした。本実施形態では、当該構成を変更し、鉄損の大きさと回転電機１０に生じる全エネルギー損失の大きさとの比率に基づいて、第１流量と第２流量との目標比率を設定する。

図６に本実施形態の回転電機１０の冷却制御を表すフローチャートを示す。当該制御は制御装置３０によって所定周期毎に実施される。なお、図５と同一の処理については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

ステップＳ０２の後、ステップＳ１１において、回転電機１０の力行動作時には、回転電機１０の入力電力と、回転電機１０の機械出力とを算出する。そして、その入力電力から機械出力を減算することで、回転電機１０の全エネルギー損失を算出する。また、回転電機１０の回生動作時には、回転電機１０の機械入力と回転電機１０が車両に取り付けられる場合に、回転電機１０の出力電力とを算出する。そして、その機械入力から出力電力を減算することで、回転電機１０の全エネルギー損失を算出する。

ステップＳ１２において、鉄損と全エネルギー損失との比率に基づいて、第１流量と第２流量との比率の目標値である目標比率を設定する。即ち、全エネルギー損失を鉄損及び銅損の和と見なし、鉄損：全エネルギー損失＝第１流量：（第１流量＋第２流量）となるように目標比率を設定する。なお、全エネルギー損失を鉄損、銅損、及び、機械損の和と見なし、鉄損：（全エネルギー損失−機械損）＝第１流量：（第１流量＋第２流量）となるように目標比率を設定してもよい。

ステップＳ１３において、鉄損が「判定値」である全エネルギー損失の１／２以下か否かを判定する。鉄損が全エネルギー損失の１／２以下の場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ステップＳ０６において、第１流量と第２流量との比率がステップＳ１２で設定された目標比率となるように調整部５０を制御し、処理を終了する。鉄損が全エネルギー損失の１／２より大きい場合（Ｓ１３：ＮＯ）、永久磁石１２の温度が所定温度以下であれば（Ｓ０８：ＹＥＳ）、第２流量を抑制する制御を実施し、処理を終了する。即ち、第１流量に対する第２流量の比率がステップＳ１２で設定した目標比率から減少するように、調整部５０の制御を実施し、処理を終了する。

鉄損が判定値より大きい場合に、永久磁石１２の温度低下を抑制する。ここで、永久磁石１２の温度が上昇すると、永久磁石１２によって生じる最大磁束密度Ｂｍが低下し、最大磁束密度Ｂｍの低下に伴って回転電機１０の出力が低下する。当該出力低下を補うために回転電機１０の入出力電流が増加することで銅損が増加し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することが懸念される。

そこで、銅損、鉄損、及び、機械損を含む回転電機１０に生じる全エネルギー損失に基づいて、判定値を設定する構成とした。当該構成により、銅損が大きい領域において、永久磁石１２の温度上昇を抑制し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することを抑制できる。また、回転電機１０に生じる全エネルギー損失は、簡易な構成で算出できる。即ち、回転電機１０の力行動作時には、回転電機１０の入力電力から回転電機１０の機械出力（回転電機１０の出力トルクと回転電機１０の角速度の積）を引いた値として算出できる。同様に、回転電機１０の回生動作時には、回転電機１０の機械入力（回転電機１０の入力トルクと回転電機１０の角速度の積）から回転電機１０の電力出力を引いた値として算出できる。

第１冷却経路５１及び第２冷却経路５２は、上流側において共通の冷却経路５３から分岐されたものである。また、共通の冷却経路５３にはポンプが設けられているとともに、冷媒の配分を調整する調整部５０が設けられている。回転電機１０に生じる全エネルギー損失は、主として、鉄損、銅損、機械損、及び、漏れ磁束などにより生じる漂遊負荷損から構成されている。また、鉄損及び銅損は、他の損失に比べて変動が大きい。そこで、第１流量に対する第２流量の比率が、全エネルギー損失に対する鉄損の比率に基づき設定される目標比率となるように制御する構成とした。このような構成にすることで、鉄損及び銅損によりそれぞれ発生する熱に応じて、永久磁石１２と電機子巻線１４とをそれぞれ冷却することができる。回転電機１０に生じる全エネルギー損失は上述した通り、簡易な構成で算出できる。

そして、鉄損が判定値より大きいことを条件に、第１流量に対する第２流量の比率が鉄損及び全エネルギー損失に基づく目標比率より小さくなるように制御することで、永久磁石１２の温度低下に伴う鉄損の増加を抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態の構成は、第１，２実施形態の構成と同様に、第１冷却経路５１及び第２冷却経路５２は、上流側において共通の冷却経路５３から分岐されたものである。また、共通の冷却経路５３にはポンプが設けられているとともに、第１冷却経路５１及び第２冷却経路５２に対する冷媒の配分を調整する調整部５０が設けられている。

第３実施形態の構成では、第１流量に対する第２流量の比率を、所定の初期比率（例えば、１：１）に設定する構成とした。そして、鉄損が判定値より大きいことを条件に、第１流量に対する第２流量の比率を初期比率から減少させることで、永久磁石１２の温度低下に伴う鉄損の増加を抑制する。

図７に第３実施形態における回転電機１０の冷却制御を表すフローチャートを示す。当該制御は制御装置３０によって所定周期毎に実施される。なお、図５と同一の処理については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、図５におけるステップＳ０４の処理を省略している。即ち、鉄損及び銅損それぞれの大きさに関わらず、第１流量に対する第２流量の比率を、所定の初期比率（例えば、１：１）に設定する。そして、ステップＳ０５において、鉄損が「判定値」である銅損以下であると判定されると（Ｓ０５：ＹＥＳ）、ステップＳ０６において、通常制御、即ち、第１流量と第２流量との比率が所定比率（１：１）となるように調整部５０の制御を実施する。また、ステップＳ０５において、鉄損が「判定値」である銅損より大きいと判定されると（Ｓ０５：ＮＯ）、永久磁石１２の温度が所定温度以下であれば（Ｓ０８：ＹＥＳ）、第２流量を抑制する制御を実施する。即ち、第１流量に対する第２流量の比率が所定比率（１：１）から減少するように、調整部５０の制御を実施する。

（第４実施形態）
第４実施形態の構成では、鉄損が判定値より大きい場合、第２冷却経路５２の冷媒の通流を停止することで、永久磁石１２を冷却する第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させる。本構成では、鉄損が判定値より大きい場合に永久磁石１２に対する冷却が停止されるため、永久磁石１２の温度が増加する。永久磁石１２の温度が増加することで、最大磁束密度Ｂｍを低下させて、鉄損の増加を抑制できる。また、制御の構成を簡易化できる。

図８に第４実施形態における回転電機１０の冷却制御を表すフローチャートを示す。当該制御は制御装置３０によって所定周期毎に実施される。なお、図５と同一の処理については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態の構成では、ステップＳ０５において、鉄損が「判定値」である銅損より大きいと判定されると（Ｓ０５：ＮＯ）、永久磁石１２の温度が所定温度以下であれば（Ｓ０８：ＹＥＳ）、ステップＳ２０において、第２冷却経路５２の冷媒の通流を停止する制御を実施する。

（第５実施形態）
図９に第５実施形態の回転電機１０の構造の概略図を示す。図３と同一の構成については、同一の符号を付し適宜説明を省略する。

本実施形態の構成における第１冷却経路５１と第２冷却経路５２は、上流側において共通の冷却経路５３から分岐される第１〜４実施形態の構成と異なり、それぞれの経路に対して冷媒を吐出するポンプ（図示略）が設けられている。そして、第２冷却経路５２にのみ冷媒の通流を調整する調整部５０ａが設けられている。本実施形態の構成において、図５に示す第１実施形態と同様の制御を実施すれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

即ち、鉄損が判定値より大きい場合に、第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させることで、鉄損の増加を抑制できる。また、鉄損が判定値以下の場合、第２冷却経路５２に流れる冷媒の流量を減少させる制御を行わないことで、鉄損が判定値以下の場合に、永久磁石１２の温度上昇が抑制される。永久磁石１２の温度上昇が抑制されることで、最大磁束密度Ｂｍの低下が抑制され、最大磁束密度Ｂｍの低下に伴う回転電機１０の出力低下や、当該出力低下を補うために回転電機１０の入出力電流が増加することを抑制できる。

また、銅損が大きい領域において、永久磁石１２の温度上昇を抑制し、回転電機１０に生じるエネルギー損失が全体として増加することを抑制できる。銅損を直接的に制御に用いることで、エネルギー損失の低減効果がより向上する。

（他の実施形態）
・力行動作時において、回転電機１０に生じるエネルギー損失は、主として、鉄損、銅損、機械損、及び、漏れ磁束などにより生じる漂遊負荷損から構成されている。また、漂遊負荷損は、鉄損、銅損及び機械損に比べて充分に小さい。そこで、制御装置３０は、回転電機１０の力行動作時において、回転電機１０に入力される入力電力から回転電機１０の機械出力及び銅損の和を引いた値、即ち、銅損以外のエネルギー損失に基づいて、鉄損を取得する構成としてもよい。同様に、制御装置３０は、回転電機１０の回生動作時において、回転電機１０に入力される機械入力から回転電機１０の出力電力及び銅損の和を引いた値、即ち、銅損以外のエネルギー損失に基づいて、鉄損を取得する構成としてもよい。本変形例によれば、簡易な構成で、鉄損を取得することができる。

・図５に示すフローチャートにおいて、ステップＳ０７，Ｓ０８の処理を省略する構成としてもよい。

・図５に示すステップＳ０７の処理において、回転電機１０のトルク及び回転電機１０への入出力電流に基づいて、永久磁石１２の温度を取得する構成としたがこれを変更してもよい。即ち、例えば、永久磁石１２に温度センサを設け、制御装置３０がその温度センサから検出値を取得することで、永久磁石１２の温度を取得する構成としてもよい。

・永久磁石１２について、ネオジム磁石以外の永久磁石であってもよい。即ち、フェライト磁石やアルニコ磁石を用いてもよい。

・ロータ１１に対して、永久磁石１２に加え、界磁巻線を設ける構成としてもよい。

・回転電機は、ロータに巻線を備え、ステータに永久磁石を備える、ＤＣモータなどであってもよい。また、回転電機は、ステッピングモータであってもよい。また、回転電機は、発電機としての機能、及び、電動機としての機能のいずれか一方のみを有する構成であってもよい。

・第５実施形態の構成において、調整部５０ａを用いて第２流量を調整する制御を実施する構成に代えて、第２冷却経路５２に設けられているポンプの吐出量を調整する制御を実施する構成に変更してもよい。

１０…回転電機、１１…ロータ、１２…永久磁石、１３…ステータ、１４…電機子巻線、３０…制御装置、５１…第１冷却経路、５２…第２冷却経路。

Claims

回転子（１１）及び固定子（１３）のいずれか一方に電流が流れることで磁束を発生させる導体（１４）が設けられ、他方に永久磁石（１２）が設けられた回転電機（１０）の冷却装置であって、
前記導体を冷媒によって冷却する第１冷却経路（５１）と、
前記永久磁石を冷媒によって冷却する、前記第１冷却経路と異なる第２冷却経路（５２）と、
前記回転電機に生じる鉄損が判定値より大きいことを条件として、前記第２冷却経路に流れる前記冷媒の流量である第２流量を減少させる制御を実施する制御部（３０）と、を備えることを特徴とする冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機に生じる鉄損が前記判定値より大きいことを条件として、前記第２冷却経路の冷媒による吸熱量が、前記永久磁石における発熱量より小さくなるように、前記第２流量を減少させる制御を実施することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機に生じる全エネルギー損失が増加するほど、その全エネルギー損失の増加量を超えない範囲で前記判定値を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機に生じる銅損が大きいほど、前記判定値を大きく設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記第１冷却経路及び前記第２冷却経路は、上流側において共通の冷却経路（５３）から分岐されており、
前記共通の冷却経路には、前記冷媒を吐出するポンプと、前記冷媒の前記第１冷却経路への配分と前記第２冷却経路への配分とを調整する調整部（５０）とが設けられており、
前記制御部は、
前記回転電機に生じる全エネルギー損失に対する前記鉄損の比率に基づいて、前記第１冷却経路に流れる前記冷媒の流量である第１流量に対する前記第２流量の比率の目標値である目標比率を設定し、
前記第１流量に対する前記第２流量の比率が、前記目標比率となるように、前記調整部を制御するものであって、
前記鉄損が前記判定値より大きいことを条件として、前記第１流量に対する前記第２流量の比率が前記目標比率より小さくなるように前記調整部を制御することで、前記第２流量を減少させる制御を実施することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記第１冷却経路及び前記第２冷却経路は、上流側において共通の冷却経路（５３）から分岐されており、
前記共通の冷却経路には、前記冷媒を吐出するポンプと、前記冷媒の前記第１冷却経路への配分と前記第２冷却経路への配分とを調整する調整部（５０）とが設けられており、
前記制御部は、
前記回転電機に生じる銅損に対する前記鉄損の比率に基づいて、前記第１冷却経路に流れる前記冷媒の流量である第１流量に対する前記第２流量の比率の目標値である目標比率を設定し、
前記第１流量に対する前記第２流量の比率が前記目標比率となるように、前記調整部を制御するものであって、
前記鉄損が前記判定値より大きいことを条件として、前記第１流量に対する前記第２流量の比率が前記目標比率より小さくなるように前記調整部を制御することで、前記第２流量を減少させる制御を実施することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記第１冷却経路及び前記第２冷却経路は、上流側において共通の冷却経路（５３）から分岐されており、
前記共通の冷却経路には、前記冷媒を吐出するポンプと、前記冷媒の前記第１冷却経路への配分と前記第２冷却経路への配分とを調整する調整部（５０）とが設けられており、
前記制御部は、
前記第１冷却経路に流れる前記冷媒の流量である第１流量に対する前記第２流量の比率が所定の初期比率となるように前記調整部を制御するものであって、
前記回転電機に生じる鉄損が判定値より大きいことを条件として、前記調整部を制御し、前記第１流量に対する前記第２流量の比率を前記初期比率より減少させることで、前記第２流量を減少させる制御を実施することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機に生じる鉄損が前記判定値より大きいことを条件として、前記第２冷却経路の前記冷媒の通流を停止することで、前記第２流量を減少させる制御を実施することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機のトルク及び回転速度と、前記トルク及び前記回転速度と前記鉄損とを対応付けるマップに基づいて、前記鉄損を取得することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機の力行動作時において、前記回転電機に入力される入力電力から前記回転電機の機械出力及び前記回転電機に生じる銅損の和を引いた値に基づいて、前記鉄損を取得することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機の回生動作時において、前記回転電機に入力される機械入力から前記回転電機の出力電力及び前記回転電機に生じる銅損の和を引いた値に基づいて、前記鉄損を取得することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記永久磁石の温度が所定温度を超えることを条件として、前記鉄損が前記判定値より大きい場合であっても、前記第２流量を減少させる制御を実施しないことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記回転電機のトルク及び前記回転電機への入出力電流に基づいて、前記永久磁石の温度を取得することを特徴とする請求項１２に記載の冷却装置。