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公開番号2021136819
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210913
出願番号2020033172
出願日20200228
発明の名称冷却システム
出願人株式会社デンソー
代理人特許業務法人明成国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210816BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】モータ及びインバータを冷却する冷却システムの重量増加を抑制する。
【解決手段】モータ2とモータを駆動させるインバータ1とを有する電駆動システム6を冷却する冷却システム50は、自身の内部を流通する冷却媒体を利用した熱交換により、モータを冷却する第1冷却部3と、自身の内部を流通する冷却媒体を利用した熱交換により、インバータ1を冷却する第2冷却部7と、第1冷却部と第2冷却部とを通り、冷却媒体が循環する循環流路10と、循環流路に配置され、冷却媒体を圧送するポンプ12と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
モータ(2)と前記モータを駆動させるインバータ(1)とを有する電駆動システム(6)を冷却する冷却システム(50)であって、
自身の内部を流通する冷却媒体を利用した熱交換により、前記モータを冷却する第1冷却部(3)と、
自身の内部を流通する前記冷却媒体を利用した熱交換により、前記インバータを冷却する第2冷却部(7)と、
前記第1冷却部と前記第2冷却部とを通り、前記冷却媒体が循環する循環流路(10)と、
前記循環流路に配置され、前記冷却媒体を圧送するポンプ(12)と、
を備える、冷却システム。
続きを表示(約 1,100 文字)【請求項2】
請求項1に記載の冷却システムにおいて、
前記インバータは、スイッチング素子(5)を有し、
前記モータの目標トルクに応じて前記スイッチング素子に対して制御信号を出力することにより、前記インバータの出力電力をPWM制御するインバータ制御部(30)と、
前記循環流路を流通する前記冷却媒体の温度である冷却媒体温度を検出する温度センサ(18)と、
をさらに備え、
前記インバータ制御部は、前記温度センサにより検出される前記冷却媒体温度が予め定められた閾値温度以下の場合に、前記目標トルクに対する前記モータの出力トルクの変動が予め定められた変動範囲に収まる状態で、前記モータによる損失と前記インバータによる損失とが増大するように前記制御信号を出力して前記スイッチング素子を制御する、冷却システム。
【請求項3】
請求項2に記載の冷却システムにおいて、
前記インバータ制御部は、
前記モータを流れる電流であるモータ電流を検出する電流センサ(19)から前記モータ電流を取得し、
前記モータの回転数を検出する回転数センサ(20)から前記回転数を取得し、
前記目標トルクと取得された前記回転数とに基づき、d軸電流目標値の候補値であるd軸電流候補値と、d軸暖機電流候補値と、q軸電流目標値の候補値であるq軸電流候補値と、q軸暖機電流候補値とを求め、
前記温度センサにより検出される前記冷却媒体温度が前記閾値温度以下であるか否かを判定し
前記冷却媒体温度が前記閾値温度よりも高いと判定された場合には前記d軸電流候補値を前記d軸電流目標値に設定し、前記q軸電流候補値を前記q軸電流目標値に設定し、
前記冷却媒体温度が前記閾値温度以下と判定された場合には前記d軸暖機電流候補値を前記d軸電流目標値に設定し、前記q軸暖機電流候補値を前記q軸電流目標値に設定し、
前記電流センサにより検出される前記モータ電流を構成するd軸電流が前記d軸電流目標値に近づき、前記モータ電流を構成するq軸電流が前記q軸電流目標値に近づくように、前記制御信号を設定し、
前記d軸暖機電流候補値は、前記d軸電流候補値よりも大きく、
前記d軸暖機電流候補値と前記d軸電流候補値との差分は、前記q軸暖機電流候補値と前記q軸電流候補値との差分よりも大きい、
冷却システム。
【請求項4】
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記インバータは、スイッチング素子を有し、
前記インバータの前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ素子で構成されている、
冷却システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、冷却システムに関する。
続きを表示(約 5,000 文字)【背景技術】
【0002】
従来から、モータを冷却する冷却システムが種々提案されている。例えば、特許文献1には、モータを通る油路と、油路を流れる冷却油を圧送するオイルポンプを有し、油路を流れる冷却油によりモータを冷却する冷却システムが開示されている。かかる冷却システムでは、インバータ回路を備えるモータコントローラは、冷却油の温度が所定温度以下の場合に、銅損が増大するようにモータへの供給電力を制御することにより冷却油を加熱して冷却油の粘性を低下させる。これにより、低温時においても冷却油の流量を確保する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2005−348535号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
移動体等の電動化に伴い、モータとインバータ回路とを有する電駆動システム(EDS:Electric Drive System)が、様々な用途で用いられている。電動航空機の回転翼や、船舶のスクリューや、自動車の車輪を回転駆動させるために、電駆動システムが用いられている。電動航空機としては、例えば、電動垂直離着陸機(eVTOL:electric Vertical Take-Off and Landing aircraft)と呼ばれる有人または無人の航空機が挙げられるが、通常の離着陸機等であってもよい。電駆動システムでは、モータに加えてインバータの冷却も望まれる。しかし、特許文献1の冷却システムでは、インバータの冷却は考慮されていない。このため、かかる冷却システムを利用してモータとインバータとを冷却しようとする場合、インバータ冷却用のシステムとして、モータ冷却用のシステムと同様なシステムを、モータ冷却用のシステムとは別に用意する構成が想定される。しかし、このような構成では、冷却システム全体の重量の増大を招くという問題がある。電駆動システムを移動体に搭載する場合、冷却システムの重量の増大は、移動性能及び燃費の悪化につながり、大きなデメリットとなる。このため、モータ及びインバータを冷却する冷却システムの重量増加を抑制可能な技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【0006】
本開示の一形態によれば、モータ(2)と前記モータを駆動させるインバータ(1)とを有する電駆動システム(6)を冷却する冷却システム(50)が提供される。この冷却システムは、自身の内部を流通する冷却媒体を利用した熱交換により、前記モータを冷却する第1冷却部(3)と、自身の内部を流通する前記冷却媒体を利用した熱交換により、前記インバータを冷却する第2冷却部(7)と、前記第1冷却部と前記第2冷却部とを通り、前記冷却媒体が循環する循環流路(10)と、前記循環流路に配置され、前記冷却媒体を圧送するポンプ(12)と、を備える。
【0007】
この形態の冷却システムによれば、モータを冷却する第1冷却部とインバータを冷却する第2冷却部とを通り、冷却媒体が循環する循環流路を備えるので、モータとインバータとを共通の冷却媒体で冷却することができる。このため、モータとインバータを冷却する流路が別々に形成されているシステムに比べて、流路及び冷却媒体の重量を軽減でき、冷却システムの重量増加を抑制できる。
【0008】
本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、自動車や電動航空機等の移動体に搭載される電駆動システムの冷却方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本開示の一実施形態である冷却システムと電駆動システムの構成を示すブロック図である。
モータとインバータ回路との接続を示す概略図である。
循環流路を流通する冷却媒体の流れを示す模式図である。
モータ制御処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
A.第1実施形態:
A−1.システム構成:
図1に示す冷却システム50は、電駆動システム6を冷却する。本実施形態において、電駆動システム6は、モータ2と、インバータ1とを有し、eVTOLの回転翼を回転駆動させるために用いられる。
【0011】
モータ2は、本実施形態において、三相交流ブラシレスモータにより構成され、後述するインバータ1から供給される電圧および電流に応じた回転数およびトルクで回転する。なお、モータ2は、ブラシレスモータに限らず、誘導モータやリラクタンスモータ等の任意の種類のモータにより構成されていてもよい。なお、本実施形態においてモータ2とは電動機としてのモータであるが、モータ2は、電動発電機としてのいわゆるモータジェネレータも含む。
【0012】
図2に示すインバータ1は、モータ2を駆動させる。インバータ1は、バッテリ8から供給される直流電圧を、三相交流電圧に変換してモータ2に供給する。インバータ回路4は、U相、V相、W相の各相に設けられた合計三つのレグ13を有する。各レグ13は上アームおよび下アームにスイッチング素子5を有する。なお、バッテリ8からインバータ回路4に供給される直流電圧は、コンデンサ15によって平滑化されている。
【0013】
本実施形態において、スイッチング素子5は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子により構成されている。
【0014】
図1に示すように、eVTOLには、上述の電駆動システム6および後述の冷却システム50に加えて、バッテリ8と、電流センサ19と、回転数センサ20と、トルク指令部28とを備える。
【0015】
バッテリ8は、リチウムイオン電池により構成され、電駆動システム6における電力供給源の1つとして機能する。バッテリ8は、主に、電駆動システム6が有するインバータ1の駆動部へと電力を供給してモータ2を駆動させる。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池等の任意の二次電池により構成されていてもよく、バッテリ8に代えて、またはバッテリ8に加えて、燃料電池や発電機等の任意の電力供給源が搭載されていてもよい。
【0016】
電流センサ19は、図1に示すように、インバータ1に設けられる。電流センサ19は、インバータ1から出力される相電流値Iu、Iv、Iwを検出する三相交流電流センサである。
【0017】
回転数センサ20は、モータ2に設けられている。回転数センサ20は、モータ2の回転数Nmと回転角度θを測定する。本実施形態においては、回転数センサ20はレゾルバを用いている。なお、回転数センサ20は、ロータリーエンコーダなどの他の任意の方式の回転数センサであってもよい。
【0018】
トルク指令部28は、eVTOLが有する図示しないフライトコントローラから入力される目標トルクと、モータ回転数・位置検出部22から取得したモータ回転数Nmとに基づいて、トルク指令値Tm

を算出する。トルク指令部28は、算出したトルク指令値Tm

を電流指令部29へ入力する。
【0019】
図3に示すように、冷却システム50は、第1冷却部3と、第2冷却部7と、循環流路10と、ポンプ12と、熱交換器14と、温度センサ18と、インバータ制御部30とを備える。
【0020】
第1冷却部3は、自身の内部を流通する冷却媒体を利用した熱交換によりモータ2の発熱体を冷却する。本実施形態において、冷却媒体はロング・ライフ・クーラント(Long Life Coolant : LLC)である。なお、冷却媒体はロング・ライフ・クーラントに限らず、冷却油や純水などの他の任意の種類の液体や、空気や窒素ガスなどの気体であってもよい。
【0021】
第2冷却部7は、自身の内部を流通する冷却媒体を利用した熱交換によりインバータ1の発熱体を冷却する。インバータ1の発熱体とは、例えば、インバータ回路4やコンデンサ15等である。
【0022】
図3に示すように、循環流路10は、流路R1と、流路R2と、流路R3と、流路R4とを有する環状に形成された流路である。冷却媒体は、ポンプ12によって圧送される。圧送された冷却媒体は、流路R1から第2冷却部7へと流れ、インバータ1の発熱体を冷却する。第2冷却部7から流出した冷却媒体は、流路R2を通って、第1冷却部3へと至り、モータ2を冷却する。モータ2から流出した冷却媒体は、流路R3を通って熱交換器14へと至る。熱交換器14から流出した冷却媒体は、流路R4を通ってポンプ12へと戻る。
【0023】
ポンプ12は、図1および図3に示すように、循環流路10に配置される。ポンプ12は、本実施形態では電動式ポンプにより構成され、図示しない補機バッテリからの電力を利用して循環流路10内に冷却媒体を圧送する。
【0024】
熱交換器14は、循環流路10に配置される。熱交換器14は、冷却媒体と循環流路10の外部の空気との間で熱交換を行う。第2冷却部7において、インバータ1の発熱体と熱交換し、第1冷却部3において、モータ2と熱交換して昇温した冷却媒体は、熱交換器14を通ることにより冷却される。
【0025】
図1および図3に示すように、温度センサ18は、循環流路10に接して配置される。温度センサ18は、循環流路10を流通する冷却媒体の温度(以下、「冷却媒体温度」と呼ぶ)を測定する。
【0026】
図1に示すように、インバータ制御部30は、電流制御部16と、モータ回転数・位置検出部22と、冷媒温度検出部24と、座標変換部26と、電流指令部29とを有する。インバータ制御部30は、マイコンやFPGA等を有するECU(Electronic Control Unit)により構成されている。
【0027】
電流制御部16は、インバータ回路4を制御する。具体的には、電流制御部16は、トルク指令部28にて記載のないスロットルなどの入力情報より飛行および走行に必要な駆動力を算出し、モータ回転数Nmに基づき出力されたトルク指令値Tm

に応じて、また、電流センサ19により検出される相電流値Iu、Iv、Iwに応じて、スイッチング素子5に対して制御信号を出力することによって、インバータ回路4の出力電力をPWM(Pulse Width Modulation)制御する。
【0028】
モータ回転数・位置検出部22は、回転数センサ20において測定されたモータ回転数Nmと、回転角度θとを検出する。モータ回転数・位置検出部22は、検出したモータ回転数Nmをトルク指令部28および電流指令部29へ入力する。また、モータ回転数・位置検出部22は、検出した回転角度θを座標変換部26へ設定する。
【0029】
冷媒温度検出部24は、温度センサ18において測定された冷却媒体温度Trを検出する。冷媒温度検出部24は、検出した冷却媒体温度Trを電流指令部29へ入力する。
【0030】
座標変換部26は、電流センサ19において測定された相電流値Iu、Iv、Iwを取得する。座標変換部26は、取得された相電流値Iu、Iv、Iwを回転角度θに基づいてモータ2の実電流値Id、Iqに変換する。電流値Idは、d軸電流値を意味し、電流値Iqは、q軸電流値を意味する。座標変換部26は、変換後の電流値Id、Iqを電流制御部16へ入力する。
(【0031】以降は省略されています)

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