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JP-2026077148-A - モータシステム

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Abstract

【課題】回転始動停止時における軸受部の耐摩耗性を向上させたモータシステムを提供する。 【解決手段】モータシステムＳは、回転センサ１７により検出された回転軸１３の回転数ｒに応じて、流量制御弁８７によりＣＯ 2 流体と潤滑油の混合割合Ｒｍｉｘを調整するように構成された制御装置１０を備え、制御装置１０は、回転数ｒが所定の設定回転数ｒｓより小さい始動停止区間Ｒ１において、ＣＯ 2 流体と潤滑油の両方を滑り軸受２０に供給するように流量制御弁８７を制御する。 【選択図】図１

Inventors

  • 河口 健太郎
  • 宮内 勇馬

Assignees

  • マツダ株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (9)

  1. モータシステムであって、 回転体の回転軸を支持する滑り軸受と、 前記回転軸の回転数を検出するための回転センサと、 前記滑り軸受に向けて、冷媒を構成するＣＯ 2 流体及び潤滑油をそれぞれ供給する供給部と、 前記供給部から前記滑り軸受へ前記ＣＯ 2 流体を供給する第１流通路に設けられた第１制御弁、及び前記供給部から前記滑り軸受へ前記潤滑油を供給する第２流通路に設けられた第２制御弁、を有する流量制御弁と、 前記回転センサにより検出された前記回転軸の回転数に応じて、前記流量制御弁により前記ＣＯ 2 流体と前記潤滑油の混合割合を調整するように構成された制御装置と、を備え、 前記制御装置は、前記回転数が所定の設定回転数より小さい始動停止区間において、前記ＣＯ 2 流体と前記潤滑油の両方を前記滑り軸受に供給するように前記流量制御弁を制御する、モータシステム。
  2. 前記設定回転数は、前記潤滑油が供給された状態において、前記回転軸の回転数が減少していったときに、前記滑り軸受と前記回転軸とが直接接触し始める回転数に相当する、請求項１に記載のモータシステム。
  3. 前記制御装置は、前記回転数がゼロより大きく前記設定回転数より小さい第１回転数と前記設定回転数との間の遷移区間において、前記回転数が大きいほど、前記冷媒中の前記ＣＯ 2 流体の混合割合を減少させるように前記流量制御弁を制御する、請求項１に記載のモータシステム。
  4. 前記制御装置は、前記回転数が前記設定回転数において、前記冷媒中の前記ＣＯ 2 流体の混合割合をゼロに設定するように前記流量制御弁を制御する、請求項１に記載のモータシステム。
  5. 前記制御装置は、前記回転数が前記設定回転数よりも大きい作動区間において、前記回転数が大きいほど、前記冷媒中の前記ＣＯ 2 流体の混合割合を増加するように前記流量制御弁を制御する、請求項３に記載のモータシステム。
  6. 前記制御装置は、前記回転数が前記設定回転数と、前記設定回転数よりも大きい第２回転数との間の低速回転区間において、前記冷媒中の前記ＣＯ 2 流体の混合割合をゼロに維持する、請求項５に記載のモータシステム。
  7. 前記第１流通路と前記第２流通路は、前記滑り軸受に到達する前に合流し、前記滑り軸受に前記ＣＯ 2 流体と前記潤滑油を供給するように構成されている、請求項１に記載のモータシステム。
  8. 前記第１流通路と前記第２流通路は、前記滑り軸受にそれぞれ独立して前記ＣＯ 2 流体と前記潤滑油を供給するように構成されている、請求項１に記載のモータシステム。
  9. 前記回転体は、電気モータのロータである、請求項１に記載のモータシステム。

Description

本発明は、モータシステムに関し、特に滑り軸受を有するモータシステムに関する。 従来、回転軸を支持し、潤滑油を用いて潤滑する滑り軸受は、潤滑油による潤滑被膜（油膜）により、回転軸と滑り軸受との間の摺動抵抗を低減するようになっている。このような軸受構造において、特に、低温環境下における摺動抵抗の増加を抑制するための滑り軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 特許文献１の滑り軸受では、始動時における回転軸と滑り軸受との摺動による摩擦熱が回転軸本体に伝導することを抑制するように、滑り軸受の表面構造（摺動面の構造）が構成されている。よって、特許文献１の滑り軸受では、摩擦熱により潤滑油の粘度を下げることが可能であるため、始動時における摺動抵抗の低減が期待される。 特開２０２１－８９１４号公報 本発明の実施形態によるモータシステムの概略構成図である。本発明の実施形態によるモータシステムの電気ブロック構成図である。本発明の実施形態によるＣＯ2流体の混合割合を示すグラフである。本発明の実施形態による潤滑被覆の説明図である。本発明の実施形態による相対速度と油膜厚さの関係を示す説明図である。本発明の実施形態による摺動部における回転数と油膜厚さの関係を示すグラフである。本発明の実施形態によるモータシステムの制御フローである。本発明の他の実施形態によるモータシステムの部分構成図である。 以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるモータシステムを説明する。 ［全体構成］ まず、図１を参照して、本実施形態によるモータシステム（軸受装置）の全体構成について説明する。図１は、本実施形態によるモータシステムの概略構成図である。図１に示すモータシステムＳは、例えば、電気自動車等の車両に搭載され、車両に回転駆動力を提供することができる。 本実施形態では、モータ始動停止時の極低速回転域（始動停止区間Ｒ１；図３参照）において、ロータシャフトの摺動面に反応膜を形成し、耐摩耗性を向上させるように構成されている。すなわち、本実施形態では、潤滑油に加えてＣＯ2流体を軸受部に供給することにより、摩擦による表面反応を利用して、摺動面に耐摩耗性を有する被膜（炭酸塩膜等）が形成されるように構成されている。 モータシステムＳは、電気モータ（電動機）１と、冷媒循環システム８と、制御装置１０を備える。電気モータ１は、車両に回転駆動力を提供する。冷媒循環システム８は、冷凍サイクルにて冷媒Ｒを循環し、電気モータ１を冷却するように構成されている。すなわち、この冷凍サイクルでは、電気モータ１内で冷媒Ｒの膨張行程及び蒸発行程が実行され、冷媒循環システム８で冷媒Ｒの圧縮行程及び凝縮行程が実行される。 本実施形態では、電気モータ１は、超高速回転モータであり、例えば３０，０００ｒｐｍを超える高回転数で作動可能であり、通常作動時には高速回転区間ＲＨ（図３参照）で作動するように構成されている。また、冷媒Ｒは、自然冷媒であるＣＯ2流体と潤滑油（例えば、ＰＡＧオイル）の混合物であるが、高速回転区間ＲＨでは、軸受２０はＣＯ2流体のみで潤滑されるように構成されている。 ［冷媒循環システムの構成］ 冷媒循環システム８は、冷媒Ｒを圧縮するためのコンプレッサ（圧縮機）８１と、コンデンサやファンなどを含み、コンプレッサ８１により圧縮された冷媒Ｒを冷却するための熱交換器（凝縮器）８３と、熱交換器８３から排出された冷媒Ｒを気体（ＣＯ2流体）と液体（潤滑油）に分離する気液分離器８５と、ＣＯ2流体と潤滑油の各々の流量を調整する流量制御弁８７（第１制御弁Ｖ１、第２制御弁Ｖ２）と、これらを連結する流通路８８等を有する。流通路８８は、気液分離器８５の下流で２つの通路（第１制御弁Ｖ１が配置された第１流通路８８ａ、第２制御弁Ｖ２が配置された第２流通路８８ｂ）に分かれ、電気モータ１にそれぞれ接続されている。電気モータ１は、冷媒循環システム８の中に組み込まれる。本実施形態において、コンプレッサ８１，熱交換器８３，気液分離器８５は、冷媒Ｒの供給部８０である。 ［モータの構成］ 本実施形態による電気モータ１は、ロータ（回転体）１１と、ステータ１２と、ロータ１１に固定され軸方向に延びるロータシャフト（回転軸）１３と、ロータシャフト１３を回転可能に支持する一対の軸受（滑り軸受）２０と、これらロータ１１、ステータ１２、ロータシャフト１３及び軸受２０などを収容及び支持するハウジング１５と、ハウジング１５とロータシャフト１３との間をシールしハウジング１５の内部から外部への冷媒Ｒの漏洩を防止するシール部材１６と、ロータシャフト１３の回転数を検出する回転センサ１７とを備える。ロータシャフト１３の一端は、車両のトランスアクスル（不図示）などに接続される。 略円筒形状のステータ１２は、ステータコアにコイルが巻回されて構成されている。ロータ１１は、ロータコアと、ロータコアに取り付けられた複数の永久磁石とを有する。ロータシャフト１３は、ロータコアに固定されている。ロータ１１は、ロータシャフト１３を回転軸として、ステータ１２内で回転可能に構成されている。 また、電気モータ１は、冷媒循環システム８から供給された冷媒Ｒを軸受２０へ供給する冷媒供給流通路１８ａ，１８ｂと、冷媒Ｒを電気モータ１の内部から冷媒循環システム８へ戻す冷媒排出通路１９と、を更に有する。冷媒供給流通路１８ａ，１８ｂは、それぞれ第１流通路８８ａ、第２流通路８８ｂの一部である。 詳しくは、冷媒供給流通路１８ａ，１８ｂは、それぞれロータシャフト１３と軸受２０との間の隙間に、ＣＯ2流体，潤滑油を供給する。これにより、冷媒Ｒが、ロータシャフト１３と軸受２０の摺動面に潤滑用に供給される。本実施形態では、軸受２０へ供給されるＣＯ2流体は、高圧の気体又は超臨界流体である。潤滑剤として用いられたＣＯ2流体及び潤滑油は、軸受２０から出てハウジング１５内に入り、モータ部品と熱交換した後、冷媒排出通路１９を通って冷媒循環システム８へ戻る。 ［冷媒の冷凍サイクル］ 本実施形態では、コンプレッサ８１は、電気モータ１から高温低圧の冷媒Ｒを受け取り、受け取った冷媒Ｒを圧縮して、高温高圧の冷媒Ｒを吐出する。次に、熱交換器８３は、高温高圧の冷媒Ｒと外部環境（冷風、冷却水等）との間で熱交換を行い、中温高圧の冷媒Ｒを生成する。中温高圧の冷媒Ｒは、電気モータ１の軸受２０に供給され、軸受２０を潤滑する。軸受２０を潤滑した冷媒Ｒは、ハウジング１５の内部空間に入る際に膨張し、低温低圧の冷媒Ｒとなる。更に、低温低圧の冷媒Ｒは、ハウジング１５内で、電気モータ１の高温部と熱交換し、高温低圧の冷媒Ｒとなる。この高温低圧の冷媒Ｒが、コンプレッサ８１に戻される。 ［軸受構造］ 軸受２０は、ロータシャフト１３の端部を回転可能に支持する。軸受２０は、鉄等の金属材料を含む略円筒形状の本体部を有し、本体部の内周面である摺動面と、本体部の外周面とを備える。摺動面は、ロータシャフト１３を支持する。また、本体部には、外周面から側壁を貫通して摺動面に連通する貫通孔が形成されている。貫通孔は、それぞれ冷媒供給流通路１８ａ，１８ｂと連通しており、冷媒供給流通路１８ａ，１８ｂの一部をなしている。 ［電気ブロック図］ 図２は、モータシステムの電気ブロック図である。制御装置１０は、プロセッサ，メモリ等を有するコンピュータであり、モータシステムＳに設けられた回転センサ１７から回転信号を受け取り、流量制御弁８７へ弁開度信号を出力する。詳しくは、制御装置１０は、電気モータ１の回転数ｒ（ｒｐｍ）に応じて弁開度信号し、第１制御弁Ｖ１、第２制御弁Ｖ２の弁開度を調節して、軸受２０へ供給される冷媒Ｒ中のＣＯ2流体と潤滑油の混合割合Ｒｍｉｘ及び流量を制御する。 また、制御装置１０は、モータシステムＳに設けられた他のセンサ（不図示）からの信号（冷媒温度、冷媒圧力、冷媒流量、ステータ温度など）を受け取り、冷媒循環システム８の各構成装置や、電磁弁，電磁石（電磁ソレノイド）などに作動信号を出力するように構成することができる。 ［流量調整制御の概略］ 次に、図３を参照して、制御装置１０による流量調整制御について説明する。図３は、回転数ｒと冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合Ｒｍｉｘとの関係を示す。本実施形態では、制御装置１０は、図３に示す流量調整データをメモリ内に記憶している。このデータに基づいて、制御装置１０は、回転数ｒに応じて、軸受２０へ供給される冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合Ｒｍｉｘ（例えば、重量割合）を調節するように構成されている。 本実施形態では、電気モータ１は、始動停止区間Ｒ１（０～ｒｓ）と作動区間Ｒ２（ｒ２～）を含む回転数範囲で作動するように構成されている。本実施形態では、回転数に応じて、軸受２０へ供給される冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合が異なるように制御される。 作動区間Ｒ２のうち、特に第３回転数ｒ３（例えば、１００００ｒｐｍ）～第４回転数ｒ４（例えば、３００００ｒｐｍ又はそれ以上）の高速回転区間ＲＨでは、ＣＯ2流体の混合割合は１００％に設定される。すなわち、本実施形態の電気モータ１は、所定の回転速度域（高速回転区間ＲＨ）において、軸受２０がＣＯ2流体のみで潤滑されるように構成されたモータである。 また、作動区間Ｒ２のうち、所定の第２回転数ｒ２（例えば、２００～８００ｒｐｍ）から第３回転数ｒ３までの中速回転区間ＲＭでは、回転数ｒが低速であるほど、冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合は小さくなり、第２回転数ｒ２で０％となる。本実施形態において、中速回転区間ＲＭは、電気モータ１の回転数ｒが高速回転区間ＲＨに達するまでの遷移区間である。 さらに、作動区間Ｒ２のうち、設定回転数ｒｓ（例えば、１００ｒｐｍ）から第２回転数ｒ２（ｒ２＞ｒｓ）までの低速回転区間ＲＬでは、冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合は０％に維持され、潤滑油のみが軸受２０へ供給される。 なお、低速回転区間ＲＬにおいて、冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合は、０％が好ましいが、これに限らず、例えば、０％～２０％の範囲内で低い混合割合に設定してもよい。混合割合が０％よりも大きい場合、図６を参照して説明されるように、３σに相当する設定回転数ｒｓは、より大きい値に設定される。 また、本実施形態では、始動停止区間Ｒ１では、潤滑油に加えてＣＯ2流体も含まれる冷媒Ｒが軸受２０へ供給される。具体的には、始動停止区間Ｒ１のうち、所定の第１回転数ｒ１から設定回転数ｒｓ（ｒ１＜ｒｓ）までの遷移区間ＲＴでは、回転数ｒが低速であるほど、冷媒Ｒ中のＣＯ2流体の混合割合は大きくなり、第１回転数ｒ１で所定の設定混合割合Ｒａ（例えば、５０％）となる。さらに、始動停止区間Ｒ１のうち、ゼロから第１回転数ｒ１までの反応膜形成区間ＲＦでは、設定混合割合Ｒａが維持される。このように、本実施形態では、電気モータ１の始動直後及び停止直前における極低回転数の始動停止区間Ｒ１では、潤滑油とＣＯ2流体の両方が冷媒Ｒとして軸受２０へ供給される。なお、本実施形態では、遷移区間ＲＴにおいて、混合割合を設定混合割合Ｒａとゼロの間で滑らかに遷移させるため、第１回転数ｒ１は、設定回転数ｒｓに０．６～０．９の係数を乗じた値に設定されている。 ［潤滑被覆］ 次に、図４～図６を参照して、２つの固体要素の間に形成される潤滑被膜（油膜）について説明する。図４には、２つの固体要素（本実施形態では、ロータシャフト１３と軸受２０）の摺動面の間に、潤滑油による膜厚ｈの油膜Ｍが形成された状態が示されている。これら摺動面は、それぞれ所定の表面粗さを有する。図４には、これら表面粗さの正規確率密度分布が模式的に示されており、表面粗さの標準偏差は、それぞれσ１，σ２である。 図５は、図４に基づき、２つの固体要素間に形成される潤滑被膜Ｍと２つの固体要素の相対速度ＶＬとの関係を示している。図５には、図