JP3300200B2 - 回転電機及び電動車両 - Google Patents

回転電機及び電動車両

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばケースが密閉構
造である密閉型の回転電機に係わり、特に、発熱部分を
冷却するための冷却機構を備えた回転電機及びこの回転
電機を用いた電動車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、各種機器の駆動源として、防塵性
・防水性に優れた密閉型回転電機が多用されている。こ
の密閉型回転電機に係わる公知技術として、例えば以下
の２つがある。
【０００３】実開昭６３−２９３６５号公報 この公知技術においては、図１５に示されるように、円
筒状のフレーム５１及びこのフレーム５１の両端部に連
なるエンドブラケット５２Ｌ，５２Ｒで構成される密閉
型ケースと、軸受５３Ｌ，５３Ｒを介し両端部をエンド
ブラケット５２Ｌ，５２Ｒに支承された回転子５４と、
回転子５４の外周に配置され固定子コイル５５が巻かれ
る固定子５６とを有する密閉型回転電機において、エン
ドブラケット５２Ｌ，５２Ｒに対向する回転子５４両端
部に回転子フィン５７Ｌ，５７Ｒを設けるとともに、こ
の回転子フィン５７Ｌ，５７Ｒに対向するようにエンド
ブラケット５２Ｌ，５２Ｒ内面にも放熱フィン５８Ｌ，
５８Ｒを設けるものである。この構成において、固定子
コイル５５に所定の電流が導通されて生じる回転磁界で
回転子５６・回転シャフト５９が回転するとき、固定子
コイル５５・回転子コイル（図示せず）共に発熱する。
このとき固定子コイル５５から発生した熱は直接フレー
ム５１に伝えられ、回転子コイルで発生した熱は主とし
て回転子フィン５７Ｌ，５７Ｒ及び放熱フィン５８Ｌ，
５８Ｒを介しエンドブラケット５２Ｌ，５２Ｒへ伝えら
れる。そして、最終的にフレーム５１やエンドブラケッ
ト５２Ｌ，５２Ｒから周囲空気へ熱が放散され、空冷式
の冷却が行われる。
【０００４】実開昭６１−７２０６３号公報 この公知技術においては、図１６に示されるように、上
記同様の密閉型回転電機において、固定子７１の外周及
び軸受７２の外周に冷却水通路７３，７４を設ける。そ
して、固定子コイル７５で発生した熱は固定子７１外周
の冷却水によって強制水冷され、回転子７６の回転子コ
イル７７で発生した熱は回転子７６・固定子７１間の空
隙を介して固定子７１へ伝わり、同様に固定子７１外周
の冷却水で強制冷却される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
知技術には以下の問題点が存在する。すなわち、公知技
術においては、フレーム５１・エンドブラケット５２
Ｌ，５２Ｒから周囲空気へ熱を放散するときの熱抵抗が
大きいことから、回転電機の負荷が大きくなるとフレー
ム５１やエンドブラケット５２Ｌ，５２Ｒの温度が過度
に上昇する。そしてこれによって、エンドブラケット５
２Ｌ，５２Ｒに保持されている軸受５３Ｌ，５３Ｒ（特
に外輪）が過熱し、軸受寿命が低下して焼きつき等を生
じ、運転に支障をきたす場合がある。
【０００６】また公知技術においては、回転子７６
は、かなり高温となる固定子７１を介して放熱が行われ
ることから、固定子７１の温度以下に下げることができ
ず、冷却が不十分である。よって回転電機の負荷が大き
くなると回転子７６の温度が過度に上昇し、回転子７６
の鉄心材・導体の回転強度が低下して、回転子導体が断
線したり直流機では絶縁劣化が生じる場合がある。さら
に、このような回転子７６の温度の上昇に伴い、回転軸
７８を介し熱的に一体に連なっている軸受７２内輪の温
度が過度に上昇する。これにより特に高負荷運転で回転
子７６での発熱が大きい場合には、軸受７２内輪の温度
が著しく上昇して熱膨張する場合がある。ここで、軸受
７２外輪は軸受７２外周の冷却水によって強制水冷され
ていることから、軸受７２内輪・外輪の熱膨張差によっ
て内輪・外輪の径方向隙間が小さくなり、軸受寿命が低
下して焼き付き等を生じ、運転に支障をきたす場合があ
る。
【０００７】本発明の目的は、固定子・回転子・軸受内
外輪のすべてから効率よく放熱させ、回転子の回転強度
や軸受の寿命を確保することができる回転電機及びこれ
を用いた電動車両を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、回転軸と；この回転軸の外周に固
定され回転子巻線を備えた回転子と；この回転子の外周
に配置され固定子巻線を備えた固定子と；この固定子の
外周に配置されるフレーム、及び前記回転軸の両端部を
軸受を介し回転自在に支承するエンドブラケットを備
え、前記回転子及び固定子を収納するケースと；前記固
定子を冷却する冷媒通路を備えた固定子冷却機構とを有
する回転電機において、前記回転子の回転軸方向両端部
のうち少なくとも一方に前記回転軸の軸方向に近接して
臨むように、前記軸受の外周側において前記軸受と同じ
かそれよりも前記回転軸の軸方向中間部側まで延設して
配置され、前記固定子冷却機構と共通の冷媒が流される
閉空間形状の冷媒通路を備えた回転子冷却機構を設けた
ことを特徴とする回転電機が提供される。
【０００９】また、上記の目的を達成するために、本発
明によれば、回転軸と；この回転軸の外周に固定され回
転子巻線を備えた回転子と；この回転子の外周に配置さ
れ固定子巻線を備えた固定子と；この固定子の外周に配
置されるフレーム、及び、前記回転軸の両端部を軸受を
介し回転自在に支承するエンドブラケットを備え、前記
回転子及び固定子を収納するケースと；前記固定子を冷
却する冷媒通路を備えた固定子冷却機構と；前記エンド
ブラケットに設けられ前記軸受を冷却する冷媒通路を備
えた軸受冷却機構と；を有する回転電機において、前記
回転子の回転軸方向両端部のうち少なくとも一方に前記
回転軸の軸方向に近接して臨むように、前記軸受の外周
側において前記軸受と同じかそれよりも前記回転軸の軸
方向中間部側まで延設して配置され、前記固定子冷却機
構と共通の冷媒が流される閉空間形状の冷媒通路を備え
た回転子冷却機構を設けたことを特徴とする回転電機が
提供される。
【００１０】好ましくは、前記回転電機において、前記
回転子冷却機構は、前記エンドブラケットに設けられて
いることを特徴とする回転電機が提供される。
【００１１】また好ましくは、前記回転電機において、
前記回転子の回転軸方向両端部のうち少なくとも一方に
は、略円環状の被冷却部である回転子ディスクが備えら
れており、かつ、前記回転子冷却機構は、前記回転子デ
ィスクに回転軸方向に対向して設けられた略円環状の冷
却部である冷却ディスクを備えていることを特徴とする
回転電機が提供される。また好ましくは、前記回転電機
において、前記固定子冷却機構の冷媒通路と前記回転子
冷却機構の冷媒通路とを接続する接続通路を前記ケース
内に備えることを特徴とする回転電機が提供される。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】また上記目的を達成するために、本発明に
よれば、上記回転電機を備えたことを特徴とする電動車
両が提供される。
【００２８】
【作用】以上のように構成した本発明においては、固定
子巻線に所定の電流が導通されて生じる回転磁界で回転
軸及び回転子が回転すると、固定子巻線・回転子巻線共
に発熱する。このとき、固定子巻線から発生した熱は例
えばフレームに設けられている固定子冷却機構の冷媒中
に放散される。また、回転子巻線から発生した熱は、回
転子の軸方向両端部の少なくとも一方に回転軸の軸方向
に近接して臨むように配置された回転子冷却機構の閉空
間形状の冷媒通路内を流れる、固定子冷却機構と共通の
冷媒中に放散される。これにより、回転子の熱を固定子
を介して放散する従来技術と異なり、回転子から効率よ
く放熱させて過度な温度上昇を防止できるので、回転子
の材料強度低下による鉄心材・導体の回転強度低下や絶
縁劣化等が生じるのを防止でき信頼性が向上する。また
回転子からの熱によって固定子の過度な温度上昇が発生
するのを防止できる。また、このように回転子が回転子
冷却機構で独自に冷却されることにより、回転子の熱を
回転子フィン・放熱フィンを介してエンドブラケットへ
伝達する従来技術のように、エンドブラケットに保持さ
れる軸受（特に外輪）が過度に加熱されることもない。
さらに回転子の温度上昇を防止できることは、回転軸を
介し回転子と熱的に連なっている軸受（特に内輪）の過
度な温度上昇を防止できることとにもなる。よって軸受
寿命が低下して焼き付き等が生じることを防止できる。
また、本発明においては、固定子巻線に所定の電流が導
通されて生じる回転磁界で回転軸及び回転子が回転する
と、固定子巻線・回転子巻線共に発熱する。このとき、
固定子巻線から発生した熱は例えばフレームに設けられ
ている固定子冷却機構の冷媒中に放散される。また、回
転子巻線から発生した熱は、回転子の軸方向両端部の少
なくとも一方に回転軸の軸方向に近接して臨むように配
置された回転子冷却機構の閉空間形状の冷媒通路内を流
れる、固定子冷却機構と共通の冷媒中に放散される。こ
れにより、回転子の熱を固定子を介して放散する従来技
術と異なり、回転子から効率よく放熱させて過度な温度
上昇を防止できるので、回転子の材料強度低下による鉄
心材・導体の回転強度低下や絶縁劣化等が生じるのを防
止でき信頼性が向上する。また回転子からの熱によって
固定子の過度な温度上昇が発生するのを防止できる。ま
た、このように回転子が回転子冷却機構で独自に冷却さ
れることにより、回転子の熱を回転子フィン・放熱フィ
ンを介してエンドブラケットへ伝達する従来技術のよう
に、エンドブラケットに保持される軸受（特に外輪）が
過度に加熱されることもない。さらに回転子の温度上昇
を防止できることは、回転軸を介し回転子と熱的に連な
っている軸受（特に内輪）の過度な温度上昇を防止でき
ることとにもなる。よって軸受寿命が低下して焼き付き
等が生じることを防止できる。そしてさらに、エンドブ
ラケットに軸受冷却機構が設けられ軸受が強制冷却され
ていることにより、回転軸を介し回転子から伝達される
熱や機械損失で軸受で発生する熱が軸受冷却機構の冷媒
中に放散される。なおこのとき特に軸受冷却機構では軸
受外輪がより強く冷却されるが、回転子冷却機構で回転
子が十分冷却されており回転子から軸受内輪に伝達され
る熱が低減されているので、軸受内輪・外輪の熱膨張差
に基づく径方向隙間の変化を十分防止できる。よって、
さらに確実に軸受寿命の低下を防止できる。
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ
説明する。
【００４１】本発明の第１の実施例を図１〜図３により
説明する。本実施例は、例えばインバータで駆動される
可変速密閉型回転電機の実施例であり、本実施例による
回転電機１００の全体構造を表す縦断面図を図１に、回
転子、固定子、及びエンドブラケットの組立構造を表す
一部破断斜視図を図２に示す。図１及び図２において、
回転電機１００は、概略的に言うと、回転軸４と；この
回転軸４の外周に固定され回転子鉄心１７及び例えば材
質が銅からなるかご形巻線（図示せず）を備えた回転子
３と；この回転子３の外周に配置され固定子鉄心９及び
例えば材質が銅からなる固定子巻線３０を備えた固定子
２と；この固定子２の外周に配置されるモータハウジン
グ７、及び回転軸４の両端部を軸受５ａ，ｂを介し回転
自在に支承するエンドブラケット１４ａ，１４ｂを備
え、回転子３及び固定子２を収納するケース１と；モー
タハウジング７に設けられ固定子２を冷却する冷媒を流
す外周冷却流路８を備えた液冷式の固定子冷却機構１３
と；エンドブラケット１４ａ，１４ｂに回転子３の両端
部に近接するように配置され、回転子３を冷却する冷媒
を流す閉空間形状の冷却流路２１を備えた液冷式の回転
子冷却機構６とを有している。なお、回転子冷却機構６
の冷却流路２１は、エンドブラケット１４ａ，ｂの中心
部に冷却流路２１に囲まれるように設けられた軸受ハウ
ジング２３ａ，ｂを介し軸受５ａ，ｂに隣接しており、
すなわち軸受５ａ，ｂを冷却する軸受冷却機構１６の冷
媒通路をも兼ねている。
【００４２】固定子２の固定子鉄心９は、モータハウジ
ング７の内周面に固定されており、また固定子巻線３０
は、この固定子鉄心９に多相の巻線が巻回されて構成さ
れている。またモータハウジング７は、長手方向（モー
タ軸方向）に外周冷却用の外周冷却流路８が所要数設け
られている。
【００４３】回転子３のかご形巻線（図示せず）は導体
の両端をエンドリング１５を介して連接して構成されて
おり、これらと、回転子鉄心１７及び回転軸４は、一体
に固着されている。また回転軸４を支承する軸受５ａ，
ｂはそれぞれ、内輪１８、外輪１９及び転子２０から構
成され、軸受ハウジング２３ａ，ｂ内に嵌合・保持され
ている。回転子３のエンドリング１５の端部には、略円
環状の被冷却部である回転子ディスク２４ａ，ｂが一体
に形成されている。またエンドブラケット１４ａ，ｂに
設けられた回転子冷却機構６は、この回転子ディスク２
４ａ，ｂに対向して設けられた略円管状の冷却部である
冷却ディスク２２ａ，ｂを備えており、冷却ディスク２
２ａ，ｂと回転子ディスク２４ａ，ｂとは、狭い空間２
５ａ，ｂを介して互いに略平行に密接して配置されてい
る。なお、この空間２５ａ，ｂの隙間δは、δ＝０．１
〜０．６ｍｍ程度に設定するのが好ましい。また冷却デ
ィスク２２ａ，ｂ及び回転子ディスク２４ａ，ｂは、そ
れぞれ高熱伝導性金属（例えばアルミニウム及び銅ある
いはこれらのうち少なくとも一方を含む合金等）により
構成されている。
【００４４】また、回転子冷却機構６の冷却流路２１
は、エンドブラケット１４ａ内で周方向にほぼ一周する
ように形成された冷却流路２１ａと、エンドブラケット
１４ｂ内においてそれぞれ周方向にほぼ半周するように
互いに分離して形成された冷却流路２１ｂ１，２１ｂ２
から構成されている。なおこれら冷却流路２１ａ，２１
ｂ1，２１ｂ2は、図１に示すように、回転子３の両端部
に回転軸４の軸方向(図１中左右方向)に近接して臨むよ
うに、軸受５ａ，５ｂの外周側において軸受５ａ，５ｂ
よりも回転軸４の軸方向中間部側まで延設して配置され
ている。
【００４５】また、固定子冷却機構１３の外周冷却流路
８は、回転子冷却機構６の冷却流路２１ｂ１と冷却流路
２１ａとを接続する外周冷却流路８ｂと、回転子冷却機
構６の冷却流路２１ａと冷却流路２１ｂ２とを接続する
外周冷却流路８ａとから構成されている。これら外周冷
却流路８ａ，８ｂはそれぞれ、モータハウジング７内に
軸方向に形成された複数個の穴がヘッダ部を介し蛇行状
に連結されることによって構成されており、結果として
それぞれが固定子２の外周を周方向にほぼ半周するよう
になっている。このうち外周冷却流路８ａは接続流路
(接続通路)１１ａ及び１１ｂを介し冷却流路２１ｂ１及
び２１ａに接続されており、外周冷却流路８ｂは接続流
路(接続通路)１１ｃ及び１１ｄを介し冷却流路２１ａ及
び２１ｂ２に接続されている。
【００４６】次に、冷媒の流れ構造を表す概念図である
図３をさらに参照しつつ、固定子冷却機構１３及び回転
子冷却機構６においての冷却を行う冷媒の流れを説明す
る。図１、図２及び図３において、冷媒（例えば冷却水
等）１０は、一端側エンドブラケット１４ｂに設けられ
た入口パイプ２６から冷却流路２１ｂ1に流入する。そ
してこの冷却流路２１ｂ1内で周方向に約半周する間
に、軸受ハウジング２３ｂを介し軸受５ｂを冷却すると
ともに冷却ディスク２２ｂ・空間２５ｂ・回転子ディス
ク２４ｂを介して回転子３を図１中左側方向から冷却す
る。その後、冷媒１０は、接続流路１１ａを介してモー
タハウジング７内の外周冷却流路８ｂに流入し、蛇行状
に流れて固定子２外周を周方向にほぼ半周する間に、固
定子２の図１中下側半分を冷却する。そして冷媒１０
は、接続流路１１ｂを介して他端側エンドブラケット１
４ａに設けられた冷却流路２１ａに流入し、周方向に約
１周する間に、軸受ハウジング２３ａを介し軸受５ａを
冷却するとともに冷却ディスク２２ａ・空間２５ａ・回
転子ディスク２４ａを介して回転子３を図１中右側方向
から冷却する。その後、冷媒１０は、接続流路１１ｃを
介してモータハウジング７内の外周冷却流路８ａに流入
し、再び蛇行状に流れて固定子２外周を周方向にほぼ半
周する間に、固定子２の図１中上側半分を冷却する。そ
して、冷媒１０は、接続流路１１ｄを介してエンドブラ
ケット１４ｂに設けられた冷却流路２１ｂ2に流入し、
周方向に約半周する間に、軸受ハウジング２３ｂを介し
軸受５ｂを再び冷却するとともに冷却ディスク２２ｂ・
空間２５ｂ・回転子ディスク２４ｂを介して回転子３を
図１中左側方向から再び冷却する。その後出口パイプ２
８から外部に流出される。
【００４７】上記構成の回転電機１００による作用効果
を以下に説明する。すなわち、インバータ駆動装置（図
示せず）から回転電機１００に所定周波数の電源が供給
されると、固定子巻線３０に電流が流れ、固定子巻線３
０の巻線抵抗によってジュール熱が発生する。同時に電
源周波数に同期した回転磁界を発生し、この回転磁界に
よって回転子３のかご形巻線に電流が誘起され、このか
ご形巻線に生じた誘導電流による電磁力が回転子３に作
用して回転子３及び回転軸４が回転する。そしてこのか
ご形巻き線に生じた誘導電流によって、かご形巻線の巻
線抵抗に基づくジュール熱が発生する。
【００４８】このとき、固定子２で発生した熱は、固定
子２が固定されているモータハウジング７を介して固定
子冷却機構１３の外周冷却流路８ａ，ｂ内の冷媒中へ放
散されるので、固定子２の温度上昇が抑えられる。ま
た、回転子３に生じた大部分の熱は、回転子ディスク２
４ａ，ｂから空間２５ａ，ｂを介し回転子冷却機構６の
冷却ディスク２２ａ，ｂに非接触かつ直接的に伝達さ
れ、冷却流路２１ａ，ｂ1，ｂ2内の冷媒中へ放散される
ので、回転子３の温度上昇が抑えられる。これらによ
り、回転子の熱を固定子を介して放散させる実開昭６３
−２９３６５号公報と異なり、回転子３から効率よく放
熱させて過度な温度上昇を防止できるので、回転子鉄心
１７を構成している材料（例えば珪素鋼鈑材）やかご形
導体を構成している材料（例えば銅やアルミ材）の材料
強度が確保されるので、特に高負荷・高速回転時の回転
強度が改善される。また回転子鉄心１７の表面に塗布さ
れている絶縁材等の温度による劣化が改善される（これ
は固定子鉄心９に関しても同様）。よって、信頼性が向
上する。また回転子３で発生した熱のうち固定子２へ伝
達される熱量が減ることによって、固定子２の温度上昇
が大幅に軽減できる。
【００４９】一方、上記のように回転子２が回転子冷却
機構６で独自に冷却されて温度上昇が抑えられることに
より、回転子２の熱が回転子フィン・放熱フィンを介し
てエンドブラケットへ伝達される実開昭６１−７２０６
３号公報のようにエンドブラケット１４ａ，ｂに保持さ
れる軸受５ａ，５ｂ（特に外輪１９）が過度に加熱され
ることがない。そして、また、軸受５ａ，ｂ外周部に設
けられている回転子冷却機構６の冷却流路２１ａ，
ｂ1，ｂ2内の冷媒で、回転軸４を介し回転子３から伝達
される熱や機械損失によって軸受５ａ，ｂ内で発生する
熱が放散されることにより、軸受５の温度の温度上昇が
押せられ、温度が低く保たれることとなる。このように
軸受５ａ，ｂと回転子３とがいずれも温度上昇が小さく
抑えられていると、当然ながら回転子３と軸受５ａ，ｂ
との温度差も小さいので、温度差によって回転子３から
回転軸４を介し軸受５ａ，ｂへ伝わる熱量Ｑが少なくな
る。ここで、軸受５ａ，ｂを通過する熱量Ｑと軸受内輪
１８と外輪１９との温度差（Ｔ１ーＴ２）は、軸受５
ａ，ｂの熱抵抗をＲとしたとき、 （Ｔ１−Ｔ２）＝Ｑ／Ｒ （１） で表される（Ｔ１：軸受内輪温度、Ｔ２：軸受外輪温
度）。すなわち、熱量Ｑが小さくなると軸受内輪１８と
外輪１９との温度差（Ｔ１−Ｔ２）を小さく抑えること
ができる。したがって、軸受５ａ，ｂの径方向隙間の変
化が僅かであり、軸受寿命の低下や焼き付き等の不具合
が発生するのを防ぐことができる。
【００５０】なお、上記した第１の実施例の回転電機１
００においては、固定子冷却機構１３がモータハウジン
グ７と一体に構成されているが、固定子の冷却が目的で
あるから、必ずしもモータハウジング７と一体に構成す
る必要は無く、例えば固定子内に冷却媒体を通すための
貫通穴を設けたものでも良い。これらの場合も同様の効
果を得る。
【００５１】本発明の第２の実施例を図４〜図７により
説明する。本実施例は、冷却ディスクの冷却面及び回転
子ディスクの被冷却面の形状が異なる実施例である。第
１の実施例と同等の部材には同一の符号を付す。本実施
例による回転電機２００の要部である回転子冷却機構２
０６近傍の詳細構造を表す縦断面図を図４に、回転子、
固定子、及びエンドブラケットの組立構造を表す一部破
断斜視図を図５に示す。なお図５は第１の実施例におけ
る図２に対応する図である。
【００５２】図４及び図５において、本実施例の回転電
機２００が第１の実施例と異なる点は、冷却ディスク２
２２ａ及び２２２ｂ（図示せず）の冷却面２３０ａ及び
２３０ｂ（図示せず）と、回転子ディスク２２４ａ，ｂ
の被冷却面２３１ａ及び２３１ｂ（図示せず）の縦断面
形状が、互いに対向する略凹凸形状（矩形状）のフィン
を構成していることである。その他の構成は、第１の実
施例とほぼ同様である。
【００５３】本実施例の回転電機２００によっても、第
１の実施例と同様の効果を得られる。またこれに加え、
冷却ディスク２２２ａ，ｂの冷却面２３０ａ，ｂ及び回
転子ディスク２２４ａ，ｂの被冷却面２３１ａ，ｂの面
積、すなわち伝熱面積を増やすことができるので、冷却
効果をさらに向上させることができる。このことを具体
的に以下に説明する。本実施例による回転子温度の低減
効果及び軸受温度の低減効果を図６に示す。なお許容限
界を１００％とした温度上昇割合を縦軸に取り、定格出
力を１００％とした負荷を横軸に取って示してある。ま
たこのとき、回転電機２００の具体的仕様としては、定
格出力３０ｋＷ、定格回転数３０６０ｒｐｍ、全体重量
約４０ｋｇの小形・高出力モータとし、回転子３は直径
１１０ｍｍ及び軸方向長さ１００ｍｍであり、また冷却
ディスク２２２ａ，ｂ及び回転子ディスク２２４ａ，ｂ
は、外径１１０ｍｍ、フィン高さＨ＝６ｍｍ、歯先幅Ｌ
ｔ＝１．７ｍｍ、互いの最小隙間δ＝０．２５ｍｍに設
定されている。さらに、比較のために、従来例１とし
て、実開昭６３−２９３６５号公報（図１５参照）記載
の構成を用いた場合の結果を、従来例２として、実開昭
６１−７２０６３号公報（図１６参照）記載の構成を用
いた場合の結果をそれぞれ併せて示してある。
【００５４】図６において、従来例１の場合は、回転子
フィンと軸受ハウジングが近接して配置されているこ
と、及び回転子から伝わる熱による軸受ハウジングの温
度が上昇することとにより、軸受の温度が急激に上昇
し、負荷が約３０％で運転限界に達してしまうのが分か
る。また従来例２の場合は、軸受を強制冷却しているこ
とから軸受の温度上昇は従来例１に比べて低減してい
る。しかしながら、回転子を冷却していないことから回
転子の温度が負荷の増加に伴って急激に増加し、負荷が
約６０％で運転限界に達してしまうのが分かる。これに
対し、本実施例の回転電機２００は、全体に温度上昇が
少なく、負荷約１２０％までの高負荷運転が可能となっ
ており、回転子冷却機構２０６による軸受温度低減効果
及び回転子温度低減効果が明らかとなっている。したが
って、同一出力の場合は回転電機の小形・軽量化が達成
でき、生産コストの低減効果を得られることがわかる。
【００５５】なお上記第２の実施例においては、冷却デ
ィスク２２２ａ，ｂの冷却面２３０ａと、回転子ディス
ク２２４ａ，ｂの被冷却面２３１ａ，ｂ（図示せず）の
フィン形状は矩形状であったが、これに限られない。こ
の変形例を図７により説明する。本変形例による冷却デ
ィスク２７２の冷却面２８０及び回転子ディスク２７４
の被冷却面２８１の詳細形状を表す縦断面図を図７に示
す。図７に示すように、冷却面２８０及び被冷却面２８
１の形状が、複数の等脚台形が交互に突出した形状とな
っている。この場合、熱膨張時や組立時における衝突破
損防止の観点から、歯先幅Ｌｔと歯底幅Ｌｂとは、Ｌｔ
≒Ｌｂ−２δの関係を満たすような寸法に設定するのが
好ましい。また、面傾斜角度θ、歯高Ｈ及び歯先ピッチ
Ｌｐは、冷却熱量や回転子３の直径Ｄ等による設計事項
として、θ＝０〜９０°の範囲でそれぞれ任意に設定で
きるのは当然であるが、伝熱性能や生産性等のかねあい
から、Ｈ／Ｄ≒０〜０．２、Ｌｐ／Ｄ≒０．００５〜
０．１程度に設定するのが好ましい。
【００５６】本変形例によっても、第２の実施例と同様
の効果を得る。またこれに加え、後述する第３の実施例
と同様、冷却面２８０と被冷却面２８１との隙間δの値
を、熱伝達を最大にできる一定の最小値に保ちつつ、回
転軸方向や径方向への回転子の変位の余裕を大きくとる
ことができるので、回転子の変位に対する信頼性を増す
ことができる効果もある。
【００５７】本発明の第３の実施例を図８及び図９によ
り説明する。本実施例は、冷却ディスクの冷却面及び回
転子ディスクの被冷却面の形状が異なる実施例である。
第１及び第２の実施例と同等の部材には同一の符号を付
す。本実施例による回転電機の要部である回転子冷却機
構３０６近傍の詳細構造を表す縦断面図を図８に、図８
中Ａ部の部分拡大図を図９に示す。図８及び図９におい
て、本実施例の回転電機が第１の実施例と異なる点は、
冷却ディスク３２２の冷却面３３０と、回転子ディスク
３２４の被冷却面３３１の縦断面形状が互いに対向する
略鋸歯状となっている、言い換えれば伝熱面が回転可能
なジグザグ形状に構成されていることである。その他の
構成は、第１の実施例とほぼ同様である。
【００５８】本実施例によっても、第２の実施例と同
様、伝熱面積の増加による冷却向上効果を得ることがで
きる。このことを図９を参照しつつさらに具体的に以下
に説明する。図８及び図９において、回転軸に直角な平
面に対する回転子ディスク３２４の被冷却面３３１及び
冷却ディスク３２２の冷却面３３０の傾き角度をθと
し、これらの最小隙間をδとする。この場合、回転子３
から回転子ディスク３２４を介し冷却ディスク３２２へ
伝えられる熱量Ｑは、冷却面３３０と被冷却面３３１と
の温度差をΔＴとして次式で表される。 Ｑ＝Ｃ（λ／δ）・Ａ・ΔＴ （２） ここで、λは空気の熱伝導率、Ｃは実験係数である。
【００５９】また、（２）式において、Ａは対向面の実
質伝熱面積であり、冷却面３３０・被冷却面３３１が平
らな時（θ＝０度）の面積をＡｂとすれば、次式で表さ
れる。 Ａ＝Ａｂ／ｃｏｓθ （３） したがって、傾斜角度θが０＜θ＜９０°の範囲ではｃ
ｏｓθ＜１となることから、面をθだけ傾けた場合、冷
却面が平らな場合（θ＝０°）に比べて実質伝熱面積Ａ
が拡大されることとなる。
【００６０】さらに、本実施例においても、第２の実施
例の変形例で説明したのと同様、回転子の変位に対する
信頼性を増すことができる効果もある。すなわち、図９
において、回転子ディスク３２４の被冷却面３３１と冷
却ディスク３２２の冷却面３３０との半径方向の面間距
離ΔＲ及び軸方向の面間距離ΔＳはそれぞれ次式で表さ
れる。 ΔＲ＝δ／ｓｉｎθ ΔＳ＝δ／ｃｏｓθ （４） したがって、傾斜角度θが０＜θ＜９０°の範囲ではｓ
ｉｎθ＜１かつｃｏｓθ＜１であることから、面間距離
ΔＲ及びΔＳは、いずれも最小隙間δよりも拡大される
ことが分かる。すなわち、冷却面３３０と被冷却面３３
１との隙間δの値を熱伝達を最大にできる一定の最小値
に保ちつつ、回転軸方向や径方向への回転子３の変位の
余裕を大きく取ることが可能となるので、回転子の変位
に対する信頼性を増すことができる。
【００６１】本発明の第４の実施例を図１０により説明
する。本実施例は、冷却ディスク及び回転子ディスクの
形状が異なる実施例である。第１〜第３の実施例と同等
の部材には同一の符号を付す。本実施例による回転電機
４００の全体構造を表す縦断面図を図１０に示す。図１
０は、第１の実施例の図１に対応する図である。図１０
において、本実施例の回転電機４００が第１の実施例と
異なる主要な点は、回転子冷却機構４０６の冷却ディス
ク４２２ａ，ｂの冷却面４３０ａ，ｂが、回転子ディス
ク４２４ａ，ｂの被冷却面４３１ａ，ｂの外周側に配置
され、被冷却面４３１ａ，ｂに径方向に対向するように
なっていること、及び冷却流路２１ａ，２１ｂ1，２１
ｂ2は、図１０に示すように、回転子３の両端部に回転
軸４の軸方向(図１中左右方向)に近接して臨むように、
軸受５ａ，５ｂの外周側にて回転軸４の軸方向における
軸受５ａ，５ｂとほぼ同じ位置まで延設して配置されて
いることである。その他の構成は、第１の実施例による
回転電機１００とほぼ同様である。
【００６２】本実施例によれば、第１の実施例による効
果に加え、冷却ディスク４２２ａ，ｂの冷却面４３０
ａ，ｂと回転子ディスク４２４ａ，ｂの被冷却面４３１
ａ，ｂとの間の隙間の調整が径方向の調整となるので、
軸方向に調整を行わなければならない場合に比し、寸法
精度の向上が容易である。よって、生産性が向上する効
果がある。
【００６３】本発明の第５の実施例を図１１を用いて説
明する。本実施例は、回転子の構造が異なる実施例であ
る。第１〜第４の実施例と同等の部材には同一の符号を
付す。本実施例による回転電機５００の全体構造を表す
縦断面図を図１１に示す。図１１において、本実施例の
回転電機５００が第１の実施例と異なる主要な点は、回
転子ディスク５２４ａ，ｂをエンドリング５１５と一体
形成せず、後付けで固着されていることである。すなわ
ち、回転子５０３の回転子鉄心５１７には、軸方向の貫
通孔５１７Ａがあらかじめ円周方向に複数個設けられて
おり、この貫通孔５１７Ａを残したまま、一旦、導体の
両端をエンドリング５１５を介して連接しかご形巻線
（図示せず）を構成する。その後、例えばアルミダイキ
ャスト等の方法により、外径がエンドリング５１５と略
等しい回転子ディスク５２４ａ，ｂを、エンドリング５
１５端部に密着させて形成する。なおこのとき、回転子
ディスク５２４ａ，ｂは互いに貫通孔５１７Ａを介して
一体に固定される。その他の構成は第１の実施例の回転
電機１００とほぼ同様である。
【００６４】本実施例によっても、第１の実施例と同様
の効果を得る。
【００６５】本発明の第６の実施例を図１２により説明
する。本実施例は、回転子ディスクの構造が異なる実施
例である。第１〜第５の実施例と同等の部材には同一の
符号を付す。本実施例による回転電機６００の全体構造
を表す縦断面図を図１２に示す。図１２において、本実
施例の回転電機６００が第１の実施例と異なる主要な点
は、回転子６０３の回転子ディスク６２４ａ，ｂをエン
ドリング６１５に設けず、回転軸４に焼きバメ等によっ
て固着していることである。なお、回転子ディスク６２
４ａ，ｂの材質としては、銅やアルミ等の熱伝導率の良
い材料を用いるのが好ましい。また、回転子ディスク６
２４ａ，ｂとエンドリング６１５端面との隙間を埋める
ように、例えば熱伝導性のグリースやモールド部材等を
設けても良い。
【００６６】その他の構成は第１の実施例の回転電機１
００とほぼ同様である。
【００６７】本実施例の回転電機６００によれば、第１
の実施例の効果に加え、回転子６０３から回転軸４を経
由して軸受５ａ，ｂへ伝わる熱を回転子ディスク６２４
ａ，ｂで遮断することができるので、軸受５ａ，ｂの温
度をさらに低減できるという効果がある。また、別部材
である回転子ディスク６２４ａ，ｂを回転軸４に固定す
る構造であることから、回転子６０３のうち回転子ディ
スク６２４ａ，ｂ以外の部材を共通化し、回転電機６０
０の定格負荷に応じ回転子ディスク６２４ａ，ｂの仕様
のみを変えるようにすることができるので、生産性を向
上できる。
【００６８】本発明の第７の実施例を図１３により説明
する。本実施例は、固定子をモールド部材で固定した実
施例である。第１〜第６の実施例と同等の部材には同一
の符号を付す。本実施例による回転電機７００の全体構
造を表す縦断面図を図１３に示す。図１３において、本
実施例の回転電機７００が第１の実施例と異なる点は、
固定子２に備えられた固定子鉄心１７と固定子巻線３０
とをモールド部材７３２で一体にモールドし、さらに固
定子２の外周とモータハウジング７の内周との間の空間
にもモールド部材７３２を充填したことである。このと
きモールド部材７３２は熱伝導率の良い材料（例えば熱
伝導性樹脂）が使用され、モータハウジング７、固定子
鉄心１７及び固定子巻線３０が構成された状態で、モー
ルド成形型（図示せず）により注入されて固着される。
その他の構成は、第１の実施例とほぼ同様である。
【００６９】本実施例によれば、第１の実施例と同様の
効果に加え、固定子巻線３０で発生した熱のモータハウ
ジング７への伝達を向上させることができるので、固定
子冷却機構１３による放熱効果をさらに向上させること
ができる。
【００７０】なお、上記第１〜第７の実施例において
は、軸受５ａ，ｂとして、転子２０を有するボール軸受
を用いているが、これに限られず、例えば滑り軸受等、
他の公知の軸受を用いてもよい。これらの場合も、同様
の効果を得る。また、上記第１〜第７の実施例において
は、冷却ディスク及び回転子ディスクが同心円リング状
に構成されているが、同心円リングを分割した構造、す
なわち部分同心円状に構成しても良い。この場合も同様
の効果を得る。さらに、上記第１〜第７の実施例におい
ては、冷媒１０が供給される入口パイプ２６は、回転子
冷却機構の冷却流路に設けられ、これによって最も冷た
い冷媒を回転子冷却機構に供給し、回転子を強力に冷却
できるようになっていたが、これに限られず、冷媒１０
の供給口を固定子冷却機構１３の外周冷却流路８ａ，ｂ
に設けてもよい。この場合、冷媒１０は、外周冷却流路
８ａ，ｂで一旦固定子２を冷却した後、エンドブラケッ
ト１４ａ，ｂ内に設けられた回転子冷却機構の冷却流路
（＝軸受機構の冷却流路）に供給されることとなるの
で、軸受５ａ，ｂ（特に外輪１９）を過度に冷却するこ
とを防止して、軸受５ａ，ｂの内輪１８・外輪１９の径
方向隙間が小さくなることを確実に防止することができ
る効果がある。
【００７１】本発明の第８の実施例を図１４により説明
する。本実施例は、回転電機を備えた電動車両の一例と
しての、電気自動車の実施例である。本実施例による電
気自動車の構成を表す斜視概略図を図１４に示す。図１
４において、本実施例の電気自動車８００は、減速機を
介し前輪を駆動するモータ８０１と、このモータ８０１
に電力を供給するためのバッテリ８０２と、コントロー
ラ８０３とを備えている。モータ８０１としては、第１
〜第７の実施例の回転電機１００〜７００のうちいずれ
か１つが用いられている。またバッテリ８０２として
は、例えば保水不要な複数個の密閉式鉛酸電池が搭載さ
れている。コントローラ８０３は、大別すると４つの制
御機能を備えている。すなわち、ドライバーの運転操作
入力によって車両の走行目標を演算する車両走行制御機
能、その演算結果によるトルク指令値を実現するための
演算を行うモータ制御機能、モータ８０１に流す電流を
制御するパワーヘッド機能、バッテリ８０２の充・放電
制御を行うバッテリ制御機能である。
【００７２】以上のように構成した本実施例の電気自動
車８００によれば、モータ８０１として、小形・軽量で
信頼性の高い第１〜第７の実施例の回転電機１００〜７
００を用いるので、電動車両としての信頼性も高めるこ
とができる。
【００７３】
【発明の効果】本発明によれば、回転子冷却機構で回転
子から効率よく放熱させ、回転子の過度な温度上昇を防
止できるので、回転子の材料強度低下による鉄心材・導
体の回転強度低下や絶縁劣化等が生じるのを防止でき
る。また回転軸を介し回転子と熱的に連なっている軸受
の過度な温度上昇を防止できるので、軸受寿命が低下し
て焼き付き等が生じるのを防止できる。したがって、信
頼性が高く、小形・軽量で効率の良い回転電機を提供す
ることができる。
【００７４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による回転電機の全体構
造を表す縦断面図である。
【図２】図１に示された回転子、固定子、及びエンドブ
ラケットの組立構造を表す一部破断斜視図である。
【図３】図１に示された回転電機における冷媒の流れ構
造を表す概念図である。
【図４】本発明の第２の実施例による回転電機の要部で
ある回転子冷却機構近傍の詳細構造を表す縦断面図であ
る。
【図５】図４に示された回転子、固定子、及びエンドブ
ラケットの組立構造を表す一部破断斜視図である。
【図６】図４に示された回転電機による回転子温度の低
減効果及び軸受温度の低減効果を表す図である。
【図７】第２の実施例の変形例による冷却ディスクの冷
却面及び回転子ディスクの被冷却面の詳細形状を表す縦
断面図である。
【図８】本発明の第３の実施例による回転電機の要部で
ある回転子冷却機構近傍の詳細構造を表す縦断面図であ
る。
【図９】図８中Ａ部の部分拡大図である。
【図１０】本発明の第４の実施例による回転電機の全体
構造を表す縦断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施例による回転電機の全体
構造を表す縦断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施例による回転電機の全体
構造を表す縦断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施例による回転電機の全体
構造を表す縦断面図である。
【図１４】本発明の第８の実施例による電気自動車の構
成を表す斜視概略図である。
【図１５】公知技術による回転電機の全体構造を表す
縦断面図である。
【図１６】公知技術による回転電機の全体構造を表す
縦断面図である。
【符号の説明】
２ 固定子 ３ 回転子 ４ 回転軸 ５ａ，ｂ 軸受 ６ 回転子冷却機構 ７ モータハウジング（フレーム） ８ａ，ｂ 外周冷却流路 ９ 固定子鉄心 １０ 冷媒 １１ａ〜ｄ 接続流路 １３ 固定子冷却機構 １４ａ，ｂ エンドブラケット １５ エンドリング １６ 軸受冷却機構 １７ 回転子鉄心 １８ 内輪 １９ 外輪 ２１ａ，ｂ1，ｂ2 冷却流路 ２２ａ，ｂ 冷却ディスク ２４ａ，ｂ 回転子ディスク ２６ 入口パイプ（供給口） ３０ 固定子巻線 １００ 回転電機 ２０６ 回転子冷却機構 ２２２ａ，ｂ 冷却ディスク ２２４ａ，ｂ 回転子ディスク ２３０ａ 冷却ディスクの冷却面 ２３１ａ 回転子ディスクの被冷却面 ２７２ 冷却ディスク ２７４ 回転子ディスク ２８０ 冷却ディスクの冷却面 ２８１ 回転子ディスクの被冷却面 ３０６ 回転子冷却機構 ３２２ 冷却ディスク ３２４ 回転子ディスク ３３０ 冷却ディスクの冷却面 ３３１ 回転子ディスクの被冷却面 ４００ 回転電機 ４０６ 回転子冷却機構 ４２２ａ，ｂ 冷却ディスク ４２４ａ，ｂ 回転子ディスク ４３０ａ，ｂ 冷却ディスクの冷却面 ４３１ａ，ｂ 回転子ディスクの被冷却面 ５００ 回転電機 ５０３ 回転子 ５１７ 回転子鉄心 ５１７Ａ 貫通孔 ５２４ａ，ｂ 回転子ディスク ６００ 回転電機 ６０３ 回転子 ６１５ エンドリング ６２４ａ，ｂ 回転子ディスク ７００ 回転電機 ７３２ モールド部材 ８００ 電気自動車
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小泉 修 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (72)発明者 田島 文男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 南方 留美 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社 日立製作所 空調システム 事業部内 (56)参考文献 特開 平４−304145（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−12350（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−79746（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−91470（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−29365（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−93074（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02K 5/20 H02K 9/19

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回転軸と；この回転軸の外周に固定され回
    転子巻線を備えた回転子と；この回転子の外周に配置さ
    れ固定子巻線を備えた固定子と；この固定子の外周に配
    置されるフレーム、及び前記回転軸の両端部を軸受を介
    し回転自在に支承するエンドブラケットを備え、前記回
    転子及び固定子を収納するケースと；前記固定子を冷却
    する冷媒通路を備えた固定子冷却機構とを有する回転電
    機において、 前記回転子の回転軸方向両端部のうち少なくとも一方に
    前記回転軸の軸方向に近接して臨むように、前記軸受の
    外周側において前記軸受と同じかそれよりも前記回転軸
    の軸方向中間部側まで延設して配置され、前記固定子冷
    却機構と共通の冷媒が流される閉空間形状の冷媒通路を
    備えた回転子冷却機構を設けたことを特徴とする回転電
    機。
  2. 【請求項２】回転軸と；この回転軸の外周に固定され回
    転子巻線を備えた回転子と；この回転子の外周に配置さ
    れ固定子巻線を備えた固定子と；この固定子の外周に配
    置されるフレーム、及び前記回転軸の両端部を軸受を介
    し回転自在に支承するエンドブラケットを備え、前記回
    転子及び固定子を収納するケースと；前記固定子を冷却
    する冷媒通路を備えた固定子冷却機構と；前記エンドブ
    ラケットに設けられ前記軸受を冷却する冷媒通路を備え
    た軸受冷却機構と；を有する回転電機において、 前記回転子の回転軸方向両端部のうち少なくとも一方に
    前記回転軸の軸方向に近接して臨むように、前記軸受の
    外周側において前記軸受と同じかそれよりも前記回転軸
    の軸方向中間部側まで延設して配置され、前記固定子冷
    却機構と共通の冷媒が流される閉空間形状の冷媒通路を
    備えた回転子冷却機構を設けたことを特徴とする回転電
    機。
  3. 【請求項３】請求項１又は２記載の回転電機において、
    前記回転子冷却機構は、前記エンドブラケットに設けら
    れていることを特徴とする回転電機。
  4. 【請求項４】請求項１又は２記載の回転電機において、
    前記回転子の回転軸方向両端部のうち少なくとも一方に
    は、略円環状の被冷却部である回転子ディスクが備えら
    れており、かつ、前記回転子冷却機構は、前記回転子デ
    ィスクに回転軸方向に対向して設けられた略円環状の冷
    却部である冷却ディスクを備えていることを特徴とする
    回転電機。
  5. 【請求項５】請求項１又は２記載の回転電機において、
    前記固定子冷却機構の冷媒通路と前記回転子冷却機構の
    冷媒通路とを接続する接続通路を前記ケース内に備える
    ことを特徴とする回転電機。
  6. 【請求項６】請求項１又は２記載の回転電機を備えたこ
    とを特徴とする電動車両。
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