JP7031074B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機（１００）が、Ｘ方向が軸方向である回転軸（３）と、回転軸とともに回転する回転子（２）と、回転子が配置される領域の側面を囲う領域に配置された固定子（１）と、回転子および固定子を囲う領域に配置されたハウジング（４）と、を備え、ハウジングの外部から液体状の冷媒を流入する流入流路（９）およびハウジングの外部へ冷媒を排出する排出流路（１０）が設けられており、流入流路は、ハウジングの上側からマイナスＺ方向に延設されてハウジングおよび固定子を貫通し回転子の上側に至り、排出流路は、回転子の下側からマイナスＺ方向に延設されて固定子およびハウジングを貫通しハウジングの外側に至り、固定子とハウジングとは密着し、且つ流入流路は、密着した固定子とハウジングとを貫通し回転子の上側に設けられた固定子と回転子との間の隙間まで繋がっている。

Description

本開示は、冷媒によって冷却される回転電機に関する。

回転電機は、回転可能に配置された回転子と、この回転子を囲うように配置された固定子とを備えている。この回転電機は、発熱を解消するために冷媒によって冷却することができる構造を有している。

例えば、特許文献１に記載の回転電機は、回転子と、固定子と、回転子および固定子の外側に配置されたハウジングと、ハウジングの径方向にハウジングを貫通した冷媒の流入流路とを有している。この回転電機は、流入流路に流される冷媒によって、固定子および回転子を冷却している。

特許第５９９７５９８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、流入流路がハウジングおよび固定子のコアまでしか貫通しておらず、流入流路が回転子まで至っていない。このため、効率良く回転子を冷却できないという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、効率良く回転子を冷却できる回転電機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の回転電機は、第１の方向が軸方向である回転軸と、回転軸と軸方向が同じであり回転軸に取り付けられて回転軸とともに回転する回転子と、回転軸と軸方向が同じであり回転子が配置される領域の側面を囲う領域に配置された固定子と、回転子および固定子を囲う領域に配置されたハウジングとを備える。また、本開示の回転電機には、ハウジングの外部から液体状の冷媒を流入する流入流路およびハウジングの外部へ冷媒を排出する第１の冷媒排出流路が設けられており、流入流路は、ハウジングの上側から第１の方向に垂直な第２の方向に延設されてハウジングおよび固定子を貫通し回転子の上側に至る。第１の冷媒排出流路は、回転子の下側から第２の方向に延設されて固定子およびハウジングを貫通しハウジングの外側に至る。固定子とハウジングとは密着し、且つ流入流路は、密着した固定子とハウジングとを貫通し回転子の上側に設けられた固定子と回転子との間の隙間まで繋がっている。また、本開示の回転電機には、さらに、流入流路に入れられた冷媒を回転子の下側から第１の冷媒排出流路まで流す第２の冷媒排出流路が設けられ、第２の冷媒排出流路は、回転子の下側で第１の方向に延設されるとともに少なくとも固定子の内部に形成され、且つ回転子の下側に設けられた回転子と固定子との間の隙間と、第１の冷媒排出流路とに繋げられている。

本開示にかかる回転電機は、効率良く回転子を冷却できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す断面図 図１におけるII-II断面図 実施の形態１にかかる回転電機の第１の別構成例を示す図 実施の形態１にかかる回転電機の第２の別構成例を示す図 実施の形態１にかかる回転電機の第３の別構成例を示す図 実施の形態１にかかる回転電機の運用例を説明するための図 実施の形態２にかかる回転電機の構成を示す断面図 実施の形態２にかかる回転電機が備えるハウジングの別構成例を説明するための図 実施の形態２にかかる回転電機が備えるハウジングの壁面形状の例を示す図 実施の形態２にかかる回転電機の運用例を説明するための図 実施の形態２にかかる回転電機の別構成例を示す断面図 実施の形態３にかかる回転電機の構成を示す断面図

以下に、本開示の実施の形態にかかる回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す断面図である。図２は、図１におけるII-II断面図である。以下では、水平面と平行な面内の２つの軸であって互いに直交する２つの軸をＸ軸およびＹ軸とする。また、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸をＺ軸とする。具体的には、回転電機１００は、回転軸３の延設方向がＸ方向となるように配置される。図１では、紙面の右方向がプラスＸ方向であり、紙面の奥方向がプラスＹ方向であり、紙面の上方向がプラスＺ方向である。図２は、図１の回転電機１００をＹＺ平面で切断し、回転電機１００をマイナスＸ方向に向かって見た場合の断面図である。プラスＸ方向またはマイナスＸ方向が第１の方向であり、マイナスＺ方向が第２の方向である。

回転電機１００の一例は、ガルバノスキャナである。以下では、回転電機１００がガルバノスキャナである場合について説明する。ガルバノスキャナは、プリント基板などに開口部を設ける装置（例えば、レーザ加工装置）に使用される回転電機である。

回転電機１００は、内部に冷媒を流すことによって回転子２を冷却しながら回転軸３を回転させる。冷媒は、モータ材料の腐食の観点から、油、またはフロン系の材料が用いられる場合が多いが、水、不凍液（エチレングリコール等）が用いられてもよい。

回転電機１００は、回転軸３と、回転軸３に取り付けられるとともに円柱状領域に設けられた回転子２と、回転子２の側面を覆うように円柱状領域に設けられた固定子１と、回転軸３および固定子１の全体を覆うように円柱状領域に設けられたハウジング４と、ベアリング５とを備えている。

回転子２、固定子１、およびハウジング４は、円柱状領域の上面がマイナスＸ方向を向き、下面がプラスＸ方向を向いている。すなわち、回転子２、固定子１、およびハウジング４の上面および下面は、ＹＺ平面に平行な面である。回転軸３は、ハウジング４の底面、回転子２、およびハウジング４の上面を貫通している。

回転子２は、回転軸３と軸方向が同じである。回転子２は、回転軸３に取り付けられており、回転軸３とともに固定子１に対して回転可能となっている。固定子１は、外壁側面がハウジング４の内壁側面に取り付けられており、固定子１とハウジング４とは密着している。すなわち、ハウジング４は、固定子１に密接配置されており、ハウジング４と固定子１との間に隙間はない。このため、ハウジング４と固定子１との間には、冷媒は流れない。固定子１は、回転子２の外壁側面と、固定子１の内壁側面とが対向するよう回転子２よりも外側に配置されている。すなわち、固定子１は、回転子２の径方向で回転子２に対向するよう配置されている。

回転子２は、回転軸３と、回転軸３の両端に配置されたベアリング５とを介して、ハウジング４に取り付けられている。回転子２と固定子１との間には隙間が存在しており、回転子２が回転可能となっている。

固定子１は、回転軸３と軸方向が同じであり、回転子２が配置される領域の側面を囲う領域に配置されている。すなわち、固定子１は、回転電機１００をＹＺ平面で切断し、マイナスＸ方向に向かって見た場合に円環状を成している。この円環状の領域のうち内側領域には、複数のコイル４１が配置されている。また、円環状の領域のうち外側領域には、ティース４２が配置されている。

ハウジング４は、回転子２および固定子１を囲う領域に配置されている。ベアリング５は、ハウジング４に対して回転軸３が回転自在となるようにハウジング４と回転軸３とを接続している。

回転軸３の一方の端部（図１では右側の端部）には、エンコーダ７が取り付けられている。エンコーダ７は、回転軸３の回転数を制御する。回転電機１００がガルバノスキャナである場合、回転軸３は、回転軸３を軸として回転往復運動を行うので、エンコーダ７は、回転軸３の回転角度を制御する。回転軸３の他方の端部（図１では左側の端部）には、取り付け治具８を介して、レーザ光（図示せず）を反射するミラー６が取り付けられている。

回転軸３が、回転軸３を軸として回転往復運動することで、ミラー６の角度が変わる。すなわち、回転軸３が、右回りまたは左回りに回転することで、ミラー６の角度が変わる。これにより、回転電機１００は、ミラー６に照射されたレーザ光を、ミラー６の回転角度に応じた所望の位置に反射させる。具体的には、エンコーダ７は、ミラー６の角度を少し変えた後にミラー６を停止させ、ミラー６の角度を再度変えてミラー６を停止させる処理を繰り返す。ミラー６は、所望の位置、すなわち所望の角度で停止することで、ミラー６の位置に応じた位置にレーザ光を照射し、これによりプリント基板などに穴があけられる。

ミラー６は、移動すなわち回転の際に、加速、減速、および停止を繰り返す。ミラー６は、特定量だけ回転した後に、逆方向に回転することで回転往復運動を行う。この回転往復運動には高速化が要求される。このため、回転電機１００では、回転子２が軽量化され、要求されるトルクを極力小さくしておく。

回転電機１００では、固定子１の周辺に水冷ジャケット（図示せず）が取り付けられ、水冷ジャケットが回転電機１００の全体を冷却する。回転電機１００における主な熱源は、固定子１と回転子２である。固定子１は、冷却ジャケットで冷やされることで十分な冷却が行われる。

また、固定子１は、冷却ジャケットで十分な冷却が行われない場合であっても、回転子２のように可動しないので回転子２よりも冷却量が少なくて済む。このため、固定子１は、ハウジング４の表面に水冷フィンを配置すること、またはハウジング４内に開口部を設けて開口部から冷媒を流すことで冷却されてもよい。

ガルバノスキャナは、誘導回転電機であり、固定子１で発生させた磁場の変動によって、ベアリング５で支えられた回転子２を回転させる。回転子２で発生した熱は、以下の経路Ｒ１から経路Ｒ３で放熱される。

経路Ｒ１は、回転子２で発生した熱が、回転子２から、固定子１と回転子２と間の隙間を介して熱伝導によって固定子１に伝わり、ハウジング４を経て放熱される経路である。経路Ｒ２は、回転子２で発生した熱が、回転子２と接触しているベアリング５を介して、ハウジング４を経て放熱される経路である。経路Ｒ３は、回転子２で発生した熱が、ミラー６などの回転軸３の端部に伝わり外気に放熱される経路である。

回転子２と固定子１との間が気体の場合、例えば、空気の場合、空気の物性値（熱伝導率）で放熱性能が決まる。また、ベアリング５を介した放熱は、ベアリング５内部の熱抵抗、および接触熱抵抗によって放熱性能が決まる。ミラー６などの回転軸３の端部に伝わった熱は、気体に放熱されるので、空気の物性値（熱伝導率）の制約によって放熱性能が決まる。

ここで、回転子２と固定子１との間が液体状の冷媒で満たされることで、熱伝導率は気体（空気）より高くなるので、冷媒を流さない場合であっても冷却性能は向上し、回転子２に対する冷却能力は大幅に強化される。また、液体は熱容量が空気より高いので、入熱に対する温度上昇が十分小さくなる冷媒が流されることで、さらに冷却能力を向上させることが可能となる。

ところで、回転シール（ロータリージョイント）を用いて、回転子を冷却する方法がある。この方法では、回転軸を配管に接続し、配管から回転軸に通水することで回転子を冷却する。しかしながら、この方法では以下の問題（１）から問題（３）がある。
問題（１）・・・回転子の内部に通水路となる配管を設ける必要があることから回転子が大型化する。
問題（２）・・・回転軸と配管との接続が必要であり、ミラー、エンコーダ等の回転軸の端部に機器を配置することが困難になる。
問題（３）・・・回転シールの摩擦力が増加することによって必要なトルクが増加する場合がある。

このように、回転シールを用いた冷却にはデメリットが多い。特に、高速に加速、減速、および停止を繰り返す場合には、そのデメリットが顕著である。

したがって、実施の形態１の回転電機１００は、回転シールを用いずに冷媒を流入および流出させる。このため、回転電機１００は、ハウジング４の径方向にハウジング４を貫通して回転子２と固定子１との間の隙間に至る冷媒の流入流路（以下、流入流路９という）を備えている。流入流路９は、Ｚ軸方向に平行な流路である。流入流路９は、ハウジング４の上側から、回転子２のＸ軸方向の中心部に向かって、回転子２と固定子１との間の隙間まで延設されている。

また、回転電機１００は、ハウジング４の径方向に、回転子２と固定子１との間の隙間から固定子１およびハウジング４を貫通して冷媒を排出する第１の冷媒排出流路（以下、排出流路１０という）を備えている。すなわち、回転電機１００には、ハウジング４の外部から液体状の冷媒を流入する流入流路９およびハウジング４の外部へ冷媒を排出する排出流路１０が設けられている。排出流路１０は、Ｚ軸方向に平行な流路である。図１では、Ｚ軸方向に平行な排出流路１０が、複数配置されている場合を示している。

このように、回転電機１００は、流入流路９および排出流路１０を備えているので、上述のデメリットを避けて、回転子２の冷却強化を実現することができる。

ここで、比較例の回転電機が有する流路構造について説明する。比較例の回転電機は、固定子の冷却を主目的とした回転電機である。比較例の回転電機は、ハウジングの径方向にハウジングを貫通して固定子に至る冷媒の流入流路を備えている。また、比較例の回転電機は、ハウジングの径方向に、固定子からハウジングを貫通して冷媒を排出する１つの排出流路を備えている。

比較例の回転電機が備える流入流路は、回転軸の軸方向に延設された延設流路が接続されている。この延設流路は、ハウジングと固定子との間に配置されている。また、比較例の回転電機は、固定子が有している、コイルとティースとの間の隙間を隙間流路として利用している。このような構成により、比較例の回転電機は、固定子を冷却しているが、冷媒の大部分が延設流路を介してハウジングの下側に流れるので、冷媒の大部分は回転子の表面に届くことがない。比較例の回転電機では、コイルとティースとの間の隙間から漏れ出た僅かな冷媒が回転子にかかり、僅かな冷媒で回転子が冷却されるだけなので回転子の冷却能力が抑制される。このため、回転子を冷却するには、大量の冷媒流量が必要となる。

また、比較例の回転電機では、冷媒の排出流路側に対し、回転子と固定子との間の隙間領域には、回転軸の軸方向に延設された流路が配置されていない。また、比較例の回転電機では、排出流路が１つしかない。このため、比較例の回転電機では、回転子を冷却した冷媒が排出されにくい。

また、比較例の回転電機は、冷媒の流入流路に延設流路が接続されているので、固定子または回転子の端部に達した冷媒がベアリングに到達しやすい。このため、ベアリングとハウジングとの間の隙間から冷媒が漏れ出てそのまま外部に放出されやすい。そして、冷媒が大量に漏れ出るので、固定子および回転子の両方を冷却するためには多くの冷媒流量が必要となる。したがって、固定子および回転子の端部と、ハウジングとの間の隙間に冷媒が充填されやすく、結果として、ベアリングとハウジングとの間の隙間から漏れる冷媒の量が多くなり、多くの冷媒が無駄になる。

一方、実施の形態１の回転電機１００では、ハウジング４を貫通して回転子２と固定子１との間の隙間に至る冷媒の流入流路９は、密着した固定子１とハウジング４との間を貫通している。このため、流入流路９を通ってきた冷媒は、固定子１とハウジング４との間の隙間といった回転子２以外の箇所には拡散せず、固定子１と回転子２との間の隙間に、そのまま流れる。

また、回転電機１００では、複数の排出流路１０が、ハウジング４の下方に配置されているので、回転子２を冷却した冷媒が排出されやすい。

また、回転電機１００では、筒状領域に配置されている固定子１のうちの側面の下側の一部に溝が形成されている。この溝が、第２の冷媒排出流路（以下、排出流路１１Ａという）である。排出流路１１Ａは、回転軸３の軸方向であるＸ方向に平行であり、回転子２の外壁側面と排出流路１０とを接続している。この排出流路１１Ａは、回転子２の下側（マイナスＺ方向）に形成されている。排出流路１１Ａの一部は、排出流路１０と重なっている。

このように、Ｘ方向に延びる排出流路１１Ａは、回転子２と固定子１との間の隙間と、排出流路１０とを連通している。これにより、回転子２と固定子１との間の隙間に流入した冷媒は、排出流路１１Ａを介して排出流路１０に流れる。

なお、排出流路１１Ａは、回転子２と固定子１との間の隙間から、ハウジング４と回転子２との接続面まで延びていてもよいし、ハウジング４の内部まで延びていてもよい。

回転電機１００では、回転子２の冷却に最低限必要な流量の冷媒が、流入流路９から流入され、冷媒が回転子２と固定子１との間の隙間に流入してから、回転子２の円柱領域の表面を流れて回転子２を冷却する。回転子２を冷却した冷媒は、排出流路１１Ａから排出流路１０に流れ、排出流路１０から速やかに排出される。これにより、回転電機１００は、冷媒流量の増加を抑えるとともに、ベアリング５からの冷媒の漏れ量を抑制しつつ、回転子２への冷却強化が可能になる。すなわち、回転電機１００は、冷媒の流量を絞って回転子２を効率良く冷却できる。

ここで、冷媒による回転子２の冷却処理を回転電機１００の簡単なモデルを用いて説明する。ここでは、簡略化のため、回転子２と固定子１との間の隙間が回転子２の全面で均一であると仮定する。この場合、冷媒の流れにくさ（圧力損失）は、冷媒の流路の長さに比例する。

流入流路９の出口から排出流路１０の入り口までの最短の長さは、回転子２の円周の半分である。すなわち、回転子２の表面を流れる冷媒の最短経路は、回転子２の円周の半分である。したがって、回転子２の軸長の半分の長さが、回転子２の円周の半分の長さよりも長い場合、流体である冷媒の多くは回転子２の端部に達することなく、回転子２の排出流路１１Ａに達する。回転子２の端部に達する冷媒には、回転子２の冷却に寄与する量が少ない場合がある。この場合、冷媒による冷却効率が下がる。すなわち、回転電機１００では、回転子２の軸長が、回転子２の周長より長い場合に、効率良く回転子２を冷却できる。

なお、冷媒には表面張力等もあるが、回転子２の表面全面に冷媒は広がる。回転電機１００では、流入流路９が回転子２のＸ軸方向の中心部に向かって延びており、回転子２のＸ軸方向の中心部から冷媒が流れ込む。このため、回転子２の表面領域のうち、回転子２の端部に近い領域では冷媒の流量が少なくなり、冷媒が淀んだ状態になる場合が多い。この場合であっても、固定子１と回転子２との間の隙間に冷媒が存在していれば、冷媒が流れていなくても冷却効果があるので、回転子２の冷却性能が向上する。

排出流路１１Ａは、固定子１と回転子２との間の隙間を流れた冷媒を、スムーズに排出流路１０に導くために十分な太さになっている。すなわち、排出流路１１Ａは、冷媒をスムーズに排出流路１０に導くために、ＹＺ平面で切断した場合の断面積が、十分な大きさになっている。冷媒が排出流路１１Ａを移動する距離が長くなるほど、圧力損失が大きくなる。このため、回転電機１００では、排出流路１０が複数配置されており、冷媒が排出されやすくなっている。すなわち、回転電機１００では、排出流路１１Ａに接続されたＺ軸方向に延びた複数の排出流路１０が、回転軸３の軸方向であるＸ軸方向に沿って並べられているので、冷媒が排出されやすい。

なお、上述したモデルは、回転子２と固定子１との間の隙間が回転子２の全面で均一であると仮定して説明を簡略化しているが、回転電機１００の特徴を示すモデルであり、必ずしも全面が均一である必要はない。また、回転子２の回転とともに冷媒も回転方向に引きずられるので、冷媒は回転によって下方に流れ易くなっている。

図２に示した排出流路１１Ａは、２つのコイル４１の間に挟まれた領域と、ティース４２の領域と、ハウジング４の領域とに渡って配置されている。すなわち、排出流路１１Ａは、２つのコイル４１の間に挟まれた領域と、ティース４２の領域の一部と、ハウジング４の領域の一部とが除去されることによって作製されている。排出流路１１Ａが大きくなると、磁束の分布を部分的に不均一にさせるので、冷媒の排出性能に応じて排出流路１１Ａの大きさは設定される。

このように、回転電機１００は、流入流路９が回転子２の径方向に設けられてハウジング４および固定子１を貫通し、回転子２まで至っている。また、回転電機１００は、流入流路９と連通する軸方向の流路として、固定子１と回転子２との間に設けられた排出流路１１Ａを有している。この構成により、回転電機１００は、効率良く回転子２を冷却できるとともにベアリング５からの冷媒の漏れを抑制できる。

つぎに、図３から図５を用いて、排出流路１１Ａの別構成例について説明する。図３は、実施の形態１にかかる回転電機の第１の別構成例を示す図である。図４は、実施の形態１にかかる回転電機の第２の別構成例を示す図である。図５は、実施の形態１にかかる回転電機の第３の別構成例を示す図である。図３から図５では、図１におけるII-II断面図を示している。

図３に示すように、第２の冷媒排出流路の第１の別構成例である排出流路１１Ｂは、２つのコイル４１の間に挟まれた領域と、ティース４２の領域とに渡って配置されている。換言すると、排出流路１１Ｂは、ハウジング４までは到達していない。この場合も、排出流路１０は、ハウジング４の外部から回転子２と固定子１との間の隙間まで延びており、排出流路１０と排出流路１１Ｂとは接続されている。

図４に示すように、第２の冷媒排出流路の第２の別構成例である排出流路１１Ｃは、２つのコイル４１の間に挟まれた領域に配置されている。換言すると、排出流路１１Ｃは、ティース４２の領域およびハウジング４の何れにも到達していない。この場合も、排出流路１０は、ハウジング４の外部から回転子２と固定子１との間の隙間まで延びており、排出流路１０と排出流路１１Ｃとは接続されている。

図５に示すように、第２の冷媒排出流路の第３の別構成例である排出流路１１Ｄは、ティース４２の領域のみに配置されている。換言すると、排出流路１１Ｄは、２つのコイル４１の間に挟まれた領域、およびハウジング４の領域の何れにも配置されていない。この場合も、排出流路１０は、ハウジング４の外部から回転子２と固定子１との間の隙間まで延びており、排出流路１０と排出流路１１Ｄとは接続されている。

このように、回転電機１００では、第２の冷媒排出流路が、２つのコイル４１の間に挟まれた領域、ティース４２の領域、およびハウジング４の領域の少なくとも１か所に配置されている。

第２の冷媒排出流路は、冷媒の排出性能と回転電機１００の性能を見据えながら、適切なサイズ、および配置位置が設定される必要がある。なお、実施の形態１では、ティース４２がコイル４１間に配置されているが、配置されていない場合であっても、配置されている場合と同様の第２の冷媒排出流路があれば、配置されている場合と同様の効果がある。

つぎに、回転電機１００の運用例について説明する。図６は、実施の形態１にかかる回転電機の運用例を説明するための図である。なお、図６では、冷媒の排出流路１１Ａでの水位を水位７２として図示している。

回転電機１００は、チラー７０に接続されている。回転電機１００は、チラー７０から冷媒が供給されるとともに、冷却に用いた冷媒をチラー７０に戻す。

回転電機１００では、チラー７０から流入流路９に入れられた冷媒が、固定子１と回転子２との間に送られて回転子２を冷却する。冷却に用いられた冷媒は、重力によって排出流路１１Ａに送られ、排出流路１１Ａから排出流路１０に送られる。さらに、排出流路１０の冷媒は、重力によって降下し、チラー７０に送られる。チラー７０に送られた冷媒は、再び流入流路９に送られる。

実施の形態１では、回転子２の冷却に最低限必要な流量の冷媒のみを、流入流路９から流入するので、冷媒の流量は、固定子１および回転子２の全体を冷却する場合と比較して少なくてよい。また、回転電機１００は、排出流路１１Ａと、複数の排出流路１０とを有しているので、冷媒の排出が容易な構造となっている。これにより、回転電機１００は、図６に示すように、冷媒の水位７２がベアリング５に達しない状態を実現することができる。したがって、回転電機１００は、ベアリング５とハウジング４との間の隙間から漏れる冷媒の量を抑制することが可能になる。

なお、図６では、排出流路１０から排出された冷媒が重力で排出流路１０の下部側のチラー７０に滴下される構造となっているが、回転電機１００は、ポンプを用いて、排出流路１０から排出された冷媒をチラー７０に送り出してもよい。この場合、排出流路１０から流出した冷媒を集めるヘッダ領域をハウジング４に形成しておく。そして、回転電機１００は、ヘッダ領域からポンプで冷媒をチラー７０に排出する。

また、図６では、冷媒の水位７２がベアリング５に達しない状態を示しているが、固定子１または回転子２の端部と、ハウジング４との間の隙間（以下、端部隙間という）に冷媒が溜まる場合がある。仮に、端部隙間に冷媒が溜まったとしても、回転電機１００は、冷媒の流量が抑制されていること、冷媒の排出が容易であることから、端部隙間の内圧を小さくすることができる。これにより、回転電機１００は、ベアリング５とハウジング４との間の隙間から漏れる冷媒の量を抑制することが可能となる。

なお、回転子２の端部または固定子１の端部と、ハウジング４との間には、特定の体積を有した空間が設けられている。このため、端部隙間の冷媒は、回転子２の端部の壁面に沿って流れ、固定子１から垂れて排出流路１１Ａに到達する。

回転電機１００では、流入した冷媒を他の箇所に拡散させず固定子１と回転子２との間の隙間にそのまま流される流路を実現するため、固定子１内のコイル４１、固定子１内のティース４２、およびハウジング４が樹脂でモールドされていてもよい。

また、回転電機１００は、ベアリング５とハウジング４との間の隙間に対してワニスを用いて隙間が塞がれてもよいし、固定子１の端部に冷媒の流出を止める板が配置されてもよい。これらの場合も、回転電機１００は、固定子１と回転子２との間の隙間に冷媒を流しつつ、固定子１の端部に冷媒が流出することを防止できる。

このように、回転電機１００は、ハウジング４を貫通して回転子２と固定子１との間の隙間に至る冷媒の流入流路９が、密着した固定子１とハウジング４との間を通過して回転子２の表面まで延びている。すなわち、回転電機１００は、固定子１とハウジング４との間の隙間に冷媒が流入するのを防止し、回転子２の表面にのみに冷媒を流す構造となっている。また、回転電機１００は、複数の排出流路１０がハウジング４の下方に配置されているので、冷媒の排出が容易になり、これにより回転子２の冷却を強化できる。さらに、回転電機１００は、冷媒がベアリング５の端部に到達しにくい構造であるとともに、ベアリング５とハウジング４との間の隙間に圧力がかかりにくい構造となっている。これにより、回転電機１００は、冷媒の漏れ量を極小化することが可能である。

このように、実施の形態１によれば、回転電機１００において、流入流路９は、密着した固定子１とハウジング４とを貫通し、固定子１と回転子２との間まで延びているので、効率良く回転子２を冷却できる。また、回転電機１００は、冷媒が回転子２の表面を伝って排出流路１０から排出されるので、ベアリング５からの冷媒の漏れを抑制することができる。

実施の形態２．
つぎに、図７から図１１を用いて実施の形態２について説明する。実施の形態１では、ベアリング５とハウジング４との間の接触部に隙間が存在しており、ハウジング４の内部は、完全に密封された状態ではない。実施の形態２では、回転電機が、回転軸３とハウジング４との間の隙間から漏れ出た冷媒を下方に流す流路を有している。

図７は、実施の形態２にかかる回転電機の構成を示す断面図である。図７の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の回転電機１００と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

回転電機１０１は、回転電機１００が備える構成要素に加えて、排出部４３，４４を備えている。排出部４３，４４は、それぞれ円柱状のハウジング４の上面および下面に配置されている。すなわち、排出部４３，４４は、ベアリング５よりも外側に配置されている。

なお、排出部４３，４４は、同様の構成を有しているので、以下では排出部４３の構成について説明する。また、以下では、ハウジング４の上面および下面のうちプラスＸ方向の面を上面とし、マイナスＸ方向の面を下面とする。

排出部４３は、例えば、板状部材で構成されている。排出部４３は、板状部材の下面がハウジング４の上面に接合され、上面がミラー６の側面に対向している。回転軸３は、排出部４３を構成する板状部材の特定の位置（例えば中心部）を貫通している。すなわち、排出部４３には、板状部材に対してＸ軸方向にあけられた貫通穴が形成されている。また、排出部４３は、貫通穴からマイナスＺ方向に延びる溝が形成されている。

回転電機１０１では、排出部４３のマイナスＺ方向に延びる溝によって排出部４３とハウジング４との間に隙間が形成されている。この隙間が第３の冷媒排出流路（以下、排出流路１２という）である。排出流路１２は、回転軸３とハウジング４との境界から下方に向かって延びている。すなわち、冷媒が回転軸３に沿ってハウジング４の上面から流出した場合に、冷媒が、排出流路１２に沿って流れるように排出流路１２が設けられている。排出流路１２は、回転軸３を介して流れてくる冷媒をチラー７０に向けて流す流路である。

排出部４３と回転軸３との間には隙間が存在しているが、ベアリング５とハウジング４との間の隙間は小さく、圧力損失が大きいこと、ベアリング５とハウジング４との間の隙間に圧力がほとんどかからない。したがって、冷媒は、ハウジング４が傾けられた場合にベアリング５から滲み出る程度の流量であり噴出しない。ハウジング４の上面から流出した冷媒は、排出部４３の下面とハウジング４の上面との間の隙間である排出流路１２に沿ってマイナスＺ方向に流れる。すなわち、滲み出た微量の冷媒は重力でハウジング４の上面を伝って下に流れ、チラー７０で回収される。

図８は、実施の形態２にかかる回転電機が備えるハウジングの別構成例を説明するための図である。図８では、ハウジング４の上面４７の一部の断面構成を示している。ハウジング４の別構成例では、ハウジング４と回転軸３と間の隙間部分において、ハウジング４の一部がカットされて傾けられている。具体的には、別構成例のハウジング４は、ハウジング４のうち、回転軸３の下側の領域で且つ排出部４３に対向する領域である被カット領域４５が削ぎ落とされている。被カット領域４５は、ハウジング４の上面４７の一部と、ハウジング４に設けられた貫通穴の壁面の一部とを含んでいる。被カット領域４５が削ぎ落されたハウジング４は、上面４７に非平行で且つ回転軸３とも非平行なカット面４６を有している。カット面４６は平面であってもよいし曲面であってもよい。

このような構成により、ハウジング４と回転軸３と間の隙間を伝ってきた冷媒は、カット面４６を伝ってハウジング４の上面４７を下に向かって流れる。ハウジング４と回転軸３と間の隙間は、水平方向に延びる流路となっているのに対し、カット面４６は、水平方向から傾いた流路となっている。このため、冷媒は、カット面４６において下側に流れやすくなっている。

なお、ハウジング４は、カット面４６および上面４７の少なくとも一方に冷媒を流す溝が形成されていてもよい。溝が形成されたカット面４６の壁面形状と、上面４７の壁面形状とは同様の構成を有しているので、ここではカット面４６の壁面形状について説明する。

図９は、実施の形態２にかかる回転電機が備えるハウジングの壁面形状の例を示す図である。図９に示すハウジング４の壁面形状は、カット面４６の壁面形状である。カット面４６には、直線状に延びる複数の溝部５１が設けられている。溝部５１が冷媒を流す溝である。溝部５１は、回転軸３の配置されている位置から、マイナスＺ方向に対して特定の角度（例えば４５度）だけ傾いた方向に延設されている。各溝部５１は交わらないようカット面４６上に並べられている。各溝部５１の一端はハウジング４の貫通穴に繋げられており、他端はハウジング４の上面４７に繋げられている。

このように、カット面４６には、溝部５１が形成されているので、冷媒は、溝部５１に沿って下方に流れやすくなる。また、上面４７に溝部５１が形成される場合も、冷媒は、溝部５１に沿って下方に流れやすくなる。なお、カット面４６および上面４７の両方に溝部５１が形成される場合には、カット面４６の溝部５１と、上面４７の溝部５１とが繋がるように溝部５１が配置される。

つぎに、回転電機１０１の運用例について説明する。図１０は、実施の形態２にかかる回転電機の運用例を説明するための図である。なお、図１０では、冷媒の排出流路１１Ａでの水位を水位７２として図示している。

回転電機１０１は、チラー７０に接続されている。回転電機１０１は、チラー７０から冷媒が供給されるとともに、冷却に用いた冷媒をチラー７０に戻す。

回転電機１０１では、チラー７０から流入流路９に入れられた冷媒が、固定子１と回転子２との間に送られて回転子２を冷却する。冷却に用いられた冷媒は、重力によって排出流路１１Ａに送られ、排出流路１１Ａから排出流路１０に送られる。排出流路１０の冷媒は、重力によって降下し、チラー７０に送られる。

また、回転軸３とハウジング４との間から漏れ出した冷媒は、排出流路１２に流れる。排出流路１２の冷媒は、重力によって降下し、チラー７０に送られる。チラー７０に送られた冷媒は、再び流入流路９に送られる。

実施の形態２では、排出流路１０，１２から排出された冷媒が重力で下方に滴下される場合について説明したが、排出流路１０，１２から排出された冷媒は、他の流路を介してチラー７０に送られてもよい。排出流路１０，１２から排出された冷媒は、例えば、ハウジング４に設けられたヘッダ部から排出されてもよい。

図１１は、実施の形態２にかかる回転電機の別構成例を示す断面図である。図１１では、回転電機１０２が備えるハウジング４にヘッダ部５５が設けられている。ヘッダ部５５は、ハウジング４の底側、すなわちマイナスＺ方向に取り付けられている。

ヘッダ部５５は、プラスＸ方向に延びる排出流路５６と、マイナスＸ方向に延びる排出流路５７とを有している。排出流路５６は、排出流路１０から流れてくる冷媒と、排出部４４によって形成された排出流路１２から流れてくる冷媒とをプラスＸ方向に排出する流路である。排出流路５７は、排出部４３によって形成された排出流路１２から流れてくる冷媒をマイナスＸ方向に排出する流路である。なお、排出流路５６，５７は、何れの方向に冷媒を流してもよい。

このように実施の形態２によれば、ハウジング４の外側にチラー７０に接続された排出流路１２が設けられているので、回転軸３とハウジング４との間の隙間から漏れ出た冷媒を容易にチラー７０に送ることができる。

実施の形態３．
つぎに、図１２を用いて実施の形態３について説明する。実施の形態３では、回転シールによってハウジング４と回転軸３との間の隙間から漏れ出る冷媒を防止する。

図１２は、実施の形態３にかかる回転電機の構成を示す断面図である。図１２の各構成要素のうち図７に示す実施の形態２の回転電機１０１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

回転電機１０３は、回転電機１０１が備える構成要素に加えて、回転シール１３，１４を備えている。回転シール１３，１４は、ハウジング４内で回転軸３上に配置されている。回転シール１３は、マイナスＸ方向のベアリング５とミラー６との間に配置されており、回転シール１４は、プラスＸ方向のベアリング５とエンコーダ７との間に配置されている。

なお、回転シール１３，１４は、同様の構成を有しているので、以下では回転シール１３の構成について説明する。回転シール１３は、回転電機１０３の可動部である回転軸３と、固定部であるハウジング４との間に配置され、回転軸３およびハウジング４をシール部材で押し当てる。これにより、回転シール１３は、回転軸３とハウジング４との間の隙間に対してシールを行い、冷媒の漏れを防止する。

回転シール１３は、回転軸３およびハウジング４に接触する摺動部を有している。回転シール１３は、摺動部の押し付け圧力を高くすることで、シール性が向上する。回転電機１０３は、実施の形態１で説明した回転電機１００と同様に、ベアリング５とハウジング４との間の隙間は小さく、圧力損失が大きいこと、ベアリング５とハウジング４との間の隙間に圧力がほとんどかからないことから、冷媒はハウジング４が傾けられた場合に滲み出る程度の流量であり噴出しない。

このため、摺動部の押し付け圧力は小さくてもよい。摺動部の押し付け圧力が高い場合には、摺動部の摩擦力が増加するので回転軸３に必要なトルクが増加するが、回転シール１３は、小さな押し付け圧力で冷媒の漏れを防止できるので、回転軸３に必要なトルクの増加を抑制することができる。

このように実施の形態３によれば、回転電機１０３が回転シール１３，１４を備えているので、回転軸３に必要なトルクの増加を抑制しつつ冷媒の漏れを防止できる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 固定子、２ 回転子、３ 回転軸、４ ハウジング、５ ベアリング、６ ミラー、７ エンコーダ、８ 取り付け治具、９ 流入流路、１０，１１Ａ～１１Ｄ，１２，５６，５７ 排出流路、１３，１４ 回転シール、４１ コイル、４２ ティース、４３，４４ 排出部、４５ 被カット領域、４６ カット面、４７ 上面、５１ 溝部、５５ ヘッダ部、７０ チラー、７２ 水位、１００～１０３ 回転電機。

Claims (10)

1. 第１の方向が軸方向である回転軸と、
   前記回転軸と軸方向が同じであり前記回転軸に取り付けられて前記回転軸とともに回転する回転子と、
   前記回転軸と軸方向が同じであり前記回転子が配置される領域の側面を囲う領域に配置された固定子と、
   前記回転子および前記固定子を囲う領域に配置されたハウジングと、
   を備え、
   前記ハウジングの外部から液体状の冷媒を流入する流入流路および前記ハウジングの外部へ前記冷媒を排出する第１の冷媒排出流路が設けられており、
   前記流入流路は、前記ハウジングの上側から前記第１の方向に垂直な第２の方向に延設されて前記ハウジングおよび前記固定子を貫通し前記回転子の上側に至り、
   前記第１の冷媒排出流路は、前記回転子の下側から前記第２の方向に延設されて前記固定子および前記ハウジングを貫通し前記ハウジングの外側に至り、
   前記固定子と前記ハウジングとは密着し、且つ前記流入流路は、密着した前記固定子と前記ハウジングとを貫通し前記回転子の上側に設けられた前記固定子と前記回転子との間の隙間まで繋がっており、
   さらに、前記流入流路に入れられた前記冷媒を前記回転子の下側から前記第１の冷媒排出流路まで流す第２の冷媒排出流路が設けられ、
   前記第２の冷媒排出流路は、前記回転子の下側で前記第１の方向に延設されるとともに少なくとも前記固定子の内部に形成され、且つ前記回転子の下側に設けられた前記回転子と前記固定子との間の隙間と、前記第１の冷媒排出流路とに繋げられている、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記流入流路から流入した冷媒は、全て前記固定子と前記回転子との間の隙間に供給され前記回転子を外周面から冷却する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第２の冷媒排出流路は、前記第１の方向が長手方向であり、
   前記第２の冷媒排出流路の径方向内側の一端は、前記固定子の前記軸方向の一端側から他端側まで前記軸方向に沿って延設されるとともに前記固定子と前記回転子との間の隙間に接続し、
   前記第２の冷媒排出流路の径方向外側の他端は、前記固定子の前記軸方向の一端側から他端側まで前記軸方向に沿って延設されるとともに前記第１の冷媒排出流路と接続する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記第２の冷媒排出流路の径方向外側の他端は、前記ハウジングまで延設されている、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の回転電機。
5. 前記第１の冷媒排出流路は、前記流入流路よりも多数配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の回転電機。
6. 前記固定子は、前記第１の方向に沿って配置された、ティースおよび複数のコイルを有し、
   前記第２の冷媒排出流路は、前記コイル間、前記ティース、および前記ハウジングの少なくとも１つを前記第１の方向に向かって貫通している、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１つに記載の回転電機。
7. 前記第１の冷媒排出流路は複数からなり、それぞれの前記第１の冷媒排出流路は前記第２の方向に平行に並べられている、
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１つに記載の回転電機。
8. 前記ハウジングと前記回転軸とを接続するベアリングをさらに備え、
   前記ベアリングおよび前記ハウジングの外側には、前記回転軸を介して流れてくる前記冷媒をチラーに向けて流す第３の冷媒排出流路が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１から７の何れか１つに記載の回転電機。
9. 前記第３の冷媒排出流路には、前記冷媒を流す溝が形成されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
10. 前記ベアリングと前記第３の冷媒排出流路との間に配置されて、前記ハウジングと前記回転軸との間の隙間を埋める回転シールをさらに備える、
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の回転電機。

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