JP7455057B2 - 回転電機、電動ホイールおよび車両 - Google Patents

Description

本発明は鉄道車両、自動車、建設機械などに搭載される回転電機に関わる。

電動化の進展に伴う小型・軽量ニーズに対応するため、モータ大径化によるトルク密度向上および機械ギアレス化が望まれている。モータ大径化時におけるギャップ精度を確保するためには、積み上げ公差の影響を最小化する目的で、ギャップ径と同程度の径の軸受を用いることが望ましい。

特許文献１には、回転子を支持する回転子側ケースと、固定子を支持する固定子側ケースと、回転子側ケースと固定子側ケースとを結合する軸受と、を備えた回転電機が開示されている。特許文献１には、軸受の径が、ギャップ径と同程度の大きさであることが示されている。

特開２００５－３３３７０５号公報

上述したように、トルク密度の向上のためには回転電機の径を大きくすることが有効であるが、回転電機の径が大きくなるとギャップ精度の確保のために軸受の径も大きくなる。しかしながら、軸受の径が大きくなるほど、摺動距離および周速が大きくなるため、摺動損失が増加して回転電機の効率が低下する点が課題である。

加えて従来の設計思想では、軸受の動作温度として、回転電機の周囲温度近傍で使用することが推奨されている。これは、温度上昇に伴う軸受の転動体の熱膨張によって、軸受内部すきまが縮小するので、転動体と内輪・外輪との摺動摩擦やかじりが発生するリスクが高まるためである。しかしながら、軸受の動作温度を周囲温度近傍に維持した場合には、軸受の潤滑油が高粘度な状態となるので、前述した摺動損失がさらに顕著に増加することとなる。なお、軸受が大きくなるほど放熱面積が大きくなり、軸受本体の冷却性が高まる。しかしながら、軸受本体が冷却されてしまうと潤滑油の高粘度な状態が維持されてしまうので、この観点からも軸受の径が大きいほど、摺動損失が増加しやすい。

このように、従来の回転電機では、軸受本体の構造的な要因と、運用上の要因の両面で軸受の摺動損失の増加を回避することが困難であった。

本発明は、軸受の摺動損失を低減し、回転電機の効率を向上することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明には様々な実施形態を含むが、その一例をあげると、本発明の回転電機は、複数のコイルおよび前記複数のコイルが巻回された固定子コアを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自由に支持された回転子と、前記回転子を保持する回転子ケースと、前記回転子ケースを回転自由に支持する第１軸受と第２軸受と、を備える回転電機であって、前記固定子コアから突出したコイルエンド部に冷媒を流す第１流路を形成する第１流路形成体と、前記第１軸受の収納空間を形成するとともに前記第１流路形成体の前記第１流路と繋がりかつ当該収納空間を冷媒で充填する第１ケース部と、前記コイルエンド部とは軸方向反対側に配置されるコイルエンド部に冷媒を流す第２流路を形成する第２流路形成体と、前記第２軸受の収納空間を形成するとともに前記第２流路形成体の前記第２流路と繋がりかつ当該収納空間を冷媒で充填する第２ケース部と、を備える。

本発明によれば、軸受の摺動損失を低減し、回転電機の効率を向上することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施例における回転電機断面の説明図。 本発明の第１の実施例における軸受内部すきまの説明図。 軸受摩擦係数と軸受の潤滑油の粘度の関係の説明図。 軸受の潤滑油の温度と粘度の関係の説明図。 本発明の第１の実施例における回転電機断面の変形例の説明図。 本発明の第１の実施例における回転電機断面の別の変形例の説明図。 本発明の第１の実施例における回転電機断面のさらに別の変形例の説明図。 本発明の第２の実施例における電動ホイールの模式的断面図。 本発明の第２の実施例における電動ホイールの分解斜視図。 本発明の第３の実施例における車両の模式的平面図。 本発明の第４の実施例における車両の模式的平面図。 本発明の第４の実施例における車両の変形例の模式的平面図。 本発明の第５の実施例における車両に搭載される制御装置の機能ブロック図。 従来技術と本発明の比較説明図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。以下の説明では自動車、鉄道車両など可変速駆動の回転電機を対象としているが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、一定速を含む回転電機全般に適用可能である。また、回転電機は永久磁石同期機でもよいしその他の回転機でもよい。また、以下の説明では主に外転型の回転電機を対象としているが、内転型の回転電機でもよい。また、コイルの材質は銅でも良いしアルミニウムでもよいし、その他の導電材料でもよい。また、軸受は玉軸受でもよいし、その他の軸受でもよい。また、主に油などの液体冷媒を対象としているが、その他の冷媒でもよい。

以下、図１乃至３Ｂを用いて、本発明の第１の実施例について説明する。また、図１３を用いて従来技術と本発明の比較について説明する。図１は本発明の第１の実施例における回転電機断面の説明図である。図２は本発明の第１の実施例における軸受内部すきまの説明図である。図３Ａは軸受摩擦係数と軸受の潤滑油の粘度の関係の説明図であり、図３Ｂは軸受の潤滑油の温度と粘度の関係の説明図である。図１３は従来技術と本発明の比較説明図である。

まず、従来技術と本発明の違いについて説明する。図１３に示すように、軸受の摺動損失は軸受温度の増加に伴い減少する傾向にある。これは軸受温度の上昇に伴い、軸受の潤滑油の粘度が低下し、摺動摩擦が低下するためである。ただし、図１３に示す軸受温度とは、従来の設計思想において一般的に採用される数値範囲を指す。すなわち、横軸の中央部は回転電機の平均的な使用状態における周囲温度Ｔ０、横軸の下限は回転電機の使用環境温度下限値Ｔｍｉｎ、横軸の上限は回転電機の運転時上限温度Ｔｍａｘである。

Ｔｍａｘは、一般に軸受内部のすきま（以下、軸受内部すきま）が維持される状態、すなわち転動体が軸受の内輪および外輪と所定のギャップを確保している状態で、かつ回転電機の運転を許容する最大温度として設定される。軸受温度がＴｍａｘを超過すると、玉やころなどの転動体の熱膨張によって、軸受内部すきまが縮小し、転動体が摺動摩擦を起こすため摺動損失が増加する。ワーストケースでは転動体と内輪および外輪とのかじりが発生するため、軸受の破損や回転電機のロック、それに伴う過電流の発生、さらにはコイルの焼損などに繋がるリスクがある。このため、Ｔｍａｘは、軸受内部すきまを十分確保できるように裕度を持った数値に設計されている。

図１３を参照して、大形軸受と小形軸受の軸受温度に対する摺動損失の違いについて説明する。大形軸受とは、呼び軸受外径が約１８０ｍｍから約８００ｍｍまでの軸受のことを指し、小形軸受とは、呼び軸受内径が１０ｍｍ以上で、呼び軸受外径が約８０ｍｍまでの軸受のことを指す。

図１３に示すように、大形軸受では、小形軸受に対して摺動損失が大きくなるほか、軸受温度の依存性（図１３のグラフの傾き）が大きくなる。前者の理由は、大形軸受では摺動距離および周速が大きくなるためである。後者の理由は、軸受潤滑油と転動体との接触面積が増加することで、潤滑油の粘性の影響を受けやすくなるためである。加えて従来の設計思想では、軸受の動作温度として、回転電機の平均的な使用状態における周囲温度Ｔ０の近傍で使用することが推奨されている。しかしながら、軸受の動作温度をこのように設計した場合、軸受潤滑油の高粘度な状態が維持されるので、摺動損失もまた高い水準にとどまる。また、大形軸受は放熱面積が大きくなるので、小形軸受と比較すると、軸受本体の冷却性は優れている。一方で、軸受本体が冷却されてしまうと潤滑油の高粘度な状態が維持されてしまうので、この観点からも大形軸受ではＴ０近傍の温度に落ち着きやすく、摺動損失が高い水準にとどまりやすい。

本発明ではこのような課題に対して、軸受の動作温度を高温側にシフトして使用する方法を考案した。Ｔｍａｘに近い温度で、かつＴｍａｘを超過しないような温度で使用できれば、軸受内部すきまが過剰に縮小することは無い。一方で、軸受温度が上昇するので、潤滑油の粘度を下げることができ、これによって摺動損失を大幅に低減できる。したがって、軸受の長期信頼性を確保しながら、摺動損失を低減した高効率な回転電機を提供できると考えた。この具体的な手段に関して、図１を用いて以下に説明する。

図１は本発明の第１の実施例における回転電機断面の説明図である。回転電機８００は、複数のコイル（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル）６００および複数のコイル６００が巻回された固定子コア８０１ｃを有する固定子８０１と、固定子８０１に対して所定のギャップを介して回転自由に支持された回転子８０２と、を備える。回転子８０２は回転子ケース４００によって保持され、回転子ケース４００は第１軸受２０１および第２軸受２０２によって回転自由に支持される。

固定子８０１は固定子ケース５００によって保持される。さらに固定子ケース５００は固定子保持部材３００によって保持される。固定子ケース５００と固定子保持部材３００は別部品で構成しても良いし、一体部品で構成しても良い。

回転子ケース４００は、円筒状であり、回転子ケース４００の軸方向一端側（図示左端側）に第１ケース部４０１が設けられ、回転子ケース４００の軸方向他端側（図示右端側）に第２ケース部４０２が設けられている。固定子ケース５００と、回転子ケース４００と、第１ケース部４０１と、第２ケース部４０２とによって、固定子８０１および回転子８０２が収容される空間が形成される。この空間には図示しない注入孔から冷媒が注入され、空間内に冷媒が充填される。

固定子コア８０１ｃから突出したコイル６００の端部であるコイルエンド部６０１の近傍には、コイルエンド部６０１に冷媒を流す第１流路５０１ｓを形成する第１流路形成体５０１が配置され、第１軸受２０１の収納空間２０１ｓは、第１流路形成体５０１の第１流路５０１ｓと繋がり、かつ当該収納空間２０１ｓを冷媒で充填する第１ケース部４０１によって第１閉空間４０１ｓを構成する。第１ケース部４０１によって形成される第１閉空間４０１ｓは、第１軸受２０１の収納空間２０１ｓを介して第１流路５０１ｓに連通する。コイルエンド部６０１とは軸方向反対側に配置されるコイルエンド部６０２に対しても同様の構成が採用される。固定子コア８０１ｃから突出したコイル６００の端部であるコイルエンド部６０２の近傍には、コイルエンド部６０２に冷媒を流す第２流路５０２ｓを形成する第２流路形成体５０２が配置され、第２軸受２０２の収納空間２０２ｓは、第２流路形成体５０２の第２流路５０２ｓと繋がり、かつ当該収納空間２０２ｓを冷媒で充填する第２ケース部４０２によって第２閉空間４０２ｓを構成する。第２ケース部４０２によって形成される第２閉空間４０２ｓは、第２軸受２０２の収納空間２０２ｓを介して第２流路５０２ｓに連通する。

第１流路形成体５０１および第２流路形成体５０２は固定子ケース５００に設けられる。本実施例に係る固定子ケース５００は、固定子コア８０１ｃが固定される円筒状のコア固定部５０３と、コア固定部５０３の軸方向一端側に設けられる第１流路形成体５０１と、コア固定部５０３の軸方向他端側に設けられる第２流路形成体５０２と、を備える。

第１流路形成体５０１は、コア固定部５０３から軸方向一方（図示左方）に延びるように形成される円筒部５０１ａと、この円筒部５０１ａの先端部から径方向に張り出すように形成されるフランジ部５０１ｂと、環状のフランジ部５０１ｂの径方向端部から軸方向他方（図示右方）に延びるように形成される第１内輪保持部５０１ｃと、を有する。第１内輪保持部５０１ｃには、第１軸受２０１の内輪が嵌合される。なお、回転子ケース４００の軸方向一端部（図示左端部）には、第１軸受２０１の外輪が嵌合される第１外輪保持部４００ｃが形成されている。この構成により、第１軸受２０１は、回転子８０２の径方向から見た場合、コイルエンド部６０１よりも外径側であって当該コイルエンド部６０１と重なる位置に配置される。

第２流路形成体５０２は、コア固定部５０３から軸方向他方（図示右方）に延びるように形成される円筒部５０２ａと、この円筒部５０２ａの先端部からさらに軸方向に延びるように形成される第２内輪保持部５０２ｃと、を有する。第２内輪保持部５０２ｃには、第２軸受２０２の内輪が嵌合される。なお、第２ケース部４０２には、第２軸受２０２の外輪が嵌合される第２外輪保持部４０２ｃが形成されている。この構成により、第２軸受２０２は、回転子８０２の軸方向から見た場合、コイルエンド部６０２と重なる位置に配置される。

回転電機８００は、電動化の進展に伴う小型・軽量ニーズに対応するため、トルク発生部分を大径化することでトルク密度向上および機械ギアレス化を図る構成となっている。そして、大径化時におけるギャップ精度を確保するために、積み上げ公差の影響を最小化する目的で、ギャップ径と同程度の大形軸受を用いる。さらにギャップ径を拡大する目的で、トルク半径が大きく取れる外転型（アウターロータ）構造を採用している。

本実施例では、軸受２０１、２０２に大形軸受が採用されるため、軸受２０１、２０２の摺動損失が増加して回転電機８００の効率が低下する点が課題である。この課題を解決するため、本実施例では、主要な発熱源となるコイル６００の発熱を利用して、第１軸受２０１および第２軸受２０２の動作温度を高温側にシフトして軸受潤滑油の粘度を下げる構造とした。なお、本実施例では、コイル６００を冷却する冷媒が、軸受２０１、２０２の潤滑油としても機能する。

冷媒の主な流れおよび熱の移動について具体的に説明する。コイル６００に電流が供給されると、コイル６００が発熱する。コイル６００で発生した熱は、コイルエンド部６０１に接する冷媒に伝わり、冷媒の温度が上昇する。コイルエンド部６０１の熱を吸収した冷媒は、第１流路５０１ｓから第１軸受２０１の収納空間２０１ｓへと対流し、さらに収納空間２０１ｓから第１ケース部４０１によって構成された第１閉空間４０１ｓへと対流する。したがって、コイル６００で発生した熱は、冷媒の対流により第１流路５０１ｓから収納空間２０１ｓへ伝わり、収納空間２０１ｓから第１閉空間４０１ｓへ伝わる。また、コイル６００で発生した熱は、コイルエンド部６０１から冷媒を介して第１流路形成体５０１にも伝わり、第１流路形成体５０１から第１軸受２０１に伝わる。

なお、一部の熱は第１軸受２０１の収納空間２０１ｓから回転子ケース４００を介して回転電機８００の外部へと放熱されるが、当該部分の放熱面積は限定的である。大部分の熱は、第１閉空間４０１ｓを形成する第１ケース部４０１の外表面から放熱される。第１ケース部４０１からの放熱により冷媒の温度を効果的に低下させることができる。したがって、本実施例では、第１閉空間４０１ｓを形成しない場合に比べて、回転電機８００の出力を増加させることができる。

本実施例では、前述した伝熱および対流経路に第１軸受２０１が配置されることで、確実に第１軸受２０１の動作温度を高温側にシフトすることが可能となる。したがって、本実施例によれば、大形軸受である第１軸受２０１の摺動損失を効果的に低減することができる。

同様に、コイル６００で発生した熱は、コイルエンド部６０２に接する冷媒を介して、第２流路形成体５０２および第２流路５０２ｓから第２軸受２０２の収納空間２０２ｓへと伝熱および対流し、さらに収納空間２０２ｓから第２ケース部４０２によって構成された第２閉空間４０２ｓへと伝熱および対流する。この伝熱および対流経路に第２軸受２０２が配置されることで、確実に第２軸受２０２の動作温度を高温側にシフトすることが可能となる。したがって、本実施例によれば、大形軸受である第２軸受２０２の摺動損失を効果的に低減することができる。また、第２ケース部４０２からの放熱により冷媒の温度を効果的に低下させることができる。したがって、本実施例では、第２閉空間４０２ｓを形成しない場合に比べて、回転電機８００の出力を増加させることができる。

一般に、回転電機の熱設計は、コイル６００の許容温度や冷媒の許容温度を下回るように設定される。したがって、これらの許容温度上限で運用した際に、軸受２０１、２０２が軸受内部すきまを確保できるように予め設計しておけば、軸受２０１、２０２の破損を招くことは無い。換言すると、コイル６００の発熱を利用することで、軸受２０１、２０２を適度な高温にコントロールできるので、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、定常的に軸受２０１、２０２の摺動損失を低減することができる。

第１軸受２０１の収納空間２０１ｓは、第１流路５０１ｓと繋がっていればどのような形態でも良い。同様に、第２軸受２０２の収納空間２０２ｓは、第２流路５０２ｓと繋がっていればどのような形態でも良い。より好ましい形態として、図１の第１軸受２０１のように、回転子８０２の径方向から見た場合に、コイルエンド部６０１よりも外径側であって、かつコイルエンド部６０１と重なる位置に配置することで、コイルエンド部６０１から第１軸受２０１までの対流経路を短くできるので、より効果的にコイル６００で発生した熱を第１軸受２０１に伝えることができる。

その他の形態として、図１の第２軸受２０２のように、回転子８０２を支持するシャフトの軸方向から見た場合に、コイルエンド部６０２と重なる位置に配置することでも、コイルエンド部６０２から第２軸受２０２までの対流経路を短くできるので、より効果的にコイル６００で発生した熱を第２軸受２０２に伝えることができる。

なお、図示しないが、回転電機８００の外部に設けられるポンプ（不図示）によって、回転電機８００の内部の冷媒を強制的に循環させてもよい。ポンプによって冷媒を強制的に循環させる場合、例えば、固定子ケース５００の円筒部５０１ａまたは円筒部５０２ａに、ポンプからの冷媒の入口部が設けられる。また、固定子ケース５００の円筒部５０２ａまたは円筒部５０１ａ（冷媒の入口部が設けられる円筒部とは軸方向反対側に配置される円筒部）に、冷媒の出口部が設けられる。これにより、ポンプから吐出されて入口部から回転電機８００内に流入した冷媒は、固定子８０１と回転子８０２の間のギャップを流れ、出口部から流出する。出口部から流出した冷媒は、ポンプによって吸い込まれ、再び、ポンプから吐出される。なお、冷媒の入口部および出口部は、固定子ケース５００に形成することに代えて、ケース部４０１、４０２に形成するようにしてもよい。

ポンプによって冷媒を強制的に循環させない場合、冷媒は、自然対流により、回転電機８００内を循環する。具体的には、コイル６００の熱を吸収して温度が上昇した冷媒は、自然対流により上方に向かって流れ、回転電機８００の上部において、流路５０１ｓ、５０２ｓから収納空間２０１ｓ、２０２ｓを通じて閉空間４０１ｓ、４０２ｓに流れる。閉空間４０１ｓ、４０２ｓ内に温度の高い冷媒が流入すると、冷媒からケース部４０１、４０２に熱が伝わる。ケース部４０１、４０２に伝わった熱は、ケース部４０１、４０２から外部へ放熱される。これにより、閉空間４０１ｓ、４０２ｓ内の冷媒の温度が低下し、冷媒が回転電機８００の下方へ向かって流れる。回転電機８００の下部において、冷媒は、閉空間４０１ｓ、４０２ｓから収納空間２０１ｓ、２０２ｓを通じて流路５０１ｓ、５０２ｓに流れる。

なお、回転電機８００の回転子８０２が回転している場合、冷媒は、回転子８０２の回転によって回転電機８００の周方向にも流れる。

冷媒の熱伝導率および熱伝達率が高いほど軸受２０１、２０２の温度上昇効果は大きくなるので、この観点で冷媒は気体よりも液体の方が良い。冷媒には、部品の潤滑、冷却に用いることが可能な油、例えば、パームヤシ油等の植物油、鉱物油、ＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）等を採用できる。冷媒はシール３０１、３０２によって閉空間４０１ｓ、４０２ｓに密閉される。

なお、図１では回転子ケース４００と第２ケース部４０２とを別部品で構成しているが、同一部品として製作しても良い。回転子ケース４００と第２ケース部４０２とを同一部品で構成する場合、第１軸受２０１の収納空間２０１ｓ、および第２軸受２０２の収納空間２０２ｓの機械加工を同一工程内で完結できるため、当該収納空間２０１ｓ，２０２ｓの同心度を確保しやすくなる。これによって、回転子８０２のギャップ偏心を抑制することができるため、振動・騒音を低減できるほか、軸受２０１、２０２にかかる荷重のアンバランスを軽減でき、軸受２０１、２０２の長期信頼性を向上することができる。さらに、収納空間２０１ｓ、２０２ｓの機械加工を同一工程内で完結できるため、回転電機８００の製造コストを低減することができる。

また、図１では第１軸受２０１をコイルエンド部６０１の径方向に配置することによって、回転電機全体の軸方向長さを短縮できる。つまり、回転電機８００を小型軽量にすることが可能となる。さらに、第１軸受２０１よりも第２軸受２０２を内径側に配置することによって、回転子ケース４００、第２ケース部４０２、回転子８０２、第１軸受２０１、第２軸受２０２を予め組み立てた後に、一つの部品として固定子ケース５００へと組み立てることが可能となり、組立作業を容易化することができる。その結果、回転電機８００の製造コストを低減することができる。

一方で、図１では第１軸受２０１を回転子ケース４００に取り付ける構成としているが、第１ケース部４０１に取り付ける構成としても良い。このような構成とすることで、軸受破損時において、第１ケース部４０１と第２ケース部４０２を回転子ケース４００から取り外すだけで軸受２０１、２０２を交換することが可能となるので、メンテナンス性を向上することができる。

以上、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、軸受２０１、２０２の摺動損失を低減した高効率な回転電機８００を提供する手段について説明した。

ここで、軸受内部すきまについて図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明する。軸受内部すきまは、図２（ａ）に示す転動体２１０と内輪２１１および外輪２１２との間に確保されるすきまを指し、内輪２１１および外輪２１２のうち一方を固定して他方を偏心の極限位置から径方向の反対側の極限位置まで径方向に移動させた場合の移動量に相当する。さらに、一般的な軸受では、図２（ｂ）に示すように、内輪２１１の内径（軸受内径）ｄの増加とともに、軸受内部すきまは増加するように設計されている。これは、軸受内径ｄの増加にともない摺動距離が増加して転動体２１０の発熱、熱膨張が顕著となるためである。しかしながら、本実施例で対象とする機械ギアレスの回転電機８００においては、低速回転で大トルクを発生する構成上、軸受２０１、２０２が発生する発熱量はコイル６００の発熱量に対して極めて僅少となる。したがって、軸受２０１、２０２の温度は、コイル６００の放熱を担う冷媒の温度によって支配される。つまり、コイル６００の発熱量が同一であれば、軸受内径ｄが増加するほど、大きな軸受内部すきまを確保することが可能となり、軸受２０１、２０２を高温側で使用しながらも長期信頼性を向上することができる。

続いて図１３に示した軸受温度と摺動損失の関係の妥当性について、理論式と図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。

まず、図３Ａに摩擦係数と潤滑油の粘度の関係を示す。軸受の潤滑油の状態は、一般に粘度η、軸受の回転速度ｎ、軸受に作用する荷重（ラジアル荷重）Ｗに依存し、η×ｎ／Ｗの増加に伴い境界潤滑、混合潤滑、流体潤滑へと順に移行する。境界潤滑、混合潤滑は、摩擦係数μが高い状態であり、滑らかに回転を伝える軸受本来の機能を発揮できない。このため、回転電機が定常的に回転する条件において、軸受は流体潤滑の状態で使用される。

図３Ａに示すように、流体潤滑の状態では摩擦係数μは次式（１）で表される。
μ～η・ｎ／Ｗ …（１）
一方、潤滑油の粘度ηは、図３Ｂに示すように潤滑油の温度Ｔに反比例し、次式（２）で表される。
η～１／Ｔ …（２）
なお、図３Ｂには工業用潤滑油として比較的低粘度のＩＳＯ ＶＧ１５と、比較的高粘度のＩＳＯ ＶＧ３２０を一例として記載しているが、本発明はこれらに限定されるものではない。

摺動損失Ｑは回転速度ｎ、軸受荷重Ｗ、軸受内径ｄを用いて次式（３）で表される。
Ｑ～μ・ｎ・Ｗ・ｄ …（３）
式（１）、（２）を用いて式（３）を書き換えると次式（４）が得られる。
Ｑ～１／Ｔ・ｎ^２・ｄ …（４）
式（４）より、回転速度ｎが同一であれば、摺動損失Ｑは軸受内径ｄに比例し、温度Ｔに反比例することがわかる。これは図１３に示した傾向と一致する。

なお、温度上昇に伴う転動体２１０の熱膨張により軸受内部すきまが縮小するが、十分な軸受内部すきまが確保されていれば摩擦係数μの顕著な増加には至らないため、式（１）への影響は僅少と言える。

続いて図４乃至６に本実施例の変形例を示す。

図４が図１と異なるのは、第１流路形成体５０１に冷媒循環孔５０１ｈを設け、冷媒を定常的に循環させている点である。図４のＡ－Ａ断面に示すように、冷媒循環孔５０１ｈは周方向に複数個設けられた穴である。冷媒循環孔５０１ｈによって第１流路５０１ｓと第１閉空間４０１ｓとが連通される。穴の形状は長穴でも良いし円でも良い。冷媒循環孔５０１ｈが無い場合には、第１ケース部４０１によって構成された第１閉空間４０１ｓの冷媒は循環しないが、冷媒循環孔５０１ｈを設けることで、冷媒（潤滑油）が第１軸受２０１を絶えず循環する経路が形成される。これにより、第１軸受２０１の潤滑を促進でき、第１軸受２０１の長期信頼性を向上することができる。同様に、第２流路形成体５０２に、第２流路５０２ｓと第２閉空間４０２ｓとを連通する冷媒循環孔（穴）５０２ｈを設けることで同様の効果を得ることができる。

冷媒循環孔５０１ｈ、５０２ｈの大きさ、数、軸受２０１，２０２との位置関係は、回転電機８００の運転条件等に応じて定められる。これにより、コイル６００の発熱を利用して軸受２０１、２０２を適度な高温にコントロールできる。このため、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、定常的に軸受２０１、２０２の摺動損失を低減することができる。

なお、図示しないが、回転電機８００の内部に、冷媒の流れをコントロールするための逆止弁が設けられていてもよい。例えば、冷媒循環孔５０１ｈに、一方の流れについては許容し他方の流れについては禁止する逆止弁が設けられていてもよい。また、冷媒循環孔５０１ｈに逆止弁が設けられることに代えて、第１流路５０１ｓと収納空間２０１ｓとの間に逆止弁が設けられていてもよい。この場合、例えば、第１内輪保持部５０１ｃから回転子８０２の端面に向かって延びる部材が設けられ、この部材に逆止弁が取り付けられる。

逆止弁が設けられることにより、冷媒が第１流路５０１ｓ、収納空間２０１ｓ、第１閉空間４０１ｓ、冷媒循環孔５０１ｈ、第１流路５０１ｓの順に流れる循環経路、あるいは、冷媒が第１流路５０１ｓ、冷媒循環孔５０１ｈ、第１閉空間４０１ｓ、収納空間２０１ｓ、第１流路５０１ｓの順に流れる循環経路が形成される。これにより、軸受２０１の動作温度をコントロールすることができる。また、逆止弁とともに、あるいは逆止弁に代えて、冷媒を誘導するガイド部材を設けることで、軸受２０１の動作温度をコントロールしてもよい。なお、同様に、第２流路５０２ｓ側に逆止弁、ガイド部材を設けてもよい。

図５が図１と異なるのは、軸受２０１、２０２それぞれが、軸方向から見た場合にコイルエンド部６０１、６０２と重なる位置に配置されている点である。このような構成とした場合においても、図１と同様にコイル６００の発熱を利用して軸受２０１、２０２を適度な高温にコントロールできるので、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、定常的に軸受２０１、２０２の摺動損失を低減することができる。また、回転電機全体を径方向に短縮できる。つまり、回転電機８００を小型軽量にすることが可能となる。

このほか、図５では、第１ケース部４０１に冷媒循環孔４０１ｈを設け、冷媒を定常的に循環させる。冷媒循環孔４０１ｈの構成は図４のＡ－Ａ断面に示した形態と同様である。また、図５では、第２流路形成体５０２にも冷媒循環孔５０２ｈを設け、冷媒を定常的に循環させる。

なお、冷媒循環孔４０１ｈに代えて、第１流路形成体５０１に第１流路５０１ｓと第１閉空間４０１ｓとを連通する冷媒循環孔が設けられていても良い。同様に、冷媒循環孔５０２ｈに代えて、第２ケース部４０２に第２流路５０２ｓと第２閉空間４０２ｓとを連通する冷媒循環孔が設けられていても良い。

図５では、第１ケース部４０１、第２ケース部４０２はそれぞれ左右対称の関係にあるので、部品点数を削減することが可能である。なお、図５では回転子ケース４００、第１ケース部４０１、第２ケース部４０２をそれぞれ別部品で構成しており、軸受破損時において、第１ケース部４０１と第２ケース部４０２を回転子ケース４００から取り外すだけで軸受２０１、２０２を交換することが可能となるので、メンテナンス性を向上することができる。一方で、回転子ケース４００と第１ケース部４０１、または回転子ケース４００と第２ケース部４０２を同一部品として製作しても良く、これによって部品点数を削減することが可能である。

図６が図１と異なるのは、軸受２０１、２０２それぞれが、回転子８０２の径方向から見た場合に、コイルエンド部６０１、６０２よりも外径側であって、かつコイルエンド部６０１、６０２と重なる位置に配置されている点である。このような構成とした場合においても、図１と同様にコイル６００の発熱を利用して軸受２０１、２０２を適度な高温にコントロールできるので、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、定常的に軸受２０１、２０２の摺動損失を低減することができる。図６では、第１流路形成体５０１、第２流路形成体５０２にそれぞれ冷媒循環孔５０１ｈ、５０２ｈを設け、冷媒を定常的に循環させる。

また、図６では、第１ケース部４０１、第２ケース部４０２はそれぞれ左右対称の関係にあるので、部品点数を削減することが可能である。なお、図６では回転子ケース４００、第１ケース部４０１、第２ケース部４０２をそれぞれ別部品で構成しているが、回転子ケース４００と第１ケース部４０１、または回転子ケース４００と第２ケース部４０２は同一部品として製作することでも部品点数を削減することが可能である。

一方で、図６では軸受２０１、２０２を回転子ケース４００に取り付ける構成としているが、第１軸受２０１を第１ケース部４０１に、第２軸受２０２を第２ケース部４０２にそれぞれ取り付ける構成としても良い。このような構成とすることで、軸受破損時において、第１ケース部４０１と第２ケース部４０２を回転子ケース４００から取り外すだけで軸受２０１、２０２を交換することが可能となるので、メンテナンス性を向上することができる。

以上で述べた回転電機８００において、回転子８０２が停止した状態でコイル６００に通電し、暖機運転することによっても、軸受２０１、２０２の摺動損失を低減することが可能である。

図７は本発明の第２の実施例におけるインホイール型の電動ホイール１０００の模式的断面図である。なお、図７では、回転電機８００の内部構造の図示は省略されている。このインホイール型の電動ホイール１０００は、いわゆる、ホイール１０２０の内部に外転型の回転子８０２を有する回転電機８００が備えられている。回転電機８００の回転子８０２は、回転子フレーム１０３０に接続されている。回転子フレーム１０３０は、接続部材１０４０によって、ホイール１０２０と接続されている。ホイール１０２０にはタイヤ１０１０が嵌め合わされている。ホイール１０２０および回転子８０２がシャフト１０６０に対して回転自在に支持される。そのために、ホイール１０２０もしくは回転子フレーム１０３０はシャフト１０６０に軸受１０５０で接続されている。

一方、回転電機８００の固定子８０１は、支持部材（図示していない）でシャフト１０６０に固定支持されており、支持部材には電力変換装置７７０も搭載されている。電力変換装置７７０は電力を固定子８０１に供給し、回転子８０２を回転させる。回転子８０２の回転は回転子フレーム１０３０、および接続部材１０４０を介してホイール１０２０に伝達される。ホイール１０２０はシャフト１０６０を中心に回転する。

実施例１で説明した回転電機８００を電動ホイール１０００に適用することで、全体の体格や製造コストの増加を招くことなく、高効率で信頼性の高い電動ホイール１０００を提供できる。そのため、ホイール１０２０の内周側に回転電機８００を収容できると同時に、ギアレス化、すなわちホイール１０２０のダイレクトドライブが可能となる。

従来の電動ホイールは、ギアを利用しており、ギアの摩耗、騒音や、ギアを支持する必要があるため軸受の使用数が増加するなど課題が発生していた。

これに対して、本実施例の回転電機８００を使用した電動ホイール１０００は、回転電機８００がギアを介さず機械的な結合部（接続部材１０４０）だけでホイール１０２０と直結している。そのため、ギアの摩耗を配慮したメンテナンスが不要になる上に、ギアから発生する騒音が無くなる。また、軸受の使用量は最低限となり、軸受の摩耗リスクが低減する上に、軸受のグリス交換等でのメンテナンス作業量は削減できる。また回転電機８００の体格が小さいため、電力変換装置７７０もホイール１０２０の内部に搭載することができ、ギアレス化との相乗効果により、電動ホイール１０００を小型軽量にすることが可能となる。

図８に電動ホイール１０００の分解斜視図を示す。電動ホイール１０００は、ホイール１０２０と、回転子組立体１０７０と、固定子組立体１０８０と、電力変換装置７７０と、第１ケース部４０１と、を備えている。回転子組立体１０７０は、回転子、回転子ケース４００および第２ケース部４０２を有する。固定子組立体１０８０は、固定子８０１および固定子ケース５００を有する。電動ホイール１０００には、車輪を制動させる制動力を発生させるディスクブレーキ１１１０が取り付けられる。電動ホイール１０００は、サスペンション装置１１２０を介して車体を構成するフレームに取り付けられる。本実施例の電動ホイール１０００に用いる回転電機８００は小型軽量であるため、いわゆるばね下重量が軽減され、駆動性、操舵性の性能が改善されている。

実施例３について図９を参照しつつ説明する。図９は、本実施例に係る車両１３００の模式的平面図である。車両１３００は、車体フレーム１３１０と、複数の車輪１３２０と、車体フレーム１３１０に固定されるバッテリ台１３３０と、バッテリ台１３３０に搭載されるバッテリ１３５０と、を備える。各車輪１３２０は、電動ホイール１０００と、電動ホイール１０００の外周に取り付けられるタイヤ１０１０とを有している。電動ホイール１０００には、回転電機８００および電力変換装置７７０が搭載される。電動ホイール１０００は、電源ケーブルによってバッテリ１３５０に接続される。電力変換装置７７０は、バッテリ１３５０から供給される直流電力を交流電力に変換して、交流電力を回転電機８００に供給する。回転電機８００に電力が供給されることにより、回転電機８００はトルクを発生する。回転電機８００で発生したトルクは車輪１３２０のホイール１０２０に伝達され、車輪１３２０が回転することにより車両１３００が走行する。

車両１３００は、上記実施例１で説明した回転電機８００を備えている。このため、本実施例によれば、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、軸受２０１、２０２の摺動損失を低減した高効率で信頼性の高い回転電機８００を備えた車両１３００を提供することができる。

本実施例の回転電機８００のトルク密度が高いため、車両１３００を直接駆動することができる。つまり、本実施例では、車両１３００の駆動におけるギアレス化、すなわち回転電機８００のトルクが車輪１３２０に直接伝達されることによる車輪１３２０のダイレクトドライブが可能となる。従来の電動式の車両はギアを利用しており、ギアの摩耗、騒音や、ギアを支持する必要があるため、軸受の使用数が増加するなど課題が発生していた。これに対して、本実施例のトルク密度が高い回転電機８００を使用した車両１３００は、直結駆動によるのでギアを必要としない。そのため、ギアの摩耗を配慮したメンテナンスが不要になる上に、ギアから発生する騒音が無くなる。また、軸受の使用量は最低限となり、軸受の摩耗リスクが低減する。その上に、軸受のグリス交換等でのメンテナンスの作業量を削減できる。また回転電機８００の体積が小さいため、ギアレス化との相乗効果により車両１３００をさらに小型軽量化することが可能となる。

実施例４について図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施例に係る車両１６００の模式的平面図である。車両１６００には、内転型の回転電機１１００が使用される。

回転電機１１００は支持部材１６１０により台車１６４０に固定支持されている。回転電機１１００の回転子は車軸１６３０と直結し、回転電機１１００は車軸１６３０を介して車輪１６２０を駆動する。車両１６００は、回転電機１１００と、バッテリ１６５０と、バッテリ１６５０の直流電力を交流電力に変換して、交流電力を回転電機１１００に供給する電力変換装置１６６０とを備えている。

回転電機１１００には、上記実施例１で説明した回転電機８００と同様、コイル６００の発熱を利用して、軸受２０１、２０２の動作温度を高温側にシフトして軸受潤滑油（冷媒）の粘度を下げる構造が採用されている。このため、本実施例によれば、軸受２０１、２０２の長期信頼性を確保しながら、軸受２０１、２０２の摺動損失を低減した高効率で信頼性の高い回転電機８００を備えた車両１６００を提供することができる。

本実施例の回転電機１１００のトルク密度が高いため、車両１６００を直接駆動することができる。つまり、車両１６００の駆動におけるギアレス化、すなわち回転電機１１００のトルクが車輪１６２０に直接伝達されることによる車輪１６２０のダイレクトドライブが可能となる。従来の電動式の車両はギアを利用しており、ギアの摩耗、騒音や、ギアを支持する必要があるため、軸受の使用数が増加するなど課題が発生していた。これに対して、本実施例のトルク密度が高い回転電機１１００を使用した車両１６００は、直結駆動によるのでギアを必要としない。そのため、ギアの摩耗を配慮したメンテナンスが不要になる上に、ギアから発生する騒音が無くなる。また、軸受の使用量は最低限となり、軸受の摩耗リスクが低減する。その上に、軸受のグリス交換等でのメンテナンスの作業量を削減できる。また回転電機１１００の体積が小さいため、ギアレス化との相乗効果により車両１６００をさらに小型軽量化することが可能となる。

続いて図１１に本実施例の変形例を示す。

図１１が図１０と異なるのは、回転電機１１００のトルクが変速機１６７０、デファレンシャルギア１６８０および車軸１６３０を介して車輪１６２０に伝達される点である。このような構成とした場合においても、軸受２０１、２０２の摺動損失を低減し、回転電機１１００の効率を向上することができる。

また、車両は、回転電機の動力だけで駆動される電気自動車であっても、エンジンを備えるハイブリッド自動車であっても、本発明の回転電機を適用することにより同様の効果が得られる。また、本発明の回転電機を搭載した電気機器は軽量で耐久性があるので使用しやすい。また、冷却効果も向上するので運転効率も向上する。

実施例５について図１２を参照しつつ説明する。図１２は、車両１３００に搭載される制御装置１８１０の機能ブロック図である。本実施例に係る車両１３００は、上記実施例３で説明した車両１３００（図９参照）と同様の構成である。図１２に示すように、車両１３００は、回転電機８００と、電力変換装置７７０と、電力変換装置７７０を制御する制御装置１８１０と、駐車ブレーキ装置１８２０と、駐車ブレーキセンサ１８３０と、温度センサ１８４０と、を備える。

駐車ブレーキ装置１８２０は、車両１３００の駐車時に制動力を発揮するように構成される。なお、駐車ブレーキ装置１８２０は、ディスクブレーキを利用するものであってもよいし、ディスクブレーキとは別に設けられる制動装置としてもよい。駐車ブレーキ装置１８２０は、車両１３００の運転室内に設けられる操作部材が駐車位置に操作されている場合には作動状態となり、操作部材が駐車位置に操作されていない場合には非作動状態となる。

駐車ブレーキセンサ１８３０は、駐車ブレーキ装置１８２０の状態を検出し、その検出結果を制御装置１８１０に出力する検出装置である。駐車ブレーキセンサ１８３０は、例えば、駐車ブレーキ装置１８２０を作動させるための操作部材の操作位置を検出するセンサである。

温度センサ１８４０は、軸受２０１，２０２の動作温度に関する情報を検出する検出装置である。

制御装置１８１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、所謂ＲＡＭ（Random Access Memory）と呼ばれる揮発性メモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、入出力インタフェース、および、その他の周辺回路を備えたコンピュータで構成される。なお、制御装置１８１０は、１つのコンピュータで構成してもよいし、複数のコンピュータで構成してもよい。

制御装置１８１０は、不揮発性メモリに記憶されているプログラムを実行することにより、演算部１８１１、判定部１８１２および駆動制御部１８１３として機能する。演算部１８１１は、温度センサ１８４０での検出結果に基づいて、軸受２０１，２０２の動作温度の平均値を演算する。

判定部１８１２は、駐車ブレーキセンサ１８３０からのセンサ信号に基づいて、駐車ブレーキ装置１８２０が作動している状態であるか否かを判定する。判定部１８１２は、駐車ブレーキセンサ１８３０から駐車ブレーキ装置１８２０の操作部材の操作位置が駐車位置にあることを表す信号が入力されると、駐車ブレーキ装置１８２０は作動していると判定する。判定部１８１２は、駐車ブレーキセンサ１８３０から駐車ブレーキ装置１８２０の操作部材の操作位置が駐車位置にないことを表す信号が入力されると、駐車ブレーキ装置１８２０は作動していないと判定する。

判定部１８１２は、演算部１８１１で演算された軸受２０１，２０２の動作温度の平均値が、閾値Ｔ１以上であるか否かを判定する。閾値Ｔ１は、軸受２０１，２０２の動作温度の平均値が、目標動作温度に達したか否かを判定するための閾値であり、予め実験等により定められ、不揮発性メモリに記憶される。

駆動制御部１８１３は、判定部１８１２によって駐車ブレーキ装置１８２０が作動していると判定され、かつ、判定部１８１２によって軸受２０１，２０２の動作温度の平均値が閾値Ｔ１未満であると判定された場合、暖機運転制御を実行する。なお、駆動制御部１８１３は、判定部１８１２によって駐車ブレーキ装置１８２０が作動していないと判定された場合、あるいは、判定部１８１２によって軸受２０１，２０２の動作温度の平均値が閾値Ｔ１以上であると判定された場合には、暖機運転制御を実行しない。

暖機運転制御において、駆動制御部１８１３は、電力変換装置７７０を制御して、回転子８０２を停止させた状態でバッテリ１３５０からコイル６００に電力を供給することにより、コイル６００の発熱により軸受２０１，２０２の動作温度を上昇させる。

暖機運転制御が実行されている場合に、判定部１８１２によって駐車ブレーキ装置１８２０が作動していないと判定されたとき、あるいは、判定部１８１２によって軸受２０１、２０２の動作温度の平均値が閾値Ｔ１以上であると判定されたときには、駆動制御部１８１３は、暖機運転制御を終了する。

以上の通り、本実施例５に係る制御装置１８１０は、電力変換装置７７０を制御して、回転子８０２を停止させた状態でバッテリ１３５０からコイル６００に電力を供給することにより、コイル６００の発熱により第１軸受２０１および第２軸受２０２の温度を上昇させる暖機運転制御を行う。これにより、車両１３００が停止しているときに、第１軸受２０１および第２軸受２０２の温度を高めておくことで、車両１３００が走行を開始したときにおける第１軸受２０１および第２軸受２０２の摺動損失を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２０１：第１軸受、２０１ｓ：収納空間、２０２：第２軸受、２０２ｓ：収納空間、３００：固定子保持部材、３０１，３０２：シール、４００：回転子ケース、４０１：第１ケース部、４０１ｈ：冷媒循環孔（穴）、４０１ｓ：第１閉空間（空間）、４０２：第２ケース部、４０２ｓ：第２閉空間（空間）、５００：固定子ケース、５０１：第１流路形成体、５０１ｈ：冷媒循環孔（穴）、５０１ｓ：第１流路、５０２：第２流路形成体、５０２ｈ：冷媒循環孔（穴）、５０２ｓ：第２流路、６００：コイル、６０１：コイルエンド部、６０２：コイルエンド部、７７０：電力変換装置、８００：回転電機、８０１：固定子、８０１ｃ：固定子コア、８０２：回転子、１０００：電動ホイール、１０１０：タイヤ、１０２０：ホイール、１０３０：回転子フレーム、１０４０：接続部材、１０５０：軸受、１０６０：シャフト、１１００：回転電機、１３００：車両、１３２０：車輪、１３５０：バッテリ、１６００：車両、１６２０：車輪、１６５０：バッテリ、１６６０：電力変換装置、１６７０：変速機、１８１０：制御装置

Claims (10)

1. 複数のコイルおよび前記複数のコイルが巻回された固定子コアを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自由に支持された回転子と、前記回転子を保持する回転子ケースと、前記回転子ケースを回転自由に支持する第１軸受と第２軸受と、を備える回転電機であって、
   前記固定子コアから突出したコイルエンド部に冷媒を流す第１流路を形成する第１流路形成体と、
   前記第１軸受の収納空間を形成するとともに前記第１流路形成体の前記第１流路と繋がりかつ当該収納空間を冷媒で充填する第１ケース部と、
   前記コイルエンド部とは軸方向反対側に配置されるコイルエンド部に冷媒を流す第２流路を形成する第２流路形成体と、
   前記第２軸受の収納空間を形成するとともに前記第２流路形成体の前記第２流路と繋がりかつ当該収納空間を冷媒で充填する第２ケース部と、
   を備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記冷媒は液体であることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転子の径方向から見た場合、前記第１軸受と前記第２軸受のいずれかまたは両方は、前記コイルエンド部よりも外径側であって当該コイルエンド部と重なる位置に配置されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転子を支持するシャフトの軸方向から見た場合、前記第１軸受と前記第２軸受のいずれかまたは両方は、前記コイルエンド部と重なる位置に配置されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記第２軸受は、前記第１軸受よりも内径側に配置されることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記第１ケース部は、前記第１軸受の収納空間を介して前記第１流路に連通する第１空間を形成し、
   前記第２ケース部は、前記第２軸受の収納空間を介して前記第２流路に連通する第２空間を形成することを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記第１流路と前記第１空間とを連通する穴が、前記第１流路形成体または前記第１ケース部に設けられ、
   前記第２流路と前記第２空間とを連通する穴が、前記第２流路形成体または前記第２ケース部に設けられていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項１に記載の回転電機を用いた電動ホイールであって、
   前記回転電機がギアを介さず機械的な結合部だけでホイールと直結していることを特徴とする電動ホイール。
9. 請求項１に記載の回転電機を備えた車両であって、
   前記回転電機と、バッテリと、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して、前記交流電力を前記回転電機に供給する電力変換装置と、を備え、
   前記回転電機のトルクが車輪に伝達されることを特徴とする車両。
10. 請求項９に記載の車両において、
    前記電力変換装置を制御する制御装置を備え、
    前記制御装置は、前記電力変換装置を制御して、前記回転子を停止させた状態で前記バッテリから前記コイルに電力を供給することにより、前記コイルの発熱により前記第１軸受および前記第２軸受の温度を上昇させる暖機運転制御を行うことを特徴とする車両。

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