(57)【要約】【課題】風損を効果的に低減することができる高速回転機を提供すること。【解決手段】高速で自転するロータ２と、ロータ２を内部に配置すると共に軸支するハウジング３とからなる高速回転機１。ハウジング３は、ロータ２を収容配置する収容室３１と、収容室３１と連通した集気室３２と、収容室３１と集気室３２とを連結する連通部３３とを備えている。収容室３１の内壁面は、ロータ２の表面に対向すると共に該表面との間にクリアランスを設けてなる。連通部３３は、ロータ２の回転軸Ａから半径ｒの半分以上径方向に離れた部分において、収容室３１に対して開口している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速で自転するロータと、該ロータを内部に配置すると共に軸支するハウジングとからなる高速回転機であって、
上記ハウジングは、上記ロータを収容配置する収容室と、該収容室と連通した集気室と、上記収容室と上記集気室とを連結する連通部とを備え、
上記収容室の内壁面は、上記ロータの表面に対向すると共に該表面との間にクリアランスを設けてなり、
上記連通部は、上記ロータの回転軸から半径の半分以上径方向に離れた部分において、上記収容室に対して開口していることを特徴とする高速回転機。
【請求項２】
請求項１に記載の高速回転機において、上記連通部は、上記ロータの回転軸から半径以上径方向に離れた部分において、上記収容室に対して開口していることを特徴とする高速回転機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高速回転機において、上記ロータは、上記回転軸方向の少なくとも一端に、回転軸に直交する平坦面を備え、該平坦面を径方向外側へ延長した部分の少なくとも一部において、上記連通部が上記収容室に開口していることを特徴とする高速回転機。
【請求項４】
請求項３に記載の高速回転機において、上記集気室及び上記連通部は、上記平坦面の径方向外側の全周にわたって形成され、上記連通部は、上記平坦面の径方向外側の全周にわたって上記収容室に開口していることを特徴とする高速回転機。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の高速回転機において、上記ロータは、上記回転軸方向の両端に一対の上記平坦面を備えた略円柱形状を有し、該一対の平坦面をそれぞれ径方向外側へ延長した部分の少なくとも一部に、それぞれ上記連通部が上記収容室に開口していることを特徴とする高速回転機。
【請求項６】
請求項５に記載の高速回転機において、上記集気室は、上記一対の連通部に対応して一対形成されていることを特徴とする高速回転機。
【請求項７】
請求項５に記載の高速回転機において、上記一対の連通部は、一つの上記集気室に連通していることを特徴とする高速回転機。
【請求項８】
請求項３に記載の高速回転機において、上記ロータは、上記回転軸方向の両端に、互いに半径の異なる一対の上記平坦面を備え、上記回転軸を含む平面による断面の形状が略台形状であり、上記一対の平坦面のうちの半径の大きい大径平坦面を径方向外側へ延長した部分の少なくとも一部において、上記連通部が上記収容室に開口していることを特徴とする高速回転機。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の高速回転機において、上記集気室は、該集気室から気体を排気する排気装置に接続されていることを特徴とする高速回転機。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の高速回転機において、上記収容室と上記集気室と上記連通部とは、外部から隔離された密閉空間であって、該密閉空間には、同一圧力、同一温度において空気よりも密度の低い気体が充填されていることを特徴とする高速回転機。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高速回転機において、上記連通部には、上記集気室から上記収容室へ向かう気体の逆流を防ぐ逆止弁が配設されていることを特徴とする高速回転機。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の高速回転機において、上記ロータは、回転電機の回転子であることを特徴とする高速回転機。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の高速回転機において、上記ロータは、フライホイールであることを特徴とする高速回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速で自転するロータと、該ロータを内部に配置すると共に軸支するハウジングとからなる高速回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、レーザープリンタにおける光偏向器に搭載されたモータとして、ロータ磁石を備えて高速で自転するロータと、該ロータ磁石に対して所定のギャップ介して対向配置されたステータとからなるものがある（特許文献１）。
かかるモータにおいては、ロータが高速回転するために、ロータとステータとの間に生じる空気摩擦による抵抗が大きくなり、機械損失が問題となる。この機械損失（風損）の原因としては、ロータとステータとの間の空気が、ロータの回転に伴い攪拌され乱流となり、これが空気抵抗となることにあると考えられた。そこで、特許文献１においては、ロータとステータとの間の隙間を小さくして、摩擦抵抗の原因となる空気の乱流を低減することによって、風損を低減することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３７１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、空気等の気体による風損は、一般に、以下に示す種々のパラメータに起因し、単純にロータとステータとの間の隙間を小さくしただけでは、低減できない場合がある。すなわち、高速回転するロータに作用する風損Ｆは、ロータの周囲の気体の密度をρ、ロータの回転角速度をω、ロータの半径をｒ、ハウジングとロータ間の隙間とレイノルズ数（＝ｒ2ω／ν  ：ν＝ロータ周囲の気体の動粘度）により定まる比例定数をｋ、ロータの回転軸方向長さをＬとしたとき、ｋ・ρ・ω3・ｒ4・（２ｒ＋５Ｌ）となる（参考文献：生井武文、「遠心軸流送風機と圧縮機」、朝倉書店、昭和３５年）。
【０００５】
比例定数ｋと隙間との関係は、単に隙間を小さくすれば比例定数ｋが小さくなったり、あるいは大きくなったりするものではない。つまり、他の条件によってその隙間の最適値が異なり、隙間を大きくしすぎると乱流が原因となって比例定数ｋが大きくなり、隙間を小さくしすぎると気体の粘性が原因となって比例定数ｋが大きくなる。それゆえ、単に隙間を小さくしただけでは、高速回転機における風損を低減できるものではない。また、隙間の調整のみでは、大きな風損低減効果を期待することは困難である（参考文献：「Zeitschrift  fur  Angewandte  Mathematik  und  Mechanik  Volume  17,  Issue  6,  1937,  p.356-358,  Ueber  die  Fluessigkeitsreibung  umlaufender  Scheiben,  Zylinder  und  Zellenkoerper」〔和名「応用数学および応用力学誌  第17巻６号、1937、p.356-358、回転円板、シリンダ、およびセル構造体の流動摩擦について」〕）。
【０００６】
また、例えば電気自動車やハイブリッド自動車におけるモータや、無停電電源（ＵＰＳ）や運動エネルギー回収システム（ＫＥＲＳ）等におけるフライホイールなど、ロータの半径ｒが大きいものは、風損（Ｆ＝ｋ・ρ・ω3・ｒ4・（２ｒ＋５Ｌ））が極めて大きくなる。例えば、特許文献１に開示されたプリンタのポリゴンミラー等と比較して数十万倍の風損となる。
【０００７】
さらには、ロータの表面に面した気体は、その粘性によってロータと共に回転する。この回転する気体が遠心力によってロータの径方向外側へ向かって移動する。そのため、特にロータの外周側へ行くほど気体の密度が高くなる。そして、ロータの外周側部分ほど速度が速いため、密度の高い気体との摩擦による抵抗が相乗的に大きくなることとなる。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、風損を効果的に低減することができる高速回転機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、高速で自転するロータと、該ロータを内部に配置すると共に軸支するハウジングとからなる高速回転機であって、
上記ハウジングは、上記ロータを収容配置する収容室と、該収容室と連通した集気室と、上記収容室と上記集気室とを連結する連通部とを備え、
上記収容室の内壁面は、上記ロータの表面に対向すると共に該表面との間にクリアランスを設けてなり、
上記連通部は、上記ロータの回転軸から半径の半分以上径方向に離れた部分において、上記収容室に対して開口していることを特徴とする高速回転機にある（請求項１）。
【発明の効果】
【００１０】
上記高速回転機においては、上記ハウジングが上記収容室と連通した上記集気室を有する。そして、上記連通部が、上記ロータの回転軸から半径の半分以上径方向に離れた部分において、収容室に対して開口している。これにより、ロータが高速回転して収容室における気体がロータの外周側へ向かったとき、気体は連通部を介して集気室へ集められることとなる。それゆえ、集気室における気体の密度が高くなり、その分、収容室の気体の密度は低くなる。その結果、高速回転機の風損を低減することができる。
【００１１】
特に、連通部がロータの回転軸から半径の半分以上径方向に離れた部分において、収容室に対して開口しているため、ロータの外周部分及びそこに近い部分における気体の密度が高くなることを防ぐことができる。その結果、効果的に高速回転機の風損を低減することができる。
【００１２】
また、上記集気室は、収容室とは個別の空間として形成してあるため、収容室の内壁面とロータの表面とを、両者の間のクリアランスを充分に小さくした状態で対向させることができる。その結果、ロータの表面において気体の乱流が生じることを防ぐことができ、風損を抑制することができる。
【００１３】
以上のごとく、本発明によれば、風損を効果的に低減することができる高速回転機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１における、回転軸を含む平面による高速回転機の断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図３】図１のＣ−Ｃ線矢視断面図。
【図４】実施例１における、集気室への気体の流れの説明図。
【図５】実施例２における、高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＤ−Ｄ線矢視断面図。
【図６】実施例２における、集気室への気体の流れの説明図。
【図７】実施例３における、高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＥ−Ｅ線矢視断面図。
【図８】実施例４における、高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＦ−Ｆ線矢視断面図。
【図９】実施例５における、高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＧ−Ｇ線矢視断面図。
【図１０】実施例５における、他の高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＨ−Ｈ線矢視断面図。
【図１１】実施例５における、さらに他の高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＩ−Ｉ線矢視断面図。
【図１２】実施例６における、排気装置を接続した高速回転機の断面図。
【図１３】実施例６における、排気装置を接続した他の高速回転機の断面図。
【図１４】実施例７における、高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＪ−Ｊ線矢視断面図。
【図１５】実施例８における、ロータの外周面の断面形状を略半円形状とした高速回転機の断面図。
【図１６】実施例８における、ロータの外周面の断面形状を一対の斜辺によって構成される形状とした高速回転機の断面図。
【図１７】実施例８における、ロータが平坦面を回転軸方向の片側にのみ有する高速回転機の断面図。
【図１８】実施例８における、回転軸を含む平面によるロータの断面形状を略菱形状とした高速回転機の断面図。
【図１９】実施例８における、ロータの外周面に部分的に凹部を形成した高速回転機の断面図。
【図２０】実施例８における、ロータの外周面に断面が鋸歯状の凹凸面を形成した高速回転機の断面図。
【図２１】実施例８における、ロータの外周面の断面形状を六角形とした高速回転機の断面図。
【図２２】実施例９における、回転電機の部分断面図。
【図２３】実施例１０における、運動エネルギー回収システムの部分断面図。
【図２４】比較例における、高速回転機の（Ａ）回転軸を含む平面による断面図、（Ｂ）（Ａ）のＫ−Ｋ線矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記ロータは、回転軸方向から見た形状が略円形となる立体形状を有することが好ましい。ロータの形状は、特に、「平面図形をそれと同平面に位置する直線（回転軸）の周りに回転することにより得られる立体図形」として幾何学的に定義される回転体、或いはこれに準ずる形状であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
また、上記ロータの半径とは、ロータにおける回転軸から径方向に最も離れた部位までの距離をいうものとする。
【００１６】
また、上記気体としては、例えば空気が挙げられるが、これに限られるものではない。
また、上記集気室の容積は、例えば、上記収容室の容積より小さく、上記収容室の容積から上記ロータの体積を減算した容積の１００分の１よりも大きいことが好ましい。この場合には、ハウジングの大型化を抑制しつつ、収容室の気体の密度を充分に低減させることができる。
【００１７】
また、上記連通部は、上記ロータの回転軸から半径以上径方向に離れた部分において、上記収容室に対して開口していることが好ましい（請求項２）。この場合には、より効率的に収容室内の気体を連通部から集気室へ導くことができるとともに、ロータの外周部分及びそこに近い部分における気体の密度が高くなることを防ぐことができる。その結果、より効果的に高速回転機の風損を低減することができる。
【００１８】
また、上記ロータは、上記回転軸方向の少なくとも一端に、回転軸に直交する平坦面を備え、該平坦面を径方向外側へ延長した部分の少なくとも一部において、上記連通部が上記収容室に開口していることが好ましい（請求項３）。この場合には、さらに効率的に収容室内の気体を連通部から集気室へ導くことができる。すなわち、収容室内の気体は、その粘性によって、上記平坦面に面した部分においてもロータと共に回転する。そして、この回転する気体が遠心力によってロータの外周側へ導かれる。それゆえ、上記平坦面を径方向外側へ延長した方向へ気体が導かれやすいため、その部分に連通部が開口していることにより、気体をより効率的に集気室へ集めることができる。
【００１９】
また、上記集気室及び上記連通部は、上記平坦面の径方向外側の全周にわたって形成され、上記連通部は、上記平坦面の径方向外側の全周にわたって上記収容室に開口していることが好ましい（請求項４）。この場合には、収容室内の気体の密度を万遍なく低下させることができ、より効果的に高速回転機の風損を低減することができる。
【００２０】
また、上記ロータは、上記回転軸方向の両端に一対の上記平坦面を備えた略円柱形状を有し、該一対の平坦面をそれぞれ径方向外側へ延長した部分の少なくとも一部に、それぞれ上記連通部が上記収容室に開口していることが好ましい（請求項５）。この場合には、上記一対の平坦面にそれぞれ面した部分において、収容室内の気体がロータと共に回転する。それゆえ、遠心力によってロータの外周側へ導かれる気体の量を効果的に増やすことができ、より効率的に気体を集気室へ導くことができる。
【００２１】
また、上記集気室は、上記一対の連通部に対応して一対形成されていることが好ましい（請求項６）。この場合には、上記一対の連通部においてそれぞれ充分に収容室から気体を排出することができる。
【００２２】
また、上記一対の連通部は、一つの上記集気室に連通していてもよい（請求項７）。この場合には、ハウジングの小型化を容易にすることができる。
【００２３】
また、上記ロータは、上記回転軸方向の両端に、互いに半径の異なる一対の上記平坦面を備え、上記回転軸を含む平面による断面の形状が略台形状であり、上記一対の平坦面のうちの半径の大きい大径平坦面を径方向外側へ延長した部分の少なくとも一部において、上記連通部が上記収容室に開口していることが好ましい（請求項８）。この場合には、面積の大きい大径平坦面に面した気体を集気室へ効率的に導くことができる。そのため、効率的に収容室内の気体の密度を低下させることができる。
【００２４】
また、上記集気室は、該集気室から気体を排気する排気装置に接続されていることが好ましい（請求項９）。この場合には、上記集気室に集められた気体を外部に排出することができるため、収容室内の気体を集気室へより導きやすくなる。その結果、収容室内の気体の密度をより低減することができ、高速回転機の風損をより低減することができる。
上記排気装置としては、例えば、自動車のエンジンの吸気部（インテークマニホールド等）や、バキュームブースター等を用いることができる。
【００２５】
また、上記収容室と上記集気室と上記連通部とは、外部から隔離された密閉空間であって、該密閉空間には、同一圧力、同一温度において空気よりも密度の低い気体が充填されていることが好ましい（請求項１０）。この場合には、風損（Ｆ＝ｋ・ρ・ω3・ｒ4・（２ｒ＋５Ｌ））の構成因子のうちのρが小さくなるため、風損が低減される。
なお、上記「同一圧力、同一温度において空気よりも密度の低い気体」として、例えば、ヘリウム、水素等を用いることができる。
【００２６】
また、上記連通部には、上記集気室から上記収容室へ向かう気体の逆流を防ぐ逆止弁が配設されていることが好ましい（請求項１１）。この場合には、上記集気室に集められた高圧の気体が収容室へ逆流することを防ぎ、収容室の気体の密度を効率的に低減させることができる。
【００２７】
また、上記ロータは、回転電機の回転子とすることができる（請求項１２）。この場合には、上記回転電機の風損を低減することができる。また、上記回転電機は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両駆動用の回転電機とすることができる。この場合、回転子の半径が大きく、また回転子の回転速度が大きいため、風損が大きくなりやすいところ、本発明を適用することにより、その風損の低減効果を充分に得ることができる。
【００２８】
また、上記ロータは、フライホイールとすることもできる（請求項１３）。この場合には、上記フライホイールの風損を低減することができる。また、フライホイールは、半径が大きく、また回転速度が大きいため、風損が大きくなりやすいところ、本発明を適用することにより、その風損の低減効果を充分に得ることができる。なお、上記フライホイールとしては、例えば、無停電電源（ＵＰＳ）や運動エネルギー回収システム（ＫＥＲＳ）等に用いられるものとすることができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
本発明の実施例に係る高速回転機につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の高速回転機１は、図１〜図３に示すごとく、高速で自転するロータ２と、該ロータ２を内部に配置すると共に軸支するハウジング３とからなる。
ハウジング３は、ロータ２を収容配置する収容室３１と、該収容室３１と連通した集気室３２と、収容室３１と集気室３２とを連結する連通部３３とを備えている。
収容室３１の内壁面は、ロータ２の表面に対向すると共に該表面との間にクリアランスを設けてなる。
【００３０】
連通部３３は、ロータ２の回転軸Ａから半径ｒの半分以上径方向に離れた部分においてロータ２の表面に対向する位置に、収容室３１に対して開口している。本例においては、連通部３３は、ロータ２の回転軸Ａから半径以上径方向に離れた部分において、収容室３１に対して開口している。
【００３１】
ロータ２は、図１に示すごとく、回転軸方向の両端に、回転軸Ａに直交する平坦面２１を一対備えた略円筒形状を有する。一対の平坦面２１の中心からは、回転軸Ａに沿って一対の軸部２２がそれぞれ平坦面２１の法線方向に延びている。軸部２２は、ハウジング３に設けられた軸支部３４に対して回転可能に軸支されている。なお、軸支部３４は、例えば、ボールベアリングやローラーベアリング、すべり軸受、磁気軸受等の軸受にて構成することができる。
【００３２】
ハウジング３は、ロータ２の平坦面２１に対向する支持壁部３５と、ロータ２の径方向の外周面２３に対向する外周壁部３６とを有する。そして、支持壁部３５に、上記軸支部３４が形成されている。また、外周壁部３６に、連通部３３及び集気室３２が、それぞれ２個ずつ形成されている。
【００３３】
一対の連通部３３は、一対の平坦面２１をそれぞれ径方向外側へ延長した部分において、収容室３１に開口している。図３に示すごとく、集気室３２及び連通部３３は、平坦面２１の径方向外側の全周にわたって形成されている。したがって、集気室３２及び連通部３３は、円環状に形成されている。また、連通部３３は、平坦面２１の径方向外側の全周にわたって収容室３１に開口している。
【００３４】
連通部３３は、図１、図４に示すごとく、収容室３１に対する開口部における回転軸方向の両端が、平坦面２１の延長面を挟んだ両側に位置している。そして、連通部３３は、回転軸方向の幅Ｗ１が、ロータ２の平坦面２１とハウジング３の支持壁部３５の内壁面との間のクリアランスＣ１よりも大きい。
集気室３２は、一対の連通部３３に対応して一対形成されている。集気室３２は、回転軸方向の幅が連通部３３よりも大きく、径方向の幅Ｗ２が、ロータ２の外周面２３とハウジング３の外周壁部３６との間のクリアランスＣ２よりも大きい。
【００３５】
ハウジング３の収容室３１、集気室３２、連通部３３は互いに連通しつつ、一つの密閉空間を構成している。すなわち、ハウジング３の内部空間は、外部と連通しておらず、気密構造を有する。ただし、ハウジング３の内部空間は、必ずしも気密構造である必要はなく、外部との間の通気構造を備えていてもよい。なお、本例においては、上記気体は空気である。
【００３６】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記高速回転機１においては、ハウジング３が収容室３１と連通した集気室３２を有する。そして、連通部３３が、ロータ２の回転軸Ａから半径ｒの半分以上径方向に離れた部分においてロータ２の表面に対向する位置に、収容室３１に対して開口している。これにより、ロータ２が高速回転して収容室３１における気体がロータ２の外周側へ向かったとき、気体は連通部３３を介して集気室３２へ集められることとなる。それゆえ、集気室３２における気体の密度が高くなり、その分、収容室３１の気体の密度は低くなる。その結果、高速回転機１の風損を低減することができる。
【００３７】
特に、連通部３３がロータ２の回転軸Ａから半径ｒの半分以上径方向に離れた部分において、収容室３１に対して開口しているため、ロータ２の外周部分及びそこに近い部分における気体の密度が高くなることを防ぐことができる。
本例では、回転軸Ａから半径ｒ以上離れた部分において、連通部３３が収容室３１に対して開口している。そのため、より効率的に収容室３１内の気体を連通部３３から集気室３２へ導くことができるとともに、ロータ２の外周部分及びそこに近い部分における気体の密度が高くなることを防ぐことができる。その結果、より効果的に高速回転機１の風損を低減することができる。
【００３８】
また、集気室３２は、収容室３１とは個別の空間として形成してあるため、図１、図２に示すごとく、収容室３１の内壁面とロータ２の表面とを、両者の間のクリアランスを充分に小さくした状態で対向させることができる。その結果、ロータ２の表面において気体の乱流が生じることを防ぐことができ、風損を抑制することができる。
【００３９】
また、ロータ２の一対の平坦面２１を径方向外側へ延長した部分において、連通部３３が収容室３１に開口している。こそれゆえ、さらに効率的に収容室３１内の気体を連通部３３から集気室３２へ導くことができる。すなわち、収容室３１内の気体は、その粘性によって、平坦面２１に面した部分においてもロータ２と共に回転する。そして、図４に示すごとく、この回転する気体Ｇが遠心力によってロータ２の外周側へ導かれる。それゆえ、平坦面２１を径方向外側へ延長した方向へ気体Ｇが導かれやすいため、その部分に連通部３３が開口していることにより、気体Ｇをより効率的に集気室３２へ集めることができる。
【００４０】
また、図３に示すごとく、集気室３２及び連通部３３は、平坦面２１の径方向外側の全周にわたって形成され、連通部３３は、平坦面２１の径方向外側の全周にわたって収容室３１に開口している。それゆえ、収容室３１内の気体の密度を万遍なく低下させることができ、より効果的に高速回転機１の風損を低減することができる。
【００４１】
また、図１に示すごとく、ロータ２における一対の平坦面２１をそれぞれ径方向外側へ延長した部分の双方において、それぞれ連通部３３が収容室３１に開口している。そのため、一対の平坦面２１にそれぞれ面した部分においてロータ２と共に回転する気体が、遠心力によってロータ２の外周側へ導かれる。それゆえ、収容室３１から集気室３２へ導かれる気体の量を効果的に増やすことができ、より効率的に収容室３１の気体の密度を低減することができる。
また、集気室３２は、一対の連通部３３に対応して一対形成されている。そのため、一対の連通部３３においてそれぞれ充分に収容室３１から気体を排出することができる。
【００４２】
以上のごとく、本例によれば、風損を効果的に低減することができる高速回転機を提供することができる。
【００４３】
（実施例２）
本例は、図５、図６に示すごとく、ロータ２の形状を変更した例である。
具体的には、図５（Ａ）に示すごとく、ロータ２は、回転軸方向の両端に、互いに半径の異なる一対の平坦面２１を備え、回転軸Ａを含む平面による断面の形状が略台形状となる形状を有する。そして、一対の平坦面２１のうちの半径の大きい大径平坦面２１１を径方向外側へ延長した部分において、連通部３３が収容室３１に開口している。
【００４４】
つまり、ロータ２は、上記平坦面２１として、上記大径平坦面２１１と、該大径平坦面よりも半径の小さい小径平坦面２１２とを有する。大径平坦面２１１及び小径平坦面２１２は、いずれも回転軸Ａを中心とした円形である。そして、大径平坦面２１１の端縁と小径平坦面２１２の端縁とを最短距離で結ぶように、外周面２３が形成されている。したがって、回転軸Ａを含む平面によるロータ２の断面形状（図５（Ａ）に表れる形状）において、外周面２３は、回転軸Ａに対して傾斜している。
なお、本例においては、ロータ２の半径ｒは、大径平坦面２１１の半径に一致する。
【００４５】
ハウジング３の収容室３１も、ロータ２の外形に沿うように、回転軸Ａを含む断面形状が略台形状となる形状を有する。そして、集気室３２及び連通部３３は、大径平坦面２１１を径方向外側へ延長した部分に形成されている。一方、小径平坦面２１２を径方向外側へ延長した部分には、集気室３２及び連通部３３は形成されていない。
その他は、実施例１と同様である。
【００４６】
本例の場合には、図６に示すごとく、面積の大きい大径平坦面２１１に面した気体Ｇを集気室３２へ効率的に導くことができる。そのため、効率的に収容室３１内の気体の密度を低下させることができる。
また、小径平坦面２１２に面した気体も、ロータ２の回転に伴って外周側へ導かれ、ロータ２の外周面２３に沿ったクリアランスへ導かれる。この外周面２３は、小径平坦面２１２から大径平坦面２１１へ向かうに従って回転軸Ａから遠ざかるように傾斜している。それゆえ、外周面２３に沿ったクリアランスに導かれた気体Ｇは、ロータ２の回転に伴い、徐々に大径平坦面２１１側へ導かれると共に連通部３３を介して集気室３２へ導かれる。
【００４７】
それゆえ、収容室３１の気体は、大径平坦面２１１側のクリアランスにある気体のみならず、小径平坦面２１２側のクリアランスにある気体、さらには、外周面２３に沿ったクリアランスにある気体をも、効率的に集気室３２へ導くことが可能である。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４８】
（実施例３）
本例は、図７に示すごとく、ロータ２の一対の平坦面２１のうちの一方のみを径方向外側へ延長した部分に、集気室３２及び連通部３３を形成した例である。
すなわち、実施例１においては、集気室３２及び連通部３３を２個形成しているが、本例においては、集気室３２及び連通部３３を１個ずつ形成したものである。そして、集気室３２及び連通部３３は、実施例１と同様に、回転軸Ａを中心とした円環状に形成されている。
その他は、実施例１と同様である。
【００４９】
本例の場合には、集気室３２及び連通部３３の形成箇所が少ないため、構造を簡素化することができ、加工コストも低減することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５０】
（実施例４）
本例は、図８に示すごとく、連通部３３を、収容室３１の角部に斜めに形成した例である。
すなわち、ハウジング３における軸支壁部３５と外周壁部３６との交わる部分に、連通部３３及び集気室３２を形成してある。連通部３３は、ロータ２における平坦面２１と外周面２３との間の角部に向かって、収容室３１に開口している。
また、集気室３２は、回転軸Ａを含む平面による断面の形状（図８（Ａ）に表れる形状）が略円形状を有する。
その他は、実施例３と同様である。
【００５１】
本例の場合には、連通部３３及び集気室３２を切削加工によって形成することが容易となる。すなわち、加工治具をハウジング３の軸支壁部３５と外周壁部３６との間の部分に斜めに進入させることができるため、旋盤を用いて容易に連通部３３及び集気室３２を円環状に形成することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、本例のような形状の集気室３２及び連通部３３を、ロータ２の一対の平坦面２１の双方の延長線上に形成することもできる。
【００５２】
（実施例５）
本例は、図９〜図１１に示すごとく、集気室３２及び連通部３３を、回転軸Ａを中心とした円周方向の一部に形成した高速回転機１の例である。
すなわち、実施例１〜４に示した高速回転機１は、いずれも、回転軸Ａを中心とした円周方向の全体にわたって、集気室３２及び連通部３３を円環状に形成したものである。これに対して、本例の高速回転機１は、集気室３２及び連通部３３を、上記円周方向の一部にのみ形成している。
【００５３】
図９に示す高速回転機１は、ロータ２の一方の平坦面２１を径方向外側へ延長した部分の一部にのみ、集気室３２及び連通部３３を形成したものである。集気室３２の回転軸方向の幅及び延周方向の幅は、いずれも、連通部３３よりも大きい。
図１０に示す高速回転機１は、集気室３２及び連通部３３を、ロータ２の外周面２３の外側に形成した例である。つまり、連通部３３は、ロータ２の外周面２３に向かって開口している。
【００５４】
図１１に示す高速回転機１は、ロータ２の一対の平坦面２１の双方を径方向外側へ延長した部分の一部に、連通部３３を形成した例である。ただし、集気室３２は、ロータ２の一方の平坦面２１を径方向外側へ延長した部分の一部にのみ形成してある。そして、上記一対の連通部３３は、一つの集気室３２に連通している。
その他は、実施例１と同様である。
【００５５】
本例の場合には、ハウジング２の小型化を容易にすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５６】
（実施例６）
本例は、図１２、図１３に示すごとく、集気室３２に排気装置４を接続した高速回転機１の例である。
すなわち、集気室３２に排気装置４を接続することにより、集気室３２から気体を排気することができるように構成してある。排気装置４としては、例えば、自動車のエンジンの吸気部（例えばインテークマニホールド）や、バキュームブースター等を用いることができる。
【００５７】
図１２に示す高速回転機１は、実施例１に示した高速回転機１に排気装置４を取り付けた例である。また、図１３に示す高速回転機１は、実施例２に示した高速回転機１に排気装置４を取り付けた例である。
【００５８】
本例の場合には、集気室３２に集められた気体を高速回転機１の外部に排出することができるため、収容室３１内の気体を集気室３２へより導きやすくなる。その結果、収容室３１内の気体の密度をより低減することができ、高速回転機１の風損をより低減することができる。
その他は、実施例１と同様である。
【００５９】
（実施例７）
本例は、図１４に示すごとく、連通部３３に逆止弁３３１を配設した高速回転機１の例である。逆止弁３３１は、集気室３２から収容室３１へ向かう気体の逆流を防ぐように配設されている。
その他の構成は、実施例５の図９に示す高速回転機１と同様である。ただし、逆止弁３３１は、これに限らず、他の構成であっても適宜、適用することができる。
【００６０】
本例の場合には、集気室３２に集められた高圧の気体が収容室３１へ逆流することを防ぎ、収容室３１の気体の密度を効率的に低減させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６１】
（実施例８）
本例は、図１５〜図２０に示すごとく、ロータ２の形状を種々変更した高速回転機１の例である。
回転軸Ａを含む平面によるロータ２の断面形状を種々変更した例を、図１５〜図１８に示す。これらの高速回転機１において、ハウジング３の収容室３１の形状は、ロータ２の外形に沿った形状としている。
【００６２】
図１５に示す高速回転機１は、ロータ２の外周面２３の断面形状を略半円形状としたものである。
図１６に示す高速回転機１は、ロータ２の外周面２３の断面形状を、その中央部に向かって外側へ延びる一対の斜辺２３１によって構成される形状としたものである。そして、一対の斜辺が交わる部分に外周端縁２３２が形成されている。連通部３３及び集気室３２は、外周端縁２３２の外側に形成されており、外周端縁２３２に向かって連通部３３が収容室３１に開口している。
【００６３】
図１７に示す高速回転機１は、ロータ２が平坦面２１を回転軸方向の片側にのみ有し、他方側には、略球面の一部に相当する球状面２４を形成してなるものである。そして、平坦面２１を径方向外側へ延長した部分に、集気室３２及び連通部３３が形成されている。
図１８に示す高速回転機１は、回転軸Ａを含む平面によるロータ２の断面形状を略菱形状としたものである。そして、その外周端縁２３２の外側に連通部３３及び集気室３２が形成されており、外周端縁２３２に向かって連通部３３が収容室３１に開口している。
【００６４】
次に、回転軸Ａに直交する平面によるロータ２の断面形状を種々変更した例を、図１９〜図２１に示す。
図１９に示す高速回転機１は、ロータ２の外周面２３に、部分的に内側に凹んだ凹部２３３を形成したものである。すなわち、実施例１に示した円柱状のロータ２の外周面２３に、例えば４か所に凹部２３３を設けることができる。図１９に示すものは、凹部２３３を、回転軸Ａに平行な方向に溝状に形成したものであるが、凹部２３３は、周方向に溝状に形成してもよいし、斜めに形成することもできる。さらには、凹部２３３を、点状に形成することもできる。
ここで、凹部２３３は、風損の観点では、なぐべく小さく、少ない方が好ましいが、特に限定されるものではない。
【００６５】
図２０に示す高速回転機１は、ロータ２の外周面２３に、断面が鋸歯状の凹凸面２３４を形成したものである。ここで、凹凸面２３４の深さはなるべく浅い方が好ましいが、特に限定されるものではない。
【００６６】
図２１に示す高速回転機１は、ロータ２の外周面２３の断面形状を、多角形としたものである。ロータ２の外周面２３の断面形状を多角形とする場合には、正多角形であることが好ましいとともに、角数が多い方が望ましく、例えば六角形以上であることが好ましい。
以上、本例において挙げた形状のロータ２を備える高速回転機１においても、実施例１と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００６７】
（実施例９）
本例は、図２２に示すごとく、本発明の高速回転機１を適用した車両用の回転電機５の例である。
すなわち、本例の回転電機５は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両駆動用のモータとして用いられる。
回転電機５は、ハウジング３に、円環状のステータ５１を備えている。そして、ステータ５１の内側に、収容室３１が形成されており、該収容室３１に、回転子としてロータ２が収容されている。ロータ２は、軸部２２において、ハウジング３に設けられた軸支部３４に、回転可能に軸支されている。そして、ロータ２の外周面２３は、ステータ５１の内周面に対向配置されている。
【００６８】
また、収容室３１と軸支部３４との間には、軸シール３７が配置されている。これによって、歯車や軸支部３４を潤滑する油がロータ２側に進入しないようにするとともに、集気室３２の効果で空気の圧力が下がったハウジング３内（収容室３１）に、差圧によって新たな空気が進入しないようにすることができる。
【００６９】
ロータ２における一対の軸部２２の一方には、大歯車５２１が固定されている。そして、該大歯車５２１と、これに噛み合って回転する小歯車５２２とによる減速ギア５２を介して、ロータ２の回転力が、トルクを増加させて、シャフト５３を通じて車両の駆動系に伝達される。
【００７０】
ハウジング３には、ロータ２の外周面２３よりも外側において、収容室３１から、回転軸方向であって減速ギア５２と反対側へ向かって連通部３３が形成され、その先に集気室３２が形成されている。集気室３２及び連通部３３は、回転軸Ａを中心とした円環状に形成されている。
【００７１】
ロータ２は、略円柱形状を有し、その半径ｒは、例えば２５〜２００ｍｍとすることができ、回転軸方向の幅Ｗ３は、例えば５０〜２００ｍｍとすることができる。また、ロータ２は、ハウジング３に対して、例えば、最高回転速度１００００〜５００００ｒｐｍにて回転する。
その他は、実施例１と同様である。
【００７２】
本例の場合には、回転電機５の風損を低減することができる。特に、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両駆動用の回転電機５の場合には、回転子（ロータ２）の半径が大きく、またロータ２の回転速度が大きいため、風損が大きくなりやすいところ、集気室３２を設けることにより、その風損の低減効果を充分に得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７３】
（実施例１０）
本例は、図２３に示すごとく、本発明の高速回転機１を適用した運動エネルギー回収システム（ＫＥＲＳ）６の例である。
すなわち、高速回転機１のロータ２を、運動エネルギー回収システム６におけるフライホイールとした。そして、このフライホイール（ロータ２）を内部の収容室３１に収容するとともに軸支するハウジング３に、集気室３２及び連通部３３を設けている。
【００７４】
運動エネルギー回収システム６は、例えば、車両に搭載され、車両の減速時等において、車両の運動エネルギーをフライホイール（ロータ２）の回転運動のエネルギーとして蓄積するシステムである。
【００７５】
ロータ２における一対の軸部２２のうちの一方には、小歯車６２１が固定されており、該小歯車６２１と、これに噛み合う大歯車６２２とによって、後述する遊星歯車部６３に連結された連結シャフト６２３の回転速度を増加させてロータ２に伝達する増速部６２が構成されている。遊星歯車部６３は、連結シャフト６２３に固定されたサンギア６３１と、該サンギア６３１に噛み合う４個のピニオンギア６３２と、該４個のピニオンギア６３２に噛み合う１個のリングギア６３３とからなる。なお、ピニオンギア６３２の個数については、特に限定されるものではなく、例えば３〜６個とすることができる。
また、収容室３１と軸支部３４との間には、軸シール３７が配置されている。
【００７６】
上記複数のピニオンギア６３２は、入出力キャリア６４の一端に固定されると共に入出力キャリア６４に対して直交する方向へ放射状に延びる放射状腕部６４１に、それぞれ回転可能に固定されている。そして、入出力キャリア６４の他端は、歯車あるいはチェーン・スプロケットあるいはベルト・プーリ等を介して車両の駆動系に接続されている。
具体的には、例えば、デファレンシャルギア、エンジンのスタータの歯車とかみ合うドライブプレート、オルタネータを駆動するベルト、トランスミッション内の歯車等と噛み合う歯車が入出力キャリア６４に固定されている。或いは、トランスミッション内の回転軸とチェーンで動力を伝達できるスプロケットが入出力キャリア６４に配置されていてもよい。その他、入出力キャリア６４は、タイヤと動力の受け渡しができる部分のいずれかに接続される。
【００７７】
また、リングギア６３３は、ロータ２（フライホイール）へ伝達する回転速度を調整するための調速器６５１に接続されるリングギア保持部６５２に固定されている。調速器６５１としては、例えば、車両用の駆動モータ、ブレーキ、可変容量ポンプ等を用いることができる
【００７８】
遊星歯車部６３は、高速回転機１のハウジング３に固定されたギアボックス６６に収容されている。また、増速部６２は、ハウジング３に設けた凹部とギアボックス６６との間に形成された空間に形成されている。連結シャフト６２２及びリングギア保持部６５２は、それぞれハウジング３及びギアボックス６６に設けられた軸受部６７に軸支されている。また、入出力キャリア６４は、連結シャフト６２２の内側に設けた軸受部６７０に軸支されている。
【００７９】
ロータ２は、実施例１に示した高速回転機１における円柱形状のロータと同様の形状を有する。そして、その半径ｒは、５０〜２００ｍｍ、回転軸方向の幅Ｗ３は、２５〜１００ｍｍ程度である。また、ロータ２は、ハウジング３に対して、例えば、最高回転速度１００００〜１０００００ｒｐｍにて回転する。
ハウジング３は、ロータ２の一対の平坦面２１のうち、増速部６２に近い側の一方の平坦面２１を径方向に延長した部分に、集気室３２及び連通部３３を備えている。
【００８０】
調速器６５１として駆動モータを選定した場合を例にとり、運動エネルギー回収システム６の作動を以下に説明する。
まず、サンギア６３１とリングギア６３３の歯数を、それぞれ、Ｚｓ、Ｚｒとし、Ρ＝Ｚｓ／Ｚｒと定義する。また遊星歯車部６３のサンギア６３１、入出力キャリア６４、リングギア６３３の回転数・トルクを、それぞれωｓ・Ｔｓ、ωｃ・Ｔｃ、ωｒ・Ｔｒと定義する。また、入出力キャリア64の回転方向を正回転、反対の回転方向を負回転と定義する。
【００８１】
運動エネルギー回収システム６に運動エネルギーを回収する際の、運動エネルギー回収システム６の作動は、以下のとおりである。
すなわち、リングギア６３３が正回転のとき、駆動モータ（調速器６５１）によって、リングギア６３３の回転数を下げる方向にトルクＴｒを与える。これにより、サンギア６３１にＴｓ＝Ρ／（１＋Ρ）×Ｔｃのトルクが、回転数を上げる方向に働き、ロータ２の回転数を上げる。ロータ２の慣性重量をＩとしたときロータ２が保持するエネルギーはＩ×ωｓ2／２で表されるため、ロータ２の回転数の増加によりωｓが大きくなった分だけ、ロータ２にエネルギーが回収される。
一方、リングギア６３３が負回転のとき、駆動モータ（調速器６５１）によって、リングギア６３３の回転数を上げる方向にトルクＴｒを与えることで、上記と同様に、サンギア６３１の回転数を上げ、ロータ２にエネルギーを回収する。
【００８２】
また、運動エネルギー回収システム６に蓄積した運動エネルギーを利用する際の、運動エネルギー回収システム６の作動は、以下のとおりである。
すなわち、リングギア６３３が正回転の場合、駆動モータ（調速器６５１）によって、リングギア６３３の回転数を上げる方向にトルクＴｒを与える。これにより、サンギア６３１（ロータ２）にΡ／（１＋Ρ）×Ｔｃのトルクが、回転数を下げる方向に働き、その反力としてＴｃのトルクが入出力キャリア６４に付加される。よってサンギア６３１（ロータ２）に蓄えられていた運動エネルギーが、入出力キャリア６４を通じて利用される。リングギア６３３が負回転の場合、駆動モータ（調速器６５１）によって、リングギア６３３の回転数を下げる方向にトルクＴｒを与える。これにより、上記と同様に、サンギア６３１の回転数を下げ、サンギア６３１（ロータ２）に蓄えられていた運動エネルギーが、入出力キャリア６４を通じて利用される。
その他の高速回転機１の部分の構成については、実施例１と同様である。
【００８３】
本例の場合には、フライホイールの風損を低減することができる。また、フライホイールは、半径が大きく、また回転速度が大きいため、風損が大きくなりやすいところ、本発明を適用することにより、その風損の低減効果を充分に得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００８４】
なお、本発明の高速回転機は、上述した運動エネルギー回収システム６に限らず、無停電電源（ＵＰＳ）等、フライホイールを備えた他の装置にも同様に用いることができる。
【００８５】
なお、上記実施例においては、収容室３１における気体が空気である場合について説明したが、気体は空気に限らず、他の気体であってもよい。
この場合、例えば、収容室３１と集気室３２と連通部３３とを、外部から隔離された密閉空間として、該密閉空間に同一圧力、同一温度において空気よりも密度の低い（軽い）気体、例えばヘリウムや水素等を充填することもできる。この場合には、収容室３１内に残った気体とロータ２との間の摩擦抵抗が小さくなり、風損をより低減することができる。つまり、風損（Ｆ＝ｋ・ρ・ω3・ｒ4・（２ｒ＋５Ｌ））の構成因子のうちのρが小さくなるため、風損が低減される。
【００８６】
（比較例）
本例は、図２４に示すごとく、実施例１に示した高速回転機１における集気室３２及び連通部３３を有しないハウジング９３を備えた高速回転機９の例である。
本比較例の高速回転機９は、高速で自転するロータ９２と、該ロータ９２を内部に配置すると共に軸支するハウジング９３とからなる。そして、このハウジング９３には、連通部も集気室も設けられていない。
その他は、実施例１と同様である。
【００８７】
本比較例においては、ロータ９２が高速回転すると、ハウジング９３の収容室９３１内の気体（空気）とロータ９２の表面との間で空気摩擦が生じ、風損が生じる。特に、ロータ９２の表面に面した気体は、その粘性によってロータ９２と共に回転する。この回転する気体が遠心力によってロータ９２の径方向外側へ向かって移動する。そのため、特にロータ９２の外周側へ行くほど気体の密度が大きくなる。そして、ロータ９２の外周側部分ほど速度が速いため、密度の高い気体との摩擦による抵抗が相乗的に大きくなることとなる。その結果、本比較例の高速回転機９においては、大きな風損が生じることとなる。
【００８８】
これに対して、実施例１〜１０に示す高速回転機１は、集気室３２及び連通部３３を備えることにより、収容室３１内の気体の密度を低下させることができ、特にロータ２の外周部における気体の密度上昇を防ぐことができる。そのため、上記のごとく、風損を効果的に抑制することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  高速回転機
２  ロータ
２１  平坦面
３  ハウジング
３１  収容室
３２  集気室
３３  連通部
【図１】
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【図２】
2012186932.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012186932.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2012186932.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2012186932.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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