(57)【要約】【課題】本発明の課題は、熱交換器及び水冷装置を大型化せず、回転機内の温度上昇を効率的に低減することのできる永久磁石式回転電機を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に固定子コイルが施された固定子と、該固定子の固定子鉄心と所定間隙を持って対向配置され、シャフトに固定されている回転子鉄心に永久磁石が周方向に複数配置された回転子と、前記固定子鉄心の外周側に配置された水冷装置と、前記回転子鉄心の軸方向端部の少なくとも一方側のシャフトに固定され、冷却風を機内に循環させるファンとを備えた永久磁石式回転電機において、前記水冷装置の外周に前記冷却風が通る通風路を設け、前記ファンにより機内を循環させて冷却した冷却風を前記通風路に導き、該通風路内を通る冷却風と前記水冷装置とで熱交換した冷却風を再度前記機内に循環させることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に固定子コイルが施された固定子と、該固定子の固定子鉄心と所定間隙を持って対向配置され、シャフトに固定されている回転子鉄心に永久磁石が周方向に複数配置された回転子と、前記固定子鉄心の外周側に配置された水冷装置と、前記回転子鉄心の軸方向端部の少なくとも一方側のシャフトに固定され、冷却風を機内に循環させるファンとを備えた永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の外周に前記冷却風が通る通風路を設け、前記ファンにより機内を循環させて冷却した冷却風を前記通風路に導き、該通風路内を通る冷却風と前記水冷装置とで熱交換した冷却風を再度前記機内に循環させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
固定子鉄心に固定子コイルが施された固定子と、該固定子の固定子鉄心と所定間隙を持って対向配置され、シャフトに固定されている回転子鉄心に永久磁石が周方向に複数配置された回転子と、前記固定子鉄心の外周側に配置された水冷装置と、前記回転子鉄心の軸方向端部の少なくとも一方側のシャフトに固定され、冷却風を機内に循環させるファンとを備えた永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の外周にはリブが周方向に所定間隔をもって複数配置されると共に、該リブの外周側に回転電機全体を覆うフレームが配置され、前記水冷装置の外周側とリブ間及び前記フレーム間で囲まれた前記冷却風が通る通風路が形成され、かつ、前記ファンにより機内を循環させて冷却した冷却風を前記通風路に導き、該通風路内を通る冷却風と前記水冷装置とで熱交換した冷却風を再度前記機内に循環させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子鉄心に、軸方向に前記冷却風を通すためのアキシャルダクトが周方向に所定間隔をもって複数設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子鉄心とシャフトの間に、軸方向に延びたプレートが周方向に所定間隔をもって複数配置され、該周方向に複数配置された前記プレート間で軸方向に前記冷却風を通すためのアキシャルダクトが形成されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記永久磁石は、前記回転子鉄心に周方向に交互に極性を変えて配置されると共に、該永久磁石の隣接する異極間となる極間部には、軸方向に延伸し、かつ、極間部から径方向に延びて前記冷却風を通すための通風路が設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項６】
請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の外周に周方向に所定間隔をもって複数配置されたリブは、その本数が軸方向中心部を境に変わっていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項７】
請求項６に記載の永久磁石式回転電機において、
前記リブの本数は、軸方向中心部を境に前記ファンが設置されている側が少ないことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項８】
請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の外周に周方向に所定間隔をもって複数配置されたリブは、その軸方向長さが前記水冷装置の軸方向長さより短く、かつ、軸方向中心部に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項９】
請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
冷却風を機内に循環させるファンとして、軸方向に冷却風を流すアキシャルファンと、該アキシャルファンとは回転子を挟んで反対側の前記シャフトに設けられ、径方向に冷却風を流すラジアルファンとを用いたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１０】
請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記固定子コイルのエンド部の軸方向長さを左右非対称にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１１】
請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置は、その内部に軸方向を貫通する冷却風が通る複数のパイプが設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１２】
固定子鉄心に固定子コイルが施された固定子と、該固定子の固定子鉄心と所定間隙を持って対向配置され、シャフトに固定されている回転子鉄心に永久磁石が周方向に複数配置された回転子と、前記固定子鉄心の外周側に配置された水冷装置と、前記回転子鉄心の軸方向両端部のシャフトに固定され、冷却風を機内に循環させるファンとを備えた永久磁石式回転電機において、
前記固定子及び回転子の少なくとも軸方向中心部にダクトピースが周方向に所定間隔をもって径方向に放射状に延びて配置され、該ダクトピースの周方向間で径方向通風路が形成され、かつ、前記水冷装置は、その少なくとも軸方向中心部に設けられた前記ダクトピースを境にして分割されると共に、前記水冷装置の外周にはリブが周方向に所定間隔をもって複数配置され、該リブの外周側に回転電機全体を覆うフレームが配置され、前記水冷装置の外周側とリブ間及び前記フレーム間で囲まれた前記冷却風が通る通風路が形成され、前記回転子鉄心の軸方向両端部のシャフトに固定されたそれぞれのファンにより、前記通風路を通った冷却風を機内に双方向から循環させて前記径方向通風路に導き、該径方向通風路から前記通風路に導かれた冷却風と前記水冷装置とで熱交換された冷却風を再度前記機内に双方向から循環させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１３】
請求項１２に記載の永久磁石式回転電機において、
前記回転子鉄心に、軸方向に前記冷却風を通すためのアキシャルダクトが周方向に所定間隔をもって複数設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１４】
請求項１，２、又は１１のいずれかに記載の永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の内部流路を形成する流路壁は、冷却媒体が周方向に流れ、その冷却媒体が流れる向きが変わるコーナー部の流路壁端部形状が径方向の長さを内径側より外径側を短くし、かつ、斜め形状にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の内部流路を形成する流路壁は、回転電機を設置した地面側の位置する方向に水抜き用の切り欠きが設けられていることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１６】
固定子鉄心に固定子コイルが施された固定子と、該固定子の固定子鉄心と所定間隙を持って対向配置され、シャフトに固定されている回転子鉄心に永久磁石が周方向に複数配置された回転子と、前記固定子鉄心の外周側に配置された水冷装置と、前記回転子鉄心の軸方向端部の少なくとも一方側のシャフトに固定され、冷却風を機内に循環させるファンとを備えた永久磁石式回転電機において、
前記水冷装置の外周には冷却風が通る複数のパイプが配置され、かつ、前記ファンにより機内を循環させて冷却した冷却風を前記パイプに導き、該パイプ内を通る冷却風と前記水冷装置とで熱交換した冷却風を再度前記機内に循環させることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項１７】
風車と増速ギアを介して風車ナセル内に設置されている回転電機が接続され、該回転電機が電力変換器を介して電力系統に接続されている風力発電システムにおいて、
前記回転電機は、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機であることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石式回転電機及び風力発電システムに係り、特に、１ＭＷ以上の大容量永久磁石式発電機等に好適な永久磁石式回転電機及び風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電の導入量が近年飛躍的に増加しており、単機容量増加による経済性向上を狙い、１ＭＷ以上の大容量永久磁石発電機の要求が高まっている。大容量永久磁石発電機を適用する際には、例え効率が高くとも、その損失は絶対値として大きなものとなってしまう。そのため、発熱密度を小容量機と同程度にするためには、回転電機体格を大型化する必要があるが、回転電機体格を大型化した場合には、重量増となってしまい、製造コスト，建設コストが大きくなってしまうことから、体格を低減し出力密度を増加する必要がある。
【０００３】
しかし、出力密度の増加は、発熱密度の増加となるため高い冷却性能が要求され、結果としてコスト増加につながる。また、発熱しずらい構造にすると、永久磁石を用いたことによるメリット（体格低減，高効率化）が薄れてしまい、結果的に電気特性を悪化させることとなり、発電機としての仕様を満たすことが困難となる。低コストで電気特性を損なわず高効率な冷却を得るには、冷却に適した構造が必須となる。
【０００４】
このような低コストで電気特性を損なわず高効率な冷却を得る回転機の冷却構造が、特許文献１及び２に開示されている。
【０００５】
即ち、特許文献１には、固定子鉄心形状を星型となるフィン形状にし、そのフィン形状部に冷却用冷媒通路を設けた構造が開示されている。また、特許文献２には、固定子外周に冷媒を流せる構造とした集熱ジャケットを配置し、集熱ジャケットの外側に放熱ジャケットと通風路を備えた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３８８６４号公報
【特許文献２】特開平９−２８５０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、風力発電機の場合、回転子，固定子と冷却用の熱交換器或いは水冷装置を有した発電機構成となる。水冷型発電機の場合、発電機で発熱した熱は、冷却水流路を構成した水冷装置により発電機の発熱を冷却する。そのため、発電機内の温度上昇を低減するには水冷装置自体の体格を増加しなければならず、結果的に発電機全体の体格，重量増加へと繋がる。また、永久磁石式発電機では、固定子コイルの発熱が支配的であるが、水冷装置を固定子外周に配置することでコイル温度を効率的に冷却できることから、水冷装置の体格を大きくすることが温度低減には効果的となる。
【０００８】
上記した特許文献１は、固定子鉄心に冷媒を流すための流路を構成しているが、固定子鉄心は回転磁界の磁束が通る磁路でもあるため、冷媒を流すための流路を構成すると磁気抵抗が増加し、回転機としての性能が低下する。また、流路構成が周方向，軸方向と複雑な流路となるため、メンテナンス等でモータを停止し流路内の冷却媒体を排水しようとした場合、流路内に冷却媒体が残ってしまう可能性がある。
【０００９】
一方、特許文献２は、水冷構造と外気との空冷構造を併せ持つ構造であるが、空冷部に着目すると、空冷部は回転機の外側に設けた外旋ファンにより冷却風を通過させる構造のため、固定子コイル温度を低減するには効果的だが、内部（回転子，軸受）の冷却が不十分となる。そのため、内部の温度を低減しようとすると、内部の発熱密度を下げる必要があるため、回転機の体格も大型化することとなる。
【００１０】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、熱交換器及び水冷装置を大型化せず、回転機内の温度上昇を効率的に低減することのできる永久磁石式回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に固定子コイルが施された固定子と、該固定子の固定子鉄心と所定間隙を持って対向配置され、シャフトに固定されている回転子鉄心に永久磁石が周方向に複数配置された回転子と、前記固定子鉄心の外周側に配置された水冷装置と、前記回転子鉄心の軸方向端部の少なくとも一方側のシャフトに固定され、冷却風を機内に循環させるファンとを備えた永久磁石式回転電機において、前記水冷装置の外周に前記冷却風が通る通風路を設け、前記ファンにより機内を循環させて冷却した冷却風を前記通風路に導き、該通風路内を通る冷却風と前記水冷装置とで熱交換した冷却風を再度前記機内に循環させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱交換器及び水冷装置を大型化することなく、回転機内の温度上昇を効率的に低減することができ、冷却効率の向上が可能な永久磁石式回転電機及び風力発電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の永久磁石式回転電機の第１実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例１）
【図２】図１の径方向断面図である。（実施例１）
【図３】第１実施例における固定子コイルの温度と水冷装置の重量との関係を示す特性図である。（実施例１）
【図４】本発明の永久磁石式回転電機の第２実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例２）
【図５】図４の径方向断面図である。（実施例２）
【図６】本発明の第２実施例である永久磁石式発電機の他の例を示す軸方向断面図である。（実施例２）
【図７】図６の径方向断面図である。（実施例２）
【図８】本発明の第２実施例である永久磁石式発電機の更に他の例を示す軸方向断面図である。（実施例２）
【図９】図８の径方向断面図である。（実施例２）
【図１０】本発明の永久磁石式回転電機の第３実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例３）
【図１１】本発明の永久磁石式回転電機の第４実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例４）
【図１２】水冷装置の外周部を平面展開した図である。（実施例４）
【図１３】本発明の永久磁石式回転電機の第５実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例５）
【図１４】本発明の永久磁石式回転電機の第６実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例６）
【図１５】本発明の永久磁石式回転電機の第７実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例７）
【図１６】本発明の永久磁石式回転電機の第８実施例である永久磁石式発電機における水冷装置の内部流路を三次元で示す図である。（実施例８）
【図１７】図１６に示した水冷装置の内部流路を二次元で示す図である。（実施例８）
【図１８】図１６に示した水冷装置の内部で流路を形成するための流路壁の径方向断面図である。（実施例８）
【図１９】本発明の永久磁石式回転電機の第９実施例である永久磁石式発電機における水冷装置の流路を二次元に展開した図である。（実施例９）
【図２０】本発明の永久磁石式回転電機の第１０実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例１０）
【図２１】図２０に示した水冷装置の展開図である。（実施例１０）
【図２２】本発明の永久磁石式回転電機の第１１実施例である永久磁石式発電機を示す軸方向断面図である。（実施例１１）
【図２３】本発明の第１乃至第１１実施例の永久磁石式発電機を用いた風力発電システムを示す図である。（実施例１２）
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の永久磁石式回転電機である永久磁石式発電機の詳細を、図面を用いながら説明する。尚、各図において、同一部分には同じ番号を付与している。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例である永久磁石式発電機を示すものである。
【００１６】
図１において、回転子１は、電磁鋼板が軸方向に複数枚積層されて形成される回転子鉄心２を備え、この回転子鉄心２を形成する電磁鋼板に永久磁石３が周方向に複数埋め込まれてシャフト５に固定されている。回転子鉄心２の軸方向端部の一方側（図１では左側）のシャフト５には、冷却風を機内に循環するアキシャルファン４が固定されている。また、回転子１と所定の間隙を持って対向配置される固定子６は、電磁鋼板が軸方向に複数枚積層されて形成される固定子鉄心２ａを備え、この固定子鉄心２ａの内径側に形成されている固定子スロットに固定子コイル７が施されている。この固定子６の外周面に接するように、水冷ジャケットのような水冷装置８が配置され、更に水冷装置８の外周に通風冷却用のリブ９が周方向に所定間隔を持って配置され、リブ９の外周に発電機フレーム１０が固定されることで発電機内部は密閉構造となっている。尚、１６はシャフト５を回転可能に支承する軸受である。
【００１７】
図２は、図１の径方向断面を示し、回転子１は、上述した如く永久磁石が埋め込まれているが、この永久磁石３は略Ｖ字型で周方向に交互に極性を変えながら配置されている。一方、水冷装置８の外周には、通風冷却用のリブ９が周方向に所定間隔を持って配置されているが、そのリブ９の周方向間を、リブ９の外周側を発電機全体を覆う発電機フレーム１０で囲むことで通風路１２が形成されている。
【００１８】
尚、該図に示す例は、回転子１の極数は１２極、固定子スロット１１のスロット数は１０８となる三相交流発電機である。
【００１９】
内部の空気の流れを図１及び図２を用いて説明する。発電機内部の空気は、アキシャルファン４により回転子１と固定子６の間を軸方向に流れ、軸方向端部に到達した冷却風は、流れを径方向に変え固定子コイル７のエンド部を冷却し、水冷装置８の外周に配置されたリブ９間で形成される通風路１２に導かれて発電機内部を循環する。つまり、リブ９の部分は図２に示すように、水冷装置８の外周に周方向に等間隔で配置されおり、配置されたリブ９間で形成された通風路１２に冷却風が流れることで、発電機内を循環するものである。
【００２０】
これにより、アキシャルファン４により回転子１と固定子６の間を軸方向に流れ、固定子コイル７のエンド部等を冷却して温まった冷却風が通風路１２に導かれるので、この際に、通風路１２内を通る温まった冷却風と水冷装置８が熱交換され、温まった冷却風が冷却される。この冷却された冷却風が、アキシャルファン４により、再度発電機内を循環することになる。
【００２１】
次に、図３を用いて固定子コイル７の温度と水冷装置重量との関係を説明する。図３には、水冷装置８に通風冷却用のリブ９を設けた場合の水冷装置重量を符号１３とし、リブ９が無い場合の水冷装置８の重量を符号１４として図示している。
【００２２】
固定子コイル７の温度の温度上限値を１とし規格化し、同様にリブ９が無い場合の水冷装置８の重量を１とし規格化している。よって、固定子コイル７の温度は、１以下になれば温度上限値を満足し温度が低減されることになり、水冷装置８の重量は、１以上になると重量が増加することとなる。
【００２３】
同図から、固定子コイル７の温度は、温度を低減しようとすると自ずと水冷装置８の重量も増加する傾向となることがわかる。リブ９が無い符号１４の水冷装置８の重量に着目すると、温度を低減するために水冷装置８の重量が大幅に増加していくことがわかる。一方、リブ９が有る符号１３の水冷装置８の重量に着目し、リブ９が無い符号１４と対比すると水冷装置８の重量の増加は緩やかである。これは、リブ９の本数を追加していくことで水冷装置８の重量増加を抑えつつ、温度低減することが可能となることを指している。
【００２４】
このことから、水冷装置８を搭載し、その水冷装置８にリブ９を設け、アキシャルファン４により発電機内の空気を循環させることで、固定子コイル７の温度を水冷装置８で低減し、さらにリブ９による熱交換作用により温度低減と発電機重量の抑制が可能となる。
【００２５】
冷却部の構成として水冷装置８，リブ９，発電機フレーム１０を、本実施例では各々別部品として構成しているが、水冷装置８とリブ９の一体構成，リブ９と発電機フレーム１０を一体構成にしても良い。
【００２６】
尚、本実施例では、固定子６に施された固定子コイル７の巻線方式は分布巻き方式を採用し、極数１２、固定子スロット１１の数を１０８としているが、集中巻きや他の極数とスロット数でとしても上記で示した例と同様の効果が得られる。また、回転子１の永久磁石３は、平板磁石でＶ字型配置としているが、その他の磁石形状及び磁石配置としても問題がないことは言うまでもない。
【実施例２】
【００２７】
図４及び図５は、本発明の第２実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００２８】
図４及び図５に示す実施例２では、回転子１の永久磁石３とシャフト５の間の回転子鉄心２に、軸方向へ通風するためのアキシャルダクト１５を周方向に等間隔に複数設けている。
【００２９】
これにより、発電機内部の空気は、アキシャルファン４により回転子１と固定子６の間及びアキシャルダクト１５を軸方向に流れるため、軸方向への通風抵抗が減少すると共に内部に循環する風量を増加させることができる。また、軸受１６にも冷却風が当たるため、軸受１６の温度も低減することができる。
【００３０】
実施例２と同様の効果が得られる構造を図６及び図７に示す。図６及び図７に示すように、シャフト５と回転子鉄心２の間に、軸方向に延びたプレート１７を周方向に等間隔に複数配置し、周方向に配置されたプレート１７間で軸方向へ通風するためのアキシャルダクト１５を形成している。
【００３１】
このような構成にすることで、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、コストを低減し回転子の剛性を確保することが可能となる。
【００３２】
実施例１と同様な効果が得られる構造を図８及び図９に示す。図８及び図９に示すように、回転子鉄心２に周方向に交互に極性を変えて永久磁石３が配置されており、その隣接する異極間となる極間部には、軸方向に伸延し、且つ、極間部から径方向に軸中心へ伸びる溝を設けることで極間通風路１８を形成している。
【００３３】
このような構成とすることにより、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、極間通風路１８は永久磁石３と近接して位置するため、極間通風路１８による通風冷却により、永久磁石３の発熱を低減することも可能となる。
【００３４】
尚、本実施例では、回転子１の永久磁石３は平板磁石でＶ字型配置としているが、その他の磁石形状及び磁石配置としても問題は無い。
【実施例３】
【００３５】
図１０は、本発明の第３実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００３６】
該図に示す永久磁石式発電機において、回転子１は回転子鉄心２からなり、回転子鉄心２に永久磁石３が埋め込まれており、回転子鉄心２及びアキシャルファン４がシャフト５の両端部に固定されている。また、回転子鉄心２に、軸方向へ通風するためのアキシャルダクト１５が周方向に等間隔に複数設けられている。更に、本実施例では、回転子鉄心２の軸方向中心部に、通風冷却用のダクトピース１９が周方向に所定間隔をもって径方向に放射状に配置され、このダクトピース１９の周方向間で径方向通風路が形成されている。
【００３７】
一方、固定子６は、固定子鉄心２ａが軸方向に積層され固定子コイル７が施されている。固定子６も回転子１と同様に、固定子鉄心２ａの軸方向中心部に通風冷却用のダクトピース１９が周方向に所定間隔をもって放射状に配置され、このダクトピース１９の周方向間で径方向通風路が形成されている。また、固定子６の外周面に接するように、水冷装置８が軸方向中心部に設けられたダクトピース１９を境にして２分割して配置され、更に、水冷装置８の外周に通風冷却用のリブ９が周方向に等間隔に配置される。リブ９の外周に発電機フレーム１０が固定され、発電機内部は密閉構造となる。
【００３８】
このような構成にすることで、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、シャフト５の両端部に設けられたアキシャルファン４により、回転子鉄心２と固定子鉄心２ａとの間及びアキシャルダクト１５に導かれた冷却風は、ダクトピース１９で形成された径方向通風路を介して発電機内で双方向から循環する複流構造となるため、通風冷却による温度低減効果が期待できる。また、発電機内の最大温度発生部は軸方向中心付近となるため、軸方向中心部に冷却風を流すことで最大温度を低減し発電機内の温度分布を平準化することが可能となる。
【００３９】
尚、本実施例では、ダクトピース１９を配置している位置は軸方向中心部であるが、最大温度発生部に合わせてずらした非対称構造にすることで、より効果的に最大温度を低減することが可能となる。また、ダクトピース１９を軸方向に所定間隔をもって径方向に放射状に設けても良い。
【実施例４】
【００４０】
図１１及び図１２は、本発明の第４実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００４１】
第４実施例では、第１実施例で示した水冷装置８の外周部に設けたリブ９を軸方向中心部を境にし、左右でリブ本数を変えた構成としたものである。即ち、図１２に示すように、アキシャルファン４が固定されている側のリブ９の本数より、反対側のリブ９の本数を多くしている。
【００４２】
このように構成することで、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、リブ９の本数を低減でき、軸方向温度分布に対して温度が上昇する側にリブ９の本数を増やすことで、発電機内の温度分布を平準化することが可能となる。
【００４３】
尚、本実施例ではアキシャルファン４の反対側でリブ９の本数を増やした構成だが、温度分布の高くなる側にリブ９の本数を増やすことが効果的である。
【実施例５】
【００４４】
図１３は、本発明の第５実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００４５】
第５実施例では、第１実施例で示した水冷装置８の外周部に設けたリブ９の軸方向長さを、水冷装置８の軸方向長さより短くし軸方向中心部に配置した構成としたものである。
【００４６】
このように構成することにより、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、発電機内の最大温度発生部は軸方向中心付近で発生する傾向があるが、第５実施例のように、軸方向中心付近にのみリブ９を設けることで、最大温度を低減し発電機内の温度分布を平準化することが可能となる。
【実施例６】
【００４７】
図１４は、本発明の第６実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００４８】
第６実施例では、第１実施例と同様にシャフト５の片側端部に軸方向に冷却風を流すアキシャルファン４を設けているが、回転子２を挟んで反対側端部のシャフト５に径方向に冷却風を流すラジアルファン４ａを設けた構成である。
【００４９】
これにより、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、アキシャルファン４により軸方向に冷却風を流し、更にラジアルファン４ａにより径方向に冷却風を流すことで、リブ９間で形成される通風路１２に冷却風が流れやすくなり、流量が増加し温度上昇を低減することができる。
【実施例７】
【００５０】
図１５は、本発明の第７実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００５１】
第７実施例では、第１実施例で示した固定子コイルのコイルエンド２０の長さを左右非対称にした構成である。即ち、図１５示すように、アキシャルファン４を設けた側のコイルエンドの２０の軸方向長さＡより、アキシャルファン４を設けた側とは反対側のコイルエンド２０の軸方向長さＢを短くしている。
【００５２】
このように構成することにより、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、アキシャルファン４を設けた側とは反対側のコイルエンド２０の軸方向長さＢが短いため、軸方向長さが短いコイルエンド２０側は、通風抵抗が減少し空気が流れやすくなる。また、コイルエンド２０を左右非対称としているため、軸方向の最大温度ピークを温度が低い側にシフトすることが可能となる。
【００５３】
尚、本実施例ではアキシャルファン４の反対側のコイルエンド２０を短くしているが、ファンの種類等を変えればアキシャルファン４を固定した側のコイルエンド２０を短くしてもよい。
【実施例８】
【００５４】
本発明の第８実施例となる第１実施例で示した水冷装置８の内部流路を図１６に三次元で示し、図１７には、二次元に展開した図を示す。
【００５５】
図１６に示す如く、冷却水は流入口２１から水冷装置８内に流れ周方向に約１周し、そこから１８０°流れる向きを変え再び約１周し、それを繰り返して流出口２２へと流れる。図１８に、水冷装置８の内部で流路を形成するための流路壁２３の径方向断面図を示す。流体は周方向に沿って、途中で流れる向きを１８０°変えながら軸方向へ移動する。流体が流れの向きを変える（Ｕターンする部分）コーナー部分の流路壁２３の端部形状を斜めカット２４してある。
【００５６】
このように構成することで、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、流体が向きを変えるコーナーの外側と内側での流速差で発生する気泡や乱れを緩和し、熱伝達を平準化することができる。また、流路壁２３の図示上での下側（発電機を設置したとき地面側になる）に水抜き用の切り欠き２５を設けているが、これにより、水冷装置８の地面設置側に排水口を設けることで、水抜き用切り欠き２５を介して冷却水が流れ、水冷装置８内の冷却水の溜まりを無くすことができ、メンテナンス性を向上することが可能となる。
【００５７】
尚、冷却水を流す装置として、一定速機又は可変速機によるポンプにて水冷装置８に送り込まれる。このとき、可変速機によるポンプを用いた場合、水冷装置８に流す流量も可変できるため、発電機の出力に合わせ流量を調節できるため、ポンプ等の補機類の電力消費を抑え発電機を含めた全体のシステム効率を向上するとことができる。
【実施例９】
【００５８】
図１９は、本発明の第９実施例となる第１実施例で示した水冷装置８の流路を二次元に展開した図である。
【００５９】
該図において、冷却水は流入口２１から水冷装置８内に流れ、水冷装置８の軸方向の端まで流れ、そこから１８０°流れる向きを変えて、それを繰り返しながら周方向に移動し流出口２２へと流れる。
【００６０】
このような構成にすることで、軸方向に冷却水がＵターンしながら流れるため、軸方向の温度分布は平準化しやすくなる。また流路壁２３ａは実施例８で示した流路壁２３とは異なるバー形状となるため加工性が良く、冷却水の向きを変える（Ｕターンする部分）コーナー部分の流路壁２３ａの端部形状を斜めカット２４にすることで、実施例８に示した構成と同様の効果が得られる。
【実施例１０】
【００６１】
図２０は、本発明の第１０実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００６２】
第１０実施例では、第１実施例で示した水冷装置８の内部に、通風冷却用のパイプ２６を設けている。図２１にパイプ２６を設けた水冷装置８の平面展開図を示す。同図で示すように、通風冷却用のパイプ２６は水冷装置８の内部に軸方向へ貫通するよう配置してある。
【００６３】
このような構成にすることで、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、リブ９を通過する冷却風と水冷装置８にも冷却風が流れ、水冷による冷却とパイプ２６を介した熱交換作用により、より冷却効率が向上する。尚、実施例１０の構成を実施例３で示した構成にすることも可能である。
【実施例１１】
【００６４】
図２２は、本発明の第１１実施例となる永久磁石式発電機を示すものである。
【００６５】
今までの各実施例では、水冷装置８の外周側の周方向に等間隔にリブ９を設け、このリブ９間で冷却風が通る通風路１２を形成していたが、図２２に示す第１１実施例では、リブ９を排除し、水冷装置８に直接冷却風が通るパイプ２６を設けた構成にしても良い。
【００６６】
このように構成することで、機内を冷却して温まった冷却風はパイプ２６に導かれ、ここで水冷装置８との熱交換が行われ、温まった冷却風が冷却され、冷却された冷却風が、アキシャルファン４により、再度発電機内を循環されることになり、上述した第１実施例と同様な効果を得ることができる。また、リブ９が無くなるので部品点数を低減でき、生産性を向上することができる。
【実施例１２】
【００６７】
図２３は、本発明の発電機を風力発電システムに適用した例を示す。
【００６８】
第１実施例から第１１実施例で示した発電機１００は、風車１０１と増速ギア１０２を介して接続され、風車ナセル１０３内に設置される。更に発電機１００は、電力系統１０４と電力変換器１０５を介して接続され、発電運転を行うことができる。また、風車１０１と発電機１００は、直結することも可能である。
【００６９】
尚、本実施例では、風力を動力源としているが、例えば水車，エンジン，タービンなどでも十分適用が可能である。
【００７０】
上記実施例の風力発電用発電機は、大容量となった場合に、小型で冷却が行える利点がある。
【符号の説明】
【００７１】
１  回転子
２  回転子鉄心
２ａ  固定子鉄心
３  永久磁石
４  アキシャルファン
４ａ  ラジアルファン
５  シャフト
６  固定子
７  固定子コイル
８  水冷装置
９  リブ
１０  発電機フレーム
１１  固定子スロット
１２  通風路
１５  アキシャルダクト
１６  軸受
１７  プレート
１８  極間通風路
１９  ダクトピース
２０  コイルエンド
２１  流入口
２２  流出口
２３，２３ａ  流路壁
２４  斜めカット
２５  切り欠き
２６  パイプ
１００  発電機
１０１  風車
１０２  増速ギア
１０３  風車ナセル
１０４  電力系統
１０５  電力変換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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】
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【図２３】
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