(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個以上に分割された固定子を有する風力発電用アウターロータ形回転電機であって、
固定子鉄心から露出した固定子巻線端部が隙間を介して互いに対向し、且つ、回転軸方向に並べて配設されている複数の固定子と、
前記複数の固定子の外周を囲むように配設され、且つ、前記複数の固定子との間にエアーギャップが設けられている回転子と、
回転電機内に設けられた回転ファンを有し、前記回転ファンによって径方向に送風された前記冷却風は、まず熱交換器を流通し、次に前記隙間を流通し、その後前記エアーギャップを流通して、前記回転ファンに戻るように循環することにより、前記冷却風によって前記固定子巻線端部、前記複数の固定子及び前記回転子を冷却する第１の冷却手段と、
回転電機内の前記回転ファンと前記隙間との間に設けられた前記熱交換器を有し、前記熱交換器において前記冷却風と冷却液体との熱交換をすることにより、前記冷却液体によって前記冷却風を冷却する第２の冷却手段と、
を備えることを特徴とするアウターロータ形回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載のアウターロータ形回転電機において、
前記回転ファンは、前記固定子の内周側の空間に配設され、径方向へ前記冷却風を吹き出すことを特徴とするアウターロータ形回転電機。
【請求項３】
請求項２に記載のアウターロータ形回転電機において、
前記回転ファンは、複数台が、円周上に等配に配置されており、
前記熱交換器は、前記回転ファンの台数と同じ複数台が、各回転ファンに対応して、円周上に等配に配置されていること、
を特徴とするアウターロータ形回転電機。
【請求項４】
請求項２に記載のアウターロータ形回転電機において、
前記回転ファンは、複数台が、円周上に等配に配置されており、
前記熱交換器は、円環状のものであり、前記複数台の回転ファンの周囲を囲むように配置されていること、
を特徴とするアウターロータ形回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載のアウターロータ形回転電機において、
前記冷却液体は、水、もしくは不凍液、もしくは水と不凍液の混合液を用いることを特徴とするアウターロータ形回転電機。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載のアウターロータ形回転電機であって、
前記回転子にブレードが接続され、風力によって前記ブレードとともに前記回転子が回転することにより発電するアウターロータ形風力用発電機であることを特徴とするアウターロータ形回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアウターロータ形の回転電機（発電機又は電動機）に関し、特に風力用の永久磁石式発電機（PMG : Permanent Magnet Generator)などに適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電機は、その作動中に生じる固定子や回転子の発熱に対して冷却を必要とする。一般的な回転電機では、その固定子や回転子の発熱を、回転電機の内部から表面への熱伝導によって冷却することが可能である。しかし、このような熱伝導による冷却方式のみでは、発熱量が大きい割に表面積が小さい大容量（高電圧又は大電流）の回転電機の固定子や回転子を十分に冷却することが困難である。
【０００３】
特に、大型の風力用発電機のように海浜や海上などの過酷な環境に設置される場合には、海水や塩分を含む劣悪な外気から風力用発電機を守るため、風力用発電機全体をハウジングで密閉する必要がある。従って、風力用発電機に対しては、このような密閉状態でも確実に固定子や回転子を冷却することができる冷却方式が必要となる。
【０００４】
風力用発電機のなかでも特に、ギアレス（ダイレクトドライブ）形の風力用永久磁石式発電機は、回転子に永久磁石を使用した多極のものであるため、回転子を風車に直結して運転することができ、増速ギアがあるものと比較してメンテナンス性に優れているといった特長を有している。しかし反面、固定子や回転子に対する冷却性能が不十分であると、永久磁石の減磁が発生して発電機出力が低下するという問題がある。
【０００５】
詳述すると、永久磁石を扱う上で避けて通ることができない事項として減磁があり、この減磁には可逆減磁と不可逆減磁があるが、特に風力用永久磁石式発電機の場合にはタワー上に設置されるため、その運用期間中に永久磁石の不可逆減磁はもちろんのこと可逆減磁も極力無い方が望ましい。そして、永久磁石の減磁を起こす要因の１つとして、永久磁石が高温下にさらされることによる減磁がある。従って、風力用永久磁石式発電機においては、その固定子や回転子に対する冷却性能が不十分であると、負荷運転時には発電機内及び永久磁石自身の温度が上昇するため、永久磁石が減磁を起こしてしまう。このため、特に風力用永久磁石式発電機においては、その固定子や回転子を効率よく確実に冷却することが重要となる。
【０００６】
また、一般に、定格出力が２０００ｋＷを超えるような大型の風力用永久磁石式発電機の場合には、インナーロータ形のものよりもアウターロータ形のものが採用されるケースがある。その理由は次のとおりである。
【０００７】
インナーロータ形の風力用永久磁石式発電機の場合には、回転子より発熱量の大きい固定子鉄心と固定子巻線とからなる固定子が、回転子の外周側に配設され、永久磁石が取り付けられた回転子が、固定子の内周側にインナーロータとして配置された構成となるため、固定子の発熱を、当該発電機の外壁を通して、熱伝導により、当該発電機の周囲に放熱するという冷却方式が採用される。
【０００８】
しかし、永久磁石式の発電機においては、回転子フレームに永久磁石を取り付けた構造の回転子を有するアウターロータ形のものの方が、インナーロータ形のものに比べて、回転子の直径が大きくてより多数の永久磁石を回転子に配置することが可能であるため、大きさが同じ（同じ直径で、同じ鉄心長）ならば発電出力をより高出力とすることができ、同じ発電出力の発電機ならば大きさをより小型化することができる。これは、発電出力のパラメータとなる回転子と固定子の磁力が、固定子巻線の場合には巻線の巻き数で調整できるが、永久磁石の場合には永久磁石の量で定まることから、より多量の永久磁石を回転子に配置することができるアウターロータ形の永久磁石式発電機のほうが、インナーロータ形の永久磁石式発電機よりも、非常に有利となるためである。
【０００９】
ところが、放熱に関しては、アウターロータ形の風力用永久磁石式発電機の場合、発熱量の大きい固定子鉄心と固定子巻線とから成る固定子が、当該発電機の中心軸側（回転子の内周側）に配設されるため、上記のようなインナーロータ形の風力用発電機で採用されている冷却方式（即ち発電機の外壁を通して、熱伝導により、発電機の周囲に放熱するという冷却方式）を、採用することができない。
【００１０】
かかる課題に対し、上記のようなインナーロータ形の風力用発電機で採用されている冷却方式とは異なる冷却方式が採用されているアウターロータ形の風力用永久磁石式発電機の従来例を、図５及び図６に示す。図５は従来のアウターロータ形の風力用永久磁石式発電機の構成を示す縦断面図、図６は前記アウターロータ形の風力用永久磁石式発電機の要部構成を拡大して示す縦断面図である。
【００１１】
図５及び図６に示すように、本アウターロータ形風力用永久磁石式発電機（以下、単に発電機とも称する）は、アウターロータである回転子１と、固定子４とを有している。
【００１２】
回転子１は、円筒状の回転子フレーム２と、回転子フレーム２の内周面に取り付けられた複数の永久磁石３とを有して成るものであり、固定子４の外周を囲むように配設されている。即ち、回転子１はアウターロータとして配置されている。また、回転子フレーム２におけるアキシャル方向（回転軸方向）（図５及び図６における中心軸１２の方向）の両端部２ａ，２ｂには、円板状の回転子フレーム５，６の外周部５ａ，６ａがそれぞれ固定されている。また、回転子フレーム５，６の内周部５ｂ，６ｂは、アキシャル方向の両側に配設された軸受支持フレーム７，８にそれぞれ固定されている。
【００１３】
発電機中央部には円筒状のサポートフレーム９が配設されており、このサポートフレーム９におけるアキシャル方向の両端部９ａ，９ｂと、軸受支持フレーム７，８との間には、軸受１０，１１がそれぞれ介設されている。従って、回転子１は、軸受１０，１１を介してサポートフレーム９に回転可能に支持され、中心軸１２を中心にして回転することができる。サポートフレーム９は、ナセル側の支持フレーム２２に固定されている。また、回転子１の内周側の空間は、回転子フレーム２と、回転子フレーム５，６と、軸受支持フレーム７，８と、サポートフレーム９によって密閉されている。
【００１４】
軸受支持フレーム７には、ブレード支持フレーム１３を介してブレード支持フレーム１４が接続されている。ブレード支持フレーム１４は円筒状のフレーム１４ａの部分と前面のフレーム１４ｂの部分とを有してなるものであり、円筒状のフレーム１４ａの外周面に複数のブレード（風車）１５が固定されている。従って、風力により、ブレード１５とともに回転子１が回転駆動される。
【００１５】
固定子４は鋼板を積層して成る固定子鉄心１６と、固定子巻線１７とを有して成るものであり、回転子１の内周側に配設されている。即ち、固定子４はステータとして配置されている。また、回転子１の内周と固定子４の外周との間には、エアーギャップ２６が設けられている。固定子鉄心１６は、内側のヨーク部１６ａと、ヨーク部１６ａから外側へ突出するように形成された複数のティース部１６ｂとを有して成るものである。固定子巻線１７は、固定子鉄心１６のティース部１６ｂに巻回され、円周方向（回転子１の回転方向）において隣接するティース部１６ｂの間のスロット（溝）内に収容され、且つ、固定子巻線端部（コイルエンド）１７ａ，１７ｂが、固定子鉄心１６（スロット）からアキシャル方向の両側に出ている。
【００１６】
固定子４（固定子鉄心１６）の内周面には、アキシャル方向に離間して配設された固定子用固定フレーム２０，２１の一方の端部２０ａ，２１ａが固定されている。固定子用固定フレーム２０，２１の他方の端部２０ｂ，２１ｂは、円板状のサポートフレーム１８，１９の外周部１８ａ，１９ａに固定されている。サポートフレーム１８，１９は、アキシャル方向に離間した状態でサポートフレーム９の外周面に突設されている。従って、固定子４は、固定子用固定フレーム２０，２１及びサポートフレーム１８，１９を介して、サポートフレーム９に支持されている。
【００１７】
そして、この発電機には、発電機内に設けられた回転ファン２３を有して成る空気冷却装置と、発電機内に設けられた熱交換器２４を有して成る液体冷却装置とが装備されている。回転ファン２３及び熱交換器２４は、固定子４の内周側で且つサポートフレーム１８，１９の間において、アキシャル方向に隣接した状態で配置されている。回転ファン２３は、電動機（図示省略）で羽根２３ａを回転駆動することにより、発電機内の空気（冷却風２５）を、アキシャル方向に吹き出すものである。
【００１８】
従って、図５及び図６に点線の矢印で示すように、本発電機では、回転ファン２３が作動すると、回転ファン２３によって吹き出された冷却風（発電機内の空気）２５が、発電機内で循環し、且つ、この冷却風２５が熱交換器２４において冷却水２７と熱交換して冷却されることにより、固定子４及び回転子１が冷却される。
【００１９】
詳述すると、回転ファン２３によって吹き出された冷却風２５は、まず、熱交換器２４を流通するが、このときに熱交換器２４において冷却水２７と熱交換をすることにより、冷却される。即ち、図中に二点鎖線の矢印で示すように冷却水供給装置（図示省略）から熱交換器２４へ冷却水２７が供給され、この冷却水２７と冷却風２５とが熱交換器２４で熱交換することにより、冷却水２７によって冷却風２５が冷却される。また、熱交換後の冷却水２７は、図中に二点鎖線の矢印で示すように熱交換器２４から排出され、前記冷却水供給装置で冷却された後、再び熱交換器２４へ供給される（即ち冷却水２７は熱交換器２４と冷却水供給装置との間で循環する）。
【００２０】
熱交換器２４で冷却された冷却風２５は、サポートフレーム１８に形成されている通風口１８ａを流通した後、コイルエンド１７ａへと流れ、ここでコイルエンド１７ａを冷却する。その後、冷却風２５は、エアーギャップ２６へ流入して、エアーギャップ２６をアキシャル方向に流通し、このときに固定子４（固定子鉄心１６）及び回転子１を冷却した後、エアーギャップ２６から流出する。エアーギャップ２６から流出した冷却風２５は、コイルエンド１７ｂへと流れ、ここでコイルエンド１７ｂを冷却した後、サポートフレーム１９に形成されている通風口１９ｂを流通して、回転ファン２３へと戻る。その後、回転ファン２３へ戻った冷却風２５（即ち固定子４や回転子１を冷却して温まった冷却風２５）が、回転ファン２３により再度吹き出されて熱交換器２４で冷却される。以後、同様に、上記のような冷却風２５の循環が繰り返される。
【００２１】
かくして、固定子４及び回転子１の発熱が、発電機内を循環する冷却風２５へ伝わり、更に熱交換器２４において冷却風２５から冷却水２７へと伝わり、この冷却水２７によって発電機外へ放出される。
【００２２】
なお、アウターロータ形の永久磁石式発電機において、回転ファンと熱交換器とを用いた冷却装置が装備された構成が開示されている先行技術文献としては、下記の特許文献１，２がある。特許文献１では、上記と同様に冷却風を循環させている。特許文献２では、固定子鉄心に冷却チャンネル（ダクト）を形成し、この冷却チャンネルにも冷却風を流すことにより、より効果的に固定子を冷却するようにしている。
また、インナーロータ形の風力用永久磁石式発電機における冷却方式が開示されている先行技術文献としては、下記の特許文献３がある。特許文献３には、アウターステータとしての複数の固定子を、アキシャル方向に並べ且つ離間して配置し、インナーロータである永久磁石式回転子と一体のラジアルファンによって、隣接するコイルエンドの間の隙間へ冷却風を流すことにより、コイルエンドも冷却する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２０１０−１１０２０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２６９４７号公報
【特許文献３】特許第４２９９７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
図５及び図６に示すような従来の冷却方式では、大型の（鉄心長の長い）アウターロータ形風力用永久磁石式発電機に対しては、その固定子や回転子を十分に冷却することが難しい。つまり、図５及び図６に示すようなアウターロータ形風力用永久磁石式発電機において、その大きさが大きくなると、固定子鉄心１６の鉄心長（アキシャル方向の長さ）が長くなるため、エアーギャップ２６の長さ（アキシャル方向の長さ）も長くなる。そして、エアーギャップ２６はギャップ長（径方向の幅）が小さいため、エアーギャップ２６の長さが長くなると、回転ファン２３により発電機内で循環する冷却風２５の圧力損失が増大するため、回転ファン２３のモータ容量を大きくする必要があった。
【００２５】
例えば、定格出力が２０００ｋＷを超えるアウターロータ形風力用永久磁石式発電機は、数メートルの回転子直径と、数メートルの鉄心長を有する大型の発電機となるが、そのエアーギャップ２６のギャップ長は僅か数ｍｍである。これは、磁気回路としての効率をよくするには、エアーギャップ２６のギャップ長が可能な限り０に近いことが望ましいことから、発電機の軸受１０，１１と固定子４と回転子１の機械的精度を考慮して可能な限り、エアーギャップ２６のギャップ長を小さな値に設計するためである。従って、回転ファン２３によって発電機内を循環する冷却風２５の圧力損失は、ギャップ長が小さいエアーギャップ２６の長さ、即ち鉄心長によってほぼ決まるため、鉄心長が長くなると、増大する。このため、固定子４や回転子１では、冷却風２５がエアーギャップ２６に流入する側と、冷却風２５がエアーギャップ２６から流出する側とで、大きな温度差が生じる。
【００２６】
上記のような問題は、特許文献１の発電機においても生じ得るものである。また、特許文献２では固定子鉄心に冷却チャンネル（ダクト）を形成して冷却効果を高めてはいるが、これは固定子鉄心を介して間接的に固定子巻線を冷却する方式である。従って、固定子巻線を直接冷却することができるようにして、更に冷却性能を向上させることにより、より確実に上記のような問題点の解決を図ることができるようにすること望ましい。
また、大型の風力用永久磁石式発電機に対しては、固定子の故障に対する発電出力の冗長性の向上や、据付現地への発電機の運搬性の向上といった課題を解決することも望まれているが、このような課題についても、図５及び図６に示す発電機構造や特許文献１，２に示されている発電機構造では対応することができない。
また、特許文献３に開示されているのはインナーロータ形の風力用永久磁石式発電機であり、アウターロータ形のものは構造が異なる。
【００２７】
従って、本発明は上記の事情に鑑み、固定子や回転子に対する冷却性能を向上させることができ、更には発電出力の冗長性や運搬性の向上を図ることも可能なアウターロータ形の回転電機（発電機又は電動機）を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記課題を解決する第１発明のアウターロータ形回転電機は、
２個以上に分割された固定子を有する風力発電用アウターロータ形回転電機であって、
固定子鉄心から露出した固定子巻線端部が隙間を介して互いに対向し、且つ、回転軸方向に並べて配設されている複数の固定子と、
前記複数の固定子の外周を囲むように配設され、且つ、前記複数の固定子との間にエアーギャップが設けられている回転子と、
回転電機内に設けられた回転ファンを有し、前記回転ファンによって径方向に送風された前記冷却風は、まず熱交換器を流通し、次に前記隙間を流通し、その後前記エアーギャップを流通して、前記回転ファンに戻るように循環することにより、前記冷却風によって前記固定子巻線端部、前記複数の固定子及び前記回転子を冷却する第１の冷却手段と、
回転電機内の前記回転ファンと前記隙間との間に設けられた前記熱交換器を有し、前記熱交換器において前記冷却風と冷却液体との熱交換をすることにより、前記冷却液体によって前記冷却風を冷却する第２の冷却手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２９】
また、第２発明のアウターロータ形回転電機は、第１発明のアウターロータ形回転電機において、
前記回転ファンは、前記固定子の内周側の空間に配設され、径方向へ前記冷却風を吹き出すことを特徴とする。
【００３０】
また、第３発明のアウターロータ形回転電機は、第２発明のアウターロータ形回転電機において、
前記回転ファンは、複数台が、円周上に等配に配置されており、
前記熱交換器は、前記回転ファンの台数と同じ複数台が、各回転ファンに対応して、円周上に等配に配置されていること、
を特徴とする。
【００３２】
また、第４発明のアウターロータ形回転電機は、第２発明のアウターロータ形回転電機において、
前記回転ファンは、複数台が、円周上に等配に配置されており、
前記熱交換器は、円環状のものであり、前記複数台の回転ファンの周囲を囲むように配置されていること、
を特徴とする。
【００３３】
また、第５発明のアウターロータ形回転電機は、第１〜第４発明の何れか１つのアウターロータ形回転電機において、
前記冷却液体は、水、もしくは不凍液、もしくは水と不凍液の混合液を用いることを特徴とする。
【００３４】
また、第６発明のアウターロータ形回転電機は、第１〜第５発明の何れか１つのアウターロータ形回転電機であって、
前記回転子にブレードが接続され、風力によって前記ブレードとともに前記回転子が回転することにより発電するアウターロータ形風力用発電機であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
第１発明のアウターロータ形回転電機によれば、２個以上に分割された固定子を有する風力発電用アウターロータ形回転電機であって、固定子鉄心から露出した固定子巻線端部が隙間を介して互いに対向し、且つ、回転軸方向に並べて配設されている複数の固定子と、前記複数の固定子の外周を囲むように配設され、且つ、前記複数の固定子との間にエアーギャップが設けられている回転子と、回転電機内に設けられた回転ファンを有し、前記回転ファンによって径方向に送風された前記冷却風は、まず熱交換器を流通し、次に前記隙間を流通し、その後前記エアーギャップを流通して、前記回転ファンに戻るように循環することにより、前記冷却風によって前記固定子巻線端部、前記複数の固定子及び前記回転子を冷却する第１の冷却手段と、回転電機内の前記回転ファンと前記隙間との間に設けられた前記熱交換器を有し、前記熱交換器において前記冷却風と冷却液体との熱交換をすることにより、前記冷却液体によって前記冷却風を冷却する第２の冷却手段と、を備えることを特徴としているため、熱交換器において冷却した冷却風が固定子巻線端部を直接的に冷却することができる。また、次のような効果を得られる。
【００３６】
（１）  ステータが複数の固定子から成る構造（即ちステータを複数の固定子に分割した構造）であるため、従来のようにステータが一体の固定子から成る場合に比べて、各固定子ごとのエアーギャップの長さを短くすることができる。即ち、固定子と回転子の間の通風距離が短くなる。従って、固定子巻線端部間の隙間及びエアーギャップを流通して回転ファンに戻るように循環する冷却風の圧力損失を、低減することができ、固定子内部での冷却の不均一を改善することもできることから、固定子内部の温度差も改善することができる。更には、冷却風が固定子巻線端部間の隙間を流通することにより、固定子巻線端部を直接冷却することもできる。このため、固定子や回転子に対する冷却能力が大幅に向上する。例えば特許文献２のように冷却チャンネルを設けて間接的に固定子巻線を冷却する冷却方式と比べても、冷却性能が高い。
また、冷却風の圧力損失が低減することによって、回転ファン用のモータ容量を小さくすることもできる。或いは、回転ファン用のモータ容量を従来と同じに設計するならば、冷却性能が向上するため、例えば永久磁石式発電機においては、永久磁石が減磁する温度に対して余裕が生じ、従来よりも発電機本体の高出力な運転が可能になり、発電機の限界出力を従来と同じ設計とする場合には発電機の大きさを従来よりも小型にすることができる。
（２）  ステータが複数の固定子から成る構造であることから、それぞれの固定子が独立して発電するため、いずれかの固定子が故障した場合でも、故障していない他の固定子によって発電運転を継続することができる。このため、固定子の故障に対する冗長性が向上する。
（３）  ステータが複数の固定子から成る構造であることから、回転電機を据付現地へ運搬して現地で組み立てる際には、複数の固定子を分離して運搬することができるため、据付現地への発電機の運搬性が向上する。
【００３７】
第２発明のアウターロータ形回転電機によれば、第１発明のアウターロータ形回転電機において、前記回転ファンは、前記固定子の内周側の空間に配設され、径方向へ前記冷却風を吹き出すことを特徴としているため、上記第１発明と同様の効果が得られ、しかも、冷却風を、より確実に固定子巻線端部の間の隙間に流すことができる。
【００３８】
第３発明のアウターロータ形回転電機によれば、第２発明のアウターロータ形回転電機において、前記回転ファンは、複数台が、円周上に等配に配置されており、前記熱交換器は、前記回転ファンの台数と同じ複数台が、各回転ファンに対応して、円周上に等配に配置されていることを特徴としているため、上記第２発明と同様の効果が得られ、しかも、より確実に固定子及び回転子を均一に冷却することができる。
【００４０】
第４発明のアウターロータ形回転電機によれば、第２発明のアウターロータ形回転電機において、前記回転ファンは、複数台が、円周上に等配に配置されており、前記熱交換器は、円環状のものであり、前記複数台の回転ファンの周囲を囲むように配置されていることを特徴としているため、上記第２発明と同様の効果が得られ、しかも、より確実に固定子及び回転子を均一に冷却することができ、且つ、より確実に熱交換器において冷却風を冷却することができる。
【００４１】
第５発明のアウターロータ形回転電機によれば、第１〜第４発明の何れか１つのアウターロータ形回転電機において、前記冷却液体は、水、もしくは不凍液、もしくは水と不凍液の混合液を用いることを特徴としているため、より効果的に冷却液体によって冷却風を冷却することができる。
【００４２】
第６発明のアウターロータ形回転電機によれば、第１〜第５発明の何れか１つのアウターロータ形回転電機であって、前記回転子にブレードが接続され、風力によって前記ブレードとともに前記回転子が回転することにより発電するアウターロータ形風力用発電機であることを特徴としているため、上記のような第１〜第５発明の効果が得られるアウターロータ形の風力用発電機を実現することができ、特に大型（鉄心長の長い）のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機などに適用して有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態例に係るアウターロータ形風力用永久磁石式発電機の構成を示す縦断面図（図３のＢ−Ｂ線矢視断面図）である。
【図２】前記アウターロータ形風力用永久磁石式発電機の要部構成を拡大して示す縦断面図である。
【図３】前記アウターロータ形風力用永久磁石式発電機の構成を示す横断面図（図１のＡ−Ａ線矢視断面拡大図）である。
【図４】本発明の実施の形態例に係るアウターロータ形風力用永久磁石式発電機の構成を示す横断面図（熱交換器の他の構成例を示す図）である。
【図５】従来のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機の構成を示す縦断面図である。
【図６】前記アウターロータ形風力用永久磁石式発電機の要部構成を拡大して示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づき詳細に説明する。
【００４５】
＜構成＞
図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態例に係るアウターロータ形風力用永久磁石式発電機（以下、単に発電機とも称する）は、回転子３１と、ステータである第１の固定子３２及び第２の固定子３３とを有している。即ち、本実施の形態例では、ステータが２つの固定子３２，３３から成る構造（即ちステータを２つの固定子３２，３３に分割した構造）になっていることを特徴としている。
【００４６】
詳述すると、回転子３１は、円筒状の回転子フレーム３４と、回転子フレーム３４の内周面に取り付けられた複数の永久磁石３５とを有して成るものである。即ち、回転子３１の永久磁石３５はラジアルギャップ形のアウターロータとして配置されている。なお、永久磁石３５は、２つの固定子３２，３３と対向した回転子３１の内周面の位置にそれぞれ配置されている。
【００４７】
回転子フレーム３４におけるアキシャル方向（回転軸方向）（図１及び図２における中心軸４３の方向）の両端部３４ａ，３４ｂには、円板状の回転子フレーム３６，３７の外周部３６ａ，３７ａがそれぞれ固定されている。また、回転子フレーム３６，３７の内周部３６ｂ，３７ｂは、アキシャル方向の両側に配設された軸受支持フレーム３８，３９にそれぞれ固定されている。
【００４８】
発電機中央部には円筒状のサポートフレーム４０が配設されており、このサポートフレーム４０の両端部４０ａ，４０ｂと、軸受支持フレーム３８，３９との間には、軸受４１，４２がそれぞれ介設されている。従って、回転子３１は、軸受４１，４２を介してサポートフレーム４０に回転可能に支持され、中心軸４３を中心にして回転することができる。サポートフレーム４０は、ナセル側の支持フレーム４４に固定されている。また、回転子３１の内周側の空間は、回転子フレーム３４と、回転子フレーム３６，３７と、軸受支持フレーム３８，３９と、サポートフレーム４０によって密閉されている。
【００４９】
軸受支持フレーム３８には、ブレード支持フレーム４５を介してブレード支持フレーム４６が接続されている。ブレード支持フレーム４６は円筒状のフレーム４６ａの部分と前面のフレーム４６ｂの部分とを有してなるものであり、円筒状のフレーム４６ａの外周面に複数のブレード４７が固定されている。従って、風力により、ブレード４７とともに回転子３１が回転駆動される。
【００５０】
第１の固定子３２は鋼板を積層して成る固定子鉄心４８と、銅線を巻いた固定子巻線４９とを有して成るものである。また、回転子３１の内周と固定子３２の外周との間には、エアーギャップ５０Ａが設けられている。固定子鉄心４８は、内側のヨーク部４８ａと、ヨーク部４８ａから外側へ突出するように形成された複数のティース部４８ｂとを有して成るものである。固定子巻線４９は、固定子鉄心４８のティース部４８ｂに巻回され、円周方向（回転子３１の回転方向）において隣接するティース部４８ｂの間のスロット（溝）４８ｃ（図３参照）内に収容され、且つ、コイルエンド４９ａ，４９ｂが、固定子鉄心４８の両側に出ている。なお、図３では固定子巻線４９の記載を省略している。
【００５１】
第２の固定子３３も第１の固定子３２と同様の構造である。即ち、第２の固定子３３は鋼板を積層して成る固定子鉄心５１と、固定子巻線５２とを有して成るものである。また、回転子３１の内周と固定子３３の外周との間には、エアーギャップ５０Ｂが設けられている。固定子鉄心５１は、内側のヨーク部５１ａと、ヨーク部５１ａから外側へ突出するように形成された複数のティース部５１ｂとを有して成るものである。固定子巻線５２は、固定子鉄心５１のティース部５１ｂに巻回され、円周方向（回転子３１の回転方向）において隣接するティース部４８ｂの間のスロット（溝）内に収容され、且つ、コイルエンド５２ａ，５２ｂが、固定子鉄心５１の両側に出ている。
【００５２】
そして、２つの固定子３２，３３はアキシャル方向に並べて配設されており、２つのエアーギャップ５０Ａ，５０Ｂを冷却風が通過するため、全体の圧力損失は、従来のものに比べて非常に小さくなり、冷却性能が向上する。
しかも、アキシャル方向に隣接する固定子３２のコイルエンド４９ａと、固定子３３のコイルエンド５２ｂとの間には、隙間５３が設けられている。従って、隙間５３（コイルエンド４９ａ，５２ｂ間）での発電機内で循環する冷却風６０に対する圧力損失が、非常に小さくなる。
【００５３】
固定子３２，３３（固定子鉄心４８，５１）の内周面には、アキシャル方向に離間して配設された固定子用固定フレーム５４，５５の一方の端部５４ａ，５５ａが固定されている。固定子用固定フレーム５４，５５の他方の端部５４ｂ，５５ｂは、円板状のサポートフレーム５６，５７の外周部５６ａ，５７ａに固定されている。サポートフレーム５６，５７は、アキシャル方向に離間した状態でサポートフレーム４０の外周面に突設されている。従って、固定子３２，３３は、固定子用固定フレーム５４，５５及びサポートフレーム５６，５７を介して、サポートフレーム４０に支持されている。
【００５４】
また、この発電機には、回転ファン５８を有して成る空気冷却装置（第１の冷却手段）と、熱交換器５９を有して成る液体冷却装置（第２の冷却手段）とが装備されている。
【００５５】
回転ファン５８及び熱交換器５９は、固定子３２，３３の内側の空間に配設され、固定子用固定フレーム５４，５５及びサポートフレーム５６，５７の間に位置している。回転ファン５８は、電動機（図示省略）で羽根５８ａを回転駆動することにより、発電機内の空気（冷却風６０）を、スラスト方向（固定子３２，３３の半径方向）へ（コイルエンド４９ａ，５２ｂ間の隙間５３に向かって）、吹き出すものである。熱交換器５９は、コイルエンド４９ａ，５２ｂ間の隙間５３と、回転ファン５８との間に配設されている。熱交換器５９及び回転ファン５８は、固定子用固定フレーム５４，５５に支持（固定）されている。
【００５６】
また、図３に示すように、回転ファン５８は、複数台が、円周方向に等間隔に配設されている（即ち図示例では６台が、円周上に６等配に配置さている）。熱交換器５９は、複数台の回転ファン５８のそれぞれに対応して、回転ファン５８の台数と同じ複数台が、円周方向に等分割配置されている。即ち、図示例では、６台の熱交換器５９が、６台の回転ファン５８のそれぞれに対応して、６等配に配置されており、正六角形状を成している。
【００５７】
なお、これに限定するものではなく、例えば図４に示すように、複数台の円弧状の熱交換器５９を、円環状を成すように配設してもよい。また、この場合、円環状の熱交換器５９は一体のものであってもよい。更に、実施例では回転ファン５８の台数を６台で説明したが、この台数に限定されないことは勿論である。
【００５８】
次に動作について説明する。図２（及び図１）に点線の矢印で示すように、本発電機では、回転ファン５８が作動すると、回転ファン５８によって吹き出される冷却風（発電機内の空気）６０が、発電機内で循環し、且つ、この冷却風６０が熱交換器５９において冷却液体６１と熱交換して冷却されることにより、固定子３２，３３及び回転子３１が冷却される。
【００５９】
詳述すると、回転ファン５８によって吹き出された冷却風６０は、まず、熱交換器５９を流通するが、このときに熱交換器５９において冷却液体６１と熱交換をすることにより、冷却される。即ち、図中に二点鎖線の矢印で示すように冷却水供給装置（図示省略）から熱交換器５９へ冷却液体６１が供給され、この冷却液体６１と冷却風６０とが熱交換器５９で熱交換することにより、冷却液体６１によって冷却風６０が冷却される。また、熱交換後の冷却液体６１は、図中に二点鎖線の矢印で示すように熱交換器５９から排出され、前記冷却水供給装置で冷却された後、再び熱交換器５９へ供給される（即ち冷却水６１は熱交換器５９と冷却水供給装置との間で循環する）。
なお、冷却液体６１として好ましくは、比熱の高い水、不凍液、もしくは水と不凍液の混合液を用いた方がより冷却効果が大きい。
【００６０】
そして、熱交換器５９で冷却された冷却風６０は、コイルエンド４９ａ，５２ｂ間の隙間５３を流通する。このとき、冷却風６０により、コイルエンド４９ａ，５２ｂが冷却される。その後、冷却風６０は、アキシャル方向の両側（固定子３２側と固定子３３側）に分かれて、固定子３２側のエアーギャップ５０Ａと、固定子３３側のエアーギャップ５０Ｂとにそれぞれ流入する。
【００６１】
エアーギャップ５０Ａへ流入した冷却風６０は、エアーギャップ５０Ａをアキシャル方向へ流通し（アキシャル方向の一端側へ向かって流れ）、このときに固定子３２（固定子鉄心４８）及び回転子３１を冷却した後、エアーギャップ５０Ａから流出する。エアーギャップ５０Ａから流出した冷却風６０は、コイルエンド４９ｂへと流れ、ここでコイルエンド４９ｂを冷却した後、サポートフレーム５６に形成された通風口５６ｂを流通して、回転ファン５８へと戻る。
【００６２】
一方、エアーギャップ５０Ｂへ流入した冷却風６０は、エアーギャップ５０Ｂを回転軸方向へ流通し（アキシャル方向の他端側へ向かって流れ）、このときに固定子３３（固定子鉄心５１）及び回転子３１を冷却した後、エアーギャップ５０Ｂから流出する。エアーギャップ５０Ｂから流出した冷却風６０は、コイルエンド５２ａへと流れ、ここでコイルエンド５２ａを冷却した後、サポートフレーム５７に形成された通風口５７ｂを流通して、回転ファン５８へと戻る。
【００６３】
その後、この固定子３２側を循環して回転ファン５８へ戻った冷却風６０（即ち固定子３２及び回転子３１を冷却して温まった冷却風６０）と、固定子３３側を循環して回転ファン５８へ戻った冷却風６０（即ち固定子３３及び回転子３１を冷却して温まった冷却風６０）とが、ともに回転ファン５８により再度吹き出されて熱交換器５９で冷却される。以後、同様に、上記のような固定子３２側における冷却風６０の循環と、固定子３３側における冷却風６０の循環とが、繰り返される。
【００６４】
かくして、固定子３２，３３及び回転子３１の発熱が、発電機内を循環する冷却風６０へ伝わり、更に熱交換器５９において冷却風６０から冷却水６１へと伝わり、この冷却水６１Ｂによって発電機外へ放出される。
【００６５】
＜作用効果＞
以上のように、本実施の形態例のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機によれば、アキシャル方向に並べて配設され、且つ、隣接するコイルエンド４９ａ，５２ｂの間に隙間５３が設けられている２つの固定子３２，３３と、２つの固定子３２，３３の外周を囲むように配設され、且つ、２つの固定子３２，３３との間にエアーギャップ５０Ａ，５０Ｂが設けられている回転子３１と、発電機内に設けられた回転ファン５８を有し、この回転ファン５８によって送風する冷却風６０が、隙間５３及びエアーギャップ５０Ａ，５０Ｂを流通して回転ファン５８に戻るように循環することにより、この冷却風６０によって２つの固定子３２，３３及び回転子３１を冷却する空気冷却装置（第１の冷却手段）と、発電機内に設けられた熱交換器５９を有し、この熱交換器５９において冷却風６０と冷却液体６１との熱交換をすることにより、冷却液体６１によって冷却風６０を冷却する液体冷却装置（第２の冷却手段）とを備えたことを特徴としているため、次のような効果を得られる。
【００６６】
（１）  ステータが２つの固定子３２，３３から成る構造（即ちステータを２つの固定子３２，３３に分割した構造）であるため、従来のようにステータが一体の固定子から成る場合に比べて、各固定子３２，３３ごとのエアーギャップ５０Ａ，５０Ｂの長さを短くすることができる（従来の約半分になる）。即ち、固定子３２，３３と回転子３１の間の通風距離が短くなる。従って、コイルエンド４９ａ，５２ｂ間の隙間５３及びエアーギャップ５０Ａ，５０Ｂを流通して回転ファン５８に戻るように循環する冷却風６０の圧力損失を、低減することができ（従来の半分近くに低減可能である）、固定子３２，３３内部での冷却の不均一を改善することもできることから、固定子３２，３３内部の温度差も改善することができる。更には、冷却風６０がコイルエンド４９ａ，５２ｂ間の隙間５３を流通することにより、コイルエンド４９ａ，５２ｂを直接冷却することもできる。このため、固定子３２，３３や回転子３１に対する冷却能力が大幅に向上する。例えば特許文献２のように冷却チャンネルを設けて間接的に固定子巻線を冷却する冷却方式と比べても、冷却性能が高い。
また、冷却風６０の圧力損失が低減することによって、回転ファン用のモータ容量を従来よりも小さくすることもできる。或いは、回転ファン用のモータ容量を従来と同じに設計するならば、冷却性能が向上するため、永久磁石が減磁する温度に対して余裕が生じ、従来よりも発電機本体の高出力な運転が可能になり、発電機の限界出力を従来と同じ設計とする場合には発電機の大きさを従来よりも小型にすることができる。
（２）  ステータが２つの固定子３２，３３から成る構造であることから、それぞれの固定子３２，３３が独立して発電するため、例えば一方の固定子３２が故障した場合でも、故障していない他方の固定子３３によって発電運転を継続することができる。このため、固定子の故障に対する冗長性が向上する。
（３）  ステータが２つの固定子３２，３３から成る構造であることから、発電機を据付現地へ運搬して現地で組み立てる際には、２つの固定子３２，３３を分離して運搬することができるため、据付現地への発電機の運搬性が向上する。例えば、定格出力が２０００ｋＷを超えるような大型の風力用永久磁石式発電機では、発電機全体の重量が１００トン近くにもなる。従って、発電機の組み立てや運搬を考えると、固定子（発電機本体）を隙間５３の部分で分割して製作・組み立てすることが可能であることから、工場で発電機を部分的に組み立て、この組み立てた部分を据付現地に運搬して据付現地で最終的な組み立てを行うことが可能であることが必要な大型発電機に対しては、固定子の分割構造が有利である。
【００６７】
（４）  本実施の形態例のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機によれば、回転ファン５８は、固定子３２，３３の内周側の空間に配設され、径方向へ冷却風６０を吹き出すことを特徴としているため、冷却風６０を、より確実に固定子巻線端部４９ａ，５２ｂ間の隙間５３に流すことができる。
【００６８】
（５）  本実施の形態例のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機によれば、回転ファン５８は、複数台が、円周上に等配（実施例では６等配）に配置されており、熱交換器５９は、回転ファン５８の台数と同じ複数台が、各回転ファン５８に対応して、円周上に等配（実施例では６等配）に配置されていることを特徴としているため、より確実に固定子３２，３３及び回転子３１を均一に冷却することができる。
【００６９】
（６）  本実施の形態例のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機によれば、各熱交換器５９は、各回転ファン５８と隙間５３との間に配置されていることを特徴としているため、熱交換器５９において冷却した冷却風６０がコイルエンド４９ａ，５２ｂを直接的に冷却することができる。
【００７０】
（７）  本実施の形態例のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機によれば、回転ファン５８は、複数台が、円周上に等配（図示例では６等配）に配置されており、熱交換器５９は、円環状のものであり、複数台の回転ファン５８の周囲を囲むように配置されていることを特徴としているため、より確実に固定子３２，３３及び回転子３１を均一に冷却することができ、且つ、より確実に熱交換器５９において冷却風６０を冷却することができる。
【００７１】
（８）  本実施の形態例のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機によれば、冷却液体を用いることを特徴としているため、冷却気体を用いる場合に比べて、より確実に冷却風６０を冷却することができる。
【００７２】
なお、冷却風６０が隙間５３及びエアーギャップ５０Ａ，５０Ｂを流れて循環すればよいため、冷却風６０の流れる方向（循環する方向）は、必ずしも図示例の方向に限定するものではなく、図示例と逆でもよい。また、回転ファン５８は、必ずしも１台に限定するものではなく、図示は省略するが、例えば２台の回転ファン５８をアキシャル方向の両側（固定子３２側と固定子３３側）にそれぞれ配置することにより、これらの回転ファン５８によって冷却風６０が、図示例と同様に固定子３２側と固定子３３側のそれぞれにおいて循環するようにしてもよい。
【００７３】
また、上記では回転ファン５８及び熱交換器５９を６等配に配置した例を示したが、これに限定するものではなく、等配に配置される回転ファン５８及び熱交換器５９の台数が多くなるほど冷却の均一性が向上することから、回転ファン５８及び熱交換器５９を、円周上に７等配以上（７等配、８等配等）に配置してもよく、逆に円周上に５等配以下（５等配、４等配等）に減らして配置してもよい。冷却の均一性を考慮して、複数台の回転ファン５８及び熱交換器５９を、円周上に等配に配置することが重要である。
【００７４】
また、上記ではステータを固定子３２と固定子３３に２分割した場合について説明したが、これに限定するものではなく、ステータを３分割以上（３分割、４分割、５分割等）の多数分割にしてもよく、発電機が大型になればなるほど、ステータの分割数を多くした方が、冷却性能の向上やその他の課題に対して効果的である。
【００７５】
また、本発明は、特に風力用の永久磁石式発電機に適用して有用なものであるが、必ずしもこれに限定するものではなく、風力用以外の用途に利用される永久磁石式発電機にも適用することができる。更に、本発明は、永久磁石式の発電機に限定するものでもなく、回転子鉄心に回転子巻線を設けた構成の回転子を有する発電機にも適用することができる。また、本発明は、発電機に限定するものでもなく、電動機に適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明はアウターロータ形の回転電機（電動機又は発電機）に関するものであり、特に、大型のアウターロータ形回転電機（例えば大型のアウターロータ形風力用永久磁石式発電機）などにおいて、その固定子や回転子の冷却効率を向上させる場合に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００７７】
３１  回転子（アウターロータ）
３２，３３  固定子（ステータ）
３４  回転子フレーム
３４ａ，３４ｂ  回転子フレームの端部
３５  永久磁石
３６  回転子フレーム
３６ａ  回転子フレームの外周部
３６ｂ  回転子フレームの内周部
３７  回転子フレーム
３７ａ  回転子フレームの外周部
３７ｂ  回転子フレームの内周部
３８，３９  軸受支持フレーム
４０  サポートフレーム
４０ａ，４０ｂ  サポートフレームの端部
４１，４２  軸受
４３  中心軸
４４  ナセル側の支持フレーム
４５，４６  ブレード支持フレーム
４６ａ  円筒状のフレーム
４６ｂ  前面のフレーム
４７  ブレード
４８  固定子鉄心
４８ａ  固定子鉄心のヨーク部
４８ｂ  固定子鉄心のティース部
４８ｃ  固定子鉄心のスロット
４９  固定子巻線
４９ａ，４９ｂ  固定子巻線端部（コイルエンド）
５０Ａ，５０Ｂ  エアーギャップ
５１  固定子鉄心
５１ａ  固定子鉄心のヨーク部
５１ｂ  固定子鉄心のティース部
５２  固定子巻線
５２ａ，５２ｂ  固定子巻線端部（コイルエンド）
５３  隣接するコイルエンド間の隙間
５４  固定子用固定フレーム
５４ａ，５４ｂ  固定子用固定フレームの端部
５５  固定子用固定フレーム
５５ａ，５５ｂ  固定子用固定フレームの端部
５６  サポートフレーム
５６ａ  サポートフレームの外周部
５６ｂ  サポートフレームの通風口
５７  サポートフレーム
５７ａ  サポートフレームの外周部
５７ｂ  サポートフレームの通風口
５８  回転ファン
５８ａ  回転ファンの羽根
５９  熱交換器
６０  冷却風
６１  冷却液体
【図１】
0005834433.tif 000002
【図２】
0005834433.tif 000003
【図３】
0005834433.tif 000004
【図４】
0005834433.tif 000005
【図５】
0005834433.tif 000006
【図６】
0005834433.tif 000007