JP2017135932A - アウターロータ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】アウターロータ型回転電機の冷却性能の向上を図る。【解決手段】アウターロータ型回転電機１Ａは、支持軸２と、支持軸２に同軸で支持された固定子枠９Ａと、固定子枠９Ａの外周面に固定された固定子１５と、固定子１５の外周面と空隙部３を介して対向し、かつ固定子１５を囲むようにして支持軸２に同軸で回転自在に支持された回転子２０と、固定子枠９Ａに固定子１５よりも内側に位置して設けられ、かつ冷却媒体が流れる冷媒流路部４と、固定子枠９Ａに冷媒流路部４よりも内側に位置して設けられ、かつ回転子２０内の気体が支持軸２の軸方向に流れる気体流路部５と、空隙部３及び気体流路部５を通して気体を循環させる循環ファン３１，３２と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、アウターロータ型回転電機に関し、特に、全閉アウターロータ型回転電機に適用して有効な技術に関するものである。

回転電機として、固定子の外側に回転子が配置されたアウターロータ型回転電機が知られている。このアウターロータ型回転機においても、様々な冷却方式が提案され実用化されている。例えば特許文献１には、固定子の内径側（内周面側）に冷却水路を設けて冷却する水冷方式が開示されている。また、特許文献２及び特許文献３には、機内の空気を循環させて冷却する空冷方式が開示されている。そして、同じ空冷方式でも、特許文献２は、冷媒としての循環空気を別途機内に設けた熱交換器で水と熱交換して冷却する方式である。一方、特許文献３は、冷媒としての循環空気を別途機内に設けた熱交換器で空気と熱交換して冷却する方式である。

特開平１１−２６６５６６号公報 特開２０１０−１１０２０１号公報 特開２０１０−１１０２０２号公報

ところで、水冷とした場合、固定子の背面を水で冷却するので、回転子に渦電流が流れ、その損失による発熱があると冷却が困難となる。また、発熱体であるコイルと冷却水との間の距離が遠いなどで熱抵抗が高い場合は冷却性能が低下し、小型化の妨げになる。
一方、空冷の場合は、固定子鉄心の軸方向に通風ダクトを設けるために、構造が複雑になるとともに、風量を多くする必要がある。特に、永久磁石式回転電機の場合は構造を簡易にするために回転子に通風ダクトを設けない場合が多く、固定子を通った冷却風は狭いギャップを通るため風量に制限が生じ、冷却性能を高めて小型化を図るには限度がある。更に機内循環空冷の場合は冷媒の空気を冷却する熱交換器を別途設ける必要があり、スペースの増加や構造を複雑にする。

本発明の目的は、アウターロータ型回転電機の冷却性能の向上を図ることが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るアウターロータ型回転電機は、支持軸と、支持軸に同軸で支持された固定子枠と、固定子枠の外周面に固定された固定子と、固定子の外周面と空隙部を介して対向し、かつ固定子を囲むようにして支持軸に同軸で回転自在に支持された回転子と、固定子枠に固定子よりも内側に位置して設けられ、かつ冷却媒体が流れる冷媒流路部と、固定子枠に冷媒流路部よりも内側に位置して設けられ、かつ回転子内の気体が支持軸の軸方向に流れる気体流路部と、空隙部及び気体流路部を通して気体を循環させる循環送風機と、を備えている。

本発明の一態様によれば、アウターロータ型回転電機の冷却効率の向上を図ることができる。

本発明の実施形態１に係るアウターロータ型回転電機において、支持軸の軸方向に沿って切った断面構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態１に係るアウターロータ型回転電機において、図１のａ−ａ線の位置で切った断面構造を示す模式的断面図である。 図１の矢印Ａの方向から見た模式的側面図である。 本発明の実施形態２に係るアウターロータ型回転電機において、支持軸の軸方向に沿って切った断面構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態２に係るアウターロータ型回転電機において、図４のｂ−ｂ線の位置で切った断面構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態３に係るアウターロータ型回転電機において、支持軸の軸方向に沿って切った断面構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態３に係るアウターロータ型回転電機において、図６のｃ−ｃ線の位置で切った断面構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態３に係るアウターロータ型回転電機の変形例１を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態３に係るアウターロータ型回転電機の変形例２を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態４に係るアウターロータ型回転電機において、支持軸の軸方向に沿って切断した断面構造を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
なお、以下の実施形態の説明及び添付図面において、同様の構成には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
また、以下の実施形態で説明される添付図面は、見易く又は理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施形態の記載に限定されるものではない。
以下の実施形態では、本発明の「アウターロータ型回転電機」の代表例として、永久磁石式のアウターロータ型回転電機に着目して例示的に説明する。

（実施形態１）
図１乃至図３に示すように、本発明の実施形態１に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａは、固定部（図示せず）に固定支持された支持軸２と、この支持軸２に同軸で支持された円筒状の固定子枠９Ａと、この固定子枠９Ａの外周面に固定された円筒状の固定子１５と、固定子１５の外周面と空隙部３を介して対向し、かつ固定子１５を囲むようにして支持軸２に同軸で回転自在に支持された回転子２０とを備えている。このアウターロータ型回転電機１Ａは、例えば風力発電機の発電部に用いられている。そして、この場合、アウターロータ型回転電機１Ａは、風力によるプロペラの回転運動により回転子２０が回転し、電磁誘導作用により電気を発電する。

また、アウターロータ型回転電機１Ａは、固定子枠９Ａに固定子１５よりも内側に位置して設けられ、かつ冷却媒体が流れる冷媒流路部（冷媒通路部）４と、固定子枠９Ａに冷媒流路部４よりも内側に位置して設けられ、かつ回転子２０内の気体が支持軸２の軸方向に流れる気体流路部（気体通路部）５とを備えている。支持軸２は例えば円筒形状で形成されている。冷媒流路部４を流れる冷却媒体としては例えば水が用いられている。回転子２０内の気体としては例えば空気が用いられている。以下、この実施形態１では冷媒流路部４を流れる冷却媒体として水、回転子２０内の気体として空気をそれぞれ用いた場合で説明するが、水や空気に限定されるものではない。
また、アウターロータ型回転電機１Ａは、空隙部３及び気体流路部５を通して回転子２０内の空気（気体）を循環させる循環送風機として２つの循環ファン３１，３２を備えている。

図１及び図２に示すように、固定子枠９Ａは、固定子１５及び冷媒流路部４が設けられた円筒状の枠部１４と、この枠部１４の内側に設けられ、かつ回転子２０内の空気が枠部１４の内周面に沿って流れるように誘導する気体誘導部１０Ａとを有する。固定子１５は、枠部１４の外周面に固定されている。冷媒流路部４は、枠部１４の外周面と内周面との間に形成されている。そして、気体流路部５は、枠部１４と気体誘導部１０Ａとの間に形成されている。

気体誘導部１０Ａは、支持軸２の軸方向に沿って延長する円筒状の筒部材１２と、この筒部材１２の内側を封鎖する円板状の封鎖部材１１と、この筒部材１２の外周面から半径方向に向かって突出し、かつ筒部材１２の円周方向に所定の間隔をおいて配列された複数のリブ１３とを有する。封鎖部材１１は、中央部に貫通孔１１ａを有し、この貫通孔１１ａを貫通する支持軸２に固定されている。筒部材１２は封鎖部材１１を介して支持軸２に支持されている。枠部１４は、複数のリブ１３を介して筒部材１２に支持され、更に封鎖部材１１を介して支持軸２に支持されている。

固定子枠９Ａは、例えば耐水性が高いステンレス系の材料で形成されている。気体流路部５は、気体誘導部１０Ａと枠部１４との間に形成されているので、枠部１４の内周面全体を覆うように気体流路部５を形成することができる。
固定子１５は、固定子コア１６とコイル１７とを有する。固定子コア１６は、図２に示すように、円筒状の磁気ヨーク１６ａと、その外周面に円周方向に所定間隔で半径方向に突出し、軸方向に延長する複数のティース１６ｂと、ティース１６ｂ間に形成された複数のスロット１６ｃとを有する。コイル１７は複数のティース１６ｂに巻き回されて複数のスロット１６ｃの各々に収められている。固定子コア１６は電磁鋼板を軸方向に積層した積層鉄心で形成されている。そして、複数のティース１６ｂ及びスロット１６ｃの各々は、支持軸２の軸方向に沿って延長している。

回転子２０は、図１及び図２に示すように、回転子コア２１と複数の永久磁石２２とを有する。回転子コア２１は、固定子１５の外周面と対向する円筒部２１ａと、この円筒部２１ａの軸方向の両端に設けられた２つの端板部２１ｂ，２１ｃと、円筒部２１ａの内周面に配置された複数の永久磁石２２とを有する。端板部２１ｂ，２１ｃの各々の中心部には支持軸２が貫通している。そして、端板部２１ｂ，２１ｃの各々は、それぞれ軸受２３を介して支持軸２に回転自在に支持されている。軸受２３の外側には、図示していないが、支持軸２と端板部２１ｂ，２１ｃとを連結するシール部が設けられており、このシール部によって回転子２０内は密閉状態となる。すなわち、この実施形態１の回転電機１Ａは全閉アウターロータ型になっている。

回転子２０は、少なくとも円筒部２１ａが電磁鋼板を軸方向に積層した積層鉄心で形成されている。複数の永久磁石２２の各々は、円筒部２１ａの内周面側に円周方向に等間隔で配置されている。そして、複数の永久磁石２２の各々は、固定子１５の外周面と空隙部３を介して対向し、支持軸２の軸方向において固定子１５の一端側及び他端側に亘って延長している。ここで、空隙部３は、固定子１５の外周面（枠部１４の外周面）と永久磁石２２との間の領域及び互いに隣り合う永久磁石２２の間の領域を含む。
２つの循環ファン３１，３２において、一方の循環ファン３１は、空隙部３から気体流路部５に回転子２０内の空気を循環させるように固定子枠９Ａの軸方向の一端側に設けられている。換言すれば、一方の循環ファン３１は、固定子枠９Ａの軸方向の一端側に空隙部３及び気体流路部５と対向して配置され、空隙部３から吸い込んだ空気を気体流路部５に吐出する。他方の循環ファン３２は、気体流路部５から空隙部３に回転子２０内の空気を循環させるように固定子枠９Ａの軸方向の他端側に設けられている。換言すれば、他方の循環ファン３２は、固定子枠９Ａの軸方向の他端側に空隙部３及び気体流路部５と対向して配置され、気体流路部５から吐出される空気を空隙部３に送る。

一方の循環ファン３１は、回転子２０の一方の端板部２１ｂの内壁面に円周方向に等間隔で複数の羽根３１ａが配置された羽根車を主体に構成されている。この一方の循環ファン３１は、回転子２０の回転に伴って羽根３１ａが回転する自己ファン型で構成され、空隙部３から気体流路部５に回転子２０内の空気を循環させるようになっている。具体的には、この一方の循環ファン３１は、一方の端板部２１ｂの半径方向において羽根３１ａの外側から空気を取り入れ、一方の端板部２１ｂの半径方向から支持軸２の軸方向に角度を変えて空気を噴出するようになっている。したがって、循環ファン３１は、空隙部３から空気を効率良く取り入れ、かつ気体流路部５に気体を効率良く噴出するように最適な位置に配置されている。

他方の循環ファン３２は、回転子２０の円筒部２１ａの内周面に円周方向に等間隔で複数の羽根３２ａが配置された羽根車を主体に構成されている。この他方の循環ファン３２は、回転子２０の回転に伴って羽根３２ａが回転する自己ファン型で構成され、気体流路部５から空隙部３に回転子２０内の空気を循環させるようになっている。具体的には、この他方の循環ファン３２は、他方の端板部２１ｃの半径方向において羽根３２ａの内側から空気を取り入れ、他方の端板部２１ｃの半径方向から支持軸２の軸方向に角度を変えて気体を噴出するようになっている。したがって、この循環ファン３２においても、気体流路部５から空気を効率良く取り入れ、かつ空隙部３に空気を効率良く噴出するように最適な位置に配置されている。

封鎖部材１１は、外周面が筒部材１２の内周面に円周方向に沿って環状に連続して連結されている。そして、気体誘導部１０Ａでは、筒部材１２の内側が封鎖部材１１によって封鎖されているため、一端側から他端側に亘っての空気の流通が遮断されている。すなわち、アウターロータ型回転電機１Ａでは、回転子２０内の空気が空隙部３及び気体流路部５を通して循環するようになっている。そして、気体流路部５では、空気が複数のリブ１３の間を通して一端側から他端側に流れるようになっている。
ここで、封鎖部材１１は筒部材１２を支持軸２に支持する支持機能も兼ねている。この実施形態１では封鎖部材１１を１つ設けているが、この数に限定されるものではなく、封鎖部材１１は２つ以上設けてもよい。この場合、気体誘導部１０Ａの一端側及び他端側にそれぞれ封鎖部材１１を設けることで気体誘導部１０Ａと支持軸２との支持が安定する。また、少なくとも封鎖部材１１を１つ設け、単に筒部材１２を支持軸２に支持する支持部材を設けるようにしてもよい。

リブ１３は、気体誘導部１０Ａの円周方向に等間隔で例えば４つ設けられている。枠部１４はリブ１３の数の増加に伴って気体誘導部１０Ａとの支持が安定するが、一方でリブ１３の数の増加に伴って気体流路部５での空気の流通抵抗が増加する。したがって、リブ１３の数は、枠部１４を支持する安定性及び気体流路部５内での空気の流通抵抗を考慮して決定することが好ましい。
固定子枠９Ａは、冷媒流路部４を流れる水に熱を伝達するようになっている。冷媒流路部４の引き回しや配置としては様々な形態がある。この実施形態１では、図１に示すように、冷媒流路部４は例えば枠部１４の内部を周回しながら枠部１４の一端側から他端側に向かって螺旋状に引き回されている。

冷媒流路部４の一端側は、冷媒供給配管３５を介して圧送ポンプ３７の吐出側（二次側）に連結されている。そして、冷媒流路部４の他端側は、冷媒帰還配管３６を介して圧送ポンプ３７の吸入側（一次側）に連結されている。圧送ポンプ３７は、電動機の駆動力により、冷媒供給配管３５、冷媒流路部４及び冷媒帰還配管３６を通して水を循環する。冷媒供給配管３５及び冷媒帰還配管３６の各々は、支持軸２の中空部を通って配管されている。
このように構成されたアウターロータ型回転電機１Ａでは、電磁誘導作用により電気を発電する際、固定子１５の固定子コア１６やコイル１７で熱が発生する。また、回転子２０の永久磁石２２などでも熱が発生する。

次に、図１を用いて回転子２０内の循環流を説明しながら、本発明の実施形態１に係るアウターロータ型回転電機１Ａの効果について説明する。
本発明の実施形態１に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａを例えば風力発電機の発電部に用いた場合、回転子２０は、風力によるプロペラの回転運動により回転する。そして、回転子２０の回転運動により２つの循環ファン３１，３２の各々の羽根３１ａ，３２ａが回転し、空隙部３及び気体流路部５を通して回転子２０内の空気が循環する。

具体的には、まず、一方の循環ファン３１から羽根３１ａの回転運動により噴出された空気は、気体流路部５の一端側から気体流路部５の内部に入る。そして、気体流路部５の内部に入った空気は、気体流路部５の一端側からリブ１３の間を通過して気体流路部５の他端側に流れた後、気体流路部５の他端側から気体流路部５の外部に出る。そして、気体流路部５の他端側から出た空気は、他方の循環ファン３２の羽根３２ａの回転運動により流れ方向が反転し、空隙部３の一端側から空隙部３の内部に入る。そして、空隙部３の内部に入った空気は、空隙部３の内部を空隙部３の一端側から他端側に向かって流れた後、空隙部３の他端側から空隙部３の外に出て一方の循環ファン３１に至る。すなわち、一方の循環ファン３１から出た空気は、気体流路部５、他方の循環ファン３２及び空隙部３を経由して一方の循環ファン３１に戻る循環流３８Ａとなる。
ここで、固定子１５の固定子コア１６やコイル１７で発生した熱は、固定子枠９Ａの枠部１４の外周面側から枠部１４の肉厚部を介して、冷媒流路部４内を流れる水に伝達されるため、固定子１５は冷却される。

一方、固定子１５の固定子コア１６やコイル１７で発生した熱は、空隙部３を流れる空気に伝達されるため、固定子１５は更に冷却される。また、回転子２０の永久磁石２２などで発生した熱も空隙部３を流れる空気に伝達されるため、回転子２０も冷却される。そして、これらの熱が伝達された空気は温度上昇を伴って空隙部３の内部を空隙部３の一端側から他端側に向かって流れた後、循環流３８Ａにより気体流路部５の内部を気体流路部５の一端側から他端側に向かって流れる。このとき、空隙部３の内部で温度上昇した空気は気体流路部５の内部を流れながら冷媒流路部４を流れる水とで熱交換が行われるため、空隙部３の内部で温度上昇した空気は気体流路部５の内部で冷却される。そして、気体流路部５の内部で冷却された空気は循環流３８Ａにより空隙部３の内部に供給され、固定子１５や回転子２０で発生した熱が再び伝達される。

すなわち、アウターロータ型回転電機１Ａは、固定子１５で発生した熱が固定子１５から固定子枠９Ａの枠部１４を経由して冷媒流路部４の水に伝達されるので、固定子枠９Ａの枠部１４を経由した熱伝達により固定子１５を冷却することができる。また、アウターロータ型回転電機１Ａは、空隙部３の内部で固定子１５や回転子２０の熱が伝達されて温度上昇した空気が枠部１４の冷媒流路部４を流れる水との熱交換により冷却され、そして、熱交換により冷却された空気が再び空隙部３に戻るので、冷媒流路部４の水とで熱交換されて冷却された空気により固定子１５及び回転子２０を冷却することができる。したがって、本発明の実施形態１に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａは、冷却性能の向上を図ることができる。

また、本発明の実施形態１に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａは、冷却性能の向上を図ることができるので、永久磁石２２の間隔を狭くすることができる。したがって、アウターロータ型回転電機１Ａは小型化を図ることができる。
また、本発明の実施形態１に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａにおいて、気体流路部５は気体誘導部１０Ａと枠部１４との間に形成されているので、枠部１４の内周面全体を覆うように気体流路部５を形成することができる。したがって、気体流路部５を流れる空気と冷媒流路部４を流れる水との熱交換を枠部１４の内周面全体に亘って行うことができる。

なお、気体流路部５の内部に枠部１４と連結されたフィンを設け、冷媒流路部４を流れる水と気体流路部５を流れる空気との熱交換効率を高めるようにしてもよい。この場合、フィンは、気体流路部５での流路抵抗を考慮して気体流路部５の軸方向に延長するように配置することが好ましい。
また、筒部材１２の内側の一端側及び他端側に亘って空気が流通するように封鎖部材１１に開口部を設けてもよい。この場合、封鎖部材１１の開口部での空気の流動抵抗を気体流路部５での空気の流動抵抗よりも大きくすることが好ましい。

（実施形態２）
図４及び図５に示すように、本発明の実施形態２に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｂは、実施形態１の永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａと基本的に同様の構成になっており、実施形態１の固定子枠９Ａに換えて固定子枠９Ｂを備えている。すなわち、アウターロータ型回転電機１Ｂは、支持軸２と、この支持軸２に同軸で支持された円筒状の固定子枠９Ｂと、この固定子枠９Ｂの外周面に固定された円筒状の固定子１５と、この固定子１５の外周面と空隙部３を介して対向し、かつ固定子１５を囲むようにして支持軸２に同軸で回転自在に支持された回転子２０とを備えている。そして、アウターロータ型回転電機１Ｂは、空隙部３及び気体流路部５を通して回転子２０内の気体を循環させる循環送風機として２つの循環ファン３１，３２を備えている。以下、この実施形態２においても、冷媒流路部４を流れる冷却媒体として水、回転子２０内の気体として空気をそれぞれ用いた場合で説明するが、水や空気に限定されるものではない。

図４及び図５に示すように、固定子枠９Ｂは、固定子１５及び冷媒流路部４が設けられた円筒状の枠部１４と、この枠部１４の内側に設けられ、かつ回転子２０内の空気が枠部１４の内周面に沿って流れるように誘導する気体誘導部１０Ｂとを有する。固定子１５は、枠部１４の外周面に固定されている。冷媒流路部４は、枠部１４の外周面と内周面との間に形成されている。そして、気体流路部５は、枠部１４と気体誘導部１０Ｂとの間に形成されている。
気体誘導部１０Ｂは、支持軸２の軸方向に沿って延長する円筒状の筒部材１２と、この筒部材１２の内側を封鎖する円板状の封鎖部材１１と、この筒部材１２の外周面に円周方向に沿って設けられ、かつ複数の開口部１９ａが円周方向に所定の間隔で配列された支持リング部材１９とを有する。封鎖部材１１は、中央部に貫通孔１１ａを有し、この貫通孔１１ａを貫通する支持軸２に固定されている。筒部材１２は封鎖部材１１を介して支持軸２に支持されている。枠部１４は、支持リング部材１９を介して筒部材１２に支持され、更に封鎖部材１１を介して支持軸２に支持されている。

固定子枠９Ｂは、例えば耐水性が高いステンレス系の材料で形成されている。気体流路部５は、気体誘導部１０Ｂと枠部１４の間に形成されているので、枠部１４の内周面全体を覆うように気体流路部５を形成することができる。
支持リング部材１９は、気体誘導部１０Ｂ及び枠部１４の円周方向に沿ってリング状に形成され、気体誘導部１０Ｂの外周面及び枠部１４の内周面に環状に連続して連結されている。複数の開口部１９ａは、支持リング部材１９の厚さ方向に支持リング部材１９を貫通し、支持リング部材１９の円周方向に沿って等間隔で配置されている。複数の開口部１９ａの各々は、例えば長孔形状で形成されているが、円形状で形成してもよい。

封鎖部材１１は、外周面が筒部材１２の内周面に円周方向に沿って環状に連続して連結されている。そして、気体誘導部１０Ｂでは、筒部材１２の内側が封鎖部材１１によって封鎖されているため、一端側及び他端側に亘っての気体の流通が封鎖部材１１によって遮断されている。すなわち、アウターロータ型回転電機１Ｂにおいても、回転子２０内の気体が空隙部３及び気体流路部５を通して循環するようになっている。そして、気体流路部５では、空気が複数の開口部１９ａを通して一端側から他端側に流れるようになっている。

この実施形態２では、封鎖部材１１及び支持リング部材１９をそれぞれ１つ設けているが、この数に限定されるものではなく、封鎖部材１１及び支持リング部材１９はそれぞれ２つ以上設けてもよい。この場合、筒部材１２及び枠部１４の一端側及び他端側にそれぞれ封鎖部材１１及び支持リング部材１９を設けることで、気体誘導部１０Ｂと支持軸２との支持及び枠部１４と筒部材１２との支持が安定する。また、封鎖部材１１は少なくとも１つ設け、単に筒部材１２を支持軸２に支持する支持部材を設けるようにしてもよい。
枠部１４は、開口部１９ａの数や開口面積の減少に伴って気体誘導部１０Ｂとの支持が安定するが、一方で開口部１９ａの数や開口面積の減少に伴って気体流路部５での空気の流通抵抗が増加する。したがって、開口部１９ａの数や開口面積は、枠部１４の安定性及び気体流路部５内での空気の流通抵抗を考慮して決定することが好ましい。固定子枠９Ｂは、実施形態１の固定子枠９Ａと同様に、冷媒流路部４を流れる冷却媒体としての水に熱を伝達するようになっている。
本発明の実施形態２に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｂにおいても、実施形態１のアウターロータ型回転電機１Ａと同様に、例えば風力発電機の風力によるプロペラの回転運動により回転子２０が回転する。そして、回転子２０の回転運動により２つの循環ファン３１，３２の各々の羽根３１ａ，３２ａが回転し、空隙部３及び気体流路部５を通して回転子２０内の空気が循環する。

具体的には、まず、一方の循環ファン３１から羽根３１ａの回転運動により噴出された空気は、気体流路部５の一端側から気体流路部５の内部に入る。そして、気体流路部５の内部に入った空気は、気体流路部５の一端側から開口部１９ａを通過して気体流路部５の他端側に流れた後、気体流路部５の他端側から気体流路部５の外部に出る。そして、気体流路部５の他端側から出た空気は、他方の循環ファン３２の羽根３２ａの回転運動により流れ方向が反転し、空隙部３の一端側から空隙部３の内部に入る。そして、空隙部３の内部に入った空気は、空隙部３の内部を空隙部３の一端側から他端側に向かって流れた後、空隙部３の他端側から空隙部３の外に出て一方の循環ファン３１に至る。すなわち、アウターロータ型回転電機１Ｂにおいても、実施形態１のアウターロータ型回転電機１Ａと同様に、一方の循環ファン３１から出た空気は、気体流路部５、他方の循環ファン３２及び空隙部３を経由して一方の循環ファン３１に戻る循環流３８Ａとなる。このため、回転電機１Ｂにおいても、実施形態１の回転電機１Ａと同様に、固定子枠９Ｂの枠部１４を経由した熱伝達により固定子１５を冷却することができるとともに、冷媒流路部４の水とで熱交換されて冷却された空気により固定子１５及び回転子２０を冷却することができる。したがって、本発明の実施形態２に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｂにおいても、実施形態１のアウターロータ型回転電機１Ａと同様に、冷却性能の向上を図ることができる。また、アウターロータ型回転電機１Ｂの小型化を図ることができる。また、気体流路部５を流れる空気と冷媒流路部４を流れる水との熱交換を枠部１４の内周面全体に亘って行うことができる。

なお、実施形態２では、封鎖部材１１と支持リング部材１９とを個別の部材として説明したが、封鎖部材１１と支持リング部材１９とを一体にして１つの封鎖部材としてもよい。この場合、筒部材１２を分割し、封鎖部材の厚さ方向の両面にそれぞれ筒部材を挟むようにして固定する。
また、実施形態２においても、気体流路部５の内部に枠部１４と連結されたフィンを設け、冷媒流路部４を流れる水と気体流路部５を流れる空気との熱交換効率を高めるようにしてもよい。
また、実施形態２においても、筒部材１２の内側の一端側及び他端側に亘って空気が流通するように封鎖部材１１に開口部を設けてもよい。この場合、封鎖部材１１の開口部での空気の流動抵抗を気体流路部５での空気の流動抵抗よりも大きくすることが好ましい。

（実施形態３）
図６及び図７に示すように、本発明の実施形態３に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｃは、実施形態１の永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａと基本的に同様の構成になっており、実施形態１の固定子枠９Ａに換えて固定子枠９Ｃを備えている。すなわち、アウターロータ型回転電機１Ｃは、支持軸２と、この支持軸２に同軸で支持された円筒状の固定子枠９Ｃと、この固定子枠９Ｃの外周面に固定された円筒状の固定子１５と、この固定子１５の外周面と空隙部３を介して対向し、かつ固定子１５を囲むようにして支持軸２に同軸で回転自在に支持された回転子２０とを備えている。そして、回転電機１Ｃは、空隙部３及び気体流路部５を通して回転子２０内の気体を循環させる循環送風機として２つの循環ファン３１，３２を備えている。以下、この実施形態３においても、冷媒流路部４を流れる冷却媒体として水、回転子２０内の気体として空気をそれぞれ用いた場合で説明するが、水や空気に限定されるものではない。

固定子枠９Ｃは、実施形態１の固定子枠９Ａとほぼ同様の構成になっているが、実施形態１の気体誘導部１０Ａに換えて気体誘導部１０Ｃを有する。すなわち、固定子枠９Ｃは、固定子１５及び冷媒流路部４が設けられた枠部１４と、この枠部１４の内側に設けられ、かつ回転子２０内の空気が枠部１４の内周面に沿って流れるように誘導する気体誘導部１０Ｃとを有する。
図６及び図７に示すように、固定子１５は、枠部１４の外周面に固定されている。冷媒流路部４は、枠部１４の外周面と内周面との間に形成されている。そして、気体流路部５は、枠部１４と気体誘導部１０Ｃとの間に形成されている。

気体誘導部１０Ｃは、支持軸２の軸方向に沿って延長し、かつ直列に配置された円筒状の２つの筒部材１２ａ及び筒部材１２ｂと、この２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側を封鎖するようにして２つの筒部材１２ａ，１２ｂの間に配置された封鎖部材４０とを有する。２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は、封鎖部材４０の厚さ方向の両面に封鎖部材４０を挟むようにして固定されている。
封鎖部材４０は、貫通孔４１が設けられた中央部４２と、この中央部４２から半径方向の外方に向かって突出し、かつ円周方向に所定の配列ピッチで配列された複数の突起部４３とを有する。複数の突起部４３の各々は、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側から外側に亘って延長している。また、封鎖部材４０は、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側において、互いに隣り合う２つの突起部４３の間を封鎖する封鎖板４４を有する。この封鎖板４４は、２つの突起部４３の間に嵌め込まれ、２つの突起部４３部の間毎に設けられている。

封鎖部材４０は、貫通孔４１を貫通する支持軸２に固定されている。２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は封鎖部材４０に固定され、この封鎖部材４０を介して支持軸に支持されている。枠部１４は、内周面が複数の突起部４３の先端に固定され、封鎖部材４０を介して支持軸２に支持されている。
固定子枠９Ｃは、例えば耐水性が高いステンレス系の材料で形成されている。気体流路部５は、気体誘導部１０Ｃと枠部１４の間に形成されているので、枠部１４の内周面全体を覆うように気体流路部５を形成することができる。

２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は、封鎖部材４０の厚さ方向の両面に封鎖部材４０を挟むようにして固定されている。そして、気体誘導部１０Ｃでは、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側が封鎖部材４０によって封鎖されているため、筒部材１２ａ及び筒部材１２ｂに亘っての空気の流通が封鎖部材４０によって遮断されている。すなわち、アウターロータ型回転電機１Ｃにおいても、回転子２０内の気体が空隙部３及び気体流路部５を通して循環するようになっている。そして、気体流路部５では、空気が複数の突起部４３の間を通して一端側から他端側に流れるようになっている。

このように構成されたアウターロータ型回転電機１Ｃにおいても、実施形態１と同様の循環流３８Ａを得ることができる。このため、アウターロータ型回転電機１Ｃにおいても、実施形態１のアウターロータ型回転電機１Ａと同様に、固定子枠９Ｃの枠部１４を経由した熱伝達により固定子１５を冷却することができるとともに、冷媒流路部４の水とで熱交換されて冷却された空気により固定子１５及び回転子２０を冷却することができる。したがって、本発明の実施形態３に係るアウターロータ型回転電機１Ｃにおいても、冷却性能の向上を図ることができる。また、気体流路部５を流れる空気と冷媒流路部４を流れる水との熱交換を枠部１４の内周面全体に亘って行うことができる。

なお、実施形態３においても、気体流路部５の内部に枠部１４と連結されたフィンを設け、冷媒流路部４を流れる水と気体流路部５を流れる空気との熱交換効率を高めるようにしてもよい。
また、実施形態３においても、筒部材１２ｂの内側及び筒部材１２ａの内側に亘って空気が流通するように封鎖部材４０に開口部を設けてもよい。この場合、封鎖部材４０の開口部での空気の流動抵抗を気体流路部５での空気の流動抵抗よりも大きくすることが好ましい。

（変形例１）
上述の実施形態３では、気体誘導部１０Ｃを構成する封鎖部材として、図６及び図７に示す封鎖部材４０を用いた場合について説明した。これに対し、アウターロータ型回転電機１Ｃの変形例１では、図８に示すように、封鎖部材４０Ａを用いている。
図８に示すように、封鎖部材４０Ａは、実施形態３の封鎖部材４０と同様に、貫通孔４１が設けられた中央部４２と、この中央部４２から半径方向の外方に向かって突出し、かつ円周方向に所定の配列ピッチで配列された複数の突起部４３とを有する。また、封鎖部材４０Ａは、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側において、互いに隣り合う２つの突起部４３の間を封鎖する封鎖板４４を有する。そして、封鎖部材４０Ａは、実施形態３の封鎖部材４０と異なり、複数の突起部４３の先端に連結され、かつ円周方向に環状に延長する外周リング部材４５を有する。

封鎖部材４０Ａは、中央部４２の貫通孔４１を貫通する支持軸２に固定されている。２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は封鎖部材４０Ａに固定され、この封鎖部材４０Ａを介して支持軸２に支持されている。枠部１４は、内周面が外周リング部材４５に固定され、この外周リング部材４５を含む封鎖部材４０Ａを介して支持軸２に支持されている。
２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は、封鎖部材４０の厚さ方向の両面に封鎖部材４０を挟むようにして固定されている。そして、気体誘導部１０Ｃでは、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側が封鎖部材４０Ａによって封鎖されているため、筒部材１２ａ及び筒部材１２ｂに亘っての空気の流通が封鎖部材４０Ａによって遮断されている。すなわち、この変形例１においても、回転子２０内の気体が空隙部３及び気体流路部５を通して循環するようになっている。そして、気体流路部５では、空気が複数の突起部４３の間を通して一端側から他端側に流れるようになっている。

この変形例１においても、実施形態３と同様の循環流３８Ａを得ることができる。このため、この変形例１においても、実施形態３のアウターロータ型回転電機１Ｃと同様に、固定子枠９Ｃの枠部１４を経由した熱伝達により固定子１５を冷却することができるとともに、冷媒流路部４の水とで熱交換されて冷却された空気により固定子１５及び回転子２０を冷却することができる。したがって、この変形例１においても、アウターロータ型回転電機１Ｃの冷却性能の向上を図ることができる。

（変形例２）
上述の変形例１では、気体誘導部１０Ｃを構成する封鎖部材として、図８に示す封鎖部材４０Ａを用いた場合について説明した。これに対し、アウターロータ型回転電機１Ｃの変形例２では、図９に示すように、封鎖部材４０Ｂを用いている。
封鎖部材４０Ｂは、変形例１の封鎖部材４０Ａとは異なり、貫通孔４１が設けられたリング状の補強部４６と、一端側が補強部４６に連結され、かつ補強部４６から放射状に延長する複数の支柱部４７とを有する。複数の支柱部４７の各々は、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側から外側に亘って延長している。そして、封鎖部材４０Ｂは、変形例１と同様に、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側において、互いに隣り合う２つの支柱部４７の間を封鎖する封鎖板４８を有する。
封鎖部材４０Ｂは、貫通孔４１を貫通する支持軸２に固定されている。２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は封鎖部材４０Ｂに固定され、この封鎖部材４０Ｂを介して支持軸２に支持されている。枠部１４は、内周面が複数の支柱部４７の各々の先端に固定され、封鎖部材４０Ｂ介して支持軸２に支持されている。

２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々は、実施形態３と同様に、封鎖部材４０Ｂの厚さ方向の両面に封鎖部材４０Ｂを挟むようにして固定されている。そして、気体誘導部１０Ｃでは、２つの筒部材１２ａ，１２ｂの各々の内側が封鎖部材４０Ｂによって封鎖されているため、筒部材１２ａ及び筒部材１２ｂに亘っての空気の流通が封鎖部材４０Ｂによって遮断されている。すなわち、この変形例２においても、回転子２０内の空気が空隙部３及び気体流路部５を通して循環するようになっている。そして、気体流路部５では、空気が複数の支柱部４７の間を通して一端側から他端側に流れるようになっている。

この変形例２においても、実施形態３と同様の循環流３８Ａを得ることができる。このため、この変形例２においても、実施形態３のアウターロータ型回転電機１Ｃと同様に、固定子枠９Ｃの枠部１４を経由した熱伝達により固定子１５を冷却することができるとともに、冷媒流路部４の水とで熱交換されて冷却された空気により固定子１５及び回転子２０を冷却することができる。したがって、この変形例２においても、アウターロータ型回転電機１Ｃの冷却性能の向上を図ることができる。

（実施形態４）
図１０に示すように、本発明の実施形態４に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｄは、実施形態１の永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ａと同様に、支持軸２と、円筒状の固定子枠９Ａと、円筒状の固定子１５と、回転子２０とを備えている。
そして、回転電機１Ｄは、固定子枠９Ａの軸方向の一端側及び他端側の何れか一方において固定子枠９Ａに固定された仕切り板２４で仕切られ、かつ気体流路部５及び空隙部３の各々に連結された連結流路部６を更に備えている。そして、アウターロータ型回転電機１Ｄは、循環送風機として、実施形態１の循環ファン３１，３２に換えて、連結流路部６内に配置された２つの循環ファン３３を備えている。この実施形態２では、循環ファン３３は２つ設けられているが、循環ファン３３の数は２つに限定されるものではなく、１つ若しくは３つ以上であってもよい。循環ファン３３は、実施形態１の自己ファン型の循環ファン３１，３２とは異なり、電動機の動力により羽根車が回転して回転子２０内の気体を循環させる他力ファン型で構成されている。この循環ファン３３は、複数の羽根が設けられた羽根車を回転させることにより気体を軸方向に送風する軸流型である。以下、この実施形態４においても、冷媒流路部４を流れる冷却媒体として水、回転子２０内の気体として空気をそれぞれ用いた場合で説明するが、水や空気に限定されるものではない。

本発明の実施形態４に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｄにおいても、実施形態１のアウターロータ型回転電機１Ａと同様に、例えば風力発電機の風力によるプロペラの回転運動により回転子２０が回転する。そして、電動機の動力により２つの循環ファン３３の各々の羽根車が回転運動し、空隙部３及び気体流路部５を通して回転子２０内の空気が循環する。
具体的には、まず、循環ファン３３から噴出された空気は、連結流路部６を循環ファン３３側から空隙部３の一端側に向かって流れた後、空隙部３の内部に入る。そして、空隙部３の内部に入った空気は、空隙部３の内部を空隙部３の一端側から他端側に向かって流れた後、空隙部３の他端側から空隙部３の外に出る。そして、空隙部３の他端側から出た空気は、流れ方向が反転し、気体流路部５の一端側から気体流路部５の内部に入る。そして、気体流路部５の内部に入った空気は、気体流路部５の内部を気体流路部５の一端側から他端側に向かって流れた後、気体流路部５の他端側から気体流路部５の外に出る。そして、気体流路部５の他端側から出た空気は、連結流路部６を気体流路部５の他端側から循環ファン３３に向かって流れた後、循環ファン３３に至る。すなわち、循環ファン３３から出た空気は、連結流路部６、空隙部３、気体流路部５及び連結流路部６を経由して循環ファン３３に戻る循環流３８Ｂとなる。
ここで、固定子１５の固定子コア１６やコイル１７で発生した熱は、固定子枠９Ａの枠部１４の外周面側から枠部１４の肉厚部を介して冷媒流路部４内の水に伝達されるため、固定子１５は冷却される。

一方、固定子１５の固定子コア１６やコイル１７で発生した熱は、空隙部３を流れる空気に伝達されるため、固定子１５は更に冷却される。また、回転子２０の永久磁石２２などで発生した熱も空隙部３を流れる空気に伝達されるため、回転子２０も冷却される。そして、これらの熱が伝達された空気は温度上昇を伴って空隙部３の内部を空隙部３の一端側から他端側に向かって流れた後、循環流３８Ｂにより気体流路部５の内部を気体流路部５の一端側から他端側に向かって流れる。このとき、空隙部３の内部で温度上昇した空気は気体流路部５の内部を流れながら冷媒流路部４を流れる水とで熱交換が行われるため、空隙部３の内部で温度上昇した空気は気体流路部５の内部で冷却される。そして、気体流路部５の内部で冷却された空気は循環流３８Ｂにより空隙部３の内部に供給され、固定子１５や回転子２０で発生した熱が再び伝達される。すなわち、本発明の実施形態３に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｄにおいても、固定子枠９Ａの枠部１４を経由した熱伝達により固定子１５を冷却することができるとともに、冷媒流路部４の水とで熱交換されて冷却された空気により固定子１５及び回転子２０を冷却することができる。したがって、本発明の実施形態４に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｄにおいても、冷却性能の向上を図ることができる。また、アウターロータ型回転電機１Ｄの小型化を図ることができる。また、気体流路部５を流れる空気と冷媒流路部４を流れる水との熱交換を枠部１４の内周面全体に亘って行うことができる。

また、本発明の実施形態４に係る永久磁石式のアウターロータ型回転電機１Ｄは、電動機の動力により羽根車が回転する他力ファン型の循環ファン３３を用いて循環流３８Ｂを発生させているので、回転子２０の回転数が低い場合など、自己ファン型の循環ファンでは十分な風速がでない場合に有効である。
なお、実施形態４では、循環ファン３３を連結流路部６内に設けた場合について説明したが、連結通路部６内、すなわち回転子２０の内側に設けることができない場合は回転子２０の外に循環ファンを設け、ダクトなどを用いて回転子２０内と連結するようにしてもよい。

また、この実施形態４においても、気体流路部５の内部に枠部１４と連結されたフィンを設け、冷媒流路部を流れる水と気体流路部５を流れる空気との熱交換効率を高めるようにしてもよい。
また、この実施形態４においても、筒部材１２の内側の一端側及び他端側に亘って空気が流通するように封鎖部材１１に開口部を設けてもよい。この場合、封鎖部材１１の開口部での空気の流動抵抗を気体流路部５での空気の流動抵抗よりも大きくすることが好ましい。

また、上述の実施形態１〜４では、永久磁石式の回転電機について説明したが、本発明は、この永久磁石式の回転電機に限定されるものではなく、例えば回転子２０の永久磁石２２に換えて回線タイプのコイルを用いた回転電機に適用することができる。
以上、本発明を上記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…回転電機
２…支持軸
３…空隙部
４…冷媒流路部
５…気体流路部
６…連結流路部
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ…固定子枠
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…気体誘導部
１１…封鎖部材
１２…筒部材
１３…リブ
１４…枠部
１５…固定子
１６…固定子コア
１６ａ…磁気ヨーク１６ａ
１６ｂ…ティース
１６ｃ…スロット
１７…コイル
１９…支持リング部材
１９ａ…開口部
２０…回転子
２１…回転子コア
２１ａ…円筒部
２２ｂ，２２ｃ…端板部
２２…永久磁石
３１，３２，３３…循環ファン
３１ａ，３２ａ…羽根
３５…冷媒供給配管
３６…冷媒帰還配管
３７…圧送ポンプ
３８ａ，３８ｂ…循環流
４０，４０Ａ，４０Ｂ…封鎖部材
４１…貫通孔、
４２…中央部、
４３…突起部
４４…封鎖板
４５…外周リング部材
４６…補強部
４７…支柱部
４８…封鎖板

Claims (5)

1. 支持軸と、
   前記支持軸に同軸で支持された固定子枠と、
   前記固定子枠の外周面に固定された固定子と、
   前記固定子の外周面と空隙部を介して対向し、かつ前記固定子を囲むようにして前記支持軸に同軸で回転自在に支持された回転子と、
   前記固定子枠に前記固定子よりも内側に位置して設けられ、かつ冷却媒体が流れる冷媒流路部と、
   前記固定子枠に前記冷媒流路部よりも内側に位置して設けられ、かつ前記回転子内の気体が前記支持軸の軸方向に流れる気体流路部と、
   前記空隙部及び前記気体流路部を通して前記気体を循環させる循環送風機と、
   を備えていることを特徴とするアウターロータ型回転電機。
2. 前記固定子枠は、前記固定子及び前記冷媒流路部が設けられた枠部と、前記枠部の内側に設けられ、前記気体が前記枠部の内周面に沿って流れるように誘導する気体誘導部とを有し、
   前記気体流路部は、前記枠部と前記気体誘導部との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアウターロータ型回転電機。
3. 前記循環送風機を２つ備え、一方の循環送風機は、前記空隙部から前記気体流路部に前記気体を循環させるように前記固定子枠の軸方向の一端側に配置され、他方の循環送風機は、前記気体流路部から前記空隙部に前記気体を循環させるように前記固定子枠の軸方向の他端側に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアウターロータ型回転電機。
4. 前記固定子枠の軸方向の一端側及び他端側の何れか一方において前記固定子枠に固定された仕切り板で仕切られ、かつ前記気体流路部及び前記空隙部の各々に連結された連結流路部を更に備え、
   前記循環送風機は、前記連結流路部内に配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のアウターロータ型回転電機。
5. 前記回転子は、回転子コアと、前記回転子コアの内周面に円周方向に配置された複数の永久磁石とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアウターロータ型回転電機。

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