JP7431183B2 - 磁気ギアード電気機械及びこれを用いた発電システム - Google Patents

磁気ギアード電気機械及びこれを用いた発電システム Download PDF

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Description

本開示は、磁気ギアード電気機械及びこれを用いた発電システムに関する。
従来から、高速ロータと低速ロータとの間で回転数を変換するための磁気ギア装置と、発電機又は電動機とを組み合わせた磁気ギアード電気機械（magnetic geared electrical machine）が知られている。
例えば、特許文献１には、支持構造を含む第１ロータと、第２ロータおよびステータを備え、第２ロータおよびステータの少なくとも一方が支持構造を収容するように構成した磁気ギアード電気機械が記載されている。
また、磁気ギアード電気機械に関するものではないが、特許文献２には、周方向に配列された電磁鋼製の磁気経路部材（ポールピース）間に冷媒流路を設けた磁気ギア装置が記載されている。
米国特許第９，２１９，３９５号明細書 特開２０１２－２４６９８２号公報
例えば特許文献１に記載される磁気ギアード電気機械では、ステータコイルにおける銅損やポールピースにおける鉄損に起因した発熱への対策として、必要に応じて、磁気ギアード電気機械の各部の冷却が行われる。
ここで、ポールピースを境として、磁気ギアード電気機械のステータ側領域とロータ側領域とで発熱量は均等であるとは限らない。また、熱伝導、熱伝達、および、放射による系外への放熱量についても、ポールピースを境として、磁気ギアード電気機械のステータ側領域とロータ側領域とで均等であるとは限らない。
このため、磁気ギアード電気機械の径方向におけるポールピースの両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計が望まれる。
特許文献２記載の磁気ギア装置では、周方向に配列されるポールピース間に冷媒流路が形成されるため、ポールピースの両側の各領域における発熱量又は放熱量を考慮した冷却設計はできない。
上述の事情に鑑みて、本発明の幾つかの実施形態では、ポールピースの径方向の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計を容易に行うことができる磁気ギアード電気機械を提供することを目的とする。
本発明の少なくとも一実施形態に係る磁気ギアード電気機械は、
ステータコイルを含むステータと、
複数のポールピースを含む第１ロータと、
複数のロータ磁石を含み、径方向において前記第１ロータを挟んで前記ステータとは反対側に配置される第２ロータと、
第１入口開口及び第２入口開口を有し、前記ステータを支持するハウジングと、
前記ハウジングに設けられた前記第１入口開口、および、前記ステータと前記第１ロータとの間の第１半径方向隙間に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される第１入口キャビティと、
前記ハウジングに設けられた前記第２入口開口、および、前記第１ロータと前記第２ロータとの間の第２半径方向隙間に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される第２入口キャビティと、
を備える。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ポールピースの径方向の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計を容易に行うことができる。
磁気ギアード電気機械の例を示す概略図である。 磁気ギアード電気機械の他の例を示す概略図である。 一実施形態に係る磁気ギアード電気機械の径方向断面図である。 一実施形態に係る磁気ギアード電気機械を示す図である。 他の実施形態に係る磁気ギアード電気機械を示す図である。 一実施形態に係る仕切部材を示す断面図である。 他の実施形態に係る仕切部材を示す断面図である。 他の実施形態に係る仕切部材を示す断面図である。 一実施形態に係る磁気ギアード電気機械を示す図である。 一実施形態に係る磁気ギアード電気機械を示す図である。 仕切部材の配置例を示す図である。 仕切部材の他の配置例を示す図である。 仕切部材の他の配置例を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（磁気ギアード電気機械の概要）
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、磁気ギアード電気機械の例を示す概略図である。ここで、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、「軸方向」は磁気ギアード電気機械１０のロータ（３０，４０）の回転軸（rotational axis）に平行な方向であり、「径方向」はロータ（３０，４０）の回転軸（rotational axis）に直交する方向である。
一実施形態では、図１Ａに示すように、磁気ギアード電気機械１０は、原動機２によって駆動されて発電を行い、発電により生成した電力Ｐを例えば電力系統であってもよい電力供給先４に向けて供給するように構成される磁気ギアード発電機１０Ａである。
他の実施形態では、図１Ｂに示すように、磁気ギアード電気機械１０は、例えば電力系統であってもよい電力供給源６からの電力Ｐの供給を受けて、回転機械８を駆動するように構成される磁気ギアードモータ１０Ｂである。
図１Ａに示す実施形態では、磁気ギアード発電機１０Ａは、発電システム１の一部を構成する。発電システム１は、例えば、風力発電システムや潮流発電システムのような再生可能エネルギー発電システムであってもよい。発電システム１が風力発電システムである場合、原動機２は風車ロータである。
磁気ギアード発電機１０Ａは、ステータ磁石２２及びステータコイル２４を含むステータ２０と、ポールピース３２を含む第１ロータ３０と、ロータ磁石４２を含む第２ロータ４０とを備える。図１Ａに示す例では、ステータ２０は、軸受Ｂ１を介して原動機２の回転シャフト３を支持するハウジング２１の内部に配置される。第１ロータ３０は、原動機２の回転シャフト３とともに回転するように構成される。第１ロータ３０は、ポールピース３２の軸方向両端にそれぞれ設けられる第１エンドプレート３４を含み、各々の第１エンドプレート３４が回転シャフト３に連結される。第２ロータ４０は、ロータ磁石４２の軸方向両端にそれぞれ設けられる第２エンドプレート４４を含む。各々の第２エンドプレート４４は、第２ロータ４０が回転シャフト３及び第１ロータ３０よりも高速で回転することを許容するように、軸受Ｂ２を介して回転シャフト３（又は回転シャフト３とともに回転する第１ロータ３０）に取り付けられる。第２ロータ４０は、ポールピース３２及び第１エンドプレート３４を含む第１ロータ３０と回転シャフト３とによって囲まれる領域内に設けられる。
なお、図１Ａに示す実施形態では、磁気ギアード発電機１０Ａは、径方向の内側に向かって、ステータ２０、第１ロータ３０、第２ロータ４０の順に配置された構成を有する。別の実施形態では、磁気ギアード発電機１０Ａは、径方向の内側に向かって、第２ロータ４０、第１ロータ３０、ステータ２０の順に配置された構成を有する。この場合、円筒状の回転シャフト３の径方向内側に、第２ロータ４０、第１ロータ３０及びステータ２０が配置される。
上述の磁気ギアード発電機１０Ａは、磁気ギアと発電機とを一体化したものであり、高調波型磁気ギア原理および電磁誘導を利用することで、原動機２からの機械的入力を電力に変換するものである。
例えば、磁気ギアード発電機１０Ａにおける発電は以下の原理により行われてもよい。原動機２の回転シャフト３とともに回転する第１ロータ（低速ロータ）３０のポールピース３２によって、ステータ磁石２２の磁束が変調され、変調された磁場からロータ磁石４２が磁力を受けて第２ロータ（高速ロータ）４０が回転する。このとき、第１ロータ（低速ロータ）３０に対する第２ロータ（高速ロータ）４０の回転数の比（増速比）は、ロータ磁石４２の極対数ＮＨに対するポールピース３２の極数ＮＬの比（＝ＮＬ／ＮＨ）で表される。第２ロータ（高速ロータ）４０が回転することで、電磁誘導によってステータコイル２４に電流が発生する。
図１Ｂに示す実施形態において、磁気ギアードモータ１０Ｂの基本構成は、図１Ａに示す磁気ギアード発電機１０Ａと共通する。
すなわち、磁気ギアードモータ１０Ｂは、ステータ磁石２２及びステータコイル２４を含むステータ２０と、ポールピース３２を含む第１ロータ３０と、ロータ磁石４２を含む第２ロータ４０とを備える。図１Ｂに示す例では、ステータ２０は、軸受Ｂ１を介して回転機械８の回転シャフト９を支持するハウジング２１の内部に固定される。第１ロータ３０は、ポールピース３２の軸方向両端にそれぞれ設けられる第１エンドプレート３４を含み、各々の第１エンドプレート３４が回転シャフト９に連結される。第２ロータ４０は、ロータ磁石４２の軸方向両端にそれぞれ設けられる第２エンドプレート４４を含む。各々の第２エンドプレート４４は、第２ロータ４０が回転シャフト９及び第１ロータ３０よりも高速で回転することを許容するように、軸受Ｂ２を介して回転シャフト９（又は回転シャフト９とともに回転する第１ロータ３０）に取り付けられる。第２ロータ４０は、ポールピース３２及び第１エンドプレート３４を含む第１ロータ３０と回転シャフト９とによって囲まれる領域内に設けられる。
図１Ｂに示す実施形態では、磁気ギアードモータ１０Ｂは、径方向の内側に向かって、ステータ２０、第１ロータ３０、第２ロータ４０の順に配置された構成を有する。別の実施形態では、磁気ギアードモータ１０Ｂは、径方向の内側に向かって、第２ロータ４０、第１ロータ３０、ステータ２０の順に配置された構成を有する。この場合、円筒状の回転シャフト９の径方向内側に、第２ロータ４０、第１ロータ３０及びステータ２０が配置される。
なお、磁気ギアードモータ１０Ｂは、磁気ギアとモータとを一体化したものであり、ステータコイル２４の通電によって発生する回転磁界によって第２ロータ（高速ロータ）４０を回転させ、第２ロータ（高速ロータ）４０から第１ロータ（低速ロータ）３０への動力伝達は高調波磁気ギアの原理を利用するものである。
（磁気ギアード電気機械の内部構造）
続けて、図２を参照して、上述した磁気ギアード電気機械１０（１０Ａ，１０Ｂ）の内部構造について説明する。
図２は、一実施形態に係る磁気ギアード電気機械１０の径方向断面図である。
図２に示すように、磁気ギアード電気機械１０のステータ２０は、周方向に配列された複数のステータ磁石２２とステータコイル２４とを含む。ステータ磁石２２及びステータコイル２４は、ステータコア２３に取り付けられる。
ステータ磁石２２は、永久磁石により構成され、径方向においてステータコイル２４と第１ロータ３０との間を軸方向に通過するように周方向に複数設けられる。図２に示す例では、各々のステータ磁石２２は、矩形断面を有する軸方向に長尺なロッド状部材である。すなわち、図２に示したステータ磁石２２の矩形断面の各辺の寸法は、図１Ａ及び図１Ｂに示したステータ磁石２２の軸方向寸法よりも十分に小さい。
図２には、ステータ磁石２２がステータコア２３の表面に取り付けられた表面磁石型（ＳＰＭ；Surface Permanent Magnet）の構造例を示している。他の実施形態では、ステータ２０は、ステータ磁石２２がステータコア２３に埋め込まれた埋込磁石型（ＩＰＭ；Interior Permanent Magnet）の構造を有していてもよい。
ステータコイル２４は、ステータコア２３に設けられた複数のスロット２５内に設けられる。複数のスロット２５は周方向に複数設けられ、各々のスロット２５は軸方向に延在する。各々のスロット２５の軸方向両端は開放されており、ステータコア２３の軸方向の両端において、スロット２５に収まらないステータコイル２４のコイルエンドがステータコア２３から突出してもよい。
上記構成のステータ２０に径方向にて対向する第１ロータ３０は、ステータ２０との間に第１半径方向隙間Ｇ１を隔てて配置され、周方向に配列される複数のポールピース３２を含む。各々のポールピース３２は、例えば電磁鋼板や圧粉磁心等の磁性体により構成され、矩形断面（図２参照）を有する軸方向に長尺なロッド状部材である。すなわち、図２に示したポールピース３２の矩形断面の各辺の寸法は、図１Ａ及び図１Ｂに示したポールピース３２の軸方向寸法よりも十分に小さい。
なお、第１ロータ３０は、ポールピース３２以外にも、非磁性体により構成されてポールピース３２間を周方向に接続する非磁性部材３３（図２参照）や、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述した第１エンドプレート３４等の他の部材を含んでいてもよい。
非磁性部材３３は、マトリックス樹脂に強化繊維を複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）であってもよく、例えば、炭素繊維を強化繊維として用いたＣＦＲＰや、ガラス繊維を強化繊維として用いたＧＦＲＰであってもよい。第１エンドプレート３４は、回転シャフト３，９との接続位置からポールピース３２に向かって径方向に沿って延在する環状プレートである。
図２に示すとおり、径方向において上記構成の第１ロータ３０を挟んでステータ２０の反対側には、第１ロータ３０との間に第２半径方向隙間Ｇ２を隔てて第２ロータ４０が設けられる。第２ロータ４０は、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述したとおり、ポールピース３２、非磁性部材３３及び第１エンドプレート３４を含む第１ロータ３０によって囲まれるように配置されてもよい。
なお、ステータ２０と第１ロータ３０との間の第１半径方向隙間Ｇ１と、第１ロータ３０と第２ロータ４０との間の第２半径方向隙間Ｇ２とは、略同一の寸法であってもよく、例えば０．９５≦Ｇ１／Ｇ２≦１．０５であってもよい。
第２ロータ４０は、各々が永久磁石により構成される複数のロータ磁石４２を含み、複数のロータ磁石４２は周方向に配列される。各々のロータ磁石４２は、矩形断面（図２参照）を有する軸方向に長尺なロッド状部材であってもよい。ここで、ロータ磁石４２が「軸方向に長尺」であるとは、図２に示したロータ磁石４２の矩形断面の各辺の寸法が、図１Ａ及び図１Ｂに示したロータ磁石４２の軸方向寸法よりも十分に小さいことを意味する。
図２には、ロータ磁石４２がロータコア４３の表面に取り付けられた表面磁石型（ＳＰＭ；Surface Permanent Magnet）の構造例を示している。他の実施形態では、第２ロータ４０は、ロータ磁石４２がロータコア４３に埋め込まれた埋込磁石型（ＩＰＭ；Interior Permanent Magnet）の構造を有していてもよい。
また、図２に示す例示的な実施形態では、複数のロータ磁石４２が、ロータコア４３の表面上に周方向に隙間を空けて配置される２以上の磁石グループ（Ｇｒ１，Ｇｒ２）を構成する。例えば、各々の磁石グループ（Ｇｒ１，Ｇｒ２）は、磁化方向が同一である複数のロータ磁石４２によって構成される。
第２ロータ４０は、ロータ磁石４２及びロータコア４３以外にも、図１Ａ及び図１Ｂを参照して上述した第２エンドプレート４４や、ロータ磁石４２間の周方向隙間を埋める閉塞部材４５等の他の部材を含んでいてもよい。
第２エンドプレート４４は、軸受Ｂ２の取付け位置からロータコア４３に向かって径方向に沿って延在する環状プレートである。
また、閉塞部材４５は、マトリックス樹脂に強化繊維を複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）であってもよく、例えば、炭素繊維を強化繊維として用いたＣＦＲＰや、ガラス繊維を強化繊維として用いたＧＦＲＰであってもよい。閉塞部材４５は、図２に示すように、周方向に交互に並ぶ磁石グループ（Ｇｒ１，Ｇｒ２）間の周方向隙間の少なくとも一部を閉塞してもよい。この場合、ロータコア４３からの各ロータ磁石４２の突出高さよりも、ロータコア４３からの閉塞部材４５の表面までの高さは小さくてもよい。
なお、図２に示す例示的な実施形態では、個数の大小関係は、少ない順から、ステータコイル２４、ロータ磁石４２、ポールピース３２、ステータ磁石２２である。
（磁気ギアード電気機械の冷却構造）
上記構成の磁気ギアード電気機械１０（１０Ａ，１０Ｂ）では、ステータコイル２４における銅損やポールピース３２における鉄損に起因した発熱への対策として、磁気ギアード電気機械１０の内部に冷却気体流路が設けられる。
図３は、一実施形態に係る磁気ギアード電気機械１０を示す図である。図４は、他の実施形態に係る磁気ギアード電気機械１０を示す図である。
幾つかの実施形態では、図３及び図４に示すように、ステータ２０を支持するハウジング２１は、第１冷却気体を取り込むための第１入口開口１０２と、第２冷却気体を取り込むための第２入口開口２０２とを有する。第１冷却気体と第２冷却気体とは、同一の気体であってもよいし、異なる種類の気体であってもよい。
第１入口開口１０２は、少なくともハウジング２１によって画定される第１入口キャビティ１０４に連通する。第１入口キャビティ１０４は、ステータ２０と第１ロータ３０との間の第１半径方向隙間Ｇ１に連通する。
同様に、第２入口開口２０２は、少なくともハウジング２１によって画定される第２入口キャビティ２０４に連通する。第２入口キャビティ２０４は、第１ロータ３０と第２ロータ４０との間の第２半径方向隙間Ｇ２に連通する。
なお、図３及び図４に示す例では、ステータコイル２４がステータコア２３から軸方向に突出して形成されるコイルエンドは、第１入口キャビティ１０４に面している。
こうして、磁気ギアード電気機械１０の内部には、互いに独立した２種類の冷却気体流れ（即ち、第１入口開口１０２から第１入口キャビティ１０４を経由する第１冷却気体の流れ、および、第２入口開口２０２から第２入口キャビティ２０４を経由する第２冷却気体の流れ）が形成される。
よって、磁気ギアード電気機械１０のポールピース３２の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計を容易に行うことができる。
図３及び図４に示す実施形態では、第１入口キャビティ１０４と第２入口キャビティ２０４との間に仕切部材７０Ａが設けられる。
仕切部材７０Ａによって入口キャビティ（１０４，２０４）を分割することで、磁気ギアード電気機械１０の内部における互いに独立した２種類の流れ（即ち、第１半径方向隙間Ｇ１を通過する第１流れ、および、第２半径方向隙間Ｇ２を通過する第２流れ）を容易に実現できる。
図５Ａは、一実施形態に係る仕切部材７０を示す断面図である。図５Ｂは、他の実施形態に係る仕切部材７０を示す断面図である。図５Ｃは、他の実施形態に係る仕切部材７０を示す断面図である。
図５Ａ～図５Ｃに示すように、仕切部材７０Ａは、ハウジング２１または第１ロータ３０の第１エンドプレート３４の少なくとも一方に固定される。
幾つかの実施形態において、仕切部材７０Ａは、ハウジング２１から第１ロータ３０の第１エンドプレート３４に向かって、または、第１ロータ３０の第１エンドプレート３４からハウジング２１に向かって突出するバッフル板７２を含む。この場合、バッフル板７２という簡素な構成で、入口キャビティ（１０４，２０４）間における冷却気体の流通を阻止し、磁気ギアード電気機械１０の内部における２種類の流れの独立性を高めることができる。
図５Ａに示す例示的な実施形態では、バッフル板７２は、ハウジング２１から軸方向に沿って第１ロータ３０の第１エンドプレート３４に向かって突出するように設けられる。
幾つかの実施形態において、仕切部材７０Ａは、ハウジング２１側に設けられる静止フィン７５Ａ，７７Ａ、および、第１ロータ３０側に設けられる回転フィン７５Ｂ，７７Ｂを含むラビリンスシール７４，７６である。
この場合、ラビリンスシール７４，７６によって入口キャビティ（１０４，２０４）間における冷却気体の流通を効果的に阻止し、磁気ギアード電気機械１０の内部における２種類の流れの独立性を高めることができる。
図５Ｂに示すラビリンスシール７４では、ハウジング２１から軸方向に沿って第１エンドプレート３４に向かって突出する静止フィン７５Ａと、第１エンドプレート３４からハウジング２１に向かって突出する回転フィン７５Ｂとが、径方向において交互に配置される。
図５Ｃに示すラビリンスシール７６は、ハウジング２１から軸方向に沿って第１エンドプレート３４に向かって突出するサポート７８と、第１エンドプレート３４からハウジング２１に向かって突出するサポート７９とを含み、静止フィン７７Ａと回転フィン７７Ｂはこれらサポート７８，７９にそれぞれ設けられる。具体的には、静止フィン７７Ａは、サポート７８からサポート７９に向かって径方向に沿って突出する。静止フィン７７Ａと軸方向において交互に配置される回転フィン７７Ｂは、サポート７９からサポート７８に向かって径方向に沿って突出する。
図３及び図４に示すように、第１入口キャビティ１０４は、上述したバッフル板７２、ラビリンスシール７４，７６であってもよい仕切部材７０Ａとともに、ハウジング２１の径方向壁２１Ａ、並びに、径方向壁２１Ａに対向するステータ２０の軸方向端面及び第１ロータ３０の第１エンドプレート３４Ａによって画定されてもよい。
同様に、第２入口キャビティ２０４についても、仕切部材７０Ａとともに、ハウジング２１の径方向壁２１Ａ、並びに、径方向壁２１Ａに対向する第１ロータ３０の第１エンドプレート３４Ａによって画定されてもよい。
幾つかの実施形態では、図３及び図４に示すように、第２入口キャビティ２０４は、一方の第１エンドプレート３４Ａの入口開口５４を介して、第１ロータ３０の内部に形成される上流側中間キャビティ５６に連通する。
上流側中間キャビティ５６は、第１ロータ３０の一方の第１エンドプレート３４Ａと、これに対向する第２ロータ４０の一方の第２エンドプレート４４Ａとの間に形成される環状空間である。第２半径方向隙間Ｇ２の上流端は上流側中間キャビティ５６に流体的に接続され、第２入口キャビティ２０４内の第２冷却気体が上流側中間キャビティ５６を経由して第２半径方向隙間Ｇ２に導入される。
図３に示す実施形態では、ハウジング２１は、第１出口開口１１２及び第２出口開口２１２を有する。
第１出口開口１１２は、少なくともハウジング２１によって画定される第１出口キャビティ１１４に連通する。第１出口キャビティ１１４は、ステータ２０と第１ロータ３０との間の第１半径方向隙間Ｇ１に連通する。
同様に、第２出口開口２１２は、少なくともハウジング２１によって画定される第２出口キャビティ２１４に連通する。第２出口キャビティ２１４は、第１ロータ３０と第２ロータ４０との間の第２半径方向隙間Ｇ２に連通する。
なお、図３に示す例では、ステータコイル２４がステータコア２３から軸方向に突出して形成されるコイルエンドは、第１出口キャビティ１１４に面している。
このように、磁気ギアード電気機械１０の内部には、各半径方向隙間Ｇ１，Ｇ２を通過後の冷却気体が各出口開口（１１２，２１２）から排出されるまでの経路を別々に設けることで、磁気ギアード電気機械１０のポールピース３２の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計の自由度がより一層向上する。
図３に示す実施形態では、第１出口キャビティ１１４と第２出口キャビティ２１４との間に仕切部材７０Ｂが設けられる。
仕切部材７０Ｂによって出口キャビティ（１１４，２１４）を分割することで、磁気ギアード電気機械１０の内部における互いに独立した２種類の流れ（即ち、第１半径方向隙間Ｇ１を通過する第１流れ、および、第２半径方向隙間Ｇ２を通過する第２流れ）を容易に実現できる。
仕切部材７０Ｂは、仕切部材７０Ａと同様に、図５Ａ～図５Ｃを参照して上述したバッフル板７２、ラビリンスシール７４，７６により構成されてもよい。
図３に示すように、第１出口キャビティ１１４は、バッフル板７２、ラビリンスシール７４，７６であってもよい仕切部材７０Ｂとともに、ハウジング２１の径方向壁２１Ｂ、並びに、径方向壁２１Ｂに対向するステータ２０の軸方向端面及び第１ロータ３０の第１エンドプレート３４Ｂによって画定されてもよい。
同様に、第２出口キャビティ２１４についても、仕切部材７０Ｂとともに、ハウジング２１の径方向壁２１Ｂ、並びに、径方向壁２１Ｂに対向する第１ロータ３０の第１エンドプレート３４Ｂによって画定されてもよい。
図３に示すように、第２出口キャビティ２１４は、他方の第１エンドプレート３４Ｂの出口開口７４を介して、第１ロータ３０の内部に形成される下流側中間キャビティ５８に連通する。
下流側中間キャビティ５８は、第１ロータ３０の他方の第１エンドプレート３４Ｂと、これに対向する第２ロータ４０の他方の第２エンドプレート４４Ｂとの間に形成される環状空間である。第２半径方向隙間Ｇ２の下流端は下流側中間キャビティ５８に流体的に接続され、第２半径方向隙間Ｇ２を通過後の第２冷却気体が下流側中間キャビティ５８を経由して第２出口キャビティ２１４内に流入する。
幾つかの実施形態では、図３に示すように、磁気ギアード電気機械１０は、第１出口開口１１２から排出された第１冷却気体を第１入口開口１０２に戻すための第１循環路１２０と、第１循環路１２０上に設けられた第１ファン１２２と、を含む。また、磁気ギアード電気機械１０は、第２出口開口２１２から排出された第２冷却気体を第２入口開口２０２に戻すための第２循環路２２０と、第２循環路２２０上に設けられた第２ファン２２２と、を含む。
第１ファン１２２及び第２ファン２２２は、それぞれ、容量制御可能である。このため、第１ファン１２２及び第２ファン２２２の容量制御によって、第１半径方向隙間Ｇ１を通過する第１冷却気体の流量と、第２半径方向隙間Ｇ２を通過する第２冷却気体の流量とを互いに独立して調節可能である。これにより、磁気ギアード電気機械１０のポールピース３２の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じて適切に冷却を行うことができる。
なお、図３に示すように、第１循環路１２０及び第２循環路２２０には、それぞれ、高温化した第１冷却気体および第２冷却気体を熱交換によって冷却するための熱交換器１２４，２２４が設けられてもよい。
幾つかの実施形態では、図４に示すように、ハウジング２１は、共通出口開口３１２を有する。共通出口開口３１２は、少なくともハウジング２１によって画定される共通出口キャビティ３１４に連通する。共通出口キャビティ３１４は、ステータ２０と第１ロータ３０との間の第１半径方向隙間Ｇ１、および、第１ロータ３０と第２ロータ４０との間の第２半径方向隙間Ｇ２の両方に連通する。
各半径方向隙間Ｇ１，Ｇ２を通過後の冷却気体の流れを共通出口キャビティ３１４において合流させて共通出口開口３１２から排出することで、磁気ギアード電気機械１０の内部の流路構成を簡素化できる。
なお、図４に示す例では、ステータコイル２４がステータコア２３から軸方向に突出して形成されるコイルエンドは、共通出口キャビティ３１４に面している。
図４に示す実施形態では、磁気ギアード電気機械１０は、共通出口開口３１２から排出された冷却気体を第１入口開口１０２及び第２入口開口２０２に戻すための循環路３２０と、循環路３２０上に設けられた共通ファン３２２と、を含む。
循環路３２０は、共通ファン３２２の下流側において、第１分岐流路３３０と第２分岐流路３３２とに分かれ、それぞれ、第１入口開口１０２及び第２入口開口２０２に接続される。また、第１分岐流路３３０上には第１ダンパ３４０が設けられ、第２分岐流路３３２上には第２ダンパ３４２が設けられる。
第１ダンパ３４０及び第２ダンパ３４２の開度制御によって、第１半径方向隙間Ｇ１を通過する第１冷却気体の流量と、第２半径方向隙間Ｇ２を通過する第２冷却気体の流量とを互いに独立して調節可能である。これにより、磁気ギアード電気機械１０のポールピース３２の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じて適切に冷却を行うことができる。
なお、図４に示すように、循環路３２０には、高温化した冷却気体を熱交換によって冷却するための共通熱交換器３２４が設けられてもよい。
図３及び図４に示す実施形態では、第１半径方向隙間Ｇ１を流れる第１冷却気体と、第２半径方向隙間Ｇ２を流れる第２冷却気体とは流れ方向が一致しているが、第１冷却気体と第２冷却気体とが互いに反対に流れるような構成も採用可能である。
図６は、一実施形態に係る磁気ギアード電気機械１０を示す図である。
同図に示すように、ハウジング２１は、軸方向における一端側において、第１入口開口１０２及び第２出口開口２１２を有し、軸方向における他端側において、第１出口開口１１２及び第２入口開口２０２を有する。また、ハウジング２１の軸方向における一端側には、第１入口キャビティ１０４および第１入口キャビティ１０４に対して径方向に隣り合う第２出口キャビティ２１４が形成され、第１入口開口１０２が第１入口キャビティ１０４に連通し、第２出口開口２１２が第２出口キャビティ２１４に連通する。これに対し、ハウジング２１の軸方向における他端側には、第１出口キャビティ１１４および第１出口キャビティ１１４に対して径方向に隣り合う第２入口キャビティ２０４が形成され、第１出口開口１１２が第１出口キャビティ１１４に連通し、第２入口開口２０２が第２入口キャビティ２０４に連通する。そして、第１入口キャビティ１０４から第１出口キャビティ１１４に向かって第１半径方向隙間Ｇ１を通過する第１冷却気体の流れ方向は、第２入口キャビティ２０４から第２出口キャビティ２１４に向かって第２半径方向隙間Ｇ２を通過する第２冷却気体の流れ方向と逆である。第１冷却気体と第２冷却気体とを対向流で流すことで、軸方向位置によらずポールピース３２の温度上昇を適切に抑制できる。
なお、図６に示す例示的な実施形態では、第１入口キャビティ１０４と第２出口キャビティ２１４との間に仕切部材７０Ｃが設けられ、第１出口キャビティ１１４と第２入口キャビティ２０４との間に仕切部材７０Ｄが設けられる。仕切部材７０Ｃ，７０Ｄは、仕切部材７０Ａと同様に、図５Ａ～図５Ｃを参照して上述したバッフル板７２、ラビリンスシール７４，７６により構成されてもよい。
（磁気ギアードユニットのタンデム配置）
図３、図４及び図６に示した実施形態では、磁気ギアード電気機械１０は、一組のステータ２０、第１ロータ３０及び第２ロータ４０を備えるものであったが、磁気ギアード電気機械１０は、ステータ２０、第１ロータ３０及び第２ロータ４０により構成される磁気ギアードユニットを複数備えていてもよい。
図７は、一実施形態に係る磁気ギアード電気機械１０を示す図である。
同図に示すように、磁気ギアード電気機械１０は、ステータ２０、第１ロータ３０、及び、第２ロータ４０により各々が構成される複数の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）を備える。複数の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）は、軸方向に並んで配置される。各々の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の第１半径方向隙間Ｇ１が互いに並列に流体的に接続され、各々の磁気ギアードユニット４００の第１半径方向隙間Ｇ１を互いに反対方向に第１冷却気体が通過するように構成される。
なお、図７に示す例では、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に第１入口開口１０２及び第１入口キャビティ１０４が配置される。この場合、第１入口キャビティ１０４に流入した第１冷却気体は、軸方向両側へと分流し、各々の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の第１半径方向隙間Ｇ１を互いに反対方向に通過する。軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に形成される第１冷却気体の流路は、図７の例のような第１冷却気体の流路入口部（第１入口開口１０２及び第１入口キャビティ１０４）であってもよいし、第１冷却気体の流路出口部（第１出口開口１１２及び第１出口キャビティ１１４）であってもよい。即ち、他の実施形態では、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に第１出口開口１１２及び第１出口キャビティ１１４が配置される。この場合、各々の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の第１半径方向隙間Ｇ１を互いに反対方向に通過した第１冷却気体が、磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に位置する第１出口キャビティ１１４に流入し、磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に位置する第１出口開口１１２から排出される。
なお、図７に示す例では、２つの磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂに対応する第１入口開口１０２が軸方向における２箇所に設けられているが、２つの磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂのための第１入口開口１０２を軸方向における１箇所に設けてもよい。同様に、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に第１出口開口１１２及び第１出口キャビティ１１４を配置する他の実施形態においても、２つの磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂのための第１出口開口１１２を軸方向における１箇所又は複数箇所に設けてもよい。
磁気ギアード電気機械１０のうちポールピース３２を挟んでステータ２０側には、ポールピース３２自体の発熱に加えて、ステータコイル２４における発熱の影響もあり、磁気ギアード電気機械１０の仕様によっては相対的に高い冷却性能が求められる。複数の磁気ギアードユニット４００を軸方向に配置する場合、複数の磁気ギアードユニット４００の第１半径方向隙間Ｇ１を順に第１冷却気体が通過するような流路構成を採用すると、最下流の磁気ギアードユニット４００の第１半径方向隙間Ｇ１における第１冷却気体の温度が上昇してしまい、十分な冷却性能を発揮できない可能性がある。
この点、上述のとおり、各々の磁気ギアードユニット４００の第１半径方向隙間Ｇ１が互いに並列に流体的に接続された流路構成を採用することで、複数の磁気ギアードユニット４００の第１半径方向隙間Ｇ１を順に第１冷却気体が通過するような流路構成に比べて、第１冷却気体の供給温度を低減できる。これにより、磁気ギアード電気機械１０のうちポールピース３２を挟んでステータ２０側における冷却性能を改善できる。
これに対し、磁気ギアード電気機械１０のうちポールピース３２を挟んで第２ロータ４０側では、それほど高い冷却性能が必要でない場合もある。
このため、図７に示す実施形態では、磁気ギアード電気機械１０の軸方向における一方の端部に第２入口開口２０２及び第２入口キャビティ２０４を配置し、第２入口キャビティ２０４に取り込まれた第２冷却気体を複数の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の第２半径方向隙間Ｇ２を順に通過するように構成される。
これにより、磁気ギアード電気機械１０の軸方向における一方の端部に第２入口開口２０２及び第２入口キャビティ２０４を配置することが可能となり、第２冷却気体を外部から導入するための配管の接続構造が簡素化される。
なお、複数の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の第２半径方向隙間Ｇ２を第２冷却気体が順に通過する場合、下流側の磁気ギアードユニット４００Ｂの第２半径方向隙間Ｇ２の出口側において第２冷却気体の温度が上昇し、ポールピース３２の冷却が不十分となる場合が起こり得る。この点、各々の第１半径方向隙間Ｇ１を通過した第１冷却気体が、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に位置する第１出口キャビティ１１４に流れ込むような第１冷却気体の流路構成を採用すれば、磁気ギアードユニット４００Ｂについては第１冷却気体と第２冷却気体とが対向流となる。よって、第２冷却気体の温度上昇が問題になり得る磁気ギアードユニット４００Ｂにおいて、ポールピース３２の温度上昇を適切に抑制できる。
また、幾つかの実施形態では、磁気ギアード電気機械１０は、第１冷却気体の流路と第２冷却気体の流路（中央キャビティ４１０）とを隔てるように、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの第１ロータ３０の第１エンドプレート３４間を接続する仕切壁４２０を備える。
図７に示す例示的な実施形態では、仕切壁４２０によって中央キャビティ４１０から隔てられる第１冷却気体の流路は、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に配置される第１入口キャビティ１０４である。他の実施形態では、仕切壁４２０によって中央キャビティ４１０から隔てられる第１冷却気体の流路は、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの間に配置される第１出口キャビティ１１４である。
軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット４００Ａ，４００Ｂの第１ロータ３０は回転速度が同一であるため、第１ロータ３０間を接続する仕切壁４２０という簡素な構造によって、第１冷却気体の流路（第１入口キャビティ１０４又は第１出口キャビティ１１４）と第２冷却気体の流路（中央キャビティ４１０）とを容易に分離できる。
（仕切部材に関する追加的工夫）
図８Ａ及び図８Ｂは、仕切部材７０の配置例を示す図である。
第２入口キャビティ２０４又は第２出口キャビティ２１４のうち何れか一方である第２キャビティ（２０４，２１４）が、第１入口キャビティ１０４又は第１出口キャビティ１１４のうち何れか一方である第１キャビティ（１０４，１１４）に対して径方向内側に位置する場合について考える。この場合において、図８Ａに示すように、第１キャビティ（１０４，１１４）と第２キャビティ（２０４，２１４）とを仕切る仕切部材７０を、径方向に関して第１半径方向隙間Ｇ１の近傍に配置すると、遠心力の影響により、第２キャビティ（２０４，２１４）の入口開口５４及び出口開口７４よりも径方向外側の領域に第２冷却気体が渦を形成して滞留する。
これに対し、図８Ｂに示す例では、第１キャビティ（１０４，１１４）と第２キャビティ（２０４，２１４）とを仕切る仕切部材７０は、第１半径方向隙間Ｇ１よりも入口開口５４，出口開口７４寄りに配置される。すなわち、仕切部材７０は、第１半径方向隙間Ｇ１と入口開口５４又は出口開口７４との間の径方向における距離Ｌの中点を基準として、かかる中点よりも径方向外側の内側の領域に配置される。これにより、第２キャビティ（２０４，２１４）における第２冷却気体の滞留を抑制できる。なお、第１キャビティ（１０４，１１４）において、第１半径方向隙間Ｇ１よりも径方向内側の部分に渦が形成されるものの、第１入口キャビティ１０４から第１半径方向隙間Ｇ１及び第１出口キャビティ１１４を経由して第１出口開口１１２から排出される第１冷却気体の主流に随伴して下流側へと流れるから、滞留しづらい。
図９は、他の実施形態に係る仕切部材７０の配置例を示す図である。
同図に示すように、幾つかの実施形態では、第１キャビティ（１０４，１１４）と第２キャビティ（２０４，２１４）とを仕切る仕切部材７０と第１エンドプレート３４の開口（５４，７４）との間の距離ｄが、開口（５４，７４）の径方向寸法Ｄよりも小さい。
仕切る仕切部材７０とエンドプレート（３４Ａ，３４Ｂ）の開口（５４，７４）との径方向距離ｄを比較的小さな値に設定したので、第２キャビティ（２０４，２１４）における第２冷却気体の滞留を抑制できる。
（まとめ）
以下、幾つかの実施形態に係る磁気ギアード電気機械１０及びこれを用いた発電システム１について概要を記載する。
（１）本発明の幾つかの実施形態に係る磁気ギアード電気機械（１０）は、
ステータコイル（２４）を含むステータ（２０）と、
複数のポールピース（３２）を含む第１ロータ（３０）と、
複数のロータ磁石（４２）を含み、径方向において前記第１ロータ（３０）を挟んで前記ステータ（２０）とは反対側に配置される第２ロータ（４０）と、
第１入口開口（１０２）及び第２入口開口（２０２）を有し、前記ステータ（２０）を支持するハウジング（２１）と、
前記ハウジング（２１）に設けられた前記第１入口開口（１０２）、および、前記ステータ（２０）と前記第１ロータ（３０）との間の第１半径方向隙間（Ｇ１）に連通するように、少なくとも前記ハウジング（２１）によって画定される第１入口キャビティ（１０４）と、
前記ハウジング（２１）に設けられた前記第２入口開口（２０２）、および、前記第１ロータ（３０）と前記第２ロータ（４０）との間の第２半径方向隙間（Ｇ２）に連通するように、少なくとも前記ハウジング（２１）によって画定される第２入口キャビティ（２０４）と、
を備える。
上記（１）の構成では、ステータ（２０）を支持するハウジング（２１）に設けられた２種類の入口開口（第１入口開口（１０２）及び第２入口開口（２０２））にそれぞれ連通する２種類の入口キャビティ（第１入口キャビティ（１０４）及び第２入口キャビティ（２０４））がハウジング（２１）の内側に形成される。
これにより、磁気ギアード電気機械（１０）の内部において、第１半径方向隙間（Ｇ１）を通過する冷却気体の第１流れ、および、第２半径方向隙間（Ｇ２）を通過する冷却気体の第２流れという互いに独立した２種類の冷却気体流れを形成できる。ここで、「互いに独立」とは、入口から各半径方向隙間に至るまで実質的に別の経路で冷却気体が流れることを意味する。具体的には、第１流れとは、第１入口開口（１０２）から第１入口キャビティ（１０４）を経由して第１半径方向隙間（Ｇ１）を通過する冷却気体の流れである。これに対し、第２流れとは、第２入口開口（２０２）から第２入口キャビティ（２０４）を経由して第２半径方向隙間（Ｇ２）を通過する冷却気体の流れである。これら２種類の冷却気体流れは、入口開口から各半径方向隙間に至るまで実質的に別の経路であるから、「互いに独立」したものである。
このように、磁気ギアード電気機械（１０）の内部に互いに独立した２種類の冷却気体流れを形成することで、磁気ギアード電気機械（１０）のポールピース（３２）の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計を容易に行うことができる。これに対し、例えば、共通の入口開口から取り込まれた冷却気体が途中で分流されて第１半径方向隙間（Ｇ１）及び第２半径方向隙間（Ｇ２）をそれぞれ通過する場合、第１半径方向隙間（Ｇ１）と第２半径方向隙間（Ｇ２）との冷却気体の流量分配比が両隙間の流路断面積の大小関係に依存するため、磁気ギアード電気機械（１０）のポールピース（３２）を挟んで径方向の両側に位置する各領域の発熱量又は放熱量に応じて自由度の高い冷却設計を行うことは難しい。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、前記第１入口キャビティ（１０４）と前記第２入口キャビティ（２０４）との間に設けられる仕切部材（７０）を備える。
上記（２）の構成によれば、仕切部材（７０）によって入口キャビティを分割することで、磁気ギアード電気機械（１０）の内部における互いに独立した２種類の流れ（即ち、第１半径方向隙間（Ｇ１）を通過する冷却気体の第１流れ、および、第２半径方向隙間（Ｇ２）を通過する冷却気体の第２流れ）を容易に実現できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記仕切部材（７０）は、前記ハウジング（２１）側に設けられる静止フィン、および、前記第１ロータ（３０）側に設けられる回転フィンによって形成されるラビリンスシール（７４，７６）を含む。
上記（３）の構成によれば、ラビリンスシール（７４，７６）によって入口キャビティ間における冷却気体の流通を効果的に阻止し、磁気ギアード電気機械（１０）の内部における２種類の流れの独立性を高めることができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記仕切部材（７０）は、前記ハウジング（２１）から前記第１ロータ（３０）に向かって、または、前記第１ロータ（３０）から前記ハウジング（２１）に向かって突出するバッフル板（７２）を含む。
上記（４）の構成によれば、バッフル板（７２）という簡素な構成で、入口キャビティ間における冷却気体の流通を阻止し、磁気ギアード電気機械（１０）の内部における２種類の流れの独立性を高めることができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）～（４）の何れかの構成において、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、
軸方向に並ぶように配置され、前記ステータ（２０）、前記第１ロータ（３０）、及び、第２ロータ（４０）により各々が構成される複数の磁気ギアードユニット（４００）を備え、
各々の前記磁気ギアードユニット（４００）の前記第１半径方向隙間（Ｇ１）を互いに反対方向に第１冷却気体が通過するように、各々の前記磁気ギアードユニット（４００）の前記第１半径方向隙間（Ｇ１）が互いに並列に流体的に接続される。
磁気ギアード電気機械（１０）のうちポールピース（３２）を挟んでステータ（２０）側には、ポールピース（３２）自体の発熱に加えて、ステータコイル（２４）における発熱の影響もあり、磁気ギアード電気機械（１０）の仕様によっては相対的に高い冷却性能が求められる。複数の磁気ギアードユニットを軸方向に配置する場合、複数の磁気ギアードユニットの第１半径方向隙間（Ｇ１）を順に第１冷却気体が通過するような流路構成（即ち、複数の第１半径方向隙間Ｇ１が直列に接続された流路構成）を採用すると、最下流の磁気ギアードユニットの第１半径方向隙間（Ｇ１）における第１冷却気体の温度が上昇してしまい、十分な冷却性能を発揮できない可能性がある。
この点、上記（５）の構成によれば、複数の磁気ギアードユニットの第１半径方向隙間（Ｇ１）が互いに並列に接続される流路構成を採用したので、第１半径方向隙間（Ｇ１）を順に第１冷却気体が通過するような流路構成に比べて、第１冷却気体の供給温度を低減できる。これにより、磁気ギアード電気機械（１０）のうちポールピース（３２）を挟んでステータ（２０）側における冷却性能を改善できる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記磁気ギアード電気機械（１０）の前記軸方向における一方の端部に前記第２入口開口（２０２）及び前記第２入口キャビティ（２０４）が配置され、前記第２入口キャビティ（２０４）に取り込まれた第２冷却気体が前記複数の磁気ギアードユニット（４００）の前記第２半径方向隙間（Ｇ２）を順に通過するように構成される。
上記（６）の構成によれば、磁気ギアード電気機械（１０）の軸方向における一方の端部に第２入口開口（２０２）及び第２入口キャビティ（２０４）を配置することが可能となり、第２冷却気体を外部から導入するための配管の接続構造が簡素化される。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、前記第１冷却気体の流路と前記第２冷却気体の流路とを隔てるように、前記軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット（４００）の前記第１ロータ（３０）間を接続する仕切壁（４２０）を備える。
上記（７）の構成によれば、軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット（４００）の第１ロータ（３０）は回転速度が同一であるため、第１ロータ（３０）間を接続する仕切壁という簡素な構造によって、第１冷却気体の流路と第２冷却気体の流路とを容易に分離できる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）～（７）の何れかの構成において、
前記ハウジング（２１）は、第１出口開口（１１２）および第２出口開口（２１２）を有し、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、
前記ハウジング（２１）に設けられた前記第１出口開口（１１２）、および、前記第１半径方向隙間（Ｇ１）に連通するように、少なくとも前記ハウジング（２１）によって画定される第１出口キャビティ（１１４）と、
前記ハウジング（２１）に設けられた前記第２出口開口（２１２）、および、前記第２半径方向隙間（Ｇ２）に連通するように、少なくとも前記ハウジング（２１）によって画定される第２出口キャビティ（２１４）と、
を備える。
上記（８）の構成によれば、磁気ギアード電気機械（１０）の内部において、各半径方向隙間を通過後の冷却気体が各出口開口から排出されるまでの経路を別々に設けることで、磁気ギアード電気機械（１０）のポールピース（３２）の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計の自由度がより一層向上する。
例えば、各半径方向隙間を通過後の冷却気体が各出口開口から排出されるまでの各経路について、絞りの有無や絞りの開口面積といった設計パラメータを調節することで、第１半径方向隙間（Ｇ１）を通過する第１冷却気体の流量と、第２半径方向隙間（Ｇ２）を通過する第２冷却気体の流量を互いに独立して調整してもよい。
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、
軸方向に並ぶように配置され、前記ステータ（２０）、前記第１ロータ（３０）、及び、第２ロータ（４０）により各々が構成される複数の磁気ギアードユニット（４００）を備え、
前記軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット（４００）の間に前記第１出口開口（１１２）及び前記第１出口キャビティ（１１４）が配置され、各々の前記磁気ギアードユニット（４００）の前記第１半径方向隙間（Ｇ１）を互いに反対方向に通過した第１冷却気体が前記第１出口キャビティ（１１４）に流入するように構成される。
複数の磁気ギアードユニット４００（４００Ａ，４００Ｂ）の第２半径方向隙間（Ｇ２）を第２冷却気体が順に通過する場合、下流側の磁気ギアードユニット（４００Ｂ）の第２半径方向隙間（Ｇ２）の出口側において第２冷却気体の温度が上昇し、冷却が不十分となる場合が起こり得る。
この点、上記（９）のように、各々の第１半径方向隙間（Ｇ１）を通過後の第１冷却気体が軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニット（４００Ａ，４００Ｂ）の間に位置する第１出口キャビティ（１１４）に流れ込む流路構成を採用すれば、第２冷却気体の流れにおける下流側の磁気ギアードユニット（４００Ｂ）については第１冷却気体と第２冷却気体とが対向流となる。よって、第２冷却気体の温度上昇が問題になり得る下流側の磁気ギアードユニット（４００Ｂ）において、ポールピース（３２）の温度上昇を適切に抑制できる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）又は（９）の構成において、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、
前記第１出口開口（１１２）から排出された第１冷却気体を前記第１入口開口（１０２）に戻すための第１循環路と、
前記第２出口開口（２１２）から排出された第２冷却気体を前記第２入口開口（２０２）に戻すための第２循環路と、
前記第１循環路上に設けられ、容量制御可能な第１ファンと、
前記第２循環路上に設けられ、容量制御可能な第２ファンと、
を備える。
上記（１０）の構成によれば、第１ファン及び第２ファンをそれぞれ独立して容量制御することで、第１半径方向隙間（Ｇ１）を通過する第１冷却気体の流量と、第２半径方向隙間（Ｇ２）を通過する第２冷却気体の流量とを互いに独立して調節することが可能となる。これにより、磁気ギアード電気機械（１０）のポールピース（３２）の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じて適切に冷却を行うことができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（８）～（１０）の何れかの構成において、
前記ハウジング（２１）は、前記ステータ（２０）、前記第１ロータ（３０）及び前記第２ロータ（４０）に対して軸方向における一端側に前記第１入口開口（１０２）及び前記第２出口開口（２１２）を有し、前記軸方向における他端側に前記第１出口開口（１１２）及び前記第２入口開口（２０２）を有する。
上記（１１）の構成によれば、第１半径方向隙間（Ｇ１）における第１冷却気体の流れ方向と、第２半径方向隙間（Ｇ２）における第２冷却気体の流れ方向とが逆となり（対向流）、軸方向位置によらずポールピース（３２）の温度上昇を適切に抑制できる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（８）～（１１）の何れかの構成において、
前記ステータ（２０）は、前記第１ロータ（３０）を挟んで前記第２ロータ（４０）に対して前記径方向の外側に位置し、
前記第１ロータ（３０）は、前記複数のポールピース（３２）の軸方向両端に位置し、前記第２半径方向隙間（Ｇ２）に連通する開口を有する一対のエンドプレートを含み、
前記第１入口キャビティ（１０４）又は前記第１出口キャビティ（１１４）の何れか一方である第１キャビティと、前記第２入口キャビティ（２０４）又は前記第２出口キャビティ（２１４）のうち前記第１キャビティに対して前記径方向の内側に位置する第２キャビティとの間に設けられる仕切部材（７０）を備え、
前記仕切部材（７０）は、前記第１半径方向隙間（Ｇ１）と前記開口との間の前記径方向における中心位置よりも前記径方向の内側に位置する。
上記（１２）の構成によれば、第１半径方向隙間（Ｇ１）とエンドプレートの開口との間の中心位置よりも径方向内側に第１キャビティと第２キャビティとを仕切るための仕切部材（７０）を設けたので、第２キャビティにおける第２冷却気体の滞留を抑制できる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（８）～（１２）の何れかの構成において、
前記ステータ（２０）は、前記第１ロータ（３０）を挟んで前記第２ロータ（４０）に対して前記径方向の外側に位置し、
前記第１ロータ（３０）は、前記複数のポールピース（３２）の軸方向両端に位置し、前記第２半径方向隙間（Ｇ２）に連通する開口を有する一対のエンドプレートを含み、
前記第１入口キャビティ（１０４）又は前記第１出口キャビティ（１１４）の何れか一方である第１キャビティと、前記第２入口キャビティ（２０４）又は前記第２出口キャビティ（２１４）のうち前記第１キャビティに対して前記径方向の内側に位置する第２キャビティとの間に設けられる仕切部材（７０）を備え、
前記仕切部材（７０）と前記開口との前記径方向における距離は、前記開口の径方向寸法よりも小さい。
上記（１３）の構成によれば、第１キャビティと第２キャビティとを仕切るための仕切部材（７０）とエンドプレートの開口との径方向距離を比較的小さな値に設定したので、第２キャビティにおける第２冷却気体の滞留を抑制できる。
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１）～（４）の何れかの構成において、
前記ハウジング（２１）は、共通出口開口（３１２）を有し、
前記磁気ギアード電気機械（１０）は、前記ハウジング（２１）に設けられた前記共通出口開口（３１２）、並びに、前記第１半径方向隙間（Ｇ１）及び前記第２半径方向隙間（Ｇ２）の両方に連通するように、少なくとも前記ハウジング（２１）によって画定される共通出口キャビティ（３１４）を備える。
上記（１４）の構成によれば、各半径方向隙間を通過後の冷却気体の流れを共通出口キャビティにおいて合流させて共通出口開口（３１２）から排出することで、磁気ギアード電気機械（１０）の内部の流路構成を簡素化できる。また、共通出口開口（３１２）に接続される冷却気体の出口配管の本数を減らしたり、コンパクトな出口配管のレイアウトが可能となる点においても有利である。
（１５）本発明の幾つかの実施形態に係る発電システム（１）は、
原動機（２）と、
前記原動機（２）によって駆動される磁気ギアード発電機（１０）と、
を備え、
前記磁気ギアード発電機は、上記（１）～（１４）の何れかの磁気ギアード電気機械（１０）により構成される。
上記（１５）に係る構成によれば、上記（１）で述べたとおり、ステータ（２０）を支持するハウジング（２１）に設けられた２種類の入口開口（第１入口開口（１０２）及び第２入口開口（２０２））にそれぞれ連通する２種類の入口キャビティ（第１入口キャビティ（１０４）及び第２入口キャビティ（２０４））がハウジング（２１）の内側に形成されるので、磁気ギアード電気機械（１０）のポールピース（３２）の両側の各領域の発熱量又は放熱量に応じた冷却設計を容易に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、磁気ギアード電気機械１０は、ステータ２０を冷却するための冷却ジャケットを備えていてもよい。冷却ジャケットは、径方向においてステータコア２３とハウジング２１との間に設けられてもよいし、ステータコア２３の内部に設けられてもよい。冷却ジャケットには、冷却ジャケットに接続される不図示の冷媒供給管を介して冷媒（例えば、冷却水や冷却空気）が供給される。ステータ２０から熱を奪って高温になった冷媒は、冷却ジャケットに接続される不図示の冷媒排出管から排出される。
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
１ 発電システム
２ 原動機
３，９ 回転シャフト
４ 電力供給先
６ 電力供給源
８ 回転機械
１０ 磁気ギアード電気機械
１０Ａ 磁気ギアード発電機
１０Ｂ 磁気ギアードモータ
２０ ステータ
２１ ハウジング
２１Ａ，２１Ｂ 径方向壁
２２ ステータ磁石
２３ ステータコア
２４ ステータコイル
２５ スロット
３０ 第１ロータ
３２ ポールピース
３３ 非磁性部材
３４，３４Ａ，３４Ｂ 第１エンドプレート
４０ 第２ロータ
４２ ロータ磁石
４３ ロータコア
４４，４４Ａ，４４Ｂ 第２エンドプレート
４５ 閉塞部材
５４，７４，２１２ 開口
５６ 上流側中間キャビティ
５８ 下流側中間キャビティ
７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄ 仕切部材
７２ バッフル板
７４ ラビリンスシール
７４，７６ ラビリンスシール
７５Ａ，７７Ａ 静止フィン
７５Ｂ，７７Ｂ 回転フィン
７８，７９ サポート
１０２ 第１入口開口
１０４ 第１入口キャビティ
１１２ 第１出口開口
１１４ 第１出口キャビティ
１２０ 第１循環路
１２２ 第１ファン
１２４，２２４ 熱交換器
２０２ 第２入口開口
２０４ 第２入口キャビティ
２１２ 第２出口開口
２１４ 第２出口キャビティ
２２０ 第２循環路
２２２ 第２ファン
３１２ 共通出口開口
３１４ 共通出口キャビティ
３２０ 循環路
３２２ 共通ファン
３２４ 共通熱交換器
３３０ 第１分岐流路
３３２ 第２分岐流路
３４０ 第１ダンパ
３４２ 第２ダンパ
４００，４００Ａ，４００Ｂ 磁気ギアードユニット
４１０ 中央キャビティ
４２０ 仕切壁
Ｂ１，Ｂ２ 軸受
Ｇ１ 第１半径方向隙間
Ｇ２ 第２半径方向隙間

Claims (15)

  1. ステータコイルを含むステータと、
    複数のポールピースを含む第１ロータと、
    複数のロータ磁石を含み、径方向において前記第１ロータを挟んで前記ステータとは反対側に配置される第２ロータと、
    第１入口開口及び第２入口開口を有し、前記ステータを支持するハウジングと、
    前記ハウジングに設けられた前記第１入口開口、および、前記ステータと前記第１ロータとの間の第１半径方向隙間に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される第１入口キャビティと、
    前記ハウジングに設けられた前記第２入口開口、および、前記第１ロータと前記第２ロータとの間の第２半径方向隙間に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される第２入口キャビティと、
    を備える
    磁気ギアード電気機械。
  2. 前記第１入口キャビティと前記第２入口キャビティとの間に設けられる仕切部材を備える
    請求項１に記載の磁気ギアード電気機械。
  3. 前記仕切部材は、前記ハウジング側に設けられる静止フィン、および、前記第１ロータ側に設けられる回転フィンによって形成されるラビリンスシールを含む
    請求項２に記載の磁気ギアード電気機械。
  4. 前記仕切部材は、前記ハウジングから前記第１ロータに向かって、または、前記第１ロータから前記ハウジングに向かって突出するバッフル板を含む
    請求項２に記載の磁気ギアード電気機械。
  5. 軸方向に並ぶように配置され、前記ステータ、前記第１ロータ、及び、第２ロータにより各々が構成される複数の磁気ギアードユニットを備え、
    各々の前記磁気ギアードユニットの前記第１半径方向隙間を互いに反対方向に第１冷却気体が通過するように、各々の前記磁気ギアードユニットの前記第１半径方向隙間が互いに並列に流体的に接続された
    請求項１乃至４の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械。
  6. 前記磁気ギアード電気機械の前記軸方向における一方の端部に前記第２入口開口及び前記第２入口キャビティが配置され、前記第２入口キャビティに取り込まれた第２冷却気体が前記複数の磁気ギアードユニットの前記第２半径方向隙間を順に通過するように構成された
    請求項５に記載の磁気ギアード電気機械。
  7. 前記第１冷却気体の流路と前記第２冷却気体の流路とを隔てるように、前記軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニットの前記第１ロータ間を接続する仕切壁を備える
    請求項６に記載の磁気ギアード電気機械。
  8. 前記ハウジングは、第１出口開口および第２出口開口を有し、
    前記ハウジングに設けられた前記第１出口開口、および、前記第１半径方向隙間に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される第１出口キャビティと、
    前記ハウジングに設けられた前記第２出口開口、および、前記第２半径方向隙間に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される第２出口キャビティと、
    を備える請求項１乃至７の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械。
  9. 軸方向に並ぶように配置され、前記ステータ、前記第１ロータ、及び、第２ロータにより各々が構成される複数の磁気ギアードユニットを備え、
    前記軸方向に隣り合う一対の磁気ギアードユニットの間に前記第１出口開口及び前記第１出口キャビティが配置され、各々の前記磁気ギアードユニットの前記第１半径方向隙間を互いに反対方向に通過した第１冷却気体が前記第１出口キャビティに流入するように構成された
    請求項８に記載の磁気ギアード電気機械。
  10. 前記第１出口開口から排出された第１冷却気体を前記第１入口開口に戻すための第１循環路と、
    前記第２出口開口から排出された第２冷却気体を前記第２入口開口に戻すための第２循環路と、
    前記第１循環路上に設けられ、容量制御可能な第１ファンと、
    前記第２循環路上に設けられ、容量制御可能な第２ファンと、
    を備える請求項８又は９に記載の磁気ギアード電気機械。
  11. 前記ハウジングは、前記ステータ、前記第１ロータ及び前記第２ロータに対して軸方向における一端側に前記第１入口開口及び前記第２出口開口を有し、前記軸方向における他端側に前記第１出口開口及び前記第２入口開口を有する
    請求項８乃至１０の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械。
  12. 前記ステータは、前記第１ロータを挟んで前記第２ロータに対して前記径方向の外側に位置し、
    前記第１ロータは、前記複数のポールピースの軸方向両端に位置し、前記第２半径方向隙間に連通する開口を有する一対のエンドプレートを含み、
    前記第１入口キャビティ又は前記第１出口キャビティの何れか一方である第１キャビティと、前記第２入口キャビティ又は前記第２出口キャビティのうち前記第１キャビティに対して前記径方向の内側に位置する第２キャビティとの間に設けられる仕切部材を備え、
    前記仕切部材は、前記第１半径方向隙間と前記開口との間の前記径方向における中心位置よりも前記径方向の内側に位置する
    請求項８乃至１１の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械。
  13. 前記ステータは、前記第１ロータを挟んで前記第２ロータに対して前記径方向の外側に位置し、
    前記第１ロータは、前記複数のポールピースの軸方向両端に位置し、前記第２半径方向隙間に連通する開口を有する一対のエンドプレートを含み、
    前記第１入口キャビティ又は前記第１出口キャビティの何れか一方である第１キャビティと、前記第２入口キャビティ又は前記第２出口キャビティのうち前記第１キャビティに対して前記径方向の内側に位置する第２キャビティとの間に設けられる仕切部材を備え、
    前記仕切部材と前記開口との前記径方向における距離は、前記開口の径方向寸法よりも小さい
    請求項８乃至１２の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械。
  14. 前記ハウジングは、共通出口開口を有し、
    前記ハウジングに設けられた前記共通出口開口、並びに、前記第１半径方向隙間及び前記第２半径方向隙間の両方に連通するように、少なくとも前記ハウジングによって画定される共通出口キャビティ
    を備える請求項１乃至４の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械。
  15. 原動機と、
    前記原動機によって駆動される磁気ギアード発電機と、
    を備え、
    前記磁気ギアード発電機は、請求項１乃至１４の何れか一項に記載の磁気ギアード電気機械により構成される
    発電システム。
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