JP2020148226A - 回転装置及び航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】ファン等の動力で回転する回転装置において、回転中心付近に配置すべき部品を極力減らせるようにすることである。【解決手段】実施形態に係る回転装置は、内側にモータを収納するハブを配置せずに円周方向に回転する少なくとも１つのリングと、前記リングを回転させるための動力を発生させる少なくとも１つのモータと、前記動力を前記リングに伝達する動力伝達機構とを備えるものである。また、実施形態に係る航空機は、前記回転装置を備えたものである。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、回転装置及び航空機に関する。

従来、送風や推力を得るための動力を備えた回転装置としてファンが使用されている（例えば特許文献１参照）。典型的なファンは、中心にハブと呼ばれるケーシングが配置され、ハブの周囲にブレード（羽根）を連結した構造を有する。ハブの内部には、電動機や原動機が収納される。

しかしながら、ハブは常にブレードの回転によって誘起される流体の流れに曝される。しかも、ハブの配置によって流体の流路が狭められる。このため、流体抵抗や圧力損失の増加の要因となる。その結果、ハブは、流体の移動効率の要因となる。例えば、送風を目的とするファンであれば、ハブは風の生成効率の低下要因となる。また、推力を得るための航空機のダクテッドファンであれば、ハブは推力の生成効率の低下要因となる。

一方、ハブを配置しない構造を有する航空機用のロータ（回転翼）も提案されている。具体例として、２つの回転リングの外面にブレードを放射状に取付けて上下に配置し、互いに逆回転させることによって揚力を得る垂直／短距離離着陸（Ｖ／ＳＴＯＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｎｄ／ｏｒ ｓｈｏｒｔ ｔａｋｅ−ｏｆｆ ａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ）機用の浮揚機構が提案されている（例えば特許文献１参照）。この浮揚機構では、２つの回転リングの内部に固定されるスポークに配置した３つのモータで回転リングを回転させることができる。

特表２０１５−５０１７５１号公報

ファン等の動力を備えた回転装置では、回転中心付近にハブのみならず流体の流れの障害となり得る構造物を配置しないことが回転装置の目的をより効率的に達成することに繋がる。例えば、送風を目的とするファンであれば、回転中心付近にブレード以外に構造物が無いことが送風効率の改善に繋がる。また、航空機のダクテッドファンであれば、回転中心付近にブレード以外に構造物が無いことが推力の改善に繋がる。

そこで、本発明は、ファン等の動力で回転する回転装置において、回転中心付近に配置すべき部品を極力減らせるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る回転装置は、内側にモータを収納したハブを配置せずに円周方向に回転する少なくとも１つのリングと、前記リングを回転させるための動力を発生させる少なくとも１つのモータと、前記動力を前記リングに伝達する動力伝達機構とを備えるものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機は、前記回転装置を備えたものである。

本発明の第１の実施形態に係る回転装置の構成を示す正面図。 図１に示す回転装置の位置Ａ−Ａにおける部分拡大断面図。 図１に示す複数のブレードを連結した場合の例を示す図。 図２に示すモータの出力軸にトルクリミッタを介してギアを連結した例を示す図。 図１に示すガイド機構の構造例を示す位置Ｂ−Ｂにおける部分拡大断面図。 回転リングの下方側の端面にギアからトルクを伝達するようにした例を示す回転装置の正面図。 回転リングの上方側の端面にギアからトルクを伝達するようにした例を示す回転装置の正面図。 図７に示すガイド機構の構成例を示す部分的に拡大した回転装置の下面図。 図１に示す回転装置を備えた航空機の第１の例を示す図。 図１に示す回転装置を備えた航空機の第２の例を示す図。 図１に示す回転装置を備えた航空機の第３の例を示す図。 図１に示す回転装置を備えた航空機の第４の例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る回転装置の構成を示す部分断面図。 図１３に示す２つの回転リングの配置方法を示す斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る回転装置の構成を示す正面図。 図１５に示す回転装置の位置Ｃ−Ｃにおける部分拡大断面図。 図１５に示す回転リングのうち回転半径方向に異なる位置に配置された回転リングを同方向に回転させる場合におけるモータとギアの構成例を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る回転装置の構成を示す部分断面図。 本発明の第５の実施形態に係る回転装置の構成を示す正面図。

本発明の実施形態に係る回転装置及び航空機について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る回転装置の構成を示す正面図であり、図２は図１に示す回転装置の位置Ａ−Ａにおける部分拡大断面図である。

回転装置１は、流体の流れを形成するために動力で回転するファン又はロータ等の複数のブレード２を備えた装置である。回転装置１は、以下に例示されるような様々な用途に用いることができる。このため、回転装置１は、用途に応じた様々な名称で呼ぶことができる。

一般に、水中で推力を得るために船舶等に備えられる回転装置はスクリュー又はプロペラと呼ばれる。また、空気の流れを形成して推力や揚力を得るために航空機に備えられる回転装置は、ファン、ロータ又はプロペラと呼ばれる。特に、円筒状のダクトで覆われたファンはダクテッドファンと呼ばれる。

例えば、固定翼航空機の主翼等には、推力等を得るためにダクテッドファンが懸架される。或いは、固定翼航空機の主翼前縁や飛行船には推力等を得るためのプロペラが設けられる。また、固定翼航空機の胴体や主翼等に揚力を得るために設けられるファンはリフトファンと呼ばれる。典型的なリフトファンは、ダクテッドファンで構成される。

一方、ヘリコプタ等の回転翼航空機に設けられる回転装置は、ロータ又はプロペラと呼ばれる場合が多い。ヘリコプタには、通常、揚力を得るためのメインロータと、推力を調整するためのテールロータが備えられる。テールロータとして、ダクテッドファンが備えられる場合もある。

他方、扇風機や換気扇等の送風用の回転装置はファンと呼ばれる場合が多い。また、自動車にもターボファンや冷却ファン等の様々なファンが設けられる。自動車等の移動体に限らず、タービンやエンジン等にもファンが備えられる。また、タービン自体や圧縮機も回転装置の一種である。

以降では、主として回転装置１が推力又は揚力を得るための航空機用のファン、ロータ又はプロペラである場合を例に説明する。

回転装置１には、複数のブレード２が備えられるがモータを収納したハブが設けられない。また、強度を確保するためのスポークも必須ではない。すなわち、回転装置１は、放射状に配置される複数のブレード２にトルクを伝達するための回転シャフトが無く、回転中心軸付近が中空のハブレス構造を有する。

尚、ハブは、円形又は放射状の典型的な回転装置の回転軸付近に設けられる部位又は構成部品である。また、スポークは、典型的な円形の回転装置の外周部分に構造部材として配置される円環状のリムと、回転中心に配置されるハブとを連結するために回転装置の半径方向を長さ方向として放射状に配置される棒状の部材である。

回転装置１は、図１に示すように複数のブレード２、回転リング３、固定リング４、モータ５、動力伝達機構６及びガイド機構７で構成することができる。

仮想的な回転軸を中心に回転することによって空気等の流体の流れを形成するための複数のブレード２の各一端は、回転リング３の内面側に固定される。これにより、複数のブレード２は、回転リング３の内側に形成される空間に放射状に配置される。

回転リング３は、内側にモータを収納するハブ及び強度を確保するためのスポークを配置しなくても円周方向に回転することが可能なリングである。従って、回転リング３は、放射状に配置された複数のブレード２に外周方向からトルクを伝達するリムとして機能する。リムは、強度を確保するための円環状の構造部材である。

尚、各ブレード２の先端間に空隙を設けずに、オーバーラップ、接触又は連結させても良い。各ブレード２の先端を接触させずにオーバーラップさせる場合には、各ブレード２の先端を捩れば良い。また、各ブレード２の先端を接触又は連結する場合には、ブレード２がスポークのような構造となるが、ブレード２は流体の流れを形成するためにのみ使用され、回転リング３の強度を確保するためには使用されない。

図３は、図１に示す複数のブレード２を連結した場合の例を示す図である。

図３に例示されるように、各ブレード２の先端をシャフト２Ａで連結するようにしても良い。各ブレード２の先端を連結するシャフト２Ａは、各ブレード２へのトルクの伝達は行わなず、単なる連結部品である。

固定リング４は、複数のブレード２を内側に放射状に取付けた回転リング３を覆う環状のケーシングである。回転装置１の横断面形状を円形とする必要が無ければ、ケーシングの横断面形状を環状とせずに矩形等の所望の形状とすることができる。

モータ５は、回転リング３を回転させるための動力を発生させる動力源である。モータ５には、複数のブレード２を放射状に取付けた回転リング３の重量に応じたパワーが必要である。例えば、ブレード２が金属製又は繊維強化プラスチック製で大型である場合のように、複数のブレード２を放射状に取付けた回転リング３の重量が大きい場合には、十分な出力がモータ５に要求される、逆に、ブレード２がプラスチック製で小型である場合のように、複数のブレード２を放射状に取付けた回転リング３の重量が非常に小さい場合には、モータ５に要求される出力は小さい。

このため、回転リング３を回転させるために必要なパワーや回転装置１の使用環境に応じて、モータ５として電動モータに限らず、油圧モータ、空気圧モータ或いは水圧モータ等を用いるようにしても良い。

モータ５は、回転リング３で仕切られた回転中心を含む領域、すなわち複数のブレード２が放射状に配置された領域の外部に配置される。これは、回転リング３で仕切られた回転リング３の中心軸を含む空間は空気等の流体の流路となり、仮にモータ５を配置するとモータ５が流体の障害物になるためである。

そこで、図１及び図２に例示されるように、回転リング３と、回転リング３よりも直径が大きい固定リング４との間に形成される環状の空間にモータ５を配置することができる。例えば、金属ブロック等で構成される支持部材８でモータ５を固定リング４の内側に固定することができる。

図１に示す例では３つのモータ５が回転リング３の外側かつ固定リング４の内側に配置されている。但し、モータ５の数は１でも良い。すなわち、回転装置１には少なくとも１つのモータ５が備えられる。

複数のモータ５で１つの共通の回転リング３を回転させるための動力を発生させるようにすれば、１つのモータ５からの動力が回転リング３に伝達されなくなる不具合が生じても、他のモータ５からの動力を回転リング３に伝達することによって回転リング３の回転を続行することが可能となる。つまり、複数のモータ５で共通の回転リング３及び各ブレード２を回転させることによって、回転装置１に冗長性を付与することができる。

動力伝達機構６は、モータ５の動力を回転リング３に伝達する装置である。具体的には、動力伝達機構６は、モータ５の出力軸５Ａから出力されるトルクを回転リング３に伝達することによって回転運動をモータ５の出力軸５Ａから回転リング３に伝達する装置である。

動力伝達機構６は、モータ５の出力軸５Ａから出力されるトルクを回転リング３に伝達するギア（歯車）９で構成することが構造の簡易化及び十分なトルクを得る観点から実用的である。従って、回転リング３の外面にもギア９と噛み合う歯が設けられる。つまり、回転リング３自体をリング状のギア１０で構成する一方、動力伝達機構６をリング状のギア１０と噛み合う単一又は複数のギア９で構成することができる。これにより、モータ５の出力軸５Ａから出力されるトルクを、動力伝達機構６を構成するギア９から回転リング３を構成するギア１０に伝達することができる。

図１及び図２に例示されるようにモータ５の出力軸５Ａから出力される動力及びトルクを回転リング３の外面に伝達する場合には、回転リング３はリング状の外歯ギアとなる。このため、動力伝達機構６を構成するギア９は、円盤状又は円筒状の平歯車で構成することができる。

１つの共通の回転リング３を回転させるための動力を複数のモータ５で発生させることによって冗長性を確保するためには、複数のモータ５で発生させた各動力を動力伝達機構６で別々に共通の回転リング３に伝達することが適切である。このため、各モータ５の出力軸５Ａを、それぞれ別のギア９と連結することが適切である。

ギア９を用いて動力を伝達する場合、ジャミングを防止することが信頼性及び安全性の向上に繋がる。尚、ジャミングとは機械的にギア９が動かなくなる不具合である。例えば、回転リング３にトルクを伝達するためのギア９と、回転リング３を構成するリング状のギア１０との間にバックラッシを設けることによってジャミングの発生リスクを低減することができる。すなわち、回転リング３の外周に形成される外歯と、各ギア９の外周に形成される外歯との間に意図的にギャップを設けることにより、ジャミングの発生リスクを低減することができる。

更に、モータ５の出力軸５Ａと動力伝達機構６を構成するギア９との間に、機械ヒューズ１１を連結することができる。機械ヒューズ１１は、トルクが一定の値を超えると破断するシャフトである。

機械ヒューズ１１をモータ５の出力軸５Ａの一部として設けると、ジャミングによってギア９が回転しなくなった場合にトルクの上昇によって機械ヒューズ１１が破断する。このため、ジャミングが生じた場合には、対応するモータ５からギア９への動力の伝達を速やかに切り離すことができる。これにより、回転装置１の冗長性及び安全性を確保することができる。

図４は図２に示すモータ５の出力軸５Ａにトルクリミッタ２０を介してギア９を連結した例を示す図である。

機械ヒューズ１１をモータ５の出力軸５Ａに連結する代わりに、図４に例示されるようにトルクリミッタ２０をモータ５の出力軸５Ａとギア９との間に連結するようにしても良い。トルクリミッタ２０は、トルクが一定の値を超えるとトルクの伝達を遮断するクラッチである。トルクリミッタ２０は、一方向にのみトルクを伝達するワンウェイクラッチを空転させるために必要なトルクを調節したものであり、ワンウェイクラッチと同様に外輪に対して内輪が相対的に回転する構造を有する。

トルクリミッタ２０をモータ５の出力軸５Ａに連結すると、ジャミングによってギア９が回転しなくなった場合にトルクの上昇によってトルクの伝達が遮断される。このため、ジャミングが生じた場合には、対応するモータ５からギア９への動力の伝達を速やかに切り離すことができる。これにより、回転装置１の冗長性及び安全性を確保することができる。

回転リング３を回転させるために複数のギア９を設ける場合には、回転リング３の回転中心に点対称となるように各ギア９を配置しても良い。３つ以上のギア９を、回転リング３の回転中心に点対称となるように配置すれば、回転リング３の回転中心の位置ずれを防止し、回転リング３の回転中心の同心度及び回転軸の同軸度を向上させることができる。また、３つ以上のギア９を回転リング３の回転中心に点対称とならないように配置する場合であっても、回転リング３のどの位置の直径を挟む両側にも少なくとも１つのギア９が存在するように３つ以上のギア９を配置すれば、回転リング３の半径方向への位置ずれを防止することができる。

但し、回転リング３の回転軸が鉛直方向でない場合において重量が大きいモータ５を高い位置に配置すると、回転装置１の重心が高い位置に移動し、回転装置１の安定性が低下する。このため、回転装置１の重量バランスが良好となるようにモータ５及びギア９を配置するようにしても良い。例えば、回転リング３の中心軸が概ね水平方向である場合には、図１に例示されるように下方に複数のモータ５及び対応するギア９を局所的に配置するようにしても良い。これはモータ５の数が１つである場合においても同様である。

回転リング３の局所的な部分が単一又は複数のギア９と噛み合う場合、ギア９から離れた回転リング３の部分が支えられず、不安定となる恐れがある。そこで、必要に応じて、ガイド機構７で回転リング３を支持することができる。ガイド機構７は、回転リング３を回転可能に支える支持装置である。図１に示す例では、ガイド機構７が固定リング４に固定されている。

ガイド機構７は、例えば、回転リング３を回転可能に支持するローラ付のガイドで構成することができる。もちろん、ガイド機構７を接触式の装置とせずに、磁力等を利用した非接触式の装置としても良い。

図５は図１に示すガイド機構７の構造例を示す位置Ｂ−Ｂにおける部分拡大断面図である。

図５に例示されるようにガイド機構７は、例えば、回転リング３の内面と接触しながら転がる単一又は複数の固定ローラ７Ａをフレーム７Ｂに取付けた懸垂式の構造とすることができる。回転リング３の中心軸が概ね水平方向である場合には、このような懸垂式の構造を有する単一又は複数のガイド機構７を所望の位置に設けて回転リング３の鉛直上方を支持することができる。

他方、回転リング３の鉛直下方については、図２に例示されるような板状の一対のギア９或いは回転軸方向に長い円筒状のギア９で回転リング３の重量を支えることができる。つまり、回転装置１が推力を得るための航空機用のダクテッドファンである場合のように、回転リング３の中心軸が水平方向に対して例えば、±４５度以下の角度となる場合には、回転リング３の上方については歯の無い内面をガイド機構７の固定ローラ７Ａで支持する一方、回転リング３の下方については歯のある外面をギア９で支持することができる。

尚、回転リング３の中心軸が水平方向である場合において、回転リング３の回転中心に要求される同心度及び回転軸に要求される同軸度が低い場合には、ガイド機構７を設けずに、回転リング３の回転方向に異なる位置に配置された複数のギア９で回転リング３の重量を支持するのみとしても良い。

また、ブレード２を回転させる回転リング３の中心軸が鉛直方向又は鉛直方向に近い場合、例えば、回転リング３の中心軸が鉛直方向に対して±４５度以下の角度となる場合には、回転リング３の一方の端面が下方側となる。その場合には、ガイド機構７で回転リング３の下方側における端面を支持することが現実的である。また、回転リング３の中心軸が鉛直方向又は鉛直方向に近い場合には、ガイド機構７のみならず、ギア９についても回転リング３の一方の端面の下方側に配置するようにしても良い。

図６は回転リング３の下方側の端面にギア９からトルクを伝達するようにした例を示す回転装置１の正面図である。

回転リング３の中心軸が鉛直方向又は鉛直方向に近い場合には、図６に示すように円盤状又は円筒状の平歯車で構成される複数のギア９を用いて回転リング３の重量を支えつつ、回転リング３の下方の端面にトルクを伝達することができる。この場合、動力伝達機構６を構成するギア９と噛み合う回転リング３のギア１０は、回転リング３の下方側の端面にリング状に形成されることになる。

他方、各動力伝達機構６を構成するギア９は、回転軸が回転リング３の半径方向となるように配置される。そして、図２に示す例と同様に、機械ヒューズ１１又はトルクリミッタ２０を出力軸５Ａに設けたモータ５を回転リング３の外部に配置し、モータ５の出力軸５Ａをギア９と連結することができる。

尚、ギア９のみで回転リング３の重量を支えずに、所望の構造を有するガイド機構７で回転リング３の重量を支えるようにしても良い。ガイド機構７で回転リング３の重量の全部又は一部を支えるようにすれば、回転リング３を回転するためにギア９に要求される出力トルクを低減することができる。例えば、磁力を利用して回転リング３を浮遊させ、回転リング３の重量を下方側から支えることもできる。

図７は回転リング３の上方側の端面にギア９からトルクを伝達するようにした例を示す回転装置１の正面図であり、図８は図７に示すガイド機構７の構成例を示す部分的に拡大した回転装置１の下面図である。

回転リング３の中心軸が鉛直方向又は鉛直方向に近い場合には、回転リング３の上方側の端面にギア１０をリング状に形成することもできる。他方、回転リング３の下方側の端面には、凹凸を形成せずに平坦なリング状の面又は円を形成することができる。

そうすると、単一又は複数の固定ローラ７Ａをフレーム７Ｂで支えた構造を有するガイド機構７で回転リング３の重量をガイド機構７の下方側から支えることができる。他方、回転リング３の上方側の端面に形成されたギア１０と噛み合うように、動力伝達機構６を構成するギア９を回転リング３の上方側に配置することができる。尚、冗長性を付与しない場合には、動力伝達機構６を構成するギア９の数を１つとしても良い。

この場合、回転リング３の重量はガイド機構７で下方側から支持されるため、ギア１０からは回転リング３の回転のみに必要なトルクを負荷すれば良いことになる。このため、モータ５に要求される出力を低減することができる。

尚、回転リング３の中心軸が鉛直方向又は鉛直方向に近い場合において、回転リング３の重量をガイド機構７で下方側から支持する場合はもちろん、回転リング３の重量を懸垂式等のガイド機構７で回転リング３の上方側から支持する場合には、図１及び図２に示す例と同様に、回転リング３の外面にギア１０を形成し、動力伝達機構６を構成するギア９の回転軸が回転リング３の回転軸と平行になるようにしても良い。逆に、回転リング３の中心軸が水平方向又は水平方向に近い場合において、ガイド機構７で回転リング３の重量が支持される場合には、単一又は複数のギア９を回転軸が回転リング３の半径方向となるように配置しても良い。

上述した例では、動力伝達機構６を構成するギア９として平歯車を用いる場合を例に説明したが、回転リング３の向きや回転装置１の用途に応じてモータ５を所望の位置に配置できるように様々な種類のギアを用いることができる。具体例として、動力伝達機構６を構成するギア９としてウォームギアやかさ歯車（Ｂｅｖｅｌ ｇｅａｒ）等のトルクの出力軸と伝達軸が同一方向ではないギアを用いるようにしても良い。ウォームギアは、ねじ歯車（ウォーム）で斜歯歯車（ウォームホイール）を回転させるギアであり、鼓形ウォームギアや円筒ウォームギアが代表的である。

このため、動力伝達機構６を構成するギア９の配置や種類に合わせて、ギア９と噛み合うように回転リング３の対応する面にリング状のギア１０を形成することができる。すなわち、図１及び図２に例示されるように回転リング３の外面にギア１０を形成し、動力伝達機構６を構成するギア９からトルクを回転リング３の外面に伝達するようにしても良いし、図６又は図７に例示されるように円筒状の回転リング３の側面にギア１０を形成し、動力伝達機構６を構成するギア９からトルクを回転リング３の側面に伝達するようにしても良い。

以上のようなハブレス構造を有する回転装置１は、上述した様々な用途に用いることができる。例えば、回転装置１を航空機用のファンとして用いることができる。

図９は図１に示す回転装置１を備えた航空機の第１の例を示す図、図１０は図１に示す回転装置１を備えた航空機の第２の例を示す図、図１１は図１に示す回転装置１を備えた航空機の第３の例を示す図、図１２は図１に示す回転装置１を備えた航空機の第４の例を示す図である。

図９に示すように固定翼航空機３０の胴体や主翼等に推力を得るために取付けられるターボファンエンジン等を構成するファンとしてハブの無い回転装置１を用いることができる。また、図１０や図１１に示すように固定翼航空機３０の主翼や胴体等に取付けられるリフトファンとしてハブの無い回転装置１を用いることができる。或いは、図１２に示すように回転翼航空機３１のテールロータを構成するダクテッドファンとして回転装置１を用いることもできる。

（効果）
回転装置１によれば、従来の回転装置の回転中心に設けられるハブが無いため、流体力学的な効率を向上することができる。例えば、推力や揚力の発生効率を向上させたり、発生させる風の風力を増加させることができる。

また、複数のモータ５で回転リング３を回転させたり、モータ５の出力軸５Ａに許容範囲を超えるトルクが負荷された場合にブレード２を回転させる回転リング３へのトルクの伝達が遮断させる構造を採用することによって、冗長性を回転装置１に付与することができる。このため、安全性、信頼性及び冗長性が特に要求される航空機用のファンとして回転装置１を用いることもできる。

（第２の実施形態）
図１３は本発明の第２の実施形態に係る回転装置の構成を示す部分断面図であり、図１４は図１３に示す２つの回転リングの配置方法を示す斜視図である。

図１３に示された第２の実施形態における回転装置１Ａは、回転軸方向に異なる位置に配置した２つの回転リング３Ａ、３Ｂでそれぞれ放射状に配置された複数のブレード２を回転させるようにした点が第１の実施形態における回転装置１と相違する。第２の実施形態における回転装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における回転装置１と実質的に異ならないため、モータ５及びギア９近傍と回転リング３Ａ、３Ｂの配置のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態における回転装置１Ａは、第１の回転リング３Ａと、第２の回転リング３Ｂを有する。第１の回転リング３と、第２の回転リング３Ｂは、図１４に示すように共通の同一直線上にある中心軸を中心に回転するように、共通の中心軸方向に互いに異なる位置に配置される。

動力伝達機構６は、図１３に示すようにモータ５から出力されるトルクを第１の回転リング３と、第２の回転リング３にそれぞれ伝達することによって、第１の回転リング３と、第２の回転リング３を互いに逆方向に回転させるように構成される。そのために、共通のモータ５に互いに逆方向のトルクを出力する２つの出力軸５Ａを設けることができる。そして、モータ５の一方の出力軸５Ａをギア９を介して第１の回転リング３と連結し、モータ５の他方の出力軸５Ａをギア９を介して第２の回転リング３と連結することができる。

もちろん、別々のモータ５で第１の回転リング３と、第２の回転リング３Ｂを逆回転させるようにしても良い。但し、共通のモータ５で第１の回転リング３と、第２の回転リング３Ｂを逆回転させれば、第１の回転リング３と、第２の回転リング３Ｂの回転速度を一致させ、かつ第１の回転リング３と、第２の回転リング３Ｂの各回転運動を互いに同期させることが容易となる。

このように流体の流れを形成するための複数のブレード２をそれぞれ放射状に取付けた第１の回転リング３と、第２の回転リング３を互いに逆回転させると、回転装置１Ａを２重反転プロペラ又は２重反転ファンとして機能させることができる。このため、回転装置１Ａで発生させる風力、推力又は揚力等を大きくすることができる。

尚、第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂの回転軸が鉛直方向又は鉛直方向に近い場合には、第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂとの間にベアリングを配置することによって、上方側の回転リング３の重量を支持しつつ第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂを互いに逆回転させることができる。或いは、第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂとの間に、図６及び図７に示す例と同様に複数のギア９を回転軸方向が第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂの半径方向となるように配置しても良いし、第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂとの間にベアリングを配置する一方、第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂをベアリングで連結して構成される反転リングユニットの両側に、別々のギア９を回転軸方向が第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂの半径方向となるように配置しても良い。

（第３の実施形態）
図１５は本発明の第３の実施形態に係る回転装置の構成を示す正面図であり、図１６は図１５に示す回転装置の位置Ｃ−Ｃにおける部分拡大断面図である。

図１５及び図１６に示された第３の実施形態における回転装置１Ｂは、回転軸方向に加えて回転半径方向に異なる位置に配置した４つの回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄでそれぞれ放射状に配置された複数のブレード２を回転させるようにした点が第２の実施形態における回転装置１Ａと相違する。第３の実施形態における回転装置１Ｂの他の構成及び作用については第２の実施形態における回転装置１Ａと実質的に異ならないため、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

図１５及び図１６に示すように複数の回転リング３を回転軸方向のみならず、回転半径方向に異なる位置に配置することもできる。図１５及び図１６に示す例では、回転軸方向及び回転半径方向に異なる位置に複数の回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが配置されている。このため、回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの数は４つとなる。

具体的には、互いに直径が略同じ第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂが、回転軸方向に異なる位置に配置されている。また、互いに直径が異なる第１の回転リング３Ａと第３の回転リング３Ｃが、第１の回転リング３Ａが内側となり、第３の回転リング３Ｃが外側となるように回転半径方向に異なる位置に配置されている。同様に、互いに直径が異なる第２の回転リング３Ｂと第４の回転リング３Ｄが、第２の回転リング３Ｂが内側となり、第４の回転リング３Ｄが外側となるように回転半径方向に異なる位置に配置されている。従って、第３の回転リング３Ｃの内径は、第１の回転リング３Ａの外径よりも大きい。同様に、第４の回転リング３Ｄの内径は、第２の回転リング３Ｂの外径よりも大きい。

内側の第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂの各内面には、それぞれ複数のブレード２が放射状に取付けられる。他方、外側の第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄの各外面には、それぞれ複数のブレード２が放射状に取付けられる。そして、内側の第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂと、外側の第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄとの間に形成される環状の空間に、単一又は複数のモータ５及び各モータ５から出力されるトルクを第１の回転リング３Ａ、第２の回転リング３Ｂ、第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄに伝達するための複数のギア９を配置することができる。

動力伝達機構６は、第２の実施形態と同様に、回転軸方向に並列配置される内側の第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂを互いに逆回転させるように構成される。同様に、動力伝達機構６は、回転軸方向に並列配置される外側の第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄを互いに逆回転させるように構成される。

更に、動力伝達機構６は、同心円状に配置された内側の第１の回転リング３Ａと外側の第３の回転リング３Ｃとを互いに逆回転させるように構成される。同様に、動力伝達機構６は、同心円状に配置された内側の第２の回転リング３Ｂと外側の第４の回転リング３Ｄとを互いに逆回転させるように構成される。

そのために、図１６に例示されるように一方の内側の第１の回転リング３Ａの外面と、外側の第３の回転リング３Ｃの内面にそれぞれギア１０を形成することができる。そして、第１の回転リング３Ａの外面に形成されたギア１０と、第３の回転リング３Ｃの内面に形成されたギア１０の双方と噛み合うように、動力伝達機構６を構成するギア９を回転軸が第１の回転リング３Ａ及び第３の回転リング３Ｃの回転軸と平行となるように配置することができる。

同様に、他方の内側の第２の回転リング３Ｂの外面と、外側の第４の回転リング３Ｄの内面にそれぞれギア１０を形成することができる。そして、第２の回転リング３Ｂの外面に形成されたギア１０と、第４の回転リング３Ｄの内面に形成されたギア１０の双方と噛み合うように、動力伝達機構６を構成するギア９を回転軸が第２の回転リング３Ｂ及び第４の回転リング３Ｄの回転軸と平行となるように配置することができる。

そうすると、共通のギア９から内側の第１の回転リング３Ａと外側の第３の回転リング３Ｃに互いに逆方向にトルクを伝達することによって第１の回転リング３Ａと第３の回転リング３Ｃを逆回転させることができる。同様に、共通のギア９から内側の第２の回転リング３Ｂと外側の第４の回転リング３Ｄに互いに逆方向にトルクを伝達することによって第２の回転リング３Ｂと第４の回転リング３Ｄを逆回転させることができる。

更に、図１６に例示されるようにモータ５として、互いに逆方向のトルクを出力する２つの出力軸５Ａを同軸状に配置した２重同軸反転モータを使用することができる。そうすると、第１の回転リング３Ａと第３の回転リング３Ｃにトルクを伝達して逆回転させるためのギア９と、第２の回転リング３Ｂと第４の回転リング３Ｄにトルクを伝達して逆回転させるためのギア９を共通のモータ５で回転させることが可能となる。

２重同軸反転モータを使用する場合においても、冗長性を付与するために機械ヒューズ１１及びトルクリミッタ２０の少なくとも一方をモータ５の出力軸５Ａに連結することができる。図１６に示す例では、第１の回転リング３Ａと第３の回転リング３Ｃを回転させるためのギア９が、モータ５の外側における円筒状の出力軸５Ａとトルクリミッタ２０を介して連結されている。他方、第２の回転リング３Ｂと第４の回転リング３Ｄを回転させるためのギア９と連結されるモータ５の内側における丸棒状の出力軸５Ａに機械ヒューズ１１が設けられている。

このため、共通のモータ５で回転する２つのギア９の一方がジャミングによって停止した場合であっても、他方のギア９を回転させることができる。もちろん、機械ヒューズ１１の代わりにトルクリミッタ２０を用いても良いし、逆にトルクリミッタ２０の代わりに機械ヒューズ１１を用いても良い。

尚、図１３に例示されるように両側に２本の丸棒状の出力軸５Ａを有するモータ５を使用しても良いが、図１６に例示されるように円筒状の出力軸５Ａの内部に円柱状の出力軸５Ａを有するモータ５を使用すれば、モータ５を支持するための支持部材８をできるだけ流体の流路の妨げとならない位置に配置することが可能となる。

このように、複数のギア９で構成される動力伝達機構６で単一又は複数のモータ５から出力されるトルクを内側の第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂの各外面と、外側の第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄの各内面に伝達することによって、第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂと、第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄとを互いに逆方向に回転させることができる。

このため、回転装置１Ｂを、回転軸方向に異なる位置に放射状に配置された２組の複数のブレード２を互いに逆回転させる２重反転プロペラ又は２重反転ファンとしてのみならず、回転半径方向に異なる位置に放射状に配置された２組の複数のブレード２を互いに逆回転させる２重反転プロペラ又は２重反転ファンとして機能させることができる。

尚、図６及び図７に示す例と同様に、複数のギア９を回転軸が各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転半径方向となるように配置し、ギア９のトルクを各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの端面に伝達するようにしても良い。その場合には、第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂとの間及び第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄとの間にそれぞれ単一又は複数のギア９を回転軸が各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転半径方向となるように配置してもよい。或いは、第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂとの間及び第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄとの間にそれぞれベアリングを設けて反転リングユニットを構成し、反転リングユニットの両側に別々のギア９を回転軸が各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転半径方向となるように配置しても良い。

また、回転装置１Ｂの用途によっては、４つの回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄのいずれかを省略しても良い。例えば、内側の第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂを省略して、外側の第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄのみで回転装置１Ｂを構成してもよい。換言すれば、第２の実施形態において、ブレード２を２つの回転リング３の外面に設けても良い。或いは、内側の第２の回転リング３Ｂと外側の第４の回転リング３Ｄを省略して、内側の第１の回転リング３Ａと外側の第３の回転リング３Ｃのみで回転装置１Ｂを構成してもよい。

別の変形例として、内側の第１の回転リング３Ａと、外側の第３の回転リング３Ｃを同方向に回転させるようにしても良い。同様に、内側の第２の回転リング３Ｂと、外側の第４の回転リング３Ｄを同方向に回転させるようにしても良い。つまり、回転軸方向に異なる位置に配置された回転リング３については互いに逆回転させる一方、回転半径方向に異なる位置に配置された回転リング３については同じ方向に回転させることもできる。

図１７は、図１５に示す回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄのうち回転半径方向に異なる位置に配置された回転リング３を同方向に回転させる場合におけるモータ５とギア９の構成例を示す図である。尚、図１７は図１５の位置Ｃ−Ｃに対応する位置における部分拡大断面図である。

図１７に示すように、モータ５の出力軸５Ａと回転軸が同一直線上となるギア９と噛み合う別の外歯ギアからなる円盤状又は円筒状のギア９を設けることによって、内側の第１の回転リング３Ａと、外側の第３の回転リング３Ｃを同方向に回転させる一方、内側の第２の回転リング３Ｂと、外側の第４の回転リング３Ｄを同方向に回転させることができる。モータ５の出力軸５Ａと回転軸が同一直線上とならない２つのギア９については、円筒状の回転シャフトの内部に棒状の回転シャフトを挿入して構成される２重反転回転シャフトで所望の共通の構造物に取付けるか、単純な棒状の２本の回転シャフトを互いに干渉しないようにそれぞれ外側に向かって同一直線上に配置して別々に所望の構造物に取付けることができる。

特に、噛み合う２つのギア９の半径を変えれば、内側の第１の回転リング３Ａと、外側の第３の回転リング３Ｃとを同一方向に回転数を変えて回転させることが可能となる。同様に、内側の第２の回転リング３Ｂと、外側の第４の回転リング３Ｄについても同一方向に回転数を変えて回転させることが可能となる。すなわち、噛み合う２つのギア９のギア比に対応する回転数で各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを回転させることができる。図１７に示す例では、相対的に直径小さい内側の第１の回転リング３Ａと内側の第２の回転リング３Ｂの回転数が、相対的に直径が大きい外側の第３の回転リング３Ｃと外側の第４の回転リング３Ｄの回転数よりも大きくなるようにギア９のサイズが決定されている。

或いは、内側の第１の回転リング３Ａ及び内側の第２の回転リング３Ｂを回転させるためのモータ５及びギア９とは別に、外側の第３の回転リング３Ｃ及び外側の第４の回転リング３Ｄを回転させるためのモータ５及びギア９を独立して設けても良い。その場合には、各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転数をモータ５の制御によって自在に可変調整することができる。

上述した様々なバリエーションの他、複数のブレード２を放射状に外面に設けた単一の回転リング３で回転装置１Ｂを構成してもよい。換言すれば、第１の実施形態において、ブレード２を回転リング３の外面に設けても良い。ブレード２を外面に設けた単一又は複数の回転リング３のみで回転装置１Ｂを構成する場合には、回転リング３の内側にモータ５等を固定するための支持部材として固定リングを設けても良い。

以上のように、複数のブレード２を少なくとも１つの回転リング３の外面及び内面の少なくとも一方に放射状に取付け、モータ５の動力をギア９からなる動力伝達機構６で回転リング３の外面、内面及び側面の少なくとも１つの面に伝達することができる。また、複数の回転リング３を設ける場合には、回転リング３の中心軸方向及び半径方向の少なくとも一方向に異なる位置に複数の回転リング３を配置することができる。そして、このように構成されたハブレス構造を有する回転装置を様々な用途で用いることができる。

（第４の実施形態）
図１８は本発明の第４の実施形態に係る回転装置の構成を示す部分断面図である。

図１８に示された第４の実施形態における回転装置１Ｃは、モータ５から出力される動力の回転リング３への伝達と遮断を切換えるクラッチ機構４０を設けた点が第３の実施形態における回転装置１Ｂと相違する。第４の実施形態における回転装置１Ｃの他の構成及び作用については第３の実施形態における回転装置１Ｂと実質的に異ならないため、モータ５及びギア９近傍のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第４の実施形態における回転装置１Ｃは、クラッチ機構４０を有している。クラッチ機構４０は、回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄにモータ５から出力される動力の伝達と遮断を切換える装置である。クラッチ機構４０は、図１８に示すように、モータ５及びギア９を、回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転半径方向に平行移動させるリニアガイド等のスライド機構で構成することができる。

他方、内側の第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂの各外面に形成されるギア１０と、外側の第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄの各内面に形成されるギア１０との間における距離を、各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを回転させるためのギア９の直径に、クラッチ機構４０によるモータ５及びギア９の平行移動量を加えた距離とすることができる。

換言すれば、内側の第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂの各外面に形成されるギア１０と、外側の第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄの各内面に形成されるギア１０との間における距離を、各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを回転させるためのギア９の直径よりも長くし、クラッチ機構４０でギア９を各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転半径方向に平行移動できるようにすることができる。

そうすると、クラッチ機構４０の動作によって、内側の第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂの各外面に形成されるギア１０と、外側の第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄの各内面に形成されるギア１０のいずれかにギア９を噛合せることができる。これにより、ギア９と、各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄとの間におけるトルクの伝達と遮断を切換え、内側の第１の回転リング３Ａと第２の回転リング３Ｂのペア又は外側の第３の回転リング３Ｃと第４の回転リング３Ｄのペアのいずれかを回転駆動させることが可能となる。すなわち、回転対象となる回転リング５を、内側の第１の回転リング３Ａ及び第２の回転リング３Ｂと、外側の第３の回転リング３Ｃ及び第４の回転リング３Ｄとの間で切換えることができる。

もちろん、各回転リング３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの回転と停止を個別に切換えられるようにクラッチ機構４０を構成することもできる。従って、回転リング３の数に関わらずクラッチ機構４０を回転装置１Ｃに設けることができる。

（第５の実施形態）
図１９は本発明の第５の実施形態に係る回転装置の構成を示す正面図である。

図１９に示された第５の実施形態における回転装置１Ｄは、動力伝達機構６として無限軌道（クローラ）５０を用いた点が第１の実施形態における回転装置１と相違する。第５の実施形態における回転装置１Ｄの他の構成及び作用については第１の実施形態における回転装置１と実質的に異ならないため、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

モータ５から出力される動力を回転リング３に伝達する動力伝達機構６としては、上述した他の実施形態で説明した通りギア９を用いる他、無限軌道５０を用いるようにしても良い。すなわち、回転リング３の外面と接触するように無限軌道５０を配置することができる。これにより、モータ５から出力されるトルクを無限軌道５０で回転リング３の外面に伝達することができる。

無限軌道５０の代表的な例としては、ローラとの間における摩擦力を利用して移動する動力伝達ベルトやスプロケットの回転によって移動するチェーンが挙げられる。無限軌道５０を用いる場合においても、図１９に例示されるように複数の無限軌道５０で共通の回転リング３を回転させる構成とすることによって冗長性を得ることができる。

もちろん、ギア９と無限軌道５０の双方を用いて単一又は複数の回転リング３を回転させるようにしても良い。すなわち、回転リング３に形成されたギア１０と噛み合うギア９及び回転リング３と接触する無限軌道５０の少なくとも一方で動力伝達機構６を構成することができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

例えば、上述した実施形態では、回転装置１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄがブレード２を回転させるファンやロータ等である場合について説明したが、単一又は複数の回転リング３を用いてブレード２が無い回転装置を構成することもできる。具体例として、自動車用のタイヤホイールとして回転シャフトの無い回転装置を用いることができる。すなわち、ハブ及びスポークが無い回転リング３をリムとして、回転リング３の外側に自動車用のタイヤを固定することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 回転装置
２ ブレード
２Ａ シャフト
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ 回転リング
４ 固定リング
５ モータ
５Ａ 出力軸
６ 動力伝達機構
７ ガイド機構
７Ａ 固定ローラ
７Ｂ フレーム
８ 支持部材
９ ギア
１０ ギア
１１ 機械ヒューズ
２０ トルクリミッタ
３０ 固定翼航空機
３１ 回転翼航空機
４０ クラッチ機構
５０ 無限軌道

Claims (15)

1. 内側にモータを収納したハブを配置せずに円周方向に回転する少なくとも１つのリングと、
   前記リングを回転させるための動力を発生させる少なくとも１つのモータと、
   前記動力を前記リングに伝達する動力伝達機構と、
   を備える回転装置。
2. 前記モータを、前記リングで仕切られた回転中心を含む領域の外部に配置した請求項１記載の回転装置。
3. 流体の流れを形成するための複数のブレードを少なくとも１つの前記リングの外面及び内面の少なくとも一方に放射状に取付けた請求項１又は２記載の回転装置。
4. 少なくとも１つの前記モータの出力軸と前記動力伝達機構との間に、トルクが一定の値を超えると破断するシャフト及びトルクリミッタの少なくとも一方を連結した請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転装置。
5. １つの共通の前記リングを回転させるための動力を発生させる複数のモータを備え、
   前記動力伝達機構は、前記複数のモータで発生させた各動力を別々に前記共通のリングに伝達するように構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転装置。
6. 前記少なくとも１つのリングとして、
   第１のリングと、
   前記第１のリングと共通の同一直線上にある中心軸を中心に回転し、前記第１のリングと異なる位置に配置される第２のリングと、
   を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転装置。
7. 前記第１のリングと、前記第２のリングとを前記共通の中心軸方向に異なる位置に配置し、
   前記動力伝達機構は、前記モータから出力されるトルクを前記第１のリングと、前記第２のリングにそれぞれ伝達することによって、前記第１のリングと、前記第２のリングを互いに逆方向に回転させるように構成される請求項６記載の回転装置。
8. 互いに直径が異なる前記第１のリングと前記第２のリングとを、前記第１のリングが内側となり、前記第２のリングが外側となるように回転半径方向に異なる位置に配置する一方、内側の前記第１のリングと外側の前記第２のリングとの間に形成される環状の空間に前記モータを配置し、
   前記動力伝達機構は、前記モータから出力されるトルクを前記第１のリングと、前記第２のリングに伝達することによって、前記第１のリングと、前記第２のリングを互いに逆方向に回転又は同一方向に回転数を変えて回転させるように構成される請求項６記載の回転装置。
9. 流体の流れを形成するための複数のブレードを、前記互いに逆回転させる前記第１のリングと、前記第２のリングの双方に放射状に取付けた請求項７又は８記載の回転装置。
10. 前記動力伝達機構は、前記モータから出力されるトルクを前記リングに伝達するギアであって前記リングに形成された歯と噛み合うギア及び前記モータから出力されるトルクを前記リングに伝達する無限軌道であって前記リングと接触する無限軌道の少なくとも一方を有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転装置。
11. 前記リングをリング状の第１のギアで構成し、
    前記動力伝達機構は、前記第１のギアと噛み合う第２のギアであって、前記モータから出力されるトルクを前記第１のギアに伝達する第２のギアを有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転装置。
12. 前記第１のギアと前記第２のギアとの間にバックラッシを設けることによってジャミングの発生リスクを低減した請求項１０又は１１記載の回転装置。
13. 前記リングへの前記動力の伝達と遮断を切換えるクラッチ機構を更に備える請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の回転装置。
14. 前記リングを回転可能に支持するローラ付のガイドを更に備える請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の回転装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の回転装置を備えた航空機。

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