JP2021108506A - モータ一体型流体機械、垂直離着陸機及びモータ一体型流体機械の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重量増加を抑制しつつ、遠心力に対する耐荷重を好適に確保する。【解決手段】吸込口から流体を吸い込み、吸い込んだ流体を吹出口から吹き出すモータ一体型流体機械において、回転軸の中心に設けられる軸部と、軸部を中心に回転する回転部と、軸部の外周に設けられる外周部と、回転部を回転させるモータと、を備え、モータは、外周部から動力を与えて回転部を回転させる外周駆動のモータとなっており、回転部は、軸部に回転自在に支持されるハブと、ハブの外周側に設けられる複数のブレードと、複数のブレードの外周側に設けられる環状となる回転外周部と、を有し、モータは、回転外周部に設けられる回転子側磁石と、外周部に設けられ、回転子側磁石に対向して設けられる固定子側磁石と、を有し、遠心力に対する回転外周部の剛性は、遠心力に対する回転部の剛性に対して、５０％以上９５％以下の剛性割合となっている。【選択図】図５

Description

本開示は、モータ一体型流体機械、垂直離着陸機及びモータ一体型流体機械の設計方法に関するものである。

従来、固定子、回転子、及び複数のプロペラブレードを含むリングモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。固定子は、固定子支持リングと、固定子支持リングの周方向に配置された複数の巻線とを有する。固定子支持リングには、複数のピッチブレードが結合されている。回転子は、回転子支持リングと、回転子支持リングの周方向に配置され複数の磁極と、中心ハブとを有する。中心ハブは、固定子の一部分に結合されている。複数のプロペラブレードは、回転子支持リングに結合されている。このため、回転子は、巻線及び磁極により、固定子に結合する中心ハブを中心に回転することで、複数のプロペラブレードが回転する。

特開２０１７−１０９７２６号公報

ところで、特許文献１のリングモータのようなモータ一体型流体機械において、ブレードを回転させると、回転子支持リングには遠心力が働く。このとき、回転子支持リングには、複数の磁極が周方向に配置されているため、この磁極の質量によって、各ブレードに対してより大きな遠心力が働く。この場合、遠心力に対するブレードの耐荷重を確保するためには、ブレードの肉厚を厚くすることとなり、モータ一体型流体機械の重量増加を招いてしまう。換言すれば、モータ一体型流体機械の重量増加を抑制しつつ、遠心力に対するブレードの耐荷重を確保することは困難である。

そこで、本開示は、重量増加を抑制しつつ、遠心力に対する耐荷重を好適に確保することができるモータ一体型流体機械、垂直離着陸機及びモータ一体型流体機械の設計方法を提供することを課題とする。

本開示のモータ一体型流体機械は、吸込口から流体を吸い込み、吸い込んだ前記流体を吹出口から吹き出すモータ一体型流体機械において、回転軸の中心に設けられる軸部と、前記軸部を中心に回転する回転部と、前記軸部の外周に設けられる外周部と、前記回転部を回転させるモータと、を備え、前記モータは、前記外周部から動力を与えて前記回転部を回転させる外周駆動のモータとなっており、前記回転部は、前記軸部に回転自在に支持されるハブと、前記ハブの外周側に設けられ、前記回転軸の周方向において並べて設けられる複数のブレードと、複数の前記ブレードの外周側に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って環状となる回転外周部と、を有し、前記モータは、前記回転外周部に設けられる回転子側磁石と、前記外周部に設けられ、前記回転子側磁石に対向して設けられる固定子側磁石と、を有し、遠心力に対する前記回転外周部の剛性は、遠心力に対する前記回転部の剛性に対して、５０％以上９５％以下の剛性割合となっている。

また、本開示の垂直離着陸機は、上記のモータ一体型流体機械と、前記モータ一体型流体機械から発生する推力によって移動する機体と、を備える。

また、本開示のモータ一体型流体機械の設計方法は、上記のモータ一体型流体機械の設計方法であって、前記回転部に対する前記回転外周部の剛性割合を設定するステップと、前記剛性割合に基づいて、前記複数のブレードが受け持つ遠心力を導出するステップと、導出した遠心力に基づいて、前記ブレードが耐荷する剛性となるような前記ブレードの肉厚を導出するステップと、前記剛性割合と前記ブレードの剛性とに基づいて、前記回転外周部が耐荷する剛性となるような前記回転外周部の板厚を導出するステップと、を備える。

本開示によれば、重量増加を抑制しつつ、遠心力に対する耐荷重を好適に確保することができる。

図１は、本実施形態に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。 図２は、本実施形態に係るファンブレードの斜視図である。 図３は、本実施形態に係るファンブレードの一部を示す部分斜視図である。 図４は、本実施形態に係るファンブレードの一部を示す説明図である。 図５は、板厚と回転支持リングの剛性割合との関係を示すグラフである。 図６は、本実施形態に係るモータ一体型ファンの設計方法に関するフローチャートである。

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［本実施形態］
本実施形態に係るモータ一体型流体機械は、軸流の流体機械となっている。モータ一体型流体機械は、吸込口から空気を取り込み、吹出口から空気を吹き出すことで、推進力を発生させるモータ一体型ファン１（以下、単にファン１ともいう）である。なお、実施形態１では、モータ一体型流体機械として、モータ一体型ファン１に適用して説明するが、この構成に特に限定されない。モータ一体型流体機械は、例えば、吸込口から水または海水等の液体を取り込み、吹出口から液体を噴射することで、推進力を発生させるプロペラ等のモータ一体型推進器として適用してもよい。

（モータ一体型ファン）
モータ一体型ファン１は、例えば、ヘリコプタまたはドローン等の垂直離着陸機に設けられている。垂直離着陸機に設けられるモータ一体型ファン１は、機体を浮上させるための推進力を発生させたり、機体の姿勢を制御するための推進力を発生させたりする。なお、モータ一体型ファン１は、例えば、ホバークラフト等の空気クッション車両に適用してもよい。さらに、モータ一体型推進器として適用する場合には、船舶に適用してもよい。

図１から図５を参照して、モータ一体型ファン１について説明する。図１は、本実施形態に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。図２は、本実施形態に係るファンブレードの斜視図である。図３は、本実施形態に係るファンブレードの一部を示す部分斜視図である。図４は、本実施形態に係るファンブレードの一部を示す説明図である。図５は、板厚と回転支持リングの剛性割合との関係を示すグラフである。

モータ一体型ファン１は、ダクト型プロペラ、または、ダクテッドファンと呼ばれるものである。このモータ一体型ファン１は、例えば、軸方向を鉛直方向とする水平状態で使用され、鉛直方向の上方側から空気を取り込み、鉛直方向の下方側へ空気を吹き出している。なお、モータ一体型ファン１は、軸方向を水平方向とする鉛直状態で使用されてもよい。

モータ一体型ファン１は、回転軸Ｉの軸方向における長さが、回転軸Ｉの径方向における長さよりも短い扁平のファンとなっている。モータ一体型ファン１は、１つのモータが一体に設けられたファンであり、軸部１１と、回転部１２と、外周部１３と、モータ１４と、転がり軸受１５と、整流板１６と、を備えている。

軸部１１は、回転軸Ｉの中心に設けられ、支持系（固定側）となっている。回転軸Ｉは、軸方向が図１の上下方向となっており、鉛直方向に沿った方向となっている。このため、空気の流れ方向は、回転軸Ｉの軸方向に沿った方向となっており、図１の上方側から下方側に向かって空気が流れる。軸部１１は、回転軸Ｉの軸方向において、その上流側に設けられる部位となる軸側嵌合部２５と、軸側嵌合部２５の下流側に設けられる部位となる軸本体２６とを有している。

軸側嵌合部２５は、後述する回転部１２のハブ３１が嵌め合わされる。軸側嵌合部２５は、円筒形状となっており、軸本体２６の上流側の端面から軸方向に突出して設けられている。軸側嵌合部２５は、回転軸Ｉの中心側に円柱形状の空間が形成されている。この空間には、回転部１２のハブ３１の一部が挿入される。また、軸側嵌合部２５の外周側は、回転部１２のハブ３１の一部によって取り囲まれている。

軸本体２６は、軸方向の上流側から下流側に向かって先細りとなる略円錐形状となっている。このため、軸本体２６は、その外周面が、軸方向の上流側から下流側に向かうにつれて、径方向の外側から内側に向かう面となっている。軸本体２６の内部には、機器を設置可能な内部空間が形成されている。機器としては、例えば、制御装置、カメラ等である。また、軸本体２６の外周面には、後述する整流板１６の径方向内側の端部が接続されている。

図１及び図２に示すように、回転部１２は、軸部１１を中心に回転する回転系（回転側）となっている。回転部１２は、回転軸Ｉの軸方向において、軸部１１に対して、空気が流入する流入側に設けられている。回転部１２は、ハブ３１と、複数のブレード３２と、回転支持リング３３と、を有している。

ハブ３１は、軸部１１の軸方向の上流側に設けられ、軸側嵌合部２５に回転自在に嵌め合わされる。ハブ３１は、軸方向の上流側に設けられる部位となるハブ本体３５と、ハブ本体３５の下流側に設けられる部位となるハブ側嵌合部３６とを有している。ハブ本体３５は、上流側の端面が所定の曲率半径となる半球面に形成されている。ハブ側嵌合部３６は、軸側嵌合部２５と相補的な形状となっている。ハブ側嵌合部３６は、回転軸の中心に設けられる中心軸３６ａと、中心軸３６ａの外周側に設けられる円筒形状の円筒部３６ｂとを含んでいる。中心軸３６ａは、軸側嵌合部２５の回転軸の中心の空間に挿入される。円筒部３６ｂは、ハブ本体３５の下流側の端面から軸方向に突出して設けられている。円筒部３６ｂは、軸側嵌合部２５の外周を取り囲むように配置される。このとき、軸側嵌合部２５の内周面とハブ３１の中心軸３６ａの外周面との間には、転がり軸受１５が設けられる。

そして、ハブ本体３５の端面から、円筒部３６ｂの外周面を経て、軸本体２６の外周面に至る面は、段差のない滑らかな面となっている。

複数のブレード３２は、ハブ３１から径方向の外側へ向かって延在して設けられると共に、周方向に所定の間隔を空けて並べて設けられる。各ブレード３２は、翼形状となっており、正圧面と負圧面とが対向する方向の長さが肉厚となっている。複数のブレード３２は、複合材を用いて構成されている。なお、本実施形態において、複数のブレード３２は、複合材を用いて構成したが、特に限定されず、例えば、金属材料を用いて構成してもよい。

回転支持リング３３は、回転軸Ｉを中心とする円環形状に形成されている。回転支持リング３３は、回転軸Ｉの径方向において、複数のブレード３２の外周側に接続される。回転支持リング３３の内周面には、各ブレード３２の径方向外側の端部が、結合金具４２を介して固定されている。また、回転支持リング３３の外周面には、後述するモータ１４の永久磁石４５が保持されている。

上記の回転部１２は、ハブ３１と、複数のブレード３２と、回転支持リング３３とが一体に結合されており、ハブ３１を中心に回転する。また、詳細は後述するが、この回転部１２には、モータ１４の永久磁石４５が一体に保持されることで、図２に示す、回転部１２と永久磁石４５とが一体となったファンブレードロータ４１として形成される。

外周部１３は、軸部１１の径方向外側に設けられ、支持系（固定側）となっている。外周部１３は、円環形状に形成され、回転部１２の回転によって推力を生じさせるダクトとなっている。外周部１３（以下、ダクト１３という）は、回転軸Ｉの軸方向において、上流側の開口が吸込口３８となっており、下流側の開口が吹出口３９となっている。また、ダクト１３は、回転部１２が回転することによって、吸込口３８から空気を吸い込み、吸い込んだ空気を吹出口３９から吹き出すことで、推力を発生させる形状となっている。具体的に、ダクト１３は、回転部１２の下流側の内周面が、吸込口３８側から吹出口３９側に向かって広がる面となっている。

ダクト１３は、その内部に、回転部１２の回転支持リング３３と、モータ１４の永久磁石４５と、後述するモータ１４のコイル４６とを収容する環状の内部空間が形成されている。ダクト１３は、その内部において、回転部１２に保持される永久磁石４５と対向する位置においてコイル４６を保持しており、永久磁石４５とコイル４６とは、径方向において対向している。つまり、ダクト１３は、ステータとして機能している。

モータ１４は、ダクト１３側から回転部１２へ向けて動力を与えることにより、回転部１２を回転させる外周駆動のモータとなっている。モータ１４は、回転部１２側に設けられる回転子側磁石と、ダクト１３側に設けられる固定子側磁石とを有している。実施形態１において、回転子側磁石は、永久磁石４５となっており、固定子側磁石は、電磁石となるコイル４６となっている。

永久磁石４５は、回転支持リング３３の外周面に保持されて設けられ、周方向に円環状に配置されている。また、永久磁石４５は、周方向において所定の間隔ごとに正極及び負極が交互となるように構成されている。なお、永久磁石４５は、ハルバッハ配列としてもよい。永久磁石４５は、回転軸Ｉの径方向においてコイル４６と対向する位置に設けられる。

コイル４６は、ダクト１３の内部に保持されて設けられ、永久磁石４５の各極に対向して複数設けられると共に、周方向に並べて設けられる。コイル４６は、回転軸Ｉの径方向において回転部１２に保持される永久磁石４５と対向する位置に設けられる。つまり、永久磁石４５及びコイル４６は、回転軸Ｉの径方向に対向させて配置したラジアル配置となっている。

転がり軸受１５は、軸部１１の軸側嵌合部２５の内周面と、回転部１２のハブ３１における中心軸３６ａの外周面との間に設けられている。転がり軸受１５は、軸部１１に対する回転部１２の回転を許容しつつ、軸部１１と回転部１２とを連結している。転がり軸受１５は、例えば、ボールベアリング等である。

整流板１６は、軸部１１とダクト１３とを連結して設けられている。整流板１６は、回転軸Ｉの軸方向において、回転部１２の下流側に設けられている。つまり、整流板１６は、軸方向において、ダクト１３の下流側部位４３の位置に設けられている。整流板１６は、回転軸Ｉの周方向に複数並べて設けられている。また、整流板１６は、翼形状等の流線形状となっており、回転部１２から流れ込む空気を整流し、推力を発生させている。なお、整流板１６の形状は、翼形状に限定されず、平板形状であってもよい。

このようなモータ一体型ファン１は、モータ１４により、ダクト１３側から回転部１２に磁界による動力を与えることで、回転部１２が回転する。モータ一体型ファン１は、回転部１２が回転すると、吸込口３８から空気を吸い込むと共に、吹出口３９へ向けて空気を吹き出す。回転部１２から吹き出された空気は、ダクト１３の内周面に沿って流れることで、推力を発生させる。このとき、整流板１６により空気の流れが整流されて、整流板１６においても推力を発生させる。

（ファンブレードロータ）
次に、図２から図４を参照して、回転部１２と永久磁石４５とが一体となったファンブレードロータ４１について説明する。ファンブレードロータ４１は、回転部１２と、永久磁石４５と、拘束部５１とを備えている。

拘束部５１は、例えば、複合材が用いられており、回転部１２の回転支持リング３３及び永久磁石４５の外側から、回転支持リング３３及び永久磁石４５に巻き付けられる。複合材としては、炭素繊維に樹脂を含浸させたものであり、例えばプリプレグを硬化させたものが適用される。また、複合材としては、細い幅となるシート状のものであってもよいし、繊維束であってもよく、特に限定されない。

図３に示すように、拘束部５１は、周方向を延在する回転支持リング３３及び永久磁石４５を芯として、これらの周囲にらせん状に巻き付け一体硬化させることで、回転支持リング３３と永久磁石４５とを一体に拘束している。また、図４に示すように、回転支持リング３３の内周側には、ブレード３２の径方向外側の端部を結合する結合金具４２が設けられ、拘束部５１は、回転支持リング３３及び永久磁石４５と共に、結合金具４２を一体に拘束している。

また、拘束部５１は、回転支持リング３３の全周に亘って巻き付けられている。このとき、拘束部５１は、回転支持リング３３の周方向に重複させて巻き付けられている。つまり、周方向に向かってらせん状に巻き付けられる拘束部５１は、周方向に隣接する一方の拘束部５１の一部と、他方の拘束部５１の一部とが重ね合わされる。

なお、図３に示すように、拘束部５１は、結合金具４２の周方向中央の結合部分において、回転支持リング３３及び永久磁石４５と共に、結合金具４２を一体に拘束することが困難である。この場合、拘束部５１は、結合金具４２の結合部分に対応する回転支持リング３３及び永久磁石４５の部位を一体に拘束する。そして、拘束部５１は、結合金具４２の周方向両側の平板部分において、回転支持リング３３及び永久磁石４５と共に結合金具４２を一体に拘束する。つまり、拘束部５１は、複数に分割された構成となっていてもよく、結合金具４２の結合部分において、回転支持リング３３及び永久磁石４５を拘束する拘束部５１と、結合金具４２の平板部分において回転支持リング３３、永久磁石４５及び結合金具４２を拘束する拘束部５１と、を含む構成であってもよい。この場合、分割された拘束部５１は、同じ複合材を用いることが好ましい。

上記のような、ファンブレードロータ４１が回転すると、ファンブレードロータ４１には、遠心力Ｐ１が付与される。この遠心力Ｐ１は、ファンブレードロータ４１の各ブレード３２と回転支持リング３３に分配されることで、ファンブレードロータ４１の各ブレード３２には、径方向における引張力Ｐ２が生じ、ファンブレードロータ４１の回転支持リング３３には、周方向におけるフープ応力Ｐ３が生じる。

ここで、遠心力Ｐ１に対する回転支持リング３３の剛性を、遠心力Ｐ１に対する回転支持リング３３の径方向における伸びにくさとして定義し、遠心力Ｐ１を径方向の伸びで除算した値としている。同様に、遠心力Ｐ１に対する回転部１２の剛性を、遠心力Ｐ１に対する回転部１２の径方向における伸びにくさとして定義し、遠心力Ｐ１を径方向の伸びで除算した値としている。回転支持リング３３は、遠心力Ｐ１を受けると径方向に伸び、同様に、ブレード３２は、遠心力Ｐ１を受けると径方向に伸びる。回転支持リング３３は、ブレード３２の端部が結合金具４２により結合されていることから、回転支持リング３３とブレード３２との径方向における伸びは一致する。このとき、遠心力Ｐ１は、回転支持リング３３とブレード３２との伸びが釣り合うように、複数のブレード３２と回転支持リング３３との剛性比率に応じて、引張力Ｐ２とフープ応力Ｐ３とに分配される。具体的に、回転支持リング３３の剛性比率を大きくした場合、回転支持リング３３は径方向に伸びにくくなる。例えば、各ブレード３２の肉厚を薄くし、回転支持リング３３の径方向の厚さを厚くすることで、複数のブレード３２に分配される遠心力Ｐ１（すなわち引張力Ｐ２）は小さくなる一方で、回転支持リング３３に分配される遠心力Ｐ１（すなわちフープ力Ｐ３）は大きくなる。これに対して、回転支持リング３３の剛性比率を小さくした場合、回転支持リング３３は径方向に伸びやすくなる。例えば、各ブレード３２の肉厚を厚くし、回転支持リング３３の径方向の厚さを薄くすることで、複数のブレード３２に分配される遠心力Ｐ１（すなわち引張力Ｐ２）は大きくなる一方で、回転支持リング３３に分配される遠心力Ｐ１（すなわちフープ力Ｐ３）は小さくなる。このように、各ブレード３２の肉厚と、回転支持リング３３の径方向の厚さとは、トレード・オフの関係となっており、この関係を考慮して、複数のブレード３２と回転支持リング３３との剛性比率を、下記のように設定している。

（剛性割合と板厚の関係）
図５は、その横軸が、回転部１２に対する回転支持リング３３の剛性割合であり、その縦軸が、板厚となっている。なお、板厚は、回転支持リング３３の径方向の厚さ（リング板厚：実線）、ブレード３２の肉厚（ブレード肉厚：点線）、リング板厚＋ブレード肉厚（一点鎖線）を含んでいる。また、図５のグラフでは、ブレード３２の肉厚として、ブレード３２のハブ３１側の肉厚が採用され、また、全てのブレード３２の肉厚を合算した肉厚となっている。ブレード肉厚は、ブレード３２が受け持つ力を担うために必要な肉厚を算出した値となっている。また、リング板厚は、ブレード３２の剛性に対して所望の剛性割合となるために必要な板厚を算出した値となっている。

ここで、図５に示すグラフの作成に際し、ブレード肉厚及びリング板厚を導出するモータ一体型流体機械の設計方法について説明する。図６は、本実施形態に係るモータ一体型ファンの設計方法に関するフローチャートである。図６に示すように、先ず、この設計方法では、回転部１２に対する回転支持リング３３の剛性割合を設定するステップＳ１１を行う。続いて、設定した剛性割合に基づいて、ブレード３２が受け持つ遠心力Ｐ１を導出するステップＳ１２を行う。この後、導出した遠心力Ｐ１に耐荷するブレード３２の剛性となるように、ブレード３２の肉厚を導出するステップＳ１３を行う。そして、ブレード３２の剛性、及び回転部１２に対する回転支持リング３３の剛性割合に基づいて、回転支持リング３３の剛性を導出し、導出した回転支持リング３３の剛性となるような回転支持リング３３の板厚を導出するステップＳ１４を行う。以上により、図５に示す、ブレード肉厚及びリング板厚を算出している。

本実施形態では、「リング板厚＋ブレード肉厚」の板厚が、所定のしきい値となる板厚Ｔ１以下となるように、回転支持リング３３の剛性割合が設定されている。ここで、板厚Ｔ１は、回転部１２の重量によって規定される板厚である。板厚は、回転部１２の重量を抑制するために、Ｔ１以下に設定される。この場合、回転支持リング３３の剛性は、回転部１２の剛性に対して、５０％以上９５％以下の範囲Ｈ１となる剛性割合に設定されている。回転支持リング３３の剛性割合が範囲Ｈ１である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、５％以上５０％以下の範囲となる。すなわち、回転支持リング３３の剛性割合が９５％である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、５％となり、回転支持リング３３の剛性割合が５０％である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、５０％となる。上記のような剛性割合とすることで、回転支持リング３３は効率よく剛性を担うことができる。より具体的に説明すると、回転支持リング３３の剛性割合が低下する場合、ブレード３２で剛性を担う必要があることから、ブレード３２の剛性を上げるに伴って、ブレード３２の重量が増加してしまう。このため、ブレード３２の重量増加を抑制するために、回転支持リング３３の剛性割合は、５０％以上となる。一方で、ブレード３２の重量増加を抑制するために、回転支持リング３３の剛性割合を過度に上げてしまうと、回転支持リング３３のリング板厚が大きくなってしまい、回転支持リング３３の重量増加を招いてしまう。このため、回転支持リング３３の設置スペース及び重量増加を抑制するために、回転支持リング３３の剛性割合は、９５％以下となる。

また、本実施形態では、「リング板厚＋ブレード肉厚」の板厚が、板厚Ｔ１よりも小さい板厚Ｔ２以下となるように、回転支持リング３３の剛性割合が設定されることがより好ましい。つまり、回転部１２の設置スペース及び重量増加をより抑制するために、板厚は、Ｔ２以下に設定される。この場合、回転支持リング３３の剛性は、回転部１２の剛性に対して、８０％以上９０％以下の範囲Ｈ２となる剛性割合に設定されている。回転支持リング３３の剛性割合が範囲Ｈ２である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、１０％以上２０％以下の範囲となる。すなわち、回転支持リング３３の剛性割合が９０％である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、１０％となり、回転支持リング３３の剛性割合が８０％である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、２０％となる。

さらに、本実施形態では、「リング板厚＋ブレード肉厚」の板厚が、最小となるように、回転支持リング３３の剛性割合が設定されることがより好ましい。具体的に、回転支持リング３３の剛性は、回転部１２の剛性に対して、８５％（点Ｈ３）±２％となる剛性割合に設定されている。回転支持リング３３の剛性割合が８５％±２％である場合、複数のブレード３２の剛性割合は、１５％±２％となる。なお、「リング板厚+ブレード肉厚」が最小となる剛性割合は、部品の構成、サイズ、材料によって多少異なり、必ずしも回転支持リング３３の剛性割合が８５％となるわけではないことから、８５％±２％としている。

以上のように、本実施形態によれば、回転部１２に対する回転支持リング３３の剛性割合を、上記の範囲Ｈ１内で設定することができる。これにより、「リング板厚＋ブレード肉厚」の板厚を板厚Ｔ１以下としつつ、遠心力Ｐ１が付与された場合であっても、複数のブレード３２に生じる引張力Ｐ２に対して耐荷重を確保することができ、同様に、回転支持リング３３に生じるフープ応力Ｐ３に対して耐荷重を確保することができる。よって、回転部１２の重量増加を抑制しつつ、遠心力Ｐ１に対する回転部１２の耐荷重を好適に確保することができる。

また、本実施形態によれば、回転部１２に対する回転支持リング３３の剛性割合を、上記の範囲Ｈ２内で設定することにより、「リング板厚＋ブレード肉厚」の板厚をより薄くできることから、回転部１２の重量の軽量化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、回転部１２に対する回転支持リング３３の剛性割合を、上記の点Ｈ３±２％で設定することにより、「リング板厚＋ブレード肉厚」の板厚を最小範囲にできることから、回転部１２の重量を最も軽くすることができる。

また、本実施形態によれば、回転支持リング３３の剛性割合に応じて、複数のブレード３２の剛性割合を、５％以上５０％以下とすることができる。このため、回転支持リング３３の剛性割合に適切な複数のブレード３２の剛性割合とすることができる。よって、ブレード３２の肉厚を、回転支持リング３３の径方向の厚さに応じた適切な厚さにできるため、ブレード３２の重量の増加を抑制することができ、また、ブレード肉厚の抑制もできることから、ブレード３２の重量及び肉厚の設計自由度を高めることができる。

また、本実施形態によれば、回転支持リング３３の径方向の厚さを、複数のブレード３２の肉厚の合計よりも薄くすることができるため、回転支持リング３３の重量の増加を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、遠心力Ｐ１に対して耐荷重のある、耐久性の高いモータ一体型ファン１を機体に搭載した垂直離着陸機を提供することができる。

各実施形態に記載のモータ一体型流体機械（モータ一体型ファン）１及び垂直離着陸機は、例えば、以下のように把握される。

第１の態様に係るモータ一体型流体機械１は、吸込口３８から流体（空気）を吸い込み、吸い込んだ前記流体を吹出口３９から吹き出すモータ一体型流体機械１において、回転軸の中心に設けられる軸部１１と、前記軸部１１を中心に回転する回転部１２と、前記軸部１１の外周に設けられる外周部（ダクト）１３と、前記回転部を回転させるモータ１４と、を備え、前記モータ１４は、前記外周部１３から動力を与えて前記回転部１２を回転させる外周駆動のモータ１４となっており、前記回転部１２は、前記軸部１１に回転自在に支持されるハブ３１と、前記ハブ３１の外周側に設けられ、前記回転軸の周方向において並べて設けられる複数のブレード３２と、複数の前記ブレード３２の外周側に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って環状となる回転外周部（回転支持リング）３３と、を有し、前記モータ１４は、前記回転外周部３３に設けられる回転子側磁石（永久磁石）４５と、前記外周部１３に設けられ、前記回転子側磁石４５に対向して設けられる固定子側磁石（コイル）４６と、を有し、前記回転外周部３３の剛性は、前記回転部１２の剛性に対して、５０％以上９５％以下の剛性割合となっている。

この構成によれば、回転部１２に対する回転外周部３３の剛性割合を、５０％以上９５％以下とすることで、遠心力Ｐ１が付与された場合であっても、複数のブレード３２に生じる引張力Ｐ２に対して耐荷重を確保することができ、同様に、回転外周部３３に生じるフープ応力Ｐ３に対して耐荷重を確保することができる。このとき、回転外周部３３の径方向における厚さと、複数のブレード３２の肉厚とが厚くなることを抑制できる。よって、回転部１２の重量増加を抑制しつつ、遠心力Ｐ１に対する回転部１２の耐荷重を好適に確保することができる。

第２の態様に係るモータ一体型流体機械１において、前記回転外周部３３の剛性は、前記回転部１２の剛性に対して、８０％以上９０％以下の剛性割合となっている。

この構成によれば、回転外周部３３の径方向における厚さと、複数のブレード３２の肉厚との厚さの合計を、より薄くできることから、回転部１２の重量の軽量化を図ることができる。

第３の態様に係るモータ一体型流体機械において、前記回転外周部３３の剛性は、前記回転部１２の剛性に対して、８５％±２％の剛性割合となっている。

この構成によれば、回転外周部３３の径方向における厚さと、複数のブレード３２の肉厚との厚さの合計を、最小範囲にできることから、回転部１２の重量を最も軽くすることができる。

第４の態様に係るモータ一体型流体機械において、前記複数のブレード３２の剛性は、前記回転部１２の剛性に対して、５％以上５０％以下の剛性割合となっている。

この構成によれば、回転外周部３３の剛性割合に適切な複数のブレード３２の剛性割合とすることができる。よって、ブレード３２の肉厚を、回転外周部３３の径方向の厚さに応じた適切な厚さにできるため、ブレード３２の重量の増加を抑制することができる。

第５の態様に係るモータ一体型流体機械において、前記回転外周部３３は、前記回転軸の径方向における板厚が、複数の前記ブレード３２の肉厚の合計よりも薄くなっている。

この構成によれば、回転支持リング３３の重量の増加を抑制することができる。

第６の態様に係る垂直離着陸機は、上記のモータ一体型流体機械１と、前記モータ一体型流体機械１から発生する推力によって移動する機体と、を備える。

この構成によれば、遠心力Ｐ１に対して耐荷重のある、耐久性の高いモータ一体型流体機械１を機体に搭載した垂直離着陸機を提供することができる。

第７の態様に係るモータ一体型流体機械の設計方法は、前記回転部１２に対する前記回転外周部３３の剛性割合を設定するステップＳ１１と、前記剛性割合に基づいて、前記複数のブレード３２が受け持つ遠心力Ｐ１を導出するステップＳ１２と、遠心力Ｐ１に基づいて、前記ブレード３２が耐荷する前記ブレード３２の剛性となるような前記ブレード３２の肉厚を導出するステップＳ１３と、前記剛性割合と前記ブレード３２の剛性とに基づいて、前記回転外周部３３の剛性を導出し、導出した前記回転外周部３３の剛性となるような前記回転外周部３３の板厚を導出するステップＳ１４と、を備える。

この構成によれば、回転部１２に対する回転外周部３３の剛性割合に基づいた、ブレード３２の剛性とすることができる。このため、ブレード３２の剛性を満たすように、ブレード３２の重量及びブレード肉厚を設計することができるため、ブレード３２の設計自由度を高めることができる。

１ モータ一体型ファン
１１ 軸部
１２ 回転部
１３ ダクト
１４ モータ
１５ 転がり軸受
１６ 整流板
３１ ハブ
３２ ブレード
３３ 回転支持リング
３８ 吸込口
３９ 吹出口
４１ ファンブレードロータ
４２ 結合金具
４５ 永久磁石
４６ コイル
５１ 拘束部

Claims (7)

1. 吸込口から流体を吸い込み、吸い込んだ前記流体を吹出口から吹き出すモータ一体型流体機械において、
   回転軸の中心に設けられる軸部と、
   前記軸部を中心に回転する回転部と、
   前記軸部の外周に設けられる外周部と、
   前記回転部を回転させるモータと、を備え、
   前記モータは、前記外周部から動力を与えて前記回転部を回転させる外周駆動のモータとなっており、
   前記回転部は、
   前記軸部に回転自在に支持されるハブと、
   前記ハブの外周側に設けられ、前記回転軸の周方向において並べて設けられる複数のブレードと、
   複数の前記ブレードの外周側に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って環状となる回転外周部と、を有し、
   前記モータは、
   前記回転外周部に設けられる回転子側磁石と、
   前記外周部に設けられ、前記回転子側磁石に対向して設けられる固定子側磁石と、を有し、
   遠心力に対する前記回転外周部の剛性は、遠心力に対する前記回転部の剛性に対して、５０％以上９５％以下の剛性割合となっているモータ一体型流体機械。
2. 前記回転外周部の剛性は、前記回転部の剛性に対して、８０％以上９０％以下の剛性割合となっている請求項１に記載のモータ一体型流体機械。
3. 前記回転外周部の剛性は、前記回転部の剛性に対して、８５％±２％の剛性割合となっている請求項２に記載のモータ一体型流体機械。
4. 前記複数のブレードの剛性は、前記回転部の剛性に対して、５％以上５０％以下の剛性割合となっている請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
5. 前記回転外周部は、前記回転軸の径方向における板厚が、複数の前記ブレードの肉厚の合計よりも薄くなっている請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械と、
   前記モータ一体型流体機械から発生する推力によって移動する機体と、を備える垂直離着陸機。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械の設計方法であって、
   前記回転部に対する前記回転外周部の剛性割合を設定するステップと、
   前記剛性割合に基づいて、前記複数のブレードが受け持つ遠心力を導出するステップと、
   導出した遠心力に基づいて、前記ブレードが耐荷する前記ブレードの剛性となるような前記ブレードの肉厚を導出するステップと、
   前記剛性割合と前記ブレードの剛性とに基づいて、前記回転外周部の剛性を導出し、導出した前記回転外周部の剛性となるような前記回転外周部の板厚を導出するステップと、を備えるモータ一体型流体機械の設計方法。

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