JP7182449B2 - モータ一体型ファン及び垂直離着陸機 - Google Patents

モータ一体型ファン及び垂直離着陸機 Download PDF

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Description

本発明は、冷却流路を備えたモータ一体型ファン及び垂直離着陸機に関するものである。
従来、ＵＡＶ（無人航空機）に設けられるファンにより発生する空気流を用いて、ファンに配置される機器を冷却するＵＡＶの冷却システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。ファンは、ダクテッドファンであり、ファン軸、ファンブレード及びファンモータを有している。この冷却システムでは、ファンブレードにより発生する空気流を利用して、機器を除熱している。
特開２０１０－２３８２５号公報
しかしながら、特許文献１の冷却システムでは、機器の冷却に際し、ファンにより発生する空気流を利用することから、空気流が利用された分、ファンから得られる推力が低減してしまう。なお、機器を空気冷却するために、ファンの外部に送風機を設けることも考えられるが、送風機を設けることで、送風機を作動させるための外部電源も設ける必要があるため、ファン周りの構成が大型化してしまう。
そこで、本発明は、ファン性能の低減を抑制しつつ、発熱部の除熱を好適に行うことができる冷却流路を備えたモータ一体型ファン及び垂直離着陸機を提供することを課題とする。
本発明のモータ一体型ファンは、吸込口から空気を吸い込み、吸い込んだ空気を吹出口から吹き出すモータ一体型ファンにおいて、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、前記モータの作動により発熱する発熱部と、前記発熱部を冷却空気により冷却する冷却部と、を備え、前記冷却部は、前記冷却空気を取り込む空気取込口と、前記冷却空気を排出する空気排出口と、前記空気取込口から前記発熱部を経て前記空気排出口までに至る冷却流路と、を含み、前記空気排出口は、前記空気取込口に比して圧力が負圧となる位置に設けられる。
この構成によれば、空気取込口に対する空気排出口の負圧を利用して、空気取込口から冷却空気を取り込み、発熱部を通過した後の冷却空気を、空気排出口から排出することができる。このため、冷却空気により発熱部の除熱を好適に行うことができる。また、空気取込口に対する空気排出口の負圧を利用することから、ファン性能の低減を抑制することができる。なお、発熱部は、モータであってもよいし、モータ以外のものであってもよく、特に限定されない。
また、前記発熱部及び前記冷却部は、前記外周部に設けられ、前記空気取込口は、前記外周部の外周面に設けられ、前記空気排出口は、前記外周部の内周面に設けられると共に、前記吸込口から前記吹出口へ向かって流れる空気の流れ方向において、前記回転部の上流側に設けられることが、好ましい。
この構成によれば、発熱部が外周部に設けられる場合、冷却部は、大気圧となる外周部の外周面から空気を取り込み、圧力が低くなる回転部の上流側における外周部の内周面から空気を排出することができる。このため、空気取込口と空気排出口との圧力差が大きくなる位置に、空気取込口及び空気排出口を設けることができることから、冷却流路において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、前記発熱部及び前記冷却部は、前記外周部に設けられ、前記空気取込口は、前記外周部の内周面に設けられると共に、前記吸込口から前記吹出口へ向かって流れる空気の流れ方向において、前記回転部の下流側に設けられ、前記空気排出口は、前記外周部の内周面に設けられると共に、前記流れ方向において、前記回転部の上流側に設けられることが、好ましい。
この構成によれば、発熱部が外周部に設けられる場合、冷却部は、外周部の内周面から空気を取り込み、外周部の内周面から空気を排出することができる。このため、外周部の外周面に、空気取込口及び空気排出口を設けることが困難である場合であっても、空気取込口と空気排出口との間に圧力差を生じさせることができるため、冷却流路において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、前記発熱部及び前記冷却部は、前記外周部に設けられ、前記空気取込口は、前記外周部の外周面に設けられ、前記空気排出口は、前記外周部の外周面に設けられると共に、前記空気取込口に比して前記吸込口側に設けられることが、好ましい。
この構成によれば、発熱部が外周部に設けられる場合、冷却部は、外周部の外周面から空気を取り込み、外周部の外周面から空気を排出することができる。このため、外周部の内周面に、空気取込口及び空気排出口を設けることが困難である場合であっても、空気取込口と空気排出口との間に圧力差を生じさせることができるため、冷却流路において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、前記発熱部及び前記冷却部は、前記軸部に設けられ、前記空気取込口は、前記軸部の外周面に設けられると共に、前記吸込口から前記吹出口へ向かって流れる空気の流れ方向において、前記回転部の下流側に設けられ、前記空気排出口は、前記軸部の外周面に設けられると共に、前記流れ方向において、前記回転部の上流側に設けられることが、好ましい。
この構成によれば、発熱部が軸部に設けられる場合、冷却部は、軸部の外周面から空気を取り込み、軸部の外周面から空気を排出することができる。このため、軸部に発熱部がある場合であっても、空気取込口と空気排出口との間に圧力差を生じさせることができるため、冷却流路において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、前記冷却流路は、前記空気取込口から前記空気排出口まで直線状となる流路であることが、好ましい。
この構成によれば、冷却流路を直線状とすることで、冷却流路における圧力損失を抑制することができるため、冷却流路において冷却空気をより好適に流通させることができる。
また、前記空気取込口は、前記空気排出口に比して開口面積が大きいことが、好ましい。
この構成によれば、空気取込口から空気を多く取り込むことができ、また、空気排出口における冷却空気の流速を速くすることができる。
また、前記空気取込口は、複数の孔を含むことが、好ましい。
この構成によれば、複数の孔を形成することで、空気取込口を設けることができる。
また、前記空気取込口は、長手方向に延在するスリットを含むことが、好ましい。
この構成によれば、スリットを形成することで、空気取込口を設けることができる。
また、前記空気排出口は、前記空気排出口が形成される部位の表面から突き出して設けられることが、好ましい。
この構成によれば、空気排出口における空気の流速を速くすることができるため、空気排出口の負圧を大きくすることができる。
また、滞留する前記冷却空気に流れを付与する空力デバイスを、さらに備え、前記空力デバイスは、前記空気取込口、前記空気排出口及び前記冷却流路の少なくともいずれかに設けられることが、好ましい。
この構成によれば、空力デバイスにより、冷却空気を好適に流動させることができるため、冷却空気による冷却効率を高めることができる。
また、前記発熱部からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、前記空力デバイスに電力を供給する熱電変換素子を、さらに備え、前記熱電変換素子は、前記発熱部側に設けられる高温部と、前記高温部に比して低温となる部位に設けられる低温部と、を有することが、好ましい。
この構成によれば、発熱部の熱を利用して、熱電変換素子により電力を発生させて、空力デバイスに供給することができる。このため、外部電源を設ける必要がなく、モータ一体型ファンの構成を簡素化することができる。
本発明の垂直離着陸機は、上記のモータ一体型ファンと、前記モータ一体型ファン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、発熱部が除熱され、ファン性能の低減が抑制されたモータ一体型ファンを用いることができるため、モータ一体型ファンによる推力を適切に得ることができる。
図１は、実施形態１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、実施形態１に係るモータ一体型ファンの変形例に関する部分断面図である。 図３は、実施形態１に係るモータ一体型ファンのダクトに関する一例の説明図である。 図４は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの冷却部に関する一例の説明図である。 図５は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの冷却部に関する一例の説明図である。 図６は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの冷却部に関する一例の説明図である。 図７は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの空気取込口に関する一例の説明図である。 図８は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの空気取込口に関する一例の説明図である。 図９は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの空気排出口に関する一例の説明図である。 図１０は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの空気取込口と空気排出口に関する一例の説明図である。 図１１は、実施形態２に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。 図１２は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの変形例に関する部分断面図である。 図１３は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの軸部に関する一例の説明図である。 図１４は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの冷却部に関する一例の説明図である。 図１５は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの空気取込口と空気排出口に関する一例の説明図である。
以下に、本発明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。
［実施形態１］
実施形態１に係るモータ一体型ファン１は、軸流ファンとなっている。モータ一体型ファン１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。
図１及び図２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、実施形態１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、実施形態１に係るモータ一体型ファンのダクトに関する説明図である。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、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、冷却部１７と、空力デバイス１８と、熱電変換素子１９と、制御部２０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いるため、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いる。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。
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、軸部１１の一部を構成している。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、翼形状となっている。複数のブレード３２は、回転軸Ｉの軸方向に直交する流入側の端部によって、回転することにより形成される面が回転面Ｐとなっている。
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は、後述する外周部１３の内周面の一部を構成する部位である内環部３３ａと、内環部３３ａの径方向外側に突出して設けられる部位であるフランジ部３３ｂとを含んでいる。内環部３３ａは、径方向内側の内周面が、外周部１３の内周面の一部となっている。また、内環部３３ａの内周面には、各ブレード３２の径方向外側の端部が溶接等によって接合されている。フランジ部３３ｂは、内環部３３ａの軸方向の上流側に設けられている。フランジ部３３ｂは、後述するモータ１４の永久磁石４５を保持している。フランジ部３３ｂは、永久磁石４５が軸方向の下流側を向くように、永久磁石４５を保持している。
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とが一体に接合されており、ハブ３１を中心に回転する。
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。
ダクト１３は、その内部に、回転部１２の回転支持リング３３のフランジ部３３ｂ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と対向する位置に設けられるコイル４６を保持している。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。
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、コイル（電磁石）４６となっている。なお、実施形態１では、支持系にコイル４６を設けることで、コイル４６周りの配線等の取り回しに係る構成を簡易な構成としたが、この構成に特に限定されない。回転子側磁石をコイルとしてもよいし、固定子側磁石を永久磁石４５としてもよい。
永久磁石４５は、回転支持リング３３のフランジ部３３ｂ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。永久磁石４５は、回転軸Ｉの軸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の軸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の軸方向に対向させて配置したアキシャル配置となっている。
なお、永久磁石４５及びコイル４６を、回転軸Ｉの軸方向に対向させて配置したアキシャル配置としているが、図２に示す変形例としてもよい。図２は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの変形例に関する部分断面図である。図２に示す変形例では、永久磁石４５及びコイル４６を、回転軸Ｉの径方向に対向させて配置させたラジアル配置となっている。
永久磁石４５を保持する回転支持リング３３は、フランジ部３３ｂを省いた構成となっており、内環部３３ａの外周側において、永久磁石４５を保持している。
永久磁石４５は、回転支持リング３３の内環部３３ａの外周側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。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。このように、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してもよい。
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。
次に、図３を参照して、冷却部１７について説明する。なお、図３から図９では、モータ１４の永久磁石４５及びコイル４６がラジアル配置である場合に適用して説明する。冷却部１７は、モータ１４の作動により発熱する発熱部を冷却空気により冷却するものである。発熱部は、例えば、モータ１４のコイル４６である。なお、図２では、コイル４６を簡略化して図示しているため、実際の位置とは異なっている。コイル４６は、ダクト１３の内部に設けられていることから、冷却部１７は、コイル４６を冷却すべく、ダクト１３に設けられている。
冷却部１７は、冷却空気を取り込む空気取込口５１と、冷却空気を排出する空気排出口５２と、空気取込口５１から空気排出口５２までに至る冷却流路５３と、を含む。
空気取込口５１は、ダクト１３の外周面に形成されている。空気取込口５１は、回転軸Ｉの軸方向において、回転部１２よりも下流側（吹出口３９側）に設けられている。空気取込口５１が形成される部位周りの圧力は、大気圧となっている。
空気排出口５２は、ダクトの内周面に形成されている。空気排出口５２は、吸込口３８から吹出口３９へ向かって流れる空気の流れ方向において、回転部１２の上流側に設けられる。空気排出口５２が形成される部位周りの圧力は、空気取込口５１周りの圧力よりも負圧となっている。つまり、空気排出口５２が形成される部位周りの圧力は、大気圧よりも小さい圧力となっている。
また、空気取込口５１は、空気排出口５２に比して開口面積が大きくなるように形成されている。言い換えれば、空気排出口５２は、空気取込口５１に比して開口面積が小さくなるように形成されている。
冷却流路５３は、空気取込口５１からコイル４６に至る流路５３ａと、コイル４６が配置されるダクト１３の内部空間５３ｂと、コイル４６から空気排出口５２に至る流路５３ｃと、を含む。冷却流路５３は、空気取込口５１から取り込まれた空気を、冷却空気として内部空間５３ｂへ案内し、内部空間５３ｂへ冷却空気を導入すると共に、内部空間５３ｂの冷却空気を、空気排出口５２へ向けて案内する。
このような、冷却部１７は、空気取込口５１から空気を取り込み、内部空間５３ｂにおいて冷却空気をコイル４６に吹き当て、コイル４６に吹き当てた冷却空気を空気排出口５２から排出することで、コイル４６の除熱を行う。
空力デバイス１８は、滞留する冷却空気に流れを付与するものである。例えば、空力デバイス１８は、プラズマアクチュエータ、シンセティックジェット、ボルテックスジェネレータ等がある。空力デバイス１８は、空気取込口５１、空気排出口５２及び冷却流路５３に設けられる。なお、実施形態１では、空力デバイス１８は、空気取込口５１、空気排出口５２及び冷却流路５３に設けたが、空気取込口５１、空気排出口５２及び冷却流路５３の少なくともいずれかに設ければよく、特に限定されない。
空気取込口５１に設けられる空力デバイス１８は、例えば、プラズマアクチュエータが適用され、空気取込口５１に向かって空気が流れ込むように設けられる。具体的に、空力デバイス１８は、空気取込口５１近傍のダクト１３の外周面に設けられる。なお、空気取込口５１に設けられる空力デバイス１８は、空気取込口５１近傍の冷却流路５３の流路５３ａに設けてもよい。
空気排出口５２に設けられる空力デバイス１８は、例えば、プラズマアクチュエータが適用され、空気排出口５２から空気が排出されるように設けられる。具体的に、空力デバイス１８は、空気排出口５２近傍のダクト１３の内周面に設けられる。なお、空気排出口５２に設けられる空力デバイス１８は、空気排出口５２近傍の冷却流路５３の流路５３ｃに設けてもよい。
内部空間５３ｂに設けられる空力デバイス１８は、例えば、プラズマアクチュエータ及びシンセティックジェットが適用され、流路５３ａから流路５３ｃに冷却空気が流れるように設けられる。具体的に、空力デバイス１８は、内部空間の内面に設けられると共に、内部空間に滞留する冷却空気の澱み点に設けられる。
熱電変換素子１９は、ダクト１３に設けられ、コイル４６から発生する熱を利用して、電力を発生している。熱電変換素子１９は、コイル４６からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、空力デバイス１８に電力を供給している。熱電変換素子１９は、コイル４６側に設けられる高温部と、高温部に比して低温となる部位に設けられる低温部と、を有する。具体的に、熱電変換素子１９は、低温部がダクト１３の外周面に位置して設けられ、高温部がコイル４６に対向して設けられている。そして、高温部とコイル４６との間には、伝熱部材５５が設けられ、熱電変換素子１９の高温部には、伝熱部材５５を介してコイル４６の熱が入熱される。なお、熱電変換素子１９は、生成した電力を制御部２０に出力する構成としてもよく、この場合、制御部２０から空力デバイス１８に電力を供給してもよい。
制御部２０は、モータ一体型ファン１の各部に接続され、各部を制御することで、モータ一体型ファン１を制御している。制御部２０は、コイル４６に接続されている。制御部２０は、コイル４６の磁界を制御することで、回転部１２の回転を制御している。また、制御部２０は、空力デバイス１８に接続されている。制御部２０は、空力デバイス１８の作動を制御している。
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。
また、回転部１２が回転すると、空気排出口５２を沿って流れる空気の流速が速くなることで、空気排出口５２周りの圧力が大気圧よりも小さくなる。すると、空気取込口５１に比して空気排出口５２が負圧となることから、冷却部１７は、空気取込口５１から空気を取り込むと共に、取り込んだ空気を冷却空気として、冷却流路５３を流通させる。冷却流路５３を流れる冷却空気は、内部空間５３ｂにおいてコイル４６に吹き当たる。コイル４６に吹き当てられた冷却空気は、空気排出口５２から排出される。これにより、冷却部１７は、コイル４６を冷却空気により除熱する。
次に、図４から図６を参照して、冷却部１７の他の一例について説明する。図４から図６は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの冷却部に関する一例の説明図である。図４に示す冷却部１７は、冷却流路５３が、空気取込口５１から空気排出口５２へ向かって直線状に形成されている。また、直線状となる冷却流路５３は、内部空間５３ｂにおいてコイル４６と交差するように形成される。
このため、図４に示す冷却部１７では、冷却流路５３が直線状となっていることから、冷却空気が円滑に流通するため、冷却流路５３における圧力損失を低減することができる。
図５に示す冷却部１７は、図３に示す空気取込口５１が、ダクト１３の内周面に形成されている。空気取込口５１は、吸込口３８から吹出口３９へ向かって流れる空気の流れ方向において、回転部１２の下流側に設けられる。空気取込口５１が形成される部位周りの圧力は、空気排出口５２周りの圧力よりも正圧となっている。つまり、空気取込口５１が形成される部位周りの圧力は、空気排出口５２周りの圧力よりも大きい圧力となっている。
このため、図５に示す冷却部１７では、空気取込口５１に比して空気排出口５２が負圧となる。このため、冷却部１７は、空気取込口５１から空気を取り込むと共に、取り込んだ空気を冷却空気として、冷却流路５３を流通させる。
図６に示す冷却部１７は、図３に示す空気排出口５２が、ダクト１３の外周面に形成されている。空気排出口５２は、空気取込口５１に比して吸込口３８側に設けられる。空気排出口５２が形成される部位周りの圧力は、空気取込口５１周りの圧力よりも負圧となっている。つまり、空気排出口５２が形成される部位周りの圧力は、空気取込口５１周りの圧力よりも小さい圧力となっている。
このため、図６に示す冷却部１７では、空気取込口５１に比して空気排出口５２が負圧となる。このため、冷却部１７は、空気取込口５１から空気を取り込むと共に、取り込んだ空気を冷却空気として、冷却流路５３を流通させる。
次に、図７及び図８を参照して、冷却部１７の空気取込口５１の他の一例について説明する。図７及び図８は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの空気取込口に関する一例の説明図である。
図７に示す空気取込口５１は、複数の孔５１ａを含む構成となっている。孔５１ａは、ダクト１３の外周面に形成されると共に、周方向に亘って並んで形成されている。孔５１ａは、周方向に一列、または、複数列形成されている。孔５１ａが周方向に複数列形成される場合、複数の孔５１ａは、周方向に沿って千鳥状に配置される。
図８に示す空気取込口５１は、長手方向に延在するスリット５１ｂを含む構成となっている。スリット５１ｂは、ダクト１３の外周面に形成されると共に、周方向が長手方向となるように形成されている。スリット５１ｂは、周方向に並んで形成されている。スリット５１ｂは、周方向に一列、または、複数列形成されている。スリット５１ｂが周方向に複数列形成される場合、複数のスリット５１ｂは、周方向に沿って千鳥状に配置される。
次に、図９を参照して、冷却部１７の空気排出口５２の他の一例について説明する。図９は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの空気排出口に関する一例の説明図である。図９に示す空気排出口５２は、空気排出口５２が形成される部位の表面から突き出して設けられる。つまり、空気排出口５２がダクト１３の内周面に形成される場合、空気排出口５２は、ダクト１３の内周面から突き出して形成される。また、空気排出口５２がダクト１３の外周面に形成される場合、空気排出口５２は、ダクト１３の外周面から突き出して形成される。このとき、空気排出口５２は、例えば、ノズル型であってもよいし、ライン型であってもよいし、アネモ型であってもよく、形状は、特に限定されない。
次に、図１０を参照して、冷却部１７の他の一例について説明する。図１０に示す冷却部１７は、図１０に示すように、冷却流路５３を直線状としない場合の構成である。図１０に示す冷却部１７は、冷却流路５３が、空気取込口５１から空気排出口５２へ向かって湾曲するように形成されている。湾曲する冷却流路５３には、空気取込口５１から取り込んだ冷却空気を案内する通気ガイド５８が設けられている。通気ガイド５８は、空気取込口５１からコイル４６へ向かって冷却空気を案内すると共に、コイル４６から空気排出口５２へ向かって冷却空気を案内している。
以上のように、実施形態１によれば、空気取込口５１に対する空気排出口５２の負圧を利用して、空気取込口５１から冷却空気を取り込み、発熱部であるコイル４６を通過した後の冷却空気を、空気排出口５２から排出することができる。このため、冷却空気によりコイル４６の除熱を好適に行うことができる。また、空気取込口５１に対する空気排出口５２の負圧を利用することから、モータ一体型ファン１のファン性能の低減を抑制することができる。
また、実施形態１によれば、コイル４６がダクト１３に設けられる場合、図２に示す冷却部１７は、大気圧となるダクト１３の外周面から空気を取り込み、圧力が低くなる回転部１２の上流側におけるダクト１３の内周面から空気を排出することができる。このため、空気取込口５１と空気排出口５２との圧力差が大きくなる位置に、空気取込口５１及び空気排出口５２を設けることができることから、冷却流路５３において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、実施形態１によれば、コイル４６がダクト１３に設けられる場合、図４に示す冷却部１７は、ダクト１３の内周面から空気を取り込み、ダクト１３の内周面から空気を排出することができる。このため、ダクト１３の外周面に、空気取込口５１及び空気排出口５２を設けることが困難である場合であっても、空気取込口５１と空気排出口５２との間に圧力差を生じさせることができるため、冷却流路５３において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、実施形態１によれば、コイル４６がダクト１３に設けられる場合、図５に示す冷却部１７は、ダクト１３の外周面から空気を取り込み、ダクト１３の外周面から空気を排出することができる。このため、ダクト１３の内周面に、空気取込口５１及び空気排出口５２を設けることが困難である場合であっても、空気取込口５１と空気排出口５２との間に圧力差を生じさせることができるため、冷却流路５３において冷却空気を好適に流通させることができる。
また、実施形態１によれば、図３に示すように、冷却流路５３を直線状とすることで、冷却流路５３における圧力損失を抑制することができるため、冷却流路５３において冷却空気をより好適に流通させることができる。
また、実施形態１によれば、空気取込口５１を空気排出口５２に比して開口面積を大きくすることで、空気取込口５１から空気を多く取り込むことができ、また、空気排出口５２における冷却空気の流速を速くすることができる。
また、実施形態１によれば、複数の孔５１ａを形成して、空気取込口５１を設けたり、スリット５１ｂを形成して、空気取込口５１を設けたりすることができる。
また、実施形態１によれば、図８に示すように、空気排出口５２を、ダクト１３の内周面または外周面から突き出して設けることで、空気排出口５２における空気の流速を速くすることができるため、空気排出口５２の負圧を大きくすることができる。
また、実施形態１によれば、図１０に示すように、冷却流路５３内に通気ガイド５８を設けることで、冷却空気を、空気取込口５１からコイル４６へ向けて、また、コイル４６から空気排出口５２へ向けて、適切に案内することができる。このため、冷却流路５３において冷却空気をより好適に流通させることができる。
また、実施形態１によれば、空力デバイス１８を設けることにより、冷却空気を好適に流動させることができるため、冷却空気による冷却効率を高めることができる。
また、実施形態１によれば、コイル４６の熱を利用して、熱電変換素子１９により電力を発生させて、空力デバイス１８に供給することができる。このため、外部電源を設ける必要がなく、モータ一体型ファン１の構成を簡素化することができる。
また、実施形態１によれば、上記のモータ一体型ファン１を機体に搭載した垂直離着陸機は、コイル４６が除熱され、ファン性能の低減が抑制されたモータ一体型ファン１を用いることができるため、モータ一体型ファン１による推力を適切に得ることができる。
なお、実施形態１では、発熱部としてモータ１４のコイル４６を適用したが、コイル４６以外のものであってもよく、モータ１４を作動させることにより発生する発熱部であれば、特に限定されない。
［実施形態２］
次に、図１１から図１５を参照して、実施形態２に係るモータ一体型ファン６０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図１１は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの軸部に関する一例の説明図である。図１２は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの変形例に関する部分断面図である。図１３は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの軸部に関する一例の説明図である。図１４は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの冷却部に関する一例の説明図である。図１５は、実施形態２に係るモータ一体型ファンの空気取込口と空気排出口に関する一例の説明である。
実施形態１のモータ一体型ファン１は、モータ１４が外周駆動となるモータであったが、実施形態２のモータ一体型ファン６０は、モータ６４が内周駆動となるモータとなっている。このため、実施形態２のモータ一体型ファン６０は、内周駆動となるモータ６４のコイル４６を、冷却部６７によって冷却している。
実施形態２のモータ一体型ファン６０は、軸部６１と、回転部６２と、ダクト６３と、モータ６４と、転がり軸受６５と、整流板６６と、冷却部６７と、空力デバイス６８と、熱電変換素子６９と、制御部７０とを備えている。なお、転がり軸受６５、整流板６６、空力デバイス６８、熱電変換素子６９及び制御部７０は、実施形態１とほぼ同様であるため、説明を省略する。
軸部６１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。軸部６１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７５と、軸側嵌合部７５の下流側に設けられる部位となる軸本体７６とを有している。
軸側嵌合部７５は、後述する回転部６２の回転支持リング８３が嵌め合わされる。軸側嵌合部７５は、円柱形状となっており、軸本体７６の上流側の端面において、回転軸Ｉの中心から軸方向の上流側に突出して設けられている。軸側嵌合部７５の外周側は、回転部６２の回転支持リング８３によって取り囲まれている。
軸本体７６は、軸方向の上流側から下流側に向かって凸となる半球形状となっている。このため、軸本体７６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。また、軸本体７６は、軸方向の上流側の端面において、軸側嵌合部７５の外周側の位置に、コイル４６を保持している。なお、軸本体７６の内部には、実施形態１と同様に、機器を設置可能な内部空間を形成してもよい。
回転部６２は、軸部６１を中心に回転する回転系（回転側）となっている。回転部６２は、回転軸Ｉの軸方向において、軸部６１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６２は、ハブ８１と、複数のブレード８２と、回転支持リング８３と、を有している。
ハブ８１は、軸部６１の軸方向の上流側に設けられており、軸部６１の一部を構成している。ハブ３１は、上流側の端面が所定の曲率半径となる球面に形成されている。
回転支持リング８３は、ハブ８１の軸方向の下流側に設けられ、ハブ８１と一体となっている。回転支持リング８３は、軸側嵌合部７５に回転自在に嵌め合わされる。回転支持リング８３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８３は、径方向外側に設けられる外環部８３ａと、外環部８３ａの径方向内側に突出して設けられる部位であるフランジ部８３ｂと、フランジ部８３ｂの径方向内側に設けられる部位である内環部８３ｃとを含んでいる。外環部８３ａは、円筒形状となっており、軸部６１の外周面に対して段差のない滑らかな外周面を有している。外環部８３ａの外周面には、各ブレード８２の径方向内側の端部が溶接等によって接合されている。フランジ部８３ｂは、外環部８３ａの軸方向の上流側に設けられている。フランジ部８３ｂは、後述するモータ６４の永久磁石４５を保持している。フランジ部８３ｂは、永久磁石４５が軸方向の下流側を向くように、永久磁石４５を保持している。内環部８３ｃは、円筒形状となっており、軸側嵌合部７５を取り囲むように設けられている。内環部８３ｃは、その内周面が軸側嵌合部７５の外周面と対向する。このとき、軸部６１の軸側嵌合部７５の外周面と、回転支持リング８３の内環部８３ｃの内周面との間には、転がり軸受６５が設けられる。
複数のブレード８２は、回転支持リング８３の外周面に接続される。複数のブレード８２は、回転支持リング８３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８２は、翼形状となっている。また、各ブレード８２は、径方向内側の端部が回転支持リング８３の外周面に接続される一方で、径方向外側の端部が自由端となっている。
ダクト６３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。ダクト６３は、円環形状に形成され、回転部６２の回転によって推力を生じさせるダクトとなっている。ダクト６３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。
モータ６４は、軸部６１側から回転部６２へ向けて動力を与えることにより、回転部６２を回転させる内周駆動のモータとなっている。モータ６４は、回転部６２側に設けられる回転子側磁石と、軸部６１側に設けられる固定子側磁石とを有している。実施形態２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、コイル（電磁石）４６となっている。なお、実施形態２では、支持系にコイル４６を設けることで、コイル４６周りの配線等の取り回しに係る構成を簡易な構成としたが、この構成に特に限定されない。回転子側磁石をコイルとしてもよいし、固定子側磁石を永久磁石４５としてもよい。
永久磁石４５は、回転支持リング８３のフランジ部８３ｂ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。なお、永久磁石４５のその他の構成については、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
コイル４６は、軸部６１の軸本体７６における上流側の端面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。なお、コイル４６のその他の構成についても、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
なお、実施形態２では、永久磁石４５及びコイル４６を、回転軸Ｉの軸方向に対向させて配置したアキシャル配置としているが、図１２に示す変形例としてもよい。図１２に示す変形例では、永久磁石４５及びコイル４６を、回転軸Ｉの径方向に対向させて配置させたラジアル配置となっている。
永久磁石４５は、回転支持リング８３の内環部８３ｃの外周側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。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、軸部６１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６２に保持される永久磁石４５と対向する位置に設けられる。このように、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してもよい。
次に、図１３を参照して、冷却部６７について説明する。なお、図１３から図１５では、モータ１４の永久磁石４５及びコイル４６がラジアル配置である場合に適用して説明する。冷却部６７は、モータ６４の作動により発熱する発熱部を冷却空気により冷却するものである。発熱部は、例えば、モータ６４のコイル４６である。なお、図１３では、コイル４６を簡略化して図示しているため、実際の位置とは異なっている。コイル４６は、軸部６１の軸本体７６における上流側の端面に設けられていることから、冷却部６７は、コイル４６を冷却すべく、軸部６１から回転部６２のハブ８１に至る部位に設けられている。
冷却部６７は、冷却空気を取り込む空気取込口９１と、冷却空気を排出する空気排出口９２と、空気取込口９１から空気排出口９２までに至る冷却流路９３と、を含む。
空気取込口９１は、軸部６１の外周面に形成されている。空気取込口９１は、回転軸Ｉの軸方向において、回転部６２よりも下流側（吹出口３９側）に設けられている。
空気排出口９２は、軸部６１の一部を構成するハブ８１の外周面に形成されている。空気排出口９２は、吸込口３８から吹出口３９へ向かって流れる空気の流れ方向において、回転部６２の上流側に設けられる。空気排出口９２が形成される部位周りの圧力は、空気取込口９１周りの圧力よりも負圧となっている。
冷却流路９３は、空気取込口９１からコイル４６に至る流路９３ａと、コイル４６が配置される軸部６１の内部空間９３ｂと、コイル４６から空気排出口９２に至る流路９３ｃと、を含む。冷却流路９３は、空気取込口９１から取り込まれた空気を、冷却空気として内部空間９３ｂへ案内し、内部空間９３ｂへ冷却空気を導入すると共に、内部空間９３ｂの冷却空気を、空気排出口９２へ向けて案内する。
このような、冷却部６７は、空気取込口９１から空気を取り込み、内部空間９３ｂにおいて冷却空気をコイル４６に吹き当て、コイル４６に吹き当てた冷却空気を空気排出口９２から排出することで、コイル４６の除熱を行う。
モータ一体型ファン６０は、モータ６４により、軸部６１側から回転部６２へ磁界による動力を与えることで、回転部６２が回転する。モータ一体型ファン６０は、回転部６２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６２から吹き出された空気は、ダクト６３の内周面に沿って流れることで、推力を発生させる。
また、回転部６２が回転すると、空気排出口９２を沿って流れる空気の流速が速くなることで、空気排出口９２周りの圧力が、空気取込口９１に比して負圧となる。このため、冷却部６７は、空気取込口９１から空気を取り込むと共に、取り込んだ空気を冷却空気として、冷却流路９３を流通させる。冷却流路９３を流れる冷却空気は、内部空間９３ｂにおいてコイル４６に吹き当たる。コイル４６に吹き当てられた冷却空気は、空気排出口９２から排出される。これにより、冷却部６７は、コイル４６を冷却空気により除熱する。
次に、図１４及び図１５を参照して、冷却部６７の他の一例について説明する。図１４に示す冷却部６７は、冷却流路９３が、空気取込口９１から空気排出口９２へ向かって直線状に形成されている。また、直線状となる冷却流路９３は、内部空間９３ｂにおいてコイル４６と交差するように形成される。また、冷却流路９３は、軸部６１に複数形成され、複数の冷却流路９３は、流路９３ａにおいて交差して形成される。このとき、複数の冷却流路９３は、交差する流路９３ａにおいて、連通する構成であってもよいし、非連通となる構成（連通しない構成）であってもよく、特に限定されない。
このため、図１４に示す冷却部６７では、冷却流路９３が直線状となっていることから、冷却空気が円滑に流通するため、冷却流路９３における圧力損失を低減することができる。
図１５に示す冷却部６７は、図１５に示すように、冷却流路９３を直線状としない場合の構成である。図１５に示す冷却部６７は、冷却流路９３が、空気取込口９１から空気排出口９２へ向かって湾曲するように形成されている。湾曲する冷却流路９３には、空気取込口９１から取り込んだ冷却空気を案内する通気ガイド９５が設けられている。通気ガイド９５は、空気取込口９１からコイル４６へ向かって冷却空気を案内すると共に、コイル４６から空気排出口９２へ向かって冷却空気を案内している。
以上のように、実施形態２によれば、コイル４６が軸部６１に設けられる場合、空気取込口９１に対する空気排出口９２の負圧を利用して、空気取込口９１から冷却空気を取り込み、発熱部であるコイル４６を通過した後の冷却空気を、空気排出口９２から排出することができる。このため、冷却空気によりコイル４６の除熱を好適に行うことができる。また、空気取込口９１に対する空気排出口９２の負圧を利用することから、モータ一体型ファン６０のファン性能の低減を抑制することができる。
また、実施形態２によれば、図１４に示すように、冷却流路９３を直線状とすることで、冷却流路９３における圧力損失を抑制することができるため、冷却流路９３において冷却空気をより好適に流通させることができる。
また、実施形態２によれば、図１５に示すように、冷却流路９３内に通気ガイド９５を設けることで、冷却空気を、空気取込口９１からコイル４６へ向けて、また、コイル４６から空気排出口９２へ向けて、適切に案内することができる。このため、冷却流路９３において冷却空気をより好適に流通させることができる。
１ モータ一体型ファン（実施形態１）
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
１７ 冷却部
１８ 空力デバイス
１９ 熱電変換素子
２０ 制御部
３１ ハブ
３２ ブレード
３３ 回転支持リング
３８ 吸込口
３９ 吹出口
４５ 永久磁石
４６ コイル
５１ 空気取込口
５２ 空気排出口
５３ 冷却流路
５５ 伝熱部材
６０ モータ一体型ファン（実施形態２）
６１ 軸部
６２ 回転部
６３ ダクト
６４ モータ
６５ 転がり軸受
６６ 整流板
６７ 冷却部
６８ 空力デバイス
６９ 熱電変換素子
７０ 制御部
８１ ハブ
８２ ブレード
８３ 回転支持リング
９１ 空気取込口
９２ 空気排出口
９３ 冷却流路
９５ 通気ガイド

Claims (9)

  1. 吸込口から空気を吸い込み、吸い込んだ空気を吹出口から吹き出すモータ一体型ファンにおいて、
    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、
    前記モータの作動により発熱する発熱部と、
    前記発熱部を冷却空気により冷却する冷却部と、を備え、
    前記冷却部は、
    前記冷却空気を取り込む空気取込口と、
    前記冷却空気を排出する空気排出口と、
    前記空気取込口から前記発熱部を経て前記空気排出口までに至る冷却流路と、を含み、
    前記空気排出口は、前記空気取込口に比して圧力が負圧となる位置に設けられ、
    前記発熱部及び前記冷却部は、前記外周部に設けられ、
    前記空気取込口は、前記外周部の外周面に設けられ、
    前記空気排出口は、前記外周部の外周面に設けられると共に、前記空気取込口に比して前記吸込口側に設けられるモータ一体型ファン。
  2. 前記冷却流路は、前記空気取込口から前記空気排出口まで直線状となる流路である請求項１に記載のモータ一体型ファン。
  3. 前記空気取込口は、前記空気排出口に比して開口面積が大きい請求項１または２に記載のモータ一体型ファン。
  4. 前記空気取込口は、複数の孔を含む請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ一体型ファン。
  5. 前記空気取込口は、長手方向に延在するスリットを含む請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ一体型ファン。
  6. 前記空気排出口は、前記空気排出口が形成される部位の表面から突き出して設けられる請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ一体型ファン。
  7. 滞留する前記冷却空気に流れを付与する空力デバイスを、さらに備え、
    前記空力デバイスは、前記空気取込口、前記空気排出口及び前記冷却流路の少なくともいずれかに設けられる請求項１から６のいずれか１項に記載のモータ一体型ファン。
  8. 前記発熱部からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、前記空力デバイスに電力を供給する熱電変換素子を、さらに備え、
    前記熱電変換素子は、前記発熱部側に設けられる高温部と、前記高温部に比して低温となる部位に設けられる低温部と、を有する請求項７に記載のモータ一体型ファン。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のモータ一体型ファンと、
    前記モータ一体型ファン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。
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