WO2019189442A1

WO2019189442A1 - 回転翼装置

Info

Publication number: WO2019189442A1
Application number: PCT/JP2019/013321
Authority: WO
Inventors: 大介小笠原; 哲梶川; 祐輔牧野
Original assignee: 日本電産株式会社
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-10-03
Also published as: CN111971878A; US20200412204A1

Abstract

中心軸回りに回転するロータを有するモータ本体と、ロータに連結され、モータ本体から軸方向一方側へ突出する出力部と、を有するモータと、出力部の軸方向一方側の端部に固定されるプロペラと、を備え、プロペラは、モータ本体の軸方向一方側を向く面と対向する径方向内側の部分に、軸方向と直交する方向に広がる平坦部を有し、平坦部とモータ本体との間に、出力部に固定されるファンを有し、ファンの少なくとも１枚の羽根は、プロペラと隙間を介して軸方向に対向する、回転翼装置。

Description

回転翼装置

　本発明は、回転翼装置に関する。

　従来から、プロペラとプロペラを駆動するモータとを備える装置において、発熱源であるモータを冷却する構造が知られている。例えば特許文献１には、アウターロータ型のモータにおいて、開口部から内部へ空気を流通させる構成が開示されている。

日本国公開公報特開２０１２－１９６１１４号公報

　回転翼装置においては、プロペラの中心軸付近は、モータとの干渉を避けるために、捩れがなく風を起こさない平坦面とされる。そのため、プロペラによって発生する風はモータにはほとんど当たらず、モータの冷却への寄与は少なかった。

　本発明の一態様は、プロペラの風を冷却に利用し、冷却効率を向上させた回転翼装置を提供することを目的の一つとする。

　本発明の１つの態様によれば、中心軸回りに回転するロータを有するモータ本体と、前記ロータに連結され、前記モータ本体から軸方向一方側へ突出する出力部と、を有するモータと、前記出力部の軸方向一方側の端部に固定されるプロペラと、を備え、前記プロペラは、前記モータ本体の軸方向一方側を向く面と対向する径方向内側の部分に、軸方向と直交する方向に広がる平坦部を有し、前記平坦部と前記モータ本体との間に、前記出力部に固定されるファンを有し、前記ファンの少なくとも１枚の羽根は、前記プロペラと隙間を介して軸方向に対向する、回転翼装置が提供される。

　本発明の態様によれば、プロペラの風を冷却に利用し、冷却効率を向上させた回転翼装置が提供される。

図１は、実施形態の回転翼装置を示す斜視図である。図２は、実施形態の回転翼装置の断面図である。図３は、実施形態の回転翼装置における動作時の気流分布を示す図である。図４は、比較のために回転翼装置においてファンを省略した構成の動作時の気流分布を示す図である。図５は、変形例の回転翼装置を示す図である。図６は、変形例の回転翼装置における動作時の気流分布を示す図である。

　以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

　図１は、本実施形態の回転翼装置を示す斜視図である。図２は、本実施形態の回転翼装置の断面図である。

　以下の説明において、図１および図２に示す中心軸Ｊの延びる方向を上下方向とする。中心軸Ｊの軸方向一方側を単に「上側」と呼び、軸方向他方側を単に「下側」と呼ぶ。なお、上下方向は、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係や方向を限定しない。また、中心軸Ｊに平行な方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。

　本明細書において、軸方向に延びる、とは、厳密に軸方向に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。径方向に延びる、とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。

　図１に示すように、回転翼装置１は、モータ１０と、プロペラ２と、ファン７５と、を備える。モータ１０は、モータ本体１０Ａと、モータ本体１０Ａのシャフト２１に連結される出力部７０とを有する。プロペラ２は、出力部７０の上端に固定される。ファン７５は、出力部７０の側面に固定される。モータ本体１０Ａは、図２に示すように、ハウジング１１と、ベアリングホルダ４０と、ベアリング２３，２４と、ロータ２０と、ステータ３０と、を備える。

　ハウジング１１は、頂壁部１１ａを有し、下側に開口する円筒状である。頂壁部１１ａは、プロペラ２と軸方向に対向する。ハウジング１１は、軸方向に見て、頂壁部１１ａの中央部にベアリング２３を保持する筒状部１１ｂを有する。ベアリング２３は、筒状部１１ｂの内側に配置される。筒状部１１ｂは、ハウジング１１の頂壁部１１ａよりも上側へ突出する。

　ハウジング１１は、側面から径方向外側へ放射状に延びる複数の板状の側面フィン１５を有する。各々の側面フィン１５は、ハウジング１１の側面の上端部から下端部にわたって上下方向に延びる。頂壁部１１ａは、頂壁部１１ａの上面から上側に突出する複数の柱状の上面フィン１６を有する。上面フィン１６は、筒状部１１ｂを周方向に囲む円環状の領域に配置される。

　ベアリングホルダ４０は、ハウジング１１の下側の開口部に固定される。ベアリングホルダ４０は、上側に開口する円筒状のホルダ筒部４１を有する。ベアリングホルダ４０は、ホルダ筒部４１においてベアリング２４を保持する。ハウジング１１とベアリングホルダ４０とによって囲まれた内部空間には、ロータ２０、ステータ３０、バスバーホルダ５０、および回路基板８０が収容される。

　ロータ２０は、シャフト２１と、ロータ本体２２と、を有する。シャフト２１は、中心軸Ｊに沿って配置される。シャフト２１は、中心軸Ｊを中心とする円柱状である。シャフト２１は、ベアリング２３，２４によって中心軸Ｊ回りに回転可能に支持される。シャフト２１の上側の端部は、ハウジング１１の頂壁部１１ａに設けられる孔を介して、ハウジング１１の外部に突出する。ロータ本体２２は、シャフト２１の外周面に固定されるロータコア２２ａと、ロータコア２２ａの外周面に固定されるロータマグネット２２ｂと、を有する。

　ステータ３０は、ロータ２０と隙間を介して径方向に対向する。ステータ３０は、ステータコア３１と、インシュレータ３４と、複数のコイル３５と、を有する。ステータコア３１は、ロータ本体２２の径方向外側においてロータ本体２２を囲む環状である。ステータコア３１は、コアバック３２と、複数のティース３３と、を有する。コアバック３２は、中心軸Ｊを中心とする円環状である。ティース３３は、コアバック３２から径方向内側に突出する。複数のティース３３は、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置される。

　インシュレータ３４は、コイル３５とステータコア３１とを絶縁する部材である。インシュレータ３４は、複数のティース３３のそれぞれに装着される。複数のコイル３５は、インシュレータ３４を介して、複数のティース３３のそれぞれに装着される。本実施形態の場合、コイル３５は、ステータコア３１およびインシュレータ３４とともに樹脂モールドされる。モールド樹脂の上側の端面は、頂壁部１１ａの下面に接触する。すなわち、コイル３５と頂壁部１１ａは、モールド樹脂により熱的に接続される。コイル３５において発生する熱の一部は、樹脂モールドおよび頂壁部１１ａを介して上面フィン１６に伝わり、上面フィン１６から放熱される。

　バスバーホルダ５０は、ステータ３０の下側に配置される。バスバーホルダ５０は、複数のバスバー５１を保持する。バスバー５１は、複数のコイル３５から延びる引出線に接続される。　回路基板８０は、径方向に拡がる板状である。回路基板８０は、ステータ３０の下側に配置される。本実施形態において回路基板８０は、ホルダ筒部４１の径方向外側に配置される。回路基板８０は、複数のホールセンサ８１を有する。ホールセンサ８１はロータマグネット２２ｂの磁界を検出する。

　出力部７０は、ハウジング１１から上側へ突出するシャフト２１の先端部に固定される。出力部７０は、シャフト２１に連結されるアタッチメント部材７１と、アタッチメント部材７１の上側に固定される連結部材７２と、を有する。

　アタッチメント部材７１は、シャフト２１に沿って軸方向に延びる円筒状の軸部７１ａと、軸部７１ａの外周面から径方向に広がるフランジ部７１ｂと、フランジ部７１ｂの径方向外側の端部に固定される円筒状の筒部７１ｃと、を有する。筒部７１ｃにファン７５が固定される。ファン７５は、筒部７１ｃの外周面から径方向外側に延びる複数の羽根７５ａを有する。本実施形態では、ファン７５は、軸方向に送風する軸流ファンである。

　本実施形態では、アタッチメント部材７１とファン７５とは、インサート成形により作製される。軸部７１ａおよびフランジ部７１ｂは金属製の単一部材である。筒部７１ｃとファン７５とは単一の樹脂部材の一部である。

　ファン７５の外径は、プロペラ２の外径よりも小さい。この構成により、プロペラ２とファン７５との干渉を抑制できる。また、回転翼装置１の重量の増加を抑制できる。

　連結部材７２は、アタッチメント部材７１の上面に固定される。連結部材７２は、円板状の部材であり、アタッチメント部材７１にボルト締結される。連結部材７２の上面にプロペラ２が固定される。

　プロペラ２は、軸方向に見て中央部に位置するハブ２ａと、ハブ２ａから径方向外側へ延びる２枚の羽根２ｂ、２ｃと、を有する。ハブ２ａは上下面が平坦面とされた平板状である。すなわち、プロペラ２は、モータ本体１０Ａの上面と対向する径方向内側の部分に、軸方向と直交する方向に広がる平坦部２ｄを有する。本実施形態において、平坦部２ｄは、プロペラ２において軸方向の気流をほぼ発生させない部分を指し、プロペラ２の回転方向に対してほぼ傾斜していない部分である。ハブ２ａは、軸方向に貫通する貫通孔を有する。プロペラ２は、ハブ２ａの貫通孔に通されるボルトにより連結部材７２に固定される。

　本実施形態では、ファン７５の少なくとも１枚の羽根７５ａが、プロペラ２の平坦部２ｄと隙間を介して軸方向に対向する。この構成により、モータ１０の冷却効率を高めることができる。ここで、図３は、本実施形態の回転翼装置１における動作時の気流分布を示す図である。図４は、比較のため、回転翼装置１においてファン７５を省略した構成の動作時の気流分布を示す図である。

　まず、図４に示すように、プロペラ２とモータ１０との間にファン７５が設けられていない場合、プロペラ２により発生する気流は、大部分がモータ１０から離れた位置を通る。ハウジング１１の近傍では、ハウジング１１の側面において弱い気流が発生するが、ハウジング１１の上面ではほとんど気流が発生しない。これは、ハウジング１１の上側に位置するプロペラ２のハブ２ａが平板状であり、プロペラ２が回転してもハブ２ａの部分では下向きの気流が発生しないからである。

　これに対して、ファン７５を備える回転翼装置１では、図３に示すように、ファン７５の周辺において、下向きの気流が発生しており、ハウジング１１の上面に風が当たる。さらに、図４の構成と比較して、プロペラ２により発生する気流がハウジング１１に近い位置を通る。これにより、ハウジング１１の側面において流速が大きくなるので、モータ１０を効率よく冷却できる。

　上記のようにプロペラ２の気流がハウジング１１の近くを通るのは、ファン７５の羽根７５ａが、プロペラ２の平坦部２ｄと軸方向に間隔を空けて対向する位置に配置されていることによる。この構成によれば、ファン７５が回転して下向きの気流を発生させるときに、羽根７５ａと平坦部２ｄとの間の空間の圧力が低下する。この羽根７５ａと平坦部２ｄとの間に発生する負圧によって、プロペラ２の羽根２ｂ、２ｃの下面側の空気が中心軸Ｊ側へ引き寄せられる。その結果、プロペラ２により発生する気流がハウジング１１側へ引き寄せられ、ハウジング１１の側面において気流の流速が大きくなる。

　本実施形態の回転翼装置１では、プロペラ２の下側にファン７５を配置することによってハウジング１１周辺の風の流れを変化させ、モータ１０を冷却しやすくする。したがって、ハウジング１１に風を案内する部材などが不要であり、構造を複雑化することなく冷却効率を高められる。

　本実施形態のモータ１０は、ロータ２０の径方向外側に位置するステータ３０を有するインナーロータ型のモータである。一般に、インナーロータ型のモータでは、ステータを収容するハウジングの内部に空気を流通させにくいため、アウターロータ型のモータと比較してステータが冷却されにくい。これに対して本実施形態では、発熱源であるステータ３０に近いハウジング１１の側面にプロペラ２の気流を引き寄せ、流速を高めることができる。したがって、インナーロータ型のモータ１０においても高い冷却効率が得られる。

　また、本実施形態のモータ１０は、ロータ２０およびステータ３０がハウジング１１によって覆われる。これにより、モータ１０の防水性および防塵性を高めつつ、プロペラ２からの気流によって、モータ１０を冷却しやすくする。

　また本実施形態では、ハウジング１１の側面に側面フィン１５を有するため、ファン７５の作用によりハウジング１１側へ引き寄せたプロペラ２の気流が側面フィン１５に当たる。さらに、ハウジング１１の上面に上面フィン１６を有するため、ファン７５により発生する気流が上面フィン１６に当たる。これらにより、さらに高い冷却効率が得られる。

　本実施形態では、ファン７５の外径は、プロペラ２の平坦部２ｄの外径よりも大きい。これにより、プロペラ２の気流とファン７５の気流が合成され、ハウジング１１の上面および側面の広い範囲で流速を高めることができる。

　なお、ファン７５とプロペラ２との軸方向の距離が近い場合には、ファン７５の羽根７５ａとプロペラ２の羽根２ｂ、２ｃが干渉しやすくなるため、ファン７５の外径を平坦部２ｄの外径よりも小さくしてもよい。本実施形態によれば、ファン７５を小さくした場合でも、プロペラ２の気流を中心軸Ｊ側へ引き寄せる作用により、冷却効率の低下が抑制される。ファン７５の外径がプロペラ２の平坦部２ｄの外径よりも小さいことにより、プロペラ２とファン７５との干渉を防ぐことができる。

　本実施形態では、プロペラ２の平坦部２ｄの外径は、モータ本体１０Ａの外径よりも小さい。さらに、平坦部２ｄの外径は、ハウジング１１の側面フィン１５を除く筒状部の外径よりも小さい。これにより、軸方向に見て、モータ本体１０Ａとプロペラ２の羽根２ｂ、２ｃとが重なる領域が大きくなる。したがって、プロペラ２の気流がモータ本体１０Ａに当たりやすくなり、高い冷却効率が得られやすい。

　一方、小型のモータ１０を備える回転翼装置１では、プロペラ２の平坦部２ｄの外径がモータ本体１０Ａの外径よりも大きくなる場合がある。この場合でも、本実施形態では、ファン７５の作用によりプロペラ２の気流が中心軸Ｊ側へ引き寄せられるため、プロペラ２の気流がモータ１０に当たりやすく、比較的高い冷却効果が得られる。また、プロペラ２の平坦部２ｄの外径がモータ本体１０Ａの外径よりも大きいことにより、プロペラ２とモータ本体１０Ａとの干渉を防ぐことができる。

　（変形例）

　図５は、変形例の回転翼装置１００を示す図である。

　本変形例は、上記実施形態の軸流ファンに代えて、遠心ファンを備える構成である。ファンの形状以外の構成は、上記実施形態の回転翼装置１と共通である。

　回転翼装置１００は、モータ１０と、プロペラ２と、ファン１７５と、を備える。モータ１０の出力部７０に、ファン１７５が固定される。ファン１７５は、出力部７０の筒部７１ｃから径方向外側に放射状に延びる複数の羽根１７５ａを有する。羽根１７５ａは、径方向に沿って延びる平板状である。羽根１７５ａの板面は軸方向に平行である。これにより、ファン１７５の回転方向に関わらず、モータ１０を効率よく冷却できる。

　プロペラ２とモータ本体１０Ａとの間に遠心ファンを備える構成においても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。図６は、変形例の回転翼装置１００における動作時の気流分布を示す図である。

　図６に示すように、ファン１７５は遠心ファンであるため、回転翼装置１００を動作させると、ファン１７５で発生する気流は径方向外側へ向かう。そして、ファン１７５から外側へ流れた風がプロペラ２の気流と合流し、ハウジング１１の側面に沿って下側へ流れる。その結果、図４に示した構成と比較して、プロペラ２により発生する気流がハウジング１１に近い位置を通る。これにより、ハウジング１１の側面において流速が大きくなるので、モータ１０を効率よく冷却できる。

　変形例においても、ファン１７５の羽根１７５ａが、プロペラ２の平坦部２ｄと軸方向に間隔を空けて対向している。ファン１７５は軸方向の気流は発生させないが、ハウジング１１と平坦部２ｄとの間で径方向外側に向かう気流を発生させる。これにより、ファン１７５の上部および下部において圧力が低下する。羽根１７５ａと平坦部２ｄとの間の負圧によって、プロペラ２の羽根２ｂ、２ｃの下面側の空気が中心軸Ｊ側へ引き寄せられる。その結果、プロペラ２により発生する気流がハウジング１１側へ引き寄せられる。

　本実施形態の回転翼装置１００では、ファン１７５により発生する径方向の気流により、上面フィン１６の熱が径方向外側へ排出される。また、ファン１７５の作用によりハウジング１１の側面近傍での流速が大きくなることにより、側面フィン１５からの放熱性も高まる。

　変形例においても、ファン１７５の外径は、プロペラ２の平坦部２ｄの外径よりも大きいが、ファン１７５とプロペラ２との軸方向の距離が近い場合には、ファン１７５の外径を平坦部２ｄの外径よりも小さくしてもよい。

　上記実施形態においては、インナーロータ型のモータ１０を備える回転翼装置１について説明したが、アウターロータ型のモータに対して上述の構成を採用し、回転翼装置に適用してもよい。

　１，１００…回転翼装置、２…プロペラ、７５ａ，１７５ａ…羽根、２ｄ…平坦部、１０…モータ、１０Ａ…モータ本体、１１…ハウジング、１１ａ…頂壁部、１５…側面フィン、１６…上面フィン、２０…ロータ、３０…ステータ、７０…出力部、７５，１７５…ファン、Ｊ…中心軸

Claims

　中心軸回りに回転するロータを有するモータ本体と、前記ロータに連結され、前記モータ本体から軸方向一方側へ突出する出力部と、を有するモータと、

　前記出力部の軸方向一方側の端部に固定されるプロペラと、

　を備え、

　前記プロペラは、前記モータ本体の軸方向一方側を向く面と対向する径方向内側の部分に、軸方向と直交する方向に広がる平坦部を有し、

　前記平坦部と前記モータ本体との間に、前記出力部に固定されるファンを有し、

　前記ファンの少なくとも１枚の羽根は、前記プロペラと隙間を介して軸方向に対向する、

　回転翼装置。
　前記モータ本体は、前記ロータの径方向外側に位置するステータを有する、

　請求項１に記載の回転翼装置。
　前記モータ本体は、前記ステータの外周面の少なくとも一部を覆うハウジングを有する、

　請求項２に記載の回転翼装置。
　前記ハウジングは、外周面から径方向外側へ突出する複数の側面フィンを有する、

　請求項３に記載の回転翼装置。
　前記ハウジングは、前記プロペラと軸方向に対向する頂壁部を有し、

　前記頂壁部は、前記プロペラと対向する面から軸方向一方側へ突出する複数の上面フィンを有する、

　請求項３または４に記載の回転翼装置。
　前記ファンの外径は、前記プロペラの外径よりも小さい、

　請求項１から５のいずれか１項に記載の回転翼装置。
　前記ファンの外径は、前記平坦部の外径よりも大きい、

　請求項１から６のいずれか１項に記載の回転翼装置。
　前記ファンの外径は、前記平坦部の外径よりも小さい、

　請求項１から６のいずれか１項に記載の回転翼装置。
　前記平坦部の外径は、前記モータ本体の外径よりも小さい、

　請求項１から８のいずれか１項に記載の回転翼装置。
　前記平坦部の外径は、前記モータ本体の外径よりも大きい、

　請求項１から８のいずれか１項に記載の回転翼装置。
　前記ファンは軸流ファンである、

　請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転翼装置。
　前記ファンは遠心ファンである、

　請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転翼装置。