WO2020121671A1 - モータ一体型流体機械及び垂直離着陸機 - Google Patents

モータ一体型流体機械及び垂直離着陸機 Download PDF

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rotation
outer peripheral
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統 漆間
俊秀 矢島
直昭 藤原
片山　健
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a motor-integrated fluid machine and a vertical take-off and landing aircraft.
  • an electric tail rotor of a helicopter is known (for example, refer to Patent Document 1).
  • the tail rotor includes a housing and two synchronous motors integrated with the housing.
  • the two synchronous motors include two stators arranged on the inner circumference of the annular body of the housing, two rotary components arranged on the inner circumference sides of the two stators, and between the two rotary components. And a blade provided.
  • the blade is centrally supported by the hub.
  • the blades are rotated by a bevel gear provided between the two rotating components.
  • Each rotating component is provided with a plurality of permanent magnets on its outer circumference, and each stator is provided with a plurality of poles corresponding to the plurality of permanent magnets.
  • the two synchronous motors rotate the two rotating components and rotate the bevel gear to rotate the blades.
  • the tail rotor of Patent Document 1 since the tail rotor of Patent Document 1 includes the bevel gear, the structure is complicated and it is difficult to achieve compactness. Further, in order to simplify the structure, if the tail rotor of Patent Document 1 is to be rotated without a gear, the hub is not supported, so that it is necessary to provide a bearing on the outer peripheral portion. However, if the peripheral speed of the outer peripheral portion of the blade is high, it is difficult to apply a mechanical bearing to the outer peripheral portion.
  • an object of the present invention is to provide a motor-integrated fluid machine and a vertical take-off and landing machine that can simplify the structure while appropriately rotating the blade.
  • a motor-integrated fluid machine of the present invention is a motor-integrated fluid machine in which one or more motors are integrally provided, and a shaft portion serving as a support system provided at the center of a rotation shaft and a rotation rotating about the shaft portion.
  • the rotating part can rotate while being rotatably supported by at least the shaft part. Therefore, even if the peripheral speed is high, the rotating portion can have a simple gearless structure including a plurality of blades and a rotation supporting member, and thus the rotating portion can be made compact.
  • the motor is an outer peripheral drive motor that applies power from the outer peripheral portion to rotate the rotating portion, and the rotating portion has an annular shape with the rotation shaft as a center. And is a rotation support ring connected to the outer peripheral side of the plurality of blades in the radial direction of the rotary shaft, and the motor is provided on the outer peripheral side in the radial direction of the rotary support ring. It is preferable to have a rotor-side magnet and a stator-side magnet that is provided on the inner peripheral side of the outer peripheral portion and that faces the rotor-side magnet.
  • the rotating unit can be rotated by the motor that drives the outer circumference.
  • the motor can be provided on the outer peripheral side of the rotation support ring, the configuration of the shaft portion can be simplified.
  • the rotor-side magnet and the stator-side magnet may be opposed to each other in the axial direction of the rotating shaft (may be arranged axially) or may be opposed to each other in the radial direction of the rotating shaft (may be arranged radially). It is not particularly limited.
  • the motor is an inner peripheral drive motor that applies power from the shaft portion to rotate the rotating portion
  • the rotation support member in the rotating portion, has an annular shape with the rotation shaft as a center.
  • the rotation support ring is formed in a shape and is connected to the inner circumference side of the plurality of blades in the radial direction of the rotation shaft, and the motor is the inner circumference in the radial direction of the rotation support ring. It is preferable to have a rotor-side magnet provided on the side, and a stator-side magnet provided on the outer peripheral side of the shaft portion so as to face the rotor-side magnet.
  • the rotating part can be rotated by the motor that drives the inner circumference.
  • the motor can be provided on the outer peripheral side of the rotation support ring, the structure of the outer peripheral portion can be simplified.
  • the rotor-side magnet and the stator-side magnet may be opposed to each other in the axial direction of the rotating shaft (may be arranged axially) or may be opposed to each other in the radial direction of the rotating shaft (may be arranged radially). It is not particularly limited.
  • the rotor-side magnet and the stator-side magnet are provided to face each other in the axial direction of the rotating shaft.
  • the rotor-side magnet and the stator-side magnet can be arranged over the plane orthogonal to the axial direction. Therefore, since the installation areas of the rotor-side magnet and the stator-side magnet can be made large, the rotation output of the motor can be increased.
  • the rotor-side magnet and the stator-side magnet are provided to face each other in the radial direction of the rotation shaft.
  • the rotating portion can be preferably rotated in the circumferential direction by the motor.
  • the rotating portion is provided on an inflow side into which a fluid flows in with respect to the shaft portion in an axial direction of the rotating shaft.
  • the rotating part can be arranged on the inflow side, the length of the flow path of the fluid flowing into the rotating part is shortened and the length of the flow path of the fluid flowing out of the rotating part is lengthened. be able to. Therefore, when the thrust is generated by the fluid, the fluid can be easily sucked and the fluid can be appropriately blown out, so that the high thrust can be generated.
  • the outer peripheral portion is a duct that is formed in an annular shape and that generates a thrust force by the rotation of the rotating portion.
  • a downstream side portion, and a middle-stream side portion between the upstream side portion and the downstream side portion, at least the inner peripheral surface of the upstream side portion is a surface orthogonal to the circumferential direction of the rotating shaft.
  • the surface has a predetermined radius of curvature
  • the inner peripheral surface of the midstream side portion is a surface having a straight line portion in the cross section, and the inner peripheral surface of the downstream side portion. Is preferably a surface that spreads from the inflow side toward the downstream side in the cross section.
  • the aerodynamic device for suppressing the separation of the fluid flowing along the inner peripheral surface, wherein the aerodynamic device, the midstream side portion and It is preferable that it is provided at least on the boundary side of the midstream side portion in the boundary with the downstream side portion.
  • the aerodynamic device can suppress the fluid separation on the inner peripheral surface of the duct, and thus can suppress the decrease in thrust.
  • control unit for controlling the aerodynamic device, and the control unit preferably operates the aerodynamic device until the rotating unit reaches a predetermined rotation speed.
  • the flow of the fluid along the inner peripheral surface becomes slow until the rotating portion reaches a predetermined number of rotations, but the fluid can be made to flow along the inner peripheral surface by operating the aerodynamic device.
  • the separation of the fluid from the inner peripheral surface can be suppressed.
  • a surface on the inflow side orthogonal to the axial direction of the rotating shaft of the rotating portion is a rotating surface
  • it is preferable that the rotating surface is located at the midstream side portion in the axial direction.
  • the fluid sucked in in the upstream side part can be blown out in the downstream side part, so that the thrust can be appropriately generated.
  • a rolling bearing provided between the rotating portion and the outer peripheral portion and between at least one of the rotating portion and the shaft portion.
  • the rotating part can be smoothly rotated in a state where at least one of the rotating part and the outer peripheral part and between the rotating part and the shaft part are connected.
  • a magnetic bearing provided between at least one of the rotating portion and the outer peripheral portion and between the rotating portion and the shaft portion.
  • the rotating part can be smoothly rotated in a state where at least one of the rotating part and the outer peripheral part and the at least one of the rotating part and the shaft part are not connected.
  • a straightening plate which is provided on the outflow side of the rotating portion, connects the shaft portion and the outer peripheral portion, and regulates the flow of fluid from the rotating portion.
  • a vertical take-off and landing aircraft of the present invention includes the above-described motor-integrated fluid machine and a machine body that moves by thrust generated by the motor-integrated fluid machine.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a motor-integrated fan according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a duct of the motor-integrated fan according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a modified example of the motor-integrated fan according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the motor-integrated fan according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a motor-integrated fan according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a partial sectional view of a modified example of the motor-integrated fan according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a sectional view of the motor-integrated fan according to the fourth embodiment.
  • the motor-integrated fluid machine is an axial fluid machine.
  • the motor-integrated fluid machine is a motor-integrated fan 1 (hereinafter referred to as fan 1) that takes in air from a suction port and blows air from a blowout port to generate a propulsive force.
  • the motor-integrated fluid machine is described as being applied to the motor-integrated fan 1, but the configuration is not particularly limited to this.
  • the motor-integrated fluid machine may be applied, for example, as a motor-integrated propulsion device such as a propeller that generates a propulsive force by taking in a liquid such as water or seawater from a suction port and injecting the liquid from an outlet. ..
  • the motor-integrated fan 1 is provided, for example, in a vertical take-off and landing aircraft such as a helicopter or a drone.
  • the motor-integrated fan 1 provided in the vertical takeoff and landing aircraft generates a propulsive force for levitating the airframe and a propulsive force for controlling the attitude of the airframe.
  • the motor-integrated fan 1 may be applied to an air cushion vehicle such as a hovercraft. Furthermore, when applied as a motor-integrated propulsion device, it may be applied to a ship.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a motor-integrated fan according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a duct of the motor-integrated fan according to the first embodiment.
  • the motor-integrated fan 1 is called a duct type propeller or a ducted fan.
  • the motor-integrated fan 1 is used, for example, in a horizontal state with the axial direction being the vertical direction, takes in air from the upper side in the vertical direction, and blows air to the lower side in the vertical direction.
  • the motor-integrated fan 1 may be used in a vertical state in which the axial direction is horizontal.
  • the motor-integrated fan 1 is a fan in which one motor is integrally provided, and includes a shaft portion 11, a rotating portion 12, an outer peripheral portion 13, a motor 14, a rolling bearing 15, a current plate 16, and aerodynamic force.
  • the device 17 and the control unit 20 are provided.
  • the shaft 11 is provided at the center of the rotating shaft I and serves as a support system (fixed side).
  • the axis of rotation I has a vertical direction in FIG. 1, and is a direction along the vertical direction. Therefore, the air flow direction is along the axial direction of the rotation axis I.
  • the shaft portion 11 includes a shaft-side fitting portion 25, which is a portion provided on the upstream side in the axial direction of the rotation shaft I, and a shaft main body 26, which is a portion provided on the downstream side of the shaft-side fitting portion 25.
  • the shaft-side fitting portion 25 is fitted with the hub 31 of the rotating portion 12, which will be described later.
  • the shaft-side fitting portion 25 has a cylindrical shape and is provided so as to project in the axial direction from the upstream end surface of the shaft body 26.
  • the shaft-side fitting portion 25 has a cylindrical space formed on the center side of the rotating shaft I. A part of the hub 31 of the rotating unit 12 is inserted into this space.
  • the outer peripheral side of the shaft side fitting portion 25 is surrounded by a part of the hub 31 of the rotating portion 12.
  • the shaft body 26 has a substantially conical shape that tapers from the upstream side to the downstream side in the axial direction.
  • the outer peripheral surface of the shaft main body 26 is a surface from the outer side to the inner side in the radial direction from the upstream side to the downstream side in the axial direction.
  • the device is, for example, a control device, a camera, or the like.
  • an outer end surface of the rectifying plate 16, which will be described later, is connected to the outer peripheral surface of the shaft body 26.
  • the rotating unit 12 is a rotating system (rotating side) that rotates around the shaft 11.
  • the rotating portion 12 is provided on the inflow side where air flows in with respect to the shaft portion 11 in the axial direction of the rotation shaft I.
  • the rotating unit 12 includes a hub 31, a plurality of blades 32, and a rotation support ring 33.
  • the hub 31 is provided on the upstream side of the shaft portion 11 in the axial direction, and is rotatably fitted to the shaft-side fitting portion 25.
  • the hub 31 has a hub main body 35 that is a portion provided on the upstream side in the axial direction, and a hub side fitting portion 36 that is a portion provided on the downstream side of the hub main body 35.
  • the hub body 35 is formed into a hemispherical surface whose upstream end surface has a predetermined radius of curvature.
  • the hub-side fitting portion 36 has a shape complementary to the shaft-side fitting portion 25.
  • the hub-side fitting portion 36 includes a central shaft 36a provided at the center of the rotating shaft and a cylindrical portion 36b having a cylindrical shape provided on the outer peripheral side of the central shaft 36a.
  • the central shaft 36a is inserted into the space at the center of the rotation shaft of the shaft-side fitting portion 25.
  • the cylindrical portion 36b is provided so as to project in the axial direction from the end surface on the downstream side of the hub body 35.
  • the cylindrical portion 36b is arranged so as to surround the outer periphery of the shaft-side fitting portion 25.
  • the rolling bearing 15 is provided between the inner peripheral surface of the shaft-side fitting portion 25 and the outer peripheral surface of the central shaft 36a of the hub 31.
  • the surface from the end surface of the hub body 35, through the outer peripheral surface of the cylindrical portion 36b, to the outer peripheral surface of the shaft body 26 is a smooth surface without steps.
  • the shaft portion 11 and the hub 31 have a configuration in which unevenness is fitted. That is, the shaft-side fitting portion 25 of the cylindrical shaft portion 11 is made concave, the center shaft 36a of the hub 31 is made convex, and the center shaft 36a is inserted into the shaft-side fitting portion 25 to make the shaft portion 11 and the hub 31 31 and 31 are fitted together.
  • the configuration is not limited to this, and the configuration in which the concavities and convexities are fitted may be the reverse configuration.
  • the shaft-side fitting portion 25 of the shaft portion 11 is formed in a convex shape
  • the hub 31 is provided with a recess portion
  • the shaft-side fitting portion 25 is inserted into the recess portion of the hub 31 to connect the shaft portion 11 and the hub 31. It may be configured to be fitted together.
  • the rolling bearing 15 is provided between the outer peripheral surface of the shaft side fitting portion 25 and the inner peripheral surface of the recess of the hub 31.
  • the plurality of blades 32 are provided so as to extend from the hub 31 toward the outer side in the radial direction, and are arranged side by side at predetermined intervals in the circumferential direction. Each blade 32 has a wing shape.
  • the surface formed by rotating the plurality of blades 32 by the end portion on the inflow side orthogonal to the axial direction of the rotation axis I is the rotation surface P.
  • the plurality of blades 32 may be made of, for example, a metal material or a composite material, and are not particularly limited.
  • the rotation support ring 33 is formed in an annular shape around the rotation axis I.
  • the rotation support ring 33 is connected to the outer peripheral side of the plurality of blades 32 in the radial direction of the rotation axis I.
  • the rotation support ring 33 includes an inner ring portion 33a that is a portion that forms a part of the inner peripheral surface of the outer peripheral portion 13 described below, and a flange portion 33b that is a portion that is provided so as to project radially outward of the inner ring portion 33a. Is included.
  • the inner peripheral surface of the inner ring portion 33 a on the radially inner side is a part of the inner peripheral surface of the outer peripheral portion 13.
  • the radially outer ends of the blades 32 are joined to the inner peripheral surface of the inner ring portion 33a by welding or the like, or fixed by using bolts or rivets.
  • the flange portion 33b is provided on the upstream side in the axial direction of the inner ring portion 33a.
  • the flange portion 33b holds a permanent magnet 45 of the motor 14, which will be described later.
  • the flange portion 33b holds the permanent magnet 45 so that the permanent magnet 45 faces the downstream side in the axial direction.
  • the hub 12, the plurality of blades 32, and the rotation support ring 33 are integrally joined to the rotating portion 12 and rotate about the hub 31.
  • a part or all of the rotating portion 12 may be integrally molded.
  • the plurality of blades 32 and the rotation support ring 33 may be integrally molded using a composite material, or the hub 31, the plurality of blades 32, and the rotation support ring 33. May be integrally molded using a composite material.
  • the outer peripheral portion 13 is provided on the outer side in the radial direction of the shaft portion 11 and serves as a support system (fixed side).
  • the outer peripheral portion 13 is formed in an annular shape and serves as a duct that generates thrust by the rotation of the rotating portion 12.
  • the upstream side opening is a suction port 38 and the downstream side opening is a blowout port 39 in the axial direction of the rotating shaft I.
  • the duct 13 has an annular internal space formed therein for accommodating a flange portion 33b of the rotation support ring 33 of the rotating portion 12 and a coil 46 of the motor 14, which will be described later.
  • the duct 13 holds a coil 46 provided inside the duct 13 at a position facing the permanent magnet 45 held by the rotating unit 12.
  • the duct 13 includes an upstream side portion 41 on the inflow side into which air flows in, a downstream side portion 43 on the outflow side from which air flows out, and a portion between the upstream side portion 41 and the downstream side portion 43. And a middle stream side portion 42. That is, the duct 13 is divided into three parts in the axial direction: the upstream part 41, the midstream part 42, and the downstream part 43.
  • the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the duct 13 in the upstream portion 41 are curved surfaces having a predetermined radius of curvature r.
  • at least the inner peripheral surface of the upstream portion 41 may be a curved surface having a predetermined radius of curvature r.
  • the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the duct 13 in the midstream side portion 42 are surfaces having straight portions.
  • at least the inner peripheral surface of the midstream side portion 42 may be a surface having a linear portion.
  • the surface having the straight line portion is a surface along the axial direction of the rotation axis I.
  • a part of the surface having the linear portion is the inner peripheral surface of the inner ring portion 33a of the rotation support ring 33 of the rotating portion 12. That is, the rotating portion 12 is located in the midstream side portion 42 of the duct 13 in the axial direction of the rotating shaft I. Further, in the cross section, the inner peripheral surface of the duct 13 in the downstream side portion 43 is a surface that widens from the inflow side toward the downstream side.
  • the diameter of the rotating surface 12 of the rotating portion 12 is set to D, that is, the diameter of the inner peripheral surface of the inner ring portion 33a of the rotating support ring 33 is set to D.
  • the diameter D of the rotating portion 12 is longer than the length L1 of the motor-integrated fan 1 in the axial direction of the rotating shaft I.
  • the length L1 of the motor-integrated fan 1 in the axial direction of the rotating shaft I is shorter than the diameter D of the rotating portion 12, and is, for example, “0.2D ⁇ L1 ⁇ 0.8D”.
  • “0.4D ⁇ L1 ⁇ 0.5D” is satisfied. Therefore, the motor-integrated fan 1 is a flat fan whose length L1 is half the diameter D or less.
  • the length of the downstream side portion 43 is longer than the length of the upstream side portion 41 and the length of the midstream side portion 42.
  • the predetermined radius of curvature r in the upstream portion 41 is, for example, “0.02D ⁇ L1 ⁇ 0.10D”, specifically, “0.03D ⁇ r ⁇ 0.09D”. ..
  • the radius of curvature r may be different on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the upstream side portion 41 as long as they are within the above numerical range.
  • the rotating surface P of the rotating portion 12 is located on the upstream side of the midstream side portion 42. Specifically, if the length L2 at the midstream side portion 42 is, for example, 0.1D, the length L3 from the upstream boundary of the midstream side portion 42 to the rotation surface P is, for example, 0.01D. Is becoming
  • the spread of the inner peripheral surface of the downstream side portion 43 will be described.
  • the angle formed by the inner circumferential surface of the downstream side portion 43 and the direction along the inner circumferential surface of the midstream side portion 42 (the axial direction of the rotation axis I) is ,
  • the diffuser angle ⁇ is “0° ⁇ 30°”.
  • the duct 13 has the above-described shape, when the rotating unit 12 rotates, air is sucked from the suction port 38 and the sucked air is blown out from the blowout port 39 to generate thrust.
  • the motor 14 is an outer peripheral drive motor that rotates the rotating part 12 by applying power from the duct 13 side to the rotating part 12.
  • the motor 14 has a rotor-side magnet provided on the rotating unit 12 side and a stator-side magnet provided on the duct 13 side.
  • the rotor-side magnet is the permanent magnet 45
  • the stator-side magnet is the coil (electromagnet) 46.
  • the coil 46 is provided in the support system to simplify the configuration related to the wiring around the coil 46, but the configuration is not particularly limited to this.
  • the rotor side magnet may be a coil
  • the stator side magnet may be a permanent magnet 45.
  • the permanent magnet 45 is provided so as to be held by the flange portion 33b of the rotation support ring 33, and is arranged in an annular shape in the circumferential direction. Further, the permanent magnet 45 is configured such that the positive electrode and the negative electrode are alternately arranged at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the permanent magnets 45 may have a Halbach array.
  • the permanent magnet 45 is provided at a position facing the coil 46 in the axial direction of the rotation axis I.
  • the permanent magnet 45 has a length in the radial direction of the rotary shaft I that is longer than the length in the axial direction of the rotary shaft I.
  • the coil 46 is provided while being held inside the duct 13, a plurality of coils 46 are provided facing each pole of the permanent magnet 45, and are arranged side by side in the circumferential direction.
  • the coil 46 is provided at a position facing the permanent magnet 45 held by the rotating portion 12 in the axial direction of the rotating shaft I. That is, the permanent magnet 45 and the coil 46 are arranged axially so as to face each other in the axial direction of the rotation axis I.
  • the rolling bearing 15 is provided between the inner peripheral surface of the shaft-side fitting portion 25 of the shaft portion 11 and the outer peripheral surface of the central shaft 36a of the hub 31 of the rotating portion 12.
  • the rolling bearing 15 connects the shaft portion 11 and the rotation portion 12 while allowing the rotation portion 12 to rotate with respect to the shaft portion 11.
  • the rolling bearing 15 is, for example, a ball bearing or the like.
  • the current plate 16 is provided by connecting the shaft portion 11 and the duct 13.
  • the current plate 16 is provided on the downstream side of the rotating unit 12 in the axial direction of the rotating shaft I. That is, the current plate 16 is provided at the position of the downstream side portion 43 of the duct 13 in the axial direction.
  • the straightening vanes 16 are arranged side by side in the circumferential direction of the rotation axis I. Further, the current plate 16 has a streamlined shape such as a blade shape, and rectifies the air flowing from the rotating portion 12 to generate thrust.
  • the shape of the current plate 16 is not limited to the blade shape, and may be a flat plate shape.
  • the aerodynamic device 17 is provided on the inner peripheral surface of the duct 13 on the downstream side of the rotating unit 12.
  • the aerodynamic device 17 suppresses separation of air flowing along the inner peripheral surface of the duct 13.
  • the aerodynamic device 17 is a plasma actuator, a synthetic jet, or the like.
  • the aerodynamic device 17 the one that applies a flow toward the downstream side to the air is applied so that the flow of the air along the inner peripheral surface of the duct 13 becomes the flow toward the downstream side, Specifically, a plasma actuator is applied.
  • the aerodynamic device 17 is provided around the boundary between the midstream side portion 42 and the downstream side portion 43 of the duct 13 in the axial direction of the rotation axis I. Specifically, the aerodynamic device 17 is provided at least on the boundary side of the midstream side portion 42. The aerodynamic device 17 may be provided on the inner peripheral surface of the downstream side portion 43, and is appropriately provided on a portion where air separation may occur.
  • the control unit 20 is connected to each unit of the motor-integrated fan 1 and controls each unit to control the motor-integrated fan 1.
  • the control unit 20 is connected to the coil 46.
  • the control unit 20 controls the rotation of the rotating unit 12 by controlling the magnetic field of the coil 46.
  • the control unit 20 is also connected to the aerodynamic device 17.
  • the control unit 20 controls the operation of the aerodynamic device 17. Further, a rotation speed detection sensor (not shown) is connected to the control unit 20, and acquires the rotation speed of the rotation unit 12.
  • the control unit 20 controls the operation of the aerodynamic device 17 based on the rotation speed of the rotation unit 12 detected by the rotation speed detection sensor. Specifically, the control unit 20 operates the aerodynamic device 17 until the rotation unit 12 reaches a predetermined rotation speed. That is, the control unit 20 operates the aerodynamic device 17 in the low speed rotation range until the rotation unit 12 reaches a predetermined rotation speed. On the other hand, the control unit 20 stops the operation of the aerodynamic device 17 in the rotation range where the rotation unit 12 has a predetermined rotation speed or more.
  • the predetermined rotation speed is, for example, a commonly used rotation speed or a rated rotation speed in a rated operating state.
  • the rotating portion 12 is rotated by applying power from the duct 13 side to the rotating portion 12 by the magnetic field by the motor 14.
  • the motor-integrated fan 1 sucks air from the suction port 38 and blows air toward the air outlet 39.
  • the air blown out from the rotating portion 12 flows along the inner peripheral surface of the duct 13 to generate thrust.
  • the aerodynamic device 17 suppresses the separation of air from the inner peripheral surface of the duct 13, and the flow of the air is rectified by the rectifying plate 16, so that the rectifying plate 16 also generates thrust.
  • the rotating portion 12 can rotate while being rotatably supported by at least the shaft portion 11. For this reason, it is possible to prevent the rotating portion 12 from moving in the axial direction of the rotating shaft I due to the influence of vibration or the like during rotation, so that the rotating portion 12 can be rotated appropriately. Further, since the rotating portion 12 can have a simple structure including the plurality of blades 32 and the rotation supporting ring 33, the rotating portion 12 can be configured compactly.
  • the rotating unit 12 can be rotated by the motor 14 that is driven on the outer periphery. Moreover, since the motor 14 can be provided on the outer peripheral side of the rotation support ring 33, the configuration of the shaft portion 11 can be simplified.
  • the permanent magnet 45 and the coil 46 can be arranged over the surface orthogonal to the axial direction of the rotation axis I. Therefore, since the installation areas of the permanent magnet 45 and the coil 46 can be widened, the rotation output of the motor 14 can be increased.
  • the rotating portion 12 can be arranged on the upstream side with respect to the shaft portion 11, the length of the flow path of the air flowing into the rotating portion 12 is shortened and The length of the flow path of the outflowing air can be increased. Therefore, when the thrust is generated by air, it is easy to suck the air because the flow path of the air flowing into the rotating portion 12 is short, and the air is appropriately blown out because the flow path of the air flowing out of the rotating portion 12 is long. Therefore, the thrust can be configured to be high.
  • the thrust can be appropriately generated by the duct 13.
  • the aerodynamic device 17 can suppress the air separation on the inner peripheral surface of the duct 13, it is possible to suppress the decrease in the thrust.
  • the inner peripheral surface of the duct 13 is activated by operating the aerodynamic device 17. Since the separation of the air from the can be suppressed, the air can be made to flow along the inner peripheral surface of the duct 13.
  • the rotation surface P can be positioned on the upstream side of the midstream side portion 42 and the rotating portion 12 can be rotated at the midstream side portion 42. Therefore, the air sucked in the upstream portion 41 can be blown out in the downstream portion 43, so that the thrust can be appropriately generated.
  • the rotating portion 12 and the shaft portion 11 are rotatably connected to each other, thereby restricting the movement of the rotating portion 12 in the axial direction while rotating the rotating portion 12.
  • the part 12 can be rotated smoothly.
  • the air from the rotating portion 12 can be rectified and blown out from the air outlet 39.
  • the compact motor-integrated fan 1 by mounting the compact motor-integrated fan 1 on the vertical take-off and landing aircraft, it is possible to reduce the weight, and the motor-integrated fan 1 can generate an appropriate thrust.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a modified example of the motor-integrated fan according to the first embodiment.
  • the permanent magnet 45 and the coil 46 are arranged in a radial arrangement in which they are arranged to face each other in the radial direction of the rotation axis I.
  • the rotary support ring 33 that holds the permanent magnet 45 has a structure in which the flange portion 33b is omitted, and holds the permanent magnet 45 on the outer peripheral side of the inner ring portion 33a.
  • the permanent magnet 45 is held and provided on the outer peripheral side of the inner ring portion 33a of the rotation support ring 33, and is arranged in an annular shape in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 45 is provided at a position facing the coil 46 in the radial direction of the rotation axis I.
  • the coils 46 are provided while being held inside the duct 13, a plurality of coils 46 are provided so as to face each pole of the permanent magnet 45, and the coils 46 are provided side by side in the circumferential direction.
  • the coil 46 is provided at a position facing the permanent magnet 45 held by the rotating portion 12 in the radial direction of the rotating shaft I. In this way, the permanent magnet 45 and the coil 46 may be arranged radially opposite to each other in the radial direction of the rotation axis I.
  • the permanent magnet 45 of the rotation support ring 33 is provided inside the rotating shaft I in the radial direction, and the coil 46 provided inside the duct 13 is provided outside the rotating shaft I in the radial direction.
  • the permanent magnet 45 of the rotation support ring 33 may be provided on the outer side in the radial direction of the rotary shaft I, and the coil 46 provided inside the duct 13 may be provided on the inner side in the radial direction of the rotary shaft I.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the motor-integrated fan according to the second embodiment.
  • the motor-integrated fan 50 according to the second embodiment further includes a rolling bearing 51 between the rotating portion 12 and the duct 13 in addition to the configuration of the motor-integrated fan 1 according to the first embodiment.
  • the rolling bearings 51 are provided on both sides of the inner ring portion 33a of the rotation support ring 33 in the axial direction of the rotation shaft I. Therefore, in the motor-integrated fan 50, the rotating portion 12 is rotatably supported by the shaft portion 11 and the duct 13.
  • the rotating portion 12 and the shaft portion 11 and the rotating portion 12 and the duct 13 are rotatably connected. By doing so, the rotating portion 12 can be smoothly rotated while restricting the movement of the rotating portion 12 in the axial direction.
  • the rolling bearing 51 when the rolling bearing 51 is provided between the rotating portion 12 and the duct 13, the rolling bearing 15 provided between the rotating portion 12 and the shaft portion 11 may be omitted. Good.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a motor-integrated fan according to the third embodiment.
  • the motor-integrated fan 1 of the first embodiment is a motor in which the motor 14 is driven on the outer circumference
  • the motor-integrated fan 60 of the third embodiment is a motor in which the motor 64 is driven in the inner circumference.
  • the motor-integrated fan 60 includes a shaft portion 61, a rotating portion 62, a duct 63, a motor 64, a rolling bearing 65, a current plate 66, an aerodynamic device 67, and a control portion 70. ing. Since the rolling bearing 65, the current plate 66, the aerodynamic device 67, and the control unit 70 are almost the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the shaft portion 61 is provided at the center of the rotating shaft I and serves as a support system (fixed side).
  • the shaft portion 61 includes a shaft-side fitting portion 75, which is a portion provided on the upstream side in the axial direction of the rotation shaft I, and a shaft main body 76, which is a portion provided on the downstream side of the shaft-side fitting portion 75.
  • the shaft side fitting portion 75 is fitted with a rotation support ring 83 of the rotating portion 62 described later.
  • the shaft-side fitting portion 75 has a cylindrical shape, and is provided on the upstream end surface of the shaft body 76 so as to project from the center of the rotation shaft I to the upstream side in the axial direction.
  • the outer peripheral side of the shaft-side fitting portion 75 is surrounded by the rotation support ring 83 of the rotating portion 62.
  • the shaft body 76 has a hemispherical shape that is convex from the upstream side to the downstream side in the axial direction. For this reason, the outer peripheral surface of the shaft main body 76 is a surface from the outer side to the inner side in the radial direction from the upstream side to the downstream side in the axial direction. Further, the shaft main body 76 holds the coil 46 at a position on the outer peripheral side of the shaft side fitting portion 75 on the end face on the upstream side in the axial direction. Note that, as in the first embodiment, an internal space in which a device can be installed may be formed inside the shaft body 76.
  • the rotating part 62 is a rotating system (rotating side) that rotates around the shaft part 61.
  • the rotating portion 62 is provided on the inflow side where air flows in with respect to the shaft portion 61 in the axial direction of the rotating shaft I.
  • the rotating portion 62 has a hub 81, a plurality of blades 82, and a rotation support ring 83.
  • the hub 81 is provided on the upstream side of the shaft 61 in the axial direction.
  • the hub 81 is formed into a spherical surface whose upstream end surface has a predetermined radius of curvature.
  • the rotation support ring 83 is provided on the downstream side of the hub 81 in the axial direction and is integrated with the hub 81.
  • the rotation support ring 83 is rotatably fitted in the shaft-side fitting portion 75.
  • the rotation support ring 83 is formed in an annular shape around the rotation axis I.
  • the rotation support ring 83 includes an outer ring portion 83a provided on the outer side in the radial direction, a flange portion 83b that is a portion provided to project radially inward of the outer ring portion 83a, and a portion provided on the inner side in the radial direction of the flange portion 83b.
  • the outer ring portion 83a has a cylindrical shape, and has a smooth outer peripheral surface having no step with respect to the outer peripheral surface of the shaft portion 61.
  • the radially inner end of each blade 82 is joined to the outer peripheral surface of the outer ring portion 83a by welding or the like, or is fixed by using a bolt or a rivet.
  • the flange portion 83b is provided on the upstream side in the axial direction of the outer ring portion 83a.
  • the flange portion 83b holds the permanent magnet 45 of the motor 64, which will be described later.
  • the flange portion 83b holds the permanent magnet 45 so that the permanent magnet 45 faces the downstream side in the axial direction.
  • the inner ring portion 83c has a cylindrical shape and is provided so as to surround the shaft-side fitting portion 75.
  • the inner peripheral surface of the inner ring portion 83c faces the outer peripheral surface of the shaft-side fitting portion 75.
  • the rolling bearing 65 is provided between the outer peripheral surface of the shaft side fitting portion 75 of the shaft portion 11 and the inner peripheral surface of the inner ring portion 83 c of the rotation support ring 83.
  • the shaft portion 61 and the rotation support ring 83 integrated with the hub 81 have a configuration in which unevenness is fitted. That is, the inner ring portion 83c of the cylindrical rotation support ring 83 is concave, the shaft-side fitting portion 75 of the shaft portion 61 is convex, and the shaft-side fitting portion 75 is inserted into the inner ring portion 83c.
  • the part 61 and the rotation support ring 83 are fitted together.
  • the configuration is not limited to this, and the configuration in which the concavities and convexities are fitted may be the reverse configuration.
  • the shaft side fitting portion 75 of the shaft portion 61 is formed in a concave shape
  • the rotation supporting ring 83 is provided with a convex portion
  • the projection portion of the rotation supporting ring 83 is inserted into the shaft side fitting portion 75 of the shaft portion 61.
  • the shaft portion 61 and the hub 81 may be fitted together.
  • the rolling bearing 65 is provided between the inner peripheral surface of the shaft side fitting portion 75 and the outer peripheral surface of the convex portion of the rotation support ring 83.
  • the configuration of such fitting of the concavities and convexities is almost the same as that described in the first embodiment.
  • the plurality of blades 82 are connected to the outer peripheral surface of the rotation support ring 83.
  • the plurality of blades 82 are provided so as to extend outward from the rotation support ring 83 in the radial direction, and are arranged side by side at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • Each blade 32 has a wing shape. Further, each blade 32 has its radially inner end connected to the outer peripheral surface of the rotation support ring 83, while its radially outer end is a free end.
  • the plurality of blades 82 may be made of, for example, a metal material or a composite material, and are not particularly limited.
  • the hub 81, the plurality of blades 82, and the rotation support ring 83 are integrally joined to the rotating portion 62, and rotate about the hub 81.
  • a part or all of the rotating portion 62 may be integrally molded.
  • the plurality of blades 82 and the rotation support ring 83 may be integrally molded using a composite material, or the hub 81, the plurality of blades 82, and the rotation support ring 83. May be integrally molded using a composite material.
  • the duct 63 is provided on the outer side in the radial direction of the shaft portion 61 and serves as a support system (fixed side).
  • the duct 63 is formed in an annular shape and serves as a duct that generates thrust by the rotation of the rotating portion 62.
  • the opening on the upstream side is the suction port 38 and the opening on the downstream side is the air outlet 39.
  • the shape of the duct 63 is similar to that of the first embodiment.
  • the motor 64 is an inner peripheral drive motor that rotates the rotating portion 62 by applying power from the shaft portion 61 side to the rotating portion 62.
  • the motor 64 has a rotor-side magnet provided on the rotating portion 62 side and a stator-side magnet provided on the shaft portion 61 side.
  • the rotor-side magnet is the permanent magnet 45
  • the stator-side magnet is the coil (electromagnet) 46.
  • the coil 46 is provided in the support system to simplify the configuration of the wiring around the coil 46, but the configuration is not limited to this.
  • the rotor side magnet may be a coil
  • the stator side magnet may be a permanent magnet 45.
  • the permanent magnet 45 is provided so as to be held by the flange portion 83b of the rotation support ring 83, and is arranged in an annular shape in the circumferential direction.
  • the rest of the configuration of the permanent magnet 45 is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted.
  • the coil 46 is provided so as to be held on the upstream end surface of the shaft body 76 of the shaft portion 61, and a plurality of coils 46 are provided so as to face each pole of the permanent magnet 45 and are arranged side by side in the circumferential direction. Since the other configurations of the coil 46 are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the rotating portion 62 is rotated by applying power from the magnetic field to the rotating portion 62 from the shaft portion 61 side by the motor 64.
  • the motor-integrated fan 60 sucks air from the suction port 38 and blows air toward the air outlet 39.
  • the air blown out from the rotating portion 62 flows along the inner peripheral surface of the duct 63 to generate thrust.
  • the rotating portion 62 can rotate while being rotatably supported by at least the shaft portion 61. For this reason, it is possible to prevent the rotating portion 62 from moving in the axial direction of the rotating shaft I due to the influence of vibration or the like during rotation, so that the rotating portion 62 can be appropriately rotated. Further, since the rotating portion 62 can have a simple structure including the plurality of blades 82 and the rotation support ring 83, the rotating portion 62 can be made compact.
  • the rotating portion 62 can be rotated by the motor 64 that is driven inward. Further, since the motor 64 can be provided on the inner peripheral side of the rotation support ring 83, the structure of the duct 63 can be simplified.
  • FIG. 6 is a partial sectional view of a modified example of the motor-integrated fan according to the third embodiment.
  • the permanent magnet 45 and the coil 46 are arranged in a radial arrangement in which they are arranged to face each other in the radial direction of the rotation axis I.
  • the permanent magnet 45 is held and provided on the outer peripheral side of the inner ring portion 83c of the rotation support ring 83, and is arranged in an annular shape in the circumferential direction.
  • the permanent magnet 45 is provided at a position facing the coil 46 in the radial direction of the rotation axis I.
  • the coils 46 are held and provided inside the shaft portion 61, and a plurality of coils 46 are provided so as to face each pole of the permanent magnet 45 and are arranged side by side in the circumferential direction.
  • the coil 46 is provided at a position facing the permanent magnet 45 held by the rotating portion 62 in the radial direction of the rotating shaft I. In this way, the permanent magnet 45 and the coil 46 may be arranged radially opposite to each other in the radial direction of the rotation axis I.
  • FIG. 7 is a sectional view of the motor-integrated fan according to the fourth embodiment.
  • the motor-integrated fan 90 of the fourth embodiment uses a magnetic bearing 91 instead of the rolling bearing 51 provided in the motor-integrated fan 50 of the second embodiment.
  • the magnetic bearing 91 includes a pair of rotation-side magnets 95 provided on both sides in the axial direction of the inner ring portion 33 a of the rotation support ring 33, and a pair of fixed sides of the duct 13 facing the pair of rotation-side magnets 95. And a magnet 96.
  • the rotating magnet 95 is a permanent magnet
  • the stationary magnet 96 is a coil.
  • the rotation-side magnet 95 and the fixed-side magnet 96 are provided so as to face each other in the axial direction of the rotation axis I.
  • the rotating magnet 95 may be a coil
  • the stationary magnet 96 may be a permanent magnet.
  • the magnetic bearing 91 rotatably supports the rotation support ring 33 in a non-contact state with the duct 13 by controlling the magnetic field so that the rotation-side magnet 95 and the fixed-side magnet 96 repel each other. ing.
  • the permanent magnet 45 of the motor 14 is provided radially outside of the inner ring portion 33a of the rotation support ring 33, and the coil 46 is a permanent magnet in the radial direction of the rotating shaft.
  • the duct 13 is provided so as to face 45.
  • the rotating part 12 can be smoothly rotated in a state where the rotating part 12 and the duct 13 are not connected. Therefore, it is possible to prevent the load applied to the rotating unit 12 from being transmitted to the duct 13.
  • the rolling bearing 51 provided in the motor integrated fan 50 of the second embodiment is the magnetic bearing 91, but the rolling bearing 15 provided in the motor integrated fan 1 of the first embodiment is a magnetic bearing. It may be 91.

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Abstract

１以上のモータが一体に設けられるモータ一体型ファン１において、回転軸の中心に設けられる支持系となる軸部１１と、軸部１１を中心に回転する回転系となる回転部１２と、軸部１１の外周に設けられる支持系となるダクト１３と、回転部１２を回転させるモータ１４と、を備え、回転部１２は、少なくとも軸部１１に回転自在に支持されて回転し、回転軸Ｉ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、回転軸の径方向において、複数のブレード３２の一方側に接続され、複数のブレード３２を支持する回転支持リング３３と、を有する。

Description

モータ一体型流体機械及び垂直離着陸機
　本発明は、モータ一体型流体機械及び垂直離着陸機に関するものである。
　従来、ヘリコプタの電動テールロータが知られている（例えば、特許文献１参照）。このテールロータは、ハウジングと、ハウジングに一体化された２つの同期モータと、を備えている。２つの同期モータは、ハウジングの円環体の内周上に配置された２つのステータと、２つのステータの内周側に配置された２つの回転構成要素と、２つの回転構成要素の間に設けられたブレードと、を含んでいる。ブレードは、ハブによって中心で支持されている。また、ブレードは、２つの回転構成要素の間に設けられるベベルギヤによって回転する。各回転構成要素は、外周上に複数の永久磁石が設けられ、各ステータは、複数の永久磁石に対応して複数の極が設けられている。２つの同期モータは、２つの回転構成要素が回転し、ベベルギヤを回転させることで、ブレードを回転させる。
特開２０１３－１３９２４７号公報
　しかしながら、特許文献１のテールロータは、ベベルギヤを含むため、構造が複雑となり、コンパクト化を図ることが困難となる。また、構造の簡素化のために、特許文献１のテールロータをギヤレスで回転させようとすると、ハブが支持されていないため、外周部にベアリングを設ける必要がある。しかしながら、ブレードの外周部における周速度が速い場合、機械的な軸受を外周部に適用することは困難である。
　そこで、本発明は、ブレードを適切に回転させつつ、構造の簡素化を図ることができるモータ一体型流体機械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流体機械は、１以上のモータが一体に設けられる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支持系となる軸部と、前記軸部を中心に回転する回転系となる回転部と、前記軸部の外周に設けられる支持系となる外周部と、前記回転部を回転させるモータと、を備え、前記回転部は、少なくとも前記軸部に回転自在に支持されて回転し、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、前記回転軸の径方向において、複数の前記ブレードの一方側に接続され、複数の前記ブレードを支持する回転支持部材と、を有する。
　この構成によれば、回転部が、少なくとも軸部に回転自在に支持されながら、回転することができる。このため、周速度が速い場合であっても、回転部は、複数のブレードと回転支持部材とからなるギヤレスの簡素な構成とすることができるため、回転部をコンパクトに構成することができる。
　また、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、前記回転支持部材が、前記回転軸を中心とする円環形状に形成されると共に、前記回転軸の径方向において、複数の前記ブレードの外周側に接続される回転支持リングとなっており、前記モータは、前記回転支持リングの前記径方向の外周側に設けられる回転子側磁石と、前記外周部の内周側に設けられ、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、を有することが、好ましい。
　この構成によれば、外周駆動となるモータにより回転部を回転させることができる。また、モータを回転支持リングの外周側に設けることができるため、軸部の構成を簡素化することができる。なお、回転子側磁石と固定子側磁石とは、回転軸の軸方向において対向させても（アキシャル配置としても）よいし、回転軸の径方向において対向させても（ラジアル配置としても）よく、特に限定されない。
　また、前記モータは、前記軸部から動力を与えて前記回転部を回転させる内周駆動のモータとなっており、前記回転部は、前記回転支持部材が、前記回転軸を中心とする円環形状に形成されると共に、前記回転軸の径方向において、複数の前記ブレードの内周側に接続される回転支持リングとなっており、前記モータは、前記回転支持リングの前記径方向の内周側に設けられる回転子側磁石と、前記軸部の外周側に設けられ、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、を有することが、好ましい。
　この構成によれば、内周駆動となるモータにより回転部を回転させることができる。また、モータを回転支持リングの外周側に設けることができるため、外周部の構成を簡素化することができる。なお、回転子側磁石と固定子側磁石とは、回転軸の軸方向において対向させても（アキシャル配置としても）よいし、回転軸の径方向において対向させても（ラジアル配置としても）よく、特に限定されない。
　また、前記回転子側磁石と前記固定子側磁石とは、前記回転軸の軸方向に対向して設けられることが、好ましい。
　この構成によれば、回転子側磁石及び固定子側磁石を、軸方向に直交する面に亘って配置することができる。このため、回転子側磁石及び固定子側磁石の設置面積を広くとることができるため、モータの回転出力を大きくすることができる。
　また、前記回転子側磁石と前記固定子側磁石とは、前記回転軸の径方向に対向して設けられることが、好ましい。
　この構成によれば、回転子側磁石及び固定子側磁石を径方向に対向させて配置することで、モータにより回転部を周方向に好適に回転させることができる。
　また、前記回転部は、前記回転軸の軸方向において、前記軸部に対して、流体が流入する流入側に設けられることが、好ましい。
　この構成によれば、回転部を流入側に配置することができるため、回転部に流入する流体の流路の長さを短くし、回転部から流出する流体の流路の長さを長くすることができる。このため、流体により推力を発生させる場合、流体を吸い込み易く、流体を適切に吹き出すことができるため、高い推力を発生させることができる。
　また、前記外周部は、円環形状に形成され、前記回転部の回転により推力を生じさせるダクトであり、前記ダクトは、流体が流入する流入側の上流側部位と、前記流体が流出する流出側の下流側部位と、前記上流側部位と前記下流側部位との間の中流側部位と、を有し、前記上流側部位の少なくとも内周面は、前記回転軸の周方向に直交する面で切った断面において、所定の曲率半径を有する面となっており、前記中流側部位の内周面は、前記断面において、直線部を有する面となっており、前記下流側部位の内周面は、前記断面において、流入側から下流側に向かって広がる面となっていることが、好ましい。
　この構成によれば、ダクトの内周面に沿って空気を流通させることができるため、ダクトにより適切に推力を生じさせることができる。
　また、前記回転部の流出側における前記ダクトの内周面に設けられ、前記内周面に沿って流れる流体のはく離を抑制する空力デバイスを、さらに備え、前記空力デバイスは、前記中流側部位と前記下流側部位との境界において、少なくとも前記中流側部位の前記境界側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、ダクトの内周面における流体のはく離を抑制することができるため、推力の低下を抑制することができる。
　また、前記空力デバイスを制御する制御部を、さらに備え、前記制御部は、前記回転部が所定の回転数に達するまで、前記空力デバイスを作動させることが、好ましい。
　この構成によれば、回転部が所定の回転数に達するまでは、内周面に沿う流体の流れが遅くなるものの、空力デバイスを作動させることで、流体を内周面に沿う流れにできるため、内周面からの流体のはく離を抑制することができる。
　また、前記回転部の前記回転軸の軸方向に直交する流入側の面を回転面とすると、前記回転面は、前記軸方向において、前記中流側部位に位置することが、好ましい。
　この構成によれば、中流側部位において回転部を回転させることにより、上流側部位において吸い込んだ流体を、下流側部位において吹き出すことができるため、適切に推力を生じさせることができる。
　また、前記回転部と前記外周部との間、及び前記回転部と前記軸部との間の少なくとも一方に設けられる転がり軸受を、さらに備えることが、好ましい。
　この構成によれば、回転部と外周部との間、及び回転部と軸部との間の少なくとも一方を連結した状態で、回転部を円滑に回転させることができる。
　また、前記回転部と前記外周部との間、及び前記回転部と前記軸部との間の少なくとも一方に設けられる磁気軸受を、さらに備えることが、好ましい。
　この構成によれば、回転部と外周部との間、及び回転部と軸部との間の少なくとも一方を非連結とした状態で、回転部を円滑に回転させることができる。
　また、前記回転部の流出側に設けられ、前記軸部と前記外周部とを連結すると共に、前記回転部からの流体の流れを整える整流板を、さらに備えることが、好ましい。
　この構成によれば、回転部からの流体を整流して流出させることができる。
　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。
　この構成によれば、コンパクトなモータ一体型流体機械を搭載することで、軽量化を図ることができ、モータ一体型流体機械により適切な推力を発生させることができる。
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ダクトに関する説明図である。 図３は、実施形態１に係るモータ一体型ファンの変形例に関する部分断面図である。 図４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５は、実施形態３に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。 図６は、実施形態３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７は、実施形態４に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。
　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、ファン１という）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、空力デバイス１７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。
　ここで、上記したように、軸部１１とハブ３１とは、凹凸を嵌め合わせた構成となっている。つまり、円筒形状となる軸部１１の軸側嵌合部２５を凹とし、ハブ３１の中心軸３６ａを凸として、軸側嵌合部２５に中心軸３６ａを挿入して、軸部１１とハブ３１とを嵌め合わせる構成としている。しかしながら、この構成に限定されず、凹凸の嵌め合わせる構成を逆の構成としてもよい。つまり、軸部１１の軸側嵌合部２５を凸に形成し、ハブ３１に凹部を設けて、ハブ３１の凹部に軸側嵌合部２５を挿入して、軸部１１とハブ３１とを嵌め合わせる構成としてもよい。この場合、軸側嵌合部２５の外周面とハブ３１の凹部の内周面との間に、転がり軸受１５を設ける。このような凹凸の嵌め合わせの構成については、後述する実施形態３において詳細に記載する。
　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。複数のブレード３２は、例えば、金属材料を用いて構成してもよいし、複合材を用いて構成してもよく、特に限定されない。
　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たり、ボルトまたはリベット等を用いて固定されたりしている。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。このとき、回転部１２は、複合材を用いて構成する場合、その一部または全部を一体成型してもよい。例えば、回転部１２において、複数のブレード３２と回転支持リング３３とは、複合材を用いて一体に成型されたものであってもよいし、ハブ３１と複数のブレード３２と回転支持リング３３とは、複合材を用いて一体に成型されたものであってもよい。
　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。
　図２に示すように、ダクト１３は、空気が流入する流入側の上流側部位４１と、空気が流出する流出側の下流側部位４３と、上流側部位４１と下流側部位４３との間の中流側部位４２と、を有している。つまり、ダクト１３は、軸方向において、上流側部位４１と、中流側部位４２と、下流側部位４３との３つの部位に区画されている。
　回転軸Ｉの周方向に直交する面で切った断面において、上流側部位４１におけるダクト１３の外周面及び内周面は、所定の曲率半径ｒを有する曲面となっている。なお、上流側部位４１は、少なくとも内周面が所定の曲率半径ｒを有する曲面となっていればよい。また、当該断面において、中流側部位４２におけるダクト１３の外周面及び内周面は、直線部を有する面となっている。なお、中流側部位４２は、少なくとも内周面が直線部を有する面となっていればよい。直線部を有する面は、回転軸Ｉの軸方向に沿った面となっている。また、直線部を有する面は、その一部の面が、回転部１２の回転支持リング３３における内環部３３ａの内周面となっている。つまり、回転部１２は、回転軸Ｉの軸方向において、ダクト１３の中流側部位４２に位置している。さらに、当該断面において、下流側部位４３におけるダクト１３の内周面は、流入側から下流側に向かって広がる面となっている。
　ここで、回転部１２の回転面Ｐにおける直径を、すなわち、回転支持リング３３の内環部３３ａの内周面における直径を、Ｄとする。回転部１２の直径Ｄは、回転軸Ｉの軸方向におけるモータ一体型ファン１の長さＬ１に比して長いものとなっている。言い換えれば、回転軸Ｉの軸方向におけるモータ一体型ファン１の長さＬ１は、回転部１２の直径Ｄに比して短く、例えば、「０．２Ｄ≦Ｌ１≦０．８Ｄ」となっており、具体的には、「０．４Ｄ≦Ｌ１≦０．５Ｄ」となっている。このため、モータ一体型ファン１は、長さＬ１が直径Ｄの半分以下となる扁平のファンとなっている。
　また、回転軸Ｉの軸方向において、下流側部位４３における長さは、上流側部位４１における長さと、中流側部位４２における長さとのそれぞれに対して長くなっている。上流側部位４１における所定の曲率半径ｒは、例えば、「０．０２Ｄ≦Ｌ１≦０．１０Ｄ」となっており、具体的には、「０．０３Ｄ≦ｒ≦０．０９Ｄ」となっている。なお、曲率半径ｒは、上記の数値範囲内であれば、上流側部位４１の外周面及び内周面において異なる曲率半径ｒとなっていてもよい。回転軸Ｉの軸方向において、回転部１２の回転面Ｐは、中流側部位４２の上流側に位置している。具体的に、中流側部位４２における長さＬ２が、例えば、０．１Ｄであるとすると、中流側部位４２の上流側の境界から回転面Ｐまでの長さＬ３は、例えば、０．０１Ｄとなっている。
　また、下流側部位４３における内周面の広がりについて説明する。回転軸Ｉの周方向に直交する面で切った断面において、下流側部位４３の内周面と、中流側部位４２の内周面に沿う方向（回転軸Ｉの軸方向）とが為す角度を、ディフューザ角度θとすると、ディフューザ角度θは、「０°≦θ≦３０°」となっている。
　ダクト１３は、上記のような形状となっていることから、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。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の軸方向においてコイル４６と対向する位置に設けられる。永久磁石４５は、回転軸Ｉの径方向における長さが、回転軸Ｉの軸方向における長さに比して長くなっている。
　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。
　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。
　空力デバイス１７は、回転部１２の下流側におけるダクト１３の内周面に設けられている。空力デバイス１７は、ダクト１３の内周面に沿って流れる空気のはく離を抑制するものである。例えば、空力デバイス１７は、プラズマアクチュエータ、シンセティックジェット等がある。実施形態１において、空力デバイス１７は、ダクト１３の内周面に沿う空気の流れが、下流側へ向かう流れとなるように、空気に対して下流側へ向かう流れを付与するものが適用され、具体的には、プラズマアクチュエータが適用される。
　空力デバイス１７は、回転軸Ｉの軸方向において、ダクト１３の中流側部位４２と下流側部位４３との境界周りに設けられる。具体的に、空力デバイス１７は、少なくとも中流側部位４２の境界側に設けられる。なお、空力デバイス１７は、下流側部位４３の内周面に設けてもよく、空気のはく離が生じる可能性がある部位に適宜設けられる。
　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１７に接続されている。制御部２０は、空力デバイス１７の作動を制御している。また、制御部２０には、図示しない回転数検出センサが接続されており、回転部１２の回転数を取得している。
　制御部２０は、回転数検出センサにより検出された回転部１２の回転数に基づいて、空力デバイス１７の作動を制御している。具体的に、制御部２０は、回転部１２が所定の回転数に達するまで、空力デバイス１７を作動させている。つまり、制御部２０は、回転部１２が所定の回転数に達するまでの低速回転域において、空力デバイス１７を作動させる。一方で、制御部２０は、回転部１２が所定の回転数以上となる回転域において、空力デバイス１７の作動を停止させる。なお、所定の回転数とは、例えば、通常使用される常用の回転数、または、定格作動状態における定格回転数等である。
　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。このとき、空力デバイス１７によりダクト１３の内周面による空気のはく離が抑制される共に、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。
　以上のように、実施形態１によれば、回転部１２が、少なくとも軸部１１に回転自在に支持されながら、回転することができる。このため、回転時における振動等の影響により、回転部１２が回転軸Ｉの軸方向に移動することを抑制できるため、回転部１２を好適に回転させることができる。また、回転部１２は、複数のブレード３２と回転支持リング３３とからなる簡素な構成とすることができるため、回転部１２をコンパクトに構成することができる。
　また、実施形態１によれば、外周駆動となるモータ１４により回転部１２を回転させることができる。また、モータ１４を回転支持リング３３の外周側に設けることができるため、軸部１１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、永久磁石４５及びコイル４６を、回転軸Ｉの軸方向に直交する面に亘って配置することができる。このため、永久磁石４５及びコイル４６の設置面積を広くとることができるため、モータ１４の回転出力を大きくすることができる。
　また、実施形態１によれば、回転部１２を軸部１１に対して上流側に配置することができるため、回転部１２に流入する空気の流路の長さを短くし、回転部１２から流出する空気の流路の長さを長くすることができる。このため、空気により推力を発生させる場合、回転部１２に流入する空気の流路が短いことから空気を吸い込み易く、回転部１２から流出する空気の流路が長いことから空気を適切に吹き出すことができるため、推力を高い構成とすることができる。
　また、実施形態１によれば、ダクト１３の内周面に沿って空気を流通させることができるため、ダクト１３により適切に推力を生じ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１７により、ダクト１３の内周面における空気のはく離を抑制することができるため、推力の低下を抑制することができる。
　また、実施形態１によれば、回転部１２が所定の回転数に達するまでは、ダクト１３の内周面に沿う空気の流れが遅くなるものの、空力デバイス１７を作動させることで、内周面からの空気のはく離を抑制することができるため、空気をダクト１３の内周面に沿う流れにできる。
　また、実施形態１によれば、回転面Ｐを中流側部位４２の上流側に位置させて、中流側部位４２において回転部１２を回転させることができる。このため、上流側部位４１において吸い込んだ空気を、下流側部位４３において吹き出すことができるため、適切に推力を生じさせることができる。
　また、実施形態１によれば、転がり軸受１５を設けることで、回転部１２と軸部１１との間を回転自在に連結することで、回転部１２の軸方向における移動を規制しつつ、回転部１２を円滑に回転させることができる。
　また、実施形態１によれば、整流板１６を設けることで、回転部１２からの空気を整流して吹出口３９から吹き出すことができる。
　また、実施形態１によれば、コンパクトなモータ一体型ファン１を垂直離着陸機に搭載することで、軽量化を図ることができ、モータ一体型ファン１により適切な推力を発生させることができる。
　なお、実施形態１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なっていたが、図３に示す変形例としてもよい。図３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。
　なお、図３に示す変形例では、回転支持リング３３の永久磁石４５を、回転軸Ｉの径方向内側に設け、ダクト１３の内部に設けられるコイル４６を、回転軸Ｉの径方向外側に設けたが、この構成に限定されない。回転支持リング３３の永久磁石４５を、回転軸Ｉの径方向外側に設け、ダクト１３の内部に設けられるコイル４６を、回転軸Ｉの径方向内側に設けてもよい。
［実施形態２］
　次に、図４を参照して、実施形態２に係るモータ一体型ファン５０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４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。
　実施形態２のモータ一体型ファン５０は、実施形態１のモータ一体型ファン１の構成に加えて、回転部１２とダクト１３との間に、転がり軸受５１をさらに備えたものとなっている。転がり軸受５１は、回転軸Ｉの軸方向において、回転支持リング３３の内環部３３ａの両側に設けられている。このため、モータ一体型ファン５０は、その回転部１２が、軸部１１及びダクト１３によって回転自在に支持される。
　以上のように、実施形態２によれば、転がり軸受１５及び転がり軸受５１を設けることで、回転部１２と軸部１１との間、及び回転部１２とダクト１３との間を回転自在に連結することで、回転部１２の軸方向における移動を規制しつつ、回転部１２を円滑に回転させることができる。なお、実施形態２のモータ一体型ファン５０は、回転部１２とダクト１３との間に転がり軸受５１を設ける場合、回転部１２と軸部１１との間に設けた転がり軸受１５を省いてもよい。
［実施形態３］
　次に、図５を参照して、実施形態３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３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２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５は、実施形態３に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。
　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３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。
　実施形態３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、空力デバイス６７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６７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いる。ハブ８１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たり、ボルトまたはリベット等を用いて固定されたりしている。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１１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。
　ここで、上記したように、軸部６１と、ハブ８１と一体となる回転支持リング８３とは、凹凸を嵌め合わせた構成となっている。つまり、円筒形状となる回転支持リング８３の内環部８３ｃを凹とし、軸部６１の軸側嵌合部７５を凸として、内環部８３ｃに軸側嵌合部７５を挿入して、軸部６１と回転支持リング８３とを嵌め合わせる構成としている。しかしながら、この構成に限定されず、凹凸の嵌め合わせる構成を逆の構成としてもよい。つまり、軸部６１の軸側嵌合部７５を凹に形成し、回転支持リング８３に凸部を設けて、軸部６１の軸側嵌合部７５に回転支持リング８３の凸部を挿入して、軸部６１とハブ８１とを嵌め合わせる構成としてもよい。この場合、軸側嵌合部７５の内周面と回転支持リング８３の凸部の外周面との間に、転がり軸受６５を設ける。このような凹凸の嵌め合わせの構成については、上述した実施形態１において記載したものとほぼ同様である。
　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３２は、翼形状となっている。また、各ブレード３２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。複数のブレード８２は、例えば、金属材料を用いて構成してもよいし、複合材を用いて構成してもよく、特に限定されない。
　上記の回転部６２は、ハブ８１と、複数のブレード８２と、回転支持リング８３とが一体に接合されており、ハブ８１を中心に回転する。このとき、回転部６２は、複合材を用いて構成する場合、その一部または全部を一体成型してもよい。例えば、回転部６２において、複数のブレード８２と回転支持リング８３とは、複合材を用いて一体に成型されたものであってもよいし、ハブ８１と複数のブレード８２と回転支持リング８３とは、複合材を用いて一体に成型されたものであってもよい。
　ダクト６３は、軸部６１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。なお、ダクト６３の形状は、実施形態１と同様となっている。
　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３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３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。
　このような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に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。
　以上のように、実施形態３によれば、回転部６２が、少なくとも軸部６１に回転自在に支持されながら、回転することができる。このため、回転時における振動等の影響により、回転部６２が回転軸Ｉの軸方向に移動することを抑制できるため、回転部６２を好適に回転させることができる。また、回転部６２は、複数のブレード８２と回転支持リング８３とからなる簡素な構成とすることができるため、回転部６２をコンパクトに構成することができる。
　また、実施形態３によれば、内周駆動となるモータ６４により回転部６２を回転させることができる。また、モータ６４を回転支持リング８３の内周側に設けることができるため、ダクト６３の構成を簡素化することができる。
　なお、実施形態３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なっていたが、図６に示す変形例としてもよい。図６は、実施形態３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６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。
［実施形態４］
　次に、図７を参照して、実施形態４に係るモータ一体型ファン９０について説明する。なお、実施形態４でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から３と異なる部分について説明し、実施形態１から３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７は、実施形態４に係るモータ一体型ファンに関する断面図である。
　実施形態４のモータ一体型ファン９０は、実施形態２のモータ一体型ファン５０に設けられる転がり軸受５１に代えて、磁気軸受９１としている。
　磁気軸受９１は、回転支持リング３３の内環部３３ａにおいて軸方向の両側に一対設けられた回転側磁石９５と、一対の回転側磁石９５に対向するようにダクト１３に一対設けられた固定側磁石９６と、を有している。回転側磁石９５は、永久磁石となっており、固定側磁石９６は、コイルとなっている。回転側磁石９５と固定側磁石９６とは、回転軸Ｉの軸方向に対向して設けられている。なお、回転側磁石９５をコイルとしてもよいし、固定側磁石９６を永久磁石としてもよい。磁気軸受９１は、回転側磁石９５と固定側磁石９６とが互いに反発するように磁界が制御されることで、回転支持リング３３をダクト１３に対して非接触の状態で、回転自在に支持している。
　また、磁気軸受９１を設ける場合、モータ１４の永久磁石４５は、回転支持リング３３の内環部３３ａにおいて径方向の外側に設けられ、また、コイル４６は、回転軸の径方向において、永久磁石４５に対向するようにダクト１３に設けられる。
　以上のように、実施形態４によれば、回転部１２とダクト１３との間を非連結とした状態で、回転部１２を円滑に回転させることができる。このため、回転部１２に与えられる荷重がダクト１３へ伝達されることを抑制することができる。
　なお、実施形態４では、実施形態２のモータ一体型ファン５０に設けられる転がり軸受５１を、磁気軸受９１としたが、実施形態１のモータ一体型ファン１に設けられる転がり軸受１５を、磁気軸受９１としてもよい。
　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
　１７　空力デバイス
　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
　４１　上流側部位
　４２　中流側部位
　４３　下流側部位
　４５　永久磁石
　４６　コイル
　５０　モータ一体型ファン（実施形態２）
　５１　転がり軸受
　６０　モータ一体型ファン（実施形態３）
　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　空力デバイス
　７０　制御部
　８１　ハブ
　８２　ブレード
　８３　回転支持リング
　９０　モータ一体型ファン（実施形態４）
　９１　磁気軸受
　９５　回転側磁石
　９６　固定側磁石

Claims (14)

  1. 　１以上のモータが一体に設けられる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支持系となる軸部と、
    　前記軸部を中心に回転する回転系となる回転部と、
    　前記軸部の外周に設けられる支持系となる外周部と、
    　前記回転部を回転させるモータと、を備え、
    　前記回転部は、少なくとも前記軸部に回転自在に支持されて回転し、
    　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、
    　前記回転軸の径方向において、複数の前記ブレードの一方側に接続され、複数の前記ブレードを支持する回転支持部材と、を有するモータ一体型流体機械。
  2. 　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、
    　前記回転支持部材が、前記回転軸を中心とする円環形状に形成されると共に、前記回転軸の径方向において、複数の前記ブレードの外周側に接続される回転支持リングとなっており、
    　前記モータは、
    　前記回転支持リングの前記径方向の外周側に設けられる回転子側磁石と、
    　前記外周部の内周側に設けられ、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、を有する請求項１に記載のモータ一体型流体機械。
  3. 　前記モータは、前記軸部から動力を与えて前記回転部を回転させる内周駆動のモータとなっており、
    　前記回転部は、
    　前記回転支持部材が、前記回転軸を中心とする円環形状に形成されると共に、前記回転軸の径方向において、複数の前記ブレードの内周側に接続される回転支持リングとなっており、
    　前記モータは、
    　前記回転支持リングの前記径方向の内周側に設けられる回転子側磁石と、
    　前記軸部の外周側に設けられ、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、を有する請求項１に記載のモータ一体型流体機械。
  4. 　前記回転子側磁石と前記固定子側磁石とは、前記回転軸の軸方向に対向して設けられる請求項２または３に記載のモータ一体型流体機械。
  5. 　前記回転子側磁石と前記固定子側磁石とは、前記回転軸の径方向に対向して設けられる請求項２または３に記載のモータ一体型流体機械。
  6. 　前記回転部は、前記回転軸の軸方向において、前記軸部に対して、流体が流入する流入側に設けられる請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
  7. 　前記外周部は、円環形状に形成され、前記回転部の回転により推力を生じさせるダクトであり、
    　前記ダクトは、流体が流入する流入側の上流側部位と、前記流体が流出する流出側の下流側部位と、前記上流側部位と前記下流側部位との間の中流側部位と、を有し、
    　前記上流側部位の少なくとも内周面は、前記回転軸の周方向に直交する面で切った断面において、所定の曲率半径を有する面となっており、
    　前記中流側部位の内周面は、前記断面において、直線部を有する面となっており、
    　前記下流側部位の内周面は、前記断面において、流入側から下流側に向かって広がる面となっている請求項１から６のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
  8. 　前記回転部の流出側における前記ダクトの内周面に設けられ、前記内周面に沿って流れる流体のはく離を抑制する空力デバイスを、さらに備え、
    　前記空力デバイスは、前記中流側部位と前記下流側部位との境界において、少なくとも前記中流側部位の前記境界側に設けられる請求項７に記載のモータ一体型流体機械。
  9. 　前記空力デバイスを制御する制御部を、さらに備え、
    　前記制御部は、前記回転部が所定の回転数に達するまで、前記空力デバイスを作動させる請求項８に記載のモータ一体型流体機械。
  10. 　前記回転部の前記回転軸の軸方向に直交する流入側の面を回転面とすると、
    　前記回転面は、前記軸方向において、前記中流側部位に位置する請求項７から９のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
  11. 　前記回転部と前記外周部との間、及び前記回転部と前記軸部との間の少なくとも一方に設けられる転がり軸受を、さらに備える請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
  12. 　前記回転部と前記外周部との間、及び前記回転部と前記軸部との間の少なくとも一方に設けられる磁気軸受を、さらに備える請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
  13. 　前記回転部の流出側に設けられ、前記軸部と前記外周部とを連結すると共に、前記回転部からの流体の流れを整える整流板を、さらに備える請求項１から１２のいずれか１項に記載のモータ一体型流体機械。
  14. 　請求項１から１３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。
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