风扇装置及具备该风扇装置的航空器

技术领域

本公开涉及一种风扇装置及具备该风扇装置的航空器。

背景技术

eVTOL机(eVTOL：electric Vertical Take-Off and Landing(电动垂直起降航空器))所采用的电动风扇例如由具有导管(duct)的风扇(所谓的涵道风扇)。涵道风扇(ducted fan)大致分为两个驱动型。第一种是利用马达驱动连接有多个叶片的轮毂进行旋转的内周驱动型。第二种是由设置于叶片的前端部的转子铁芯和以与该转子铁芯对置的方式设置的定子铁芯构成马达而驱动风扇进行旋转的外周驱动型。

这样的电动风扇所采用的马达要求较大的马达容量。因此，在电动风扇运转时，马达的冷却是不可缺少的。例如，在外周驱动型的电动风扇中，需要对设置于叶片的前端侧的转子铁芯和以与该转子铁芯对置的方式设置的定子铁芯进行冷却(专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2020-93706号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，与eVTOL机不同，通常的直升机有时具有自动旋转功能。自动旋转功能是指如下功能：在发动机发生故障时，通过切断发动机与螺旋桨的连杆并且适当地变更叶片的迎角，将下降的能量转换为螺旋桨的旋转来确保升力。

但是，在eVTOL机中，电动风扇比直升机的螺旋桨小，另外，为了避免装置的复杂化、大型化，不使叶片的迎角可变的情况较多。因此，在eVTOL机中，不能使用如直升机那样的自动旋转功能。

本公开是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于，提供一种即使在风扇停止的情况下也能够得到一定的推力、另外在通常时能够冷却马达的风扇装置及具备该风扇装置的航空器。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本公开的风扇装置及具备该风扇装置的航空器采用以下手段。

即，本公开的一个方案的风扇装置具备：风扇，其具有相对于旋转轴线沿半径方向延伸的多个叶片，且通过绕所述旋转轴线旋转而产生气流；转子铁芯，其设置于所述风扇的所述半径方向的外侧；定子铁芯，其设置于在所述半径方向上与所述转子铁芯对置的位置；壳体，其在所述旋转轴线周围形成包围所述风扇的内周面，并且在内部形成有收容所述转子铁芯及所述定子铁芯的收容空间；以及压缩机，其压缩空气，所述内周面具有：圆筒面；以及喷嘴面，其在比所述圆筒面靠气流的流动方向的下游侧处沿着所述旋转轴线向所述半径方向的外侧扩径，所述壳体在内部划定有冷却流路以及壳体侧流路，所述冷却流路从所述压缩机向所述收容空间引导压缩空气，所述壳体侧流路从所述压缩机向形成于所述圆筒面与所述喷嘴面的边界附近的边界吹出口引导压缩空气，所述边界吹出口朝向在所述流动方向上以沿着所述喷嘴面的方式吹出压缩空气的方向。

另外，本公开的一个方案的航空器具备上述的风扇装置。

发明效果

根据本公开的风扇装置及具备该风扇装置的航空器，即使在风扇停止的情况下也能够得到一定的推力，另外，在通常时能够冷却马达。

附图说明

图1是本公开的一实施方式的航空器的立体图。

图2是本公开的一实施方式的风扇装置的纵剖视图。

图3是示出边界吹出口、后缘吹出口、凸台吹出口的形状的例子的图。

图4是示出边界吹出口、后缘吹出口、凸台吹出口的形状的例子的图。

图5是示出边界吹出口、后缘吹出口、凸台吹出口的形状的例子的图。

图6是示出凸台吹出口的形状的例子的图。

图7是本公开的一实施方式的风扇装置的变形例的纵剖视图。

图8是本公开的一实施方式的航空器的变形例的立体图。

图9是本公开的一实施方式的航空器的变形例的立体图。

图10是图9所示的切断线X-X处的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的一实施方式的风扇装置及具备该风扇装置的航空器进行说明。

如图1所示，风扇装置1设置于航空器100A。

风扇装置1是以电力为动力源而产生航空器100A的起飞、着陆、航行等所需的推力的装置。

风扇装置1构成为能够相对于机体倾斜。即，航空器100A为能够垂直起降的所谓的eVTOL机。

如图1及图2所示，风扇装置1具备风扇10、转子铁芯20、导管30、定子铁芯40及压缩机70。

如图2所示，风扇10是通过绕旋转轴线X旋转而产生气流的装置。在该图中，风扇10在从上向下的方向上产生气流。风扇10具有轮毂11、多个叶片12、以及轮缘13。

轮毂11是位于旋转轴线X上且风扇10的中心、且成为风扇10的旋转中心的部件。轮毂11被凸台50轴支承为旋转自如。

凸台50是沿着旋转轴线X延伸的柱状的部件。凸台50经由多个支承构件60与后述的导管30的内周面31连接、支承。

支承构件60是相对于旋转轴线X呈放射状配置、且刚性地连接凸台50与导管30的内周面31的构件。

需要说明的是，风扇10可以是轮毂11被凸台50轴支承为旋转自如的类型，也可以是省略了凸台50的所谓的无轴类型。

叶片12的基端连接、固定于轮毂11。叶片12相对于旋转轴线X沿半径方向延伸。叶片12与轮毂11一起绕旋转轴线X旋转。

多个叶片12的各前端通过一个轮缘13连接。轮缘13是绕旋转轴线X形成为环状的构件。轮缘13与叶片12一起绕旋转轴线X旋转。

转子铁芯20是与后述的定子铁芯40一起构成外周驱动型的马达的部件。转子铁芯20固定于轮缘13的半径方向的外侧。转子铁芯20包括具有磁性的构件(例如磁铁)。转子铁芯20与轮缘13一起绕旋转轴线X旋转。

导管30是对由风扇10产生的气流进行整流的构件。导管30为绕旋转轴线X包围风扇10的筒状的构件。导管30具有内周面31及收容空间32。

内周面31为以包围风扇10的方式形成的面。内周面31包括圆筒面31a及喷嘴面31b。

圆筒面31a是沿着旋转轴线X具有大致恒定的内径的筒状的面。圆筒面31a将轮毂11、叶片12、凸台50及支承构件60等包围。需要说明的是，圆筒面31a不一定必须具有大致恒定的内径，只要是能够大致区别与后述的喷嘴面31b的边界的面即可。

喷嘴面31b是具有沿着旋转轴线X扩大的内径的喷嘴面状的面。喷嘴面31b的内径随着从上游朝向下游而扩大。喷嘴面31b与圆筒面31 a的下游端连续且平滑地连接。在该图的情况下，喷嘴面31b的截面形状为直线状。但是，并不限定于该形状，截面形状也可以是曲线状。即，喷嘴面31b也可以是曲面状。

需要说明的是，上述的“上游”及“下游”是指由风扇10产生的气流的流动方向上的上游及下游。

收容空间32是形成于导管30的内部的空间。收容空间32绕旋转轴线X形成为环状。收容空间32收容转子铁芯20及定子铁芯40。收容空间32经由开口部35与导管30所包围的空间、即配置有风扇10的空间连通。

开口部35以面向旋转轴线X的方式绕旋转轴线X形成为环状。风扇10的轮缘13以堵塞该开口部35的形态配置。此时，轮缘13与内周面31大致共面。由此，能够使由风扇10产生的气流顺畅地流动。

定子铁芯40是与前述的转子铁芯20一起构成外周驱动型的马达的部件。定子铁芯40具有铁心和卷绕于铁心的线圈。定子铁芯40构成为通过电流产生磁力。定子铁芯40设置成在针对旋转轴线X而言的半径方向上与转子铁芯20隔着规定的间隙对置。

在如以上那样构成的导管30中，设置有冷却流路Pc、壳体侧流路Ph及连通流路Ps、以及边界吹出口33及后缘吹出口34。

冷却流路Pc是被划定于导管30的内部、且使导管30的外部与收容空间32连通的流路。在冷却流路Pc连接有压缩机70。由此，能够将由压缩机70压缩后的空气(压缩空气)引导至收容空间32。需要说明的是，在该图中，压缩空气的流动方向用实线的箭头表示。

压缩机70设置于导管30的外部(参照图1)。需要说明的是，图1的设置部位是例示，并不限定于该设置部位。

如图2所示，被引导至收容空间32的压缩空气在转子铁芯20与定子铁芯40之间的间隙中流动而向收容空间32的外部流出。在该图的情况下，压缩空气向导管30的外部流出。此时，压缩空气在通过转子铁芯20与定子铁芯40之间的间隙的过程中将转子铁芯20及定子铁芯40冷却。由此，能够冷却外周驱动型的马达。

壳体侧流路Ph是被划定于导管30的内部、且与导管30的外部连通的流路。壳体侧流路Ph独立于冷却流路Pc地与压缩机70连接。壳体侧流路Ph具有多个流路Ph0、Ph1、Ph2、Ph3。

流路Ph0是被划定于导管30的内部、且与导管30的外部连通的流路。流路Ph0独立于冷却流路Pc地与压缩机70连接。由此，能够将由压缩机70压缩的空气向壳体侧流路Ph引导。

流路Ph1是被划定于导管30的内部、且使流路Ph0与边界吹出口33连通的流路。由此，能够将由压缩机70压缩的空气向边界吹出口33引导。

边界吹出口33是设置于圆筒面31a与喷嘴面31b的边界附近的开口。边界吹出口33朝向沿着喷嘴面31b吹出压缩空气的方向。

从边界吹出口33吹出的压缩空气在气流的流动方向上沿着喷嘴面31b流动。由此，通过喷吸效应(ejector effect)(喷射器的原理)，空气流入导管30的内周面31的内侧。其结果是，产生与由风扇10产生的气流不同的气流(以下称为“喷吸效应的气流”。)。通过该喷吸效应的气流，例如即使在风扇10停止的情况下，也能够将压缩空气作为动力源而得到一定的推力。需要说明的是，这里所说的“推力”是指代替通过直升机的自动旋转功能而发挥的升力的推力、即抵抗航空器100A的下降的力。

另外，如果是风扇10运转的情况，喷吸效应的气流成为追加的推力。

流路Ph2是被划定于导管30的内部、且使流路Ph0与后缘吹出口34连通的流路。由此，能够将由压缩机70压缩的空气向后缘吹出口34引导。

后缘吹出口34是设置于喷嘴面31b的后缘(导管30的后缘)的开口。边界吹出口33朝向在由风扇10产生的气流的流动方向上吹出压缩空气的方向。

从后缘吹出口34吹出的压缩空气向由风扇10产生的气流的流动方向吹出。由此，能够吸引沿着喷嘴面31b流动的气流，抑制剥离。

流路Ph3是被划定于导管30的内部、且使流路Ph0与连通流路Ps连通的流路。由此，能够将由压缩机70压缩的空气向连通流路Ps引导。

连通流路Ps是被划定于支承凸台50的支承构件60的内部、且朝向凸台50延伸的流路。

在凸台50设置有凸台侧流路Pb及凸台吹出口51。凸台侧流路Pb是将连通流路Ps与凸台吹出口51连通的流路。由此，能够将由压缩机70压缩后的空气向凸台吹出口51引导。

凸台吹出口51是设置于凸台50的下游侧的端面的开口。凸台吹出口51朝向在由风扇10产生的气流的流动方向上吹出压缩空气的方向。

从凸台吹出口51吹出的压缩空气向由风扇10产生的气流的流动方向吹出。由此，能够抑制气流在凸台50的端面上剥离。

如图3所示，在从旋转轴线X的方向观察时，如上说明的边界吹出口33、后缘吹出口34及凸台吹出口51也可以是以旋转轴线X为中心的圆环状的开口。另外，如图4所示，也可以由以旋转轴线X为中心的多个圆弧状的开口构成。另外，如图5所示，也可以由以旋转轴线X为中心等间隔地排列多个圆形状的开口构成。

另外，凸台吹出口51除了图3至图5所示的形状之外，也可以如图6所示那样、是以旋转轴线X为中心的圆形状的开口。

如图2所示，也可以在冷却流路Pc与压缩机70之间设置阀81。由此，在不需要冷却马达的情况下，能够将压缩空气的全部量向壳体侧流路Ph引导。

不需要冷却马达的情况例如是由于故障而风扇10不再驱动的情况。这是因为，如果风扇10不驱动，则马达不发热。

在这样的状况下，需要利用喷吸效应的气流来确保代替自动旋转功能的推力，因此将压缩空气的全部量向壳体侧流路Ph引导有利于使推力最大化。

另外，也可以在流路Ph1、Ph2、Ph3上分别设置阀(未图示)。由此，能够适当调整从各吹出口吹出的压缩空气的流量。

需要说明的是，边界吹出口33是用于产生喷吸效应的气流所必须的结构。但是，后缘吹出口34及凸台吹出口51在产生喷吸效应的气流时不是必须的结构。因此，也可以从风扇装置1省略后缘吹出口34和/或凸台吹出口51。

需要说明的是，在不具有支承构件60的无轴类型的风扇装置1的情况下，不需要凸台吹出口51。

根据本实施方式，起到以下的效果。

在所谓的外周驱动型的电动风扇中，能够将由压缩机70压缩后的压缩空气经由冷却流路Pc向收容有作为马达的转子铁芯20及定子铁芯40的收容空间32引导。由此，能够强制冷却也是发热源的马达(转子铁芯20及定子铁芯40)。

另外，能够从形成于圆筒面31a与喷嘴面31b的边界附近的边界吹出口33吹出压缩空气。此时，来自边界吹出口33的压缩空气在由风扇10产生的气流的流动方向上以沿着喷嘴面31b的方式吹出。由此，通过喷吸效应(喷射器的原理)，空气流入导管30的内周面31的内侧。其结果是，产生与由风扇10产生的气流不同的气流(以下称为“喷吸效应的气流”。)。通过该喷吸效应的气流，例如即使在风扇10停止的情况下，也能够得到一定的推力。另外，在风扇10正运转的情况下，喷吸效应的气流成为追加的推力。

另外，能够从形成于喷嘴面31b的流动方向的后缘的后缘吹出口34吹出压缩空气。此时，来自后缘吹出口34的压缩空气向由风扇10产生的气流的流动方向吹出。由此，能够吸引沿着喷嘴面31b流动的气流，抑制剥离，因此能够进一步增大推力。

另外，能够经由连通流路Ps及凸台侧流路Pb从形成于凸台50的端面的凸台吹出口51吹出压缩空气。此时，来自凸台吹出口51的压缩空气向由风扇10产生的气流的流动方向吹出。由此，能够抑制气流在凸台50的端面上剥离。其结果是，能够降低凸台50的端面的空气阻力。

另外，在冷却流路Pc和壳体侧流路Ph为相互独立的流路的情况下，能够设定与各自的目的对应的压缩空气的流量。

另外，在壳体侧流路Ph(流路Ph0)与收容空间32连通的情况下，能够使被引导至收容空间32的压缩空气从各吹出口33、34、51吹出。即，能够以一个路径且简单的结构进行马达的冷却和压缩空气的吹出。

[变形例1]

如图7所示，也可以使壳体侧流路Ph的流路Ph0与收容空间32连通。在该情况下，流路Ph0不与压缩机70直接连接，而是经由冷却流路Pc及收容空间32与压缩机70间接地连接。

由此，能够使导入收容空间32的压缩空气从边界吹出口33、后缘吹出口34及凸台吹出口51吹出。即，能够以一个路径且简单的结构进行马达的冷却和压缩空气的吹出。

[变形例2]

另外，如图8所示，也可以由多个风扇装置1构成一个多风扇101。在该情况下，航空器100B具备多个多风扇101。也可以从共用的压缩机70向各多风扇101所具有的风扇装置1供给压缩空气。

[变形例3]

另外，如图9及图10所示，也可以将风扇装置1组装于航空器100C的机翼102。在该情况下，代替导管30，在机翼102上形成内周面31、各吹出口及各流路。

以上说明的实施方式例如如以下那样掌握。

即，本公开的一个方案的风扇装置(1)具备：风扇(10)，其具有相对于旋转轴线(X)沿半径方向延伸的多个叶片(12)，且通过绕所述旋转轴线(X)旋转而产生气流；转子铁芯(20)，其设置于该风扇(10)的所述半径方向的外侧；定子铁芯(40)，其设置于在所述半径方向上与所述转子铁芯(20)对置的位置；壳体(30、102)，其在所述旋转轴线(X)周围形成包围所述风扇(10)的内周面(31)，并且在内部形成有收容所述转子铁芯(20)及所述定子铁芯(40)的收容空间(32)；以及压缩机(70)，其压缩空气，所述内周面(31)具有：圆筒面(31a)；以及喷嘴面(31b)，其在比该圆筒面(31a)靠气流的流动方向的下游侧处沿着所述旋转轴线(X)向所述半径方向的外侧扩径，所述壳体(30、102)在内部划定冷却流路(Pc)以及壳体侧流路(Ph)，所述冷却流路(Pc)从所述压缩机(70)向所述收容空间(32)引导压缩空气，所述壳体侧流路(Ph)从所述压缩机(70)向形成于所述圆筒面(31a)与所述喷嘴面(31b)的边界附近的边界吹出口(33)引导压缩空气，所述边界吹出口(33)朝向在所述流动方向上以沿着所述喷嘴面(31b)的方式吹出压缩空气的方向。

根据本方案的风扇装置(1)，在所谓的外周驱动型的电动风扇中，能够将由压缩机(70)压缩后的压缩空气经由冷却流路(Pc)向收容有作为驱动部的转子铁芯(20)及定子铁芯(40)的收容空间(32)引导。由此，能够强制冷却也是发热源的马达(转子铁芯(20)及定子铁芯(40))。

另外，能够从形成于圆筒面(31a)与喷嘴面(31b)的边界附近的边界吹出口(33)吹出压缩空气。此时，来自边界吹出口(33)的压缩空气在由风扇(10)产生的气流的流动方向上以沿着喷嘴面(31b)的方式吹出。由此，通过喷吸效应(喷射器的原理)，空气流入壳体(30、102)的内周面(31)的内侧。其结果是，产生与由风扇(10)产生的气流不同的气流(以下称为“喷吸效应的气流”。)。通过该喷吸效应的气流，例如即使在风扇(10)停止的情况下，也能够得到一定的推力。另外，在风扇(10)运转的情况下，喷吸效应的气流成为追加的推力。

另外，在本公开的一个方案的风扇装置(1)中，所述壳体侧流路(Ph)向形成于所述喷嘴面(31b)的所述流动方向的后缘的后缘吹出口(34)引导压缩空气，所述后缘吹出口(34)朝向在所述流动方向上吹出压缩空气的方向。

根据本方案的风扇装置(1)，能够从形成于喷嘴面(31b)的流动方向的后缘的后缘吹出口(34)吹出压缩空气。此时，来自后缘吹出口(34)的压缩空气向由风扇(10)产生的气流的流动方向吹出。由此，能够吸引沿着喷嘴面(31b)流动的气流，抑制剥离，因此能够进一步增大推力。

另外，本公开的一个方案的风扇装置(1)具备：凸台(50)，其绕所述旋转轴线(X)轴支承所述风扇(10)；以及支承构件(60)，其相对于所述壳体(30、102)支承所述凸台(50)，所述支承构件(60)在内部划定有从所述壳体侧流路(Ph)向所述凸台(50)侧引导压缩空气的连通流路(Ps)，所述凸台(50)在内部划定有从所述连通流路(Ps)向形成于所述流动方向的下游侧端面的凸台吹出口(51)引导压缩空气的凸台侧流路(Pb)，所述凸台吹出口(51)朝向在所述流动方向上吹出压缩空气的方向。

根据本方案的风扇装置(1)，能够经由连通流路(Ps)及凸台侧流路(Pb)从形成于凸台(50)的端面的凸台吹出口(51)吹出压缩空气。此时，来自凸台吹出口(51)的压缩空气向由风扇(10)产生的气流的流动方向吹出。由此，能够抑制气流在凸台(50)的端面上剥离。其结果是，能够降低凸台(50)的端面的空气阻力。

另外，在本公开的一个方案的风扇装置(1)中，也可以是，所述冷却流路(Pc)和所述壳体侧流路(Ph)是相互独立的流路。

根据本方案的风扇装置(1)，由于冷却流路(Pc)和壳体侧流路(Ph)为相互独立的流路，因此能够设定与各自的目的对应的压缩空气的流量。

另外，在本公开的一个方案的风扇装置(1)中，也可以是，所述壳体侧流路(Ph)与所述收容空间(32)连通。

根据本方案的风扇装置(1)，壳体侧流路(Ph)与收容空间(32)连通，因此能够使被引导至收容空间(32)的压缩空气从各吹出口(33、34、51)吹出。即，能够以一个路径且简单的结构进行马达的冷却和压缩空气的吹出。

另外，在本公开的一个方案的风扇装置(1)中，所述壳体(30)为导管(30)。

另外，在本公开的一个方案的风扇装置(1)中，所述壳体(102)为航空器(100C)的机翼(102)。

另外，本公开的一个方案的航空器(100A、100B、100C)具备上述的风扇装置(1)。

附图标记说明：

1...风扇装置；

10...风扇；

11...轮毂；

12...叶片；

13...轮缘；

20...转子铁芯；

30...导管(壳体)；

31...内周面；

31a...圆筒面；

31b...喷嘴面；

32...收容空间；

33...边界吹出口；

34...后缘吹出口；

35...开口部；

40...定子铁芯；

50...凸台；

51...凸台吹出口；

60...支承构件；

70...压缩机；

81...阀；

100A、100B、100C...航空器；

101...多风扇；

102...机翼；

Pb...凸台侧流路；

Pc...冷却流路；

Ph...壳体侧流路；

Ph0、Ph1、Ph2、Ph3...流路(壳体侧流路)；

Ps...连通流路；

X...旋转轴线。