JP2022157533A - 流体機械及び水中航走体 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなモータによりプロペラが外周駆動されることによって、流体がシュラウド内を軸線方向に圧送される。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1及び図2に示すように、水中航走体1は、航走体本体2及び推進装置8を有している。
航走体本体2は、軸線Oに沿って延びる耐圧性容器によって構成されている。航走体本体2内には、例えば水中航走に必要な各種機器、電源、通信設備、センサ等が収容されている。
推進装置8は、航走体本体2の後部に該航走体本体2と一体に設けられている。推進装置8は、水中航走体1を水中で推進させるための装置である。
推進装置8は、軸部3、第一プロペラ10A、第二プロペラ10B、軸受部40、シュラウド50、連結部70、ストラット78、円筒モータ80及びコニカルモータ90を有している。
図2に示すように、軸部3は航走体本体2の後部に一体に設けられている。軸部3は、航走体本体2の一部であってもよい。軸部3は軸線Oに沿って延びる棒状をなしている。本実施形態の軸部3は、軸線O方向一方側(航走体本体2の前方側)から軸線O方向他方側(航走体本体2の後方側)に向かうにしたがって縮径する円錐台形状をなしている。軸部3の径方向外側を向く面は、軸線O方向他方側に向かうにしたがって縮径するテーパ状をなす軸外周面3aとされている。
詳しくは図3に示すように、収容溝5の底となる径方向外側を向く面は、溝底面5aとされている。溝底面5aは軸線Oを中心とした円筒面状をなしている。
図2及び図3に示すように、第一プロペラ10A及び第二プロペラ10Bは、軸部3の外周側に配置されており、軸部3に対して軸線O回りに相対回転可能とされている。第一プロペラ10Aは、内周リング11、第一羽根20A及び外周リング30から構成されている。第二プロペラ10Bは、内周リング11、第二羽根20B及び外周リング30から構成されている。
内周リング11は、軸線Oを中心とするリング状をなす部材である。第一プロペラ10Aの内周リング11は、軸線O方向一方側の収容溝5内に収容されている。第二プロペラ10Bの内周リング11は、軸線O方向他方側の収容溝5内に収容されている。
リング内面12は、内周リング11の内周面を構成している。リング内面12は、周方向にわたって溝底面5aと対向する円筒面状をなしている。リング内面12の内径は溝底面5aの外径よりも大きく設定されている。
下流端面14は、内周リング11における軸線O方向他方側を向く面であって、溝下流側面5cの軸線O方向一方側に間隔をあけて配置されている。
第一羽根20Aは、第一プロペラ10Aの内周リング11における外周流路面15から径方向外側に延びるように設けられている。第二羽根20Bは、第二プロペラ10Bの内周リング11における外周流路面15から径方向外側に向かうように延びている。第一羽根20A及び第二羽根20Bは、周方向に間隔をあけて複数が設けられている。第一羽根20A及び第二羽根20Bの軸線O方向の寸法は、内周リング11の軸線O方向の寸法よりも小さい。
図2及び図3に示すように、外周リング30は、第一プロペラ10A及び第二プロペラ10Bの外周部を構成する部材であって、軸線Oを中心としたリング状をなしている。第一プロペラ10Aの外周リング30は、周方向に配列された複数の第一羽根20Aを周方向に接続している。第二プロペラ10Bの外周リング30は、周方向に配列された複数の第二羽根20Bを周方向に接続している。第一プロペラ10Aの外周リング30の軸線O方向の寸法は、第一羽根20Aの軸線O方向の寸法よりも大きい。第二プロペラ10Bの外周リング30の軸線O方向の寸法は、第二羽根20Bの軸線O方向の寸法よりも大きい。
本実施形態では、テーパ固定面33の上流側の端部の外径は、円筒固定面32の下流側の端部の外径と同一、又は該円筒固定面32の下流側の端部の外径よりも小さく設定されている。
軸受部40は、第一プロペラ10A及び第二プロペラ10Bを軸部3に対して回転可能に支持する。軸受部40は、収容溝5内に設けられており、第一プロペラ10A及び第二プロペラ10Bの内周リング11を回転可能に支持している。軸受部40は、ラジアル軸受41、上流側スラスト軸受42及び下流側スラスト軸受43から構成されている。
下流側スラスト軸受43は、収容溝5における溝下流側面5c上に周方向にわたって設けられている。下流側スラスト軸受43は、内周リング11の下流端面14と軸線O方向にクリアランスを介して対向している。
シュラウド50は、軸部3、第一プロペラ10A及び第二プロペラ10Bを外周側から囲うように設けられている。シュラウド50は、軸線Oを中心とした環状をなしている。シュラウド50は、軸部3の外周面から径方向に間隔をあけて配置されている。これによって、シュラウド50と軸部3との間には、軸線O方向にわたって環状をなす流路が形成されている。流路内には、第一プロペラ10Aの第一羽根20A、第二プロペラ10Bの第二羽根20Bが位置しており、第一プロペラ10A及び第二プロペラ10Bの外周リング30は、シュラウド50内に収容されている。
本実施形態のシュラウド50は、軸線Oを含む断面形状が翼型をなしている。シュラウド内周面51とシュラウド外周面52との上流側の端部の接続箇所は、周方向にわたって環状に延びるシュラウド前縁53とされている。シュラウド内周面51とシュラウド外周面52との下流側の端部での接続箇所は、周方向にわたって延びる環状をなすシュラウド後縁54とされている。シュラウド後縁54の軸線O方向位置は、軸部3の後端の軸線O方向位置と同一とされている。
なお、シュラウド内周面51は、シュラウド前縁53からシュラウド後縁54までの全域で縮径している必要はなく、シュラウド前縁53から少なくとも第二プロペラ10Bにおける第二羽根20Bの後縁の軸線O方向位置まで縮径していればよい。
これに伴って、シュラウド内周面51と軸外周面3aとによって形成される流路の流路断面積も、シュラウド50の軸線O方向の全範囲で徐々に縮小する必要はなく、シュラウド前縁53から少なくとも第二プロペラ10Bにおける第二羽根20Bの後縁軸線O方向位置まで徐々に縮小していればよい。
なお、「平均内径」とは、軸線O方向での平均の内径を意味している。
中間分割体62は、シュラウド50における上流分割体61の下流側に連なる部分を構成している。上流分割体61における径方向内側かつ下流側の部分を大きく切り欠いた箇所を、中間分割体62が下流側から閉塞することによって第一キャビティ50Aが区画形成されている。
下流分割体63は、中間分割体62の下流側に連なる部分であって、シュラウド後縁54を含む部分を構成している。下流分割体63における径方向内側かつ上流側の部分を大きく切り欠いた箇所を、中間分割体62が上流側から閉塞することによって第二キャビティ50Bが区画形成されている。
図1に示すように、連結部70は、シュラウド50におけるシュラウド外周面52から突出するように設けられている。連結部70はシュラウド50の複数の分割体を互いに連結する。
詳しくは図5に示すように、連結部70は、上流凸部71、中間凸部72、下流凸部73、連結ボルト74、及び充填部75を有している。
中間凸部72は、シュラウド50における中間分割体62に一体に設けられており、該上流分割体61の外周面から突出している。中間凸部72には、該中間凸部72を軸線O方向に貫通するボルト貫通孔72aが形成されている。
図1及び図2に示すように、ストラット78は、シュラウド50と軸部3とを連結することで、軸部3に対してシュラウド50を支持する。ストラット78は、周方向に間隔をあけて複数が設けられており、軸線O方向に延びている。ストラット78における下流側の端部は、シュラウド50に固定されている。ストラット78の上流側の端部は軸部3の軸外周面3aに固定されている。
ストラット78の軸線Oに直交する断面形状は、径方向を長手方向として周方向を短手方向とした偏平矩形状をなしている。これによって、水中航走体1の推進の回転を抑制している。
図2及び図3に示すように、円筒モータ80は、シュラウド50における第一キャビティ50A内に収容されている。円筒モータ80は、第一プロペラ10Aを回転駆動する。円筒モータ80は、円筒ステータ81及び円筒ロータ82を有している。
円筒ロータ82の下流側の端面には第一押さえ板83が当接している。第一押さえ板83は、円筒ロータ82の下流側の端面と第一プロペラ10Aの外周リング30における下流端面35との間にわたって設けられている。該第一押さえ板83が図示しないボルトによって外周リング30に固定されていることで、円筒ロータ82は第一押さえ板83によって下流側から固定されている。
このような円筒モータ80では、円筒ステータ81に通電されることで回転磁界が発生し、これによって円筒ロータ82が軸線O回りに回転する。
図2及び図3に示すように、コニカルモータ90は、シュラウド50における第二キャビティ50B内に収容されている。コニカルモータ90は、第二プロペラ10Bを駆動する。コニカルモータ90は、コニカルステータ100及びコニカルロータ130を有している。
コニカルステータ100は、図2及び図3に示すように、シュラウド50の第二キャビティ50B内に固定されている。コニカルステータ100は、図7及び図8に示すように、ステータコア101及びコイル110を備えている。
ステータコア101は、軸線Oを中心とする環状をなすバックヨーク104と、該バックヨーク104の内周面から突出するティース106を有している。
図7に示すように、ティース106は、バックヨーク104の内周側に周方向に間隔をあけて複数が設けられている。ティース106は、バックヨーク104に接続されて径方向に延びるティース本体107と、該ティース本体107の径方向内側の端部に設けられてティース本体107から周方向両側に広がる部分であるティース先端部108とを有している。
コイル110は、径方向に延びる各ティース本体107の周囲を囲うように複数が設けられている。各コイル110は、図9に示すコイル層120が径方向に複数積層されることによって構成されている。各コイル層120がティース本体107の外面を囲うことで、コイル全体がティース本体107の外面に設けられた状態となる。
コイル層120における下流側で周方向に延びる部分は、ティース本体107に下流側から接する下流片122とされている。下流片122の周方向の寸法は上流片121の周方向の寸法よりも短い。
コイル層120におけるティース106の周方向両側で軸線O方向に延びる一対の部分は、それぞれ側方片123とされている。一対の側方片123は、ティース106に周方向両側から接しており、下流側に向かうにしたがって互い近づくように延びている。
図8に示すようにティース106の周囲に設けられたコイル110における軸線O方向両端の部分、即ち、ティース106よりも上流側、下流側にそれぞれ突出する部分は、コイルエンド111とされている。コイル110におけるコイルエンド111以外の部分、即ち、ティース106に対して周方向両側から接する部分は、コイル主部112とされている。
図2及び図3、詳しくは図10に示すように、コニカルロータ130は、第二プロペラ10Bの外周リング30の外周側に固定されている。図7及び図8に示すように、コニカルロータ130は、ロータコア131と永久磁石140とを有している。
図7及び図8に示すように、永久磁石140は、ロータコア131に対して周方向に間隔をあけて複数が設けられている。各永久磁石140は、それぞれ対応するロータコア131の各挿入孔134に挿入されている。
一方で、コニカルロータ130の下流側の端部は、第二押さえ板150によって下流側から押さえ込まれている。
ここで、図10に加えて図9に示すように、ボルト止め孔150aの開口部付近では、押さえボルト151の周方向の一部分は、ロータコア131の外周面から凹むようにして形成された切欠部135に収容されている。切欠部135は、ロータコア131における周方向に隣り合う永久磁石140の間の部分に形成されている。
本実施形態では、コニカルモータ90の内周面の上流側の端部の内径は、円筒モータ80の内周面の下流側の端部の内径以下とされている。即ち、コニカルモータ90の内周面の上流側の端部の内径は、円筒モータ80の内周面の下流側の端部と同一に設定されており、又は、円筒モータ80の内周面の下流側の端部の内径よりも小さく設定されている。
本実施形態では、コニカルモータ90の外周面の上流側の端部の外径は、円筒モータ80の外周面の下流側の端部の外径以下とされている。即ち、コニカルモータ90の外周面の上流側の端部の外径は、円筒モータ80の外周面の下流側の端部の外径と同一に設定されており、又は、円筒モータ80の内周面の下流側の端部の外径よりも小さく設定されている。
上記構成の水中航走体1は推進装置8が駆動されることで水中を航行することができる。即ち、シュラウド50の第一キャビティ50A内の円筒モータ80が駆動されると、該円筒モータ80の円筒ロータ82に一体に固定された第一プロペラ10Aが周方向一方側に向かって軸線O回りに回転する。これにより、流路内に位置する第一羽根20Aによって下流側に水が圧送される。また、円筒モータ80の駆動と同時にコニカルモータ90が駆動されると、該コニカルモータ90のコニカルロータ130に一体に固定された第二プロペラ10Bが周方向他方側に向かって軸線O回りに回転する。これにより、流路内に位置する第二羽根20Bによって下流側に水が圧送される。
ここで、第一羽根20A及び第二羽根20Bによって水が圧送されると該水の流速が加速される結果、水の流れは径方向内側に絞られたものとなる。本実施形態では、流路形状が水の流れに合った形状とされているため、水の圧送効率を向上させることができる。
これに対して本実施形態では、図4に示すように、第一羽根20Aの負圧面負荷分布が、軸線O方向に負荷が分散するとともに径方向内側の負荷が小さい負荷均一型とされている。そのため、圧力干渉による流体抵抗の増加を最小限に抑えることができる。
一方で、軸部3との圧力干渉が起こりにくい下流側の第二プロペラ10Bの第二羽根20Bは、前縁に負荷が集中した前縁負荷型の負圧面圧力分布とされているため、プロペラ効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では、コニカルモータ90の駆動時には、コニカルモータ90のコニカルロータ130とコニカルステータ100との対向方向(ギャップ方向)への電磁力が作用する。当該電磁力は、径方向外側かつ下流側に向かったものとなる。したがって、コニカロータ130には電磁力の軸線O方向の分力として下流側に向かっての力が付与される。
ここで、上述のようにコニカルロータ130には電磁力の分力として下流側に向かっての力が作用するのに対して、当該コニカルロータ130と対をなすコニカルステータ100には、電磁力の分力として上流側に向かっての力が作用する。そのため、コニカルステータ100が一体に取り付けられた下流分割体63にも、上流側に向かって力が作用することになる。
仮に同一の断面形状の平角線を用いた同形状のコイル層120を積層させながら、各コイル110の軸線O方向の端部の軸線O方向位置が揃っていないとすれば、各コイル層120とティース106との間に軸線O方向の隙間が生じている。このような場合、漏れ磁束が多くなり、モータ効率を低下させる。本実施形態では、ティース106に対して隙間を最小限に抑えながら密度高くコイル層120を配置することができる。そのため、モータ効率を向上させることができる。
さらに、コイル110全体としてのコイル110長を短くすることができるため、コイル110の銅損を低減させることができ、モータの高効率化を図ることができる。
さらに、切欠部135はロータコア131における隣り合う永久磁石140の間の部分に形成されている。仮に永久磁石140の径方向外側の部分に切欠部135を形成した場合、ロータコア131を通過する磁束の妨げとなり磁気抵抗の増加を招く。本実施形態のように隣り合う永久磁石140の間に切欠部135を形成することで、ロータコア131の磁路の浸食を最小限とすることができ、磁気抵抗の増加を低減できる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
即ち、複数のプロペラに対応するように当該プロペラと同数のモータが設けられていればよく、これらモータのそれぞれは円筒型であってもコニカル型のいずれであってもよい。
より好ましくは、隣り合う分割体のうち下流側の分割体のみにコニカルステータ100を固定してもよい。これにより、実施形態同様、これら隣り合う分割体を軸線O方向により強固に固定することができる他、連結部70のコンパクト化を図ることができる。
また、本発明に係る流体機械は、推進装置8のみならず、ポンプ等の他の水中で用いられる流体機械に適用してもよい。また、水を圧送する流体機械のみならず、油等の他の液体を圧送する流体機械に本発明を適用してもよい。
各実施形態に記載の推進装置(流体機械)8及び水中航走体1は、例えば以下のように把握される。
また、シュラウド50の内周面が下流側に向かうにしたがって縮径していることに伴って、複数のモータにおけるロータの平均外径が下流側ほど小さくなる。これによって、下流側のモータ程、径方向内側に偏った配置構造となる。
仮に複数のモータにおける平均外径が同一とされていれば、シュラウド50の内周面の縮径形状に対して、モータは同一の径方向位置に並設されることになる。この場合、シュラウド50の形状と複数のモータの配置構造が合っていないため、シュラウド50をモータの配置構造に合わせる必要があり、シュラウド50の大型化を招く。
これに対して本態様では、上述の通り、下流側のモータが径方向内側に偏った配置構造とされているため、当該配置構造はシュラウド50の縮径形状に合ったものとなる。したがって、そのため、シュラウド50の形状をモータの配置に応じて大型化させる必要はなく、コンパクトな構成とすることができる。
一方で、内部に複数のモータを収容しながら翼型を維持するためには、シュラウド50の形状を複数のモータの配置構造に合わせて必要以上に大型化させなればならない場合がある。これに対して、本態様では、複数のモータの配置構造がシュラウド50の形状に合ったものとされているため、シュラウド50の大きさを小さく抑えることができる。
一方で、下流側の羽根は、前縁に負荷が集中した前縁負荷型の負圧面圧力分布とされているため、プロペラ効率を向上させることができる。
また、切欠部135によって、ロータコア131の外周リング30に対する周方向の移動を規制することができる。
さらに、切欠部135はロータコア131における永久磁石140の間の部分に形成されているため、ロータコア131の磁路の浸食を最小限とすることができ、磁気抵抗の増加を低減できる。
Claims (18)
- 軸線方向に延びる軸部と、
前記軸部を囲うように設けられて、内周面が前記軸線方向一方側である上流側から前記軸線方向他方側である下流側に向かうにしたがって縮径するとともに、前記軸部との間で前記下流側に向かうにしたがって流路断面積が小さくなる流路を形成するシュラウドと、
前記軸部と前記シュラウドとの間で軸線回りに回転可能に設けられて、前記上流側から前記下流側に向かって流体を圧送するプロペラと、
前記プロペラに対応するように設けられて、前記プロペラの外周部に固定されたリング状をなし前記シュラウド内に収容されたロータ、及び、前記ロータを囲うリング状をなし前記シュラウド内に固定されたステータを有するモータと、
を備え、
前記プロペラは、前記軸線方向に離間して複数が設けられており、
前記モータは、各前記プロペラに対応するように各前記プロペラと同数が設けられており、
複数の前記モータは、前記下流側に位置する前記モータほど前記ロータの平均外径が小さくなる流体機械。 - 前記軸線方向に互いに隣り合う前記モータのうち、前記下流側に位置する前記モータの前記ステータの平均内径は、前記上流側に位置する前記モータの前記ステータの平均内径よりも小さく、かつ、前記下流側に位置する前記モータの前記ロータの平均外径は、前記上流側に位置する前記モータの前記ロータの平均外径よりも小さい請求項1に記載の流体機械。
- 前記シュラウドは、前記軸線に直交する断面形状が、前記上流側の端部を前縁とし、前記下流側の端部を後縁とした翼型をなしている請求項1又は2に記載の流体機械。
- 前記プロペラは、前記軸線方向に二つが設けられており、
二つの前記プロペラの回転方向は互いに反対とされており、
各前記プロペラは、周方向に複数が配置された羽根を有しており、
前記下流側の前記プロペラの前記羽根における負圧面圧力分布は、負荷が前縁に偏った前縁負荷型とされており、
前記上流側の前記プロペラの前記羽根における負圧面圧力分布は、前記下流側の前記羽根の負圧面圧力分布よりも負荷が前記軸線方向に分散するとともに径方向内側の負荷が小さい負荷均一型とされている請求項1から3のいずれか一項に記載の流体機械。 - 前記プロペラは、前記軸部の外周側にクリアランスを介して嵌め込まれた内周リングを有し、
前記軸部に固定されて、前記内周リングの前記上流側に周方向にわたって対向するスラスト軸受と、
前記シュラウドを前記軸部に対して支持するストラットと、
をさらに備える請求項1から4のいずれか一項に記載の流体機械。 - 前記シュラウドは、前記軸線方向に複数に分割された複数の分割体から構成されており、
これら複数の分割体を前記軸線方向に連結する連結部をさらに備える請求項1から5のいずれか一項に記載の流体機械。 - 前記連結部は、前記シュラウドの外周面から突出する凸曲面状をなしているとともに、前記シュラウドの外周面に沿う断面形状が前記上流側を前縁とし前記下流側を後縁とする翼型をなしている請求項6に記載の流体機械。
- 複数の前記モータのうちの少なくとも一つは、前記ロータ及び前記ステータが、前記上流側から前記下流側に向かうにしたがって縮径しているコニカルモータである請求項1から7のいずれか一項に記載の流体機械。
- 前記コニカルモータの前記ステータは、
前記軸線を中心とする環状をなすとともに前記下流側に向かうにしたがって縮径するバックヨーク、及び、該バックヨークの内周面から径方向内側に突出するとともに前記軸線方向にわたって延びるように周方向に複数が設けられ、前記下流側に向かうにしたがって縮径しながら周方向の厚さが小さくなるティースを有するステータコアと、
各前記ティースの外面を囲うように設けられた複数のコイルと、
を備える請求項8に記載の流体機械。 - 各前記コイルは、前記ティースの周りで径方向に複数層が積層された偏平状をなす平角線によって構成されており、
前記コイルの各層は、径方向視で前記下流側に向かうにしたがって周方向の間隔が小さくなる矩形状をなしている請求項9に記載の流体機械。 - 前記コイルの各層は、前記下流側に向かうにしたがって径方向内側に向かうように傾斜している請求項10に記載の流体機械。
- 前記コイルは、コイルエンドの前記軸線方向の端部の軸線方向位置が、各層で互いに一致している請求項11に記載の流体機械。
- 前記コイルの各層における前記コイルエンドを構成する部分が、前記軸線に対して平行となるように折り曲げられている請求項12に記載の流体機械。
- 前記コニカルモータの前記ロータは、
前記軸線を中心とする環状をなすとともに前記下流側に向かうにしたがって縮径するロータコアと、
該ロータコアに周方向に間隔をあけて複数が配置されて、前記軸線方向にわたって延びる永久磁石と、
を有し、
前記永久磁石は、前記下流側に向かうにしたがって径方向内側に傾斜するように延びているとともに、周方向の幅が前記下流側に向かうにしたがって小さくなる請求項8から13のいずれか一項に記載の流体機械。 - 前記永久磁石の着磁方向が、前記ロータの外周面に対して垂直である請求項14に記載の流体機械。
- 前記プロペラは、該プロペラの外周部を構成するリング状をなす外周リングをさらに有し、
前記ロータコアは、前記外周リングの外周面に嵌め込まれており、
前記外周リングと前記ロータコアとの前記下流側の端部に当接する押さえ板と、
該押さえ板を前記軸線方向に貫通するように設けられて、該押さえ板を前記外周リングに固定する押さえボルトと、
をさらに備える請求項14又は15に記載の流体機械。 - 前記外周リングは、前記下流側に向かうにしたがって径方向の厚さが小さくなり、
前記ロータコアの前記下流側の端部における互いに隣り合う前記永久磁石の間の部分に、前記押さえ板を挿通した押さえボルトの外周面の一部を収容する切欠部が形成されている請求項16に記載の流体機械。 - 航走体本体と、
該航走体本体に設けられた推進装置と、を備え、
前記推進装置は、請求項1から17のいずれか一項に記載の流体機械である水中航走体。
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