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JP7306479B2 - マルチローターヘリコプタ及びマルチローターヘリコプタの冷却方法 - Google Patents

マルチローターヘリコプタ及びマルチローターヘリコプタの冷却方法 Download PDF

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JP7306479B2
JP7306479B2 JP2021561273A JP2021561273A JP7306479B2 JP 7306479 B2 JP7306479 B2 JP 7306479B2 JP 2021561273 A JP2021561273 A JP 2021561273A JP 2021561273 A JP2021561273 A JP 2021561273A JP 7306479 B2 JP7306479 B2 JP 7306479B2
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Description

本発明は、物体、人などを空中輸送することができるマルチローターヘリコプタ及びマルチローターヘリコプタの冷却方法に関する。
近年、ローターのプロペラ(回転翼)を回転させることで得られる揚力により、空中輸送することができる、比較的小ペイロードのドローン(Drone)型のマルチローターヘリコプタが種々開発されている。
このマルチローターヘリコプタは、4個、6個又は8個等のダクテッドローターを有するもので、該ダクテッドローターを構成するプロペラをコントロールすることによって、飛行方向の制御、あるいは、ヨー、ロール、ピッチの制御を行うのが一般的である。
また、人や物資等の大ペイロードの輸送に適した飛行体に関連する技術として、特許文献1に示されるパーソナル飛行体(Personal Aircraft)が提案されている。このパーソナル飛行体は、飛行体本体の翼に結合された複数の支持ブームと、各支持ブームの上側端部にそれぞれ配置されて回転翼となるプロペラを回転駆動する複数のローターと、支持ブームの下側中央に配置されかつローターのプロペラを回転制御するコントローラとを具備している。
支持ブーム内には、プロペラの気流の一部を支持ブームの下側中央のコントローラに案内するダクトが設けられている。
このような飛行体では、プロペラを駆動するための大電流を供給し、かつ機体の姿勢を維持するコントローラとなるモータドライバからの発熱量が大きくなるため、モータドライバでの効率的な排熱対策が必要となる。
上記パーソナル飛行体において、プロペラで発生した気流は、支持ブーム上部に位置する気流吸入口から取り込まれた後、ダクトを通じてコントローラに案内される。その後、当該気流は、コントローラを冷却した後で、支持ブーム下部に位置する気流排出口から外部に排出される。
一方、特許文献2に示される小型無人機では、機体中心から四方に放射状に延びる延出部を設けた上で、それぞれの延出部に上向きの推力を発生する駆動部を配置し、さらに機体中心の上部位置に、駆動部内のモータを制御するコントローラを設けた構成が示されている。この特許文献2の小型無人機では、駆動部内のモータを制御するコントローラを機体中心の上部に配置している。
米国特許第9764833号明細書 日本国特開2013-129301号公報
ところで、特許文献1に示される飛行体では、支持ブーム内部に、プロペラの気流の一部を、支持ブームの下側中央のコントローラに案内するダクトが設けられている。
このようなダクトを支持ブーム内に設ける場合には、全体構成が複雑化するとともに、製作時の工数が増して重量および製造コストが増加するという問題がある。
また、このような発熱量の大きな飛行体では、専用の冷却装置を設けることも考えられるが、冷却装置の設置により重量が増し、効率的な飛行ができなくなるという新たな問題が生じる。
また、特許文献2に示される小型無人機のローターの信頼性を高めるべく、例えば同軸状のツイン構成にしようとすると、コントローラ(モータドライバ)の冷却についてのさらなる配慮が求められる。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものである。
この発明の目的の一例は、簡易な構成により効率良くドライバを冷却することが可能なマルチローターヘリコプタ及びマルチローターヘリコプタの冷却方法を提供することである。
本発明の第1態様に示されるマルチローターヘリコプタは、本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットと、を有し、前記ファンユニットのそれぞれは、前記機体と一体の支持アームに連結されたファンフレームと、前記ファンフレーム内に回転中心軸の方向に相互に間隔をおいて第1回転翼と第2回転翼とが配置されるとともに、前記第1回転翼と前記第2回転翼との間の間隙部に、前記第1回転翼と前記第2回転翼とを駆動する駆動部を制御するドライバが設置される。
本発明の第2態様に示されるマルチローターヘリコプタの冷却方法は、本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットとを有し、各ファンユニットとして、前記機体と一体な支持アームに連結されたファンフレームと、上下に間隔をおいて回転翼とを有するマルチローターヘリコプタの冷却方法であって、前記ファンユニット内に回転中心軸の方向に相互に間隔を有する第1回転翼及び第2回転翼の間に形成された間隙部に、前記第1回転翼及び前記第2回転翼を駆動する駆動部を制御するドライバを設置することを含む。
本発明の実施形態によれば、簡易な構成により効率良くドライバを冷却することが可能となる。
本発明の実施形態に係るマルチローターヘリコプタの概略図である。 本発明の別の実施形態のマルチローターヘリコプタの正面図である。 図2に示すマルチローターヘリコプタの外観図である。 図3を上方から観た平面図である。 ファンユニットの1つを示す正断面図である。 実施形態の変形例を示す平面図である。
本発明の実施形態に係るマルチローターヘリコプタ(以下単に飛行体と称す)100について、図1を参照して説明する。
この飛行体100は装置本体となる機体1と、該機体1を浮上させる複数のファンユニット2(図1では1つのみ記載)とを主な構成要素とする。
各ファンユニット2は、機体1と一体な支持アーム4の先端に設置されたダクト型のファンフレーム3と、該ファンフレーム3内に軸支された回転翼5と、該回転翼5を駆動制御する駆動部6及びドライバ7と、を具備する。
回転翼5は、ファンフレーム3内にて回転中心軸の方向(図示例では上下)に間隔をおいて配置された第1回転翼5Aと第2回転翼5Bとを有し、回転駆動により第1回転翼5Aから第2回転翼5Bに向けて空気を送り込むことで(空気の流れを矢印Mで示す)、機体1を浮上させる。
ドライバ7は、前記第1回転翼5Aを回転駆動させる駆動部6としての駆動モータ6Aの駆動を制御するモータドライバ7Aと、前記第2回転翼5Bを回転駆動させる駆動部6としての駆動モータ6Bの駆動を制御するモータドライバ7Bとを有する。
これら駆動部6を構成する駆動モータ6A,6B及びドライバ7を構成するモータドライバ7A,7Bは、その全て又はその一部が第1回転翼5Aと第2回転翼5Bとの間に位置する間隙部8に設置されている。
なお、図1では、駆動部6(6A,6B)及びドライバ7(7A,7B)が全て間隙部8内に設置された例が示されている。
以上のように構成された飛行体100では、ファンユニット2のそれぞれにおいて、上下に間隔をおいて回転翼5を配置するとともに、第1回転翼5A及び第2回転翼5Bの間に位置する間隙部8に、発熱源となる回転翼駆動用の駆動モータ6A,6Bと、駆動部制御用のモータドライバ7A,7Bとの少なくともいずれかを設置するようにした。
これにより、上記飛行体100では、回転駆動により第1回転翼5Aから第2回転翼5Bに空気を送り込む際に(空気の流れを矢印Mで示す)、吸い込まれた空気が駆動モータ6A,6B及び/又はモータドライバ7A,7Bに接触することで、これら発熱源を冷却することができる。
その結果、上記飛行体100では、機体推力を生み出す回転翼5A,5Bの気流を利用して駆動モータ6A,6B及び/又はモータドライバ7A,7Bを冷却することで、専用の冷却装置を必要とせず軽量化につなげることができる。
すなわち、本発明の飛行体100では、第1回転翼5A及び第2回転翼5Bの間に位置する間隙部8に、発熱源となる駆動モータ6A,6B及び/又はモータドライバ7A,7Bとの少なくともいずれかを設置するという簡易な構成により、これら発熱源を効率良く冷却することができる。
本発明の別の実施形態に係る飛行体101について図2~図6を参照して詳細に説明する。
この飛行体101は図2~図4に示されるように、装置本体となる機体11と、該機体11を浮上させる複数のファンユニット12とを主な構成要素とする。
機体11は、ファンユニット12の下部に設けられ、透明なキャノピー11Aを有する構造であって、その下面には図示しないバッテリが搭載されている。
なお、透明なキャノピー11Aは、機体11に人が乗った場合の視界を確保することを考慮すれば、少なくとも前面(図2、図3の機体11の左側)、側面、および上面に設けることが望ましい。また、カメラ、センサを搭載する場合には、これらの機器の測定(検出)方向に応じた位置にキャノピー11Aが設けられる。
機体11は、人を搭載可能な搭載スペースを有する。
例えば、機体11は、人を搭載可能な搭載スペースに代えて荷物を搭載可能な搭載スペースを有しても良い。
例えば、機体11は、人を搭載可能な搭載スペースとともに荷物を搭載可能な搭載スペースを有しても良い。
各ファンユニット12は、機体11と一体な支持アーム14の先端に連結されたダクト型のファンフレーム13と、ファンフレーム13に軸支されかつ回転により揚力及び推進力を発生させる回転翼15と、該回転翼15を回転駆動する駆動部16と、該駆動部16を制御するドライバ17と、をそれぞれ具備する。
ファンフレーム13はダクトを形成する円筒部材であって、機体11に連結された支持アーム14を介して支持されている。
支持アーム14の先端は、ファンフレーム13の内部を径方向に横断し、該ファンフレーム13の内部にて回転翼15、駆動部16及びドライバ17を支持する。
また、ファンフレーム13は、図3及び図4に示されるように、全体として平面をなし、かつ機体11に対して平面視、点対称(上下方向(矢印A1-A2方向)に沿う中心軸Cに対して点対称)となるように複数(本例では4台)配置されている。
回転翼15は、図5に詳細に示されるように、支持アーム14上でありかつ各ファンフレーム13内の中心部にて上下方向に沿う支持軸18を介して回転自在に軸支されたものであって、駆動部16(後述する)により駆動される。
より具体的には、回転翼15は、ファンフレーム13内の支持アーム14の上部に配置された第1回転翼15Aと、該支持アーム14の下部に配置された第2回転翼15Bとが支持軸18に軸支される構成であり、ファンフレーム13内の第1回転翼15Aと第2回転翼15Bとの間の間隙部19に、前述した支持アーム14が配置されている。
そして、このようなファンフレーム13の回転翼15では、駆動部16(後述する)による回転駆動により、第1回転翼15Aの上方からの空気を、間隙部19を経由して第2回転翼15Bに送り込んで下方から排出することで(空気の流れを矢印M1で示す)、機体11を浮上させる。
また、回転翼15により生じた矢印M1方向に流れる空気流中には、回転翼15を駆動制御するための駆動部16及びドライバ17が共に設置されている。
駆動部16は、第1回転翼15Aを回転駆動させる第1駆動モータ16Aと、第2回転翼15Bを回転駆動させる第2駆動モータ16Bとからなり、いずれもがファンフレーム13内の支持アーム14上に配置されている。
ドライバ17は、第1駆動モータ16Aの駆動を制御する第1モータドライバ17Aと、第2駆動モータ16Bの駆動を制御する第2モータドライバ17Bとからなるものであって、配線を短縮化するために、いずれもが駆動部16の近傍でありかつファンフレーム13内の支持アーム14上に同様に配置されている。
なお、これら駆動部16及びドライバ17では、第1/第2駆動モータ16A,16B及び第1/第2モータドライバ17A,17Bにより、第1回転翼15A及び第2回転翼15Bを互いに逆方向とした二重反転駆動とし、これによりファンユニット12にかかるカウンタートルクを相殺し、飛行時のエネルギー損失を抑えるようにしている。
これら駆動部16を構成する第1/第2駆動モータ16A,16B、及びドライバ17を構成する第1/第2モータドライバ17A,17Bは、その全て又はその一部が第1回転翼15Aと第2回転翼15Bとの間に位置する間隙部19に設置されている。
なお、図4では、駆動部16及びドライバ17が全て間隙部19内に設置された例が示されている。
そして、本実施形態に係る飛行体101では、駆動部16及びドライバ17が全て間隙部19内に設置されることで、第1回転翼15Aから第2回転翼15Bに吸い込まれた空気が、駆動部16の駆動モータ16A,16B及び/又はドライバ17のモータドライバ17A,17Bに接触することで、これら発熱源を冷却することができる。
一方、図4及び図5に示されるように、各ファンユニット12において、ドライバ17となるモータドライバ17A,17Bのそれぞれには、可変静翼20が設けられている。
可変静翼20は、例えば、モータドライバ17A,17Bを収納するドライバケース(図示略)の外面又は支持アーム14に設置されたものであって、第1回転翼15Aと第2回転翼15Bとの間を流れる矢印M1方向の空気流に対して所定の角度を有するように設置されている。
また、ファンフレーム13の支持アーム14は、図4に示されるように機体11に対して平面視した場合に、上下方向(矢印A1-A2方向)の中心軸Cを中心とした水平面内の回転方向(矢印B1-B2方向)に沿って等しい間隔をおき、かつ該中心軸Cを中心に対称となるように複数配置されている。具体的には、本例の支持アーム14は、平面視した場合に機体11に対して直交した十字をなすように配置されている。
これにより、各ファンユニット12では、支持アーム14に設置される可変静翼20についても、中心軸Cを中心とした水平面内の回転方向(矢印B1-B2方向)に沿って等しい間隔で位置させることができる。
さらに、支持アーム14に設置される可変静翼20は、図4では支持アーム14に対して回転方向(矢印B1-B2方向)の一方向側(本例では矢印B2方向側)に向いて設定されているが、一方向側(矢印B2方向側)及び/又は他方向側(矢印B1方向側)に向けるかは、矢印B1-B2方向に沿う実際の首振り状況を見ながら設定するものとする。
そして、本実施形態に係る飛行体101では、このような複数の可変静翼20の位置設定により、機体11に対して矢印B1-B2方向に沿う首振り(例えば:ヨー方向bの回転)を防ぐべく、機体11に対して制動を付与することができる。
なお、このようなヨー方向の制動付与は、機体11の個々の特性に応じて可変静翼20の大きさ、長さ、角度等を事前に設定することで調整される。
また、ダクトを形成する円筒部材のファンフレーム13の空気吸入口30、空気排出口31及び内部空間32内には、図5に示されるようにメッシュ40が設置されている。
このメッシュ40としては例えば人の手又は指が入らないような粗さのものが選択されており、その設置により、鳥などの浮遊物がファンユニット12内に吸い込まれることを防止するとともに、ファンユニット12の内部構成部材が破損した際の破片が外部に飛び散ることを防止する。
また、図5では、ファンフレーム13の空気吸入口30、空気排出口31及び内部空間32の全てにメッシュ40を設置しているが、一部であっても良い。また、メッシュ40は設置箇所に応じて目の粗さを変更しても良い。
以上のように構成された本実施形態に示す飛行体101では、ファンユニット12のそれぞれにおいて、上下に間隔をおいて回転翼15(15A,15B)を配置するとともに、第1回転翼15A及び第2回転翼15Bの間に位置する間隙部19に、発熱源となる回転翼駆動用の第1/第2駆動モータ16A,16Bと、駆動部制御用の第1/第2モータドライバ17A,17Bとの少なくともいずれかを設置するようにした。
これにより、上記飛行体101では、矢印M1で示すように、回転駆動により第1回転翼15Aから第2回転翼15Bに空気を送り込む際に、吸い込まれた空気が第1/第2駆動モータ16A,16B及び/又は第1/第2モータドライバ17A,17Bに接触することで、これら発熱源を冷却することができる。
その結果、上記飛行体101では、専用の冷却装置を必要とせず軽量化につなげることができる。
すなわち、本実施形態に示す飛行体101では、第1回転翼15A及び第2回転翼15Bの間に位置する間隙部19に、発熱源となる第1/第2駆動モータ16A,16B及び/又は第1/第2モータドライバ17A,17Bの少なくともいずれかを設置するという簡易な構成により、これら発熱源を効率良く冷却することができる。
さらに、上記飛行体101では、ドライバケース(図示略)の外面又は支持アーム14と一体な可変静翼20(図4,図5参照)により、機体11に対して矢印B1-B2方向に沿う(ヨー方向bの)回転を防ぐことができ、機体11を安定飛行させるための制動を付与することができる。
なお、本実施形態に示す飛行体101は以下のように変形しても良い。
(変形例1)
上記飛行体101では、第1回転翼15A及び第2回転翼15Bの間隙部19に、発熱源となる回転翼駆動用の駆動モータ16A,16B、及び駆動部制御用のモータドライバ17A,17Bを全て配置した例を示した。
しかし、これに限定されず、例えば駆動部制御用のモータドライバ17A,17Bのいずれか、及び/又は駆動モータ16A,16Bのいずれかを間隙部19外の機体11上に設置しても良く、その設置は自由に定められるものとする。
(変形例2)
上記飛行体101では、機体11の矢印B1-B2方向に沿うヨーイング(ヨー方向bの回転:図6参照)を制御するために可変静翼20を設けるようにした。
この可変静翼20は、例えば、図5に示すように基端部に位置する支持アーム14に沿う軸20Aを中心として、矢印D1-D2方向に回動自在とする機構を有していても良い。そして、このような機構では、可変静翼20の角度調整により、機体11の矢印B1-B2方向に沿うヨー制御を精密に行うことが可能となる。
(変形例3)
上記飛行体101では、図5に示すように、ドライバ17となるモータドライバ17A,17Bを冷却する冷却ファン50をさらに設けても良い(図5ではモータドライバ17Aについてのみ冷却)。この冷却ファン50では、矢印Eで示すように外部から取り込んだ空気をモータドライバ17Aに供給して、該モータドライバ17Aを冷却する。また、モータドライバ17Aを経た後の空気は、矢印M1方向に排出することで、機体11を浮上させる揚力として利用しても良い。
(変形例4)
上記飛行体101では、ファンユニット12を支持する支持アーム14を機体11に対して平面視、十字状に設けるようにしたが(図4参照)、これに限定されず、図6に示すように、支持アーム14を機体11に対して平面視、平行に設けるようにしても良い。その際、支持アーム14/ファンユニット12の個数も4本/4機に限定されず、6本/6機、8本/8機としても良い。
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこれら実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
本願は、2019年11月29日に日本に出願された特願2019-217282号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本発明は、物体、人などを空中輸送することができるマルチローターヘリコプタ及びマルチローターヘリコプタの冷却方法に関する。
1 機体
2 ファンユニット
3 ファンフレーム
4 支持アーム
5 回転翼
5A 第1回転翼(回転翼)
5B 第2回転翼(回転翼)
6 駆動部
6A 駆動モータ
6B 駆動モータ
7 ドライバ
7A モータドライバ
7B モータドライバ
8 間隙部
11 機体
11A キャノピー
12 ファンユニット
13 ファンフレーム
14 支持アーム
15 回転翼
15A 第1回転翼(回転翼)
15B 第2回転翼(回転翼)
16 駆動部
16A 第1駆動モータ
16B 第2駆動モータ
17 ドライバ
17A 第1モータドライバ(ドライバ)
17B 第2モータドライバ(ドライバ)
18 支持軸
19 間隙部
20 可変静翼
30 空気吸入口
31 空気排出口
32 内部空間
40 メッシュ
50 冷却ファン
100 飛行体
101 飛行体
M 空気の流れ
M1 空気の流れ

Claims (5)

  1. 本体となる機体と、
    該機体を浮上させる複数のファンユニットと、を有し、
    前記ファンユニットのそれぞれは、前記機体と一体の支持アームに連結されたファンフレームと、このファンフレーム内に回転中心軸の方向に相互に間隔をおいて第1回転翼と第2回転翼とが配置されるとともに、第1回転翼と第2回転翼との間の間隙部に、該第1、第2回転翼を駆動する駆動部を制御するドライバが設置され、
    前記駆動部は、前記第1回転翼を駆動する第1駆動モータと、前記第1回転翼を駆動する第2駆動モータとを有し、
    前記ドライバは、前記第1駆動モータを制御する第1ドライバと、前記第2駆動モータを制御する第2ドライバとを有し、
    前記第1及び第2駆動モータと、前記第1及び第2ドライバとは、前記第1回転翼及び第2回転翼の間に形成された間隙部に共に配置され、
    前記ドライバは、前記第1回転翼と第2回転翼との間を流通する気流の流通経路内に位置する可変静翼を有し、
    前記可変静翼は、前記気流の流通方向に対して角度を有するように設置され、前記機体に対して制動を付与するとともに、前記ドライバを収容するドライバケースと一体に設けられ、
    前記ファンユニットを支持するファンフレームの支持アームは、前記機体に対して平面視した場合に、上下軸を中心として水平面内の回転方向に沿って間隔をおき、かつ該上下軸を中心に対称となるように複数配置されており、
    前記支持アームに支持されかつ前記ドライバとともに設けられた前記可変静翼は、前記上下軸を中心として水平面内の回転方向に沿う一方向及び/又は他の方向に向いて、かつ前記上下軸から半径方向外方へ延びるように配置されていることを特徴とするマルチローターヘリコプタ。
  2. 前記機体は、人及び/又は物を搭載可能な搭載スペースを有することを特徴とする請求項1に記載のマルチローターヘリコプタ。
  3. 前記ファンユニットのファンフレームは前記第1回転翼及び第2回転翼を内部に収容するダクトを形成しており、該ダクト内に揚力及び推進力となる空気が流通することを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載のマルチローターヘリコプタ。
  4. 前記ダクトの空気吸入口又は空気排出口の少なくともいずれかには前記ファンフレーム内の構成部材を保護するためのメッシュが設置されていることを特徴とする請求項3に記載のマルチローターヘリコプタ。
  5. 本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットとを有し、各ファンユニットとして、前記機体と一体な支持アームに連結されたファンフレームと、上下に間隔をおいて回転翼とを有するマルチローターヘリコプタにおいて、前記ファンユニット内に軸線方向に相互に間隔を有する第1回転翼及び第2回転翼の間に形成された間隙部に、該第1回転翼及び第2回転翼を駆動する駆動部を制御するドライバを設置し、
    前記駆動部は、前記第1回転翼を駆動する第1駆動モータと、前記第1回転翼を駆動する第2駆動モータとを有し、
    前記ドライバは、前記第1駆動モータを制御する第1ドライバと、前記第2駆動モータを制御する第2ドライバとを有し、
    前記第1及び第2駆動モータと、前記第1及び第2ドライバとは、前記第1回転翼及び第2回転翼の間に形成された間隙部に共に配置され、
    前記ドライバは、前記第1回転翼と第2回転翼との間を流通する気流の流通経路内に位置する可変静翼を有し、
    前記可変静翼は、前記気流の流通方向に対して角度を有するように設置され、前記機体に対して制動を付与するとともに、前記ドライバを収納するドライバケースと一体に設けられ、
    前記ファンユニットを支持するファンフレームの支持アームは、前記機体に対して平面視した場合に、上下軸を中心として水平面内の回転方向に沿って間隔をおき、かつ該上下軸を中心に対称となるように複数配置されており、
    前記支持アームに支持されかつ前記ドライバとともに設けられた前記可変静翼は、前記上下軸を中心として水平面内の回転方向に沿う一方向及び/又は他方向のそれぞれに向いて、かつ前記上下軸から半径方向外方へ延びるように配置されている
    ことを特徴とするマルチローターヘリコプタの冷却方法。
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