CN110877723A

CN110877723A - 飞行体

Info

Publication number: CN110877723A
Application number: CN201910742224.2A
Authority: CN
Inventors: 田中米太
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-03-13
Also published as: JP2020037347A; JP7119793B2

Abstract

本发明的课题在于，适当地抑制电气部件单元的温度上升，并实现飞行体的长寿命化。飞行体(无人机)(10)具备主体部(11)、从主体部(11)延伸的多个框架部(12)、具有设于框架部(12)的前端部的旋翼(螺旋桨)(22)及使旋翼(22)旋转的马达(21)的推进驱动部(20)、以及用于驱动推进驱动部(20)的电气部件单元。框架部(12)是在内侧具有空间的中空部件，并具有连通该空间与外部的多个供排气口，电气部件单元配置于框架部(12)的空间内、且至少两个供排气口之间。

Description

飞行体

技术领域

本发明涉及例如多旋翼直升机等具有旋翼的飞行体。

背景技术

近年，作为小型且能够无人飞行的无人飞行体，正普及有无人机(多旋翼直升机)等。无人机以测量、灾害救助、自然环境的研究、赛事的转播、农药散布等为代表，被运用于各种产业。

无人机的机体的结构有各种形状，一般来说，无人机具备主体部、从主体部以放射状延伸的多个框架部、以及设于框架部的前端部的推进驱动部。推进驱动部是产生机体的飞行所用的升力以及推力的单元，具备作为旋翼的螺旋桨(转子)和使螺旋桨旋转的马达。

例如，在专利文献1中，公开了具有从主体部以X字状延伸的四根框架、且在该框架的前端部安装有用于使螺旋桨(转子)旋转的马达的无人旋翼机。这里，马达是具有U相、V相、W相的三相无刷DC马达，该马达通过电子速度控制器(ESC)来控制旋转速度(转速)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-136914号公报

发明内容

发明要解决的课题

无人机的寿命从现状来说很多是因为坠落所造成的破损、下落不明这样的事故。作为坠落的主要原因，有飞行中的通信丧失、电池耗尽、马达的故障、操纵的不成熟等。因此，以往针对无人机的长寿命化这一点，以着眼于上述的点的应对、改进为中心进行。

然而，在无人机中搭载有各种电气部件单元，这些电气部件单元在驱动时会伴随着发热。因此，适当地抑制电气部件单元的温度上升，在实现无人机的长寿命化方面也是重要的课题。然而，以往针对这一点基本没有采取对策。

因此，本发明的目的在于，适当地抑制电气部件单元的温度上升，并实现飞行体的长寿命化。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的飞行体的一方式具备：主体部；从所述主体部延伸的多个框架部；推进驱动部，设于所述框架部的前端部，并具有旋翼及使所述旋翼旋转的马达；以及电气部件单元，用于驱动所述推进驱动部，其中，所述框架部是在内侧具有空间的中空部件，并具有连通所述框架部的外部与所述空间的多个供排气口，所述电气部件单元配置于所述框架部的所述空间内、且至少两个所述供排气口之间。

这样，通过将框架部形成为中空的结构，并形成多个供排气口，能够在框架部的内侧产生空气的流动。在该框架部的内侧流动的风作为冷却配置于框架部的内侧、且两个供排气口之间的电气部件单元的冷却风而发挥作用。因而，能够适当地抑制电气部件单元的温度上升。由此，能够实现电气部件单元的长寿命化，作为结果，能够实现搭载有该电气部件单元的飞行体的长寿命化。

另外，在上述的飞行体中，所述电气部件单元也可以包括控制所述马达的旋转速度的速度控制单元。

速度控制单元为了控制马达的旋转速度而具备多个开关元件，可预见相当大的发热。这样，通过采用将发热量多的速度控制单元配置于框架部的内侧、并利用在框架部的内侧流动的冷却风进行冷却的构造，能够适当地抑制速度控制单元的温度上升，并有效地实现飞行体的长寿命化。

而且，在上述的飞行体中，所述框架部也可以在所述推进驱动部侧的端部与所述主体部侧的端部分别具有所述供排气口。在该情况下，能够将框架部的一端至另一端作为冷却风通风路而有效利用。

另外，在上述的飞行体中，所述供排气口也可以形成于所述框架部的所述推进驱动部侧的端部的上表面、且与旋转的所述旋翼对置的位置。在该情况下，该供排气口能够作为可将由旋翼旋转所产生的风容易地取入到框架部的内侧的冷却风取入口。

而且，在上述的飞行体中，所述供排气口也可以形成于所述框架部的所述主体部侧的端部的下表面。在该情况下，该供排气口能够作为可将从上述的冷却风取入口取入的风适当地排出到框架部的外部的冷却风排气口。

另外，也可以在所述电气部件单元安装有冷却该电气部件单元的冷却体。在该情况下，能够更高效地抑制电气部件单元的温度上升。

而且，在上述的飞行体中，所述冷却体也可以由碳纤维增强碳复合材料构成。碳纤维增强碳复合材料是低密度且具有高导热率的材料。因而，能够作为具有高冷却效率的轻量的冷却体，并能够在不明显增加飞行体的重量的情况下，高效地冷却电气部件单元。

发明效果

根据本发明，能够对电气部件单元进行强制空气冷却，因此能够适当地抑制电气部件单元的温度上升，实现飞行体的长寿命化。

附图说明

图1是表示本实施方式中的飞行体的整体构成例的图。

图2是表示飞行体的系统构成的概略的图。

图3是表示框架部的内部的风的流动的图。

图4是表示框架部的内部的风的流动的图。

图5是在速度控制单元安装了冷却体的例子。

附图标记说明

10…飞行体(无人机)、11…主体部、12…框架部、15…冷却风取入口(供排气口)、16…冷却风排气口(供排气口)、20…推进驱动部、21…马达、22…旋翼、31…接收单元、32…控制器、33…传感器单元、34…电池单元、35…速度控制单元、36…冷却体

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示本实施方式中的飞行体10的整体构成例的图。在本实施方式中，对飞行体10为无人机(多旋翼直升机)的情况进行说明。

无人机10具备主体部11、以及从主体部11延伸的多个(在本实施方式中为四根)框架部12。而且，无人机10具备分别设于框架部12的前端部(不是主体部11侧的端部)的推进驱动部20。

推进驱动部20是产生机体的飞行所用的升力以及推力的单元，并具备马达21、以及由马达21旋转的旋翼(也称为螺旋桨、转子)22。这里，马达21为三相无刷DC马达，通过后述的控制器32来控制旋转速度(转速)。

在主体部11以及框架部12搭载有各种电气部件单元。具体而言，在主体部11搭载有接收单元31、控制器32、传感器单元33以及电池单元34。另外，在框架部12搭载有速度控制单元35。

这些电气部件单元被构成主体部11以及框架部12的壳体(包括罩等)13覆盖。

图2是表示无人机10的系统构成的概略的图。

接收单元31接收从操纵器(未图示)发送的信号，并将接收到的信号输出至控制器32。这里，操纵器是操纵者远程操作无人机10的机体所用的器具。接收单元31具备用于接收从操纵者操作的操纵器发送的信号的天线。

控制器32具备CPU、ROM、RAM等，接收由接收单元31接收到的信号、由传感器单元33检测到的信号，并基于这些信号进行无人机10的机体的飞行控制。

传感器单元33具备各种传感器。例如，传感器单元33具备陀螺仪传感器33a、加速度传感器33b、气压传感器33c、GPS传感器33d等。

陀螺仪传感器33a例如是三轴陀螺仪，检测相对于无人机10的机体的侧倾轴、俯仰轴以及横摆轴各自的方向倾斜的变化量。加速度传感器33b检测无人机10的机体的加速度。加速度传感器33b例如可以是检测XYZ轴这三个方向的加速度的三轴加速度。气压传感器33c检测气压，并基于检测到的气压检测无人机10的机体的高度。GPS传感器33d检测无人机10的机体的飞行位置。

控制器32基于由接收单元31接收到的信号、由传感器单元33检测到的信号决定各马达21的目标旋转速度，并控制速度控制单元35以使各马达21的旋转速度与目标旋转速度一致。

速度控制单元35分别与一个马达21对应地设置。各速度控制单元35在本实施例中分别具备具有六个开关元件的逆变电路、以及用于对开关元件进行导通断开控制的驱动电路(栅极驱动器)。这里，开关元件是FET(场效应晶体管)、MOSFET(MOS型场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)等。

通过控制器32经由速度控制单元35单独地控制各马达21的旋转速度(转速)，无人机10进行起飞、着陆、前进、后退等的飞行控制以及侧倾、俯仰、横摆等的姿势控制。

从图1所示的电池单元34向图2所示的各电气部件单元(31、32、33、35)供给电力。电池单元34例如能够为锂充电电池。电池单元34为了使机体的重心稳定而设于主体部11的下部中央。从电池单元34向各电气部件单元的电力供给，可以通过布线直接进行，也可以经由PMU(Power Management Unit：电源管理单元)进行。

然而，如上述那样，速度控制单元35为了以较广的速度范围控制三相的马达，分别具有六个开关元件。开关元件是通过电流流动而进行发热的发热体。由于速度控制单元35分别具有六个开关元件，因此可预见相当大的发热。因此，若不适当地进行冷却，则例如会存在开关元件的接合部的温度超过一定温度、开关元件产生不良情况的隐患。另外，若速度控制单元35自身成为高温，则不仅开关元件，也可能成为该速度控制单元35所含的其他电气部件产生不良情况的原因。

即，为了实现速度控制单元35的长寿命化，重要的是适当地冷却开关元件，抑制速度控制单元35的过度的温度上升。

在本实施方式中，为了抑制速度控制单元35的温度上升，将框架部12形成为中空的结构，并将速度控制单元35配置于中空的框架部12的内侧。而且，将中空的框架部12的内侧作为冷却风通风路而使用，利用通过框架部12的内侧的冷却风来冷却速度控制单元35。

图3是表示框架部12的截面结构的一个例子的图。

框架部12是沿一个方向延伸的中空的(筒状的)部件。框架部12在与长度方向正交的方向上的截面形状并没有特别地限定，框架部12可以是方形中空的结构，也可以是圆形中空的结构。

框架部12至少具备一个冷却风取入口15和至少一个冷却风排气口16。冷却风取入口15以及冷却风排气口16是分别形成于框架部12、使框架部12的外部与框架部12的内侧的空间连通的供排气口。

图3是表示在框架部12的推进驱动部20侧的端部形成有冷却风取入口15，在框架部12的主体部11侧的端部形成有冷却风排气口16的例子。速度控制单元35配置于框架部12的内侧、且冷却风取入口15与冷却风排气口16之间。

具体而言，冷却风取入口15形成于框架部12的推进驱动部20侧的上表面、且与旋翼22对置的位置(旋翼22的正下方)。另外，冷却风取入口15还形成于框架部12的推进驱动部20侧的端面、且与推进驱动部20对置的位置。冷却风取入口15形成为，使得在无人机10的飞行中产生的风的一部分进入框架部12的中空的内侧。

冷却风排气口16形成于框架部12的主体部11侧的下表面。冷却风排气口16形成为，使得从冷却风取入口15取入到框架部12的内侧的风被排出到框架部12的外部。

通过上述的构成，如图3所示那样，在无人机10飞行中，由旋转的旋翼22产生的风的一部分41从形成于框架部12的上表面的冷却风取入口15进入框架部12的内侧。另外，由旋转的旋翼22产生的风的一部分42从形成于框架部12的端面的冷却风取入口15进入框架部12的内侧。而且，伴随着机体的前进、后退、上升、下降等移动而产生的风的一部分43也从形成于框架部12的端面的冷却风取入口15进入框架部12的内侧。

被取入到框架部12的内侧的风44在中空的框架部12的内侧朝向主体部11侧流动。该风44作为冷却配置于框架部12的内侧的速度控制单元35的冷却风而发挥作用。即，速度控制单元35被在框架部12的内侧流动的风44适当地冷却，抑制了温度的上升。

冷却了速度控制单元35的风45从形成于框架部12的主体部11侧的冷却风排气口16排出。

另外，在图3所示的例子中，冷却风取入口15形成于框架部12的上表面(与旋翼22对置的面)和框架部12的端面(与推进驱动部20的马达21对置的面)，但形成冷却风取入口15的位置并不限定于图3所示的位置。冷却风取入口15只要形成于能够将在无人机10的飞行中产生的风取入框架部12的内侧的位置即可。另外，冷却风取入口15的数量也并不限定于图3所示的数量(两个)。

另外，根据机体的飞行状态，如图4所示那样，也存在风51从形成于框架部12的下表面的冷却风排气口16流入框架部12的内侧的情况。例如，在机体正在下降的情况下，风从形成于框架部12的下表面的冷却风排气口16被取入。在该情况下，取入到框架部12的内侧的风52通过框架部12的内侧朝向推进驱动部20侧流动，并在该过程中冷却速度控制单元35。然后，冷却了速度控制单元35的风的一部分53从形成于框架部12的上表面的冷却风取入口15排出，剩余的一部分54从形成于框架部12的端面的冷却风取入口15排出。

即，根据机体的飞行状态，冷却风取入口15可以成为冷却风排气口，冷却风排气口16可以成为冷却风取入口。

这样，本实施方式中的无人机10具备主体部11、从主体部11延伸的多个框架部12、分别设于框架部12的前端部的推进驱动部20、以及用于驱动推进驱动部20的电气部件单元。这里，框架部12是在内侧具有空间的中空部件，并具有连通框架部12的外部与内侧的空间的多个供排气口。另外，电气部件单元配置于框架部12的内侧(空间内)、且至少两个供排气口之间。

具体而言，框架部12在主体部11侧的端部与推进驱动部20侧的端部分别具有供排气口，电气部件单元配置于设于主体部11侧的供排气口与设于推进驱动部20侧的供排气口之间。

这样，通过将框架部12形成为中空的结构，并形成多个供排气口，使得在框架部12的内侧产生空气的流动。而且，流过框架部12的内侧的风作为冷却配置于框架部12的内侧、且两个供排气口之间的电气部件单元的冷却风而发挥作用。由此，能够对电气部件单元进行强制空气冷却，并能够适当地抑制电气部件单元的温度上升。因而，能够实现电气部件单元的长寿命化，作为结果，能够实现搭载有该电气部件单元的无人机10的长寿命化。

另外，配置于框架部12的内侧的电气部件单元能够作为对马达21的旋转速度进行控制的速度控制单元35。速度控制单元35为了单独地控制多个马达21的旋转速度，分别与多个马达21对应地设置。另外，马达21为三相无刷DC马达，为了控制流经马达21的三相的电流，速度控制单元35分别具备六个开关元件。因此，速度控制单元35被预见相当大的发热。

因而，通过采用将速度控制单元35配置于框架部12的内侧、并利用在框架部12的内侧流动的冷却风进行冷却的构造，能够适当地抑制发热量多的速度控制单元35的温度上升，有效地实现无人机10的长寿命化。

另外，通过将速度控制单元35配置于框架部12的内侧，能够将速度控制单元35从配置于主体部11的其他电气部件单元分离。由此，能够抑制速度控制单元35所具备的开关元件的开关噪声给其他电气部件单元的动作带来负面影响。

例如，控制器32为了判定马达21是否正常地动作，监视流经马达21的各相的电流。在速度控制单元35配置于控制器32的附近的情况下，由于上述的开关噪声的影响，存在控制器32误判定马达21的动作的隐患。通过将速度控制单元35与控制器35分离地配置，能够抑制上述的误判定。

而且，形成于框架部12的推进驱动部20侧的端部的供排气口能够形成于框架部12的上表面、且与旋转的旋翼22对置的位置。由此，该供排气口能够作为可将因旋翼22旋转而产生的风容易地取入到框架部12的内侧的冷却风取入口。

另外，形成于框架部12的主体部11侧的端部的供排气口能够形成于框架部12的下表面。由此，该供排气口能够作为可将从形成于与旋翼22对置的位置的冷却风取入口取入的风适当地排出到框架部12的外部的冷却风排气口。

这样，本实施方式中的无人机10能够使空气在框架部12的内侧可靠地流过，适当地冷却配置于框架部12的内侧的速度控制单元35。

另外，为了更高效地冷却速度控制单元35，也可以如图5所示那样，在速度控制单元35的散热面安装导热性优异的冷却体36。另外，冷却体36可以安装于速度控制单元35所具备的成为发热体的开关元件本身，也可以安装于安装有开关元件的基板。

这里，作为冷却体36的材料，例如能够使用碳纤维增强碳复合材料。碳纤维增强碳复合材料是将碳纤维作为强化材料、将碳作为基体的复合材料。碳纤维增强碳复合材料通过将碳纤维增强塑料(CFRP)成形固化后，在惰性气氛中进行热处理，使母材的塑料碳化而制备。另外，碳纤维增强碳复合材料有时被称为C/C复合材料(C/C composite)、碳碳(carbon-carbon)、碳碳复合材料(carbon-carbon composite)、增强碳碳(reinforcedcarbon-carbon,RCC)等。在以下的说明中，将碳纤维增强碳复合材料称为“C/C复合材料”。

以下，对被用作本实施方式中的冷却体36的C/C复合材料的制造方法进行说明。

首先，制作CFRP。CFRP由多个预浸料层叠而构成。预浸料是在使碳纤维具有纤维的方向性的状态下浸渍树脂的片状的部件。构成预浸料的树脂例如是热固化性的环氧树脂。另外，作为构成预浸料的树脂，例如也能够使用不饱和聚酯、乙烯基酯、苯酚、氰酸酯、聚酰亚胺等的热固化性树脂。

CFRP通过在模具中层叠所需层数(5～10层)的多个预浸料，在减压下加热至120℃～130℃左右，加压(压接)并固化而成形。这里，在本实施方式中，作为预浸料，使用纤维的方向仅沿一个方向延伸的UD材料(UNI-DIRECTION材料)。在该情况下，将多个UD材料以纤维的方向一致的方式层叠，制作CFRP。另外，作为预浸料，也能够使用以纤维的方向不同的方式重叠的交叉材料。其中，在该情况下，以具有各向异性的方式设定纤维的取向。

接下来，将CFRP在2500℃～3000℃下进行两周左右的热处理，制作C/C复合材料。

C/C复合材料与通常使用的铜、铝等金属材料相比密度低(即，轻)，是具有高导热性的材料。

例如，就密度而言，相对于铜约为8.9g/cm³、铝约为2.7g/cm³，C/C复合材料约为1.7g/cm³。另外，就导热率而言，相对于铜约为400W/mK、铝约为240W/mK，C/C复合材料为700W/mK。

以往，作为冷却开关元件等发热元件的冷却体，广泛使用了导热性良好的金属、即铝、铜。然而，考虑到搭载于无人机的机体的话，使冷却体为金属制会成为增加机体的重量的原因，是不利的。在无人机中，有效载荷(payload)是重要的因素，为了尽可能增大有效载荷，需要尽可能使无人机的机体本身的重量轻量。

即使已知晓在速度控制单元35安装冷却体的话，能够提高速度控制单元35的冷却效率，并能够实现速度控制单元35、甚至无人机10的进一步的长寿命化，但在冷却体明显增加机体的重量的情况下也无法安装。

本发明人发现，作为解决上述的问题的冷却体的材料，C/C复合材料是最佳的。如上述那样，C/C复合材料具有高导热性，因此能够充分地发挥作为冷却体的功能。除此之外，由于是低密度(轻量)，因此即使安装于速度控制单元35，也不会明显增加机体的重量。

就导热率除以密度而得的值、即比导热率[W·cm³/mK·g]而言，铜为44.9，铝为74，C/C复合材料为411.8。这样，C/C复合材料是与铜、铝相比导热率高并且轻量的材料。因而，作为能够抑制机体的重量增加、并且效率良好地冷却速度控制单元35的材料，C/C复合材料是非常优异的。

另外，作为轻量且导热率高的冷却材料，虽然也可考虑选择CFRP，但在像本实施方式那样作为用于冷却速度控制单元35的冷却材料而使用的情况下，强度(刚性)并不重要。对于被用作冷却材料的材料，与强度高相比更优选导热率高。因而，作为能够抑制机体的重量增加、并且效率良好地冷却速度控制单元35的材料，与CFRP相比C/C复合材料更优异。

这样，本实施方式中的无人机10也可以在速度控制单元35安装冷却体36。由此，能够更高效地冷却速度控制单元35。

另外，通过将碳纤维增强碳复合材料(C/C复合材料)用作冷却体36的材料，不仅能够进行高效率的冷却，还能够将由安装冷却体36带来的机体的重量增加抑制为最小限。

另外，C/C复合材料能够通过碳纤维的取向使导热率具有各向异性。例如，在将UD材料用作预浸料的单向性C/C复合材料的情况下，导热率在碳纤维延伸的方向(碳纤维的取向方向)上较高。考虑到该情况，在将使用了C/C复合材料的冷却体36安装于速度控制单元35的散热面的情况下，也可以以C/C复合材料的碳纤维的取向方向沿着冷却风的流动的方向的方式进行安装。由此，能够更高效地冷却速度控制单元35。

而且，考虑到C/C复合材料的导热率的各向异性，在采用使用了C/C复合材料的冷却体36的情况下，冷却体36的长度方向也可以沿C/C复合材料的碳纤维的取向方向而设定。即，冷却体36也可以形成为，沿导热率高的方向延伸的细长的形状。由此，能够提高冷却体36的冷却效率。另外，即使是框架部12的内侧那样的细长的空间，也能够适当地配置冷却体36。

另外，也可以在冷却体36的表面形成有凹凸(翅片、叶片)。在该情况下，凹凸(翅片、叶片)延伸的方向也可以形成为沿着冷却风的流动的方向。在这种情况下，也能够更高效地冷却速度控制单元35。

(变形例)

在上述实施方式中，对具有四个旋翼22的无人机10进行了说明，但并未特别地限定旋翼的个数以及结构。

另外，在上述实施方式中，对飞行体为无人机的情况进行了说明，但如果是具有旋翼的飞行体，则并不限定于多旋翼直升机。另外，飞行体并不限定于无人旋翼机。

而且，在上述实施方式中，对将电气部件单元中的速度控制单元35配置于框架部12的内侧(中空部分)的情况进行了说明，但也可以采用配置用于驱动推进驱动部20的其他电气部件单元并抑制温度上升的构造。

Claims

1.一种飞行体，具备：主体部；从所述主体部延伸的多个框架部；推进驱动部，设于所述框架部的前端部，并具有旋翼及使所述旋翼旋转的马达；以及电气部件单元，用于驱动所述推进驱动部，其特征在于，

所述框架部是在内侧具有空间的中空部件，并具有连通所述框架部的外部与所述空间的多个供排气口，

所述电气部件单元配置于所述框架部的所述空间内、且至少两个所述供排气口之间。

2.根据权利要求1所述的飞行体，其特征在于，

所述电气部件单元包括速度控制单元，该速度控制单元控制所述马达的旋转速度。

3.根据权利要求1或2所述的飞行体，其特征在于，

所述框架部在所述推进驱动部侧的端部与所述主体部侧的端部分别具有所述供排气口。

4.根据权利要求1或2所述的飞行体，其特征在于，

所述供排气口形成于所述框架部的所述推进驱动部侧的端部的上表面、且与旋转的所述旋翼对置的位置。

5.根据权利要求4所述的飞行体，其特征在于，

所述供排气口形成于所述框架部的所述主体部侧的端部的下表面。

6.根据权利要求1或2所述的飞行体，其特征在于，

在所述电气部件单元安装有冷却体，该冷却体冷却该电气部件单元。

7.根据权利要求6所述的飞行体，其特征在于，

所述冷却体由碳纤维增强碳复合材料构成。