JP2018129894A - アウターロータ型モータおよび飛行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い防水防塵性能を備えるアウターロータ型モータと飛行装置を提供する。【解決手段】 ステータの周囲でロータが回転するアウターロータ型モータにおいて、ロータを含む回転体をベアリングを介して回転可能に支持するとともに、ステータを回転不能に固定支持する固定支持体を備える。そして、回転体はカップ形状をしており、回転体のカップ形状の開放端側に、フィンを備えるカバー部材を固定配置する。このアウターロータ型モータの回転出力軸にプロペラを取り付け、小型の飛行装置の駆動源とする。【選択図】 図６

Description

本発明は、ロータがステータの外周側を回転するようにしたアウターロータ型モータに関し、特に防水防塵のためのシール構造を備えるアウターロータ型モータ及び、このアウターロータ型モータを駆動源とする飛行装置に関するものである。

従来より、電動モータでプロペラを回転させて空中を飛行する装置として、無線操縦式のヘリコプターや飛行機、有人小型のグライダー機などがある。また、近年、特許文献１などに示されているように、複数のプロペラをバランスよく回転させることによって飛行するマルチコプターの開発が盛んに行われている。マルチコプターは、その用途の可能性も広がりをみせており、例えば、災害現場における情報収集や救助活動、或いはインフラの維持管理を目的した使用などが考えられている。

特許文献２には、小型飛行装置の駆動源として適用するのに好ましい電動モータとして、比較的小さな径サイズでも大きな出力を得ることができる構成のアウターロータ型モータが開示されている。特許文献２の図５に示されるアウターロータ型モータ(2)は、ロータ(20)に貫通孔(90a)を設けないようにすることで、一定の防水防塵対策となる。

その他、アウターロータ型モータの防水防塵対策として、例えば、特許文献３には、アウターロータ型モータにおける回転体（1，43）と固定支持部（4，31）とをラビリンス隙間によってシールした形態が示されている。このシール構造によれば、内部の軸受けに使用されるグリースが外部に漏れることを防ぐとともに、外部からの防水防塵にも効果がある。

特開２０１１−０４６３５５号公報 特許第５８９１５２１号公報 実用新案登録第２５０５６１３号公報

マルチコプターなどの小型飛行装置を災害現場などで使用する場合には、風雨や降雪、温度条件等で、より過酷な環境下での使用となることが想定される。この過酷な環境下において、小型飛行装置に搭載される電動モータの内部が浸水するなどした場合、故障の原因となり、安定した飛行が行えなくなる可能性がある。したがって、過酷な環境下で使用する小型飛行装置の駆動源とする電動モータには、より高い防水防塵性能をもつことが望まれる。以上の事情を鑑み、より防水防塵性能に優れるアウターロータ型モータおよび飛行装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための一手段は、ステータの周囲でロータが回転するアウターロータ型モータにおいて、ロータを含む回転体をベアリングを介して回転可能に支持するとともに、ステータを回転不能に固定支持する固定支持体を備える。そして、回転体はカップ形状をしており、回転体のカップ形状の開放端側に、フィンを備えるカバー部材を固定配置する。

本発明によれば、高い防水防塵性能を備えるアウターロータ型モータ及び風雨などの過酷な環境下でも安全で安定した飛行を行える小型の飛行装置を提供することができる。

本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータの外観を示す正面図である。 本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータの外観を示す平面図である。 本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータの外観を示す底面図である。 本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータの断面構造図である。 本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータの構造を示す要部拡大図である。 本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータの固定支持体にプレートを取り付けていない状態を示す底面図である。 本願発明の実施の形態に係わるアウターロータ型モータを搭載したマルチコプターを簡易的に示す斜視図である。

本実施の形態の特徴の一つは、ステータの周囲でロータが回転するアウターロータ型モータにおいて、ロータを含む回転体をベアリングを介して回転可能に支持するとともに、ステータを回転不能に固定支持する固定支持体を備える。そして、カップ形状をした、回転体の開放端側に、フィンが形成されたカバー部材を固定配置した。
この構成によれば、アウターロータ型モータが駆動しているとき、回転するフィンが、回転体の開放端側から内部に水や塵が入り込むのを防ぐこととができる。防水防塵性能を備えるので、過酷な環境下で使用する小型飛行装置においてプロペラ回転させる駆動源として使用することができる。

他の特徴としては、アウターロータ型モータの固定支持体には、プレートが固定配置されており、カバー部材のプレートと対向する面にフィンが形成されている。
この構成によれば、例えば、フィンとプレートの間に水分が介在する状態で回転体が回転するとき、フィンによって水分は径外方向にはじき飛ばされるとともに、径方向内側に水などが浸入するのを防ぐため、より高い防水防塵性能をアウターロータ型モータに備えることができる。

他の特徴としては、カバー部材と固定支持体との間で屈曲するラビリンス隙間が形成されるようにした。
この構成によれば、非接触のシール構造により、アウターロータ型モータの効率を損なうことなく、より高い防水防塵性能をアウターロータ型モータに備えることができる。

他の特徴としては、固定支持体に固定配置されたプレートと、回転体の開放端側に固定配置されたカバー部材との間の隙間が、ラビリンス隙間の一部となるように構成した。
この構成によれば、非接触のシールの範囲を長くできるので、より高い防水防塵性能をアウターロータ型モータに備えることができる。

他の特徴としては、回転体のカップ形状の開放端側において、固定支持部材に保持されたベアリングを介して、回転体が回転可能に支持されており、カップ形状の開放端で、カバー部材がベアリングの外輪に接しているようにした。
この構成によれば、回転体の出力側軸方向に力がはたらいた場合でも、回転体が抜けるのを防止できる。

他の特徴としては、上記の特徴を備えるアウターロータ型モータの回転出力軸にプロペラを取り付け、このプロペラを回転させて空中を飛行する小型の飛行装置を構成した点にある。
この構成による飛行装置は、駆動源のアウターロータ型モータが優れた防水防塵性能を持っているため、風雨などによる過酷な環境下でも安全で安定した飛行を行える。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１、図２、図３は、本発明の一例を示すアウターロータ型モータ１の外観図である。図１を正面図として、図２は平面図、図３は底面図を示している。図４は、図１で指示したＸ−Ｘ断面であって、アウターロータ型モータ１の内部構造を示している。

アウターロータ型モータ１は、ステータの周囲でロータが回転するアウターロータ型のブラシレスモータである。アウターロータ型モータ１が起動しているとき、固定側ユニット１０に対して、回転体２０が回転する。
固定側ユニット１０は、固定支持体１１及び、固定支持体１１に固定配置されたステータ１２、プレート１３などで構成される。
回転体２０は、回転出力軸２１、ロータ支持部材２２、ロータ２３、ロータ２３の内周部に固定されたマグネット２４、カバー部材２５などで構成される。
回転体２０は、ベアリング３１、３２を介して、固定側ユニット１０に対して回転可能に支持されている。

ステータ１２は、図４に示す例によれば、軸方向に２つ並んだかたちで固定支持体１１に固定配置されている。各ステータ１２の位置は、スペーサ１５ａ，１５ｂによって定まっている。そして、各ステータ１２には巻線コイル１４が巻かれている。巻線コイル１４のリード線１４ａは、固定支持体１１の穴部１１ｈとプレート１３の穴部１３ｈを通って、外部に導かれている。尚、リード線１４ａを外部に導いた後、固定支持体１１の穴部１１ｈは、封止用の接着剤を充填し密封している（封止材１６）。
リード線１４ａは、アウターロータ型モータ１の駆動装置（図示せず）に接続され、この駆動装置が出力する制御電圧によって、アウターロータ型モータ１の回転体２０が回転する。

回転体２０は、回転出力軸２１を下にして見るとき、カバー部材２５側を開放端側、ロータ２３の円筒部位を側面、ロータ支持部材２２側を有底側とするカップ形状をしている。回転体２０には、カップ形状の内側と外側をつなぐ貫通部は無い。また固定側ユニット１０を構成する固定支持体１１において、回転体２０の開放端付近に位置する部分は、穴部１１ｈに封止用の接着剤を充填した状態では、カップ形状の内側と外側をつなぐ貫通部は無い。すなわち、カップ形状の開放端側に位置するカバー部材２５と固定側ユニット１０との間を、防水防塵構造とすることにより、アウターロータ型モータ１の防水防塵対策となる。

図５は、図４で示すＡ部の拡大図であって、回転体２０のカバー部材２５と固定側ユニット１０との間隙の状態を示している。図５に示すように、回転体２０と固定側ユニット１０との間には屈曲するラビリンス隙間Ｓが形成されている。より具体的には、本実施例の場合は、アウターロータ型モータ１の回転軸に対して垂直な径方向に伸びる隙間ｓ１、ｓ３、ｓ５と、回転軸に平行な方向に伸びる隙間ｓ２、ｓ４とでラビリンス隙間Ｓが形成されている。

ラビリンス隙間Ｓは、ラビリンス効果を発揮するために、狭い隙間と狭い隙間との間に、この狭い隙間よりも広い隙間を設けている。例えば、隙間ｓ２、ｓ３、ｓ４の各距離寸法（カバー部材２５と固定支持体１１との最短距離）について、隙間ｓ２と隙間ｓ４を０．１５mmとするのに対し、隙間ｓ３を０．３mmとする。

カバー部材２５と固定支持体１１でラビリンス隙間Ｓ（ｓ２、ｓ３、ｓ４）を形成している対向面となる部分に撥水性皮膜を設けている。また、カバー部材２５とプレート１３でラビリンス隙間Ｓ（ｓ１）を形成している対向面となる部分に撥水性皮膜を設けている。これにより、カバー部材２５と固定側ユニット１０との間の防水性能を高めている。より具体的な形態として、例えば、カバー部材２５、固定支持体１１、プレート１３の材質を非磁性体のアルミニウム材として、少なくともラビリンス隙間Ｓの一部を形成する部分に潤滑アルマイト加工処理を行い撥水性皮膜を形成する。

図６は、アウターロータ型モータ１において、固定支持体１１にネジ止めしているプレート１３を取り外した状態での底面図である。図５及び図６に示すように、カバー部材２５には、プレート１３と対向する面にフィン２５ｆを備えている。例えば、カバー部材２５とプレート１３との間に水分が介在する状態で回転体２０が一定の方向（底面図である図６の例によれば、底面側からみて半時計方向）に回転するとき、フィン２５ｆによって水分は径外方向にはじき飛ばされるとともに、径方向内側に水などが浸入するのを防ぐことができる。

ベアリング３２は、内輪、外輪、ボールと保持器からなるボールベアリングである。このベアリング３２に、内輪と外輪との間にふたをしてシールしたタイプのものを使用すれば、アウターロータ型モータ１の防水性能が更に確実となる。

ベアリング３２の内輪３２ｂの内周部が固定支持体１１に圧入固定されており、外輪３２ａの外周部がロータ２３の内周部に圧入固定されている。また、内輪３２ｂは、スペーサ１５ｂの一部と固定支持体１１の一部とに挟まれている。また、外輪３２ａは、ロータ２３のカップ形状の開放端側からカバー部材２５の一部が接している。アウターロータ型モータ１を小型飛行装置の駆動源として使用するとき、回転出力軸２１のねじ部２１ａにプロペラを取り付けてアウターロータ型モータ１を起動すると、回転体２０には、出力側軸方向に大きな推進力が働く。しかし、上述のように、ベアリング３２の内輪を保持しつつカバー部材２５の一部が接しているので、この大きな推進力が働いた場合でも、回転体が抜けることを防止できる。

プレート１３は、アルミニウム材など伝熱特性の良い材質を用いており、アウターロータ型モータ１の発熱を外部に逃がすヒートシンクとしても機能する。更に、プレート１３、形状を工夫し、表面積を大きくすることで、放熱効果を上げることができる。尚、プレート１３を取り付けずに、小型飛行装置等に直接設置して、その設置部分に発熱を逃がすようにしてもよい。

図７は、アウターロータ型モータ１を動力として適用した小型飛行装置の一形態であるマルチコプター１００を示す斜視図である。図示例によれば、マルチコプター１００は、回転出力軸２１にプロペラ４１を取り付けたアウターロータ型モータ１を４台使用している。
マルチコプター１００の本体ユニット１０１にアーム１０２が４本取り付けられている。各アーム１０２の端部のモータ固定部１０２ｂに、アウターロータ型モータ１が固定されている。
アウターロータ型モータ１は、プレート１３を取り付けられていない状態で、モータ固定部１０２ｂに固定支持体１１が固定されている。
このとき、モータ固定部１０２は、カバー部材２５との間でラビリンス隙間の一部を形成するとともに、アウターロータ型モータ１の発熱を逃がす。すなわち、モータ固定部１０２は、プレート１３と同じ役割をはたしている。

マルチコプター１００は、過酷な環境下での使用においても、アウターロータ型モータ１の高い防水防塵性能に加え、アウターロータ型モータ１の発熱による損失を抑えることができるので、風雨などによる過酷な環境下でも安全で安定した飛行を行える。

また、マルチコプター１００は、駆動部位のあるアウターロータ型モータ１が優れた防水構造を備えることにより飛行後においても、機体に放水するなどして丸洗いができるという利点がある。したがって、例えば、マルチコプター１００を農薬散布の用途に使用した場合の機体への薬品の付着や、過酷な環境下での飛行した後の土埃等の汚れを容易に洗い流すことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、上記実施例によれば、アウターロータ型モータ１のステータ１２は、軸方向に２つ並べた形態としたが、ステータの数は１つ、又は、３つ以上としてもよく、あらゆるアウターロータ型のモータに適用できる。また、ラビリンス隙間の形状も、ラビリンス効果を生じる多種、多様な幾何学的形状を採用することができる。

１：アウターロータ型モータ
１０：固定側ユニット
１１：固定支持体
１１ｈ：（固定支持体の）穴部
１２：ステータ
１３：プレート
１３ｈ：（プレートの）穴部
１４：巻線コイル
１４ａ：リード線
１５ａ，１５ｂ：スペーサ
１６：封止材
２０：回転体
２１：回転出力軸
２１ａ：ねじ部
２２：ロータ支持部材
２３：ロータ
２４：マグネット
２５：カバー部材
２５ｆ：フィン
３１，３２：ベアリング
３２ａ：外輪
３２ｂ：内輪
４１：プロペラ
１００：マルチコプター
１０１：本体ユニット
１０２：アーム
１０２ｂ：モータ固定部
Ｓ：ラビリンス隙間
ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５：隙間

Claims (6)

1. ステータの周囲でロータが回転するアウターロータ型モータにおいて、
   ロータを含む回転体をベアリングを介して回転可能に支持するとともに、ステータを回転不能に固定支持する固定支持体を備え、
   前記回転体はカップ形状をしており、
   前記回転体には前記カップ形状の開放端側にカバー部材が固定配置されており、
   前記カバー部材にフィンが形成されていることを特徴とするアウターロータ型モータ。
   
2. 前記固定支持体には、プレートが固定配置されており、前記カバー部材の前記プレートと対向する面に前記フィンが形成されていることを特徴とする請求項１記載のアウターロータ型モータ。
   
3. 前記カバー部材と前記固定支持体との間で屈曲するラビリンス隙間が形成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のアウターロータ型モータ。
   
4. 前記プレートと前記カバー部材との間が前記ラビリンス隙間の一部となっていることを特徴とする請求項３記載のアウターロータ型モータ。
   
5. 前記回転体の前記カップ形状の開放端側において、前記固定支持部材に保持された前記ベアリングを介して、前記回転体が回転可能に支持されており、
   前記カップ形状の開放端で、前記カバー部材が前記ベアリングの外輪に接していることを特徴とする請求項１〜４何れか１項記載のアウターロータ型モータ。
   
6. 請求項１〜５何れか１項に記載のアウターロータ型モータの回転出力軸に取り付けたプロペラを回転させて空中を飛行するものであることを特徴とする飛行装置。

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