JP2019025957A

JP2019025957A - プロペラ

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Publication number: JP2019025957A
Application number: JP2017144200A
Authority: JP
Inventors: 由夫大川; Yoshio Okawa
Original assignee: Advanced Simulation Tech Of Mechanics R & D Co Ltd; Advanced Simulation Technology Of Mechanics R & D Co Ltd
Current assignee: Advanced Simulation Tech Of Mechanics R & D Co Ltd; Advanced Simulation Technology Of Mechanics R & D Co Ltd
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: JP6940322B2

Abstract

【課題】慣性モーメントが小さく、モーター効率を低下させず、エネルギー効率の高いプロペラを提供する。【解決手段】小型無人航空機用のプロペラ１は、中心部と、中心部と一体に形成された回転翼部１０（３０）を有し、回転翼部１０（３０）の翼型（翼弦に沿って縦に切った断面）における下面の形状は円弧状に形成されており、回転翼部１０（３０）は、翼幅方向（長手方向）の位置に応じて異なる迎え角を有するように形成されており、中心部に連続する部分が所定の迎え角を有するモーター冷却部１２として形成されており、回転翼部１０（３０）の翼幅（前記中心部の中心から前記回転翼部の先端までの長さ）の半分の位置よりもモーター冷却部１２に近い位置が、最も翼弦長が長い最大翼弦長部１４として形成されており、最大翼弦長部１４を含む部分の後縁部１０ｂにおいて、下方に延びる気流密度増加手段１４ａが形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、小型無人飛行体のプロペラに関する。

従来、小型無人飛行体（以下、「ドローン」と呼ぶ。）が利用されている。ドローンは複数枚のプロペラによって推力を得ており、軽量なプロペラが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許第３９９１１０３号公報

ドローンはモーターでプロペラを回転させているのであるが、特に、モーターに電力を供給する手段として、バッテリーを使用する場合には、飛行可能時間や飛行可能距離に対する電力消費量が少ないのが望ましい。言い換えると、発生する推力に対する電力消費量（以下、「エネルギー効率」と呼ぶ。）が少ない（以下、「エネルギー効率が高い」という。）のが望ましい。モーターの回転中は、巻線中を電流が流れるため、巻線の温度が上昇し、巻線の電気抵抗が大きくなり、モーターの効率が低下するという問題がある。モーターの効率は、上述のエネルギー効率に影響する。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、モーター効率を低下させず、エネルギー効率の高いプロペラを提供することを目的とする。

第一の発明は、小型無人航空機用のプロペラであって、中心部と、前記中心部と一体に形成された回転翼部を有し、前記回転翼部は、翼幅方向（長手方向）の位置に応じて異なる迎え角を有するように形成されており、前記中心部に近接する部分が所定の迎え角を有するモーター冷却部として形成されている、プロペラである。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記回転翼部の翼型（翼弦に沿って縦に切った断面）における下面の形状は円弧状に形成されており、前記回転翼部の翼幅（前記中心部の中心から前記回転翼部の先端までの長さ）の半分の位置よりも前記モーター冷却部に近い位置が、最も翼弦長が長い最大翼弦長部として形成されており、前記最大翼弦長部は、その迎え角が最大の迎え角を有する最大迎え角部として形成されている、プロペラである。

第三の発明は、第二の発明の構成において、前記最大翼弦長部を含む部分の後縁部において、下方に延びる気流密度増加手段が形成されている、プロペラである。

第四の発明は、第二の発明または第三の発明のいずれかの構成において、前記回転翼部の翼弦方向において、最も薄い部分の厚さの最も厚い部分の厚さに対する比は、前記最大翼弦長部において最も小さくなるように形成されている、プロペラである。

第五の発明は、第一の発明乃至第四の発明のいずれかの構成において、前記モーター冷却部によって冷却されるモーターは、ブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒ）であり、前記モーター冷却部に形成された前記所定の迎え角によって発生した気流が前記モーターに当たることによって、前記モーターが冷却されるように構成されている、プロペラである。

第六の発明は、第一の発明乃至第五の発明のいずれかの構成において、前記回転翼部の迎え角の翼幅方向における変化率は、前記モーター冷却部において、最大になるように形成されている、プロペラである。

第七の発明は、第二の発明乃至第六の発明のいずれかの構成において、前記最大翼弦長部は、前記中心部の中心から、前記翼幅の長さの２０パーセント（％）乃至３０パーセント（％）の位置に形成されている、プロペラである。

第八の発明は、第二の発明乃至第七の発明のいずれかの構成において、前記回転翼部の最大の迎え角の前記最大翼弦長部の翼弦長に対する比率は、０．３（度／ｍｍ）以上０．４（度／ｍｍ）以下に規定されているプロペラである。

第九の発明は、第二の発明乃至第八の発明のいずれかの構成において、前記回転翼部の最も翼弦長が小さい最小翼弦長部の翼弦長の前記最大翼弦長部の翼弦長に対する比は、０．３２〜０．４２である、プロペラである。

第十の発明は、第二の発明乃至第九の発明のいずれかの構成において、前記気流密度増加手段が前記最大翼弦長部の後縁部から下方に延びる長さは、前記最大翼弦長部の平面視における長さの０．８％〜１．６％として規定されており、前記気流密度増加手段が前記最大翼弦長部の後縁部から下方に延びる角度は、鉛直方向の角度、または、前記最大翼弦長部の下面が延びる方向の角度と鉛直方向の角度との間の角度として規定されている、プロペラである。

本発明によれば、モーター効率を低下させず、エネルギー効率の高いプロペラを提供することができる。

本発明の実施形態に係るプロペラを示す概略平面図である。本発明の実施形態に係るプロペラを示す概略平面図及び断面図である。本発明の実施形態に係るプロペラを示す概略平面図及び各部の迎え角等を示す表である。本発明の実施形態に係るプロペラの後縁部を示す概略拡大図である。本発明の実施形態に係るプロペラの後縁部近傍における気流を示す概略図である。本発明の実施形態に係るプロペラを示す概略斜視図及びモーターを示す概略図である。本発明の実施形態に係るプロペラと従来のプロペラの対比を示す表である。従来の典型的なプロペラを示す概略平面図及び断面図である。従来の典型的なプロペラを示す概略平面図及び各部の迎え角等を示す表である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

図１及び図２（ａ）に示すように、本実施形態のプロペラ１は、平面視で円形の中心部２と、中心部２と一体に形成された回転翼部１０及び３０を有する。プロペラ１は、ドローン等の小型無人航空機用のプロペラである。本実施形態において、翼幅Ｌ１は２２８ｍｍ（ミリメートル）であり、中心部２の直径φ１は、２５．５ｍｍである。本明細書において、「翼幅」は、プロペラ１の回転軸（中心部２の中心）から回転翼１０（３０）の先端までの距離を示すものとする。なお、小型無人航空機は用途に応じて様々な種類があり、適切なプロペラ形状も異なる。プロペラ１は、主として、４枚のプロペラを有し、最大離陸重量（バッテリーを含む重量）が約６．５ｋｇであり、空中撮影や各種計測を主な用途とする小型無人航空機に適するプロペラである。

プロペラ１は、回転軸（中心部２の中心）を中心とする点対称に形成されている。プロペラ１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：ＣＡＲＢＯＮＦＩＢＥＲＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤＰＬＡＳＴＩＣ）で形成されている。炭素繊維強化プラスチックは、強化材に炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックであり、母材はエポキシ樹脂である。なお、本実施形態のプロペラ１とは異なり、従来、コルクや特殊発泡体を炭素繊維強化プラスチックで包み込んだプロペラ（図８及び図９のプロペラ２００を含む。）が使用されているが、剛性が不十分であり、また、湿気を多く吸収すると炭素繊維強化プラスチックが解離する場合がある。この点、プロペラ１は、炭素繊維強化プラスチックのみで形成されているから、従来のプロペラが有するそのような問題がない。また、プロペラ１が、炭素繊維強化プラスチックのみで形成されていることは、従来のプロペラよりも硬度が大きいことを意味する。回転翼は柔らかいほど余分なエネルギーが必要になるから、プロペラ１は回転翼の硬度においてもエネルギー効率上、有利である。

図１及び図２（ａ）に示すように、回転翼部１０の各部を、前縁部１０ａ、後縁部１０ｂ、上面部１０ｓ、下面部１０ｒ、中心近傍部１２、最大翼弦長部１４、中間部１６、先端近傍部１８及び先端部２０とする。同様に、回転翼部３０の各部を、前縁部３０ａ、後縁部３０ｂ、上面部３０ｓ、下面部３０ｒ、中心近傍部３２、最大翼弦長部３４、中間部３６、先端近傍部３８及び先端部４０とする。プロペラ１は、矢印Ｘ１に示す方向（時計回り）に回転することによって、紙面手前方向に向かう推力を発生させるように構成されている。回転翼部１０と回転翼部３０は点対称に構成されているので、以下、基本的に回転翼部１０について説明し、回転翼部３０の説明は省略する。

図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、回転翼部１０は、翼幅方向（長手方向）の位置に応じて異なる迎え角に形成されている。ここで、迎え角とは、図２（ｂ）の左側の図に示すように、翼弦線（翼の前縁と後縁を結ぶ線）Ｄ１が空気の流れＣ１となす角度αである。

図１及び図２（ａ）に示すように、中心近傍部１２は中心部２に近接する位置に形成されている。詳細には、中心近傍部１２は、図３（ａ）の位置Ａ１から位置Ａ３にわたる領域である。中心近傍部１２は、所定の迎え角を有し、モーター冷却部として形成されている。

図３（ｂ）において、「迎え角変化」は、隣接する２つの位置の間における迎え角の差分である。例えば、位置Ａ２の迎え角変化は、位置Ａ２の迎え角と位置Ａ１の迎え角の差分である。「迎え角変化率」は、隣接する２つの位置の間における迎え角の差分を隣接する２つの位置の距離で除した数値である。例えば、位置Ａ２の迎え角変化率（０．４６度／ｍｍ）は、位置Ａ２の迎え角（８．９度）と位置Ａ１の迎え角（０．９度）の差分（８．０度）を位置Ａ１と位置Ａ２との間の距離（２５．２−７．９＝１７．３ｍｍ）で除した値である。位置Ａ１から位置Ａ２にかけての迎え角変化率は０．４６度／ｍｍ（ミリメートル）であり、位置Ａ２から位置Ａ３にかけての迎え角変化率は０．３３度／ｍｍである。他の位置における迎え角変化率は、迎え角が大きくなる方向の変化率と小さくなる方向の変化率にかかわらず、位置Ａ１から位置Ａ３にかけての迎え角変化率よりも小さい。すなわち、中心近傍部１２において、回転翼部１０の迎え角の変化率が最大になるように形成されている。

図２（ａ）に示すように、回転翼部１０は、中心近傍部１２に連続する部分が、翼弦長が最も長い部分である最大翼弦長部１４となっている。詳細には、回転翼部１０の翼幅（中心部２の中心から先端部２０までの長さ）Ｌ１の半分の位置（中間部１６の位置）よりも中心近傍部１２に近い位置が最大翼弦長部１４として形成されている。最大翼弦長部１４は、中心部２の中心から、翼幅Ｌ１の２０％（パーセント）乃至３０％の位置に形成されるものとして規定されている。本実施形態において、最大翼弦長部１４の位置Ａ４（図３（ｂ）参照）は、中心部２の中心から５９．６ｍｍの位置に形成されている。すなわち、最大翼弦長部１４の位置Ａ４は、中心部２の中心から、翼幅Ｌ１の２６％の位置に形成されている。

最大翼弦長部１４から先端近傍部１８にかけて、翼弦長が短くなっている。なお、先端近傍部１８から先端部２０にかけての部分は、前縁部１０ａと後縁部１０ｂが接続するための接続部分であり、当然に翼弦長は急激に短くなる。本明細書において、回転翼部１０の翼弦長というときには、接続部分の翼弦長を除くものとする。そうすると、回転翼部１０において、最大の翼弦長を有する位置は最大翼弦長部１４であり、翼弦長が最も小さい最小翼弦長部は先端近傍部１８である。先端近傍部１８の翼弦長Ｗ３の最大翼弦長部１４の翼弦長Ｗ１に対する比（Ｗ３／Ｗ１）は０．３２〜０．４２に規定されている。本実施形態において、最大翼弦長部１４の翼弦長Ｗ１は４７．０ｍｍ、先端近傍部１８の翼弦長Ｗ３は１７．６ｍｍであり、翼弦長Ｗ３の翼弦長Ｗ１に対する比（Ｗ３／Ｗ１）は０．３７である。

図２（ｂ）は、図の右側から順に、最大翼弦長部１４、中間部１６及び先端近傍部１８の翼型である。これらは、回転翼部１０の長手方向と直交する方向の断面、すなわち、回転翼部１０を翼弦に沿って縦に切った断面を示す。図２（ｂ）に示すように、最大翼弦長部１４、中間部１６及び先端近傍部１８の下面部１０ｒの形状は円弧状に形成されている。最大翼弦長部１４、中間部１６及び先端近傍部１８以外の回転翼部１０の部分においても下面部１０ｒは円弧状に形成されている。

図３（ｂ）に示すように、最大翼弦長部１４（位置Ａ４）は、回転翼部１０において、その迎え角が最大の迎え角を有する最大迎え角部になるように形成されている。すなわち、最大翼弦長部１４は、回転翼部１０において、翼弦長が最も長い部分であると同時に、最大の迎え角を有する部分である。本実施形態において、最大翼弦長部１４の迎え角は１６．５度である。回転翼部１０の最大の迎え角の最大翼弦長部の翼弦長に対する比率は、０．３（度／ｍｍ）以上０．４（度／ｍｍ）以下に規定されている。本実施形態において、最大の迎え角は１６．５度、最大翼弦長部１４の翼弦長Ｗ１は４７．０ｍｍであるから、その比は、０．３５である。

また、回転翼部１０の翼弦方向において、最も薄い部分の厚さの最も厚い部分の厚さに対する比は、最大翼弦長部１４において最も小さくなるように形成されている。具体的には、最大翼弦長部１４において、最も翼の厚い部分の厚さｄ１ａは、２．４ｍｍであり、最も薄い部分の厚さｄ１ｂは０．９ｍｍであるから、その比（ｄ１ｂ／ｄ１ａ）は、０．３８である。中間部１６において、最も翼の厚い部分の厚さｄ２ａは、１．８ｍｍであり、最も薄い部分の厚さｄ２ｂは０．８ｍｍであるから、その比（ｄ２ｂ／ｄ２ａ）は、０．４４である。先端近傍１８において、最も翼の厚い部分の厚さｄ３ａは、１．３ｍｍであり、最も薄い部分の厚さｄ３ｂは０．８ｍｍであるから、その比（ｄ３ｂ／ｄ３ａ）は、０．６２である。以上から、最大翼弦長部１４の厚さが他の部分よりも厚く、かつ、最大翼弦長部１４の下面が、他の部分に比べて大きく窪んでいること、言い換えると、平均曲率半径が最も小さいことを意味する。なお、図２（ｂ）においては、表記の便宜上、最大翼弦長部１４の翼弦長Ｗ１、中間部１６の翼弦長Ｗ２及び先端近傍部１８翼弦長Ｗ３をほぼ同一の長さで表現しているため、先端近傍部１８の翼厚ｄ３ａが最も厚いように見えるが、実際の数値は上記の通りであり、先端近傍部１８の翼厚ｄ３ａは最も薄い。

図２（ｂ）の右端の図に示すように、最大翼弦長部１４の後縁部１０ｂにおいて、下方に延びる折り曲げ部１４ａが形成されている。折り曲げ部１４ａは、下面部１０ｒを流れる気流の密度を増加させるための気流密度増加手段である。折り曲げ部１４ａは、後縁部１０ｂにおいて、最大翼弦長部１４を含む部分に形成されている。具体的には、図３（ａ）に示すように、折り曲げ部１４ａは、位置Ａ３から位置Ａ５にわたる領域に形成されている。なお、本実施形態とは異なり、折り曲げ部１４ａを後縁部１０ｂの全体（例えば、異体Ａ１から位置Ａ１４にかけての後縁部１０ｂ）に形成するようにしてもよいが、折り曲げ部１４ａを長くするほど、プロペラ１の回転時の気流からの抵抗が増加するから、プロペラ１全体としてのエネルギー効率を踏まえて、本実施形態において、折り曲げ部１４ａの長さを位置Ａ３から位置Ａ５にわたる領域に限定した。

図４に示すように、折り曲げ部１４ａが後縁部１０ｂの下面部１０ｒから下方に延びる長さｈ１は、最大翼弦長部１４の平面視における長さＬ２（図２（ｂ）参照）の０．８％〜１．６％として規定されている。本実施形態において、長さＬ２は４６．９ｍｍであり、長さｈ１は０．６ｍｍであり、長さｈ１の長さＬ２に対する比（ｈ１／Ｌ２）は１．０％である。また、折り曲げ部１４ａが後縁部１０ｂから下方に延びる角度θ１は、鉛直方向の角度、または、最大翼弦長部１４の下面部１０ｒが延びる方向の角度と鉛直方向の角度との間の角度として規定されている。本実施形態において、角度θ１は、４６．４度である。下面部１０ｒと折り曲げ部１４ａとの接続部１０ｒ１は、所定の曲面に形成されている。

図５に示すように、折り曲げ部１４ａが位置する回転翼部１０の後縁部１０ｂにおいて、上面部１０ｓの気流Ｓ１は、回転翼部１０の上面部１０ｓの形状に応じた密度で流れる。一方、下面部１０ｒを流れる気流Ｓ２は、下面部１０ｒの円弧形状によって気流Ｓ１よりも密度が大きいのであるが、折り曲げ部１４ａの面１４ａａにぶつかることによって、さらに密度が大きくなる。これにより、気流Ｓ２の密度が大きくなり、上面部１０ｓを流れる気流Ｓ１と下面部１０ｒを流れる気流Ｓ２の密度の差が拡大し、推力が向上する。

図６（ａ）に示すように、プロペラ１が時計の回転方向に回転することによって、中心近傍部１２及び３２から気流Ａ１が発生し、モーター１００に当たり、冷却する。モーター１００の回転軸にプロペラ１が接続されている。モーター１００は、アウターローター型のブラシレスＤＣモーター（無整流子電動機、ｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒ）である。

図６（ｂ）に示すように、モーター１００は、ローター（回転子）１３０の外側カバー１３２に永久磁石１３４及び１３６が配置され、ステーター（固定子）１１０の中心部１１２に巻線（コイル）１１４が配置される構成である。巻線１１４は外側カバー１３２に覆われておらず、外部に露出されている。永久磁石１３４と永久磁石１３６とは極性が逆である。具体的には、永久磁石１３４において中心部１１２に面する側の極性がＮ極であれば、永久磁石１３６において中心部１１２に面する側の極性はＳ極である。ステーター１１０の巻線１１４へ供給する電流の向きを制御する（「転流」と呼ばれる。）ことで、磁束の向きを順次切り替える。磁束の向きを順次切り替えることによって、回転磁界を形成する。これにより、ローター１３０に配置された永久磁石１３４及び１３６とステーター１１０とが吸引及び反発を繰り返し、ローター１３０が回転するように構成されている。転流を行うタイミングは、ベクトル制御によって制御される。ベクトル制御の説明は省略する。

プロペラ１が時計の回転方向に回転することによって、中心近傍部１２及び３２から下方の気流Ａ１が発生し、モーター１００の巻線１１４に当たる。すなわち、中心近傍部１２及び３２に形成された所定の迎え角によって発生した気流Ａ１がモーター１００の巻線１１４に当たることによって冷却され、モーター１００の巻線１１４の電気抵抗の増加が抑制されるようになっている。

中心近傍部１２及び３２以外の部分、例えば、最大翼弦長部１４及び３４は、主として、上面１０ｓ（３０ｓ）を流れる気流と下面部１０ｒ（３０ｒ）を流れる気流の密度差を生じさせて推力を得るための構成である。最大翼弦長部１４及び３４において推力Ｕ１を得、その他の部分（中心部１６及び先端近傍部１８）において推力Ｕ２を得る。すなわち、中心近傍部１２及び３２と最大翼弦長部１４及び３４とでは、機能が異なる。

図７を参照して、プロペラ１と従来例との相違を説明する。その前提として、図８及び図９を参照して、従来の典型的なプロペラ２００について説明する。プロペラ２００は、中心部２０２と回転翼部２１０及び２３０を有する。中心部２０２と回転翼部２１０及び２３０は、中心近傍部２１２及び２３２で接続されている。中心近傍部２１２及び２３２には迎え角が形成されていない、あるいは、形成されていたとしても極めて小さい角度である。

回転翼部２１０の翼弦方向において、最も薄い部分の厚さの最も厚い部分の厚さに対する比は、最大翼弦長Ｗ２０１を有する部分において最も小さくなるように形成されているが、プロペラ１に比べると、その比は大きい。具体的には、最大翼弦長Ｗ２０１を有する部分において、最も翼の厚い部分の厚さｄ２０１ａは、２．１ｍｍであり、最も薄い部分の厚さｄ２０１ｂは１．１ｍｍであるから、その比（ｄ２０１ｂ／ｄ２０１ａ）は、０．５２である。これに対して、上述のように、プロペラ１の最大翼弦長部１４において、最も翼の厚い部分の厚さｄ１ａは、２．４ｍｍであり、最も薄い部分の厚さｄ１ｂは０．９ｍｍであるから、その比（ｄ１ｂ／ｄ１ａ）は、０．３８である。プロペラ２００の上記比（ｄ２０１ｂ／ｄ２０１ａ）を基準にすれば、プロペラ１の上記比（ｄ１ｂ／ｄ１ａ）は、約２７％小さい。すなわち、プロペラ１はプロペラ２００よりも、翼弦方向における翼下面の窪みが大きい、すなわち、平均曲率半径が小さい。

図８（ａ）と図９（ａ）を参照すると、図８（ａ）の最大翼弦長Ｗ２０１を有する部分は、図９（ａ）の位置Ｂ９の部分である。図９（ｂ）に示すように、位置Ｂ９の迎え角は、位置Ｂ４から位置Ｂ８にかけての部分の迎え角よりも小さい。すなわち、最大翼弦長Ｗ２０１を有する部分の迎え角が、回転翼部２１０における最大の迎え角にはなっていない。このことは、位置Ｂ７から位置Ｂ９にかけての迎え角変化率がマイナス（−）になっていることからも明らかである。

また、中心部２０２の中心から最大翼弦長Ｗ２０１の位置までの長さＬ２０２の翼幅Ｌ２００に対する比（Ｌ２０２／Ｌ２００）は、０．４７である。

以上を前提に、プロペラ１と従来例との相違を説明する。まず、プロペラ１は、最大翼弦長部１４（図３（ａ）の位置Ａ４）が最大の迎え角を有する部分として形成されており、位置Ａ４に近づくに連れて迎え角が大きくなり、位置Ａ４から遠ざかるに連れて迎え角が小さくなる。これに対して、プロペラ２００においては、最大翼弦長Ｗ２０１（図８参照）を有する部分（図９（ａ）の位置Ｂ９）は最大の迎え角を有する部分ではない。最大の迎え角を有する部分は、位置Ｂ９よりも回転軸に近い位置Ｂ６である。位置Ｂ６から先端に向かって迎え角が小さくなっていき、最大翼弦長Ｗ２０１を有する位置Ｂ９は、迎え角が小さくなっていく過程の部分に位置する。プロペラ１は、最大翼弦長部１４から先端近傍部１８にかけて比較的急激に翼弦長が短くなるのに対して、プロぺラ２００は、最大翼弦長Ｗ２０１を有する部分から先端近傍において翼弦長Ｗ２０２を有する部分まで、比較的ゆるやかに翼弦長が短くなっている。プロペラ１は、最大翼弦長部１４を含む部分に折り曲げ部１４ａが形成されているが、プロペラ２００はそのような構成はない。

以上を踏まえて図７を参照すると、まず、プロペラ１は従来例のプロペラ２００よりも翼上面積が大きい。しかし、回転翼部１０において、最大翼弦長部１４以外の翼弦長を極力短くし、下面部１０ｒの円弧状を深く構成した（平均曲率半径を小さくした）ことによって、質量は軽くなっている。これにより、推力を向上させつつ、モータートルクＴｍを小さくすることができた。ここで、モータートルクＴｍは、プロペラの回転による気流抵抗を考慮せず、プロペラの質量のみを考慮した場合に必要なモーターのトルク（必要な力）である。モータートルクＴｍは計算によって算出した。

次に、気流からのトルクＴｓは、プロペラ１の方が従来例のプロペラ２００よりも小さい。ここで、気流からのトルクＴｓは、プロペラの質量を考慮せず、プロペラが回転することによって生じる気流抵抗に抗して回転するために必要なモーターのトルクである。トルクＴｓはシミュレーションによって算出した。プロペラ１の最大迎え角は１６．５度（図３（ｂ）参照）であり、プロペラ２００の最大迎え角は２１．３度（図９（ｂ）参照）である。プロペラ１の最大迎え角である１６．５度（図３（ｂ）参照）を有する最大翼弦長部１４から、先端部の迎え角７．８度に向かって、迎え角が小さくなっていく。一方、プロペラ２００の最大迎え角である２１．３度を有する部分から、先端部の迎え角７．７度に向かって、迎え角が小さくなっている。すなわち、最大の迎え角を有する部分と尖端部の間の部分の迎え角も、プロペラ１の方がプロペラ２００よりも小さい。これによって、プロペラ１のトルクＴｓがプロペラ２００よりも小さくなったと考えられる。

プロペラ１の方が、モータートルクＴｍと気流からのトルクＴｓの双方においてプロペラ２００よりも小さいから、モータートルクＴｍと気流からのトルクＴｓを合算した全トルクＴａｌｌもプロペラ１の方が小さい。

推力Ｐを対比すると、プロペラ１は３．５５Ｎ、プロペラ２００は３．６３Ｎであった。そして、エネルギー効率（推力Ｐ／全トルクＴａｌｌ）は、プロペラ１が９．３４、プロペラ２００が６．８５であるから、プロペラ１はプロペラ２００よりも約２７％、エネルギー効率が高い。すなわち、プロペラ１は、推力はプロペラ２００よりも約２％小さいが、エネルギー効率が約２７％高い。

プロペラ１の方がプロペラ２００よりも最大迎え角が小さいのに対して、推力の相違がわずかにすぎず、エネルギー効率が高い理由の一つは、折り曲げ部１４ａによる推力特性の向上が考えられる。

そして、折り曲げ部１４ａを最大迎え角に形成されている最大翼弦長部１４の後縁部１０ｂに形成したことも、推力の向上に相乗的に作用していると考えられる。また、中心近傍部１２に所定の迎え角を形成し、モーター１００の冷却手段としたことは、モーター１００の効率を向上させ、比較的長時間の飛行におけるエネルギー効率を高くしていると考えられる。ここで、中心近傍部１２の作用については、モーター１００を長時間駆動するほど顕著に表れると予測するのが合理的である。

さらに、図７には示されていないが、実際にプロペラ１を装着したドローンを操作すると、操作に対する反応がよいことがわかっている。これは、最大翼弦長部１４を中心部２に近い部分に形成したことによって、プロペラ１の重心位置が中心部２に近い部分となるため、慣性モーメントが低下したからだと考えられる。プロペラ１において、中心部２の中心から最大翼弦長部１４までの長さ（５９．６ｍｍ）の翼幅Ｌ１（２２８ｍｍ）に対する比は０．２６である。これに対して、プロペラ２００において、中心部２０２の中心から最大翼弦長部（位置Ｂ９）までの長さＬ２０２（１０６．５ｍｍ）の翼幅Ｌ２００（２２９ｍｍ）に対する比は０．４７である。最大翼弦長部の位置が、翼における重心位置へ大きく影響することを踏まえれば、上記の比の相違によって、プロペラ１の回転翼の重心がプロペラ２００の回転翼の重心よりも回転軸近傍に位置することが理解できる。

プロペラ１は、中心近傍部１２によってモーター１００を冷却し、中心近傍部１２に連続して形成された最大翼弦長部１４及びその周辺領域、及び、折り曲げ部１４ａによって、大きな推力を発生させることができる。そして、最大翼弦長部１４を中心部２の近傍に形成したことによって、慣性モーメントを低下させることができたのである。

本明細書の冒頭に記載したとおり、ドローンはモーターでプロペラを回転させているのであるが、特に、モーターに電力を供給する手段として、バッテリーを使用する場合には、飛行可能時間や飛行可能距離に対する電力消費量が少ないのが望ましい。言い換えるとエネルギー効率が高いのが望ましい。また、ドローンの位置や姿勢の頻繁な変更が必要な用途においては、プロペラの慣性モーメントが小さい方が、迅速に位置や姿勢を変更することができ、無駄な動きを回避できるから、バッテリーの電力消費量を少なくすることができる。なお、実際には、ドローンは、自然風などの外部からの影響等を受けており、予定の姿勢や位置からずれるから、大きく姿勢や位置を変更していない場合であっても、それぞれのモーターの回転数を変更して姿勢や位置を微修正するから、やはり、慣性モーメントが小さい方が望ましい。また、モーターの回転中は、巻線中を電流が流れるため、巻線の温度が上昇し、巻線の電気抵抗が大きくなり、モーターの効率が低下するという問題がある。慣性モーメントやモーターの効率は、上述のエネルギー効率に影響する。この点、上述のように、本実施形態のプロペラは、慣性モーメントが小さく、モーター効率を低下させず、エネルギー効率が高い。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１プロペラ
２中心部
１０，３０回転翼部
１０ａ，３０ａ前縁部
１０ｂ，３０ｂ後縁部
１０ｓ，３０ｓ上面部
１０ｒ，３０ｒ下面部
１２，３２中心近傍部
１４，３４最大翼弦長部
１４ａ，３４ａ折り曲げ部
１６，３６中間部
１８，３８先端近傍部
２０，４０先端部
１００モーター

Claims

小型無人航空機用のプロペラであって、
中心部と、前記中心部と一体に形成された回転翼部を有し、
前記回転翼部は、
翼幅方向（長手方向）の位置に応じて異なる迎え角を有するように形成されており、
前記中心部に近接する部分が所定の迎え角を有するモーター冷却部として形成されている、
プロペラ。
前記回転翼部の翼型（翼弦に沿って縦に切った断面）における下面の形状は円弧状に形成されており、
前記回転翼部の翼幅（前記中心部の中心から前記回転翼部の先端までの長さ）の半分の位置よりも前記モーター冷却部に近い位置が、最も翼弦長が長い最大翼弦長部として形成されており、
前記最大翼弦長部は、その迎え角が最大の迎え角を有する最大迎え角部として形成されている、請求項１に記載のプロペラ。
前記最大翼弦長部を含む部分の後縁部において、下方に延びる気流密度増加手段が形成されている、
請求項２に記載のプロペラ。
前記回転翼部の翼弦方向において、最も薄い部分の厚さの最も厚い部分の厚さに対する比は、前記最大翼弦長部において最も小さくなるように形成されている、請求項２または請求項３のいずれかに記載のプロペラ。
前記モーター冷却部によって冷却されるモーターは、ブラシレスＤＣモーター（ｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒ）であり、
前記モーター冷却部に形成された前記所定の迎え角によって発生した気流が前記モーターに当たることによって、前記モーターが冷却されるように構成されている、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のプロペラ。
前記回転翼部の迎え角の翼幅方向における変化率は、前記モーター冷却部において、最大になるように形成されている、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のプロペラ。
前記最大翼弦長部は、前記中心部の中心から、前記翼幅の長さの２０パーセント（％）乃至３０パーセント（％）の位置に形成されている、請求項２乃至請求項６のいずれかに記載のプロペラ。
前記回転翼部の最大の迎え角の前記最大翼弦長部の翼弦長に対する比率は、０．３（度／ｍｍ）以上０．４（度／ｍｍ）以下に規定されている請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のプロペラ。
前記回転翼部の最も翼弦長が小さい最小翼弦長部の翼弦長の前記最大翼弦長部の翼弦長に対する比は、０．３２〜０．４２である、請求項２乃至請求項８のいずれかに記載のプロペラ。
前記気流密度増加手段が前記最大翼弦長部の後縁部から下方に延びる長さは、前記最大翼弦長部の平面視における長さの０．８％〜１．６％として規定されており、
前記気流密度増加手段が前記最大翼弦長部の後縁部から下方に延びる角度は、鉛直方向の角度、または、前記最大翼弦長部の下面が延びる方向の角度と鉛直方向の角度との間の角度として規定されている、
請求項２乃至請求項９のいずれかに記載のプロペラ。