JP2020168978A - 防爆型無人飛行機 - Google Patents

Abstract

【課題】電気火花が発生する可能性がある電動モータを含む駆動部を防爆ケーシングに収容して完全に密閉した状態で、爆発性雰囲気において、安全に飛行させることが可能な防爆型無人飛行機を提供する。【解決手段】電動モータ５と、前記電動モータ５の回転軸７と、前記回転軸７の一端部７ａに固定された第１の磁石６ａと、前記電動モータ５と前記回転軸７と前記第１の磁石６ａとを気密に収容する防爆ケーシング３と、前記第１の磁石６ａと対向するように前記防爆ケーシング３の外側に定位置で回転可能に配置されている第２の磁石８ａと、前記第２の磁石８ａを直接又は間接的に一端部９ａ１に固定する駆動軸９と、前記駆動軸９の他端部９ａ２に固定する回転翼２とを具備する駆動部を３以上備える。【選択図】図２

Description

この発明は、爆発性雰囲気下で駆動される遠隔操縦の防爆型の電動回転翼式無人飛行機に関するものである。

マルチコプターとも呼ばれる複数の電動回転翼を有する遠隔操縦の無人飛行機に撮影用カメラを搭載し、石油化学プラント等の人が容易に近づけない高所や狭隘部等の日常点検や検査業務に応用し、労力の削減を図ることが検討されている。
ところで、可燃性の気体や液体を扱う石油化学プラント等の爆発性雰囲気においては、産業保安の観点から、使用される電気部品の電気火花や高温部が爆発性雰囲気に対して点火源とならないように防爆機器を使用することが求められている。

防機構造の事例として、特許文献１乃至３には、爆発性雰囲気に侵入しても爆発することなく駆動させることが可能な防爆装置や防爆ロボット等の従来技術が開示されている。

特許文献１「爆発性雰囲気下で駆動される油圧駆動走行性機械装置」の発明がある。この発明には、爆発性雰囲気下で駆動される油圧駆動走行性機械装置に防爆ケースを内設し、該防爆ケース内に油圧モータと該油圧モータにより駆動される発電機とを収容し、かつ長い油圧ホースを外部へ延出してなることを特徴とする爆発性雰囲気下で駆動される油圧駆動走行性機械装置が開示されている。

特許文献２「防爆機器」の発明がある。この発明には、防爆ケーシングと、前記防爆ケーシング内に設けられた発電機と、外部の動力源から前記発電機に機械的動力を伝達可能な動力伝達部とを備える防爆機器が開示されている。

特許文献３「インバータ付防爆形キャンドモータ」の発明がある。この発明には、インバータに配設されるファンモータ、インバータ耐圧容器との間に火災逸走防止隙間を形成して前記耐圧容器の外部に突設されたファンモータの回転軸、この回転軸の突出端部に冷却モータファンを取着し、前記耐圧容器の外壁側に冷却ファンを突設し、前記耐圧容器の内壁に金属製放熱板を当接取着したことを特徴とするインバータ付防爆形キャンドモータが開示されている。

特開平９-１５１９１２号公報 特開２０１８-７４７３８号公報 特許第２８５７４０７号公報

可燃性の気体や液体を扱う石油化学プラント等の爆発性雰囲気下或いは爆発性雰囲気となる恐れがある場所で、電動モータで回転する電動回転翼式の小型無人飛行機を飛行させる場合、前記電動モータ等の電気機器をその外側の爆発性雰囲気から遮断し、火花が発生して爆発又は火災が発生しない構造とする必要がある。

一般的な耐圧防爆型モータは大型かつ複雑なもので、小型の無人飛行機に搭載することを考慮した構造とはなっていない。
また、小型無人飛行機には火花を発生する整流子を持たないブラシレスモータが採用されていることが多いが、コイルを空冷する構造となっていることから、コイルの絶縁被覆が傷ついた場合には漏電する恐れがあり、必ずしも防爆性能を確保できない恐れがあった。
そこで、爆発性雰囲気下においても安全に飛行させることが可能な無人飛行機が求められていた。
また、従来技術として防爆型の電気機器やロボットは複数開示されているが、防爆型の無人飛行機の従来技術はなかった。

本発明は、電動モータと、前記電動モータの回転軸と、前記回転軸の一端部に固定された第１の磁石と、前記電動モータと前記回転軸と前記第１の磁石とを気密に収容する防爆ケーシングと、前記第１の磁石と対向するように前記防爆ケーシングの外側に定位置で回転可能に配置されている第２の磁石と、前記第２の磁石を直接又は間接的に一端部に固定する駆動軸と、前記駆動軸の他端部に固定する回転翼とを具備する駆動部であって、前記電動モータの回転動力を、前記第１の磁石と前記第２の磁石とで形成する磁気カップリングを介して、前記回転翼に非接触で伝達する前記駆動部を３以上備える防爆型無人飛行機を提供する。

また、本発明は、前記防爆ケーシングの外側に、前記第２の磁石を収容し、前記第２の磁石が固定された前記駆動軸を回転自在に挿通する挿通孔が形成された防塵カバーを有する前記の防爆型無人飛行機を提供する。

本発明はさらに、前記防爆ケーシングの外周を囲繞し、該防爆ケーシングの外周に向き合う位置において内側面に前記第２の磁石を固定している円筒形状の防塵カバーと、前記第２の磁石を前記防塵カバーを介して一端部に固定する駆動軸と、前記駆動軸の他端部に固定する回転翼とを具備する前記の防爆型無人飛行機を提供する。

本発明はさらに、前記防爆ケーシングの全体又は一部が、非磁性体で構成されている前記の防爆型無人飛行機を提供する。

本発明はさらに、前記第１の磁石及び前記第２の磁石が、前記防爆ケーシングの壁面に対して平行でかつ隙間を有するように取付けられている前記の防爆型無人飛行機を提供する。

本発明はさらに、前記防爆ケーシングが、前記電動モータの胴部に接している筐体の内壁側と対向する外壁側に放熱構造を有する前記の防爆型無人飛行機を提供する。

本発明はさらに、前記駆動軸を回転自在に挿通する挿通孔が形成された軸支持部材を有する前記の防爆型無人飛行機を提供する。

本発明の防爆型の無人飛行機は、完全密閉構造の防爆ケーシング内に収容した電動モータの動力を、磁気カップリング構造を介して防爆ケーシング外部に配置した回転翼に非接触で伝達することにより、爆発性雰囲気において、電気火花を発生することなく、安全に飛行させることが可能である。
また、第２の磁石を防塵カバー内に収容することにより、無人飛行機が飛行している際に、空気中の塵等が防爆ケーシングの外壁と第２の磁石との隙間に侵入することがなく、第２の磁石の回転時に、防爆ケーシングの外壁との間に空気中の塵等を巻きこむことによる摩擦で火花を生じることがなく、爆発性雰囲気下で安全に飛行させることが可能である。
さらに、電動モータのケーシングが防爆ケーシングの内壁に密着しており、かつ防爆ケーシングが外壁に放熱構造を有しているため、電動モータの駆動時の発熱を完全密閉された防爆ケーシングから外部に効率的に逃がすことができ、電動モータの駆動に支障をきたすことがなく、安全に飛行させることが可能である。

本発明に係る防爆型無人飛行機の事例を示す概略図である。 防爆型無人飛行機の駆動部の第１事例を示す断面図である。 防爆型無人飛行機の駆動部の第２事例を示す説明図である。

本発明に係る防爆型無人飛行機の実施形態例について図１から図３を参照しながら説明する。本発明は下記の実施形態にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記の構成要素の省略または付加、構成要素の形状等の実施形態の変更を加えることが出来るのはもちろんである。なお、図は概略を示すもので、一部のみを描き詳細構造は省略した。

図１は、本発明に係る防爆型の無人飛行機１であって、ドローンと称される無人飛行機１の事例を示す。
防爆型の無人飛行機１は、回転翼２を有し、機体の中央部の防爆型バッテリー４と、機体中心部から半径方向外方側に向けて放射状に配置する複数の接続アーム１４と、接続アーム１４の先端部に設けた電動モータ５を含む駆動部と、電動モータ等を囲う防爆ケーシング３と、防爆型カメラ（図示しない）等を備えている。

無人飛行機１は、電動モータ５と、該電動モータ５の動力を非接触で伝達されて回転する回転翼２とで構成された駆動部が３以上搭載された防爆型の無人飛行機１である。
図１の無人飛行機１は、機体中心部から放射状に回転翼２が４つ搭載された無人飛行機の事例である。

図２は、防爆型無人飛行機の駆動部の第１事例を示す断面図である。
図１と同じ構造については、説明を省略する。
無人飛行機１は、電動モータ５と、電動モータ５の回転軸７と、回転軸７の一端部７ａに固定された第１の磁石６ａと、電動モータ５と第１の磁石６ａと回転軸７とを気密に収容する防爆ケーシング３と、第１の磁石６ａと対向するように防爆ケーシング３の外側に定位置で回転可能に配置されている第２の磁石８ａと、第２の磁石８ａを直接又は間接的に一端部９ａ１に固定する駆動軸９と、駆動軸９の他端部９ａ２に固定する回転翼２とを具備する駆動部を備えている。
第１事例では、第２の磁石８ａを駆動軸９ａの一端部９ａ１に直接固定している。
その駆動部は、電動モータ５の回転動力を、第１の磁石６ａと第２の磁石８ａとで形成する磁気カップリングを介して、回転翼２に非接触で伝達する。

図２は、磁気カップリング構造として、円板状の第１の磁石６ａと円板状の第２の磁石８ａを使用する事例であり、回転方向に磁石が複数並んだ円板等を使用する。
第１の磁石６ａ、第２の磁石８ａは、ネオジウム系希土類磁石等を使用する。
なお、第１の磁石６ａと第２の磁石８ａは、機能上支障がなければ、円板形状ではなく、棒形状等の磁石を使用しても良い。

また、防爆ケーシング３は、電動モータ５の駆動を制御する制御板（図示しない）も気密に収容している。
第１の磁石６ａと第２の磁石８ａは、磁気カップリング構造を形成するために、防爆ケーシング３の隔壁部３ａを挟んで、互いに異なる磁極となるように配置されている。
駆動軸９の他端部９ａ２に回転翼２がハブ１７を介して固定されている。

第２の磁石８ａは、磁石が配置されている円板表面が防爆ケーシング３の一部を構成する隔壁部３ａの外壁面に対して平行でかつ所定の隙間ａを有するように取付けられている。
また、電動モータ５の回転軸７の一端部７ａに設けた第１の磁石６ａは、第１の磁石６ａの磁石が配置されている円板表面が防爆ケーシング３の一部を構成する隔壁部３ａの内壁面に対して平行でかつ所定の隙間ｂを有するように取付けられている。
また、円板と防塵カバー１１の内壁面が所定の隙間ｃを有するように取り付けられている。
隙間ａ、ｂ、ｃを設けることにより、第１の磁石６ａ又は第１の磁石８ａの回転時に防爆ケーシング３の隔壁部３ａや防塵カバー１１との間で摩擦による火花を生じることがなく、爆発性雰囲気において、安全に防爆型の無人飛行機１を飛行させることが可能である。

また、図２の無人飛行機１の駆動部の第１事例では、防爆ケーシング３の外側に、第２の磁石８ａを収容し、第２の磁石８ａが固定された駆動軸９を回転自在に挿通する挿通孔１１ａが形成された防塵カバー１１を有する。
防塵カバー１１は、防爆ケーシング３の外側にネジ１８（図示しない）や接着剤等で固定する。
回転翼２の駆動軸９は、防塵カバー１１に形成された挿通孔１１ａに嵌め込まれた防爆仕様の軸受け部１５を貫通して回転自在に設けられる。

駆動軸９は、防塵カバー１１の上端位置に、挿通孔１１ａの孔径よりも大きい直径を有し、軸受け機能を有する軸固定部材１２（図示しない）により固定し、第２の磁石８ａが配置されている円板表面と防爆ケーシング３の隔壁部３ａの外面 や防塵カバー１１との距離が所定の隙間ａ、ｃを保持するように形成する。
軸固定部材１２には、セットカラー等を使用する。

防爆ケーシング３の全体又は一部は、非磁性体で構成され、完全密閉構造として、内部に防爆ケーシング３外部の可燃性ガスが入り込まない構造とする。
防爆ケーシング３の一部を非磁性体で構成する場合は、隔壁部３ａ及びその近傍を非磁性体とし、その他の部分を磁性体で構成しても良い。但し、非磁性体と磁性体との結合部は、防爆ケーシング３が密閉構造となるように、完全にシールされた構造とする。
なお、防爆ケーシング３を構成する非磁性体は、必要な重量や強度に応じて、プラスチック、オーステナイト系ステンレス、アルミニウム等を選定して使用する。

防爆ケーシング３は、電動モータ５の胴部に接している筐体の内壁側と対向する外壁側に放熱構造１０を有する。

放熱構造１０は、防爆ケーシング３の筐体の外壁側に冷却フィン１０ａ等を突設した構造とすることによって、筐体に密接している電動モータ５の発熱を効率よく外部に放散することが可能で、完全密閉された防爆ケーシング３内の電動モータ５の異常昇温による故障等を防止し、防爆型の無人飛行機１を爆発性雰囲気下で安全に飛行させることが可能である。
また、外部に設けられたエア供給源（図示しない）からエアパイプ（図示しない）を介して前記防爆ケーシング３内にエアを供給することにより、防爆ケーシング３内の圧力を周囲の爆発性雰囲気の圧力より高く保持することで、防爆ケーシング３内に爆発性気体が流入することを防止する防爆構造しても良い。
なお、防爆ケーシング３の筐体には、電動モータ５の電源ケーブル１６を通す貫通孔２２以外に筐体を貫通する孔がない構造とし、貫通孔２２から防爆ケーシング３外の可燃性ガスが防爆ケーシング３内に入り込まない構造とする。

図２の第１事例の無人飛行機１の動作原理について説明する。
防爆ケーシング３内の電動モータ５が駆動されると、電動モータ５で発生する回転動力により、回転軸７を介して第１の磁石６ａが配置された円板が回転し、非磁性体の防爆ケーシング３の隔壁部３ａを隔てて、対向側に位置する第２の磁石８ａが配置された円板に非接触で回転が伝達され、駆動軸９を介して回転翼２が回転する。
第１の磁石６ａと第２の磁石８ａとで形成する磁気カップリング構造を利用した非接触の動力機構により、爆発性雰囲気において、防爆ケーシング３の気密性を確保しながら、防爆ケーシング３内の電動モータ５に可燃性ガスが侵入して火花を発生させることなく、回転翼２を回転させ、無人飛行機１を安定して飛行させることが可能である。

図３は、防爆型無人飛行機の駆動部の第２事例を示す断面図である。
図１及び図２と同じ構造については、説明を省略する。

図３の無人飛行機１の駆動部の第２事例では、電動モータ５の回転軸７の一端部７ａに、回転軸７より大径の略円筒形状の磁石取付部材２０が固定され、磁石取付部材２０の外周面に、周方向に沿って複数の第１の磁石６ｂが配置されている。なお、第１の磁石８ｂは、回転軸７の一端部７ａの周方向に直接固定しても良い。
電動モータ５と回転軸７と第１の磁石６ｂとを収容する防爆ケーシング３は、鉛直方向に直立する構造とする。
また、第２事例の駆動部は、防爆ケーシング３の横方向外周を囲繞し、横方向外周に向き合う位置において内側面に第２の磁石８ｂを固定している円筒形状の防塵カバー２１と、防塵カバー２１を一端部９ａ１に固定する駆動軸９と、駆動軸９の他端部９ａ２に固定する回転翼２とを具備する。
第２事例では、第２の磁石８ａを防塵カバー２１を介して駆動軸９の一端部９ａ１に間接的に固定している。
防塵カバー２１は、円筒胴２１ａと円筒胴２１ａ上部の円環状の蓋２１ｂとで構成し、その円筒胴２１ａの内壁を円筒形状の隔壁部３ｂより大径を有する空洞とし、円筒形状の隔壁部３ｂの外側面との間に隙間ａを有するように形成する。
円筒形状の防塵カバー２１の内側面に、防爆ケーシング３の円筒形状の隔壁部３ｂを隔てて第１の磁石６ｂと対向する位置に、第２の磁石８ｂが配置され、互いに対向配置された第１の磁石６ｂと第２の磁石８ｂは異なる磁極を有しており、磁気カップリングを形成する。
第１の磁石６ｂと第２の磁石８ｂは、板状、棒状等の種々の形状のものを使用することが可能である。
また、防塵カバー２１の内側端面と防爆ケーシング３の外側面間に軸受け部１５を設ける。軸受け部１５は、防爆ケーシング３の外側面と防塵カバー２１の内側端面間の隙間に軸受け１５ｂを嵌め込み、軸受け１５ｂの外気側をメカニカルシール等で密閉した構造とする。

図３の第２事例の無人飛行機１の動作原理について説明する。
防爆ケーシング３内の電動モータ５が駆動されると、電動モータ５で発生する回転動力により、回転軸７を介して第１の磁石６ｂが配置された略円筒形状の磁石取付部材２０が回転し、円筒形状の隔壁部３ｂを隔てて、第１の磁石６ｂの対向側に位置する防塵カバー２１の内側面の第２の磁石８ｂに非接触で回転が伝達され、防塵カバー２１上部の駆動軸９を介して回転翼２が回転する。

駆動軸９は、駆動軸９の外周の一部に、駆動軸９を回転自在に挿通する挿通孔１３ａが形成された軸支持部材１３が配置されている。
図３の第２事例に示す通り、軸支持部材１３は、回転翼２のハブ１７下部と防塵カバー２１の上部との間に配置される。
図２の第１事例で軸支持部材１３を設置する場合は、軸支持部材１３を回転翼２のハブ１７下部と防塵カバー１１上部との間に配置する。
軸支持部材１３は、駆動軸９と接触する挿通孔１３ａの内周面の軸受け部１５をノンスパーク材を内張り等した防爆仕様とする。
軸支持部材１３の軸受け部１５は、挿通孔１３ａに駆動軸９を軸支する軸受け１５ａが嵌め込まれた構造とし、駆動軸９を回転自在に軸支する。
なお、駆動軸９は、軸支持部材１３の軸受け１５ａ下部の軸径を他の部分の軸径より大きくした大径部９ａとし、駆動軸９の大径部９ａが軸受け１５ａで固定され、駆動軸９が軸支部部材１３から抜けない構造としても良い。
また、防爆ケーシング３の外側面と防塵カバー２１内側面の間の上部と下部に間隔をおいて軸受け１５ｂ、１５ｂを設け、軸支持部材１３を設けない構造としても良い。

また、軸支持部材１３は、防爆ケーシング３と接続するためのＬ字状の接続部１３ｂを有している。
この接続部１３ｂの一端部１３ｂ１は、機体中心部と防爆ケーシング３を接続する放射状の接続アーム１４に接続する。
そして、Ｌ字状の接続部１３ｂの他端部１３ｂ２に駆動軸９を挿通して固定することにより、軸支持部材１３が防爆ケーシング３と接続される。
また、接続部１３ｂの一端部１３ｂ１、他端部１３ｂ２に接続リブ１９（図示しない）を固定しても良い。
軸支持部材１３や軸受け部１５により、防爆ケーシング３の横方向外周と防爆ケーシング３の横方向外周を囲繞する防塵カバー２１の内側面との隙間ｄを維持し、摩擦によって火花が生じないようにする。
なお、軸支持部材１３を防爆ケーシング３や防塵カバー１１に直接固定する構造としても良い。また、防塵カバー１１を設けずに、軸支持部材１３で駆動軸９を軸支する構造としても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、完全密閉構造の防爆ケーシング３内に収容した電動モータ５の動力を、磁気カップリング構造を介して防爆ケーシング３外部に配置した回転翼２に非接触で伝達することにより、爆発性雰囲気において、電気火花を発生することなく、安全に飛行させることが可能である。
また、第２の磁石８を防塵カバー１１内に収容することにより、無人飛行機が飛行している際に、空気中の塵等が防爆ケーシング３の外壁と第２の磁石８ａとの隙間ａに侵入することがなく、第２の磁石８ａの回転時に、防爆ケーシング３の外壁との間に空気中の塵等を巻きこむことによる摩擦で火花を生じることがなく、爆発性雰囲気下で安全に飛行させることが可能である。
さらに、電動モータ５のケーシングが防爆ケーシング３の内壁に密着しており、かつ防爆ケーシング３が外壁に放熱構造１０を有しているため、電動モータ５の駆動時の発熱を完全密閉された防爆ケーシング３から外部に効率的に逃がすことができ、電動モータ５の駆動に支障をきたすことがなく、安全に飛行させることが可能である。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の構成変更が可能である。

１ 無人飛行機
２ 回転翼
３ 防爆ケーシング
３ａ 隔壁部
３ｂ 隔壁部
４ 防爆型バッテリー
５ 電動モータ
６ 第１の磁石
６ａ （円板状に配置された）第１の磁石
６ｂ （円筒状に配置された）第１の磁石
７ 回転軸
７ａ 一端部
８ 第２の磁石
８ａ （円板状に配置された）第１の磁石
８ｂ （円筒状に配置された）第１の磁石
９ 駆動軸
９ａ 大径部
９ａ１ 一端部
９ａ２ 他端部
１０ 放熱構造
１０ａ 冷却フィン
１１ 防塵カバー
１１ａ 挿通孔
１２ 軸固定部材
１３ 軸支持部材
１３ａ 挿通孔
１３ｂ 接続部
１３ｂ１ 一端部
１３ｂ２ 他端部
１４ 接続アーム
１５ 軸受け部
１５ａ、１５ｂ 軸受け
１６ 電源ケーブル
１７ ハブ
１８ ネジ
１９ 接続リブ
２０ 磁石取付部材
２１ 防塵カバー
２１ａ 円筒胴
２１ｂ 円環状の蓋
２２ （電源ケーブル１６を通す）貫通孔

Claims (7)

1. 電動モータと、前記電動モータの回転軸と、前記回転軸の一端部に固定された第１の磁石と、前記電動モータと前記回転軸と前記第１の磁石とを気密に収容する防爆ケーシングと、前記第１の磁石と対向するように前記防爆ケーシングの外側に定位置で回転可能に配置されている第２の磁石と、前記第２の磁石を直接又は間接的に一端部に固定する駆動軸と、前記駆動軸の他端部に固定する回転翼とを具備する駆動部であって、前記電動モータの回転動力を、前記第１の磁石と前記第２の磁石とで形成する磁気カップリングを介して、前記回転翼に非接触で伝達する前記駆動部を３以上備える、防爆型無人飛行機。
2. 前記防爆ケーシングの外側に、前記第２の磁石を収容し、前記第２の磁石が固定された前記駆動軸を回転自在に挿通する挿通孔が形成された防塵カバーを有する、請求項１に記載の防爆型無人飛行機。
3. 前記防爆ケーシングの外周を囲繞し、該防爆ケーシングの外周に向き合う位置において内側面に前記第２の磁石を固定している円筒形状の防塵カバーと、前記第２の磁石を前記防塵カバーを介して一端部に固定する駆動軸と、前記駆動軸の他端部に固定する回転翼とを具備する、請求項１に記載の防爆型無人飛行機。
4. 前記防爆ケーシングの全体又は一部は、非磁性体で構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の防爆型無人飛行機。
5. 前記第１の磁石及び前記第２の磁石は、前記防爆ケーシングの壁面に対して平行でかつ隙間を有するように取付けられている、請求項１ないし４のいずれかに記載の防爆型無人飛行機。
6. 前記防爆ケーシングは、前記電動モータの胴部に接している筐体の内壁側と対向する外壁側に放熱構造を有する、請求項１ないし５のいずれかに記載の防爆型無人飛行機。
7. 前記駆動軸を回転自在に挿通する挿通孔が形成された軸支持部材を有する、請求項１ないし６のいずれかに記載の防爆型無人飛行機。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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