JP2021054281A - 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における冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、簡易な構成により効率良くコントローラ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そのモータドライバ冷却方法を提供する。【解決手段】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とを有し、各ファンユニット２は、機体１に支持されたファンフレーム３と、該ファンフレーム３と一体の支持アーム４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プロペラ５と、該プロペラ５を回転駆動する駆動モータ６と、該駆動モータ６に供給する駆動電流を制御してプロペラ５の回転を制御するモータドライバ７と、をそれぞれ有し、モータドライバ７は、プロペラ５の上方位置に設けられることを特徴とする。【選択図】図１

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当該マルチローターヘリコプタにおける冷却方法に関する。

近年、ロータのプロペラ（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を有するもので、該ダクテッドロータ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と、支持ブームの下側中央に配置されかつロータ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排出される。

米国特許第９７６４８３３号明細書

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。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成により効率良くコントローラ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におけるモータドライバ冷却方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
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では、装置本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットとを有し、前記各ファンユニットは、前記機体に支持されたファンフレームと、該ファンフレームと一体の支持アーム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プロペラと、該プロペラを回転駆動する駆動モータと、該駆動モータに供給する駆動電流を制御して前記プロペラの回転を調整するモータドライバと、をそれぞれ有し、前記ファンユニットのプロペラは、前記モータドライバの下方位置に設けられたことを特徴とする。

本発明の第２態様に示される冷却方法では、装置本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットとを有し、前記各ファンユニットは、前記機体に支持されたファンフレームと、該ファンフレームと一体の支持アーム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プロペラと、該プロペラを回転駆動する駆動モータと、該駆動モータに供給する駆動電流を制御して前記プロペラの回転を制御するモータドライバとを有する飛行体において、前記ファンユニットのプロペラは、前記モータドライバの下方位置に設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、プロペラに流入する気流中にモータドライバを置くことにより効率良く冷却することができる。

本発明に係るマルチローターヘリコプタの概略図である。 本発明の実施形態のマルチローターヘリコプタを側方から観た外観図である。 図２を上方から観た外観図である。 図３の支持アームの案内板付近を拡大した外観図である。 変形例２における雨よけの部分断面図である。 変形例３における案内板の角度調整動作を示す平面図である。

本発明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に支持されたファンフレーム３と、該ファンフレーム３と一体の支持アーム４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プロペラ５と、該プロペラ５を回転駆動する駆動モータ６と、該駆動モータ６に供給する駆動電流を制御してプロペラ５の回転を調整するモータドライバ７と、をそれぞれ有する。
前記ファンユニット２のプロペラ５は、前記モータドライバ７の下方位置に配置される。

そして、以上のように構成された飛行体１００では、機体１に支持されたファンユニット２のファンフレーム３と一体に支持アーム４を設け、かつ当該支持アーム４をプロペラ５の上方位置に配置するようにした。さらにこのプロペラ５の上方位置にある支持アーム４に、発熱量の大きいモータドライバ７を配置するようにした。
これにより、上記飛行体１００では、プロペラ５の回転駆動により上方から下方に空気を送り込む際に（空気の流れを矢印Ｍで示す）、上方からプロペラ５に吸い込まれた空気が支持アーム４上のモータドライバ７に接触することで、該モータドライバ７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プロペラ５の上流の気流を利用してモータドライバ７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、プロペラ５の吸気側となる上方位置にある支持アーム４に、発熱量の大きいモータドライバ７を配置するという簡易な構成により、該モータドライバ７を効率良く冷却することができる。

（実施形態）
本発明の実施形態に係る飛行体１０１について図２〜図４を参照して詳細に説明する。
この飛行体１０１は図２及び図３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、その下部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。
なお、前記機体１１には、人の搭乗スペースに代えて又は人の搭乗スペースとともに荷物の載積スペースを設けても良い。

各ファンユニット１２は、機体１１に支持されたファンフレーム１３、該ファンフレーム１３と一体な支持アーム１４、支持アーム１４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プロペラ１５と、該プロペラ１５を回転駆動する駆動モータ１６と、該駆動モータ１６を制御するモータドライバ１７と、をそれぞれ有する。
また、これらファンユニット１２は機体１１に対して平面視、点対称及び線対称（前後方向に沿う中心線に対して線対称）となるように複数（本例では４台）配置されている。

ファンフレーム１３は、プロペラ１５を周囲から囲むようにリング状に配置されており、複数のファンフレーム１３の全体が平面をなすように配置されている。

支持アーム１４はリング状のファンフレーム１３の内部に３本ずつ配置されており、フレーム中心部１３Ａから放射状となるように配置されている。
また、これら支持アーム１４のそれぞれは、プロペラ１５の上方位置に配置され、かつ該上方位置にてモータドライバ１７を支持するように設けられる（後述する）。

プロペラ１５は、フレーム中心部１３Ａで、かつ支持アーム１４の先端部にて軸支された上下方向に沿う支持軸（図示略）を介して回転自在に支持されている。
駆動モータ１６は、フレーム中心部１３Ａでかつ支持アーム１４の先端部に設けられたものであって、プロペラ１５を回転駆動させて上方から下方に空気を送り込むことで（空気の流れを図４に矢印Ｍ及びＭ１で示す）、機体１１に浮上力となる揚力を発生させる。

モータドライバ１７は、駆動モータ１６に供給する駆動電流を制御してプロペラ１５の回転を調整するものであって、各ファンフレーム１３においてプロペラ１５の上方位置に配置される３つの支持アーム１４の１つに配置される。

モータドライバ１７を支持する箇所の支持アーム１４について図３及び図４を参照して説明する。
モータドライバ１７を支持する支持アーム１４のそれぞれは、プロペラ１５の上方側から吸入した気流を該モータドライバ１７に案内する一対の案内板２０を有している。
これら一対の案内板２０は、板の面が上下方向（矢印Ａ１−Ａ２方向）に沿い、かつ実施形態では、板面と直交する機体１１の幅方向（矢印Ｗ１―Ｗ２方向）に間隙２１をおいて互いに平行に配置され、かつその間隙２１にモータドライバ１７が設置されている。なお、前記案内板２０は、機体１１に対する支持アーム１４の向きにより、機体１１の幅方向に限らず、モータドライバ１７を収容すべく、プロペラ１２の回転中心軸と交差する（実施形態では、直交する）平面内で、相互に所定の間隔をおいて配置されるものである。

案内板２０を有する支持アーム１４は、図３に詳細に示されるように機体１１の前後方向（矢印Ｂ１−Ｂ２方向）に沿うように４箇所設けられており、機体１１に対して平面視、点対称及び線対称（前後方向に沿う中心線に対して線対称）となるように配置されている。また実施形態にあっては、支持アーム１４がその先端を飛行体１０１の中央側に向けて、より具体的には、図３の左側の二つの支持アーム１４は、機体１１の後方へ向けて、また右側の二つの支持アーム１４は、機体１１の先方へ向けて、配置されている。

そして、以上のように構成された飛行体１０１では、機体１１に支持されたファンユニット１２のファンフレーム１３と一体に支持アーム１４を設け、かつ当該支持アーム１４をプロペラ１５の上方位置に配置するようにした。さらにこのプロペラ１５の上方位置にある支持アーム１４の一対の案内板２０内に、発熱量の大きいモータドライバ１７を配置するようにした。
これにより、上記飛行体１０１では、プロペラ１５の回転駆動により上方から下方に空気を送り込む際に（空気の流れを図４に矢印Ｍで示す）、上方からプロペラ１５に吸い込まれた空気の一部を矢印Ｍ１で示すように案内板２０に沿うように移動させることで、該案内板２０内のモータドライバ１７に吹き付け、該モータドライバ１７を冷却することができる。またプロペラ１５と同軸状に設けられた駆動モータ１６を同時に冷却することができる。
その結果、上記飛行体１０１では、機体推力を生み出すプロペラ１５の気流を利用して駆動モータ１６およびモータドライバ１７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。
また、前記案内板２０が機体１１の前後方向に沿って配置されているから、機体１１の前後方向への直進性を向上させて、飛行を安定させることができる。
また、案内板２０、すなわちモータドライバ１７が飛行体１０１の外側から内側へ向けて（４つのファンユニット１２の中央に配置された機体１１に近くなる向きで）配置されているから、機体１１に搭載された図示しない電源（バッテリ）からモータドライバ１７に到る電源供給ケーブル（図示略）の長さを最小限として、電源供給ケーブルの重量を軽減し、また電源供給ケーブルの内部抵抗による熱損失を最小限にすることができる。

すなわち、本発明の飛行体１０１では、プロペラ１５の吸気側となる上方位置にある支持アーム１４に、発熱量の大きいモータドライバ１７を配置するという簡易な構成により、該モータドライバ１７を効率良く冷却することができる。

なお、上記のように構成した飛行体１０１は以下のように変形して実施することができる。
（変形例１）
上記実施形態では、支持アーム１４の一対の案内板２０内にモータドライバ１７を配置したが、案内板２０を１枚とし、その案内板２０の壁面にモータドライバ１７を設置しても良い。
また、上記実施形態では、支持アーム１４に設ける案内板２０を一対とすることに限定されず、３枚以上の複数枚としても良い。
上記実施形態では、機体１１に対して平面視、点対称及び線対称（前後方向に沿う中心線に対して線対称）となるように４台のファンユニット１２を設置したが、これらファンユニット１２の個数についても限定されない。

（変形例２）
図１〜図４の案内板２０は、単にモータドライバ１７を挟んで冷却空気を案内する機能を果たしていたが、これに替えて、図５に示すような構造としても良い。図５の案内板２０Ａは、モータドライバ１７を囲むように、側板２０ａ、上面板２０ｂ、側板２０ｃを設けて構成されている。前記側板２０ｃには、開口部２０ｄが形成されている。
この構成により、矢印Ｍで示すように、プロペラの上流側の空気を開口部２０ｄから取り込んでモータドライバ１７へ案内することできる。また、案内板２０Ａによってモータドライバ１７を囲むことにより、雨天の飛行等に際して、モータドライバ１７への雨水の浸入を少なくすることができる。

（変形例３）
上記実施形態では、案内板２０を機体１１に対して固定するように配置したが、これに限定されず、案内板２０に連結された支持アーム１４Ａを上下方向（図３、４の矢印Ａ１−Ａ２方向）に沿う駆動モータ（プロペラ）の中心軸Ｃを中心に回動可能な構成として、図５（ａ）に示すように案内板２０を機体１１の前後方向（Ｂ１−Ｂ２方向）と平行な向き、あるいは、図５（ｂ）に示すように、前後方向に対して傾斜した向きに調整することにより、機体１１を首振り（ヨーイング）させるための方向舵としての機能を持たせるようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの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（飛行体）及びそ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 プロペラ
６ 駆動モータ
７ モータドライバ
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
１３Ａ フレーム中心部
１４、１４Ａ 支持アーム
１５ プロペラ
１６ 駆動モータ
１７ モータドライバ
２０、２０Ａ 案内板
２１ 間隙
１００ 飛行体
１０１ 飛行体
Ｍ 全体の空気の流れ
Ｍ１ 案内板内の空気の流れ

Claims (9)

1. 装置本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットとを有し、
   前記各ファンユニットは、前記機体に支持されたファンフレームと、該ファンフレームと一体の支持アーム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プロペラと、
   該プロペラを回転駆動する駆動モータと、該駆動モータに供給する駆動電流を制御して前記プロペラの回転を制御するモータドライバとをそれぞれ有し、
   前記ファンユニットのプロペラは、前記モータドライバの下方位置に設けられたことを特徴とするマルチローターヘリコプタ。
2. 前記モータドライバを支持する前記支持アームは、前記プロペラの上方側から吸入した気流を該モータドライバに案内する案内板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. 前記案内板は前記プロペラの回転中心軸と交差する面に沿う方向に互いに間隙をおいて平行に配置されかつその間隙部に前記モータドライバが配置されることを特徴とする請求項２に記載のマルチローターヘリコプタ。
4. 前記案内板を有する前記支持アームは前記機体の前後方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載のマルチローターヘリコプタ。
5. 前記案内板は前記支持アームにて上下方向に沿う軸を中心に揺動自在に設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のマルチローターヘリコプタ。
6. 前記機体は、前記ファンユニットの下部にキャノピーを有する機体が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマルチローターヘリコプタ。
7. 前記複数のファンユニットは前記機体に対して平面視で対称に配置されるとともに、これら各ファンユニットに設けられる前記支持アームの案内板が、前記機体に対して平面視で対称に配置されることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のマルチローターヘリコプタ。
8. 前記複数の案内板は、複数の前記ファンユニットの中央に近付く方向へ向けて配置されたことを特徴とする請求項７に記載のマルチローターヘリコプタ。
9. 装置本体となる機体と、該機体を浮上させる複数のファンユニットとを有し、
   前記各ファンユニットは、前記機体に支持されたファンフレームと、該ファンフレームと一体の支持アーム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プロペラと、該プロペラを回転駆動する駆動モータと、該駆動モータに供給する駆動電流を制御して前記プロペラの回転を調整するモータドライバとを有する飛行体において、
   前記支持アームを、前記プロペラの吸気側となる上方位置に設けかつ該上方位置にて前記モータドライバを支持す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。

Images