JP7265957B2 - 冗長系推進装置及び電動航空機 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電動モータでプロペラを駆動する冗長系推進装置及びそれを備えた電動航空機に関する。
電動モータで駆動するプロペラによって推進力を得る電動航空機では、電動モータの多発化が容易である。
そのため、プロペラを駆動する電動モータを複数にして冗長性を持たせた推進装置(以下、冗長系推進装置という。)を比較的容易に構成することができる。
電動モータを多発化する方法としては、例えば特許文献1、2に記載されているように、複数の電動モータを出力軸の周りに周方向に並べて配置する方法が知られている(以下、ラジアル配置という。)。
また、複数の電動モータを直列に並べて配置する方法もある(以下、アキシャル配置という。)。
特開2010-41747号公報 特開2007-325479号公報
しかしながら、例えば、電動航空機の冗長系推進装置における複数の電動モータの配置に上記のラジアル配置を適用すると、例えば図10に示すように、プロペラ100のプロペラ軸101を中心に複数の電動モータ102が配置される状態になる。
そして、このように、複数の電動モータ102をラジアル配置にする場合、プロペラ軸101の延在方向の1か所に取り付けられた第2ギヤ105に、各電動モータ102の出力軸にそれぞれ取り付けられた第1ギヤ104を噛み合わせるように複数の電動モータ102をラジアル配置にすると、多数の電動モータ102をプロペラ軸101周りに配置しなければならなくなり、複数の電動モータ102の外接円の径が大きくなる。
そのため、それらの電動モータ102等を収容するナセル103のサイズが大きくなるが、ナセル103のサイズが大きくなると、その分、ナセル103による空気抵抗が大きくなり、電動航空機に対する抗力が増大してしまう。
一方、電動航空機の冗長系推進装置における複数の電動モータの配置に上記のアキシャル配置を適用すると、図11に示すように、後側(すなわちプロペラ100から遠い側)の電動モータ102が、プロペラ100の回転で生じた空気の流れに乗って流れてきた前側(すなわちプロペラ100に近い側)の電動モータ102の熱をまともに受けてしまうため、後側の電動モータ102の冷却効率が低下する。
そのため、後側の電動モータ102で駆動性能が低下したり、場合によっては焼損したりする可能性がある。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、ナセルのサイズを増大させることなく、複数の電動モータを適切に冷却することが可能な冗長系推進装置やそれを備えた電動航空機を提供することを目的とする。
前記の問題を解決するために、請求項1に記載の発明は、
プロペラと、前記プロペラを駆動する複数の電動モータと、を備える冗長系推進装置において、
前記複数の電動モータは、
前記プロペラのプロペラ軸に対してその延在方向の複数箇所に少なくとも1基ずつ前記プロペラ軸の周囲に配置されており、
かつ、前記プロペラ側から前記プロペラ軸に沿う方向に見た場合に、前記複数の電動モータの各出力軸が他の前記電動モータの前記出力軸のいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、
プロペラと、前記プロペラを駆動する複数の電動モータと、を備える冗長系推進装置において、
前記複数の電動モータは、
前記プロペラのプロペラ軸に対してその延在方向の複数箇所に配置されており、前記複数箇所のうちの1箇所で1基の前記電動モータが前記プロペラのプロペラ軸に直接連結され、他の箇所では少なくとも1基の前記電動モータが前記プロペラ軸の周囲に配置されており、
かつ、前記プロペラ側から前記プロペラ軸に沿う方向に見た場合に、前記複数の電動モータの各出力軸が他の前記電動モータの前記出力軸のいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の冗長系推進装置において、前記複数箇所が2か所であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の冗長系推進装置において、前記プロペラに近い側の前記電動モータの数が前記プロペラから遠い側の前記電動モータの数以上であることを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の冗長系推進装置において、
前記複数箇所が3か所以上であり、
前記プロペラに近いほど、前記電動モータの数が多くなるように配置されていることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項2に記載の冗長系推進装置において、
前記複数箇所が2か所以上であり、
前記プロペラ側から前記プロペラ軸に沿う方向に見た場合に、前記プロペラから最も遠い側の前記電動モータが前記プロペラのプロペラ軸に直接連結された前記1基の電動モータとされていることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の冗長系推進装置において、
前記複数の電動モータはナセル内に収容されており、
前記ナセル内には、空気取入口から流入した空気を前記各電動モータにそれぞれ導くための導風板が設けられていることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、電動航空機において、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された冗長系推進装置を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、冗長系推進装置やそれを備えた電動航空機において、ナセルのサイズを増大させることなく、複数の電動モータを適切に冷却することが可能となる。
電動航空機の一例を表す外観斜視図である。 本実施形態に係る冗長系推進装置の構成例を表す(A)斜視図、(B)正面図である。 本実施形態に係る冗長系推進装置の他の構成例を表す(A)斜視図、(B)正面図である。 本実施形態に係る冗長系推進装置の他の構成例を表す(A)斜視図、(B)正面図である。 本実施形態に係る冗長系推進装置の他の構成例を表す(A)斜視図、(B)正面図である。 本実施形態に係る冗長系推進装置の他の構成例を表す(A)斜視図、(B)正面図である。 冗長系推進装置のナセルに設けられた空気取入口や導風板の構成例を表す正面図である。 本実施形態に係る冗長系推進装置の他の構成例を表す斜視図である。 (A)、(B)導風板の湾曲の度合いを説明するための図である。 プロペラ軸を中心に複数の電動モータをラジアル配置した状態を表す図である。 複数の電動モータをプロペラ軸に沿ってアキシャル配置した状態を表す図である。
以下、本発明に係る冗長系推進装置及び電動航空機の実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下では、電動航空機の機首側を前側、機尾側を後側として説明する。
図1は、電動航空機の一例を表す外観斜視図である。
電動航空機10は、プロペラ21やナセル22、後述する複数の電動モータ23等を備える冗長系推進装置20が翼11に取り付けられており、複数の電動モータ23でプロペラ21を駆動して推進力を得るように構成されている。なお、図1では、冗長系推進装置20が固定翼に取り付けられている場合が示されているが、これに限定されず、例えば冗長系推進装置20が折りたたみ翼等に取り付けられていてもよいし、ティルトウイング等の稼働する翼に取り付けられていてもよい。また、電動航空機10は無人機であってもよい。
図2(A)、(B)は、本実施形態に係る冗長系推進装置の構成例を表す図であり、図2(A)は斜視図、図2(B)は正面図である。
本実施形態に係る冗長系推進装置20では、プロペラ21を駆動するための電動モータ23の配置が冗長系のモータ配置とされており、複数の電動モータ23A~23Eでプロペラ21を駆動するようになっている。
具体的には、この構成例では、冗長系推進装置20のナセル22内の前側に3基の電動モータ23A~23Cが配置されており、後側に2基の電動モータ23D、23Eが配置されている。そして、各電動モータ23の出力軸23aに取り付けられた第1ギヤ24がそれぞれプロペラ軸21aの前側や後側に固定された第2ギヤ25と噛み合うように各電動モータ23が配置されている。
このように、この構成例では、複数の電動モータ23が、プロペラ21のプロペラ軸21aに対してその延在方向(すなわち前後方向)の複数箇所に複数基ずつプロペラ軸21aの周囲に配置されている。
また、上記の構成例のようにプロペラ21のプロペラ軸21aの延在方向の複数箇所に複数基ずつ複数の電動モータ23を配置する代わりに、例えば図3(A)に示すように、複数の電動モータ23を、プロペラ21のプロペラ軸21aに対してその延在方向の複数箇所に配置するが、ある箇所に固定された第2ギヤ25と噛み合うように各電動モータ23を1基のみ(図3(A)では電動モータ23D)とするように構成することも可能である。
なお、図3(A)では、電動モータ23が4基の場合を示したが、4基以外の場合でも同様である。また、図3(A)では、プロペラ軸21aの延在方向の複数箇所のうち1箇所に1基の電動モータ23を配置した場合が示されているが、複数箇所にそれぞれ1基の電動モータ23を配置するように構成することも可能である。
このように、本実施形態に係る冗長系推進装置20では、複数の電動モータ23が、プロペラ21のプロペラ軸21aに対してその延在方向(すなわち前後方向)の複数箇所に少なくとも1基ずつプロペラ軸21aの周囲に配置されている。
そして、各電動モータ23は図示しない各コントローラによってそれぞれ駆動されるようになっており、各電動モータ23を駆動してプロペラ軸21aを回転させることで、プロペラ21がプロペラ軸21a周りに回転駆動されるようになっている。
また、図2(B)や図3(B)に示すように、本実施形態に係る冗長系推進装置20では、プロペラ21側からプロペラ軸21aに沿う方向に見た場合に(すなわち前側から後方を見た場合に)、複数の電動モータ23の各出力軸23aが他の電動モータ23の出力軸23aのいずれとも重ならない位置に複数の電動モータ23がそれぞれ配置されている。
次に、本実施形態に係る冗長系推進装置20やそれを備えた電動航空機10の作用効果について説明する。なお、以下では図2(A)、(B)に示した構成例について説明するが、図3(A)、(B)に示したような構成例についても同様に説明される。
例えば図2(A)に示した構成例では、3基の電動モータ23と2基の電動モータ23がそれぞれ前後に分散してラジアル配置される。そして、3基(あるいは2基)の電動モータ23をラジアル配置する場合、図10に示したようにプロペラ軸101の延在方向の1か所に5基の電動モータ102をラジアル配置する場合に比べて、第2ギヤ25の径を小さくしても各電動モータ23が干渉し合わないため、第2ギヤ25の径を小さくすることができる。
そのため、第2ギヤ25の周りに配置される3基(あるいは2基)の電動モータ23の外接円の径を小さくすることができるため、それらの電動モータ23等を収容するナセル22のサイズを小さく抑えることが可能となる。
このように、本実施形態に係る冗長系推進装置20や電動航空機10では、電動モータ23等を収容するナセル22のサイズが増大することを防止することが可能となる。
また、本実施形態に係る冗長系推進装置20や電動航空機10では、上記のように、冗長系推進装置20の複数の電動モータ23が、プロペラ21側からプロペラ軸21aに沿う方向に見た場合に、それらの各出力軸23aが他の電動モータ23の出力軸23aのいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置されている。
そのため、プロペラ21の回転で生じた空気の流れに乗って前側の電動モータ23の熱が後方に流れてきても、後側の電動モータ23がその熱をまともに受けることがない。
すなわち、後側の電動モータ23は、前側の電動モータ23の熱を受けず、あるいは熱を受けても一部の熱しか受けない状態になる。
そのため、プロペラ21の回転で生じた空気の流れによって、前側の電動モータ23は勿論、後側の電動モータ23も十分に冷却することが可能となり、複数の電動モータ23を適切に冷却することが可能となる。
以上のように、本発明に係る冗長系推進装置20やそれを備えた電動航空機10によれば、ナセル22のサイズを増大させることなく、プロペラ21の回転で生じた空気の流れによりプロペラ21を駆動する複数の電動モータ23を適切に冷却することが可能となる。
そのため、各電動モータ23を十分に冷却することが可能となるとともに、ナセル22による空気抵抗をより小さく抑えることができるため、電動航空機10に対する抗力が増大することを的確に防止することが可能となる。
なお、図2(A)、(B)に示した構成例では、冗長系推進装置20が5基の電動モータ23を備える場合について説明し、また、図3(A)、(B)に示した構成例では、冗長系推進装置20が4基の電動モータ23を備える場合について説明したが、冗長系推進装置20における電動モータ23の最適な基数は、例えば以下のようにして求めることができる。
すなわち、電動モータ23の連続定格でのモータ出力に対する短時間定格でのモータ出力の比をaとするとき、短時間定格時の電動モータ23の基数は1/(a-1)で求められる。
そして、それに故障して停止する電動モータ23の基数1を加えることで、冗長系推進装置20における電動モータ23の最適な基数を求めることができる。なお、故障する電動モータ23の基数を2基まで許容する場合には、1/(a-1)に2を加える。
例えば、上記の比aが1.25であれば、1/(a-1)=4となり、故障して停止する電動モータ23の基数を1とする場合には、冗長系推進装置20における電動モータ23の最適な基数は4+1=5基ということになる。
このように、冗長系推進装置20における電動モータ23の基数は、冗長系推進装置20に用いられる電動モータ23の連続定格でのモータ出力に対する短時間定格でのモータ出力の比a等によって定めることができる。
そのため、冗長系推進装置20における電動モータ23の基数は、電動モータ23の性能すなわち上記の比a等によって、図2(A)、(B)に示した5基や図3(A)、(B)に示したように4基になる場合もあるが、4基や5基以外の基数にもなり得る。
そして、例えば図4(A)、(B)に示すように、冗長系推進装置20における電動モータ23の基数が6基の場合も、複数の電動モータ23A~23Fを、プロペラ21のプロペラ軸21aに対してその延在方向の複数箇所に複数基ずつプロペラ軸21aの周囲に配置し、かつ、プロペラ21側からプロペラ軸21aに沿う方向に見た場合に、複数の電動モータ23の各出力軸23aが他の電動モータ23の出力軸23aのいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置することができる。
そのため、この場合も、図2(A)、(B)や図3(A)、(B)に示した各構成例の場合と同様に、ナセル22のサイズを増大させることなく、プロペラ21を駆動する複数の電動モータ23を適切に冷却することが可能となる。
また、前述したように冗長系推進装置20における電動モータ23の基数が例えば4基の場合でも、例えば図5(A)、(B)に示すように、複数の電動モータ23A~23Dを、プロペラ21のプロペラ軸21aに対してその延在方向の複数箇所に複数基ずつプロペラ軸21aの周囲に配置し、かつ、プロペラ21側からプロペラ軸21aに沿う方向に見た場合に、複数の電動モータ23の各出力軸23aが他の電動モータ23の出力軸23aのいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置することができる。
そのため、この場合も、上記の各場合と同様に、ナセル22のサイズを増大させることなく、プロペラ21を駆動する複数の電動モータ23を適切に冷却することが可能となる。
一方、冗長系推進装置20における電動モータ23の基数が例えば4基の場合に、例えば図6(A)、(B)に示すように、後側の電動モータ23Dを1基にするなどして、プロペラ軸21aの延在方向の複数箇所のうち1箇所にのみで、1基の電動モータ23Dの出力軸23aを、ジョイント26等を介してプロペラ軸21aに直接(すなわち第1ギヤ24や第2ギヤ25を介さずに)連結するように構成することも可能である。
このように構成しても、プロペラ21側からプロペラ軸21aに沿う方向に見た場合に、電動モータ23Dの出力軸23aは、他の電動モータ23A~23Cの各出力軸23aのいずれとも重ならないため、上記の各場合と同様に、冗長系推進装置20において、ナセル22のサイズを増大させることなく、プロペラ21を駆動する複数の電動モータ23を適切に冷却することが可能となる。
なお、図6(A)、(B)では、電動モータ23が4基の場合を示したが、4基以外の場合でも同様である。
また、図2(A)、(B)や図3(A)、(B)、図6(A)、(B)では、冗長系推進装置20のナセル22内の前側に配置された電動モータ23の基数が後側に配置された電動モータ23の基数より多い場合を示したが、後側の電動モータ23の基数が前側の電動モータ23の基数より多くなるように構成することも可能である。
ところで、上記の実施形態では、プロペラ21の回転で生じた空気の流れがナセル22内に流入して複数の電動モータ23に送風される場合について説明した。
しかし、例えば、上記の複数の電動モータ23を収容するナセル22内に、空気取入口から流入した空気を各電動モータ23にそれぞれ導くための導風板を設けるように構成することも可能である。
以下、冗長系推進装置20のナセル22内に設けられる導風板等について具体的に説明する。
なお、以下では、冗長系推進装置20の複数の電動モータ23が図2(A)、(B)に示したように配置されているものとして説明するが、電動モータ23が別の態様で配置されている場合にも同様に説明される。
図7に示すように、冗長系推進装置20のナセル22の前面部分には、プロペラ21の回転で生じた空気の流れをナセル22内に取り込むための空気取入口22aが設けられている。
また、ナセル22内には、空気取入口22aから流入した空気を各電動モータ23A~23Eにそれぞれ導くための導風板22bが設けられている。
そして、導風板22bにより、図中左側の空気取入口22aの上側から取り込まれた空気が電動モータ23Aに導かれ、図中左側の空気取入口22aの下側から取り込まれた空気が電動モータ23Dに導かれる。
同様に、導風板22bにより、図中右側の空気取入口22aの上側から取り込まれた空気が電動モータ23Bに導かれ、図中右側の空気取入口22aの下側から取り込まれた空気が電動モータ23Eに導かれる。
また、導風板22bにより、図中下側の空気取入口22aから取り込まれた空気が電動モータ23Cに導かれる。
このようにして、空気取入口22aから流入した空気を導風板22bによって各電動モータ23A~23Eにそれぞれ導くように構成することで、各電動モータ23A~23Eを確実に冷却することが可能となる。
そして、冗長系推進装置20のナセル22内に導風板22bを設ける場合、例えば図9(A)に示すように前側から後方を見た場合に互いの出力軸23aが重なる位置に前後の電動モータ23α、23βが配置されていると、前側の電動モータ23αの熱を後側の電動モータ23βが受けないようにするために、導風板22bを大きく湾曲させなければならなくなる。
しかし、このように構成すると、大きく湾曲した導風板22bのためにナセル22内で空気がスムーズに流れにくくなり、ナセル22内での空気抵抗が大きくなって電動航空機10に対する抗力が増大する可能性がある。
それに対し、図9(B)に示す本実施形態のように、前側から後方を見た場合に、互いの出力軸23aが重ならない位置に前後の電動モータ23α、23βが配置されていると、導風板22bをさほど大きく湾曲させなくても、前側の電動モータ23αの熱を後側の電動モータ23βが受けない状態を形成することができる。
そのため、本実施形態では、導風板22bに沿ってナセル22内を空気がスムーズに流れるため、ナセル22内での空気抵抗が小さくなる。そのため、電動航空機10に対する抗力が増大することを的確に防止することが可能となる。
なお、本発明が上記の実施形態等に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記の実施形態では、冗長系推進装置20が電動航空機10の翼11に取り付けられている場合について説明したが(図1参照)、冗長系推進装置20は、電動航空機10の機首等に配置されていてもよい。
また、例えば、上記の実施形態では、プロペラ21側からプロペラ軸21aに沿う方向に見た場合に、複数の電動モータ23が、プロペラ21に近い側(すなわち前側)とプロペラ21から遠い側(すなわち後側)の2か所にそれぞれ配置されている場合について説明したが、3か所以上にそれぞれ配置されていてもよい。
その際、例えば図8に示すように、プロペラ21のプロペラ軸21aの延在方向の3か所以上に複数の電動モータ23が配置され、プロペラ21に近いほど、電動モータ23の数が多くなるように配置することも可能である。
なお、図8では3か所の場合が示されているが、4か所以上であってもよい。
また、図8では、プロペラ21から最も遠い側の電動モータ23が、プロペラ21のプロペラ軸21aに直接(すなわち第1ギヤ24や第2ギヤ25を介さずに)連結された1基の電動モータ23とされている場合が示されているが、この電動モータ23を、例えば図3(B)に示した後側の電動モータ23Dのように、第1ギヤ24や第2ギヤ25を介してプロペラ軸21aに取り付けるように構成することも可能である。
さらに、複数の電動モータ23をプロペラ軸21aの延在方向の3か所以上に配置する場合も、後側の電動モータ23の数が前側の電動モータ23の数が多くなるように構成されていてもよい。
また、例えば、図示を省略するが、図2(A)、(B)等において電動モータ23の出力軸23aに第1ギヤ24を取り付ける際や、図6(A)、(B)に示したように電動モータ23の出力軸23aをプロペラ軸21aに取り付ける際に、ワンウェイクラッチを介して取り付けるように構成することが可能である。
このように構成すれば、電動モータ23を駆動してプロペラ21を回転駆動させる際には電動モータ23の出力が出力軸23aから第1ギヤ24やプロペラ軸21aに確実に伝達されるが、電動モータ23が故障するなどして停止した際には電動モータ23の出力軸23aに対して第1ギヤ24やプロペラ軸21aが空回りする状態になる。
電動モータ23の出力軸23aに第1ギヤ24やプロペラ軸21aが固定されていると、電動モータ23が故障するなどして停止し、回転しなくなった出力軸23aが、第1ギヤ24やプロペラ軸21aの回転を阻害してしまい、各電動モータ23による駆動効率を低下させてしまう可能性があるが、ワンウェイクラッチが設けられていれば、電動モータ23が故障するなどして停止して出力軸23aが回転しなくなっても空回りするだけで、第1ギヤ24やプロペラ軸21aの回転を阻害しない。
そのため、複数の電動モータ23のうち1基(あるいは2基等)の電動モータ23が故障するなどして停止しても、それによって各電動モータ23による駆動効率が低下してしまうことを的確に防止することが可能となる。
10 電動航空機
20 冗長系推進装置
21 プロペラ
21a プロペラ軸
22 ナセル
22a 空気取入口
22b 導風板
23 電動モータ
23a 出力軸

Claims (8)

  1. プロペラと、前記プロペラを駆動する複数の電動モータと、を備える冗長系推進装置において、
    前記複数の電動モータは、
    前記プロペラのプロペラ軸に対してその延在方向の複数箇所に少なくとも1基ずつ前記プロペラ軸の周囲に配置されており、
    かつ、前記プロペラ側から前記プロペラ軸に沿う方向に見た場合に、前記複数の電動モータの各出力軸が他の前記電動モータの前記出力軸のいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする冗長系推進装置。
  2. プロペラと、前記プロペラを駆動する複数の電動モータと、を備える冗長系推進装置において、
    前記複数の電動モータは、
    前記プロペラのプロペラ軸に対してその延在方向の複数箇所に配置されており、前記複数箇所のうちの1箇所で1基の前記電動モータが前記プロペラのプロペラ軸に直接連結され、他の箇所では少なくとも1基の前記電動モータが前記プロペラ軸の周囲に配置されており、
    かつ、前記プロペラ側から前記プロペラ軸に沿う方向に見た場合に、前記複数の電動モータの各出力軸が他の前記電動モータの前記出力軸のいずれとも重ならない位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする冗長系推進装置。
  3. 前記複数箇所が2か所であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冗長系推進装置。
  4. 前記プロペラに近い側の前記電動モータの数が前記プロペラから遠い側の前記電動モータの数以上であることを特徴とする請求項3に記載の冗長系推進装置。
  5. 前記複数箇所が3か所以上であり、
    前記プロペラに近いほど、前記電動モータの数が多くなるように配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冗長系推進装置。
  6. 前記複数箇所が2か所以上であり、
    前記プロペラ側から前記プロペラ軸に沿う方向に見た場合に、前記プロペラから最も遠い側の前記電動モータが前記プロペラのプロペラ軸に直接連結された前記1基の電動モータとされていることを特徴とする請求項2に記載の冗長系推進装置。
  7. 前記複数の電動モータはナセル内に収容されており、
    前記ナセル内には、空気取入口から流入した空気を前記各電動モータにそれぞれ導くための導風板が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の冗長系推進装置。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載された冗長系推進装置を備えていることを特徴とする電動航空機。
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