JP7480725B2 - 飛翔体用推進器 - Google Patents

Description

本発明は、二重反転プロペラ型の飛翔体用推進器に関する。

非特許文献１には、磁気変調子と一体となっている略円環形状の低速ロータが略円環形状のステータの径方向内側に配置され、略円柱形状の高速ロータが低速ロータの径方向内側に配置された磁気ギアードモータが開示されている。

特許文献１には、略円環形状の変調磁極の径方向内側に略円環形状の第１の永久磁石界磁が配置され、変調磁極の径方向外側に略円環形状の第２の永久磁石界磁が配置され、第１の永久磁石界磁の径方向内側に略円柱形状のステータが配置された磁気ギアードモータが開示されている。

非特許文献２及び非特許文献３には、二重反転プロペラを採用したマルチコプター型のドローンが開示されている。

国際公開２０１３／００１５５７号

http://www.amp.ams.eng.osaka-u.ac.jp/research/p_gear/gm2012.pdf https://www.yamaha-motor.co.jp/ums/multi/ https://japan.cnet.com/article/35113162

非特許文献１で開示された磁気ギアードモータは、低速ロータを磁気変調子と一体とすることによって、回転電機と磁気ギアの融合を実現しているものの、ステータは従来構造と同じであるため、磁気ギアードモータの小型軽量化について更に改善の余地がある。

また、特許文献１で開示された磁気ギアードモータは、磁気ギアの径方向内側に回転電機を設計したに過ぎず、磁気ギアの内周回転子と回転電機のロータを共通化するのみに留まっており、磁気ギアードモータの小型軽量化について更に改善の余地がある。

一方、非特許文献２及び非特許文献３に開示されたドローンの二重反転プロペラは、出力軸が１つの電気モータを２台用いて、上下に並べて配置された２台の電気モータがそれぞれ１つのプロペラを回転させるため、電気モータ２台分の重量が必要となる上、少なくとも電気モータの軸長２台分の寸法が必要であり、体格が大きくなっていた。この課題に対して、出力軸が２つの磁気ギアードモータを適用することが考えられるが、上記のように磁気ギアードモータ自体の小型軽量化が十分にできていないため、二重反転プロペラの小型軽量化が困難となっていた。

そこで、本発明は、二重反転プロペラ型の飛翔体用推進器を小型軽量化することを目的とする。

本発明に係る飛翔体用推進器は、周方向に離間して配置された複数のコアに三相コイルが巻回された略円環形状のステータと、前記ステータの径方向内側にエアギャップを介して配置され、Ｎ極を径方向外側へ向けた永久磁石とＳ極を径方向外側へ向けた永久磁石が周方向に交互に並べて配置された略円環形状の第１ロータと、前記ステータの径方向外側にエアギャップを介して配置され、Ｎ極を径方向内側へ向けた永久磁石とＳ極を径方向内側へ向けた永久磁石が周方向に交互に並べて配置された略円環形状の第２ロータと、前記第１ロータに連結する第１出力軸の端部に設けられた第１プロペラと、前記第２ロータに連結する第２出力軸の端部に設けられた第２プロペラと、を備え、前記第１ロータの極対数と前記第２ロータの極対数との和が前記コアの数と同一であって、前記コアの数が前記第１ロータの極対数の６倍であって、前記三相コイルの作る極対数は、前記第１ロータの極対数又は前記第２ロータの極対数と同一であって、前記第１ロータ及び前記第２ロータは互いに逆方向へ回転することを特徴とする。

本発明は、磁気変調子にコイルを巻回することで、磁気変調子を回転電機のコアの一部として機能させて、従来の磁気ギアの体積内に出力軸が２つの磁気ギアと回転電機の機能を融合できるため、従来の磁気ギアードモータより小型軽量化することができる。そして、このように小型軽量化した磁気ギアードモータを用いることによって、二重反転プロペラ型の飛翔体用推進器を小型軽量化することができる。

本発明に係る飛翔体用推進器の一態様において、前記第１ロータの極対数が前記第２ロータの極対数よりも小さい場合は、前記第２プロペラの直径が前記第１プロペラの直径よりも大きく、前記第１ロータの極対数が前記第２ロータの極対数よりも大きい場合は、前記第１プロペラの直径が前記第２プロペラの直径よりも大きくてもよい。

この態様によれば、回転速度が低く大きなトルクを発生するロータに接続するプロペラの直径を大きくすることによって、二重反転プロペラ型の飛翔体用推進器の推力を大きくすることができる。

本発明は、二重反転プロペラ型の飛翔体用推進器を小型軽量化することができる。

本開示の実施形態の飛翔体用推進器を、回転軸を含む断面で切断した断面図である。 図１におけるＡ－Ａ線断面を全周３６０度のうち９０度分のみ示した断面図である。 三相コイルの巻き方の実施例１を示す図である。 三相コイルの巻き方の実施例２を示す図である。 三相コイルの巻き方の実施例３を示す図である。 第１ロータを回転させた際にステータの三相コイルに鎖交する磁束数の解析結果を示す図である。 磁気ギアの回転軸に垂直な断面を全周３６０度のうち９０度分のみ示した断面図である。 第１ロータ及び第２ロータのトルクを比較して示した図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態の飛翔体用推進器１０について説明する。図１に示すように、飛翔体用推進器１０は、第１プロペラ１、第２プロペラ２及び磁気ギアードモータ２０を備える。磁気ギアードモータ２０は、第１プロペラ１及び第２プロペラ２の動力源である。

磁気ギアードモータ２０は、略円環形状のステータ３と、ステータ３の径方向内側にエアギャップを介して配置された略円環形状の第１ロータ４と、ステータ３の径方向外側にエアギャップを介して配置された略円環形状の第２ロータ５とを備える。そして、磁気ギアードモータ２０はインナーケース３１、アウターケース５１及びシャフト４１を備え、ステータ３はインナーケース３１に固定され、第２ロータ５はアウターケース５１に固定され、第１ロータ４はシャフト４１に固定されている。

第１ロータ４は、シャフト４１を介して第１出力軸１１に連結し、第１出力軸１１の端部には第１プロペラ１が設けられている。そして、シャフト４１とインナーケース３１との間にはボールベアリング６が配置され、シャフト４１とアウターケース５１との間にはボールベアリング７が配置されている。そのため、第１ロータ４、シャフト４１、第１出力軸１１及び第１プロペラ１は一体となって回転する。また、第２ロータ５は、アウターケース５１を介して第２出力軸２１に連結し、第２出力軸２１の端部には第２プロペラ２が設けられている。そして、アウターケース５１とインナーケース３１との間にはボールベアリング８が配置されている。そのため、第２ロータ５、アウターケース５１、第２出力軸２１及び第２プロペラ２は、一体となって回転する。第１出力軸１１及び第２出力軸２１は、同一軸上に配置されている。

図２は、図１におけるＡ－Ａ線断面を全周３６０度のうち９０度分のみ示した断面図である。図２に示すように、第１ロータ４は、円環形状のロータコア４２と、Ｎ極を径方向外側へ向けた永久磁石４３と、Ｓ極を径方向外側へ向けた永久磁石４４とを備えている。そして、ロータコア４２の径方向外側には、Ｎ極を径方向外側へ向けた永久磁石４３とＳ極を径方向外側へ向けた永久磁石４４が周方向に交互に並べて配置されている。なお、図２には、第１ロータ４は１極対数分しか描かれていないが、第１ロータ４全体の極対数は４である。

図２に示すように、第２ロータ５は、円環形状のロータコア５２と、Ｎ極を径方向内側へ向けた永久磁石５３と、Ｓ極を径方向内側へ向けた永久磁石５４とを備えている。そして、ロータコア５２の径方向内側には、Ｎ極を径方向内側へ向けた永久磁石５３とＳ極を径方向内側へ向けた永久磁石５４が周方向に交互に並べて配置されている。なお、図２には、第２ロータ５は５極対数分しか描かれていないが、第２ロータ５全体の極対数は２０である。

ステータ３は、２４個のコア３２を備え、周方向に離間して配置された２４個のコア３２に三相コイル３３が巻回された構造を有する。三相コイル３３の巻き方は、分布巻と集中巻のいずれの巻き方であってもよい。図３、図４及び図５は、いずれも三相コイル３３の巻き方の実施例を示した図であって、全周３６０度のうち９０度分のみ示している。図３は分布巻で巻回した実施例１を示す図であり、図４は分布巻で巻回した実施例２を示す図であり、図５は集中巻で巻回した実施例３を示す図である。

このように第１ロータ４の極対数が４であり、第２ロータ５の極対数が２０であり、ステータ３のコア３２の個数が２４であるため、第１ロータ４の極対数と第２ロータ５の極対数との和が、コア３２の個数２４と同一となっている。また、三相コイル３３の作る極対数は４であるため、第１ロータ４の極対数４と同一となっている。

図６は、図３に示す分布巻で三相コイル３３を巻回した場合に、第１ロータ４を回転させた際に三相コイル３３に鎖交する磁束数をＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）解析で解析した結果を示す図である。図３に示すように、第１ロータ４の１極対数分に相当する９０度の回転を行うことにより、三相誘導起電力が発生する。そのため、磁気ギアードモータ２０は、三相コイル３３に第１ロータ４の回転磁界と同期した電流を流すことにより、回転磁界を発生させ、第１ロータ４に駆動力を発生させることができる。また、このように三相コイル３３に電流を流して第１ロータ４を回転させると、第１ロータ４の駆動と同時に、第２ロータ５は磁気ギア効果により第１ロータ４の回転方向とは逆の方向へ回転する。このように三相コイル３３に電流を流すことによって、第１ロータ４及び第２ロータ５は互いに逆方向へ回転するため、飛翔体用推進器１０は二重反転プロペラとして機能することができる。

図７は、磁気ギアードモータ２０と比較するため、従来技術の磁気ギア３０を示した図である。図７も、図２と同様に、回転軸に垂直な断面を全周３６０度のうち９０度分のみ示している。磁気ギア３０は、三相コイル３３が存在しない点を除いて磁気ギアードモータ２０と同一の構成を有しているため、磁気ギアードモータ２０と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

磁気ギアードモータ２０は、磁気ギア３０の磁気変調子を回転電機のステータコアとして機能させて、従来技術の磁気ギア３０の体積内に出力軸が２つの磁気ギアと回転電機の機能を融合できるため、非特許文献１に開示される磁気ギアードモータや特許文献１に開示される磁気ギアードモータと比較して小型軽量化することができる。そのため、本実施形態の飛翔体用推進器１０は、非特許文献１に開示される磁気ギアードモータや特許文献１に開示される磁気ギアードモータを二重反転プロペラに用いた飛翔体用推進器と比較して、二重反転プロペラ型の飛翔体用推進器を小型軽量化することができる。

また、図１に示すように、本実施形態の飛翔体用推進器１０の第２プロペラ２の直径Ｌ２は第１プロペラ１の直径Ｌ１よりも大きい。その理由は、磁気ギア効果により、第１ロータ４よりも低い回転速度で回転する第２ロータ５の方が大きなトルクを発生することから、第１ロータ４より第２ロータ５の方が直径の大きいプロペラを回転させることができるためである。本実施形態の飛翔体用推進器１０は、このように第２プロペラ２の直径Ｌ２を第１プロペラ１の直径Ｌ１より大きくすることによって、第２プロペラ２の直径Ｌ２が第１プロペラ１の直径Ｌ１と同等の飛翔体用推進器と比較して、推力を大きくすることができる。

図８は、図３に示す分布巻で三相コイル３３を巻回した場合に、第１ロータ４及び第２ロータ５のトルクを比較して示した図である。図８は、第２ロータ５のトルク値が１．０となるように縦軸を記載している。図８に示すように、第２ロータ５のトルクは第１ロータ４のトルクの約３倍となる。

なお、第１ロータ４の極対数が４で第２ロータ５の極対数が２０であるため、第１ロータ４の回転速度は第２ロータ５の回転速度の５倍となる。プロペラの周速が音速以上となると、衝撃波が発生して効率が落ちるため、第１プロペラ１の直径Ｌ１及び第２プロペラ２の直径Ｌ２は、それぞれのプロペラの最高の回転速度における周速が音速以下となる値を選定する。

＜実施形態の補足＞
本開示の飛翔体用推進器は、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、ステータの径方向内側に配置されたロータの極対数がステータの径方向外側に配置されたロータの極対数よりも大きい磁気ギアードモータを用いた飛翔体用推進器であってもよい。

１ 第１プロペラ、２ 第２プロペラ、３ ステータ、４ 第１ロータ、５ 第２ロータ、６，７，８ ボールベアリング、１０ 飛翔体用推進器、１１ 第１出力軸、２０ 磁気ギアードモータ、２１ 第２出力軸、３０ 磁気ギア、３１ インナーケース、３２ コア、３３ 三相コイル、４１ シャフト、４２ ロータコア、４３，４４ 永久磁石、５１ アウターケース、５２ ロータコア、５３，５４ 永久磁石。

Claims (2)

1. 周方向に離間して配置された複数のコアに三相コイルが巻回された略円環形状のステータと、
   前記ステータの径方向内側にエアギャップを介して配置され、Ｎ極を径方向外側へ向けた永久磁石とＳ極を径方向外側へ向けた永久磁石が周方向に交互に並べて配置された略円環形状の第１ロータと、
   前記ステータの径方向外側にエアギャップを介して配置され、Ｎ極を径方向内側へ向けた永久磁石とＳ極を径方向内側へ向けた永久磁石が周方向に交互に並べて配置された略円環形状の第２ロータと、
   前記第１ロータに連結する第１出力軸の端部に設けられた第１プロペラと、
   前記第２ロータに連結する第２出力軸の端部に設けられた第２プロペラと、を備え、
   前記第１ロータの極対数と前記第２ロータの極対数との和が前記コアの数と同一であって、
   前記コアの数が前記第１ロータの極対数の６倍であって、
   前記三相コイルの作る極対数は、前記第１ロータの極対数又は前記第２ロータの極対数と同一であって、
   前記第１ロータ及び前記第２ロータは互いに逆方向へ回転することを特徴とする飛翔体用推進器。
2. 請求項１に記載の飛翔体用推進器であって、
   前記第１ロータの極対数が前記第２ロータの極対数よりも小さい場合は、前記第２プロペラの直径が前記第１プロペラの直径よりも大きく、
   前記第１ロータの極対数が前記第２ロータの極対数よりも大きい場合は、前記第１プロペラの直径が前記第２プロペラの直径よりも大きいことを特徴とする飛翔体用推進器。

Images