WO2020021650A1 - プロペラ、モータ部品及びこれを備えた飛行体 - Google Patents

プロペラ、モータ部品及びこれを備えた飛行体 Download PDF

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鈴木陽一
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株式会社エアロネクスト
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors

Definitions

  • the present invention relates to a propeller, a motor component, and a flying object provided with the same.
  • Patent Document 1 provides a flight device capable of stably continuing flight without stopping other thrusters even if an abnormality occurs in any of a plurality of thrusters (for example, see Patent Document 1).
  • the pitch of the propeller is changed by the pitch changing mechanism.
  • the attitude control unit included in the flying device changes the propeller pitch without stopping the normal thruster when an abnormality is detected among the plurality of thrusters.
  • a change in attitude due to torque imbalance can be reduced while securing a propulsive force necessary for continuation of flight with a normal thruster.
  • variable pitch propeller has a higher failure rate and lower flight efficiency than the fixed pitch propeller due to its complicated mechanism.
  • a rotary wing aircraft capable of improving flight efficiency can be provided.
  • FIG. 1 is a top view of a propeller according to the present invention.
  • FIG. 4 is another top view of the propeller according to the present invention.
  • FIG. 6 is still another top view of the propeller according to the present invention.
  • FIG. 6 is still another top view of the propeller according to the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of a rotary wing aircraft including the propeller of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a top view of the rotary wing machine of FIG. 5. It is a functional block diagram of a rotary wing machine according to the present invention.
  • a propeller, a motor component, and a flying body including the same according to an embodiment of the present invention have the following configurations.
  • a propeller comprising at least one wing fixed pitch blade and at least one wing variable pitch blade.
  • a propeller comprising at least one wing fixed pitch blade and at least one wing variable pitch blade.
  • a propeller comprising at least one wing fixed pitch blade and at least one wing variable pitch blade.
  • the propeller according to item 1 wherein The number of the fixed pitch blades and the number of the variable pitch blades are the same, propeller.
  • the propeller according to item 1 wherein The number of the fixed pitch blades and the number of the variable pitch blades are different, propeller.
  • the propeller according to item 3 wherein The number of the fixed pitch blades is larger than the number of the variable pitch blades, propeller.
  • a motor component comprising: the propeller according to any one of items 1 to 5; and a motor for rotating the propeller.
  • a flying object comprising: the motor component according to item 6, a frame supporting the motor component, and a control unit for controlling the motor component.
  • Item 8 Item 7 is a flying object, The control unit, upon receiving an abnormal signal notifying the variable pitch blade or more, controls the number of rotations of parts of the motor to compensate for lift, Flying object.
  • the propeller 2 includes at least one wing fixed pitch blade 20 and at least one wing variable pitch blade 30.
  • the propeller 2 rotates upon receiving an output from the motor 10.
  • the rotation of the propeller 2 generates a propulsive force for the rotary wing machine 200 (see FIGS. 5 and 6) to take off from the starting place, move horizontally, and land at the destination.
  • the propeller 2 can rotate rightward, stop, and rotate leftward.
  • the number of blades included in the propeller 2 of the present invention may be any number equal to or more than two (for example, 2, 3, 4, or more blades).
  • the shape of the blades can be any shape, such as a flat shape, a bent shape, a kinked shape, a tapered shape, or a combination thereof.
  • the shape of the blade can be changed (for example, expansion, contraction, folding, etc.).
  • the blades may be symmetric (having identical upper and lower surfaces) or asymmetric (having different shaped upper and lower surfaces).
  • the blades can be formed into a suitable geometry to generate dynamic aerodynamic forces (eg, lift, thrust) as the airfoil, wings, or vanes are moved through the air.
  • the geometry of the blades can be selected as appropriate to optimize the dynamic air characteristics of the blades, such as increasing lift and thrust and reducing drag.
  • the motor 10 causes the propeller 2 to rotate, and for example, the drive unit can include an electric motor or an engine.
  • the blades can be driven by a motor and rotate clockwise and / or counterclockwise about the motor's axis of rotation 12 (eg, the long axis of the motor).
  • All blades can rotate in the same direction, or can rotate independently. Some of the blades rotate in one direction and other blades rotate in the other direction. The blades can all rotate at the same rotation speed, or can rotate at different rotation speeds. The number of rotations can be determined automatically or manually based on the dimensions (eg, size, weight) and control state (speed, moving direction, etc.) of the moving body.
  • the flight efficiency can be improved.
  • the number of the fixed pitch blades 20 and the number of the variable pitch blades 30 may be the same. Because, even when the size and weight of the fixed pitch blade 20 and the variable pitch blade 30 are largely different, there is an effect that it is easy to balance the entire motor component 1. Balancing the entire motor component 1 is important for a flying object equipped with the motor component 1 to fly without any inconvenience. In addition, it is possible to prevent vibration during flight and obtain a favorable effect in operation of the flying object. It is possible.
  • the number of the fixed pitch blades 20 and the number of the variable pitch blades 30 may be different.
  • the fuel efficiency during flight of the rotary wing aircraft 200 is improved by the fixed pitch blades having high flight efficiency, and the imbalance in torque is caused by the variable pitch blades. Therefore, the change in the posture due to this is reduced.
  • variable pitch blades 20 When the number of the fixed pitch blades 20 is smaller than the number 30 of the variable pitch blades, it is possible to operate assuming a turbulent flow, an updraft, and the like which could not be dealt with only by a conventional propeller having only a variable pitch blade. In addition, reliability when a failure occurs in the variable pitch mechanism such as the pitch control motor 32 and the control 34 is ensured.
  • the propeller 2 only needs to include at least one wing fixed pitch blade 20 and at least one wing variable pitch blade 30.
  • the number and ratio of the fixed pitch blades 20 and the variable pitch blades 30, and the size and arrangement of the individual blades optimal ones can be adopted as appropriate according to the desired use or purpose.
  • the thrust may be adjusted by changing the diagram of the propeller while using the same motor, or by distinguishing between a low-output motor and a high-output motor while using the same propeller. Further, the pitch of the propeller may be changed, or the number of blades may be changed.
  • the flight controller is a so-called processing unit.
  • a processing unit may include one or more processors, such as a programmable processor (eg, a central processing unit (CPU)).
  • the processing unit has a memory (not shown) and can access the memory.
  • the memory stores logic, code, and / or program instructions that the processing unit can execute to perform one or more steps.
  • the memory may include, for example, a detachable medium such as an SD card or a random access memory (RAM) or an external storage device. Data obtained from cameras and sensors may be directly transmitted and stored in the memory. For example, still image / moving image data shot by a camera or the like is recorded in a built-in memory or an external memory.
  • the processing unit includes a control module configured to control a state of the rotorcraft.
  • the control module degrees of freedom (translation x, y and z, and rotational movement theta x, theta y and theta z) spatial arrangement of the rotary wing aircraft having a velocity, and / or to adjust the acceleration Control the propulsion mechanism (motor, etc.) of the rotorcraft.
  • the control module can control one or more of the states of the mounting unit and the sensors.
  • the processing unit can communicate with a transceiver configured to transmit and / or receive data from one or more external devices (eg, terminals, displays, or other remote controllers).
  • the transceiver can use any suitable communication means, such as a wired or wireless communication.
  • the transmission / reception unit uses one or more of a local area network (LAN), a wide area network (WAN), infrared, wireless, WiFi, point-to-point (P2P) network, telecommunication network, cloud communication, and the like. be able to.
  • the transmission / reception unit can transmit and / or receive one or more of data obtained by the sensors, processing results generated by the processing unit, predetermined control data, user commands from a terminal or a remote controller, and the like. .
  • the sensors according to the present embodiment may include an inertial sensor (acceleration sensor, gyro sensor), a GPS sensor, a proximity sensor (eg, a rider), or a vision / image sensor (eg, a camera).
  • an inertial sensor acceleration sensor, gyro sensor
  • GPS sensor GPS sensor
  • proximity sensor eg, a rider
  • vision / image sensor eg, a camera
  • the rotary wing machine of the present invention can be expected to be used as a rotary wing machine exclusively for home delivery service and as an industrial rotary wing machine in warehouses and factories.
  • the rotary wing aircraft of the present invention can be used in an airplane-related industry such as a multicopter drone, and the present invention is also suitably used as a rotary wing aircraft equipped with a camera or the like for aerial photography.
  • it can be used in various industries such as security, agriculture, and infrastructure monitoring.

Abstract

【課題】飛行効率を向上し得る回転翼機を提供すること。 【解決手段】本発明によるプロペラは、少なくとも1翅の固定ピッチブレードと、少なくとも1翅の可変ピッチブレードを備えている。本発明によるモータ部品は、当該プロペラを回転させるモータを更に備えている。本発明による飛行体は、当該モータ部品と、当該モータ部品を支持するフレームと、当該モータ部品を制御するための制御部を備えている。かかる構成によれば、飛行体の飛行効率を向上し得る。

Description

プロペラ、モータ部品及びこれを備えた飛行体
　本発明は、プロペラ、モータ部品及びこれを備えた飛行体に関する。
　近年、様々な用途に利用されるドローン（Ｄｒｏｎｅ）や無人航空機（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｅｒｉａｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの回転翼機（以下、単に「回転翼機」と総称する）を利用した様々なサービスが提供されている。かかる回転翼機のプロペラは、機構の簡素化、低価格化のため、固定ピッチプロペラが採用されている機種が多い。
　一方、特許文献１には、複数のスラスタのいずれかに異常が生じても他のスラスタを停止することなく安定した飛行の継続が図られる飛行装置を提供する（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１８－３０５６８号公報
特許文献１の飛行装置は、ピッチ変更機構部によってプロペラのピッチが変更される。特に、飛行装置が有する姿勢制御部は、複数のスラスタのうちスラスタで異常が検出されると、正常なスラスタを停止することなく、プロペラのピッチを変更する。これにより、常なスラスタで飛行の継続に必要な推進力を確保しつつ、トルクの不均衡にともなう姿勢の変化が低減されるものである。
　しかしながら、可変ピッチプロペラはその機構が複雑であることから固定ピッチプロペラよりも故障率が多く飛行効率が悪い。
　そこで、本発明は、飛行効率を向上し得るプロペラ及びそれを用いた飛行体を提供することを一つの目的とする。
　本発明によれば、飛行効率を向上し得るプロペラ及びそれを用いた飛行体を提供することができる。
　本発明によれば、飛行効率を向上し得る回転翼機を提供し得る。
本発明によるプロペラの上面図である。 本発明によるプロペラの他の上面図である。 本発明によるプロペラの更に他の上面図である。 本発明によるプロペラの更に他の上面図である。 図１のプロペラを備えた回転翼機の側面図である。 図５の回転翼機の上面図である。 本発明による回転翼機の機能ブロック図である。
　本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態によるプロペラ、モータ部品及びこれを備えた飛行体は、以下のような構成を備える。
［項目１］
　少なくとも1翅の固定ピッチブレードと、少なくとも1翅の可変ピッチブレードを備えるプロペラ。
［項目２］
　項目１に記載のプロペラであって、
　前記固定ピッチブレードの数と、前記可変ピッチブレードの数とが同一である、
プロペラ。
［項目３］
　項目１に記載のプロペラであって、
　前記固定ピッチブレードの数と、前記可変ピッチブレードの数とが異なる、
プロペラ。
［項目４］
　項目３に記載のプロペラであって、
　前記固定ピッチブレードの数が、前記可変ピッチブレードの数よりも多い、
プロペラ。
［項目５］
　項目３に記載のプロペラであって、
　前記固定ピッチブレードの数が、前記可変ピッチブレードの数よりも少ない、
プロペラ。
［項目６］
　項目１乃至項目５のいずれかに記載のプロペラと、当該プロペラを回転させるためのモータとを備えるモータ部品。
［項目７］
　項目６に記載のモータ部品と、当該モータ部品を支持するフレームと、当該モータ部品を制御するための制御部を備える飛行体。
［項目８］
　項目７に飛行体であって、
　前記制御部は、前記可変ピッチブレードの以上を知らせる異常信号を受信すると、揚力を補うために前記モータの部品の回転数を制御する、
飛行体。
＜本発明による実施の形態の詳細＞
　以下、本発明の実施の形態によるプロペラ、モータ部品及びこれを備えた飛行体について、図面を参照しながら説明する。
＜本発明による実施の形態の詳細＞
　図２に示されるように、本発明の実施の形態によるプロペラ２は、少なくとも1翅の固定ピッチブレード２０と、少なくとも1翅の可変ピッチブレード３０を備えている。
プロペラ２は、モータ１０からの出力を受けて回転する。プロペラ２が回転することによって、回転翼機２００（図５及び図６参照）を出発地から離陸させ、水平移動させ、目的地に着陸させるための推進力が発生する。なお、プロペラ２は、右方向への回転、停止及び左方向への回転が可能である。
図２乃至図５に示されるように、本発明のプロペラ２が備えるブレードは、２以上の任意の数（例えば、２、３、４、またはそれ以上のブレード）でよい。羽根の形状は、平らな形状、曲がった形状、よじれた形状、テーパ形状、またはそれらの組み合わせ等の任意の形状が可能である。
　なお、羽根の形状は変化可能である（例えば、伸縮、折りたたみ、折り曲げ等）。羽根は対称的（同一の上部及び下部表面を有する）または非対称的（異なる形状の上部及び下部表面を有する）であってもよい。
　ブレードはエアホイル、ウイング、または羽根が空中を移動される時に動的空気力（例えば、揚力、推力）を生成するために好適な幾何学形状に形成可能である。羽根の幾何学形状は、揚力及び推力を増加させ、抗力を削減する等の、羽根の動的空気特性を最適化するために適宜選択可能である。
　モータ１０は、プロペラ２の回転を生じさせるものであり、例えば、駆動ユニットは、電気モータ又はエンジン等を含むことが可能である。ブレードは、モータによって駆動可能であり、時計方向に及び／または反時計方向に、モータの回転軸１２（例えば、モータの長軸）の周りに回転する。
　ブレードは、すべて同一方向に回転可能であるし、独立して回転することも可能である。羽根のいくつかは一方の方向に回転し、他の羽根は他方方向に回転する。羽根は、同一回転数ですべて回転することも可能であり、夫々異なる回転数で回転することも可能である。回転数は移動体の寸法（例えば、大きさ、重さ）や制御状態（速さ、移動方向等）に基づいて自動又は手動により定めることができる。
　回転翼機２００の飛行時において、固定ピッチブレードのみを備えていた場合、上昇気流発生時の垂直下降などの際、姿勢を保つための最低限のプロペラ回転数を下回り、回転翼機の姿勢が乱れる、あるいは落下することがある。特許文献１では、これに対応するため、回転翼機の飛行に可変ピッチブレードを用いている。可変ピッチブレードを用いる際、固定ピッチプロペラと比較して構造が複雑であることから、故障率は高くなり、飛行効率は悪化する。
　しかしながら、本実施のプロペラ形態においては、固定ピッチブレード２０と可変ピッチブレード３０を両方備えることにより、飛行効率を向上し得る。
　プロペラ２が備えるブレードにおいて、固定ピッチブレード２０と、可変ピッチブレード３０の数は、同一でもよい。なぜなら、固定ピッチブレード２０と、可変ピッチブレード３０の大きさや重量が大きく異なる場合でも、モータ部品１全体のバランスをとることが容易となる効果がある。モータ部品１全体のバランスをとることは、モータ部品１を備える飛行体が不都合なく飛行するために重要であり、また、飛行時の振動を防ぎ、飛行体の運用において好適な効果を得ることが可能である。
　プロペラ２が備えるブレードにおいて、固定ピッチブレード２０と、可変ピッチブレード３０の数は、異なっていてもよい。固定ピッチブレード２０の数が、前記可変ピッチブレード３０の数よりも多い場合、飛行効率のよい固定ピッチブレードにより回転翼機２００の飛行時における燃費が向上するとともに、可変ピッチブレードによりトルクの不均衡にともなう姿勢の変化が低減される。
　また、固定ピッチブレード２０の数が、前記可変ピッチブレードの数３０よりも少ない場合、従来可変ピッチブレードのみを備えたプロペラでなければ対応できなかった乱流、上昇気流などを想定した運用を可能にし、かつ、ピッチ制御モータ３２や制御３４などの可変ピッチ機構に障害が発生した際の信頼性を確保する。
　以上説明したように、プロペラ２は、少なくとも1翅の固定ピッチブレード２０と、少なくとも1翅の可変ピッチブレード３０を備えていればよい。固定ピッチブレード２０と可変ピッチブレード３０との数、割合、個々のブレードの大きさ、配置については、所望とする用途や目的に応じて適宜最適なものを採用することができる。
　なお、推力の調整は、同一のモータを使いつつプロペラのダイヤを変えること、同一のプロペラを使用しつつ低出力のモータと高出力のモータとを区別して用いることとしてもよい。また、プロペラのピッチを変更することとしてもよいし、ブレードの枚数を変更する等が例示できる。
　上述した回転翼機は、図７に示される機能ブロックを有している。なお、図１０の機能ブロックは最低限の参考構成である。フライトコントローラは、所謂処理ユニットである。処理ユニットは、プログラマブルプロセッサ（例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ））などの１つ以上のプロセッサを有することができる。処理ユニットは、図示しないメモリを有しており、当該メモリにアクセス可能である。メモリは、１つ以上のステップを行うために処理ユニットが実行可能であるロジック、コード、および／またはプログラム命令を記憶している。メモリは、例えば、ＳＤカードやランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの分離可能な媒体または外部の記憶装置を含んでいてもよい。カメラやセンサ類から取得したデータは、メモリに直接に伝達されかつ記憶されてもよい。例えば、カメラ等で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。
　処理ユニットは、回転翼機の状態を制御するように構成された制御モジュールを含んでいる。例えば、制御モジュールは、６自由度（並進運動ｘ、ｙ及びｚ、並びに回転運動θｘ、θｙ及びθｚ）を有する回転翼機の空間的配置、速度、および／または加速度を調整するために回転翼機の推進機構（モータ等）を制御する。制御モジュールは、搭載部、センサ類の状態のうちの１つ以上を制御することができる。
　処理ユニットは、１つ以上の外部のデバイス（例えば、端末、表示装置、または他の遠隔の制御器）からのデータを送信および／または受け取るように構成された送受信部と通信可能である。送受信機は、有線通信または無線通信などの任意の適当な通信手段を使用することができる。例えば、送受信部は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、無線、ＷｉＦｉ、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信などのうちの１つ以上を利用することができる。送受信部は、センサ類で取得したデータ、処理ユニットが生成した処理結果、所定の制御データ、端末または遠隔の制御器からのユーザコマンドなどのうちの１つ以上を送信および／または受け取ることができる。
　本実施の形態によるセンサ類は、慣性センサ（加速度センサ、ジャイロセンサ）、ＧＰＳセンサ、近接センサ（例えば、ライダー）、またはビジョン／イメージセンサ（例えば、カメラ）を含み得る。
　本発明の回転翼機は、宅配業務専用の回転翼機としての利用、及び倉庫、工場内における産業用の回転翼機としての利用が期待できる。また、本発明の回転翼機は、マルチコプター・ドローン等の飛行機関連産業において利用することができ、さらに、本発明は、カメラ等を搭載した空撮用の回転翼機としても好適に使用することができる他、セキュリティ分野、農業、インフラ監視等の様々な産業にも利用することができる。
　上述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができると共に、本発明にはその均等物が含まれることは言うまでもない。
　１　　　　モータ部品
　２　　　　プロペラ
　１０　　　　モータ
　１２　　　　軸
　２０　　　　固定ピッチブレード
　３０　　　　可変ピッチブレード
　３２　　　　ピッチ制御モータ
　３４　　　　制御ロッド
　１００　　　　本体部
　１２０　　　　アーム
　２００　　　　回転翼機

 

Claims (8)

  1. 　少なくとも1翅の固定ピッチブレードと、少なくとも1翅の可変ピッチブレードを備えるプロペラ。
  2. 　請求項１に記載のプロペラであって、
    　前記固定ピッチブレードの数と、前記可変ピッチブレードの数とが同一である、
    プロペラ。
  3. 　請求項１に記載のプロペラであって、
    　前記固定ピッチブレードの数と、前記可変ピッチブレードの数とが異なる、
    プロペラ。
  4. 　請求項３に記載のプロペラであって、
    　前記固定ピッチブレードの数が、前記可変ピッチブレードの数よりも多い、
    プロペラ。
  5. 　請求項３に記載のプロペラであって、
    　前記固定ピッチブレードの数が、前記可変ピッチブレードの数よりも少ない、
    プロペラ。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のプロペラと、当該プロペラを回転させるためのモータとを備えるモータ部品。
  7. 　請求項６に記載のモータ部品と、当該モータ部品を支持するフレームと、当該モータ部品を制御するための制御部を備える飛行体。
  8. 　請求項７に記載の飛行体であって、
    　前記制御部は、前記可変ピッチブレードの異常を知らせる異常信号を受信すると、揚力を補うために前記モータの部品の回転数を制御する、
    飛行体。

     
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