特開 2023-184048 ドローン用駆動ユニットおよびドローン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184048

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】ドローン用駆動ユニットおよびドローン

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/19 20060101AFI20231221BHJP

   B64C 27/08 20230101ALI20231221BHJP

   B64D 33/08 20060101ALI20231221BHJP

   B64D 27/24 20060101ALI20231221BHJP

【ＦＩ】

H02K9/19 A

B64C27/08

B64D33/08

B64D27/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022097947

(22)【出願日】2022-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(72)【発明者】

【氏名】太田 智

【テーマコード（参考）】

5H609

【Ｆターム（参考）】

5H609BB12

5H609BB19

5H609PP02

5H609PP06

5H609PP09

5H609QQ05

5H609QQ09

5H609RR12

5H609RR26

5H609RR37

5H609RR43

5H609RR46

5H609RR52

(57)【要約】

【課題】回転翼を回転させるモータを比較的に軽量な構成で冷却できるドローン用駆動ユニットを提供する。
【解決手段】ドローン用駆動ユニットは、シャフトに固定された回転翼と、シャフトを回転させるモータと、冷媒の循環によってモータの発熱をモータの外側で放熱する冷却機構と、を備える。冷却機構は、シャフトに従動して回転し、冷媒を循環させる軸流ファンを有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シャフトに固定された回転翼と、
前記シャフトを回転させるモータと、
冷媒の循環によって前記モータの発熱を前記モータの外側で放熱する冷却機構と、を備え、
前記冷却機構は、前記シャフトに従動して回転し、前記冷媒を循環させる軸流ファンを有する
ドローン用駆動ユニット。

【請求項2】

前記冷却機構は、
前記モータの流出口から排出された前記冷媒が流れる第１流路と、
前記第１流路を通過した前記冷媒を前記軸流ファンで前記モータの流入口に流す第２流路と、を有する
請求項１に記載のドローン用駆動ユニット。

【請求項3】

前記第１流路の流路断面積は、前記第２流路の流路断面積よりも小さい
請求項２に記載のドローン用駆動ユニット。

【請求項4】

前記モータとドローンの本体部をつなぐアーム部をさらに備え、
前記第２流路の少なくとも一部は、前記アーム部に形成される
請求項３に記載のドローン用駆動ユニット。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のドローン用駆動ユニットを備えるドローン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ドローン用駆動ユニットおよびドローンに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、プロペラを複数備え、機体を傾けることで移動を行うマルチコプター型のドローン（Drone）などの無人航空機が近年急速に普及しつつある。また、この種のドローンを用いた各種サービスについて、実用化に向けた研究および実証実験も進められている。

【0003】

ドローンのプロペラを回転させるモータは、高出力化への対応やモータの長寿命化のために動作中は冷媒で冷却されることが好ましい。例えば、アキシャルギャップ型の回転電機の冷却構造として、一対のロータ本体の間に配置されるステータ本体を密閉構造とし、ステータ本体のコイルを冷却液で直接冷却する構成が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－０９９１８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１の冷却構造の場合、冷却液を循環させるポンプや冷却液のクーラーが必要となるためシステムが大型化してしまう。ドローンに実装されるモータの冷却機構は、ドローンの軽量化の観点から軽量な構成であることが好ましい。

【0006】

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、回転翼を回転させるモータを比較的に軽量な構成で冷却できるドローン用駆動ユニットを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様のドローン用駆動ユニットは、シャフトに固定された回転翼と、シャフトを回転させるモータと、冷媒の循環によってモータの発熱をモータの外側で放熱する冷却機構と、を備える。冷却機構は、シャフトに従動して回転し、冷媒を循環させる軸流ファンを有する。

【0008】

上記の冷却機構は、モータの流出口から排出された冷媒が流れる第１流路と、第１流路を通過した冷媒を軸流ファンでモータの流入口に流す第２流路と、を有していてもよい。
上記の第１流路の流路断面積は、第２流路の流路断面積よりも小さくてもよい。

【0009】

上記のドローン用駆動ユニットは、モータとドローンの本体部をつなぐアーム部をさらに備えていてもよい。また、上記の第２流路の少なくとも一部は、アーム部に形成されていてもよい。
本発明の他の態様のドローンは、上記のドローン用駆動ユニットを備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、回転翼を回転させるモータを比較的に軽量な構成で冷却できるドローン用駆動ユニットを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態のドローンの構成例を示す図である。

【図2】駆動ユニットの構成例を示す概要図である。

【図3】駆動ユニットのモータの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

【0013】

図１は、本実施形態のドローンの構成例を示す図である。図１に示すドローン１００は、一般的にマルチコプターと称される無人航空機であって、遠隔操作または自動操縦により飛行可能である。

【0014】

ドローン１００は、制御部やバッテリー等を内蔵した本体部１０と、それぞれ本体部１０に取り付けられた４組の駆動ユニット２０とを有する。本体部１０は、例えばカメラ１１を内蔵していてもよい。駆動ユニット２０は、例えば、平面視において９０°ずつ間隔をあけて本体部１０の四方に配置される。駆動ユニット２０の構成はいずれも共通であるので、以下の説明では代表して１つの駆動ユニット２０の構成を説明し、他の駆動ユニットの重複説明はいずれも省略する。

【0015】

図２は、駆動ユニット２０の構成例を示す概要図である。駆動ユニット２０は、回転翼２１と、回転翼支持体２２と、モータ２３と、冷却機構２４とを備えている。回転翼２１は、固定ピッチのプロペラであり、モータ２３の駆動により回転して揚力（鉛直方向上向きの推力）を生じさせる。また、回転翼２１は、モータ２３の回転速度の制御で揚力を調整することができる。

【0016】

回転翼支持体２２は、本体部１０から水平方向に延びるアーム部３１と、シャフト収容部３２と、リブ部３３とを有する。回転翼支持体２２においてアーム部３１の一端は本体部１０に接続され、アーム部３１の他端側にはモータ２３が取り付けられている。また、アーム部３１は、後述する第２流路５２の第２区間５２ｂに対応する配管を内部に有している。

【0017】

シャフト収容部３２は、アーム部３１の一端側から垂直方向下側に延在しており、ドローン１００が接地しているときには地面と接触してドローン１００を支持する脚部として機能する。モータ２３の下面に臨むシャフト収容部３２の上側は筒状に形成され、モータ２３のシャフト４１を受ける。

【0018】

リブ部３３は、水平方向に延びるアーム部３１と垂直方向に延びるシャフト収容部３２に対して斜めに延在している。リブ部３３は、一端がアーム部から分岐し、他端がシャフト収容部３２と接続されている。また、リブ部３３は、後述する第２流路５２の第１区間５２ａを含むとともに、シャフト収容部３２と連通する配管を内部に有している。

【0019】

図３は、駆動ユニット２０のモータ２３の構成例を示す図である。モータ２３は、いわゆるアキシャルギャップモータであり、シャフト４１と、ロータ４２と、ステータ４３と、モータ２３の要素を収容するケーシング４４と、を有する。図２に示すようにシャフト４１は、ケーシング４４を貫通して図２の上下方向に延在して配置されている。シャフト４１の一方側（図２の上側）には回転翼２１が固定されている。また、シャフト４１の他方側（図２の下側）は、シャフト収容部３２に収容されている。

【0020】

また、シャフト４１は、ケーシング４４の軸受（不図示）やシャフト収容部３２に配置された軸受３２ａにより回転可能に軸支されている。また、シャフト収容部３２に挿入されているシャフト４１の他方側の端部には傘歯車４１ａが固定されている。

【0021】

ロータ４２は、所定間隔を隔てて対向配置された一対の円盤で構成され、ロータ４２の中心にはシャフト４１が挿通されて固定されている。これにより、ロータ４２はシャフト４１とともに回転する。また、各々のロータ４２においてステータ４３と対向する面には、ロータ４２の周方向に沿って磁石４２ａが固定されている。

【0022】

ステータ４３は、シャフト４１の外周側に同心状に配置され、シャフト４１の軸方向において一対のロータ４２の間に位置する筒状体である。ステータ４３は、シャフト４１およびロータ４２と僅かなギャップを隔てて配置されている。

【0023】

ステータ４３は、シャフト４１を中心に環状に配置された複数のコイルユニット４５と、各々のコイルユニット４５を収容する円筒状のステータケース４６とを有する。各々のコイルユニット４５は、台形状のステータコア４５ａの外周にコイル４５ｂを巻回して構成される。

【0024】

ステータコア４５ａは、例えば複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成され、径方向内側より径方向外側が幅広となるようにステータ４３に配置される。また、コイル４５ｂの巻回方向は、軸方向と交差する方向（水平方向）である。上記のコイル４５ｂの電流制御によりステータ４３の磁界を順番に切り替えることで、ロータ４２の磁界に対する吸引力または反発力がステータ４３に発生する。これにより、シャフト４１およびロータ４２が回転駆動する。

【0025】

ステータケース４６は中空であり、ステータケース４６の内側にはコイルユニット４５の周囲に冷却用のオイル（冷媒）の流路が形成される。また、ステータケース４６の側面には、オイルの流入口４７と流出口４８がそれぞれ形成されている。なお、流入口４７と流出口４８の位置は、互いに対向する位置（軸中心に対して１８０°の位置）に形成されているが、これに限られることはない。

【0026】

モータ２３のステータ４３には、流入口４７からオイルが導入される。オイルはステータケース４６内を流れてコイルユニット４５から熱を奪い、流出口４８からモータ２３の外側に排出される。これにより、オイルの流れによってステータ４３のコイルユニット４５を冷却することができる。

【0027】

冷却機構２４は、駆動ユニット２０内でオイルを循環させて、流出口４８から排出されたオイルをモータ２３の外側で冷却するとともに、冷却されたオイルを流入口４７に供給する機能を担う。冷却機構２４は、第１流路５１と、第２流路５２と、軸流ファン５３とを有している。

【0028】

第１流路５１は、上流側がモータ２３の流出口４８に接続され、モータ２３の下側を通ってリブ部３３に接続されている。第１流路５１の下流側は、第２流路５２の上流側と接続されている。第１流路５１の配管は、外気とオイルの熱交換を促進するために、熱伝導率が高い材料で形成されることが好ましい。

【0029】

第２流路５２は、リブ部３３およびアーム部３１の内部に形成され、第１流路５１から流入するオイルを冷却しつつモータ２３の流入口まで導く。第２流路５２は、リブ部３３に沿って斜め方向に延在する第１区間５２ａと、第１区間５２ａから折り返されてアーム部３１内を水平方向に延在する第２区間５２ｂとを有する。第２流路５２の配管は、リブ部３３およびアーム部３１の外表面と熱的に接続されている。これにより、第２流路５２では外気とオイルの熱交換が行われ、オイルがモータ２３の外部で冷却される。なお、ドローン１００の飛行時において、アーム部３１およびリブ部３３の周囲には回転翼２１の回転によって強い気流が生じるため、オイルは第２流路５２で効率よく冷却される。

【0030】

軸流ファン５３は、リブ部３３に設けられた配管内に配置されている。軸流ファン５３は、リブ部３３に沿って延在する駆動軸５３ａの一方側の端部に設けられる。また、駆動軸５３ａの他方側の端部には、傘歯車５３ｃが設けられている。軸流ファン５３の駆動軸５３ａは、リブ部３３内に配置された軸受３３ａにより軸支されている。

【0031】

軸流ファン５３は、リブ部３３内で第１流路５１との合流位置よりもわずかに上流側（図中下側）に配置される。駆動軸５３ａの傘歯車５３ｃは、シャフト４１の傘歯車４１ａと噛合してシャフト４１の回転を軸流ファン５３に伝達する。これにより、モータ２３のシャフト４１が回転すると軸流ファン５３も従動して回転し、第１流路５１からのオイルをアーム部３１の第２区間５２ｂへ導く流れを軸流ファン５３が生じさせる。

【0032】

ここで、第１流路５１の流路断面積（内径φ１）は、第２流路５２の流路断面積（内径φ２）よりも小さく形成されている（φ１＜φ２）。そのため、第１流路５１でのオイルの流速は第２流路５２でのオイルの流速よりも速くなり、第１流路５１から第２流路５２に向かうオイルの流れには位置エネルギーも加わるので、冷却機構２４のオイルは第１流路５１から第２流路５２に向かいやすく、その逆方向には流れにくくなる。また、第２流路５２の流速が低くなると、第２流路５２で外気とオイルの熱交換を行う時間が長くなる。これにより、循環するオイルの温度上昇が抑制される。

【0033】

また、図２に示すように、第１流路５１は軸流ファン５３の流れ方向に対して鈍角をなすように傾いて接続されている。この構成によっても、軸流ファン５３からの流れは構造上第１流路５１に直接流入しにくくなるので、第２流路５２から第１流路５１への逆流が抑制され、冷却機構２４の動作を安定させることができる。

【0034】

また、駆動ユニット２０の第２流路５２はアーム部３１およびリブ部３３に内蔵されているため、第２流路５２の有無によって平面視で駆動ユニット２０の投影面積は変化しない。また、駆動ユニット２０の第１流路５１の流路断面積は第２流路５２の流路断面積と比べて小さく、平面視で第１流路５１が外側に張り出している領域は少ない。つまり、第１流路５１を設けたことによる平面視での駆動ユニット２０の投影面積の増加は小さなものに留まる。このように、本実施形態の駆動ユニット２０は、回転翼２１の空力抵抗の増加につながる投影面積の増加を抑制しつつ、冷却機構２４でのモータの冷却を可能とする。

【0035】

以上のように、本実施形態の駆動ユニット２０は、シャフト４１に固定された回転翼２１と、シャフト４１を回転させるモータ２３と、オイルの循環によってモータ２３の発熱をモータ２３の外側で放熱する冷却機構２４と、を備える。また、冷却機構２４は、シャフト４１に従動して回転し、オイルを循環させる軸流ファン５３を有する。これにより、回転翼２１を回転させるモータ２３の動力を利用してモータ２３を冷却するためのオイルを循環でき、かつモータ２３の外部で外気との熱交換でオイルの放熱ができる。そのため、本実施形態の駆動ユニット２０によれば、オイルポンプやオイルクーラーを別途設けずに比較的に軽量な構成でドローン１００のモータ２３の冷却を行うことが可能となる。

【0036】

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

【0037】

例えば、上記実施形態では、４組の駆動ユニット２０を備えるドローン１００を例示して説明したが、ドローン１００が備える駆動ユニット２０の数は４以外であってもよい。

【0038】

例えば、上記実施形態では、駆動ユニット２０にアキシャルギャップモータを適用する例を説明したが、駆動ユニット２０に適用されるモータ２３は、例えばインナーロータ型などの他のモータであってもよい。

【0039】

例えば、上記実施形態では、駆動ユニット２０の冷媒としてオイルを適用する例を説明したが、駆動ユニット２０の冷媒は絶縁性を有するものであればオイルに限定されない。

【0040】

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0041】

１０…本体部、２０…駆動ユニット２０、２１…回転翼、２２…回転翼支持体、２３…モータ、２４…冷却機構、３１…アーム部、３３…リブ部、４１…シャフト、５１…第１流路、５２…第２流路、５３…軸流ファン、１００…ドローン

【図1】

【図2】

【図3】