特開 2024-165368 推進装置

(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】P2024165368

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】推進装置

(51)【国際特許分類】

   B64U 50/19 20230101AFI20241121BHJP

   F04D 29/32 20060101ALI20241121BHJP

   B64U 30/294 20230101ALI20241121BHJP

   B64C 27/473 20060101ALI20241121BHJP

   B64C 11/20 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

B64U50/19

F04D29/32 J

F04D29/32 C

B64U30/294

B64C27/473

B64C11/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023081514

(22)【出願日】2023-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】芦田 喜章

(72)【発明者】

【氏名】北 泰樹

(72)【発明者】

【氏名】苗村 伸夫

(72)【発明者】

【氏名】山川 寛展

【テーマコード（参考）】

3H130

【Ｆターム（参考）】

3H130AA13

3H130AB06

3H130AB26

3H130AB40

3H130AB52

3H130AC01

3H130AC30

3H130BA24C

3H130BA33G

3H130CB06

3H130DA02Z

3H130DD01Z

3H130EA07C

3H130EA08C

3H130EB02G

3H130EB04C

(57)【要約】

【課題】ドローンやｅＶＴＯＬなどの飛行体を対象として、複数のブレードおよびハブ部で構成されるファンと、モータとを備える推進装置において、ファンの構造信頼性を確保しつつ、モータの冷却を実現する推進装置を提供する。
【解決手段】モータ３と、モータ３によって駆動される回転軸１７と、回転軸１７に取り付けられたファン２とを備える推進装置１において、ファン２は、回転軸１７に取り付けられたハブ部５と、ハブ部５の外周に等間隔に設けられた複数のブレード４とを有し、ハブ部５は、ハブ部５の周方向に等間隔に配置された複数の穴部６を有し、複数の穴部６の側面の少なくとも一部は、回転軸１７の中心軸に対して傾斜している。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータと、前記モータによって駆動される回転軸と、前記回転軸に取り付けられたファンとを備える推進装置において、
前記ファンは、前記回転軸に取り付けられたハブ部と、前記ハブ部の外周に等間隔に設けられた複数のブレードとを有し、
前記ハブ部は、前記ハブ部の周方向に等間隔に配置された複数の穴部を有し、
前記複数の穴部の側面の少なくとも一部は、前記回転軸の中心軸に対して傾斜している
ことを特徴とする推進装置。

【請求項2】

請求項１に記載の推進装置において、
前記複数の穴部の側面の少なくとも一部は、前記回転軸の中心軸に対して前記ファンの回転方向側に傾斜している
ことを特徴とする推進装置。

【請求項3】

請求項１に記載の推進装置において、
前記複数の穴部のうち隣接する２つの穴部に挟まれた前記ハブ部の一部である梁部に発生する応力が、前記複数のブレードに発生する応力よりも小さくなるように、前記ハブ部の周方向における前記梁部の断面積が設定されている
ことを特徴とする推進装置。

【請求項4】

請求項１に記載の推進装置において、
前記複数の穴部の数は、前記複数のブレードの枚数の整数倍である
ことを特徴とする推進装置。

【請求項5】

請求項１に記載の推進装置において、
前記複数のブレードの枚数と前記複数の穴部の数とが同数であり、
前記ファンを前記複数のブレードの枚数で等分した領域内に、前記複数のブレードのうちの１つのブレードの全体と、前記複数の穴部のうち隣接する２つの穴部に挟まれた前記ハブ部の一部である梁部の全体とが収まる
ことを特徴とする推進装置。

【請求項6】

請求項５に記載の推進装置において、
前記複数のブレードのうちの１つのブレードの任意の径方向位置における周方向断面であるブレード周方向断面の断面積をａ、
前記１つのブレードの前記ブレード周方向断面よりも外周側に位置する部分であるブレード外周部の質量をｍ、
前記回転軸の回転中心から前記ブレード外周部の重心までの距離をｒ、
前記ブレード周方向断面における応力集中係数をＫｂ、
前記複数のブレードの枚数をＺ、
前記複数の穴部のうち隣接する２つの穴部に挟まれた前記ハブ部の一部である梁部の任意の径方向位置における周方向断面である梁部周方向断面の断面積をＡ、
前記ハブ部を前記回転中心を通る平面でＺ等分した部分のうち前記梁部周方向断面よりも外周側に位置する部分であるハブ外周部の質量をＭ、
前記回転中心から前記１つのブレードと前記ハブ外周部との合成重心までの距離をＲ、
前記梁部周方向断面における応力集中係数をＫｈとした場合、

【数1】

の関係式が成立する
ことを特徴とする推進装置。

【請求項7】

請求項１に記載の推進装置において、
前記ファンを前記回転軸に垂直な平面に投影した場合に、前記複数のブレードのうち隣接する２つのブレードの投影面が重ならない
ことを特徴とする推進装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ドローンや垂直離着陸可能なエアモビリティであるｅＶＴＯＬ（electric Vertical Take-Off and Landing）などと称される飛行体に用いられる推進装置のファン構造に適用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、物流用途向けのドローンや、ｅＶＴＯＬなどの飛行体に注目が集まっている。このような飛行体は、滑走路が不要であることから、市街地での低空飛行を実現できる可能性があり、今後、その市場規模は拡大すると考えられている。

【0003】

このような飛行体の推進装置に搭載されるファン構造に関する背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１の図３および要約には、課題として、「電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制し、飛行体の長寿命化が図れる飛行体を提供する」ことが記載されており、解決手段として、「飛行体（ドローン）は、本体部１１と、本体部１１から伸びる複数のフレーム部１２と、フレーム部１２の先端部に設けられた回転翼（プロペラ）２２および回転翼２２を回転させるモータ２１を有する推進駆動部２０と、推進駆動部２０を駆動するための電気部品ユニットと、回転翼２２の下方においてモータ２１の回転軸に連結され、モータ２１により回転する送風ファン２４と、を備える。フレーム部１２は、内側に空間を有する中空部材であり、当該空間と外部とを連通する複数の給排気口を有し、電気部品ユニットは、フレーム部１２の空間内であって、少なくとも２つの給排気口の間に配置されている。また、送風ファン２４は、外部の空気を、少なくとも１つの給排気口から空間内に取り込む。」ことが記載されている。

【0004】

また、飛行体向けではないが、車両向けのファン構造に関する背景技術として、特許文献２のような技術がある。特許文献２の図２および要約には、課題として、「中央部にボス部を有する送風ファンに対し、ボス部の内部における塵埃の堆積を抑制することができる構成を提供する」ことが記載されており、解決手段として、「送風ファン７のボス部８に、電動モータ６の回転軸６２の延在方向に沿って貫通する通風孔８５を設けると共に、ボス部８において、電動モータ６の回転軸６２に取り付けられる取付部８１と、該取付部８１の外周側に設けられ且つ内部に電動モータ６が配設される筒部８２とをインナ送風ブレード８３で成る結合部によって結合する。」ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１３１７８１号公報

【特許文献2】特開２０１９－１０８８７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

飛行体を市街地で飛ばす場合、推進装置に搭載されるファンの低騒音化が重要となる。ファン騒音の主要因の一つは、翼通過周波数ＢＰＦ（Blade Passing Frequency）と呼ばれるピーク騒音fBPFである。このピーク騒音fBPFを抑制するには、fBPFを、聴力感度が低下する高周波側にシフトさせる案が考えられる。fBPFは、ファンのブレード枚数Ｚと回転数Ｎを用いて、fBPF＝Ｚ・Ｎ/６０で表されるため、fBPFを高周波側へシフトさせるには、ＺまたはＮを大きくすればよい。一方で、ブレード端部周速の高速化による衝撃波を抑制するためには、ファン径を小型化する必要がある。以上より、ファン騒音を低減するためには、小径・高速・複数ブレードのファン構造を開発する必要がある。飛行体には、このようなファンを多数並列させた構造を用いる。

【0007】

次に、課題について説明する。このような小型で複数ブレード型のファン構造の場合、ブレードの根元領域（つまり、ブレードが接続されるハブ部の近傍領域）において、ブレードとブレードが重なることが発生しうる。この場合、ファン回転時に、ブレードの根元領域において、ブレードの上面側から下面側に風が流れず、ファンと同じ回転軸に設置されるモータへの冷却性能が低下することが課題となる。また、上記のようにブレードとブレードの重なりが発生しない場合でも、ファン上面から平面視した場合、ブレードとブレードの投影面が重なることが発生しうる。この場合、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの樹脂材を用いた型成形での製造を想定すると、型を抜くことが困難となるため、量産性に優れた型成形を適用できない点が課題となる。

【0008】

なお、特許文献１の飛行体は、回転翼と送風ファンとが別体で構成されているため、組立性に難がある。一方、特許文献２に記載の送風ファンは、内周側送風ブレードによる送風でモータを冷却することが可能であるが、外周側送風ブレードと回転軸との間を内周側送風ブレードで支持する（ハブ部を有さない）構造であるため、高速回転時の応力負荷に耐えられない（構造信頼性が低い）。

【0009】

そこで、本発明の目的は、ドローンやｅＶＴＯＬなどの飛行体を対象として、複数のブレードおよびハブ部で構成されるファンと、モータとを備える推進装置において、ファンの構造信頼性を確保しつつ、モータの冷却を実現する推進装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明は、モータと、前記モータによって駆動される回転軸と、前記回転軸に取り付けられたファンとを備える推進装置において、前記ファンは、前記回転軸に取り付けられたハブ部と、前記ハブ部の外周に設けられた複数のブレードとを有し、前記ハブ部は、前記ハブ部の周方向に等間隔に配置された複数の穴部を有し、前記複数の穴部の側面の少なくとも一部は、前記回転軸に対して傾斜しているものとする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ドローンやｅＶＴＯＬなどの飛行体を対象として、複数のブレードおよびハブ部で構成されるファンと、モータとを備える推進装置において、ファンの構造信頼性を確保しつつ、モータの冷却を実現する推進装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例１の推進装置に搭載されるファンの上面図。

【図2】図１のＡ－Ｂ断面図。

【図3】実施例１の推進装置の斜視図。

【図4】実施例１の推進装置を適用した飛行体の上面模式図。

【図5】実施例２の推進装置に搭載されるファンの上面図。

【図6】実施例３の推進装置に搭載されるファンの上面図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。各図、各実施例において、同一または類似の構成要素については同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

【実施例0014】

図１は、実施例１の飛行体１８に搭載される推進装置１のファン２の上面図である。図２は、図１中のＡ－Ｂ断面図である。図３は、ファン２とモータ３で構成される推進装置１の斜視図である。図４は、複数の推進装置１を搭載する飛行体１８の上面模式図である。発明者らが検討した結果、実現可能なファン構造案の一つとして、ブレード枚数Ｚ＝１２枚、回転数Ｎ＝４００００ｒｐｍ、ファン径＝１００ｍｍが考えられることがわかっている。以下、この構造を基本構造として説明する。

【0015】

図４に示すように、飛行体１８は、積載部１９、フレーム２０、複数の推進装置１、図示していない制御装置部とで構成されている。推進装置１は、図３に示す通り、ファン２とモータ３とで構成されている。飛行体１８は、背景技術に記載した公知の技術などと同様に、モータ３を駆動させてファン２を回転させることによって、下降気流による揚力を発生させて中空に浮き、飛行する。フレーム２０は、軽量化を目的として、例えばＣＦＲＰの樹脂材などでつくられる。フレーム２０の先端に、複数個の推進装置１を搭載する。課題に記載した通り、本発明のファンは、小型であることを特徴とする。公知のドローンやｅＶＴＯＬでは、一般に、４個の推進装置を設置することが多いが、本発明では、４個よりも多くの推進装置を設置する。図４では、１６個の推進装置１を設置した図を示しているが、これ以外の数量とすることも可能である。

【0016】

図３に示すように、推進装置１は、飛行体１８の飛行のための推力を発生させるユニットであり、回転軸１７上に設置されるモータ３と、モータ３によって回転されるファン２とを備える。モータは、図示しない制御装置によって、回転速度が制御される。

【0017】

図１に示すように、実施例１のファン２は、回転軸１７を中心として、円板形状のハブ部５を有し、そのハブ部５にブレード４が１２枚接続されている。なお、ブレード枚数は１２枚に特定されるものではなく、他の複数枚数も可能である。ファン２の材質は、アルミニウム合金などの金属材料またはＣＦＲＰの樹脂材などである。複数の材料を組み合わせて構成することも可能である。ブレード４は、周方向に対して均等に配置されている。ファン２を上面から平面視した場合、各ブレード４の投影面には重なりが発生していない。

【0018】

ハブ部５には、上下面方向に貫通した複数個の穴部６が設けられている。穴部６は、周方向に均等に配置されている。穴部６と穴部６の間には、梁部１０が形成されている。ファン２は、回転軸１７を中心として、半時計回り方向に回転することによって、推力を発生する。ブレード４は、ブレード前縁７とブレード後縁８とを有する。図２に、図１中のＡ－Ｂ断面図を示す。穴部６および梁部１０を含む周方向の断面図である。穴部６の側面は、図２に示す通り、斜面部１１を有する。回転方向２１と斜面部１１との為す角度は鋭角である。これは、ファン２が回転した際に、穴部６から風を取り込んで、ファン２の下方に設置されるモータ３を冷却するためである。なお、図２では、穴部６の２箇所の側面に斜面部１１を設けているが、一方の側面のみに斜面を設けてもよい。

【0019】

本実施例における穴部６の２つの側面は、回転軸１７の中心軸に対してファン２の回転方向２１側に傾斜している。これにより、ファン２の回転時に穴部６を通過する風量を大きくすることができる。なお、穴部６の側面はファン２の径方向側に傾斜させてもよい。その場合でも、飛行体１８の水平飛行時などに穴部６を介して風を取り込むことが可能となる。ただし、穴部６を通過する風量は、穴部６の側面を回転方向２１側に傾斜させた場合の方がファン２の径方向側に傾斜させた場合よりも顕著に大きくなる。

【0020】

次に、本構造の効果について説明する。図１および２に示す通り、ハブ部５の周方向に、穴部６が設けられており、また、穴部６の側面には、斜面部１１が設けられているため、ファン２が回転した際に、穴部６から風を取り込むことができるため、モータ冷却を実現することができる。また、ファン２を上面から平面視した場合、各ブレード４の投影面には重なりが発生していない。この場合、ＣＦＲＰなどの樹脂材を用いた型成形でのファン製造を想定すると、型を抜くことが可能となるため、量産性に優れた型成形での製造が可能となる。

【0021】

（まとめ）
実施例１では、モータ３と、モータ３によって駆動される回転軸１７と、回転軸１７に取り付けられたファン２とを備える推進装置１において、ファン２は、回転軸１７に取り付けられたハブ部５と、ハブ部５の外周に等間隔に設けられた複数のブレード４とを有し、ハブ部５は、ハブ部５の周方向に等間隔に配置された複数の穴部６を有し、複数の穴部６の側面の少なくとも一部は、回転軸１７の中心軸に対して傾斜している。

【0022】

以上のように構成した実施例１によれば、ハブ部５の外周に複数のブレード４が設けられるため、ファン２の構造信頼性を確保することが可能となる。また、複数の穴部６の側面の少なくとも一部が回転軸１７の中心軸に対して傾斜しているため、ファン２の回転時に穴部６を介してモータ３に風を送り込むことができる。これにより、モータ３の冷却を実現することが可能となる。

【0023】

また、実施例１では、複数の穴部６の側面の少なくとも一部は、回転軸１７の中心軸に対してファン２の回転方向２１側に傾斜している。これにより、ファン２の回転時に穴部６を通過する風量を増加させることができるため、モータ３の冷却性能を向上させることが可能となる。

【0024】

また、実施例１では、複数の穴部６のうち隣接する２つの穴部６に挟まれたハブ部５の一部である梁部１０に発生する応力が、複数のブレード４に発生する応力よりも小さくなるように、ハブ部５の周方向における梁部１０の断面積が設定されている。これにより、ファン２の構造信頼性を向上させることが可能となる。

【0025】

また、実施例１では、ファン２を回転軸１７に垂直な平面に投影した場合に、複数のブレード４のうち隣接する２つのブレード４の投影面が重ならない。これにより、量産性に優れた型成形を適用してファン２を製造することが可能となる。

【実施例0026】

図５は、実施例２の飛行体１８に搭載される推進装置１のファン２の上面図である。なお、ファン２以外の構成は、実施例１（図２～図４に示す）と同じである。

【0027】

図５に示すように、実施例２のファン２は、回転軸１７を中心として、円板形状のハブ部５を有し、そのハブ部５にブレード４が１２枚接続されている。なお、ブレード枚数は１２枚に特定されるものではなく、他の複数枚数も可能である。ファン２の材質は、アルミニウム合金などの金属材料またはＣＦＲＰの樹脂材などである。複数の材料を組み合わせて使用することも可能である。ブレード４は、周方向に対して均等に配置されている。ファン２を上面から平面視した場合、各ブレード４の投影面には重なりが発生していない。

【0028】

ハブ部５には、上下面方向に貫通した穴部６が１２箇所設けられている。穴部６は、周方向に均等に配置されている。穴部６と穴部６の間には、梁部１０が設けられている。ファン２は、回転軸１７を中心として、半時計回り方向に回転することによって、推力を発生する。ブレード４は、ブレード前縁７とブレード後縁８とを有する。図２に、図１中のＡ－Ｂ断面図を示す。穴部６の側面は、図２に示す通り、斜面部１１を有する。回転方向２１と斜面部１１との為す角度は鋭角である。なお、図２では、穴部６の２箇所の側面に斜面部１１を設けているが、一方のみに設けてもよい。これは、ファン２が回転する際に、穴部６から風を取り込んで、ファン２の下方に設置されるモータ３を冷却するためである。

【0029】

また、ブレード根元９が周方向に占める領域であるブレード周方向領域１５は、梁部１０が周方向に占める領域である梁部周方向領域１６と大きく重なっている。すなわち、ファン２を複数のブレード４の枚数で等分した領域ＯＣＤ内に、ブレード４の全体と１つの梁部１０の全体とが収まる。

【0030】

次に、実施例２の効果について説明する。まず、実施例１に示した効果は、実施例２においても同様の効果を有する。その他の効果について説明する。ファン回転時には、ブレード４およびハブ部５に発生する遠心力によって、ブレード４およびハブ部５には変形が発生する。ここで、ブレード４および穴部６の数は同じであり、周方向に等間隔に設置されているため、ブレード４の変形状態は、全て同じ状態となる。ブレード４の変形状態が異なる場合、偏心などによって、ファン回転時に軸振動などが発生する可能性が増加する。しかし、実施例２では、ブレード４の変形状態が同じであるため、その可能性が抑制される。また、実施例２では、ブレード周方向領域１５は、梁部周方向領域１６と大きく重なっている。この場合、ブレード４に発生する遠心力は、梁部１０への引張力となって作用する。もし、周方向に重なっている領域が存在しない場合、ブレード４に起因した遠心力によって、梁部１０には、曲げモーメントが印加されるが、曲げモーメントが作用すると、梁部１０の角部に発生する応力が増大する。しかし、本実施例の場合、曲げモーメントの発生を抑制できるため、梁部１０の角部に発生する応力を抑制でき、ファンの構造信頼性を向上させることが可能である。

【0031】

これらの効果は、穴部６の数を、ブレード４の枚数の整数倍とすることでも実現できる。

【0032】

（まとめ）
実際例２では、ハブ部５は、ハブ部５の周方向に等間隔に配置された複数の穴部６を有し、複数の穴部６の数は、複数のブレード４の枚数の整数倍である。

【0033】

以上のように構成した実施例２によれば、ファン回転時の複数のブレード４の変形状態が同じとなるため、ファン回転時に軸振動などが発生する可能性を抑制することが可能となる。

【0034】

また、実施例２では、ファン２は、複数のブレード４の枚数と複数の穴部６の数とが同数であり、ファン２を複数のブレード４の枚数で等分した領域ＯＣＤ内に、複数のブレード４のうちの１つのブレード４の全体と、複数の穴部６のうち隣接する２つの穴部６に挟まれたハブ部５の一部である梁部１０の全体とが収まる。これにより、梁部１０の角部に発生する応力を抑制できるため、ファン２の構造信頼性を向上させることが可能となる。