(57)【要約】飛行装置は、複数の回転翼と、複数の回転翼の各々の駆動源であり、回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素と、駆動回路部とを含む。電動機要素は、固定子と回転子と一対の軸受とを含む。固定子は、円環状のヨークと円環状のヨークの内側へ突出する複数のトゥースとを含む固定子鉄心と、固定子鉄心の複数のトゥースのそれぞれに巻装される固定子巻線とを含む。回転子は、固定子鉄心の内側に空隙を介して位置し且つ複数のトゥースに対向して位置する円筒状の永久磁石部と、永久磁石部の円筒状の内壁面に内接する回転子ヨーク部と、回転子ヨーク部の軸心に軸止され且つ主軸と接続するシャフトとを含む。一対の軸受は、シャフトを回転自在に軸止するとともに、回転子の回転軸方向の両側にそれぞれ位置する。永久磁石部は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、極数Ｐは偶数であり、永久磁石部の重量より、回転子ヨーク部の重量が小さい構成を含む。駆動回路部は、固定子巻線に通電する固定子電流を制御する。
2018079290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転翼と、前記複数の回転翼の各々の駆動源であり、前記回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素と、駆動回路部とを含む飛行装置であって、
前記電動機要素は、固定子と回転子と一対の軸受とを含み、
前記固定子は、円環状のヨークと前記円環状のヨークの内側へ突出する複数のトゥースとを含む固定子鉄心と、前記固定子鉄心の各前記複数のトゥースのそれぞれに巻装される固定子巻線とを含み、
前記回転子は、前記固定子鉄心の内側に空隙を介して位置し且つ前記複数のトゥースに対向して位置する円筒型の永久磁石部と、前記永久磁石部の円筒型の内壁面に内接する回転子ヨーク部と、前記回転子ヨーク部の軸心に軸止され且つ前記主軸と接続するシャフトとを含み、
前記一対の軸受は、前記シャフトを回転自在に支承するとともに、前記回転子の回転軸方向の両側にそれぞれ位置し、
前記永久磁石部は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、前記極数Ｐは偶数であり、
前記永久磁石部の重量より、前記回転子ヨーク部の重量が小さい構成を含み、前記駆動回路部は、前記固定子巻線に通電する固定子電流を制御する飛行装置。
【請求項２】
前記永久磁石部が含む強磁性体は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド系元素のうち少なくとも１種と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項３】
前記永久磁石部は、密度の下限値が７．４ｇ／ｃｍ３である強磁性体を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項４】
前記永久磁石部の外径をＯｄ、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（１）を満たす、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
【請求項５】
前記永久磁石部の外径をＯｄとするとき、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．８×ｔから１．３×ｔの範囲である、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
【請求項６】
前記永久磁石部の外径をＯｄとするとき、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．７×ｔから１．５×ｔの範囲である、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
【請求項７】
前記極数Ｐは、１０と２４との間の偶数である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項８】
前記極数Ｐは、８と２６との間の偶数である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項９】
前記極数Ｐは、４と３６との間の偶数である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１０】
前記回転子ヨーク部は、少なくとも樹脂材料を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１１】
前記回転子ヨーク部は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１２】
前記永久磁石部は表層に、防錆層を具備する、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１３】
前記固定子巻線は導体に銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）と、複数種の不可避不純物を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１４】
前記回転子と前記固定子との間の径方向における空隙は、０．１ｍｍから２ｍｍの範囲である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１５】
前記電動機要素を収容する電動機要素部外装体を含み、
前記電動機要素部外装体は、少なくとも鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は樹脂材料のいずれかを含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１６】
前記固定子鉄心は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１７】
少なくとも前記複数の軸受の一つは、前記複数の軸受の一つの外輪及び内輪に接するシール、又は、前記外輪に接し且つ前記内輪に非接触であるとともに前記内輪に対して隙間を介して近接するシールを具備する、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１８】
前記永久磁石部の外径をＯｄ、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（２）を満たす、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×Ｐ））・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転翼の駆動源に、電動機要素を具備する飛行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
遊興用玩具又は産業用装置として活用され、遠隔操縦される小型の飛行装置は、１９８０年頃から、具体的事例が頻出する。この小型の飛行装置を遠隔操縦する遠隔操縦装置と、小型の飛行装置との間の制御情報の伝達は、有線通信、電波又は光線による無線通信である。この小型の飛行装置の回転翼の駆動源には、軽量化された内燃機関を用いていた。なお、当該小型の飛行装置の揚力は小さく、人の搭乗や貨物等の重量物の空輸を意図するものでは無く、遠隔操縦される小型の無人機である。【０００３】
近年では、二次電池の小型化及び高性能化によって、小型の飛行装置における回転翼の駆動源に電動機要素を採用し得る技術的発展に至った。この電動機要素には、密閉構造の内転型の電動機、又は非密閉構造の外転型の電動機等を用いる。なお、密閉構造の内転型の電動機は、非密閉構造の外転型の電動機に比べて、自重が重くなる傾向がある。一方、非密閉構造の外転型の電動機においては、密閉構造の内転型の電動機に比べて、埃、粉塵などの異物に対する防塵性に劣る。【０００４】
このように、密閉構造の内転型の電動機、及び非密閉構造の外転型の電動機はいずれも長所・短所を有する。密閉構造の内転型の電動機と非密閉構造の外転型の電動機とのいずれかの選択は、防塵性よりも、自重の軽量化による飛行装置の飛行性能を優先する事例が多い。小型の飛行装置における回転翼の駆動源には、非密閉構造の外転型の電動機を採用するケースが多い。例えば、特許文献１等、及び小型飛行装置の商品説明資料等には、小型飛行装置の回転翼の駆動源に、非密閉構造の外転型の電動機を用いることが明示されている。【０００５】
回転翼の駆動源に、電動機要素を具備する飛行装置を、農業分野に利用する場合は、農薬等の薬液剤の噴霧による薬剤の小滴の飛散によって電動機要素の内部への薬剤付着、又は、粉塵等の再飛散・再浮揚によって、電動機要素の内部に粉塵等が入り込むことに起因する問題がある。更には、海浜地域、又は消雪剤散布地域などで運用される小型飛行装置は、塩水の小滴、海塩又は塩化カルシュウム等の塩類が電動機要素の内部へ付着することによる課題がある。【０００６】
即ち、非密閉構造の外転型の電動機は、密閉構造の内転型の電動機に比べて、薬液剤・塩類・粉塵等が電動機要素の内部に入り込むことなどによる不具合が懸念される。なお、これらの不具合は、外転型の電動機を交換する等のメンテナンスによって解消可能ではあるが、経済性の観点では難点となる。【０００７】
したがって、小型飛行装置の電動機要素には、薬液剤・塩分・粉塵等が電動機要素の内部に入り込むことによる不具合に対して、防塵性に優る密閉構造の内転型の電動機が好適である。【０００８】
しかし、内転型の電動機の回転子及び固定子を構成する材料は、比重７以上の非常に重い部材を含むため、飛行装置の総自重の軽量化を妨げていた。例えば、一般的な表面磁石型の回転子の構造では、シャフト及び回転子鉄心は比重７．６５程度の鉄系合金及び電磁鋼板である。回転子の磁心は、電磁鋼板の積層体であり、この回転子の磁心の最外周に円筒状の磁石が搭載されていた。また、磁石埋込型の回転子では、シャフト及び回転子鉄心は比重７．６５程度の鉄系合金及び電磁鋼板である。電磁鋼板に設けられた孔部に、比重７．５５程度の永久磁石が配置されていた。【０００９】
このように、内転型の電動機において、表面磁石型の回転子及び磁石埋込型の回転子を含む構成では、回転子に磁気回路を構成する必要性に起因して比重の値の大きな電磁鋼板が必須である。このため、内転型の電動機は、自重が増加する傾向が強い。また、飛行装置の総自重の軽量化を妨げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１５−１１０４１３号公報
【発明の概要】
【００１１】
そこで、本発明の目的は、小型飛行装置の更なる高性能化のニーズに資することを意図して、小型飛行装置に適した軽量化を可能とし、且つ密閉構造である内転型の電動機要素を提供することである。
【００１２】
上述の課題を解決するために、本出願の発明者らは、試行錯誤を重ね、鋭意検討を行った。そして、飛行装置に好適な電動機要素を提供する知見を得るに至った。すなわち、密閉構造である内転型の電動機要素においては、回転子に円筒状の永久磁石部を具備させた。その永久磁石部には極異方性の着磁状態とする構成とした。また、シャフトと永久磁石部との間に配置する回転子ヨーク部を軽量化可能な構成とした。その詳細を下記に述べる。
【００１３】
本発明の飛行装置は、複数の回転翼と、複数の回転翼の各々の駆動源であり、回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素と、駆動回路部とを含む。電動機要素は、固定子と回転子と一対の軸受とを含む。固定子は、円環状のヨークと円環状のヨークの内側へ複数のトゥースを含む固定子鉄心と、固定子鉄心の複数のトゥースのそれぞれに巻装される固定子巻線とを含む。回転子は、固定子鉄心の内側に空隙を介して位置し且つ複数のトゥースに対向して位置する円筒状の永久磁石部と、永久磁石部の円筒状の内壁面に内接する回転子ヨーク部と、回転子ヨーク部の軸心に軸止され且つ主軸と接続するシャフトとを含む。一対の軸受は、シャフトを回転自在に軸止するとともに、回転子の回転軸方向の両側にそれぞれ位置する。永久磁石部は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、極数Ｐは偶数であり、前記永久磁石部の重量より、前記回転子ヨーク部の重量が小さい構成を含む。駆動回路部は、固定子巻線に通電する固定子電流を制御する。
【００１４】
このように、本発明は、防塵性が優位であり、且つ軽量化を図った内転型の電動機要素を搭載する飛行装置を提供可能であり、産業的価値の大いなるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の飛行装置の外観を示す図。
【図２】本発明の実施の形態の飛行装置が具備する電動機要素を示す図。
【図３】本発明の実施の形態の飛行装置が具備する電動機要素を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態の電動機要素の永久磁石部を示す平面図。
【図５】本発明の実施の形態の電動機要素の回路ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態では、一例として、防塵性について優位であり、且つ軽量化を図った内転型の電動機要素を搭載する飛行装置を説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態の飛行装置１の外観を示す図である。飛行装置１は、複数の回転翼２の各々の駆動源としての電動機要素３と、固定子巻線に通電する固定子電流を制御する駆動回路部とを含む。また、飛行装置１は、図示しない電力供給源、制御情報交信部、被運搬物搭載部等を含む。例えば、電力供給源から、駆動回路部等へ電力が供給される。電力供給源には、二次電池又は一次電池などを採用する。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態の飛行装置１が具備する電動機要素３を示す図である。図３は、本発明の実施の形態の飛行装置１が具備する電動機要素を示す断面図である。具体的には、図２は、電動機要素３のシャフト６の中心軸の軸線の仮想延長線から、電動機要素３を俯瞰する平面図を描画したものである。電動機要素３は、図２及び図３に示すとおり、固定子１０と、回転子１９と、一対の軸受１４及び電動機要素部外装体１８とを含む。固定子１０は、固定子鉄心４と固定子巻線５を含む。固定子鉄心４は円環状のヨーク２０とティース１３を含む。ティース１３はトゥース１１とトゥース１２からなる。回転子１９は、シャフト６と、回転子ヨーク部７と、永久磁石部８を含む。回転子１９と固定子１０との間の径方向における空隙は、０．１ｍｍから２ｍｍ程度の範囲であり、電動機要素の仕様に応じて適切な空隙の寸法値を選択する。図２に示す永久磁石部８においては、極数Ｐは、１０である。駆動回路部１５、駆動素子１６、及び制御素子１７は、後述する電動機要素の回路において用いられる。
【００１９】
（永久磁石部について）
永久磁石部８を具体的に説明する。図４は、本発明の実施の形態の電動機要素３の永久磁石部８を示す平面図である。永久磁石部８の形状は、円筒状である。永久磁石部８の着磁の状態は、外周面の円周方向にＳ極部とＮ極部とを交互に配置する、極異方性の着磁が施されたものである。矢印９は、Ｓ極部とＮ極部との間の磁束を模式的に表現するものである。円筒状の磁石の筒の厚み寸法ｔは、式（１）によって、算出可能である。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
式（１）の導出について、以下に示す。
【００２０】
Ｏｄは、円筒状の永久磁石部８の外径である。ｔは、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法である。Ｐは、円筒状の永久磁石部８を極異方に着磁する際の極数であり、偶数である。極異方に着磁する場合の円筒状の永久磁石部８は、式（２）の関係を満足することが好ましい。なお、式（１）によるｔの算出値は、後述のとおり、算出方法の簡略化を図っているため、正確な算出値ではなく、概算値である。
（Ｏｄ−Ｉｄ）／２≒π×Ｉｄ／（２×Ｐ）・・・（２）
Ｉｄは、円筒状の永久磁石部８の内径である。式（２）における（Ｏｄ−Ｉｄ）／２は、円筒状の磁石の筒の厚み寸法ｔに相当する。式（２）における（π×Ｉｄ）／（２×Ｐ）は、円筒状の永久磁石部８の内径Ｉｄの内周の長さを極数Ｐの２倍の数で除算した長さ寸法である。式（２）についての別の視点を示す。つまり、極異方性の着磁を施した永久磁石において、磁極間の磁束が円弧状に分布する主要部分が、円筒状の永久磁石部８の外径面から、円筒状の永久磁石部８の内径Ｉｄの内周の長さを極数Ｐの２倍の数で除算した長さ寸法の範囲まで占める、と仮定してモデル化して、円筒状の磁石の筒の厚み寸法ｔを算出するものである。
【００２１】
一方、磁極間の磁束が円弧状に分布する主要部分が、円筒状の永久磁石部８の外径面から、円筒状の永久磁石部８の外径Ｏｄの外周の長さを極数Ｐの２倍の数で除算した長さ寸法の範囲まで占める、と仮定してモデル化しても良い。式（２）の右辺のＩｄをＯｄへと置換することによって、式（３）を得る。式（３）に依れば、円筒状の磁石の筒の厚み寸法が増すこととなり、円筒状の磁石の質量も増すこととなる。
（Ｏｄ−Ｉｄ）／２≒（π×Ｏｄ）／（２×Ｐ）・・・（３）
以下に、式（１）から永久磁石部８の厚み寸法ｔを求める式の導出について記す。
【００２２】
式（２）は、（Ｏｄ−Ｉｄ）／２と（π×Ｉｄ）／（２×Ｐ）とを実質的に等しい、とする。
【００２３】
一方、円筒状の磁石の筒の厚み寸法であるｔは、前述したように、（Ｏｄ−Ｉｄ）／２である。これを式（４）とする。
ｔ＝（Ｏｄ−Ｉｄ）／２・・・（４）
式（４）を、式（５）へ変形する。
Ｉｄ＝Ｏｄ−（２×ｔ）・・・（５）
式（５）を式（２）に代入して、式（６）を得る。
２×ｔ≒π（Ｏｄ−（２×ｔ））／Ｐ・・・（６）
式（６）をさらに、ｔを算出する式に変形すると、式（１）を得る。
（２×ｔ×Ｐ）≒π×Ｏｄ−（２×π×ｔ）
（２×ｔ×Ｐ）＋（２×π×ｔ）≒（π×Ｏｄ）ｔ×（（２×Ｐ）＋（２×π））≒（π×Ｏｄ）
ｔ≒（π×Ｏｄ）／（（２×Ｐ）＋（２×π））
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
なお、式（３）について、式（２）と同様に、永久磁石部８の厚み寸法ｔを求める式に変形すると、式（７）を得る。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×Ｐ））・・・（７）
式（１）と式（７）との差異は、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄへの乗数が、（π／（２×（Ｐ＋π）））であるか、（π／（２×Ｐ））であるかである。
【００２４】
式（１）から示されるように、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄと、円筒状の永久磁石部８を極異方に着磁する際の極数であるＰとから、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔのおおよその値が算出される。
【００２５】
（表１）には、式（１）におけるＯｄに、２０、３０、３８．３、４０、５０及び６０と、式（１）におけるＰに、４から３６までの偶数とを各々組み合わせて代入して算出した、ｔの値を示す。
【００２６】
（表１）においては、評価記号の欄に、以下の観点での評価を示す。
【００２７】
円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄに対して、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔの比率が、１５％程度以上の場合は、永久磁石部８の重量が過剰傾向である。この場合、電動機要素の軽量化には資さないと判断し、評価記号の欄には◇を付す。
【００２８】
また、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄに対して、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔの比率が、５％程度以下の場合は、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔの値が過剰に小さい。このため、円筒状の永久磁石部８の機械的強度が低く、大量生産する際に生産性の観点で課題を伴う。更には、極数が増すほどに良好な極異方性の着磁を施すことへの技術的課題を伴うと判断し、評価記号の欄には△を付す。
【００２９】
評価記号の欄に、◇及び△を付さない極数のケースは、電動機要素の軽量化には資するものと判断し、〇を付す。なお、判断の分かれるケースは、中間的な評価として、評価記号の欄に、〇〜△又は〇〜◇を付す。
【００３０】
このようにして、（表１）には、極数Ｐが２６以上の範囲では、評価記号の欄には△を付す。極数Ｐが６以下の範囲では、評価記号の欄には□を付す。極数Ｐが１０から２２の範囲では、評価記号の欄には〇を付す。極数Ｐが８のケースでは、評価記号の欄には〇〜◇を付す。極数Ｐが２４のケースでは、評価記号の欄には〇〜△を付す。
【００３１】
なお、実際に製造される円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔは、（表１）に示すような算出値ｔが選択されることは少ない。例えば、円筒状の永久磁石部８の製造工程等の製造条件を反映して、式（１）から算出されたｔの値よりも０．８×ｔから１．３×ｔ、又は、０．７×ｔから１．５×ｔ程度の多少増減した実施容易な寸法値を選択する。また、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔは、式（７）から算出されたｔの値を採用しても良い。この場合も、円筒状の永久磁石部８の製造工程等の製造条件を反映して、式（７）から算出されたｔの値よりも０．８×ｔから１．３×ｔ、又は、０．７×ｔから１．５×ｔ程度の多少増減した実施容易な寸法値を選択する。
【００３２】
【表１】
2018079290.tif 000003
【００３３】
（表２）には、Ｏｄ＝３８．３ｍｍ、回転軸方向の寸法ｈ＝１０ｍｍのケースにおける各極数Ｐについて、永久磁石部８、回転子ヨーク部７、回転子１９（永久磁石部８と回転子ヨーク部７）の各々の質量を試算した結果を示す。永久磁石部８の体積、回転子ヨーク部７の体積を各々の極数毎に算出する。これらの体積と密度又は比重との積で、質量が算出されることは言うまでも無く、自明でもある。したがって、詳細な説明は、省略する。なお、永久磁石部８の密度は、７．４ｇ／ｃｍ３として算出している。回転子ヨーク部７を軸通するシャフト６の直径は、６ｍｍである。また、回転子ヨーク部７を構成する樹脂材料の比重は、１．５５として算出している。
【００３４】
（表２）においては、極数Ｐ＝１０の回転子の質量を基準としての回転子の増減量を示す。また、上述の評価記号の評価を援用し、再掲する。
【００３５】
回転子（永久磁石部８と回転子ヨーク部７）の質量は、（表２）に示すとおり、極数Ｐ＝１０のケースにおいて、４６．４ｇである。
【００３６】
比較のために、極数Ｐ＝１０のケースにおいて、ラジアル配向の磁石を具備する表面磁石型の回転子の場合について、上述と同様の試算を行う。試算による表面磁石型の回転子の質量は、１００ｇほどであり、本実施の形態の回転子に比べて、約２倍の質量となる。この差の主な要因は、本実施の形態における回転子ヨーク部７が樹脂材料で形成されているのに対して、表面磁石型の回転子の場合には、回転子ヨーク部７に、電磁鋼板が用いられているためである。電磁鋼板を用いる理由は、本実施の形態の回転子によって得られる電動機要素の特性（トルクなど）と実質的に同程度の特性（トルクなど）を得るためには、表面磁石型の回転子内部に電磁鋼板等によって構成される磁気回路を設けることを要するからである。
【００３７】
同じく、比較のために、極数Ｐ＝１０のケースにおいて、電磁鋼板の積層体に磁石埋設孔を具備し、この磁石埋設孔に磁石を配置する、ＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｍｏｔｏｒ）の回転子について、上述と同様の試算を行う。試算によるＩＰＭモータの回転子の質量は、８０ｇほどであり、本実施の形態の回転子に比べて、約１．７倍の質量となる。この差の主な要因は、本実施の形態における回転子ヨーク部７が樹脂材料で形成されているのに対して、ＩＰＭモータの回転子の場合には、ＩＰＭモータの回転子全体がほぼ電磁鋼板によって占められ、磁石埋設孔に磁石が配置されることである。電磁鋼板を用いる理由は、本実施の形態の回転子によって得られる電動機要素の特性（トルクなど）と実質的に同程度の電動機要素の特性（トルクなど）を得るためには、マグネットトルクと、リラクタンストルクとを生むための電磁鋼板による磁気回路を要するからである。
【００３８】
このように、本実施の形態に係る電動機要素の回転子は、表面磁石型の回転子又はＩＰＭモータの回転子に比べて、飛行装置の軽量化を図るのに好適な構成であることが解る。
【００３９】
【表２】
2018079290.tif 000004
【００４０】
（表３）には、回転軸方向の寸法ｈ＝１０ｍｍとして、円筒状の永久磁石部８の質量を算出した結果を示す。（表３）において、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄの寸法値は、６０ｍｍ、５０ｍｍ、４０ｍｍ、３８．３ｍｍ、３０ｍｍ及び２０ｍｍである。円筒状の永久磁石部８を極異方に着磁する際の極数であるＰは、４、８、１０、２２、２４、２６及び３６である。永久磁石部８の体積を、各々の極数及び各々の外径毎に算出する。（表２）と同様に、円筒状の永久磁石部８の質量は、体積と密度との積で、算出されることは言うまでも無く、自明でもある。したがって、詳細な説明は、省略する。
【００４１】
なお、永久磁石部８の密度は、７．４ｇ／ｃｍ３として算出している。（表３）においては、（表１）に記す評価記号の欄の内容を援用し、再掲する。（表３）に示す円筒状の永久磁石部８の質量についての定性的傾向から、電動機要素自体の重量（質量）は、円筒状の永久磁石部８の外径の増加に伴って、増すことが解る。一方、電動機要素の出力を増す方法は、自明なことであるが、電動機要素における固定子及び回転子の外形寸法を増すことである。
【００４２】
【表３】
2018079290.tif 000005
【００４３】
電動機要素の出力を増すには、例えば、円筒状の永久磁石部８の外径Ｏｄを増す、又は、円筒状の永久磁石部８の回転軸方向の寸法ｈを増す。なお、外径Ｏｄ又は回転軸方向の寸法ｈのいずれを増した方が、ベターであるかは、仕様毎に様相が一様ではなく、ケース・バイ・ケースである。電動機要素の出力の軽微な調整方法は、円筒状の永久磁石部８の回転軸方向の寸法ｈを調整する方法が、簡便であり、多用される。
【００４４】
（電動機要素について）
本実施の形態における電動機要素３の各構成要素の材料を以下に示す。
【００４５】
固定子鉄心４の材質は、３５Ｈ３００と呼称される電磁鋼板である。電磁鋼板は、主成分として、Ｆｅ及びＳｉを含み、副成分としては特に限定されない。電磁鋼板は、特定し得ない不可避不純物を含む。固定子巻線５は、導体部と、導体部を絶縁材にて被覆する被覆層を具備する。絶縁材は、ポリウレタン、ポリエステル、及びポリエステルイミドなどから好適な材料が選択される。導体部は、主成分として銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）を含み、更に複数種の不可避不純物を含む。
【００４６】
永久磁石部８の成分は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド系元素のうち少なくとも１種と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを含む。永久磁石部８の成分は、コバルト（Ｃｏ）を含んでも良い。永久磁石部８は、具体的には、希土類焼結磁石であり、所謂、ネオジム焼結磁石又はネオジウム焼結磁石などと呼称されるものである。この希土類焼結磁石の表層には、防錆のための防錆膜（防錆層）を具備する。本実施の形態における希土類焼結磁石は、その密度が７．４ｇ／ｃｍ３のものを搭載したが、これに限らず密度が７．３ｇ／ｃｍ３〜７．７ｇ／ｃｍ３の範囲の希土類焼結磁石でも良い。
【００４７】
回転子ヨーク部７の材料は、ガラスフィラーを３０重量％含有するＰＢＴ（Ｐｏｌｙ  Ｂｕｔｙｌｅｎｅ  Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂（比重は１．５５）を用いる。しかし、回転子ヨーク部７の材料は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は樹脂材料のいずれかを含み、技術的仕様に基づく強度及び軽量化を満たす材料であれば良く、特に限定されない。また、樹脂材料に関しては、上述のＰＢＴ樹脂のみに限定するものではなく、技術的仕様に基づく強度及び軽量化を満たす樹脂材料であれば良く、特に限定されない。
【００４８】
同様に、電動機要素部外装体の成分は、少なくとも鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は樹脂材料のいずれでも良く、特に限定されない。また、樹脂材料に関しては、上述のＰＢＴ樹脂のみに限定するものではなく、技術的仕様に基づく強度及び軽量化を満たす樹脂材料であれば良く、特に限定されない。
【００４９】
軸受１４は、電動機要素３の防塵性を高め、且つ電動機要素３の出力向上を図るために、軸受の外輪及び内輪に接するシール３０を具備しても良い。また、軸受の外輪に接し、且つ内輪に非接触であるとともに、近接するシール３０を具備する軸受でも良い。
【００５０】
図５は、本発明の実施の形態の電動機要素３の回路ブロック図である。
【００５１】
飛行装置１の本体の内部に位置する直流電源２６から供給される電力は、電源接続体２５を介して、電動機要素３が有する各回路に供給される。
【００５２】
電動機要素３は、供給された電力を導く、複数の配線部２２を有する。一部の配線部２２は、供給された電力を、駆動コイルである固定子巻線５に導く。
【００５３】
他の一部の配線部２２は、供給された電力を、磁極検知素子２４、制御素子１７、駆動素子１６、および、その他の回路素子を含む制御部２１に導く。
【００５４】
以上のように、本実施の形態の飛行装置１は、複数の回転翼２と、複数の回転翼２の各々の駆動源であり、回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素３と、駆動回路部１５とを含む。電動機要素３は、固定子１０と回転子１９と一対の軸受１４とを含む。固定子１０は、円環状のヨーク２０と円環状のヨーク２０の内側へ突出する複数のトゥース１１，１２とを含む固定子鉄心４と、固定子鉄心４の複数のトゥース１１，１２のそれぞれに巻装される固定子巻線５とを含む。回転子１９は、固定子鉄心４の内側に空隙を介して位置し且つ複数のトゥース１１，１２に対向して位置する円筒状の永久磁石部８と、永久磁石部８の円筒状の内壁面に内接する回転子ヨーク部７と、回転子ヨーク部７の軸心に軸止され且つ主軸と接続するシャフト６とを含む。一対の軸受１４は、シャフト６を回転自在に軸止するとともに、回転子１９の回転軸方向の両側にそれぞれ位置する。永久磁石部８は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、極数Ｐは偶数であり、永久磁石部８の重量より、回転子ヨーク部７の重量が小さい構成を含む。駆動回路部１５は、固定子巻線５に通電する固定子電流を制御する。
【００５５】
これにより、防塵性が優位であり、且つ軽量化を図った内転型の電動機要素を搭載する飛行装置を提供可能である。
【００５６】
また、永久磁石部８が含む強磁性体は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド系元素のうち少なくとも１種と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを含んでもよい。
【００５７】
また、永久磁石部８は、密度の下限値が７．４ｇ／ｃｍ３である強磁性体を含むことが好ましい。
【００５８】
また、永久磁石部８の外径をＯｄとするとき、永久磁石部８の外径の半径値と永久磁石部８の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．７×ｔから１．５×ｔの範囲であることが好ましい。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
また、径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．８×ｔから１．３×ｔの範囲であることがより好ましい。
【００５９】
また、径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（１）を満たすことがさらに好ましい。
【００６０】
また、極数Ｐは、４と３６との間の偶数であることが好ましい。
【００６１】
また、極数Ｐは、８と２６との間の偶数であることがより好ましい。
【００６２】
また、極数Ｐは、１０と２４との間の偶数であることがさらに好ましい。
【００６３】
また、回転子ヨーク部７は、少なくとも樹脂材料を含んでもよい。
【００６４】
また、回転子ヨーク部７は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）を含んでもよい。
【００６５】
また、永久磁石部８は表層に、防錆層を具備してもよい。
【００６６】
また、固定子巻線５は導体に銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）と、複数種の不可避不純物を含んでもよい。
【００６７】
また、回転子１９と固定子１０との間の径方向における空隙は、０．１ｍｍから２ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００６８】
また、電動機要素３を収容する電動機要素部外装体１８を含み、電動機要素部外装体１８は、少なくとも鉄Ｆｅ、マグネシウムＭｇ、アルミニウムＡｌ、銅Ｃｕ又は樹脂材料のいずれかを含むことが好ましい。
【００６９】
また、固定子鉄心４は、少なくとも鉄Ｆｅ及びケイ素Ｓｉを含むことが好ましい。
【００７０】
また、少なくとも一対の軸受１４の一つは、一対の軸受１４の一つの外輪及び内輪に接するシール３０、又は、外輪に接し且つ内輪に非接触であるとともに内輪に対して隙間を介して近接するシール３０を具備してもよい。
【００７１】
また、永久磁石部８の外径をＯｄ、永久磁石部８の外径の半径値と永久磁石部８の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（２）を満たすことが好ましい。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×Ｐ））・・・（２）
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係る飛行装置は、密閉構造で軽量なため、信頼性の高い飛行装置を提供可能にする。
【符号の説明】
【００７３】
１  飛行装置
２  回転翼
３  電動機要素
４  固定子鉄心
５  固定子巻線
６  シャフト
７  回転子ヨーク部
８  永久磁石部
９  矢印
１０  固定子
１１  トゥース
１２  トゥース
１３  ティース
１４  軸受
１５  駆動回路部
１６  駆動素子
１７  制御素子
１８  電動機要素部外装体
１９  回転子
２０  ヨーク
２１  制御部
２２  配線部
２４  磁極検知素子
２５  電源接続体
２６  直流電源
３０  シール
【図１】
2018079290.tif 000006
【図２】
2018079290.tif 000007
【図３】
2018079290.tif 000008
【図４】
2018079290.tif 000009
【図５】
2018079290.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月4日(2019.4.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転翼の駆動源に、電動機要素を具備する飛行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
遊興用玩具又は産業用装置として活用され、遠隔操縦される小型の飛行装置は、１９８０年頃から、具体的事例が頻出する。この小型の飛行装置を遠隔操縦する遠隔操縦装置と、小型の飛行装置との間の制御情報の伝達は、有線通信、電波又は光線による無線通信である。この小型の飛行装置の回転翼の駆動源には、軽量化された内燃機関を用いていた。なお、当該小型の飛行装置の揚力は小さく、人の搭乗や貨物等の重量物の空輸を意図するものでは無く、遠隔操縦される小型の無人機である。
【０００３】
近年では、二次電池の小型化及び高性能化によって、小型の飛行装置における回転翼の駆動源に電動機要素を採用し得る技術的発展に至った。この電動機要素には、密閉構造の内転型の電動機、又は非密閉構造の外転型の電動機等を用いる。なお、密閉構造の内転型の電動機は、非密閉構造の外転型の電動機に比べて、自重が重くなる傾向がある。一方、非密閉構造の外転型の電動機においては、密閉構造の内転型の電動機に比べて、埃、粉塵などの異物に対する防塵性に劣る。
【０００４】
このように、密閉構造の内転型の電動機、及び非密閉構造の外転型の電動機はいずれも長所・短所を有する。密閉構造の内転型の電動機と非密閉構造の外転型の電動機とのいずれかの選択は、防塵性よりも、自重の軽量化による飛行装置の飛行性能を優先する事例が多い。小型の飛行装置における回転翼の駆動源には、非密閉構造の外転型の電動機を採用するケースが多い。例えば、特許文献１等、及び小型飛行装置の商品説明資料等には、小型飛行装置の回転翼の駆動源に、非密閉構造の外転型の電動機を用いることが明示されている。
【０００５】
回転翼の駆動源に、電動機要素を具備する飛行装置を、農業分野に利用する場合は、農薬等の薬液剤の噴霧による薬剤の小滴の飛散によって電動機要素の内部への薬剤付着、又は、粉塵等の再飛散・再浮揚によって、電動機要素の内部に粉塵等が入り込むことに起因する問題がある。更には、海浜地域、又は消雪剤散布地域などで運用される小型飛行装置は、塩水の小滴、海塩又は塩化カルシュウム等の塩類が電動機要素の内部へ付着することによる課題がある。
【０００６】
即ち、非密閉構造の外転型の電動機は、密閉構造の内転型の電動機に比べて、薬液剤・塩類・粉塵等が電動機要素の内部に入り込むことなどによる不具合が懸念される。なお、これらの不具合は、外転型の電動機を交換する等のメンテナンスによって解消可能ではあるが、経済性の観点では難点となる。
【０００７】
したがって、小型飛行装置の電動機要素には、薬液剤・塩分・粉塵等が電動機要素の内部に入り込むことによる不具合に対して、防塵性に優る密閉構造の内転型の電動機が好適である。
【０００８】
しかし、内転型の電動機の回転子及び固定子を構成する材料は、比重７以上の非常に重い部材を含むため、飛行装置の総自重の軽量化を妨げていた。例えば、一般的な表面磁石型の回転子の構造では、シャフト及び回転子鉄心は比重７．６５程度の鉄系合金及び電磁鋼板である。回転子の磁心は、電磁鋼板の積層体であり、この回転子の磁心の最外周に円筒状の磁石が搭載されていた。また、磁石埋込型の回転子では、シャフト及び回転子鉄心は比重７．６５程度の鉄系合金及び電磁鋼板である。電磁鋼板に設けられた孔部に、比重７．５５程度の永久磁石が配置されていた。
【０００９】
このように、内転型の電動機において、表面磁石型の回転子及び磁石埋込型の回転子を含む構成では、回転子に磁気回路を構成する必要性に起因して比重の値の大きな電磁鋼板が必須である。このため、内転型の電動機は、自重が増加する傾向が強い。また、飛行装置の総自重の軽量化を妨げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１５−１１０４１３号公報
【発明の概要】
【００１１】
そこで、本発明の目的は、小型飛行装置の更なる高性能化のニーズに資することを意図して、小型飛行装置に適した軽量化を可能とし、且つ密閉構造である内転型の電動機要素を提供することである。
【００１２】
上述の課題を解決するために、本出願の発明者らは、試行錯誤を重ね、鋭意検討を行った。そして、飛行装置に好適な電動機要素を提供する知見を得るに至った。すなわち、密閉構造である内転型の電動機要素においては、回転子に円筒状の永久磁石部を具備させた。その永久磁石部には極異方性の着磁状態とする構成とした。また、シャフトと永久磁石部との間に配置する回転子ヨーク部を軽量化可能な構成とした。その詳細を下記に述べる。
【００１３】
本発明の飛行装置は、複数の回転翼と、複数の回転翼の各々の駆動源であり、回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素と、駆動回路部とを含む。電動機要素は、固定子と回転子と一対の軸受とを含む。固定子は、円環状のヨークと円環状のヨークの内側へ複数のトゥースを含む固定子鉄心と、固定子鉄心の複数のトゥースのそれぞれに巻装される固定子巻線とを含む。回転子は、固定子鉄心の内側に空隙を介して位置し且つ複数のトゥースに対向して位置する円筒状の永久磁石部と、永久磁石部の円筒状の内壁面に内接する回転子ヨーク部と、回転子ヨーク部の軸心に軸止され且つ主軸と接続するシャフトとを含む。一対の軸受は、シャフトを回転自在に軸止するとともに、回転子の回転軸方向の両側にそれぞれ位置する。永久磁石部は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、極数Ｐは偶数であり、前記永久磁石部の重量より、前記回転子ヨーク部の重量が小さい構成を含む。駆動回路部は、固定子巻線に通電する固定子電流を制御する。
【００１４】
このように、本発明は、防塵性が優位であり、且つ軽量化を図った内転型の電動機要素を搭載する飛行装置を提供可能であり、産業的価値の大いなるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の飛行装置の外観を示す図。
【図２】本発明の実施の形態の飛行装置が具備する電動機要素を示す図。
【図３】本発明の実施の形態の飛行装置が具備する電動機要素を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態の電動機要素の永久磁石部を示す平面図。
【図５】本発明の実施の形態の電動機要素の回路ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態では、一例として、防塵性について優位であり、且つ軽量化を図った内転型の電動機要素を搭載する飛行装置を説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態の飛行装置１の外観を示す図である。飛行装置１は、複数の回転翼２の各々の駆動源としての電動機要素３と、固定子巻線に通電する固定子電流を制御する駆動回路部とを含む。また、飛行装置１は、図示しない電力供給源、制御情報交信部、被運搬物搭載部等を含む。例えば、電力供給源から、駆動回路部等へ電力が供給される。電力供給源には、二次電池又は一次電池などを採用する。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態の飛行装置１が具備する電動機要素３を示す図である。図３は、本発明の実施の形態の飛行装置１が具備する電動機要素を示す断面図である。具体的には、図２は、電動機要素３のシャフト６の中心軸の軸線の仮想延長線から、電動機要素３を俯瞰する平面図を描画したものである。電動機要素３は、図２及び図３に示すとおり、固定子１０と、回転子１９と、一対の軸受１４及び電動機要素部外装体１８とを含む。固定子１０は、固定子鉄心４と固定子巻線５を含む。固定子鉄心４は円環状のヨーク２０とティース１３を含む。ティース１３はトゥース１１とトゥース１２からなる。回転子１９は、シャフト６と、回転子ヨーク部７と、永久磁石部８を含む。回転子１９と固定子１０との間の径方向における空隙は、０．１ｍｍから２ｍｍ程度の範囲であり、電動機要素の仕様に応じて適切な空隙の寸法値を選択する。図２に示す永久磁石部８においては、極数Ｐは、１０である。駆動回路部１５、駆動素子１６、及び制御素子１７は、後述する電動機要素の回路において用いられる。
【００１９】
（永久磁石部について）
永久磁石部８を具体的に説明する。図４は、本発明の実施の形態の電動機要素３の永久磁石部８を示す平面図である。永久磁石部８の形状は、円筒状である。永久磁石部８の着磁の状態は、外周面の円周方向にＳ極部とＮ極部とを交互に配置する、極異方性の着磁が施されたものである。矢印９は、Ｓ極部とＮ極部との間の磁束を模式的に表現するものである。円筒状の磁石の筒の厚み寸法ｔは、式（１）によって、算出可能である。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
式（１）の導出について、以下に示す。
【００２０】
Ｏｄは、円筒状の永久磁石部８の外径である。ｔは、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法である。Ｐは、円筒状の永久磁石部８を極異方に着磁する際の極数であり、偶数である。極異方に着磁する場合の円筒状の永久磁石部８は、式（２）の関係を満足することが好ましい。なお、式（１）によるｔの算出値は、後述のとおり、算出方法の簡略化を図っているため、正確な算出値ではなく、概算値である。
（Ｏｄ−Ｉｄ）／２≒π×Ｉｄ／（２×Ｐ）・・・（２）
Ｉｄは、円筒状の永久磁石部８の内径である。式（２）における（Ｏｄ−Ｉｄ）／２は、円筒状の磁石の筒の厚み寸法ｔに相当する。式（２）における（π×Ｉｄ）／（２×Ｐ）は、円筒状の永久磁石部８の内径Ｉｄの内周の長さを極数Ｐの２倍の数で除算した長さ寸法である。式（２）についての別の視点を示す。つまり、極異方性の着磁を施した永久磁石において、磁極間の磁束が円弧状に分布する主要部分が、円筒状の永久磁石部８の外径面から、円筒状の永久磁石部８の内径Ｉｄの内周の長さを極数Ｐの２倍の数で除算した長さ寸法の範囲まで占める、と仮定してモデル化して、円筒状の磁石の筒の厚み寸法ｔを算出するものである。
【００２１】
一方、磁極間の磁束が円弧状に分布する主要部分が、円筒状の永久磁石部８の外径面から、円筒状の永久磁石部８の外径Ｏｄの外周の長さを極数Ｐの２倍の数で除算した長さ寸法の範囲まで占める、と仮定してモデル化しても良い。式（２）の右辺のＩｄをＯｄへと置換することによって、式（３）を得る。式（３）に依れば、円筒状の磁石の筒の厚み寸法が増すこととなり、円筒状の磁石の質量も増すこととなる。
（Ｏｄ−Ｉｄ）／２≒（π×Ｏｄ）／（２×Ｐ）・・・（３）
以下に、式（１）から永久磁石部８の厚み寸法ｔを求める式の導出について記す。
【００２２】
式（２）は、（Ｏｄ−Ｉｄ）／２と（π×Ｉｄ）／（２×Ｐ）とを実質的に等しい、とする。
【００２３】
一方、円筒状の磁石の筒の厚み寸法であるｔは、前述したように、（Ｏｄ−Ｉｄ）／２である。これを式（４）とする。
ｔ＝（Ｏｄ−Ｉｄ）／２・・・（４）
式（４）を、式（５）へ変形する。
Ｉｄ＝Ｏｄ−（２×ｔ）・・・（５）
式（５）を式（２）に代入して、式（６）を得る。
２×ｔ≒π（Ｏｄ−（２×ｔ））／Ｐ・・・（６）
式（６）をさらに、ｔを算出する式に変形すると、式（１）を得る。
（２×ｔ×Ｐ）≒π×Ｏｄ−（２×π×ｔ）
（２×ｔ×Ｐ）＋（２×π×ｔ）≒（π×Ｏｄ）ｔ×（（２×Ｐ）＋（２×π））≒（π×Ｏｄ）
ｔ≒（π×Ｏｄ）／（（２×Ｐ）＋（２×π））
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
なお、式（３）について、式（２）と同様に、永久磁石部８の厚み寸法ｔを求める式に変形すると、式（７）を得る。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×Ｐ））・・・（７）
式（１）と式（７）との差異は、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄへの乗数が、（π／（２×（Ｐ＋π）））であるか、（π／（２×Ｐ））であるかである。
【００２４】
式（１）から示されるように、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄと、円筒状の永久磁石部８を極異方に着磁する際の極数であるＰとから、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔのおおよその値が算出される。
【００２５】
（表１）には、式（１）におけるＯｄに、２０、３０、３８．３、４０、５０及び６０と、式（１）におけるＰに、４から３６までの偶数とを各々組み合わせて代入して算出した、ｔの値を示す。
【００２６】
（表１）においては、評価記号の欄に、以下の観点での評価を示す。
【００２７】
円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄに対して、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔの比率が、１５％程度以上の場合は、永久磁石部８の重量が過剰傾向である。この場合、電動機要素の軽量化には資さないと判断し、評価記号の欄には◇を付す。
【００２８】
また、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄに対して、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔの比率が、５％程度以下の場合は、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔの値が過剰に小さい。このため、円筒状の永久磁石部８の機械的強度が低く、大量生産する際に生産性の観点で課題を伴う。更には、極数が増すほどに良好な極異方性の着磁を施すことへの技術的課題を伴うと判断し、評価記号の欄には△を付す。
【００２９】
評価記号の欄に、◇及び△を付さない極数のケースは、電動機要素の軽量化には資するものと判断し、〇を付す。なお、判断の分かれるケースは、中間的な評価として、評価記号の欄に、〇〜△又は〇〜◇を付す。
【００３０】
このようにして、（表１）には、極数Ｐが２６以上の範囲では、評価記号の欄には△を付す。極数Ｐが６以下の範囲では、評価記号の欄には□を付す。極数Ｐが１０から２２の範囲では、評価記号の欄には〇を付す。極数Ｐが８のケースでは、評価記号の欄には〇〜◇を付す。極数Ｐが２４のケースでは、評価記号の欄には〇〜△を付す。
【００３１】
なお、実際に製造される円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔは、（表１）に示すような算出値ｔが選択されることは少ない。例えば、円筒状の永久磁石部８の製造工程等の製造条件を反映して、式（１）から算出されたｔの値よりも０．８×ｔから１．３×ｔ、又は、０．７×ｔから１．５×ｔ程度の多少増減した実施容易な寸法値を選択する。また、円筒状の永久磁石部８の径方向厚み寸法であるｔは、式（７）から算出されたｔの値を採用しても良い。この場合も、円筒状の永久磁石部８の製造工程等の製造条件を反映して、式（７）から算出されたｔの値よりも０．８×ｔから１．３×ｔ、又は、０．７×ｔから１．５×ｔ程度の多少増減した実施容易な寸法値を選択する。
【００３２】
【表１】
2018079290.tif 000011
【００３３】
（表２）には、Ｏｄ＝３８．３ｍｍ、回転軸方向の寸法ｈ＝１０ｍｍのケースにおける各極数Ｐについて、永久磁石部８、回転子ヨーク部７、回転子１９（永久磁石部８と回転子ヨーク部７）の各々の質量を試算した結果を示す。永久磁石部８の体積、回転子ヨーク部７の体積を各々の極数毎に算出する。これらの体積と密度又は比重との積で、質量が算出されることは言うまでも無く、自明でもある。したがって、詳細な説明は、省略する。なお、永久磁石部８の密度は、７．４ｇ／ｃｍ３として算出している。回転子ヨーク部７を軸通するシャフト６の直径は、６ｍｍである。また、回転子ヨーク部７を構成する樹脂材料の比重は、１．５５として算出している。
【００３４】
（表２）においては、極数Ｐ＝１０の回転子の質量を基準としての回転子の増減量を示す。また、上述の評価記号の評価を援用し、再掲する。
【００３５】
回転子（永久磁石部８と回転子ヨーク部７）の質量は、（表２）に示すとおり、極数Ｐ＝１０のケースにおいて、４６．４ｇである。
【００３６】
比較のために、極数Ｐ＝１０のケースにおいて、ラジアル配向の磁石を具備する表面磁石型の回転子の場合について、上述と同様の試算を行う。試算による表面磁石型の回転子の質量は、１００ｇほどであり、本実施の形態の回転子に比べて、約２倍の質量となる。この差の主な要因は、本実施の形態における回転子ヨーク部７が樹脂材料で形成されているのに対して、表面磁石型の回転子の場合には、回転子ヨーク部７に、電磁鋼板が用いられているためである。電磁鋼板を用いる理由は、本実施の形態の回転子によって得られる電動機要素の特性（トルクなど）と実質的に同程度の特性（トルクなど）を得るためには、表面磁石型の回転子内部に電磁鋼板等によって構成される磁気回路を設けることを要するからである。
【００３７】
同じく、比較のために、極数Ｐ＝１０のケースにおいて、電磁鋼板の積層体に磁石埋設孔を具備し、この磁石埋設孔に磁石を配置する、ＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｍｏｔｏｒ）の回転子について、上述と同様の試算を行う。試算によるＩＰＭモータの回転子の質量は、８０ｇほどであり、本実施の形態の回転子に比べて、約１．７倍の質量となる。この差の主な要因は、本実施の形態における回転子ヨーク部７が樹脂材料で形成されているのに対して、ＩＰＭモータの回転子の場合には、ＩＰＭモータの回転子全体がほぼ電磁鋼板によって占められ、磁石埋設孔に磁石が配置されることである。電磁鋼板を用いる理由は、本実施の形態の回転子によって得られる電動機要素の特性（トルクなど）と実質的に同程度の電動機要素の特性（トルクなど）を得るためには、マグネットトルクと、リラクタンストルクとを生むための電磁鋼板による磁気回路を要するからである。
【００３８】
このように、本実施の形態に係る電動機要素の回転子は、表面磁石型の回転子又はＩＰＭモータの回転子に比べて、飛行装置の軽量化を図るのに好適な構成であることが解る。
【００３９】
【表２】
2018079290.tif 000012
【００４０】
（表３）には、回転軸方向の寸法ｈ＝１０ｍｍとして、円筒状の永久磁石部８の質量を算出した結果を示す。（表３）において、円筒状の永久磁石部８の外径であるＯｄの寸法値は、６０ｍｍ、５０ｍｍ、４０ｍｍ、３８．３ｍｍ、３０ｍｍ及び２０ｍｍである。円筒状の永久磁石部８を極異方に着磁する際の極数であるＰは、４、８、１０、２２、２４、２６及び３６である。永久磁石部８の体積を、各々の極数及び各々の外径毎に算出する。（表２）と同様に、円筒状の永久磁石部８の質量は、体積と密度との積で、算出されることは言うまでも無く、自明でもある。したがって、詳細な説明は、省略する。
【００４１】
なお、永久磁石部８の密度は、７．４ｇ／ｃｍ３として算出している。（表３）においては、（表１）に記す評価記号の欄の内容を援用し、再掲する。（表３）に示す円筒状の永久磁石部８の質量についての定性的傾向から、電動機要素自体の重量（質量）は、円筒状の永久磁石部８の外径の増加に伴って、増すことが解る。一方、電動機要素の出力を増す方法は、自明なことであるが、電動機要素における固定子及び回転子の外形寸法を増すことである。
【００４２】
【表３】
2018079290.tif 000013
【００４３】
電動機要素の出力を増すには、例えば、円筒状の永久磁石部８の外径Ｏｄを増す、又は、円筒状の永久磁石部８の回転軸方向の寸法ｈを増す。なお、外径Ｏｄ又は回転軸方向の寸法ｈのいずれを増した方が、ベターであるかは、仕様毎に様相が一様ではなく、ケース・バイ・ケースである。電動機要素の出力の軽微な調整方法は、円筒状の永久磁石部８の回転軸方向の寸法ｈを調整する方法が、簡便であり、多用される。
【００４４】
（電動機要素について）
本実施の形態における電動機要素３の各構成要素の材料を以下に示す。
【００４５】
固定子鉄心４の材質は、３５Ｈ３００と呼称される電磁鋼板である。電磁鋼板は、主成分として、Ｆｅ及びＳｉを含み、副成分としては特に限定されない。電磁鋼板は、特定し得ない不可避不純物を含む。固定子巻線５は、導体部と、導体部を絶縁材にて被覆する被覆層を具備する。絶縁材は、ポリウレタン、ポリエステル、及びポリエステルイミドなどから好適な材料が選択される。導体部は、主成分として銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）を含み、更に複数種の不可避不純物を含む。
【００４６】
永久磁石部８の成分は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド系元素のうち少なくとも１種と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを含む。永久磁石部８の成分は、コバルト（Ｃｏ）を含んでも良い。永久磁石部８は、具体的には、希土類焼結磁石であり、所謂、ネオジム焼結磁石又はネオジウム焼結磁石などと呼称されるものである。この希土類焼結磁石の表層には、防錆のための防錆膜（防錆層）を具備する。本実施の形態における希土類焼結磁石は、その密度が７．４ｇ／ｃｍ３のものを搭載したが、これに限らず密度が７．３ｇ／ｃｍ３〜７．７ｇ／ｃｍ３の範囲の希土類焼結磁石でも良い。
【００４７】
回転子ヨーク部７の材料は、ガラスフィラーを３０重量％含有するＰＢＴ（Ｐｏｌｙ  Ｂｕｔｙｌｅｎｅ  Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂（比重は１．５５）を用いる。しかし、回転子ヨーク部７の材料は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は樹脂材料のいずれかを含み、技術的仕様に基づく強度及び軽量化を満たす材料であれば良く、特に限定されない。また、樹脂材料に関しては、上述のＰＢＴ樹脂のみに限定するものではなく、技術的仕様に基づく強度及び軽量化を満たす樹脂材料であれば良く、特に限定されない。
【００４８】
同様に、電動機要素部外装体の成分は、少なくとも鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は樹脂材料のいずれでも良く、特に限定されない。また、樹脂材料に関しては、上述のＰＢＴ樹脂のみに限定するものではなく、技術的仕様に基づく強度及び軽量化を満たす樹脂材料であれば良く、特に限定されない。
【００４９】
軸受１４は、電動機要素３の防塵性を高め、且つ電動機要素３の出力向上を図るために、軸受の外輪及び内輪に接するシール３０を具備しても良い。また、軸受の外輪に接し、且つ内輪に非接触であるとともに、近接するシール３０を具備する軸受でも良い。
【００５０】
図５は、本発明の実施の形態の電動機要素３の回路ブロック図である。
【００５１】
飛行装置１の本体の内部に位置する直流電源２６から供給される電力は、電源接続体２５を介して、電動機要素３が有する各回路に供給される。
【００５２】
電動機要素３は、供給された電力を導く、複数の配線部２２を有する。一部の配線部２２は、供給された電力を、駆動コイルである固定子巻線５に導く。
【００５３】
他の一部の配線部２２は、供給された電力を、磁極検知素子２４、制御素子１７、駆動素子１６、および、その他の回路素子を含む制御部２１に導く。
【００５４】
以上のように、本実施の形態の飛行装置１は、複数の回転翼２と、複数の回転翼２の各々の駆動源であり、回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素３と、駆動回路部１５とを含む。電動機要素３は、固定子１０と回転子１９と一対の軸受１４とを含む。固定子１０は、円環状のヨーク２０と円環状のヨーク２０の内側へ突出する複数のトゥース１１，１２とを含む固定子鉄心４と、固定子鉄心４の複数のトゥース１１，１２のそれぞれに巻装される固定子巻線５とを含む。回転子１９は、固定子鉄心４の内側に空隙を介して位置し且つ複数のトゥース１１，１２に対向して位置する円筒状の永久磁石部８と、永久磁石部８の円筒状の内壁面に内接する回転子ヨーク部７と、回転子ヨーク部７の軸心に軸止され且つ主軸と接続するシャフト６とを含む。一対の軸受１４は、シャフト６を回転自在に軸止するとともに、回転子１９の回転軸方向の両側にそれぞれ位置する。永久磁石部８は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、極数Ｐは偶数であり、永久磁石部８の重量より、回転子ヨーク部７の重量が小さい構成を含む。駆動回路部１５は、固定子巻線５に通電する固定子電流を制御する。
【００５５】
これにより、防塵性が優位であり、且つ軽量化を図った内転型の電動機要素を搭載する飛行装置を提供可能である。
【００５６】
また、永久磁石部８が含む強磁性体は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド系元素のうち少なくとも１種と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを含んでもよい。
【００５７】
また、永久磁石部８は、密度の下限値が７．４ｇ／ｃｍ３である強磁性体を含むことが好ましい。
【００５８】
また、永久磁石部８の外径をＯｄとするとき、永久磁石部８の外径の半径値と永久磁石部８の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．７×ｔから１．５×ｔの範囲であることが好ましい。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
また、径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．８×ｔから１．３×ｔの範囲であることがより好ましい。
【００５９】
また、径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（１）を満たすことがさらに好ましい。
【００６０】
また、極数Ｐは、４と３６との間の偶数であることが好ましい。
【００６１】
また、極数Ｐは、８と２６との間の偶数であることがより好ましい。
【００６２】
また、極数Ｐは、１０と２４との間の偶数であることがさらに好ましい。
【００６３】
また、回転子ヨーク部７は、少なくとも樹脂材料を含んでもよい。
【００６４】
また、回転子ヨーク部７は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）を含んでもよい。
【００６５】
また、永久磁石部８は表層に、防錆層を具備してもよい。
【００６６】
また、固定子巻線５は導体に銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）と、複数種の不可避不純物を含んでもよい。
【００６７】
また、回転子１９と固定子１０との間の径方向における空隙は、０．１ｍｍから２ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００６８】
また、電動機要素３を収容する電動機要素部外装体１８を含み、電動機要素部外装体１８は、少なくとも鉄Ｆｅ、マグネシウムＭｇ、アルミニウムＡｌ、銅Ｃｕ又は樹脂材料のいずれかを含むことが好ましい。
【００６９】
また、固定子鉄心４は、少なくとも鉄Ｆｅ及びケイ素Ｓｉを含むことが好ましい。
【００７０】
また、少なくとも一対の軸受１４の一つは、一対の軸受１４の一つの外輪及び内輪に接するシール３０、又は、外輪に接し且つ内輪に非接触であるとともに内輪に対して隙間を介して近接するシール３０を具備してもよい。
【００７１】
また、永久磁石部８の外径をＯｄ、永久磁石部８の外径の半径値と永久磁石部８の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（２）を満たすことが好ましい。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×Ｐ））・・・（２）
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係る飛行装置は、密閉構造で軽量なため、信頼性の高い飛行装置を提供可能にする。
【符号の説明】
【００７３】
１    飛行装置
２    回転翼
３    電動機要素
４    固定子鉄心
５    固定子巻線
６    シャフト
７    回転子ヨーク部
８    永久磁石部
９    矢印
１０    固定子
１１    トゥース
１２    トゥース
１３    ティース
１４    軸受
１５    駆動回路部
１６    駆動素子
１７    制御素子
１８    電動機要素部外装体
１９    回転子
２０    ヨーク
２１    制御部
２２    配線部
２４    磁極検知素子
２５    電源接続体
２６    直流電源
３０    シール
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転翼と、前記複数の回転翼の各々の駆動源であり、前記回転翼の主軸を回転駆動する電動機要素と、駆動回路部とを含む飛行装置であって、
前記電動機要素は、固定子と回転子と一対の軸受とを含み、
前記固定子は、円環状のヨークと前記円環状のヨークの内側へ突出する複数のトゥースとを含む固定子鉄心と、前記固定子鉄心の各前記複数のトゥースのそれぞれに巻装される固定子巻線とを含み、
前記回転子は、前記固定子鉄心の内側に空隙を介して位置し且つ前記複数のトゥースに対向して位置する円筒型の永久磁石部と、前記永久磁石部の円筒型の内壁面に内接する回転子ヨーク部と、前記回転子ヨーク部の軸心に軸止され且つ前記主軸と接続するシャフトとを含み、
前記一対の軸受は、前記シャフトを回転自在に支承するとともに、前記回転子の回転軸方向の両側にそれぞれ位置し、
前記永久磁石部は、極数Ｐの極異方性の磁極部を有し、前記極数Ｐは偶数であり、
前記永久磁石部の重量より、前記回転子ヨーク部の重量が小さい構成を含み、前記駆動回路部は、前記固定子巻線に通電する固定子電流を制御する飛行装置。
【請求項２】
前記永久磁石部が含む強磁性体は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド系元素のうち少なくとも１種と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項３】
前記永久磁石部は、密度の下限値が７．４ｇ／ｃｍ３である強磁性体を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項４】
前記永久磁石部の外径をＯｄ、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（１）を満たす、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
【請求項５】
前記永久磁石部の外径をＯｄとするとき、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．８×ｔから１．３×ｔの範囲である、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
【請求項６】
前記永久磁石部の外径をＯｄとするとき、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法は、式（１）によって算出するｔの値に対して、０．７×ｔから１．５×ｔの範囲である、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×（Ｐ＋π）））・・・（１）
【請求項７】
前記極数Ｐは、１０と２４との間の偶数である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項８】
前記極数Ｐは、８と２６との間の偶数である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項９】
前記極数Ｐは、４と３６との間の偶数である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１０】
前記回転子ヨーク部は、少なくとも樹脂材料を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１１】
前記回転子ヨーク部は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１２】
前記永久磁石部は表層に、防錆層を具備する、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１３】
前記固定子巻線は導体に銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）と、複数種の不可避不純物を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１４】
前記回転子と前記固定子との間の径方向における空隙は、０．１ｍｍから２ｍｍの範囲である、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１５】
前記電動機要素を収容する電動機要素部外装体を含み、
前記電動機要素部外装体は、少なくとも鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は樹脂材料のいずれかを含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１６】
前記固定子鉄心は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）を含む、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１７】
少なくとも前記複数の軸受の一つは、前記複数の軸受の一つの外輪及び内輪に接するシール、又は、前記外輪に接し且つ前記内輪に非接触であるとともに前記内輪に対して隙間を介して近接するシールを具備する、請求項１に記載の飛行装置。
【請求項１８】
前記永久磁石部の外径をＯｄ、前記永久磁石部の前記外径の半径値と前記永久磁石部の内径の半径値との減算値である径方向厚み寸法をｔ、とするとき、式（２）を満たす、請求項１に記載の飛行装置。
ｔ≒Ｏｄ×（π／（２×Ｐ））・・・（２）
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2018079290.tif 000014
【図２】
2018079290.tif 000015
【図３】
2018079290.tif 000016
【図４】
2018079290.tif 000017
【図５】
2018079290.tif 000018
【国際調査報告】
2018079290.tif 000019
2018079290.tif 000020
2018079290.tif 000021
2018079290.tif 000022