JP2003079097A - 微小重力回転装置の駆動モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小重力回転装置の駆動モータに関し、回転
軸の振動をモータを介して外部へ伝わらないようにする
と共に、振動を効果的に吸収する。 【解決手段】 ケーシング１０内で回転軸３０に取付け
られた実験ボックス２０〜２３が回転し、微小重力環境
での実験がなされる。回転軸３０は磁気軸受１１，１２
で両端が支持され、モータ３４により回転駆動されて磁
気軸受のコイルの励磁を制御し、振動を吸収する。モー
タ３４は回転軸３０に取付けられた導体円板３６とその
両側に所定の隙間を保ってコイル支持材３７ａ，３７ｂ
に取付けられた固定子となるモータコイル３５ａ，３５
ｂとからなり、回転軸３０とモータコイル３５ａ，３５
ｂとの隙間ｔは導体円板を大きく設定することにより従
来よりも大きく設定できる。従って、回転軸３０に発生
する大きな振動はモータコイル３５ａ，３５ｂから外部
へ伝わることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微小重力回転装置の
駆動モータに関し、回転軸とモータコイルとの間の径方
向のギャップ又は回転揺れ量（変位量）を大きくし、回
転軸の振動をモータ側に伝達することなく、振動を回転
軸両端の磁気軸受で効果的に吸収することができるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図４は現在宇宙で行なわれている回転装
置の一例を示す平面図であり、図において、モータ、等
の回転装置６０には４本の支持部材６１，６２，６３，
６４が取付けられ、放射状に伸びている。支持部材６１
〜６４の先端には実験ボックス７０，７１，７２，７３
が取付けられ、実験ボックス７０〜７３内には重力を付
加する実験対象物、例えば植物、等が入れられる。この
ような装置は、無重力状態において回転装置６０により
約１回転／秒程度の低速回転が与えられ実験ボックス７
０〜７３内の対象物の実験が行なわれる。

【０００３】上記のような回転装置では、支持部材６１
〜６４の先端に実験ボックス７０〜７３が取付けられて
おり、先端部が大きな形状である。又、実験ボックス７
０〜７３内には種類の異なる実験対象物が収納され、実
験物の大きさも種々異なり、装置全体は回転軸中心に対
称な配置ではあるが、収納される実験対象物はアンバラ
ンスである。従って、回転により支持部材６１〜６４及
び実験ボックス７０〜７３には振動が発生し、振動が発
生すると実験対象物を変動させたり、悪影響を及ぼすこ
とになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記に説明した微小重
力回転装置においては、宇宙における微小重力空間で実
験ボックス内へ実験対象物を入れ、実験ボックスを回転
させて実験を行う際に、実験ボックス間のアンバランス
に起因して回転軸に振動が発生する。この振動は、回転
軸を介して周囲環境へ伝播し、周囲の宇宙機器へも影響
を及ぼし、機器の制御、等にも影響を与えるが、このよ
うな振動は本発明の出願人が提案した磁気軸受を配設
し、磁気軸受を制御する技術により効果的に吸収するこ
とができるようになった。次に、この内容について説明
する。

【０００５】図２は本発明の出願人が提案した微小重力
回転装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）にお
けるＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
（ａ）図において１０は回転体全体を収納するケーシン
グであり、ケーシング１０には上下に凹部１０ａ，１０
ｂが設けられている。上下の凹部１０ａ，１０ｂ内の周
囲には磁気軸受１１，１２が配設されている。

【０００６】磁気軸受１１，１２は、それぞれ凹部１０
ａ，１０ｂ内の周囲に励磁用のコイル１，２を配設して
磁気軸受を構成している。３，４はそれぞれ凹部１０
ａ，１０ｂ内のコイル１，２の内側に配設された振動セ
ンサであり、後述するように回転軸３０との間のギャッ
プの変位を検出し、この変位より回転軸３０の振動が検
出できるものである。振動センサ３，４は（ｃ）図に示
すように周囲に対称に複数個（図示の例では４個）が配
置され、±Ｘ，±Ｙ方向の回転軸３０の振動変位を検出
する構成である。

【０００７】３０は前記した回転軸であり、両端がそれ
ぞれ凹部１０ａ，１０ｂ内に配置され、凹部１０ｂ内で
モータ１３に連結し、磁気軸受１１，１２で両端部が軸
支される。従って、回転軸３０はコイル１，２とは、そ
れぞれ所定の隙間を保って磁力により空間部に支持され
モータ１３で回転される。回転軸３０の周囲には（ｂ）
図にも示すように、Ｘ，Ｙ軸方向に４本のアーム２４，
２５，２６，２７で固定され、水平に伸び先端には実験
ボックス２０，２１，２２，２３が取付けられている。

【０００８】上記構成において、回転軸３０の軸受は磁
気軸受１１，１２であり、回転軸３０はケーシング１０
の支持部には接触せず、磁力により支持する構成とし、
回転軸３０に振動が発生すると、その振動は回転軸３０
両端周囲のＸ、Ｙ軸に配置した４個の振動センサ３，４
で検出する。振動センサ３，４では、後述するように、
回転軸３０とセンサ間の振動によるギャップの変動を検
出して、その信号を制御装置へ入力し、制御装置ではギ
ャップが小さくなると、このギャップを元の隙間に戻す
ように対応するコイル１，２の位置の電流を制御し、振
動を能動的に吸収するように制御するものである。

【０００９】コイル１，２としては、図示省略するが、
例えば、コイルを独立した４個の巻線を、それぞれＸ
軸、Ｙ軸の４方向へ磁力が作用するように配設してお
き、回転軸３０の傾きによる変位に応じて変位が大き
く、コイルとのギャップの変動が一番大きい個所のコイ
ルの励磁を制御し、回転軸３０との反発力、もしくは吸
引力を調整し、振動による変位を吸収するような構成と
する。

【００１０】図３は制御の系統図であり、回転軸３０上
端周囲に配設された振動センサ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ
及び下端の振動センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからの各
検出信号は制御装置１４へ入力される。制御装置１４は
モータ１３を駆動させて回転軸３０を回転させると共
に、各振動センサ３，４のＸ、Ｙ軸４方向の回転軸端の
振動に伴う変位を監視し、センサと回転軸間のギャップ
が小さくなるか又は大きくなるとＸ、Ｙ軸の対応する個
所のコイル１，２の巻線の励磁電流を制御し、この間の
回転軸３０とコイル間の反発力又は吸引力を強めギャッ
プを元の位置へ戻すように作動させる。

【００１１】１５は記憶装置であり、予め振動周波数に
対する振幅又は加速度の要求値のパターンがデータとし
て記憶されており、制御装置１４では、振動センサ３，
４からの回転軸３０の振動を監視するに当り、この要求
値と比較し、回転軸が変位し、振動が大きくなり、かつ
要求値を超える振動であると、コイルの励磁電流を制御
して振動を吸収し、回転軸３０の振動が要求値以下とな
るように絶えず制御する。

【００１２】しかし、このような振動は、かならずしも
任意のすべての振動に対応できず、制御にも限界があ
り、回転軸が振動すると、モータとモータの固定子側の
コイル間のギャップが小さいために、回転軸の振動がモ
ータを介して固定側のケーシングに伝達され、外部の環
境へ悪影響を及ぼすことが起こり、何らかの対策が望ま
れていた。

【００１３】そこで本発明は、微小重力回転装置の回転
軸を回転させるモータに工夫を行い、モータの回転側と
固定側のコイルとの間のギャップを従来のモータのギャ
ップよりも拡大できる構造のモータを採用し、モータの
回転側と固定側との間において回転軸の径方向への移動
範囲を大きくすることにより、回転軸の振動がモータを
介して固定側へ伝達しないようにすると共に、振動を磁
気軸受を制御して効果的に吸収できる駆動モータを提供
することを課題としてなされたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために次の手段を提供する。

【００１５】（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支
持されモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回
転軸の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボッ
クスを取付けて構成される微小重力回転装置において、
前記モータは前記回転軸に同回転軸と同一回転中心を有
するように取付けられた導体円板と、同導体円板の周辺
部両側に所定の隙間を保って配設されると共に、内周側
が前記回転軸表面と所定の間隔を保って前記ケーシング
側へ固定された円環状の一対のモータコイルとで構成さ
れることを特徴とする微小重力回転装置の駆動モータ。

【００１６】（２）前記駆動モータは、前記回転軸の振
動が振動センサで検出され同振動センサからの信号に基
いて前記磁気軸受のコイルの励磁電流を制御してモータ
自体の不安定回転を制御する回転装置に適用されること
を特徴とする（１）記載の微小重力回転装置の駆動モー
タ。

【００１７】本発明の（１）においては、回転軸を回転
駆動するモータは導体円板とモータコイルとからなり、
導体円板は回転軸と共に回転する。回転軸表面と円環状
のモータコイル内周側との間隔は、導体円板の直径を大
きく設定すれば、導体円板周辺部を挟んで対向配置され
るモータコイルの内周側も大きくすることができ、回転
軸とモータコイル内周側との間隔も大きくすることがで
きる。従って、本発明の駆動モータでは従来のモータと
比べ回転軸表面と固定子とからなるモータコイルとの間
隔を大きく設定できるので、回転軸に大きな振動が発生
したとしても、移動範囲が従来よりも広がって、この振
動がモータコイル側へ伝達されることがなく、ケーシン
グから外部の環境の機器へ悪影響を及ぼすことがない。
又、回転軸に発生した振動は回転軸両端の磁気軸受によ
り効果的に吸収することができる。

【００１８】本発明の（２）では、回転軸の振動は振動
センサで検出され、磁気軸受は、この検出された信号に
基いて回転軸の振動を小さくするように励磁電流が制限
されるので、振動がモータコイルを介して外部へ伝播さ
れないことに加え、この振動は制御型の磁気軸受で効果
的に吸収することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実
施の一形態に係る微小重力回転装置の駆動モータを適用
した例を示し、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は（ａ）に
おけるＡ−Ａ矢視図である。図（ａ）において、ケーシ
ング１０内には図２と同じく、上下の凹部１０ａ，１０
ｂ内に磁気軸受１１，１２が配設されている。磁気軸受
１１，１２は、図２と同様にコイル１，２からなり、コ
イル１，２は上部固定部材３１、下部固定部材３２にそ
れぞれ取付けられている。両端の磁気軸受１１，１２に
は回転軸３０が支持され、回転軸３０には図２で示す構
成と同様にアーム２４〜２７が取付けられ、アーム２４
〜２７にはそれぞれ実験ボックス２０〜２３が取付けら
れて回転軸３０で回転する構成である。

【００２０】なお、実験ボックスは図示の例では４個の
例で示しているが、かならずしも４個ではなく、これよ
りも多く、例えば８個を放射状に配置しても良いことは
もちろんである。

【００２１】上部固定部材３１には、スラスト方向の磁
気軸受３３のコイルが取付けられており、磁気軸受３
３、磁気軸受１１，１２により回転軸３０を支持する構
成である。又、磁気軸受１１，１２に近接して、上部固
定部材３１、下部固定部材３２には、図２の例と同じく
振動センサ３，４がそれぞれ配設されており、回転軸３
０の振動に伴う回転軸３０と振動センサ３，４間のギャ
ップ変動を検出する構成である。

【００２２】回転軸３０の振動は振動センサ３，４で検
出され、図２の構成と同じく制御装置へ入力される。即
ち、図３に示すように、回転軸３０に振動が発生する
と、その振動は回転軸３０両端周囲のＸ，Ｙ軸に配置し
た４個の振動センサ３，４で検出する。振動センサ３，
４では、後述するように、回転軸３０とセンサ間の振動
によるギャップの変動を検出して制御装置１４へ入力
し、制御装置１４ではギャップが小さくなると、このギ
ャップを元の隙間に戻すように対応する磁気軸受１１，
１２のコイル１，２の位置の電流を制御し、振動を能動
的に吸収するように制御するものである。振動吸収の詳
しい作用は、図３により説明した内容と同じであるので
詳しい説明は省略する。

【００２３】回転軸３０はモータ３４で回転駆動され
る。モータ３４は回転軸３０に回転中心を同じに取付け
られて回転軸３０に回転力を与える導体円板３６と、導
体円板３６の周辺に所定の隙間を保って対向して配置さ
れると共に、回転軸３０の周囲とも所定の隙間を保って
モータ固定子となる円環状のモータコイル３５ａ，３５
ｂとで構成されている。

【００２４】モータコイル３５ａ，３５ｂは、上記した
ように導体円板３６の上下に所定の隙間を保ってコイル
支持材３７ａ，３７ｂに取付けられ、コイル支持材３７
ａ，３７ｂは下部固定部材３２へ取付けられている。モ
ータ３４はこのような構成で固定子となるモータコイル
３５ａ，３５ｂを励磁することにより磁力の作用で導体
円板３６に回転力を与え、回転軸３０を回転させる構成
である。

【００２５】（ｂ）はモータ３４を示す矢視図であり、
円環状の下部固定部材３２がケーシングに固定されてお
り、下部固定部材３２には同心円状にコイル支持材３７
ａが取付けられている。コイル支持材３７ａの下面には
同じく円環状のモータコイル３５ａが回転軸３０の周囲
と所定の隙間ｔを保って取付けられている。

【００２６】上記の隙間ｔは下部のモータコイル３５ｂ
も同様であり、この隙間ｔは従来例のモータでは１mm程
度の微小隙間であるが、本発明のモータ３４では導体円
板３６の直径を大きく取ることによりモータコイル３５
ａ，３５ｂと回転軸３０表面との隙間を、ｔ＝２０mm程
度まで大きく設定することができるものである。この隙
間はあまり大き過ぎると回転軸３０とモータコイル間の
ガタが大きくなり好ましくないのでｔ＝２０mm以下が好
ましい。

【００２７】上記構成の微小重力回転装置において、回
転軸３０には、実験ボックス２０〜２３の質量のアンバ
ランスにより回転中に振動が発生するが、この振動は図
３で述べたような作用により磁気軸受１１，１２のコイ
ル１，２の励磁電流を制御することにより吸収すること
ができるが、従来のモータでは回転軸とモータとの間の
ギャップが小さかったので、回転軸３０に大きな振動が
生ずると、その振動はモータの固定子側のコイルへ伝達
されてケーシング１０を介して外部の環境へ伝達されて
しまい、外部の機器へ悪影響を及ぼしてしまった。

【００２８】本発明では回転軸３０とモータコイル３５
ａ，３５ｂとの隙間ｔを２０mm程度と大きく設定できる
ので、回転軸３０に比較的大きな振動が発生したとして
も、その振動は回転軸３０からモータコイル３５ａ，３
５ｂを介して外部へ伝達されることがない。かつ、この
大きな振動は磁気軸受１１，１２のコイル１，２の励磁
電流を制御することにより効果的に吸収することができ
るので、宇宙空間での微小重力環境における回転装置か
ら発生する振動を外部へ伝達することなく、確実に吸収
することができるものである。

【００２９】なお、本実施の形態では磁気軸受１１，１
２の励磁コイル１，２の電流を図３に示すように制御し
て回転軸３０の振動を吸収する制御型の磁気軸受の例と
して説明したが、本発明の駆動モータは、制御をしない
磁気軸受を採用した回転軸にも適用できるものであり、
ケーシングの外部の振動を伝播しない効果を有するもの
であるが、制御型の磁気軸受を有する回転軸に適用した
方がより制振効果を有するものである。

【００３０】

【発明の効果】本発明の微小重力回転装置の駆動モータ
は、（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支持されモ
ータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸の周
囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取
付けて構成される微小重力回転装置において、前記モー
タは前記回転軸に同回転軸と同一回転中心を有するよう
に取付けられた導体円板と、同導体円板の周辺部両側に
所定の隙間を保って配設されると共に、内周側が前記回
転軸表面と所定の間隔を保って前記ケーシング側へ固定
された円環状の一対のモータコイルとで構成されること
を特徴としている。

【００３１】上記構成により、従来のモータと比べ回転
軸表面と固定子となるモータコイルとの間隔を大きく設
定できるので、回転軸に大きな振動が発生したとして
も、この振動がモータコイル側へ伝達されることがな
く、ケーシングから外部の環境の機器へ悪影響を及ぼす
ことがない。又、回転軸に発生した振動は回転軸両端の
磁気軸受により効果的に吸収することができる。

【００３２】本発明の（２）では、回転軸の振動は振動
センサで検出され、磁気軸受は、この検出された信号に
基いて回転軸の振動を小さくするように励磁電流が制御
されるので、振動がモータコイルを介して外部へ伝播さ
れないことに加え、この振動は制御型の磁気軸受で効果
的に吸収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る微小重力回転装置
の駆動モータを適用した回転装置を示し、（ａ）は全体
の構成図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図であ
る。

【図２】本発明の前提となる先行技術に係る微小重力回
転装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）におけ
るＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図
である。

【図３】図２に示す先行技術に係る微小重力回転体の磁
気軸受の制御の系統図である。

【図４】宇宙空間における回転装置の一例を示す平面図
である。

【符号の説明】 １，２ コイル ３，４ 振動センサ １０ ケーシング １１，１２ 磁気軸受 １４ 制御装置 １５ 記憶装置 ２０〜２３ 実験ボックス ３０ 回転軸 ３１ 上部固定部材 ３２ 下部固定部材 ３３ 磁気軸受 ３４ モータ ３５ａ，３５ｂ モータコイル ３６ 導体円板 ３７ａ，３７ｂ コイル支持材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内で両端が磁気軸受で支持さ
   れモータにより回転駆動される回転軸を有し、同回転軸
   の周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックス
   を取付けて構成される微小重力回転装置において、前記
   モータは前記回転軸に同回転軸と同一回転中心を有する
   ように取付けられた導体円板と、同導体円板の周辺部両
   側に所定の隙間を保って配設されると共に、内周側が前
   記回転軸表面と所定の間隔を保って前記ケーシング側へ
   固定された円環状の一対のモータコイルとで構成される
   ことを特徴とする微小重力回転装置の駆動モータ。
2. 【請求項２】 前記駆動モータは、前記回転軸の振動が
   振動センサで検出され同振動センサからの信号に基いて
   前記磁気軸受のコイルの励磁電流を制御してモータ自体
   の不安定回転を制御する回転装置に適用されることを特
   徴とする請求項１記載の微小重力回転装置の駆動モー
   タ。