JP2006166527A - フライホイール - Google Patents

Abstract

【課題】出力の安定と低消費電力を実現するブラシレス直流モータを用いたフライホイールを提供する。
【解決手段】ステータにブラシレス直流モータのコイルと、ロータに前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備え、ステータ側の磁界を回転させることによって、ロータを回転させる。前記永久磁石の磁束密度の分布において中間部がほぼ一定になるようにした。ロータの永久磁石の磁束密度の分布が中間の平らになるときにロータのコイルに電流を流すように制御することにより出力トルクを一定にし、安定にすることができ、そのためロスを少なくして低消費電力を実現することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、人工衛星にリアクショントルクを与え姿勢制御を行うためのフライホイールに関する。

フライホイールは、人工衛星に搭載して、外乱による姿勢変動を小さくし、リアクショントルク（出力トルク）により、衛星の姿勢を変化させるために、モータ出力の安定と低消費電力が要求されている。

フライホイールのリアクショントルクを発生させるためブラシレス直流モータが用いられる。３相の場合、回路図は図7のようになり、ステータを構成する各相のコイル７０２，７０３，７０４に駆動制御回路７０１の制御により順次図８のように電流が流される。図８において、１６極の場合は、コイル７０２へは、例えば、−π／２４〜π／２４，５π／２４〜７π／２４，１１π／２４〜１３π／２４…、コイル７０３へは、…−π／２４，π／８〜５π／２４，３π／８〜１１π／２４…、コイル７０９へは、π／２４〜π／８，７π／２４〜３π／８，１３π／２４〜…のように順次流す。コイル７０２，７０３，７０４は、直列に挿入されるスイッチ７０５，７０６，７０７により順次ＯＮ−ＯＦＦの制御がされ、それらのコイル７０２，７０３，７０４による磁界が回転磁界を作り、それらと互いに作用して永久磁石を含むロータが回転する。
このとき、永久磁石による磁束は、円周方向に沿ってその半径方向の磁束の大きさを図９のようなｓｉｎ状のカーブとなる。そして、磁石とコイルにより発生する出力トルクは、それらの大きさに比例する。すなわち、トルクをＴ、磁束密度をＢ_ｇ、コイルに流れる電流をＩ_Ｍとすると、

Ｔ＝ｋＢ_ｇＩ_Ｍ （１）
ただし、ｋは比例常数である。

そして、３相による合成トルクは図８のように得られる。図８に示すように、コイルに流す電流に対し磁界は、ｓｉｎカーブをなす。そのため出力トルクは一定ではなく、合成トルクもリップルがあり不安定出力トルクとなる。

また、ロータが回転することにより、永久磁石が移動する。そのため、取り付けたハウジングの基台に渦電流が発生し、これにより渦電流損となり、モータのロスに結びつき、消費電力の増大になる。

解決しようとする問題点は、出力の安定と低消費電力を実現するブラシレス直流モータを用いたフライホイールを提供することにある。

請求項１に係るフライホイールは、ステータにブラシレス直流モータのコイルと、ロータに前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備え、ステータ側の磁界を回転させることによって、ロータを回転させるフライホイールにおいて、前記永久磁石の磁束密度の分布において中間部がほぼ一定になるようにしたことを特徴とするものである。

請求項２に係るフライホイールは、ステータにブラシレス直流モータのコイルと、ロータに前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備え、ステータ側の磁界を回転させることによって、ロータを回転させるフライホイールにおいて、所定期間前記コイルに加える電流の大きさを前記所定期間の始期と終期で大きくし中間部で小さくすることによりコイルと鎖交する磁束密度との積を一定にすることを特徴とするものである。

請求項３に係るフライホイールは、ハウジングと連結した基台にベアリングを介して回転可能に取り付けたシャフトを備え、前記基台の面上に取り付けられたステータとしてブラシレス直流モータのコイルと、前記シャフトに取り付けられたローテイティングマスに連結したロータとして前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備えたフライホイールにおいて、前記ロータの永久磁石と前記基台の面との間の距離をロータの回転による前記基台に生じる渦電流が低減する距離にしたことを特徴とするものである。

請求項４に係るフライホイールは、ハウジングと連結した基台にベアリングを介して回転可能に取り付けたシャフトを備え、前記基台の面上に取り付けられたステータとしてブラシレス直流モータのコイルと、前記シャフトに取り付けられたローテイティングマスに連結したロータとして前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備えたフライホイールにおいて、前記ロータの永久磁石に対面する前記基台の面に前記永久磁石が移動する方向と直交する方向のスリットを設けたことを特徴とするものである。

請求項５に係るフライホイールは、ハウジングと連結した基台にベアリングを介して回転可能に取り付けたシャフトを備え、前記基台の面上に取り付けられたステータとしてブラシレス直流モータのコイルと、前記シャフトに取り付けられたローテイティングマスに連結したロータとして前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備えたフライホイールにおいて、前記永久磁石の前記基台の面に対する部分に磁気遮蔽板を設けたことを特徴とするものである。

請求項１に係るフライホイールによると、ロータの永久磁石の磁束密度の分布が中間部でほぼ一定であるから、中間の平らになるときにロータのコイルに電流を流すように制御することにより出力トルクを一定にし、安定にすることができ、そのためロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

請求項２に係るフライホイールによると、所定期間コイルに加える電流の大きさを当該所定期間の始期と終期で大きくし中間部で小さくすることによりコイルと鎖交する磁束密度との積を一定にすることができ、出力トルクを一定にし、安定にすることができ、そのためロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

請求項３に係るフライホイールによると、ロータの永久磁石と基台の面との間の距離をロータの回転による前記基台に生じる渦電流が低減する距離にしたから、モータのロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

請求項４に係るフライホイールによると、ロータの永久磁石に対面する基台の面に永久磁石が移動する方向と直交する方向のスリットを設けてあるから、ロータの永久磁石が移動することにより生じる渦電流を小さくすることができ、モータのロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

請求項５に係るフライホイールによると、永久磁石の基台の面に対する部分に磁気遮蔽板を設け設けてあるから、ロータの永久磁石が移動してもその磁界変化は基台に及ぼすことがなく渦電流の発生を防ぐことができ、モータのロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

図６は、フライホイールの断面図であり、フライホイール６０１は、上下ハウジング６０２，６０３内に当該下ハウジング６０３と連結して内部をほぼ上下に分ける基台６０４を設け、ハウジング６０２，６０３内を上下にシャフト６０５が配置され、シャフト６０５はベアリング６０６，６０７を介して回転可能に基台６０４に取り付けられる。基台６０４にはシャフト６０５を取り付けたときにシャフト６０５を中心にした円周上にステータ６０８が形成される。ステータ６０８はブラシレス直流モータのコイルからなる。シャフト６０５からハウジング６０２，６０３内部に広がるようにローテイティングマス６０９が形成され、ローテイティングマス６０９には円周上にロータ６１０が形成される。ロータ６１０はステータ６０８に対面するように複数個の永久磁石６１１からなる。ロータ６１０の永久磁石６１１はシャフト６０５を中心とする半径方向の向きにＳ極とＮ極が交互になるように配置される。ステータ６０８のコイル６１２は前記半径方向と円周方向に直交して巻かれる。

図１（ａ）は、実施例１に係るフライホイールを説明する図であり、ロータ１０１の上方から角度０からπまでの範囲を見た図である。円筒状のステータ１０２の回りに複数の永久磁石１０３が前記ステータ１０２と同心に配置され、１６極の場合を示す。永久磁石１０３のそれぞれの両端部は厚く、中間部は薄く形成する。従って、永久磁石１０３からの磁束密度は、従来のｓｉｎ状のカーブに比較して両端部分で増加させ、中間部で減少するように変化させ、これを図示すると図１（ｂ）のように、中間部がほぼ一定になるようにする。
ステータ１０２を構成するコイル（例えばＡ，Ｂ，Ｃ）のうち所定のコイル（例えばＡ）に電流を流すことにより永久磁石１０３との力により所定方向にロータ１０１が回転する。電流の制御は、例えば３相の場合は図７のような駆動制御回路７０１により行われる。このとき、各コイルに流す電流Ｉ_Ｍは一定であり、図１（ｃ）においては例えばある１個のコイルについて−π／２４〜π／２４，５π／２４〜７π／２４，…のように順次流す。他のコイルについてもπ／１２の期間だけ順次ずらして流す。前述の式（１）により、トルクＴは磁束密度Ｂ_ｇと電流Ｉ_Ｍとの積に比例するから、永久磁石からの磁束密度Ｂ_ｇがほぼ一定のところにあるコイルに一定の電流Ｉ_Ｍを流すことにより、ほぼ一定のトルクＴを得ることができる。
複数相による合成トルクは、図１（ｄ）のように得られる。出力トルクは、ほぼ一定となり、合成トルクもほぼ一定となり安定トルクが得られる。

図２（ａ）は、実施例２に係るフライホイールを説明する図であり、ロータ２０１の上方から角度０からπまでの範囲を見た図である。円筒状のステータ２０２の回りに複数の永久磁石２０３が前記ステータ２０２と同心に配置され、１６極の場合を示す。永久磁石２０３のそれぞれの厚みは等しい。従って、永久磁石２０３からの磁束密度は、従来と同様に図２（ｂ）のように、ｓｉｎ状のカーブとなる。
ステータ２０２を構成するコイル（例えばＡ，Ｂ，Ｃ）のうち所定のコイル（例えばＡ）に電流を流すことにより永久磁石２０３との力により所定方向にロータ２０１が回転する。このとき、各コイルに流す電流Ｉ_Ｍは、図２（ｃ）のようにｓｉｎカーブの最大値を含む所定区間について下方に凸になるようにし、前述の式（１）により、磁束密度Ｂ_ｇと電流Ｉ_Ｍとの積が当該区間についてほぼ一定になるように制御して、ほぼ一定のトルクＴを得ることができる。図２（ｃ）においてはある１個のコイルについて、例えば、−π／２４〜π／２４，５π／２４〜７π／２４，…のように順次流す場合を示す。電流の制御は、例えば３相の場合は図７のような駆動制御回路７０１により行われる。
複数相による合成トルクは、図２（ｄ）のように得られる。出力トルクは、ほぼ一定となり、合成トルクもほぼ一定となり安定トルクが得られる。

図３は、実施例３に係るフライホイールを説明する図であり、フライホイールの側面方向から見た断面図である。ロータ３０１の永久磁石３０２の下端とハウジング内部の基台３０３の面との距離をロータ３０１の回転による前記基台３０３に生じる渦電流が低減するように十分とる。その距離ｄは、例えば従来のものの約２倍の１５ｍｍである。
図７の駆動制御回路７０１の制御によりロータ３０１がシャフト３０４を中心にして回転すると、ロータ３０１の永久磁石３０２は基台３０３と十分離れているから、渦電流の発生によるモータのロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

図４は、実施例４に係るフライホイールを説明する図であり、ロータ４０１を透過して上方から基台４０２の面を見た図である。ロータ４０１がシャフト４０３を中心にして回転する軌道の下方に位置する基台４０２の面には、前記軌道の円周と直交する方向すなわち半径方向に長いスリット４０４が円周方向に並べて複数設けられる。
図７の駆動制御回路７０１の制御により、ロータ４０１が回転すると、ロータ４０１の永久磁石が移動する下方の基台４０２面にはスリット４０４が設けられ、ロータ４０１の永久磁石が移動することにより生じる渦電流を小さくすることができ、モータのロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

図５は、実施例５に係るフライホイールを説明する図であり、フライホイールの側面方向から見た断面図である。ローテイティングマス５０１を構成するロータ５０２の永久磁石５０３を収容する部分の下端部５０４が、永久磁石５０３の下端を包むように曲げる。下端部５０４は永久磁石５０３と基台５０５との間に位置することとなり、この下端部５０４が磁気遮蔽板となる。
図７の駆動制御回路７０１の制御により、ロータ５０２がシャフト５０６を中心にして回転すると、永久磁石５０３の基台５０５の面に対する部分に磁気遮蔽板（下端部５０４）を設けてあるから、ロータ５０２の永久磁石５０３が移動してもその磁界変化は基台５０５に及ぼすことがなく渦電流の発生を防ぐことができ、モータのロスを少なくして低消費電力を実現することができる。

フライホイールを説明する図である。（実施例１） フライホイールを説明する図である。（実施例２） フライホイールを説明する図である。（実施例３） フライホイールを説明する図である。（実施例４） フライホイールを説明する図である。（実施例５） フライホイールを説明する断面図である。 フライホイールの駆動を説明する回路図である。 フライホイールの駆動を説明するタイミング波形図である。 永久磁石による磁束を説明する図である。

符号の説明

１０１…ロータ、１０２…ステータ、１０３…永久磁石、１０４…コイル。

Claims (5)

1. ステータにブラシレス直流モータのコイルと、ロータに前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備え、ステータ側の磁界を回転させることによって、ロータを回転させるフライホイールにおいて、前記永久磁石の磁束密度の分布において中間部がほぼ一定になるようにしたことを特徴とするフライホイール。
2. ステータにブラシレス直流モータのコイルと、ロータに前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備え、ステータ側の磁界を回転させることによって、ロータを回転させるフライホイールにおいて、所定期間前記コイルに加える電流の大きさを前記所定期間の始期と終期で大きくし中間部で小さくすることによりコイルと鎖交する磁束密度との積を一定にすることを特徴とするフライホイール。
3. ハウジングと連結した基台にベアリングを介して回転可能に取り付けたシャフトを備え、前記基台の面上に取り付けられたステータとしてブラシレス直流モータのコイルと、前記シャフトに取り付けられたローテイティングマスに連結したロータとして前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備えたフライホイールにおいて、前記ロータの永久磁石と前記基台の面との間の距離をロータの回転による前記基台に生じる渦電流が低減する距離にしたことを特徴とするフライホイール。
4. ハウジングと連結した基台にベアリングを介して回転可能に取り付けたシャフトを備え、前記基台の面上に取り付けられたステータとしてブラシレス直流モータのコイルと、前記シャフトに取り付けられたローテイティングマスに連結したロータとして前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備えたフライホイールにおいて、前記ロータの永久磁石に対面する前記基台の面に前記永久磁石が移動する方向と直交する方向のスリットを設けたことを特徴とするフライホイール。
5. ハウジングと連結した基台にベアリングを介して回転可能に取り付けたシャフトを備え、前記基台の面上に取り付けられたステータとしてブラシレス直流モータのコイルと、前記シャフトに取り付けられたローテイティングマスに連結したロータとして前記コイルの磁界が作用する永久磁石を備えたフライホイールにおいて、前記永久磁石の前記基台の面に対する部分に磁気遮蔽板を設けたことを特徴とするフライホイール。
   

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