JP2023113394A - Magnetic levitation control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁力を利用して物体を浮上させるための磁石浮上装置に関し、特に浮上開始時のスタートアップ安定性に優れた磁力浮上制御装置に係る。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic levitation device for levitating an object using magnetic force, and more particularly to a magnetic levitation control device with excellent start-up stability at the start of levitation.
磁石において同極同士が反発する原理を利用して物体を浮上させる技術は周知である。
この場合に、物体の重力と磁力による反発力のバランスがとれた状態で物体が浮上することになるが、これまで提案されている技術は、このバランスがとられた状態を維持するのに工夫されている一方で、物体を浮上させようとする初期の段階が不安定であった。
例えば特許文献1に開示する技術も、物体の浮上開始時に物体が横にずれないように、物体の上昇をガイドするために物体に貫通孔を設け、この貫通孔に通したロッドに沿って物体を上昇させるものである。
Techniques for levitating an object using the principle that like poles of magnets repel each other are well known.
In this case, the object levitates in a state in which the gravity of the object and the repulsive force due to the magnetic force are balanced. However, the early stages of trying to levitate the object were unstable.
For example, the technique disclosed in Patent Document 1 also provides a through-hole in an object to guide the ascent of the object so that the object does not shift laterally when the object starts to float, and a rod passed through the through-hole moves the object. is to increase
本発明は、物体を上昇させる際のスタートアップの安定性に優れた磁力浮上制御装置の提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetic levitation control device having excellent start-up stability when raising an object.
本発明に係る磁力浮上制御装置は、磁力にて浮上する浮上体と、前記浮上体を下側から上昇又は下降制御する浮上制御手段と、前記浮上制御手段の磁界の影響を受けて磁界の方向が変化する補助手段とを備え、前記浮上制御手段はN・S磁極の回転又は反転を制御するものであることを特徴とする。 A magnetic levitation control apparatus according to the present invention comprises a levitation body that levitates by magnetic force, levitation control means for controlling the levitation body to ascend or descend from below, and the direction of the magnetic field under the influence of the magnetic field of the levitation control means. and auxiliary means for changing the levitation control means, wherein the levitation control means controls the rotation or reversal of the N and S magnetic poles.
ここで、磁力にて浮上する浮上体は、下側から発生する合成磁力の反発力にて浮上するものであり、磁石が設けられている。
本発明において浮上制御手段は、浮上体を浮上制御手段の上側に載置した着座状態では、浮上体に吸引方向の磁界を作用させ、空中に浮上させる際に浮上体に反発方向の磁界を作用させるものである。
本発明において特徴的なのは、浮上制御手段の吸引方向と反発方向との間の切り替えにおいて、N・S磁極の回転又は反転に伴って、浮上制御手段の磁界の影響を受けて、浮上体の着座時には水平方向中心に向けての吸引力が作用し、浮上体の浮上時においては浮上力をサポートする反発力が作用する補助手段を設けた点にある。
Here, the levitation body levitated by the magnetic force levitates by the repulsive force of the synthetic magnetic force generated from below, and is provided with a magnet.
In the present invention, the levitation control means applies a magnetic field in the direction of attraction to the levitation body when the levitation body is seated on the upper side of the levitation control means, and applies a magnetic field in the direction of repulsion to the levitation body when it is levitated in the air. It is what makes
A characteristic feature of the present invention is that when the levitation control means is switched between the attracting direction and the repelling direction, the magnetic field of the levitation control means causes the seating of the levitation body as the N and S magnetic poles rotate or reverse. The point is that an auxiliary means is provided in which an attraction force acts toward the center in the horizontal direction at times, and a repulsive force acts to support the levitation force when the levitation body floats.
本発明における浮上制御手段において、N・S磁極の回転又は反転は磁石を機械的に回転又は反転させてもよく、浮上用電磁石の電流制御により電気的に回転又は反転させてもよい。
ここで、浮上用電磁石はコアにコイルを巻装したものでもよいが、略十字形状のコアに縦コイルと横コイルを巻装させると、その縦コイルと横コイルとの電流制御にて、容易に合成磁界の回転又は反転ができる。
In the levitation control means of the present invention, the rotation or reversal of the N and S magnetic poles may be performed by mechanically rotating or reversing the magnet, or by electrically controlling the current of the levitation electromagnet.
Here, the electromagnet for levitation may be one in which a coil is wound around a core. However, if a vertical coil and a horizontal coil are wound around a substantially cross-shaped core, current control of the vertical coil and the horizontal coil can be easily performed. can rotate or reverse the composite magnetic field.
本発明において、前記補助手段はコアにコイルを巻装した電磁石であってもよく、このようにすると、コアが浮上制御手段の磁界の影響を受け、コアの上面と下面との一方が(N)極になったり、(S)極になったりする。 In the present invention, the auxiliary means may be an electromagnet in which a coil is wound around a core. By doing so, the core is affected by the magnetic field of the levitation control means, and one of the upper surface and the lower surface of the core becomes (N ) pole or (S) pole.
本発明において、前記浮上制御手段は磁石又は浮上用電磁石を複数個、同心円状に配設してあり、前記補助手段は前記電磁石を前記浮上制御手段の内側に配設してあるのが好ましい。
このようにすると、同心円状に配設された複数の磁石又は浮上用電磁石で合成される磁界の方向が円中心の上下方向に発生するので浮上体の着座状態から浮上状態へのスタートアップが安定する。
In the present invention, it is preferable that the levitation control means has a plurality of magnets or levitation electromagnets arranged concentrically, and the auxiliary means has the electromagnets arranged inside the levitation control means.
In this way, the direction of the magnetic field synthesized by a plurality of concentrically arranged magnets or levitation electromagnets is generated in the vertical direction of the center of the circle. .
本発明において、前記補助手段に用いた前記電磁石を複数個、同心円状に配設し、かつX軸方向及びY軸方向の磁力差により前記浮上体の水平方向の位置を制御するのが好ましい。
このようにすると、補助手段が浮上体に反発力を向けながら、水平方向の位置制御を同時に行うことができる。
In the present invention, it is preferable that a plurality of the electromagnets used in the auxiliary means are arranged concentrically, and the horizontal position of the levitation body is controlled by the magnetic force difference in the X-axis direction and the Y-axis direction.
In this way, the auxiliary means can simultaneously control the position in the horizontal direction while directing the repulsive force to the levitation body.
本発明に係る磁力浮上制御装置は、物体浮上のスタートアップがスムーズに行え、シンプルな構造でありながら、浮上体の上下方向と水平方向の安定性を考慮した上で浮上高さを制御できる。
始動時から十分な浮上高さまでの浮上が安定することで、使用者が安全に使用しやすく、浮上高さの変化を楽しみやすい。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The magnetic levitation control device according to the present invention can smoothly start up the levitation of an object, and can control the levitation height after considering the stability of the levitation body in the vertical direction and the horizontal direction while having a simple structure.
By stabilizing the levitation to a sufficient levitation height from the time of start-up, the user can easily use it safely and easily enjoy the change in levitation height.
本発明に係る磁力浮上制御装置の構造例を以下、図に基づいて説明する。
本実施例の磁力浮上制御装置は、図1に示すように浮上制御手段である磁石11を複数個、同心円状に配設し、この複数の磁石11の内側に補助手段である電磁石(以下、補助用電磁石)12を複数個、同心円状に配設してある。
浮上制御手段において、磁石11の代わりにコアにコイルを巻装した電磁石(以下、浮上用電磁石)を用いてもよく、N・S磁極の回転又は反転は磁石を360度回転させる、あるいは電流制御により磁界の方向を変化させるものであってもよい。
例えば、磁石をステッピングモータで回転させてもよい。
浮上用電磁石が略十字形状のコア(例えば鉄芯)の縦方向に縦コイルを、横方向に横コイルを巻回したものであれば、供給する交流電流を縦コイル又は横コイルのいずれかのみに通電し、その電流量や通電方向を制御してもよい。
本実施例は、磁石11として直径14mm、厚み3.5mmのネオジウム磁石(一方向着磁)を選択し、基板13上に8個の磁石11を同心円状に配置したが、4個の磁石や浮上用電磁石であってもよい。
補助用電磁石12は、コアである鉄芯12aが直径6mmで、外径20mm、内径8mm、銅線直径0.5mmの鉄芯コイルであり、4個の補助用電磁石12を同心円状に配置してある。
これにより、詳細は後述するが、磁石11のN・S磁極が回転又は反転すると、その磁界の方向の影響を受けて、鉄芯12aの(N)極又は(S)極が変化する。
また、図1にて矢印で示した4個の補助用電磁石12の対向する磁力の強弱差により、浮上体のX軸方向、Y軸方向の位置制御が可能になる。
A structural example of the magnetic levitation control device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the magnetic levitation control apparatus of this embodiment, as shown in FIG. 1, a plurality of
In the levitation control means, instead of the
For example, the magnet may be rotated by a stepper motor.
If the electromagnet for levitation is a substantially cross-shaped core (for example, an iron core) wound with a vertical coil in the vertical direction and a horizontal coil in the horizontal direction, the AC current to be supplied is either the vertical coil or the horizontal coil. may be energized and the amount of current and direction of energization may be controlled.
In this embodiment, a neodymium magnet (one-way magnetized) having a diameter of 14 mm and a thickness of 3.5 mm is selected as the
The
As a result, although the details will be described later, when the north and south magnetic poles of the
In addition, position control in the X-axis direction and the Y-axis direction of the levitation body becomes possible by the difference in strength of the opposing magnetic forces of the four
浮上体は、ネオジウム磁石等の永久磁石が固定されているものであればよく、例えばおりん、ベル、おもちゃ、人形、ランプ等の各種製品が対象となる。
図2,3に示すように、浮上体20は直径50mm、厚み2mmの円盤状の軟磁性部材21の上面及び下面に永久磁石を取り付けた例であり、浮上体の質量は130gである。
上側のN極22は直径48mm、厚み5mmの円盤状であり、下側のS極23は直径30mm、厚み5mmの円盤状である。
The levitation body may be anything in which a permanent magnet such as a neodymium magnet is fixed, and various products such as cages, bells, toys, dolls, and lamps can be used.
As shown in FIGS. 2 and 3, the
The
本実施例において、図2(a)に示すように磁石11の上側にS極、下側にN極が位置する状態を、磁石の角度0°又は360°とする。
図2(b)、図3(c)、図3(d)は磁石の重心を中心として、このS極を内側(補助用電磁石12側)にそれぞれ90°、180°、270°回転させた状態を示す。
磁石の角度0°においては、磁石11のS極と浮上体20のS極23が相互に反発し、磁石11の磁界の影響を受けて鉄芯12aは上側が(N)極になり、この(N)極に浮上体のS極23が対応することで、浮上体20には垂直方向下向きに吸引力が働く。
この状態では、浮上体20は水平方向に受動安定して浮上力がなく、例えば補助用電磁石12の上面に着座する。
一方、図3(c)に示すように磁石11の上側にN極が位置する場合には、補助用電磁石の鉄芯12aの上側が(S)極になり、この(S)極に浮上体20のS極23が対応することで、浮上体20には垂直方向上向きに反発力が働く。
この際、4つの補助用電磁石12のうち、対角方向の2つの電磁石を差動接続して水平2軸を制御することで、水平方向に働く横ずれ力は能動制御される。
なお、磁石11の回転方向には、図2(a)の角度0°から図2(b)の90°を経由して図3(c)の180°に内廻りに回転する方向と、図2(a)の360°から図3(d)の270°を経由して図3(c)の180°に外廻りに回転する方向の2通りがある。
In this embodiment, the magnet angle is 0° or 360° when the S pole is positioned above the
2(b), 3(c), and 3(d) are obtained by rotating the S pole inward (toward the auxiliary electromagnet 12) by 90°, 180°, and 270°, respectively, about the center of gravity of the magnet. Indicates status.
At a magnet angle of 0°, the S pole of the
In this state, the
On the other hand, when the N pole is positioned above the
At this time, by differentially connecting two diagonal electromagnets of the four
2(a) through 90° in FIG. 2(b) to 180° in FIG. 3(c). There are two directions of outward rotation from 360° in 2(a) to 180° in FIG. 3(c) via 270° in FIG. 3(d).
図4(a)、(b)に、浮上体20を強制的に垂直、水平方向に移動させようとした際に作用する力の解析結果を示す。
各方向への安定性は、グラフの傾き(剛性)を評価することで確認できる。
また、図5(a)、(b)に、磁石11の角度に対する浮上体20の浮上高さ、水平方向の剛性の変化についてそれぞれ示す。
さらに、図6(a)、(b)に、磁石11をそれぞれ内廻り、外廻りに回転させた場合の浮上体20の浮上高さと浮上力の関係を示す。
なお、これらは補助用電磁石で水平方向の能動制御をしない場合の結果である。
4(a) and 4(b) show the analysis results of the forces acting when the
Stability in each direction can be confirmed by evaluating the slope (rigidity) of the graph.
5A and 5B show changes in the floating height and horizontal rigidity of the
Further, FIGS. 6A and 6B show the relationship between the levitation height and levitation force of the
It should be noted that these are the results when the auxiliary electromagnet is not actively controlled in the horizontal direction.
図4(a)に示した浮上体の浮上高さと垂直方向の移動に必要な力の関係をみると、角度0°の吸引状態では高さが増すについて吸引力が高くなり、180°の反発状態では高さが増すにつれて反発力が低下していることが確認できる。
また、図4(b)のグラフからは、0°の吸引状態では中心に向けての力が作用していることから浮上体が浮上制御手段の中心に安定的に着座することが確認できる。
図5(a)に示した磁石11の角度と浮上体の高さの関係は、内廻りにすると60°~70°付近で急激に高さが増加し、100°付近でピークになっている。
図5(b)からは磁石11の外廻り角度200°付近で水平方向の力が最も不安定になっている。
このことから、本実施例のように浮上体の下面にS極を配置した場合には、磁石11を内廻りに回転する方が水平方向に最も不安定になるのを回避しながらスタートアップさせられることが分かる。
本発明のように、浮上体が着座した状態から磁石の磁界を調節することで浮上体を上昇させれば、能動制御開始前に水平方向の位置を固定する治具が不要であり、電源投入時から十分な浮上高さまでの浮上が安定的に可能である。
Looking at the relationship between the levitation height of the levitation body and the force required for vertical movement shown in FIG. In the state, it can be confirmed that the repulsive force decreases as the height increases.
Further, from the graph of FIG. 4B, it can be confirmed that the levitation body is stably seated at the center of the levitation control means because a force acts toward the center in the suction state of 0°.
The relationship between the angle of the
From FIG. 5(b), the force in the horizontal direction is most unstable when the outer angle of the
For this reason, when the S pole is arranged on the lower surface of the levitation body as in this embodiment, the
As in the present invention, if the levitation body is lifted by adjusting the magnetic field of the magnet while the levitation body is seated, there is no need for a jig for fixing the horizontal position before the start of active control, and the power is turned on. It is possible to stably levitate from time to time to a sufficient levitation height.
なお、図6(a)からも、内廻りにすると磁石11の角度が増大するに伴って浮上力が増加し、浮上体20の自重以上で反発力が得られるようになることが確認できる。
磁石の角度180°の場合、浮上体20の自重を示す破線と浮上力曲線との交点が2点あり、一方は上下方向が安定な点(浮上高さ約19mm)で、他方が水平方向に安定な点(浮上高さが約2mm)であると推測されることから、補助用電磁石で上下方向を能動制御しながら、例えば180°から60°に角度が小さくなるように磁石を外転させても浮上状態が得られることが示唆される。
補助用電磁石での上下方向の能動制御は、4個の補助用電磁石を同相励磁すればよい。
また、図6(b)の結果と合せて考えれば、例えば補助用電磁石で水平方向を能動制御する場合に、所定の高さのスペーサに浮上体を着座させた状態から制御を始動させ、例えば210°から150°に外転させることで浮上状態が得られることが示唆される。
このようにすると、補助用電磁石による反発力と磁石による反発力の合成により、浮上高さが28mmまで得られた。
制御システムとしては例えば図7に示すように、磁石11の回転角に合せてフィードバックゲイン調整できるように磁石の回転用モータ、回転角検出センサ、ゲイン調整手段等で構成できる。
6(a), it can be confirmed that the levitation force increases as the angle of the
When the magnet angle is 180°, there are two points of intersection between the dashed line indicating the weight of the
Active control in the vertical direction by the auxiliary electromagnets can be achieved by in-phase excitation of the four auxiliary electromagnets.
Considering the result of FIG. 6(b) together, for example, when the auxiliary electromagnet is used to actively control the horizontal direction, the control is started from the state in which the levitation body is seated on the spacer of a predetermined height. It is suggested that abduction from 210° to 150° provides levitation.
By doing so, a flying height of up to 28 mm was obtained by combining the repulsive force of the auxiliary electromagnet and the repulsive force of the magnet.
For example, as shown in FIG. 7, the control system can be composed of a magnet rotation motor, a rotation angle detection sensor, a gain adjustment means, etc. so that the feedback gain can be adjusted according to the rotation angle of the
本発明は着座状態から浮上状態、さらに着座状態へ一連の動作を必要とする様々な製品に利用できる。
例えば、仏具であるおりんが、本発明のように非接触で自動的に浮上できれば、その音色や余韻に魅力的な効果が期待でき、インテリアとしても楽しめる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to various products that require a series of operations from a seated state to a floating state and then to a seated state.
For example, if orin, which is a Buddhist altar fitting, can be automatically floated in a non-contact manner like the present invention, attractive effects can be expected in its tone color and reverberation, and it can be enjoyed as an interior decoration.
11 磁石
12 補助用電磁石
12a 鉄芯
20 浮上体
11
Claims (4)
前記浮上体を下側から上昇又は下降制御する浮上制御手段と、
前記浮上制御手段の磁界の影響を受けて磁界の方向が変化する補助手段とを備え、
前記浮上制御手段はN・S磁極の回転又は反転を制御するものであることを特徴とする磁力浮上制御装置。 a levitation body levitated by magnetic force;
a levitation control means for controlling the elevation or descent of the levitation body from below;
an auxiliary means for changing the direction of the magnetic field under the influence of the magnetic field of the levitation control means;
A magnetic levitation control apparatus, wherein the levitation control means controls rotation or reversal of N and S magnetic poles.
前記補助手段は前記電磁石を前記浮上制御手段の内側に配設してあることを特徴とする請求項2に記載の磁力浮上制御装置。 The levitation control means comprises a plurality of magnets or levitation electromagnets arranged concentrically,
3. A magnetic levitation control apparatus according to claim 2, wherein said auxiliary means has said electromagnet disposed inside said levitation control means.
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