JP3058452B2 - 磁気的に取付けられた位置安定化はずみ車 - Google Patents

磁気的に取付けられた位置安定化はずみ車

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JP3058452B2 JP8528087A JP52808796A JP3058452B2 JP 3058452 B2 JP3058452 B2 JP 3058452B2 JP 8528087 A JP8528087 A JP 8528087A JP 52808796 A JP52808796 A JP 52808796A JP 3058452 B2 JP3058452 B2 JP 3058452B2
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Description

【発明の詳細な説明】 従来技術 ドイツ特許出願DE 32 43 641 A1は、軸方向の長
さに比べて半径方向の長さの方が長い、磁気的に取付け
られた位置の安定化が可能なはずみ車を開示している。
この場合、はずみ車の回転駆動のために、電気力学的法
則に従って動作する動力発生装置が設けられている。モ
ータ駆動のために、ロータは車輪の下側にギャップを有
し、該ギャップ内部を、ステータに固定されたモータ巻
線が貫通する。さらにまた、車輪の回転軸の軸方向変位
と半径方向変位のための、また傾斜モーメントを発生す
るための、動力発生装置が同様に設けられる。動力発生
装置は、調節装置を介して適当なセンサと連結されてお
り、全部で５つの自由度において位置安定化を行うこと
ができる。ドイツ特許出願DE 38 19 205 A1は、ロ
ータの外周に設けられた電気力学的法則に従う動力発生
装置によって、半径方向に駆動可能なはずみ車を開示し
ている。傾斜モーメントを発生するために、はずみ車の
外周に電気力学的法則に従う動力発生装置が同様に設け
られている。この目的のために、ロータの外周には２つ
の永久磁石を受容する環状溝が設けられ、該２つの永久
磁石は一方が他方の上方に配置され、反対の磁性を有す
る。この環状溝内に、ステータに固定された４つのコイ
ルが内設され、永久磁石の磁束がこの４つのコイルを通
過する。傾斜モーメントおよび軸方向の力を発生させる
ために、これらの４つのコイル内の電流の方向は切換え
可能となっている。
ドイツ特許出願DE 31 50 122 A1は、電磁的に取
付けられたはずみ車を記載している。ロータの軸方向お
よび半径方向の位置を検出するセンサは、軸受のすぐ傍
に設置されて信号を調節装置に送り、該調節装置は軸受
の磁気コイルに対応する作動信号を送る。さらに、電磁
軸受の外側に設置されたモータが設けられている。
ドイツ特許出願DE 28 42 205 A1は、混成の電磁
石−永久磁石−電気力学的軸受を記載している。この場
合、軸受装置は、半径方向にのみ能動的に調節されて安
定化される。軸方向および歯ミゾ軸は、磁気軸受装置の
設計に基づいた充分にしっかりと安定化される。
欧州特許出願EP0 049 300 A1は、電磁的に取付け
られたはずみ車であって、ボスが円板型の中空体として
設計されたはずみ車を記載している。
発明の効果 請求項１の特徴に従う方法を用いることにより、望ま
しくない振動が効果的に止められる。補償されない振動
や不均衡、およびそれらの高調波は発生しない。さら
に、そのような方法によって生みだされた共振現象がセ
ンサの動作を妨害することはあり得ない。機械的な変動
が動力に変換される電磁動力発生装置とは対照的に、本
発明で使用される電気力学的法則に従う動力発生装置で
は、望ましくない振動を発生することが少ない。電気力
学的動力発生装置の使用は、ロータとステータの間に有
利な質量配分をもたらす。
半径方向駆動装置を車輪ボス内に転置することによ
り、比較的小さなモータコイルを使用する場合でもはず
み車の回転範囲が充分に大きくなる。
図面 本発明の説明的実施形態を、図面を参照して詳細に説
明する。
図1aは、本発明に従う磁気軸受を備えるはずみ車の断
面を示し、 図1bは、並進運動用センサを備える車輪ボス領域の図
であり、 図２は、並進運動検出用センサ装置の図である。
発明の説明 図面に示したはずみ車は、実質的に閉じられた円盤状
の中空体Ｈとして設計される車輪ボスと、スポークと、
環状溝（Ｎ）が設けられ、はずみ車の主質量を成す外側
ホイールリムRKとを有する。同様に円盤状に設計される
ステータＳは、ハウジング上に取付けられた中心軸に固
定される。ロータＲのスピン軸は、ステータＳの回転軸
と一致する。はずみ車の回転駆動用動力発生装置M1のコ
イル（モータコイル）w1は、車輪ボス内部に配置された
ステータＳ上に配置され、特に好適にはステータ円板Ｓ
の外周に該ステータ円板Ｓの広がり方向に垂直な面にお
いて配置される。付随する永久磁石P1（モータ磁石）
は、中空体Ｈの内表面の、実質的に車輪軸に平行に伸び
る壁上に取付けられる。これらの永久磁石は交番の極性
を有する。モータ装置は、電子整流能を備える空心直流
モータを含む。低速のときには、電子駆動装置は、整流
用の、簡単なうず電流センサ装置からロータの位置が得
られる。高速（200rpm以上）のときには、整流はモータ
巻線内の電圧逆起電力（voltage−back EMF）から得ら
れる。該モータ装置は、ロータが回転している場合でも
精確な整流を保証する。
はずみ車の回転軸の半径方向変位用動力発生装置M2
は、車輪ボスの内部空間に同様に設置される。該動力発
生装置もまた同様に電気力学的法則に従って動作する。
円盤状のステータＳ上に２本の環状巻線w21およびw22
（半径方向アクチュエータコイル）が互いに並んで設置
される。付随する環状に設計された永久磁石P2,P3は中
空体Ｈの円板内表面上に配置され、該永久磁石P2,P3は
それぞれステータＳ内に配置された巻線w21,w22の下方
または上方の領域に配置される。トロイダル磁束が図式
的に示されている。結果としてｘ方向に力が作用する。
軸方向変位用動力発生装置M3も同様に電気力学的法則
に従って動作する。該動力発生装置M3はロータＲの車輪
の外周において、外側車輪リム（ロータリム）内の軸方
向（ｙ方向）に伸びる環状溝Ｎ内部に配置される。環状
溝Ｎの外向きの壁には、２つのループ型永久磁石（上方
および下方の磁石リム）が配置され、該２つの永久磁石
は、一方が他方のｙ方向上方に設置され、同じ方向性を
もつ極（単極の極）を有する。該永久磁石は、軸方向お
よび傾斜モーメント動力発生装置のために一様な環状の
磁場を与える。動力発生装置M3のためのコイルw31およ
びw32は、一方が他方の上方に配置されるような環状巻
線としてさらに別のステータS1上に設置され、該ステー
タS1はハウジングを介してステータＳに固定的に連結さ
れている。その結果、図式的に示したトロイダル磁束が
生じ、該磁束はｙ方向に力作用を発生する。
傾斜モーメントを発生するために４つの巻線を備える
動力発生装置M4（図示せず）が設けられ、該４つの巻線
は溝Ｎ内に配置され、エポキシド樹脂に埋め込まれ、１
つの円のうちの90゜の扇形にそれぞれが広がっている。
これらの巻線の幾何学的配置に関する詳細は、ドイツ特
許DE 32 40 809 C2の中に、特に図6bの中に含まれ
ている。傾斜モーメントは、個々に対向する巻線を逆位
相電流によって励磁することによって発生させる。
上述の自由度においてはずみ車の運動を検出するため
の、図1bにのみ示されているセンサSE1,…,SE4は、位置
安定化のための調節装置RS（図示せず）を介して、対応
する動力発生装置M1〜M4に接続されている。そのような
位置安定化のための調節装置の詳細は、たとえばドイツ
特許DE 32 40 809 C2またはドイツ特許出願DE 38
19 205 A1から推測されるであろう。
全部で３つのセンサ装置が設けられる。すなわち、傾
斜センサ装置は、それぞれ２つのコイル機構を備えた２
つの傾斜センサ（傾斜センサコイル）を有する。センサ
コイルはハウジングに固定されており、詳細にはロータ
リムの外周にある溝Ｎ内で互いに対向している。対応す
るセンサコイル間の差が傾斜位置を提供する。傾斜モー
メントM4のための動力発生装置の付近に傾斜センサを固
定することによって、妨害作用にほとんど影響されない
調節が達成される。
並進センサ装置は、車輪ボス上方の４つのセンサコイ
ルと、車輪ボス下方の４つのセンサコイルSE1,…,SE4
（図1bおよび２）とを有する。センサSE1,…,SE4の基準
面は、車輪ボスロータハウジングＨの上面および／また
は下面にある歯付きリムを含む。図２に従うセンサコイ
ル（ｘセンサコイル）は、ステータＳにしっかりと固定
され、したがってステータＳとロータＲの間の半径方向
の距離の差を求めることができる。これらのセンサを車
輪ボス領域に精確に配置することによって、ロータの外
周にセンサを有した装置の場合よりも精確に運動を検出
すること（妨害振動の能動抑制）ができる。傾斜運動に
よって、車輪ボス領域における並進運動が妨害されるこ
とは少ない。
コイル出力信号を評価することによって、すべての並
進自由度を検出することができる。
軸方向の位置は、ロータの上方および下方に固定され
たｘコイルおよびｙコイル内の電圧を比較することによ
って決定される。
さらに、低速での整流のために、静的センサ（図示せ
ず）が設けられる。いずれのセンサの場合も、構成を簡
単にすることができ、動作の信頼性が高いという理由か
らうず電流原理を用いたものが好適に用いられる。
電気的特性と機械的特性とが適切に選択されていれ
ば、高い帯域幅を持ち充分に線形である。センサはすべ
て、ドリフト効果を避けるために差動原理に従って動作
する。
ロータの車輪リムは、内表面に設置されるさらに別の
環状溝N1を有し、該環状溝N1はアルミニウムから成り、
傾斜センサ装置の一部を成している。付随するコイル
（傾斜センサコイル）は、ステータS1上に取付けられ、
環状溝N1内に突出する。
磁気軸受の機能が停止したとき、すなわち電力の供給
が停止したときに作動する玉軸受が２つ、いずれの場合
においてもステータＳの軸とロータＲの車輪ボスの間に
設けられている（非常用軸受）。
上述のはずみ車は＋／−４゜の回転範囲をもつ。した
がって、該はずみ車は、理論上は通信衛星のためのジャ
イロスコープ作動装置として適している。このことは、
ロータを、回転軸とは一致しない傾斜軸の方向に、ハウ
ジングに関して回転させることができることを意味する
（バーニヤジンバリング:vernier gimballing）。さら
に、ロータの傾斜（tilting）は、外部の妨害モーメン
トを補償するための、または、衛星に乗せられた回転中
の構造物、たとえばアンテナアライメントなどの運動を
変えるための横モーメントの貯蔵に利用することができ
る。
衛星のバス電圧が不足した場合、自己補給のためのエ
ネルギ、また最低でも1500rpmの安定した軸受のための
エネルギを与えるために、モータは自動的に発電機モー
ドに切換えることができる。それ以下のレベルでは、起
電力EMFが小さくなりすぎて電気系統に供給するのに充
分なエネルギを生みだすことができない。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−303738（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−180226（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−48000（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−37608（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−56623（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平10−512435（ＪＰ，Ａ) 特表 平10−504874（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−505278（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02K 7/00 - 7/20 F16C 32/00 - 32/06 F16C 35/00 - 43/08

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】軸方向の長さに比べて半径方向の長さの方
    が長い、磁気的に取付けられた位置安定化はずみ車にお
    いて、 はずみ車の回転駆動のための少なくとも１つの第１動力
    発生装置（M1）が、電気力学的法則によるものであり、 回転駆動のための第１動力発生装置（M1）のコイル（w
    1）が、はずみ車の車輪ボス内に設置されるステータ
    （Ｓ）上に配置され、 回転駆動のための第１動力発生装置（M1）の関連する永
    久磁石（P1）が、コイル（w1）の領域内のロータ（Ｒ）
    上に配置され、 はずみ車の半径方向変位のための第２動力発生装置（M
    2）は、電気力学的法則によるものであり、 はずみ車の軸方向変位のための電気力学的法則に従う第
    ３動力発生装置（M3）が、ロータ（Ｒ）の車輪の外周に
    設けられ、 傾斜運動を発生するための電気力学的法則に従う第４動
    力発生装置（M4）が、ロータ（Ｒ）の車輪の外周に設け
    られることを特徴とするはずみ車。
  2. 【請求項２】車輪ボスは、円盤状の実質的に閉じられた
    中空体（Ｈ）を有することを特徴とする請求項１記載の
    はずみ車。
  3. 【請求項３】円盤状に設計されたステータ（Ｓ）は、外
    周に、回転駆動のための動力発生装置のコイル（w1）を
    保有することを特徴とする請求項２記載のはずみ車。
  4. 【請求項４】回転駆動のための動力発生装置（M1）の複
    数の永久磁石（P1）が、中空体（Ｈ）の内表面の、車輪
    軸に実質的に平行に伸びる壁（WA）に固定されることを
    特徴とする請求項２または３記載のはずみ車。
  5. 【請求項５】はずみ車の回転軸の半径方向変位のための
    動力発生装置（M2）が、同様に車輪ボス内に設置される
    ことを特徴とする設置１〜４のいずれかに記載のはずみ
    車。
  6. 【請求項６】半径方向変位のための動力発生装置（M2）
    は、中空体（Ｈ）の内部空間に設置されることを特徴と
    する設置１〜５のいずれかに記載のはずみ車。
  7. 【請求項７】半径方向変位のための動力発生装置（M2）
    のコイル（w2）がステータ（Ｓ）内で互いに隣合った円
    盤状の巻線（w21,w22）として設計されることを特徴と
    する請求項６記載のはずみ車。
  8. 【請求項８】半径方向変位のための動力発生装置（M2）
    のための永久磁石（P2,P3）が、中空体（Ｈ）の円板内
    表面に設置され、どちらもステータ（Ｓ）内に配置され
    た巻線（w21,w22）の上側または各下側の領域に設置さ
    れることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の
    はずみ車。
  9. 【請求項９】ロータ（Ｒ）の車輪の外周に、軸方向に延
    びる環状溝（Ｎ）が設けられることと、該環状溝（Ｎ）
    内に２つの永久磁石（P4,P5）が少なくとも一方の溝壁
    に、２つの永久磁石の一方が他方の上方に設置されるよ
    うに設けられることと、該永久磁石（P4,P5）に付随す
    るコイル（w31,w32）が、永久磁石（P4,P5）の領域のさ
    らに別のステータ（S1）上の環状巻線として一方が他方
    の上方に設置されるように設けられることとを特徴とす
    る請求項１〜８のいずれかに記載のはずみ車。
  10. 【請求項１０】第４動力発生装置（M4）は扇形のコイル
    を有し、該扇形のコイルは対になって対向し、さらに別
    のステータ（S1）上にあり、それぞれ対向するコイルに
    相互の逆の電流をかけることができることを特徴とする
    請求項１〜９のいずれかに記載のはずみ車。
  11. 【請求項１１】センサ（SE1,…,SE4）が、位置安定化の
    ための調節装置（RS）を介して、対応する動力発生装置
    （M1,…,M4）に接続されていることを特徴とする請求項
    １〜10のいずれかに記載のはずみ車。
  12. 【請求項１２】はずみ車の回転軸の横方向変位、すなわ
    ち軸方向および半径方向変位のためのセンサ（SE1,…,S
    E4）は、車輪ボス領域に設置されることを特徴とする請
    求項１〜11のいずれかに記載のはずみ車。
  13. 【請求項１３】横方向変位のためのセンサ（SE1,…,SE
    4）の基準面が、車輪ボスハウジング（Ｈ）の上面およ
    び／または下面の歯付きリムを含むことを特徴とする請
    求項12記載のはずみ車。
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