JP3702341B2 - 風洞模型の磁力支持天秤装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物体の空力的な特性を調べるため気流の中に物体の模型を置く風洞装置において、模型の内部に磁石を含め、模型を磁力支持する磁力支持天秤装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、物体の空力的な特性を模型で得るため風洞設備の測定部において模型を支持体で支持することが一般的に行われてきたが、支持体自体が模型表面における空気流れに影響を及ぼすので、試験結果をそのまま模型の空力特性として採用することができない。そこで、風洞試験において、模型を磁力で支持することが提案されている。模型を磁力支持することによって支持体が不要となるので、支持体が存在することに起因した模型への空力的な影響を取り除くことができる。
【０００３】
模型を磁力支持する磁力支持天秤装置は、風洞試験において模型の周りを流れる気流が模型に作用する揚力、抗力、ピッチング（縦揺れ）モーメント等の静的又は動的な空力特性を、模型の内部に設けられる磁石と相互作用する磁気力を生じさせるために設けられているコイルに流す電流の大きさに置き換えて測定する装置である。こうした空気力とコイル電流の大きさとの関係を調べて予めマップ、関数、表等の対応関係を用意しておくことにより、コイル電流を測定することで模型に作用する空力特性を知ることができる。
【０００４】
図４及び図５を参照して、磁力支持型風洞及び磁力支持天秤装置の概要を説明する。図４は磁力支持型風洞と磁力支持天秤装置の概要を示す斜視図であり、図５は磁力支持型風洞と磁力支持天秤装置に用いられる電源系と計測系を示す概念図である。図４に示す磁力支持天秤装置２０は、風洞模型１を磁気の力で気流中に支持する装置であり、支持干渉のない風洞試験を実現することができる。風洞模型１には磁化された物質、超伝導コイルのような電流を流し続けているコイル、或いは永久磁石等から成る強力な磁石体が搭載される。風洞模型１の磁石体には、風洞の測定部の周りに配置したコイルに通電することにより生じた外部磁場との磁気作用によって磁気力が生じ、風洞模型１を磁気的に浮上支持させることができる。外部磁場は、磁気支持コイルとしてのコイル２３〜２６とコイル２７〜３０とから成る二つの磁気回路２１，２２、及びその外側に配置された同じく磁気支持コイルとしての空芯コイル３１，３２によって発生され、磁気回路２１，２２の各コイルに流れる電流を調節することにより、磁気回路２１，２２内のｙ−ｚ面内での磁場の強さと方向及びそれらのｘ軸方向の変化率を連続的に変化させることができる。また、空芯コイル３１，３２に流れる電流を調節することによりｘ軸方向磁場の強さのｘ軸方向で見た変化率を制御でき、都合５軸の制御が可能である。即ち、磁気回路２１，２２のコイル２３〜３０は、風洞模型１に働く揚力と縦揺れモーメントとに対抗する磁気力を与える揚力用コイルとして機能し、空芯コイル３１，３２は風洞模型１に働く抗力に対抗する磁気力を与える抗力対抗用コイルとして機能している。
【０００５】
風洞には、風洞模型１とコイル２３〜３２の他に、各コイルを駆動する電源系、風洞模型１の位置と姿勢とを計測する計測系、及び風洞模型１の位置と姿勢とを制御する制御系が組み込まれている。図５に示すように、計測系であるカメラ３３が検出した風洞模型１の位置姿勢に関する計測データは、パソコン等の計算機３４に送信され、計算機３４での演算結果をアンプ３５にて増幅した後、各コイル２３〜３２に制御された駆動電流を通じている。
【０００６】
磁力支持型の風洞装置においては、図６に示すように、模型１を磁気力で支持するために模型１の内部に設けられる磁石体として、通常、真っ直ぐな棒状の強力な永久磁石４０をその長手方向軸線が模型の中心軸に沿うように配置することが多い。永久磁石４０を鉛直上方へ持ち上げる力は、永久磁石４０が保持している磁気モーメントと、磁気回路２１，２２が生じさせる磁場の永久磁石周りにおける鉛直上方に向かう磁気強さ成分の磁石軸方勾配との積で表される。即ち、ｘを永久磁石４０の長手方向軸（通常は、模型中心軸に一致する）とし、Ｍｘを永久磁石４０が保持している磁気モーメントとし、Ｈｚを鉛直上方に向かう磁気強さとすると、永久磁石４０を持ち上げようとする鉛直上方の磁気力Ｆｚは、次の式で表される。この磁気力Ｆｚが模型１に働く重力ｍｇと釣り合うことで模型１を風洞内の気流中に浮揚させることができる。
Ｆｚ＝Ｍｘ×（∂Ｈｚ／∂ｘ）
【０００７】
風洞装置の能力、即ち、幅広い模型１の重量の範囲で風洞試験を行うことを可能にするには、上記の式から明らかなように、保持している磁気モーメントＭｘができるだけ大きい永久磁石を用いる必要がある。現状では、軸方向長さを大きく取ることができる永久磁石４０としては、アルニコ５と呼ばれる磁石が最も優れている。しかしながら、模型１の内部に機器を搭載する等の事情で、止むを得ず模型１の重量の軽量化が困難な場合には、この最高性能の永久磁石４０であっても十分な磁気力Ｆｚを得られない場合が多々ある。こうした場合には、磁気回路２１，２２において用いられる揚力用コイルに流す電流を大きくして、上記式中、（∂Ｈｚ／∂ｘ）の値を大きくすることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、揚力用コイルに流す電流を大きくすると、揚力用コイルの温度上昇が速くなる。揚力用コイルの温度が高温になると、電流−磁気力特性が不安定化して模型の正確な空力特性が得られなくなるので、揚力用コイルの温度上昇が速いときには、所定温度を超えるまでの風洞試験を行い得る試験時間が短くなるとともに、磁気力が減少して模型の浮揚支持自体が困難になる。風洞試験においては同じ風洞条件を所定期間に渡って維持することが重要であり、一旦、風洞試験を中断すると、同一試験条件を回復することが困難になるばかりでなく、同一試験条件を再現すること自体に時間を消費して正味の試験時間が短くなることがある。また、揚力用コイルに流す電流を大きくすると、風洞装置の電力消費も嵩むことになる。このように、磁気浮揚式の風洞装置では、コイルの温度上昇に伴って、試験条件の維持や試験時間の確保が難しくなり、効率的な使用ができないという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、風洞装置の磁力支持天秤装置において、風洞模型の内部に配置された磁石体の磁気モーメントと揚力用コイルがもたらす外部磁場との干渉磁気力に加えて、磁石体に風洞模型の浮揚力を得る点で解決すべき課題がある。
【００１０】
この発明の目的は、風洞模型の内部に配置された磁石体の構造と揚力用コイルがもたらす外部磁場の向きとを工夫することにより、磁石体の磁気モーメントと外部磁場との本来の干渉磁気力に加えて、模型に対して追加的な磁気浮揚力を生じさせることによって、揚力用コイルに流す電流を従来以上に大きくすることなく、広範な範囲の重量の風洞模型を磁気浮揚させることを可能にし、揚力用コイルの発熱量を減少して温度上昇を抑えて、揚力用コイルに流す電流が同じであってもより重い風洞模型を浮揚支持することを可能にし、同じ重量の風洞模型の場合には長時間に渡って且つ消費電流を少なくして省エネルギーを図りつつ風洞試験を行うことを可能にする風洞模型の磁力支持天秤装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明による風洞模型の磁力支持天秤装置は、磁場発生用の磁気支持コイルを備え、磁石体を備えた風洞模型を前記磁場と前記磁石体との磁気作用によって風洞内に浮揚支持する磁力支持天秤装置において、前記磁気支持コイルのうち前記風洞模型の上方に配置されている上方磁気支持コイルと前記磁石体とを貫通して形成される磁気回路が前記磁石体に及ぼす吸上げ力を前記風洞模型の浮揚力の一部に利用したことから成っている。
【００１２】
この風洞模型の磁力支持天秤装置によれば、風洞装置内に置かれた風洞模型は気流によって揚力、抗力、縦揺れモーメント等の空力的な力を受けるが、そうした力は、風洞装置に備わる磁気支持コイルに通電することによって生じる磁場が磁石体に及ぼす磁気作用によって支持される。磁気支持コイルのうち風洞模型の上方に配置されている上方磁気支持コイルと磁石体とを貫通して形成される磁気回路が磁石体に吸上げ力を作用させており、その吸上げ力は、風洞模型の磁石体の磁気モーメントと磁気支持コイルがもたらす外部磁場との本来的な干渉磁気力に対して追加的な磁気力として、風洞模型の浮揚力の一部に利用される。その結果、磁気支持コイルに通電される電流は、風洞模型に備わる磁石体が真っ直ぐな磁石である場合に、そうした磁石体に対する干渉磁気力のみで風洞模型の浮揚力を得るために通電すべき電流と比較して小さくすることが可能になる。
【００１３】
この風洞模型の磁力支持天秤装置において、前記磁石体は、その長手方向中央に対して両端部を前記上方磁気支持コイル側に向けた形状に形成される。即ち、両端部を上方磁気支持コイル側に向けるという構造が簡単な磁石体を用いるだけで、上向きの姿勢に置かれた馬蹄形の永久磁石が上方に固定された鉄片に自ら吸い上げられるのと同様の作用によって、上方磁気支持コイルと磁石体とを貫通して形成される磁気回路に基づいて磁石体には上方磁気支持コイルに向かう吸上げ力を作用させることができる。
【００１４】
この風洞模型の磁力支持天秤装置において、前記磁石体はその長手方向に二つの磁石片に分割されており、前記各磁石片の互いに遠隔側の端部が互いに近接側の端部から前記上方磁気支持コイル側に傾斜させることができる。即ち、真っ直ぐな棒状の磁石体をその長手方向に二つの磁石片に分割し、互いに突き合わせた状態で両端を同じ側に傾斜させて配置するだけで、簡単に上方磁気支持コイルへ向かう吸上げ力が得られる磁石体を構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明による風洞模型の磁力支持天秤装置の実施例を説明する。図１はこの発明による風洞模型の磁力支持天秤装置の一実施例の概要を示す概念図である。風洞模型及びその磁力支持天秤装置の前提となる基本的な構造は、図４〜図６に示したものと同様であるので、それらについての再度の詳細な説明を省略する。
【００１６】
図１は、風洞模型（以下、単に、「模型」という）１の重心を通る縦面による断面図であって、模型１の内部に備わる磁石体２は強力な永久磁石である。磁石体２は、模型１の前後方向軸線９に対して長手方向を合わせて配置された棒状の磁石を、中央で前後に二分割して構成されている。即ち、磁石体２は、前側の磁石片３と後側の磁石片４とから構成されており、互いの近接側の端部５，６が接近配置されている。
【００１７】
風洞装置において、電磁石から成る磁気支持コイル２３〜３０のうち、模型１の上方、即ち、分割された各磁石片３，４の遠隔側の端部７，８の前後の上方に配置されている磁気支持コイル２３，２７を、上方磁気支持コイルとして用いている。各磁石片３，４の遠隔側の端部７，８は、それぞれ上方磁気支持コイル２３，２７側に持ち上げられて、前後方向軸線９に対して同じ角度αで傾斜した状態に置かれている。上方磁気支持コイル２３，２７はコイル軸線を縦軸として配置されており、上方磁気支持コイル２３，２７に通電することによって生じる磁束１２は磁石片３，４を貫通し、吸上げ用の強い磁気回路１０を構成している。磁石体２を上記のように磁石片３，４に分割して互いに傾斜させた姿勢を取らせても、磁石体２が保持する磁気モーメントは殆ど減少することがなく、測定すべき空力特性に大きな影響を及ぼすことはない。
【００１８】
磁石片３，４の遠隔側の端部７，８がそれぞれ上方磁気支持コイル２３，２７側に持ち上がる方向に傾斜しているので、磁束１２も磁石片３，４内では前後方向軸線９に対して傾斜している。従って、磁気回路１０は全体として比較的に滑らかに湾曲した形状となり、磁石体２には、磁力線の自己収縮性によって上方磁気支持コイル２３，２７側に持ち上げられる方向の吸上げ力が作用する。即ち、模型１内に配置される磁石体を真っ直ぐな棒磁石とするのでは、棒磁石の内部を通ることで歪んだ磁力線が自然な形に戻ろうとしても、棒磁石に対して有効な吸上げ力として作用しない。一方、この磁力支持天秤装置では、磁石片３，４を予め傾斜させておくことにより、磁石片３，４の内部を貫通する磁力線は、外側に広がる方向に歪んだ状態から自然な形に戻る方向に収縮しやすくなっており、馬蹄形磁石が鉄片に吸い寄せられるのと同様の現象によって、磁石片３，４には上方磁気支持コイル２３，２７に吸い上げられる力が生じる。
【００１９】
この吸上げ力を模型１の浮揚力の一部として利用することにより、模型１を浮揚させるのに必要な磁気回路２１，２２（図４参照）の揚力用コイルに通電すべき電流として、模型１内に真っ直ぐな棒磁石を設けた場合と比較して、電流値を小さくすることができる。通電する電流が小さくなれば、揚力用コイル２３〜３０に発生する発熱量が少なくなり、風洞装置の使用時間、即ち、風洞試験時間を長く確保することができる。同じ重量の模型１であれば、揚力用コイル２３〜３０に流す電流を小さくすることで省エネルギーに貢献することができる。また、揚力用コイル２３〜３０に流す電流が制限される場合には、より重い模型１を風洞装置内で浮揚させることができる。
【００２０】
図２は、上方磁気支持コイル２３，２７に通電される電流値に対する浮揚力の大きさを磁石片３，４の傾斜角度αをパラメータとして示したグラフである。傾斜角度αは、０°，３°，１０°の３つの角度について浮揚力を求めた。図２に示すように、浮揚力（ｙ軸）は上方磁気支持コイル２３，２７に通電される電流値（ｘ軸）を増やすのに対して一次関数的に増加しており、この範囲の傾斜角度αでは、大きな傾斜角度αほど浮揚力は大きくなっている。
【００２１】
図３は、上方磁気支持コイル２３，２７に通電される電流値を一定にした状態で、傾斜角度αを０°から１２°まで変化させたときの吸上げ力としての浮揚力の変化を、真っ直ぐな磁石体を基準にして示したグラフである。図３に示されているように、真っ直ぐな磁石体の場合と比較して、傾斜角度αが８°付近で最も大きな吸上げ力が得られている。この浮揚力は、揚力用コイルに通電する電流値を最大１５％減少させる効果がある。
【００２２】
この風洞模型の磁力支持天秤装置において、磁石体２を分割・傾斜したことによって揚力、抗力及び縦揺れモーメントに対する影響は僅かであるが生じる可能性があるので、揚力、抗力及び縦揺れモーメントの測定にはその影響を補正することが望ましい。即ち、一つの補正処理として、磁石体２が真っ直ぐな磁石体であるとして吸上げ力がないとしたときに磁気支持コイル２３，２７に通電される電流値に基づいて予めマップ等で求められている模型の空力特性を、分割された磁石片２を持つ模型１の磁気支持コイル２３，２７に通電される電流値に基づいて補正することが考えられる。空力特性の補正量は、分割された磁石片２の傾斜角度αに応じて、予め求めておくことが好ましい。このようにすれば、実際に用いる模型１の磁石片２の傾斜角度αと上方磁気支持コイル２３，２７に通電される電流値とに基づいて模型１に働く空力特性の補正量を求め、補正量が求まれば実際の空力特性も容易に求めることができる。
【００２３】
上記の実施例では、磁石体２は、二つの磁石片に二分割した例を挙げて説明したが、これに限らず、三つ以上の磁石片に分割しても、あるいは、分割することなく曲げ変形してもよいことは明らかである。更に、磁石体２を分割する場合には、互いの磁石片の折れ曲がり角度を変更可能に設定することにより、模型１やその付属物によって変化する重量に対応して、模型１毎に適切な折れ曲がり角度を設定することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による風洞模型の磁力支持天秤装置によれば、風洞内で風洞模型を磁気力によって気流中に支持する磁力支持天秤装置において、通電によって磁場を生じさせるコイルとして風洞模型の上方に配置された上方磁気支持コイルを含み、上方磁気支持コイルと風洞模型内に配置される磁石体とを貫通して形成される磁気回路が磁石体に及ぼす吸上げ力を風洞模型の浮揚力の一部に利用している。既存の上方磁気支持コイルを利用し風洞模型内部の磁石体の構造を工夫しているので、風洞模型の内部に配置された磁石体の磁気モーメントと揚力用コイルがもたらす外部磁場との磁気干渉によって、本来の干渉磁気力に加えて、模型の浮揚力の一部を賄うことができる。従って、揚力用コイルに流す電流を従来以上に大きくすることなく、広範な範囲の重量の風洞模型を浮揚させることができ、揚力用コイルの発熱量を減少して温度上昇を抑えることにより、同じ重量の風洞模型では長時間に渡って安定し且つ確実な浮揚状態で風洞試験を行うことができ、更に、長期の試験時間に渡って試験条件を維持し、風洞装置の効率的な使用を行うことができる。また、揚力用コイルに流す電流が同じである場合には、磁気回路による吸上げ力の分だけ、より重い風洞模型を浮揚支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による風洞模型の磁力支持天秤装置の一実施例を示す概念図である。
【図２】図１に示す風洞模型の磁力支持天秤装置について、上方磁気支持コイルに通電される電流値に対する浮揚力の大きさを磁石片の傾斜角度αをパラメータとして示したグラフである。
【図３】図１に示す風洞模型の磁力支持天秤装置について、上方磁気支持コイルに通電される電流値を一定にした状態で、傾斜角度αを変化させたときの吸上げ力の変化を示したグラフである。
【図４】磁力支持型風洞及びその磁力支持天秤装置の概要を示す斜視図である。
【図５】図４に示す磁力支持型風洞及び磁力支持天秤装置における電源系及び測定系の概念図である。
【図６】風洞模型の概要を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 風洞模型
２ 磁石体 ３，４ 磁石片
５，６ 近接側の端部 ７，８ 遠隔側の端部
９ 前後方向軸線 １０ 磁気回路
１２ 磁束
２０ 磁力支持天秤装置 ２１，２２ 磁気回路
２３，２７ 上方磁気支持コイル
２４〜２６，２８〜３０ 揚力用コイル
α 傾斜角度

Claims (2)

1. 磁場発生用の磁気支持コイルを備え、磁石体を備えた風洞模型を前記磁場と前記磁石体との磁気作用によって風洞内に浮揚支持する磁力支持天秤装置において、前記磁石体が、その長手方向中央に対して両端部を前記磁気支持コイルのうち前記風洞模型の上方に配置されている上方磁気支持コイル側に向けた形状に形成され、該上方磁気支持コイルと前記磁石体とを貫通して形成される磁気回路が前記磁石体に及ぼす吸上げ力を前記風洞模型の浮揚力の一部に利用したことから成ることを特徴とする風洞模型の磁力支持天秤装置。
2. 前記磁石体はその長手方向に二つの磁石片に分割されており、前記各磁石片の互いに遠隔側の端部が互いに近接側の端部から前記上方磁気支持コイル側に傾斜されていることから成る請求項１に記載の風洞模型の磁力支持天秤装置。

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