JP4340794B2 - 空芯コイルの無い磁力支持天秤装置とそれを用いた制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、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、機械的支持機構を用いることなく、模型を磁力によって支持する磁力支持天秤装置とそれを用いた制御方法に関する。

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機械的に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してしまうため、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はできない。そこで、風洞試験において、模型を支持体によって機械的にではなく磁力で支持することが提案されている（非特許文献１参照）。このシステムは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という大きな利点がある。

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。

特許文献１を参照しながら宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）に配備されている従来の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７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８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７に示す磁力支持天秤装置は、風洞模型１０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１０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１０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１０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風洞軸方向（ｘ方向）に位置を異にするコイル１〜４とコイル５〜８とから成る二つの磁気回路及びそれらをｘ方向から挟むよう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０，９によって発生され、前記２つの磁気回路の各コイルに流れる電流を調節することにより、該磁気回路内のｙｚ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。ここで、ｙは水平方向をｚは鉛直方向を示すものとする。また、空芯コイル０，９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、前記２つの磁気回路のコイル１〜８は、風洞模型１０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０，９は風洞模型１０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。

風洞には、風洞模型１０とコイル０〜９の他に、各コイルを駆動する電源系、風洞模型１０の位置と姿勢とを計測する計測系、及び風洞模型１０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８に示すように、計測系であるカメラ１１が検出した風洞模型１０の位置姿勢に関する計測データは、パソコン等の計算機１２に送信され、該計算機１２での演算結果をアンプ１３にて増幅した後、各コイル０〜９に制御された駆動電流を通じている。

磁力支持型の風洞装置においては、図９に示すように、模型１０を磁気力で支持するために模型１０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１４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１４を鉛直上方へ持ち上げる力は、永久磁石１４が保持している磁気モーメントと、前記２つの磁気回路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、永久磁石１４の長手方向軸（通常は、模型中心軸に一致する）をｘ方向に合わせ、Ｍｘを永久磁石１４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１４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１０に働く重力ｍｇと釣り合うことで模型１０を風洞内の気流中に浮揚させることができる。
Ｆｚ＝Ｍｘ×（∂Ｈｚ／∂ｘ）

このような磁力支持天秤装置に於いては、多数の磁場制御用電磁石が測定部周りに配置されており、この電磁石の数は制御する軸数必要であるが、実際には更に多くの磁石を組み合わせて制御し易い磁場を作り出すようにしている。このため、磁石の数が多くなり、磁力支持天秤装置自体の製作工数、費用が増える傾向にある。特に、大型風洞に用いる磁力支持天秤装置となると、測定部の径が大きくなり、その領域を気流が障害物のない状態で貫通できるためにはその径に見合う大型の空芯コイルが必要となるため、磁力支持天秤装置の製造コストの高騰を招く要因となる。このような事情の下で、既存の磁力支持天秤装置と同様の制御ができるものであって、出来るだけ単純な電磁石配置とその制御方法の開発が待たれていているところである。
特開２００３−３４４２１５号公報 「風洞模型の磁力支持天秤装置」平成１５年１２月３日公開 Covert,E.E., Vlajinac,M. and Stephen,T. "MAGNETIC BALANCE AND SUSPENSION SYSTEMS FOR USE WITH WIND TUNNELS," Progress in Aerospace Science Vol.14, 0xford and New York Pergamon Press, 1973, pp.27-107

本発明が解決しようとする課題は、多数の電磁石を配置した組合せからなる複雑な磁力支持天秤装置を単純化すると共に、高精度を保ちながら効率化を図ること、特に大型風洞用装置における空芯コイルの大型化やパワーアンプ等の設備に伴う製造コストの削減につながる新規な装置を提供することにある。

本発明の磁力支持天秤装置は、風洞の測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに磁極が対向する電磁石またはコイルを互いに直交させて配置した２組の電磁石またはコイル群を、測定中心軸方向に位置を異にして同じ構成で２組配置するものであって、前記対向する１対の電磁石またはコイルにはほぼ同じ強さで向きが反対の磁力線をそれぞれが発生するように電流を流し、測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させるようにした。好ましい形態としては対向する電磁石またはコイルは水平方向と鉛直方向にそれぞれ１対配置し、少なくとも１平面に配置された４つの電磁石またはコイルの電流によって測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させるようにした。
本発明の磁力支持天秤装置における対向する電磁石またはコイルは、対向する電磁石またはコイルは複数種類のコイルを組み合わせたものであって、測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させるコイルと他の磁気力を発生させるコイルとを分けて配置するようにした。

本発明の磁力支持天秤制御方法は、風洞の測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに磁極が対向する電磁石またはコイルを互いに直交させて配置した２組の電磁石またはコイル群を、測定中心軸方向に位置を異にして同じ構成で２組配置した磁力支持天秤装置のそれぞれの電磁石またはコイルにほぼ同じ強さで向きが反対の磁力線をそれぞれが発生するように電流を流すことにより、測定中心軸に沿った磁場勾配を制御するようにした。
本発明の磁力支持天秤制御方法は、空芯コイルを配置した磁力支持天秤装置を用い、測定中心軸に沿った磁場勾配の主たる制御を空芯コイルで行い、ほぼ同じ強さで向きが反対の磁力線をそれぞれが発生するように電流を流す精緻な制御を測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群によって行うことにより磁場勾配を制御するようにした。
本発明の磁力支持天秤制御方法は、それぞれの電磁石またはコイルに流す電流を別個に変化させることにより、測定中心軸に沿った磁場勾配はじめ模型に作用する力を制御するようにした。
本発明の磁力支持天秤制御方法は、対向する電磁石またはコイルは複数種類のコイルを組み合わせ、１つのコイルには測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させると共に、他のコイルにそれ以外の磁場を発生させるように、コイル毎に分けて模型に作用する力を制御するようにした。
本発明の磁力支持天秤装置に使用される模型は、中央部に内蔵された棒状の永久磁石からなる主磁石と前方／後方位置に同極が対向する１対の補助磁石を配置するようにした。

本発明の磁力支持天秤装置は、最も製作費用がかさむ空芯コイルを必要とせず測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群を測定中心軸方向に位置を異にして配置する構成によって、測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させることができるので、特に大型風洞用のものでは製造コストの大幅な削減につながる。また、空芯コイルがない分だけ、パワーアンプの数を少なくすることが出来るため、これも製造コストの削減につながる。
本発明の磁力支持天秤装置における対向する電磁石またはコイルは、対向する電磁石またはコイルは複数種類のコイルを組み合わせたものであって、測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させるコイルと他の磁気力を発生させるコイルとを分けて配置するようにしたので、６軸制御の場合従来装置では７個のパワーアンプを必要としたが、本発明では６個のパワーアンプがあれば足り、これもコスト削減につながる。
本発明の磁力支持天秤装置の制御方法は、従来システムのように空芯コイルを備えたシステムに応用でき、測定中心軸に沿った磁場勾配の主たる制御を空芯コイルで行い、精緻な制御を測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群によって行うことができる。
本発明の磁力支持天秤装置に使用される模型には、中央部に内蔵された棒状の永久磁石からなる主磁石と前方／後方位置に同極が対向する１対の補助磁石を配置したものを用いることにより、測定中心軸周りのトルクの発生と、大きな磁力による安定支持が可能となる。

本発明の磁力支持天秤装置は図１に示すように測定部中心軸をｘ軸として、鉛直方向をｚ軸、水平方向をｙ軸とした時に、ｘｙ面、ｘｚ面、ｙｚ面に関して対称な電磁石配置とする。上下４つある電磁石１，３，５，７は模型１０の上下運動とｙ軸周りの回転運動を制御する磁場を作り出す。一方、通常は左右の４つの電磁石２，４，６，８は模型１０の左右運動とｚ軸周りの回転運動を制御する磁場を作り出すが、これに加えて、左右の４つの電磁石２，４，６，８により従来装置では前後の空芯コイル（図７における０，９）によって制御している模型のｘ軸方向の運動も制御できるようにするものである。このため、左右の４つの電磁石２，４，６，８には別々の電流を流せるようにするか、３種類のコイルを巻きつけて、図２で示す様に、左右の４つの電磁石２，４，６，８によりｘ軸方向の磁場成分がｘ軸に沿って変化するような形態を実現させることができる。この結果、図３に示す如く、ｘ方向の磁気力を模型に作用させることができ、空芯コイルによるｘ方向の磁気力制御が不要となる。このように空芯コイルを必要としないということが従来の課題を解決した本発明の大きなポイントである。

ｘ方向の磁場勾配を発生させるにはｘｙ平面に配置された４つの電磁石（又はコイル）２，４，６，８とｘｚ平面に配置されたそれぞれ４つの電磁石（又はコイル）１，３，５，７のコイル群を用いることが出来るが、いずれか一方だけを用いても良い。今ここでは、ｘｙ平面に配置された４つの電磁石（又はコイル）２，４，６，８だけを用いるものとして話を進める。左右の４つの電磁石２，４，６，８に流す電流成分の組合せは３つ若しくは４つ有り、一つはｙ方向の磁気力制御用で、もう一つはｚ軸周りの回転トルクの制御用、３つ目は先のｘ軸方向の磁気力制御用であり、残り一つは図４に示す様な補助磁石１５，１６を取付けた模型１０に対し模型軸周りの回転トルクの制御用である。これらの電流成分を左右の４つの電磁石２，４，６，８に流すには４つの電磁石に電流を独立させて制御するか、それと同じ効果があるように左右の４つの電磁石に３若しくは４種類のコイルを巻きつけて、それぞれの成分毎の電流を各コイルに流す方法もある。このいずれかの方法により、空芯コイル無しでも５軸若しくは６軸制御が可能な磁力天秤装置を構成することが可能となった。

本発明の磁力支持天秤装置の基本構成は図１に示すとおりで、図６に示した従来のＪＡＸＡ磁力支持天秤装置の空芯コイルを配置しないそれ以外の電磁石配置のものとなる。ｘｙ平面配置の電磁石２，４，６，８には電流を流し図２に示すような磁力線を発生させることが出来る。その電流値を変化させることによりｘ軸方向の磁気力を制御することができる。制御電流と模型に作用する力と回転トルクの関係をデータにとって示したものが図３のグラフである。横軸に電流値（電流値Ｉdragをフルスケールの電流値Ｉdrag_ＦＳで割って無次元化してある。）を縦軸に力と回転トルク（力Ｆをフルスケールの力Ｆ_ＦＳで割り、回転トルクＮをフルスケールの回転トルクＮ_ＦＳで割りそれぞれ無次元化している。）をとっている。実際に制御電流の変化により、図３に示す如く、ｘ軸方向の磁気力Ｆxが制御電流に比例して変化することが判る。因みにｙ軸方向の力Ｆy，Ｚ軸方向の力Ｆzとｙ軸周りの回転トルクＮy，ｚ軸周りの回転トルクＮzはすべて０となっている。このことから、ｘｙ平面に配置された４つの電磁石に同じ電流を流すとき、その電流値の向きと大きさを変化させることで模型に作用するｘ軸方向の力の向きと大きさをリニアーに変えられることが判る。

図４には、模型軸周りの回転トルク制御が出来るようにした６軸制御模型を示す。ここで６軸とはｘ，ｙ，ｚ軸に平行な移動の自由度と、ｘ，ｙ，ｚ軸周りの回転自由度の合計６つの自由度を指す。図４に示したものは中央部に従来模型と同様な強力な磁石体である主磁石１４が搭載され、模型前方位置にはｘｙ平面に平行してＮ極が対峙する１対の板状磁石１５が配置され、模型後方位置にはｘｚ平面に平行してＳ極が対峙する１対の板状磁石１６が配置されている。この模型１０を図５のＡの様に図２に示すような磁場に配置すると、模型前方位置のｘｙ平面に平行してＮ極が対峙する１対の板状磁石１５にはｘ軸に反時計方向のトルクが作用し、模型後方のｘｚ平面に平行してＳ極が対峙する１対の板状磁石１６には時計方向のトルクが作用するため、互いにキャンセルして該模型には横揺れモーメントは発生しない。そして、前述したようにこの磁場では中央の主磁石１４にｘ軸方向の力が発生する。ところが、この模型１０を図５のＢの様な磁場に配置すると、模型前方位置のｘｙ平面に平行してＮ極が対峙する１対の板状磁石１５にはｘ軸に時計方向のトルクが作用し、模型後方のｘｚ平面に平行してＳ極が対峙する１対の板状磁石１６にも時計方向のトルクが作用するため、互いに補足して該模型１０に横揺れモーメントを発生させる。しかしこの場合、ｘ軸方向には磁気勾配が発生しないため、主磁石１４に対してｘ軸方向の力は発生しない。

実際に、このような模型を用いて、本発明の磁力天秤装置により６軸制御による磁力支持が実行出来る。ｘ軸方向のステップ変化の時の模型の制御状態を示したものが図６に示されている。ここで、φ、θ、φはｘ，ｙ，ｚ軸周りの回転角を示している。横軸に時間をとり、縦軸にｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とφ角、θ角、φ角それぞれの変位量をとって各グラフの時間軸を合わせて表示してある。１．２秒のときｘ軸方向即ち測定中心軸方向に０．５ｍｍ移動させる制御を行っている。当初若干の揺れが観察されるが３秒の時点頃には安定状態になっていて、その過渡時間は約１．５秒ほどとなっている。この位置変化に伴いｙ軸方向とｚ軸方向で若干の揺れが観察できるがφ角、θ角、φ角においてはほとんど影響が出来ていない。本発明の装置において上記模型を使用した場合、模型に対し６軸制御を安定して実行できることが確認できた。

以上の説明では、従来の空芯コイルを用いないでも測定中心軸方向の磁気力を発生できることに基づき、空芯コイルを設置しない磁力支持天秤装置を紹介してきたが、これに限定されることなく、従来の風洞設置の磁力支持天秤装置においても、測定中心軸に直交する方向のコイルによって測定中心軸方向の磁気力を発生させて利用する本発明の実施が可能である。
すなわち、測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群を測定中心軸方向に位置を異にして配置すると共に空芯コイルを配備した磁力支持天秤装置を用い、測定中心軸に沿った磁場勾配の主たる制御を空芯コイルで行うようにし、精緻な制御を測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群によって行うという方法で磁場勾配を制御するものである。この方法により、測定中心軸に沿った磁場勾配の主たる制御を空芯コイルで行い、精緻な制御を測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群によって行うことができる。

本発明の磁力支持天秤装置の基本構成を示す図である。 測定中心軸に直交する磁場で測定中心軸方向の磁気力を発生させる動作を説明する図である。 コイルに流す電流に対応して中心軸に沿った磁気力がリニアに変化することを示すグラフである。 前後部に補充磁石を備えた本発明の模型を説明する図である。 前後部に補充磁石を備えた本発明の模型に中心軸周りのトルクが発生する動作を説明する図である。 前後部に補充磁石を備えた本発明の模型を用いて６軸制御を行ったときのデータを示すグラフである。 ＪＡＸＡに配備されている従来の磁力支持天秤装置の基本構成を示す図である。 ＪＡＸＡに配備されている従来の磁力支持天秤装置の制御系を説明する図である。 主磁石のみを備えた従来の模型で磁力支承を説明する図である。

符号の説明

０，９ 空芯コイル １、３ 前方ｚ軸方向コイル対
２，４ 前方ｙ軸方向コイル対 ５，７ 後方ｚ軸方向コイル対
６，８ 後方ｙ軸方向コイル対 １０ 模型
１１ 位置姿勢測定用カメラ １２ 計算機
１３ アンプ １４ 主磁石
１５，１６ 補助磁石

Claims (8)

1. 風洞の測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに磁極が対向する電磁石またはコイルを互いに直交させて配置した２組の電磁石またはコイル群を、測定中心軸方向に位置を異にして同じ構成で２組配置するものであって、前記対向する１対の電磁石またはコイルにはほぼ同じ強さで向きが反対の磁力線をそれぞれが発生するように電流を流し、測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させることを特徴とする磁力支持天秤装置。
2. 電磁石またはコイル群は、水平方向と鉛直方向にそれぞれ１対対向して配置されたものであって、該電磁石またはコイル群の電流によって測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させるものである請求項１に記載の磁力支持天秤装置。
3. 対向する電磁石またはコイルは複数種類のコイルを組み合わせたものであって、測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させるコイルと他の磁気力を発生させるコイルとを分けて配置することを特徴とする請求項１または２に記載の磁力支持天秤装置。
4. 風洞の測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに磁極が対向する電磁石またはコイルを互いに直交させて配置した２組の電磁石またはコイル群を、測定中心軸方向に位置を異にして同じ構成で２組配置した磁力支持天秤装置のそれぞれの電磁石またはコイルに、ほぼ同じ強さで向きが反対の磁力線をそれぞれが発生するように電流を流すことにより、測定中心軸に沿った磁場勾配を制御する方法。
5. 風洞の測定部周りにおいて測定中心軸と直交する方向に互いに磁極が対向する電磁石またはコイルを互いに直交させて配置した２組の電磁石またはコイル群を測定中心軸方向に位置を異にして同じ構成で２組配置すると共に空芯コイルを配備した磁力支持天秤装置を用い、測定中心軸に沿った磁場勾配の主たる制御を空芯コイルで行い、ほぼ同じ強さで向きが反対の磁力線をそれぞれが発生するように電流を流す精緻な制御を測定中心軸と直交する方向に互いに対向する少なくとも２組の電磁石またはコイル群によって行うことを特徴とする磁場勾配を制御する方法。
6. それぞれの電磁石またはコイルに流す電流を別個に変化させることにより、測定中心軸に沿った磁場勾配はじめ模型に作用する力を制御することを特徴とする請求項４または５に記載の制御方法。
7. 対向する電磁石またはコイルは複数種類のコイルを組み合わせ、１つのコイルには測定中心軸に沿った磁場勾配を発生させると共に、他のコイルにそれ以外の磁場を発生させるように、コイル毎に分けて模型に作用する力を制御することを特徴とする請求項４または５に記載の制御方法。
8. 中央部に内蔵された棒状の永久磁石からなる主磁石と前方／後方位置に同極が対向する１対の補助磁石を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載された磁力支持天秤装置に使用される模型。

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