JP5389457B2

JP5389457B2 - 回転球体の風洞試験装置

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Publication number: JP5389457B2
Application number: JP2009008321A
Authority: JP
Inventors: 毅水野
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2009-01-17
Filing date: 2009-01-17
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-01-17
Also published as: JP2010164494A

Description

本発明は、ゴルフボールや野球ボール等の回転する球体を風洞試験するための装置に関し、特に、磁気浮上を利用して回転球体を非接触支持するものである。

ゴルフボールは、球体表面に形成したディンプルの形状が飛距離に大きな影響を与える。
回転していない球体の流体中の振る舞いは、容易に論理的に計算できるが、球体が回転している場合は、論理計算が難しい。そのため、ゴルフボールの開発に際しては、風洞試験によりゴルフボールの空力特性が測定される。

図１６は、下記特許文献１に記載された風洞試験装置を示している。
この装置では、ゴルフボール１０６に挿通されたピアノ線１０５が、フレーム１０１の上下で回転可能に保持され、このピアノ線１０５がモータ１０２で回転される。フレーム１０１は、風洞装置１１２から吹き出る風がゴルフボール１０６に当たるように、風洞口の前に配置される。また、フレーム１０１は、回転可能に回転式空気軸受１１６で軸支され、さらに、空気力の作用する方向にスライドできるようにスライド式空気軸受１１４で支持されている。

ゴルフボールの飛距離を計算するには、回転するボールに対する空気の抗力や揚力などを求める必要がある。
この装置では、回転するゴルフボール１０６に風が当たり、フレーム１０１を含むゴルフボール回転装置がスライドしたときの変位量をレーザ変位計１１５で計測して抗力及び揚力を求めている。
また、フレーム１０１が回転式空気軸受１１６の周りを回転した回転量をレーザ変位計１１５で計測して回転トルク（実際にゴルフボールが高速回転しながら飛翔しているときに回転を減ずるように働く力）を求めている。

特開２００２−３２３４０３号公報

しかし、この装置は、風洞装置から流れる気流中にピアノ線１０５とゴルフボール１０６とが存在し、双方に空気力が作用する。そのため、この装置では、ゴルフボール１０６のみに空気力を作用させて空力特性を測定することが構造上不可能である。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、ゴルフボールのような回転する球体の空力特性を精確、且つ、簡単に測定することができる風洞試験装置を提供することを目的としている。

本発明は、回転する球体の風洞試験を行う風洞試験装置であって、少なくとも一部が強磁性体から成る前記球体と、前記球体を風洞装置から吹き出る気流の中で磁気浮上させるための磁界を発生する浮上磁界発生手段と、前記球体の気流中での位置の変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段の出力に基づいて前記浮上磁界発生手段を制御し、前記球体を所定の位置に保つように、当該浮上磁界発生手段から発生される磁界の強さを変える制御手段と、前記球体を回転させるための回転磁界を発生する回転磁界発生手段と、を備え、前記浮上磁界発生手段が、前記回転磁界発生手段を兼ねており、前記回転磁界発生手段を兼ねる浮上磁界発生手段が電磁石を具備し、前記電磁石に、前記球体を磁気浮上させるための一定のバイアス電流と、磁気浮上した前記球体の位置を制御するための制御電流と、前記球体を回転させる回転磁場を生成するための交流電流とが供給され、前記制御手段は、前記制御電流の量を変えて前記球体を所定の位置に保つための磁界の強さを制御することを特徴とする。
この風洞試験装置では、磁気浮上した球体が回転磁場によって回転する。回転する球体は気流中で非接触支持されるため、空気力が球体にのみ作用する。また、浮上磁界発生手段が、回転磁界発生手段を兼ねることで磁界発生手段の構成を簡素化できる。

また、本発明の風洞試験装置では、前記球体の空力特性が、前記制御手段が前記浮上磁界発生手段の制御に要した制御電流の変化量に基づいて算出される。
そのため、空力特性を求めるための機械的検出機構を別に設ける必要がない。

また、本発明の風洞試験装置では、回転磁界発生手段を、第１の平面内で球体を中心に配置された複数の電磁石と、第１の平面とは異なる第２の平面内で球体を中心に配置された複数の電磁石とで構成し、前記電磁石に回転磁場を生成するための交流電流を供給するようにしても良い。
この風洞試験装置では、第１の平面内の回転磁界と第２の平面内の回転磁界とを組み合わせることにより、球体の回転の回転軸の方向を自由に変えることができる。

また、本発明の風洞試験装置では、前記浮上磁界発生手段が、さらに永久磁石を具備しても良い。
永久磁石を併用することで、電磁石の消費電力が節約できる。

また、本発明の風洞試験装置では、前記浮上磁界発生手段が、前記球体に作用する永久磁石の磁力を調節する磁力調節機構を具備し、前記制御手段が、前記浮上磁界発生手段から発生される磁界の強さを変えるために、前記磁力調節機構を制御するように構成することができる。
この装置では、永久磁石を使って磁界の強さを制御することが可能である。

前記磁力調節機構は、永久磁石と、当該永久磁石より発生された磁束の磁気回路から漏れ出す量を制限する少なくとも一対の強磁性体と、前記強磁性体を移動する移動手段とを有し、前記制御手段は、対を成す前記強磁性体の間隙距離または間隙位置を変えて前記磁界の強さを制御する。
この磁力調節機構を電磁石に代えて用いることで、消費電力が大幅に節約できる。

また、本発明の風洞試験装置では、前記球体が、強磁性体で構成され、あるいは、中心に強磁性体を内包する。
そのため、この球体は、磁気浮上し、回転磁界によって回転する。

また、本発明の風洞試験装置では、前記変位検出手段が、光の拡散範囲が制限された発光体と、前記拡散範囲の中に位置する前記球体の後方で前記発光体の光を受光する複数の受光体とを持つように構成することで、離間して配置された複数の前記受光体の受光量の変化に基づいて前記球体の位置の変位を検出することができる。
この変位検出手段では、球体が発光体に近付くと、球体で遮られる光の量が多くなるため、受光体の受光量が減少し、逆に、球体が発光体から遠ざかると、球体で遮られる光の量が減るため、受光体の受光量が増加する。また、球体が光路に対して直角方向に移動すると、移動した方向の受光体の受光量が減少し、反対方向の受光体の受光量が増加する。そのため、受光体の受光量の変化から、球体の位置の変位が検出できる。

本発明の風洞試験装置では、風洞装置から吹き出された空気が、非接触支持された、磁気浮上している球体にのみ作用する。そのため、回転する球体の空力特性を精確に測定することができる。
また、この空力特性は、電磁石に加える電流値などから算出することができ、空力特性を求めるための機械的検出機構を必要としない。

本発明の実施形態に係る風洞試験装置の全体形状を示す図本発明の第１の実施形態に係る回転球体支持装置を示す図図２の回転球体支持装置の構成を示す図図２の回転球体支持装置の断面図図２の回転球体支持装置の変位検出手段を示す図変位検出手段の検出動作の説明図変位検出手段の検出動作の説明図変位検出手段の検出動作の説明図風を当てたときの球体の変位（Ａ）と、制御電流の変化量から求めた流体抗力（Ｂ）とを示す図回転球体支持装置の他の例を示す図本発明の第２の実施形態に係る回転球体支持装置を示す図本発明の第３の実施形態に係る回転球体支持装置の磁力調節機構を示す図本発明の第３の実施形態に係る回転球体支持装置を示す図図１３の回転球体支持装置の断面図球体の構成を示す図従来の風洞試験装置を示す図

本発明の実施形態に係る風洞試験装置は、図１に示すように、気流送出用の吹出し口を有する風洞装置１１と、気流排出のための吸込み口を有する風洞装置１２と、吹出し口及び吸込み口の間に配置される回転球体支持装置２０とを備えている。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る回転球体支持装置２０は、図２、図３に示すように、強磁性体が含まれた球体６０を磁気浮上させ、且つ、回転させるための磁界を発生する電磁石と、球体６０の位置の変位を検出する変位検出手段５０（５１、５２）とを備えている。
この電磁石は、特許請求の範囲で言う“浮上磁界発生手段”と“回転磁界発生手段”とを兼ねたものであり、ロ字状の２つのヨーク８１、８２と、一方のヨーク８１に巻回されたコイル３１、３３、３５、３７と、他方のヨーク８２に巻回されたコイル３２、３４、３６、３８と、電磁石の磁極４１、４２、４３（図３では隠れて見えない）、４４、４５、４６とから成る。

図４は、ヨーク８１に沿って切断したときの断面図を示している。
ヨーク８１及びヨーク８２は、上方から見たとき、十字になるように互いに組合されている。
磁極４１、４２、４３、４４は、球体６０の側方を四方から取り囲む位置に設けられており、磁極４５、４６は、ヨーク８１及びヨーク８２が球体６０の下方または上方で交差する位置に設けられている。そのため、磁極は、球体６０の位置を中心として、ヨーク８１に沿って９０°置きに存在し、そのヨーク８１と直交するヨーク８２に沿って９０°置きに存在し、また、球体６０の側方に９０°置きに存在している。

球体６０は、図１５（ａ）の断面図に示すように、ゴルフボールを模した強磁性体６１から成り、表面にディンプルが設けられている。また、図１５（ｂ）に示すように、球殻状の強磁性体６２の表面にディンプルを設けたものでも良い。あるいは、図１５（ｃ）に示すように、ディンプルを形成した球殻状の樹脂６３（ゴルフボールと同じ材質が望ましい）の内部に球状の強磁性体６４を埋め込んだものや、図１５（ｄ）に示すように、球殻状の強磁性体６５を埋め込んだものを用いても良い。

コイル３１〜３８への給電は、制御手段（不図示）により制御される。
各コイル３１〜３８には、球体６０を磁気浮上させるための一定のバイアス電流と、球体６０の位置を調整するための制御電流と、球体６０を回転させる回転磁場を生成するための交流電流とが重畳されて供給される。

球体６０は、上下に位置する磁極４５、４６の磁力による吸引力と自重とが釣合う位置で磁気浮上する。球体６０が上下方向に浮上位置を変位すると、制御手段は、それを引き戻すように、コイル３１〜３８の制御電流を制御して磁極４５または磁極４６の磁力を増強する。また、球体６０が横方向に位置を変位すると、制御手段は、それを引き戻すように、コイル３１〜３８の制御電流を制御して、側方の磁極４１、４２、４３、４４の中の必要な磁極の磁力を増強する。このように、球体６０を所定位置に磁気浮上させるために、球体６０には３次元の磁力が作用しており、それにより、球体６０の位置を安定的に制御することができる。

回転磁場の生成は、次のように行われる。
コイル３１と３５、コイル３２と３６、コイル３３と３７、また、コイル３４と３８にそれぞれ同位相の交流電流を供給するとともに、コイル３１・３５とコイル３２・３６との位相差をπ／２に、コイル３１・３５とコイル３３・３７との位相差をπに、また、コイル３１・３５とコイル３４・３８との位相差を３π／２に設定すると、磁極４５、４６の磁力は、周期的変動を示さないが、磁極４１、４２、４３、４４の各磁力は、異なる位相で周期的に変動し、そのため、磁極４１〜４６で囲まれた空間に、磁極４５、４６を結ぶ線を回転軸とする回転磁界が発生する。

一方、コイル３１と３５、また、コイル３３と３７にそれぞれ逆位相の交流電流を供給し、コイル３２と３６、また、コイル３４と３８にそれぞれ同位相の交流電流を供給し、コイル３１・３５とコイル３２・３６との位相差をπ／２に、コイル３１・３５とコイル３３・３７との位相差を０に、また、コイル３１・３５とコイル３４・３８との位相差を３π／２に設定すると、磁極４１、４３の磁力は、周期的変動を示さないが、磁極４２、４４、４５、４６の各磁力は、異なる位相で周期的に変動し、そのため、磁極４１、４３を結ぶ線を回転軸とする回転磁界が発生する。
このように、コイル３１〜３８に供給する交流電流の位相及び振幅を調節することにより、任意の方向に回転軸を持つ回転磁界を生成することが可能である。

磁気浮上した球体６０は、磁極４１〜４６が生成した回転磁界により、誘導モータの原理で回転する。この球体６０の回転速度は、回転磁界の回転速度に依存する。なお、コイル３１〜３８に供給される交流電流は、その周波数が高いため、球体６０の並進運動には影響を与えない。

変位検出手段５０は、図５、図６に示すように、光を発光する発光側５１と、その光を受光する受光側５２とを有し、発光側５１は、発光体（ＬＥＤ）５１１と、発光体５１１から発光された光の拡散範囲を制限するレンズ５１２とを備えている。受光側５２は、光の拡散範囲の中に位置する球体６０の後方で発光体５１１の光を受光する４個の受光体（ホト・トランジスタ）５２１、５２２（図６では、その内の２個を示している。）と、それぞれの受光体５２１、５２２に光を集めるレンズ５２３とを備えている。

この変位検出手段５０では、図７に示すように、球体６０が下方（光路に対して直角方向）に移動すると、受光体５２１によって受光される光量が増え、受光体５２２によって受光される光量が減少する。また、球体６０が上方に移動した場合は逆になる。
従って、受光体５２１の出力をＬ₁₁、受光体５２２の出力をＬ₁₂とするとき、受光体５２１及び受光体５２２の出力の差（Ｌ₁₁−Ｌ₁₂）から、球体６０のｚ方向の変位を知ることができる。同様に、球体６０のｙ方向の変位は、ｙ方向に間隔を空けて並ぶ二つの受光体の出力の差から知ることができる。

また、図８に示すように、球体６０が発光体５１１に近付くと、球体６０で遮られる光の量が多くなるため、受光体５２１、５２２の受光量が減少する。また、球体６０が発光体５１１から遠ざかると、逆に、球体６０で遮られる光の量が減るため、受光体５２１、５２２の受光量が増加する。従って、受光体５２１及び受光体５２２の出力の和（Ｌ₁₁＋Ｌ₁₂）から、球体６０のｘ方向の変位を知ることができる。

この回転球体支持装置２０を風洞装置１１の吹出し口と風洞装置１２の吸込み口との間に配置し、磁気浮上した球体６０を気流中で回転させると、球体６０の位置は、空気力により変位する。
変位検出手段５０が、この変位を検出すると、制御手段（不図示）は、ＰＩＤ制御（入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、及び微分の３要素により行う方式）を実行し、電磁石のコイル３１〜３８に供給する制御電流を制御して変位を解消する。

球体６０がｚ方向（上下方向）に変位した場合は、コイル３１〜３４に供給する電流値とコイル３５〜３８に供給する電流値とを違えることによりｚ方向の変位を解消する。また、球体６０がｘ方向またはｙ方向に変位した場合は、コイル３１・３５に供給する電流値とコイル３３・３７に供給する電流値とを違えたり、コイル３２・３６に供給する電流値とコイル３４・３８に供給する電流値とを違えたりして、ｘ方向またはｙ方向の変位を解消する。

このとき、球体６０の気流方向の変位は、空気の抗力に因り、また、気流方向と直角方向の変位は揚力に因って生じている。そのため、これらの変位を解消するために電磁石のコイル３１〜３８に加えた制御電流の増分から、球体６０に作用する抗力及び揚力を求めることができる。
図９は、プロトタイプの風洞試験装置を用いて、磁気浮上させた球体６０に風を当てたときの球体６０の変位（Ａ）と、その変位の解消を図る制御電流の変化から求めた流体抗力（Ｂ）とを測定した結果を示している。

ここでは、全体形状の寸法が３００ｍｍ×３０ｍｍ×３００ｍｍの装置を使用している。上下左右の磁極間距離は８０ｍｍに設定し、８個のコイル３１〜３８は線径１ｍｍ、巻数１０００回巻のものを使用し、球体６０は直径１９．５ｍｍ、質量０．２８５ｋｇのものを使用している。また、風洞装置から吹き出る風量は、０．１８（ｌ／ｍｉｎ）、０．２３（ｌ／ｍｉｎ）、及び０．２８（ｌ／ｍｉｎ）の３段階に設定している。図中、０．１８（ｌ／ｍｉｎ）の場合の特性を（１）で示し、０．２３（ｌ／ｍｉｎ）の場合の特性を（２）で示し、０．２８（ｌ／ｍｉｎ）の場合の特性を（３）で示している。

図９の測定結果（Ａ）に示すように、球体６０の位置は、風が流れた瞬間に０．１ｍｍほど変位するが、ＰＩＤ制御によって５秒ほどで元の位置まで戻る。そのときの制御電流の変化から、流体抗力は２０〜３０［ｍＮ］と算出できる（Ｂ）。また、風量が大きくなるにつれて、球体６０の変位と流体抗力とが大きくなることが分かる。
なお、球体６０が元の位置に戻るまでの時間は、電磁石の電流をもっと流せるようにすれば、短縮することが可能である。

また、空気力により球体６０の回転を減ずる回転トルクは、球体６０の回転を、回転磁界の回転速度よりも遅くする。そのため、レーザ変位計（不図示）などで測定した球体６０の回転速度と、回転磁界の回転速度との差から回転トルクを求めることができる。

このように、この回転球体支持装置２０は、回転する球体６０を気流中で非接触支持しており、空気力は球体６０にのみ作用する。そのため、回転する球体の空力特性を精確に測定することができる。
また、この空力特性は、電磁石のコイル３１〜３８に加える制御電流の増分から求めることができ、機械的検出機構を必要とせずに、簡単に空力特性を測定することができる。
また、この回転球体支持装置２０は、測定しようとする球体に任意の回転（方向及び速度）を与えることができる。

なお、この回転球体支持装置２０は、電磁石だけで球体を磁気浮上させているが、図１０に示すように、永久磁石４８を併用することにより、電磁石の消費電力を節約することができる。図１０は、図４に対応する、ヨーク８１に沿って切断したときの断面図であり、球体６０の上方に位置する磁極４６部分に永久磁石４８を配置して、球体６０を上方に吸引するために永久磁石４８の磁力を利用している。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る回転球体支持装置は、特許請求の範囲で言う“浮上磁界発生手段”と“回転磁界発生手段”とを別々に備えている。
この装置は、図１１に示すように、上方から見てＹ字状になるように１２０°の角度で組合された３つのコ字状ヨーク２３０、２３１、２３２と、ヨーク２３０に固定されたコイル２０１、２０４及び磁極２２２と、ヨーク２３１に固定されたコイル２０３、２０５及び磁極２２４と、ヨーク２３２に固定されたコイル２０２、２０６及び磁極２２３と、ヨーク２３０、２３１、２３２のＹ字状の交点に固定された上下方向の磁極２２１、２２５と、回転用の電磁石２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６とから成る。この内、ヨーク２３０〜２３２、コイル２０１〜２０６及び磁極２２１〜２２５が浮上磁界発生手段を構成し、電磁石２１１〜２１６が回転磁界発生手段を構成している。

磁極２２２、２２３、２２４は、球体６０の側方に、球体６０の位置を中心として１２０°置きに存在し、また、磁極２２１、２２５は、球体６０の上下に存在している。
コイル２０１〜２０６には、球体６０を磁気浮上させるための一定のバイアス電流と、球体６０の位置を調整するための制御電流とが重畳されて供給される。

球体６０は、上下に位置する磁極２２１、２２５の磁力による吸引力と自重とが釣合う位置で磁気浮上する。球体６０が上下方向に浮上位置を変位すると、制御手段（不図示）は、それを引き戻すように、コイル２０１〜２０６の制御電流を制御して磁極２２１または磁極２２５の磁力を増強する。また、球体６０が横方向に位置を変位すると、制御手段は、それを引き戻すように、コイル２０１〜２０６の制御電流を制御して、側方の磁極２２２、２２３、２２４の中の必要な磁極の磁力を増強する。

回転磁界発生手段を構成する電磁石２１１〜２１６は、電磁石２１１、２１２及び２１３が、第１の平面内で球体６０を中心に１２０°置きに存在し、また、電磁石２１４、２１５及び２１６が、第２の平面内で球体６０を中心に１２０°置きに存在している。
電磁石２１１、２１２及び２１３のコイルに３相交流を印加すると、これらの電磁石を含む第１の平面内で回転する磁界が発生する。また、電磁石２１４、２１５及び２１６のコイルに３相交流を印加すると、これらの電磁石を含む第２の平面内で回転する磁界が発生する。
この第１の平面内の回転磁界と第２の平面内の回転磁界とを組み合わせることにより、球体６０の回転の回転軸の方向を自由に変えることができる。

この回転球体支持装置を、第１の実施形態と同様に、風洞装置１１の吹出し口と風洞装置１２の吸込み口との間に配置し、磁気浮上した球体６０を気流中で回転させると、球体６０の位置は、空気力により変位する。
第１の実施形態と同様に、変位検出手段５０が、この変位を検出し、制御手段がＰＩＤ制御を実行して、コイル２０１〜２０６に供給する制御電流を制御して変位を解消する。

球体６０がｚ方向（上下方向）に変位した場合は、コイル２０１〜２０３に供給する電流値とコイル２０４〜２０６に供給する電流値とを違えることによりｚ方向の変位を解消する。また、球体６０がｘ方向またはｙ方向に変位した場合は、コイル２０１・２０４に供給する電流値とコイル２０２・２０６に供給する電流値と２０３・２０５に供給する電流値とを調整して、ｘ方向またはｙ方向の変位を解消する。

そして、これらの変位を解消するためにコイル２０１〜２０６に加えた制御電流の増分から、球体６０に作用する抗力及び揚力を求める。
このように、回転球体支持装置には、“浮上磁界発生手段”と“回転磁界発生手段”とを別々に設けることも可能である。この場合、“浮上磁界発生手段”に対する制御と“回転磁界発生手段”に対する制御とを個別に実施できるため、それらの制御が容易である。

（第３の実施形態）
永久磁石の磁力は、通常、調節することができないが、第３の実施形態に係る回転球体支持装置は、永久磁石の磁力の調整が可能な磁力調節機構を有し、これを“浮上磁界発生手段”として用いている。
この磁力調節機構は、図１２（ａ）に示すように、永久磁石７０と、永久磁石７０の磁気回路を構成する強磁性体７１、７２、７３とを有しており、この強磁性体の内の対を成す強磁性板７１、７２が移動手段（不図示）により相対移動できるように構成されている。

強磁性板７１、７２は、強磁性体７１、７２、７３で囲まれた範囲から漏れ出る永久磁石７０の磁束を制限する遮蔽板の役割を果たしており、図１２（ｂ）に示すように、遮蔽板７１、７２の間隔を広げると、永久磁石７０から球体６０に到達する磁束が増し、球体６０に対する吸引力が強まる。一方、遮蔽板７１、７２の間隔を狭めれば、永久磁石７０から球体６０に到達する磁束が減少し、球体６０に対する吸引力が弱まる。また、図１２（ｃ）に示すように、遮蔽板７１、７２の間隔の中心位置を横方向にずらせば、球体６０に対する吸引力の方向が変化する。

図１３は、この磁力調節機構９０を球体６０の上方に配置し、球体６０の下方及び側方に電磁石を配置した第３の実施形態に係る回転球体支持装置２１を示している。
電磁石は、長方形の枠体の長辺部分を一部切除した形状の２つのヨーク８３、８４と、一方のヨーク８３に巻回されたコイル１３１、１３２（図１３では隠れて見えない）と、他方のヨーク８４に巻回されたコイル１３３、１３４と、磁極１４１、１４２、１４３、１４４（図１３では隠れて見えない）、１４５（図１３では隠れて見えない）とから成る。磁極１４１は、ヨーク８３及びヨーク８４が上方から見て十字になるように組合された交点に設けられており、球体６０の下方に位置している。また、磁極１４２、１４３、１４４、１４５は、ヨーク８３、８４の切除された長辺の端部が磁極として機能するものであり、球体６０の側方を四方から取り囲む位置に在る。

図１４は、ヨーク８３に沿って切断したときの断面図を示している。
磁力調節機構９０は、永久磁石７０と、遮蔽板７１及び７２と、各遮蔽板７１、７２の移動手段であるアクチュエータ１７１及び１７２とを備えている。
制御手段（不図示）は、コイル１３１〜１３４への給電を制御するとともに、磁力調節機構９０のアクチュエータ１７１、１７２の動作を制御する。

各コイル１３１〜１３４には、球体６０の位置を調整するための制御電流と、球体６０を回転させる回転磁場を生成するための交流電流とが重畳されて供給され、磁極１４２、１４３、１４４、１４５の磁力により回転磁界が生成される。
また、磁力調節機構９０のアクチュエータ１７１、１７２は、永久磁石７０から遮蔽板７１、７２の間隙を通って球体６０に到達する磁束が、球体６０を磁極１４２〜１４５で囲まれた位置に磁気浮上させる吸引力を生むように駆動される。

変位検出手段５０がｚ方向（上下方向）の変位を検出した場合に、制御手段（不図示）は、アクチュエータ１７１、１７２を制御して遮蔽板７１、７２の間隙を変え、永久磁石７０から遮蔽板７１、７２の間隙を通って球体６０に到達する磁束の量を調節して、その変位を解消する。このとき、変位を解消するための遮蔽板の移動量から、球体６０に作用する抗力や揚力を求めることができる。

この磁力調節機構９０は、電磁石に代わり得るものであり、電磁石の消費電力を大幅に節約できる。
ここでは、球体６０の上方にだけ磁力調節機構９０を配置しているが、球体６０の側方を取り囲むように複数の磁力調節機構９０を配置して、磁力調節機構９０だけで“浮上磁界発生手段”を構成することもできる。

なお、ここでは、ゴルフボールの空力特性を測定する場合について説明したが、本発明は、野球ボールやテニスボールなど、その他の回転球体の測定にも用いることが可能である。

本発明の風洞試験装置は、回転する球体の気流中での振る舞いを精確に、且つ、簡単に測定することが可能であり、ゴルフや野球などのスポーツ産業を始めとして、球体を研究する大学や試験機関などで広く利用することができる。

１１吹出し口を有する風洞装置
１２吸込み口を有する風洞装置
２０回転球体支持装置
２１回転球体支持装置
３１〜３８電磁石のコイル
４１〜４６電磁石の磁極
４８永久磁石
５０変位検出手段
５１発光側
５２受光側
６０球体
６１球状の強磁性体
６２球殻状の強磁性体
６３球殻状の樹脂
６４球状の強磁性体
６５球殻状の強磁性体
７０永久磁石
７１遮蔽板
７２遮蔽板
７３強磁性体
８１ヨーク
８２ヨーク
８３ヨーク
８４ヨーク
９０磁力調節機構
１０１フレーム
１０２モータ
１０５ピアノ線
１０６ゴルフボール
１１２風洞装置
１１４スライド式空気軸受
１１５レーザ変位計
１１６回転式空気軸受
１３１〜１３４コイル
１４１〜１４４磁極
１７１アクチュエータ
１７２アクチュエータ
２３０〜２３２コ字状ヨーク
２０１〜２０５コイル
２１１〜２１６電磁石
２２１〜２２５磁極
５１１発光体
５１２レンズ
５２１受光体
５２２受光体

Claims

回転する球体の風洞試験を行う風洞試験装置であって、
少なくとも一部が強磁性体から成る前記球体と、
前記球体を風洞装置から吹き出る気流の中で磁気浮上させるための磁界を発生する浮上磁界発生手段と、
前記球体の気流中での位置の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段の出力に基づいて前記浮上磁界発生手段を制御し、前記球体を所定の位置に保つように、当該浮上磁界発生手段から発生される磁界の強さを変える制御手段と、
前記球体を回転させるための回転磁界を発生する回転磁界発生手段と、
を備え、
前記浮上磁界発生手段が、前記回転磁界発生手段を兼ねており、
前記回転磁界発生手段を兼ねる浮上磁界発生手段が電磁石を具備し、前記電磁石に、前記球体を磁気浮上させるための一定のバイアス電流と、磁気浮上した前記球体の位置を制御するための制御電流と、前記球体を回転させる回転磁場を生成するための交流電流とが供給され、前記制御手段は、前記制御電流の量を変えて前記球体を所定の位置に保つための磁界の強さを制御する
ことを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
回転する球体の風洞試験を行う風洞試験装置であって、
少なくとも一部が強磁性体から成る前記球体と、
前記球体を風洞装置から吹き出る気流の中で磁気浮上させるための磁界を発生する浮上磁界発生手段と、
前記球体の気流中での位置の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段の出力に基づいて前記浮上磁界発生手段を制御し、前記球体を所定の位置に保つように、当該浮上磁界発生手段から発生される磁界の強さを変える制御手段と、
前記球体を回転させるための回転磁界を発生する回転磁界発生手段と、
を備え、
前記回転磁界発生手段が、第１の平面内で前記球体を中心に配置された複数の電磁石と、前記第１の平面とは異なる第２の平面内で前記球体を中心に配置された複数の電磁石と、を具備し、前記電磁石に回転磁場を生成するための交流電流が供給される
ことを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
請求項２に記載の風洞試験装置であって、前記浮上磁界発生手段が電磁石を具備し、該電磁石に、前記球体を磁気浮上させるための一定のバイアス電流と、磁気浮上した前記球体の位置を制御するための制御電流とが供給され、前記制御手段は、前記制御電流の量を変えて前記球体を所定の位置に保つための磁界の強さを制御する
ことを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
請求項１または３に記載の風洞試験装置であって、前記球体の空力特性が、前記制御電流の変化量に基づいて算出されることを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
請求項１または３に記載の風洞試験装置であって、前記浮上磁界発生手段が、さらに永久磁石を具備することを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
回転する球体の風洞試験を行う風洞試験装置であって、
少なくとも一部が強磁性体から成る前記球体と、
前記球体を風洞装置から吹き出る気流の中で磁気浮上させるための磁界を発生する浮上磁界発生手段と、
前記球体の気流中での位置の変位を検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段の出力に基づいて前記浮上磁界発生手段を制御し、前記球体を所定の位置に保つように、当該浮上磁界発生手段から発生される磁界の強さを変える制御手段と、
前記球体を回転させるための回転磁界を発生する回転磁界発生手段と、
を備え、
前記回転磁界発生手段が電磁石を具備し、前記電磁石に回転磁場を生成するための交流電流が供給され、
前記浮上磁界発生手段が、前記球体に作用する永久磁石の磁力を調節する磁力調節機構を具備し、
前記磁力調節機構は、永久磁石と、当該永久磁石より発生された磁束の磁気回路から漏れ出す量を制限する少なくとも一対の強磁性体と、前記強磁性体を移動する移動手段とを有し、
前記制御手段は、対を成す前記強磁性体の間隙距離または間隙位置を変えて、前記浮上磁界発生手段から発生される磁界の強さを制御することを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
請求項１から６のいずれかに記載の風洞試験装置であって、前記球体が、強磁性体で構成されていることを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
請求項１から６のいずれかに記載の風洞試験装置であって、前記球体が、中心に強磁性体を内包していることを特徴とする回転球体の風洞試験装置。
請求項１から８のいずれかに記載の風洞試験装置であって、前記変位検出手段は、光の拡散範囲が制限された発光体と、前記拡散範囲の中に位置する前記球体の後方で前記発光体の光を受光する複数の受光体とを有し、離間して配置された複数の前記受光体の受光量の変化に基づいて前記球体の位置の変位を検出することを特徴とする回転球体の風洞試験装置。