JP6858720B2 - フライホイールに用いる磁石及びフライホイール - Google Patents
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Description
本発明は、人工衛星の姿勢制御に使用されるフライホイールに関し、そのフライホイールに用いる磁石を含む。
フライホイールは、ロータをモータにより回転させることで角運動量を蓄積し、その角運動量が変化するときに発生するトルクで人工衛星の姿勢を制御する機器であり、モータ出力の安定が要求されている。
モータは、マグネットとコイルから構成され、マグネットの位置に対応するコイルに電流を流すことで力を発生するものであり、構造原理は一般のモータと同じである。
フライホイールではロータを回転させるモータに起因したトルクの脈動が発生する。これをトルクリップルという。トルクリップルは出力トルクむらの要因となるため、その低減が要求される。
モータは、マグネットとコイルから構成され、マグネットの位置に対応するコイルに電流を流すことで力を発生するものであり、構造原理は一般のモータと同じである。
フライホイールではロータを回転させるモータに起因したトルクの脈動が発生する。これをトルクリップルという。トルクリップルは出力トルクむらの要因となるため、その低減が要求される。
従来のフライホイールの例として、回転中心となる回転軸に支えられて回転するフライホイールであって、前記回転軸を回転可能に取り付ける基台と、前記回転軸の回転とともに回転するロータと、前記ロータ上に前記回転軸から所定の距離に配置される複数の板状の磁石と、前記ロータに配置されるコイルであってロータの所定の回転位置において前記磁石の磁束とコイルに流れる電流とを作用させることにより回転力を得るものとして構成される。
従来のモータでは、図２（ｂ）のようにコイルに流す電流を矩形状、コイルに印加される磁束波形を正弦波に近い形状（図２（ａ））に設計していたが、従来の磁石の形状を直方体として、コイルに印加される磁束波形を正弦波に近い形状にしているため、電流の流し始めと終わり部分で磁束が充分印加されずトルクの発生が弱くなり、従来の磁石形状では高性能ホイールにおけるトルクリップルの要求を満足することができない解析結果が得られた。従来のフライホイールの出力トルク図を図３に示す。出力トルクは、最大トルクと最小トルクの差が大きく、トルク変動がトルクリップルとなっている。
従来のモータでは、図２（ｂ）のようにコイルに流す電流を矩形状、コイルに印加される磁束波形を正弦波に近い形状（図２（ａ））に設計していたが、従来の磁石の形状を直方体として、コイルに印加される磁束波形を正弦波に近い形状にしているため、電流の流し始めと終わり部分で磁束が充分印加されずトルクの発生が弱くなり、従来の磁石形状では高性能ホイールにおけるトルクリップルの要求を満足することができない解析結果が得られた。従来のフライホイールの出力トルク図を図３に示す。出力トルクは、最大トルクと最小トルクの差が大きく、トルク変動がトルクリップルとなっている。
解決しようとする問題点は、フライホイールにおけるトルクリップルレベルを改善して、低減策を提供する点である。
請求項１に係るフライホイールに用いる磁石は、長方形の一面を形成する向かい合う２辺から当該長方形の前記一面に対し直角に延びる２つの側面と、前記２つの側面の辺端から前記側面に対し同じ傾斜角で前記一面に向かい前記２辺に平行に交わる２つの傾斜面と、前記一面と側面と傾斜面とを辺とする多角形を形成する面とからなり、前記一面に対し直角方向に着磁した永久磁石とであるとともに、前記永久磁石を円周上に長方形の一面である背面が円の半径の外向き方向に向くように複数配列するとともに、永久磁石を配置される円の半径方向の向きにＳ極とN極が交互となるよう着磁したことを特徴とするものである。
請求項２に係るフライホイールは、回転中心となる回転軸に支えられて回転するフライホイールであって、前記回転軸を回転可能に取り付ける基台と、前記回転軸の回転とともに回転するロータと、前記ロータ上に前記回転軸から所定の距離に配置される複数の磁石と、前記ロータに配置されるコイルであってロータの所定の回転位置において前記磁石の磁束とコイルに流れる電流とを作用させることにより回転力を得るフライホイールであって、磁石が請求項１に記載のものであり２つの傾斜面が交わる線がフライホイールの回転軸に平行になるように取り付けられ、前記磁石によりコイルに印加される磁束波形の時間軸上の変化を台形及び逆向き台形に近似し磁束密度の波形は、台形及び逆向き台形に近似し、台形の立ち上がり最大値から下り降りを開始するまでの両端部で高く、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに小さくするとともに、前記近似した逆向き台形の降り下がり最小値から立ち上がりを開始するまでの両端部で小さく、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに大きくするようにしたものである。
請求項１に係るフライホイールに用いる磁石によると、長方形の一面を形成する向かい合う２辺を形成する２つの端部から傾斜面を備え、前記長方形の一面に対し直角方向に着磁したから、コイル部分に作用する磁束波形の両端を中央部に比較してわずかに大きくすることができる。
請求項２に係るフライホイールによると、磁石の２つの傾斜面が交わる線がフライホイールの回転軸に平行になるように取り付けられ、前記磁石によりコイルに印加される磁束波形の時間軸上の変化を台形及び逆向き台形に近似し台形の立ち上がりから下り降りるまでの間をわずかに小さくするとともに、前記近似した逆向き台形の降り下がりから立ち上がるまでの間をわずかに大きくするようにしたので、コイルに流す電流に対し前記磁束の高さを大きく変わることなく印加することができ、トルクリップルを低減することができる。
図４は、フライホイールを説明する図であり、フライホイールの側面方向から見た断面図である。ハウジング２０１の内部を上下に分ける基台２０２を設け、ハウジング２０１と基台２０２の中央部に回転可能に回転軸２０３が配置される。基台２０２はハウジングとともにステータを形成し、ステータには回転軸２０３を中心とした円周上に所定の間隔でコイル２０４が配置される。回転軸２０３とともに回転するロータがハウジング内に形成され、ロータはステータのコイル２０４に対面するように複数個の永久磁石２０５からなる。永久磁石２０５は回転軸２０３を中心とする所定の距離に配置され、半径方向の向きにＳ極とＮ極が交互になるように形成される。
図１は、フライホイールに用いる永久磁石を示す斜視図である。永久磁石は直方体の一部を変形した形状となっている。長方形の一面である背面１０１を形成する向かい合う２つの縦辺１０１ａ，１０１ｂから当該背面１０１に対し直角に延びて縦方向の側面を形成する２つの側面１０２ａ，１０２ｂを形成する。側面１０２ａ，１０２ｂの辺端から前記側面１０２ａ，１０２ｂに対し同じ傾斜角で前記背面１０１に向かう傾斜面１０３ａ，１０３ｂを形成する。傾斜面１０３ａ，１０３ｂは交わり、その交わった交線は前記２つの縦辺１０１ａ，１０１ｂに平行になる。前記背面１０１と側面１０２ａ，１０２ｂと傾斜面１０３ａ，１０３ｂとに直角に交わる上平面１０４ａ，下平面１０４ｂが多角形を形成する。
フライホイールのロータは、前記永久磁石を円周上に背面１０１を円の半径の外向き方向に向くように複数配列される。このとき、円の内向き方向には傾斜面１０３ａ，１０３ｂが向くようにし、傾斜面１０３ａ，１０ｂが交じった交線が上下方向になるようにして配列される。永久磁石は配置される円の半径方向の向きにＳ極とＮ極が交互になるように着磁される。
フライホイールのロータは、前記永久磁石を円周上に背面１０１を円の半径の外向き方向に向くように複数配列される。このとき、円の内向き方向には傾斜面１０３ａ，１０３ｂが向くようにし、傾斜面１０３ａ，１０ｂが交じった交線が上下方向になるようにして配列される。永久磁石は配置される円の半径方向の向きにＳ極とＮ極が交互になるように着磁される。
本発明による永久磁石の形状が、両端部が高く、両端部から奥方向に傾斜して中央部で交わるように結合して両端部とは低く形成するから、永久磁石によるコイル部分の磁束密度の波形は、図３に示す従来のｓｉｎ状のカーブに比較して、図５のように両端部で高く、中間部で低くなりほぼ高い状態を維持した平坦になるようにする。
図５によれば、磁束密度の波形は、その時間軸上の変化をｓｉｎ状のカーブに同期してそのｓｉｎ状のカーブが正である半周期を台形、残りの半周期を逆向き台形に近似した。図５によれば、磁束密度の波形は、台形及び逆向き台形に近似し、台形の立ち上がり最大値から下り降りを開始するまでの両端部で高く、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに小さくするとともに、前記近似した逆向き台形の降り下がり最小値から立ち上がりを開始するまでの両端部で小さく、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに大きくする。
ステータスの所定のコイル２０４に順次電流を流すことにより永久磁石の磁束が作用し、この力により回転軸を中心にした所定方向にロータが回転する。コイルに流す電流は一定であり、永久磁石によるコイル部分の磁束密度の波形が、両端部で高く、中間部で低くほぼ高い状態を維持した平坦になるようにしているから、ほぼ一定のトルクを得ることができる。
本発明によるフライホイールの出力トルクを測定した結果、図６に示すように、出力トルクは、最大トルクの部分が平坦となりと最小トルクの差が図３と比較して小さく、トルク変動であるトルクリップルが従来のフライホイールの１／２程度まで低減し改善されている。
本発明は、定トルクリップルを要求されるモータ等について応用が可能である。
図５によれば、磁束密度の波形は、その時間軸上の変化をｓｉｎ状のカーブに同期してそのｓｉｎ状のカーブが正である半周期を台形、残りの半周期を逆向き台形に近似した。図５によれば、磁束密度の波形は、台形及び逆向き台形に近似し、台形の立ち上がり最大値から下り降りを開始するまでの両端部で高く、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに小さくするとともに、前記近似した逆向き台形の降り下がり最小値から立ち上がりを開始するまでの両端部で小さく、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに大きくする。
ステータスの所定のコイル２０４に順次電流を流すことにより永久磁石の磁束が作用し、この力により回転軸を中心にした所定方向にロータが回転する。コイルに流す電流は一定であり、永久磁石によるコイル部分の磁束密度の波形が、両端部で高く、中間部で低くほぼ高い状態を維持した平坦になるようにしているから、ほぼ一定のトルクを得ることができる。
本発明によるフライホイールの出力トルクを測定した結果、図６に示すように、出力トルクは、最大トルクの部分が平坦となりと最小トルクの差が図３と比較して小さく、トルク変動であるトルクリップルが従来のフライホイールの１／２程度まで低減し改善されている。
本発明は、定トルクリップルを要求されるモータ等について応用が可能である。
長方形の背面（一面） １０１
縦辺 １０１ａ，１０１ｂ
側面 １０２ａ，１０２ｂ
傾斜面 １０３ａ，１０３ｂ
上下平面 １０４ａ，１０４ｂ
縦辺 １０１ａ，１０１ｂ
側面 １０２ａ，１０２ｂ
傾斜面 １０３ａ，１０３ｂ
上下平面 １０４ａ，１０４ｂ
Claims (2)
- 長方形の一面を形成する向かい合う２辺から当該長方形の前記一面に対し直角に延びる２つの側面と、前記２つの側面の辺端から前記側面に対し同じ傾斜角で前記一面に向かい前記２辺に平行に交わる２つの傾斜面と、前記一面と側面と傾斜面とを辺とする多角形を形成する面とからなり、前記一面に対し直角方向に着磁した永久磁石とであるとともに、前記永久磁石を円周上に長方形の一面である背面が円の半径の外向き方向に向くように複数配列するとともに、永久磁石を配置される円の半径方向の向きにＳ極とN極が交互となるよう着磁したことを特徴とするフライホイールに用いる磁石。
- 回転中心となる回転軸に支えられて回転するフライホイールにおいて、
前記回転軸を回転可能に取り付ける基台と、前記回転軸の回転とともに回転するロータと、前記ロータ上に前記回転軸から所定の距離に配置される複数の磁石と、前記ロータに配置されるコイルであってロータの所定の回転位置において前記磁石の磁束とコイルに流れる電流とを作用させることにより回転力を得るフライホイールであって、
磁石が請求項１に記載のものであり２つの傾斜面が交わる線がフライホイールの回転軸に平行になるように取り付けられ、前記磁石によりコイルに印加される磁束波形の時間軸上の変化を台形及び逆向き台形に近似し磁束密度の波形は、台形及び逆向き台形に近似し、台形の立ち上がり最大値から下り降りを開始するまでの両端部で高く、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに小さくするとともに、前記近似した逆向き台形の降り下がり最小値から立ち上がりを開始するまでの両端部で小さく、その中間部の磁束密度を両端部よりわずかに大きくするようにしたことを特徴とするフライホイール。
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| JP2018004353A JP6858720B2 (ja) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | フライホイールに用いる磁石及びフライホイール |
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| JP2019126145A JP2019126145A (ja) | 2019-07-25 |
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