JPH02205711A - ジャイロ・トルク発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は宇宙ステーション等の宇宙機及び宇宙構造物等
の姿勢制御に適用されるジャイロトルク発生装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、宇宙機の姿勢を動かす（かじを取る）には、大出
力のものはジェット噴射装置、小出力のものはリアクシ
ョン・ホイールが多用されているが、これらの中間のも
のとして両方をカバーできるジャイロ効果を利用したト
ルク発生装置（以下ジャイロ・アクチュエータと呼ぶ、
これは制御モーメント・ジャイロとも呼ばれる）も一部
使用されている。従来のジャイロ・アクチュエータはた
とえば第５図に示すように高速回転するフライホイール
の軸受、たとえば図中、ジンバル軸受として示す個所に
ボール・ベアリングを用いたものが大部分であり、一部
磁気軸受を用いたものが発表されているに過ぎない。

たとえば第６図は従来のジャイロ・アクチュエータの模
式図で、図に示すようにジャイロ・アクチュエータはス
ピン・モータによって高速一定回転数で回転するホイー
ル、ホイールを支える軸受、ホイール軸受と一体となっ
てこれらを支えるジンバル機構からなる。ジンバルはホ
イールの回転軸に直交する軸まわりに回転の自由度を持
ち、ジンバル駆動モータでジンバル部を回転させるとジ
ャイロ効果によって、ホイール軸とジンバル回転角速度
軸の双方に直交する方向にトルクを発生する。

このトルクを制御用のトルクとして利用するものである
。

は 因みに図の（ライつのジンバルを有する単一ジンバル方
式、（ｂ）はさらに外側にジンバルを有する２重ジンバ
ル方式である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のジャイロ・アクチュエータには解決すべき次
の課題があった。即ち、従来のジャイロ・アクチュエー
タは、ホイールを支えるころがり軸受（玉軸受）の寿命
や、潤滑の信頼性確保、潤滑油のシールが難しく、軸受
の摩擦損失も大きいなど、宇宙用としての課題がある。

また、これにかわるものとして、磁気軸受を用いた非接
触型の軸受が使用された例が一部にあるが、この場合以
下の問題点がある。

即ち、ジャイロ効果によって、ジャイロ・アクチュエー
タにトルクを発生させる際に、ジンバルを回転させる必
要があるが、この回転角を３６０゜以上に無制限にして
お（ことが、運用上の制約をなくすことに効果的である
。磁気軸受を制御するためには、軸受部のギャップ変位
計測のセンサ信号及び軸受コイルに対する電流制御信号
は、電力供給を含めて回転するジンバル内とやりとりし
なければならない。このために、ジンバル外部の固定部
と回転するジンバルとの間にスリップ・リングを用いて
伝送を行なう方法があるが、多数の信号伝送に伴なう信
号ノイズや、摺動部の摩耗の問題等について制御性能上
、信頼性上の課題がある。

本発明は上記のような従来のホイールを支える玉軸受の
課題及びこれを磁気軸受とした場合の課題を含めて総合
的に課題を解決するコンパクトなジャイロ・トルク発生
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題の解決手段として、ほゞ球状の枠体を
なすジンバルと、同ジンバルの内側にあって左右の両端
を左右対称に１対の磁気ラジアル軸受及び内側に玉軸受
よりなる非常用の危象、軸受を有する磁気スラスト軸受
とによって上記ジンバルに支持されると共に左右に対称
に設けられ一定速度で回転可能なフライホイールを一部
する誘導型電動機と、同誘導型電動機の軸と直交する軸
まわりに上記ジンバルを回転可能に支持する軸受と、同
軸受と軸受を共用すると共に上記ジンバルを回転駆動す
るブラシなしサーボモータと、上記ジンバル上に配置さ
れた上記磁気ラジアル軸受及び磁気スラスト軸受のセン
サ回路と制御コ「回路と電力回路とを具備してなること
を特徴とするジャイロトルク発生装置を提供しようとす
るものである。

〔作用〕

本発明は上記のように構成されるので次の作用を有する
。

（１）　　ボールベアリングの代わりに採用した磁気軸
受により、フライホイール軸を完全に宙づりにして回転
させることができる。また、強力なラジアル磁気軸受を
用いることにより、モーメント出力を伝える軸受荷重も
一対のラジアル軸受で支持し、非接触でフライホイール
軸を回転させることができる。

（２）誘導電動８！（スピン・モータと呼ぶ）を可変周
波数方式とすることにより、広い回転数範囲で効率よく
フライホイール軸を駆動することができる。電動機の左
右に配置したフライホイールは誘導電動機のロータに発
生する熱を適切に放射及び希薄ガスを封入して熱伝達に
より冷却する作用を持つ、すなわちフライホイールが放
熱板として作用する。

また、軸受やフライホイールの完全左右対称配置は、モ
ーメント発生装置から外に出る外乱（アンバランス力）
を最小に抑える。

スラスト軸受内に収納した小径の危急軸受は、磁気故障
時にもフライホイール軸系を安全に運転し、停止に至ら
しめるのに役立つ、これが無いと磁気軸受故障時に大事
故に継がる。

（３）ジンバルを支持する軸受とジンバルを駆動するサ
ーボ・モータの軸受を共用することにより、組立精度の
制約を省くことができる。また、装置全体のサイズを短
くすることができる。

（４）磁気軸受の制御回路等をジンバル上にパッケージ
として乗せることにより、磁気軸受各部の信号ラインと
電力ラインを、回転するジンバル部と固定部の間でスリ
ップ・リングを通して結合することを不要とする。従っ
てスリップ・リング部は制御回路等への電力ラインを主
とした伝送でよい。

〔実施例］ 本発明の第１実施例を第１図、第２図により説明する。

第１図に示すように、２枚のフライホイール１、左右各
１個の磁気ラジアル軸受２、左右各１個の磁気スラスト
軸受３、これらの軸受を制御するためのギャンプ変位セ
ンサとしてラジアル変位センサ４及びスラスト変位セン
サ５、フライホイール１を一定の回転数で回転させるた
めのスピン・モータ６、磁気軸受の動作に障害が出た場
合にバックアップとなるボールベアリングの危急軸受７
、以上の各構成品を一体として回転するような、球形ケ
ーシング状のジンバル８、ジンバル８を回転させるため
のジンバル駆動モータとジンバル駆動のためのジンバル
角度、及び角速度計測用センサを合体したジンバル駆動
モータ及びセンサ９、ジンバル８上に搭載される磁気軸
受の制御回路等のパッケージ１０、スリップ・リング１
１及び玉軸受を用いたジンバル軸受１２から構成される
。

なお、特に述べてはいないが、上記を動作させる必要な
、ジンバル駆動用制御回路は本体とは別のパッケージで
外置し、スピン・モータ制御用制御回路は、本体と別の
パッケージで外置するか、またはジンバル８上で磁気軸
受制御回路等と並置することも可能である。

次に上記構成の作用について説明する。

磁気軸受制御回路等のパッケージ１０の磁気軸受制御回
路は、ラジアル変位センサ及びスラスト変位センサの信
号に基づいて、磁気ラジアル軸受２及び磁気スラスト軸
受３への制御信号を出力する。

これにより、各軸受部でフライホイール１を有する軸を
完全に非接触で支持する。

ジンバル駆動モｒジンバル駆動モータによりジンバル８
を回転させて、その回転角速度に応じたトルクを発生さ
せる。ジンバル駆動モータ及びセンサ９に回置したセン
サは、ジンバル８の回転角及び回転角速度を検出するの
に用いられ、この信号はジンバル駆動モータを駆動する
のに使用される。

スピン・モータ６は、運用開始時にフライホイーノ潟定
格回転数まで上昇させることと、定速回転の保持を行な
う。なお、スリップリング１１は制御回路等への電力ラ
インを主とした伝送を行なう。

第３図及び第４図は本発明の第２実施例に係るアウタロ
ータ式のジャイロトルク発生装置を示すもので、回転軸
端が外側にあるアウタロータ方式の支承構成とした以外
、その構成品は第１実施例の場合と同様の機能及び性能
を有するものである。

支承し、かつ、その左右に対称にフライホイールｌを設
けているので、回転がきわめて安定し、しかも如何なる
部位も固定側と接触しないジンバルが実現し、高精度、
高トルクのジャイロトルク装置が得られる。また、各軸
受が非接触なので摩耗が発生せず、半永久的に高精度を
維持できる。また、磁気スラスト軸受３に危急軸受７を
設けたので万一、磁気スラスト軸受３が故障することが
あってもジンバルとしての機能は全く損われることがな
い。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように構成されるので次の効果を有する
。

（１）磁気軸受の採用により、接触部分が皆無となるた
め、軸受の摩耗などの問題が無くなり高信輔性、長寿命
が確保される。また潤滑油を用いないためクリーン環境
が確保できる。

（２）誘導モータの使用により、省エネ、高信転性が実
現できる。フライホイールは安定回転の他冷却用として
も働き、モータや軸受のロータ冷却を可能にして信幀性
を上げることができる。

左右対称なフライホイール配置は本装置作動時の外乱を
掻小に抑えるのに役立つ。非常用ボールベアリングの配
置はコンパクト化と磁気軸受故障時の安全性を確保する
。

（３）　　ジンバル支持軸受とジンバル駆動モータの軸
受を共通にした構造は全体のコンパクト化に役立つ。

（４）磁気軸受の制御回路等をジンバル上に搭載する方
式はスリップ・リングのチャンネル数を大幅に削減し、
磁気軸受の信顧性を大幅に向上させることに役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例に係るジャイロトルク発
生装置の縦断面図、第２図は第１図の左側面図、第３図
は本発明の第２実施例に係るジャイロトルク発生装置の
縦断面図、第４図は第３図の左側面図、第５図は従来例
の図で（ａ）は分解斜視図、（ｂ）はジャイロモータ部
の縦断面図、第６図はジャイロ・アクチュエータの作動
原理を説明する図で（ａ）は車−ジンバル方式の斜視図
、（ｂ）は二重ジンバル方式の斜視図である。 １・・・フライホイール、　　２・・・磁気ラジアル軸
受。 ３・・・磁気スラスト軸受。 ４・・・ラジアル変位センサ。 ５・・・スラスト変位センサ、６・・・スピンモータ７
・・・危象、軸受、　　　　　　８・・・ジンバル。 ９・・・ジンバル駆動モータ及びセンサ。 ｌＯ・・・磁気軸受制御回路等のパッケージ１２・・・
ジンバル軸受。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ほゞ球状の枠体をなすジンバルと、同ジンバルの内側に
   あって左右の両端を左右対称に１対の磁気ラジアル軸受
   及び内側に玉軸受よりなる非常用の危急軸受を有する磁
   気スラスト軸受とによって上記ジンバルに支持されると
   共に左右に対称に設けられ一定速度で回転可能なフライ
   ホィールを有する誘導型電動機と、同誘導型電動機の軸
   と直交する軸まわりに上記ジンバルを回転可能に支持す
   る軸受と、同軸受と軸受を共用すると共に上記ジンバル
   を回転駆動するブラシなしサーボモータと、上記ジンバ
   ル上に配置された上記磁気ラジアル軸受及び磁気スラス
   ト軸受のセンサ回路と制御回路と電力回路とを具備して
   なることを特徴とするジャイロトルク発生装置。