JP6470874B2 - 宇宙機の姿勢安定化のためのフライホイール装置 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙機の姿勢安定化のためのフライホール装置に関する。特に衛星の姿勢制御のためのフライホイール装置に関する。

このようなフライホイール装置又はバランスホイールが知られている。駆動装置によりフライホイールの回転が開始される結果、ジャイロ効果により安定化効果を達成することができる。効果的なジャイロ効果を達成するために、フライホイールの質量の、極力大きい部分を極力外方に位置決めし、この質量がフライホイールの回転軸の周りで極力大きい直径で回転できるようにすることが適切である。

特許文献１から、―自転車の車輪と同様に―内側位置に配置される固定子と、外側位置に配置される回転子と、固定子上で輪止めによって回転子を回転可能に支持するハブとを有するこのようなフライホイールが知られている。ハブは固定子上で２つの転がり軸受により回転可能に支持される。

リアクションホイールとも呼ばれるこのようなフライホイールが、衛星の姿勢制御に対するその価値を数十年にわたって証明してきた。ここで、回転子の支持は通常、固定式軸受及び浮動式軸受として形成される少なくとも２つの転がり軸受によって実行される。

独国特許出願公開第３９２１７６５号

本発明は、既知のフライホイール装置よりも単純な構造を有するとともに、その製造費用を低減できるフライホイール装置を提供する方法の問題に関連している。

本発明によれば、この問題は、請求項１の特徴を有するフライホイール装置により解決される。有利な実施形態が従属請求項に示される。

宇宙機の姿勢安定化のためのフライホイール装置は、キャリアと、回転子と、キャリアに対して回転子を回転駆動するための磁気駆動機構（又は磁気ドライブ、magnetic drive）と、回転子とキャリアとの間に配置される転がり軸受とを含む。ここで、磁気駆動機構によって回転子とキャリアとの間に磁力を発生させ、転がり軸受にプレストレス（又は圧縮応力、pre-stressing）を付与することができる。回転子の外径は最大で転がり軸受の直径の２．５倍（すなわち、２．５倍以下）である。

それ故に、回転子がキャリア上で磁気駆動機構によって回転駆動され、そのことに起因して所望のジャイロ安定効果が達成される。回転子は、転がり軸受によって、キャリアに対して回転可能に支持される。ただし、このやり方では、転がり軸受を１つのみ備える場合には、静的に安定した支持を達成することはできない。

静的な安定（static determination）は、磁気駆動機構が回転子とキャリアとの間に磁力を引き起こすことで達成される。この磁力は特に、回転子をキャリア側に引き寄せる引力である。この方法において、転がり軸受にプレストレスが付与される。

従って、回転子をキャリア上で支持することは、機械式軸受（転がり軸受）と、磁気駆動機構により形成される磁気軸受との組み合わせに対応するといえる。

この設計により、転がり軸受を、先行技術から知られているものよりもはるかに大きく形成することが可能になる。先行技術では、回転子の外径は、例えば、転がり軸受の直径の５倍を超えるもの又は１０倍さえ超えるものとすることができるが、本明細書に記載するフライホイール装置では、回転子の外径と転がり軸受の直径とは互いにほぼ等しい。

ここで、転がり軸受の直径とは、回転子の回転中に転動体の重心がそれに沿って移動する円の直径のことである。転動体が例えば球である場合、転がり軸受の直径は、球の中心がそれに沿って移動する円の直径に対応することになる。その他の転動体については対応する関係が当てはまる。

特定の実施形態によっては、回転子の外径を、最大で転がり軸受の直径の２倍、最大で転がり軸受の直径の１．５倍、最大で転がり軸受の直径の１．３倍、最大で転がり軸受の直径の１．２倍の群から選択できるように回転子を形成することができる。従って、実施形態によっては、外径は、転がり軸受の直径の、最大で２倍、又は最大で１．５倍、又は最大で１．３倍、又は最大で１．２倍、又は最大で１倍とすることができる。

回転子の外径と転がり軸受の直径との間の比率が小さいほど、転がり軸受は、回転子と比較すると、より外方に配置される。以下で詳述するように、このようにして、回転子は、転がり軸受の最外部の軌道輪（又はベアリングリング、bearing ring）により形成することさえ可能なことがある。その際、回転子の外径と転がり軸受の直径との間の比率は小さく、例えば僅か約１．１７である又は１．２よりも小さい。

この比率は、さらにより小さくすることができ、例えば１．０未満、例えば０．９とすることができる。その際、回転子の外径は、転がり軸受の直径と同じ又は転がり軸受の直径よりも小さいのであり、転がり軸受は回転子と比較するとむしろ外側に配置される。その際、駆動装置は、例えば転がり軸受の内輪の内側に配置することができる。

磁気駆動機構は、回転子に設けられ、複数の磁極を含む磁気リング、ならびに、キャリアにおいて磁気リングと反対側に配置される磁気回路閉鎖手段（magnetic circuit closing means）、及び、キャリアにて磁気リングと磁気回路閉鎖手段との間に配置される磁気コイルを含んでよい。従って、磁気駆動機構は、既知の方法で形成されてよく、回転子を、環状に配置されたリニアモータの形でキャリアに対して回転させることができる。

特に、フライホイール装置の動作中、磁気リングと磁気回路閉鎖手段との間に、回転子とキャリアとの間に作用する磁力を発生させることができる。本明細書では、必要な磁力は、転がり軸受の設計により、特に軸受への選択された又は必要なプレストレスの付与により予め決定されるため、磁気駆動機構の設計において考慮されねばならない。磁気駆動機構の適切な設計及び電流印加により、軸受への所望のプレストレスの付与を達成し維持することができる。磁気的に発生するプレストレスを、以下で説明するような付加的な保持マグネットにより付加的に増強することもできる。

既に上で示したように、キャリア上で１つのみの転がり軸受によって回転子を支持することが可能である。従って、先行技術とは異なり、静定された支持を達成するのに、第２の転がり軸受を必要としない。

場合によって、厳密に１つの転がり軸受を、互いに近接して配置されて単一の軸受として機能する２つの転動体円（例えばボールリング）により実現してもよい。これは、転がり軸受の負荷容量の増大の達成を可能にする。２つの転動体円を備えたこのような転がり軸受は、既知の転がり軸受製造者から利用可能であり、従って周知のものである。これらの転がり軸受は高めの定格荷重を有するが、ただ１つの転がり軸受と見なされる。

転がり軸受は、ラジアル力（又は半径方向力、radial forces）及び軸力（axial forces）を支持（または伝える、carry）するように形成されてよい。磁気駆動機構が転がり軸受へのプレストレス力（又は圧縮応力、pre-stress force）としての軸力を発生させるという理由で、軸力を支持することは特に適切である。この軸力は、例えば回転子の重力のような更なる力と共に、転がり軸受により支持されねばならない。

故に、転がり軸受の適切な選択肢として、例えばアキシャル軸受、スピンドル玉軸受、又は同様のものとすることができる。

磁気駆動機構により発生するプレストレス力が、転がり軸受にプレストレスを付与するのに常に十分であることが確実である場合、軸力は転がり軸受により１方向にのみ支持されねばならない。このことは、転がり軸受の脱落防止を保証する。

転がり軸受の転動体（例えば球等）は、ケージ（又は保持器、cage）内において誘導されてよい。その際、ケージは同時に、軸受の再給脂（re-greasing）に使用されてもよい。再給脂は、構成要素の少なくとも一部が、回転する回転子上に、又は回転子により囲まれた開口した内部空間にも配置されるところの特定の給脂システム（greasing system）により、実現することもできる。

転がり軸受は、キャリアに配置される下側の軌道輪と、回転子に配置される上側の軌道輪とを含んでもよい。用語「下側の軌道輪」及び「上側の軌道輪」は、ここでは、２つの軌道輪をその相関に関して区別できるようにするために、任意のやり方で選択される。全く同様に、例えば、「第１軌道輪」及び「第２軌道輪」と言うことが可能である。空間配向に関しては、表現「下側」及び「上側」は意味をもたない。

一実施形態によれば、回転子上に配置される上側の軌道輪は外側の軌道輪とすることができ、一方で、下側の軌道輪は内側の軌道輪を形成してよい。同様に、他の実施形態では、上側の軌道輪が内側の軌道輪に対応し、下側の軌道輪が外側の軌道輪に対応する逆の配置が存在してよい。

特に、他の実施形態においてキャリアに配置される下側の軌道輪は、重量を小さくするためにセラミック材料から成ってよい。このことは、フライホイール装置の計画的利用に関して非常に重要であることがあろう。

上側の軌道輪は、回転子と一体的に形成してもよい。特に、上側の軌道輪と回転子とが、上側の軌道輪は回転子の一体部分になるようにただ１つの部分を形成してもよい。その際、上側の軌道輪は、それ自身がフライホイール質量としても働くのであり、あるいはフライホイールリング（回転子）に直接一体化される。その際、軌道輪は磁極用キャリアとして機能する。

上側の軌道輪は磁気モータ力により、下側の軌道輪内へと又は下側の軌道輪に抗して圧迫される。軸受は、自由に回転することができるのであり、一体型モータにより駆動される。従って、磁気駆動機構は第２の転がり軸受に取って代わり、このように設計を簡素化するため、このことが費用の低減をもする。

唯１つの転がり軸受を使用することにより、発生する作動音も少なくなる。フライホイール装置がコンパクトな設計であることに起因して、作動音が、通常は先行技術によるフライホイールの場合のようにハウジングの更なる共振により増大することもない。従って、軸受へのプレストレスの付与は磁気駆動機構を介して調整可能であるため、転がり軸受への複雑なプレストレスの付与を省略することができる。このことも組立てを簡素化する。

ある実施形態によれば、回転子に付加質量を備えてもよい。この場合、回転子は、転がり軸受の軌道輪のうちの１つを構成するのであり、上で詳述したように、磁気駆動機構に属する磁気リングを支持する。付加質量は、別個の付加的な要素として回転子に固定されもよい。

特に、付加質量は、回転子上に配置される付加質量リングとして形成されてもよい。

回転子の質量を増加させることにより、発生するジャイロ力をより強力にすることができ、このことにより宇宙機の姿勢安定化を増すことができる。宇宙機が、大きめの質量を有し、それ故に大きめの慣性を有する大きめの衛星である場合、このことは特に適切である。

付加質量を備えることにより、例えばフライホイール装置のモジュール式設計が可能になる。より小型でさほど重量のない衛星用におけるフライホイール装置の作動が計画される場合、場合によっては十分に強力な安定力を発生させるには単独の回転子で十分である。より大型で重量のある宇宙機での運転が計画される場合、付加質量が付加的に備えられてもよい。

付加質量は、それぞれの重力環境でのその重力によっては、磁気駆動機構により発生する磁力とは反対に作用する力を発生させ、これにより、転がり軸受は引き離される又は分離される。この場合、回転子とキャリアとの間に作用して回転子とキャリアとの間に磁気的な保持力を引き起こす保持マグネットが回転子に又はキャリア上に設けられることが適切なことがあろう。

保持マグネットは、例えば、回転子に固定される保持マグネットリングであってよい。保持マグネットリングは、例えば、回転子の内側に設けられてよい。

場合によっては付加質量により一層付加的に重くされた回転子をキャリア上で確実に保持するのに、磁気駆動機構の磁力が十分でない場合、保持マグネットにより発生する保持力は、回転子とキャリアとを共に保持するための引力である。

転がり軸受に給脂（グリースを供給）するための給脂装置を備えていてもよい。この装置は、例えば、転動体をそのそれぞれの位置において同時に保持をもする、上で既に示したようなケージであってもよい。同様に、回転する回転子上に、又は、回転子により包囲される開放された内部空間に給脂装置が配置され、この給脂装置が再給脂システムとして作用してもよい。特に、給脂装置は、能動的に又は受動的に作用するように構成されてもよい。

受動的な給脂装置については、例えば、回転子の回転中に遠心力に起因して油又は軸受グリース等の潤滑油が供給されて転がり軸受が給脂されることが可能である。同様に、適切な毛細管手段による毛細管給脂が可能である。

能動的な給脂装置では、潤滑油の供給ユニットが存在してもよい。例えば、このユニットは潤滑油ポンプとすることもできる。潤滑油ポンプは、例えば吐出システムにおけるような、潤滑油を供給する圧電素子を使用する。

これら及び更なる利点ならびに特徴を、或る例に関して、添付の図を参照して、続けて説明することにする。

フライホイール装置の断面図。

図１は、例えば衛星としての宇宙機の姿勢安定化のためのフライホイール装置の断面図を示す。

フライホイール装置は、回転子２を回転可能に支持するキャリア１を含む。

キャリア１は、動作中に作用する力に対しても回転子２を確実に支持できるようにするために、十分な安定性、特にねじり剛性を有するべきである。

回転子２はキャリア１上で、転がり軸受（ローラベアリング）３を介して支持される。回転子２は実際のフライホイール又はバランスホイールを構成し、このフライホイール又はバランスホイールが、動作中に高回転数で回転し、この回転に起因して宇宙機の安定化のための所望のジャイロ力を発生させる。

回転子２は、例えば２００ｍｍ以下又はそれより大きい適切な直径を有する。回転子２の全体の質量が外方に、即ち中軸Ｘから遠くに配置されることに起因して、所望のジャイロ力を高効率で発生させることができる。

回転子２をキャリア１に対して回転駆動させるために磁気駆動機構４が提供される。磁気駆動機構４は、回転子２により支持されるとともに適切な数の磁極を含む磁気リング５を含む。

磁気駆動機構４は、更に、キャリア１内に又はキャリアにて適切な方法で配置され、図示しない制御装置により制御される複数の磁気コイル６を含む。

更に、磁気駆動機構４の一部として、キャリア１の裏に磁気回路閉鎖手段７も提供される。

磁気駆動機構４は、原則として、環状に配置された磁気リニアモータである。制御装置は、磁気コイル６を適切な方法で制御し、磁気コイル６が磁気リング５内の磁極と共に作用して回転子２の回転を引き起こすようにする。このような磁気駆動機構４の構造は既知のものであるため、ここでは詳細な記載を省略することにする。

制御のための電子機器や、特に更なる部品（パワーエレクトロニクス又は同様のもの）が、例えば、キャリア１上で、（図１に見られるような）回転子２に囲まれかつ開放された空間に配置されてもよい。これにより、フライホイール装置の、非常にコンパクトな構造が可能になる。この空間には、給脂装置として機能する再給脂システムの構成要素が配置されてもよい。この構成要素は、例えば、転がり軸受３に潤滑油を提供するための圧電素子を含む。

転がり軸受３は、例えば、図１に示すような溝玉軸受（grooved ball bearing）であってよい。また、例えば円筒転がり軸受（cylinder roller bearing）、バレル型軸受（barrel type bearing）等のその他の軸受の種類を使用してもよい。転がり軸受３は、外側の軌道輪８（上側の軌道輪とも呼ばれる、outer bearing ring）と内側の軌道輪９（下側の軌道輪とも呼ばれる、inner bearing ring）とを含む。２つの軌道輪８、９の間に転動体が配置される。これらの転動体は、図１に示す例では複数の球１０である。

外側の軌道輪８は、回転子２の一体部分である。言い換えれば、図１に示す例の回転子２は軌道輪８により形成されると言うことができよう。図１に示さないその他の例では、外側の軌道輪８は、回転子２に固定された別個の要素として形成されてもよい。

転がり軸受３が適切に動作するように、対応するかつ十分な数の球１０が、軌道輪８及び軌道輪９の間に均等に分散配置される。複数の球１０間が転がり軸受の円周上で等間隔になることを確実にするために、複数の球１０は、図示しない軸受ケージ（ベアリングケージ、bearing cage）により、既知の方法で保持される。軸受ケージは、複数の球をそのそれぞれの位置で保持するのに使用されるだけでなく、潤滑油を提供するのに使用して、転がり軸受３の長期間の給脂を保証することもできる。特に、衛星におけるフライホイール装置の使用では、通常、生涯潤滑が望まれる。

給脂はまた、例えば遠心力に起因して、及び、例えば、回転部分上に配置される図示しない給脂装置により、実現されてもよい。また、例えば、毛細管現象を利用した給脂を使用する給脂装置、又は、潤滑油供給手段を有する能動的な給脂システムが、転がり軸受３の内側の開口した（又は開放された、open）空間に設けられてもよい。潤滑油供給手段は、例えば圧電式注入素子（a piezo injection element）としてもよい。

回転子２と転がり軸受３とは、中軸Ｘの周りで回転対称に配置される。回転子２の外径Ａは、ここでは、転がり軸受３の転がり軸受の直径Ｗよりもほんの僅かに大きくてよい。

転がり軸受の直径Ｗは、転動体（ここでは球１０）の重心がその周りで移動する円の直径に対応するように規定される。

回転子２の外径Ａと転がり軸受の直径Ｗとの間の比率が小さいほど、回転子２を、より効率的でコンパクトに設計することができる。例えば、最大で１．５の比率が特に適切であることが分かった。図１に示す例示的なフライホイール装置において、外径Ａとそれらの転がり軸受の直径Ｗとの間の比率は約１．２である。

既に説明したように、キャリア１上での回転子２の機械的な支持は、単一の転がり軸受３のみにより提供される。転がり軸受３が脱落するのを防止して、静定された支持（a statically determined support）を可能にするように、回転子２とキャリア１との間の磁力（引力）が、磁気駆動機構４によってさらに発生する。転がり軸受３の脱落を防止するように、この磁力が十分に大きくされる。

このようにして、本実施形態のフライホイール装置は、確実かつ安定して動作することができる。

図１に示すように、回転子２上に、付加質量リング１１の形態をなす付加的な質量が提供される。回転子２の上側に付加質量リング１１が配置されるため、回転子２のフライホイール質量全体が増す。

付加質量リング１１が、回転子２又は外側の軌道輪８に関して別個の部分を構成するので、本実施形態のフライホイール装置の製造中に、シンプルな方法により、異なる付加質量リング１１を選ぶことで異なる付加的な質量を提供し、これにより異なるフライホイール効果を達成することが可能である。

特に、付加質量リング１１により提供される付加質量が重量のあるものである場合、回転子２全体の質量が大きくなるため、転がり軸受３の分離を防止する磁気駆動機構４の磁気保持力が十分でない可能性があることになる。この場合、図１に示さない保持マグネットが回転子２にて又はキャリア１にて付加的に提供されて、回転子２とキャリア１との間に付加的な磁気保持力を発生させると有利なことがある。保持マグネットリングは、付加的な機械可動部分を含まないため、摩耗の恐れがない。保持マグネットリングは、更に、フライホイール装置の動作に悪影響を与え得る付加的な振動を発生させない。

Claims (12)

1. 宇宙機の姿勢安定化のためのフライホイール装置であって、
   キャリア（１）と、
   回転子（２）と、
   前記キャリア（１）に対して前記回転子（２）を回転駆動させるための磁気駆動機構（４）と、
   前記回転子（２）と前記キャリア（１）との間に配置される転がり軸受（３）と
   を含み、
   前記磁気駆動機構（４）によって、前記回転子（２）と前記キャリア（１）との間に、前記転がり軸受（３）にプレストレスを付与するための磁力を発生させることができ、
   前記回転子の外径（Ａ）が、最大で前記転がり軸受の直径（Ｗ）の２．５倍である、フライホイール装置。
2. 前記回転子（２）の前記外径（Ａ）が、
   最大で前記転がり軸受の直径（Ｗ）の２倍、
   最大で前記転がり軸受の直径（Ｗ）の１．５倍、
   最大で前記転がり軸受の直径（Ｗ）の１．３倍、
   最大で前記転がり軸受の直径（Ｗ）の１．２倍、
   最大で前記転がり軸受の直径（Ｗ）の１．０倍
   の群から選ばれるように前記回転子（２）が形成される、請求項１に記載のフライホイール装置。
3. 前記磁気駆動機構（４）が、
   前記回転子（２）に配置された、磁極を含む磁気リング（５）と、
   前記キャリア（１）にて前記磁気リング（５）とは反対側に配置される磁気回路閉鎖手段（７）と、
   前記キャリア（１）にて前記磁気リング（５）と前記磁気回路閉鎖手段（７）との間に配置される磁気コイル（６）と
   を含む、請求項１又は２に記載のフライホイール装置。
4. 前記フライホイール装置の動作中に、前記磁気リング（５）と前記磁気回路閉鎖手段（７）との間に前記磁力を発生させることができる、請求項３に記載のフライホイール装置。
5. 前記回転子（２）と前記キャリア（１）との間に、厳密に１つの転がり軸受（３）が配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のフライホイール装置。
6. ラジアル力及び軸力を支持するように前記転がり軸受（３）が形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフライホイール装置。
7. 前記転がり軸受（３）が、
   前記キャリア（１）に設けられた下側の軌道輪（９）と、
   前記回転子（２）に設けられた上側の軌道輪（８）と
   を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフライホイール装置。
8. 前記上側の軌道輪（８）が前記回転子（２）と一体的に形成される、請求項７に記載のフライホイール装置。
9. 前記回転子（２）に付加質量（１１）を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載のフライホイール装置。
10. 前記付加質量が、前記回転子（２）上に配置される付加質量リング（１１）として形成されている、請求項９に記載のフライホイール装置。
11. 前記回転子（２）と前記キャリア（１）との間に磁気保持力を発生させるように、前記回転子（２）と前記キャリア（１）との間に作用する保持マグネットが、前記回転子（２）にて又は前記キャリア（１）上に配置される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフライホイール装置。
12. 前記転がり軸受に給脂するための給脂装置を備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のフライホイール装置。