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明細書 :回転球体の風洞試験装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5389457号 (P5389457)
登録日 平成25年10月18日(2013.10.18)
発行日 平成26年1月15日(2014.1.15)
発明の名称または考案の名称 回転球体の風洞試験装置
国際特許分類 G01M   9/06        (2006.01)
G01M   9/08        (2006.01)
FI G01M 9/06
G01M 9/08
請求項の数または発明の数 9
全頁数 24
出願番号 特願2009-008321 (P2009-008321)
出願日 平成21年1月17日(2009.1.17)
審査請求日 平成23年12月9日(2011.12.9)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
発明者または考案者 【氏名】水野 毅
個別代理人の代理人 【識別番号】100100918、【弁理士】、【氏名又は名称】大橋 公治
【識別番号】100108729、【弁理士】、【氏名又は名称】林 紘樹
特許請求の範囲 【請求項1】
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。
【請求項2】
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3】
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4】
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5】
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。
【請求項6】
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7】
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8】
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9】
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。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【0005】

【特許文献1】特開2002-323403号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【発明の効果】
【0022】
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。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】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
【図2】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3】図2の回転球体支持装置の構成を示す図
【図4】図2の回転球体支持装置の断面図
【図5】図2の回転球体支持装置の変位検出手段を示す図
【図6】変位検出手段の検出動作の説明図
【図7】変位検出手段の検出動作の説明図
【図8】変位検出手段の検出動作の説明図
【図9】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
【図10】回転球体支持装置の他の例を示す図
【図11】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
【図12】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
【図13】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14】図13の回転球体支持装置の断面図
【図15】球体の構成を示す図
【図16】従来の風洞試験装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【0024】
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。

【0025】
(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。

【0026】
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。

【0027】
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。

【0028】
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。

【0029】
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。

【0030】
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。

【0031】
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。

【0032】
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。

【0033】
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。

【0034】
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。

【0035】
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。

【0036】
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。

【0037】
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。

【0038】
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。

【0039】
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。

【0040】
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。

【0041】
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。

【0042】
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。

【0043】
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。

【0044】
(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。

【0045】
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。

【0046】
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。

【0047】
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。

【0048】
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。

【0049】
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。

【0050】
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。

【0051】
(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。

【0052】
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。

【0053】
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。

【0054】
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。

【0055】
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。

【0056】
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。

【0057】
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。

【0058】
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。
【産業上の利用可能性】
【0059】
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。
【符号の説明】
【0060】
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
図面
【図1】
0
【図2】
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【図3】
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【図4】
3
【図5】
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【図6】
5
【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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