JP2000316253A

JP2000316253A - 電動機

Info

Publication number: JP2000316253A
Application number: JP2000055965A
Authority: JP
Inventors: Hironori Shiohata; 宏規塩幡; Kanako Nemoto; 佳奈子根本; Toui Ri; 東偉李; Suetaro Shibukawa; 末太郎渋川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の水冷形電動機の振動騒音の低減では、冷
却路の剛性を高めるだけで円環振動に対する、外周壁全
体の円環モードからの振動・騒音の発生を抑制するには
不十分であった。【解決手段】水冷形電動機において、電磁力の高調波空
間分布と構造の円環振動が共振しないように回転子のフ
レームの周方向に分布して長手方向に設けられた冷却水
路４２の間に、長手方向にリブを設けることにより、円
環振動を抑制する構造とする水冷形電動機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却媒体の通路を
備えた電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動機を収納する円筒状の容器（以下、
フレームという）の内壁には、固定子コアが圧入されて
いる。この固定子コアによって外周が覆われ、回転軸に
取付けられた回転子コアが設けられている。この電動機
に通電され、回転子が回転すると、固定子コアや回転子
コアから熱が発生するために、この熱を冷却するため
に、種々の冷却方式が採用されている。

【０００３】例えば、固定子コアが直接接触するフレー
ムを冷却して電動機を冷却する従来技術として、特開昭
60-121941号公報、特開平5-236705号公報がある。この
従来技術では、フレームの外周又はフレームの肉厚内に
回転軸方向に延びる通路を複数設け、この通路内に冷却
水を流して電動機を冷却している。

【０００４】近年、電気自動車の開発が急務となり、電
動機自体の小形軽量化の要求が高くなっている。電動機
が小形化となることによって、フレーム自体が小さくな
り、フレームの体積に対する冷却水路の占める容積が大
きくなり、それに伴いフレーム全体の剛性が低下する傾
向にある。

【０００５】また、特開平7-184348号公報、特開平7-18
4350号公報は、フレーム内の回転子に複数の羽根を設
け、回転する羽根によって発生した風で電動機の熱をフ
レーム外に放出するものである。このフレームの外周に
は、複数のフィンが設けられ、このフィン間には、放熱
空気を排出するための排気口が設けられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、以
下の如き問題点がある。特開昭60-121941号公報、特開
平5-236705号公報に示した従来技術のように、フレーム
外周の長手方向に冷却水路を設けた場合、この冷却水路
によってフレームの全体の剛性が低下し、振動や騒音が
発生し易い。このため、回転子コアと固定子コアとの間
で発生する電磁力による高調波成分から発生する振動や
騒音が発生するという問題がある。

【０００７】また、特開平7-184348号公報、特開平７−
１８４３５０号公報では、排気口を設けたことによっ
て、フレームの剛性が弱まってしまうため、排気口周辺
に補強リブを設けいるが、電動機に電磁力の高調波成分
によって発生する電磁力モードが円環モードであるた
め、フレームが共振し、振動や騒音が発生するという問
題がある。

【０００８】本発明の目的は、低振動、低騒音の電動機
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、容器と、こ
の容器の内周面に固定された固定子と、この固定子の内
周面で回転し回転軸に固定された回転子と、前記回転軸
方向に延びる冷却媒体通路を前記容器の壁内に複数備え
た電動機であって、前記冷却媒体通路間に前記容器の外
周方向に突出するリブを設けたことにより達成される。

【００１０】また、筒状容器と、この容器の内周面に固
定された固定子と、この固定子の内周面に位置する回転
軸に固定された回転子と、前記容器の開口部を閉塞し前
記回転軸の軸受けを備えたエンドブラケットと、前記回
転軸方向に延びる冷却媒体通路を前記容器の壁内に複数
備えた電動機であって、前記冷却媒体通路間に前記容器
の外周方向に突出するリブと、このリブと連続するリブ
を前記エンドブラケットに設けたことにより達成され
る。

【００１１】また、前記リブを前記容器とエンドブラケ
ットに一体に設けたことにより達成される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例を図面を参
照しながら説明する。

【００１３】図１は、本発明に係わる冷却水路を持つ電
動機の縦断面図である。図２は、図１のA−A断面図であ
る。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。

【００１４】図１乃至図３において、１は、電動機であ
る。この電動機１には、回転軸２が設けられている。回
転軸２の外周には、回転子コア３が固定されている。４
は、回転軸２を支持するための軸受である。軸受４を介
して回転軸２と結合する前後のエンドブラケット５、６
と、この前後のエンドブラケット５、６に挟まれたフレ
ーム７が設けられている。前記軸受４は、このエンドブ
ラケット５、６に取付けられている。フレーム７の内壁
には、固定子コア８が固定されている。この固定子コア
８の回転磁界によって回転軸２が回転する。この固定子
コア８に通電したときに発生する熱を冷却するために、
前記フレーム７の内壁には、冷却液水路９が取付けられ
ている。この冷却水路９に冷却水を供給したり排水した
りするために、フレーム７の周方向に、リング状の給排
水路１０が設けられている。

【００１５】図２において、フレーム７外周の周方向に
分布する冷却水路９間には、リブ１１が回転軸２方向に
設けられている。このリブ１１は、フレーム７に溶接又
は一体に取付けられている。このリブ１１は、フレーム
７の周方向に水路９を設けたことによって発生するフレ
ーム４１の円環状剛性の低下を防止するためのものであ
る。１２は、フレーム７に設けられた支持脚である。

【００１６】図３において、冷却水路９に連通する給排
水路１０がフレーム７にリング状に設けられている。

【００１７】つぎに、振動及び騒音の低減の原理を図
４、図５をもって説明する。図４は、次数（ｍ）に変化
に応じた円環モードを示す。図５は、円環振動を分かり
易くするために、円周を直線に展開して説明する図であ
る。

【００１８】一般に電磁力の高調波成分には、多くの構
造円環振動を励起する空間次数や時間次数成分を有す
る。

【００１９】図４において、次数（ｍ）が大きくなるほ
ど節の数が多くなる。この円環モードを平面に展開する
と、図５のようになる。この円環モード{φ｝のm=i次と
m=j次との間には次の直交関係が存在する。

【００２０】数１を用いて電磁音発生に与える影響につ
いて述べる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、添字Tはベクトル{φ}の転置を表
す。電磁力の空間分布が図４に示す円環モード次数
（ｍ）の一次と一致する（i=1）。このときの周波数をf
₁と仮定する。フレームの固有振動数が電磁力の周波数
と一致し、しかも振動モードも一致すると仮定する（j=
1）。この場合、電磁力と構造は、共振状態となり、振
動騒音が大きくなる。

【００２３】一方、フレームの固有振動数と電磁力の加
振周波数が異なれば、共振状態とはならない。従って、
振動や騒音もほとんど発生しない。また、フレームの固
有振動数と電磁力の加振周波数が一致し、フレームの円
環振動モードと電磁力の空間分布を形成する円環モード
とが異なる場合にも共振状態とはならず、振動や騒音も
ほとんど発生しない。これは数１において、i≠jから２
つのモード間に相関が無いためである。

【００２４】このため、電動機の低振動、低騒音化を行
うには、ただ単に構造の剛性を上げるだけでなく、電磁
力の高調波成分と構造の円環振動モードの空間分布を異
なるようにして共振を回避することである。特に、イン
バータ駆動のように運転域が広域の場合に重要である。

【００２５】図５（ａ）に円周方向に拘束がない剛性が
一定となった場合に発生する０次、一次、二次、三次の
振動モードを示す。剛性が一定の場合、原理的にはこれ
以外にもすべての振動モードが現れ、電磁力の高調波成
分の空間分布の発生する時間次数、すなわち周波数がこ
れら振動モード発生の周波数と一致したとき、共振現象
となり過大な振動、騒音が発生することになる。

【００２６】このように、電機系の高調波成分や構造系
の振動モードが多く存在する場合、円周方向に拘束点を
持たない構造は共振しやすくなる。特に、インバータ駆
動のように運転範囲が広い場合に多くなる。

【００２７】つぎに、円周方向の任意位置の剛性を高め
てモードを拘束（以下、拘束という）してみる。尚、円
環モードを拘束するための拘束位置の数は２個を単位と
する。

【００２８】図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に拘束の個数
を２、３、４とした時に現れる低次の振動モードを示
す。図中白抜きの三角は、拘束を表し、両端の黒塗りの
三角は、円周上で同一位置であることを表す。

【００２９】この場合、拘束のない図５（ａ）の場合に
比較して、拘束位置でモードの節になっていることが分
かる。すなわち拘束とは振動モードを強制的に節にする
ことである。また拘束の個数が多くなるほど発生するモ
ードの個数は減り、その次数は一般に高くなる傾向にあ
る。また、拘束の個数によってその発生振動モードは異
なっている。この拘束の個数ｌと円環振動モード次数ｍ
との関係を整理すると図６のようになり、数２で求めら
れる。

【００３０】

【数２】

【００３１】電磁力によって発生する振動騒音は、電磁
力の高調波成分の空間分布と図６に示す振動モードとが
同じ周波数で発生する時に共振現象を発生し、大きくな
る。構造の円環振動モード（ｍ）と電磁力の極数Ｐ及び
高調波空間次数（ｋ）との間には数３の関係が成り立
つ。

【００３２】

【数３】

【００３３】このため、電磁力による振動騒音を低減す
るには、図６における振動モード次数ｍと拘束の個数ｌ
の関係で空欄になっている拘束の個数ｌとなるような構
造にすれば良いことになる。

【００３４】上記拘束点は必ずしも円周上に等分割に位
置する必要はなく、拘束対象とする円環モード次数のモ
ードの腹の近傍を拘束すればよい。例えば、図５（ｂ）
の拘束位置２箇所において発生するｍ＝１、２の振動モ
ードを抑制するために図５（ｃ）の拘束位置３箇所を用
いるとすると、その拘束位置は、各モードの腹または腹
近傍になっていることが分かる。少なくとも、各モード
の節近傍ではない。すなわち、拘束位置の間では同じ分
布のモードが同相または逆相に存在していることが必要
である。

【００３５】このように、周方向に拘束点を設けること
により、円環振動モードの発生を抑制することが可能と
なり、インバータ駆動のように広帯域運転の場合でも電
磁力と構造振動との共振を回避できる。

【００３６】これらを鑑みて、冷却水路と補強用リブの
本数ｌは、補強用リブは溶接や焼きばめ等でフレーム母
材に完全に固定したり、母材の厚みを高くしたりして冷
却水路間に配置する。

【００３７】本発明の電動機では、円環振動を発生する
構造部材において、冷却水路を設けることによって剛性
の低下した部分を単に補強するのではなく、冷却水路お
よび補強用のリブの配置や数を適切に定め、冷却水路間
の周方向の剛性を高めて、電磁加振力の高調波成分に共
振する円環振動モードの発生を抑制し電動機の振動騒音
を低減することができる。また、補強リブの効果を高め
るために、少なくともリブと結合するフレーム断面の一
個所の変形を拘束する構造としている。

【００３８】ところで、フレーム７に４ヶ所の水路９
と、この水路９間にリブ１１を設けると、図６に示す表
から分かるように、円環０次及び奇数次の振動モード発
生をを抑制して、円環０次及び奇数次の電磁力との共振
をさけ、円環０次及び奇数次の電磁力による振動騒音を
低減するものである。このため、電動機の運転領域に円
環０次及び奇数次の電磁力が存在しても大きな振動や騒
音は発生しない。

【００３９】剛性を高めるためのリブ１１の配置本数
は、図６の空欄部分に従うものとすと、一般的には、高
剛性のリブの本数をｌ、回転子２の外周壁２１の円環振
動モード次数をｍとしたとき数４を満たすように配置す
る。

【００４０】

【数４】

【００４１】具体的には、電磁力の高調波成分が円環３
次で顕著に存在しているとすると構造の円環振動モード
３次と共振した時に大きな振動や騒音が発生することに
なる。この共振を抑制するためには拘束数を２、３、６
とするとモード発生を顕在化してしまうことになり、逆
効果になってしまう。一方、拘束数を４、５、７、…と
すると３次のモードは発生しなくなり、共振を回避し、
振動騒音を抑制することができる。電磁力の高調波成分
の空間分布が多数含む場合も同様にして拘束数を選べば
構造との共振を回避し、振動騒音を抑制することができ
る。

【００４２】上記実施例では、フレーム７を前後から挟
み込むのエンドブラケット５、６は、円環剛性を高める
ために設けた補強用のリブ１１の効果を更に高めるため
に、エンドブラケット５、６とフレーム７の結合部の外
周を大きくしてもよい。

【００４３】具体的な構造を、エンドブラケットの正面
を示した図７にて説明する。

【００４４】図７において、回転軸２が結合される部分
のエンドブラケット６に剛性を高くするための板厚を持
つボス６ａを設け、このボス６ａに結合し、半径方向に
延びるリブ６ｂを複数本、エンドブラケット６に設け、
このリブ６ｂと前記フレーム７のリブ１１とを結合する
ことによって、リブ１１の変形を防止できる。

【００４５】本発明を実施するに当たり、電磁力の高調
波成分空間分布を求めておけばその空間分布の電磁力の
大きさが大きく、周波数帯域が可聴領域にある場合に
は、図６または式２に従い構造を設計することができ
る。また、冷却水の給排水路が周方向にある場合には、
１次の円環モードが発生し易くなるため、給排水路の部
分の円環剛性を高めるために周方向のリブをもつ構造を
設計することになる。この場合の給排水路が長手方向に
数個分布して設けられている場合にも同様に給排水路の
個数に対応した本数のリブを設けることになる。

【００４６】尚、図６または式（２）を予め計算機に記
憶させておけば、電磁力の高調波成分の円環モード計算
結果から、電動機の振動騒音を抑制するためのリブ１１
の高剛性部材配置を自動的に決定することができる。

【００４７】また、構造系の設計時に固有振動数や固有
モードが求められている場合は、共振回避に適切なリブ
１１の配置本数を計算機を用い、図８に示したフローチ
ャートに基づいて決定することができる。

【００４８】図８をもとに、フローチャートの流れを説
明する。

【００４９】図８において、予め電磁界解析から得られ
る電磁力の計算条件をスッテプ１０２で入力する。この
計算条件は、図４に示す円環モード次数、周波数、振
幅、位相角、回転子または固定子の内径、長さ等を入力
する。ステップ１０２の入力データに基づいて、電磁力
空間モード変換ステップ１０３にて電磁力の高調波成分
の空間次数に対応する振幅と位相から構造有限要素デー
タ及び座標に整合するような加振力（その単位は力）へ
の変換を行う。つぎに、電磁力高調波成分の周波数と構
造固有振動数との比較を行い、ステップ１０５にて一致
すれば以後の計算対象とする。この決定した振動数に対
応する固有振動数の固有モードと電磁力の円環モードと
からスッテプ１０６にて共振判定値ＳＭＯＲＣを計算す
る。このときの演算は電磁力円環モードを｛φe}、電動
機の構造振動の固有モードを｛φe}とすると、共振判定
値ＳＭＯＲＣは、数５で求められる。

【００５０】

【数５】

【００５１】この係数は２つのベクトルの方向余弦を示
す。すなわち、２つのベクトルが同方向のとき１に近づ
き、相関がないときは、０に近づく。言い換えると、係
数が１に近いほど電磁力により振動が大きくなる傾向に
あり、０に近いほど振動を励起しなくなる。この計算結
果を、スッテプ１０７の画面表示指令に基づいて表示
し、スッテプ１０８で終了する。

【００５２】その表示の一例を図９に示す。図９では、
三次元的に、電磁力の円環モード次数、構造系の固有振
動数に対し、共振判定値ＳＭＯＲＣの大きさを棒グラフ
で三次元で表している。この図９おいて、ＳＭＯＲＣの
大きいときは電磁力が構造の固有振動数と共振状態にな
り、振動振幅や騒音が大きくなる。一方、ＳＭＯＲＣが
小さい場合、電磁力が構造の固有振動数と無相関に近く
なり、振動振幅や騒音も小さい。これらをリブの配置本
数を変えて求めれば、最適なリブの配置を決定できる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、低振動、低騒音の電動
機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を備えた電動機の側面断面図。

【図２】本発明を備えた図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明を備えた図１のＢ−Ｂ断面図。

【図４】次数の変化に応じた円環モードの種類を示す
図。

【図５】円環モードを周方向で展開した図。

【図６】剛性を高めるための拘束位置数と発生する円環
振動モード次数の関係を示す図。

【図７】本発明のエンドブラケットの形状を示す図。

【図８】本発明の計算を行う場合のフロ−図。

【図９】振動低減の計算結果を表すグラフ。

【符号の説明】

１…電動機、２…回転軸、３…回転子コア、４…軸受、
５、６…エンドブラケット、７…フレーム、８…固定子
コア、９…水路、１０…供給排水路、１１…リブ、１２
…脚。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者李東偉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者渋川末太郎茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器グループ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器と、この容器の内周面に固定された固
定子と、この固定子の内周面で回転し回転軸に固定され
た回転子と、前記回転軸方向に延びる冷却媒体通路を前
記容器の壁内に複数備えた電動機であって、前記冷却媒
体通路間に前記容器の外周方向に突出するリブを設けた
電動機。
【請求項２】筒状容器と、この容器の内周面に固定され
た固定子と、この固定子の内周面に位置する回転軸に固
定された回転子と、前記容器の開口部を閉塞し前記回転
軸の軸受けを備えたエンドブラケットと、前記回転軸方
向に延びる冷却媒体通路を前記容器の壁内に複数備えた
電動機であって、前記冷却媒体通路間に前記容器の外周
方向に突出するリブと、このリブと連続するリブを前記
エンドブラケットに設けた電動機。
【請求項３】前記リブを前記容器とエンドブラケットに
一体に設けた請求項１乃至２記載の電動機。