JP2007064932A

JP2007064932A - 高速アップダウン耐久試験装置

Info

Publication number: JP2007064932A
Application number: JP2005254936A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Hatano; 量久羽田野; Fukuji Inoue; 福二井上; Masaharu Ishiguro; 正治石黒; Tadanobu Toyama; 忠信當山
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】高速アップダウン耐久試験装置において、ロータ半径が小さくて総使用時間が長くて高速回転に耐え得る駆動機の使用により、耐久試験装置自体の寿命を長くする。
【解決手段】ベースＶと一体となった支持ブラケットＢに支持される被試験体Ｔと、該被試験体Ｔの入力軸１と同心となって前記ベースＶに設置される駆動機Ｍの駆動軸２とがカップリング５，６，８を介して連結されて、前記駆動機Ｍの回転速度を高速においてアップダウンさせて、前記被試験体Ｔの疲労強度を確認するための高速アップダウン耐久試験装置において、前記駆動機Ｍを永久磁石型同期電動機で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動機の回転速度を高速においてアップダウンさせて、前記駆動機により回転される被試験体の疲労強度を確認するための高速アップダウン耐久試験装置に関するものである。

高速アップダウン耐久試験装置（以下、単に「耐久試験装置」と略す場合もある）とは、例えば特許文献１，２に開示されているように、自動車の変速機等の被試験体（供試体）を高速において加速・減速させて、被試験体の疲労強度、寿命（耐久時間）等を試験室において短時間に評価するための装置である。図１（イ）は、耐久試験装置の模式的構成図であって、耐久試験装置は、ベースＶと一体となった支持ブラケットＢに支持された被試験体Ｔと、該被試験体Ｔの入力軸１と同心となって前記ベースＶに支持される駆動機Ｍと、該駆動機Ｍの駆動軸２及び前記被試験体Ｔの入力軸１と同心となるように前記ベースＶ上に設置された軸受ユニットＵとを備え、駆動機Ｍの回転を軸受ユニットＵを介して被試験体Ｔに伝達されて、被試験体Ｔを高速において加速・減速させる構成である。駆動機Ｍの駆動軸２と軸受ユニットＵの入力軸３との間に中間軸４が配設されて、各軸２，３，４は、それぞれカップリング５，６を介して連結され、軸受ユニットＵの出力軸７と被試験体Ｔの入力軸１とは、カップリング８を介して連結されている。そして、耐久試験装置においては、高速における加速・減速の程度は、例えば20,000rpm/min/秒の程度で駆動機Ｍの回転数を増減（アップダウン）させている。即ち、数秒毎に異なる方向の角加速度が与えられた状態で、被試験体を回転させることにより、故意に衝撃力、異常な力等を加えて、被試験体を試験室において短時間で寿命加速試験を行って、その耐久性能が限られた時間内において評価される。

そして、従来の耐久試験装置では、駆動機としてかご型誘導電動機を使用したものが多かった。図４は、かご型誘導電動機を構成するアルミダイキャスト製のロータＲ’の縦断面図であり、図５は、同じくロータＲ’の仮想的分解斜視図であり、図６は、アルミエンドリング２３に異常な力が作用してクラックＣが発生することを示す図４の部分拡大図であり、図７は、クラックＣが発生したアルミエンドリング２３を示す斜視図である。なお、図５の状態を「仮想的分解斜視図」と称したのは、現実にはアルミバー２２とアルミエンドリング２３とが分離されることはないからである。図４ないし図７において、アルミダイキャスト製のロータＲ’は、外周部に多数本の軸方向のバー孔２０が周方向に沿って所定間隔をおいて形成されたかご体２１を備え、アルミダイキャストによって、前記かご体２１の各バー孔２０に溶融アルミニウムをダイキャストして、各アルミバー２２の両端部がアルミエンドリング２３で連結された構成である。各アルミバー２２の両端部には、短円筒状をしたシュリンクリング２５が嵌め込まれる。

そして、かご型誘導電動機の低速回転時には、アルミエンドリング２３の内周面の位置は、図７で実線で示されるようであるが、高速回転時に加速・減速が繰り返されると、遠心力の作用によって、アルミエンドリング２３の内周面、及び端面の各位置は、図６で二点鎖線で示されるように変形される。即ち、アルミエンドリング２３の端面が軸方向外方に膨出されると共に、その内周面が半径方向外方に変形させられる。そして、上記変形が百万回程度だけ繰り返されることにより、アルミエンドリング２３が塑性変形されて、アルミエンドリング２３とシュリンクリング２５との間の絞圧がなくなると共に、アルミエンドリング２３の部分にクラックＣが発生するに至る（図７参照）。

アルミダイキャストによるロータＲ’は、上記不具合の他に以下の不具合も有していた。（１）ロータＲ’のエンドリング材として電気抵抗の小さな純アルミニウムを使用しているために、機械的強度が小さい（耐力σ_0.2＝２０Ｎ／mm²）。（２）誘導機であるために、二次銅損が発生して発熱し、熱応力が発生して、前記クラック等の発生を促進させる。（３）磁石のように磁束密度を高く設計できないので、ロータ径が大きくなって遠心力（Ｆ＝ｍｒω²)も大きくなる。（４）ロータ径が大きくなることにより、自身を回転させるためのトルク（Ｔ＝ｍｒ²/2 ・Δω) が必要となる。但し、ｍ，ｒ，Δωは、それぞれロータ質量，ロータ半径，及びアップダウン角加速度である。
特開平５−８７６９７号公報特開平５−８７６９８号公報

本発明は、高速アップダウン耐久試験装置において、ロータ半径が小さくて総使用時間が長くて高速回転に耐え得る駆動機の使用により、耐久試験装置自体の寿命を長くすることを課題としている。

上記の課題を解決するために請求項１の発明は、ベースと一体となった支持ブラケットに支持される被試験体と、該被試験体の入力軸と同心となって前記ベースに設置される駆動機の駆動軸とがカップリングを介して連結されて、前記駆動機の回転速度を高速においてアップダウンさせて、前記被試験体の疲労強度を確認するための高速アップダウン耐久試験装置において、前記駆動機は、永久磁石型同期電動機で構成されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、以下の各作用効果が奏される。（１）ロータの磁極として永久磁石を使用した同期電動機であるため、磁束密度を高く設計できるため、ロータ径を小さくできて、高速回転時における遠心力を小さく抑えられる結果、構成部品のクラック発生、破損等を抑制できて、寿命が長くなると共に、ロータ径が小さいために、自身を回転させるのに必要なトルクも小さくなって、電力効率が高くなる。（２）同期電動機であるために誘導電動機と異なり、エンドリングが不要となって、磁石を保持するシュリンクリングとして非磁性高張力鋼（耐力σ_0.2＝１０００Ｎ／mm²）を選定可能となって、高速回転に耐え得る。（３）同期電動機であるために、二次銅損の発生が少なくなって、熱応力の発生が少なくなり、構成部品のクラック発生、破損等を抑制できる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記被試験体と駆動機を構成する永久磁石型同期電動機との間に軸受ユニットが設置されていることを特徴としている。

試験時に被試験体が破損した場合でも、被試験体と駆動機との間に設置された軸受ユニットの存在により、駆動機まで破損されることがなくなる。

本発明は、高速アップダウン耐久試験装置において、駆動機が永久磁石型同期電動機で構成されているために、磁束密度を高く設計できるため、ロータ径を小さくできて、高速回転時における遠心力を小さく抑えられる結果、構成部品のクラック発生、破損等を抑制できて、寿命が長くなると共に、ロータ径が小さいために、自身を回転させるのに必要なトルクも小さくなって、より高速回転に耐え得る。

以下、最良の実施形態を挙げて本発明について更に詳細に説明する。図２は、永久磁石型同期電動機のロータＲの縦断面図であり、図３は、同じく分解斜視図である。永久磁石型同期電動機とは、ロータＲの回転方向（周方向）に沿ってＮ極とＳ極とを交互に形成されるようにして、ロータＲの外周部に永久磁石からなる磁極片を嵌め込んで、永久磁石による磁極を形成し、ステータにより形成された回転磁界の各磁極と前記ロータＲの外周部に形成された各磁極とが、互いに吸引及び反発することにより、回転磁界に対してロータＲがすべることなく同期して回転する構成の電動機である。

図２及び図３において、永久磁石型同期電動機のロータＲは、ロータ軸１１の大径部１１ａの外側に、横断面が円弧状をしたＮ極とＳ極の永久磁石からなる各磁極片１２が周方向に沿って交互に貼り付けられて、ロータＲの高速回転による遠心力により各磁極片１２がロータ軸１１から剥がれるのを防止するために、前記各磁極片１２の外側にシュリンクリング１３が嵌め込まれ、更にロータ軸１１の大径部１１ａの両端部にバランスリング１４が嵌め込まれた構成である。前記ロータＲの極数は４である。このため、ステータのコイルに通電させて回転磁界を発生させると、ロータＲの各磁極と回転磁界とは、交互に吸引・反発し合って、ロータＲは、回転磁界に対してすべることなく同期して回転される。

上記構成の永久磁石型同期電動機を耐久試験装置の駆動機Ｍとして使用すると、駆動機Ｍが、ロータＲの磁極として永久磁石を使用した同期電動機であるため、磁束密度を高く設計できるため、ロータ径を小さくできる。この結果、高速回転時における遠心力を小さく抑えられて、構成部品のクラック発生、破損等を抑制できて、寿命が長くなると共に、ロータ径が小さいために、自身を回転させるのに必要なトルクも小さくなって、耐久試験装置自体の寿命が長くなる。また、同期電動機であるために誘導電動機と異なり、エンドリングが不要となって、永久磁石で構成された磁極片１２を保持するシュリンクリング１３として非磁性高張力鋼（耐力σ_0.2＝１０００Ｎ／mm²）を選定可能となって、より高速回転に耐え得る。更に、同期電動機であるために、二次銅損の発生が少なくなって、熱応力の発生が少なくなり、構成部品のクラック発生、破損等を抑制できる。

他の永久磁石型同期電動機のロータとしては、ロータ軸に磁極としての永久磁石が埋め込まれた構成のものがあり、シュリンクリングを用いないで永久磁石をロータ軸に取付けることができて、高速回転に対応できる。

また、耐久試験装置の全体構成としては、駆動機と被試験体Ｔとの間に軸受ユニットＵが配置された構成であると、被試験体Ｔが破損されても、被試験体Ｔと駆動機との間に設置された軸受ユニットＵにより、駆動機までが破損されるのを防止できる利点があるが、図１（ロ）に示されるように、軸受ユニットＵを有せずに，中間軸４を介して駆動機と被試験体Ｔとを連結した構成の耐久試験装置に対しても当然に実施可能である。

なお、本発明において使用する永久磁石型同期電動機、及び従来方法で使用されていた誘導電動機のいずれにおいても、数秒毎に異なる方向の角加速度を与えて回転させるには、交流電源の周波数を上記した時間単位で正負の両方向に変換させて行っている。

（イ）は、軸受ユニットＵを備えた高速アップダウン耐久試験装置の模式図であり、（ロ）は、軸受ユニットＵを備えない高速アップダウン耐久試験装置の模式図である。永久磁石型同期電動機のロータＲの縦断面図である。同じく分解斜視図である。かご型誘導電動機を構成するアルミダイキャスト製のロータＲ’の縦断面図である。同じくロータＲ’の仮想的分解斜視図である。アルミエンドリング２３に異常な力が作用してクラックＣが発生することを示す図４の部分拡大図である。クラックＣが発生したアルミエンドリング２３を示す斜視図である。

符号の説明

Ｂ：支持ブラケット
Ｍ：駆動機
Ｒ：ロータ
Ｔ：被試験体
Ｖ：ベース
１：被試験体の入力軸
２：駆動機の駆動軸
５，６，８：カップリング
１１：ロータ軸
１２：永久磁石による磁極片
１３：シュリンクリング

Claims

ベースと一体となった支持ブラケットに支持される被試験体と、該被試験体の入力軸と同心となって前記ベースに設置される駆動機の駆動軸とがカップリングを介して連結されて、前記駆動機の回転速度を高速においてアップダウンさせて、前記被試験体の疲労強度を確認するための高速アップダウン耐久試験装置において、
前記駆動機は、永久磁石型同期電動機で構成されていることを特徴とする高速アップダウン耐久試験装置。
前記被試験体と駆動機を構成する永久磁石型同期電動機との間に軸受ユニットが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の高速アップダウン耐久試験装置。