JP2010057318A - 主電動機内部の空力騒音の低減方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの部位の形状の改善により、回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの部位の風きり音を低減することによる主電動機の空力騒音の低減方法を提供する。
【解決手段】 主電動機内部の空力騒音の低減方法において、回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６に風きり音の低減面としての回転子鉄芯押さえ３Ａの面取りにより形成された傾斜面８を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主電動機内部の空力騒音の低騒音化を図る低減方法及びその装置に関するものである。

従来、主電動機内部の空力騒音の低減のためにの種々の提案がなされている。（下記非特許文献１〜６参照）。

近年、鉄道車両においても駆動系を含めた低騒音化が求められている。

図１２は従来の主電動機の内部構造を示す図、図１３は図１２のＣ部の拡大図である。

これらの図において、Ａは吸気側、Ｂは排気側であり、１０１は固定子、１０２は固定子コイル、１０３は回転子鉄芯、１０３Ａは鉄芯（回転子）押さえ、１０４は回転子バー（ロータバー）、１０５は回転軸、１０６は回転子鉄芯１０３に数本設けられている冷却ダクトの入口部分、１０７は回転子鉄芯１０３に複数本設けられる冷却ダクトの入口部分１０６に形成される回転子鉄芯１０３のエッジ部（角張った角部）、１０８は冷却ファン、１０９は鉄芯押さえ１０３Ａのエッジ部（角張った角部）である。

図１３に示すように、回転子鉄芯１０３内の冷却ダクト１０６の内径φ₂ に対してそれを押さえる鉄芯押さえ１０３Ａの穴の径はφ₁ であり、冷却ダクト１０６の内径φ₂ に対してある程度大きくなるように構成されているので、回転子鉄芯１０３のエッジ部（角張った角部）１０７には段部１０９が形成されている。なお、この主電動機の場合、冷却ダクトは全部で１２本あり、その全ての入り口に回転子鉄芯１０３のエッジ部１０７と鉄芯押さえ１０３Ａのエッジ部１０９が形成されている。
清水康弘，「鉄道車両の主電動機と歯車装置の音源分離に関する考察」，Ｊ−Ｒａｉｌ ２００５講演論文集, ｐｐ. ５３５−５３８（２００６） 清水康弘, 近藤稔, 川村淳也，「主電動機騒音の音源と対策」，鉄道総研報告, ２００５年５月号，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．５，ｐｐ２７−３２（２００５） アンシス・ジャパン（株），ＦＬＵＥＮＴ６．３Ｕｓｅｒ’ｓ Ｇｕｉｄｅ（２００６） 加藤千幸, 「数値解析による空力騒音予測の現状と課題」, 騒音制御, Ｖｏｌ. ２７, Ｎｏ．５, ｐｐ２９９−３０３（２００３） 飯田明由, 加藤千幸, 「数値流体騒音解析の最近の事例」, 騒音制御, Ｖｏｌ. ３１, Ｎｏ．４, ｐｐ３０５−３０９（２００７） Ｌｏｋｈａｎｄｅ Ｂ．Ｓ．，Ｓｏｖａｎｉ Ｓ．Ｄ．，Ｘｕ Ｊ．，"Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｇｅｎｅｒｉｃ Ｓｉｄｅ Ｖｉｅｗ Ｍｉｒｒｏｒ"Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．２００３−０１−１９６８, ＳＡＥ．ＮＶＨ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（２００３）

自己通風形主電動機は、高回転域時の主電源が空力騒音であることが分かってきている。上記した主電動機内部では、回転子鉄芯１０３に数本設けてある回転子内冷却ダクトの入口部分１０６付近の回転子鉄芯１０３のエッジ部１０７と鉄芯押さえ１０３Ａのエッジ部１０９が原因で大きな風きり音が発生する。つまり、この入口付近の回転子鉄芯１０３のエッジ部１０７と鉄芯押さえ１０３Ａのエッジ部１０９の形状が鋭いエッジになっているのでこの部分に空気があたることが原因で騒音が発生する。

本発明は、上記状況に鑑みて、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの部位の形状を改善することにより、その部位の風きり音を低減することにより主電動機の空力騒音の低減方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕主電動機内部の空力騒音の低減方法において、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分に風きり音の低減面を形成することを特徴とする。

〔２〕主電動機内部の空力騒音の低減方法において、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分及び出口部分に風きり音の低減面を形成することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の主電動機内部の空力騒音の低減方法において、前記風きり音の低減面が前記冷却ダクトのエッジ部を面取りした傾斜面であることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の主電動機内部の空力騒音の低減方法において、前記風きり音の低減面が前記冷却ダクトのエッジ部を面取りしたＲ面であることを特徴とする。

〔５〕主電動機内部の空力騒音の低減装置において、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分に形成される風きり音の低減面を具備することを特徴とする。

〔６〕主電動機内部の空力騒音の低減装置において、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分及び出口部分に形成される風きり音の低減面を具備することを特徴とする。

〔７〕上記〔５〕記載の主電動機内部の空力騒音の低減装置において、前記冷却ダクトの入口部分には面取りが行われた鉄芯押さえを具備することを特徴とする。

〔８〕上記〔７〕記載の主電動機内部の空力騒音の低減装置において、前記面取りが前記鉄芯押さえに形成される斜面であることを特徴とする。

〔９〕上記〔７〕記載の主電動機内部の空力騒音の低減装置において、前記面取りが前記鉄芯押さえに形成されるＲ面であることを特徴とする。

本発明によれば、主電動機内部の空力騒音の低減方法において、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの部位の風きり音を低減することにより、主電動機内部の空力騒音の低減を図ることができる。

本発明の主電動機内部の空力騒音の低減方法は、主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの部位に風きり音の低減面、例えば、傾斜面又はＲ面を形成する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す主電動機の断面図、図２は図１のＤ部の拡大図である。

これらの図において、Ａは吸気側（入口側）、Ｂは排気側（出口側）、１は固定子、２は固定子コイル、３は回転子鉄芯、３Ａは鉄芯（回転子）押さえ、４はロータバーの端部露出部分、５は回転軸、６は主電動機内部の回転子鉄芯３内に複数本設けらている冷却ダクト、６Ａはその冷却ダクト６の入口部分、７は主電動機内部の回転子鉄芯３内に複数本設けらている冷却ダクトの出口部分、８は回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６の鉄芯（回転子）押さえ３Ａの面取りによって形成された風きり音の低減面としての傾斜面、９は冷却ファンである。

この第１実施例では、上記した回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６の形状を工夫する。つまり、図２に示すように、鉄芯からなる回転子鉄芯３内の冷却ダクト６の内径φ₂ に対してそれを押さえる鉄芯（回転子）押さえ３Ａの穴の径は入り口はφ₁ に、出口は冷却ダクト６の内径φ₂ と同じになるように鉄芯（回転子）押さえ３Ａの面取りによって傾斜面８を設けるようにしたので、風きり音の低減を図ることができる。

図３は本発明の第２実施例を示す主電動機の断面図、図４はその風きり音の低減部分の拡大図である。なお、第１実施例と同じ部分には、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。

この第２実施例では、回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６に面取りによって風きり音の低減面としての傾斜面８を形成すると共に、回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの出口部分７に面取りによって風きり音の低減面としての傾斜面８′を設けるようにしている。

この第２実施例によれば、冷却ダクトの入口部分６及び冷却ダクトの出口部分７とに面取りによって風きり音の低減面としての傾斜面８，８′を設けるようにしたので、第１実施例に比べて大幅な風きり音の低減を図ることができる。

図５は本発明の第３実施例を示す主電動機の断面図、図６は図５のＥ部の拡大図である。なお、第１実施例と同じ部分には、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。

これら図において、１０は回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６の鉄芯（回転子）押さえ３Ｂの面取りによって形成される風きり音の低減面としてのＲ面である。

この第３実施例では、回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６の形状を工夫する。つまり、図６に示すように、回転子鉄芯３内の冷却ダクト６の内径φ₂ に対してそれを押さえる鉄芯（回転子）押さえ３Ｂの穴の径はφ₁ を入り口は緩く、出口は冷却ダクト６の内径φ₂ と同じになるように面取りによって形成されるＲ面１０を形成する。また、Ｒ面１０の面取りの半径Ｒを鉄芯押さえ３Ｂの厚みｔと同等（Ｒ＝ｔ）にする。これにより、鉄芯の穴径を変えずに鉄芯押さえの加工のみで、大きなＲ面１０を形成でき、風きり音の低減を図ることができる。したがって、製造コストの上昇を押さえながら効果的に騒音を低減することができる。

図７は本発明の第４実施例を示す主電動機の断面図、図８はその風きり音の低減部分の拡大図である。なお、第１実施例と同じ部分には、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。

この第４実施例では、回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分６に面取りによって風きり音の低減面としてのＲ面１０を設けるとともに、回転子鉄芯３内に複数本設けられている冷却ダクトの出口部分７に面取りによって風きり音の低減面としてのＲ面１０′を形成するようにしている。

この第４実施例によれば、冷却ダクトの入口部分６及び冷却ダクトの出口部分７とに面取りによるＲ面１０，１０′を設けるようにしたので、第３実施例に比べて大幅な風きり音の低減を図ることができる。

なお、主電動機内部のどのような部位で騒音が発生しているのか実機での測定は困難である。そこで、主電動機内部の熱流体解析から音響のシミュレーションを行い、その結果を実機の騒音測定結果と比較検討することによりシミュレーションの有効性を検証した。

本発明では、その解析結果から内部の空力騒音発生部位を冷却ダクトの入口部分と類推できたので、この部位の対策を行って空力騒音の低減を図っている。

回転している主電動機内部の周りの圧力や音響パワーを求めるのには、非定常流れの解析にｋ−ε法を用い、これにポスト処理として広帯域空力音モデルを用いて両者を組み合わせて音響パワーを求めた。

遠方場での音の評価をするのには、主電動機内部の非定常流れの解析は、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を用い、ポスト処理としてＦＷ−Ｈ（Ｆｆｏｗｃｓ Ｗｉｌｌｉａｍｓ ａｎｄ Ｈａｗｋｉｎｇｓ）モデル（方程式）を用いて放射されるレシーバー点の空力騒音を求めた。

３次元解析モデルは、比較する実機の主電動機を参考に省略可能な部分は、簡略化して実物大のサイズで次のような仕様で作製した。

３次元でローターバー周りの騒音をシミュレーションするために、主電動機の回転子は、図９に示すような実機の形状に近い形で作製した。回転子１１には、吸気側１２と冷却ファンのある排気側１３の両端にローターバーがある。

固定子周りの断面形状は、風路の空間のみを再現し、固定子の部分が抜けた状態となり吸気側と排気側を持つ外観の壁になる。

解析メッシュは、６面体メッシュで図１０に示すように全て風路のみであり、速い流れや大きな音の出そうな部位以外はメッシュを粗くした。なお、図１０では見えないが、直径約３０ｃｍの回転子２２内部には冷却用の風路２３（回転子内冷却ダクト）が１２本設けてある。ここで、２１は固定子である。

測定ケースにより、ばらつくが概ね４５０万セル程度の大きさで、最小メッシュサイズは約０．３ｍｍである。

計算に用いた３次元解析条件の設定を以下に示す。
・解析条件：３次元、定常、圧力ベース、陰的解法
・支配方程式：連続の式、運動量保存式、エネルギー保存式、乱流
・Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＳＩＭＰＬＥ
・Ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ：Ｓｔａｎｄａｒｄ
Ｍｏｍｅｎｔｕｍ、Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ、Ｅｎｅｒｇｙ：１次精度以上
・乱流モデル：ｋ−ε（＋改良型壁処理）またはＬＥＳ
計算に用いた気体の物性を以下に示す。
・気体の物性値
種類：空気
密度：理想気体
比熱：１００６．４３（Ｊ／ｋｇ Ｋ）
熱伝導率：０．０２４２（Ｗ／ｍ Ｋ）
粘性係数：１．７８９４×１０^-5（ｋｇ／ｍ ｓ）
計算に用いた境界条件を以下に示す。
・入口：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｉｎｌｅｔ 大気圧 温度：２９３．１５Ｋ
・出口：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｏｕｔｌｅｔ 大気圧 逆流ガスの温度：２９３．１５Ｋ
・壁面：断熱、内側部分のＭＲＦ（複数基準座標系）
・設定回転速度：６０００／ｍｉｎ
ｋ−ε法（＋改良型壁面処理）と音響パワーのために更に広帯域空力音モデルを使用した計算結果は、非定常計算の前に定常計算で発散しないかを確認の後、非定常計算で１．０×１０^-5刻みで１．０×１０^-2ｓ（１回転）まで行ったものである。

ＬＥＳとＦＷ−Ｈモデルを用いた計算結果は、１．０×１０^-5ｓ刻みで２．０ｅ−２ｓ（２回転）まで行ったものである。

図１１は本発明の風きり音の低減面を形成による騒音低減効果を示す図である。

図において、Ａ線（実線）は風きり音の低減面がない場合の音圧レベルを示し、Ｂ線（点線）は風きり音の低減面が形成された場合の音圧レベルを示している。

ＦＷ−Ｈで定置測定点に対応するレシーバー点の音圧スペクトルを求めるための音源領域は、ローターバーの音源を直接見るために回転子全体に設定した。そのため、１ｋＨｚ付近にピークがあるような、実測値と類似したスペクトル形状になるが、実測値に対して解析結果は、全体的に上にシフトしたように２０〜３０ｄＢ程度大きい値となった。さらに、冷却ファンの形状が実機の形状を十分反映していないために騒音が大きく発生して影響している。従って、音源領域の設定とファンをより実機に近いものにできれば、計算結果は、より測定結果の音圧スペクトルに近づくと思われる。

本発明では、流体音響解析ツールを適用した３次元計算モデルによる主電動機内部のシミュレーションを行い空力騒音を検討した。その結果、絶対値の差はあるが実機と近い傾向が得られた。

目的としたローターバーの空力騒音をレシーバー点で確認するためには実機と同等以上の冷却ファンの低騒音化がシミュレーション上でも必要であることがわかった。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の主電動機内部の空力騒音の低減方法及びその装置は、主電動機により発生する騒音の低減のためのツールとして利用可能である。

本発明の第１実施例を示す主電動機の断面図である。 本発明の第１実施例を示す主電動機の風きり音の低減部分の拡大図である。 本発明の第２実施例を示す主電動機の断面図である。 本発明の第２実施例を示す主電動機の風きり音の低減部分の拡大図である。 本発明の第３実施例を示す主電動機の断面図である。 本発明の第３実施例を示す主電動機の風きり音の低減部分の拡大図である。 本発明の第４実施例を示す主電動機の断面図である。 本発明の第４実施例を示す主電動機の風きり音の低減部分の拡大図である。 本発明の実機の形状に近い形での回転子を示す斜視図である。 本発明の解析メッシュを示す図である。 本発明の風きり音の低減面を形成による騒音低減効果を示す図である。 従来の主電動機の内部構造を示す図である。 従来の主電動機の部分拡大図である。

符号の説明

Ａ 吸気側（入口側）
Ｂ 排気側（出口側）
１，２１ 固定子
２ 固定子コイル
３ 回転子鉄芯
１１，２２ 回転子
３Ａ，３Ｂ 鉄芯（回転子）押さえ
４ ロータバーの端部露出部分
５ 回転軸
６ 回転子内冷却ダクトの入口部分
７ 回転子内冷却ダクトの出口部分
８，８′ 鉄芯（回転子）押さえの面取りにより形成された傾斜面
９ 冷却ファン
１０，１０′ 鉄芯（回転子）押さえの面取りにより形成されたＲ面

Claims (9)

1. 主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分に風きり音の低減面を形成することを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減方法。
2. 主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分及び出口部分に風きり音の低減面を形成することを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減方法。
3. 請求項１又は２記載の主電動機内部の空力騒音の低減方法において、前記風きり音の低減面が前記冷却ダクトのエッジ部を面取りした傾斜面であることを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減方法。
4. 請求項１又は２記載の主電動機内部の空力騒音の低減方法において、前記風きり音の低減面が前記冷却ダクトのエッジ部を面取りしたＲ面であることを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減方法。
5. 主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分に形成される風きり音の低減面を具備することを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減装置。
6. 主電動機内部の回転子内に複数本設けられている冷却ダクトの入口部分及び出口部分に形成される風きり音の低減面を具備することを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減装置。
7. 請求項５記載の主電動機内部の空力騒音の低減装置において、前記冷却ダクトの入口部分には面取りが行われた鉄芯押さえを具備することを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減装置。
8. 請求項７記載の主電動機内部の空力騒音の低減装置において、前記面取りが前記鉄芯押さえに形成される斜面であることを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減装置。
9. 請求項７記載の主電動機内部の空力騒音の低減装置において、前記面取りが前記鉄芯押さえに形成されるＲ面であることを特徴とする主電動機内部の空力騒音の低減装置。