JP2015533470A - ラインを駆動するために第１電気モータと第２電気モータとを備えたシステム - Google Patents

Abstract

第１電気モータ（１２）と第２電気モータ（１４）とを備えたシステムを開示し、これらの第１および第２電気モータが、システムの共通のライン（１７）を介して、互いに機械的に結合されている。このライン（１７）は、固有周波数に対してねじれ固有振動数を有する。第１電気モータ（１２）により、第１周期振動トルクがライン（１７）に作用し、かつ、第２電気モータ（１４）により、第２周期振動トルクがライン（１７）に作用する。本発明によれば、第２周期振動トルクがライン（１７）に対して作用することにより、第１周期振動トルクによる固有振動数の励起が減衰されるように、第２電気モータ（１４）が第１電気モータ（１２）に対して配置されている。

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載のシステムに関する。

この種のシステムは、例えば米国特許出願公開２０１０／０１３５８２５Ａ１号から公知であり、ガス、とりわけ天然ガスの液化に用いられる。

この公知のシステムは、２つの電気モータを有し、これらの電気モータが１つの共通のシャフトを介して機械的に互いに接続されている。シャフト上には負荷としてコンプレッサないしコンプレッサシステムが配置されている。回転する構成部品、すなわち、シャフト、コンプレッサの回転子、モータシャフトとコンプレッサシャフトとの間にある連結部およびモータの回転子がラインと称される。

この種のシステムが固有振動数を有することは、一般的に公知である。この種の固有振動数を分析し記録もするためには、いわゆるキャンベル線図が用いられる。

この種のシステムにおける欠点は、電気モータが、ラインの固有振動数を励起しうる点であると判明している。この固有振動数は、したがって減衰され、ないしその励起が防がれなければならないが、この理由は、固有振動数が、減衰されないまたは防がれない場合には、システムを損傷させ、壊す可能性さえもあるからである。

本発明の目的は、負荷の特定の固有周波数の励起の問題を解決したシステムを提供することである。

本発明によれば、この問題は、請求項１の対象物により解決される。好適な実施形態は、従属請求項中に記載されている。

本発明によるシステムは、第１電気モータと第２電気モータとを有し、これらの第１および第２電気モータが、システムの共通のラインを介して、互いに機械的に結合されていて、ラインは、固有周波数に対してねじれ固有振動数を有し、第１電気モータにより、第１周期振動トルクがラインに作用し、かつ、第２電気モータにより、第２周期振動トルクがラインに作用し、第２周期振動トルクがラインに対して作用することにより、第１周期振動トルクによる固有振動数の励起の減衰が生じるように、第２電気モータが第１電気モータに対して配置されている。

第２電気モータを第１電気モータに対して本発明にしたがって配置することにより、ラインの少なくとも１つの固有振動数が目標を定めて減衰されることができる。この減衰が最適である場合には、固有振動数を打消すことさえもできる。したがってこのシステムは、この固有振動数の励起を防ぐまたは制御するさらなる構成部品または制御部を必要としない。したがってこのシステムはコスト効率良く作製することができる。このシステムの作動はより安全であるが、この理由は、構築上の条件に基づきこの固有振動数が現れないないし減衰してのみ現れうるからである。

このシステムのある好適な実施形態では、第１電気モータは、システムの第１駆動部により駆動され、かつ、第２電気モータは、システムの第２駆動部により駆動され、第１駆動部も第２駆動部も、電流形インバータとして形成されている。

電流形インバータとして駆動部を実施することにより、とりわけシステムがコスト効率の良く作動できるようになる。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、双方の電気モータのうちの１つが、同期機として実施されている。さらなる好適なある実施形態では、第１電気モータと第２電気モータとが同期機として実施されている。

少なくとも１つの電気モータを同期機として実施することにより、このシステムを、高電力領域中とりわけ６０ＭＷを上回る領域中で、コスト効率良く作動させることができる。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、第１電気モータは、システムの第１駆動部により、かつ、第２電気モータは、システムの第２駆動部により駆動されていて、第１駆動部と第２駆動部とは、相導体を介して電源装置に接続されている。第１駆動部は第１周波数変換器を有し、第２駆動部は第２周波数変換器を有し、第１周波数変換器と第２周波数変換器とは、電源装置の側で、および、第１電気モータないし第２電気モータの側で、それぞれ他励式電力変換器として実施されている。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、第２周波数変換器は、第１周波数変換器に対して、位相角差Δｐｈ_Ｎ分、位相シフトして作動される。

これにより、システムのシステム摂動を最適化することができ、とりわけ、望ましくない周波数が電源装置中に入り込むことを防ぐことができる。例えば第２駆動部は第２変圧器を有し、この第２変圧器を介して、位相角差Δｐｈ_Ｎ分の位相シフトが実現されることができる。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、第１周波数変換器と第２周波数変換器とは、それぞれ電源装置側でも、第１電気モータないし第２電気モータ側でも、１２パルス電力変換器として実施されている。さらなる好適な本発明の実施形態によれば、第１周波数変換器と第２周波数変換器（４９）との電源側の各電力変換器は、位相角制御された他励式サイリスタ電力変換器として実施されている。さらなる好適な本発明の実施形態によれば、第１周波数変換器と第２周波数変換器との負荷側の各電力変換器は、位相角制御された他励式サイリスタ電力変換器として実施されている。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、第２電気モータは、第１電気モータに対して、相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍ分、放射状方向で回転して配置されていて、相対的なモータ角度は、少なくとも近似的に

であり、ここで、ｆ_Ｎは電源装置の周波数であり、ｆ_Ｍは負荷側の電力変換器の周波数であり、Ｎ_Ｎは電源側の電力変換器のパルス数であり、Ｎ_Ｍは負荷側の電力変換器（６２）のパルス数である。

とりわけ、Δｐｈ_Ｎが０とは異なる場合、この式がゆえに、双方の電源側の電力変換器が位相シフトΔｐｈ_Ｎで作動している際にも、ラインの固有振動数の減衰または固有振動数の打消しでさえも達成することができる。したがってシステムは、ラインの特定の固有振動数に対する特別な保護概念またはシステムがなくても、構想可能であり、これにより、システムは全体としてコスト効率良く作製可能で、より安全に作動可能である。

システムのある好適な実施形態では、第２固定子は、第１固定子に対して放射状方向で固定子角度φ_Ｓｔで配置され、かつ、第２回転子は、第１回転子に対して、放射状方向で回転子角度φ_Ｒ回転して配置されていて、相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍ＝φ_Ｒ−φ_Ｓｔが該当する。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、ラインは、好ましくはコンプレッサシステムである負荷を有する。この種のシステムでは、好ましくは双方の電気モータの電力が少なくとも６０ＭＷである。

他の好適な実施形態と組み合わせ可能である、このシステムのある好適な実施形態では、第１電気モータは第１回転子と第１固定子とを有し、第２電気モータは第２回転子と第２固定子とを有し、第２回転子は第１回転子に放射状方向で重なって配向されていず、および／または、第２固定子は第１固定子に放射状方向で重なって配向されていない。

本発明のさらなる好適な実施形態は、さらなる従属特許請求項に記載されていて、好適な実施形態の説明から明らかである。

本発明の好適な実施形態を、添付の図面に関連付けて例示的に説明する。本発明のこれらの好適な実施形態は、本発明を限定する例を示しているのではない。

図面は、単に概略的に以下を示す。

第１モータと第２モータとを備えた機械システムの側面図で、これらのモータが共通のシャフトを介して互いに機械的に結合されていて、このシャフトを介して負荷が駆動される図である。 図１に記載の機械システムを縦軸の方向で示した図で、個々の構成部品の互いに対する様々な角度が記載されていて、明瞭化するために、負荷を図示していない図である。 第１および第２モータを駆動する電気系の配置の１例を示す図である。 電気系用の周波数変換器のある例となる実施形態の図である。 モータの回転子と、シャフトと、負荷とから形成される機械システムのラインの周期振動トルクの周波数を、ラインの回転速度と、ラインのねじれ固有周波数とに応じてプロットした典型的なキャンベル線図である。 １２倍の電源周波数ｆ_Ｎと１２倍のモータ周波数ｆ_Ｍとの畳み込み積の周期長さを示した図であり、ここで、図６中では、電源周波数はｆＮで、モータ周波数はｆＭで、畳み込み積は｜１２ｆＮ−１２ｆＭ｜で記載している。 図６と比較して、図６の１２倍の電源周波数に対して、１２倍の電源周波数が３０°位相シフトされた図である。

図１および図２は、本発明による機械システム１０を示し、このシステムは、第１電気モータ１２と、第２電気モータ１４と、共通のシャフト１６（これを介して第１電気モータ１２と第２電気モータ１４とが互いに機械的に結合されている）とを備えている。単純化するために、電気モータを短くしてモータと称する。シャフト１６上には、負荷１７’が設けられている。この種の機械システム１０は、例えばガス液化施設用に用いられ、この場合、負荷１７’はコンプレッサ、ないし、ガスとりわけ天然ガスを液化する複数のコンプレッサからなるコンプレッサシステムである。機械システム１０の回転する構成部品はライン１７と称される。これらは、とりわけ、第１モータ１２の第１回転子２０、第２モータ２２の第２回転子２６、シャフト１６および負荷１７’ならびに場合によってはさらなる構成部品（例えば、各回転子２０、２６とシャフト１６と間の連結部）である。天然ガス液化施設の場合、この負荷１７’を駆動するために、今日では通常６０ＭＷ（メガワット）〜１２０ＭＷの作動電力が必要とされる。しかし、より大きな作動電力を有する施設もすでに計画中である。例えばこの作動電力は、双方のモータ１２、１４からそれぞれ半分ずつ調達されることができ、その結果、双方のモータ１２、１４のそれぞれが、３０ＭＷ〜６０ＭＷの電力をシャフト１６に出力可能である。あるいは、双方のモータ１２、１４のうちの１つが、他方のモータ１２、１４よりも大きな作動電力を出力するようなサイズを有することもでき、例えば、第１モータ１２が７０ＭＷ〜１００ＭＷの作動電力を出力するよう、かつ、第２モータ１４が２０ＭＷまでの作動電力用に設計されていることができる。

第１モータ１２も第２モータ１４も、シャフト１６と負荷１７’とを駆動するように決められている。シャフト１６は負荷１７’と共に、すでに上述したように、ライン１７を形成する。このために、第１モータ１２の第１回転子２０は、シャフト１６と機械的に結合されている。同様に、第２回転子２２はシャフト１６と結合されている。好ましくは、第１回転子２０も第２回転子２２も、シャフト１６と直接連結され、ないしこのシャフトに形成されている。あるいは、回転子２０、２２のうち１つまたは双方とも、図面中に図示されていない歯車装置を介して、シャフト１６と結合されていることができる。

第１回転子２０の周りに第１モータ１２の第１固定子２４が配置され、第２回転子２２の周りに第２モータ１４の第２固定子２６が配置されている。図１中に図示したように、好ましくは、第１モータ１２も第２モータ１４も、シャフト１６の対向する端部領域にそれぞれ配置されている。しかし、これ以外の配置も同様に可能である。

本発明の第１実施形態では、第１モータ１２も第２モータ１４も同期機（図３および４中では、ＳＭと称される）として実施されている。しかし、本発明は、原理的には非同期機で実施されることも可能である。

ライン１７は、可能な限り剛性を有して形成されているが、しかし、様々な特定の固有周波数により固有振動数とりわけねじれ振動が励起されうる。ねじれ振動では、振動は、ライン１７の回転自由度の分、この場合はライン１７の縦軸Ａの周囲で生じる。第１固有周波数に対して固有振動数が引き起こされる第１固有モードでは、ライン１７ないしシャフト１６の一端が、ライン１６ないしシャフト１６の他端に対して回転するのみである。第２固有周波数に対して固有振動数が引き起こされる第２固有モードでは、ライン１７の両端が互いに対して同期して振動するが、しかし、ライン１７の中央部分は、両端の振動に対して逆の周回方向で振動する。とりわけ、ライン１７が回転する際、すなわち、ライン１７の一定の回転移動の固有振動数が重畳している際に、ライン１７の固有振動数が生じうる。

第１固定子２４は、以下では一般的であるとは限定しないが、第１および第２モータ１２、１４の双方の固定子２４、２６の以下の考察については位置固定の座標系として見なす。第２固定子２６は、機械システム１０の、シャフト１６により規定された縦軸Ａ上に、周回方向で、原理的には所望の方法で配置されていることができる。図２中に示されているように、第２固定子２６が第１固定子２４に対してある角度分、回転して配置されていて、その角度は、固定子角度φ_Ｓｔと称される。したがって、固定子角度φ_Ｓｔは、０でありえ、または０とは異なりうる。固定子角度φ_Ｓｔ＝０の場合は、第２固定子２６の極は、縦軸Ａの方向で、第１固定子２４の極と完全に等しい。

機械システム１０の回転する構成部品、とりわけ、ライン１７と、第１回転子２０と、第２回転子２２とのための座標系は、一般的であると限定しないが、第１回転子２０により規定される。第２回転子２２は、機械的に負荷が掛けられていないシャフト１６上で、すなわち、例えば機械システム１０が静止状態にあり第１モータ１２、第２モータ１４および負荷１７’によっても、シャフト１６上にトルクが掛けられない限り、ある角度（以下では回転子角度φ_Ｒとして称される角度）分だけ回転して配置されていることができる。回転子角度φ_Ｒは、したがって０でありえ、または０とは異なりうる。回転子角度がφ_Ｒ＝０である場合には、第２回転子２２の極は、縦軸Ａの方向で第１回転子２０の極と完全に等しい。さらに、図２中では、この角度は、固定子角度φ_Ｓｔと回転子角度φ_Ｒとの間の相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍが記入されている。

ライン１７が機械的に負荷されると、このラインは、とりわけ時間の関数として回転しうるが、この理由は、シャフト１６も負荷１７’も、完全には固定されていないからである。シャフト１６の機械的な負荷は、とりわけ双方のモータ１２、１４によっても、負荷１７’によっても引き起こされる。とりわけ双方のモータ１２、１４は、ライン１７のねじれ固有振動数を励起することができる。

図３中には、システム１０の第１モータ１２も第２モータ１４も駆動する駆動システム３０が示されている。第１モータ１２は第１駆動部３２により、第２モータ１４は第２駆動部３４により駆動される。駆動部３２、３４は、当業者にはこの種の目的で非常に公知である一般的な駆動部である。

第１駆動部３２は第１変圧器４０を有し、この変圧器は、電源装置４２側でＮ_ＶＮ個の相導体４４を介して電源装置と接続されている。この電源装置４２は、通常３相で形成されていて、その結果、第１変圧器４０は、３個の（Ｎ_ＶＮ＝３）相導体４４を介して、この電源装置と接続されている。第１モータ１２側では、変圧器４０は、６個の（Ｎ_ＵＭ＝６）相導体４６が、第１周波数変換器４８と接続されている。通常、変圧器４０と周波数変換器４８との間の接続は、Ｎ_ＶＮと同じまたはその整数倍存在する。この例ではＮ_ＵＭ＝６であり、この６個の位相が互いに位相シフトしている。

第１周波数変換器４８は、Ｎ_ＡＮ個の相導体５０を介して第１モータ１２に接続されている。通常３、６、１２、１８または２４個の相導体５０が用いられる。この例では、６個の（Ｎ_ＡＮ＝６）相導体５０が用いられる。

第２駆動部３４は、第１駆動部３２とほぼ同様に形成されている。
第２駆動部３４は第２変圧器４１を有し、この変圧器は、電源装置４２の側で同様にＮ_ＶＮ個の相導体４５を介して、電源装置と接続されている。第２モータ１４の側では、第２変圧器４１が、６個の（Ｎ_ＵＭ＝６）相導体４７を介して、第２周波数変換器４９に接続されている。通常この第２変圧器４１と第２周波数変換器４９との間の接続は、Ｎ_ＶＮと同じまたはその整数倍存在する。この例では、Ｎ_ＵＭ＝６であり、６個の位相が互いに位相シフトしている。

第２周波数変換器４９は、Ｎ_ＡＮ個の相導体５１を介して第２モータ１４に接続されている。通常３、６、１２、１８または２４個の相導体５１が用いられる。この例では６個の（Ｎ_ＡＮ＝６）相導体５１が用いられる。

第２変圧器４１の出力における６個の位相は、第１変圧器４０の出力における６個の位相に対して位相角差Δｐｈ_Ｎ分、位相シフトしていることが可能である。これは、例えば、駆動システム３０の電源装置４２に対する妨げとなる摂動を低減するために利用されうる。例えば、図３および４に図示した駆動システムにおいては、位相角差Δｐｈ_Ｎは１５°であれば有利でありうる。しかし、位相角差は１５°とは異なっても良く、Δｐｈ_Ｎ＝０°であっても良い。

位相角差Δｐｈ_Ｎは、したがって、第１周波数変換器４８と第２周波数変換器４９との間の電源側の電気位相角差である。

図４は図３の詳細図である。図４は、３個の相導体４４（Ｎ_ＶＮ＝３）を示し、この相導体を介して、第１変圧器４０が電源装置４２（図３参照）と接続されている。図示したように、第１周波数変換器４８の側では、６個の相導体４６（Ｎ_ＵＭ＝６）が第１変圧器４０と接続されているように、第１変圧器４０が形成されている。これらの６個の位相は、互いに位相シフトしていて、６個の相導体における位相シフトは、好ましくは６０°である。一般的に、個々の位相間の位相シフトは、３６０°を相導体４６の数Ｎ_ＵＭで割ったものであり、式で表すと３６０°／Ｎ_ＵＭである。６０°の位相シフトは、例えば３相の電源装置４２を用いて、および、変圧器の巻線を介して、デルタ型ないしＹ字型で実施して達成されうる。この実施形態も、これ以外の形成も、当業者には公知である。

さらに、図４は、第１周波数変換器４８の電源側の電力変換器６０を示している。電源側の電力変換器６０は、直列接続された２つの６パルスブリッジ整流器回路により実施されている。したがって、これらが共になって、１２パルス整流器回路が形成されている。同様に１２パルス整流器回路であるこれ以外の回路も当業者には公知である。本実施形態では、位相角制御されたサイリスタが、回路部材として示されている。電源側の電力変換器６０は、したがって他励式電力変換器６０として形成されている。電源側の電力変換器６０の周波数は、したがって電源装置４２の周波数と等しく、ｆ_Ｎと記される。ｆ_Ｎは、したがって通常５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであるが、しかし、原理的には所望の周波数でありうる。図３中に示された回路部材に代えて、これ以外の回路部材をサイリスタとして用いることも可能である。当業者には、適切な電力変換器回路が公知である。

一般的には、Ｎ_Ｎパルス整流器回路は、Ｎ_Ｎ／２相で整流することにより達成されるが、この際、振動の双方の半波長が整流される。正の半波長のみないし負の半波長のみが整流される場合には、パルスの数は、互いに位相シフトされた位相の数に等しい。図４中に示された例では、Ｎ_Ｎ＝１２である。

モータ側ないし負荷側で、第１周波数変換器４８は負荷側の電力変換器６２を有する。この負荷側の電力変換器６２は、この例では、６個の相導体５０（Ｎ_ＡＭ＝６）を介して第１モータ１２と接続されている。相導体５０は、互いに対して独立して、スイッチが入れられうる。このために、負荷側の電力変換器６２は、この場合も位相角制御されたサイリスタを有し、ここでも他励式電力変換器として実施されている。当業者にはさらなる可能性が非常に公知である。位相のそれぞれに、＋Ｖ_ＤＣ／２または−Ｖ_ＤＣ／２が掛けられうるので、このインバータ回路は、１２パルスインバータと称されうる。一般的には、Ｎ_Ｍパルスインバータのパルスの数Ｎ_Ｍは、以下のように、すなわち、相導体の数Ｎ_ＡＮ＊２であると定義されていて、ここで、Ｎ_ＡＮ個の相導体５０は、少なくとも互いに位相シフトして駆動されうるという点が該当する。最も一般的な場合では、Ｎ_ＡＮ個の相導体５０は、互いに独立して駆動されうる。図３および４中に図示された実施形態では、Ｎ_Ｍ＝１２である。

第１駆動部３２と同様に、第２駆動部３４は、電源側の電力変換器と、負荷側の電力変換器とを有し、これらは、それぞれ、第１駆動部３４の電源側の電力変換器と、負荷側の電力変換器と同様に形成されている。

この例では、第１モータ１２も第２モータ１４も、それぞれ６個の固定子の巻線を備えて形成されていて、例えば星形結線で作動される。各固定子の巻線は、各駆動部３２、３４の相導体５０のそれぞれと接続されている。

双方の負荷側の電力変換器６２は、第１モータ１２ないし第２モータ１４を可変周波数で駆動するために機能し、その結果、各モータ１２ないし１４は、可変回転速度で回転する。１２パルスインバータおよび６個の固定子の巻線を備えた固定子では、モータは、モータ周波数ｆ_Ｍｏｔ＝ｆ_Ｍ／Ｎ_ＰＰで回転し、ここで、Ｎ_ＰＰは、固定子の極の対の数であり、ｆ_Ｍは、負荷側の電力変換器の周波数である。Ｎ_ＰＰ＝１の場合、モータは、負荷側の電力変換器６２の周波数ｆ_Ｍで回転する。しかし、各相導体５０、５１には、インバータ周波数ｆ_Ｍ以外に、さらなる周波数が存在するので、これらの周波数は重畳する。これらのさらなる周波数は、第１ないし第２モータ１２、１４の空気間隙中での磁場を引き起こし、これらのモータは回転速度で回転するのではなく、したがって回転子に作用するパルス状のトルクを引き起こす。

図５は、電源側にも負荷側にも１２パルス電力変換器６０、６２を有する上述の第１駆動部３２および第２駆動部３４用の典型的なキャンベル線図である。電源装置の周波数も電源側の電力変換器６０の周波数も、図５〜７では、ｆ_ＮではなくｆＮで記されている。この周波数は、この例では５０Ｈｚである。負荷側の周波数変換器の周波数は、上述のように、各モータ１２、１４の可変回転速度と関連していて、図５〜７では、ｆ_ＭではなくｆＭで記されている。図５では、回転速度は、毎分回転数で記されていて、この毎分回転数はｒｐｍとして省略されている。図５中実線で描かれた線は、上述の１２パルスシステムの整数の高調波パルス状トルクの周波数の経過を示す。破線は、非整数のパルス状トルクの周波数経過を示す。本キャンベル線図中では、モータの極の対の数は１であると仮定されている。したがってインバータ周波数ｆ_Ｍは、モータ周波数に等しい。

キャンベル線図中では、パルス状トルクの周波数の経過は、回転数ｒｐｍに応じて示されている。このパルス状トルクは、例えば各電源側の電力変換器６０と負荷側の電力変換器６２との間の格納中間回路中で測定可能であり、モータの回転速度と合致しない各モータ１２、１４へのトルクとなる。

さらに、ライン１７のねじれ固有振動数の周波数６６が例示的に記されている。第１、第２および第３の固有振動数の周波数は、例えば６Ｈｚ、１９Ｈｚおよび５６Ｈｚでありえるが、しかし、ライン１７の構成に依存する。ねじれ固有振動数の周波数は、ライン１７のその瞬間の回転速度には依存しない。

このキャンベル線図から明らかなように、ライン１７の固有振動数の周波数６６ないし周波数経過は、パルス状トルクの周波数経過と交差する。負荷側の周波数変換器６２の周波数ｆ_Ｍは、ライン１７の回転数が変化する際に変化するので、とりわけライン１７が静止状態から所望の回転速度まで急激に上昇すると、通常ライン１７の固有周波数６６が駆動部により引き起こされる周期振動トルクと交差するある周波数帯を通り抜ける。急激な上昇が、比較的迅速に行われるので、ライン１７の固有周波数時に、ライン１７は通常あまり強く励起されない。しかし、通常、ライン１７の固有振動数の周波数の経過６６と、パルス状トルクの周波数の経過とが交差することにより、長期の作動では回転速度付近で、ライン１７にとっては望ましくない振動が引き起こされる。本願の図５中に示された線図では、これは、３０００ｒｐｍの回転速度時に該当する。

例えば、図１に示したように、本発明によるシステムは、第１モータ１２と第２モータ１４とを有する。モータ１２、１４は、共通のライン１７を介して互いに機械的に結合されている。第１モータ１２も第２モータ１４も、ライン１７を駆動するために調整されていて、ライン１７は、ねじれ固有周波数を有し、このライン１７には、第１モータ１２により、回転速度に依存する第１周期振動トルクが作用し、かつ、第２モータにより、同様に回転速度に依存する第２周期振動トルクが作用する。本発明によれば、ライン１７が与えられたある回転速度である場合には、第１周期振動トルクおよび第２周期振動トルクの作用が、ライン１７上の固有周波数を打消すように、第２モータ１４が第１モータ１２に対して配置されている。

特定の周波数におけるライン１７の励起の打消しは以下のように行われうる。すなわち、以下では、第２駆動部３４が、第１駆動部３２に対する電気位相シフトΔｐｈ_Ｎなしに作動され、すなわち、第１変圧器４０と第１周波数変換器４８の電源側の電力変換器６０との間の相導体４６、４７中の電圧および／または電流と、第２変圧器４１と第２周波数変換器４９の電源側の電力変換器６０との間の電圧および／または電流とが同相であることにより行われる。位相角差Δｐｈ_Ｎは、したがって０である。さらに、固有周波数について偶数振動と奇数振動との場合分けを行う。

機械システムの偶数振動では、システムの両端領域が互いに同期して振動する。したがって、システムの両端がミラー反転して励起されることにより、振動は打消されうる。これは、以下のように達成されうる。
・第２回転子２２が第１回転子２０に対して１８０°回転し、第１固定子２４と第２固定子２６とが放射状方向で互いに重なるように配向されていて、したがってφ_Ｒ＝１８０°、φ_Ｓｔ＝０°およびΔｐｈ_Ｍ＝φ_Ｒ＝１８０°であり、または、
・第２固定子２６が第１固定子２４に対して１８０°回転し、第１回転子２０と第２回転子２２とが放射状方向に互いに重なるように配向されていて、したがってφ_Ｒ＝０°、φ_Ｓｔ＝１８０°およびΔｐｈ_Ｍ＝φ_Ｓｔ＝−１８０°であり、ここで、−１８０°は＋１８０°と等価であり、または、
・第２固定子２６が第１固定子２４に対して角度φ_Ｓｔ分、回転して配置されていて、第２回転子は第１回転子に対して角度φ_Ｒ分、回転して配置されていて、この角度について、以下が該当する、すなわち、Δｐｈ_Ｍ＝φ_Ｒ−φ_Ｓｔ＝１８０°である
ことにより達成されうる。

この際、「１８０°」の位置と「−１８０°」の位置とは、等しい位置であるので等価であると考慮されるべきである。同様に３６０°の整数倍が１８０°に加えられる場合も、等価の位置となる。

極の対の数Ｎ_ＰＰが１とは異なる場合、さらなる等価な角度位置が追加される。Ｎ_ＰＰ＝２の場合、これは９０°および２７０°であり、Ｎ_ＰＰ＝３の場合、さらに４５°、１３５°、２２５°および３１５°が追加される。極の対の数がより大きい場合には、これに対応してさらなる角度位置が存在する。

機械システムが奇数の高調波振動をする場合には、システムの両端領域が互いに対向するように振動する。したがって、システムの両端が同期的に励起されることによって、振動が打消されうる。これは、以下のようにして達成されうる。
・第２固定子２６が、第１固定子２４に放射状方向で重なるように配向されていて、第１回転子２０と第２回転子とが同様に放射状方向で重なるように配向されていて、したがってφ_Ｒ＝０°、φ_Ｓｔ＝０°およびΔｐｈ_Ｍ＝０°であり、または、
・第２固定子２６が第１固定子２４に対して角度φ_Ｓｔ分、回転して配置されていて、第２回転子は第１回転子に対して角度φ_Ｒ分、回転して配置されていて、この角度について、以下が該当する、すなわち、Δｐｈ_Ｍ＝φ_Ｒ−φ_Ｓｔ＝０°である
ことによって達成される。

これについて、位置「０°」は、３６０°の整数の倍数と等価である点を考慮すべきである。

極の対の数Ｎ_ＰＰが１とは異なる場合、さらなる等価な角度位置が追加される。Ｎ_ＰＰ＝２の場合、これは１８０°であり、Ｎ_ＰＰ＝３の場合、さらに９０°および２７０°が追加される。極の対の数がより大きい場合には、これに応じてさらなる角度位置が存在する。

しかし、駆動部３２、３４により引き起こされる電源装置４２の障害を低減するために、双方の駆動部３２、３４を、電源装置４２の側で互いに対して位相シフトして作動させることも望ましくありえる。１２パルスシステムの場合では、通常第２周波数変換器４９の電源側の電力変換器６０が、第１周波数変換器４８の電源側の電力変換器６０に対して、Δｐｈ_Ｎ＝１５°位相シフトして作動される。この位相シフトは、第２変圧器４１により達成されうる。位相シフトΔｐｈ_Ｎが０°とは異なる際には、これは、励起された周期振動トルクを打消すために考慮されねばならない。

図６の上方では、第１周波数変換器４８の電源側の１２パルス電力変換器６０の直流電圧側を単に概略的に示すが、これは、電源周波数ｆ_Ｎの１２倍で振動する。図示を単純化するために、鋸歯関数を選択した。さらに、図６は下方に、第１周波数変換器の負荷側の電力変換器６２の直流電圧側を示すが、これは、負荷側の電力変換器６２の１２倍の周波数でパルス化されている。ここでも、電圧は単に概略的に鋸歯関数として提示されている。電源側の電力変換器６０のパルス化された直流電圧と、負荷側の電力変換器６２のパルス化された直流電圧との間には、低周波のうねりが生じ、これは、第１周波数変換器４８中での低周波のエネルギー伝達として見ることができる。さらに、この第１周波数変換器４８の格納中間回路６４中のこの電圧のうねりは、第１モータ１２の空気間隙中で、低周波でかつ一般には整数ではないトルクになり、このモータが、低周波のうねりの周波数で振動する。同様の点が、原理的には第２周波数変換器４９について、および第２モータ２４についても該当する。この点は図５中のキャンベル線図中で示されている。

図６と比較すると図７では、第２周波数変換器４９についての状態を示す。この場合も、電源側の電力変換器６０のパルス化された直流電圧と、負荷側の電力変換器６２のパルス化された直流電圧とが示されているが、しかし、電源装置４２側の電圧は、位相シフトして電源周波数ｆ_Ｎとなる。位相シフトはΔｐｈ_Ｎである。上述のように、この位相シフトは変圧器により達成されうる。第１周波数変換器についての上述の説明と同様、この場合も、第２周波数変換器４９の格納中間回路６４中で低周波のうねりが生じ、第２モータ１４の空気間隙中では、低周波でかつ一般的には非整数のトルクになる。

図６および図７から導き出されうるように、第２周波数変換器４９の電源側の電力変換器６０の周波数の位相シフトΔｐｈ_Ｎは、第２周波数変換器４９によるエネルギー流中で、第１周波数変換器４８中の低周波のうねりに対する低周波のうねりの位相シフトが生じ、したがって、第１モータ１２の低周波のパルス状の空気間隙にあるトルクに比較して、第２モータ１４の低周波のパルス状の空気間隙にあるトルクの位相シフトが生じる。図６を図７と比較すると、このシフトは、電源側の電力変換器６０の周波数ｆ_Ｎ、位相角差Δｐｈ_Ｎ分の位相シフト、および、負荷側の電力変換器６２の周波数ｆ_Ｍから導き出されることができ、一般に以下の法則に従いうる。

ここで、Ｎ_Ｎは電源側の電力変換器のパルス数、Ｎ_Ｍは負荷側の電力変換器のパルス数である。電源側の電力変換器と負荷側の電力変換器とのパルス数が同じ場合には、以下が該当する。

上述の２つのΔｐｈ_Ｍについての式は、同期機械全般に該当する。
うねり周波数がライン１７のねじれ固有振動数の固有周波数と一致する少なくとも１つの臨界的な回転数については、本発明によるシステムを用いて、負荷に対するこのねじれ固有振動数を打消すことができる。

第１回転子２０に対して第２回転子２２を正確に回転させるために、相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍ＝φ_Ｒ−φ_Ｓｔが、上述の式によれば、負荷１７の偶数の高調波振動の場合は１８０°になり、奇数の高調波振動の場合には０°にならねばならない。この場合も、０°ないし１８０°に３６０°の整数倍が加えられると、０°ないし１８０°と等価になる。極の対の数Ｎ_ＰＰがより大きい機械については、１８０°／Ｎ_ＰＰ、ないし、３６０°／Ｎ_ＰＰの値が同様に該当する。

本実施形態では、負荷１７’は、シャフト１６上に配置されたコンプレッサシステムである。この負荷１７’は、固有周波数が６．４８Ｈｚの際には第１ねじれ固有振動数を有する。負荷１７’は、２つの他励式周波数変換器４８、４９により駆動されている。周波数変換器４８、４９は、電源装置において６０Ｈｚの電源周波数で、変圧器４０、４１を介してそれぞれ接続されている。第１および第２モータ１２、１４の公称周波数も、同様に６０Ｈｚである。

回転速度が３５６７．６ｒｐｍである場合、これは、モータの公称速度ないし公称周波数の９９．１％に相当するが、この場合、１２倍の電源周波数ｆ_Ｎの１２倍のモータ周波数ｆ_Ｍとの畳み込み積は、第１高調波振動を励起する。この畳み込み積は、図５中｜１２ｆＭ−１２ｆＮ｜で表される（図５中では、ｆ_ＮをｆＮとして、ｆ_ＭをｆＭとして表記する）。

本発明によれば、この第１モータ１２および第２モータ１４による励起が、互いに打消し合う、ないし少なくとも減衰し合うことにより、周期振動トルクによる負荷１７の励起は防がれるないし減衰される。これは、ねじれ第１高調波振動のために、畳み込みにより引き起こされる双方の周期振動トルクが、同期してないし同相で負荷に作用することにより達成される。

駆動システム３０のシステム摂動がゆえに、第２駆動部３４が電源装置４２の側で、第１駆動部３２に対して位相シフトΔｐｈ_Ｎ１５°で作動される場合、上述の式から、第２回転子２２と第２固定子２６との間の相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍは、１６５１．６７°ないし２１１．６７°であるべきであるとの結果になる。第２固定子２６が第１固定子２４に対して放射状方向で配向されていて、したがってφ_Ｓｔ＝０°が該当する場合、第２回転子２２が第１回転子２４に対して、２１１．６７°放射状方向で回転して配置されているとの結果になる。機械システムのこのような配置により、負荷に作用する周期振動トルクは最適に打消されうる。角度Δｐｈ_Ｍを正確に実現することができない場合には、周期振動トルクの良好な打消しが実現されうる。

一般的には、Δｐｈ_Ｍを算出する上述の式により、相対的なモータ角度の最適な位相シフトを算出することができるという点が該当する。この角度から外れることは可能であるが、この場合も周期振動トルクにより、固有振動数の励起を少なくとも部分的に打消しないし低減することができる。とりわけ相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍを＋／−１０°までずらすことが許容されている。

さらなる実施形態では、第１周波数変換器４８および／または第２周波数変換器４９の電源側の電力変換器６０および／または負荷側の電力変換器６２が、自励式周波数変換器として形成されていることができる。

スイッチを入れることのみが可能であるサイリスタに代えて、例えばスイッチを切ることができるサイリスタ、例えば、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタまたはＩＧＣサイリスタ（ＩＧＣＴ）または対称的であるＧＣＴ（ＳＧＣＴまたは対称型ＧＣＴ）を用いることができる。

原理的には電流中間回路を備えた適切な周波数変換器を備えた非同期機を利用することも可能である。

１０ 機械システム
１２ 第１モータ；第１電気モータ
１４ 第２モータ；第２電気モータ
１６ シャフト
１７ ライン
１７’ 負荷、コンプレッサシステム
２０ 第１回転子
２２ 第２回転子
２４ 第１固定子
２６ 第２固定子
３０ 駆動システム
３２ 第１駆動部
３４ 第２駆動部
４０ 第１変圧器
４１ 第２変圧器
４２ 電源装置
４４ 相導体
４６ 相導体
４８ 第１周波数変換器
４９ 第２周波数変換器
５０ 相導体
５１ 相導体
６０ 電源側の電力変換器
６２ 負荷側の電力変換器
６４ 格納中間回路
６６ シャフトの固有周波数
Ａ 縦軸
Ｎ_ＶＮ 電源装置の相導体の数
Ｎ_ＵＭ ４０〜４８の間の相導体の数
Ｎ_ＡＮ ４８〜１２の間の相導体の数
Ｎ_ＰＰ 極の対の数
φ_Ｓｔ 固定子角度
φ_Ｒ 回転子角度
Δｐｈ_Ｍ 相対的なモータ角度ｆ_ＤＣ、Ｖ_ＤＣの基本周波数
Δｐｈ_Ｎ 位相角差
ｆ_Ｍｏｔ モータ周波数
ｒｐｍ 毎分回転数
ｆＭ 負荷側の電力変換器の周波数
ｆＮ 電源側の電力変換器の周波数
Ｎ_Ｎ 電源側の電力変換器のパルス数
Ｎ_Ｍ 負荷側の電力変換器のパルス数

Claims (15)

1. 第１電気モータ（１２）と第２電気モータ（１４）とを備えたシステムであって、前記第１および第２電気モータが、前記システムの共通のライン（１７）を介して、互いに機械的に結合されているシステムであって、
   前記ライン（１７）は、固有周波数に対してねじれ固有振動数を有し、
   前記第１電気モータ（１２）により、第１周期振動トルクが前記ライン（１７）に作用し、かつ、前記第２電気モータ（１４）により、第２周期振動トルクが前記ライン（１７）に作用し、
   前記第１電気モータ（１２）も前記第２電気モータ（１４）も、前記ライン（１７）の各対向する端部領域に配置されている、システムにおいて、
   前記第２周期振動トルクが前記ライン（１７）に対して作用することにより、前記第１周期振動トルクによる前記固有振動数の励起の減衰が生じるように、前記第２電気モータ（１４）が前記第１電気モータ（１２）に対して配置されていることを特徴とするシステム。
2. 前記第１電気モータ（１２）は、前記システム（１０）の第１駆動部（３２）により駆動され、かつ、前記第２電気モータ（１４）は、前記システム（１０）の第２駆動部（３４）により駆動され、
   前記第１駆動部（３２）も前記第２駆動部（３４）も、電流形インバータとして形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記双方の電気モータ（１２、１４）のうちの１つが、同期機であり、
   好ましくは、前記第１電気モータ（１２）と前記第２電気モータ（１４）とが同期機であることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第１電気モータ（１２）は、前記システムの第１駆動部（３２）により駆動され、かつ、前記第２電気モータ（１４）は、前記システムの第２駆動部（３４）により駆動され、
   前記第１駆動部（３２）と前記第２駆動部（３４）とは、相導体を介して電源装置（４２）に接続されていて、
   第１駆動部（３２）は第１周波数変換器（４８）を有し、前記第２駆動部（３４）は第２周波数変換器（４９）を有し、
   前記第１周波数変換器（４８）と前記第２周波数変換器（４９）とは、前記電源装置（４２）の側で、および、前記第１電気モータ（１２）ないし前記第２電気モータ（１４）の側で、それぞれ他励式電力変換器として実施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記第２周波数変換器（４９）は、前記第１周波数変換器（４８）に対して、位相角差Δｐｈ_Ｎ分、位相シフトして作動されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記第２駆動部は第２変圧器（４１）を有し、前記第２変圧器を介して、位相角差Δｐｈ_Ｎ分の前記位相シフトが実現されていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１周波数変換器（４８）と前記第２周波数変換器（４９）とは、それぞれ電源装置（４２）の側でも、前記第１電気モータ（１２）ないし前記第２電気モータ（１４）の側でも、１２パルス電力変換器として実施されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記第１周波数変換器（４８）と前記第２周波数変換器（４９）との電源側の各電力変換器（６０）は、位相角制御された他励式サイリスタ電力変換器として実施されていることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１周波数変換器（４８）と前記第２周波数変換器（４９）との負荷側の各電力変換器（６１）は、位相角制御された他励式サイリスタ電力変換器として実施されていることを特徴とする請求項７または８に記載のシステム。
10. 前記第２電気モータ（１４）は、前記第１モータ（１２）に対して、相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍ分、放射状方向で回転して配置されていて、
    前記相対的なモータ角度は、少なくとも近似的に
    

    

    であり、ここで、ｆ_Ｎは前記電源装置（４２）の周波数であり、ｆ_Ｍは前記負荷側の電力変換器（６２）の周波数であり、Ｎ_Ｎは前記電源側の電力変換器（６０）のパルス数であり、Ｎ_Ｍは前記負荷側の電力変換器（６２）のパルス数であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 第２固定子（２６）は、第１固定子（２４）に対して、放射状方向で固定子角度φ_Ｓｔで配置され、かつ、
    第２回転子（２２）は、第１回転子（２０）に対して、放射状方向で回転子角度φ_Ｒ分、回転して配置されていて、前記相対的なモータ角度Δｐｈ_Ｍ＝φ_Ｒ−φ_Ｓｔが該当することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記位相角差Δｐｈ_Ｎは、前記第１周波数変換器（４８）と前記第２周波数変換器（４９）との間の電源側の電気位相角差であることを特徴とする請求項１０または１１に記載のシステム。
13. 前記ライン（１７）は、好ましくはコンプレッサシステムである負荷（１７’）を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記第１電気モータ（１２）と前記第２電気モータ（１４）とは、共になって、少なくとも６０ＭＷの電力を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記第１電気モータ（１２）は、第１回転子（２０）と第１固定子（２４）とを有し、
    前記第２電気モータ（１４）は、第２回転子（２２）と第２固定子（２６）とを有し、
    前記第２回転子（２２）は、前記第１回転子（２０）に放射状方向で重なって配向されていず、かつ／または、前記第２固定子（２６）は前記第１固定子（２４）に放射状方向で重なって配向されていないことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。

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