JP2016063585A - ケーシングの共振抑制構造および電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の加振周波数で加振される筒状のケーシングの共振を簡易な構成で抑制する。
【解決手段】電動機１の外郭を構成し、所定の加振周波数で加振される筒状のケーシング１０の共振抑制構造であって、ケーシング１０の周方向の一部にリブ１５が設けられる。このリブ１５は、リブ１５が設けられたケーシング１０が有する複数の固有モードのうち、加振周波数よりも低周波側で加振周波数に最も近い固有周波数を有する固有モードにおける節の位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原動機や変速機の外郭を構成し、所定の加振周波数で加振される筒状のケーシングの共振を抑制する技術に関する。

例えば、原動機の一例としての電動機では、電動機の制御を行うための電気信号や各部位で発生する機械的振動によって、電動機の外郭を構成するケーシングが所定の加振周波数で加振されることがある。このような加振周波数が、ケーシングが有する固有周波数（固有振動数）に近い値であると、ケーシングが共振し、大きな騒音源となるおそれがある。同様の問題は、電動機のケーシングだけでなく、流体機械や内燃機関などの原動機のケーシング、あるいは減速機や増速機などの変速機のケーシングにおいても起こり得る。

このような問題を解決するため、例えば特許文献１に記載の電動機の騒音防止装置では、ケーシングに配設された軸受部に、ワッシャとゴム部材からなる振動吸収機構が設けられている。このような振動吸収機構を設けることで、軸受部に伝達される振動を吸収し、ケーシングに共振を誘引させないようにしている。

実開平６−４１３６９号公報

ところで、ケーシングが筒状の場合には、断面が花びら形状に変形する固有モードが顕著に発生することが知られており、このような固有モードにおける共振を特に抑制する必要がある。そのために、特許文献１に記載の振動吸収機構を採用することも考えられるが、そうすると、ワッシャやゴム部材などの付加的な要素が必要となるため、構造が複雑化するとともに、組立が煩雑になるという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、所定の加振周波数で加振される筒状のケーシングの共振を簡易な構成で抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかるケーシングの共振抑制構造は、原動機または変速機の外郭を構成し、所定の加振周波数で加振される筒状のケーシングの共振抑制構造であって、前記ケーシングの周方向の一部にリブが設けられており、前記リブが設けられた前記ケーシングが有する複数の固有モードのうち、前記加振周波数よりも低周波側で前記加振周波数に最も近い固有周波数を有する固有モードにおける節の位置に、前記リブが配置されていることを特徴とする。

筒状のケーシングは、断面が花びら形状に変形する複数の固有モードを有しており、各モードによって節の位置が異なる。本発明のように、リブが設けられたケーシングが有する複数の固有モードのうち、加振周波数よりも低周波側で加振周波数に最も近い固有周波数を有する固有モード（以下、「低次側モード」と称する）における節の位置にリブが配置されている場合、当該低次側モードではケーシングの変形に対するリブの影響は小さく、リブを設けない場合と比べて固有周波数はほとんど変化しない。一方、加振周波数を挟んで低次側モードよりも１つ高次側の固有モード（以下、「高次側モード」と称する）では、節以外の位置にリブが配置されていることになる。このため、ケーシングが大きく変形する位置にリブが存在することになり、ケーシングの実質的な剛性が増大し、リブを設けない場合と比べて高次側モードの固有周波数が高くなる。つまり、リブが低次側モードの節の位置に配置されていることで、低次側モードと高次側モードの固有周波数の間隔が広くなり、これらの固有周波数をともに加振周波数から遠ざけておくことができる。つまり、本発明によれば、ケーシングの周方向の一部にリブを設けるという簡易な構成で、ケーシングの共振を抑制することができる。

本実施形態にかかる電動機を示す斜視図である。 リブの周方向位置を示すケーシングの断面図である。 ３次モードにおけるケーシングの変形を示す断面図である。 ４次モードにおけるケーシングの変形を示す断面図である。 ３次モードにおけるリブの位置を模式的に示す断面図である。 ４次モードにおけるリブの位置を模式的に示す断面図である。 リブによるケーシングの固有周波数の変化の一例を示すグラフである。 第１実施例におけるケーシングの固有周波数の変化を示す概念図である。 第２実施例におけるケーシングの固有周波数の変化を示す概念図である。 第３実施例におけるケーシングの固有周波数の変化を示す概念図である。

本発明にかかるケーシングの共振抑制構造を電動機に適用した場合の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（電動機の構成）
図１は、本実施形態にかかる電動機１を示す斜視図である。電動機１は、円筒状のケーシング１０の内部に不図示の固定子や回転子が収容された状態で、ケーシング１０の両端がカバー１１、１２により覆われることで構成されている。カバー１１には軸受１３が設けられており、軸受１３により回転自在に支持された回転軸１４が、カバー１１から図中上方に突出している。

ケーシング１０の外周面には、周方向に沿って延設されたリブ１５が複数設けられている。図２は、リブ１５の周方向位置を示すケーシング１０の断面図である。図２に示すように、リブ１５は周方向に６０度ごとに等間隔に設けられており、全周で計６つのリブ１５が配置されている。そして、６つのリブ１５からなる列が、図１に示すように、周方向では同位置となるように、ケーシング１０の軸方向に２列設けられている。リブ１５によりケーシング１０の共振が抑制される原理については、後で詳細に説明する。

（各固有モードにおけるケーシングの変形）
円筒状のケーシング１０は、軸方向に直交する断面が花びら形状に変形する複数の固有モードを有している。その一例として、図３Ａに３次の固有モード（以下、「３次モード」と称する）におけるケーシング１０の変形を、図３Ｂに４次の固有モード（以下、「４次モード」と称する）におけるケーシング１０の変形を、それぞれ軸方向に直交する断面図で示している。なお、図３Ａおよび図３Ｂでは、変形していない状態のケーシング１０の位置を破線で図示している。また、リブ１５の図示は省略している。

図３Ａに示すように、３次モードにおいては、ほとんど変位しない節１０ａが、周方向において６０度ごとに等間隔に現れる。隣接する節１０ａの中間部は、いわゆる「腹」であり、最も振幅が大きくなる部位となっている。一方、図３Ｂに示すように、４次モードにおいては、ほとんど変位しない節１０ｂが、周方向において４５度ごとに等間隔に現れる。隣接する節１０ｂの中間部は、いわゆる「腹」であり、最も振幅が大きくなる部位となっている。このように、何次の固有モードであるかによって節の位置は異なる。本実施形態は、３次モードにおける節１０ａの各位置にリブ１５が配置されたものである。

（リブによるケーシングの固有周波数の変化）
図４Ａは、３次モードにおけるリブ１５の位置を模式的に示す断面図であり、図４Ｂは、４次モードにおけるリブ１５の位置を模式的に示す断面図である。なお、図４Ａおよび図４Ｂでは、リブ１５を太線で示すとともに、変形していない状態のケーシング１０の位置を破線で図示している。

リブ１５は、３次モードにおける６つの節１０ａの各位置に設けられている。このため、図４Ａから明らかなように、３次モードにおいては、もともとほとんど変位しない部位（節１０ａの近傍部位）にリブ１５が設けられていることになり、リブ１５を設けたことにより、ケーシング１０の剛性が大きくなるということはほとんどない。その結果、リブ１５を設ける前後において、３次モードにおける固有周波数（固有振動数）はほとんど変化しない。

一方、４次モードにおける節１０ｂの位置は、３次モードにおける節１０ａの位置と異なる。このため、３次モードにおける節１０ａの各位置に配置されたリブ１５は、図４Ｂから明らかなように、４次モードでは変位が大きくなる部位（４次モードにおける節１０ｂ以外の部位）にも設けられていることになる。その結果、４次モードにおいては、リブ１５を設けたことにより、ケーシング１０の実質的な剛性が大きくなり、固有周波数も大幅に高くなる。

図５は、リブ１５によるケーシング１０の固有周波数の変化の一例を示すグラフである。具体的には、３次モードにおける節１０ａの各位置にリブ１５を設ける前後において、振動速度応答を計算した結果を示すグラフである。この結果から明らかなように、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けると、３次モードの固有周波数はほとんど変化しないものの、４次モードの固有周波数は大幅に高くなっており、その結果として、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔が広くなっている。以下に説明する各実施例は、このようなリブ１５によるケーシング１０の固有周波数の変化を利用し、ケーシング１０の共振抑制を図ったものである。

（第１実施例）
図６は、第１実施例におけるケーシング１０の固有周波数の変化を示す概念図であり、細線はリブ１５を設ける前のケーシング１０の振動応答を、太線はリブ１５を設けた後のケーシング１０の振動応答を示す。ここで説明する各実施例においては、ケーシング１０に入力される加振周波数の一例として、キャリア周波数を挙げている。キャリア周波数とは、電動機１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御する際に、不図示のインバータで出力電流（電圧）のパルス幅を決めるための変調波の周波数のことである。ケーシング１０がキャリア周波数に近い固有周波数を有している場合、ケーシング１０が共振し、高周波騒音が発生することが知られている。

まず、リブ１５を設けていないケーシング１０を対象に、数値計算や実験によるモード解析を実行する。モード解析を実行することで、ケーシング１０が有する複数の固有モードにおける固有周波数や節の位置を把握することができる。第１実施例は、その結果、図６の細線で示されるように、キャリア周波数を挟むように３次モードと４次モードが存在し、かつ、４次モードの固有周波数がキャリア周波数に最も近い値となっているケースを対象とするものである。

このような場合には、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、３次モードの固有周波数はほとんど変化させず、４次モードの固有周波数を大幅に高くすることができる。その結果、図６の太線で示されるように、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔が広がり、両モードの固有周波数ともキャリア周波数から十分に離れた値となる。よって、ケーシング１０の共振を抑制することができる。

第１実施例のように、リブ１５を設ける前のケーシング１０が有する複数の固有モードのうち、キャリア周波数よりも高周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する４次モードのほうが、キャリア周波数よりも低周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する３次モードよりも、よりキャリア周波数に近い固有周波数を有する場合、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、ケーシング１０の共振を抑制することが可能である。

（第２実施例）
第２実施例は、リブ１５を設ける前にケーシング１０の板厚を全体的に小さくする工程を有するものである。図７は、第２実施例におけるケーシング１０の固有周波数の変化を示す概念図であり、細線は板厚を小さくする前かつリブ１５を設ける前のケーシング１０の振動応答を、破線は板厚を小さくした後かつリブ１５を設ける前のケーシング１０の振動応答を、太線は板厚を小さくした後かつリブ１５を設けた後のケーシング１０の振動応答を示す。

第２実施例は、モード解析の結果、図７の細線で示されるように、キャリア周波数を挟むように３次モードと４次モードが存在し、かつ、３次モードの固有周波数がキャリア周波数に最も近い値となっているケースを対象とするものである。このような場合に、第１実施例と同じように、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けると、３次モードの固有周波数がキャリア周波数に近いままとなり、ケーシング１０の共振を回避することができない。

そこで、このような場合には、一旦、ケーシング１０の板厚を全体的に小さくして、ケーシング１０の剛性を全体的に小さくすることで、図７の破線で示されるように、各固有モードにおける固有周波数を小さくする。こうして、３次モードの固有周波数をキャリア周波数から遠ざけた後、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、３次モードの固有周波数はほとんど変化させず、４次モードの固有周波数を大幅に高くすることができる。その結果、図７の太線で示されるように、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔が広がり、両モードの固有周波数ともキャリア周波数から十分に離れた値となる。よって、ケーシング１０の共振を抑制することができる。

第２実施例のように、リブ１５を設ける前のケーシング１０が有する複数の固有モードのうち、キャリア周波数よりも低周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する３次モードのほうが、キャリア周波数よりも高周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する４次モードよりも、よりキャリア周波数に近い固有周波数を有する場合、ケーシング１０の板厚を全体的に小さくして、ケーシング１０の剛性を全体的に小さくした後、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、ケーシング１０の共振を抑制することが可能である。なお、ケーシング１０の剛性を全体的に小さくする方法として、板厚を小さくする代わりに、ケーシング１０の材料を弾性率の小さなものに変更することも有効である。

（第３実施例）
図８は、第３実施例におけるケーシング１０の固有周波数の変化を示す概念図であり、細線はリブ１５を設ける前のケーシング１０の振動応答を、太線はリブ１５を設けた後のケーシング１０の振動応答を示す。第３実施例は、モード解析の結果、図８の細線で示されるように、キャリア周波数を挟むように４次モードと５次モードが存在し、かつ、４次モードの固有周波数がキャリア周波数に近い値となっているケースを対象とするものである。

このような場合には、第２実施例と同様に、一旦、ケーシング１０の全体の剛性を下げてから、４次モードの節の位置にリブを設けてもよい。しかし、第３実施例では、リブ１５を設ける前にキャリア周波数に最も近いと把握された４次モードよりもさらに１つ低次側の３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、ケーシング１０の共振の回避を図っている。

３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、３次モードの固有周波数はほとんど変化させず、４次モードの固有周波数を大幅に高くすることができる。その結果、図８の太線で示されるように、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔が広がり、両モードの固有周波数ともキャリア周波数から十分に離れた値となる。よって、ケーシング１０の共振を抑制することができる。

第３実施例のように、リブ１５を設ける前のケーシング１０が有する複数の固有モードのうち、キャリア周波数よりも低周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する４次モードのほうが、キャリア周波数よりも高周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する５次モードよりも、よりキャリア周波数に近い固有周波数を有する場合、４次モードよりもさらに１つ低次側の３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５を設けることで、ケーシング１０の共振を抑制することができる。

（効果）
以上のように、いずれの実施例においても、結果としては、リブ１５が設けられたケーシング１０が有する複数の固有モードのうち、キャリア周波数よりも低周波側でキャリア周波数に最も近い固有周波数を有する３次モード（低次側モード）における節１０ａの位置にリブ１５を設けたことになる。このように、３次モードにおける節１０ａの位置にリブ１５が設けられている場合、３次モードではケーシング１０の変形に対するリブ１５の影響は小さく、リブ１５を設けない場合と比べて固有周波数はほとんど変化しない。一方、キャリア周波数を挟んで３次モードよりも１つ高次側の４次モード（高次側モード）では、節１０ｂ以外の位置にリブ１５が配置されていることになる。このため、ケーシング１０が大きく変形する位置にリブ１５が存在することになり、ケーシング１０の実質的な剛性が増大し、リブ１５を設けない場合と比べて４次モードの固有周波数が高くなる。つまり、リブ１５が３次モードの節１０ａの位置に配置されていることで、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔が広くなり、これらの固有周波数をともにキャリア周波数から遠ざけておくことができる。つまり、本実施形態によれば、ケーシング１０の周方向の一部にリブを設けるという簡易な構成で、ケーシング１０の共振を抑制することができる。

なお、ケーシング１０の全周にわたって連続するリブを設けると、ケーシング１０の剛性が全体的に増大し、３次モードおよび４次モードの両方において固有周波数が高くなり、両モードの固有周波数の間隔を広げることにはならない。つまり、上述の効果を得るためには、リブ１５がケーシング１０の周方向の一部のみに設けられていることが重要である。

また、本実施形態では、リブ１５は、３次モードにおいて複数存在する節１０ａのうち少なくとも２つ以上に対して設けられている。このため、４次モードにおけるケーシング１０の実質的な剛性がより増大し、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔をさらに広げることができるので、確実にケーシング１０の共振を抑制することができる。特に、本実施形態のように、リブ１５を、複数の節１０ａのすべてに対して設けることで、このような効果が一層顕著となる。

また、本実施形態では、リブ１５は、ケーシング１０の軸方向にも複数設けられている。このため、４次モードにおけるケーシング１０の実質的な剛性がより増大し、３次モードと４次モードの固有周波数の間隔をさらに広げることができるので、確実にケーシング１０の共振を抑制することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、電動機１に対して本発明にかかるケーシングの共振抑制構造を適用した場合について説明したが、当該共振抑制構造は、流体機械（例えばポンプ）や内燃機関（例えばエンジン）などの原動機のケーシング、あるいは減速機や増速機などの変速機のケーシングに対して適用することも可能である。

また、本発明における加振周波数もキャリア周波数に限定されず、機械的振動によりケーシング１０に入力される加振力の周波数を加振周波数としてもよい。例えば、電動機に関しては、キャリア周波数のほかに、モータ回転数（回転数×極数、回転数×スロット数）を加振周波数としてもよい。同様に、ポンプの場合はポンプ回転数（回転数×シリンダ数）を、エンジンの場合はエンジン爆発次数（回転数×気筒数／２）を、変速機の場合はギア噛み合い周波数（回転数×歯数）を、それぞれ加振周波数とすることが可能である。

また、上記実施形態では、ケーシング１０を円筒状のものとした。しかしながら、ケーシング１０の形状は筒状であれば、円筒状に限定されず、断面形状が多角形等のものであってもよい。

１：電動機（原動機）
１０：ケーシング
１０ａ：節
１５：リブ

Claims (6)

1. 原動機または変速機の外郭を構成し、所定の加振周波数で加振される筒状のケーシングの共振抑制構造であって、
   前記ケーシングの周方向の一部にリブが設けられており、
   前記リブが設けられた前記ケーシングが有する複数の固有モードのうち、前記加振周波数よりも低周波側で前記加振周波数に最も近い固有周波数を有する固有モードにおける節の位置に、前記リブが配置されていることを特徴とするケーシングの共振抑制構造。
2. 前記節は複数存在しており、前記リブは、前記複数の節のうち少なくとも２つ以上に対して設けられている請求項１に記載のケーシングの共振抑制構造。
3. 前記リブは、前記複数の節のすべてに対して設けられている請求項２に記載のケーシングの共振抑制構造。
4. 前記リブは、前記ケーシングの軸方向に複数設けられている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のケーシングの共振抑制構造。
5. 前記加振周波数は、前記原動機としての電動機をＰＷＭ制御する際のキャリア周波数である請求項１ないし４のいずれか１項に記載のケーシングの共振抑制構造。
6. 請求項５に記載のケーシングの共振抑制構造を有する電動機。

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