JP2017153334A

JP2017153334A - 回転電機

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Publication number: JP2017153334A
Application number: JP2016036152A
Authority: JP
Inventors: 山崎　豪; Go Yamazaki; 豪山崎; 浩之片原田; Hiroyuki Kataharada; 優野崎; Masaru Nozaki; 吉武　裕; Yutaka Yoshitake; 裕吉武; 夏湖田川; Natsumi Tagawa; 晃希茅原; Koki Kayahara
Original assignee: Nagasaki University NUC; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Nagasaki University NUC; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP6666169B2

Abstract

【課題】複数の支持脚を備えた回転電機において、動吸振器を用いず、不均一質量体を用い、支持脚の弾性変形を考慮して振動抑制を図る。【解決手段】回転電機は、円筒状の固定支持部材１０と、固定支持部材１０内の回転子５０と、固定支持部材１０の外側の角度座標で０度の位置に固定された不均一質量体１１と、固定支持部材１０の外側の角度座標でα１およびα２の位置に配置されて固定支持部材１０を支持する第１および第２の支持脚１１１、１１２と、を有する。α１は２０〜７０度＋９０度×ｎ（ｎは任意の整数）、（α２−α１）は７０〜１１０度＋９０度×ｎである。【選択図】図１

Description

この発明は、不均一質量体および複数の支持脚を備えた回転電機に関する。

電動機および発電機を含む回転電機の典型的な構造として、固定支持された円筒状の固定子を含む固定支持部材と、固定支持部材内で回転可能に支持された回転子と、を備えたものが広く知られている。回転電機において、固定支持部材と回転子の間に作用している電磁力振動数が固定支持部材の固有振動数と一致する場合に共振が発生し、固定支持部材が振動して電磁騒音が発生することがある。

このような回転電機の振動、特に円環振動モードの振動を抑制する対策として、回転電機に動吸振器を取り付ける技術が知られている（特許文献１）。

また、回転電機の支持脚の位置を考慮して振動を抑制する技術が知られている（特許文献２）。

さらに、特定の回転数における共振を抑制するために、固定子枠の外側におもり（不均一質量体）を取り付けて固有振動数を変更する技術も知られている（特許文献３）。

特開２０１４−５７４０６号公報特開２０１３−１５０３８３号公報特開平７−１５４９４０号公報

上記特許文献１では、動吸振器を取り付ける必要があり、また、回転電機の支持脚に関しては考慮されていない。また、特許文献２では回転電機の支持脚に関して考慮がなされているものの、支持脚を単なる固定支持として取り扱い、弾性支持要素としての考慮はなされていない。

さらに、特許文献３には、特定の回転数における共振を抑制するために、固定子枠の外側におもりを取り付けて固有振動数を変更する技術が開示されているものの、支持脚等との関係でおもりをどの位置に配置するのが良いかについては何ら開示されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、複数の支持脚を備えた回転電機において、動吸振器を用いず、不均一質量体を用い、支持脚の弾性変形を考慮して振動抑制を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、円筒状の固定支持部材と、前記固定支持部材内で回転可能に支持された回転子と、前記固定支持部材の外側に固定された少なくとも１個の不均一質量体と、前記固定支持部材の周方向２箇所で互いに所定の開き角だけ離間して配置されて当該固定支持部材を支持する第１および第２の支持脚と、を有する回転電機であって、前記固定支持部材の周方向に角度座標を取って、前記少なくとも１個の不均一質量体のうちの１個の不均一質量体の周方向位置を原点とし、前記第１の支持脚の角度座標位置をα_１、前記第２の支持脚の角度座標位置をα_２とし、Δα＝α_２−α_１とするとき、α_１が、２０〜７０度、１１０〜１６０度、２００〜２５０度、２９０〜３４０度、のいずれかであり、Δαが、０〜２０度、７０〜１１０度、１６０〜２００度、２５０〜２９０度、３４０〜３６０度、のいずれかであること、を特徴とする。

本発明によれば、複数の支持脚を備えた回転電機において、動吸振器を用いず、不均一質量体を用いて、支持脚の弾性変形を考慮して振動抑制を図ることができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の回転軸に垂直な模式的断面図である。回転電機の固定支持部材にかかる電磁力の、回転電機の軸に垂直な断面図における周方向の分布の例を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機において、無次元振動数を横軸にとって無次元振幅を縦軸にとった共振曲線の例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る回転電機において、第１のばね支持位置α_１と無次元ばね定数κとが最大振幅に及ぼす影響を示すグラフである。本発明の実施形態に係る回転電機において、ばね支持開き角Δαと無次元ばね定数κとが最大振幅に及ぼす影響を示すグラフである。本発明の実施形態に係る回転電機において、ばね支持開き角Δαと不均一質量体の質量比μ_Ｉとが最大振幅に及ぼす影響を示すグラフである。本発明の実施形態に係る回転電機において、第１のばね支持位置α_１と無次元ばね定数κとが、共振曲線上の元々の共振点ν＝１の点の振幅に及ぼす影響を示すグラフである。本発明の実施形態に係る回転電機において、ばね支持開き角Δαと無次元ばね定数κとが、共振曲線上の元々の共振点ν＝１の点の振幅に及ぼす影響を示すグラフである。本発明の実施形態に係る回転電機において、ばね支持開き角Δαと不均一質量体の質量比μ_Ｉとが、共振曲線上の元々の共振点ν＝１の点の振幅に及ぼす影響を示すグラフである。

以下に、図面を参照して、本発明に係る回転電機の実施形態について説明する。

初めに、本発明に係る回転電機の実施形態の制振に係る解析手法について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の回転軸に垂直な模式的断面図である。また、図２は、回転電機の固定支持部材にかかる電磁力の、回転電機の軸に垂直な断面図における周方向の分布の例を示す図である。

ハンマリング試験において、電磁振動が問題となる数千Ｈｚ以下の振動数範囲には軸方向に節があるモードが得られないことが知られている。そのため、簡単のために、回転電機の固定子およびその外側の固定子枠を含めた固定支持部材１０を、変位の軸方向の分布を考えない図１に示すような一様な円環で近似することとする。なお、ここで、「固定支持部材」の名称は、回転せずに回転子５０を支持するという意味で「固定」とされているのであって、この固定支持部材１０の振動を考えるときは、固定されておらずに振動するものである。

固定支持部材１０は円筒形で、厚さが周方向に一様であるとする。固定支持部材１０内側に、固定支持部材１０の軸と共通の軸の周りに回転する回転子５０が配置されている。固定支持部材１０と回転子５０の間にはギャップ５１が形成されている。

固定支持部材１０の外側に、不均一質量体１１が固定されている。不均一質量体１１はＰ個あって、その円周方向の角度位置をα_ｐ（ｐ＝１，・・・，Ｐ）とする。ただし、ここでは、Ｐ＝１とし、その１個の不均一質量体１１の位置（α_Ｉ）を原点として、固定支持部材１０の周方向で回転子５０の回転方向に角度座標を取るものとする。

固定支持部材１０の外側に、円周方向の角度θ＝α_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）の位置にＮ個のばね支持（支持脚）１１１、１１２を設置する。図１は、Ｎ＝２の場合を示している。

固定支持部材１０は円環振動をすることを想定する。ばね定数ｋ_ｎのばね支持１１１、１１２を介して固定位置に対して固定支持部材１０を半径方向に弾性支持するものとする。

固定支持部材１０の半径方向の変位ｕは、Ｍ個の振動モードを考慮するとき、次式（１）で表される。

ここに、
θ：円周方向の角度座標（ｒａｄ）
ｉ：円周方向の振動モードを表す整数
ａ_ｉ：θ＝０に腹をもつコサイン型のモードｉの変位
ｂ_ｉ：θ＝π／（２ｉ）に腹をもつサイン型のモードｉの変位

回転電機に作用する外力として一般的なものは、半径方向に作用する力が円周方向に分布するとともに円周方向に回転する電磁力であるので、それを次式（２）で表す。

ここに
ｓ：電磁力のモードを表す整数
Ω_ｓ：モードｓをもつ電磁力の角振動数
Ｆ_ｓ：モードｓの電磁力の振幅

実際の電磁力は多くの振動数成分を含むが、簡単のためＦ_ｓｃｏｓ（−Ω_ｓｔ＋ｓθ）の成分のみが作用する場合を考える。また、ばね定数ｋ_ｎはそれほど大きくないとして、ｉ次モードのみ採用し、ｉ＝ｓの場合を扱うとき、運動方程式は以下の式（３）、式（４）のようになる。

ここに
ｒ：円環の半径
Ｅ：円環支持部材の縦弾性係数
Ａ：円環の断面積（長方形断面の場合は円環の厚さＨと軸（幅）方向長さＷとの積、Ａ＝Ｈ×Ｗ）
Ｉ：円環の面に垂直な主軸に関する断面二次モーメント（長方形断面の場合は、Ｉ＝ＷＨ^３／１２）
ρ：円環の密度
Ｎ：ばね支持の個数
Ｐ：不均一質量体の個数
ｋ_ｎ：θ＝α_ｎに設置したばね支持のばね定数（ｎ＝１，・・・，Ｎ）
ｍ_Ｉｐ：θ＝α_ｐに設置した不均一質量体の質量

ここではｉ＝２のモードを例に取ることとし、不均一質量体とばね支持による制振を考える。式（３）、式（４）の定常解を次の式（５）、式（６）のようにおく。
ａ_２＝Ａ_１ｃｏｓΩ_２ｔ＋Ｂ_１ｓｉｎΩ_２ｔ（５）
ｂ_２＝Ａ_２ｃｏｓΩ_２ｔ＋Ｂ_２ｓｉｎΩ_２ｔ（６）

なお、ｉが０の場合は、円環の形状がそのままの形状で大きくなったり小さくなったりする振動となる。また、ｉが１の場合は、円環の形状および大きさがそのままで、一つの周方向の位置とその反対側に交互に変位する振動となる。

ｉが２の場合は、半径方向の変位は図２に示した力の分布と同様に、周方向に９０度ごとに、振幅が最大となる腹と、腹と腹との中間位置にあって振幅が最小となる節とが形成される。ｉが３以上の場合も、周方向に等間隔に交互に腹と節が形成される。実際の回転電機における振動現象では、通常、ｉ＝ｓが２の場合が最も重要である。よって、以下、ｉ＝ｓ＝２の場合について検討を進める。したがって、以下に説明する周方向の各角度位置の各現象は、その角度から１８０度ずれた位置で、各時刻の変位、速度、加速度などが同じで、その角度から９０度、２７０度ずれた位置では、各時刻の変位、速度、加速度などの絶対値が同じで符号が逆の現象が生じていることを意味する。

［数値解析結果］
１個の不均一質量体１１、２個のばね支持１１１、１１２の場合の固定支持部材１０の円環振動の状況について説明する。１個の不均一質量体１１が角度座標位置θ＝０度の位置にあり（Ｐ＝１）、第１および第２のばね支持１１１、１１２がそれぞれ、角度座標位置α_１、α_２の位置にある場合の固定支持部材１０の円環振動の状況を数値解析した。

ここで、２個のばね支持１１１、１１２の間の開き角Δα＝α_２−α_１をばね支持開き角と呼ぶ。

この解析結果を図３〜図９に示す。なお、比較のために、不均一質量体もばね支持も全くない場合の計算結果（Ｗｉｔｈｏｕｔｓｐｒｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｉｍｐｅｒｆｅｃｔｍａｓｓ）についても、図３〜図９中に表示する。

この発明の実施形態は、解析で得られる振幅が、できるだけ小さくなるような条件を満足するものである。

なお、図３〜図９で、縦軸Ａ^２は、次式（７）で示すように、式（１）で表される半径方向の変位ｕの２乗を空間と時間で平均したものを（Ｆ_２π／ｋ_０２）^２で除して無次元化したもので定義している。

ただし、ｋ_０２＝９ＥＩπ／ｒ^３、Ｔ＝２π／Ω_２とする。

図３は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の共振曲線の例を示す図である。ここでは、不均一質量体１１の質量比をμ_Ｉ＝０．１とし、２個のばね支持１１１、１１２の位置をα_１＝１３５度、α_２＝２２５度とし、それらの開き角Δαを９０度とし、ばね支持１１１、１１２の無次元ばね定数κ_１およびκ_２はともに０．０５とする。縦軸は無次元振幅の２乗値Ａ^２、横軸は回転電機の回転数に比例する電磁力の振動数の無次元値νである。ν＝Ω_２／ω_０２であり、電磁力の角振動数を２次モードの固有角振動数で無次元化している。ただし、ω_０２ ^２＝３６ＥＩ／（５ρＡｒ^４）とする。したがって、図３の横軸のν＝１が、主系の２次モードの無次元固有角振動数、つまり、共振点となる。

ｉ＝ｓ＝２の振動モードを想定しているので、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを９０度とした場合と、［α_１＝１３５度、α_２＝３１５度］、あるいは、［α_１＝４５度、α_２＝２２５度］とし、それらの開き角Δα＝１８０度とした場合の解析結果は一致する。

ばね支持がないときは、コサインモードとサインモードの固有振動数が同じであるため、実線Ｃ１に示すように、１つのピークをもつ共振曲線となる。ばね支持１１１、１１２があるときは、不均一質量体１１の位置が腹となるコサインモード（ｃｏｓｍｏｄｅ）の固有振動数が低くなり、ばね支持１１１、１１２の位置が腹となるサインモード（ｓｉｎｍｏｄｅ）の固有振動数が高くなる。その結果として、コサインモードとサインモードの固有振動数が互いに大きくずれることにより、コサインモードとサインモードの共振曲線の合計（ｓｉｎｍｏｄｅ＋ｃｏｓｍｏｄｅ）には２つのピークが生じる。また、ピーク値は曲線Ｃ１に比べて低くなり、２つのピークの間の領域が広くなるとともに、この領域の中央部の振幅は小さくなる。

［共振点付近の広い振動数範囲の制振を考える場合］
インバータモータのように回転電機の回転数が変化する場合、共振点を通過しなければならない場合もある。そこで、ここでは、共振点付近の広い振動数範囲の制振を考える。

図４は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の例を示す図であって、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを９０度とし、不均一質量体１１の質量比をμ_Ｉ＝０．１とし、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１を横軸にとり、そのときの共振曲線上の最大振幅を縦軸として示したグラフである。ばね支持１１１、１１２の無次元化したばね定数（κ_１、κ_２）を、図３の場合と同じ０．０５とした場合のほか、０．０２５、０．０３７５、０．０７５の場合の計算を行っている。なお、図４の各曲線は、横軸のα_１が０〜９０度の部分と９０〜１８０度の部分は互いに完全に一致する。

図４の解析結果から、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１が２０〜７０度、１１０度〜１６０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

図５は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の例を示す図であって、不均一質量体１１の質量比をμ_Ｉ＝０．１とし、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１＝１３５度にとり、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを横軸とし、各開き角Δαのときの共振曲線上の最大振幅を縦軸として示したグラフである。ばね支持１１１、１１２の無次元化したばね定数（κ_１＝κ_２）を、図３の場合と同じ０．０５とした場合のほか、０．０２５、０．０３７５、０．０７５の場合の計算を行っている。なお、図５の各曲線は、横軸のΔαが０〜９０度の部分と９０〜１８０度の部分は互いに完全に一致する。

図５の解析結果から、無次元化したばね定数によらず、ばね支持１１１、１１２の開き角Δαが０度〜２０度、７０〜１１０度、１６０度〜１８０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

図６は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の例を示す図であって、１個目のばね支持１１１の設置位置をα_１＝１３５度にとり、ばね支持１１１、１１２の無次元化したばね定数（κ_１＝κ_２）を図３の場合と同じ０．０５とし、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを横軸とし、各開き角Δαのときの共振曲線上の最大振幅を縦軸として示したグラフである。不均一質量体１１の質量比を、図３と同じ、μ_Ｉ＝０．１とした場合のほか、０．０５、０．１５の場合の計算を行っている。なお、図６の各曲線は、横軸のΔαが０〜９０度の部分と９０〜１８０度の部分は互いに完全に一致する。

図６の解析結果から、不均一質量体１１の質量比μ_Ｉによらず、ばね支持１１１、１１２の開き角Δαが０度〜２０度、７０〜１１０度、１６０度〜１８０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

［共振点の制振を考える場合］
次に、回転電機の回転数を変化させずに使用する場合の共振点の制振を考える。

図７は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の例を示す図であって、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを９０度とし、不均一質量体１１の質量比をμ_Ｉ＝０．１とし、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１を横軸にとり、そのときの共振曲線上の元々の共振点ν＝１の点の振幅を縦軸として示したグラフである。ばね支持１１１、１１２の無次元化したばね定数（κ_１＝κ_２）を図３の場合と同じ０．０５とした場合のほか、０．０２５、０．０３７５、０．０７５の場合の計算を行っている。なお、図７の各曲線は、横軸のα_１が０〜９０度の部分と９０〜１８０度の部分は互いに完全に一致する。

図７の解析結果から、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１が２０〜７０度、１１０度〜１６０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

図８は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の例を示す図であって、不均一質量体１１の質量比をμ_Ｉ＝０．１とし、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１＝１３５度にとり、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを横軸とし、各開き角Δαのときの共振曲線上の元々の共振点ν＝１の点の振幅を縦軸として示したグラフである。ばね支持１１１、１１２の無次元化したばね定数（κ_１＝κ_２）を図３の場合と同じ０．０５とした場合のほか、０．０２５、０．０３７５、０．０７５の場合の計算を行っている。なお、図８の各曲線は、横軸のΔαが０〜９０度の部分と９０〜１８０度の部分は互いに完全に一致する。

図８の解析結果から、無次元化したばね定数によらず、ばね支持１１１、１１２の開き角Δαが０度〜２０度、７０〜１１０度、１６０度〜１８０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

図９は、回転電機の円環振動モードモデルによる解析結果の例を示す図であって、１個目のばね支持１１１の設置位置をα_１＝１３５度にとり、ばね支持１１１、１１２の無次元化したばね定数（κ_１＝κ_２）を図３の場合と同じ０．０５とし、２個のばね支持１１１、１１２の開き角Δαを横軸とし、各開き角Δαのときの共振曲線上の元々の共振点ν＝１の点の振幅を縦軸として示したグラフである。不均一質量体１１の質量比を、図３と同じμ_Ｉ＝０．１とした場合のほか、０．０５、０．１５の場合の計算を行っている。なお、図９の各曲線は、横軸のΔαが０〜９０度の部分と９０〜１８０度の部分は互いに完全に一致する。

図９の解析結果から、不均一質量体１１の質量比によらず、ばね支持１１１、１１２の開き角Δαが０度〜２０度、７０〜１１０度、１６０度〜１８０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

以上説明した解析結果により、回転電機の回転数を変化させる場合も、変化させない場合も、１個目のばね支持１１１の設置位置α_１が２０〜７０度、１１０度〜１６０度の間にあり、かつ、ばね支持１１１、１１２の開き角Δαが０度〜２０度、７０〜１１０度、１６０度〜１８０度の間であれば、制振効果が大きいことがわかる。

上記説明では、取り付ける不均一質量体１１を１個とし、ばね支持１１１、１１２の数を２個とした。しかし、これらの不均一質量体１１、ばね支持１１１、１１２それぞれを複数に分割して、基本となる位置のほかに、その基本となる位置から９０度、１８０度または２７０度離れた位置にも取り付けた場合、基本となる位置にまとめて一つを取り付けた場合と同じ制振効果を得ることができる。

不均一質量体１１を複数に分割する場合、基本となる角度座標位置を原点として、分割された他の不均一質量体１１の角度座標位置は、８０〜１００度、１７０〜１９０度、２６０〜２８０度とするのが好ましい。これらの角度座標の幅は、他の角度α_１およびΔαの規定幅よりも広くならないように規定した。

不均一質量体１１は、必ずしも制振のために特に取り付けられたものとは限らず、回転電機の固定子枠の外側に取り付けられた端子箱や冷却フィンなどによる周方向に不均一な質量の効果が含まれる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…固定支持部材（固定子および固定子枠）
１１…不均一質量体
５０…回転子
５１…ギャップ
１１１、１１２…ばね支持（支持脚）

Claims

円筒状の固定支持部材と、
前記固定支持部材内で回転可能に支持された回転子と、
前記固定支持部材の外側に固定された少なくとも１個の不均一質量体と、
前記固定支持部材の周方向２箇所で互いに所定の開き角だけ離間して配置されて当該固定支持部材を支持する第１および第２の支持脚と、
を有する回転電機であって、
前記固定支持部材の周方向に角度座標を取って、前記少なくとも１個の不均一質量体のうちの１個の不均一質量体の周方向位置を原点とし、前記第１の支持脚の角度座標位置をα_１、前記第２の支持脚の角度座標位置をα_２とし、Δα＝α_２−α_１とするとき、
α_１が、２０〜７０度、１１０〜１６０度、２００〜２５０度、２９０〜３４０度、のいずれかであり、
Δαが、０〜２０度、７０〜１１０度、１６０〜２００度、２５０〜２９０度、３４０〜３６０度、のいずれかであること、
を特徴とする回転電機。
前記少なくとも１個の不均一質量体は複数個あって、これら複数個の不均一質量体の角度座標位置が、０度のほか、８０〜１００度、１７０〜１９０度、２６０〜２８０度、の範囲の少なくとも一つであること、
を特徴とする請求項１に記載の回転電機。