JP4621420B2

JP4621420B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4621420B2
Application number: JP2003356587A
Authority: JP
Inventors: 末良水野; 伸一野田; 芳隆小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: JP2005124304A

Description

本発明は、冷却用ファンを有する電動機、送風機、圧縮機等の回転電機に関する。

従来のファンカバー付き回転電機を、図１０を参照して説明する。
電動機本体１１は、固定子枠１２および軸受ブラケット１３を備えており、固定子枠１２の内周面には固定子鉄心１４が固着され、その固定子鉄心１４には固定子巻線１５が巻装されている。固定子鉄心１４の内部には、所定の間隔をもって回転子１６が配設されており、この回転子１６の回転軸１７は、軸受１８を介して軸受ブラケット１３に支持されている。このとき、回転軸１７の両端部は電動機本体１１よりも外方に突出するように構成されている。また、固定子枠１２の外周面には、回転軸１７に沿った方向に複数の冷却フィン１９が形成されており、これらの冷却フィン１９間に通風路２０が形成されている。

回転軸１７の両端部のうち負荷側端部とは反対側である図示左端部には、冷却ファンの羽根２１が固定され、回転軸１７と一体に回転するように構成されている。そして、羽根２１を覆うように、左側の軸受ブラッケト１３にはファンカバー２２が、例えばネジ止めされて取り付けられている。ファンカバー２２の羽根２１と対向する左端面には、吸気口２６が形成されている。

このように構成されたファンカバー付回転電機において、回転子１６が回転駆動されて羽根２１が回転すると、その送風作用により空気が矢印Ｂで示すように吸気口２６から吸引される。この吸引された空気は、羽根２１によって出口２７から通風路２０内に送風されることによって、電動機本体１１が冷却される。

前記回転電機の運転時（例えば、回転周波数Ｆは、５９４０ｒｐｍ（回転／分）＝９９Ｈｚ）における騒音を調査した。図１１は騒音計にて得た騒音の波形をＦＦＴにて周波数分析した結果を示したものである。この結果から、回転周波数をＦ、羽根枚数をＺとすると、卓越周波数Ｆ・Ｚ＝（９９×５＝４９５Ｈｚ）が大きく発生している。また、その２倍成分（２Ｆ・Ｚ＝９９０Ｈｚ）およびその３倍成分（３Ｆ・Ｚ＝１４８５Ｈｚ）も発生している。このＦ・Ｚ成分と２Ｆ・Ｚ成分と３Ｆ・Ｚ成分は一般的に羽根回転音と称している。

さらに、全周波数域において、細かいギザギザのスペクトルが見られる。これは、羽根の回転によって発生する渦、はく離、または流れの乱れから発生する騒音である。一般的にランダム騒音と称している。

図１２は冷却ファン騒音の要因をまとめたものである。冷却ファン騒音は、大きく２つに分類でき、一つは騒音発生源からの騒音、もう一つは、騒音の伝搬経路からの騒音である。前者については、１．羽根が回転することによって発生する騒音、２．羽根によって発生する渦やはく離による騒音、３．流れの乱れによる騒音がある。後者については、ファンカバー内の空間の共鳴騒音がある。
前記ファンカバー２２から漏れ出る騒音を低減するための手法として、騒音発生源自体を抑制する方法と、騒音の伝搬経路で騒音を抑制する方法の２種類がある。

従来技術において、騒音発生源自体を抑制する方法として、１．羽根の間隔を不等配にする、２．羽根形状を流線形にする等が開示されている。
従来技術において、発生した冷却ファン騒音の伝搬経路を抑制する方法として、消音装置で騒音を低減する方法があり、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に開示されている。
特開昭６２−２１９７２０号公報特開昭６２−２１７８３３号公報特開昭６３−１２１４４５号公報特開昭６３−２０６１３７号公報特開平０９−１４６３０９号公報

代表例として、特許文献１に記載のものを図１３に示す。回転電機本体１の左端に取り付けられた冷却ファン２を覆うようにファンカバー３を配置し、このファンカバー３の内周に、多孔質プラスチック、グラスウール、フェルトロックウール等からなる吸音部材４を取着した消音装置が示されている。

しかしながら、上記構成の吸音部材を取着した吸音装置では、吸音部材が経年劣化し、吸音部材をその都度交換しなければならない。例えば、１０年間メンテナンスフリーとする仕様もあり、吸音部材が使用できない場合もある。

また、吸音部材に頼らない消音装置として、特許文献６（図１４に示す）に開示の二重構造のファンカバーが知られている。内部に回転子５と固定子６を包含した回転電機本体９の左端にファン７を取り付け、このファン７を取り囲むように二重構造のファンカバー８_１，８_２が配置されている。しかしながら、このように二重構造のファンカバーにすると、遮音性能は向上するが、通風特性が損なわれる場合がある。また、回転電機本体の軸方向の寸法が大きくなるため、回転電機を取り付けるためのスペースを広くしなければならない。さらに、コストアップになるなどの問題もある。
特開平６−９０９１９号公報

本発明は上記のような状況に鑑みてなされたもので、その課題は、騒音伝搬経路で騒音を抑制する方法として、空間共鳴を低減することで、騒音源の音を拡大させることなく、吸音部材に頼ることなく、また、二重構造のファンカバーでなくても騒音が低減でき、しかも、通風特性の損なわれない回転電機を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、ファンカバー内を複数枚の羽根が回転し、ファンカバーの吸気口から空気を吸い込み、ファンカバーの案内筒に案内されて出口から空気を吐き出すファンカバーを備えた回転電機において、前記ファンカバーの半径をｒ、前記回転電機用ファンの羽根枚数をＺとしたとき、ｒ＝ａ×Ｚ^-ｂおよびａ＝１３５７．５ｃ ^-0.81 の関係式を満たすように回転電機の回転数ｃを決定することを特徴とする。ここで、ａは回転数係数で２以下、ｂは羽根枚数係数で０．９〜１．１。

本発明の回転電機によれば、騒音の原因の１つである羽根回転音を低減させることができるため、騒音が効果的に低減できる。また、騒音を低減するための吸音部材や二重カバーなどの消音装置を必要としないため、長寿命で安価に構成できる。

本発明の第１実施形態について説明する。
本発明の第１実施形態の回転電機の構成は既に説明した図１０と相違がないため、その説明は省略する。

図１は、ファンカバー２２の内周半径ｒ＝０．２４５ｍ、回転周波数Ｆ＝８０Ｈｚ、羽根枚数Ｚ＝５にしたときの騒音波形を騒音計で測定し、ＦＦＴ分析をした結果を示したものである。通常、羽根回転音周波数ｆ_Ｚ＝４００Ｈｚが卓越して現れてくるが、この図１から羽根回転音周波数が卓越して発生していないことがわかる。

ここで、ファンカバー２２内に形成する冷却ファン２１周りの空間の共鳴周波数について説明する。共鳴周波数は下記式（１）に示すように計算する。
式（１）は円筒空間の空間共鳴周波数を計算する式を示す。

表２にファンカバー２２の内周半径ｒ＝０．２４５ｍの共鳴周波数と反共鳴周波数を示す。

羽根回転音周波数ｆ_Ｚは羽根枚数（Ｚ＝５）、回転周波数（Ｆ＝８０Ｈｚ）より４００Ｈｚである。羽根回転音周波数ｆ_Ｚは２ｆ_Ｚおよび３ｆ_Ｚにも卓越して発生するため、羽根回転音周波数ｆ_Ｚは４００Ｈｚ，８００Ｈｚ，１２００Ｈｚになる。表２に示すようにファンカバー２２の内周半径ｒ＝０．２４５ｍの反共鳴周波数（ｎ＝２、ｎ＝５）は、羽根回転音周波数の２ｆ_Ｚおよび３ｆ_Ｚの近傍に存在している。さらに共鳴周波数の直径節数ｎ＝２に着目し、ｆ_n2（６９２Ｈｚ）±０．３５×ｆ_n2（６９２Ｈｚ）の範囲外の周波数（４５０Ｈｚ以下および９３４Ｈｚ以上）が反共鳴周波数になる。この反共鳴周波数により、羽根回転音周波数ｆ_Ｚが卓越して発生しなくなる。

図２に内周半径ｒ＝０．２４５ｍのファンカバー２２の共鳴周波数について、スピーカーを用いてホワイトノイズを発生させ実測した波形を示す。図２の波形から共鳴周波数の直径節数ｎ＝１の４１３Ｈｚは、共鳴周波数の直径節数ｎ＝２の反共鳴周波数（ｆ_n2（６９２Ｈｚ）−０．３５×ｆ_n2（６９２Ｈｚ）＝４５０Ｈｚ以下）の影響を受け卓越しないため、４００Ｈｚ近傍は反共鳴周波数帯になっている。つまり、反共鳴周波数帯と共鳴周波数ｆ₀に対しｆ₀±０．３５ｆ₀の周波数帯に羽根回転音周波数を合わせれば、羽根回転音周波数を消滅させることができる。
これにより、羽根回転音を低減させることができるため、騒音が効果的に低減できる。

これまで説明した内容は、回転電機に関するものであるが、ファンがついている例えば電動機、送風機、圧縮機、換気扇、空調機、ジェットファン、ファンを組込んだ盤、ファンを組込んだ筐体等においても適用できることは言うまでもない。
また、冷却ファンの形状については、ラジアルファン、斜流ファン等どのような形状であっても適用できることは言うまでもない。

本発明の第２実施形態を図３乃至図６について説明する。
図３乃至図６にはファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係を示す。
図３は回転電機本体１１の回転周波数（Ｈｚ）が１００Ｈｚで回転する場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係を示している。電源周波数６０Ｈｚの場合、回転電機本体１１の回転周波数が１００Ｈｚでは、６０００ｒｐｍで回転していることになる。図３より、６０００ｒｐｍで回転電機本体１１を回転させる場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係は、式（２）になる。
ｒ＝１．２３Ｚ^-1.05 …（２）

図４は回転電機本体１１の回転周波数が１００Ｈｚで回転する場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係である。電源周波数５０Ｈｚの場合、回転電機本体１１の回転周波数が１００Ｈｚでは、５０００ｒｐｍで回転していることになる。図４より、５０００ｒｐｍで回転電機本体１１を回転させる場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係は、式（３）になる。
ｒ＝１．３１Ｚ^-1.00 …（３）

図５は回転電機本体１１の回転周波数が８０Ｈｚで回転する場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係である。電源周波数５０Ｈｚの場合、回転電機本体１１の回転周波数が８０Ｈｚでは、４０００ｒｐｍで回転していることになる。図５より、４０００ｒｐｍで回転電機本体１１を回転させる場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係は、式（４）になる。
ｒ＝１．６４Ｚ^-1.00 …（４）

図６は回転電機本体１１の回転周波数が６０Ｈｚで回転する場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係である。電源周波数６０Ｈｚの場合、回転電機本体１１の回転周波数が６０Ｈｚでは、３６００ｒｐｍで回転していることになる。図６より、３６００ｒｐｍで回転電機本体１１を回転させる場合のファンカバー２２の内周半径ｒと羽根枚数Ｚの関係は、式（５）になる。
ｒ＝１．８４Ｚ^-1.00 …（５）

上述したように略円胴ファンカバー２２の内周半径をｒ、ファン２１の羽根枚数をＺとしたとき、ｒ＝ａ×Ｚ^−ｂであり、回転数係数ａの範囲が２以下、羽根枚数係数ｂの範囲が１．１以下であれば、冷却ファン２１が回転することで発生する羽根回転音周波数は、ファンカバー２２の反共鳴周波数の近傍になるため、羽根回転音周波数を消滅させることができる。これにより、羽根回転音を低減させることができるため、騒音が効果的に低減できる。

本発明の第３実施形態を図７について説明する。
図７より、回転電機本体１１の回転数ｃ（ｒｐｍ）と回転数係数ａの関係は、式（６）になる。
ａ＝１３５７．５ｃ^-0.81 …（６）

回転電機本体１１の通常使用状態においては、予め回転数ｃは決まっており、式（６）に代入することで、容易に回転数係数ａを求めることができる。
また、図３乃至図６から、羽根枚数係数ｂは０．９乃至１．１である。

上述した内容をすべてまとめると前記略円胴ファンカバー２２の内周半径をｒ、前記ファン２１の羽根枚数をＺ、回転電機本体１１の回転数ｃとしたとき、式（７）になる。
ｒ＝１３５７．５ｃ^{−０．８１}×Ｚ^-1.1 …（７）

従って、前記ファン２１の枚数Ｚと回転電機本体１１の回転数ｃを決定すれば、羽根回転音周波数を消滅させることのできるファンカバー２２の内周半径ｒを容易に求めることができる。

本発明の第４実施形態を図８について説明する。
図８は前記略円胴ファンカバー２２の内周半径ｒの違いによる騒音の低減量を実測した結果を示したグラフである。

前記ファン２１の羽根枚数Ｚを５枚とし、前記回転電機本体１１の回転数ｃ（ｒｐｍ）を３６００，４０００，５０００，６０００と変化させた場合の騒音値を測定した。前記略円胴ファンカバー２２の内周半径ｒを共鳴周波数の近傍と、反共鳴周波数近傍の２種類で測定した。図８より全ての回転数において騒音レベルが低減していることがわかる。これにより、羽根回転音を低減させることができるため騒音が効果的に低減できる。

本発明の第５実施形態について説明する。
表２にファンカバー２２の内周半径ｒ＝０．２４５ｍの共鳴周波数と反共鳴周波数を示す。図２に内周半径ｒ＝０．２４５ｍのファンカバー２２の共鳴周波数について、スピーカーを用いてホワイトノイズを発生させ実測した波形を示す。図２の波形から共鳴周波数の直径節数ｎ＝１の４１３Ｈｚは、共鳴周波数の直径節数ｎ＝２の反共鳴周波数の影響を受け卓越しないため、５００Ｈｚ以下は反共鳴周波数帯になっている。つまり、共鳴周波数の直径節数ｎ＝２の反共鳴周波数帯に羽根回転音周波数を合わせれば、羽根回転音周波数を消滅させることができる。これにより、羽根回転音を低減させることができるため、騒音が効果的に低減できる。

本発明の第６実施形態を図９について説明する。
図９は、羽根回転音周波数と反共鳴周波数の関係を説明した図である。
図９において、横軸は騒音に起因する周波数を、第１縦軸（図９の左側）は回転電機本体１１の回転周波数を、第２縦軸（図９の右側）はファンカバー２２内に形成する冷却ファン２１周りの空間の反共鳴周波数のモード数（直径節数）を示す。

表３にファンカバー２２内の内周半径をｒ＝０．２ｍ、ｒ＝０．３ｍ、ｒ＝０．４ｍとしたときの共鳴周波数を式（１）に基づき計算した結果を示す。また、節を共鳴周波数とし、節と節の間を反共鳴周波数として示す。

表４に回転周波数Ｆ、羽根枚数Ｚとしたときの羽根回転音周波数を示す。

次に、本実施形態の作用について説明する。
表３に反共鳴周波数の一例を、表４に羽根回転音周波数の一例をそれぞれ示す。図９に表３および表４の横軸を同一軸上にまとめたグラフを示す。冷却ファン２１が回転することで発生した騒音（羽根回転音）は、騒音伝搬経路であるファンカバー２２内の空間で空間共鳴しているため、騒音（羽根回転音）の周波数がファンカバー２２内の空間の反共鳴周波数の近傍に存在すれば、空間共鳴をすることがなくなり、羽根回転音周波数を消滅させることが可能になる。

つまり、表４で示した羽根回転音周波数と表３で示した反共鳴周波数とが近傍にある場合、羽根回転音周波数が消滅できることになる。例えば、羽根枚数５枚若しくは７枚のとき、ファンカバー２２の内周半径ｒを約０．３ｍにすれば羽根回転音周波数を消滅させることができる。これにより、羽根回転音を低減させることができるため、騒音が効果的に低減できる。

本発明の第７実施形態について説明する。
第６の実施形態では、略円胴ファンカバーの内周半径ｒを決定すれば羽根回転音を低減でき、騒音が効果的に低減できると説明した。同様の原理により、ファンカバー２２を有さない構造の回転電機においては、ファン周りの空間（案内部材内の空間を含む）の反共鳴周波数が、羽根回転音周波数の近傍になれば、羽根回転音を低減でき、騒音が効果的に低減できる。これは、ファンの吸気口から吸い込んだ空気を案内部材に案内されて外側の出口から空気を吐き出すため、騒音伝搬経路が案内部材内の空間になるためである。これにより、羽根回転音を低減させることができるため、騒音が効果的に低減できる。

これまで説明した各実施形態の内容は、回転電機に関するものであるが、ファンがついている例えば電動機、送風機、圧縮機、換気扇、空調機、ジェットファン、ファンを組込んだ盤、ファンを組込んだ筐体等においても第１実施形態と同様に適用できることは言うまでもない。
また、各実施形態の冷却ファンの形状については、ラジアルファン、斜流ファン等どのような形状であっても第１実施形態と同様に適用できることは言うまでもない。

羽根回転音が消滅していることを示す周波数分析結果を示すグラフ。内周半径ｒ＝０．２４５ｍのファンカバー内の共鳴周波数波形。６０００ｒｐｍにおけるファンカバーの内周半径ｒとファンの羽根枚数Ｚの関係を示したグラフ。５０００ｒｐｍにおけるファンカバーの内周半径ｒとファンの羽根枚数Ｚの関係を示したグラフ。４０００ｒｐｍにおけるファンカバーの内周半径ｒとファンの羽根枚数Ｚの関係を示したグラフ。３６００ｒｐｍにおけるファンカバーの内周半径ｒとファンの羽根枚数Ｚの関係を示したグラフ。回転電機の回転数ｃ（ｒｐｍ）と回転数係数ａの関係を示したグラフ。ファンカバーの内周半径ｒの違いによる騒音低減量を示したグラフ。羽根回転音周波数と反共鳴周波数の関係を示した図。従来のファンカバー付回転電機の構成で、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のファンカバーから見た正面図。従来技術における周波数分析結果を示すグラフ。冷却ファン騒音の分類を示す図。従来のファンカバーの内周に吸音材を取着した回転電機の一部断面図。従来のファンカバーを二重構造にした回転電機の断面図。

符号の説明

１…回転電機本体、２…冷却ファン、３…ファンカバー、４…吸音部材、５…回転子６…固定子、７…ファン、８_１，８_２…ファンカバー、９…回転電機本体、１１…回転電機本体、１２…固定子枠、１３…軸受ブラケット、１４…固定子鉄心、１５…固定子巻線、１６…回転子、１７…回転軸、１８…軸受、１９…冷却フィン、２０…通風路、２１…冷却ファンの羽根、２２…ファンカバー、２６…吸気口、２７…出口。

Claims

ファンカバー内を複数枚の羽根が回転し、ファンカバーの吸気口から空気を吸い込み、ファンカバーの案内筒に案内されて出口から空気を吐き出すファンカバーを備えた回転電機において、
前記ファンカバーの半径をｒ、前記回転電機用ファンの羽根枚数をＺとしたとき、ｒ＝ａ×Ｚ^-ｂおよびａ＝１３５７．５ｃ ^-0.81 の関係式を満たすように回転電機の回転数ｃを決定することを特徴とする回転電機。
ここで、ａは回転数係数で２以下、ｂは羽根枚数係数で０．９〜１．１。