(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器用のロータアセンブリであって、
回転可能なシャフト（２）、
前記回転可能なシャフト（２）の周りに配置された環状基部（１４）、
前記環状基部（１４）の外面に配置され、半径方向に延びる質量（４）、および
径方向の減衰を与えるように適合され、前記環状基部（１４）と前記回転可能なシャフト（２）の間に取り付けられたバネまたはダンパー機構（６、８ａ）を備え、
前記バネまたはダンパー機構（６、８ａ）は、粘弾性材料（６）と、前記回転可能なシャフト（２）の軸方向で、前記粘弾性材料（６）の前後に配置されるバネアセンブリ（８ａ）とを備え、
前記質量（４）は、前記回転可能なシャフト（２）の固有振動数に適合するように選択される、
ロータアセンブリ。
【請求項２】
前記バネまたはダンパー機構（６、８ａ）と前記質量が同調振動吸収器を形成する請求項１記載のロータアセンブリ。
【請求項３】
前記質量（４）が剛体質量（４）であり、
バネアセンブリ（８ａ）のバネ定数（ｋａ）および前記剛体質量（４）の質量（Ｍａ）が、前記回転可能なシャフト（２）の固有振動数に適合するように選択される請求項２記載のロータアセンブリ。
【請求項４】
前記固有振動数が、前記回転可能なシャフト（２）の最も低い固有振動数である請求項３記載のロータアセンブリ。
【請求項５】
前記環状基部（１４）に配置されるファンブレード（１２）、
前記シャフト（２）を挟んだ反対側において前記環状基部（１４）に配置される前記質量（４）を備え、
前記同調振動吸収器の減衰定数（ｃａ）が、前記回転可能なシャフト（２）の応答振幅を制限するように選択される請求項２〜４のいずれか１項に記載のロータアセンブリ。
【請求項６】
前記同調振動吸収器が、前記回転可能なシャフト（２）に、前記バネアセンブリ（８ａ）および前記粘弾性材料（６）により取り付けられる略環状の剛体質量（４）を含む請求項２〜５のいずれか１項に記載のロータアセンブリ。
【請求項７】
前記バネアセンブリ（８ａ）が、複数の、周方向に離間した個別のバネ（８ｃ）を含む請求項６記載のロータアセンブリ。
【請求項８】
前記粘弾性材料（６）が、高分子またはプラスチック材料である請求項６記載のロータアセンブリ。
【請求項９】
前記ロータアセンブリがさらに、ロータ本体を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載のロータアセンブリ。
【請求項１０】
前記同調振動吸収器が、前記回転可能なシャフト（２）に直接取り付けられる請求項１〜９のいずれか１項に記載のロータアセンブリ。
【請求項１１】
前記同調振動吸収器が、前記ロータ本体ではなく、前記回転可能なシャフト（２）のフランジ部（１０）に直接取り付けられる請求項９記載のロータアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のロータアセンブリを含む回転電気機器。
【請求項１３】
前記回転電気機器がさらに、ステータアセンブリを含む請求項１２記載の回転電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータや発電機のような、電気機器を回転させるロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機器のロータシャフトは、回転中に曲げを受ける。ロータシャフトの臨界速度（固有振動数と呼ばれる場合がある）は、ロータシャフトが力学的に不安定になる回転速度であり、その場合、ノイズ、振動、疲労応力、および他の望ましくない影響を生じ得る、大きな構造共振を受ける可能性がある。どのような特定のロータシャフトにとっても、多くの臨界速度があるが、大抵は第一（最も低い）の、時には第二（次に低い）のものだけが懸念されるだろう。残りの臨界速度は、通常、電気機器の運転速度範囲外になる程度に高いであろう。
【０００３】
電気機器は、それらの運転速度範囲を制限する臨界速度を有し得る。これは、速度が可変の電気機器、特に、その運転速度に到達するために臨界速度を越えなければならない高い運転速度を有する電気機器に特有の問題となる可能性がある。臨界速度は典型的には、ロータシャフトおよび支持軸受の剛性および質量分布に比例する。使用しなければならない支持軸受の種類、支持軸受の位置、およびロータシャフトの材料のような電気機器の設計上の制約があるので、大抵の場合、臨界速度を回避することは困難であり得る。
【０００４】
臨界速度の問題に対する存在する解決手段は、支持軸受に対する改善された動的応答を提供することおよび構造に向けられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、径（または曲げ）方向において振動の減衰をもたらし、ロータの臨界速度を制御するために、同調振動吸収器（ＴＶＡ）を回転する電気機器内に一体化することを含む。より詳細には、本発明は、回転可能なシャフトと当該回転可能なシャフトに取り付けられたＴＶＡを備えた回転する電気機器用のロータアセンブリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このロータアセンブリは、たとえば、回転可能なシャフトに軸方向に離間した位置に取り付けられる複数のＴＶＡを含んでいる。回転可能なシャフトが、通常ロータ本体またはコアよりも一層柔軟であることは容易に理解されるであろう。回転可能なシャフトにダンパー質量を直接取り付けることは、ダンパー質量を相対的に小さくすることができ、ロータ本体およびシャフトの剛性の間での違いが大きくなるロータアセンブリにおいて特に重要であることを意味する。
【０００７】
ＴＶＡは好ましくは、バネおよびダンパー機構により支持される剛体質量を含む。ダンパー質量は、回転可能なシャフトに直接接続はされないが、バネおよびダンパー機構によってのみ接続される。バネアセンブリのバネ定数およびダンパー質量の質量は、好ましくは、回転可能なシャフトの固有振動数に適合するように選択される。典型的には、これは、回転可能なシャフトの最も低い固有振動数であり、ゆえに第一臨界速度である。ダンパーの減衰定数は、回転可能なシャフトの応答振幅を所望のレベルに制限するように選択されることが好ましい。
【０００８】
ＴＶＡは、通常、適合するように設計された臨界速度に代えて、２つの臨界速度を与える。これらの臨界速度における構造共振は通常、ＴＶＡにより与えられる減衰効果によってより低くなるが、これは減衰に依存する。一般論として、臨界速度における構造共振または振動の振幅は、ＴＶＡおよび回転可能なシャフトの他の全てのパラメータが一定に保たれる場合、減衰レベルに比例する。２つの別々の臨界速度を与えることは、新たな臨界速度において、より低い構造共振または振動の振幅で、減衰された応答を達成するために使用されるか、回転電気機器がより広い運転速度範囲を有することを可能にする（たとえば、通常の運転速度範囲の外に新たな臨界速度を設けることにより）か、および／または、使用することができない運転動作速度が非常に狭い範囲のみになるように、最小の減衰を提供することにより、新たな臨界速度で、非常に鋭い共振ピークを達成する。
【０００９】
ＴＶＡは、バネアセンブリと、径方向および軸方向の両方の安定性を提供するように形作られ配置される粘弾性材料のダンパーとによって支持される略環状の剛体質量の形をとることができる。略環状の剛体質量は、たとえば、ロータ、バランスリング、または他の回転可能な構造用の空冷ファンの一部とすることができる。ＴＶＡの環状の質量が空冷ファンの場合、適切なデザインで、アンバランスまたはジャイロ作用により不安定になる可能性がある、いくつかの他の種類の質量よりも、ファン／ダンパー質量をより容易に安定させるのが可能なように、正の軸方向の負荷を与える。
【００１０】
粘弾性材料は、好ましくは、ロータシャフトの回転速度が２つの臨界速度と一致したときに生じる構造共振をできるだけ多く低減するために、相対的に高い減衰定数を有する。この粘弾性材料は、適切な高分子またはプラスチック材料でよい。粘弾性材料は、ロータアセンブリのデザインにおいて、より高い柔軟性を許容し、たとえば、長時間の共振があった場合に融けるであろうゴムブロックを使用するよりも、より振動エネルギーを分散することができる。バネアセンブリとダンパーの間の分離は、径方向の減衰効果を損なうことなく、バネ定数およびシステム安定性が最適化され得ることも意味する。一方向のみ高い減衰がされるような有益性を与え、ゆえに望ましくないエネルギーロスを減らす。
【００１１】
バネアセンブリは、複数の周方向に離間した個別のバネ（たとえば、剛体質量の径方向の内周側に周状に配置された）を含み、径方向、任意には、軸方向および／またはねじれ方向においても必要な剛性を与える。このバネアセンブリは、たとえば径方向において所望の剛性をバネ部材に与えるために、成形されたゴムセクションを有する実質的に連続したバネ部材の形で提供され得る。１つまたは２つ以上のバネアセンブリは、回転可能なシャフトとダンパー質量の間、たとえば、軸方向に離間した位置に設けることができる。
【００１２】
ロータアセンブリは、回転する磁界を提供し、磁界はたとえば、永久磁石、適切な励起電源を備えた超伝導巻き線、または、スリップリングまたはブラシレスの励起電源を備えた従来の巻き線により発生される。
【００１３】
ロータアセンブリは、好ましくは、回転のために、ステータアセンブリに対して取り付けられる。ステータの巻き線は、従来のやり方で、ステータアセンブリの表面に設けられたスロット内に受容してよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】同調振動吸収器を示す概略図である。
【図２】本発明のロータアセンブリを示す断面図である。
【図３】図２のロータアセンブリの斜視図である。
【図４】同調振動吸収器を組み込んだ本発明によるロータアセンブリの運転速度に対する応答振幅を示す図である。比較のグラフは、同調振動吸収器がない、同一のロータアセンブリの運転速度に対する応答振幅を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を参照すると、回転主要システムは、バネ定数ｋを有し、減衰ｃをもたらすバネおよびダンパー機構により支持された剛体質量（質量Ｍを有する）からなる。主要システムは、第一（最低の）臨界速度を有する。径方向の減衰用の同調振動吸収器（ＴＶＡ）は、バネ定数ｋaを有し、減衰ｃaをもたらすバネおよびダンパー機構により主要システムの剛体質量に取り付けられるより小さい剛体質量（質量Ｍaを有する）からなる。ＴＶＡのバネ定数ｋaおよび質量Ｍaは、主要システムの第一臨界速度に合うように選択される。臨界速度における応答の振幅または変位を制限するために減衰ｃaが与えられる。ＴＶＡの効果は、主要システムの臨界速度を、２つの別々の臨界速度に置き換えることである。典型的には、これらの臨界速度における構造共振は、より小さい振幅であるが、これは必ずしもそうである必要はない。
【００１６】
図２および３は、回転電気機器（たとえば、モータまたは発電機）のロータシャフト２との使用に、どのようにＴＶＡが実際に実装できるのかを示している。ＴＶＡは、ダンパーとして機能する粘弾性材料の層６と軸方向に離間したバネアセンブリ８ａ、８ｂとにより支持された環状の質量４から構成される。バネアセンブリ８ａ、８ｂおよび粘弾性材料層６はともに、図１に概略的に示されたバネおよびダンパー装置を形成する。環状の質量４は、ロータシャフト２に直接接続はされないが、バネアセンブリ８ａ、８ｂおよび粘弾性材料層６により間接的に接続される。
【００１７】
それぞれのバネアセンブリは、環状の質量４の径方向の内周に周状に配置された複数の個別のバネ８ｃを含み、必要な軸方向、ねじれ方向、径方向の剛性を与える。バネ８ｃは、好ましくは、環状の質量４が全ての状況においてロータシャフト２への固定が維持されるような、フェイルセーフのデザインである。バネアセンブリ８ａ、８ｂは軸方向の力に対して良好な安定性を与えるが、ＴＶＡがロータシャフト２の第一臨界速度に適合することを可能にするために、径方向において的確な剛性を有している。
【００１８】
粘弾性材料層６は、２つの別々の臨界速度における共振制御を与えるために、相対的に高い減衰特性ｃａを有している。この粘弾性材料は、高分子またはプラスチック材料であってよい。粘弾性材料層６は、その減衰効果に加えて、径方向および軸方向の安定性を提供するために形作られ、位置づけられ得る。環状の質量４の質量Ｍａおよびバネ８のバネ定数ｋａは、ロータシャフト２の第一臨界速度に適合するために、ロータシャフトの質量Ｍ（および、任意には図示されない支持軸受および構造の質量も）にしたがって選択される。
【００１９】
環状の質量４は、ロータ空冷ファンの一部を形成し、複数のファンブレード１２は、それに一体的に取り付けられる。バネ８ｃおよび粘弾性材料層６は、ロータシャフトの環状のフランジ部１０と、ファンブレード１２が一体的に取り付けられる、環状の質量４の環状基部１４の径方向の内面とにしっかりと固定される。
【００２０】
実施例では、図２および図３に示されるロータシャフトは、０〜６６００ｒｐｍの運転速度範囲を有する高速モータの一部として使用できる。従来の同じモータ用のロータシャフトは、約３１００ｒｐｍの第一臨界速度を有するであろう。２つの軸方向に離間したロータ空冷ファンの位置において、それぞれが５７ｋｇの質量（Ｍａ）を有するＴＶＡを追加することにより、約３１００ｒｐｍの回転速度において、９９．９７％の構造共振振動の低減を提供する。２つの新たな臨界速度は、約２６００ｒｐｍおよび約３７００ｒｐｍにおいて作り出されるが、これらの臨界速度での構造共振は、従来のロータシャフトについての振幅よりも小さい振幅を有する。この２つの軸方向に離間したＴＶＡの追加は、ロータシャフトが、より複雑なロータ構造を必要とすることなく、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）の振動基準を満たすことができることを意味する。
【００２１】
従来のロータシャフト（すなわち、ＴＶＡがないロータシャフト）の運転速度に対する振動の振幅は、図４に一点鎖線で示されている。これは、約３１００ｒｐｍの第一臨界速度において、最大の振動の振幅を示している。ＴＶＡを組み込んだロータシャフトの運転速度に対する振動の振幅が、図４に実線で示されている。これは、約２６００ｒｐｍおよび約３７００ｒｐｍの臨界速度において、最大の振動の振幅を示している。
【００２２】
振動の減衰を提供し、ロータの臨界速度を制御するために、回転電気機器内にＴＶＡを一体化する有益性は、以下の技術的有益性を与える。
全ての運転速度範囲に亘って振動レベルを低減する。
疲労応力が低減する。
運転速度に制限がない。
剛性があり大きなロータが必要とされず、重量およびコストの低減につながる。
安価な材料を用いることができる。
ＴＶＡは既存のロータデザインに追加導入することができる。
ＴＶＡは制御装置、潤滑剤、または置き換え可能な部品が要求されない。
【図１】
0005934186.tif 000002
【図２】
0005934186.tif 000003
【図３】
0005934186.tif 000004
【図４】
0005934186.tif 000005