(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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周方向の所定位置に固定された少なくとも１個の不均一質量体と、
前記不均一質量体に対して前記固定支持部材の周方向に離間して配置され、前記固定支持部材に取り付けられて、前記固定支持部材の半径方向の移動速度に応じて半径方向の抵抗力を生じ、変位に応じた復元力は生じない少なくとも１個のフードダンパと、
を有する回転電機であって、
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て前記回転子の回転方向に角度座標を取るとき、前記フードダンパの角度座標位置が、１５〜３５度、１０５〜１２５度、１９５〜２１５度、２８５〜３０５度、の範囲のみにあり、
前記回転子の回転速度が可変に構成されていること、
を特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記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にあること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機の制振技術に関し、特に、フードダンパを用いた制振技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機や発電機などの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と、固定子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、固定子と回転子の間に作用している電磁力振動数が固定子の固有振動数と一致する場合に共振が発生し、固定子が振動して電磁騒音が発生することがある。
【０００３】
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、固定子枠の外側に回転電機の固有振動数を変更するための質量体を取り付ける技術が知られている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００４】
また、粉粒体を用いた制振部材によってモータの振動を抑制する技術が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１５４９４０号公報
【特許文献２】特開２０００−４６１０３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】吉武裕，野崎優，片原田浩之，田川夏湖，山崎豪，原田晃，不均一性を持つ電動機固定子の動吸振器による制振，日本機械学会論文集，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．８２１，２０１５（２０１５），１４−００３８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、回転電機の固有振動数の変更を行うために質量体を取り付ける技術が開示されているが、具体的にどの位置に質量体を取り付けると振動抑制に効果があるのかについては記載がない。また、特許文献１または非特許文献１に記載された技術では、振動減衰効果が十分に得られないこともありうる。特に、特許文献１または非特許文献１に記載された技術では、一定の定格回転数で運転する場合における共振を避ける技術として用いることはできても、インバータを用いた電動機などの、回転数を変化させて用いる回転電機において、共振を避けることはできない。
【０００８】
また、特許文献２には、粉粒体を用いた制振部材をモータの外周のどの位置に取り付けると効果的かということについては何ら開示されていない。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、フードダンパを用いて、回転電機の回転数が変化する場合であっても、大きな制振効果を発揮できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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周方向の所定位置に固定された少なくとも１個の不均一質量体と、前記不均一質量体に対して前記固定支持部材の周方向に離間して配置され、前記固定支持部材に取り付けられて、前記固定支持部材の半径方向の移動速度に応じて半径方向の抵抗力を生じ、変位に応じた復元力は生じない少なくとも１個のフードダンパと、を有する回転電機であって、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て前記回転子の回転方向に角度座標を取るとき、前記フードダンパの角度座標位置が、１５〜３５度、１０５〜１２５度、１９５〜２１５度、２８５〜３０５度、の範囲のみにあり、前記回転子の回転速度が可変に構成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転電機の回転数が変化する場合であっても、大きな制振効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】本発明の実施形態に係る回転電機で、不均一質量体・ダンパ開き角θ１と不均一質量比μＩとが振幅に及ぼす影響を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る回転電機で、不均一質量体・ダンパ開き角θ１とフードダンパ質量比μＨとが振幅に及ぼす影響を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る回転電機で、不均一質量体・ダンパ開き角θ１とフードダンパ減衰比γＨとが振幅に及ぼす影響を示すグラフである。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
固定支持部材１０の外側に、円周方向の角度θ＝αｐ（ｐ＝１，・・・，Ｐ）の位置にＰ個の不均一質量体１１（質量：ｍＩｐ）を設置し、また、円周方向の角度θ＝θｊ（ｊ＝１，・・・，Ｎ）の位置にＮ個のフードダンパ（Ｈｏｕｄｅ  Ｄａｍｐｅｒ）３０を設置する。図１に示す例では、不均一質量体１１の個数をＰ＝１とし、フードダンパ３０の個数をＮ＝２としている。また、図１の矢印Ａに示す回転子５０の回転方向に角度位置座標を取るものとする。また、不均一質量体１１の角度位置座標の原点としてα１＝０度とする。
【００１９】
フードダンパ３０は、一般に、抵抗要素１３（減衰係数：ｃＨｊ）と、その先に取り付けられたダンパ質量体１４（質量：ｍＨｊ）とからなる振動減衰装置を言う。ここでは、固定支持部材１０は円環振動をすることを想定しているので、ダンパ質量体１４は少なくとも半径方向に移動可能なものとする。ただし、フードダンパの構造は、図１に示すような構造に限定されるものではなく、たとえば、特許文献２に開示されたような閉鎖容器内で移動可能な粉粒体や粘性流体を用いたものであってもよい。
【００２０】
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。
【００２１】
【数１】
0006613118.tif 000002
【００２２】
ここに、
θ：円周方向の座標（ｒａｄ）（反時計回りが正）
ｉ：円周方向の振動モードを表す整数
ａｉ：θ＝０に腹をもつｃｏｓ型のモードｉの変位
ｂｉ：θ＝π／（２ｉ）に腹をもつｓｉｎ型のモードｉの変位
【００２３】
電動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。
【００２４】
【数２】
0006613118.tif 000003
【００２５】
ここに
ｓ：電磁力のモードを表す整数
Ωｓ：モードｓをもつ電磁力の角振動数
Ｆｓ：モードｓの電磁力の振幅
【００２６】
実際の電磁力は多くの振動数成分を含むが、簡単のためＦｓｃｏｓ（−Ωｓｔ＋ｓθ）の成分のみが作用する場合を考える。また、不均一質量体はそれほど大きくないとして、慣性力として取り扱うこととし、固定子に粘性減衰力も作用するとし、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（５）のようになる。
【００２７】
【数３】
0006613118.tif 000004
【００２８】
【数４】
0006613118.tif 000005
【００２９】
【数５】
0006613118.tif 000006
【００３０】
ここに
ｒ：固定支持部材の円環の半径
Ｅ：固定支持部材の縦弾性係数
Ａ：固定支持部材の断面積（長方形断面の場合は円環の厚さＨと軸方向長さＬとの積）
Ｉ：固定支持部材の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ＬＨ3／１２）
ρ：固定支持部材の密度
ｃ０ｉ：主系の粘性減衰係数（ｉ＝１，・・・，Ｍ）
ｘｊ：θ＝θｊに設置したフードダンパの変位（ｊ＝１，・・・，Ｎ）
ＣＨｊ：θ＝θｊに設置したフードダンパの粘性減衰係数（ＣＨｊ＝２γＨｊｍＨｊω０ｉ）
ω０ｉ：ｉ次モードの固有角振動数
ｍＨｊ：θ＝θｊに設置したフードダンパの質量
ｍＩｐ：θ＝αｐに設置した不均一質量体の質量
Ｐ：不均一質量体の個数
Ｎ：フードダンパの個数
【００３１】
ここではｉ＝２のモードを例に取ることとし、不均一質量体とフードダンパによる制振を考える。例えば、フードダンパ１個では式（３）〜式（５）の定常解を次の式（６）〜式（８）のようにおく。
ａ２＝Ａ１ｃｏｓΩ２ｔ＋Ｂ１ｓｉｎΩ２ｔ      （６）
ｂ２＝Ａ２ｃｏｓΩ２ｔ＋Ｂ２ｓｉｎΩ２ｔ      （７）
ｘ１＝Ａ３ｃｏｓΩ２ｔ＋Ｂ３ｓｉｎΩ２ｔ      （８）
【００３２】
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。式（３）、（４）ではそれらを
除外して考える。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
［数値解析結果］
ここでは、不均一質量体１１が角度座標位置α１＝０度の位置に１個だけあり（Ｐ＝１）、フードダンパ３０が角度座標位置θ１の位置に１個だけある（Ｎ＝１）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結果について図３〜図６を参照して説明する。ここで、θ１は、不均一質量体１１とフードダンパ３０の間の開き角であるから、以下の説明において、不均一質量体・ダンパ開き角と呼ぶ。
【００３６】
固定支持部材１０のｉ＝２のモード質量をｍとし、不均一質量体１１の質量比ｍＩ１／ｍをμＩとする。固定支持部材１０のｉ＝２のモード質量ｍは、ｍ＝（５／４）πｒρＡで表わされる。また、フードダンパ３０のフードダンパ質量比ｍＨ１／ｍをμＨとし、フードダンパ減衰比ＣＨ１／（２ｍＨ１ω０２）をγＨとする。ただし、ω０２２＝３６ＥＩ／（５ρＡｒ４）とする。
【００３７】
なお、比較のために、不均一質量体１１もフードダンパ３０も全くない場合の計算結果についても、図３〜図６中に表示する。
【００３８】
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。
【００３９】
なお、図３〜図６では、縦軸Ａ２は、次式（９）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（Ｆ２π／ｋ０２）２で除して無次元化したもので定義している。
【００４０】
【数６】
0006613118.tif 000007
【００４１】
ただし、ｋ０２＝９ＥＩπ／ｒ３、Ｔ＝２π／Ω２とする。
【００４２】
また、図６に示す共振曲線の横軸νは、ν＝Ω２／ω０２として、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。したがって、図６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。さらに、図３〜図５の縦軸の無次元振幅の値として、設定した各パラメータの値を用いた計算から得られた共振曲線の最大の無次元振幅の値を採用している。
【００４３】
図３は、本発明の実施形態に係る回転電機で、不均一質量体・ダンパ開き角θ１と不均一質量比μＩとが振幅に及ぼす影響を示すグラフである。ここでは、フードダンパ質量比μＨを０．１とし、フードダンパ減衰比γＨを０．５とした。不均一質量比μＩを０．０５，０．１，０．１５の３通りに変え、不均一質量体・ダンパ開き角θ１を０〜９０度の範囲で種々の値に変えたときの無次元振幅Ａ２への影響が示されている。
【００４４】
図３の解析結果から、不均一質量比μＩの値にかかわりなく、不均一質量体・ダンパ開き角θ１が１５〜３５度の範囲で振幅が最小値をとることがわかる。
【００４５】
図４は、本発明の実施形態に係る回転電機で、不均一質量体・ダンパ開き角θ１とフードダンパ質量比μＨとが振幅に及ぼす影響を示すグラフである。ここでは、不均一質量比μＩを０．１とし、フードダンパ減衰比γＨを０．５とした。フードダンパ質量比μＨを０．０５，０．０７５，０．１，０．１５の４通りに変え、不均一質量体・ダンパ開き角θ１を０〜９０度の範囲で種々の値に変えたときの無次元振幅Ａ２への影響が示されている。
【００４６】
図４の解析結果から、フードダンパ質量比μＨの値にかかわりなく、不均一質量体・ダンパ開き角θ１が１５〜３５度の範囲で振幅が最小値をとることがわかる。
【００４７】
図５は、本発明の実施形態に係る回転電機で、不均一質量体・ダンパ開き角θ１とフードダンパ減衰比γＨとが振幅に及ぼす影響を示すグラフである。ここでは、不均一質量比μＩを０．１とし、フードダンパ質量比μＨを０．１とした。フードダンパ減衰比γＨを０．１，０．２，０．３，０．５の４通りに変え、不均一質量体・ダンパ開き角θ１を０〜９０度の範囲で種々の値に変えたときの無次元振幅Ａ２への影響が示されている。
【００４８】
図５の解析結果から、フードダンパ減衰比γＨの値にかかわりなく、不均一質量体・ダンパ開き角θ１が１５〜３５度の範囲で振幅が最小値をとることがわかる。
【００４９】
図６は、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。この図６の解析条件は、図３〜図５の解析結果により振幅が特に小さくなる範囲から選んだものである。すなわち、不均一質量比μＩを０．１とし、フードダンパ質量比μＨを０．１とし、フードダンパ減衰比γＨを０．５とした。また、不均一質量体・ダンパ開き角θ１を２８度とした。
【００５０】
図６に示す解析結果によれば、いずれも、サインモードとコサインモードのピークを取る無次元振動数がずれており、サインモードとコサインモードの和としての無次元振幅の最大値は、不均一質量体１１もフードダンパ３０もない場合に比べて大幅に低下している。
【００５１】
以上説明したように、１個の不均一質量体１１と１個のフードダンパ３０を備えた回転電機において、不均一質量体・ダンパ開き角θ１を１５〜３５度とすることにより、不均一質量比μＩ、フードダンパ質量比μＨ、フードダンパ減衰比γＨの値のいかんによらず、最大振幅を低く抑えることができる。
【００５２】
また、この場合に、単に共振点の振動数がずれるのではなくて、最大振幅が小さくなるので、特にインバータ駆動の電動機などの可変速運転を行う回転電機に有効である。
【００５３】
前述のように、ここではｉ＝ｓ＝２の場合について検討している。すなわち、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あり、また、その角度から９０度または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。
【００５４】
したがって、たとえば、上記説明で、角度座標位置α１＝０度の位置に配置されるとした１個の不均一質量体１１を、０度、９０度、１８０度、２７０度のいずれかの位置に配置変更あるいは分割配置しても、同じ制振効果が得られる。また、フードダンパ３０の角度座標位置θ１を、１５〜３５度、１０５〜１２５度、１９５〜２１５度、２８５〜３０５度のいずれか一つの範囲の位置に配置しても、またそれらのうちの複数の範囲の位置に配置しても、同じ制振効果を得ることができる。
【００５５】
なお、１個の不均一質量体の角度座標位置を０度とするとき、上記分割された他の不均一質量体の角度座標位置は、９０度、１８０度、２７０度の前後１０度程度相違しても同様の制振効果が予想される。この角度座標位置の幅は、フードダンパ３０の角度座標位置の許容範囲幅からの類推である。したがって、上記分割された他の不均一質量体の角度座標位置は、８０〜１００度、１７０〜１９０度、２６０〜２８０度の範囲であることが好ましい。
【００５６】
以上説明した数値解析において、不均一質量体１１の質量比μＩは、大きいほど制振効果があることは明らかであるが、数値計算で求めた結果の精度がある程度高い精度で保障される範囲として、不均一質量体１１の質量比μＩを０．０５〜０．１５とした。質量比μＩを０．１５よりも大きくしても制振効果が得られることは言うまでもない。
【００５７】
フードダンパ３０の質量比μＨについても、これらが大きいほど制振効果が大きいことは明らかである。
【００５８】
フードダンパの減衰比γＨについては、通常の振動系では、γＨ＝１／√［２（２＋μＨ）（１＋μＨ）］が最適であることが知られている。たとえば、フードダンパの質量比μＨ＝０．０５のとき、減衰比γＨ＝０．４８２が最適であり、質量比μＨ＝０．０２５のとき、減衰比γＨ＝０．４９１が最適である。質量比μＨが小さければ、減衰比γＨが約０．５の場合が最適となる。そのため、上記数値解析の条件としては、γＨ＝０．５の場合を標準とした。
【００５９】
上記説明において、「不均一質量体」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が含まれる。
【００６０】
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。
【符号の説明】
【００６１】
１０…固定支持部材（固定子および固定子枠）
１１…不均一質量体
１３…抵抗要素
１４…ダンパ質量体
３０…フードダンパ
５０…回転子
５１…ギャップ
【図１】
0006613118.tif 000008
【図２】
0006613118.tif 000009
【図３】
0006613118.tif 000010
【図４】
0006613118.tif 000011
【図５】
0006613118.tif 000012
【図６】
0006613118.tif 000013