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JP6994925B2 - 回転電機の振動抑制方法 - Google Patents

回転電機の振動抑制方法 Download PDF

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JP6994925B2 JP2017240185A JP2017240185A JP6994925B2 JP 6994925 B2 JP6994925 B2 JP 6994925B2 JP 2017240185 A JP2017240185 A JP 2017240185A JP 2017240185 A JP2017240185 A JP 2017240185A JP 6994925 B2 JP6994925 B2 JP 6994925B2
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Description

本発明は、回転電機及び回転電機の振動抑制方法に関する。
ポンプ駆動用のモータや発電機等に用いられる回転電機は、回転子、固定子及びこれらを収納するフレームから構成されている。フレームには、回転子及び固定子を冷却する冷媒の熱交換を行うための冷却器を収納するための冷却器カバーが備えられている。フレームには、上部、下部、中央部のそれぞれに連通開口が形成されており、冷却器カバーと対向させている。回転電機の回転軸には内扇ファンが取り付けられており、回転子の回転に伴って内扇ファンが回転し、フレーム及び冷却器カバーで形成された密閉空間内を冷却用気体が循環する。回転子及び固定子を冷却した気体は、冷却器カバー内の冷却器で冷却され、再び回転子及び固定子を冷却する。
連通開口が形成されたフレームの部分は、剛性が低下するため、回転電機を駆動すると固有振動数が回転周波数に近づいて共振による振動が発生する課題があった。この課題を解決するために、フレームと冷却器カバーとの間に補強部材を設けた技術が提案されている(特許文献1)。
特開2016―52169号公報
特許文献1に記載の技術においては、フレームと冷却器カバーとの間に補強部材を設けることにより、回転電機の剛性を確保し、回転電機の固有振動数を高い方にシフトしている。そして、回転電機の固有振動数を回転電機の回転周波数から離すことによって、共振による振動の発生を防止している。
しかしながら、特許文献1では、回転電機の剛性を確保して回転電機の固有振動数を高い方のみにシフトする構成であるため、回転電機の剛性を確保した後の回転電機の固有振動数と回転電機の回転周波数の差が小さい場合には、共振による振動の発生を抑制できないといった課題がある。
特に、現地での回転電機の据付状態や、回転電機のフレームに制御装置等を収納する補器収納箱を取付けた場合、回転電機の固有振動数が変化するので、回転電機の剛性を確保した後であっても回転電機の固有振動数と回転電機の回転周波数の差が小さくなる可能性があり、共振による振動の発生を抑制できないものである。
また、回転電機の回転子には、固定子からの電磁力により回転する際回転周波数の2倍の周波数(共振周波数)が作用する。このため、回転電機の固有振動数と加振周波数の共振による振動の発生にも対策する必要があった。
本発明の目的は、前記課題を解決し、回転電機の加振周波数に対する回転電機の固有振動数の大きさに応じて、共振による振動を抑制できる回転電機の振動抑制方法を提供することにある。
前記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、回転子及び固定子を収納する筐体と、前記筐体に取り付けられ前記筐体の空間と連通する空間を形成するカバーと、予めボルトにより仮止め状態で前記筐体に取り付けられた補強部材と、前記筐体に取り付けられるバランスウェイトとを備えた回転電機の振動抑制方法であって、前記回転電機に振動があるか否かを判断するステップと、前記回転電機の振動が許容範囲を超えている場合に前記回転電機の固有振動数が加振周波数よりも大きいかもしくは小さいかを判断するステップと、前記回転電機の固有振動数が加振周波数よりも大きい場合には、前記ボルトを締め付け前記筐体に前記補強部材を固定するステップと、前記回転電機の固有振動数が加振周波数よりも小さい場合には、前記筐体にバランスウェイトを取り付けるステップとを有することにある。
本発明によれば、回転電機の加振周波数に対する回転電機の固有振動数の大きさに応じて、共振による振動を抑制できる回転電機の振動抑制方法を提供することができる。
本発明の第1実施例に係る回転電機の外観斜視図である。 図1を回転軸方向に切断した断面図である。 本発明の第1実施例に係る回転電機の分解斜視図である。 本発明の第1実施例に係る熱交換器カバーを外した回転電機の上面図である。 本発明の第1実施例に係る回転電機の効果を説明する図である。 回転電機の振動モードの一例を示す図である。 回転電機の振動モードの他の例を示す図である。 回転電機の固有振動数が加振周波数よりも低い状態を示す図である。 本発明の第1実施例に係る熱交換器カバーを外した回転電機の上面図である。 本発明の第2実施例に係る回転電機の外挿補強部材の外観斜視図である。 本発明の第2実施例に係る回転電機の筐体に外挿補強部材を配置した部分拡大図である。 本発明の第3実施例に係る回転電機の振動抑制方法を示すフローチャートである。
以下、本発明に係る回転電機の実施例を図面に基づいて説明する。本発明は以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例もその範囲に含むものである。
本発明の第1実施例について、図1乃至図9を用いて説明する。図1は本発明の第1実施例に係る回転電機の外観斜視図である。図2は、図1を回転軸方向に切断した断面図である。本実施例では回転電機の一例として、誘導電動機を例として説明する。
図1及び図2において、回転電機100は、回転子110と、固定子120と、回転子110及び固定子120を収納する筐体130と、筐体130に取り付けられた熱交換器カバー140と、筐体130に取り付けられた補器収納カバー150を有する。回転子110には回転軸111が取り付けられている。回転軸111には、例えばポンプの羽根車等が連結される。筐体130には軸受112、113が取り付けられており、回転軸111を軸支している。回転軸111には内扇ファン114、115が取り付けられており、回転子110と共に回転する。
固定子120は、電磁鋼板を複数枚積層して構成した固定子鉄心にスロットが形成され、このスロットに固定子コイルが挿入されている。回転子110は、電磁鋼板を複数枚積層して構成した回転子鉄心にスロットが形成され、このスロット内に導体棒が挿入されている。
熱交換器カバー140内には熱交換器141が収納されている。筐体130と熱交換器カバー140との間には、第1連通口131、第2連通口132、第3連通口133が形成されている。これにより、回転子110と固定子120が収納された筐体130の内部空間と、熱交換器141とが連通する。熱交換器141には図示しない伝熱管が接続され、回転電機100の外部に設けられた熱交換器に接続されている。この構成により、熱交換器141で吸収した熱を回転電機100の外部に放熱している。
回転子110が回転すると、内扇ファン114、115が回転し、筐体130と熱交換器カバー140とで形成される内部空間を気体が循環する。図2の矢印で示すように、内扇ファン114、115が回転すると、熱を持った気体が第1連通口131を通して筐体130内から熱交換器カバー140内へ流れる。熱交換器カバー140内に流入した気体は、熱交換器141を通過して熱が奪われて冷却され、第2連通口132、第3連通口133を通して再び筐体130内に流入する。筐体130内に流入した気体は、回転子110、固定子120を冷却する。
本実施例の回転電機100では、筐体130を構成する面のうち、熱交換器カバー140と対向する側に第1連通口131、第2連通口132、第3連通口133が形成されている側の面の剛性が低くなっている。加えて、本実施例では、筐体130の側面に補器収納カバー150が取り付けられている。補器収納カバー150内には回転電機100を制御する制御装置等が収納されている。
回転電機動作時の作用を説明する。回転電機は回転子の回転と電力を変換する機器である。回転子は軸まわりにアンバランスを有し、回転子の回転により発生する遠心力により、回転軸に対する直角方向に回転周波数の加振力を発生させる。また、回転子は、固定子からの電磁力により回転し、回転数周波数の2倍となる加振周波数を受ける。そのため、筐体等にも加振周波数が作用する。
他方で、回転電機は、現地での据付状態や、筐体への熱交換器カバー、補器収納カバー等の取り付けの有無による合成のバランスによって固有振動数が変化する。この振動モードの固有振動数が回転電機の加振周波数と一致すると回転電機は共振してしまうため、筺体の質量や剛性を調整し、振動モードの固有振動数と加振周波数を離す必要がある。
まず、回転電機100の振動モードの固有振動数が加振周波数より高い周波数で近接する場合について考える。この場合、回転電機100の振動モードの固有振動数を加振周波数から遠ざけるためには、振動モードの固有周波数を高周波数側にシフトさせればよい。
以下、振動モードの固有周波数を高周波数側にシフトさせて共振による振動を防止する手段について図3及び図4を用いて説明する。図3は本発明の第1実施例に係る回転電機の分解斜視図である。図4は本発明の第1実施例に係る熱交換器カバーを外した回転電機の上面図である。
熱交換器カバー140は、図示しないボルトを用いて筐体130に着脱自在に取り付けられている。本実施例の筐体130は、熱交換器カバー140が取り付けられる側(対向する側)が開口部されており、全体として略直方体で形成されている。筐体130の4つの面には貫通孔134が形成されている。貫通孔134は筐体130の開口部の近傍に形成されている。筐体130の隣り合う面同士には補強部材135が取り付けられる。筐体130の開口部側は、開口部が形成されることによって剛性が低下する。このため、筐体130の開口部の近傍に補強部材135を取り付け固定し剛性を確保する。補強部材135は複数設けられている。
貫通孔134aと貫通孔134hの間には、補強部材135aが配置され、貫通孔134aとボルト締結孔136aを対向させると共に、貫通孔134hとボルト締結孔136hを対向させ、それぞれ貫通孔134a、貫通孔134hからボルトを挿入して締め付け、筐体130に補強部材135aを取付ける。
貫通孔134bと貫通孔134cの間には、補強部材135bが配置され、貫通孔134bとボルト締結孔136bを対向させると共に、貫通孔134cとボルト締結孔136cを対向させ、それぞれ貫通孔134b、貫通孔134cからボルトを挿入して締め付け、筐体130に補強部材135bを取付ける。
貫通孔134dと貫通孔134eの間には、補強部材135cが配置され、貫通孔134dとボルト締結孔136dを対向させると共に、貫通孔134eとボルト締結孔136eを対向させ、それぞれ貫通孔134d、貫通孔134eからボルトを挿入して締め付け、筐体130に補強部材135cを取付ける。
貫通孔134dと貫通孔134eの間には、補強部材135cが配置され、貫通孔134dとボルト締結孔136dを対向させると共に、貫通孔134eとボルト締結孔136eを対向させ、それぞれ貫通孔134d、貫通孔134eからボルトを挿入して締め付け、筐体130に補強部材135cを取付ける。
貫通孔134fと貫通孔134gの間には、補強部材135dが配置され、貫通孔134fとボルト締結孔136fを対向させると共に、貫通孔134gとボルト締結孔136gを対向させ、それぞれ貫通孔134f、貫通孔134gからボルトを挿入して締め付け、筐体130に補強部材135dを取付ける。
本実施例では筺体130に貫通孔134を介して補強部材135が取り付けられる構成となっている。そのため、筐体130の側壁が弾性変形する場合であっても、補強部材135を用いることにより筺体130の剛性が高くなり、回転電機100の固有振動数を高くすることができる。補強部材135は筐体130の角を形成する壁面同士を繋ぐように配置されている。また、補強部材135は、ボルトの締め付けの有無によって、筐体130の剛性を調整することができる。本実施例の補強部材135は、筐体130の剛性を調整可能な補強部材としている。
なお、上述では、筐体130の上部に熱交換器カバー140が設けられた例を示したが、熱交換器を収納するカバー以外にも、筐体に取り付けられ筐体の空間と連通する空間を形成するカバーであれば本実施例は適用可能である。当該カバーは、例えば端子箱等であってもよい。
本実施例の効果について、図5を用いて説明する。図5は本発明の第1実施例に係る回転電機の効果を説明する図である。図中に記載されているバランスウェイトについては後述する。
図5において、横軸は周波数、縦軸は振幅を示す。回転電機100の加振周波数(回転周波数の2倍の周波数)は、破線で示す2fnである。補強部材135を取付け前の回転電機100の固有振動数は、固有振動数のピーク値が加振周波数2fnよりも高い周波数領域にあり、固有振動数全体が加振周波数2fn近辺に広がっている。このため、共振が発生する可能性がある。共振領域を避けるためには、回転電機100の固有振動数を共振領域の外にシフトさせる必要がある。
本実施例によれば、筐体130に補強部材135を取付けているので、筐体130の剛性が確保され、回転電機100の振動モードの固有振動数を加振周波数2fnから高い周波数域に離すことが出来、共振による振動を抑制することができる。
本実施例では、補強部材135は、ボルト締結孔136と貫通孔134をそれぞれ2箇所設けているが、ボルト締結孔136と貫通孔134をそれぞれ1つ、もしくは3つ以上設けるようにしても良い。
また、補強部材135のボルト締結孔136を複数有する場合、すべてのボルトを締結せず、選択的にボルト締結してもかまわない。その場合、ボルト締結本数により補強部材135と筐体130と間の剛性を調整することができる。
次に2つ以上の振動モードが存在する場合について図6及び図7を用いて説明する。図6は回転電機の振動モードの一例を示す図である。図7は回転電機の振動モードの他の例を示す図である。
図6は、回転電機の振動モードの固有振動数が加振周波数よりも低い状態である。図7は、回転電機の振動モードの固有振動数が加振周波数よりも高い状態である。図6及び図7に示すように、筐体130には補器収納カバー150が取り付けられている。回転電機100を運転すると筐体130が弾性変形する。図6では、筐体130と補器収納カバー150との間に壁が設けられており、回転電機100の運転に伴い、筐体130の回転軸方向の壁が点線で示すように弾性変形する。また、図7では、筐体130と補器収納カバー150との間に壁が設けられておらず、回転電機100の運転に伴い、筐体130の水平方向の壁が点線で示すように弾性変形する。
回転電機の振動モードは、筐体の剛性や質量の変化(補器収納カバーの有無)によって固有振動数が変化し、回転電機の固有振動数が、加振周波数2fnよりも高い周波数の域に分布したり、低い周波数の域に分布したりする。筐体の剛性を確保するためには、図3及び図4で説明したように筐体130に補強部材135を取付けるのが有効である。しかしながら、回転電機の固有振動数と加振周波数2fnの関係によっては、筐体の剛性を確保することが共振の抑制とはならない場合がある。以下、図8を用いて理由を説明する。
図8は回転電機の固有振動数が加振周波数よりも低い状態を示す図である。図8において、補強部材135を取付け前の回転電機100の固有振動数は、固有振動数のピーク値が加振周波数2fnよりも低い周波数領域にあり、固有振動数全体が加振周波数2fn近辺に広がっている。補強部材135を取付け前の回転電機100の固有振動数は、共振領域の分布している。この状態において、筐体130に補強部材135を取付け、回転電機100の固有振動数を高い周波数にシフトする。しかしながら、補強部材135取付け後の回転電機100の固有振動数は、共振領域を脱することができない。従って、筐体の剛性を確保することだけが共振を抑制する手段とはなり得ない。
回転電機100の固有振動数が固有振動数のピーク値が加振周波数2fnよりも低い周波数領域にある場合の対処法としては、回転電機100の固有振動数を低い周波数にシフトするようにすれば良い。
回転電機100の固有振動数を低い周波数にシフトする手段について、図9を用いて説明する。図9は本発明の第1実施例に係る熱交換器カバーを外した回転電機の上面図である。
図9において、本実施例では、筐体130ののうち、回転電機100を運転させた際に振幅が大きくなる箇所にバランスウエイト160を取付けている。バランスウェイト160は、金属ブロックで構成されている。バランスウェイト160を筐体130に取り付けるにあたっては、筐体130に形成した貫通孔134(図3)からボルトを挿入して固定するか、あるいは筐体130に溶接して固定する。
筐体130に取り付けられたバランスウェイト160には、振動発生前の静止状態を維持し続けようとする慣性の働きがあり、これにより回転電機100の固有振動数を低い周波数領域にシフトすることができる。
本実施例の効果について、図8を用いて説明する。前述したように、バランスウェイト160及び補強部材135を取付け前の回転電機100の固有振動数は、固有振動数のピーク値が加振周波数2fnよりも低い周波数領域にあり、固有振動数全体が加振周波数2fn近辺に広がっている。筐体130に補強部材135を取付けた場合、回転電機100の固有振動数は高い周波数域へシフトするが、シフト後の回転電機100の固有振動数は共振領域を脱していない。これに対し、筐体130にバランスウェイト160を取付けた後は、回転電機100の固有振動数が低い周波数域へシフトし、シフト後の回転電機100の固有振動数は共振領域を脱する。
本実施例によれば、筐体130にバランスウェイト160を取付けているので、回転電機100の固有振動数のピーク値が加振周波数2fnよりも低い周波数領域にあったとしても、バランスウェイト160の慣性の働きにより、回転電機100の振動モードの固有振動数を加振周波数2fnから低い周波数域に離すことが出来、共振による振動を抑制することができる。
図5で示したように、回転電機100の固有振動数が加振周波数よりも高い状態にある場合、筐体130にバランスウェイト160を取付けると、回転電機100の固有振動数は低い周波数域へシフトするが、シフト後の回転電機100の固有振動数は共振領域を脱していない。この場合、バランスウェイト160に代えて、補強部材135を取付けるようにすると良い。
また、補強部材135は、ボルトを緩めた状態(仮止めの状態)で予め筐体130に取り付けておき、現地で回転電機100を据付後、回転電機100の固有振動数が加振周波数よりも高い状態にある場合に、ボルトを締め付けるようにしても良い。ボルトを締め付けることにより補強部材135によって筐体130の剛性が確保され、回転電機100の固有振動数を高い周波数域にシフトすることができる。この場合、現地で回転電機100を据付後に熱交換器カバー140を外すこと無しに、補強部材135による筐体130の剛性が確保でき、作業性が向上する。逆に現地で回転電機100を据付後、回転電機の固有振動数が加振周波数よりも低い状態にある場合には、ボルトを締め付けることなく、補強部材135はそのまま残しておき、バランスウェイト160を取付けるようにしても良い。バランスウェイト160を取付けることにより、回転電機100の固有振動数は低い周波数域へシフトすることができる。
本発明の第1実施例では、補強部材135は筐体130の角を形成する壁面同士を繋ぐように4本配置するようにしたが、例えば、図7で示すような筐体130と補器収納カバー150との間に壁が設けられていない場合、筐体130と補器収納カバー150との間に壁が設けられていない側の角を形成する壁面同士を繋ぐように2本配置するようにしても良い。補強部材135の本数、取付位置は、回転電機100の固有振動数に応じて適宜調整すれば良い。
以上説明したように本発明の第1実施例では、加振周波数に対する回転電機の固有振動数の大きさに応じて、加振周波数から記固有振動数が離れるように筐体に補強部材もしくはバランスウェイトを固定するようにしている。
本発明の第1実施例によれば、回転電機の固有振動数に応じて筐体の剛性を調整可能な補強部材、もしくはバランスウェイトを選択して取付け、回転電機の固有振動数を加振周波数から離すようにしているので、回転電機の固有振動数に応じた振動を抑制することができる。
次に本発明の第2実施例について、図10及び図11を用いて説明する。第1実施例と共通する構成については、同じ符号を付している。第2実施例では、筺体設置後に熱交換器カバーを取り外さずに固有振動数を調整可能な手段を設けている。図10は本発明の第2実施例に係る回転電機の外挿補強部材の外観斜視図である。図11は本発明の第2実施例に係る回転電機の筐体に外挿補強部材を配置した部分拡大図である。
外挿補強部材137(補強部材)は、一方にボルト締結孔136が形成され、他方にフランジ部138が設けられている。フランジ部138には貫通孔139が形成されている。
第2実施例の筐体130には、外挿補強部材137を挿入するための開口130aが形成されている。外挿補強部材137を筐体130に取り付けるにあたっては、開口130aから外挿補強部材137を挿入し、筐体130の貫通孔134(図3)に外挿補強部材137の挿入側のボルト締結孔136を合わせた状態で、貫通孔134及びボルト締結孔136にボルトを挿入して締め付ける。これにより、筐体130と外挿補強部材137を締結する。また、フランジ部138を筐体130に接触させ、筐体130に設けられたボルト締結部(図示せず)とフランジ部138の貫通孔139とを合わせた状態で貫通孔139からボルトを挿入して締め付け、筐体130と外挿補強部材137のフランジ部138を締結する。
このように筐体130に外挿補強部材137を配置し固定することで、筐体設置後においても剛性を調整することが可能であり、実施例1同様、回転電機100の固有振動数を加振周波数から離すことができる。
次に回転電機の振動抑制方法について、図12を用いて説明する。図12は本発明の第3実施例に係る回転電機の振動抑制方法を示すフローチャートである。
図12において、回転電機100の据付現場において、回転電機の据え付け作業を行う(ステップS201)。回転電機100を据え付けた状態において、回転電機100を運転させ、回転電機100の運転状況確認及び振動試験を行う(ステップS202)。
回転電機100の振動試験において、振動があるか否かを判断する(ステップS203)。ステップS203において、振動が許容範囲を超えている場合(YES)には、回転電機100の固有振動数が加振周波数2fnよりも大きいかもしくは小さいかを判断する(ステップS204)。
ステップS204において、回転電機100の固有振動数が加振周波数2fnよりも大きい場合には、熱交換器カバー140を取り外し(ステップS205)、補強部材135を取付ける(ステップS206)。
ステップS204において、回転電機100の固有振動数が加振周波数2fnよりも小さい場合には、熱交換器カバー140を取り外し(ステップS205)、バランスウェイト160を取付ける(ステップS206)。
補強部材135もしくはバランスウェイト160の取り付けが完了したら、熱交換器カバー140を取付け(ステップS208)、回転電機100の振動が回避されているか確認する(ステップS209)。回転電機100の振動回避を確認後、回転電機100の据付を完了させる(ステップS210)。
ステップS203において、振動が許容範囲にある場合(No)には、回転電機100の据付を完了させる(ステップS210)。
以上説明したように本発明の第3実施例によれば、回転電機の固有振動数に応じて筐体の剛性を調整可能な補強部材、もしくはバランスウェイトを選択して取付け、回転電機の固有振動数を加振周波数から離すようにしているので、回転電機の固有振動数に応じた振動を抑制することができる。
なお、第2実施例を実施する場合には、ステップS205の熱交換器カバー140の取り外し工程、及びS208の熱交換器カバー140の取り付け工程を省略する。
また、補強部材135を予め筐体130にボルトにて仮止めの状態で取り付けている場合には、ステップS205の熱交換器カバー140の取り外し工程を省略し、ステップS206では補強部材135を仮止めしているボルトを締め付ける工程とする。
なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。
例えば、回転電機の回転周波数と固有振動数に共振による振動低減に本発明を適用するようにしても良い。
100 回転電機、110 回転子、111 回転軸、112 軸受、113 軸受、114 内扇ファン、115 内扇ファン、120 固定子、130 筐体、130a 開口、131 第1連通口、132 第2連通口、133 第3連通口、134 貫通孔、134a 貫通孔、134b 貫通孔、134c 貫通孔、134d 貫通孔、134e 貫通孔、134f 貫通孔、134g 貫通孔、134h 貫通孔、135 補強部材、135a 補強部材、135b 補強部材、135c 補強部材、135d 補強部材、136 ボルト締結孔、136a ボルト締結孔、136b ボルト締結孔、136c ボルト締結孔、136d ボルト締結孔、136e ボルト締結孔、136f ボルト締結孔、136g ボルト締結孔、136h ボルト締結孔、137 外挿補強部材、138 フランジ部、139 貫通孔、140 熱交換器カバー、141 熱交換器、150 補器収納カバー、160 バランスウェイト

Claims (1)

  1. 回転子及び固定子を収納する筐体と、前記筐体に取り付けられ前記筐体の空間と連通する空間を形成するカバーと、予めボルトにより仮止め状態で前記筐体に取り付けられた補強部材と、前記筐体に取り付けられるバランスウェイトとを備えた回転電機の振動抑制方法であって、
    前記回転電機に振動があるか否かを判断するステップと、
    前記回転電機の振動が許容範囲を超えている場合に前記回転電機の固有振動数が加振周波数よりも大きいかもしくは小さいかを判断するステップと、
    前記回転電機の固有振動数が加振周波数よりも大きい場合には、前記ボルトを締め付け前記筐体に前記補強部材を固定するステップと、
    前記回転電機の固有振動数が加振周波数よりも小さい場合には、前記筐体にバランスウェイトを取り付けるステップとを有することを特徴とする回転電機の振動抑制方法。
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