同期電動機駆動回転機械及びその寿命評価方法
【課題】
同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行う。
【解決手段】
回転機械３は同期電動機２により駆動される。同期電動機と回転機械を接続する軸の軸トルクを検出する軸トルク検出手段７が設けられ、検出された信号は、軸トルク信号処理手段９で軸トルク振幅値に換算される。同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値と、前記停留点から任意時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算器１１で演算する。前記包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段１１を備えている。
同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行う。
【解決手段】
回転機械３は同期電動機２により駆動される。同期電動機と回転機械を接続する軸の軸トルクを検出する軸トルク検出手段７が設けられ、検出された信号は、軸トルク信号処理手段９で軸トルク振幅値に換算される。同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値と、前記停留点から任意時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算器１１で演算する。前記包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段１１を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一定速同期電動機を駆動機として用いた同期電動機駆動回転機械及びその寿命評価方法に関し、特にターボ圧縮機などの大型の回転機械に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機などの大型の回転機械の駆動機としては、特に大型の交流電動機として比較的効率の良い同期電動機を用いることが多い。しかし、一定速の同期電動機を用いた場合、これを始動して加速する際には電動機回転速度Ｎに関係する周波数をもつトルク（変動トルク）を発生することが知られている。次式はこのトルクの周波数ｆｅｘを表す式である。
【０００３】
【数１】
【０００４】
ここで：ｆｅｘは同期電動機発生トルク周波数[Hz]、ｆｓ は同期電動機すべり周波数（電気角）[Hz]、ｆｌは電源周波数[Hz]、Ｐは同期電動機極数、Nはロータ回転速度（機械角）[min-1]である。
【０００５】
図１は、ある同期電動機駆動回転機械の始動時における軸回転速度（細線で示す）と同期電動機に発生する変動トルク周波数（太線で示す）の時間経過に対する変化を示す線図で、横軸は同期電動機の始動からの経過時間、縦軸は周波数（変動トルク周波数及び軸回転速度を示す周波数）である。同期電動機が発生する変動トルクは、駆動機を含めた回転機械が形成するねじり振動系を加振するトルク（加振トルク）として働き、前記ねじり振動系の固有振動数と前記加振トルクの周波数（変動トルク周波数）が一致する共振時には振動振幅値が増大する。即ち、前記同期電動機駆動回転機械のねじり振動系の１次固有振動数が２０Ｈｚである場合について説明すると、電動機始動後発生する変動トルク周波数が２０Ｈｚに達するまでの時間経過は７．８秒である。
【０００６】
図２は、前記回転機械の場合における軸トルク変動量の変化を始動からの時間経過と共に示す線図で、この図において、横軸は同期電動機の始動からの経過時間、縦軸は軸トルク変動量である。電動機始動後７．８秒経過すると、同期電動機が発生する変動トルク周波数が前記ねじり振動系の１次固有振動数と一致する２０Ｈｚに達するため共振し、図２に示すように、軸トルク変動量は７．８秒付近で大きく増大していることがわかる。
【０００７】
特許文献１に示す従来技術には、この変動トルクを利用して積極的にねじり振動系の固有振動数と共振させてトルク振幅を増大させ、これによって同期回転速度への引き込みを助長する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１８６２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示すように、ねじり振動系と共振させてトルク振幅を増大させることは回転機械を損傷して寿命を縮める可能性を高める。
【００１０】
上述したように、従来の同期電動機駆動回転機械においては、始動時に共振が発生して軸トルクが大きく変動するため、この軸トルク変動量が回転機械の寿命に影響する。このため、共振時の軸トルク変動に対する回転機械の強度評価を行うことが重要であった。即ち、図２に示すように、始動時のねじり振動系の固有振動数を通過する時にのみに回転機械の軸トルクの振幅値が大きく、振幅値のピークは前記固有振動数を通過する毎に前記固有振動数の周期で繰返すので、この現象に対する適切な強度評価（寿命評価）が望まれていた。しかし、従来は、前記強度評価に対する適切な手法がなく、過大評価になったり過小評価になっていた。
【００１１】
例えば、１回の始動における前記振幅値のピークでの繰返し回数を経験的に決め、このピークでの最大振幅値が始動の度に前記繰返し回数だけ繰返されるという疲労強度評価法があるが、前記繰返し回数の決め方によっては過大評価になり過ぎることが問題となる。
【００１２】
また、従来の他の強度評価方法としては、マイナー則（Miner’s Rule）による評価法も知られている。この手法は、前記振幅値のピークにおける全ての振幅値に対する寿命回数とその回数割合の総和を取り、繰返し寿命を求める方法である。即ち、Ｓ−Ｎ線図（各部品レベルに対して一定振幅の正弦波状繰返し応力を疲労破壊するまで加えたときの応力振幅と破損までの繰返し回数の関係を示す線図）により、材料の各応力毎に寿命回数となる繰返し回数がわかるが、材料に実際にかかる応力が一定応力の繰返しではなく変化する場合、それぞれの応力σｉレベルでの繰返し回数をｎｉ、その応力σｉレベルで寿命回数となる繰返し回数をNfｉとすると、次の条件に達したときに材料が破壊すると考え、次式で判定する方法である。
【００１３】
【数２】
【００１４】
この評価方法は強度評価法としては信頼性が高いものの、１つ１つのピーク振幅とその回数を数える必要があり、手間がかかり過ぎるために現実的ではなく、実用化は困難だった。
【００１５】
本発明の目的は、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる機能を備えた同期電動機駆動回転機械を得ることにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる同期電動機駆動回転機械の寿命予測方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段と、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段を備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の特徴は、一定速の同期電動機と、この同期電動機の駆動力を歯車変速機を介して回転機械に伝達するようにした同期電動機駆動回転機械において、前記歯車変速機の軸の軸振動を検出する軸振動検出器と、該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段と、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸振動振幅値の停留点での当該軸振動振幅と、前記共振点における軸振動振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸振動振幅値の停留点での軸振動振幅値とから、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクの関係を用いて、前記各停留点における軸トルク振幅値を求め、共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段を備えていることにある。
【００１９】
ここで、前記軸振動検出器は、前記歯車変速機の軸に近接して垂直方向に設けられた垂直方向軸振動検出器と、前記軸の水平方向に設けられた水平方向軸振動検出器とを備え、前記垂直方向軸振動検出器からの信号を用いて前記軸振動振幅値から前記軸トルク振幅値を求めるようにすると良い。
【００２０】
本発明の更に他の特徴は、一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり振動系の固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求める手段と、前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求める手段と、これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測する演算手段を備えていることにある。
【００２１】
ここで、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段とを備えることで、前記軸トルク振幅値を求めることができる。
【００２２】
また、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸振動を検出するための軸振動検出手段と、該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段とを備え、前記演算装置は、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクとの関係を用いて、前記軸振動振幅値を前記軸トルク振幅値として求めることも可能である。
【００２３】
本発明の更に他の特徴は、一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求めると共に、前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求め、これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測する同期電動機駆動回転機械の寿命評価方法にある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、同期電動機駆動回転機械の始動時のねじり振動系の共振による軸トルク増大に対して、前記共振時の例えば２点の時刻での軸トルクを測定するだけで強度寿命評価が可能となるから、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】同期電動機駆動回転機械の始動時における軸回転速度と同期電動機に発生する変動トルクの周波数の変化を、時間経過に対して示す線図。
【図２】図１で説明した回転機械における軸トルク変動量の変化を始動からの時間経過と共に示す線図。
【図３】図２のねじり振動系の１次固有振動数での共振時付近を拡大して示す線図。
【図４】炭素鋼のせん断応力に対するＳ−Ｎ線図。
【図５】本発明の実施例１に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を説明する模式図。
【図６】本発明の実施例２に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を示す模式図。
【図７】図６に示す歯車変速機の歯車噛合い部付近を拡大して示す模式図で、軸振動検出器の設置形態を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
まず、本実施例の基本的な点を説明する。本実施例は、普遍的かつ簡便な方法で、軸トルクの振幅の減衰を考慮すると共に、Miner’s ruleを準えた形で振幅を考慮した繰返し数を次のようにして求めるものである。
【００２７】
即ち、一定速同期電動機駆動回転機械のねじり振動系の１次固有振動数前後での加振によるトルク振幅の変化を比例減衰の仮定を用い、振動する周波数は固有振動数に固定して対数減衰すると仮定する。図２に示すねじり振動系の１次固有振動数（以下、ねじり１次固有振動数と称す）での共振時付近を拡大して示す図３のように、固有振動数でのトルクのピーク振幅を起点として振幅＝０まで漸近するとして振幅の包絡線を無限時間で積分すると、次式となる。
【００２８】
【数３】
【００２９】
ここで、Ｔｍａｘはトルクの最大振幅、ζ1は始動時ねじり1次モード減衰比、ωｎｌはねじり１次固有振動数である。（数３）において、回転機械の円柱形状の軸のトルクを考えると、軸トルクと軸部の最大応力は比例するため、もし材質の応力と寿命回数の逆数の関係が次の（数４）のように線形関係で表される場合、前記（数３）で求めた値を応力に対応させた値がMiner’s ruleと等価な寿命評価と見なせる。
【００３０】
【数４】
【００３１】
ここで、Ｎｆは寿命回数、σは応力（∝トルク）、Ｃ１は定数である。
【００３２】
つまり、振幅減衰の時定数Δtは（数５）となるため、振幅をＴｍａｘ、ピーク回数を数える時間を両側対称と仮定して減衰の時定数を２倍し２Δtとすることは電動機始動から全時間領域でMiner’s ruleを包絡線で連続考慮したことと等価に近似したと見なせる。
【００３３】
【数５】
【００３４】
この１回の始動での繰返し回数ｎＬは、（数６）で表せる。
【００３５】
【数６】
【００３６】
しかし、一般的に、材質の応力と寿命回数の関係は（数４）の関係にはならないため、（数３）は次式の（数７）のように補正することになる。
【００３７】
【数７】
【００３８】
ここで、ｈ(σ(t))は影響係数である。この影響係数ｈ(σ(t))は応力の変化によって（数４）の関係からの寿命回数Ｎｆのずれを考慮するものである。応力は一般的に時間により変化するため、影響係数ｈ(σ(t))も時間により変化し、（数７）の積分から除外することはできない。このままでは不便であるため影響係数ｈ(σ(t))を時間的に一定とする次のような平均化を行う。
【００３９】
即ち、測定された最大トルクに対応する最大応力をσｍａｘとする。繰り返し数が１０３の場合の寿命回数Ｎｆ１０３を基準として最大応力σｍａｘでの影響係数ｈｍａｘを次の（数８）〜（数１０）の規則により決める。
【００４０】
【数８】
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
【００４３】
ここで、σ１０３は繰り返し数１０３に対応する応力、σ１０６は繰り返し数１０６に対応する応力である。また、（数９）のβ及び（数１０）のγは次のように与えられる。
β＝（σｍａｘ−σ１０３）/α
γ＝（σ１０６−σ１０３）/α
（ここで、「α＝（σ１０３−σ１０６）／３」であり、αは軸材質のＳ−Ｎ線図から得られる定数。）
また、σ１０６での影響係数ｈ１０６は（数１０）のｈｍａｘと同じ値とする。影響係数h(σ(t))は繰返し数１０３の場合の寿命回数Ｎｆ１０３を基準とした場合、σ１０３或いはそれ以上の応力で１となり、この値が上限となる。（数７）に示す全積分区間での平均の影響係数ｈｍｅａｎを考えると、対数平均を取り、次の（数１１）で表す。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
平均の影響係数ｈｍｅａｎは積分区間の時間に対して一定であり、積分から除外できるため、（数式７）の値は「ｈｍｅａｎΔｔ＝ｈｍｅａｎ/(ζ1ωn1)」となる。
【００４６】
ここで、最も保守的（安全）な例として「ｈｍｅａｎ＝１」とした場合を考え、「ζ＝０．０３」とすると、繰返し数ｎＬは１回の始動で１０．６１回であり、始動回数を毎日１回とすると、繰返し数ｎＬは1年間で３８７３回である。これをＳ−Ｎ線図により強度評価を行うと次のようになる。例えば、回転機械の最小強度部の炭素鋼の中実の軸径を５６ｍｍ、軸トルクの共振時の最大値を６０００Ｎｍとした場合を考える。
【００４７】
中実軸部の最大せん断応力τmaxは軸表面であり、次式で求められる。
【００４８】
【数１２】
【００４９】
ここで、Ｔは軸トルク、Dは軸外径である。
この式から最大せん断応力τmaxは「１．７４×１０６Ｐａ」となる。 最大せん断応力τmaxに対応する許容繰返し回数Ｎｆは、図４に示す炭素鋼のせん断応力に対するＳ−Ｎ線図から１０５回となるのがわかる。よって、この回転機械が毎回同様の条件で始動を繰返す場合、この回転機械の最小強度部の寿命は、２５．８年と推定することができる。
【００５０】
以上の方法で回転機械の寿命を推定できるが、１回の始動での繰返し回数ｎＬを求める際の始動時ねじり１次モード減衰比ζ1を求める方法を次に説明する。
【００５１】
モード減衰比の検出方法は、１次ねじり固有振動数を電動機加振トルクが通過後（最大振幅を通過後）、始動時のある時刻ｔｉと、そこからある時間間隔δtをおいた２点の停留点「（Ｔ（ｔｉ）′＝０、 Ｔ（ｔｉ＋δt）′＝０）」での軸トルクの値を測定することで次式により求めることができる。
【００５２】
【数１３】
【００５３】
因みに、最大振幅に到達する時の電動機ロータの回転速度は（数１）と、予め計算により求めたねじり１次固有振動数からわかっている。また、ある時間間隔δtは必ずしもねじり固有振動数の周期の倍数である必要はない。
以下、本発明の同期電動機駆動回転機械の具体的実施例を図５〜図７を用いて説明する。
【実施例１】
【００５４】
図５は本発明の実施例１に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を説明する模式図である。図において、１は三相交流電源、２は電源１からの三相交流電力が供給されることで始動する一定速の同期電動機、３は、例えば多段の大型遠心圧縮機や遠心ポンプ、スクリュー圧縮機、ブロワなどの回転機械であり、この回転機械３は軸４，６及びカップリング５を介して前記同期電動機２に接続されて駆動される。前記カップリング５には軸トルクを検出するための非接触の軸トルク検出器７が取り付けられている。この軸トルク検出器７は歪ゲージにより測定するものや、カップリング上の２点のねじり位相を測定するものなどがある。軸トルク検出器７が検出した軸トルクの信号は、静止側の軸トルク信号受信器８に送られる。軸トルク信号受信器８は軸トルクの信号を軸トルク信号処理・表示器９に送信し、この軸トルク信号処理・表示器９は軸トルク信号受信器８から得た軸トルク信号を軸トルク振幅値に換算する。この際、同期電動機の発生トルクとねじり１次固有振動数との共振時付近での停留点（軸トルク振幅の時間変化量が正から負になる点）の軸トルク振幅値を２点Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)を、それらを測定した時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtと共に検出する。前記２点の軸トルク振幅値Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)と、その時の時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtは演算器１１に送られ、軸トルク振幅値２点Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)、それらの時刻ｔｉ，ｔｉ＋δt、及び予め計算され記憶器１０に記憶されたねじり１次固有角振動数ωｎ１を用いて（数１３）の関係から演算器１１で同期電動機始動時ねじり１次モード減衰比ζ1を求める。この１次モード減衰比ζ1を用いて（数６）の関係から演算器１１により、始動時の軸トルクの繰返し回数ｎＬを求める。この繰返し回数ｎＬを演算器１１で累積し、予め記憶器１０に記憶されている、検出された最大トルク振幅値に対応する軸材質の許容繰返し回数ＮｆＬとを比較し、寿命までの残り繰返し回数の情報を寿命状態表示器１２に送信することで、該表示器１２にはその情報が表示される構成としている。
【実施例２】
【００５５】
図６及び図７により本発明の実施例２を説明する。上記実施例１のものでは、軸トルクを測定するために軸トルク検出器７を備えているが、この軸トルク検出器７は、歪ゲージにより測定するもの、或いはカップリング上の２点のねじり位相を測定するもので説明した。しかし、それらの検出器は回転するカップリング５に取付ける必要があり、運用面及び費用面を考慮すると、必ずしも最良のものとは言えない。
【００５６】
本実施例は、歯車変速機を持つ同期電動機駆動回転機械に本発明を適用した場合の実施例で、軸トルクの影響が軸振動に現れる歯車軸振動の振幅を測定して軸トルクを間接的に検出する例を説明する。本実施例によれば回転する部品に直接軸トルク検出器を取付ける必要がなく、実用的にはより便利なものである。
【００５７】
図６は本発明の実施例２に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を示す模式図で、この図６において図５と同一符号を付した部分は同一又は相当する部分を示す。同期電動機２の回転は、歯車変速機２０を介して回転機械３に伝達される。即ち、歯車変速機２０は大きな歯車をもつ低速軸２１と、この低速軸の歯車と噛合う小さな歯車をもつ高速軸２２とを備えている。同期電動機２の軸４は低速軸カップリング５ａを介して前記歯車変速機２０の低速軸２１と接続されている。また、回転機械３の軸６は高速軸カップリング５ｂを介して歯車変速機２０の高速軸２２と接続されている。同期電動機２の回転は、軸４、低速軸カップリング５ａ、歯車変速機２０の低速軸２１、歯車噛合い部２３、歯車変速機２０の高速軸２２、高速軸カップリング５ｂ、軸６を介して負荷回転機械３に伝達される。前記歯車変速機２０の低速軸２１と高速軸２２とは前記噛合い部２３で接線力を及ぼし合うことでトルクを伝達する。伝達されるトルクが変動している場合、その変動は歯車変速機２０の低速軸２１及び高速軸２２の軸振動に現れる。従って、低速軸２１及び高速軸２２の軸振動の周波数、振幅を検出することは、軸を捩るトルクの周波数と、トルク振幅に関係する値を検出することになる。
【００５８】
そこで、本実施例では、歯車変速機２０の低速軸２１に向けて、渦電流式等の非接触の軸振動検出器２４を設け、低速軸２１の軸振動を信号として検出し、この信号を軸振動信号処理・表示器９ａに送るようにしている。三相交流電源１から同期電動機２に電力が供給されて始動すると、軸振動検出器２４で検出した軸振動の信号は軸振動信号処理・表示器９ａに送られ、この軸振動信号処理・表示器９ａは歯車変速機２０の低速軸２１から得た軸振動信号を軸振動振幅値に換算する。
【００５９】
ここで、同期電動機２の発生トルクとねじり１次固有振動数との共振時付近での停留点（軸振動振幅の時間変化量が正から負になる点）の２点の軸振動振幅値Ａ(ｔｉ)，Ａ(ｔｉ＋δt)を、それらの測定した時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtと共に検出する。軸振動振幅の値Ａ(ｔｉ)，Ａ(ｔｉ＋δt)と、その時の時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtを演算器１１に送り、演算器１１では予め計算され記憶器１０に記憶されているねじり１次固有振動数での軸振動振幅と軸トルクとの関係の比例係数Ｇｆ＝ｆｎ１（＝軸トルク値/軸振動値）を用いて、軸振動振幅値２点Ａ(ｔｉ)，Ａ(ｔｉ＋δt)を軸トルク値Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)に変換する。この変換で得られた２点の軸トルク振幅値Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)と、それらの時刻ｔｉ，ｔｉ＋δt、及び予め計算し記憶器１０に記憶されたねじり１次固有角振動数ωｎ１を用いて、（数１３）の関係から演算器１１により同期電動機始動時のねじり１次モード減衰比ζ1を求める。この１次モード減衰比ζ1を用い、（数６）の関係から演算器１１により、始動時の軸トルクの繰返し回数ｎＬを求める。この繰返し回数ｎＬを演算器１１で累積し、予め記憶器１０に記憶されている、検出された最大トルク振幅に対応する軸材質の許容繰返し回数ＮｆＬと比較し、寿命までの残り繰返し回数の情報を表示器１２に送信し、表示器１２はその情報を表示する。
【００６０】
前記軸振動検出器２４の設置に関して、図７により更に詳しく説明する。前記軸振動検出器２４として、本実施例では、垂直方向に設けられた軸振動検出器２４ａと、ここから周方向に９０度ずれた水平方向に設けけられた軸振動検出器２４ｂとを設けている。前記軸振動検出器２４ａでは主に垂直方向の軸振動を検出し、軸振動検出器２４ｂは主に水平方向の軸振動を検出する。軸振動は、不釣合い力による振動成分が支配的であるが、不釣合い力による振動は軸受剛性の低い水平方向の振動が大きくなる傾向がある。これに対し、軸トルクによる振動成分は歯車の歯面に働く力Ｆｎの主成分である垂直方向の力Ｆｔによる軸振動として現れ易い。従って、主に垂直方向の軸振動を検出する軸振動検出器２４ａからの信号を用いることにより、不釣合い力による振動の影響が小さい状況で、容易にねじりの固有振動数の成分を検出することが可能となる。なお、図７のＦｒは、歯車の歯面に働く力Ｆｎの水平方向成分の力である。
【００６１】
上記実施例２では、軸振動検出器２４は低速軸２１に向けられて低速軸２１の軸振動を検出しているが、歯車変速機２０の高速軸２２に軸振動検出器２４を向けて、高速軸２２の軸振動を検出することでも同様にトルク変動の検出は可能である。また、軸振動検出器２４として垂直方向と水平方向に軸振動検出器２４ａ，２４ｂを設けた例を示したが、これらのうち何れか一つでも良く、更に前記垂直方向及び水平方向以外の箇所に軸振動検出器を１つ以上設けるようにしても良い。
【００６２】
以上述べた各実施例によれば、一定速同期電動機を駆動機として用いた回転機械の始動時のねじり１次固有振動数との共振による軸トルク増大に対して、電動機始動時の２点の時刻での軸トルクを測定或いは間接的に求めるだけで、適切な強度寿命評価が可能となる。従って、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる効果がある。
【００６３】
なお、上述した実施例では、電動機始動時の共振時付近での２点の時刻での軸トルク振幅値を測定して行う例について説明したが、３点以上測定するようにしても良い。更に、測定する軸トルク振幅の停留点として、軸トルク振幅の変化量が正から負になる点を測定する例で説明したが、軸トルク振幅の変化量が負から正になる点を測定するようにしても本発明は同様に実施可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 三相交流電源
２ 同期電動機
３ 回転機械
４ 同期電動機の軸
５ カップリング（５ａ：低速軸カップリング、５ｂ：高速軸カップリング）
６ 負荷回転機械軸
７ 軸トルク検出器（軸トルク検出手段）
８ 軸トルク信号受信器
９ 軸トルク信号処理・表示器（軸トルク信号処理手段）
９ａ 軸振動信号処理・表示器（軸振動信号処理手段）
１０ 記憶器
１１ 演算器（演算手段）
１２ 寿命状態表示器
２０ 歯車変速機
２１ 歯車変速機の低速軸
２２ 歯車変速機の高速軸
２３ 歯車噛み合い部
２４，２４ａ，２４ｂ 軸振動検出器（軸振動検出手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一定速同期電動機を駆動機として用いた同期電動機駆動回転機械及びその寿命評価方法に関し、特にターボ圧縮機などの大型の回転機械に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機などの大型の回転機械の駆動機としては、特に大型の交流電動機として比較的効率の良い同期電動機を用いることが多い。しかし、一定速の同期電動機を用いた場合、これを始動して加速する際には電動機回転速度Ｎに関係する周波数をもつトルク（変動トルク）を発生することが知られている。次式はこのトルクの周波数ｆｅｘを表す式である。
【０００３】
【数１】
【０００４】
ここで：ｆｅｘは同期電動機発生トルク周波数[Hz]、ｆｓ は同期電動機すべり周波数（電気角）[Hz]、ｆｌは電源周波数[Hz]、Ｐは同期電動機極数、Nはロータ回転速度（機械角）[min-1]である。
【０００５】
図１は、ある同期電動機駆動回転機械の始動時における軸回転速度（細線で示す）と同期電動機に発生する変動トルク周波数（太線で示す）の時間経過に対する変化を示す線図で、横軸は同期電動機の始動からの経過時間、縦軸は周波数（変動トルク周波数及び軸回転速度を示す周波数）である。同期電動機が発生する変動トルクは、駆動機を含めた回転機械が形成するねじり振動系を加振するトルク（加振トルク）として働き、前記ねじり振動系の固有振動数と前記加振トルクの周波数（変動トルク周波数）が一致する共振時には振動振幅値が増大する。即ち、前記同期電動機駆動回転機械のねじり振動系の１次固有振動数が２０Ｈｚである場合について説明すると、電動機始動後発生する変動トルク周波数が２０Ｈｚに達するまでの時間経過は７．８秒である。
【０００６】
図２は、前記回転機械の場合における軸トルク変動量の変化を始動からの時間経過と共に示す線図で、この図において、横軸は同期電動機の始動からの経過時間、縦軸は軸トルク変動量である。電動機始動後７．８秒経過すると、同期電動機が発生する変動トルク周波数が前記ねじり振動系の１次固有振動数と一致する２０Ｈｚに達するため共振し、図２に示すように、軸トルク変動量は７．８秒付近で大きく増大していることがわかる。
【０００７】
特許文献１に示す従来技術には、この変動トルクを利用して積極的にねじり振動系の固有振動数と共振させてトルク振幅を増大させ、これによって同期回転速度への引き込みを助長する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１８６２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示すように、ねじり振動系と共振させてトルク振幅を増大させることは回転機械を損傷して寿命を縮める可能性を高める。
【００１０】
上述したように、従来の同期電動機駆動回転機械においては、始動時に共振が発生して軸トルクが大きく変動するため、この軸トルク変動量が回転機械の寿命に影響する。このため、共振時の軸トルク変動に対する回転機械の強度評価を行うことが重要であった。即ち、図２に示すように、始動時のねじり振動系の固有振動数を通過する時にのみに回転機械の軸トルクの振幅値が大きく、振幅値のピークは前記固有振動数を通過する毎に前記固有振動数の周期で繰返すので、この現象に対する適切な強度評価（寿命評価）が望まれていた。しかし、従来は、前記強度評価に対する適切な手法がなく、過大評価になったり過小評価になっていた。
【００１１】
例えば、１回の始動における前記振幅値のピークでの繰返し回数を経験的に決め、このピークでの最大振幅値が始動の度に前記繰返し回数だけ繰返されるという疲労強度評価法があるが、前記繰返し回数の決め方によっては過大評価になり過ぎることが問題となる。
【００１２】
また、従来の他の強度評価方法としては、マイナー則（Miner’s Rule）による評価法も知られている。この手法は、前記振幅値のピークにおける全ての振幅値に対する寿命回数とその回数割合の総和を取り、繰返し寿命を求める方法である。即ち、Ｓ−Ｎ線図（各部品レベルに対して一定振幅の正弦波状繰返し応力を疲労破壊するまで加えたときの応力振幅と破損までの繰返し回数の関係を示す線図）により、材料の各応力毎に寿命回数となる繰返し回数がわかるが、材料に実際にかかる応力が一定応力の繰返しではなく変化する場合、それぞれの応力σｉレベルでの繰返し回数をｎｉ、その応力σｉレベルで寿命回数となる繰返し回数をNfｉとすると、次の条件に達したときに材料が破壊すると考え、次式で判定する方法である。
【００１３】
【数２】
【００１４】
この評価方法は強度評価法としては信頼性が高いものの、１つ１つのピーク振幅とその回数を数える必要があり、手間がかかり過ぎるために現実的ではなく、実用化は困難だった。
【００１５】
本発明の目的は、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる機能を備えた同期電動機駆動回転機械を得ることにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる同期電動機駆動回転機械の寿命予測方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段と、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段を備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の特徴は、一定速の同期電動機と、この同期電動機の駆動力を歯車変速機を介して回転機械に伝達するようにした同期電動機駆動回転機械において、前記歯車変速機の軸の軸振動を検出する軸振動検出器と、該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段と、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸振動振幅値の停留点での当該軸振動振幅と、前記共振点における軸振動振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸振動振幅値の停留点での軸振動振幅値とから、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクの関係を用いて、前記各停留点における軸トルク振幅値を求め、共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段を備えていることにある。
【００１９】
ここで、前記軸振動検出器は、前記歯車変速機の軸に近接して垂直方向に設けられた垂直方向軸振動検出器と、前記軸の水平方向に設けられた水平方向軸振動検出器とを備え、前記垂直方向軸振動検出器からの信号を用いて前記軸振動振幅値から前記軸トルク振幅値を求めるようにすると良い。
【００２０】
本発明の更に他の特徴は、一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり振動系の固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求める手段と、前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求める手段と、これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測する演算手段を備えていることにある。
【００２１】
ここで、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段とを備えることで、前記軸トルク振幅値を求めることができる。
【００２２】
また、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸振動を検出するための軸振動検出手段と、該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段とを備え、前記演算装置は、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクとの関係を用いて、前記軸振動振幅値を前記軸トルク振幅値として求めることも可能である。
【００２３】
本発明の更に他の特徴は、一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求めると共に、前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求め、これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測する同期電動機駆動回転機械の寿命評価方法にある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、同期電動機駆動回転機械の始動時のねじり振動系の共振による軸トルク増大に対して、前記共振時の例えば２点の時刻での軸トルクを測定するだけで強度寿命評価が可能となるから、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】同期電動機駆動回転機械の始動時における軸回転速度と同期電動機に発生する変動トルクの周波数の変化を、時間経過に対して示す線図。
【図２】図１で説明した回転機械における軸トルク変動量の変化を始動からの時間経過と共に示す線図。
【図３】図２のねじり振動系の１次固有振動数での共振時付近を拡大して示す線図。
【図４】炭素鋼のせん断応力に対するＳ−Ｎ線図。
【図５】本発明の実施例１に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を説明する模式図。
【図６】本発明の実施例２に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を示す模式図。
【図７】図６に示す歯車変速機の歯車噛合い部付近を拡大して示す模式図で、軸振動検出器の設置形態を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
まず、本実施例の基本的な点を説明する。本実施例は、普遍的かつ簡便な方法で、軸トルクの振幅の減衰を考慮すると共に、Miner’s ruleを準えた形で振幅を考慮した繰返し数を次のようにして求めるものである。
【００２７】
即ち、一定速同期電動機駆動回転機械のねじり振動系の１次固有振動数前後での加振によるトルク振幅の変化を比例減衰の仮定を用い、振動する周波数は固有振動数に固定して対数減衰すると仮定する。図２に示すねじり振動系の１次固有振動数（以下、ねじり１次固有振動数と称す）での共振時付近を拡大して示す図３のように、固有振動数でのトルクのピーク振幅を起点として振幅＝０まで漸近するとして振幅の包絡線を無限時間で積分すると、次式となる。
【００２８】
【数３】
【００２９】
ここで、Ｔｍａｘはトルクの最大振幅、ζ1は始動時ねじり1次モード減衰比、ωｎｌはねじり１次固有振動数である。（数３）において、回転機械の円柱形状の軸のトルクを考えると、軸トルクと軸部の最大応力は比例するため、もし材質の応力と寿命回数の逆数の関係が次の（数４）のように線形関係で表される場合、前記（数３）で求めた値を応力に対応させた値がMiner’s ruleと等価な寿命評価と見なせる。
【００３０】
【数４】
【００３１】
ここで、Ｎｆは寿命回数、σは応力（∝トルク）、Ｃ１は定数である。
【００３２】
つまり、振幅減衰の時定数Δtは（数５）となるため、振幅をＴｍａｘ、ピーク回数を数える時間を両側対称と仮定して減衰の時定数を２倍し２Δtとすることは電動機始動から全時間領域でMiner’s ruleを包絡線で連続考慮したことと等価に近似したと見なせる。
【００３３】
【数５】
【００３４】
この１回の始動での繰返し回数ｎＬは、（数６）で表せる。
【００３５】
【数６】
【００３６】
しかし、一般的に、材質の応力と寿命回数の関係は（数４）の関係にはならないため、（数３）は次式の（数７）のように補正することになる。
【００３７】
【数７】
【００３８】
ここで、ｈ(σ(t))は影響係数である。この影響係数ｈ(σ(t))は応力の変化によって（数４）の関係からの寿命回数Ｎｆのずれを考慮するものである。応力は一般的に時間により変化するため、影響係数ｈ(σ(t))も時間により変化し、（数７）の積分から除外することはできない。このままでは不便であるため影響係数ｈ(σ(t))を時間的に一定とする次のような平均化を行う。
【００３９】
即ち、測定された最大トルクに対応する最大応力をσｍａｘとする。繰り返し数が１０３の場合の寿命回数Ｎｆ１０３を基準として最大応力σｍａｘでの影響係数ｈｍａｘを次の（数８）〜（数１０）の規則により決める。
【００４０】
【数８】
【００４１】
【数９】
【００４２】
【数１０】
【００４３】
ここで、σ１０３は繰り返し数１０３に対応する応力、σ１０６は繰り返し数１０６に対応する応力である。また、（数９）のβ及び（数１０）のγは次のように与えられる。
β＝（σｍａｘ−σ１０３）/α
γ＝（σ１０６−σ１０３）/α
（ここで、「α＝（σ１０３−σ１０６）／３」であり、αは軸材質のＳ−Ｎ線図から得られる定数。）
また、σ１０６での影響係数ｈ１０６は（数１０）のｈｍａｘと同じ値とする。影響係数h(σ(t))は繰返し数１０３の場合の寿命回数Ｎｆ１０３を基準とした場合、σ１０３或いはそれ以上の応力で１となり、この値が上限となる。（数７）に示す全積分区間での平均の影響係数ｈｍｅａｎを考えると、対数平均を取り、次の（数１１）で表す。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
平均の影響係数ｈｍｅａｎは積分区間の時間に対して一定であり、積分から除外できるため、（数式７）の値は「ｈｍｅａｎΔｔ＝ｈｍｅａｎ/(ζ1ωn1)」となる。
【００４６】
ここで、最も保守的（安全）な例として「ｈｍｅａｎ＝１」とした場合を考え、「ζ＝０．０３」とすると、繰返し数ｎＬは１回の始動で１０．６１回であり、始動回数を毎日１回とすると、繰返し数ｎＬは1年間で３８７３回である。これをＳ−Ｎ線図により強度評価を行うと次のようになる。例えば、回転機械の最小強度部の炭素鋼の中実の軸径を５６ｍｍ、軸トルクの共振時の最大値を６０００Ｎｍとした場合を考える。
【００４７】
中実軸部の最大せん断応力τmaxは軸表面であり、次式で求められる。
【００４８】
【数１２】
【００４９】
ここで、Ｔは軸トルク、Dは軸外径である。
この式から最大せん断応力τmaxは「１．７４×１０６Ｐａ」となる。 最大せん断応力τmaxに対応する許容繰返し回数Ｎｆは、図４に示す炭素鋼のせん断応力に対するＳ−Ｎ線図から１０５回となるのがわかる。よって、この回転機械が毎回同様の条件で始動を繰返す場合、この回転機械の最小強度部の寿命は、２５．８年と推定することができる。
【００５０】
以上の方法で回転機械の寿命を推定できるが、１回の始動での繰返し回数ｎＬを求める際の始動時ねじり１次モード減衰比ζ1を求める方法を次に説明する。
【００５１】
モード減衰比の検出方法は、１次ねじり固有振動数を電動機加振トルクが通過後（最大振幅を通過後）、始動時のある時刻ｔｉと、そこからある時間間隔δtをおいた２点の停留点「（Ｔ（ｔｉ）′＝０、 Ｔ（ｔｉ＋δt）′＝０）」での軸トルクの値を測定することで次式により求めることができる。
【００５２】
【数１３】
【００５３】
因みに、最大振幅に到達する時の電動機ロータの回転速度は（数１）と、予め計算により求めたねじり１次固有振動数からわかっている。また、ある時間間隔δtは必ずしもねじり固有振動数の周期の倍数である必要はない。
以下、本発明の同期電動機駆動回転機械の具体的実施例を図５〜図７を用いて説明する。
【実施例１】
【００５４】
図５は本発明の実施例１に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を説明する模式図である。図において、１は三相交流電源、２は電源１からの三相交流電力が供給されることで始動する一定速の同期電動機、３は、例えば多段の大型遠心圧縮機や遠心ポンプ、スクリュー圧縮機、ブロワなどの回転機械であり、この回転機械３は軸４，６及びカップリング５を介して前記同期電動機２に接続されて駆動される。前記カップリング５には軸トルクを検出するための非接触の軸トルク検出器７が取り付けられている。この軸トルク検出器７は歪ゲージにより測定するものや、カップリング上の２点のねじり位相を測定するものなどがある。軸トルク検出器７が検出した軸トルクの信号は、静止側の軸トルク信号受信器８に送られる。軸トルク信号受信器８は軸トルクの信号を軸トルク信号処理・表示器９に送信し、この軸トルク信号処理・表示器９は軸トルク信号受信器８から得た軸トルク信号を軸トルク振幅値に換算する。この際、同期電動機の発生トルクとねじり１次固有振動数との共振時付近での停留点（軸トルク振幅の時間変化量が正から負になる点）の軸トルク振幅値を２点Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)を、それらを測定した時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtと共に検出する。前記２点の軸トルク振幅値Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)と、その時の時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtは演算器１１に送られ、軸トルク振幅値２点Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)、それらの時刻ｔｉ，ｔｉ＋δt、及び予め計算され記憶器１０に記憶されたねじり１次固有角振動数ωｎ１を用いて（数１３）の関係から演算器１１で同期電動機始動時ねじり１次モード減衰比ζ1を求める。この１次モード減衰比ζ1を用いて（数６）の関係から演算器１１により、始動時の軸トルクの繰返し回数ｎＬを求める。この繰返し回数ｎＬを演算器１１で累積し、予め記憶器１０に記憶されている、検出された最大トルク振幅値に対応する軸材質の許容繰返し回数ＮｆＬとを比較し、寿命までの残り繰返し回数の情報を寿命状態表示器１２に送信することで、該表示器１２にはその情報が表示される構成としている。
【実施例２】
【００５５】
図６及び図７により本発明の実施例２を説明する。上記実施例１のものでは、軸トルクを測定するために軸トルク検出器７を備えているが、この軸トルク検出器７は、歪ゲージにより測定するもの、或いはカップリング上の２点のねじり位相を測定するもので説明した。しかし、それらの検出器は回転するカップリング５に取付ける必要があり、運用面及び費用面を考慮すると、必ずしも最良のものとは言えない。
【００５６】
本実施例は、歯車変速機を持つ同期電動機駆動回転機械に本発明を適用した場合の実施例で、軸トルクの影響が軸振動に現れる歯車軸振動の振幅を測定して軸トルクを間接的に検出する例を説明する。本実施例によれば回転する部品に直接軸トルク検出器を取付ける必要がなく、実用的にはより便利なものである。
【００５７】
図６は本発明の実施例２に係わる一定速同期電動機を駆動機とする回転機械の構成を示す模式図で、この図６において図５と同一符号を付した部分は同一又は相当する部分を示す。同期電動機２の回転は、歯車変速機２０を介して回転機械３に伝達される。即ち、歯車変速機２０は大きな歯車をもつ低速軸２１と、この低速軸の歯車と噛合う小さな歯車をもつ高速軸２２とを備えている。同期電動機２の軸４は低速軸カップリング５ａを介して前記歯車変速機２０の低速軸２１と接続されている。また、回転機械３の軸６は高速軸カップリング５ｂを介して歯車変速機２０の高速軸２２と接続されている。同期電動機２の回転は、軸４、低速軸カップリング５ａ、歯車変速機２０の低速軸２１、歯車噛合い部２３、歯車変速機２０の高速軸２２、高速軸カップリング５ｂ、軸６を介して負荷回転機械３に伝達される。前記歯車変速機２０の低速軸２１と高速軸２２とは前記噛合い部２３で接線力を及ぼし合うことでトルクを伝達する。伝達されるトルクが変動している場合、その変動は歯車変速機２０の低速軸２１及び高速軸２２の軸振動に現れる。従って、低速軸２１及び高速軸２２の軸振動の周波数、振幅を検出することは、軸を捩るトルクの周波数と、トルク振幅に関係する値を検出することになる。
【００５８】
そこで、本実施例では、歯車変速機２０の低速軸２１に向けて、渦電流式等の非接触の軸振動検出器２４を設け、低速軸２１の軸振動を信号として検出し、この信号を軸振動信号処理・表示器９ａに送るようにしている。三相交流電源１から同期電動機２に電力が供給されて始動すると、軸振動検出器２４で検出した軸振動の信号は軸振動信号処理・表示器９ａに送られ、この軸振動信号処理・表示器９ａは歯車変速機２０の低速軸２１から得た軸振動信号を軸振動振幅値に換算する。
【００５９】
ここで、同期電動機２の発生トルクとねじり１次固有振動数との共振時付近での停留点（軸振動振幅の時間変化量が正から負になる点）の２点の軸振動振幅値Ａ(ｔｉ)，Ａ(ｔｉ＋δt)を、それらの測定した時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtと共に検出する。軸振動振幅の値Ａ(ｔｉ)，Ａ(ｔｉ＋δt)と、その時の時刻ｔｉ，ｔｉ＋δtを演算器１１に送り、演算器１１では予め計算され記憶器１０に記憶されているねじり１次固有振動数での軸振動振幅と軸トルクとの関係の比例係数Ｇｆ＝ｆｎ１（＝軸トルク値/軸振動値）を用いて、軸振動振幅値２点Ａ(ｔｉ)，Ａ(ｔｉ＋δt)を軸トルク値Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)に変換する。この変換で得られた２点の軸トルク振幅値Ｔ(ｔｉ)，Ｔ(ｔｉ＋δt)と、それらの時刻ｔｉ，ｔｉ＋δt、及び予め計算し記憶器１０に記憶されたねじり１次固有角振動数ωｎ１を用いて、（数１３）の関係から演算器１１により同期電動機始動時のねじり１次モード減衰比ζ1を求める。この１次モード減衰比ζ1を用い、（数６）の関係から演算器１１により、始動時の軸トルクの繰返し回数ｎＬを求める。この繰返し回数ｎＬを演算器１１で累積し、予め記憶器１０に記憶されている、検出された最大トルク振幅に対応する軸材質の許容繰返し回数ＮｆＬと比較し、寿命までの残り繰返し回数の情報を表示器１２に送信し、表示器１２はその情報を表示する。
【００６０】
前記軸振動検出器２４の設置に関して、図７により更に詳しく説明する。前記軸振動検出器２４として、本実施例では、垂直方向に設けられた軸振動検出器２４ａと、ここから周方向に９０度ずれた水平方向に設けけられた軸振動検出器２４ｂとを設けている。前記軸振動検出器２４ａでは主に垂直方向の軸振動を検出し、軸振動検出器２４ｂは主に水平方向の軸振動を検出する。軸振動は、不釣合い力による振動成分が支配的であるが、不釣合い力による振動は軸受剛性の低い水平方向の振動が大きくなる傾向がある。これに対し、軸トルクによる振動成分は歯車の歯面に働く力Ｆｎの主成分である垂直方向の力Ｆｔによる軸振動として現れ易い。従って、主に垂直方向の軸振動を検出する軸振動検出器２４ａからの信号を用いることにより、不釣合い力による振動の影響が小さい状況で、容易にねじりの固有振動数の成分を検出することが可能となる。なお、図７のＦｒは、歯車の歯面に働く力Ｆｎの水平方向成分の力である。
【００６１】
上記実施例２では、軸振動検出器２４は低速軸２１に向けられて低速軸２１の軸振動を検出しているが、歯車変速機２０の高速軸２２に軸振動検出器２４を向けて、高速軸２２の軸振動を検出することでも同様にトルク変動の検出は可能である。また、軸振動検出器２４として垂直方向と水平方向に軸振動検出器２４ａ，２４ｂを設けた例を示したが、これらのうち何れか一つでも良く、更に前記垂直方向及び水平方向以外の箇所に軸振動検出器を１つ以上設けるようにしても良い。
【００６２】
以上述べた各実施例によれば、一定速同期電動機を駆動機として用いた回転機械の始動時のねじり１次固有振動数との共振による軸トルク増大に対して、電動機始動時の２点の時刻での軸トルクを測定或いは間接的に求めるだけで、適切な強度寿命評価が可能となる。従って、同期電動機駆動回転機械の寿命予測を信頼性が高く且つ容易に行うことができる効果がある。
【００６３】
なお、上述した実施例では、電動機始動時の共振時付近での２点の時刻での軸トルク振幅値を測定して行う例について説明したが、３点以上測定するようにしても良い。更に、測定する軸トルク振幅の停留点として、軸トルク振幅の変化量が正から負になる点を測定する例で説明したが、軸トルク振幅の変化量が負から正になる点を測定するようにしても本発明は同様に実施可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 三相交流電源
２ 同期電動機
３ 回転機械
４ 同期電動機の軸
５ カップリング（５ａ：低速軸カップリング、５ｂ：高速軸カップリング）
６ 負荷回転機械軸
７ 軸トルク検出器（軸トルク検出手段）
８ 軸トルク信号受信器
９ 軸トルク信号処理・表示器（軸トルク信号処理手段）
９ａ 軸振動信号処理・表示器（軸振動信号処理手段）
１０ 記憶器
１１ 演算器（演算手段）
１２ 寿命状態表示器
２０ 歯車変速機
２１ 歯車変速機の低速軸
２２ 歯車変速機の高速軸
２３ 歯車噛み合い部
２４，２４ａ，２４ｂ 軸振動検出器（軸振動検出手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、
前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、
前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段と、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段
を備えていることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項２】
一定速の同期電動機と、この同期電動機の駆動力を歯車変速機を介して回転機械に伝達するようにした同期電動機駆動回転機械において、
前記歯車変速機の軸の軸振動を検出する軸振動検出器と、
該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段と、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸振動振幅値の停留点での当該軸振動振幅と、前記共振点における軸振動振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸振動振幅値の停留点での軸振動振幅値とから、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクの関係を用いて、前記各停留点における軸トルク振幅値を求め、共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段
を備えていることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項３】
請求項２において、前記軸振動検出器は、前記歯車変速機の軸に近接して垂直方向に設けられた垂直方向軸振動検出器と、前記軸の水平方向に設けられた水平方向軸振動検出器とを備え、前記垂直方向軸振動検出器からの信号を用いて前記軸振動振幅値から前記軸トルク振幅値を求めるようにしたことを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項４】
一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり振動系の固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求める手段と、
前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求める手段と、
これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測する演算手段
を備えていることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項５】
請求項４において、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段とを備えることで、前記軸トルク振幅値を求めることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項６】
請求項４において、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸振動を検出するための軸振動検出手段と、該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段とを備え、
前記演算装置は、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクとの関係を用いて、前記軸振動振幅値を前記軸トルク振幅値として求めることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項７】
一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求めると共に、
前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求め、
これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、
この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測することを特徴とする同期電動機駆動回転機械の寿命評価方法。
【請求項１】
一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、
前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、
前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段と、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段
を備えていることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項２】
一定速の同期電動機と、この同期電動機の駆動力を歯車変速機を介して回転機械に伝達するようにした同期電動機駆動回転機械において、
前記歯車変速機の軸の軸振動を検出する軸振動検出器と、
該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段と、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振点における軸振動振幅値の停留点での当該軸振動振幅と、前記共振点における軸振動振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸振動振幅値の停留点での軸振動振幅値とから、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクの関係を用いて、前記各停留点における軸トルク振幅値を求め、共振点における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値と、前記共振点における軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振点付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値とから、前記共振点付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線と、応力と材質の寿命回数の関係に基づいて、軸トルク振幅値の包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、回転機械の寿命を予測する演算手段
を備えていることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項３】
請求項２において、前記軸振動検出器は、前記歯車変速機の軸に近接して垂直方向に設けられた垂直方向軸振動検出器と、前記軸の水平方向に設けられた水平方向軸振動検出器とを備え、前記垂直方向軸振動検出器からの信号を用いて前記軸振動振幅値から前記軸トルク振幅値を求めるようにしたことを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項４】
一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり振動系の固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求める手段と、
前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求める手段と、
これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測する演算手段
を備えていることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項５】
請求項４において、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸トルクを検出するための軸トルク検出手段と、前記軸トルク検出手段により検出された信号を処理し、軸トルク振幅値に換算する軸トルク信号処理手段とを備えることで、前記軸トルク振幅値を求めることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項６】
請求項４において、前記同期電動機と前記回転機械を接続する軸の軸振動を検出するための軸振動検出手段と、該軸振動検出器で検出された軸振動の信号を処理して、軸振動信号を軸振動振幅値に換算する軸振動信号処理手段とを備え、
前記演算装置は、予め記憶されている軸振動振幅値と軸トルクとの関係を用いて、前記軸振動振幅値を前記軸トルク振幅値として求めることを特徴とする同期電動機駆動回転機械。
【請求項７】
一定速の同期電動機により駆動される同期電動機駆動回転機械において、
前記同期電動機始動時の同期電動機が発生する変動トルクの周波数が、回転機械のねじり固有振動数と共振する共振時における軸トルク振幅値の停留点での当該軸トルク振幅値を求めると共に、
前記軸トルク振幅値の停留点から任意の時間経過後の前記共振時付近での軸トルク振幅値の停留点での軸トルク振幅値を求め、
これらの求められた軸トルク振幅値に基づいて前記共振時付近での軸トルク振幅値の包絡線を演算し、
この包絡線を無限時間積分して等価な繰返し回数を演算し、この繰返し回数と、応力と材質の寿命回数の関係（Ｓ−Ｎ線図）に基づいて、回転機械の寿命を予測することを特徴とする同期電動機駆動回転機械の寿命評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１２２９５２（Ｐ２０１２−１２２９５２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７５８１７（Ｐ２０１０−２７５８１７）
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]