地熱発電におけるダウンホールポンプ用モータの振動特性および最適設計

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1.実験的研究 弾性支持されたロータ(直径98mm、長さ200mm)が潤滑油を満たした弾性支持されたステータ(内径100mm)内で回転する構造の実験装置を作成した。ステータは棒バネで支持されており、異なった直径の棒バネを用いることによりステータ系の固有振動数がロータの固有振動数よりも高い場合と低い場合について実験を行った。その結果、どちらの場合もロータの回転速度がロータの固有振動数の2倍を越えるとステータ内でロータが大きく振れ回ることがわかった。また、この振れ回り速度はロータの回転速度の1/2であること、すなわちhalf frequency whirlであることが測定された。2. 理論的研究 ロータおよびステータの運動方程式を導き、この方程式から系の安定性およびロータとステータの振れ回り挙動を調べた。なお、方程式を導く際に、ロータとステータが油膜より受ける力の算出には潤滑理論を適用した。まず、運動方程式を線形化して特性方程式を導き、これにフルヴィッツの安定判別式を適用するとともに、特性方程式から安定限界でのロータの振れ回り速度を求めた。その結果、ロータの回転速度がロータあるいはステータの固有振動数の2倍で系が不安定になり、振れ回り速度は両者のうち小さい方であることがわかった。続いて、運動方程式から直接ロータおよびステータの振れ回り軌跡を求めた。これより、線形安定性解析で得られた安定限界値を越えるとロータおよびステータは大きな振れ回りを始めるが、構造減衰を考慮することにより振れ回り振幅が小さくなること、また流体の粘度を増加させることによりやはり振れ回り振幅が小さくなることがわかった。