JP2018078719A - 電機子及び電機子を搭載したブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、枕木方向（横方向）に間隔をおいて磁極を設けた極体配置を維持しつつ、レール頭部に対して十分なブレーキ力を発生させるだけの対向面積を確保することができる電機子及び電機子を搭載したブレーキ装置を提供する。【解決手段】基準線となる第１方向（イ）に間隔をおいて設けられた第１コア部材２３及び第２コア部材２４とこれらコア部材２３，２４間を連結する連結部材２５とを有する磁心２１と、該磁心２１に設置されて電流を流すことにより磁力を発生させるコイルと、を具備し、第１コア部材２３は第２コア部材２４に対して互いに平行となる位置関係に設けられていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、鉄道車両に適用される電機子及び電機子を搭載したブレーキ装置に関する。

鉄道車両の非粘着ブレーキの１つに渦電流ブレーキがある。
この鉄道車両用渦電流ブレーキは、電磁力を利用して台車とレールとの間に非接触な状態で制動力を作用させるものであり、例えば、特許文献１及び２に示される技術が知られている。

特許文献１に示される渦電流ブレーキ装置では、鉄道車両においてレールに対向する位置に配置され、供給電流に従って発生する磁界によって該レール内に渦電流を発生させるとともに、該レールに対する相対的な位置の変化に伴って起電力を生じる電磁変換部と、この電磁変換部に対して架線から前記鉄道車両に印加される電圧に基づいて前記電磁変換部に交流励磁電流を供給することにより、前記電磁変換部から印加される起電力に基づいて前記架線、又は、電力を消費若しくは貯蔵する装置に電流を供給すると共に、ブレーキ力を発生させる電力変換部と、を具備する構成である。

特許文献２に示される渦電流ブレーキ装置では、レールの長手方向に沿って該レールの上部に配置される電機子を具備する構成が示されている。

特開２００５−２７１７０４号公報 特開２０１１−１４３８３０号公報

これら特許文献１及び２に示される渦電流ブレーキ装置では、車両を減速させたい場合に、電機子の巻線に交流電流を流すことにより交流磁界を発生させる。この磁界により、電機子の一端からレール内を貫通して電機子の他端に戻る磁束が発生し、レール内に渦電流が生じる。このとき、鉄道車両の移動と共に磁束もレール内を移動するが、該レール内の渦電流は磁束の変化を妨げようとするので、結果として電機子とレールとの間にブレーキ力を生じさせる。

ところで、上記のような渦電流ブレーキ装置では、衝突を避けるためレールと電機子の間のギャップを十分に確保する必要があり、従ってレールを貫通する磁束を安定的に生じさせるために電機子のコイル間隔となる磁極ピッチを、ギャップに対応し比較的大きく設定しなければならない。
ここで、上記渦電流ブレーキ装置では、従来構造のまま磁極ピッチを短縮化することで多極化した場合には、レールを経由しない漏れ磁束が増大し、レールとの磁気結合が低下し十分なブレーキ力を生じさせることができないという問題がある。

そして、このような問題を解決するために、電機子の磁力発生部となる磁極を、枕木方向（横方向）に間隔をおいて設けた極体配置（トランスバースフラックス型）とし、レール頭部に対して幅方向に貫通する磁路を形成することで、ギャップ磁束密度の低下を防止する技術が考えられる。
しかしながら、このような枕木方向に間隔をおいて磁極を設けたトランスバースフラックス型においても、限られたレール頭部の対向領域にて、該レールの幅方向に貫通する磁路を形成する必要があることから、磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な鉄心対向面積を確保することは困難であり、この分野において新たな技術が提供されることが期待されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、枕木方向（横方向）に間隔をおいて磁極を設けた極体配置を維持し、かつレール頭部に対して磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な鉄心対向面積を確保することができる電機子及び電機子を搭載したブレーキ装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明では、基準線となる第１方向に間隔をおいて設けられた第１及び第２コア部材とこれらコア部材間を連結する連結部材とを有する磁心と、該磁心に設けられて電流を流すことにより磁力を発生させるコイルと、を具備し、前記第１コア部材は前記第２コア部材に対して互いに平行となる位置関係に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、第１方向に間隔をおいて設けられた第１及び第２コア部材とこれらコア部材間を連結する連結部材とを有する磁心において、第１コア部材を、第２コア部材に対して平行となるように位置をずらして設置した。
これにより本発明では、第１及び第２コア部材の基準線となる第１方向を、レールを支持するレール枕木の長さ方向に一致させるように電機子を設けることで、コイルへの通電により生じる磁束を、レール頭部に対して斜めに通過させることができる。これにより、レール頭部に対して磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な対向面積を確保することが可能となる。

また、本発明では、前記第１及び第２コア部材とこれらを連結する連結部材とからなる磁心が、一定の設置間隔を有するように複数組設けられることを特徴とする。

そして、上記発明によれば、第１及び第２コア部材とこれらを連結する連結部材とからなる磁心が、一定の設置間隔を有するように複数組設けられているので、磁力を発生させる電機子を多極化することができる。

また、本発明では、前記第１及び第２コア部材は、前記第１方向と直交する第２方向に沿うように配置されており、前記コイルは、前記第２方向に沿う軸線を中心として第１及び第２コア部材の周囲にそれぞれ巻回されていることを特徴とする。

そして、上記発明によれば、第１及び第２コア部材が第１方向と直交する第２方向に沿うように配置され、磁心に設置されるコイルが、第２方向に沿う軸線を中心としてこれら第１及び第２コア部材の周囲にそれぞれ巻回される構成であるので、これら第１及び第２コア部材の端部位置にて磁極を形成することができる。
これにより本発明では、コイルへの通電により生じる磁極からの磁束を、レール頭部に対して斜めに通過させることができ、該レール頭部に対して磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な対向面積を確保することが可能となる。

また、本発明では、前記連結部材は前記第１方向と交差する第３方向に沿うように配置され、前記コイルは、前記第３方向に沿う軸線を中心として前記連結部材の周囲に巻回されていることを特徴とする。

そして、上記発明によれば、連結部材が第１方向と交差する第３方向に沿うように配置され、磁心に設置されるコイルが、第３方向に沿う軸線を中心として連結部材の周囲に巻回される構成であるので、該第１及び第２コア部材の端部位置にて、磁極を形成することができる。
これにより本発明では、コイルへの通電により生じる磁極からの磁束を、レール頭部に対して斜めに通過させることができ、該レール頭部に対して極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な鉄心対向面積を確保することが可能となる。

また、本発明では、前記第１及び第２コア部材とその連結部材とからなる磁心は、互いに隣接する三組を単位とし、その単位を形成する組のコイルに三相交流電圧を印加することを特徴とする。

そして、上記発明によれば、第１及び第２コア部材とその連結部材とからなる磁心が、互いに隣接する三組を単位とし、その単位を形成する組のコイルに三相交流電圧を印加するようにした。これにより進行方向への移動磁界を正弦波状に近づけることができる。

また、本発明は、上記記載の電機子が鉄道車両に搭載され、該電機子がレールの上方位置に配置されるブレーキ装置であって、前記電機子は、前記第１及び第２コア部材の基準線となる第１方向を、前記レールを支持するレール枕木の長さ方向に沿うように設けられることを特徴とする。

そして、上記発明によれば、電機子における、第１及び第２コア部材の基準線となる第１方向を、レールを支持するレール枕木の長さ方向に沿うように設けることで、コイルへの通電により生じる磁束を、レール頭部に対して斜めに通過させることができ、該レール頭部に対して十分なブレーキ力を発生させるだけの対向面積を確保することが可能となる。

本発明によれば、レール頭部に対して十分なブレーキ力を発生させるだけの対向面積を確保することが可能となる。

また、本発明によれば、電機子の極数を一定とした場合、従来構造の電機子と比較し、レールと電機子の間のギャップを広げても、所定のギャップ磁束密度を確保することが可能となる。

また、本発明によれば、レールと電機子の間のギャップを一定とした場合、従来構造の電機子と比較し、電機子の極ピッチを縮小しても、所定のギャップ磁束密度を確保することが可能となる。

本発明のブレーキ装置が適用される列車台車を示す図である。 本発明のブレーキ装置に係る電機子を下側から見た斜視図である。 図２の電機子に適用される磁心を示す斜視図である。 図２の電機子を下側から見た斜視図である。 図２の電機子の下面図である。 図２の電機子の部分拡大図である。 本発明のブレーキ装置にて発生したレール頭部上の磁界を示す図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はその平面図である。 本発明の第１実施形態に係る電機子の作用を示す概略構成図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は図８（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図である。 本発明の第２実施形態に係る電機子の作用を示す概略構成図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は図９（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るブレーキ装置及びその周辺部分を示す図である。ブレーキ装置は、各レールＲに対向するように配置された電機子１１が電磁変換部として設けられている。
これらの電機子１１は、コア部材に形成された複数の溝に巻線を巻いて構成された直線状の電磁石（後述する）であり、車輪１を回転可能に支持する台車２の下部にてレールＲの頭部ＲＡに対向するように設置されている。レールＲとしては、従来の鉄道軌道をそのまま使用することができるので、何も変更する必要はない。

次に、図２を参照しながら、本実施形態に係るブレーキ装置の基本的な原理について説明する。なお、図２においては、説明を簡単にするために、片側の電機子１１のみが示されている。
図１及び図２を参照すると、台車２及びその上に取り付けられた客室等を含む鉄道車両は、レールＲ上を走行することにより、運動エネルギーを蓄積している。本実施形態においては、走行速度を減少させたい場合に、電機子１１の巻線に交流電流を流すことにより交流磁界を発生させる。この磁界により、電機子１１の一端の磁極１２からレールＲ内を貫通して電機子１１の他端の磁極１３に戻る磁束が発生し、レールＲ内に渦電流が生じる。
そして、鉄道車両の移動と共に磁束もレールＲ内を移動するが、レールＲ内の渦電流は磁束の変化を妨げようとするので、電機子１１とレールＲとの間にブレーキ力が生じる。

なお、本実施形態に示される電機子１１では、電機子１１の各側において互いに隣接する三組の磁極１２，１３（符号１２Ａ〜１２Ｃ、１３Ａ〜１３Ｃで示すような隣接する磁極）を単位とし、その磁極１２，１３のコイルに三相交流電圧を印加することにより、Ｕ位相、Ｖ位相、Ｗ位相を形成する。

次に、図２〜図５を参照して本実施形態に係る電機子１１の具体的構成について説明する。
この電機子１１は、中心部に位置する磁心２１と、該磁心２１に巻線（図示略）を巻くことで形成されて電流を流すことにより磁力を発生させるコイル２２と、から構成される。
磁心２１は、特に図３の斜視図に示されるように、基準線となる第１方向（イ）に間隔をおいて位置する平板状の第１コア部材２３及び第２コア部材２４と、これらコア部材２３，２４間を連結する連結部材２５とを具備する。
ここで、これら第１コア部材２３及び第２コア部材２４は、その配置方向となる第１方向（イ）が、レールＲを支持するレール枕木の長さ方向に一致するように設けられている。

また、これら第１コア部材２３及び第２コア部材２４は、第１方向（イ）と直交する第２方向（ロ）に沿うように配置され、磁心２１に設置されるコイル２２が、第２方向（ロ）に沿う軸線を中心としてこれら第１コア部材２３及び第２コア部材２４の周囲にそれぞれ巻回されている。

また、第１コア部材２３は第２コア部材２４に対して互いに平行となる位置関係に設けられており、平行な位置関係にあるこれらコア部材２３，２４の間を連結部材２５が斜めに連結する。
連結部材２５は第１方向（イ）と交差する第３方向（ハ）に沿うように配置されており、該第３方向（ハ）に沿うようにコア部材２３，２４間を斜めに連結する。
また、この磁心２１は、図３に示されるように、レールＲの長さ方向に沿う矢印Ａ方向（基準線となる第１方向（イ）と直交する方向）に一定の間隔をおいて複数組設けられ、各組が接合部材２６により接続されることにより一体化されている。
なお、図３において符号２７で示すものは一のコア部材２３、２４とこれに隣合う他のコア部材２３、２４とにそれぞれ巻かれたコイルを互いに電気的に接続する渡り線として機能する接続部材である。

以上のような電機子１１により、図６に示されるように、第１コア部材２３の端部が該電機子１１の一端側の磁極１２となり、第２コア部材２４の端部が該電機子１１の他端側の磁極１３となる。
そして、図７及び図８に示されるように、電機子１１のコア部材２３，２４の周囲のコイル２２に交流電流（本例では三相交流電流）を流すことにより交流磁界Ｓを発生させ、この磁界により、電機子１１の一端の磁極１２からレールＲ内を貫通して電機子１１の他端の磁極１３に戻る磁束を発生させる（これにより生じる磁束を符号Ｍで示す）。これにより、レールＲ内に渦電流を生じさせ、電機子１１とレールＲとの間にブレーキ力を発生させる。
このとき、上記電機子１１では、互いに位置をずらせて配置した第１コア部材２３及び第２コア部材２４の配置方向（すなわち、第１方向（イ））が、レールＲを支持するレール枕木の長さ方向に一致するように位置しているので、電機子１１の一端の磁極１２及び他端の磁極１３の対応する局がレール頭部ＲＡに対して斜めとなる。その結果、コイル２２への通電により生じる磁束Ｍが、レール頭部ＲＡに対して斜めに通過し、これによりレール頭部ＲＡに対して磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な鉄心対向面積を確保することが可能となる。

以上詳細に説明したよう第１実施形態に係るブレーキ装置によれば、第１方向（イ）に間隔をおいて設けられた第１コア部材２３及び第２コア部材２４とこれらを連結する連結部材２５とを有する電機子１１において、第１コア部材２３を、第２コア部材２４に対して平行となるように位置をずらせて設置した。
このとき、このブレーキ装置の電機子１１では、互いに位置をずらし配置した第１コア部材２３及び第２コア部材２４の配置方向（すなわち、第１方向（イ））が、レール枕木の長さ方向に一致するようにしたので、電機子１１の一端の磁極１２と他端の磁極１３とをレール頭部ＲＡに対して斜めとなり、コイル２２への通電により生じる磁束Ｍをレール頭部ＲＡに対して斜めに通過させることができる。その結果、本実施形態では、レール頭部ＲＡに対して磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な鉄心対向面積を確保することが可能となる。

また、本実施形態に係るブレーキ装置によれば、電機子１１の極数を一定とした場合、従来構造の電機子と比較して、レールＲと電機子１１の間のギャップを広げても、所定のギャップ磁束密度を確保することが可能となる。

さらに、本実施形態に係るブレーキ装置によれば、レールＲと電機子１１の間のギャップを一定とした場合、従来構造の電機子と比較し、電機子１１の極ピッチを縮小しても、所定のギャップ磁束密度を確保することが可能となる。

また、上記ブレーキ装置では、第１コア部材２３及び第２コア部材２４とこれらを連結する連結部材２５とからなる磁心２１が、一定の設置間隔を有するように複数組設けられているので、磁力を発生させる電機子１１を多極化することができる。

また、上記ブレーキ装置では、第１コア部材２３及び第２コア部材２４とその連結部材２５とからなる磁心２１が、互いに隣接する三組を単位とし、その単位を形成する組のコイル２２に三相交流電圧を印加するようにした。これにより進行方向への移動磁界を正弦波状に近づけることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に示されるブレーキ装置ついて、図３及び図９を参照して説明する。
第２実施形態に示されるブレーキ装置が、第１実施形態に示されるブレーキ装置と構成を異にするのは、コイル３１が設置されている箇所である。

図３に示されるように、磁心２１は、基準線となる第１方向（イ）に間隔をおいて位置する平板状の第１コア部材２３及び第２コア部材２４と、これらコア部材２３，２４間を連結する連結部材２５とを具備している。この連結部材２５は第１方向（イ）と交差する第３方向（ハ）に沿うように配置されている。

コイル３１は、図９に示されるように、第３方向（ハ）に沿う軸線を中心として設置された連結部材２５の周囲に巻線が巻回されることで構成され、かつ該連結部材２５にて磁極３２，３３を形成する。
電機子１１の磁心２１を形成している連結部材２５の周囲のコイル３１に交流電流を流すことにより交流磁界Ｓ´を発生させ、この磁界により、電機子１１の一端の磁極３２からレールＲ内を貫通して電機子１１の他端の磁極３３に戻る磁束を発生させる（この磁束により生じる磁束を符号Ｍ´で示す）。これにより、レールＲ内に渦電流を生じさせ、電機子１１とレールＲとの間にブレーキ力を発生させる。

これにより第２実施形態に示されるブレーキ装置では、図９に示されるように、コイル３１への通電により生じる磁極３２，３３からの磁束Ｍ´を、レール頭部ＲＡに対して斜めに通過させることができ、第１実施形態と同様、該レール頭部ＲＡに対して磁極間の漏れ磁束を十分に抑制する磁極間隔としつつ十分な鉄心対向面積を確保することが可能となる。

なお、上記実施形態では、レールＲで生じた渦電流により、電機子１１とレールＲとの間にブレーキ力を生じさせるようにしたが、該電機子１１に印加する電流、電圧、位相の少なくとも一つを制御することにより、レールＲに生じる渦電流を最小限とし、主として磁力によって制動するようにしても良い。例えば電機子１１に印加する電流、電圧、位相を単独で、あるいは組み合わせて制御することでレールＲに生じる渦電流を減少させかつ最小限としても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、鉄道車両に適用される電機子及び電機子を搭載したブレーキ装置に関する。

１ 車輪
２ 台車
１１ 電機子
１２（１２Ａ〜１２Ｃ） 磁極
１３（１３Ａ〜１３Ｃ） 磁極
２１ 磁心
２２ コイル
２３ 第１コア部材
２４ 第２コア部材
２５ 連結部材
３１ コイル
３２ 磁極
３３ 磁極
Ｒ レール
ＲＡ レール頭部
Ｓ 磁界
Ｓ´磁界
Ｍ 磁束
Ｍ´磁束
（イ） 第１方向
（ロ） 第２方向
（ハ） 第３方向

Claims (6)

1. 基準線となる第１方向に間隔をおいて設けられた第１及び第２コア部材とこれらコア部材間を連結する連結部材とを有する磁心と、該磁心の周囲に設けられ、通電により磁力を発生させるコイルと、を具備し、
   前記第１コア部材は前記第２コア部材に対して互いに平行となる位置関係に設けられていることを特徴とする電機子。
2. 前記第１及び第２コア部材とこれらを連結する連結部材とからなる磁心は、一定の設置間隔を有するように複数組設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電機子。
3. 前記第１及び第２コア部材は、前記第１方向と直交する第２方向に沿うように配置されており、
   前記コイルは、前記第２方向に沿う軸線を中心として第１及び第２コア部材の周囲に巻回されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の電機子。
4. 前記連結部材は前記第１方向と交差する第３方向に沿うように配置され、
   前記コイルは、前記第３方向に沿う軸線を中心として前記連結部材の周囲に巻回されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の電機子。
5. 前記第１及び第２コア部材とその連結部材とからなる磁心は、互いに隣接する三組を単位とし、その単位を形成する組のコイルに三相交流電圧を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電機子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電機子が鉄道車両に搭載され、該電機子がレールの上方位置に配置されるブレーキ装置であって、
   前記電機子は、前記第１及び第２コア部材の基準線となる第１方向を、前記レールを支持するレール枕木の長さ方向に沿うように設けられることを特徴とするブレーキ装置。

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