JP2021181289A - 動力台車 - Google Patents

Abstract

【課題】直接駆動式主電動機を組み込んだ動力台車の実用化に係るコストを抑制できる新しい技術を提供すること。【解決手段】電気車の動力台車１０は、車軸２２を回転軸とするアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００と、モータを横梁１２に連結して支持する反力受け部２４と、モータへの電力供給を制御する制御装置３０と、当該制御装置を横梁１２に連結して支持する固定部５０と、モータと制御装置３０とを電気的に接続する電線（主動力線３２、接地線４２）と、を備える。反力受け部２４は、モータを、車軸２２に連結された一方の車輪２１ａに寄せた位置で支持し、固定部５０は、制御装置３０を、車軸２２と横梁１２との間の空間において、車軸２２に連結された他方の車輪２１ｂに寄せた位置で支持する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気車の動力台車に関する。

図４に一例を示すように、従来の電気車の動力台車９は、台車枠１１の横梁１２を境に前後それぞれに、主電動機１４・継手１６・歯車装置１８・輪軸２０を備える。

重量構成要素の配置位置関係に着目すると、主電動機１４・継手１６・歯車装置１８は、輪軸２０と横梁１２との間の空間に設けられている。歯車装置１８は、車軸２２に対して、輪軸２０の一方の車輪２１ａ側に寄せた位置で接続されている。主電動機１４は、固定部５０によって横梁１２に対して、歯車装置１８よりも他方の車輪２１ｂ側に寄せた位置に取り付けられている。主電動機１４の出力軸は、継手１６を介して歯車装置１８の入力軸に連結されている。歯車装置１８は反力受け部２４を介して横梁１２に支持されており、歯車装置１８の出力側最終歯車は車軸２２に連結されている。

電気的な接続に着目すると、主電動機１４は、鉄道車両の車体に取り付けられた制御装置３０との間を主電力線３２で接続されており、制御装置３０から三相交流電力が供給されることで制御装置３０によって駆動制御される。また、主電動機１４の回転軸に設けられたパルスギア３４の回転を検出する回転センサ３６からの検出信号線３８が、制御装置３０の制御ボードに接続されている。また、接地線４２が、制御装置３０から歯車装置１８に設けられた接地装置４０へ接続されている。

次に、保守に着目すると、可動する機械要素は、保守や点検が欠かせない。特に継手１６や歯車装置１８の保守に工数を要する。適切に保守されないと振動や騒音の原因となり、故障につながりかねない。また、主電力線３２や検出信号線３８、接地線４２は、相対運動する動力台車９と車体との間に渡して配線されるため、長期間の繰り返し揺動により断線の恐れがあるので定期的な点検が欠かせない。また、主電力線３２は高圧線であり、絶縁劣化による地絡もまた定期的な点検で防がなければならない。そして、それら電線類と装置類とを接続するコネクタ類もまた点検の対象とされる。

そして、従来の動力台車９の保守に係る手間を軽減する解決策の１つとして、直接駆動式主電動機で車軸２２を駆動する動力台車が考案されている（例えば、特許文献１を参照）。直接駆動式主電動機を採用した動力台車は、従来の動力台車よりも機械構成要素が削減され、従来よりも保守が容易になり得る。

一方、三相交流で駆動される電動機としては、近年、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータの開発もなされているところである（例えば、特許文献２を参照）。

特表２００２−５３４３１２号公報 特開２０１９−１２９５６３号公報

しかしながら、直接駆動式主電動機自体については直接駆動式主電動機の開発だけで済むが、直接駆動式主電動機を組み込んだ動力台車については直接駆動式主電動機の開発だけでは実用化できない。直接駆動式主電動機を組み込んだ動力台車を実用化するには、直接駆動式主電動機自体の試験だけでは不十分であり、動力台車全体として従来の動力台車と同等の性能と耐久性とを確認するための様々な試験が必要になる。そのため、直接駆動式主電動機自体の試験を除く、直接駆動式主電動機を組み込んだ動力台車全体としての試験としては、当該動力台車の構成が従来の動力台車の構成に類似しているほど、次のような効果が期待される。すなわち、１つ目は、省略したり簡略化したりできる試験項目が増えて、動力台車の実用化に要する時間的・人的・金銭的なコストを低減できる可能性が高まることである。２つ目は、使用実績のある従来の動力台車の構成を参考にできる可能性が高まるため、新規の構成を実用化するにあたり試験不合格に伴う設計の手直しの回数が少なくなることである。

しかし、特許文献１に開示される直接駆動式主電動機を採用した動力台車の構成は、従来の動力台車に比べて、重量構成要素の配置位置関係においても、電気的な接続においても大きく異なる。そのために、どうしても省略できる試験項目は少なく実用化のためのコストを低減し難い。強度試験は勿論のこと、重量配分が変わることによる運動特性試験も省略は難しい。従来の動力台車としての使用実績を継承し得る構成とは言い難く、試験結果に応じた設計変更等のリスクが小さいとは言えない。

本発明の課題は、直接駆動式主電動機を組み込んだ動力台車の実用化に係るコストを抑制できる新しい技術を提供すること、である。

上述した課題を解決するための第１の発明は、車軸を回転軸とするアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ（以下「モータ」と言う。）と、前記モータを横梁に連結して支持する反力受け部と、前記モータへの電力供給を制御する制御装置と、前記制御装置を前記横梁に連結して支持する固定部と、前記モータと前記制御装置とを電気的に接続する電線と、を備える電気車の動力台車である。

第１の発明によれば、直接駆動式主電動機としてアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータを組み込んだ動力台車を構成することができる。これにより、従来の動力台車よりも機械構成要素が削減され、従来よりも保守が容易になる。

また、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータは、回転軸に対して薄い円板状（ディスク形）の回転子と固定子を用いるので、回転子と固定子を組み合わせた駆動単位全体が、従来の歯車装置の大歯車に置き換え可能な形状となる。よって、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータは、図４に示した従来の歯車装置１８の設置場所に、歯車装置１８そのものと置き換え可能に配置して構成することができる。加えて、第１の発明によれば、動力台車の構成要素として制御装置を動力台車が具備することができる。このため、制御装置は、例えば、図４に示した主電動機１４の設置場所に、主電動機１４そのものと置き換え可能に配置して構成することができる。

よって、第１の発明によれば、従来の動力台車における歯車装置の場所（又はその近傍）にアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータを配置し、従来の動力台車における主電動機の場所（又はその近傍）に制御装置を配置した、動力台車を実現できる。

結果、第１の発明の動力台車における重量構成要素の配置位置関係は、特許文献１の構成に比べて遙かに従来の動力台車に類似している。そのため、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ自体の試験を除く、動力台車全体としての試験を考えた場合に、当該動力台車の実用化にあたり、多くの試験項目が省略或いは簡略可能になり得る。また、使用実績のある従来の動力台車の構成を参考にすることができるので、試験結果に応じた設計変更の規模や回数も小さくなり得、実用化に係るリスクを低減できる。

また、第１の発明によれば、モータと制御装置とが同じ台車枠に固定されるので、両者を結ぶ電線類の相対変位は、従来の動力台車におけるそれよりも遥かに小さくなる。従って、モータと制御装置とを繋ぐ電線類や接続コネクタ類に作用する繰り返し揺動に起因する故障が抑制されるので、保守工数を削減したり、点検期間を従来より長く設定することが可能になる。

第２の発明は、前記反力受け部が、前記モータを、前記車軸に連結された一方の車輪に寄せた位置で支持する第１の発明の動力台車である。

また、第３の発明は、前記固定部が、前記制御装置を、前記車軸と前記横梁との間の空間において、前記車軸に連結された他方の車輪に寄せた位置で支持する、第２の発明の動力台車である。

第２の発明や第３の発明の動力台車の重量配分は、従来の動力台車の重力配分に類似するので、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ自体の試験を除く、動力台車全体としての試験を考えた場合に、試験項目の省略や簡略ができる可能性があり、試験結果に応じた設計変更のリスクが低減し得る。

第４の発明は、前記車軸に接触するように前記モータに取り付けられた接地装置、を更に備え、前記電線が、前記接地装置と前記制御装置とを接続する接地線を含む、第１〜第３の何れかの発明の動力台車である。

第４の発明の動力台車は、接地装置の接地線を、モータと同じ台車枠に固定された制御装置に接続できる。

電気車用の動力台車の構成例を示す図。 アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータの構成例を示す部分断面図。 駆動ユニット周りの構成例を示す図。 従来の動力台車の構成例を示す図。

以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限られないことは勿論である。

図１は、本実施形態の動力台車１０の構成例を示す図であって、電気車の動力台車１０を上から見た図（上面図）である。図の上下方向が台車の前後方向となる。

電気車の動力台車１０は、台車枠１１の横梁１２を挟んで前後それぞれに、輪軸２０と、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００と、制御装置３０と、接地装置４０と、を備える。

アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ（以下、単に「モータ」とも言う。）１００は、車軸２２を回転軸とする直接駆動式主電動機の一種であって、反力受け部２４により一方の車輪２１ａに寄せた位置で横梁１２に連結され支持されている。また、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００を、重量が従来の歯車装置と同程度或いは近似するように構成できれば好適である。

図２に示すように、モータケース１０１が画成する内部空間には、回転子や固定子が格納されている。具体的には、モータ１００は、モータケース１０１が車軸２２上でベアリング１０２によって支持され、軸回りがシール１０３で封止されている。そして、車軸２２の両端のベアリング１０２の間に、駆動ユニット１１０（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）を備える。

１つの駆動ユニット１１０は、図３に示すように、回転子固定部材１１２を介して車軸２２に固定される２つの回転子１２０と、これら２つの回転子１２０との間の位置でモータケース１０１内に固定される固定子１７０と、を有する。回転子固定部材１１２は、車軸２２の外周に嵌合する円管部１１３と、その軸方向端部に設けられたフランジ部１１４と、を有する。円管部１１３は、車軸２２に圧入により固定される。フランジ部１１４は回転子１２０とボルトで固定される。

制御装置３０は、ベクトル制御によってモータ１００への三相交流電力を駆動制御するインバータ装置である。制御装置３０は、例えば、ＳｉＣ半導体デバイスなどのパワー半導体デバイスを用いたインバータ装置として構成することができる。制御装置３０は、固定部５０を介して、車軸２２と横梁１２との間の空間において、他方の車輪２１ｂに寄せた位置で支持されている。

制御装置３０に係る電気的な接続については、制御装置３０とモータ１００との間は、主電力線３２で電気的に接続されている。また、制御装置３０は、台車車体間配線５２と、運転台からの制御信号を入力する制御信号線５４と、で車体側と電気的に接続されている。
なお、望ましくは、制御装置３０の大きさや重量を、従来の主電動機と同程度或いは近似するように構成できれば好適である。

接地装置４０は、車軸２２に接触するようにモータ１００に取り付けられている。接地装置４０は、制御装置３０から接地線４２（電線）で電気的に接続され、制御装置３０及びモータ１００の電気的接地を確保する。

なお、制御装置３０は、いわゆるセンサレスベクトル制御によってモータ１００を駆動制御する。そのため、回転速度の検出に係る機械的要素（従来構成で言う所の図４のパルスギア３４と回転センサ３６）は省略している。勿論、モータ１００に、パルスギア３４と回転センサ３６を設けて回転速度を検出・利用することとしてもよい。

以上、本実施形態によれば、直接駆動式主電動機を組み込んだ動力台車の実用化に係るコストを抑制できる新しい技術を提供することができる。

すなわち、直接駆動式主電動機としてアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００を組み込んだ動力台車１０を構成することで、従来の動力台車よりも機械構成要素が削減され、従来よりも保守が容易になる。

また、直接駆動式主電動機として、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００を採用して従来の歯車装置に置き換えた。また、制御装置３０を従来の主電動機の位置に配置した。これにより台車車体間の電線類の配線も削減され、さらに保守が容易になる。

こうした重量構成要素の配置位置関係は、特許文献１の構成に比べて遙かに従来の動力台車に類似している。そのため、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００自体の試験を除く、動力台車１０全体としての試験を考えた場合に、当該動力台車１０の実用化にあたり、多くの試験項目が省略或いは簡略可能になり得る。また、使用実績のある従来の動力台車の構成を参考にすることができるので、試験結果に応じた設計変更の規模や回数も小さくなり得、実用化に係るリスクを低減できる。

また、アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ１００と制御装置３０とが同じ台車枠１１に固定されるので、両者を結ぶ電線類の繰り返しの相対変位は、従来の動力台車におけるそれよりも遥かに少なくなる。従って、モータ１００と制御装置３０とを繋ぐ電線類と接続コネクタ類に作用する繰り返し揺動に基因する故障が抑制されるので、保守工数を削減したり、点検期間を従来より長く設定することも可能になる。

また、従来、車両の床下を占有していたインバータが台車内に移動するため、超低床車両や２階建て車両の実現も容易になると考えられる。

〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態の一例について説明したが、本発明を適用可能な実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜構成要素の省略・追加・変更を行うことができる。

上記実施形態の動力台車１０では、制御装置３０を従来の主電動機の位置に配置したが、従来通りに制御装置３０を鉄道車両の車体下部に吊り下げ固定する構成としてもよい。

１０…動力台車
１２…横梁
１４…主電動機
１８…歯車装置
２０…輪軸
２１ａ…一方の車輪
２１ｂ…他方の車輪
２２…車軸
２４…反力受け部
３０…制御装置
３２…主電力線
４０…接地装置
４２…接地線
５０…固定部
５２…台車車体間配線
５４…制御信号線
１００…アキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ

Claims (4)

1. 車軸を回転軸とするアキシャルギャップ型トランスバースフラックス式モータ（以下「モータ」と言う。）と、
   前記モータを横梁に連結して支持する反力受け部と、
   前記モータへの電力供給を制御する制御装置と、
   前記制御装置を前記横梁に連結して支持する固定部と、
   前記モータと前記制御装置とを電気的に接続する電線と、
   を備える電気車の動力台車。
2. 前記反力受け部は、前記モータを、前記車軸に連結された一方の車輪に寄せた位置で支持する、
   請求項１に記載の動力台車。
3. 前記固定部は、前記制御装置を、前記車軸と前記横梁との間の空間において、前記車軸に連結された他方の車輪に寄せた位置で支持する、
   請求項２に記載の動力台車。
4. 前記車軸に接触するように前記モータに取り付けられた接地装置、
   を更に備え、
   前記電線は、前記接地装置と前記制御装置とを接続する接地線を含む、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の動力台車。

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