JP7142042B2

JP7142042B2 - 鉄道車両の磁界遮蔽構造

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Publication number: JP7142042B2
Application number: JP2020009169A
Authority: JP
Inventors: 賢広沢; 克己因幡; 和也三谷; 稔塗井
Original assignee: 近畿車輌株式会社
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2022-09-26
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: JP2021115914A

Description

本発明は鉄道車両の磁界遮蔽構造に関するもので、重量軽減が可能であって、さらに効果的な磁界遮蔽が可能な構造を提供するものであり、特に交流電流に対する磁界遮蔽構造を提供するものである。

鉄道車両には対火災、対衝撃といった数々の項目で、一定水準の安全性が求められている。鉄道車両はそもそも走行に大電流を使用するので、その電流に起因する電磁波についても安全性が求められている。しかしながら、磁力線に対する人体の影響は不明な点が多く、放射線のように人の生命に重大な影響を及ぼす水準は明確になっていない。

１つの目安として１９９８年に国際非電離放射線防護委員会（ＩＣＮＩＲＰ）が定めた一般の人々への暴露ガイドラインの制限値を基準値とする考え方がある。具体的な数値として、商用周波数（５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ）において、２００μＴ（マイクロテスラ）というものである。この値は、静磁界に換算すると０．５ｍＴほどになる。なお、本業界においては、静磁界を磁束密度として示す場合が多いので、本明細書においても、「磁界」と説明しながら、「磁束密度」を単位として表す場合もある。

一方、体内に埋め込む機器の代表としてペースメーカがある。この機器は、外部から２ｍＴ以上の静磁界を加えると検査用の固定レートで動作する。そこで、鉄道車両内では、静磁界で１ｍＴ以下の磁界にすることが求められている。

鉄道車両においては、約１０００Ａ程度の電流が架線からパンタグラフを介して鉄道車両の床下に配設された電力線を通り、モーターを駆動するインバーターへ供給されている。１０００Ａの電流は１ｍ離れた地点で、約２００μＴの磁界を発生する強さである。このような電流が流れる電力線は、車両床上面から下方１０ｃｍ程度の地点に配設される。そこで、電力線から１０ｃｍ離れた地点（鉄道車両の床上面）において、漏れ磁界（磁束密度換算）を１ｍＴ以下とすることが業界としての目標値となっている。

鉄道車両の床面上の漏れ磁界を遮蔽する技術としては、特許文献１が挙げられる。図８を参照して、特許文献１では、床構造１１０では、客室床面１０７ａより下側に枕木方向の中央部でレール方向に延びる動力線１２０が配置され、床板１０２と客室床面１０７ａとの間に、客室床面１０７ａで生じる磁界を抑制するシールド板１３０が配置されている。このシールド板１３０は、薄板状に構成された第１シールド板１３１と第２シールド板１３２と第３シールド板１３３とを有する。第１シールド板１３１は、床板２の上面１０２ａのうち動力線１２０より上側を覆っている。

鉄道車両の床面上の漏れ磁界を遮蔽する技術としては、特許文献１が挙げられる。図７を参照して、特許文献１では、床構造１１０では、客室床面１０７ａより下側に枕木方向の中央部でレール方向に延びる動力線１２０が配置され、床板１０２と客室床面１０７ａとの間に、客室床面１０７ａで生じる磁界を抑制するシールド板１３０が配置されている。このシールド板１３０は、薄板状に構成された第１シールド板１３１と第２シールド板１３２と第３シールド板１３３とを有する。第１シールド板１３１は、床板１０２の上面１０２ａのうち動力線１２０より上側を覆っている。

第２シールド板１３２は、第１シールド板１３１の枕木方向の一方側の上面及び端面と床板１０２の上面１０２ａのうち枕木方向の一方側とを覆っている。第３シールド板１３３は、第１シールド板１３１の枕木方向の他方側の上面及び端面と床板１０２の上面１０２ａのうち枕木方向の他方側とを覆う構造が開示されている。

この構造を有するので、重量の増加を抑えつつ、客室床上面に局所的に強い磁界を生じ難くできる鉄道車両床構造を提供することができるとされている。

特開２０１５－１５０９６９号公報

特許文献１は、具体的には、厚さ６ｍｍの熱間圧延鋼材（ＳＰＨＣ）の板を床下に敷き詰めるというものである。確かに床上面での漏れ磁界を小さくすることはできるが、重量が軽くなるというものではない。また、交流磁界に対する知見はなんの記載もない。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、交流大電流が流れる電力線の近辺に磁界遮蔽構造を設け、床上面での漏れ磁界を小さくする磁界遮蔽構造を提供するものである。

より具体的に本発明に係る磁界遮蔽構造は、
鉄道車両の床下に配置される電力線からの磁界を遮蔽する磁界遮蔽構造であって、
前記電力線を覆う電力線ダクトと、前記電力線ダクトに接し、前記床と前記電力線の間に配置される磁界遮蔽板を有し、
前記磁界遮蔽板は前記電力線の長手方向に直角方向で断面視した時、両端が前記床と反対方向に傾斜し、
前記両端の先端が複数に分岐していることを特徴とする。

本発明に係る磁界遮蔽構造は、電力線を覆う電力線ダクトと断面視した際に両端に傾斜を持たせ、その先端が複数に分岐していることで、電力線を流れる電流が発生させる磁界分布を偏らせ、床上面での漏れ磁界を低減させることができる。特に、分岐の先端をＹ字状にすることで、効果的に交流磁界を遮蔽することができる。また、このような構造は磁界遮蔽板厚を２．３ｍｍにしても効果を有し、非常に大きな軽量効果を生ずることができる。

磁界遮蔽構造１－１の構成を示す図である。磁界遮蔽構造１－２の構成を示す図である。磁界遮蔽構造１－３の構成を示す図である。磁界遮蔽構造１－４の構成を示す図である。比較例とする磁界遮蔽構造２の構成を示す図である。磁界遮蔽板および電力線ダクトを構成する磁性材料の磁気特性を示すグラフである。シミュレーション結果を示す図である。従来の磁界遮蔽構造を例示する図である。

以下に本発明に係る磁界遮蔽構造について図面を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１（ａ）を用いて交流電流による磁界の発生について説明する。図１（ａ）は、鉄道車両を長さ方向に直角に切断した断面における床下部分の一部である。

パンタグラフからの電流は、屋根部から妻部を通り、鉄道車両の床面下に配設された電力線７を通って、ＩＧＢＴ構造の半導体素子を用いたインバータ電源装置を用いて、連続的に電圧と周波数を変化させながらモーターを駆動する。この時、床面６０部分で観測される漏れ磁界が２ｍＴ以下である必要があるとされている。しかし、業界基準では１ｍＴ以下であることを目標としている。なお、以下の説明において、床面６０とは、鉄道車両において、乗客が接する床面をいう。

本発明に係る磁界遮蔽構造１では、床下に配置された電力線７を電力線ダクトで覆い、さらに電力線７と床面との間に磁界遮蔽板を配置する。その磁界遮蔽板は、線路と直角方向で断面視した際に、開口を線路側に向けた逆Ｕ字形状に成型される。さらに、断面視した際に磁界遮蔽板の両端が複数に分岐している。なお、逆Ｕ字型に配置した遮蔽板本体の縦壁が対向している領域側を磁界遮蔽板の内側といい、縦壁を境にして内側の反対側を外側とする。

本発明に係る磁界遮蔽構造１における磁界遮蔽板は厚さ２乃至６ｍｍが好適である。厚みを厚くすると、磁界遮蔽能は高まるが、重量が重くなる。また、材質としては、鉄、ニッケル、コバルトといった強磁性元素を含む材料が望ましい。また、本発明に係る磁界遮蔽構造では、交流磁界の遮蔽を目的としているので、保磁力が小さく（４０Ａ／ｍ：０．５Ｏｅ以下）、比透磁率が高い（１０００以上）であるのがよい。

図１から図４にシミュレーションで用いた磁界遮蔽板の断面形状を示す。なお、図５は、比較例として、先端に分岐のない磁界遮蔽板を示す。各図において（ａ）図は、床面６０との位置関係を示し、（ｂ）図は、各磁界遮蔽板の断面形状を示す。図１から図５のいずれの図面においても、床面６０をｘ方向とした。ｘ＝０の地点６５でｘ軸に垂直な軸をｙ軸とした。ｙ軸の正方向は重力上向き方向である。したがって、地点６５は、ｘ＝０、ｙ＝０の点となる。電力線７は、ｘ＝０、ｙ＝－１０ｃｍの位置に中心を配置した。

また、電力線７は外径を２３．６ｍｍとした。電流はこの断面を均等に流れる。電力線７は電力線ダクト９で覆われている。電力線ダクト９は、幅１１０ｍｍ、高さ５０ｍｍの略角丸長方形断面をしているとした。電力線ダクト９の厚みｔｄは２．３ｍｍである。また、電力線ダクト９は、各磁界遮蔽板の内側に接触して配置した。

＜磁界遮蔽構造１－１＞
図１に磁界遮蔽構造１－１を示す。磁界遮蔽構造１－１は、磁界遮蔽板１０と電力線ダクト９で構成される。磁界遮蔽板１０は、床面６０に平行な遮蔽板本体１０ａと、遮蔽板本体１０ａの両端に設けられた縦壁１０ｂで構成される。縦壁１０ｂは、遮蔽板本体１０ａに近い根本部１１と先端部１２で構成される。

先端部１２は、外側分岐１２ａと内側分岐１２ｂで構成される。そして、内側分岐１２ｂおよび外側分岐１２ａとも、根本部１１の延長線１０ｂｘから内側および外側に３０°ずつ傾斜したＹ字状を呈している。言い換えると、外側分岐１２ａと内側分岐１２ｂとのなす角度は６０°である。

遮蔽板本体１０ａは長さ１３５ｍｍ、根本部１１は１９ｍｍとした。遮蔽板本体１０ａと縦壁１０ｂとの角度θは９０°とした。また、外側分岐１２ａと内側分岐１２ｂの長さは２４ｍｍとした。また、根本部１１と先端部１２を加えた縦壁１０ｂ全体の長さは４１ｍｍとなる。遮蔽板本体１０ａと縦壁１０ｂの厚みｔｓは２．３ｍｍである。

＜磁界遮蔽構造１－２＞
図２に磁界遮蔽康応１－２を示す。磁界遮蔽構造１－２は、磁界遮蔽板２０と電力線ダクト９で構成される。磁界遮蔽板２０は、床面６０に平行な遮蔽板本体２０ａと、遮蔽板本体２０ａの両端に設けられた縦壁２０ｂで構成される。縦壁２０ｂは、遮蔽板本体２０ａに近い根本部２１と先端部２２で構成される。

先端部２２は、外側分岐２２ａと内側分岐２２ｂで構成される。内側分岐２２ｂは、縦壁２０ｂの延長線２０ｂｘに沿って形成され、外側分岐２２ａは、延長線２０ｂｘから磁界遮蔽板２０の外側に３０°傾いて形成されている。

遮蔽板本体２０ａは長さ１１７ｍｍ、縦壁２０ｂは１９ｍｍとした。遮蔽板本体２０ａと縦壁２０ｂとの角度θは９０°とした。また、外側分岐２２ａの長さは２５ｍｍとした。また、根本部２１と先端部２２を加えた縦壁２０ｂ全体の長さは４３ｍｍとした。遮蔽板本体２０ａと縦壁２０ｂの厚みｔｓは２．３ｍｍである。

＜磁界遮蔽構造１－３＞
図３に磁界遮蔽康応１－３を示す。磁界遮蔽構造１－３は、磁界遮蔽板３０と電力線ダクト９で構成される。磁界遮蔽板３０は、床面６０に平行な遮蔽板本体３０ａと、遮蔽板本体３０ａの両端に設けられた縦壁３０ｂで構成される。縦壁３０ｂは、遮蔽板本体３０ａに近い根本部３１と先端部３２で構成される。

先端部３２は、外側分岐３２ａと内側分岐３２ｂで構成される。内側分岐３２ｂは、縦壁３０ｂの延長線３０ｂｘに沿って形成され、外側分岐３２ａは、延長線３０ｂｘから磁界遮蔽板３０の内側に３０°傾いて形成されている。

遮蔽板本体３０ａは長さ１３５ｍｍ、縦壁２０ｂは１８ｍｍとした。遮蔽板本体３０ａと縦壁３０ｂとの角度θは９０°とした。また、内側分岐３２ｂの長さは２４ｍｍとした。また、根本部３１と先端部３２を加えた縦壁３０ｂ全体の長さは４３ｍｍとした。遮蔽板本体３０ａと縦壁３０ｂの厚みｔｓは２．３ｍｍである。

＜磁界遮断構造１－４＞
図４に磁界遮蔽康応１－４を示す。磁界遮蔽構造１－４は、磁界遮蔽板４０と電力線ダクト９で構成される。磁界遮蔽板４０は、床面６０に平行な遮蔽板本体４０ａと、遮蔽板本体４０ａの両端に設けられた縦壁４０ｂで構成される。縦壁４０ｂは、遮蔽板本体４０ａに近い根本部４１と先端部４２で構成される。

先端部４２は、外側分岐４２ａと内側分岐４２ｂで構成される。外側分岐４２ａは、縦壁４０ｂの延長線４０ｂｘに沿って形成され、内側分岐４２ｂは、外側分岐４２ａに直角な接続部４３を介して、外側分岐４２ａと平行に形成されている。

遮蔽板本体４０ａは長さ１３５ｍｍ、縦壁４０ｂは１８ｍｍとした。遮蔽板本体０ａと縦壁４０ｂとの角度θは９０°とした。また、外側分岐４２ａおよび内側分岐４２ｂの長さはともに２５ｍｍとした。また、根本部４１と分岐部４２を加えた縦壁４０ｂ全体の長さは４３ｍｍとした。遮蔽板本体４０ａと縦壁４０ｂの厚みｔｓは２．３ｍｍである。

＜磁界遮断構造２＞
図５には、先端の分岐部を有さない磁界遮蔽板５０を示す。具体的に図５に示す磁界遮蔽板５０は、床板６０に平行な遮蔽板本体５０aと、遮蔽板本体５０ａの両端に設けられた縦壁５０ｂで構成される。縦壁５０ｂの先端５０ｐには、分岐部はない。

遮蔽板本体５０ａの長さは１３５ｍｍであり、縦壁５０ｂの長さは５０ｍｍとした。遮蔽板本体５０ａと縦壁５０ｂの厚みｔｓは２．３ｍｍである。

図１（ａ）を再度参照し、全体のメッシュ数は３１８８０個で、磁性体部分（磁界遮蔽板１０および電力線ダクト１２）およびその周囲はメッシュ数が多くなるようにした。シミュレーターは「ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄＭａｇｎｅｔｉｃｓ」を用いた以後の結果は、原点６５からｘ方向に向かう点での磁束密度を表示する。起磁力は電力線７に１０００Ａ、６０Ｈｚの電流が流れるものとした。また、磁性体部分（磁界遮断板および電力線ダクト）は熱間圧延鋼材とし、静磁気特性として図６のものとした。

図６を参照して、横軸は外部からの印加磁界（Ａ／ｍ）であり、縦軸は磁束密度（Ｔ）である。外部からの印加磁界５０００Ａ／ｍ（６２．７Ｏｅ）の時に約１．７Ｔ（１７ｋＧａｕｓｓ）の磁束密度を有する。消磁状態から１Ｔ（１０ｋＧａｕｓｓ）までの立ち上がりは５００（Ａ／ｍ）（６．２７Ｏｅ）で、ほぼ直線である。

図７に、シミュレーション結果を示す。横軸は水平方向の位置（ｍｍ）であり、縦軸は磁束密度（ｍＴ）である。この磁束密度は、床面６０での漏れ磁界を表す。横軸は図１～図５の（ａ）図におけるｘ方向である。図７の横軸のゼロ点は、図１～図５の（ａ）図における原点６５に相当する。また、磁界遮蔽構造１－１は符号「Ｓ－１－１」と表し、以後磁界遮蔽構造１－２、１－３、１－４はそれぞれ符号「Ｓ－１－２」、「Ｓ－１－３」、「Ｓ－１－４」と表す。また、磁界遮蔽構造２は符号「Ｓ－２」で表した。また、それぞれ遮蔽構造の概念図を符号の上若しくは下に示した。なお、図７の結果は、磁界遮蔽板１０および電力線ダクト９の厚みが、０．８ｍｍから６ｍｍまでは同様の傾向を示す結果であった。

図７を参照して、遮蔽板の先端に分岐を有していない磁界遮蔽構造２（Ｓ－２）は、床面６０において、１．１８ｍＴであり、１．２ｍＴより小さかった。また、ゼロ点から離れるほど、漏れ磁界は、単調減少した。

一方、遮蔽板の先端に分岐を有する本発明に係る磁界遮蔽構造１－１乃至１－４は、いずれも遮蔽板の先端に分岐を有さない磁界遮蔽構造２よりも漏れ磁界は小さくなった。

ゼロ点付近の漏れ磁界では、磁界遮蔽構造１－４が最も高く、磁界丙遮蔽構造１－２および１－３がほぼ同程度の漏れ磁界であった。磁界遮蔽構造１－１は最も低かった。

ゼロ点から離れた地点（ここでは、１５０ｍｍより遠い領域とする。）においては、磁界遮蔽構造１－１および磁界遮蔽構造１－３はほぼ同じ程度漏れ磁界となり、磁界遮蔽構造１－２と磁界遮蔽構造１－４はほぼ同じ程度の漏れ磁界となった。

以上のことより、磁界遮蔽板の先端に分岐を設けることで交流磁界の漏れ磁界を著しく低減させることができることがわかった。さらに、分岐は、遮蔽板本体に対して直角に設けられた縦壁に対して傾斜角を有する場合が遮蔽能力に優れ、さらに、磁界遮蔽板の内側に向かって傾斜した分岐を有する場合がさらに優れていた。

最も磁界遮蔽能力に優れていたのは、先端を磁界遮蔽板の内側および外側にも傾斜を持たせた磁界遮蔽構造１－１の場合であった。磁界遮蔽構造１－１は、分岐を持たない磁界遮蔽構造２に対して、ゼロ点でおよそ６０％、ゼロ点から遠い位置でもおよそ５０％程度、漏れ磁界が少なかった。なお、本発明に係る磁界遮蔽構造１－１乃至１－４では、何れの場合でも、床面６０での漏れ磁界を１ｍＴ以下にすることができる。

本発明に係る磁界遮蔽構造は、鉄道車両の床面下に配する大電流電力線からの磁界を遮蔽する際に好適に利用できる。

１磁界遮蔽構造
１－１、１－２、１－３、１－４磁界遮蔽構造
７電力線
９電力線ダクト
１０、２０、３０、４０、５０磁界遮蔽板
１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ遮蔽板本体
１０ｂｘ、２０ｂｘ、３０ｂｘ、４０ｂｘ延長線
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ縦壁
１１、２１、３１、４１根本部
１２、２２、３２、４２先端部
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ外側分岐
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ内側分岐
４３接続部
５０ｐ先端
６０床面
ｔｄ電力線ダクト９の厚み
θ 遮蔽板本体と縦壁のなす角
ｔｓ磁界遮蔽板の厚み

Claims

鉄道車両の床下に配置される電力線からの磁界を遮蔽する磁界遮蔽構造であって、
前記電力線を覆う電力線ダクトと、
前記電力線ダクトに接し、前記床と前記電力線の間に配置される磁界遮蔽板を有し、
前記磁界遮蔽板は前記電力線の長手方向に直角方向で断面視した時、両端が前記床と反対方向に傾斜し、
前記両端の先端が複数に分岐していることを特徴とする磁界遮蔽構造。
前記先端がＹ字に分岐していることを特徴とする請求項１に記載された磁界遮蔽構造。
前記磁界遮蔽板は熱間圧延鋼材であり、厚みは０．８ｍｍ乃至６ｍｍであることを特徴とする請求項１または２の何れかの請求項に記載された磁界遮蔽構造。