WO2020031787A1 - 渦電流式レールブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

渦電流式レールブレーキ装置（１）は、磁石列（８）と、支持部材（３）と、ケース（４）と、昇降装置（５）とを含む。磁石列（８）は、鉄道車両の進行方向に配列された複数の永久磁石（２）を含む。支持部材（３）には、磁石列（８）が取り付けられる。ケース（４）は、磁石列（８）及び支持部材（３）を収容する。昇降装置（５）は、支持部材（３）をケース（４）内部において昇降させることで制動状態又は非制動状態に切替え可能である。ケース（４）は、磁石列（８）の両側に配置された２つの側部（１３）と、磁石列（８）の下方に配置され、２つの側部（１３）それぞれの下端を繋ぐ非磁性の底部（１４）とを含む。２つの側部（１３）それぞれの上部に磁性部（６）が設けられ、下部に非磁性部（７）が設けられる。昇降装置（５）は、磁石列（８）を底部（１４）に対向させたまま、支持部材（３）を昇降させる。

Description

渦電流式レールブレーキ装置

　本開示は、渦電流式レールブレーキ装置に関する。さらに詳しくは、永久磁石を用いて鉄道レールに渦電流を発生させることで制動力を得る、鉄道車両用の渦電流式レールブレーキ装置に関する。

　鉄道車両のブレーキ装置は、粘着式ブレーキ装置、非粘着式ブレーキ装置に大別される。粘着式ブレーキ装置は、鉄道車輪に制動力を与え、鉄道レールと鉄道車輪との摩擦力によって鉄道車両を減速又は静止させる。粘着式ブレーキ装置の例としては、ディスクブレーキ装置がある。一方、非粘着式ブレーキ装置は、鉄道レールと鉄道車輪との摩擦力によらず、鉄道車両に直接制動力を与え、鉄道車両を減速又は静止させる。非粘着式ブレーキ装置の例としては、渦電流式レールブレーキ装置がある。

　渦電流式レールブレーキ装置には、磁石が設けられる。鉄道レールを磁石からの磁界の中に置くことで、導電性を有する鉄道レールに渦電流を発生させ、その反力を制動力として得る。このような渦電流式レールブレーキ装置は、ディスクブレーキ装置等の常用ブレーキと併用して用いられたり、非常用ブレーキとして用いられたりする。また、このような渦電流式レールブレーキ装置の磁石として、永久磁石を用いることが知られている。

　永久磁石を用いた渦電流式レールブレーキ装置はたとえば、特開平１０－１６７０６８号公報（特許文献１）及び特開２０１０－８３４４６号公報（特許文献２）に開示されている。

　特許文献１の渦電流式レールブレーキ装置は、永久磁石を用いて磁極部材を励磁し、鉄道レールに渦電流を発生させる。この渦電流式レールブレーキ装置では、制動状態又は非制動状態の切替は、永久磁石をリンク機構によって回転させることで行われる。制動状態では永久磁石の磁極の配置を上下方向とし、非制動状態では永久磁石の磁極の配置を前後方向とする。

　特許文献２の渦電流式レールブレーキ装置は、直線状に配列された複数の永久磁石を含む。複数の永久磁石は、ケースに収容される。複数の永久磁石は、配列方向において交互に磁極の配置が反転している。制動時、複数の永久磁石は鉄道レールと対向し、鉄道レールに渦電流を発生させる。一方、非制動時には、複数の永久磁石は鉄道車両の進行方向を軸として回転し、鉄道レールから離れる。これにより、鉄道レールに渦電流が発生しなくなる。特許文献２の渦電流式レールブレーキ装置はこのような構成により制動状態又は非制動状態への切替を行う。

特開平１０－１６７０６８号公報 特開２０１０－８３４４６号公報

　しかしながら、特許文献１の渦電流式レールブレーキ装置では、非制動状態での永久磁石からの磁束を制御する手段については何ら開示されていない。そのため、永久磁石を収容するケース外部に磁束が漏れる可能性がある（以下、磁束漏れともいう。）。

　特許文献２の渦電流式レールブレーキ装置では、複数の永久磁石を回転させることで制動状態又は非制動状態を切り替える。そのため、ケース内において鉄道車両の左右方向に複数の永久磁石の可動域を設ける必要がある。ケースの左右方向の長さが大きい場合、鉄道車両の進行方向から見た車輪外形状からの突出面積が大きくなるため、走行中に飛来物がケースに衝突する可能性が高くなる。このため、ケースの左右方向の長さは短い方が望ましい。

　また、特許文献２には、永久磁石を収容するケースを磁性材とすることで非制動状態での磁束漏れを抑制できる旨が開示されている。しかしながら、特許文献２には、ケースを磁性材とすることによる制動状態での制動力への影響については何ら開示されていない。

　本開示の目的は、制動状態での制動力を確保しつつ、非制動状態での磁束漏れを抑制できる渦電流式レールブレーキ装置を提供することである。

　本開示の鉄道車両に取り付けられる渦電流式レールブレーキ装置は、磁石列と、支持部材と、ケースと、昇降装置とを含む。磁石列は、鉄道車両の進行方向に配列された複数の永久磁石を含む。支持部材は、磁石列の上方に配置され、磁石列が取り付けられ、磁性を有する。ケースは、磁石列及び支持部材を収容する。昇降装置は、支持部材をケース内部において昇降させることで制動状態又は非制動状態に切替え可能である。ケースは、磁石列の両側に配置された２つの側部と、磁石列の下方に配置され、２つの側部それぞれの下端を繋ぐ非磁性の底部とを含む。２つの側部それぞれの上部に磁性部が設けられ、下部に非磁性部が設けられる。昇降装置は、磁石列を底部に対向させたまま、支持部材を昇降させる。

　本開示の渦電流式レールブレーキ装置によれば、制動状態での制動力を確保しつつ、非制動状態での磁束漏れを抑制できる。

図１は、鉄道車両に取り付けられた渦電流式レールブレーキ装置を示す図である。 図２は、渦電流式レールブレーキ装置の片側断面図である。 図３は、図２中のＩＩＩ－ＩＩＩ線での断面図である。 図４は、渦電流式レールブレーキ装置のケース内の構成を示す斜視図である。 図５は、左右方向に垂直な断面から見た制動状態の磁気回路を示す図である。 図６は、前後方向に垂直な断面から見た制動状態の磁気回路を示す図である。 図７は、左右方向に垂直な断面から見た非制動状態の磁気回路を示す図である。 図８は、前後方向に垂直な断面から見た非制動状態の磁気回路を示す図である。 図９は、磁性部及び非磁性部の配置関係を示す図である。 図１０は、他の実施形態の磁性部及び非磁性部の配置関係を示す図である。 図１１は、他の実施形態の磁性部及び非磁性部の配置関係を示す図である。 図１２は、他の実施形態の昇降装置を用いた制動状態を示す図である。 図１３は、他の実施形態の昇降装置を用いた非制動状態を示す図である。 図１４は、本発明例と比較例との制動力を比較した図である。 図１５は、本発明例と比較例との磁束漏れを比較した図である。 図１６は、永久磁石が非磁性のケースに囲まれた渦電流式レールブレーキ装置の断面図である。 図１７は、永久磁石が磁性を有するケースに囲まれた渦電流式レールブレーキ装置の断面図である。

　［磁束漏れと制動力との関係］
　図１６は、永久磁石が非磁性のケースに囲まれた渦電流式レールブレーキ装置の断面図である。図１６を参照して、永久磁石１０２を囲むケース１０４の全域が非磁性材料からなる場合、永久磁石１０２からの磁束はケース１０４を通過し、ケース１０４の外部に流出する（図１６中の矢印参照）。渦電流式レールブレーキ装置が制動状態のとき、この磁束により形成される磁界の中に鉄道レール２１が存在する。これにより、鉄道レール２１に渦電流が発生し、鉄道車両を減速させる方向の制動力が得られる。

　しかしながら、このような渦電流式レールブレーキ装置では、ケース１０４全域が非磁性材料からなるため、非制動状態のときにも、永久磁石１０２からの磁束がケース１０４の外部に流出する。この磁束漏れを抑制するために、永久磁石１０２を磁性材料からなるケースで囲むことが考えられる。

　図１７は、永久磁石が磁性を有するケースに囲まれた渦電流式レールブレーキ装置の断面図である。図１７を参照して、永久磁石１０２を囲むケース１０４の全域が磁性材料からなる場合、永久磁石１０２からの磁束はケース１０４の底部及び側部を流れるため、磁束漏れが抑制される（図１７中の矢印参照）。しかしながら、この場合、ケース１０４の外部に流出する磁束が減少する。そのため、制動状態のときに鉄道レール２１を強い磁界の中に置くことが困難となり、得られる制動力が低下する。これを解消するためには、永久磁石の磁力を強くしたり、永久磁石の数を増やす必要がある。

　このように、磁束漏れを抑制するためにはケースに磁性を持たせればよいが、制動力の確保のためにはケースは非磁性である方がよく、相反する両方の課題を解決することは困難であった。

　そこで、本発明者らは、磁束漏れの抑制及び制動力の確保を両立させることを検討した。その結果、本発明者らは、ケースの一部に磁性を持たせ、残部を非磁性とし、制動状態の際には永久磁石をケースの非磁性の部分近傍に配置し、非制動状態の際には永久磁石を磁性を有する部分近傍に配置することを着想した。これにより、制動状態では、ケースの非磁性の部分から磁束を外部に流出させ、制動力を確保できる。非制動状態では、磁束をケースの磁性を有する部分に流し、磁束漏れを抑制できる。よって、磁束漏れの抑制及び制動力の確保という相反する両方の課題を解決することができる。

　（１）以上の着想に基づく本実施形態の鉄道車両に取り付けられる渦電流式レールブレーキ装置は、磁石列と、支持部材と、ケースと、昇降装置とを含む。磁石列は、鉄道車両の進行方向に配列された複数の永久磁石を含む。支持部材は、磁石列の上方に配置され、磁石列が取り付けられ、磁性を有する。ケースは、磁石列及び支持部材を収容する。昇降装置は、支持部材をケース内部において昇降させることで制動状態又は非制動状態に切替え可能である。ケースは、磁石列の両側に配置された２つの側部と、磁石列の下方に配置され、２つの側部それぞれの下端を繋ぐ非磁性の底部とを含む。２つの側部それぞれの上部に磁性部が設けられ、下部に非磁性部が設けられる。昇降装置は、磁石列を底部に対向させたまま、支持部材を昇降させる。

　このような構成の渦電流式レールブレーキ装置によれば、ケースの側部において上部には磁性部が設けられる。渦電流式ブレーキ装置が非制動状態の際には、磁石列をこの磁性部の近傍に位置させることができる。これにより、非制動状態の際に永久磁石からの磁束が磁性部に導かれる。したがって、ケースの外部に磁束が漏れることを抑制できる。一方、ケースの側部において下部には非磁性部が設けられる。渦電流式ブレーキ装置が制動状態の際には、磁石列をこの非磁性部の近傍に位置させることができる。これにより、制動状態の際に永久磁石からの磁束が非磁性部を通り抜け、ケースの外部にある鉄道レールに到達しやすくなる。したがって、制動力を確保できる。

　上記（１）の渦電流式レールブレーキ装置は、次のような構成とすることが好ましい。

　（２）上記（１）の渦電流式レールブレーキ装置において、磁性部は、非磁性部と繋がって設けられる。

　後述する実施例に基づき、上記（２）の渦電流式レールブレーキ装置は次のような構成とすることが好ましい。

　（３）上記（２）の渦電流式レールブレーキ装置において、制動状態のとき、２つの側部それぞれの磁性部の下端は、側部の下端よりも上方に位置し、かつ、支持部材の上端又は当該上端よりも下方に位置し、２つの側部それぞれの磁性部の上端は、側部の上端に位置する。

　（４）上記（２）の渦電流式レールブレーキ装置において、制動状態のとき、２つの側部それぞれの磁性部の下端は、磁石列の上端から支持部材の上端までの間に位置し、２つの側部それぞれの磁性部の上端は、側部の上端に位置する。

　以下、図面を参照して、本開示の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　初めに、本明細書における方向について説明する。本明細書において「前後」とは、鉄道車両の進行方向における前後を意味する。本明細書において「上下」とは、鉄道車両が直立静止している状態での上下を意味する。本明細書において「左右」とは、進行方向に向かった状態での左右を意味する。また、渦電流式レールブレーキ装置に対して用いられる「前後」、「上下」及び「左右」は、渦電流式レールブレーキ装置が鉄道車両に取り付けられた状態での前後、上下及び左右を意味する。

　図１は、鉄道車両に取り付けられた渦電流式レールブレーキ装置を示す図である。図１は、鉄道車両の側方から渦電流式レールブレーキ装置１を見た図であり、渦電流式レールブレーキ装置１については内部構造を示し、磁石列８がケース４の底部１４から離間した状態（非制動状態）を示す。

　図１を参照して、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１は、鉄道車両２０の台車２３に取り付けられる。渦電流式レールブレーキ装置１は、磁石列８と、支持部材３と、ケース４と、昇降装置５と、を含む。

　［磁石列］
　渦電流式レールブレーキ装置１は、前後方向に配列された複数の永久磁石２を含む。本明細書では、このように配列された複数の永久磁石２全体を磁石列８と呼ぶ。

　図２は、渦電流式レールブレーキ装置の片側断面図である。図２を参照して、各永久磁石２は２つの磁極（Ｎ極及びＳ極）を有する。各永久磁石２の２つの磁極は、上下方向に配置される。すなわち、一方の磁極は永久磁石２の下部に配置され、他方の磁極は上部に配置される。各永久磁石２は、配列方向において交互に磁極の配置が反転している。換言すれば、隣接する永久磁石２同士の磁極の向きは、反転している。

　複数の永久磁石２は全て、同じ形状及び同じ材質であるのが好ましい。複数の永久磁石２は、等間隔に配列されるのが好ましい。また、永久磁石２の数は特に限定されず、渦電流式レールブレーキ装置１のサイズ、必要な制動力に応じて適宜設定すればよい。

　［支持部材］
　支持部材３は、概略直方体形状であり、前後方向に延在する。支持部材３は、磁石列８の上方に配置される。支持部材３には、磁石列８が取り付けられる。より具体的には、支持部材３の下面に磁石列８が接着剤、ボルト締結、鋳ぐるみ等によって固定される。支持部材３は磁性を有し、ヨークとして機能する。所定の制動力を発現させる磁気回路を形成可能な板厚、幅が確保されている限り、支持部材３のサイズ、材料に限定はない。支持部材３の材料はたとえば、マルテンサイト系又はフェライト系ステンレス鋼である。その他にも、支持部材３の材料は公知の磁性材料を用いてもよく、たとえば、一般機械用構造鋼を用いてもよい。このことは、後述するケース４の側部の磁性部６の材料についても同様である。なお、後述するように支持部材３はケース４内部において昇降する。そのため、図３に示すように、支持部材３とケース４の側部１３との間にはドライベアリング２２が設けられる。

　［ケース］
　図４は、渦電流式レールブレーキ装置のケース内の構成を示す斜視図である。図４を参照して、ケース４は、磁石列８及び支持部材３を収容する。ケース４は、前後方向に延びる箱形状である。ケース４は、前後方向に垂直な断面視で、概略長方形である。ケース４は、天井部１２、２つの側部１３及び底部１４を含む。図４では、ケース４の天井部１２、底部１４及び側部１３の一部の図示を省略している。２つの側部１３は、磁石列８の両側に配置される。天井部１２は、２つの側部１３の上端を繋ぐ。底部１４は、２つの側部１３の下端を繋ぐ。ケース４の前後方向の端にはそれぞれ前部１７、後部１８が設けられ、ケース４によって磁石列８及び支持部材３は囲まれる。

　図３に戻り、底部１４は、磁石列８の下方に配置される。底部１４は、磁石列８と対向する。底部１４は、各永久磁石２の下部に配置された磁極と対向する。底部１４は非磁性の材料からなる。底部１４の材料はたとえば、樹脂や非磁性金属（オーステナイト系ステンレス鋼等）である。このことは、後述するケース４の側部１３の非磁性部７の材料についても同様である。

　２つの側部１３は、左右方向に対称形状であるため、以下では一方の側部１３について説明する。側部１３は、磁性部６と、非磁性部７とを含む。非磁性部７は、側部１３の下部に設けられる。非磁性部７は、前後方向に垂直な断面視で、側部１３の下端１５から上方に延びる。磁性部６は、側部１３の上部に設けられる。本実施形態では、磁性部６は、側部１３の上端１６から側部１３の上下方向の中央よりも下方の位置まで設けられる。磁性部６は、非磁性部７と繋がって設けられる。磁性部６の下端は、非磁性部７の上端と一致する。磁性部６の上端は、側部１３の上端１６と一致する。側部１３は、上下方向に２つの部分に分けられ、その上側の部分が磁性部６、下側の部分が非磁性部７である。非磁性部７の厚さ（左右方向の長さ）と磁性部６の厚さとは同じであるのが好ましいが、異なっていてもよい。

　磁性部６及び非磁性部７は、前後方向に延在する。磁性部６及び非磁性部７は、磁石列８の全長にわたり延在する。磁性部６及び非磁性部７は、磁石列８の全長を超えて延在してもよい。本実施形態では、磁性部６及び非磁性部７は、ケース４の側部１３全域にわたり設けられる。この場合、全ての永久磁石２の両側の側部１３に磁性部６及び非磁性部７が設けられることになり、後述するように制動力の確保及び磁束漏れの抑制の効果が最大限に発揮される。しかしながら、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１はこの場合に限定されない。磁性部６及び非磁性部７は、少なくとも１つの永久磁石２の両側に設けられれば、制動力の確保及び磁束漏れの抑制の効果は得られる。

　磁性部６と非磁性部７とは、たとえば、溶接、接着剤、ボルト締結等によって連結される。天井部１２と磁性部６とは一体であってもよい。底部１４と非磁性部７とは一体であってもよい。天井部１２及び底部１４はそれぞれ、側部１３と別体であってもよい。また、天井部１２、側部１３及び底部１４はそれぞれ、平坦な板形状であってもよいし、湾曲していてもよい。要するに、磁石列８及び支持部材３を収容可能であれば、ケース４の形状は特に限定されない。

　図２を参照して、ケース４はさらに、ガイドシャフト３５と、磁極ブロック３６と、を含んでもよい。ガイドシャフト３５は、ケース４の天井部１２と底部１４との間に延びる。すなわち、ガイドシャフト３５は、上下方向に延びる。ガイドシャフト３５は、支持部材３に設けられた孔を貫通する。ガイドシャフト３５は、支持部材３が上下方向に安定して昇降できるように案内する。また、ガイドシャフト３５は、制動時に支持部材３がレールから車両進行逆方向に受ける反力に抗するように支持部材３を保持し、アクチュエータ３１への左右方向及び前後方向の負荷を抑制することができる。ガイドシャフト３５の上端は、ケース４の天井部１２に固定される。ガイドシャフト３５の数は特に限定されず、必要に応じて適宜設けられる。

　磁極ブロック３６は、磁石列８の少なくとも一方の端に隣接して配置される。磁極ブロック３６は、磁石列８の端に配置された永久磁石２と、進行方向において並んで配置される。磁極ブロック３６は、磁石列８の前方に配置される。本実施形態では、磁極ブロック３６は、磁石列８の後方にも配置することができる。ただし、磁極ブロック３６は、磁石列８の前方又は後方のいずれかのみに配置されてもよい。磁極ブロック３６と磁石列８の端に配置された永久磁石２との間隔は、複数の永久磁石２同士の間隔と同じであるのが好ましい。磁極ブロック３６はケース４の底部１４に固定され、ガイドシャフト３５の下端を支持する。より具体的には、磁極ブロック３６には支持孔が設けられる。この支持孔にガイドシャフト３５の底部１４側の端を差し込むことで磁極ブロック３６がガイドシャフト３５を支持する。磁極ブロック３６は、磁性を有する。磁極ブロック３６の材料は、公知の磁性材（例：炭素鋼、鋳鉄など）を用いてよい。

　［昇降装置］
　図１を参照して、昇降装置５は、渦電流式レールブレーキ装置１を制動状態又は非制動状態に切替えることができる。

制動状態とするには、昇降装置５により磁石列８をケース４内部で下降させ、磁石列８とケース４の底部１４とを最接近させる。つまり、磁石列８と鉄道レール２１とを最接近させる。この際、磁石列８と底部１４との間には僅かな隙間が設けられる。一方、非制動状態とするには、昇降装置５により磁石列８をケース４内部で上昇させ、磁石列８とケース４の底部１４とを最離間させる。つまり、磁石列８と鉄道レール２１とを最離間させる。

　図３を参照して、昇降装置５は、制動状態であるときに磁石列８の下端がケース４の側部１３の上下方向の中央よりも下方に位置するように磁石列８を制御する。また、昇降装置５は、非制動状態であるときに磁石列８の下端がケース４の側部１３の上下方向の中央よりも上方に位置するように磁石列８を制御する。

　図２を参照して、昇降装置５について、より具体的に説明する。昇降装置５は、アクチュエータ３１と、支持棒３２と、第１ストッパ３３と、第２ストッパ３４と、を含む。

　アクチュエータ３１は、ケース４の上方に配置される。アクチュエータ３１は、鉄道車両の台車に固定される。アクチュエータ３１は、所定の進退量及び推力を満たしていれば、駆動方式に制限はなくたとえば、空気や油等の流体式、電磁制御式アクチュエータを用いてもよい。支持棒３２は、上下方向に延びる。支持棒３２は、ケース４の天井部１２を貫通する。支持棒３２の下端は、支持部材３に固定される。支持棒３２の上端は、アクチュエータ３１に連結される。アクチュエータ３１を作動させることで、支持棒３２は上下方向に沿ってアクチュエータ３１から進退する。支持棒３２を進退させることにより、磁石列８及び支持部材３をケース４内部において昇降させることができる。

　第１ストッパ３３は、ケース４の天井部１２と支持部材３との間に配置される。第１ストッパ３３は、概略円板形状である。第１ストッパ３３の内周縁は、支持棒３２に固定される。渦電流式レールブレーキ装置１の上方から見て、第１ストッパ３３は、ケース４の天井部１２と重複する。したがって、磁石列８及び支持部材３をある位置まで上昇させると、第１ストッパ３３は、ケース４の天井部１２に当たる。これにより、磁石列８及び支持部材３の上昇が止まる。また、第１ストッパ３３が、ケース４の重量を支持する。つまり、第１ストッパ３３は、磁石列８及び支持部材３の上昇を制限する役割を担う。

　第２ストッパ３４は、ケース４の天井部１２とアクチュエータ３１との間に配置される。第２ストッパ３４は、概略円板形状である。第２ストッパ３４の内周縁は、支持棒３２に固定される。渦電流式レールブレーキ装置１の上方から見て、第２ストッパ３４は、ケース４の天井部１２と重複する。したがって、磁石列８及び支持部材３をある位置まで下降させると、第２ストッパ３４は、ケース４の天井部１２に当たる。これにより、磁石列８及び支持部材３の下降が止まる。つまり、第２ストッパ３４は、磁石列８及び支持部材３の下降を制限する役割を担う。

　渦電流式レールブレーキ装置１の上方から見て、第１ストッパ３３及び第２ストッパ３４の外縁形状は、円形に限られない。第１ストッパ３３及び第２ストッパ３４の外縁形状は、楕円、多角形等でもよい。渦電流式レールブレーキ装置１の上方から見て、第１ストッパ３３及び第２ストッパ３４は、それぞれの少なくとも一部がケース４の天井部１２と重複していればよい。

　このような構成によれば、昇降装置５は、ケース４内において磁石列８を昇降させることができ、制動状態又は非制動状態への切替ができるだけでなく、ケース４の底部１４から磁石列８を離すことでケース４の底部１４に異物が付着することも抑制できる。さらに、図２に示す状態からアクチュエータ３１により第１ストッパ３３をさらに上昇させると、ケース４自体を上昇させることができ、非制動時に渦電流式レールブレーキ装置１を鉄道レールから離すことができる。

　また、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１では、昇降装置５は、磁石列８をケース４の底部１４に対向させたまま磁石列８を昇降させることで、制動状態又は非制動状態への切替を行う。そのため、ケース４の左右方向に磁石列８の可動域を設ける必要がない。仮に、磁石列８を左右方向に回転させれば、磁石列８の可動域を左右方向に設ける必要がある。この場合、ケース４の左右方向の長さが長くなる。そのため、ケース４の前後方向から見た車輪外形状からの突出面積が大きくなり、走行中に飛来物がケース４に衝突する可能性が高くなる。この点、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１では、磁石列８を上下方向に沿って移動させるため、ケース４の左右方向の長さは短くて済む。

　続いて、本実施形態の渦電流式レールブレーキの制動状態及び非制動状態での磁気回路について説明する。

　［制動状態の磁気回路］
　図５は、左右方向に垂直な断面から見た制動状態の磁気回路を示す図である。図５を参照して、制動状態の磁気回路について、Ｎ極が下部に配置されたある永久磁石２Ａを例に説明する。

　永久磁石２ＡのＮ極から出た磁束は、非磁性であるケース４の底部１４を通過し、鉄道レール２１に到達する。鉄道レール２１に到達した磁束は、永久磁石２Ａの両側のＳ極が下部に配置された永久磁石２Ｂそれぞれに到達する。永久磁石２Ｂの上部に配置されたＮ極から出た磁束は、磁性を有する支持部材３を通り、隣接する永久磁石２ＡのＳ極に到達する。すなわち、隣接する２つの永久磁石２Ａ、２Ｂ、支持部材３及び鉄道レール２１によって磁気回路が形成される。この制動状態の磁気回路を前後方向に垂直な断面から見て説明する。

　図６は、前後方向に垂直な断面から見た制動状態の磁気回路を示す図である。図６を参照して、制動状態では永久磁石２からの磁束は非磁性であるケース４の底部１４に到達する。仮にケース４の側部１３全域が磁性を有しているとすると、底部１４に到達した磁束は側部１３に導かれやすい。そのため、鉄道レール２１に到達する磁束量が低下する。その結果、鉄道レール２１に発生する渦電流が弱まり、制動力が低下する。

　しかしながら、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１では、ケース４の側部１３の下部に非磁性部７が設けられる。より具体的には、側部１３のうち、制動状態の際の永久磁石２の位置に対応する部分（すなわち、側部１３の下端１５から上方に所定の距離の部分）に非磁性部７が設けられる。そのため、底部１４に到達した磁束が側部１３に導かれにくく、鉄道レール２１に到達する磁束量の低下が抑制される。したがって、鉄道レール２１に発生する渦電流が弱まりにくく、制動力の低下が抑制される。

　また、図５を参照して、磁石列８の一方の端に配置された永久磁石２Ｃと、それに隣接する磁極ブロック３６とによる磁気回路は次のようになる。永久磁石２ＣのＮ極が下部に配置されている場合、Ｎ極から出た磁束はケース４の底部１４、及び鉄道レール２１を通過し、磁性を有する磁極ブロック３６に到達する。磁極ブロック３６に到達した磁束は、支持部材３を通り、永久磁石２ＣのＳ極に到達する。すなわち、永久磁石２Ｃ、磁極ブロック３６、支持部材３及び鉄道レール２１によって磁気回路が形成される。これにより、磁石列８の端でも磁気回路を形成でき、制動力を向上させることができる。

　続いて、非制動状態の磁気回路について説明する。

　［非制動状態の磁気回路］
　図７は、左右方向に垂直な断面から見た非制動状態の磁気回路を示す図である。図７を参照して、非制動状態の磁気回路についても、Ｎ極が下部に配置されたある永久磁石２Ａを例に説明する。

　非制動状態では、磁石列８は鉄道レール２１から十分に離れる。そのため、永久磁石２ＡのＮ極から出た磁束は鉄道レール２１を通らず、隣接する永久磁石２ＢのＳ極に到達する。永久磁石２ＢのＮ極から出る磁束は、支持部材３を通り、永久磁石２ＡのＳ極に到達する。このように、非制動状態では永久磁石からの磁束が鉄道レール２１に到達しにくく、鉄道レール２１に渦電流はほとんど発生しない。つまり、鉄道車両に制動力はほとんど作用しない。なお、磁石列８と鉄道レール２１との距離は永久磁石の磁力に応じて適宜設定される。この非制動状態の磁気回路を左右方向に沿った断面で説明する。

　図８は、前後方向に垂直な断面から見た非制動状態の磁気回路を示す図である。図８を参照して、非制動状態では、永久磁石２のＮ極から出た磁束は、ケース４の底部１４を通らずケース４の磁性部６を通る。ここで、仮にケース４の全域が非磁性であるとすると、永久磁石２からの磁束は広がりを持って流れるため、一部の磁束がケース４の外部に漏れる可能性がある。磁束漏れが生じると、磁力によりケース４の外面に異物が付着しやすくなる。

　しかしながら、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置では、ケース４の側部１３の上部に磁性部６が設けられる。より具体的には、側部１３のうち、非制動状態の際の永久磁石２の位置に対応する部分に磁性部６が設けられる。そのため、永久磁石２のＮ極から流れ出た磁束が側部１３に導かれやすくなり、ケース４の外部への磁束漏れが抑制される。

　このように、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１によれば、ケース４の側部１３の上部を磁性部６とし、下部を非磁性部７とすることで、制動状態では磁束をケース４の外部に流出させることができ、非制動状態では磁束がケース４の外部に流出することを抑制することができる。これにより、制動力の確保と磁束漏れの抑制という相反する事項を両立させることができる。

　なお、上述の実施形態では、昇降装置５がアクチュエータ３１、支持棒３２、第１ストッパ３３及び第２ストッパ３４を含む場合について説明した。しかしながら、昇降装置５はこれに限定されず、電子制御により磁石列８及び支持部材３を昇降させてもよい。

　また、上述の実施形態では、昇降装置５がケース４を昇降させる機能と、磁石列８を昇降させる機能の両方を有する場合について説明した。しかしながら、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１は、ケース４を昇降させる昇降装置と、支持部材３及び磁石列８を昇降させる別個の昇降装置とを含むことを排除しない。

　［磁性部及び非磁性部の配置関係］
　続いて、後述する実施例に基づいた、磁性部６及び非磁性部７の好ましい配置関係について説明する。

　図９は、磁性部及び非磁性部の配置関係を示す図である。図９中、「Ｐ１」は側部１３の上下方向の中央の位置を示す。「Ｐ２」は制動状態での支持部材３の上端の位置を示す。「Ｐ３」は制動状態での支持部材３の上下方向の中央の位置を示す。「Ｐ４」は制動状態での支持部材３の下端（永久磁石２の上端）の位置を示す。「Ｐ５」は制動状態での永久磁石２の上下方向の中央の位置を示す。「Ｐ６」は制動状態での永久磁石２の下端の位置を示す。

　磁性部６の下端は、側部１３の下端１５よりも上方に位置する。磁性部６の下端は、支持部材３の上端（Ｐ２）又は上端（Ｐ２）よりも下方に位置する。磁性部６の下端が、側部１３の下端１５よりも上方に位置すれば、側部１３の下部に非磁性部７が設けられることになる。そのため、制動状態の際に磁束を鉄道レールに到達させやすくなる。また、磁性部６の下端が支持部材３の上端（Ｐ２）又は上端（Ｐ２）よりも下方に位置すれば、非制動状態の際に磁石列８の両側に磁性部６が位置しやすく、磁束漏れを抑制できる。

　［他の実施形態］
　上述の実施形態では、磁性部６と非磁性部７とが繋がって設けられる場合について説明した。しかしながら、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１においてケース４の構成はこれに限定されない。

　図１０及び図１１は、他の実施形態の磁性部及び非磁性部の配置関係を示す図である。図１０及び図１１を参照して、非磁性部７はケース４の側部１３の下端１５から上端１６まで延び、磁性部６が非磁性部７の外側又は内側に設けられる構成としてもよい。この場合、側部１３において、非磁性部７のうち磁性部６と重なる部分は、磁性部６とみなす。したがって、この場合であっても、ケース４の側部１３の上部に磁性部６が設けられ、下部に非磁性部７が設けられる。そのため、上述したように制動力の確保及び磁束漏れの抑制を両立させることができる。なお、この場合、磁性部６を非磁性部７にボルト締結、接着剤等によって取り付ける。

　また、上述の実施形態では昇降装置５が磁石列８を上下方向に沿って昇降させる場合について説明した。しかしながら、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１はこの場合に限定されない。昇降装置５は、上下方向及び前後方向によって形成される平面上を上下方向と角度を持って（すなわち、斜め方向に）磁石列８を昇降させてもよい。

　図１２は、他の実施形態の昇降装置を用いた制動状態を示す図である。図１３は、他の実施形態の昇降装置を用いた非制動状態を示す図である。図１２及び図１３を参照して、昇降装置５は、アクチュエータ３１と、第１アーム４１と、第２アーム４２とを含んでもよい。アクチュエータ３１はケース４の天井部１２に取り付けられ、第１アーム４１はアクチュエータ３１から進退可能である。第２アーム４２の一方の端部は第１アーム４１に回転可能に接続され、第２アーム４２の他方の端部は支持部材３に回転可能に接続される。第２アーム４２には、第１アーム４１への接続部と支持部材３への接続部との間にケース４に固定された支点４３が設けられる。第２アーム４２は支点４３周りに回転可能である。

　このような構成によれば、アクチュエータ３１を作動させ、第１アーム４１を進退させれば、磁石列８を上下方向に対して斜めに昇降させることができる。なお、本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置１における磁石列８と鉄道レール２１の間に働く吸引力は上下方向に比べて前後方向の方が小さい。そのため、磁石列８を斜めに昇降させる場合、上下方向に沿って昇降させる場合と比べて、鉄道レール２１と永久磁石２との間の磁力を振り切りやすく、磁石列８を昇降させやすい。したがって、昇降装置５が低出力で済み、省エネルギーとすることができる。

　また、上述の実施形態では、永久磁石２の磁極の向きが上下方向である場合について説明した。しかしながら、永久磁石２の磁極の向きはこれに限定されない。永久磁石２の磁極は、前後方向又は左右方向であってもよい。この場合であっても、隣接する永久磁石２同士の磁極の配置は反転する。

　上述の実施形態では、渦電流式レールブレーキ装置が２つの昇降装置を含む場合について説明した。しかしながら、支持部材及び磁石列をバランスを保って昇降できる限り、昇降装置は１つ又は３つ以上あってもよい。

　本実施形態の渦電流式レールブレーキ装置の効果を確認するため、種々のケース構造の渦電流式レールブレーキ装置の制動力及び磁束漏れについて数値計算により調べた。本発明例として６パターンの数値計算を行い、比較例として３パターンの数値計算を行った。　

　［計算条件］
　まず、本発明例１～６、比較例１～３で異なる計算条件について説明する。本発明例１～６では図９に示すケース４を用い、磁性部６の上端を側部１３の上端とし、磁性部６の下端の位置を６パターン変更して行った。

　磁性部６の下端の位置は、本発明例１では永久磁石２の下端（Ｐ６）とし、本発明例２では永久磁石２の上下方向の中央（Ｐ５）とし、本発明例３では永久磁石２の上端（Ｐ４）とし、本発明例４では支持部材３の上下方向の中央（Ｐ３）とし、本発明例５では支持部材３の上端（Ｐ２）とし、本発明例６では側部１３の上下方向の中央（Ｐ１）とした。本発明例１～６において、磁性部６の材料はＳＳ４００を想定し、非磁性部７及び底部１４の材料はＳＵＳ３０４を想定した。

　比較例１として全域が非磁性のケース４（ＳＵＳ３０４を想定）を用いた。比較例２として全域が磁性を有するケース４（ＳＳ４００を想定）を用いた。比較例３として、ケース４の底部１４が非磁性であり、側部１３全域が磁性を有するケース（すなわち、図９において磁性部６の下端が側部の下端１５であるケース）を用いた。

　続いて、本発明例１～６、比較例１～３で共通の計算条件について説明する。数値計算は汎用電磁場解析ソフトＪＭＡＧ（登録商標）を用いて行った。永久磁石２は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系の磁石を想定し、支持部材３の材料はＳＳ４００を想定した。ケース４の寸法、永久磁石２の数、大きさ及び磁石特性は同じとした。

　制動力について数値計算を行う際は、ケース４の側部１３の上下方向の全長を１として、永久磁石２とケース４の底部１４との隙間を０．０２４とし、永久磁石２と側部１３との隙間を０．０２４とした。また、鉄道車両が時速３６０ｋｍで走行（すなわち、磁石列と鉄道レールとの相対速度が時速３６０ｋｍ）であると想定した。そして、数値計算の結果より、鉄道車両の進行方向逆向きの電磁気力を算出した。

　磁束漏れについて数値計算を行う際は、ケース４の側部１３の上下方向の全長を１として、磁石列８とケース４の底部１４との隙間を０．６２７とし、磁石列８と側部１３との隙間を０．０２４とした。また、磁束漏れは、ケース４の外表面から０．０１２の位置で測定した。また、永久磁石２の下端をケースの側部１３の中央（Ｐ１）よりも上方に位置させた。

　［計算結果］
　図１４は、本発明例と比較例との制動力を比較した図である。図１４の縦軸は、比較例１の制動力を１．０（基準）とした制動力の比を示す。図１４を参照して、ケース全域を磁性部とした比較例２の制動力は、ケース全域を非磁性部とした比較例１の制動力に比べて４０％以下となり、大幅に制動力が低下した。これは上述したように永久磁束からの磁束が磁性部に導かれることで、ケース外部の鉄道レールに到達しにくかったためと考えられる。

　一方、ケース４の側部１３の下部及び底部１４を非磁性部７とし、側部１３の上部を磁性部６とした本発明例１～６では、ケース４全域を非磁性部７とした比較例１の制動力の８０％以上の制動力を発現できた。これは、制動状態での永久磁石２の位置の近傍に非磁性部７が設けられることで、磁束がケース４外部の鉄道レールに到達しやすくなったためと考えられる。また、ケース４の側部１３における磁性部６の下端を、永久磁石２の上端（本発明例３）から側部１３の中央（本発明例６）までに位置するようにすれば、比較例１の制動力とほぼ同等の制動力を発現できた。

　図１５は、本発明例と比較例との磁束漏れを比較した図である。図１５中の縦軸は、比較例１の最大漏れ磁束密度を１．０（基準）とした最大漏れ磁束密度の比を示す。図１５を参照して、本発明例１～６の最大漏れ磁束密度は、比較例１と比べて２０％以下に抑制された。また、ケース４の側部１３における磁性部６の下端を、支持部材３の上端（本発明例５）の下方に位置するようにすれば、比較例１と比べて１０％以下に抑制された。

　以上の結果に基づけば、制動力の確保及び磁束漏れの抑制を両立させるためには次のことが言える。ケース４の側部１３において、磁性部６の上端は側部１３の上端とし、磁性部６の下端は側部１３の下端よりも上方であって、かつ、支持部材３の上端の下方に配置することが好ましい。これにより、ケース４全域を非磁性部７とした場合と比べて制動力を８０％以上確保し、磁束漏れを１０％以下に抑制できる。より好ましくは、ケース４の側部１３において、磁性部６の上端は側部１３の上端とし、磁性部６の下端は永久磁石２の上端の上方であって、かつ、支持部材３の上端の下方に配置することが好ましい。これにより、ケース４全域を非磁性部７とした場合と同等の制動力を確保し、磁束漏れを１０％以下に抑制できる。

　以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

　本開示の渦電流式レールブレーキ装置は、鉄道車両の制動に用いることができる。

　　１：渦電流式レールブレーキ装置
　　２：永久磁石
　　３：支持部材
　　４：ケース
　　５：昇降装置
　　６：磁性部
　　７：非磁性部
　　８：磁石列
　１２：天井部
　１３：側部
　１４：底部
　１５：側部の下端
　１６：側部の上端
　１７：前部
　１８：後部
　２０：鉄道車両
　２１：鉄道レール
　２３：台車
　３１：アクチュエータ
　４１：第１アーム
　４２：第２アーム
　４３：支点

Claims (4)

1. 　鉄道車両に取り付けられる渦電流式レールブレーキ装置であって、
   　前記鉄道車両の進行方向に配列された複数の永久磁石を含む磁石列と、
   　前記磁石列の上方に配置され、前記磁石列が取り付けられ、磁性を有する支持部材と、
   　前記磁石列及び前記支持部材を収容するケースと、
   　前記支持部材を前記ケース内部において昇降させることで制動状態又は非制動状態に切替え可能な昇降装置とを備え、
   　前記ケースは、前記磁石列の両側に配置された２つの側部と、前記磁石列の下方に配置され、前記２つの側部それぞれの下端を繋ぐ非磁性の底部とを含み、
   　前記２つの側部それぞれの上部に磁性部が設けられ、下部に非磁性部が設けられ、
   　前記昇降装置は、前記磁石列を前記底部に対向させたまま、前記支持部材を昇降させる、渦電流式レールブレーキ装置。
2. 　請求項１に記載の渦電流式レールブレーキ装置であって、
   　前記磁性部は、前記非磁性部と繋がって設けられる、渦電流式レールブレーキ装置。
3. 　請求項２に記載の渦電流式レールブレーキ装置であって、
   　前記制動状態のとき、
   　前記２つの側部それぞれの磁性部の下端は、前記側部の下端よりも上方に位置し、かつ、前記支持部材の上端又は当該上端よりも下方に位置し、
   　前記２つの側部それぞれの磁性部の上端は、前記側部の上端に位置する、渦電流式レールブレーキ装置。
4. 　請求項２に記載の渦電流式レールブレーキ装置であって、
   　前記制動状態のとき、
   　前記２つの側部それぞれの磁性部の下端は、前記磁石列の上端から前記支持部材の上端までの間に位置し、
   　前記２つの側部それぞれの磁性部の上端は、前記側部の上端に位置する、渦電流式レールブレーキ装置。

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