JP2014046831A - 鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】主電動機の枕木方向の寸法を無理なく短縮し、ディスクブレーキを組込む寸法を確保することで、電気回路の高効率化と車輪への熱影響を小さくすることによる保守性と信頼性・安全性の向上を図ることが可能な鉄道車両を提供することにある。
【解決手段】実施形態によれば、台車１６と、台車上に支持された車体と、前記台車に取付けられ、車両を走行するための車輪に回転力を与える主電動機１８と、を備えている。台車は、台車枠２０と、台車枠内に回転自在に支持された左右の車輪１４と、前記左右の車輪間で台車枠に取付けられ主電動機を構成する永久磁石同期電動機と、各車輪の両側面に装着されたブレーキディスク３０と、台車枠の内側に設けられ、それぞれ前記ブレーキディスクにブレーキパッドを押付けるディスクブレーキ装置３２と、を備えている。
【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、ＰＭＳＭ（永久磁石同期電動機）を用いた鉄道車両に関する。

一般に、鉄道車両において、電力を用いて走行する電気車両は、車体と車体を支持する台車と、台車内に設けられた主電動機と、を備えている。そして、電気車両は、車体に搭載された制御装置によって最適に制御された電力を主電動機に送り、主電動機内で電力を回転力に変換し、車輪を回転させることにより走行する。

自動車のような多段変速機を持たない電気車両においては、車両走行に必要なトルクを車輪踏面に発生させるために、主電動機の回転数を減速する手法を採用している。そのため、主電動機と車軸の間には、通常、大歯車と小歯車で構成された一段減速器が介在している。

車体に主電動機を取り付けた車体装架式の車両もあるが、近年の電車では、主電動機を台車内に配置して支持する台車装架式、電気機関車では、主電動機の片側を車軸によって支持する、つりかけ式が一般的となっている。

一方、走行している車両を減速、停止させるための機械ブレーキとしては、回転している車輪を金属性のブレーキシューで押さえることで、運動エネルギーを熱エネルギーに変える手法が古くから用いられている。ところが、列車の高速化に伴い、変換する熱エネルギーが大きくなり、ブレーキ作用中の車輪の温度が著しく高くなる傾向がある。この場合、熱の影響による車輪踏面やブレーキシューの問題が顕著になる。そのため、車輪を直接押さえない方式であるディスクブレーキが次第に採用されるようになってきた。特に、新幹線電車においては、軌間が標準軌で広いこともあり、ディスクブレーキが広く採用されている。

特開平３−０８９８２５号公報

しかしながら、国内の在来線の軌間は、一般的に、新幹線の軌間である1435mmより狭い1067mmとなっている。左右の車輪の間は、車両の要求性能を確保するために大型化する主電動機と、減速器（ギヤケース）と、主電動機の回転力を減速機に伝えるための継手と、で占めらている。そのため、上記の軌間の狭い在来線の車両では、車輪とギヤケースとの間に、更に、ディスクブレーキを組込む余裕がなくなっている。従って、ディスクブレーキを組込む場合、主電動機の枕木方向の寸法を無理に短縮する必要があり、主電動機の設計が厳しく、熱的に無理が生じることから、このよう車両の量産に至っていない。

この発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その課題は、主電動機の寸法を無理なく短縮し、ディスクブレーキを組込む寸法を確保することで、電気回路の高効率化と車輪への熱影響を小さくすることによる保守性と信頼性・安全性の向上を図ることが可能な鉄道車両を提供することにある。

実施形態によれば、鉄道車両は、台車と、台車上に支持された車体と、前記台車に取付けられ、車両を走行するための車輪に回転力を与える主電動機と、を備え、
前記台車は、前記台車枠と、前記台車枠内に回転自在に支持された左右の車輪と、前記左右の車輪間で前記台車枠に取付けられ主電動機を構成する永久磁石同期電動機と、前記各車輪の両側面に装着されたブレーキディスクと、前記台車枠の内側に設けられ、それぞれ前記ブレーキディスクにブレーキパッドを押付けるディスクブレーキ装置と、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る鉄道車両を概略的に示す側面図。 図２は、前記鉄道車両の台車を上から見た平面図。 図３は、前記鉄道車両のディスクブレーキ装置を示す側面図。 図４は、第２の実施形態に係る鉄道車両の台車を示す平面図。 図５は、第２の実施形態に係る鉄道車両の車輪およびブレーキを示す側面図。 図６は、第３の実施形態に係る鉄道車両を概略的に示す側面図。 図７は、第３の実施形態に係る鉄道車両の連結位置における車両および台車を示す側面図。 図８は、第３の実施形態に係る鉄道車両の台車を示す平面図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る鉄道車両について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、実施形態に係る鉄道車両を概略的に示す側面図である。図１に示すように、鉄道車両１２は、車輪１４が設けられた台車１６と、台車上に空気ばね１５を介して支持された車体１７と、を備えている。台車１６上で車輪１４の近傍には主電動機１８が載置されている。主電動機１８は、後述するギアボックスおよびカップリングを介して回転力を車輪１４に伝達できるように接続されている。車輪１４はレール１３上に載置されている。

車体１７の天井側にはパンタグラフ１９が設けられ、このパンダグラフは架線２５と接触している。車体１７の床下には、電力変換装置２７および他の床下装置が艤装されている。架線２５からパンタグラフ１９に供給された電力は、図示しない他の機器を通過し、電力変換装置２７に供給される。電力は電力変換装置２７により直流から交流に変換され、図示しない配線を通して、各主電動機１８に供給される。主電動機１８は供給された電力により駆動し、ギアボックスとカップリングを介して車輪１４を回転させ、これにより、鉄道車両１２はレール１３上を走行する。

図２は、鉄道車両の台車を示す平面図、図３は、車輪およびブレーキを示す側面図である。図２および図３に示すように、台車１６は、例えば、矩形枠状あるいはほぼＨ字形状に形成された台車枠２０と、左右一対の車輪１４と、これら車輪と同軸的に延びる車軸２２とを一体にした輪軸であって、台車枠２０に回転自在に支持された輪軸２４と、台車枠に支持され輪軸を回転させる主電動機１８と、主電動機の回転数を下げるための減速器２６と、減速器と主電動機を機械的に接続するための継手２８と、を備えている。ここでは、一般的な台車装架方式の台車を図示しており、主電動機１８は台車１６に支持されている。

台車枠２０は、例えば、枕木方向に沿って延在する主梁部２０ａと、主梁部の枕木方向両端部から枕木方向と直交する方向に延びる２対の支持梁部２０ｂと、を有し、ほぼＨ字形状に形成されている（図４では、台車枠の片側部分のみを示している）。車軸２２は、一対の支持梁部２０ｂ間を枕木方向に延び、軸方向両端部が支持梁部２０ｂに回転自在に支持されている。左右の車輪１４は、一対の支持梁部２０ｂ間に位置し、それぞれ支持梁部２０ｂの近傍に配置されている。

主電動機１８は、ＰＭＳＭ（永久磁石同期電動機）で構成されている。すなわち、主電動機１８は、台車枠２０の主梁部２０ａと車軸２２との間に位置した状態で台車枠２０に取付けられている。主電動機１８は、回転自在なロータと、ロータに対向して設けられたステータおよびステータコイルと、を備えている。ロータを構成するロータ鉄心内には、複数の永久磁石が所定の角度位置に所定角度傾斜して埋め込まれている。主電動機１８は、その回転軸２１が車軸２２と平行に位置するように配置され、回転軸の出力端部は、台車枠２０の幅方向中央部、すなわち、枕木方向の略中央部に位置している。

減速器２６の内部には、歯数の大きい大歯車と歯数の小さい小歯車とが組込まれており、小歯車は、減速器内に支持され継手２８と連結されている。継手２８は、主電動機１８の回転軸の出力端部に連結されている。一方、減速器２６の大歯車は、車輪１４と同様に、車軸２２に固定され車軸と一体的に回転される。減速器２６は、片側が台車枠２０の主梁部２０ａに支持され、他方側は車軸２２に支持されている。また、減速器２６の内部に、減速器２６を潤滑するための潤滑油が充填されている。

図１ないし図３に示すように、各車輪１４の少なくとも一方の側面には、ここでは、車輪の両側面には、円盤形状のブレーキディスク３０が取付けられている。走行中は、ブレーキディスク３０は常に車輪１４と一体に回転する。ブレーキディスク３０のさらに両外側には、ブレーキディスク３０を挟み込んで押さえ付ける方式のディスクブレーキ装置３２が設けられている。ディスクブレーキ装置３２は、それぞれブレーキディスク３０の摺動面に対向して設けられた２つのブレーキパッド３４と、ブレーキパッドを支持するキャリパ３６と、キャリパ３６を介してブレーキパッド３４をブレーキディスクに押付ける押圧機構とを備えている。

キャリパ３６およびディスクブレーキ装置３２は、台車枠２０の支持梁部２０ｂに取付けられ、車輪１４に隣接対向している。本実施形態によれば、ディスクブレーキ装置３２は、支持梁部２０ｂの内側、つまり、一対の支持梁部２０ｂの間に設けられ、更に、車輪１４および車軸２２の外側、つまり、枕木方向と直交する方向で、車輪１４に対して主梁部２０ａと反対側に設けられている。

ディスクブレーキ装置３２の一方のキャリパ３６およびブレーキパッド３４は、台車枠２０の支持梁部２０ｂと車輪１４との間に位置している。他方のキャリパ３６およびブレーキパッド３４は、車輪１４の内側、つまり、台車枠２０の枕木方向、中央側に位置している。

鉄道車両１２に搭載された空気ブレーキ装置による圧縮空気をディスクブレーキ装置３２の押圧機構に送り込むことにより、ブレーキパッド３４によってブレーキディスク３０を両側から押さえつけ、車両に機械ブレーキを作用させる。この際、ブレーキパッド３４とブレーキディスク３０に発生する熱は、主に、車輪１４に伝達するのではなく、空気中に放出されるので、高速からの大きなブレーキ力が必要な場合においても、車輪踏面やブレーキパッドを熱で傷めることが防止される。

上記のように構成された鉄道車両１２によれば、主電動機１８にＰＭＳＭ方式の電動機を用いることにより、主電動機の枕木方向の寸法を短縮し、ディスクブレーキを組込む寸法を確保することができる。すなわち、軌間の狭い在来線の鉄道車両においても、車両の要求性能を確保したまま、余裕を持ってディスクブレーキを組み込むことが可能となる。これにより、電気回路の高効率化と車輪への熱影響を小さくすることによる保守性と信頼性・安全性の向上を実現することができる。

ここで、誘導電動機と永久磁石を用いたＰＭＳＭ方式の電動機とを比較すると、同じ性能で同じ冷却方式の主電動機として比較した場合、一般に、ＰＭＳＭ方式のほうが、枕木方向の寸法（電動機の軸方向の寸法）を約１０〜１５％程度短縮することができる。誘導電動機を採用した場合に、ディスクブレーキを組み込もうとすると、寸法を短縮するために非常に無理な主電動機の設計になりかねないが、これに比較して、永久磁石同期電動機では、原理的に性能を落とさずに枕木方向の寸法を短縮可能である。従って、永久磁石同期電動機を用いることにより、主電動機の小型化が可能となり、設計上、無理なく、ディスクブレーキを組み込んだ台車を構成することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る鉄道車両について説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の部分には、第１の実施形態と同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図４は、第２の実施形態に係る鉄道車両の台車を示す平面図、図５は、車輪およびブレーキを示す側面図である。図４および図５に示すように、第２の実施形態によれば、ディスクブレーキ装置３２は、車軸２２の外側ではなく、車軸２２の内側に配置されている。すなわち、台車枠２０内において、ディスクブレーキ装置３２は、主梁部２０ａと車軸２２との間に配置されている。ディスクブレーキ装置３２の一方のキャリパ３６およびブレーキパッド３４は、台車枠２０の支持梁部２０ｂと車輪１４との間に位置している。他方のキャリパ３６およびブレーキパッド３４は、車輪１４の内側、つまり、台車枠２０の枕木方向、中央側で、車輪１４と減速器２６との間、あるいは、車輪１４と主電動機１８との間に位置している。

国内の在来線のような狭軌における本線用の電車、あるいは電気機関車においては、左右の車輪と車輪の間に、継手と減速器と主電動機とディスクブレーキのすべてを配置することが艱難となる。本実施形態によれば、主電動機として永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）を採用することにより、主電動機の枕木方向の寸法（電動機の軸方向の寸法）を原理的に短縮できるので、図４および図５に示す構成を得ることができる。もちろん、狭軌の場合、左右の車輪の間に、継手と減速器と主電動機とディスクブレーキのすべてを構成することが、寸法的に非常に厳しいことに変わりはないので、主電動機に要求される出力や牽引力などが大きい場合には、主電動機の直径方向の寸法を大きくする必要があることも、従来の主電動機と同様ではあるが、前述のように、ＰＭＳＭ方式の電動機は、原理的に小型化が可能であるので、従来の誘導電動機では成立しなかった要求性能の場合においても、本実施例の構成が実現可能である。

また、主電動機１８の直径を大きくする必要がある場合、たとえば、車輪径を大きくすることで、ギヤ下、モータ下のクリアランスを確保する手法が一般的であるが、車輪径が必要以上に大きくなることは、すなわち、車体の床面高さが高くなることになる。駅のプラットホームに乗客が乗降する電車においては、プラットホームよりも電車の床が高くなると、安全上、問題になりかねない。このようなケースにおいても、永久磁石同期電動機を用いた本実施形態の鉄道車両においては、車輪径の大型化を最小限に抑えられるため、車両性能は確保したまま、ディスクブレーキを車軸の内側に組込んだ構成を実現可能となる。また、ディスクブレーキ装置３２を車軸２２の内側に配置することにより、ブレーキの反力を受けるための台車枠２０の端梁、あるいは、軸箱支持装置から外方の側梁が不要となる。そのため、台車１６の構成を単純化、軽量化が可能となる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る鉄道車両について説明する。第３の実施形態において、第１の実施形態と同一の部分には、第１の実施形態と同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図６は、第３の実施形態に係る鉄道車両を概略的に示す側面図、図７は、第３の実施形態に係る鉄道車両の連結位置における車両および台車を示す側面図、図８は、第３の実施形態に係る鉄道車両の台車を示す平面図である。

本実施形態によれば、鉄道車両１２は、互いに連結された複数の車体１７ａ、１７ｂと、連結部において、車体上部を支持した連接台車１６と、を備えている。車体の連接方式の種類としては、連接台車に設ける車軸の軸数で分ける、１軸方式、２軸方式があり、また、車体の支持方法として、前述した第１、第２実施形態のように、車体下部を支持する方式と、本実施形態のように、車体上部を支持する方式とがある。

連接台車１６に限らず、一般的に、台車内の車軸間距離（固定軸距）については、大きい方が鉄道車両の高速走行時に蛇行動などが生じにくく、走行安定性が向上するが、曲線通過時の横圧が大きくなるなどの、相反する課題がある。したがって、半径の小さい曲線の通過を優先した鉄道車両の場合には、可能な限り固定軸距を小さくすることが要求される。特に、低床式の車両の場合には、可能な限り車輪径を小さくして、車体の床面を低くし、かつ、主電動機や減速器（駆動装置）を小さくして、車体間を連結する貫通路（連結通路）４０を確保することが要求される。

図６ないし図８に示す第３の実施形態によれば、台車は、２本の車軸２２を有する２軸の連接台車１６であり、軸間距離が非常に小さい場合における実施形態の台車構成を示している。

連接台車１６は、Ｈ型ではなく、矩形状の台車枠２０を有している。すなわち、台車枠２０は、それぞれレール方向に延びる一対の側梁２３ａと、枕木方向に延び側梁の軸方向端同士を連結した一対の端梁２３ｂと、枕木方向に延び両側梁の軸方向ほぼ中央部同士を連結した横梁２３ｄと、を有している。端梁２３ｂおよび横梁２３ｄは、貫通路４０を避けた低い位置に設けられている。台車枠２０は、更に、各側梁２３ａの軸方向ほぼ中央部から鉛直方向上方に延びた一対の車体支持梁２３ｃを有している。台車枠２０は、中央部の主梁部（中心ピン）を持たない構成となっている。

車体１７ｂ側に車体支持枠４２が固定され、この車体支持枠４２は空気ばね４４を介して車体支持梁２３ｃの上端に支持されている。これにより、台車１６は、車体１７ｂの上部を支持している。車体１７ａ、１７ｂ間を連結する貫通路４０は、一対の車体支持梁２３ｃ間を延びている。また、車体支持枠４２は、貫通路４０の上部を跨ぐように配置されている。

図６ないし図８に示すように、２本の車軸２２は、それぞれ一対の側梁２３ａ間を枕木方向に延び、軸方向両端部が側梁２３ａに回転自在に支持されている。また、２本の車軸２２は、レールの延出方向に所定の軸間距離（固定軸距）を置いて配置されている。左右の車輪１４は、車軸２２に固定され、台車枠２０内で一対の側梁２３ａ間に位置し、それぞれ側梁２３ａの近傍に配置されている。

それぞれの輪軸２４は、それぞれの主電動機１８により駆動されることはこれまで説明した実施形態と同様である。２つの主電動機１８は、それぞれＰＭＳＭ（永久磁石同期電動機）で構成されている。主電動機１８は、２本の車軸２２間に配置され、台車枠２０の横梁２３ｄ上に支持されている。更に、主電動機１８は、その回転軸２１が車軸２２と直行する向きに配置され、回転軸の出力端部は、台車枠２０の長手方向中央部、すなわち、レールの延出方向の略中央部に位置している。

各主電動機１８の出力端部は、継手２８を介して減速器４７に連結され、この減速器４７は車軸２２に係合している。本実施形態では、車体１７ａ、１７ｂ間に設けられ幌などにより構成される貫通路４０により、安全に乗客が車両間を移動できるよう、主電動機１８の直径を小さくすることが要求される場合の実施形態を示している。

ここでは、減速器のひとつの方式として、主電動機１８の軸方向と車軸２２とが互いに直交する直角カルダン方式の減速器（駆動装置）を用いることにより、台車枠２０内において、主電動機１８の軸方向にスペースを確保することができる。これにより、主電動機１８の直径が小さくなることを補って、主電動機の性能を確保し、かつ、車軸２２の内側にディスクブレーキ装置３２を配置することができる。

図６ないし図８に示すように、第３の実施形態によれば、ディスクブレーキ装置３２は、台車枠２０の内側で、２本の車軸２２間に配置されている。すなわち、台車枠２０内において、ディスクブレーキ装置３２は、側梁２３ａの内面側に取り付けられている。ディスクブレーキ装置３２の一方のキャリパ３６およびブレーキパッド３４は、台車枠２０の側梁２３ａと車輪１４との間に位置している。他方のキャリパ３６およびブレーキパッド３４は、車輪１４の内側、つまり、台車枠２０の枕木方向、中央側で、車輪１４と主電動機１８との間、あるいは、車輪１４と減速器４７との間に位置している。

上記のように構成された鉄道車両１２によれば、主電動機として永久磁石動機電動機を用いることにより、従来の誘導電動機に比較して、主電動機を小さくすることができ、台車枠２０内の設置スペースに余裕を持たせることができる。主電動機１８を車軸２２と直交する方向に配置した場合、主電動機の軸方向のスペースを確保し、主電動機の軸方向の長さを確保することができる。そのため、主電動機の直径が小さくなることを補って、主電動機の性能を確保することができる。同時に、車軸２２の内側にディスクブレーキ装置を配置することが可能となる。
以上のことから、電気回路の高効率化と車輪への熱影響を小さくすることによる保守性と信頼性・安全性の向上を図ることが可能な鉄道車両が得られる。

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、支持脚の設置数および形状は、前述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて、種々変更可能である。

上述した実施形態では、鉄道車両で一般的な台車装架式の車両を示したが、これに限らず、電気機関車で一般的な吊りかけ式の鉄道車両についても本発明を適用可能である。なお、ここでいう電気車両とは、電力により主電動機を回転させて走行する車両を指し、ディーゼルエンジンやガスタービンなどを動力源とした車両などであってもよい。

１２…鉄道車両、１４…車輪、１６…台車、１７…車体、１８…主電動機、
２０…台車枠、２０ａ…主梁部、２０ｂ…支持梁部、３０…ブレーキディスク、
３２…ディスクブレーキ装置、３４…ブレーキパッド、３６…キャリパ、
４０…貫通路、

Claims (5)

1. 車輪が支持された台車と、台車上に支持された車体と、前記台車に取付けられ、前記車輪に回転力を与える主電動機と、を備え、
   前記台車は、前記台車枠と、前記台車枠内に回転自在に支持された左右の車輪と、前記左右の車輪間で前記台車枠に取付けられ主電動機を構成する永久磁石同期電動機と、前記各車輪と一体に回転するブレーキディスクと、前記台車枠の内側に設けられ、前記ブレーキディスクにブレーキパッドを押付けるディスクブレーキ装置と、を備える鉄道車両。
2. 前記ブレーキディスクは、前記車輪の両側面に取り付けられ、
   前記ディスクブレーキ装置は、それぞれブレーキディスクの表面に対向して設けられたブレーキパッドと、前記ブレーキパッドをそれぞれ支持するキャリパと、前記キャリパを介してブレーキパッドをブレーキディスクに押付ける押圧機構とを備え、
   一方のキャリパおよびブレーキパッドは、前記台車枠と車輪との間に位置し、他方のキャリパおよびブレーキパッドは、前記車輪に対して、前記台車枠の枕木方向、中央側に位置している請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記台車は、それぞれ枕木方向に延びているとともに、前記左右の車輪と同軸に延びる２本の車軸を備え、
   前記主電動機は、前記車軸と平行に延びる回転軸を有している請求項１又は２に記載の鉄道車両。
4. 前記台車は、それぞれ枕木方向に延びているとともに、前記左右の車輪と同軸に延びる２本の車軸を備え、
   前記主電動機は、前記車軸と直交して延びる回転軸を有している請求項１又は２に記載の鉄道車両。
5. 前記ディスクブレーキ装置は、前記台車枠内で、２本の車軸間に設けられている請求項３又は４に記載の鉄道車両。

Images