(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両用の渦電流減速装置であって、
車軸にボスを介して取付けられるディスクと、
前記ボスを挟んで車軸に取付けられた１対の軸受ユニットと、
前記ディスクの一部を包囲すべくこれらの軸受ユニットに脱着可能に取付けられた半円形状のステータアッセンブリとからなり、
ステータアッセンブリは、
前記ディスクを挟む両側における同一円周上に所定の間隔を存して固定配置されるポールピースと、
前記ディスクの反対側におけるポールピースの内周部と対向する位置にＮ極とＳ極を交互に固定配置された内側永久磁石列と、
同じく前記ディスクの反対側におけるポールピースの外周部と対向する位置に、ポールピース１ピッチ分が旋回可能なようにＮ極とＳ極を交互に配置した外側永久磁石列と、
この外側永久磁石列を旋回させるアクチュエータを備えると共に、
外側永久磁石列を１ピッチ分旋回させた際における、外側永久磁石列の先端の磁石の位置に、この磁石のみと対向するように、他のポールピースの半分の大きさとしたポールピースを配置し、
かつ前記ディスクのポールピースと対向する表面には、銅又は銅合金からなる表面処理層が設けられていることを特徴とする鉄道車両用渦電流減速装置。
【請求項２】
表面処理層の厚さは、０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用渦電流減速装置。
【請求項３】
ステータアッセンブリを、１対の軸受ユニットに代えてフレームに脱着可能に取付け、１対の軸受ユニットを省略したことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用渦電流減速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用の渦電流減速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば新幹線では、輸送コストを低減するために、各種の動力機械を設けない付随車両を取り組んでいる。この付随車両は、動力機器を搭載していないので、動力機器（電動機）を発電機として使用するエネルギー回生ブレーキが使用できず、電磁式の渦電流減速装置（以下、「ＥＣＢブレーキ」と言う。）を取付けている。
【０００３】
このＥＣＢブレーキは、図１０に示すように、車軸１に嵌め込んだディスク２に対してコイル３を対向配置し、これらのコイル３に電流を流すことにより、ディスク２中に渦電流を発生させ、磁界との作用により制動力を得るものである。なお、図１０中の４は車輪を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したようなＥＣＢブレーキでは、以下に列挙するような問題がある。
▲１▼  大きな電力が必要であるので、近年の省エネルギの観点からは好ましくない。
▲２▼  車両への通電系にトラブルが発生すると、使用できなくなる。
【０００５】
▲３▼  装置重量が大きく、制御回路が高価である。
▲４▼  ディスクから車軸への熱伝導量が多い。
▲５▼  ディスクに発生する熱応力が大きく、ディスクの変形、熱亀裂などを招く虞がある。
【０００６】
本発明は、上記した従来のＥＣＢブレーキが有していた問題を解決できる鉄道車両用渦電流減速装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置は、永久磁石式の渦電流減速装置を採用すると共に、ディスクを挟んで半円形状のステータアッセンブリを脱着可能に取付け、かつ、ディスクのポールピースと対向する表面に、銅又は銅合金からなる表面処理層を設けたこととしている。そして、このようにすることで、大きな電力を必要とすることなく、電磁効率を高めて最大制動力を高め（特に低速度域においても安定した制動力が得られ）、かつ、車軸に対する着脱が容易に行なえ、しかも、ディスクの放熱性が良くなると共に、車軸に対するディスクの倒れを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置は、鉄道車両用の渦電流減速装置であって、車軸にボスを介して取付けられるディスクと、前記ボスを挟んで車軸に取付けられた１対の軸受ユニットと、前記ディスクの一部を包囲すべくこれらの軸受ユニットに脱着可能に取付けられた半円形状のステータアッセンブリとからなり、ステータアッセンブリは、前記ディスクを挟む両側における同一円周上に所定の間隔を存して固定配置されるポールピースと、前記ディスクの反対側におけるポールピースの内周部と対向する位置にＮ極とＳ極を交互に固定配置された内側永久磁石列と、同じく前記ディスクの反対側におけるポールピースの外周部と対向する位置に、ポールピース１ピッチ分が旋回可能なようにＮ極とＳ極を交互に配置した外側永久磁石列と、この外側永久磁石列を旋回させるアクチュエータを備えると共に、外側永久磁石列を１ピッチ分旋回させた際における、外側永久磁石列の先端の磁石の位置に、この磁石のみと対向するように、他のポールピースの半分の大きさとしたポールピースを配置し、かつ前記ディスクのポールピースと対向する表面には、銅又は銅合金からなる表面処理層を設けたものであり、表面処理層の厚さは、０．２〜０．５ｍｍが望ましい。
【０００９】
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、アクチュエータを駆動させて外側永久磁石列のＮ極、Ｓ極と内側永久磁石列のＮ極、Ｓ極を一致させれば、磁束はポールピースを通過してディスクに入り、ディスクの回転に伴い渦電流が発生して、車軸に制動力を作用させる。この時、駆動された外側永久磁石列の駆動方向先端の磁石の位置に、他のポールピースの半分の大きさのポールピースを配置しているので、内側永久磁石が存在しない外側永久磁石列の駆動方向先端の永久磁石も、車軸に制動力を作用させられるようになる。一方、外側永久磁石列のＮ極、Ｓ極と内側永久磁石列のＮ極、Ｓ極を異ならせた場合には、磁束はポールピース内で閉回路を構成して、ディスクには入らず、車軸に制動力を作用させない。
【００１０】
上記した本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、永久磁石式の渦電流減速装置を採用しているので、大きな電力を必要とすることがない。そして、ディスク表面には、電気伝導度の高い銅又は銅合金からなる表面処理層を設けているので、強磁性体であるディスク母材で発生する渦電流の伝導が促進されて、電磁効率が向上し、発生する渦電流が大きくなって、制動力が増大する。
【００１１】
加えて、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、ステータアッセンブリを半円形状としているので、車軸に対する着脱が容易に行なえる。また、ディスクの両側に永久磁石列を配置しているので、永久磁石の放熱性が良くなって温度上昇が少なくなる。さらに、ディスクは両側から同じ状態で加熱されるので、車軸に対する倒れ現象がなくなってポールピースとの隙間が変化せず、フェード現象が軽減する。
【００１２】
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置において、銅又は銅合金からなる表面処理層の厚さが０．２ｍｍ未満の場合には、表面処理層がない場合よりも渦電流の伝導は促進されるもののその効果が小さく、渦電流がディスク母材にも流れることから、電気抵抗が増加し、制動力を向上させる効果が小さくなる。一方、表面処理層の厚さが０．５ｍｍを超えると、銅又は銅合金は非磁性体であることから強磁性体のディスク母材に達する磁束密度が小さくなり、制動力向上の効果が小さくなる。従って、銅又は銅合金からなる表面処理層の厚さは、０．２〜０．５ｍｍの範囲とすることが望ましい。
【００１３】
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を構成するステータアッセンブリは、上記したように、ボスを挟んで車軸に取付けられた１対の軸受ユニットに脱着可能に取付けたものに限らず、例えば台車フレームに脱着可能に取付け、１対の軸受ユニットを省略したものでも良い。但し、この場合は、走行時の振動で台車フレームが振れるので、ポールピースとディスクの間隔を若干大きくしておく必要がある。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を図１〜図８に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の鉄道車両用渦電流減速装置の要部を断面して示す正面図、図２は図１の側面図、図３は図１のＡ断面図、図４は図１のＢ断面図、図５は本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を車軸に取付けた場合のレイアウト例を示した図、図６は本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を構成するディスクの表面を拡大して示す断面図、図７は本発明の鉄道車両用渦電流減速装置の他の実施例の要部を断面して示す正面図、図８は図７の側面図である。
【００１５】
図１〜図５において、１１は例えば車軸１に例えば焼嵌めされたボスであり、このボス１１に、図６に示すように、後述するポールピース１７ａと対向する表面に、例えば厚さが０．３ｍｍの銅層２０を設けたディスク１２が取付けられている。このディスク１２のボス１１に対する取付けは、図１及び図４に示すように、例えばボス１１の円周上８等分位置で、支点ピン１３を介してスライドピン１４を枢支し、このスライドピン１４に微少隙間を有してディスク１２を嵌合し、スライドピン１４により半径方向の同芯を確保しながらブレーキトルクを伝達するものを採用する。
【００１６】
ディスク１２のボス１１に対する取付けは、例えば上記したように支点ピン１３とスライドピン１４を介して行われるが、本実施例では、スライドピン１４に対する支点ピン１３の嵌合は微少隙間を有し、ボス１１に対する支点ピン１３の嵌合は隙間を有さない状態となされている。また、ディスク１２とボス１１の嵌合部（図１のａ，ｂ部）も微少隙間を有した状態で嵌合されている。このようにすることで、ディスク１２とボス１１との接触面積が小さくなり、ディスク１２からボス１１への熱伝導が大幅に抑制できる。
【００１７】
また、本実施例では、ディスク１２とボス１１の間の８個所に、図４に示すように、窓１５を設けると共に、ディスク１２にはこの窓１５に連通する貫通孔１２ａを半径方向に開設し、窓１５からの冷却空気の取入れにより、ディスク１２の放熱性を良くするものを開示している。また、窓１５の効果として、さらに、ディスク１２とボス１１との接触面積が小さくなり、ディスク１２からボス１１への熱伝導が大幅に抑制できる。
【００１８】
１６ａ、１６ｂは前記ボス１１を挟んで車軸１に取付けられた１対の軸受ユニットであり、これらの対をなす軸受ユニット１６ａ、１６ｂに、前記ディスク１２の一部を包囲すべく半円形状のステータアッセンブリ１７が脱着可能に取付けられている。このステータアッセンブリ１７は、図２に示すように、トルク・アーム１８を介して台車フレーム１９に連結され、制動力の反力を受けるようになっている。
【００１９】
次に、ステータアッセンブリ１７の構成について説明する。
１７ａは、図１に示すように、前記ディスク１２を挟む両側に配置されると共に、図３に示すように、同一円周上に所定の間隔を存して固定配置されるポールピースであり、強磁性体で製作されている。
【００２０】
１７ｂは、図１及び図３に示すように、前記ディスク１２の反対側におけるポールピース１７ａの内周部と対向する位置にＮ極とＳ極を交互に配置された内側永久磁石列であり、固定ヨーク１７ｄ、バックプレート１７ｍを介してケース１７ｆに固定されている。なお、バックプレート１７ｍ及びケース１７ｆは、アルミニウム等の非磁性体で製作されている。
【００２１】
１７ｃは、前記した内側永久磁石列１７ｂと同じように、前記ディスク１２の反対側におけるポールピース１７ａの外周部と対向する位置にＮ極とＳ極を交互に配置された外側永久磁石列である。この外側永久磁石列１７ｃは、図１に示すように、ケース１７ｆ及び固定ヨーク１７ｄに固定配置されたメタル１７ｇによって、可動ヨーク１７ｅを介して旋回が自在なように支持されており、図１〜図３に示すスタンド１７ｈ、ローラフォロア１７ｉ、先端金物１７ｊを介して、例えばピストンの位置検出装置を備えて任意の位置に停止が可能な油圧シリンダ１７ｋに接続され、ポールピース１７ａの１ピッチ分が旋回できるようになされている。
【００２２】
本発明では、前記したように、ポールピース１７ａの１ピッチ分が旋回した外側永久磁石列１７ｃの回転方向先端の磁石の位置に、図３に想像線で示すように、他のポールピース１７ａの半分の大きさのポールピース１７ａａを配置している。
【００２３】
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置は上記した構成であり、次にこの鉄道車両用渦電流減速装置の作用について説明する。
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、図３に示すように、外側永久磁石列１７ｃのＮ極、Ｓ極と、内側永久磁石列１７ｂのＮ極、Ｓ極が異なった状態では、磁束はポールピース１７ａ内で閉回路を構成して、ディスク１２には侵入せず、車軸１には制動力は作用しない。
【００２４】
図３に示した状態から、油圧シリンダ１７ｋのロッドを突出移動させて図３の想像線で示すように、ポールピース１７ａの１ピッチ分、外側永久磁石列１７ｃを旋回移動させ、外側永久磁石列１７ｃのＮ極、Ｓ極と、内側永久磁石列１７ｂのＮ極、Ｓ極を一致させれば、磁束はポールピース１７ａを通過してディスク１２に入り、ディスク１２の回転に伴い渦電流が発生して、車軸１に制動力が作用する。この時、ポールピース１７ａａの作用によって、内側永久磁石が存在しない外側永久磁石列１７ｃの先端の永久磁石も、車軸１に制動力を作用させられるようになる。
【００２５】
この状態は、１００％制動力が作用した状態であるが、外側永久磁石列１７ｃの位置を、先に説明した制動力がＯＦＦの状態と、１００％制動力が作用した状態の中間の任意の位置に位置させた場合には、制動力は０〜１００％の間で変化する。
【００２６】
ところで、走行する車両に制動力をかけると、車輪とレール間に滑りが発生する。高速では車輪とレール間の摩擦係数が小さいので、高速走行から大きな制動力をかけた場合には、車両の減速能力は低下することになる。従って、高速走行時には、車両に大きな制動力をかけることは好ましくない。一方、低速走行時は、高速走行時に比べて、制動時に車輪とレール間に滑りが生じ難く、制動時における車輪とレールとの摩擦係数が大きくなって、車両を減速するためには大きな制動力を必要とする。
【００２７】
従って、鉄道用の渦電流減速装置では、高速度域での制動力を過度に大きくせず、低速域での制動力を大きくする必要がある。低速度域での制動力を大きくするためには、内側永久磁石列１７ｂや外側永久磁石列１７ｃの量を増やして、ディスク１２に発生する渦電流を大きくしたり、装置全体を大きくすることが考えられる。
【００２８】
しかしながら、内側永久磁石列１７ｂや外側永久磁石列１７ｃの量を増やしたり、装置全体を大きくする手法では、装置全体の重量が大きくなって、製造コストが上昇するなどの不利が生じたり、高速域での制動力も大きくなって、先に説明したような好ましい制動能力を得ることができない。
【００２９】
そこで、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、上記したように、ディスク１２のポールピース１７ａと対向する表面に例えば銅層２０を設けることで、電磁効率を高めて最大制動力を高めると共に、特に、低速度域においても安定した制動力を得られるようにしている。
【００３０】
このように、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、永久磁石式の渦電流減速装置を採用しているので、大きな電力を必要とすることがない。そして、ディスク１２の表面には、電気伝導度の高い例えば銅層２０を設けているので、強磁性体であるディスク母材で発生する渦電流の伝導が促進されて、電磁効率が向上し、発生する渦電流が大きくなって、制動力が増大する。
【００３１】
加えて、ステータアッセンブリ１７を半円形状としているので、車軸１に対する着脱を容易に行なうことができ、メンテナンス性が良くなる。また、ディスク１２の両側に永久磁石列１７ｂ，１７ｃを配置しているので、永久磁石の放熱性が良くなって温度上昇が少なくなる。さらに、制動時、ディスク１２は両側から同じ状態で加熱されるので、車軸１に対する倒れ現象がなくなってポールピース１７ａとの隙間が変化せず、フェード現象が軽減する。
【００３２】
ところで、制動時には、ディスク１２におけるポールピース１７ａと対向する面が発熱して温度上昇し、熱膨張する。ディスク１２とボス１１が一体構造或いはボルト等で強固に連結されている場合、ディスク１２が前記したように発熱した場合には、内部に大きな熱応力が発生し、素材の強度限界を超えて使用した場合には、亀裂などの欠陥を生じることになる。
【００３３】
そこで、本実施例では、ディスク１２とボス１１との連結を、複数個のスライドピン１４を介して行なうことで、ディスク１２の熱膨張変形をスライドピン１４のスライド運動によって逃がし、上記した熱応力を緩和するものを示している。加えて、このスライドピン１４を介したディスク１２とボス１１との連結により、ディスク１２回転時における質量移動が、回転中心に対して発生せず、円滑な回転運動を確保できることになる。
【００３４】
本発明の鉄道車両用渦電流減速装置は上記した実施例に限るものではない。例えば図７及び図８に示すように、ボス１１を挟んで車軸１に取付ける１対の軸受ユニット１６ａ，１６ｂを省略し、例えば台車フレーム１９にステータアッセンブリ１７を脱着可能に取付けたものでも良い。但し、この図７及び図８に示すような構成の場合は、走行時の振動で台車フレーム１９が振れるので、図１〜図６に示した構成の場合よりも、ポールピース１７ａとディスク１２の間隔を若干大きくしておく必要がある。
【００３５】
次に本発明の鉄道車両用渦電流減速装置の効果を確認するために、図１〜図６に示した構造のものを使用して行った実験結果について説明する。
ディスク１２の表面に設けた銅層２０は、シアン系銅めっき浴を用い、電気めっき法によって、下記表１に示す厚さのめっき層を形成した。形成されためっき層の純度は９９．９重量％以上であった。比較例として、ディスク表面に銅層を形成しないものについても実験を行った。なお、めっき層を形成した際のめっき浴の温度は５０℃、電流密度は２．５Ａ／ｄｍ2 であった。
【００３６】
【表１】
0003955691.tif 000002
【００３７】
これらＮｏ．１〜Ｎｏ．７のディスク試験体をボス１１を介して車軸１に取付け、制動トルクを測定するための試験を実施した。試験に供したディスク１２はＣｒ−Ｍｏ系の低合金鋼からなり、直径は約６５０ｍｍ、厚さは約４０ｍｍであった。制動トルクの測定にあったっては、車軸１の回転速度を徐々に上げてゆき、車両の速度に換算して２５ｋｍ／ｈ、５０ｋｍ／ｈ、７５ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈ、１５０ｋｍ／ｈとなった時点での制動トルクを測定した。その結果を図９に示す。
【００３８】
図９より明らかなように、本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．６では、ディスク表面に設けた銅層２０の効果により、銅層２０を設けていない比較例のＮｏ．７に比べて制動トルクの最大値が上昇している。また、比較例に対する本発明例の制動トルクの上昇度は、２５ｋｍ／ｈ、５０ｋｍ／ｈの低速度域で特に大きくなっている。また、本発明例でも、銅層２０の厚さが０．２〜０．５ｍｍの請求項２に対応するＮｏ．３〜Ｎｏ．５は、Ｎｏ．１，２及びＮｏ．６のものと比べて、制動トルクが大きくなっていることも判明した。
【００３９】
本実施例では車軸１に本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を取付けたものを示したが、モータの電動軸に取付けても良い。また、本実施例では、ディスク表面に設ける表面処理層として、銅層を設けたものを示したが、電気伝導度の高いものであれば、銅合金層を設けたものでも良い。さらに、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置は、大型の建設車両や産業車両にも適用可能であることは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置は、永久磁石式の渦電流減速装置であるので、コンパクトで、大きな電力を必要とせず、また、車両への通電系にトラブルが発生しても使用が可能である。そして、ディスク表面には、電気伝導度の高い銅又は銅合金からなる表面処理層を設けているので、強磁性体であるディスク母材で発生する渦電流の伝導が促進されて、電磁効率が向上し、発生する渦電流が大きくなって、大きな制動力、特に低速度域において大きな制動力が得られる。
【００４１】
加えて、本発明の鉄道車両用渦電流減速装置では、ステータアッセンブリを半円形状としているので、車軸に対する着脱を容易に行なうことができる。また、ディスクの両側に永久磁石列を配置しているので、永久磁石の放熱性が良くなって温度上昇が少なくなる。さらに、ディスクは両側から同じ状態で加熱されるので、車軸に対する倒れ現象がなくなってポールピースとの隙間が変化しないので、フェード現象が軽減する。
【００４２】
また、駆動された外側永久磁石列の駆動方向先端の磁石の位置に、他のポールピースの半分の大きさのポールピースを配置しているので、内側永久磁石が存在しない外側永久磁石列の駆動方向先端の永久磁石も、車軸に制動力を作用させられるようになり、より効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄道車両用渦電流減速装置の要部を断面して示す正面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】図１のＡ断面図である。
【図４】図１のＢ断面図である。
【図５】本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を車軸に取付けた場合のレイアウト例を示した図である。
【図６】本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を構成するディスクの表面を拡大して示す断面図である。
【図７】本発明の鉄道車両用渦電流減速装置の他の実施例の要部を断面して示す正面図である。
【図８】図７の側面図である。
【図９】図１に示す本発明の鉄道車両用渦電流減速装置を用いて実験した結果を示す図である。
【図１０】電磁式の渦電流減速装置の原理を説明する図である。
【符号の説明】
１        車軸
１１      ボス
１２      ディスク
１６ａ    軸受ユニット
１６ｂ    軸受ユニット
１７      ステータアッセンブリ
１７ａ    ポールピース
１７ａａ  ポールピース
１７ｂ    内側永久磁石列
１７ｃ    外側永久磁石列
１７ｋ    油圧シリンダ
１９      台車フレーム
２０      銅層
【図１】
0003955691.tif 000003
【図２】
0003955691.tif 000004
【図３】
0003955691.tif 000005
【図４】
0003955691.tif 000006
【図５】
0003955691.tif 000007
【図６】
0003955691.tif 000008
【図７】
0003955691.tif 000009
【図８】
0003955691.tif 000010
【図９】
0003955691.tif 000011
【図１０】
0003955691.tif 000012