トラクションモーター

牽引モーターは、機関車、電気自動車、水素自動車、電気式複数ユニット列車などの車両の推進に使用される電気モーターです。

牽引モーターは、電気で動く鉄道車両（電車）や、電動ミルクフロート、トロリーバス、エレベーター、ジェットコースター、コンベアシステムなどの他の電気自動車、および電気伝達システムを備えた車両（ディーゼル電気機関車、電気ハイブリッド車）、およびバッテリー電気自動車に使用されます。

直列界磁巻線を備えた直流モーターは、最も古いタイプのトラクションモーターです。これらは、推進力に有用な速度-トルク特性を提供し、車両の加速のために低速で高いトルクを提供し、速度が増加するにつれてトルクを低下させます。界磁巻線に複数のタップを配置することで、速度特性を変えることができ、オペレーターが比較的スムーズに加速を制御できます。さらに制御する方法は、直並列制御で車両にモーターのペアを使用することです。低速運転や重い負荷の場合は、直流電源に直列に接続して 2 つのモーターを動作させることができます。より高速が必要な場合は、これらのモーターを並列に動作させて各モーターでより高い電圧を利用できるようにし、より高速にすることができます。鉄道システムの一部では異なる電圧を使用することがあり、駅間の長距離では高い電圧を使用し、低速運転のみが必要な駅の近くでは低い電圧を使用します。

DCシステムの変種として、AC直列モータ（ユニバーサルモータとも呼ばれる）があります。これは基本的に同じデバイスですが、交流で動作します。アーマチュア電流とフィールド電流の両方が同時に反転するため、モータの動作は直流で通電した場合と同様です。より良い動作条件を実現するために、AC鉄道には、一般照明や電力に使用される商用電源よりも低い 周波数の電流が供給されることがよくあります。特別な牽引電流発電所が使用されるか、50または60Hzの商用電源を25Hzまたは16Hzに変換する回転コンバータが使用されます。+2 ⁄ 3 Hz の周波数は、AC 牽引モーターに使用されます。AC システムでは、変圧器 を簡単に使用できるため、線路の全長にわたって電力を効率的に分配でき、車両のスイッチギアで速度を制御することもできます。

AC誘導モーターと同期モーターはシンプルでメンテナンスの手間が少ないが、パワー半導体が登場するまでは、固定速度特性のため牽引モーターへの適用は困難であった。AC誘導モーターは、その構造とAC電源の周波数によって決まる狭い速度範囲でのみ、有効な量の電力を生成する。パワー半導体の登場により、機関車に可変周波数ドライブを取り付けることが可能になり、これにより、広範囲の速度、AC電力伝送、およびブラシや整流子などの摩耗部品を持たない頑丈な誘導モーターの使用が可能になった。^[1]

従来、道路を走る車両（自動車、バス、トラック）は、機械式または油圧式のトランスミッションシステムを備えたディーゼルエンジンやガソリンエンジンを使用してきました。20世紀後半には、電気トランスミッションシステム（内燃機関、バッテリー、または燃料電池で駆動）を備えた車両の開発が始まりました。電気機械を使用する利点の1つは、特定のタイプがエネルギーを回生できることです（つまり、回生ブレーキとして機能する）。これにより減速が可能になり、バッテリーパックを充電することで全体的な効率が向上します。

従来、これらは直列に巻かれたブラシ付き DC モーターで、通常は約 600 ボルトで動作していました。高出力半導体 (サイリスタとIGBT ) が利用できるようになったことで、非同期牽引モーターと呼ばれる、はるかにシンプルで信頼性の高いAC 誘導モーターの使用が実用化されました。フランスのTGVのように、同期 AC モーターが使用されることもあります。

20 世紀半ば以前は、蒸気機関車で使用されているものと非常によく似たコネクティング ロッドを介して、1 つの大型モーターで複数の駆動輪を駆動することが多かった。例としては、ペンシルバニア鉄道の DD1、FF1、L5、およびさまざまなスイス クロコダイルがある。現在では、ギア ドライブを介して各車軸を駆動する 1 つのトラクション モーターを提供するのが標準的な方法となっている。

通常、トラクション モーターは台車フレームと駆動車軸の間で 3 点吊り下げられており、これは「ノーズ サスペンション トラクション モーター」と呼ばれます。このような配置の問題は、モーターの重量の一部がバネ下重量であるため、線路にかかる不要な力が増大することです。有名なペンシルバニア鉄道GG1の場合、フレームに取り付けられた 2 つのモーターがクイル ドライブを介して各車軸を駆動していました。ゼネラル エレクトリックがミルウォーキー鉄道向けに製造した「バイポーラ」電気機関車には、直接駆動モーターが搭載されていました。モーターの回転軸は、車輪の車軸でもありました。フランスの TGV動力車の場合、動力車のフレームに取り付けられたモーターが各車軸を駆動します。「三脚」駆動によって、駆動列に若干の柔軟性が与えられ、台車が旋回できるようになります。比較的重い牽引モーターを台車ではなく動力車のフレームに直接取り付けることで、より良い動力が得られ、より高速運転が可能になります。^[2]

DC モーターは、長年にわたり、電気機関車やディーゼル電気機関車、路面電車、ディーゼル電気掘削リグの電気牽引駆動装置の主力でした。DC モーターは、回転電機子と、シャフトの周りに取り付けられた回転電機子を取り囲む固定界磁巻線の 2 つの部分で構成されています。固定界磁巻線は、モーター ケース内に取り付けられた密に巻かれたワイヤ コイルで構成されています。電機子は、中央のシャフトの周りに巻かれた別のコイル セットで、整流子と呼ばれる電機子の延長部分に押し付けられるバネ仕掛けの接点である「ブラシ」を介して界磁巻線に接続されています。整流子は、電機子コイルのすべての端子を集めて、電流が正しい順序で流れるように円形パターンに分配します。電機子と界磁巻線が直列に接続されている場合、モーター全体は「直列巻」と呼ばれます。直列巻 DC モーターには、抵抗の低い界磁および電機子回路があります。このため、電圧をかけると、オームの法則により電流が高くなります。高電流の利点は、モーター内部の磁場が強くなり、高いトルク（回転力）を生み出すため、電車の始動に最適です。欠点は、モーターに流れる電流を制限する必要があることです。そうしないと、電源が過負荷になったり、モーターとそのケーブルが損傷したりする可能性があります。最悪の場合、トルクが粘着力を超え、駆動輪がスリップします。従来、初期電流を制限するために抵抗器が使用されていました。

DC モーターが回転し始めると、内部の磁場の相互作用により、内部に電圧が発生します。この逆起電力(CEMF) は印加電圧に対抗し、流れる電流は両者の差によって決まります。モーターが加速すると、内部で発生した電圧が上昇し、その結果生じる EMF が低下し、モーターを流れる電流が減少してトルクが低下します。列車の抗力がモーターによって生成されるトルクに一致すると、モーターは自然に加速を停止します。列車の加速を継続するには、直列抵抗器を段階的に切り替えます。各段階で実効電圧が増加し、したがって電流とトルクが少し長くなり、モーターが追いつくまで続きます。古い DC 列車では、床下で一連のガタガタという音が聞こえ、感じられます。各音は、新しい電流の急増に応じてトルクが突然増加するため、加速の急激な変化を伴います。回路に抵抗器が残っていない場合、全線電圧がモーターに直接適用されます。列車の速度は、実効電圧によって制御されるモーターのトルクが抗力と等しくなる点（平衡速度と呼ばれることもある）で一定に保たれます。列車が坂を登り始めると、抗力がトルクよりも大きいため速度が低下し、速度の低下によって CEMF が低下して実効電圧が上昇します。これは、モーターを流れる電流が新しい抗力に見合うだけのトルクを生成するまで続きます。直列抵抗の使用は、多くのエネルギーが熱として失われるため無駄でした。これらの損失を減らすために、電気機関車や列車（パワーエレクトロニクスの登場以前）には通常、直並列制御も装備されていました。

交流電源で動作する機関車（ユニバーサル モーターをトラクション モーターとして使用）は、変圧器のタップ切換器を利用して、抵抗器に固有の損失なしにトラクション モーターに適用される電圧を変えることもできます。ペンシルバニア鉄道の GG1 クラスは、このような機関車の例です。

列車が坂を下り始めると、（減少した）抗力がトルクより小さいため速度が上がります。速度が上がると、内部で生成される逆起電力電圧が上昇し、トルクが再び抗力と釣り合うまでトルクが減少します。直巻モーターでは逆起電力によって界磁電流が減少するため、逆起電力が供給電圧を超える速度はなく、そのため、単一の直巻 DC トラクション モーターだけでは動的ブレーキまたは回生ブレーキを提供できません。

ただし、トラクション モーターを使用して減速力を提供するさまざまな方式が採用されています。生成されたエネルギーは電源に戻されるか (回生ブレーキ)、またはオンボード抵抗器によって消費されます (ダイナミック ブレーキ)。このようなシステムでは、負荷を低速にすることができ、負荷を完全に停止させるのに比較的小さな摩擦ブレーキしか必要としません。

電気列車では、当初は運転手または運転士が抵抗の切断を手動で制御する必要がありましたが、1914 年までに自動加速が使用されるようになりました。これは、抵抗の各ステップが切断されるときの電流の低下を監視するモーター回路内の加速リレー (「ノッチング リレー」と呼ばれることが多い) によって実現されました。運転手は、低速、中速、または全速 (抵抗回路でのモーターの接続方法から「直列」、「並列」、「シャント」と呼ばれる) を選択するだけで、残りの作業は自動装置が行います。

電気機関車には通常、連続定格と1 時間定格があります。1 時間定格は、モーターが過熱することなく 1 時間連続して発生できる最大電力です。このようなテストは、モーターの温度が +25 °C (換気に使用される外気も +25 °C) の状態で開始します。ソ連では、クラス N 絶縁の GOST 2582-72 に従って、DC モーターに許容される最高温度は、アーマチュアで 160 °C、ステーターで 180 °C、コレクターで 105 °C でした。^[3] 1 時間定格は通常、連続定格よりも約 10% 高く、モーターの温度上昇によって制限されます。

トラクション モーターは減速ギアを使用してモーター アーマチュアから駆動車軸にトルクを伝達するため、モーターにかかる実際の負荷はギア比によって異なります。それ以外は「同一」のトラクション モーターでも、負荷定格は大幅に異なる場合があります。貨物用にギア比が低いトラクション モーターは、ギアが低いほどモーターに機械的利点が大きくなるため、同じ電流レベルで車輪に高いトルクを安全に長時間生成できます。

ディーゼル電気機関車およびガスタービン電気機関車では、牽引モーターの馬力定格は通常、原動機の約 81% です。これは、発電機がエンジン出力の 90% を電気エネルギーに変換し、牽引モーターがこの電気エネルギーの 90% を機械エネルギーに変換することを前提としています。 ^{[引用が必要]}計算: 0.9 × 0.9 = 0.81

個々のトラクションモーターの定格は通常 1,600 kW (2,100 hp) までの範囲です。

トラクション モーターを設計または指定する際のもう 1 つの重要な要素は、動作速度です。モーター アーマチュアには、巻線が安全に所定の位置に留まる最大安全回転速度があります。

この最高速度を超えると、アーマチュアにかかる遠心力によって巻線が外側に投げ出されます。ひどい場合には、巻線がモーターハウジングに接触し、最終的にアーマチュアから完全に外れて巻き取られるため、「バードネスティング」が発生する可能性があります。

過速度によるバードネスティング（遠心力によるアーマチュア巻線の飛び出し）は、動力機関車の運転中のトラクションモーター、または速度が速すぎる列車内で輸送されているデッドインコンシスト機関車のトラクションモーターで発生する可能性があります。もう 1 つの原因は、摩耗または損傷したトラクションモーターを、用途に適さないギアユニットと交換することです。

過負荷や過熱による損傷は、アーマチュア アセンブリ、巻線サポート、リテーナーが以前の酷使によって損傷している場合、定格速度以下でバードネスティングを引き起こす可能性もあります。

牽引モーターは、高出力レベルが関係するため、ほとんどの場合、強制空気、水、または特殊な誘電液を使用して冷却されます。

米国のディーゼル電気機関車の一般的な冷却システムは、機関車のフレームに組み込まれた通路に空気を送り込む電動ファンで構成されています。ゴム製の冷却ダクトが通路を個々の牽引モーターに接続し、冷却空気は下方およびアーマチュアを横切って移動し、大気中に排出されます。

• 英国鉄道 (1962)。「セクション 13: 牽引制御」。機関士用ディーゼル牽引マニュアル(第 1 版)。英国運輸委員会。pp. 172–189。
• ボルトン、ウィリアム F. (1963)。鉄道員のためのディーゼルマニュアル(第 4 版)。pp. 107–111、184–190。

ウィキメディア・コモンズには、トラクションモーターに関連するメディアがあります。

• 「トラクションモーターの分解 - Associated Rewinds (Ireland) Limited」
• ニューヨーク市地下鉄R46車両の先端に取り付けられたトラクション モーターの画像。モーターは車軸の後ろにはっきりと見え、ギア ボックスが中央に付いており、文字が書かれています。
• 破壊されたR38地下鉄車両の先端に取り付けられた別のトラクション モーター。
• コニーアイランドトラック修理工場。トラクションモーターに関する写真多数
• トラクションモーターを備えた独立したトラック。