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1章　高速度電動機概説

　電動機の一端に設けられたノーズまたはバーを、バネまたは防振ゴムを介して台車枠で支え、他端を軸受を介して車軸に支持する、いわゆる釣掛式電動機は構造簡単取扱容易で電動機出力も大きくとり得るが、車軸からの振動、衝撃が直接、電動機に加わるので、頑丈な構造とする必要があり、電機子軸−車軸中心間距離を正確に保つことが困難であるため、減速歯車の歯も強くしておく必要があって、歯車比の制限を受けて回転数もあまり高くすることができない。
　従って釣掛式電動機は低速度、大型となり、歯車の噛合から発する騒音もまぬがれ得ない構造となって、小型・軽量・無騒音とは縁遠い電動機とならざるを得なかった。
　欧米においては、約30年前からすでに電動機をバネ吊りとして、台車あるいは車体に取付け、電動機を完全に車軸から分離して、可撓継手を介して、頑丈な全密閉型ギヤーケースに内蔵されたヘリカル・ギヤーあるいはハイポイド・ギヤーに動力を伝達する、いわゆる分離駆動方式の研究が行われ、実用されて、釣掛式電動機による直接駆動方式は影をひそめている。
　従って電動機重量は30年前（1930年代）に1時間定格で、1ＨＰ当り20kg位のものが、今日（1958年）連続定格で14〜6kgまでに軽量化され、歯車の噛合は円滑でしかも完全にギヤーケースの中に密閉されているため無音に等しくなっている。
　分離駆動方式は自動車の動力伝達方式のアイデアを電車に採り入れたものであって、電動機は車軸からの振動衝撃から完全に開放されるため、高速度の設計が可能となって、電動機の小型・軽量化に役立つこととなったのである。
　日本におけるバネ吊り式電動機の研究は、僅かにここ数年来のごとであるが、すでに試作試験の段階は終り、分離駆動方式の利点が確認されて、新製電車には例外なくこの方式が採用され、非常な勢いで普及・発達してまさに高速度電動機時代を現出しつつある実状である。

　すなわち、主電動機として要求される事項も今日では次のように変ってきた。
　�@　電動機のバネ吊り方式による分離駆動
　�A　独立した歯車装置
　�B　動力伝達のための可撓継手
　�C　大歯車比
　�D　高速度軽量電動機
　�E　弱界磁限界の拡大
　�F　電気ブレーキの常用

　一般に最近の高速度電動機の軽量化は、直接には次の三要素が関係している。
　�@　電機子周速が高くなったこと
　�A　許容温度が上昇したこと
　�B　通風力が強大となり冷却効果が改善されたこと

1.1　電機子周速の高速化 top

　電動機をバネ吊りして、車軸と分離することによって初めて歯車装置に無理がかからなくなり、高級な設計が可能となって歯車比の大きいものが得られる。
　そこで高速度電動機の採用が可能となり、高い電機子周速が許容されて電動機が小型軽量となって、台車装荷などのバネ吊り方式に適するという一連の因果関係となる。
　歯車比を大きくするということは電動機設計者の昔からの念願であった。
　分離駆動方式による利益は、
　�@　バネ下重量軽減の問題として乗心地が良くなる。
　�A　軌道の損傷が少なくなる。
　�B　レールと車輪との摩耗が減少する。
　�C　機器の損耗破壊が少くなる。
　�D　電動機の振動衝撃の減少による整流の阻害が軽減する。
など盛んに論ぜられ、研究されて、定性的にも、定量的にも、ある程度立証されてきている。
　電動機の重量は定格トルク、またはＨＰ/rpmの2/3乗に大体比例するので、高速化は有利であるが、他方、整流子片間電圧・周速・リアクタンス電圧はいずれも定格回転数の平方根に比例して増大する傾向にあるので、これら閃絡の原因増大から見ても、高速化に限度があることは明らかである。
　高速において強力な電気ブレーキを常用することになると、ことに低整流子片間電圧が要求されるので、高速化に矛盾する。
　これらの解決法は600Ｖの架線に対しては300Ｖの電動機を2台永久直列に、1500Ｖの架線に対しては375Ｖの電動機を4個永久直列に接続すること、および全車軸駆動により電動機1台当りの容量を下げることが推奨される。
　また整流子片数をできるだけ多くするように努力する。しかし高速度電動機では整流子も小型であるので、整流子片数を多くするのは困難である。
　従来の電動機では端子電圧の110〜120％が許容電圧となっていたが、New York地下鉄や東京地下鉄丸ノ内線の新製電車の電動機では、端子電圧の250％の過電圧を許せる設計となっている。
　電動機を高速化することの困難は、軸受と特に強大な遠心力により障害を起さない整流子構造にある。
　軸受は軸径と回転数との積に限度があり、これに付随する潤滑油にも問題がある。整流子構造は温度上昇時に、強大な遠心力により整流子片の飛出す現象、すなわち、ハイバー（high bar)を防止する必要があるが、それには整流子そのものを固く締付けて一体構造とすれば良いが、温度上昇とともに整流子片が熱膨張するので、この熱膨張に対しては、マイカとボンドがクッションになる必要がある。
　このようなクッションを持った構造のものを、遠心力に対して強固にするために、材料の選択と高い精度が要求され、また特殊な締付方法が必要となる。
　以上のような理由から、高速度電動機の要点は次の如く要約される。
1　機械的強度
　�@　軸受
　�A　強大な遠心力により障害を起さない整流子構造
2　閃絡防止
　�@　低整流子片間電圧
　�A　無火花整流
　　　�@　良好なブラシ接触
　　　　　a 周速の過大をさける
　　　　　b 堅牢な整流子
　　　　　c ブラシ支えの構造
　　　�A　低いリアクタンス電圧
　　　�B　良好なブラシの選択
　分離駆動方式の決定的な利益は、比較的脆弱な電動機本体に車軸からの激烈な衝撃がおよばないことである。
　いかなる電動機でも釣掛式の如く車軸からの激しい衝撃を常に受ければ、故障から免れることは難かしい。
　これに反し、バネ吊り電動機の構造材料の設計に当っては、衝撃に抵抗する設計要素は不用となり全要素をあげて、銅・鉄心および回転数の増大、すなわち、馬力の増大用に振り向けることができる。
　かくして高速度電動機は発展し、急速にその重量を誠少してきた。
　しかしその反面、その代償として、分離された電動機と車軸とにまたがる可撓自在な駆動装置を必要とする。
　現在では大部分のものはピニオンと電動機との間開に、フレキシプルカップリングがはいる。
　そして好むと好まざるとにかかわらず、独立した堅固なギヤーケ−スを備えなければならない。
　この堅固なギヤーケースによって、強大なトルクの反力に耐えると共に、ピニオンとギヤーの中心距離は正確に保たれ、ピニオンは両持軸受となり、完全な潤滑性によって、噛合いは釣掛式とは比較にならない位、円滑静粛となる。
　結果としては、ピニオンは小型で大馬力を伝え、または大歯車比の歯車装置となる。
　ギヤーケースは唯一のバネ下部分であるが、構造的に無理がなく無故障が期待できる。

1.2　許容温度の上昇と通風量の増大 top

　一般に電動機容量は、高速度に耐える機械的強さと、満足な整流とが合致したうえで、許し得る温度上昇が定格を確定する。
　従って許容温度が少しでも上昇すれば、定格の増大が許される。
　従来、Ｂ種絶縁として知られていたマイカやアスベストのように燃えない絶縁材料について多くの経験が得られ、さらに高温に耐える新しい合成樹脂が続々と登場してＡＩＥＥなどの規定中に与えられる温度上昇は、Ｂ種絶縁に対しては、抵抗法で測定した連続定格に対し、従来の105°Cから120°Cに上昇した。
　すなわち、最近の絶縁材料の進歩はＢ腫絶縁から、木綿・紙などの有機繊維類を大部分駆逐してガラス繊維にかわり、アスベスト・マイカ等とともに無機質絶縁物を用いさらに接着剤および処理ワニスは、アルキッド系樹脂あるいはシリコン系樹脂などが用いられるようになって、耐熱耐湿でしかも薄くて熱放散の良い絶縁物に置換えられている。
　電機子周速の高速化は必然的に自己通風型電動機の通風量の増大となり、薄い絶縁物からの良好な熱放散とともに、通風効果が飛躍的に上昇して、電動機の温度上昇を緩和し、連続定格は殆ど1時間定格と等しくなった。
　このため1時間定格は電動機の熱容量の尺度としての価値が僅少となってきている。
このように、絶縁物の進歩による許容温度の上昇と通風量の増大による冷却効果とは、電動機の小型軽量化の決定的な要素となってきている。
　こうして、バネ吊り式高速電動機と独立した歯車装置および可撓動力伝連装置は、高性能・無故障・小型・軽量・無騒音なとの卓越した長所を持ち、アメリカはもちろんヨーロッパの主要国および日本においては、直接駆動・釣掛式電動機はすでに過去のものとなり、車体・台車の軽量化と相まってますます普及し、逐年進歩の過程にある。

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