リニアモーターカーはどうやって動いているの? え!電磁石なの?

リニアモーターカーはどんな原理で動くの?、どのように考えたらいいのでしょうか。興味がありますよね。

リニアモーターカー (和製英語:linear motor car、略語:リニア) とは、リニアモーターにより駆動される乗り物。超電導リニアの最初の開発者であった京谷好泰が名付けた和製英語である。

概要

リニアモーターは、一般に円筒状と円柱状の固定子と回転子から成るモーターを、帯状に展開し、回転運動の代わりに直線運動をするようにしたような形態のモーターである。リニアモーターカーは、リニアモーターにより直接進行方向に加速及び減速する(鉄道)車輛である。
主な種別として、磁気で車体を浮上させて推進する磁気浮上式と、浮上させず車輪によって車体を支持し、推進及び電磁ブレーキにリニアモーターを利用する鉄輪式が、現在実用化されている。
またその他の分類としては、「軌道一次式」と「車上一次式」がある。これは要するに回転式モーターの場合の、「固定子一次式」と「回転子一次式」のようなもので、(常伝導の)電磁石により極性を変化させて駆動力を発生させる側がどちらか、ということである。電磁石で可変の側が一次側であり、永久磁石や超伝導磁石による固定極あるいは誘導電流を受動的に発生するためのコイルや導体のみの側が二次側である。
旧国鉄・JRの超電導リニアの場合、超伝導磁石は磁極固定式でありまた軌道側に敷設するのは非現実的なので、必然的に軌道一次式となる。多くの鉄輪式リニアは逆に、軌道側に制御系を持たせるよりも車両側に持たせるのが現実的なので、車上一次式である。
なお、二次側の構造が「推進用コイル」と称されるものであるか、「リアクションプレート」と称されるものであるか、という違いには基本的には意味は無く、軌道一次式と車上一次式という語の説明に持ち出す必要は無い。
日本では、国鉄が古くから実験を始めていた超伝導リニアやHSSTが有名なこともあり、単に「リニアモーター」と言えば磁気浮上式のみを指していることも以前は多かったが、1990年代の大江戸線などの営業開始もあり、鉄輪式のことを指す場合も増えてきている。
また、英語圏では磁気浮上式鉄道をMaglev(マグレブ、磁気浮上を表わす“magnetic levitation”)と呼ぶのが一般的であり、また日本語と逆にリニアモーター駆動について指す一般的に広まっている語は無い。なお当然ながら鉄輪式リニアなどは「マグレブ」ではない。

空気浮上式リニアモーターカー

• アエロトラン S44 – Merlin-Gérin社によって供給されたリニア誘導モータを備えた。
• UTACV – 1970年代に開発されたアメリカの空気浮上式リニアモーターカー試験車両
• トラックト・ホバークラフト – イギリスの空気浮上式リニアモーターカー試験車両
• 空気浮上式新交通システム – ゼネラルモーターズの開発、およびそれを引き継いで日本オーチスによりリニアモータ推進タイプの実用化に向けた開発が行われ、実験線での評価までは行われたが、2018年現在での営業例は全てケーブルカーのように鋼索で牽引する方式に変更されたタイプである。低速での効率などはケーブルのほうに利点がある。

磁気浮上式リニアモーターカー

磁気浮上式リニア(超電導リニア L0系) – 鉄道の試験走行として世界最高速度の603km/hを記録している。
磁気浮上式リニアモーターカーは、磁気浮上式鉄道であって、かつ同時に、リニアモーターで加減速される。超電導リニアは電磁誘導浮上支持方式(EDS)であり(宮崎実験線では床部分のコイルによる反発式だったが、山梨実験線では側壁に推進用と浮上用の両方のコイルがあり、浮上には反発と吸引が併用される)、HSSTやトランスラピッドは吸引式の電磁吸引支持方式(EMS)である。超電導リニアは浮上に誘導電流を利用するというそのメカニズム上、低速時には浮上しないため、引込式のゴムタイヤ車輪を装備しており、停車・低速時や緊急停止時にはタイヤで車体を支持する。
日本初の営業運転は、HSSTによる1989年の横浜博覧会におけるYES’89線である。運行されていたのは博覧会の期間中であったが、展示走行ではなく、磁気浮上式鉄道として運輸当局の第一種鉄道事業・営業運転免許を得た旅客輸送であった。

営業運転中・開発中・開発終了した磁気浮上式リニアモーターカー

現在営業運転を行っているものは、日本では愛知高速交通東部丘陵線(リニモ)、中国では上海トランスラピッド・長沙リニア快線・北京市郊外鉄道S1線、韓国ではエキスポ科学公園線・仁川空港磁気浮上鉄道である。その他は実験・試験段階にとどまるか、すでに廃止されている。将来においては日本で、2027年を目処に首都圏(品川駅) – 中京圏(名古屋駅)間を結ぶ中央新幹線の営業運転開始を目指している。
アメリカ
• ROMAG – 吸引式磁気浮上で1970年代に開発していたが中止。
• インダクトラック式であるSkyTran
• MAGLEV 2000 – 超伝導誘導反発式磁気浮上でフロリダ州ケープカナベラルに建設予定
イギリス
• バーミンガムピープルムーバ – 1984年、世界初の磁気浮上式鉄道がイギリスのバーミンガム空港〜バーミンガム国際展示場駅間約620mで開業。1995年に廃止。
韓国
• HML-03 – クラウス=マッファイから吸引式磁気浮上の技術を導入して1993年に大田国際博覧会で運行された。
• UTM(UTM-01(朝鮮語版)、UTM-02) – 2008年4月21日からUTM-02がエキスポ科学公園内の約1kmで運行を開始したが7月に故障により運行を中断。その後2010年に再開している。
• 仁川空港磁気浮上鉄道 – 2016年2月3日開通。6駅間6.1kmを80km/hで無料運行する。所要時間15分。
中国
• 中華01号
• 上海トランスラピッド
• CM1 – 吸引式磁気浮上の試験車両
• 長沙リニア快線
• 北京市郊外鉄道S1線
ドイツ
(後にトランスラピッドに研究を集約)
• トランスラピッド(実用路線あり)
• TSST
• EET
• クラウス=マッファイ・トランスアーバン – 吸引式磁気浮上で1970年代に開発していたが中止。HML-03へ技術供与。
• M-Bahn – 1989年、ドイツの西ベルリン市内ライスドライエック駅〜ケンパープラッツ駅間約1.6kmで開業。1992年閉鎖。
• KOMET (Komponentenmeßträger) – 吸引式磁気浮上で水蒸気ロケット推進で1974年に401.3km/hの記録を樹立。
日本
• HSST – クラウス=マッファイからトランスラピッド04の吸引式磁気浮上の基礎的技術を導入して開発された。愛知高速交通東部丘陵線で運行中。
• 中央新幹線
• イーエムエルプロジェクト(開発終了)

【スポンサーリンク】

鉄輪式リニアモーターカー

鉄輪式リニアモーターカーは、推進力(動力)にリニアモーター(もっぱらリニア誘導モーター)を使用し、車両の支持・案内にはレールと車輪を使用する。原理から来る構造により、車高を低く抑えることが可能であることや、鉄輪とレールの摩擦力(粘着力)に頼る一般的な鉄道と比べ、推進力を直接発生させる方式であることから急勾配や急曲線にも強い、などといった特徴がある。日本ではトンネル断面を小さくしても車内を広く取れるという利点から、地下鉄への採用が1990年代以降広がった。鉄輪以外にゴムタイヤ式なども原理的には可能であるが、エネルギー効率が悪いという性質から、さらに転がりロスの大きいゴムタイヤと組み合わせた例は見られない。車体側の台車底面にはコイルを取付け、地上側にはリアクションプレートを軌道中央に取付けて固定している。走行の際には、車両側のコイルに三相交流を流すことで、誘導電動機の回転磁界に相当する移動磁界が発生する。これによりリアクションプレートに渦電流による磁界が発生して、車体側のコイルとリアクションプレートの間で磁力の吸引・反発が相互に働いて車体に推進力を発生させる。また、集電方式には直流1500Vの電力を架空電車線または剛体架線に流してパンタグラフにより集電する架空電車線方式を(ただし海外では第三軌条方式の採用例もある)、車両の制御方式には、リニア誘導モーターを使用するため三相交流を制御可能なVVVFインバータ制御を採用している。このため、定格速度まではすべり周波数一定制御により一定トルクで加速して、定格速度以上ではすべり一定制御を行って]効率を最大にする。

鉄輪式リニアモーターカーには以下のような長所がある。
1. リニアモーターは非常に薄いため通常の電車よりも台車を薄くでき、車両の床下を低くすることができるほか、車両断面を小型化できる。このためトンネル断面を小さくでき、建設費を削減可能(ミニ地下鉄)。
2. 駆動力を車輪とレールの摩擦に頼らないため、急勾配での走行性能が高く、急曲線での走行が可能である。大都市では地下鉄路線の過密化により直線的路線空間の確保が困難になっており、急勾配・急カーブを多く持つ線形にせざるを得ないが、そのような場合に有効である。
3. ギアボックス、撓み継ぎ手等の可動部分が無いので保守が容易。

一方で、以下のようなデメリットがある。
1. リアクションプレートと車両側の電磁石との間隔(ギャップ)が狭い(12mm程度)ため、地上区間や駅部ではゴミなどが挟まりやすい。
2. 従来の粘着式推進に比べるとリニア誘導モーター固有の損失、及び、一次側コイルとリアクションプレート間の隙間が従来の回転式の誘導電動機に比べ大きいのでエネルギーの損失が大きく(磁界の強度は距離の2乗に反比例する)効率が低い、そのため、単位輸送量あたりの消費電力が従来型に比べ大きい。

リニアモーターを使った車輛以外の鉄道関連システム

• リニアモータ方式貨車加減速装置 – (日本の貨車操車場の記事も参照)1974年9月に運用開始。貨物列車などの組成・入換えにコンピュータ化された武蔵野、北上、新南陽、郡山、塩浜、高崎の各操車場で使用されていた。保守車両として国鉄ヤ250形貨車があった。リニアモーター車輛でもいわゆる台車でもなく、通常のレールの内側に設置された専用のレールの上を移動しながら貨車を捕捉して加減速の後に突放(あるいは静止)させる装置である(『日立評論』の1970年12月号に「リニアモータ方式L4形貨車加減速装置」という記事がある)。
• 鉄道総研「集電試験装置」- リニアモーター駆動により、実車のパンタグラフ等の集電周辺装置が取り付けられた台車を、高速(最高速度200km/h程度)で走行させ、それら集電関係の高速移動時の問題等の試験・調査等をおこなう装置。

世界の鉄輪式リニアモーターカー

• LIMRV – 車載のガスタービン発電機で駆動するリニア誘導モータを備えた試作車両
• ボンバルディア・イノヴィア・メトロ(ボンバルディア・アドバンスト・ラピッド・トランジット) – ボンバルディア社が開発した鉄輪式リニアモーターカー。第3軌条から集電する。
アメリカ
• デトロイトのピープルムーバ(新交通システム)
• ニューヨークの「エアトレインJFK」
カナダ
• トロントの「スカーバラ RT line」
• バンクーバー市のスカイトレイン エキスポ・ライン – 1985年開業
• バンクーバー市のスカイトレイン ミレニアム・ライン – 2002年開業
日本
• ALPS- ゴムタイヤ支持・リニアサイリスタモーター駆動の高速鉄道システムとして、鉄道技術研究所で研究された。
• リムトレン – 1988年のさいたま博覧会(3月19日~5月29日)で日本モノレールが出資し、鉄車輪(4輪)のボギー台車2組を取付け2両編成による展示走行を行った。製作は三菱重工。
• 大阪市高速電気軌道長堀鶴見緑地線 – 1990年に日本初の常設実用線として開業。使用車両の70系は、この年のローレル賞を受賞した。
• 都営地下鉄大江戸線 – 1991年開業
• 神戸市営地下鉄海岸線 – 2001年開業
• 福岡市地下鉄七隈線 – 2005年開業
• 大阪市高速電気軌道今里筋線 – 2006年開業
• 横浜市営地下鉄グリーンライン – 2008年開業
• 仙台市地下鉄東西線 – 2015年開業

駆動方式の種類

リニアモーターも通常のモーターと同様、以下のように分類できる(なお、以下の分類はリニアモーターカーと全く無関係に「リニアモーターの分類」である)。また、モーターの1次側(変動磁界を発生させる側)を地上側に設置して、モーターの2次側を車上側に搭載している方式を地上1次方式と言い、モーターの1次側を車上側に搭載して、モーターの2次側を地上側に設置している方式を車上1次方式と言う。
• リニア同期モーター (LSM) – 車両側に電磁石を搭載するとともに、軌道側にも電磁石または永久磁石を並べなくてはならないため、軌道敷設・保線のコストがかさむ。効率や出力には優れる。
• リニア誘導モーター (LIM) – 車上一次式の場合、車両側に電磁石が必要だが、軌道側には電磁石が不要で、「リアクションプレート」と呼ばれる単なる金属板ですむ。LSMと比較した場合、高速域では推力・力率・効率が低くなるほか、1モーターの1次側と2次側の空隙が大きくなると推力が大幅に減少するため、その空隙を小さく抑える必要がある。ただし、車上一次式であれば軌道上にコイルを敷設する必要がなく、軌道上のコイルを励磁必要がないので推進効率は同種の推進方式のミニ地下鉄と同水準である。
• リニア整流子モーター – サイリスタモーターとも呼ばれており、ブラシと整流子を電子回路において実現している。エネルギー効率はLSMよりも高いが、機械的接触がある、寿命が短いなどの問題があるため、実用レベルではほとんど使われない。

このようにして、世界各地でもうリニアモーターは活躍しています。技術の進歩はすばらしいですね。

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です