WN平行カルダン駆動方式

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WN継手平行駆動方式
赤い部分がWN継手

WN平行カルダン駆動方式（ダブリューエヌへいこうカルダンくどうほうしき。WN Drive）は、電車の駆動方式の一種である。

[編集] 概要

WN継手模式図

高速運転に適した電車用駆動システムとして、アメリカの大手電機メーカーであるウェスティングハウス・エレクトリック（WH）社が、傘下の機械・歯車メーカーであるナタル社(Natal Co.Ltd)と1925年以降共同開発を実施、実用化した。「WN」とは開発に携わった両社の頭文字(Westinghouse - Natal)にちなむ。もっとも、現在の米国ではgear couplingと呼称される方が多い。

モーターを車軸と平行に台車枠に固定し、モーターの出力軸と駆動歯車を、大きな偏位を許容する「WN継手」を介して接続する。WN継手の内部では、機械加工した歯車とばねを組み合わせて偏位を吸収している。

WN継手は本来「カルダン継手」とは異なる機構であるため、厳密には「WNカルダン」という表現は誤用で、単に「WN駆動」「WNドライブ」と称するのが正確であるが、日本では主電動機の荷重を全てばね上の弾性支持とした、車軸無装架駆動方式の一種という意味で、慣例的にカルダン駆動方式の一種に含められている。

[編集] 歴史

19世紀末期に始まった電車の技術は、20世紀に入ってからも常に高速化の方向へ進展していた。電気鉄道のさらなる高速化のためにはモーターの軽量化が不可避であり、またモーターの軽量化は磁気回路の縮小（軸トルクの減少）を意味する。そのようなモーターを使用しつつ、従来と同程度のモーター個数で輸送力を維持するには、従来を大幅に上回る高い回転数でモーターを回し、出力を確保する必要があった。

従来、電気鉄道で一般に使用されていた吊り掛け駆動方式は、モーターに取り付けられた主歯車と動力を伝達されるべき車軸に取り付けられた大歯車を一体のギアボックスに納め、そのギアボックスがモーターの重量の約半分を支え、残る半分はばねで台車枠が弾性支持する、きわめてシンプルな構造の駆動システムであった。

しかし吊り掛け駆動は、その単純さ故に欠点もあり、

• モーター重量の約半分が車軸にかかり、ばね下重量が大きくなる構造は、軌道の傷みを早め、高速走行時には大きな軌道破壊を引き起こす可能性が高い。
• レールの継ぎ目や分岐器で車軸に加わった衝撃が、ギアボックスを介してモーターに直接伝わるため、軸受の精度維持が難しい上、衝撃で軸受やモーターケースに大きなゆがみが生じる可能性があったため、整流子電動機の弱点であるフラッシュオーバー対策を考慮すると、モーター回転数の安易な引き上げも困難になるなど^[1]、更なる高速化に向けての性能向上は頭打ちの状況であった。

このような問題を克服するシステムとして、電気機関車用としてはすでに1920年代にスイスでブフリ式駆動方式が実用化されていたが、これは台枠上に大型モーターを装架する方法に特化しており、電車に適用するにはあまりに機構部が巨大であった。

こうして電車の性能向上のため、高速電車での使用に適した、コンパクトな車軸無装架駆動方式の開発が試みられるに至る。当時アメリカでも有数の電車用モーターメーカーであったWH社は、傘下のナタル社と共同で、この目的に叶うコンパクトかつ信頼性の高い駆動システムと、これに適合する低電圧高回転形モーターの開発を1925年から開始した。

このシステムは10年以上の長期にわたる実用試験を経て信頼性や性能が確認された後、1941年にシカゴ北海岸線（CHICAGO NORTH SHORE Line：シカゴ・ノースショア・アンド・ミルウォーキー鉄道により運営）のエレクトロライナーと呼ばれる軽量構造の4車体連接車に採用されて成功を収め、さらに1948年にはニューヨーク市地下鉄用R12形電車に大量に採用され、以後アメリカと日本で普及した。

[編集] 採用事例

[編集] 日本

1953年以降技術導入され、構造的に高出力に耐えるその特性から、大手私鉄やJR西日本、あるいはN700系Z・N編成を除く新幹線等に用いられている。国内での生産数は、ウェスティングハウスとの技術提携の経緯や金属加工技術の制約などから、三菱電機製主電動機と住友金属工業製継手の組み合わせが半数以上を占めている。また、地下鉄向けでは日立が主体となって開発を担当し直角カルダンを採用した名古屋市交通局の初期を除き、ほとんどがWNドライブである。

米国と同等の規格である1435mmの標準軌路線（営団地下鉄（現:東京メトロ）、近畿日本鉄道（近鉄）、阪急電鉄などの一部線区）には早くから導入された。日本におけるWN継手の実用レベルでの初採用は営団丸ノ内線用の300形電車（1953年）であるとされる。

もっとも駆動装置の幅が広くなるため、軌間1067mmの狭軌路線ではモーターや継手の小型化、あるいはモーター形状の工夫が必要であった。1956年に富士山麓電気鉄道（現・富士急行）3100形で初の狭軌用WN継手（モーターの定格出力は55kW）が実用化され、次いで翌年に登場した長野電鉄2000系電車で75kW級が実用化された。しかし当時既に直角カルダンは110kW（東急5000系電車）、中空軸平行カルダンは100kW（国鉄101系電車）と、より大出力のモーターを実用化しており、付随車を組み込んだ経済的な編成を可能にしていた。このため、当方式を採用した狭軌私鉄は全長15 - 18m級の小柄な車両を運用する事業者が大半を占めていた。

一方、国鉄と同じ20m級車を運行する各社では、各モーターの出力が制限されるこの方式で所要の性能を確保するには、全電動車方式とせねばならないことがネックとなった。具体的には車両製造コストの上昇や、変電所の負荷過大などの問題が伴う。このため、当時三菱電機製モーターのユーザーであった各社では、既存の吊り掛け駆動車の増備で凌ぐ、あるいは中空軸平行カルダンを採用するなど、暫定的な回避策を講じる例が少なからず見られた。WNドライブの日本における本格的普及は、1960年代に入り、狭軌向けでも定格出力が100kWを超える大出力電動機が製造可能になってからである。

国鉄の在来線用電車では中空軸カルダンが標準とされたために使用実績はない^[2]が、分割民営化後、JR西日本は大出力高速回転型のモーターを使用するため駆動系の高い耐久性が求められたことから、整流子が無い分スペースに余裕を確保しやすいVVVFインバータ制御の交流かご形三相誘導電動機を使用する207系以降の在来線電車において一部例外を除き^[3]WN継手を標準採用しており、特に223系新快速電車をはじめとする新型電車群の高速化に威力を発揮している。

一方、継手のサイズが制約とならない標準軌間向けでは、WN継手はその耐久性や信頼性の高さから、近畿日本鉄道をはじめとする三菱電機製モーターのユーザーを中心に各社に幅広く採用され、新幹線でも開業以来長く標準駆動システムとして使用され続けている。

[編集] 惰性走行時の騒音

WN継手では構造上、内部の公差により、継手に力が掛かっていない惰性走行時に騒音が発生してしまう。このため、一定以上の速度域では惰性走行時に回生を極僅かにかけ、継手に負荷をかけて騒音を抑制するよう制御を行う車両^[4]も存在する。また近年の車両では、継手製造時に内部の公差を出来るだけ少なくして騒音を抑える努力をしているが、経年劣化で騒音が徐々に大きくなるため根本的な解決には至っていない。しかし、最近では継手自体の品質も向上しており、新品時の騒音は減少しつつある。

東海道･山陽新幹線では700系JR東海所属編成（C編成）の途中からグリーン車にのみTD継手を採用するように変更されている。^[5]

[編集] 外部リンク

• 住友金属工業・鉄道車両品駆動装置

[編集] 脚注

1. ^ 吊り掛け式のモーターは一般に定格回転数800 - 1,300rpm程度であったが、WN駆動に代表される新しい駆動方式では1,500 - 2,000rpm以上の高速モーターが多用される。
2. ^ 国鉄時代の車両すべて（207系900番台を除く）が直流直巻整流子式電動機を装架していたため、継手に割り当てられるスペースが限られていた。
3. ^ 営業用車両では N700系3000番台および223系5000番台が該当。
4. ^ JR西日本223系1000番台など。
5. ^ JR西日本所属のB編成はグリーン車を含め全車WN継手を使用する。また、九州新幹線用の800系や山陽・九州直通用のN700系7000番台（JR西日本所属のS編成）でも全車WN継手を使用する。

[編集] 関連項目

電車の駆動方式

• 吊り掛け駆動方式
• カルダン駆動方式

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