待避線(余談・雑談) モーターの話

 　電気エネルギーを動力に変換するのがモーター(電動機)ですが、その種類は多岐にわたります。電源、原理、構造、目的など分類の方法がそもそもいっぱいあって一口で言いきれません。それは専門書に任せるとして、従来から鉄道車両の駆動に使用されてきたのは直流直巻モーターで、近年VVVF方式になって主流は交流誘導モーターに取って代わられました。いずれにも共通の特徴は低速(起動)時のトルク(回転力)が大きいことです。世の中にモーターで動かしている機械はたくさんありますが、その多くはほぼ一定の回転数で使われています(例：送風機、ポンプ等)。そういう目的に適しているのが交流誘導モーターで、構造が簡単で頑丈なうえに電源の周波数に見合った回転数で効率よく動きます。一方で低速から大きな負荷を抱えながら最高速まで自由に速度を変えることができるのが直流モーターの特徴です。特に界磁(固定子)と電機子(回転子)を直列接続した直巻モーターは起動時に最大トルクを発生するので鉄道で重宝されて来ました。

　直流直巻モーターのトルク(引張力)特性を図(左)に示します。速度とトルクは反比例の関係にあって、速度が0の時に最高のトルクが得られます。その代り消費電流も最大になるので、実際には過電流にならない程度に抵抗器をつないで抑制します。ある程度速度が上がると電流が減る(トルクも減る)ので一部の抵抗を短絡するとまた電流とトルクが増えます。これを繰り返すことで徐々に加速することができるわけです。この抵抗器を順に短絡して行く過程は、運転台の大きな直接制御器を回すことで接点を切り替えるか、主幹制御器(マスコン)で床下の接点を遠隔操作することで達成できます。VVVF時代への過渡期には抵抗値を変える代わりに大容量半導体を用いたチョッパ制御が用いられました。

直流直巻モーターと交流誘導モーターの特性

　一方で交流誘導モーターの出力特性を図(右)に示します。直流モーターとは全然違う特性で、電源周波数で決まる最大速度より少し低いところで最大トルクが発生します。ここで使用するのが効率的なので一定速度の場合は安定した出力になりますがその用途は限定されていました。1970年代になって大容量半導体の開発やコンピューター制御技術の発達に伴って電源電圧と周波数が容易に変えられる(VVVF)ようになったことから、交流誘導モーターの速度制御方式が導入されて現在に至っています。モーターそのものも特化改良されています(誘導モーター→同期モーター)が、本来の交流モーターの特性というより、複雑なプログラムによる電源制御法と融合したシステムが鉄道車両に適した駆動技術として確立されたと言えます。減速も同じ理屈で最高速から停車までほとんどブレーキシューに頼ることなくエネルギーを回収することが可能になっています。ところでVVVF特有の「プワーン、プワーン、プワーン」という唸り音は、低速域で大トルクを発生させるために界磁極数を多くしていたのが加速に伴って減極することで変調するように聞こえるものです。マニュアルミッションの自動車やバイクが変速ギアを切り替えるたびにエンジン音が低くなるのと同じ理屈です。

　近年15インチゲージや5インチゲージの電車でもVVVF方式を採用していて、特有の音を楽しみながら運転されている様子がネットで見られます。適当な出力のインバーターやモーターの汎用品も市販されているので、少しばかり電気の知識があれば工夫して趣味の幅を広げることができるでしょう。

　鹿部電鉄では昭和の始めの電車を走らせるので「プワーン、プワーン」は似合いません。やはり直流直巻モーターを釣掛式に架装した加速音を楽しみたいものです。ところが直流直巻モーターは、電気工学の教科書に「鉄道車両用に適している」と書いてあるように、世の中では鉄道やクレーン以外の用途には使用されていないらしく、ネットで探しても市販の汎用品を見つけることはできませんでした。数kW程度までのモーターでは高性能の小型マグネットを界磁に使用した永久磁石界磁型が主流のようです。Nゲージや16番で一般的に使われているあのタイプですが、電源を切るとすぐに止まってしまうイメージがぬぐい切れません。卓上模型に比べると車両の重量がけた違いに大きいのでそんなことはないと想像できなくもないのですが、ノッチオフでギアが遊ぶ音(「グワワ～ン」)を発しながら惰行する雰囲気を楽しむには、巻線界磁型しかないと思うのです。懐古趣味の爺さんの頑固なこだわりです。