地下鉄プロジェクトにおける日本電産KDS牽引機の適用に関する簡単なディスカッション

抽象的な

世界的な都市化プロセスの加速に伴い、鉄道輸送業界は急速に発展しています。主要な都市インフラである地下鉄は、乗客の流れの増加と乗客の移動需要の多様化という傾向に直面しており、地下鉄エレベーターの中核コンポーネントである牽引機に新たな課題をもたらしています。これらの課題には、乗客の流れが多いシナリオで効率と安全性のバランスをとる方法、快適性と利便性に対する乗客の増大するニーズにどのように応えるか、コストと設計寿命のバランスをとる方法が含まれます。この記事では、巻上機械の設計と製造の専門家として、日本電産KDSが顧客にプロフェッショナルなソリューションをどのように提供しているかについて簡単に説明します。

キーワード

地下鉄エレベーター、デューティサイクル、省エネと環境保護、信頼性解析、過負荷容量、耐用年数設計

2021 年の世界都市鉄道運営統計と分析のレビューの分類方法によると、都市鉄道交通は地下鉄、ライトレール、路面電車の 3 つのカテゴリに分類できます。一般に、鉄道交通には、大輸送力、高速、頻繁な出発、安全性と快適性、高い定時率、低運賃、省エネ、環境保護などの利点があります。ただし、高い技術基準とメンテナンス費用も必要です。[1]

都市鉄道交通の重要な部分である地下鉄は、間違いなく都市交通の発展において重要な役割を果たしています。これらは、統合交通ネットワークの構築により都市の交通圧力を軽減し、都市半径と住民の生活半径を拡大し、住民の生活の質を向上させ、都市の全体的なイメージを向上させ、都市の発展と進歩、社会的コミュニケーションと繁栄を促進するのに役立ちます。

垂直エレベーターを利用することで、乗客は効率的かつ便利に駅への入場、乗り換え、駅の退場を行うことができます。エレベーターモーターの技術レベルは、乗客の乗車体験を保証する上で重要な役割を果たします。日本電産KDSは60年以上にわたりモーター産業に深く関わってまいりました。その製品は、国際的に先進的な技術設計、優れた生産、品質管理を統合しています。高品質な製品と充実したサービス体制により、インドの大口顧客の地下鉄プロジェクト向けにエレベーター牽引機を10年以上安定供給してきました。

01 都市鉄道交通産業の世界規模と展望

統計によると、2022年末までに都市鉄道交通は世界78の国と地域の545都市で運行され、運行距離は41,386.12kmを超えた。 2021 年と比較すると、世界の都市鉄道交通総走行距離は 4,531.92 km 増加し、前年比 11.0% 増加しました。[1]

図 1 は、世界の主要大陸にわたる都市鉄道交通の全体規模を示しています (注: ロシアのすべての都市は計算のためにヨーロッパに分類されています)。データによると、世界的に地下鉄と路面電車が都市鉄道交通の主流のタイプであり、世界の都市鉄道交通は主にユーラシアに集中しており、地下鉄は主にアジア諸国に分布しています[1]。

図 1 2022 年の世界の大陸別都市鉄道営業走行距離の概要 (km)

世界的に、都市鉄道輸送業界は重要な発展段階にあります。世界中の政府や企業は、輸送効率を向上させ、環境汚染を軽減し、多くの乗客により良いサービスを提供するために、新しい技術や設備に継続的に投資しています。世界の鉄道交通の建設と応用は絶えず拡大しており、一部の発展途上国も鉄道交通の建設を積極的に推進しています。

インドは2014年から大規模な地下鉄拡張を推進してきた。タイムズ・オブ・インディアによると、インドの地下鉄網は2022年4月までに870kmをカバーし、18都市にサービスを提供した。現在、27 都市で約 1,000 km の地下鉄の線路が建設中で、毎月 6 km 近くの新しい線路が使用されています。過去 10 年間にわたるインドの地下鉄建設のスピードと規模は目覚ましいものでした。

エレベーター用永久磁石同期モーター ソリューションの専門プロバイダーとして、日本電産 KDS は過去 10 年間にインドの大規模顧客に 1,600 台を超える垂直エレベーター モーターを供給してきました。主要なプロジェクトを図 2 に示します。日本電産 KDS は、強力な技術力と製造力を武器に都市建設に深く関与し、地方都市の国際的なイメージの構築に貢献しています。

図2 日本電産Kdsが受注したインドの地下鉄プロジェクト

02 地下鉄産業チェーンとエレベーター

鉄道輸送は都市産業を結び、産業チェーンの拡張を促進し、機器製造や技術研究開発などの裾野産業の急速な発展を促進します。地下鉄産業チェーンは図 3 に示されており、すべてのリンクが相互依存しており、都市集積と大都市圏の経済発展を推進しています。[2]

図 3 地下鉄産業チェーン

地下鉄サプライチェーンの上流産業として、エレベーターは都市交通に大きな利便性と保証を提供するだけでなく、高齢者、障害者、重い荷物を運ぶ国民に対する国の配慮と配慮を反映しています。今後の都市の発展は地下鉄の建設と密接に関係しています。鉄道輸送ネットワークの構築は重要な政府プロジェクトであり、その建設レベルは都市のイメージに大きな影響を与えることになります。

図4 地下鉄エレベーターへの日本電産KDSモータの適用例

03 地下鉄エレベーターモーターの技術ポイント

地下鉄垂直エレベーターの中核コンポーネントとして、牽引機械の設計では、地下鉄エレベーターのサービス環境とアプリケーションシナリオを考慮する必要があります。日本電産KDS巻上機の優れた性能は、使用環境の正確な把握と永久磁石同期電動機の技術蓄積により、以下に詳述します。

1. 高デューティサイクルと高エネルギー効率の要件

グリーンで低炭素な旅行に対する世界的な支持を背景に、鉄道交通建設ではエネルギー節約に対するより高い要件が求められています。したがって、他のエレベーターと比較して、地下鉄エレベーターは、乗客の流動が多い都市のシナリオに対応するために、より高い効率を備えた巻上機を必要とします。速度が約 1 m/s のエレベーターの場合、効率は最大 90% に達します。さらに、エレベータ設置の要件の下では、巻上機の重量とサイズを制御する必要があります。したがって、巻上機の設計エンジニアは、電磁設計の豊富な経験を持ち、高度な電磁界解析ソフトウェア（図5）を使用して電磁設計を最適化し、要件を満たす適切な電磁材料を選択する必要があります。

輸送能力の要件により、牽引機械は頻繁に稼働するため、デューティ サイクルに対する高い要件 (通常は S5 ～ 60% 以上) が求められます。同時に、温度上昇に対する要件も非常に高くなります (図 6)。

このため、地下鉄牽引機の設計は、省エネと低温度上昇の性能要件を満たすことに加えて、コンパクトさと経済性の原則に準拠する必要があります。

図5 電磁界解析

図6 温度上昇シミュレーション

2. 高い安全性と信頼性の要求事項

高い安全性と信頼性はエレベーターの基本的な要件であり、地下鉄エレベーターの安全性と信頼性に対する人々の要求はさらに高くなります。したがって、機械的強度の詳細な分析を実施し（図 7）、機械的耐荷重能力とブレーキ性能に対する特別な要件とアップグレードを提案します。それに応じて、機械ベース、ホイールハブ、トラクションシーブ、シャフトなどの主要な機械コンポーネントの耐荷重に関する安全係数も増加しました。

現在、当社が輸出している地下鉄牽引機のほとんどは、ブレーキトルク余裕が大きく、安定した制動性能を備えたドラムブレーキを採用しています。これらは完全に検証されたパワーコントローラーと一致します。ブレーキの入力電圧と電流は、電力網の変動や他の電気機器からの干渉の影響を受けず、巻上機の信頼性の高い動作が保証されます。

図 7 機械強度解析

3. 強力な過負荷安定性と乗り心地に対する高い要求

地下鉄垂直エレベーターを設置する目的の一つは、乗客の利便性を提供することです。垂直エレベーターの主なサービス対象は、重い荷物を運ぶ住民や、高齢者や障害者などの特別な配慮が必要な集団です。したがって、地下鉄エレベーター牽引機には強力な過負荷容量が必要です。過負荷解析によると、過負荷耐量は2倍以上であり、高速・低速、軽負荷・重負荷を問わず安定してトルクを出力できることが要求されます。

快適な乗り心地を提供するために、巻上機の設計では高調波の抑制、特に低次高調波（快適性に大きな影響を与える）とその力波振幅の抑制と低減（図8）、さらには低速トルクリップル（図9）とコギングトルクの低減にも特別な注意を払っています。これにより、エレベーターはプロセス全体を通じて低騒音、低振動でスムーズに動作し、乗客に快適な乗り心地を提供します。

図 8 力波解析

図 9 トルク解析

4. 長い設計寿命と人間によるメンテナンスの要件

地下鉄牽引機の設計では、牽引機の寿命を延ばすための低温度上昇や高い機械的強度といった上記の側面に限定されず、モータの絶縁、軸受、潤滑グリース、永久磁石などの側面も含めた寿命にも重点を置く必要があります。例えば、絶縁面では、スロット絶縁には機械的特性や耐電圧に優れた絶縁紙を選択し、インパルス電圧に強い電磁線を使用しています。このプロセスでは、VPI (真空圧力含浸) ワニス方法が採用されており、これにより、巻上機のステータの電圧衝撃に対する耐性が大幅に向上し、巻上機の耐用年数が延長されます。

ほとんどの地下鉄エレベーターは機械室のない用途で使用されています。地下鉄プロジェクトに採用されている日本電産KDSモータの主な機種を図10に示します。設計にあたっては、統合設計、メンテナンスフリー設計、脆弱部のビジュアルデザインの採用に努めています。たとえば、プラグイン配線、回転部品のメンテナンスフリー設計、電装品の高保護設計、ブレーキ摩擦パッドの摩耗の視覚的表示などです。これらの設計により、巻上機械のコンポーネントの耐用年数と交換間隔が延長され、メンテナンスの困難さが軽減され、巻上機械がよりスムーズに、静かに、耐久性をもって動作するようになります。複数のテクノロジーを統合することで高品質の製品が生まれ、顧客のメンテナンスコストが節約されます。

図10 地下鉄プロジェクトに適用される日本電産KDSモータの主な機種

04 今後の展望

世界の都市鉄道交通は上向きに発展し続けています。 2024年までに、世界の都市鉄道交通の営業走行距離は44,500kmを超えると予想されており、鉄道交通業界の将来の発展の見通しは非常に広いです。急速な技術進歩の時代において、エレベーターモーターに対する技術的・品質的要求はますます高くなり、世界中の多様な地域文化や地理的違いへの適応が求められます。

高品質の製品、プロフェッショナルなソリューション、優れたサービスチームを備えた日本電産KDSは、10年以上にわたり地下鉄などの重要な都市インフラプロジェクトに深く関わってきました。これは、世界中の顧客が多くの主要な政府プロジェクトを獲得するのに役立ち、乗客に快適で安全な乗車体験を提供し、顧客が信頼できる良い評判を確立するのに役立ちました。

今後も日本電産KDSは、「品質第一、顧客の成功」の経営理念を堅持し、顧客を中心に、確かな設計・製造能力と顧客の期待を超える高品質なサービスで、顧客とともにより良いエレベーターソリューションの創出に取り組んでまいります。