全密閉モーターとは (ゼンミッペイモーターとは) [単語記事]

全密閉モーターとは、主に最近の交流モーターにおいて、内部を外気から遮断する密閉構造を採用したものである。

概要

一般に電車のモーターでは、モーター回転軸に装着されるファンや、専用の送風機によって外気を取り込み、内部の冷却を行う。そのため、通風口を通して、モーターの回転騒音が外部へ漏れるという問題があった。

そこで、内部の発熱を減らして通風口を無くし、内部を外気から遮断することで回転騒音を抑える構造を採用したのが、「全密閉モーター」や「全閉モーター」などと呼ばれるものである。騒音の緩和だけでなく、埃が入らないため内部の清掃が不要になる、回転軸のファンを小型化したり廃止できるなど、整備面や運用効率などの利点も有する構造だ。

最初に全密閉モーターの導入を進めたのは小田急電鉄で、現在ではJR・私鉄を問わず採用が増えている。

「全密閉モーターの音」について

小田急4000形や阪急1300系、南海8300系などに対してよく言われる「全密閉モーターの音」は、実際には、モーターの電磁石の極数が4極から6極に変わったことで磁励音が変化したものである。全密閉モーターだから"あのような音"になったわけではない。

▼6極誘導モーターの電車一覧
所属	車両形式
小田急電鉄	VSE・MSE・3000形(一部)・8000形(一部)・4000形
阪急電鉄	130 0系・7300系 VVVF制御車・8300系 VVVF 更新車
新京成電鉄	8000形 VVVF制御車
京王電鉄	1000系更新車
名古屋鉄道	4000系・100系 VVVF制御車
南海電鉄	8300系
相模鉄道	20000系
東急電鉄	※5050系5177F・5178F
広島電鉄	5000形
JR東海	N700S系(新幹線車両)
JR北海道	733系 1000/3000 番台
JR四国	8600系・7200系(旧121系)

※東急5050系5177Fの制御装置は、同4000番台のものと同型である。したがって、モーター音が変わったのは6極の誘導モーターに因ると考えるのが妥当だ。

電磁石の極数とモーター音の関係

正確には、交流モーターの「電磁石」とは固定子コイルが発生する回転磁束のことで、その極数・回転数(同期速度)と周波数は、以下のような関係を持つ。

回転数[rpm] ＝周波数[Hz] × (120 ÷ 極数)

極数が4極から6極に増えると、同じ回転数では周波数が1.5倍増えることが判る。磁励音の高さは周波数に比例するから、同じ回転数ならこれも1.5倍高い音となる（周波数が2倍なら音は1オクターブ高くなる）。そのため、モーターの極数を4極から6極に変えると、同じギア比・加速度でも磁励音の上がっていく速さが変化するのだ。

逆に、全密閉モーターであっても極数が4極であれば、磁励音が変化しないので概ね従来と同じような走行音になる（E235系、東武60000系、京王5000系など）。最近では、4極の全密閉モーターの方が多いようである。

▼参考；交流モーターの極数計算
車両	極数計算(回転数÷周波数)	電動機
E235系	2380÷80＝29.75≒30	4極IM
東武60000系	2066÷70＝29.5≒30	4極IM
※西武6000系	2400÷81＝29.62≒30	4極IM
小田急4000形	1980÷100＝19.8≒20	6極IM
阪急1300系	1955÷99＝19.8≒20	6極IM
相鉄 20000系	1840÷93＝19.75≒20	6極IM
東京メトロ16000系	2460÷123＝20	6極PMSM
E331系	360 ÷30＝12	10極PMSM

※6157Fを除く機器更新車

なぜ極数を変えるのか

交流モーターは、極数を増やすことでより小型化が図れる。そのため、電気機関車では6極の誘導モーターが標準的に使用されており、最近では新幹線車両のN700Sでも6極モーターが採用された。一般に全密閉モーターは重量・体積が増加する傾向があり、その抑制を狙った設計だったと考えられる。

ただし、極数を増やすと高回転になるほど周波数が上がってインバータの損失が大きくなるほか、モーターの構造(固定子コイル巻線)が複雑になるなどの難点もある。そのため、最近では別な設計手法(インバータにおけるSiC素子の採用など)でモーターの小型化が図られているようだ。