【手続補正書】
【提出日】平成17年9月22日(2005.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】電動車両の動力装置の電動機制御装置
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】【請求項１】  全電圧連続定格に２倍電圧短時定格を付加した直流分巻整流子電動機に、直流電源の定電圧の下で該電動機が全電圧及び２倍電圧で働くよう構成した電機子の直列・並列接続切替回路と、正・負トルク特性をその速度軸についてほぼ対称とする電機子制御回路及び界磁制御回路を配し、並列接続で該電動機を２倍電圧で働かせ、電機子制御の定トルク域を含む強トルク域を２倍速度に拡張して短時で加速及び減速を行い、所定の運転速度で直列接続に切替えて該電動機を全電圧で働かせ、界磁制御の垂下トルク域において高速定常走行するよう構成した、電動車両の動力装置の電動機制御装置。【請求項２】  全電圧連続定格にルート３倍電圧短時定格を付加した誘導機にインバータを組合わせた直流無整流子電動機に、直流電源の定電圧の下で該電動機が全電圧及びルート３倍電圧で働くよう構成した電機子巻線のスター・デルタ接続切替回路と、正・負トルク特性をその速度軸についてほぼ対称とする電圧・周波数とも可変及び定電圧・可変周波数のインバータを配し、デルタ接続で該電動機をルート３倍電圧で働かせ、電圧・周波数とも可変制御の定トルク域を含む強トルク域をルート３倍速度に拡張して短時で加速及び減速を行い、所定の運転速度でスター接続に切替えて該電動機を全電圧で働かせ、定電圧・可変周波数制御の垂下トルク域において高速定常走行するよう構成した、電動車両の動力装置の電動機制御装置。【請求項３】  請求項１記載の直列接続の電機子の2組に、更に直列・並列接続切替回路を配して全直列及び直並列接続を形成し、直並列接続で該電動機を全電圧で働かせた定トルク域を含む強トルク域における加速及び減速と、所定の運転速度で全直列接続に切替え該電動機を半電圧で働かせた垂下トルク域における中速定常走行も可能に構成した、電動車両の動力装置の電動機制御装置。【請求項４】  請求項２記載の電機子巻線スター接続の電動機の２台の直流側に、更に直列・並列接続切替回路を配してスター直列及びスター並列接続を形成し、スター並列接続で該電動機を全電圧で働かせた定トルク域を含む強トルク域における加速及び減速と、所定の運転速度でスター直列接続に切替えて該電動機を半電圧で働かせた垂下トルク域における中速定常走行も可能に構成した、電動車両の動力装置の電動機制御装置。【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】強力な定トルク加速は電動機全界磁の中速域（例えば50km／h）までで、高速域（例えば80〜125km／h）へは界磁を弱めて（例えば60〜40%界磁）加速するが、弱め界磁では電機子反作用による電機子の過電流耐量の低下のため、加速トルクは速度の2乗に逆比例の垂下特性となり、速度と共に増加する車両の走行抵抗での減殺もあって加速度が急に小さくなり加速時間・距離が伸びるので、特に各駅停車の車両では運転速度を上げることができず、その加速度を上げるには電動機のみならず架線や変電所の容量増大の必要或いは損失増大に及ぶ。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】最近開発・採用された可変周波数インバータと交流誘導電動機（以下、誘導機と呼ぶ）より成る直流無整流子電動機においても、電圧・周波数とも可変制御の強力な定トルク域は上記と同様に中速までであり、全電圧（即ち定電圧）・可変周波数制御の高速域では、最大トルク即ち過負荷耐量は周波数即ち速度の２乗に逆比例するため加速トルクは垂下特性となり、上記と同様な問題がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】このような問題に対して、特開昭５０‐１１１５１６「複数個の直流直巻電動機の回生制動回路」、特開昭５０‐１１９９２０「直流電動機の回生ブレーキ制御装置」、特公昭５０‐３９８８７「電気車のチョッパ制御装置」及び特開昭５５‐５３１０１「交流電気車の主回路」により、主に直流直巻電動機での発電制御で高速域まで強化した回生ブレーキが提案されているが、直流線区では近接車両の動力変動及び変電所に併設の逆変換装置が、交流線区では車両内の変電回路の逆変換装置が、突入過負荷を伴う回生電力に充分且つ確実に対応できないため、それらの提案が充分活用されるに至っておらず、未だに発電ブレーキと共に車輪ブレーキ（エヤブレーキ）を補助する電空併用ブレーキが主流であり、また、電動トルクは上述と同様に高速域では垂下特性で頗る小さく、加速・減速（電動・回生）を総合した運転性能の向上と全回生電力の回収に至っていない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】  【課題を解決するための手段】  上述の目的を達成するために、本発明の電動車両の動力装置においては、本願の出願者が発明の特開平９‐２８９７０３「電動車両の動力・給電装置」及び特開平１０‐６６２０４「気動・電動車両の動力装置」に記載の、車両内設置の蓄電装置の充・放電回路を改良し、発進・加速の過負荷には主に蓄電電力を、加速終期及び力行の定常負荷には主に架線電力を当て、減速・制動及び降坂抑速では回生ブレーキによる全回生電力を、受電回路に挿入したダイオードで架線への逆流を阻止して蓄電装置に充電・回収すると共に、基本定格の全電圧連続定格の電動機に倍電圧短時定格を付加して倍電圧で働かせ、電動・回生とも定トルク域を含む強力なトルク域を高速側に拡張し、高速域のトルクを強化した電動機制御装置を提供する。【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】この電子制御回路は、要約すれば、主制御接触器により、チョッパ、出力リアクトル及びその還流ダイオードで降圧チョッパ回路と、入力リアクトル及び平滑コンデンサでろ波回路をそれぞれ構成し、副制御接触器により、チョッパ、入力リアクトル及びその還流ダイオードで昇圧チョッパ回路と、平滑コンデンサ及び出力リアクトルでろ波回路をそれぞれ構成したものであり、後述の蓄電側接触器及び電機側接触器を介して蓄電調整及び電動機の電機子制御に供する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】電動機は、電動・発電とも同一の電圧極性で作動し、励磁制御が容易且つ正・負トルク特性が速度軸についてほぼ対称な直流分巻整流子電動機を、或いは誘導機に還流ダイオードブリッジ併設のインバータ（以下、特記の他、インバータと呼ぶ）を組合わせた直流無整流子電動機を使用し、電機子又は電機子巻線の接続切替回路と界磁の励磁制御及び正・逆転切替え回路を配して、降・昇圧チョッパにより正・負両負荷に対応する電機子制御機能を持つ上述の電子制御回路に接続し、下記のような電動機制御装置を構成する（誘導機使用の直流無整流子電動機の場合は、降・昇圧チョッパとインバータの電圧・周波数とも可変で以って、正・負ほぼ対称の定トルク特性の電機子制御機能を成す）。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】電力制御回路の蓄電回路側から回路遮断器で分岐して、チョッパ及び還流ダイオードを配して電動機の界磁制御に供し、そのチョッパには、加・減速時の定トルク域の全励磁及び垂下トルク域の直巻特性と、定常走行時の定速の分巻特性の界磁制御機能を併せ持たせる（誘導機使用の直流無整流子電動機の場合は、インバータの定電圧・可変周波数でもって、直流分巻整流子電動機と同様な正・負ほぼ対称な垂下トルク及び定速特性の界磁制御機能を成す)。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】全電圧連続定格に２倍電圧短時定格を付加した直流分巻整流子電動機に、架線などの直流電源の定電圧の下で該電動機が全電圧及び２倍電圧で働くよう構成した電機子の直列・並列接続切替（以下、直・並列接続切替と呼ぶ）回路と、正・負トルク特性が速度軸についてほぼ対称の電機子制御回路及び界磁制御回路を配し、並列接続で該電動機を２倍電圧で働かせ、電機子制御の定トルク域を含む強トルク域を２倍速度に拡張して短時で加速及び減速を行い、所定の運転速度で直列接続に切替えて該電動機を全電圧で働かせ、界磁制御の垂下トルク域において高速定常走行するよう、電動機制御装置を構成する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】全電圧連続定格にルート３（３の平方根＝1.732、以下、特記の他1.732と記す）倍電圧短時定格を付加した、誘導機にインバータを組合わせた直流無整流子電動機に、直流電源の定電圧の下で全電圧及びルート３倍電圧で働くよう構成した電機子巻線のスター・デルタ接続切替（以下、Ｙ・Δ接続切替と記す）回路と、正・負トルク特性をその速度軸についてほぼ対称とする電圧・周波数とも可変及び定電圧・可変周波数のインバータを配し、デルタ接続（以下、Δ接続と記す）で該電動機をルート３倍電圧で働かせ、電圧・周波数とも可変制御の定トルク域を含む強トルク域をルート３倍速度に拡張して短時で加速及び減速を行い、所定の運転速度でスター接続（以下、Ｙ接続と記す）に切替えて該電動機を全電圧で働かせ、定電圧・可変周波数制御の垂下トルク域において高速定常走行するよう、電動機制御装置を構成する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】上述の直流分巻整流子電動機の直列接続電機子の2組に、或いは上述の電機子巻線スター接続の直流無整流子電動機の2台の直流側に、更に直・並列接続切替回路を配してそれぞれ全直列と直並列接続或いはスター直列（以下、Ｙ直列と記す）とスター並列（以下、Ｙ並列と記す）接続を形成し、直並列或いはスター並列接続で該電動機を全電圧で働かせた定トルク域を含む強トルク域での加速及び減速と、所定の運転速度で全直列或いはスター直列接続に切替えて該電動機を半電圧で働かせた垂下トルク域で中速定常走行も可能に、電動機制御装置を構成する。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】同期電動機（以下、同期機と呼ぶ）にサイリスタを組合わせた直流無整流子電動機は、誘導機にインバータを組合わせた直流無整流子電動機と同様な電機子巻線接続切替回路と、直流分巻整流子電動機と同様な界磁制御回路を配して、上述［００２１］、［００２２］と同様に働くものであり、詳細は参考として後述する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】【作用】  以上に述べたように構成した本発明の車両の動力装置の作用につき、下記に説明、なお、直流無整流子電動機のY・Δ或いはY直列・Y並列・Δ並列の各々接続並びにルート３倍電圧・ルート３倍速度は、以下の説明においては、特記の他、直流分巻整流子電動機の直列・並列或いは全直列・直並列・全並列の各々接続と同機能と見做し、また、２倍電圧・２倍速度と同機能と見做し倍電圧・倍速度として一括記載する。【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】並列或いは全並列接続での倍電圧（Δ接続或いはΔ並列接続での1.732倍電圧）では、高速域において、過負荷の電機子電流（電機子巻線電流）は、直列或いは直並列接続での全電圧の定トルク域と同じで銅損増加なく、倍速度に拡張された定トルク域は勿論、それに続く垂下トルク域での最高運転速度（全電圧での弱め界磁40%）においても、界磁は2倍の80%（Δ接続或いはΔ並列接続での界磁磁束は1.732倍の70%）でトルクは電動・回生とも強力であり、乗客の加速度感を増すことなく平均加・減速度を著増して、高速運転での加・減速時間・距離を著しく短縮する。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】定常走行は、高速域では直列接続或いは直並列接続での電機子全電圧で、低・中速域では全直列接続の電機子半電圧で、それぞれの垂下トルク域において、界磁制御での定速運転を行い、無負荷損失を成す鉄損及び励磁電力を低減して軽負荷（平坦・緩勾配での高速運転でほぼ半負荷、中速運転ではほぼ４半負荷）の銅損との損失協調で電動機の効率を稼ぐ。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】前述の特開平９‐２８９７０３では、同期機使用の直流無整流子電動機の電機子巻線の各々接続において、回生域は架線など電源電圧以上で働くため、電動機出力の回生電圧は電源電圧の約２倍の如く著しい高電圧まで達し、その高電圧定格の降圧チョッパ制御で電源電圧まで下げて蓄電装置に充電し、なお、倍電圧変換回路を付加して更なる微速の回生を可能とし、然し、電動域は電源電圧且つ該電動機の定格電圧以下で働くため、高速域は従来技術と同様に弱め界磁の垂下トルクであり、前述の特開平５０‐１１１５１６などと同様に、正（電動）・負（回生）非対称のトルク特性であるが、本発明では、直流分巻整流子電動機又は誘導機使用の直流無整流子電動機において、直流電源電圧の下で、電動・回生とも、電機子又は電機子巻線の接続切替で該電動機が全電圧及び倍電圧を受けて働き、正・負ほぼ対称のトルク特性を、倍電圧により倍速度に拡張したものである。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】前述の特開平１０‐６６２０４では、（A）「同期機使用の直流無整流子電動機又は直流直巻整流子電動機を使用し、基本的には、上記の特開平９‐２８９７０３と同様に、回生域は電源電圧を超えた過電圧作動により高速域の回生トルクを強化しているが、電動域は電源電圧且つ該電動機の定格電圧以下で働くため高速域では弱め界磁の垂下トルクで、正・負非対称のトルク特性」であり、且つ（B）該発明の作用として「直流無整流子電動機の電機子巻線のY接続での全出力（実施例１の表１では１２０KW）を、制御素子を強化してΔ接続で定格のルート３倍の定常出力（実施例１の表１では２０８KWに増力）」としているが、それはルート３倍の定格出力（２０８KW）の電動機の使用を意味しており、本発明においては、上述のとおり、（A）「誘導機使用の直流無整流子電動機又は直流分巻整流子電動機を使用し、何れも直流電源電圧の下で、該電動機の基本定格電圧のルート３倍電圧（又は倍電圧）作動により正・負ほぼ対称トルク特性をルート３倍速度（又は倍速度）に拡張して、電動・回生とも高速域のトルクを強化し」、且つ（B）「鉄損3倍増（又は4倍増）による昇温増加を考え、基本定格の全電圧連続定格（例えば定格出力は上例の１２０KW）の電動機の寸法、構造及び強度など機・電両面の設計を変えずに（但し絶縁耐圧強化は勿論必要）、加速・減速の短時作動に見合うルート３倍電圧（又は倍電圧）短時定格を付加し」、運転性能を著しく向上したものであり、なお、誘導機使用の直流無整流子電動機のトルク特性は直流分巻整流子電動機と同様であるが、そのトルク特性の形成機構が異なるので下記に述べる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】誘導機使用の直流無整流子電動機において、電動機の界磁磁束を成す励磁電流は、電機子電流と共に電機子巻線に流れるため、直流分巻整流子電動機や同期機使用の直流無整流子電動機の界磁電流のように単独には制御できず、インバータの電圧・周波数で制御され、電圧・周波数とも可変制御により励磁電流即ち界磁磁束と電機子電流が一定で以って定トルク特性となり、定電圧・可変周波数により速度（周波数に比例）に反比例の界磁磁束を成し、電機子電流限度は励磁電流即ち界磁磁束に比例するため、該電動機のトルク限度は速度の2乗に反比例する垂下トルク特性となり、前述の直流整流子電動機の電機子制御による定トルク特性及び界磁制御による垂下トルク特性と同様になる訳であり、また、抑速・減速では、インバータに併設の還流ダイオードブリッジが電機子起電力を整流し直流電源側に返流の回生制動で以って電動と同様な回生トルクを成し、正・負ほぼ対称のトルク特性を形成する。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９５】上述の如く、本発明は、直流整流子電動機の分巻界磁或いは誘導機使用の直流無整流子電動機のインバータ（ダイオードブリッジ併設）で正・負ほぼ対称のトルク特性と電機子又は電機子巻線接続切替での倍電圧により、電動・回生とも定トルク域を含む強力なトルク域を倍速度に拡張し、全速度域で電動加速・回生減速とも強力なトルク且つ同様な制御方法（定トルク域は降・昇圧チョッパ或いは降・昇圧チョッパとインバータによる電機子制御、垂下トルク域は励磁チョッパ或いはインバータ周波数による界磁制御）で簡潔な制御回路と簡易な全電気的運転操作及び高加・減速度の運転性能を実現、なお、回生ブレーキは常用ブレーキとして充分な制動トルクを持ち、車両内に設置の蓄電装置に全回生電力を充電回収可能且つ架線負荷を平準化・軽減した、電動車両の動力装置の電動機制御装置を提供する。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】  実施例について、電動機回路に直流無整流子電動機を使用する場合の電気回路図であり、同期機使用の直流無整流子電動機の場合を示し、誘導機使用の直流無整流子電動機の場合は、符号９７を誘導機とし符号９９、１００を除く。