(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車と車体がばねで結合され、前記台車内の２台の電動機がそれぞれ駆動装置を介して２つの車軸を駆動し、該駆動装置の車軸を中心とした回転運動は吊りリンクにより拘束され、該吊りリンクは前記駆動装置と前記車体との間を接続する電気車を制御する電気車制御装置において、
２台の該電動機に逆方向の振動トルクを重畳することにより前記吊りリンクに上下振動力を発生させて該車体に上下振動力を与えることにより車体の振動制御を行うことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記駆動装置は歯車を内蔵しており前記電動機は台車に装荷されていることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記駆動装置は歯車を内蔵しており前記電動機は車体に装荷されていることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記駆動装置は前記電動機と前記車軸を直結し前記電動機を内蔵した直接駆動形駆動装置であり、前記吊りリンクは前記直接駆動形駆動装置に発生する電動機トルクの反力を上下方向の力により受ける構成の請求項１記載の電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車の駆動及び振動制御を行う電気車制御装置に関するものであり、特に振動乗り心地向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５から図１２に従来の技術による電気車制御装置の一例を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。
【０００３】
車体１の運転台にある主幹制御器２を運転士が操作することにより、加速指令が出力され電動機制御装置３に入力される。電動機制御装置３に入力された加速指令はトルク制御器３１によってトルク指令に変換される。トルク指令は電流制御器３２に入力され、電力変換回路３３に流れる電流がトルク指令と対応した電流となるように電圧指令を生成する。また同時に、電流制御器は電圧指令と電力変換回路３３に流れる電流から電動機６１の回転速度を推定する。電力変換回路３３は、集電装置４とレール５の間の電圧を用いて、電圧指令と等価的な電圧を台車６に搭載されている電動機６１に電圧を印加する。（例えば特許文献１）
【０００４】
台車６を上から見た図を図７に、横から見た図を図８に示す。台車６を横から見た際に構成が複雑でるため、図８では３つの図に分割したが、全て同一の台車６に組み込まれる構成である。
【０００５】
台車６は走行用の車輪６２が２組あり、車輪６２と台車枠６３は上下方向が軸ばね６４、前後方向は軸箱支持装置６５で結合されている。また、台車枠６３と車体１は、上下方向が空気ばね６６で、前後方向は牽引装置６７で結合されている。
【０００６】
電動機６１のトルクは、継手６８を介して駆動装置６９に入力される。駆動装置６９の小歯車６９１は歯車箱６９２に取り付けられている。小歯車６９１は車輪６２とつながった大歯車６９３と噛み合って車輪６２を回転させる。この時に、歯車箱６９２が車輪６２を中心とした回転運動をすることを防ぐために、台車枠６３と結合する吊りリンク６９４によって歯車箱６９２の回転運動を防いでいる。 
【０００７】
車輪６２はレール５上を走行するが、レール５の凹凸により上下に振動する。上下振動は、軸ばね６４及び空気ばね６６により吸収されるが、一部は車体１に伝達される。しかしながら、レール５の凹凸が大きいと十分に振動が減衰されずに車体１の振動も大きくなるため、乗り心地の悪化を招く。
【０００８】
軸ばね６４によって台車枠と軸箱の間の振動が吸収されるが、電動機６１は台車枠６３に結合されているため電動機６１と小歯車６９１の相対位置がずれる。そのために、継手６８により電動機６１と小歯車６９１の相対位置がずれてもトルクが伝わるようになっている。
【０００９】
車体１の振動を抑制するために、アクティブサスペンションを台車枠６３と車体１の間に設ける場合がある。アクティブサスペンションは、車体１の振動を検出して車体１の振動を抑制するような力を発生する。（例えば、特許文献２）
【００１０】
車体１の振動の形態として、図９のように車体１の全体が振動する剛体振動と呼ばれる振動形状と、図１０のように車体自体が変形する弾性振動もしくは曲げ振動といわれる振動形態があるが、アクティブサスペンションによって、車体の剛体振動と弾性振動の両者を同時に抑制する手法も提案されている。（例えば、非特許文献１）
【００１１】
しかしながら、アクティブサスペンションや軸ばねの特性を可変にすることによる振動制御は、ハードウェアの追加や改造が必要であり、コストがかかる。特にアクティブサスペンションを用いるには、高価なアクチュエータが必要なだけでなく、アクチュエータを駆動するためのエネルギ源が必要であり、コスト及び消費エネルギの増加につながる。
【００１２】
その一方で、既存のハードウェアを用いて振動を抑制する手法として、電動機６１のトルクを用いて車体振動を抑制することも可能である。図１１から図１２を用いてその詳細を説明する。
【００１３】
電動機６１のトルクが発生すると、駆動装置６９の小歯車６９１は大歯車周りに公転運動をしようとする。しかしながら、小歯車６９１は歯車箱６９２に設置されており、歯車箱６９２は吊りリンク６９４によって台車枠６３に結合されていることから、小歯車６９１の公転運動を抑制するように力を発生する。この力の反作用が台車枠６３にかかるため、電動機６１のトルクによって台車枠６３は力を受ける。
【００１４】
２台の電動機６１に逆方向にトルクをかけた場合、図１１に示すように台車枠６３に対して吊りリンクからの力が働く。吊りリンク６９４によって発生する力によって台車枠の上下方向に重なり合うため、２台の電動機６１に逆方向のトルクをかけることにより、台車枠の上下運動を制御できる。
【００１５】
加速度センサ６３１がそれぞれの台車枠６３につけられ、台車枠６３の上下振動加速度を検出する。加速度センサ６３１の出力は、積分器３４が積分することにより台車枠６３上下絶対速度に変換される。積分器３４の出力が比例器３５により増幅したものを、該当する台車の電動機６１に対応するトルク指令のうち、一方から減算しもう一方には加算する。
【００１６】
この構成により、台車枠６３の上下絶対速度に比例した振動トルクが２台の電動機６１に逆方向に重畳される。逆方向の振動トルクは、［００１４]に示した原理により台車枠６３の上下力として作用する。台車枠６３の上下振動絶対速度に比例した逆方向の力が台車枠６３に発生することにより、台車枠６３の上下振動を抑制できる。
【００１７】
レールに凹凸がある場合、車輪６２→軸ばね６４→台車枠６３→空気ばね６６→車体１の順に減衰しながら伝達される。そこで、台車枠６３の振動を抑制することにより、車体１への振動伝達がなくなり、レールに凹凸があっても車体１の振動を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００５−１６０２４５号公報
【特許文献２】特開平７−２６７０８５号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】永井正夫、沢田康宏：「柔構造弾性車体のアクティブ支持制御」日本機械学会論文集Ｃ編５３巻４９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
アクティブサスペンションや軸ばねの特性を可変にすることによる振動制御は、ハードウェアの追加や改造が必要であり、コストがかかる。特にアクティブサスペンションを用いるには、高価なアクチュエータが必要なだけでなく、アクチュエータを駆動するためのエネルギ源が必要であり、コスト及び消費エネルギの増加につながる。
【００２１】
一方で、［００１５］に示した手法では、既存のハードウェアを用いてアクティブな振動制御が可能であるため、上記のような課題は生じない。しかしながらこの手法は、台車枠６３の振動を抑制することにより間接的に車体１の振動を抑制する手法である。そのため、直接車体１に力をかけることができないため、振動抑制効果は限定される。
【００２２】
またこの手法は、台車枠６３の振動抑制により間接的に車体の振動を抑制するため、台車枠６３の固有振動数付近の周波数に対しての効果が高く、他の周波数帯域に対しては効果が少ない。台車枠の６３固有振動数は、５〜１０Ｈｚ程度であり、車体１の曲げ一次振動の固有振動数に近いため車体の曲げ一次振動は大きく低減できるが、車体１の剛体振動の固有振動数は１〜２Ｈｚ程度であり固有振動数が離れているため振動抑制は困難である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
請求項１の発明によれば、台車と車体がばねで結合され、前記台車内の２台の電動機がそれぞれ駆動装置を介して２つの車軸を駆動し、該駆動装置の車軸を中心とした回転運動は吊りリンクにより拘束され、該吊りリンクは前記駆動装置と前記車体との間を接続する電気車を制御する電気車制御装置において、２台の該電動機に逆方向の振動トルクを重畳することにより前記吊りリンクに上下振動力を発生させて該車体に上下振動力を与えることにより車体の振動制御を行うことを特徴とする電気車制御装置。
【００２５】
請求項２の発明によれば、前記駆動装置は歯車を内蔵しており前記電動機は台車に装荷されていることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【００２６】
請求項３の発明によれば、前記駆動装置は歯車を内蔵しており前記電動機は車体に装荷されていることを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【００２７】
請求項４の発明によれば、前記駆動装置は前記電動機と前記車軸を直結し前記電動機を内蔵した直接駆動形駆動装置であり、前記吊りリンクは前記直接駆動形駆動装置に発生する電動機トルクの反力を上下方向の力により受ける構成の請求項１記載の電気車制御装置。
【発明の効果】
【００２８】
駆動用電動機を用いて車体に直接力をかけて振動制御を実現できる。車体の曲げ一次振動だけでなく、剛体振動も抑制できるため、高い振動制御抑制効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る電気車制御装置の台車の側面図の一例である。
【図２】本発明の実施例１に係る電気車制御装置の制御系構成の一例である。
【図３】本発明の実施例１に係る電気車制御装置の電動機制御装置の一例である。
【図４】本発明の実施例３に係る電気車制御装置の台車の側面図の一例である。
【図５】従来の技術による電気車制御装置の制御系構成の一例を説明する図である。
【図６】従来の技術による電気車制御装置の電動機制御装置の一例である。
【図７】従来の技術による電気車制御装置の台車の上面図の一例である。
【図８】従来の技術による電気車制御装置の台車の側面図の一例である。
【図９】電気車の車体の剛体振動を説明する図である。
【図１０】電気車の車体の弾性一次振動を説明する図である。
【図１１】電動機トルクを用いた車体振動抑制の原理を説明する図である
【図１２】従来の技術による電気車制御装置の電動機制御装置の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に図面を参照して、本発明にかかる電気車制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００３１】
図１から図３を用いて請求項１及び請求項２及び請求項３の発明の一実施例について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。
【００３２】
吊りリンク６９４の一端を駆動装置６９に、もう一端を車体１に結合する。
【００３３】
振動制御器３６は、床面に複数設置された加速度センサ６３１により得られた車体の振動情報に基づき、前台車位置で車体振動を抑制するために必要な上下力指令ＦＦと、後台車位置で車体振動を抑制するために必要な上下力指令ＦＲを演算する。トルク換算器３７は、上下力指令ＦＦとＦＲをそれぞれ、前台車用の振動制御トルク指令ＴＦ及び、後台車用の振動制御トルク指令ＴＲに換算する。振動制御器３６の動作及び加速度センサ６３１の設置位置は、例えば非特許文献１に掲載されている手法と同様の手法を適用する。
【００３４】
４台の電動機６１を制御する電流制御器３２に入力されるトルク指令をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とし、トルク制御器３１から出力される元のトルク指令をＴとすると、次のようにトルク指令を演算する。なお、トルク指令Ｔ１及びＴ２が入力される電流制御器３２は前台車の電動機６１を制御し、トルク指令Ｔ３及びＴ４が入力される電流制御器３２は後台車の電動機６１を制御するものとする。
【００３５】
Ｔ１＝Ｔ−ＴＦ  ・・・（１）式
Ｔ２＝Ｔ＋ＴＦ  ・・・（２）式
Ｔ３＝Ｔ−ＴＲ  ・・・（３）式
Ｔ４＝Ｔ＋ＴＲ  ・・・（４）式
【００３６】
上記構成により、［００１４］と同様の原理で、振動制御器３２の出力に応じた上下力を、車体１に直接かけることができる。そのため、アクティブサスペンション等のハードウェアの追加せずに、車体１の振動を直接制御できる。
【００３７】
本手法は、直接車体１に力を発生させるため、台車枠６３の固有振動数に関係なしに車体１の振動制御が可能である。そのため、台車枠６３の固有振動数に近い固有振動数を有する車体の曲げ一次振動だけでなく、台車枠６３の固有振動数に比べ低い固有振動数を持つ剛体振動に対しても効率よく振動抑制が可能である。
【実施例２】
【００３８】
請求項４の発明の一実施例について説明するが、実施例１と同一部分は省略する。
【００３９】
電動機６１は、車体1に装荷されている。吊りリンク６９４は車体１に接続されているため、駆動装置６９の小歯車６９１は車体１の振動に近い動きとなる。そのため、電動機６１を車体１に装荷することにより、継手６８の両端の変位を少なくすることが可能になり、継手６８の設計が容易になる。
【実施例３】
【００４０】
図４を用いて請求項５の発明の一実施例について説明するが、実施例２と同一部分は省略する。
【００４１】
駆動装置６９は小歯車６９１及び大歯車６９３を有さず電動機６１の回転子と車輪６２が直結している直接駆動形駆動装置６９５とする。
【００４２】
直接駆動形駆動装置６９５は、電動機６１が車輪６２を回転させようとする際に、直接駆動形駆動装置６９５が車輪を中心にして反対方向に回転させようとする反力が発生する。そこで、図４に示すように、直接駆動形駆動装置６９５が回転しないように、上下方向に吊りリンク６９４を用いて車体１との間を接続し回転を防止する。この構成により、電動機６１にトルクをかけると反力が上下力に変換される。そのため、２台の電動機６１に逆方向のトルクを重畳することにより、車体に上下力を発生することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに有効である。駆動用電動機を用いて車体の振動を直接制御できるため、コストを抑えて乗り心地改善ができる。
【符号の説明】
【００４４】
１      車体
２      主幹制御器
３      電動機制御装置
３１    トルク制御器
３２    電流制御器
３３    電力変換回路
３４    積分器
３５    比例器
３６    振動制御器
３７    トルク換算器
４      集電装置
５      レール
６      台車
６１    電動機
６２    車輪
６３    台車枠
６３１  加速度センサ
６４    軸ばね
６５    軸箱支持装置
６６    空気ばね
６７    牽引装置
６８    継手
６９    駆動装置
６９１  小歯車
６９２  歯車箱
６９３  大歯車
６９４  吊りリンク
６９５  直接駆動形駆動装置
【図１】
0005605796.tif 000002
【図２】
0005605796.tif 000003
【図３】
0005605796.tif 000004
【図４】
0005605796.tif 000005
【図５】
0005605796.tif 000006
【図６】
0005605796.tif 000007
【図７】
0005605796.tif 000008
【図８】
0005605796.tif 000009
【図９】
0005605796.tif 000010
【図１０】
0005605796.tif 000011
【図１１】
0005605796.tif 000012
【図１２】
0005605796.tif 000013