(57)【要約】  【課題】  ＬＩＭ又は渦電流ブレーキの構成要素を一部兼用することにより、新たにセンサを付加する必要がなく、鉄道車両の脱線を確実に検知することができる脱線検知装置を提供する。  【解決手段】  この脱線検知装置は、鉄道車両においてレールに対向する位置に配置され、供給される電流に従って発生する磁界によりレール内に磁束を発生させる電機子１１及び１２と、電機子に電流を供給するインバータ１５と、この電流を検出して検出信号を出力する電流検出部１８ａ〜１８ｃと、この電流に従って発生する電圧を検出して検出信号を出力する電圧検出部１９ａ〜１９ｃと、電流検出部から出力される検出信号と電圧検出部から出力される検出信号とに基づいて、鉄道車両が脱線しているか否かを判定する脱線検知部２０ａとを具備する。【選択図】  図３
2006014394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両においてレールに対向する位置に配置され、供給される電流に従って発生する磁界によりレール内に磁束を発生させる電磁変換部と、
前記電磁変換部に電流を供給する駆動手段と、
前記駆動手段から前記電磁変換部に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、
前記駆動手段から前記電磁変換部に供給される電流に従って発生する電圧を検出して検出信号を出力する電圧検出手段と、
前記電流検出手段から出力される検出信号と前記電圧検出手段から出力される検出信号とに基づいて、前記鉄道車両が脱線しているか否かを判定する脱線検知手段と、
を具備する脱線検知装置。
【請求項２】
前記電磁変換部が、２本のレールに対向する位置にそれぞれ配置される２つの電機子を含み、前記２つの電機子の各々が、複数の溝が形成された磁芯と、前記磁芯の溝に巻かれた巻線であって、前記駆動手段から電流が供給され、該電流に従って発生する電圧を前記電圧検出手段に供給する前記巻線とを有する、請求項１記載の脱線検知装置。
【請求項３】
前記脱線検知手段が、前記電流検出手段から出力される検出信号と前記電圧検出手段から出力される検出信号とに基づいて、前記電機子の入力インピーダンスを算出することにより、前記鉄道車両が脱線しているか否かを判定する、請求項２記載の脱線検知装置。
【請求項４】
前記電磁変換部が、２本のレールに対向する位置にそれぞれ配置される２つの電機子を含み、前記２つの電機子の各々が、複数の溝が形成された磁芯と、前記磁芯の溝に巻かれた第１の巻線であって、前記駆動手段から電流が供給される前記第１の巻線と、前記磁芯の溝に巻かれた第２の巻線であって、前記駆動手段から前記第１の巻線に供給される電流に従って誘起される誘導起電力を前記電圧検出手段に供給する前記第２の巻線とを有する、請求項１記載の脱線検知装置。
【請求項５】
前記脱線検知手段が、前記電流検出手段から出力される検出信号と前記電圧検出手段から出力される検出信号とに基づいて、前記第１の巻線に流れる交流電流と前記第２の巻線に誘起される誘導起電力との関係を算出することにより、前記鉄道車両が脱線しているか否かを判定する、請求項４記載の脱線検知装置。
【請求項６】
前記電磁変換部が、供給される電流に従って発生する磁界によって前記レールに対して推進力又は吸引力又はブレーキ力を発生させる、請求項１〜５のいずれか１項記載の脱線検知装置。
【請求項７】
前記電磁変換部が、前記駆動手段から供給される交流励磁電流に従って発生する磁界によって前記レール内に渦電流を発生させることにより前記レールに対してブレーキ力を発生させると共に、前記レールに対する相対的な位置の変化に伴って起電力を生じ、
前記駆動手段が、架線から前記鉄道車両に印加される電圧に基づいて前記電磁変換部に交流励磁電流を供給すると共に、前記電磁変換部から印加される起電力に基づいて前記架線、又は、電力を消費若しくは貯蔵する装置に電流を供給する、
請求項６記載の脱線検知装置。
【請求項８】
前記電磁変換部が、前記駆動手段から前記第１の巻線に供給される直流励磁電流に従って発生する磁界によって前記レール内に渦電流を発生させることにより前記レールに対してブレーキ力を発生させると共に、前記駆動手段から前記第１の巻線に供給される交流電流に従って前記第２の巻線に誘導起電力を発生させる、
請求項６記載の脱線検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両と軌条レールとの間のギャップ長が拡大したこと、又は、鉄道車両と軌条レールとが相対横ずれを起こしたことを検知し、さらには鉄道車両の脱線を検知する脱線検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両において、脱線による事故の拡大を防ぐために、迅速に脱線を検知することが望まれている。従来より、鉄道車両の脱線を自動的に検知するために、様々な脱線検知装置が開発されている。例えば、下記の特許文献１には、上下方向加速度検出手段を用いる脱線検知装置が開示されている。この脱線検知装置においては、台車ばねより上の部位の上下方向加速度を二重積分して上下方向変位量を求め、一定時間当りの上下方向変位量が負で、かつ、その絶対値が所定値以上であるときに、脱線が検知される。しかしながら、加速度検出による場合には、一定時間当りの上下方向変位量の絶対値が所定値以上であったとしても、その後の状態を把握することができないので、実際に鉄道車両が脱線したか否かを正確に判定することは不可能である。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、機械的な脱線検知方式における欠点を改善するために、車両とレールとの間の距離を電気的に計測する脱線検出装置が開示されている。この脱線検出装置においては、各車輪の軸受部に検出面をレールに向けて取り付けられてレールとの間の距離を電気的に計測するギャップセンサが用いられ、ギャップセンサによって計測された距離信号を信号処理して得られるギャップ値を車輪間で比較して、その差が設定レベルより大きいと判定されると、脱線が検知される。特許文献２の記載（段落番号００１４）によれば、ギャップセンサとしては、検出面からレール面までの距離を電気的に計測できるものであれば何でもよいが、電圧又は電流信号をアナログ信号として取り出すようにしたセンサが使用される。しかしながら、ギャップセンサの具体例は何ら示されておらず、発明を実施するためにどのようなギャップセンサを用いるかが問題となる。
【０００４】
ところで、鉄道車両を加速又は減速させるために、軌条レールをリアクションプレートとして用いるリニア誘導モータ（ＬＩＭ）や渦電流ブレーキが開発されている。ＬＩＭや渦電流ブレーキにおいては、軌条レールに対向するようにして台車に取り付けられた電機子が用いられる。電機子から軌条レールに磁界を印加することによって、鉄道車両に推進力又はブレーキ力を発生させたり、あるいは、鉄道車両とレールとの間に吸引力を発生させることができる。
【特許文献１】特開平９−３９７９０号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】特開平７−７９５０１号公報（第１、３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ＬＩＭ又は渦電流ブレーキの構成要素を一部兼用することにより、新たにセンサを付加する必要がなく、鉄道車両の脱線を確実に検知することができる脱線検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る脱線検知装置は、鉄道車両においてレールに対向する位置に配置され、供給される電流に従って発生する磁界によりレール内に磁束を発生させる電磁変換部と、電磁変換部に電流を供給する駆動手段と、駆動手段から電磁変換部に供給される電流を検出して検出信号を出力する電流検出手段と、駆動手段から電磁変換部に供給される電流に従って発生する電圧を検出して検出信号を出力する電圧検出手段と、電流検出手段から出力される検出信号と電圧検出手段から出力される検出信号とに基づいて、鉄道車両が脱線しているか否かを判定する脱線検知手段とを具備する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、鉄道車両にＬＩＭ又は渦電流ブレーキの構成要素として装備されている電磁変換部（電機子）と軌条レールとの電磁結合状態によって電磁変換部に流れる交流電流と電磁変換部に発生する交流電圧との関係が変化することを利用して、新たにセンサを付加することなく、鉄道車両の脱線を確実に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る脱線検知装置及びその周辺部分を示す図である。本実施形態に係る脱線検知装置は、リニア誘導モータ（ＬＩＭ）と兼用されるものであり、軌条レールに対して推進力又は吸引力又はブレーキ力を発生させることができる。
【０００９】
図１に示す脱線検知装置は、電磁変換部として、一方のレール２１に対向するように配置された第１の電機子１１と、他方のレール２２に対向するように配置された第２の電機子１２とを含んでいる。これらの電機子１１及び１２は、コア（磁芯）に形成された複数の溝に巻線を巻いて構成された直線状の電磁石であり、車輪１３を回転可能に支持する台車１４に固定されているか、又は、車輪１３の軸箱に直接固定されている。レール２１及び２２としては、従来の鉄道軌道をそのまま使用することができるので、何も変更する必要はない。
【００１０】
軌条レールを２次導体として用いる従来の渦電流ブレーキは、直流励磁又は永久磁石による直流磁界を利用したものであり、鉄道車両の走行に伴ってレール内部に発生する渦電流損によってブレーキ力が得られる。その場合に、鉄道車両の運動エネルギーは、その殆どがレール内部の渦電流損によって熱エネルギーに変換されるので、レールの発熱及び温度上昇を生じる。従来は、このレールの発熱及び温度上昇が主な問題点となっていた。本実施形態に係る脱線検知装置は、交流励磁電流に従ってブレーキ力を発生することにより、電力回生動作を可能にしている。
【００１１】
次に、図２を参照しながら、本実施形態に係る脱線検知装置の原理について説明する。
図２の（Ａ）を参照すると、台車１４及びその上に取り付けられた客室等を含む鉄道車両は、レール２１上を走行することにより、運動エネルギーを蓄積している。なお、図２においては、説明を簡単にするために、片側の電機子１１及び片側のレール２１のみが示されている。
【００１２】
走行速度を減少させたい場合には、電機子１１の巻線に交流電流を流すことにより交流磁界を発生させる。この磁界により、電機子１１の一端からレール２１内を貫通して電機子１１の他端に戻る磁束が発生し、レール２１内に渦電流が生じる。鉄道車両の移動と共に磁束もレール２１内を移動するが、レール２１内の渦電流は磁束の変化を妨げようとするので、電機子１１とレール２１との間にブレーキ力が生じる。
【００１３】
交流励磁を行って交流磁界を発生することにより、逆に、鉄道車両の走行に伴ってレール２１内の相対的な磁束変化が電機子１１に誘導起電力を発生させ、鉄道車両の運動エネルギーの一部を、架線（トロリ）に電力回生させたり、鉄道車両内に設けられた装置に用いられている抵抗によって消費させたり、鉄道車両内に設けられた装置に用いられている電力貯蔵媒体に充電したりすることが可能となる。その結果、レール内の渦電流損失による発熱を低減できる。
【００１４】
また、図２の（Ｂ）に示すように、電機子１１とレール２１との間には、磁界による吸引力が発生する。これにより、鉄道車両の重量増を伴うことなく、車輪１３とレール２１との間の接触圧を増加させることが可能であり、鉄道車両用の増粘着装置としても利用することができる。磁界による吸引力を用いているので、接触圧を増加させても路盤にかかる荷重が変化しないという利点がある。
【００１５】
従来のように直流磁界を利用する場合には、磁界の配置にもよるが、接触圧を増加させると、レール内の渦電流損失により多少の走行抵抗を生じることが多かった。一方、本発明のように交流磁界を利用する場合には、リニアモータの同期運転を利用することにより、レール内の渦電流損失を殆ど生じることなく、効果的に吸引力を発生させることが可能である。さらに、吸引力を制御することにより、鉄道車両制振装置としても利用することができる。
【００１６】
図３は、直流き電とした場合の本実施形態に係る脱線検知装置の構成を示すブロック図である。台車１４には、一方のレール２１に対向するように第１の電機子１１が配置され、他方のレール２２に対向するように第２の電機子１２が配置されている。これらの電機子１１及び１２は、インバータ１５から供給される交流電流に従って発生する交流磁界によってレール２１及び２２内に磁束及び渦電流を発生させると共に、レール２１及び２２に対する相対的な位置の変化に伴って起電力を生じる。なお、図３には、１つのインバータに対して２つの電機子が並列に接続される構成が示されているが、本発明は、電機子の数や接続形態に関わりなく実現することができる。
【００１７】
図４は、電機子及びレールの外観を示す斜視図である。図４に示すように、電機子１１は、けい素鋼板等の強磁性体の板材を積層して作製されたコア（磁芯）１１ａを含んでいる。コア１１ａにおいて、レール２１に対向する面には、複数の溝が形成されている。これらの溝には、巻線１１ｂが巻かれている。電機子１１を台車バネ下に搭載する場合には、２つの車軸の間隔である１．１〜１．３ｍ程度が、コアの長さの最大値となる。なお、第２の電機子１２も、第１の電機子１１と同様の構成を有している。
【００１８】
再び図３を参照すると、本実施形態においては、電機子１１及び１２に電流を供給するための駆動手段として、周波数制御が可能なインバータ１５が用いられる。インバータ１５は、車輪１３を介してレールに接地されており、架線（トロリ）からパンタグラフ１６を介して印加される直流電圧に基づいて電機子１１及び１２に３相交流電流を流すことにより交流磁界を発生させると共に、電機子１１及び１２から印加される３相交流起電力に基づいてトロリに直流電流を供給することにより電力回生動作を行う。パンタグラフ１６とインバータ１５との間には、リプルを低減するために、インダクタ１７が挿入されている。なお、３相交流の替わりに単相交流を用いても、レール発熱低減効果が劣るものの、渦電流ブレーキ機能を有する脱線検知装置を実現することが可能である。
【００１９】
図５に、本実施形態において用いられるインバータの原理的な構成例を示す。この例においては、インバータ１５として、電力回生機能を有する３相のＰＷＭインバータが用いられている。図４に示すように、インバータ１５は、Ｕ相の巻線に接続されるＩＧＢＴ（インシュレーティドゲート・バイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、Ｖ相の巻線に接続されるスイッチング素子Ｑ３及びＱ４と、Ｗ相の巻線に接続されるスイッチング素子Ｑ５及びＱ６と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。
【００２０】
これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、トロリとレールとによってそれぞれ供給される２種類の電源電位とＵ相〜Ｗ相の巻線との間でスイッチング動作を行うことにより、電機子１１に３相交流電流を供給する。また、インバータ１５は、電機子１１に交流電流を供給する場合に対して電流位相を反転させるようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御してスイッチング動作を行わせることにより、電力回生動作を行う。なお、インバータ１５は、電力回生動作を行う替わりに、１次側（直流側）において、電力を消費又は貯蔵する装置に直流電流を供給するようにしても良い。
【００２１】
図３に示すように、電機子１１及び１２の巻線に流れる電流を検出するために、インバータ１５と電機子１１及び１２との間の３つの配線には、３つの電流検出部１８ａ〜１８ｃがそれぞれ挿入されている。また、電機子１１及び１２において発生する電圧を検出するために、インバータ１５と電機子１１及び１２との間を接続する配線間には、３つの電圧検出部１９ａ〜１９ｃが接続されている。
【００２２】
電流検出部１８ａ〜１８ｃは、電流を検出して得られたディジタルの検出信号を出力し、電圧検出部１９ａ〜１９ｃは、電圧を検出して得られたディジタルの検出信号を出力する。これらの検出信号は、中央演算装置（ＣＰＵ）２０に入力される。ＣＰＵ２０には、ＣＰＵ２０に動作を行わせるためのソフトウェア（制御プログラム）が格納されているＲＯＭ３０が接続されている。ＣＰＵ２０とソフトウェアとによって、脱線検知部２０ａ及び制御部２０ｂが、機能ブロックとして実現される。なお、脱線検知部２０ａ及び制御部２０ｂは、ディジタル回路やアナログ回路で構成しても良い。
【００２３】
脱線検知部２０ａは、電流検出部１８ａ〜１８ｃから出力される検出信号によって表される３相電流値ｉＵ、ｉＶ、ｉＷと、電圧検出部１９ａ〜１９ｃから出力される検出信号によって表される線間電圧値ｅＵＶ、ｅＶＷ、ｅＷＵとに基づいて、電機子１１及び１２の入力インピーダンスを算出する。さらに、脱線検知部２０ａは、電機子１１及び１２の入力インピーダンスから、レールが存在しない場合の電機子１１及び１２のインピーダンスを差し引くことにより、２次側（レール側）の等価的なインピーダンスを算出する。脱線検知部２０ａは、算出されたインピーダンスの値が設定値以下となった場合に、鉄道車両が脱線していると判定する。
【００２４】
制御部２０ｂは、脱線検知部２０ａによって算出されたインピーダンスの値に基づいて、鉄道車両と軌条レールとの間の距離が拡大したことを検知して警告を表示したり、脱線検知部２０ａによって鉄道車両が脱線していると判定された場合に、警報を発したり非常ブレーキを作動させたりする。
【００２５】
また、制御部２０ｂは、電流検出部１８ａ〜１８ｃから出力される検出信号に基づいて、電機子１１及び１２の巻線に流れる電流の電流ベクトルを検出し、指令部から送られてくる指令信号に従い、検出された電流ベクトルを用いて、電機子１１及び１２に供給すべき３相交流電流の周波数や振幅を制御するための制御信号を算出してインバータ１５に出力する。制御信号を算出する際に必要な車両の速度情報は、鉄道車両の速度を検出するための速度センサ４０を設ける方法の他、速度センサレスで制御する方法もある。
【００２６】
次に、脱線検知部２０ａにおけるインピーダンスの計算手法について説明する。ここでは、３相平衡回路を前提とした計算手法について説明するが、現実には、不平衡等に起因する計算値の脈動が予想されるので、フィルタ処理等の対策が必要である。
まず、脱線検知部２０ａが、電圧検出部１９ａ〜１９ｃから出力される検出信号によって表される線間電圧値ｅＵＶ、ｅＶＷ、ｅＷＵを、３相電圧値ｅＵ、ｅＶ、ｅＷに変換する。
【数１】
2006014394.tif 000003
【００２７】
次に、脱線検知部２０ａが、３相電圧値ｅＵ、ｅＶ、ｅＷを、２相電圧値ｅα、ｅβに変換する。
【数２】
2006014394.tif 000004
これらの２相電圧値ｅα、ｅβに基づいて、脱線検知部２０ａが、電圧の振幅Ｅｍと位相θｅを求める。
【数３】
2006014394.tif 000005
【００２８】
同様に、電流についても、脱線検知部２０ａが、３相電流値ｉＵ、ｉＶ、ｉＷを、２相電流値ｉα、ｉβに変換する。
【数４】
2006014394.tif 000006
さらに、脱線検知部２０ａが、２相電流値ｉα、ｉβに基づいて、電流の振幅Ｉｍと位相θｉを求める。
【数５】
2006014394.tif 000007
【００２９】
以上の式（１）〜（４）に基づいて、脱線検知部２０ａが、入力端から見た抵抗値ＲとリアクタンスＸとを求める。
【数６】
2006014394.tif 000008
【００３０】
図６に、ＬＩＭの１相当りの等価回路を示す。図６の（Ａ）に示すように、ＬＩＭは、１次側と２次側との間の誘導作用により、変圧器と同様の回路で表される。１次側回路は、電機子抵抗ｒ１と１次漏れリアクタンスｘ１とによって表され、励磁回路は、鉄損ｒ０と励磁リアクタンスｘ０とによって表され、２次側回路は、２次抵抗ｒ２と２次漏れリアクタンスｘ２と滑りｓとによって表される。ここで、図６の（Ａ）に示す回路を、変圧器の等価回路と同様に、図６の（Ｂ）のように書き改めることができる。さらに、励磁回路を２次側回路に含めた等価回路として、図６の（Ｃ）のように表すことができる。このとき、ｒ２ｅ及びｘ２ｅを、それぞれ等価２次抵抗及び等価２次リアクタンスと呼ぶ。
【００３１】
式（５）、（６）に基づいて算出された入力端から見た抵抗値Ｒ及びリアクタンスＸから、電機子の巻線抵抗ｒ１及び１次側の漏洩リアクタンスｘ１をそれぞれ差し引くことにより、等価２次抵抗ｒ２ｅ及び等価２次リアクタンスｘ２ｅを求めることができる。
ｒ２ｅ＝Ｒ−ｒ１
ｘ２ｅ＝Ｘ−ｘ１
【００３２】
図７に、交流励磁電流の周波数を変化させたときの等価２次抵抗及び等価２次リアクタンスの変化を示す。交流励磁電流の周波数ｆが同期周波数よりも小さい範囲においては、推力がマイナスとなってブレーキ力が働くと共に、電力回生動作が行われる。この範囲においては、滑りｓ及び等価２次抵抗ｒ２ｅもマイナスとなる。一方、交流励磁電流の周波数ｆが同期周波数よりも大きい範囲においては、推力がプラスとなって推進力が働くことにより力行する。この範囲においては、滑りｓ及び等価２次抵抗ｒ２ｅもプラスとなる。
【００３３】
図７においては、鉄道車両の速度が５０ｋｍ、１００ｋｍ、２００ｋｍの場合について、交流励磁電流の周波数ｆを変化させたときの等価２次抵抗ｒ２ｅ及び等価２次リアクタンスｘ２ｅの変化を示している。いずれの速度においても、周波数ｆが大きくなると、等価２次リアクタンスｘ２ｅは単調に増加し、等価２次抵抗ｒ２ｅも、その値がプラスとなる範囲においては、増加することが分る。
【００３４】
一方、脱線時には、ＬＩＭと対向するレールが無くなるので、電機子において磁束が減少して入力インピーダンスが変化する。即ち、鉄道車両が脱線すると、磁束が減少し、図６の（Ａ）及び（Ｂ）に示す励磁リアクタンスｘ０が小さくなる。また、２次抵抗ｒ２が増大するので、図６の（Ｃ）に示す等価２次回路のインピーダンス（等価２次抵抗及び等価２次リアクタンス）が小さくなる。このとき、等価２次インピーダンスは、図７における原点の近傍に移動する。従って、入力インピーダンスを計測し、それを用いて算出される等価２次インピーダンスの大きさを監視することにより、鉄道車両の脱線を検知することができる。ただし、周波数が非常に低くなるとインピーダンスの算出精度が低下するので、交流励磁電流の周波数ｆが、所定の周波数ｆｄよりも大きいことが条件である。
【００３５】
ここでは、等価２次インピーダンスの大きさを自乗した値を、等価２次インピーダンスの大きさの閾値ｚｄに基づいて設定された参照値ｚｄ２と比較することにより、鉄道車両が脱線しているか否かを判定することにする。
（Ｒ−ｒ１）２＋（Ｘ−ｘ１）２≦ｚｄ２  ・・・（７）
即ち、交流励磁電流の周波数ｆが所定の周波数ｆｄよりも大きい場合に（ｆ＞ｆｄ）、式（７）が成立したら、鉄道車両が脱線していると判定される。あるいは、複数の周波数ｆに対応して、参照値ｚｄ２を設定しても良い。
【００３６】
電流及び電圧がベクトル（又は複素数）として測定される場合には、脱線検知部２０ａにおけるインピーダンスの計算手法は、以下のようになる。
まず、脱線検知部２０ａが、電圧検出部１９ａ〜１９ｃから出力される検出信号によって表される線間電圧ベクトルＥＵＶ、ＥＶＷ、ＥＷＵを、３相電圧ベクトルＥＵ、ＥＶ、ＥＷに変換する。
【数７】
2006014394.tif 000009
【００３７】
３相電流ベクトルＩＵ、ＩＶ、ＩＷと３相電圧ベクトルＥＵ、ＥＶ、ＥＷとに基づいて、脱線検知部２０ａが、入力インピーダンスＺＵ、ＺＶ、ＺＷを求める。
【数８】
2006014394.tif 000010
【００３８】
ここでは、各相の等価２次インピーダンス（ＺＵ−Ｚ１）、（ＺＶ−Ｚ１）、（ＺＷ−Ｚ１）の自乗和を、等価２次インピーダンスの閾値Ｚｄに基づいて設定された参照値３Ｚｄ２と比較することにより、鉄道車両が脱線しているか否かを判定することにする。
（ＺＵ−Ｚ１）２＋（ＺＶ−Ｚ１）２＋（ＺＷ−Ｚ１）２≦３Ｚｄ２  ・・・（８）
ここで、Ｚ１＝ｒ１＋ｊｘ１は、電機子の１次側のインピーダンスである。交流励磁電流の周波数ｆが所定の周波数ｆｄよりも大きい場合に（ｆ＞ｆｄ）、式（８）が成立したら、鉄道車両が脱線していると判定される。あるいは、複数の周波数ｆに対応して、参照値３Ｚｄ２を設定しても良い。
【００３９】
本実施形態によれば、交流励磁電流の周波数ｆが同期周波数よりも小さい範囲においては、マイナスの推力が発生することにより、脱線検知装置がブレーキ装置としても働き、交流励磁電流の周波数ｆが同期周波数と等しい範囲においては、推力がゼロとなって吸引力のみが発生することにより、脱線検知装置が増粘着装置としても働き、交流励磁電流の周波数ｆが同期周波数よりも大きい範囲においては、プラスの推力が発生することにより、脱線検知装置が推進装置としても働くことになる。また、交流励磁電流の振幅を小さくすれば、上記の働きは弱くなり、脱線検知装置としてのみ働くことになる。その場合においても、鉄道車両の速度に影響を与えないためには、交流励磁電流の周波数ｆを同期周波数と等しくすることが望ましい。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る脱線検知装置は、直流渦電流損ブレーキと兼用されるものであり、直流励磁電流によって直流磁界を発生し、鉄道車両の走行に伴ってレール内部に発生する渦電流損によってブレーキ力を得ることができる。本実施形態においては、ブレーキ動作を行わない期間において、脱線検知動作を行うようにしても良い。
【００４１】
図８を参照しながら、本実施形態に係る脱線検知装置の原理について説明する。この脱線検知装置は、電磁変換部として、２本のレールに対向するように配置された２つの電機子を含んでいる。これらの電機子は、コア（磁芯）に形成された複数の溝に巻線を巻いて構成された直線状の電磁石であり、車輪１３を回転可能に支持する台車１４に固定されているか、又は、車輪１３の軸箱に直接固定されている。レールとしては、従来の鉄道軌道をそのまま使用することができるので、何も変更する必要はない。
【００４２】
図８の（Ａ）を参照すると、台車１４及びその上に取り付けられた客室等を含む鉄道車両は、レール２１上を走行することにより、運動エネルギーを蓄積している。なお、図８においては、説明を簡単にするために、一方の電機子１１及び一方のレール２１のみが示されている。
【００４３】
走行速度を減少させたい場合には、電機子５１の巻線に直流励磁電流を流すことにより直流磁界を発生させる。この磁界により、電機子１１のＮ極からレール２１内を貫通して電機子１１のＳ極に戻る磁束が発生し、レール２１内に渦電流が生じる。鉄道車両の移動と共に磁束もレール２１内を移動するが、レール２１内の渦電流は磁束の変化を妨げようとするので、電機子１１とレール２１との間にブレーキ力が生じる。
【００４４】
一方、図８の（Ｂ）に示すように、レールが存在しない場合には、磁気回路が変化するので、発生する磁束が弱くなり、電機子１１の入力インピーダンスも変化する。このインピーダンスの変化を、交流電流を通電して計測することにより、鉄道車両の脱線を検知することができる。あるいは、直流励磁電流を流すための巻線とは別に、電機子に探りコイルを巻いておき、探りコイルに誘起される電圧を計測することにより、鉄道車両の脱線を検知するようにしても良い。以下においては、電機子に探りコイルを設ける場合について説明する。
【００４５】
図９は、直流き電とした場合の本実施形態に係る脱線検知装置の基本的構成を示すブロック図である。台車１４には、一方のレール２１に対向するように第１の電機子５１が配置され、他方のレール２２に対向するように第２の電機子５２が配置されている。これらの電機子５１及び５２は、駆動部６０から電機子の巻線に供給される直流励磁電流に従って発生する直流磁界によってレール２１及び２２内に磁束及び渦電流を発生させると共に、駆動部６０から電機子の巻線に供給される交流電流に従って探りコイル５３及び５４に誘導起電力を発生させる。なお、図９には、１つの駆動部６０に対して２つの電機子５１及び５２が直列に接続される構成が示されているが、本発明は、電機子の数や接続形態に関わりなく実現することができる。
【００４６】
駆動部６０は、車輪１３を介してレールに接地されており、架線（トロリ）からパンタグラフ１６を介して印加される直流電圧に基づいて電機子５１及び５２に直流励磁電流を流すことにより直流磁界を発生させると共に、電機子５１及び５２に交流電流を流すことにより探りコイル５３及び５４に誘導起電力を発生させる。パンタグラフ１６とインバータ１５との間には、リプルを低減するために、インダクタ１７が挿入されている。
【００４７】
電機子５１及び５２の巻線に流れる電流を検出するために、駆動部６０と電機子５１との間の配線には、電流検出部１８ｄが挿入されている。また、探りコイル５３及び５４において発生する電圧を検出するために、探りコイル５３及び５４の配線間には、２つの電圧検出部１９ｄ及び１９ｅがそれぞれ接続されている。
【００４８】
電流検出部１８ｄは、電流を検出して得られたディジタルの検出信号を出力し、電圧検出部１９ｄ及び１９ｅは、電圧を検出して得られたディジタルの検出信号を出力する。これらの検出信号は、中央演算装置（ＣＰＵ）７０に入力される。ＣＰＵ７０には、ＣＰＵ７０に動作を行わせるためのソフトウェア（制御プログラム）が格納されているＲＯＭ８０が接続されている。ＣＰＵ７０とソフトウェアとによって、脱線検知部７０ａ及び制御部７０ｂが、機能ブロックとして実現される。なお、脱線検知部７０ａ及び制御部７０ｂは、ディジタル回路やアナログ回路で構成しても良い。
【００４９】
脱線検知部７０ａは、電流検出部１８ｄから出力される検出信号によって表される電流値と、電圧検出部１９ｄ及び１９ｅから出力される検出信号によって表される誘導起電力とに基づいて、電機子５１及び５２の巻線に流れる交流電流と探りコイル５３及び５４において発生する電圧との関係を算出する。
【００５０】
図１０は、電機子とレールとの間のギャップ長と探りコイルを貫通する磁束との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ここでは、交流電流の周波数を５０Ｈｚとして、車両停止状態において探りコイルを貫通する磁束を、２次元及び３次元のシミュレーションによって求めた。図１０において、最も右側は、レールが存在しない場合を示している。図１０に示されているように、電機子とレールとの間のギャップ長が大きくなる程、探りコイルを貫通する磁束が減少している。
【００５１】
なお、探りコイル５３及び５４の一形態として、横ずれ時における磁束の変化分のみを捕らえるヌル（ｎｕｌｌ）フラックス構成とすることも可能である。この場合には、８の字型の探りコイルをレールと電機子との間に挿入することになる。図１１は、８の字型の探りコイルとレールとを上から見た図である。図１１に示すように、８の字型の探りコイル５３は、８の字の縦方向がレール２１の長手方向と直交するように配置される。このように配置されたヌルフラックス構成の探りコイルは、レールと電機子とが横ずれを起こさない場合には出力電圧がゼロであるが、レールと電機子とが横ずれを起こすと、そのずれ量にほぼ比例した電圧を出力する。
【００５２】
探りコイルを貫通する磁束は、電機子の巻線に供給される電流によって発生する。また、探りコイルを貫通する磁束の変化に比例して、探りコイルから誘導起電力が発生する。従って、電機子の巻線に供給される交流電流値と、探りコイルの両端電圧値とを計測することにより、例えば、両端電圧値を交流電流値で割った値に基づいて、電機子とレールとの間のギャップ長を検知することができる。さらに、両端電圧値を交流電流値で割った値が設定値以下となった場合に、鉄道車両が脱線したと判定することができる。
【００５３】
図９に示す制御部７０ｂは、脱線検知部７０ａによって算出された値に基づいて、鉄道車両と軌条レールとの間の距離が拡大したことを検知して警告を表示したり、さらには、脱線検知部７０ａによって鉄道車両が脱線していると判定された場合に、警報を発したり非常ブレーキを作動させたりする。
【００５４】
また、制御部７０ｂは、電流検出部１８ｄから出力される検出信号に基づいて、電機子５１及び５２の巻線に流れる直流励磁電流値を検出し、指令部から送られてくる指令信号に従って、電機子５１及び５２に供給すべき直流励磁電流値を制御するための制御信号を算出して駆動部６０に出力する。
以上の実施形態においては、直流き電とした場合について説明したが、本発明に係る脱線検知装置は、交流き電とした場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、鉄道車両と軌条レールとの間のギャップ長が拡大したこと、又は、鉄道車両と軌条レールとが相対横ずれを起こしたことを検知し、さらには鉄道車両の脱線を検知する脱線検知装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る脱線検知装置及びその周辺部分を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る脱線検知装置の原理について説明するための図である。
【図３】直流き電とした場合の本発明の第１の実施形態に係る脱線検知装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態において用いられる電機子及びレールの外観を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態において用いられるインバータの原理的な構成例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態において用いられる電機子の等価回路を示す図である。
【図７】交流励磁電流の周波数を変化させたときの等価２次抵抗及び等価２次リアクタンスの変化を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る脱線検知装置の原理について説明するための図である。
【図９】直流き電とした場合の本発明の第２の実施形態に係る脱線検知装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態において電機子とレールとの間のギャップ長と探りコイルを貫通する磁束との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における８の字型の探りコイルとレールとを上から見た図である。
【００５７】
１１、１２、５１、５２  電機子
１３  車輪
１４  台車
１５  インバータ
１６  パンタグラフ
１７  インダクタ
１８ａ〜１８ｄ  電流検出部
１９ａ〜１９ｅ  電圧検出部
２０、７０  ＣＰＵ
２０ａ、７０ａ  脱線検知部
２０ｂ、７０ｂ  制御部
２１、２２  レール
３０、８０  ＲＯＭ
４０  速度センサ
５３、５４  探りコイル
６０  駆動部
Ｑ１〜Ｑ６  スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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