(57)【要約】      （修正有）【課題】電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与える電気車駆動装置、電気車駆動方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】電気車駆動装置１０は、回転式電動機１ａおよび１ｂと、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１ａおよび１ｂは、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間の吸引力及び進行方向への推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１ａおよび１ｂを制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１ａおよび１ｂ及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪を駆動するための回転式電動機と、
レールと台車との間の吸引力及び進行方向への推進力の何れか一方または両方を発生させる電磁装置と、
前記回転式電動機を制御する電動機制御部と
前記電磁装置を制御する電磁制御部と、
を備え、
前記回転式電動機及び前記電磁装置は同一の台車に備えられる
電気車駆動装置。
【請求項２】
前記電磁制御部は、
前記電磁装置が進行方向へ加速するための正の推進力、または進行方向へ減速するための負の推進力を発生させるように制御する
請求項１に記載の電気車駆動装置。
【請求項３】
前記電動機制御部は、
前記回転式電動機の発生する出力が前記電磁装置の発生する出力よりも大きくなるように制御する
請求項２に記載の電気車駆動装置。
【請求項４】
前記電磁制御部は、
前記電動機制御部が出力する情報に基づいて前記電磁装置を制御する
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項５】
前記電磁装置は、
交流で励磁する機能と、
直流で励磁する機能と
を備える請求項１から請求項４の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項６】
前記車輪の空転または滑走を検出する車輪状態検出部
を備える請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項７】
前記電磁制御部は、
前記車輪状態検出部が空転または滑走を検出した場合に、前記電磁装置が前記レールと前記台車との間に発生させる吸引力を大きくするように制御する
請求項６に記載の電気車駆動装置。
【請求項８】
前記電磁制御部は、
前記車輪状態検出部が空転を検出した場合に、前記電磁装置が進行方向へ加速するための正の推進力を発生し、
前記車輪状態検出部が滑走を検出した場合に、前記電磁装置が進行方向へ減速するための負の推進力を発生するように制御する
請求項６または請求項７に記載の電気車駆動装置。
【請求項９】
走行中の走行位置を検出する走行位置検出部を備え、
前記電磁制御部は、
前記走行位置検出部が走行中の走行位置として特定の走行区間を検出した場合に、前記電磁装置が前記レールと前記台車との間に吸引力を発生させるように制御する
請求項１から請求項８の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１０】
前記電磁制御部は、
前記走行位置検出部が走行中の走行位置として曲線区間を検出した場合に、レールに沿って同一の台車に備えられた２つの前記電磁装置のそれぞれが発生させる吸引力を変化させるように制御する
請求項９に記載の電気車駆動装置。
【請求項１１】
前記電磁制御部は、
前記走行位置検出部が走行中の走行位置として曲線区間を検出した場合に、レールに沿って同一の台車に備えられた２つの前記電磁装置のそれぞれが発生させる推進力を変化させるように制御する
請求項９または請求項１０に記載の電気車駆動装置。
【請求項１２】
前記電磁制御部は、
前記回転式電動機の回転速度、または前記レールと前記台車との間の相対速度に応じて、前記電磁装置が発生させる吸引力の大きさを制御する
請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１３】
前記電磁制御部は、
前記台車が出力する牽引力が大きくなった場合に、前記電磁装置が発生させる吸引力を大きくし、
前記台車が出力する牽引力が小さくなった場合に、前記電磁装置が発生させる吸引力を小さくするように制御する
請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１４】
前記電磁制御部は、
加速時に前記回転式電動機の回転速度、または前記レールと前記台車との間の相対速度が上がる場合に、前記電磁装置が進行方向へ加速するための正の推進力を大きくし、
減速時に前記回転式電動機の回転速度、または前記レールと前記台車との間の相対速度が下がる場合に、前記電磁装置が進行方向へ減速するための負の推進力を大きくするように制御する
請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１５】
前記電磁制御部は、
前記台車が出力する牽引力が大きくなった場合に、前記電磁装置が進行方向へ加速するための正の推進力を大きくし、
前記台車が出力する牽引力が小さくなった場合に、前記電磁装置が進行方向へ減速するための負の推進力を大きくするように制御する
請求項１から請求項１４の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１６】
車両の荷重を検出する荷重検出部を備え、
前記電磁制御部は、
前記荷重検出部が検出する車両の荷重に応じて、前記電磁装置が発生させる吸引力の大きさを変化させるように制御する
請求項１から請求項１５の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１７】
前記回転式電動機と前記電磁装置は、
先頭車両が備える同一の台車に備えられる
請求項１から請求項１６の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１８】
前記回転式電動機の温度を検出する第一の温度検出部を備え、
前記電動機制御部は、
前記第一の温度検出部が前記回転式電動機の温度の上昇を検出した場合に、
加速時に前記回転式電動機が進行方向へ加速するための正の推進力を大きくし、
減速時に前記回転式電動機が進行方向へ減速するための負の推進力を大きくするように制御する
請求項１から請求項１７の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項１９】
前記回転式電動機、または前記電動機制御部の故障を検出する第一の故障検出部を備え、
前記電磁制御部は、
前記第一の故障検出部が前記回転式電動機、または前記電動機制御部の故障を検出した場合に、減速時に前記電磁装置が進行方向へ減速するための負の推進力を大きくするように制御する
請求項１から請求項１８の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項２０】
前記電磁装置、または前記電磁制御部の故障を検出する第二の故障検出部を備え、
前記電動機制御部は、
前記第二の故障検出部が前記電磁装置、または前記電磁制御部の故障を検出した場合に、前記回転式電動機が発生させるトルクを低減するように制御する
請求項１から請求項１９の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項２１】
前記電磁装置は、
レール側を二次導体とするリニアインダクションモータであり、
前記電磁制御部は、
前記回転式電動機を制御する前記電動機制御部が備える直流電圧部の電圧が上昇した場合に、前記電磁装置が無効電力出力を増加させるように制御する
請求項１から請求項２０の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項２２】
外気温、またはレール温度を検出する第二の温度検出部を備え、
前記電磁制御部は、
前記第二の温度検出部が検出する検出温度に応じて、前記電磁装置がレールを加熱するように制御する
請求項１から請求項２１の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項２３】
車輪を駆動するための原動機と、
前記原動機を制御する原動機制御部と
を備え、
前記原動機は、
前記回転式電動機に代わって前記車輪を駆動する
請求項１から請求項２２の何れか一項に記載の電気車駆動装置。
【請求項２４】
回転式電動機を制御することで車輪を駆動し、
電磁装置を制御することでレールと台車との間の吸引力及び進行方向への推進力の何れか一方または両方を発生させる
電気車駆動方法。
【請求項２５】
電気車駆動装置のコンピュータを、
回転式電動手段を制御することで車輪を駆動する電動機制御手段と、
電磁手段を制御することでレールと台車との間の吸引力及び進行方向への推進力の何れか一方または両方を発生させる電磁制御手段
として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気車駆動装置、電気車駆動方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レールを鉄車輪で走行する電気車の転がり抵抗は低いため、電気車の走行抵抗は自動車に比べて低い。そのような理由により、電気車システムは、省エネルギな輸送システムとして知られている。一方で、電気車は、レールと鉄車輪の間では摩擦が小さく非常に滑りやすい。そのようなレールと鉄車輪の間では摩擦が小さく非常に滑りやすい電気車に対して、ブレーキに関する様々な技術が考案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７１７０４号公報
【特許文献２】特開２００６−１４３９４号公報
【特許文献３】特開２００６−１９９１７０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２３９６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、レールと鉄車輪の間では摩擦が小さく非常に滑りやすい電気車は、走行区間の地形や天候など種々の条件により走行時に空転や滑走を起こす恐れがある。
本発明が解決しようとする課題は、電気車の空転や滑走を抑制し、電気車に進行方向への推進力を与える電気車駆動装置、電気車駆動方法、及びプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の電気車駆動装置は、回転式電動機と、電磁装置と、電動機制御部と、電磁制御部とを備える。回転式電動機は、車輪を駆動する。電磁装置は、レールと台車との間の吸引力及び進行方向への推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部は、前記回転式電動機を制御する。電磁制御部は、前記電磁装置を制御する。前記回転式電動機及び前記電磁装置は同一の台車に備えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第一の実施形態による電気車駆動装置１０を備える台車１００の例を示す図である。
【図２】リニアインダクションモータを駆動するインバータ回路の例を示す図である。
【図３】電磁装置２が備える可動子１６０とレール２００との間に発生する電界の例を示す図である。
【図４】第二の実施形態による電気車駆動装置１０の例を示す図である。
【図５】第五の実施形態による電気車駆動装置１０を備える台車１００の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、第一の実施形態による電気車駆動装置１０と、電気車駆動装置１０を備える台車１００とについて図面を参照して説明する。
【０００８】
＜第一の実施形態＞
図１は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０を備える台車１００の例を示す図である。
台車１００は、図１に示すように、電気車駆動装置１０と、台車枠２０と、車輪３０と、上位制御部４０とを備えている。また、図１には、台車１００と共に、レール２００が示されている。
【０００９】
電気車駆動装置１０は、回転式電動機１（１ａ、１ｂ）と、電磁装置２（２ａ、２ｂ）と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。
回転式電動機１は、車輪３０を駆動する機能部である。例えば、誘導電動機や永久磁石式同期電動機である。これらの回転式電動機１は、車軸をそのまま駆動するダイレクトドライブ方式か、ギア装置を介して車輪３０にトルクを伝達するものである。
【００１０】
電磁装置２は、車輪３０の間で台車枠２０から懸架されるように設けられており、レール２００と台車１００との間の吸引力及び進行方向への推進力の何れか一方または両方を発生させる機能部である。電磁装置２は、例えば、レール２００を二次導体とするリニアインダクションモータの一次側に相当する。
【００１１】
電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する機能部である。例えば、回転式電動機１が誘導電動機である場合、電動機制御部３は、その誘導電動機を駆動するためのインバータ回路及びそのインバータ回路を制御する制御演算部を備えている。
【００１２】
電磁制御部４は、電磁装置２を制御する機能部である。例えば、電磁装置２がレール２００を二次導体とするリニアインダクションモータである場合、そのリニアインダクションモータを推進制御するためのインバータ回路、リニアインダクションモータが発生させるトルクや、レール２００と台車１００との間の吸引力を制御するための制御演算部を備えている。
【００１３】
図１では、電動機制御部３と電磁制御部４とを別々の制御部として記載しているが、これらに限定するものではない。制御部は、これらと同等の機能を実現できる範囲においてどのような制御部であってもよい。
【００１４】
台車枠２０は、輪軸（車輪３０と車軸とを組み立てたもの）と車体の間にあり、車体等の荷重をすべて支える部品である。台車枠２０は、一般的に、圧延鋼板、鋼管等の鉄鋼材料を用いた溶接構造になっている。この台車枠２０には、車体等による静的な荷重に加えて、走行時の振動、駆動、制動等による動的な荷重が作用する。
【００１５】
車輪３０は、車両を支えて、レール２００の上を移動する役割を持つ部品である。車輪３０は、一般的に鉄製である。鉄製の車輪３０の長所としては、ゴムタイヤと比較してより重たい車重を支えることができる点や、鉄製レールとの組み合わせにより回転抵抗が小さいことなどが挙げられる。鉄製の車輪３０の短所としては、レール２００と車輪３０とがお互い鉄製であるため摩擦係数が小さく、空転や滑走を起こしやすい点などが挙げられる。
【００１６】
上位制御部４０は、電動機制御部３や電磁制御部４に対して指令を出力する機能部である。例えば、上位制御部４０は、電動機制御部３や電磁制御部４に対して編成制御を行うための力行指令やブレーキ指令を出力する。なお、上位制御部４０が出力する力行指令やブレーキ指令のより具体的な内容は、ノッチ指令、トルク指令などである。
【００１７】
第一の実施形態による電気車駆動装置１０の力行時の動作を説明する。ここで、電磁装置２は、レール２００を二次導体とするリニアインダクションモータ（ＬＩＭ）の一次側の励磁コイルに相当する。
まず、上位制御部４０からの力行指令により電動機制御部３や電磁制御部４の制御部が力行動作するように回転式電動機１および電磁装置２に対して電流を出力する。
【００１８】
例えば、電動機制御部３は、インバータ回路から回転式電動機１への電圧と周波数を変化させて回転式電動機１のトルクを制御する。
ここで、トルク、電圧、周波数、すべりの関係は、式（１）のようになる。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
式（１）において、“Ｔ”はトルク、“Ｋ”は回転式電動機１特有の定数である。“ｌｄ”は、コイルに流れる励磁電流である。“ｆｓ”はすべり周波数である。“Ｖ”はインバータ回路から回転式電動機１に供給される電圧である。“ｆ”は回転式電動機１の回転周波数である。
【００２１】
車輪３０とレール２００は鉄でできているため、回転式電動機１がトルクを車輪３０に伝達したとき、そのトルクによって回転する車輪３０の踏面とレール２００の間の摩擦は極めて小さい。従って、車輪３０とレール２００との粘着が弱く、車輪３０に空転や滑走が起こりやすい状態にある。
【００２２】
ここで、具体的な例として、回転式電動機１が発生させるトルクによって車輪３０に空転が起こった場合を考える。
このように回転式電動機１が発生させるトルクによって車輪３０に空転が起こった場合に、その空転を抑制し、必要な牽引力を実現する方法を２つ示す。
【００２３】
１つ目の方法として、第一の実施形態による電気車駆動装置１０を用いて、車輪３０に空転や滑走が起こることを抑制し、進行方向への推進力をアシストする場合を説明する。
【００２４】
まず、電動機制御部３が備える回転式電動機１を駆動するインバータ回路が車輪３０の空転を検出する方法を説明する。なお、この場合、インバータ回路が車輪状態検出部である。
電動機制御部３は、回転式電動機１の回転数を取得している。回転数は具体的にはパルスジェネレータやレゾルバといった電動機回転速度検出手段によって検出されたり、電動機に流れる電流を検出することで前述した回転速度検出手段を用いずに速度検出する。電動機制御部３が備えるインバータ回路が回転式電動機１を起動すると、車輪３０が空転する前までは電動機トルクに応じた加速度で車輪回転速度が上がっていく。しかしながら、車輪３０とレール２００との間で粘着限界を超えると車輪が空転する。車輪３０の回転速度はこの空転を開始する瞬間に急激に増加する。例えば、電動機制御部３は、急激に増加する回転速度の時間微分値、すなわち加速度をさらに時間微分した加速度（ジャーク）を検出し、その値の変化を観測することで、車輪３０が空転したことを検出することができる。また、車両の対地速度検出手段を用意し、その対地速度検出手段によって得られる速度と、車輪回転数を換算して得られる車両速度との差を検出することで車輪の空転・滑走を検出してもよい。
なお、車輪３０の空転を検出する方法を説明したが、車輪３０の空転の検出は、ここで示した方法に限定するものではない。車輪３０の空転を検出できる手段であればどのような方法であってもよい。
【００２５】
次に、電動機制御部３は、車輪３０の空転を検出すると、回転式電動機１の回転数を下げることにより、回転式電動機１が発生させるトルクを抑制して車輪３０の空転を抑制する。このとき、電動機制御部３は、回転式電動機１の回転数と回転式電動機１が発生させるトルクとの関係から、現在のトルクの大きさが分かる。従って、電動機制御部３は、編成加速に不足している牽引力がいくつであるかが分かる。電動機制御部３は、編成加速に不足している牽引力がいくつであるかが分かると、その不足している牽引力がいくつであるかを電磁制御部４に出力する。
【００２６】
電磁制御部４は、電動機制御部３から編成加速に不足している牽引力がいくつであるかを入力すると、電磁装置２がその編成加速に不足している牽引力を補う推進力を発生させるように制御する。
電磁装置２がレール２００を二次導体とするリニアインダクションモータである場合、粘着によらず推進力を発生させることができる。また、リニアインダクションモータだけで編成加速に不足している牽引力を補う推進力を発生させることも可能である。ただし、リニアインダクションモータ特有の端効果により極めて効率が悪い。
【００２７】
そこで、第一の実施形態による電気車駆動装置１０を用いることで、主な力行トルクは回転式電動機１が発生させ、編成加速に不足している牽引力だけを電磁装置２であるリニアインダクションモータが発生させることで、リニアインダクションモータのみで車輪３０を駆動する場合よりも高効率な電気車駆動装置１０を実現することができる。すなわち、回転式電動機１が発生させる推進力を電磁装置２のリニアインダクションモータが発生させる推進力よりも大きくなるように設計することで高効率な電気車駆動装置１０を実現することができる。
【００２８】
図２は、リニアインダクションモータを駆動するインバータ回路の例を示す図である。  図２に示すように、補助電源１１０と並列にコンデンサ１４０が接続されている。コンデンサ１４０と補助電源１１０の間にはスイッチ１２０とダイオード１３０が設けられている。コンデンサ１４０と２つ直列接続されたスイッチング素子１５０ａ、１５０ｂが並列に接続される。スイッチング素子１５０ａ、１５０ｂと、２つの直列に接続されたスイッチング素子１５０ｃ、１５０ｄが並列に接続される。スイッチング素子１５０ｃ、１５０ｄと、２つの直列に接続されたスイッチング素子１５０ｅ、１５０ｆが並列に接続される。
【００２９】
スイッチング素子１５０ａ、１５０ｂの中性点であるＵ相出力端子３００は、可動子１６０のＵ相コイルに接続される。スイッチング素子１５０ｃ、１５０ｄの中性点であるＶ相出力端子３０１は、可動子１６０のＶ相コイルに接続される。スイッチング素子１５０ｅ、１５０ｆの中性点であるＷ相出力端子３０２は、可動子１６０のＷ相コイルに接続される。Ｕ相出力端子３００とＵ相コイルの間で、かつスイッチング素子１５０ｅの一端には、スイッチ１７１ａが接続される。Ｖ相出力端子３０１とＶ相コイルの間で、かつスイッチング素子１５０ｅの一端には、スイッチ１７１ｂが接続される。Ｗ相出力端子３０２とＷ相コイルの間で、かつスイッチング素子１５０ｅの一端には、スイッチ１７１ｃが接続される。また、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのスイッチ１７１と接続される端部とは反対側の端部は、結線され、スイッチ１７０と接続される。スイッチ１７０の別の一端は、スイッチング素子１５０ｆと接続される。
【００３０】
以下に図２の回路を用いて、リニアインダクションモータが有する推進力、吸引力及びブレーキ力について順番に説明する。
補助電源１１０から直流１００ボルトが出力され、スイッチ１２０と、ダイオード１３０と、コンデンサ１４０とにより例えば１００〜６００ボルト程度の直流電圧が作られる。その直流電圧がゲートを制御されたＩＧＢＴなどのスイッチング素子１５０（１５０ａ、１５０ｂ）で構成されたインバータに印加されると、そのインバータでＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電流が作られる。それらの三相交流電流は、リニアインダクションモータである電磁装置２が備える可動子１６０に入力されて固定子となるレール２００との間で電界を発生させる。
【００３１】
図３は、電磁装置２が備える可動子１６０とレール２００との間に発生する電界の例を示す図である。
この図で示すように、例えば、レール２００に等間隔にスロットを設け、３本の導線を３スロット毎に交互に逆方向から通したものをスター結線し、ここに三相交流を流せば三相移動磁界が発生する。レール２００には、Ｎ極とＳ極が３スロット毎に現れ、その位置が電源周波数の１周期毎に３スロット分移動する。電磁装置２が備える可動子１６０と固定子となるレール２００との関係により、誘導電流によって発生する電磁力が推進力となる。
【００３２】
次に２つ目の方法として、第一の実施形態による電気車駆動装置１０の電磁装置２がレール２００と台車１００との間に吸引力を発生させる方法を説明する。すなわち電磁装置２がリニアインダクションモータとして機能しつつ、その作用によって発生するレール２００への吸引力によりレール２００への軸重を増加させる方法である。
【００３３】
例えば、図３において、電源周波数と可動子１６０の移動が同期するように制御することで、トルクが発生せず、すなわち推進力が発生せず、レール２００と台車１００との間に吸引力のみが発生する。こうすることで、車体に荷重を積み実際に軸重を増加させる一般的な方式とは異なり、車体重量を増やすことなく車輪３０とレール２００との間の見かけの軸重を増やすことが可能である。
【００３４】
このとき、電磁制御部４は、効率の良くないリニアインダクションモータは進行方向への推進力を出力せずにレール２００と台車１００との間の吸引力を増加させる制御のみを行う。そして、高効率な回転式電動機１が力行トルクを出力するように電動機制御部３が制御することで、前述同様に高効率な電気車駆動装置１０を実現することができる。
なお、吸引力の制御の場合にも、電動機制御部３からの空転を検出して制御を行ってもよい。
【００３５】
高効率な駆動制御を考えた場合、電磁装置２を動作させず、可能な限り効率のよい回転式電動機１を駆動して牽引力を得ることが望ましい。
牽引力が低い場合には車輪３０の粘着状態が良好であるが、牽引力を高めるにつれて車輪３０とレール２００の間で粘着が取れなくなる。そして、車輪３０は空転してしまう。従って、電磁制御部４は、必要な牽引力に応じて電磁装置２が台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を発生させるように制御することが望ましい。
【００３６】
なお、電磁制御部４は、車輪３０の踏面とレール２００との粘着が速度依存性を有しているため、台車１００の移動速度に応じて電磁装置２が発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を可変するように制御してもよい。
また、実際には、乗車率により台車１００を備える電気車（以下、電気車と記載）の軸重が異なるため、電磁制御部４は、荷重条件に応じて電磁装置２が発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を可変するように制御してもよい。
【００３７】
第一の実施形態による電気車駆動装置１０は、粘着条件が悪くなった状態を検出した場合、あるいは、粘着条件が悪くなると推定される場合の速度域や回転式電動機１の出力トルクに応じて、電磁装置２に対して吸引力指令や推進力指令を出力し、車輪３０とレール２００との間の粘着の向上や力行時のトルクをアシストするものである。
【００３８】
第一の実施形態による電気車駆動装置１０において、進行方向の推進力を発生させる主な電動機は回転式電動機１である。そのため、第一の実施形態による電気車駆動装置１０は、効率よく進行方向の推進力を作り出すことができる。また、第一の実施形態による電気車駆動装置１０を用いれば、粘着制約により複数の台車に分散していた電動機を集約することができ、車体の製造が容易で安価になる。また、車体のメンテナンスも楽になり、コスト削減が期待できる。さらに、車体における電気部品の使用点数が減り製造コストの削減が期待できると同時に信頼性が向上する。
【００３９】
また、第一の実施形態による電気車駆動装置１０を先頭車両の先頭台車に搭載することにより、軌道短絡感度が向上する。また、第一の実施形態による電気車駆動装置１０を台車に搭載することで、レール上の障害物と接触した際に脱線し難くなるという効果が期待できる。
【００４０】
基本的には、減速時にも加速時と同様の動作を行う。すなわち、電動機制御部３による滑走検知により、電磁制御部４は、電磁装置２が回生ブレーキアシストを行うように制御する。また、電磁制御部４は、電磁装置２が台車１００とレール２００との間に吸引力を発生させるように制御し、見かけの軸重を増やして車輪３０とレール２００との間の粘着を増加させる。
【００４１】
また、電磁制御部４は、電磁装置２を直流励磁することにより、電磁装置２が渦電流レールブレーキとして動作するように制御することが可能である。電磁装置２によりブレーキ力を得ることで、電気車は、電気ブレーキや機械ブレーキなどすでに備えられているブレーキ力に加えて非常制動力を得ることができ、ブレーキ距離を抑制することができる。
電磁装置２が直流励磁するようにするには、例えば、図２で示した回路において、スイッチ１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃを電気的に接続状態にする（投入）。スイッチ１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃを投入することで、補助電源１１０の直流電力が、スイッチ１２０、ダイオード１３０、スイッチ１７１を介して可動子１６０に励磁される。可動子１６０を直流励磁することで、ブレーキ力が発生する。
【００４２】
また、電磁制御部４は、電磁装置２が発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力を、特定区間で増加させるように制御してもよい。例えば、勾配区間では必然的に軸重が低減するため、車輪３０の踏面とレール２００との間の粘着が不足しがちになる。このような区間に入った場合、電磁制御部４は、電磁装置２が発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を増加させるように制御してもよい。
こうすることで、電気車は、勾配に対応して加速度や減速度を落とすことなく走行することができる。
【００４３】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。
【００４４】
＜第二の実施形態＞
図４は、第二の実施形態による電気車駆動装置１０の例を示す図である。
次に、第二の実施形態による電気車駆動装置１０について説明する。
第二の実施形態による電気車駆動装置１０は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０の回転式電動機１（１ａ、１ｂ）が原動機５に置き換わったものである。また、電動機制御部３が原動機制御部６に置き換わったものである。
また、この原動機５から車輪３０にトルクを伝達するために原動機５と車輪３０といの間に推進軸９が新たに備えられている。
【００４５】
原動機制御部６により制御される原動機５を備える電気車駆動装置１０の場合、空転または滑走が生じた際の再粘着制御の応答は、ディーゼルエンジンなどの原動機５の応答に依存するため非常に遅い。そのため、原動機制御部６による原動機５の制御は、電動機制御部３による回転式電動機１の制御に比べ、再粘着制御の性能が低くなる。
【００４６】
第二の実施形態による電気車駆動装置１０では、原動機制御部６による原動機５の制御のほかに電磁制御部４による電磁装置２の制御を行うことで、再粘着制御の性能の向上を図ることができる。
基本的な原理は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０と同様であり、空転や滑走時に電磁装置２が発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を出力するように電磁制御部４が制御するものである。
【００４７】
第二の実施形態による電気車駆動装置１０を用いることにより、例えば、原動機５の出力を発電機により一度電気エネルギに変換し、その電気エネルギを用いて回転式電動機を駆動する必要があったシステムにおいて、推進軸９を介して原動機５の出力を直接車輪３０に伝達することにより、高い粘着性能を実現することができる。
また、一般的に、原動機の効率は、原動機の回転速度やその時の出力に大きく依存する。第二の実施形態による電気車駆動装置１０を用いて、電磁装置２が進行方向への推進力を出力するように電磁制御部４が制御し、原動機５が発生させるトルクを低減することにより、電気車駆動装置１０としての効率を向上し燃費を改善することができる。
【００４８】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。また、電磁装置２が進行方向への推進力を出力するように電磁制御部４が制御し、原動機５が発生させるトルクを低減することにより、電気車駆動装置１０としての効率を向上し燃費を改善することができる。
【００４９】
＜第三の実施形態＞
次に、第三の実施形態による電気車駆動装置１０について説明する。
第三の実施形態による電気車駆動装置１０は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０と同様の構成である。
【００５０】
第三の実施形態による電気車駆動装置１０において、回転式電動機１と電磁装置２とを同一の台車１００に搭載する。第三の実施形態による電気車駆動装置１０では、効率のよい回転式電動機１を主体として用いるため、台車１００に取り付けられた電磁装置２よりも回転式電動機１の負荷が必然的に大きくなる。
従って、回転式電動機１の負荷率は、電磁装置２の側よりも大きくなることが考えられる。
このような場合、回転式電動機１の温度を推定または熱電対等の温度検出手段により検出し、その温度上昇に応じて電磁装置２が発生させる進行方向への推進力を増減させるように電磁制御部４が制御する。こうすることで、回転式電動機１は、設計の限界温度まで進行方向への推進力を増加することができる。さらに、回転式電動機１のみの推進力では熱定格を上回ってしまうような場合に、電磁装置２が進行方向への推進力をアシストすることで、熱定格を超えることなく必要な牽引力も維持することができる。
【００５１】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。また、熱定格を超えることなく必要な牽引力も維持することができる。
【００５２】
＜第四の実施形態＞
次に、第四の実施形態による電気車駆動装置１０について説明する。
第四の実施形態による電気車駆動装置１０は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０と同様の構成である。
第四の実施形態による電気車駆動装置１０において、電磁装置２が故障した場合の電気車駆動装置１０の動作について説明する。
【００５３】
電気車駆動装置１０の電磁装置２が故障した場合、電磁装置２は励磁できなくなり、台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を発生させることができなくなる。
このような場合、図１で示した電磁制御部４が電動機制御部３に対して故障情報を伝送する。電動機制御部３は、電磁制御部４から故障情報を入力すると、空転や滑走を抑制するために回転式電動機１が出力する牽引力を低下させる。そして、編成の牽引性能を落としながらも、電気車が走行できるようにするものである。
なお、編成内に第四の実施形態による電気車駆動装置１０が複数存在する場合、故障した電磁装置２が出力する筈であった牽引力を他の電気車駆動装置１０の電磁装置２に分担し、負担させてもよい。
【００５４】
負担のさせ方としては、健全な電気車駆動装置１０の電磁装置２が発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力を増加させるように電磁制御部４が制御する。そして、回転式電動機１が発生させる進行方向への推進力を上げて牽引力を補うというものが考えられる。
また、別の負担のさせ方としては、電磁装置２をリニアインダクションモータとし、進行方向への推進力を出力するというものが考えられる。
これらの方法を用いることで、電磁装置２が故障した場合でも、他の電気車駆動装置１０へ牽引力の発生を分散させることで、電気車は加速することができる。
【００５５】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。また、電磁装置２が故障した場合でも、他の電気車駆動装置１０へ牽引力の発生を分散させることで、電気車は加速することができる。
【００５６】
＜第五の実施形態＞
図５は、第五の実施形態による電気車駆動装置１０を備える台車１００の例を示す図である。
次に、第五の実施形態による電気車駆動装置１０を備える台車１００について説明する。
この図は、台車１００を直上から見た図である。
ただし、第一の実施形態による台車１００を横から見た、図１では見えなかったものが直上からは見えている。
【００５７】
台車１００は、回転式電動機１と、電磁装置２と、台車枠２０と、車輪３０と、軸箱５０と、ギア装置６０と、車軸７０とを備える。
電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２とを備える。
なお、回転式電動機１は、回転式電動機１ａと１ｂの２つがあり、それぞれ別々の車輪を駆動する。
また、電磁装置２は、電磁装置２ａと２ｂの２つがあり、電磁装置２ａは進行方向の左側に備えられ、電磁装置２ｂは進行方向の右側に備えられている。
【００５８】
ここで、レール２００が進行方向の左側に曲がる曲線である区間を電気車が走行する場合の電気車駆動装置１０の動作について説明する。
走行位置検出部８は、例えば、ＧＰＳ、トランスポンダ、車輪回転数による計測等により、電気車が曲線区間へ進入するのを検出する。そして、電磁制御部４は、実装したカーブの曲率半径、カント、勾配等のデータベースに基づいて、電磁装置２ａと２ｂのそれぞれが発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力や進行方向への推進力を制御する。
【００５９】
具体的には、電気車が左カーブの曲線区間に進入する場合、電磁装置２ｂよりも電磁装置２ａが発生させる台車１００とレール２００との間の吸引力が大きくなるように電磁制御部４は制御する。電磁装置２が発生させる進行方向への推進力を電磁制御部４が制御する場合、電磁制御部４は、電磁装置２ａよりも電磁装置２ｂの進行方向への推進力が大きくなるように制御する。
まお、電気車が急な曲線区間に進入する場合、電磁制御部４は、電磁装置２ａが進行方向とは逆方向への推進力を発生させるように制御してもよい。
【００６０】
一般的に、電気車が曲線区間を走行する場合、車輪３０についた車輪径差を利用し、曲線外側を走行する車輪３０が長い距離を走行することで曲線走行の安定性が確保される。
第五の実施形態による電気車駆動装置１０を用いることで、台車１００そのものに自己操舵性に準ずる機能を持たせることができる。そして、台車１００の旋回性能の向上、フランジ摩耗の低減、曲線通過時の高周波騒音の低減、更には、車輪３０の過大横圧を低減することによる物理的脱線防止などに寄与することができる。
【００６１】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。また、台車１００の旋回性能の向上、フランジ摩耗の低減、曲線通過時の高周波騒音の低減、更には、車輪３０の過大横圧を低減することによる物理的脱線防止などに寄与することができる。
【００６２】
＜第六の実施形態＞
次に、第六の実施形態による電気車駆動装置１０について説明する。
第六の実施形態による電気車駆動装置１０は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０と同様の構成である。
第六の実施形態による電気車駆動装置１０の動作について説明する。
【００６３】
電気車を駆動するための電力を外部架線や軌条から直流で受電するような駆動システムでは、回生ブレーキ時に周辺に十分な回線電力を受け入れられる負荷または回生インバータ等の余剰電力吸収装置がなければならない。余剰電力吸収装置が存在しない場合、回生する電気車の直流受電点の電圧は上昇し、機器保護のための回生電流を絞り込む動作が行われてしまう。
【００６４】
そこで、第六の実施形態による電気車駆動装置１０では、電磁装置２を直流励磁して渦電流レールブレーキとする、またはリニアインダクションモータとして無効電力を注入して二次側銅損を増加させることにより、ブレーキ時の制動力を継続する。
一般的には、余剰電力吸収装置が存在しない場合には、電気車の直流受電点の電圧の上昇と共に機械ブレーキが作用し、その際の衝動による乗り心地が悪くなる。また、機械ブレーキの動作に伴い、機械ブレーキ自体の摩耗が発生する。
【００６５】
第六の実施形態による電気車駆動装置１０を用いて、電磁装置２がレール２００と台車１００との間に吸引力を発生させるように電磁制御部４が制御することで、機械ブレーキよりも制御性が良いブレーキを掛けることができる。また、乗り心地の悪さが改善され、機械ブレーキの摩耗も抑制される。
【００６６】
以上、第六の実施形態による電気車駆動装置１０において、電源供給するき電システムが直流の場合を述べたが、交流き電システムでも同様のことが言える。例えば、電気車が交流セクションを跨いで走行する場合、セクションの通過中で一時的に停電が発生することがある。このような状況下でブレーキを掛け続けると、電気ブレーキが失効されるため、機械ブレーキに切り替わる。
このような場合に、一時的な渦電流レールブレーキとして電気車駆動装置１０を動作させることにより、同様に乗り心地がよく、機械ブレーキによる制輪子摩耗を抑制する効果が期待できる。
【００６７】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。また、乗り心地がよく、機械ブレーキによる制輪子摩耗を抑制する効果が期待できる。
【００６８】
＜第七の実施形態＞
次に、第七の実施形態による電気車駆動装置１０について説明する。
第七の実施形態による電気車駆動装置１０は、第一の実施形態による電気車駆動装置１０と同様の構成である。
第七の実施形態による電気車駆動装置１０の動作について説明する。
【００６９】
第七の実施形態による電気車駆動装置１０では、別の粘着力向上の方法について述べる。
車輪３０の空転や滑走は、積雪が発生しやすい冬季によく見られる。これは、温度によってレール２００の表面に付着した水分の粘性が変化することにより、レール２００と車輪３０との間の摩擦が著しく低下するためである。
そこで、第七の実施形態による電気車駆動装置１０では、外気温の検出装置または外気温の低下に伴いモードを切り替えるモード設定部を備える。そして、検出装置が外気温の低下を検出する、または操作者がモード設定部によりモードを設定することにより、電気車の走行中に電磁装置２がレール２００を励磁し、レール２００を加熱する動作を行う。
【００７０】
電磁装置２は、直流励磁をすることで渦電流レールブレーキとして作用させて渦電流によりレール２００を加熱してもよいし、またはリニアインダクションモータとして動作させて励磁制御を行うことにより、無効電力を発生させて二次側銅損を増加させることによりレール２００を加熱するものでもよい。
第七の実施形態による電気車駆動装置１０を用いることで、レール２００の温度を上昇させ、レール２００の表面に付着した水分の温度を上昇させることができる、水分の温度が上昇すると、水分の粘性が低下し、車輪３０とレール２００との間の粘着を改善することができる。
なお、外気温検出部は、直接レール２００の表面の温度を測定する機能を有していてもよい。
【００７１】
以上のように、実施形態の電気車駆動装置１０は、回転式電動機１と、電磁装置２と、電動機制御部３と、電磁制御部４とを備える。回転式電動機１は、車輪３０を駆動する。電磁装置２は、レール２００と台車１００との間に吸引力及び推進力の何れか一方または両方を発生させる。電動機制御部３は、回転式電動機１を制御する。電磁制御部４は、電磁装置２を制御する。回転式電動機１及び電磁装置２は同一の台車１００に備えられる。
こうすることで、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。また、車輪３０とレール２００との間の粘着を改善することができる。
【００７２】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の電気車駆動装置１０によれば、電気車が空転や滑走を起こした場合に、その空転や滑走を抑制し、電気車に推進力を与えることができる。
【００７３】
なお実施形態について説明したが、上述の電気車駆動装置１０は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００７４】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００７５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７６】
１ａ・・・回転式電動機
１ｂ・・・回転式電動機
２・・・電磁装置
２ａ・・・電磁装置（左）
２ｂ・・・電磁装置（右）
３・・・電動機制御部
４・・・電磁制御部
５・・・原動機
６・・・原動機制御部
７・・・推進軸
８・・・走行位置検出部
１０・・・電気車駆動装置
２０・・・台車枠
３０・・・車輪
４０・・・上位制御部
５０・・・軸箱
６０・・・ギア装置
７０・・・車軸
１００・・・台車
１１０・・・補助電源
１２０・・・スイッチ
１３０・・・ダイオード
１４０・・・コンデンサ
１５０ａ・・・ＩＧＢＴ
１５０ｂ・・・ＩＧＢＴ
１６０ａ・・・電機子
１６０ｂ・・・電機子
１７０・・・スイッチ
２００・・・レール
【図１】
2015070736.tif 000004
【図２】
2015070736.tif 000005
【図３】
2015070736.tif 000006
【図４】
2015070736.tif 000007
【図５】
2015070736.tif 000008