(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリ線に押し当てられるすり板体と、
このすり板体をトロリ線に押し当てるバネと、
このバネに作用する力を測定する力センサと、
すり板体近傍の空気の相対速度を測定する流速センサと、
これらのセンサの測定値に基づいて前記すり板体をトロリ線に押し当てる押上力を制御するアクチュエータとを具備するパンタグラフのトロリ線への接触力の変動を低減する方法であって、
前記力センサにより前記バネに作用する力を測定し、
前記流速センサにより電車走行時のすり板体近傍の空気の相対速度を測定し、
この空気の相対速度に対応して予め試験により測定され又は算出されたすり板体の揚力を前記力センサの測定値に基づいて測定されたバネ力に加算することにより、トロリ線へのすり板体の接触力を求め、
この接触力を一定にするようにアクチュエータを制御することを特徴とするパンタグラフの接触力変動低減方法。
【請求項２】
前記すり板体近傍の空気の相対速度の２乗に特定の係数を乗算することによりすり板体の揚力を求めることを特徴とする請求項１に記載のパンタグラフの接触力変動低減方法。
【請求項３】
トロリ線に押し当てられるすり板体と、
このすり板体をトロリ線に押し当てるバネと、
このバネに作用する力を測定する力センサと、
このセンサの測定値に基づいて前記すり板体をトロリ線に押し当てる押上力を制御するアクチュエータとを具備するパンタグラフであって、
前記すり板体近傍の空気の相対速度を測定するように設けられた流速センサと、この空気の相対速度に対応して、予め試験により測定され又は算出されたすり板体の揚力を、前記センサの測定値に基づいて測定されたバネ力に加算することにより、トロリ線へのすり板体の接触力を求め、これに応じて前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備えることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項４】
前記すり板体の揚力は、すり板体近傍の空気の相対速度の２乗に特定の係数を乗算することにより求めることを特徴とする請求項３に記載のパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道におけるトロリ線（架線）とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動を低減する方法及び接触力変動の低減が可能なパンタグラフに関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の電気鉄道においては、トロリ線（架線）から車体屋根に搭載されたパンタグラフを介して車両に電力を送る方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てられるすり板体と、このすり板体をバネにより支持する舟体と、舟体を昇降可能に支持すると共にトロリ線に押し当てる押上力を付与する支持機構とを備えている。また、他のパンタグラフの例として，トロリ線に押し当てられるすり板体と，このすり板体を直接支持する舟体と，この舟体をバネにより支持すると共に舟体を昇降可能に支持する支持機構とを備えたものがある。以下では主として前者の形態のパンタグラフを例に説明を行なう。
トロリ線とパンタグラフのすり板体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフのすり板体がトロリ線から離線するおそれがある。離線が頻発すると、すり板体とトロリ線との間にスパークが生じて、すり板体やトロリ線の摩耗が進む。また、常に接触力が大きくなる箇所では、トロリ線の局所的な摩耗が進行する可能性もある。以上のように、離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力は極力変動が小さいことが好ましい。
【０００３】
このため、トロリ線とパンタグラフのすり板体との間に作用する接触力の変動を低減する技術がいくつか提案されており、そのうち、アクティブ方式のパンタグラフとして、特許文献１に記載のものがある。このパンタグラフは、すり板体を支持するバネの変位又は力をセンサで測定し、その変位又は力の変動の低周波数成分をゼロに近づけるようにアクチュエータを制御することによって、トロリ線（架線）に押し当てるすり板体の押上力を調整するものである。
このパンタグラフによれば、すり板体を支持するバネの変位の低周波成分を制御目標量とし、このバネの変位又は力をセンサが測定するものであるため、センサの数が少なくて済み、測定自体も容易となり、簡便に接触力の変動を低減するとされている。
【特許文献１】特開平２００５−２８７２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のパンタグラフにおいては、すり板体支持部に設置したセンサにより接触力を測定し、その測定値が一定になるようにアクチュエータで制御している。このようにセンサにより測定した接触力は、すり板体を支持するバネのバネ力によるものであって、電車走行時の風圧によりすり板体に働く揚力による接触力の増加分を測定することができず、正確な接触力とは異なる値となってしまい、高い精度で接触力の変動を低減することが難しい。特に、高速用のパンタグラフでは空気力の影響を強く受けるため、この傾向が顕著になる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、すり板体に作用する揚力によるトロリ線への接触力変動も考慮し、高い精度で接触力を常に一定に保つアクティブ制御を行うパンタグラフの接触力変動低減方法及びパンタグラフを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明のパンタグラフの接触力変動低減方法は、センサ９によりバネの変位又は力を測定し、また電車走行時のすり板体５近傍の空気の相対流速を測定し、この流速に対応して予め試験により測定され又は算出された揚力ＦＬをセンサ９により測定されたバネ力ＦＫに加算することにより、トロリ線への舟体の接触力ＦＣを求め、この接触力ＦＣを一定にするようにアクチュエータ８を制御する。
【０００６】
本発明のパンタグラフは、トロリ線Tに押し当てられるすり板体５と、このすり板体５をトロリ線Ｔに押し当てるバネ６と、このバネ６の変位又は力を測定するセンサ９と、このセンサ９の測定値に基づいてすり板体５をトロリ線Ｔに押し当てる押上力ＦＣを制御するアクチュエータ８とでパンタグラフ１を構成する。すり板体５の近傍の流速を測定するようにピトー管１０などの流速センサを設け、これにより測定した流速に対応して、予め試験により測定され又は算出された揚力ＦＬをセンサ９により測定されたバネ力ＦＫに加算することにより、トロリ線Ｔへのすり板体５の接触力ＦＣを求め、これに応じてアクチュエータ８を制御する制御手段１２を設けた。
【０００７】
すり板体５の揚力ＦＬは、パンタグラフ１に設けたピトー管１０などのセンサにより測定されたすり板体５近傍の空気の流速の２乗に特定の係数ＣＬを乗算して求めることとした。
【０００８】
ピトー管などのセンサの設置が難しい場合等には，すり板体５近傍の空気の流速を近似的に列車速度から推定することとした。
【０００９】
さらに，列車走行路の周辺環境に応じて予め求められた所定の倍率を乗算することにより列車速度を補正して、すり板体５近傍の空気の流速を精度良く推定することとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、センサにより測定したバネ力に、ピトー管などにより測定したすり板体近傍の空気の相対流速に対応する揚力を加えることにより、トロリ線へのパンタグラフの接触力を正確に求めることができ、この接触力に応じてアクチュエータを制御するので、接触力の変動を高い精度で低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の一形態を説明する。図１は本実施例に係るパンタグラフの制御系統ブロック図、図２は原理確認のためのパンタグラフの風洞試験装置の概略図、図３は揚力を考慮した接触力制御を行わない場合の接触力の変化を示すグラフ、図４は揚力を考慮した接触力制御を行った場合の接触力の変化を示すグラフである。
【００１２】
図１は、本発明に係るパンタグラフの一実施形態である。パンタグラフ１は、電車の車体屋根２上に搭載される。このパンタグラフ１は、すり板体５を支持する舟体３と、この舟体３を車体屋根２上で昇降可能に支持する支持機構４とを備えている。
【００１３】
舟体３は、車体幅方向（左右方向：図２の紙面表裏方向）に沿って延びる箱状体である。この舟体３は、一例でアルミニウム合金等からなる。図1に示す実施形態では，舟体３はバネ６を介してすり板体５を支持する。このすり板体５は、一例で鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料等からなる。このすり板体５がトロリ線Ｔに直接接触する。
なお，すり板体５は舟体３にボルト結合し，バネを介して舟体３を支持機構４に支持するように構成してもよい。
【００１４】
舟体３は、支持機構４に含まれる上下に伸縮可能な枠体（図示せず）により昇降可能に支持される。この支持機構４には、定常的な押上力を付与する押上バネ７及び制御力を付与するアクチュエータ８を備えている。押上バネ７は、舟体３，すり板体５をトロリ線Ｔに押し付けるものである。アクチュエータ８は押上バネ７と並行して設けられている。このアクチュエータ８の出力端が舟体３に連結されている。アクチュエータ８は、舟体３，すり板体５をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御するもので、例えばエアシリンダを用いる。
【００１５】
すり板体５を支持するバネ６には力センサ９が臨む。力センサ９には例えば光ファイバ式の歪みゲージが用いられる。力センサ９は、バネ６のひずみもしくは変位からバネ力を計測する。
【００１６】
舟体３には、空気の相対流速を測定する流速センサであるピトー管１０が設けられている。ピトー管１０は電車走行時の舟体３近傍の空気の動圧を測定して相対流速を求めるものである。すり板体５に働く揚力は相対流速と一定の関係にあるので、流速に対応する揚力を求めるための係数を風洞試験により予め求めておき、ピトー管１０により測定された動圧（流速の２乗）に係数を乗算することにより揚力ＦＬを算出することができる。ピトー管１０により測定された動圧にはコントローラ１１によって係数が乗算されることにより揚力が算出される。この揚力はトロリ線Ｔへのすり板体５の接触力の増加分となる。
なお、ピトー管１０に代えて，アネモマスター，ドップラー流速計，熱線流速計などを適用してもよい。
【００１７】
また、ピトー管などの流速センサの設置が難しい場合には，すり板体５近傍の空気の流速を近似的に列車速度から推定してもよい。
【００１８】
さらに、列車走行路の周辺環境の情報、例えばトンネルの有無等流速の変化要因に応じて列車速度に対する補正を加えることにより、すり板体５近傍の空気の流速をより高い精度で推定するようにしてもよい。例えばトンネル区間においては、すり板体５近傍の空気の流速をトンネル外の列車速度に所定の倍率（例えば１.２倍）を乗じた値としたり、その倍率も列車種別により異なるものとするなどの補正を加えるものである。これらの空気の流速の変化要因に対応する上記倍率は予め試験等により求められている。
【００１９】
上記風洞試験は、図２に示すように、舟体３と台枠１５の上下端部を試験用バネ１３及びロードセル１４で結合し、水平方向から風を送り、試験用バネ１３の収縮力に抗して発生する揚力をロードセル１４で測定する。この試験では、トロリ線への接触力が常に６０Ｎとなるようにアクチュエータ８を制御した。なお、風速は１５０，２２０，２７０，３００，３５０km/hと段階的に変化させた。
この結果、図３，図４に示すように、風速を増加させることによりすり板体５に加わる揚力は増大し、この揚力のために、舟体３内部に設置した力センサ９により測定したバネ力から推定される押上力は、ロードセル１４により測定した接触力より小さい値となる。従って、接触力に揚力を考慮しない場合には、図３に示すように、風速が増加するにつれて目標値との偏差が増加し、その偏差分だけ過大な制御を行うことになってしまう。一方、本発明の方法を適用して接触力に揚力を考慮した場合には、図４に示すように、風速が増加しても目標値に近い範囲でほぼ一定し、正確な制御となっている。このように、本発明を適用することにより、揚力による影響を考慮した接触力制御を行うことが可能であるといえる。
【００２０】
本実施形態に係るパンタグラフ１の制御動作について説明する。
舟体３は支持機構４により上昇してトロリ線Ｔに接触した後、バネ６の付勢力によりすり板体５がトロリ線Ｔに押し当てられる。力センサ９は、バネ６のひずみによりそこに作用するバネ６のバネ力を測定する。トロリ線Ｔへのすり板体５の接触力をＦＣ、力センサ９によるバネ力をＦＫ、ピトー管１０により測定したすり板体５の動圧（相対流速の２乗に比例）に上記係数ＣＬを乗算した揚力をＦＬとすれば、
ＦＣ＝ＦＬ＋ＦＫ  として正確な接触力を求めることができる。
【００２１】
比例積分微分（ＰＩＤ：Proportional-Integral-Differential）制御器１２は、比例動作に積分動作と微分動作を加えた制御を行い、残留偏差をなくすように前述のアクチュエータ８の出力を制御する。このＰＩＤ制御器１２には、すり板体５からトロリ線Ｔに加わるすり板体５の接触力ＦＣ＝ＦＬ＋ＦＫと、制御目標量ＦＴとが入力されて両者の差が演算され、アクチュエータ８に対する操作量Ｆconstが出力される。このようなアルゴリズムによって、制御目標量ＦＴの変動をゼロに近づけるようなアクチュエータ８の出力が与えられる。
【００２２】
なお、パンタグラフの他の実施形態として，図示しないが、先の実施形態におけるすり板体５が舟体３により直接支持され，この舟体３を車体屋根２上で昇降可能に支持すると共にバネにより舟体３をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を付与する支持機構４を備えたものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、電気鉄道におけるトロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動を低減するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施例に係るパンタグラフの接触力変動低減方法の制御系統ブロック図である。
【図２】本実施例に係るパンタグラフの風洞試験装置の概略図である。
【図３】揚力を考慮しない制御の場合の接触力の変化を示すグラフである。
【図４】揚力を考慮した制御の場合の接触力の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１    パンタグラフ
２    車体屋根
３    舟体
４    支持機構
５    すり板体
６    バネ
７    押上バネ
８    アクチュエータ
９    力センサ
１０    ピトー管
１１    コントローラ
１２    比例積分微分制御器
１３    試験用バネ
１４    ロードセル
１５    台枠
Ｔ    トロリ線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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