(57)【要約】【課題】  能動的な制御を要することなく、電動車のみならず、動力源を持たない付随車に対しても適用可能であって、従来の一体型輪軸台車と同等の軌道中心への復元効果と、従来の独立車輪台車と同等の急曲線通過性能を兼ね備えた鉄道車両用台車、および鉄道車両を提供する。【解決手段】  個別回転可能な車輪２組と組付機構とで１組の輪軸系を構成し、１組の台車枠に２組の輪軸系を係合連結して成る台車であって、各車輪に駆動機構を介して接続される電動機と、左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしを接続する電力線から成る同期装置を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
個別回転可能な車輪２組と組付機構とで１組の輪軸系を構成し、
１組の台車枠に２組の輪軸系を係合連結して成る鉄道車両用台車であって、
各車輪に駆動機構を介して接続される電動機と、
左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしを接続する電力線から成る同期装置を有することを特徴とする鉄道車両用台車。
【請求項２】
電動機は、ダンパ巻線を有する同期電動機とした
請求項１に記載の鉄道車両用台車。
【請求項３】
電動機は、回転子と固定子との隙間が１ミリメートルを越えない誘導電動機とした
請求項１又は２の何れか一項に記載の鉄道車両用台車。
【請求項４】
個別回転可能な車輪２組と組付機構とで１組の輪軸系を構成し、
１組の台車枠に２組の輪軸系を係合連結し、
各車輪に駆動機構を介して接続される電動機と、
左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしを接続する電力線から成る同期装置を有することを特徴とする鉄道車両用台車を
１式以上もつ鉄道車両。
【請求項５】
前記電動機に電力を供給する設備と、
電力変換器とを有することを特徴とする、請求項４に記載の鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、同期装置をもつ鉄道車両用台車と、同期装置を備えた鉄道車両とに関する。
【背景技術】
【０００２】
左右の車輪を車軸で一体化した通常の輪軸、いわゆる一体型輪軸を用いた鉄道車両に対し、輪軸を左右に分離して各々を個別に回転可能とした鉄道車両が知られている。
【０００３】
一体型輪軸を用いた台車は、直線区間において左または右への偏り走行を抑止する公知の車輪踏面勾配効果によって、回転走行する輪軸を常に軌道中心側へ復元し、安定した走行を維持する機能をもっている。
【０００４】
また一体型輪軸を用いた台車は、曲線区間において輪軸が軌道中心から外軌側に移動することで左右車輪のレールとの接触点で車輪径差を生じさせて走行する、いわゆる円錐転がり効果による曲線に応じた滑らかな走行が可能となる。
【０００５】
ただし、この機能は限定的で、軌道の曲率半径が小さい急曲線では左右の車輪系の比が左右の軌道長の比を吸収できないため、台車は軌道中心に戻ることができず、軌道に対して大きな相対角度（アタック角）を有することになる。このアタック角による横クリープ力と、フランジ反力とにより、車輪のフランジとレールとが強く押圧し合って、レールと車輪の双方に好ましくない摩耗が促進される。このため、軌道を建設する際、好適な曲線諸元の選定に制約が生じて、軌道設計の自由度が低下し、特に市街地での建設費用もしくは維持費用が高騰する不都合が生じる。
【０００６】
一方、輪軸を左右に分離して各々を個別に回転可能とした独立回転構造の台車は、左右の車輪回転数が個別に変化するので、軌道の曲率半径を一体型輪軸とした場合よりも小さく選定できるが、一体型輪軸の車輪踏面勾配効果による軌道中心への復元力が作用しないため、常に軌道中心へ復元させる制御が別途必要となる。
【０００７】
このような課題に対し、各車輪に設けた電動機の回転速度を個別かつ能動的に制御する技術の例が下記特許文献１で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２６８２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１では、軌道が直線区間か曲線区間かに拘わらず、常時能動的な制御が必要となる。また、走行中は常に左右車輪の回転速度を協調制御する必要があり、電動機への電力供給を断つ惰行運転ができず、走行中の電力消費が増える。さらに、電源の喪失となる停電時は能動制御を行えず、異常時の安全対策を必要とする。
【００１０】
本願発明は上記課題の総てを解決するもので、能動的な制御を要することなく、電動車のみならず、動力源を持たない付随車に対しても適用可能であって、従来の一体型輪軸台車と同等の軌道中心への復元効果と、従来の独立車輪台車と同等の急曲線通過性能を兼ね備えた鉄道車両用台車、および鉄道車両を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様に係る鉄道車両用台車は、個別回転可能な車輪２組と組付機構とで１組の輪軸系を構成し、１組の台車枠に２組の輪軸系を係合連結して成る鉄道車両用台車であって、各車輪に駆動機構を介して接続される電動機と、左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしを接続する電力線から成る同期装置を有することを特徴とする鉄道車両用台車である。
【００１２】
この鉄道車両用台車は、個別回転可能な車輪を有するので、独立車輪台車としての急曲線通過性能を有している。さらに、前後の電動機の各相どうしを接続することで、同期化力の作用によって、接続された電動機の回転数が等しく保たれるため、一体型輪軸と同等の軌道中心への復元効果を有する。さらに、動力源をもつ必要がないため、付随車に対しても適用可能である。
【００１３】
この鉄道車両用台車では、電動機は、ダンパ巻線を有する同期電動機としてもよい。これにより、同期化力の効果が高まる。
【００１４】
この鉄道車両用台車では、電動機は、回転子と固定子との隙間が１ミリメートルを越えない誘導電動機としてもよい。これにより、同期化力の効果が高まる。
【００１５】
本発明のある態様に係る鉄道車両は、個別回転可能な車輪２組と組付機構とで１組の輪軸系を構成し、１組の台車枠に２組の輪軸系を係合連結し、各車輪に駆動機構を介して接続される電動機と、左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしを接続する電力線から成る同期装置を有することを特徴とする台車を１式以上もつ鉄道車両である。
【００１６】
この鉄道車両では、個別回転可能な車輪を有するので、独立車輪台車としての急曲線通過性能を有している。さらに、前後の電動機の各相どうしを接続することで、同期化力の作用により、接続された電動機に対する車輪の回転数が等しく保たれるため、一体型輪軸と同等の軌道中心への復元効果を有する。さらに、動力源をもつ必要がないため、この鉄道車両を付随車とすることができる。
【００１７】
さらに、この鉄道車両では、前記電動機に電力を供給する設備と、電力変換器とを有してもよい。
【００１８】
これにより、この鉄道車両を動力車とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明は上記のように構成され、能動的な制御を要することなく、電動車のみならず、動力源を持たない付随車に対しても適用可能であって、従来の一体型輪軸台車と同等の軌道中心への復元効果と、従来の独立車輪台車と同等の急曲線通過性能を兼ね備えた鉄道車両用台車、および鉄道車両を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る台車の例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力線前後接続の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る台車の挙動を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る同期装置を備えた車両の例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る同期装置を備えた車両の例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力線前後接続の例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る電力線前後接続の例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る台車の挙動模擬解析結果の例を示す図である。
【図９】従来技術の一体型輪軸台車の挙動を示す図である。
【図１０】従来技術の独立車輪台車の挙動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本願発明の実施形態を図面で説明するが、全図を通じて同じ要素には同一の参照符号を付し、重複説明を避けている。
【００２２】
また各図面における前後・左右の定義は次のとおりである。
【００２３】
図１は、左側が前（Ｆ）で右側が後（Ｒ）、平面図の上側が右で下側が左である。
【００２４】
図２、図３、図６、図７、図９および図１０は、上側が前（Ｆ）で下側が後（Ｒ）、左右は図の通りである。
【００２５】
図４および図５は、左側が前（Ｆ）で右側が後（Ｒ）である。  
【００２６】
（実施の形態１）
図１および図２は、実施の形態１に係る同期装置をもつ鉄道車両用台車の構成例を示す図である。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、先ず、左右個別に回転可能な２組の車輪３（３ＦＬ，３ＦＲ，または３ＲＬ，３ＲＲ）と１組の組付機構４（４Ｆまたは４Ｒ）とで、１組の輪軸系５（５Ｆまたは５Ｒ）を構成し、この輪軸系５を前後２組分用意する。
【００２８】
組付機構４（４Ｆ，４Ｒ）は、左右の側部が歯車箱を兼ねており、その間の軸部は捩り棒軸（トーションバー）となっている。歯車箱には、歯車で構成する図示していない駆動機構が収められており、これを介して、車輪３、電動機Ｍ、およびブレーキディスク１１が組付機構４に対して回転自在に接続される。台車枠Ｂと前部および後部の輪軸系５Ｆ，５Ｒとは、各々組付機構４の捩り棒軸を介して係合連結する。
【００２９】
以上の構成により、台車２は軌道の平面性偏倚に対応することができる。
【００３０】
次に、図１（ｂ）の側面図では、中央上部２箇所には空気ばね１２が位置し、中央下部４箇所にはコイルばね１３が組込まれて、各々が台車枠Ｂによって、相互に支持構成されている。中央上部２箇所の空気ばね１２の上には車体１が載り、中央下部４箇所のコイルばね１３は、上部の輪軸系５と下部の組付機構４との間に挟まれている。左右の各車輪が受ける個別の上下動は、輪軸系５の前記捩り棒軸によってコイルばね１３に作用して、左右個別に緩衝効果を発揮する。車輪中心とコイルばね中心は、前記捩り棒軸に対して前後等距離、またはそれに近い間隔に設定する。以上の構成によって、車輪上にコイルばねが位置する公知の台車と等価な緩衝効果を獲得できる。
【００３１】
台車の左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしは電力線Ｐで接続されている。同期装置Ｓは、前後各１台の電動機Ｍと電力線Ｐから成る。すなわち、この台車は左右に各１台の同期装置Ｓを有する。
【００３２】
各電動機Ｍは、ダンパ巻線を有する同期電動機、あるいは回転子と固定子との隙間が１ミリメートルを超えない誘導電動機の何れでも選択できる。
【００３３】
同期電動機を適用する場合、電動機Ｍの回転子は薄厚珪素鋼板を重ね合わせて形成し、回転子の円筒表面に近い部分には永久磁石を複数埋め込んで回転子を構成してもよい。回転子の表面にはよく知られたダンパ巻線を設けてもよい。このとき、回転磁界に対して回転子が遅れると、両者の速度差で鎖交磁束を生じ、ダンパ巻線に速度差を解消する誘導電流が流れて、回転子の速度変化を抑制する同期化力が発生する。したがって、複数の同期電動機のそれぞれの相間を電力線で結んで電流経路を設けると、当該車輪間に回転数差が生じたとき、直ちに両者間で電力授受がなされ、同期化力の効果により、高回転側には減速トルク、低回転側には加速トルクが作用して、電気的に接続した電動機Ｍ間の回転速度差が解消する。なお、誘導電動機に対しても上記と同様の効果を付与させることは可能であるが、当該電動機を励磁するための手段を別途設ける必要がある。
【００３４】
このように、本実施形態においては、左側、右側のそれぞれにおいて、前後の電動機の各相どうしを電力線で接続することにより、電力変換器の有無とは無関係に同期化力を作用させるものであり、台車を駆動する必要がなければ電力変換器は不要である。
【００３５】
次に、同期化力の効果を、図３、図９および図１０を用いて説明する。
【００３６】
図９は、従来技術の一体型輪軸を持つ台車である。
【００３７】
図１０は、従来技術の独立車輪台車である。
【００３８】
図３は、本願発明の同期装置を持つ鉄道車両用台車である。
【００３９】
各図において、（ａ）は直線軌道を走行する状態、（ｂ）は高速鉄道で用いられるような緩曲線を走行する状態、（ｃ）は市街鉄道で用いられるような急曲線を走行する状態である。
【００４０】
いずれも軌道に対して、軌道不整等の外乱をきっかけにアタック角を有している状況を示している。この場合、踏面勾配の効果によって、前軸右側と後軸左側の車輪半径は大きくなり、前軸左側と後軸右側の車輪半径は小さくなる。
【００４１】
このとき、車輪には、縦クリープ力１０１、横クリープ力１０２、フランジ反力１０３、同期化力１０４が作用する。
【００４２】
縦クリープ力１０１について、図９を用いて説明する。これは車輪／軌道接触面において、車輪と軌道とのすべりによって生じる摩擦力である。図９（ａ）の前軸では、左右の車輪の回転数は軸によって拘束され、踏面勾配の効果によって右車輪の半径は標準値より大きく、左車輪の半径は標準値より小さくなるから、縦クリープ力１０１は右車輪では前向き、左車輪では後向きに生じる。これは図９（ｂ）の緩曲線でも同じである。一方で、図９（ｃ）の急曲線においては、左右のレール長の差が大きく、これを踏面勾配で吸収できなくなるため、縦クリープ力１０１は逆方向に作用する。また、図１０、図３に示す独立車輪においては、輪軸の左右変位が生じても、車輪半径が増大すれば回転数が減少し、車輪半径が減少すれば回転数が増大することができるので、縦クリープ力１０１はほぼ作用しない。
【００４３】
横クリープ力１０２は、アタック角によって生じる摩擦力であり、その原理はタイヤ工学で言うところの横力と同じであって、アタック角を増大させる方向に作用する。これは台車が一体型輪軸を備える場合でも、独立車輪を備える場合でも発生する。
【００４４】
フランジ反力１０３は、車輪／軌道接触面に作用する法線力の水平成分である。踏面接触時には接触面はほぼ水平であるためフランジ反力１０３は小さいが、フランジ接触に至ると接触面はフランジ角に沿って大きく傾くため、フランジ反力１０３は大きくなる。
【００４５】
同期化力１０４について、図３を用いて説明する。図３（ａ）の右車輪では、踏面勾配の効果によって前車輪の半径は標準値より大きく、後車輪の半径は標準値より小さいから、同期化力１０４は、右車輪では前向き、左車輪では後向きに生じる。これは、図９（ａ）における縦クリープ力と同じである。図３（ｂ）および図３（ｃ）における同期化力は図３（ａ）と同じ方向であり、曲線半径によって変わることはない。
【００４６】
これら車輪とレール間の作用力は摩耗を誘引するため、これを低減しつつ、直線での復元性能と、急曲線の通過性能を両立することが求められる。
【００４７】
ここで、図９を用いて、従来技術の一体型輪軸台車の挙動を説明する。図９（ａ）および図９（ｂ）においては、縦クリープ力１０１が輪軸を中立位置に復元させる方向のヨーモーメント１１１を発生させる。横クリープ力１０２は、輪軸をさらに左右に偏倚させる方向に働くが、輪軸はヨーモーメント１１１の働きによって中立位置に戻る方向を向くので、結果的にフランジ当たりは抑止される。一方、図９（ｃ）においては、縦クリープ力１０１が中立位置に復元させるのとは逆方向のヨーモーメント１１１を発生させるとともに、横クリープ力１０２が、輪軸をさらに左右に偏倚させる方向に働くため、必ずフランジ当たりに至り、車輪の軌道からの逸脱はフランジ反力１０３でのみ抑止される。このため、車輪／軌道接触面の作用力は極めて大きく、摩耗が急速に進展する。
【００４８】
次に、図１０を用いて、従来技術の独立車輪台車の挙動を説明する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）においては、縦クリープ力１０１が作用せず、横クリープ力１０２が、輪軸をさらに左右に偏倚させる方向に働くため、中立位置に復元させる能力をもたない。そのため、フランジ当たりに至り、フランジ反力１０３で車輪の逸脱が防止される。車輪／軌道接触面の作用力は図９（ｃ）の場合よりは大幅に小さいが、常時小さな横クリープ力が作用するため、摩耗が早期に進展する。
【００４９】
次に、図３を用いて、本願の同期装置をもつ鉄道車両用台車の挙動を説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）においては、同期化力１０４が輪軸を中立位置に復元させる方向のヨーモーメント１１４を発生させる。横クリープ力１０２は、輪軸をさらに左右に偏倚させる方向に働くが、輪軸はヨーモーメント１１４の働きによって中立位置に戻る方向を向くので、結果的にフランジ当たりは抑止される。したがって、従来技術の一体型輪軸台車、従来技術の独立車輪台車のいずれとも異なり、直線から急曲線までの全ての軌道において輪軸を中立位置に復元させることができ、かつ曲線をスムースに通過することができる。
【００５０】
本願発明の効果を示すため、図８に、一波長の通り狂いを設定した直線軌道を走行した場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーション条件は、直線軌道、４０ｋｍ／ｈの走行であり、電力線は前後の電動機を接続する。電力変換装置は接続されておらず、能動的な制御も行われていない。
図中のグラフ（ａ）は軌道通り狂いを表す。ここでは、正弦波状の通り狂いを進行方向左側に設定し、台車に外乱を与えている。グラフ（ｂ）は台車枠の変位を表し、軌道狂いに対して、台車枠が遅れて追従し、やがて同期化力の効果により中立位置に復元することが示されている。グラフ（ｃ）は台車枠のヨー角を表しており、最初は左に、揺れ戻しで右に振れ、やがて同期化力の効果により減衰することが示されている。グラフ（ｄ）はモータの一次電流を、グラフ（ｅ）および（ｆ）は電力を表し、前後接続された電力線を介して電流がやり取りされ、同期化力が発生していることが示されている。
【００５１】
以上より、上記構成によれば、個別回転可能な車輪を有するので、独立車輪台車としての急曲線通過性能を有している。さらに、前後の電動機の各相どうしを接続することで、同期化力の作用により、接続された電動機間で車輪の回転数が等しく保たれるため、一体型輪軸と同等の軌道中心への復元効果を有する。さらに、動力源をもつ必要がないため、付随車に対しても適用可能である。
【００５２】
（実施の形態２）
図４および図６は、実施の形態２に係る同期装置を備えた鉄道車両（付随車）の構成例を示す図である。図４に示すように、車両はその車体１の下に、レール９上を移動する個別に回転可能な４つの車輪３を有する２式の台車２Ｆ，２Ｒを有し、各台車２Ｆ，２Ｒには同期装置Ｓを備える。
【００５３】
車両は自走しない付随車であるが、電動機Ｍを備えている。
左右それぞれ、前後の電動機Ｍを電力線Ｐで接続し、左右各１組の同期装置Ｓを構成する。
【００５４】
図６は前記車両の床下平面図で、同期装置Ｓの接続関係を示す。図には各車輪３と対応する電動機Ｍの配置を示す。加えて各電動機Ｍが電力線Ｐで接続された状態を示す。具体的には、電動機Ｍ１と電動機Ｍ３との間が電力線ＰＲで接続され、電動機Ｍ２と電動機Ｍ４との間が電力線ＰＬで接続されている。なお、駆動しない車両のため、当該電動機Ｍ間以外に電力授受はない。
【００５５】
上記構成によれば、個別回転可能な車輪を有するので、独立車輪台車としての急曲線通過性能を有している。さらに、前後の電動機の各相どうしを接続することで、同期化力の作用により、接続された電動機間で車輪の回転数が等しく保たれるため、一体型輪軸と同等の軌道中心への復元効果を有する。さらに、動力源をもつ必要がないため、鉄道車両は、付随車とすることができる。
【００５６】
（実施の形態３）
図５および図７は、実施の形態３に係る同期装置を備えた鉄道車両（電動車）の構成例を示す図である。車両１はその車体の下に、レール９上を移動する個別に回転可能な４つの車輪３を有する２式の台車２Ｆ，２Ｒを有し、各台車２Ｆ，２Ｒには同期装置Ｓを備える。
【００５７】
さらに、左右２組の電力線ＰＬ，ＰＲのそれぞれは電力変換器６Ｆ（Ｌ），６Ｆ（Ｒ）または６Ｒ（Ｌ），６Ｒ（Ｒ）に接続され、その反対側は電源側に共通接続される。
電力変換器６Ｆ（Ｌ）と６Ｆ（Ｒ）は制御器７Ｆによって制御され、電力変換器６Ｒ（Ｌ）と６Ｒ（Ｒ）は制御器７Ｒによって制御される。制御器７Ｆ，７Ｒは、それぞれ、電力線Ｐに流れる電流を、図示しない電流検出器で検出し、検出された電流に基づいて制御する。
【００５８】
上記構成によれば、個別回転可能な車輪を有するので、独立車輪台車としての急曲線通過性能を有している。さらに、前後の電動機の各相どうしを接続することで、同期化力の作用により、接続された電動機間で車輪の回転数が等しく保たれるため、一体型輪軸と同等の軌道中心への復元効果を有する。また、鉄道車両は、動力車とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の同期装置をもつ鉄道車両用台車および同期装置を備えた鉄道車両は、運行の安全性を向上させ、電力消費を抑えつつ、走行性の維持安定を図ることのできる鉄道車両用台車および鉄道車両として有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１  車両
２  台車
３  車輪
４  組付機構
５輪軸系
６  電力変換器
７  制御部
９  レール
１１  ブレーキディスク
１２  空気ばね
１３  コイルばね
１０１  縦クリープ力
１０２  横クリープ力
１０３  フランジ反力
１０４  同期化力
１１１  縦クリープ力によるヨーモーメント
１１４  同期化力によるヨーモーメント
Ｂ  台車枠
Ｍ  電動機
Ｐ  電力線
Ｓ  同期装置
【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】
2016113095.tif 000009
【図８】
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【図９】
2016113095.tif 000011
【図１０】
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