(57)【要約】【課題】特殊な装備を備えることなく、鉄道車両の急勾配区間への容易な乗り入れを実現する。【解決手段】アシスト台車１，２は、平坦区間と急勾配区間を直通する車両２０に連結され、車両２０から電力を入力する電源入力部１１１と、急勾配区間を上昇する際の駆動力、及び下降する際の制動力を発生させる部材１３，１５と、電源入力部１１１に入力される電力を用いて部材１３，１５を駆動するアシスト主電動機１２と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦区間と急勾配区間を直通する車両に連結されるアシスト台車であって、
前記車両から電力を入力する電源入力部と、
前記急勾配区間を上昇する際の駆動力、及び下降する際の制動力を発生させる部材と、
前記電源入力部に入力される電力を用いて前記部材を駆動するアシスト主電動機と、
を備えることを特徴とするアシスト台車。
【請求項２】
前記車両は、粘着式鉄道車両であり、
前記部材は、レールの間に設置されるラックレールに噛み合うピニオンであることを特徴とする、請求項１に記載のアシスト台車。
【請求項３】
前記車両は、粘着式鉄道車両であり、
前記部材は、レールの間に設置される中央レールを押し付ける車輪であることを特徴とする、請求項１に記載のアシスト台車。
【請求項４】
前記車輪は、ゴムタイヤであることを特徴とする、請求項３に記載のアシスト台車。
【請求項５】
前記電源入力部は、前記車両から直流電力を入力し、
前記直流電力を、ＶＶＶＦ制御を行って交流電力に変換し、前記アシスト主電動機に出力する制御装置を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のアシスト台車。
【請求項６】
前記電源入力部は、前記車両の補助電源装置から交流電力を入力し、
前記交流電力を直流電力に変換した後に再び交流電力に変換し、前記アシスト主電動機に出力する制御装置を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のアシスト台車。
【請求項７】
前記電源入力部は、前記車両の補助電源装置から交流電力を入力し、該交流電力を直接前記アシスト主電動機に出力し、
前記アシスト主電動機は、誘導電動機であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のアシスト台車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄道車両用のアシスト台車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粘着式鉄道は、鉄レールと鉄車輪の摩擦力により駆動力・制動力を発生させるため、車輪とレール間の摩擦係数のピーク値である粘着係数によって制限される。摩擦力の最大値は、動輪の垂直方向の力である軸重と、粘着係数の積によって定まる。そのため、車体重量を増加させることにより、軸重を増加させて摩擦力の最大値を上げることができる。
【０００３】
一方で、勾配区間で駆動又は制動を行う場合は、勾配により車体重量に比例した重力の分力成分が坂の下方向にかかる。そのため、同じ勾配の坂を登り降りするのに必要な駆動・制動力は、車体重量に比例する。すなわち、たとえ車体重量を増加させても、軸重は車体重量に比例するものの、駆動・制動に必要な力も車体重量に比例するため、結果的にどの程度急な勾配を登り降りできるかは、車体重量に関係なく粘着係数で決定される。特に、雨天等でレールの上面に水滴があると大幅に粘着係数が低減する。さらに、山岳区間でレール上に落ち葉がある場合、車輪により落ち葉が圧縮されて、落ち葉の油分により大幅に粘着係数が低減することが知られている。
【０００４】
一般的な粘着式鉄道では、水平距離に対する上昇率の千分率でみると、３５‰程度が最大といわれている。ただし、勾配用の特殊装備を設けた車両を用いることにより、さらなる急勾配も可能である（例えば、箱根登山鉄道では８０‰）。しかしながら、さらなる急勾配を粘着運転で上下するのは現実的ではなく、粘着式鉄道の最大勾配は１００‰程度とされている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、このような粘着運転としての限界に近い急勾配を登り降りする車両は、特殊な車両であり他路線への乗り入れに制約がある。
【０００６】
一方で、車輪とレールの間の摩擦力だけではなく、レール間にはしご型又は歯をつけたラックレールを設けて、車両のピニオンギアと噛みあわせることにより、駆動力・制動力を稼ぐラック式鉄道があり、さらなる急勾配の登り降りを実現できる（例えば、非特許文献２参照）。ラック式鉄道には複数の方式が存在しているが、日本国内の例として、ラック式鉄道の一種であるアプト式鉄道が、大井川鐵道井川線で用いられている。
【０００７】
また、ラック式鉄道に似た方式として、中央レールの左右から水平面を回転する車輪を押し付けて、駆動・制動力をかけるフェル式という鉄道もかつて検討されていた（例えば、非特許文献２参照）。しかしながら、中央レールに鉄輪を押し付けるため発生する摩擦力が限られ、また鉄輪を確実に中央レールに押し付けるための機構が困難であったため、実用例は限られている。
【０００８】
海外では、ラック式を用いた観光目的の登山鉄道が、例えばスイスやオーストリアでは多く存在しており、標高３０００ｍを超える山まで鉄道で到達することが可能な登山鉄道が複数存在している。また、自然環境保護の観点から山岳部への自動車乗り入れを禁止して、鉄道のみを交通手段としている地域もある。
【０００９】
日本国内においては山岳部への自動車乗り入れ可能な場合が多いため登山鉄道の普及は限定されている。しかしながら、自然環境保護の観点から登山鉄道にも注目されており、また高齢化社会や海外観光客の増加に伴い今後登山鉄道の需要が多く増加する可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】大塚和之、急こう配における粘着運転通観、鉄道ピクトリアル363号（登山鉄道と急勾配線特集）、1979、pp41-451
【非特許文献２】青木栄一、急こう配にいどむ鉄道の系譜、鉄道ピクトリアル363号（登山鉄道と急勾配線特集）、1979、pp10-15
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ラック式鉄道やフェル式鉄道は通常の粘着式鉄道と大きく構成が異なっている。そのため、ラック式やフェル式の駆動・制動を行うには専用の特殊設計車両を用いる必要があり平坦路線と直通することが困難であったり、高速運転を実現できなかったりするという問題があった。また、床下のラック式用のピニオンギア等があると、平坦路線の分岐器や踏切・信号装置等に干渉するおそれがある。
【００１２】
また、ラック式やフェル式の機関車を勾配区間で連結することにより、通常の粘着式鉄道車両を直通運転させることが可能となるが、機関車は多くの機器を搭載する必要があるため、大掛かりで高コストになってしまう。さらに、大掛かりになると機関車の重量により軌道への負担が増加するだけでなく、勾配区間を登り降りするのに必要な電力も増加して、エネルギー消費の観点からも望ましくない。
【００１３】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、特殊な装備を備えることなく、急勾配区間において容易に直通運転を実現することが可能なアシスト台車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明に係るアシスト台車は、平坦区間と急勾配区間を直通する車両に連結されるアシスト台車であって、前記車両から電力を入力する電源入力部と、前記急勾配区間を上昇する際の駆動力、及び下降する際の制動力を発生させる部材と、前記電源入力部に入力される電力を用いて前記部材を駆動するアシスト主電動機と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るアシスト台車において、前記車両は、粘着式鉄道車両であり、前記部材は、レールの間に設置されるラックレールに噛み合うピニオンであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るアシスト台車において、前記車両は、粘着式鉄道車両であり、前記部材は、レールの間に設置される中央レールを押し付ける車輪であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るアシスト台車において、前記車輪は、ゴムタイヤであることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るアシスト台車において、前記電源入力部は、前記車両から直流電力を入力し、前記直流電力を、ＶＶＶＦ制御を行って交流電力に変換し、前記アシスト主電動機に出力する制御装置を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係るアシスト台車において、前記電源入力部は、前記車両の補助電源装置から交流電力を入力し、前記交流電力を直流電力に変換した後に再び交流電力に変換し、前記アシスト主電動機に出力する制御装置を備えることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るアシスト台車において、前記電源入力部は、前記車両の補助電源装置から交流電力を入力し、該交流電力を直接前記アシスト主電動機に出力し、前記アシスト主電動機は、誘導電動機であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、特殊な装備を備えることなく、急勾配区間において容易に直通運転を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るアシスト台車を車両に連結した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るアシスト台車の第１の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るアシスト台車の第２の構成例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るアシスト台車の第１の構成例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るアシスト台車の第２の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明に係るアシスト台車を車両に連結した図である。ここではラック式鉄道を用いた例であるが、フェル式鉄道の場合でも同様である。
【００２５】
車両２０は、最高速度が１００ｋｍ／ｈ程度の一般的な粘着式鉄道車両であり、アシスト台車１と連結して協調制御を行うための通信装置等を除いて、一般的な通勤電車や特急電車と同一である。そのため、車両２０は新規車両だけではなく、既存の電車の若干の改造により実現可能である。この車両２０は、アシスト台車１を連結することにより、平坦路線と急勾配区間との直通運転が可能となる。
【００２６】
車両２０は、集電装置２１と、主制御装置２３と、補助電源装置２４とを備える。また、先頭及び後尾の車両２０は、運転台２２を備える。
【００２７】
集電装置２１は、架線３０から電力を取得し、主制御装置２３及び補助電源装置２４に出力する。
【００２８】
主制御装置２３は、集電装置２１から入力された直流電力を、ＶＶＶＦ（variable voltage variable frequency）制御を行って交流電力に変換し、主回路に供給するＶＶＶＦインバータ装置である。
【００２９】
補助電源装置２４は、集電装置２１から入力された直流電力を交流電力に変換し、各車両２０の補助回路（図示せず）に供給する静止形インバータ装置である。
【００３０】
上述した車両２０の構成は、以下に説明する各実施形態について同一である。
【００３１】
（第１の実施形態）
つぎに、本発明の第１の実施形態に係るアシスト台車について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係るアシスト台車の構成例を示す図である。図２示すアシスト台車１は、台車本体１１と、アシスト主電動機１２と、ピニオン（歯車）１３と、車輪１４とを備える。
【００３２】
アシスト台車１は、平坦区間と急勾配区間を直通する車両２０の前後いずれか、又は両方に連結される。
【００３３】
第１の実施形態では、急勾配区間において、２本のレール４０の間にラックレール４１が設置される。
【００３４】
ピニオン１３は、ラック式鉄道において、急勾配区間を上昇する際の駆動力、及び下降する際の制動力を発生させる部材であり、ラックレール４１に噛み合うように、アシスト台車１に設けられる。アシスト台車１の荷重は、車両２０の走行と同一のレール４０上を走行する車輪１４で支えられるが、駆動力・制動力はラックレール４１に噛み合ったピニオン１３によって発生する。すなわち、軸重とは関係なしに駆動力・制動力の発生を実現できる。
【００３５】
アシスト主電動機１２は、ピニオン１３を駆動するための電動機である。アシスト主電動機１２は、勾配区間を登る際は車両２０の集電装置２１で集電された電力を用いてピニオン１３を駆動する。また、勾配区間を下る際は、発電機として動作することによりブレーキ力を発生し、車両２０の集電装置２１を介して電力を架線３０に回生する。
【００３６】
台車本体１１は、電源入力部１１１と、制御装置１１２とを備える。
【００３７】
アシスト台車１は集電装置２１を備えていない。そのため、電源入力部１１１は、車両２０から、車両２０の集電装置２１により集電された直流電力、又は該直流電力を変換した交流電力を入力し、制御装置１１２に出力する。
【００３８】
制御装置１１２は、車両２０の運転台２２からの指示（制御指令）に基づき、電源入力部１１１から入力された電力を変換し、アシスト主電動機１２に出力してアシスト主電動機１２を制御する。
【００３９】
つぎに、アシスト主電動機１２への電力供給方法について説明する。第１の電力供給方法では、電源入力部１１１は、車両２０から、集電装置２１により集電された直流電力を入力する。制御装置１１２は、車両２０の主制御装置２３と並列に接続され、電源入力部１１１に入力される直流電力を、ＶＶＶＦ制御を行って交流電力に変換し、アシスト主電動機１２に出力する。この場合、制御装置１１２はＶＶＶＦインバータ装置であり、アシスト主電動機１２の設計や制御の自由度が高くすることができる。
【００４０】
第２の電力供給方法では、電源入力部１１１は、車両２０の補助電源装置２４から三相交流電力を入力する。制御装置１１２は、車両２０の補助電源装置２４と直列に接続され、電源入力部１１１に入力される三相交流電力を、直流電力に変換した後に再び交流電力に変換し、アシスト主電動機１２に出力する。この場合、制御装置１１２を産業用インバータ装置とすることができる。そのため、アシスト主電動機１２の設計や制御の自由度が高く、且つ小型化することができる。また、アシスト台車１への電力の引き通しが架線電圧よりも低圧となるため、安全性を確保することができる。
【００４１】
第３の電力供給方法では、図３に示すように、制御装置１１２を備えない構成とする。電源入力部１１１は、車両２０の主制御装置２３又は補助電源装置２４から三相交流電力を入力し、該三相交流電力を直接アシスト主電動機１２に出力する。制御装置１１２を備えないことで、アシスト主電動機１２の電気設計に制約が生じるものの、アシスト台車１をさらに簡素化・軽量化することができる。
【００４２】
第３の電力供給方法において、アシスト主電動機１２を誘導電動機とし、補助電源装置２４から入力された三相交流電力を直接アシスト主電動機１２に出力する場合の動作について説明する。補助電源装置２４は一般的に、三相６０Ｈｚ（又は５０Ｈｚ）の一定周波数の電源を供給する。
【００４３】
誘導電動機の特性として、回転子の電気周波数と印加される電源の周波数の差であるすべりに依存してトルクが発生する。電源の周波数が回転子の電気周波数に比べて速い場合、すべりが正であり、加速する方向にトルクが発生する（力行）。逆に、回転子の電気周波数が電源の周波数より速い場合、すべりが負であり、減速する方向にトルクが発生する（制動、ブレーキ）。
【００４４】
登山鉄道では、駅部での加減速を除いてほぼ一定速度で運転され、上り勾配では力行状態が継続し、下り勾配では制動状態が継続する。アシスト主電動機１２を誘導電動機として一定の周波数の電源に接続した場合、上り勾配では電源の周波数より回転子の電気周波数がわずかに遅い状態でつり合い、一定速度での力行が継続される。また、下り勾配では電源の周波数より回転子の電気周波数がわずかに速い状態でつり合い、一定の速度になるようにブレーキが継続する。すなわち、制御装置１１２を用いることなく、車両２０の補助電源装置２４を用いてアシスト台車１を実現することができる。
【００４５】
なお、誘導電動機を一定周波数の電源で運転する場合、すべりがある値（停動トルク）を超えるとトルクが低下する特性を有している。すなわち、停止状態からの起動時に十分なトルクの発生が困難となる場合もある。しかしながら、車両２０は平坦線で加減速可能な性能を有していることから、急勾配区間であっても駅周辺部を平坦としておけば、停止からの加速は車両２０により行い、勾配区間に入る前に停動トルクを超えるまでの加速を達成できれば、勾配区間での登り降りを実現できる。
【００４６】
（第２の実施形態）
つぎに、第２の実施形態として、本発明をフェル式鉄道に適用する例について説明する。図４は、第２の実施形態に係るアシスト台車の第１の構成例を示す図である。図４に示す例では、アシスト台車２は、台車本体１１と、アシスト主電動機１２と、車輪１４と、ゴムタイヤ（車輪）１５とを備える。
【００４７】
第２の実施形態では、急勾配区間において、２本のレール４０の間に中央レール４２が設置される。
【００４８】
ゴムタイヤ１５は、フェル式鉄道において、急勾配区間を上昇する際の駆動力、及び下降する際の制動力を発生させる部材である。ゴムタイヤ１５は、水平面を回転し、中央レール４２を左右から押さえつける。
【００４９】
アシスト主電動機１２は、ゴムタイヤ１５を駆動するための電動機である。
【００５０】
台車本体１１は、電源入力部１１１と、制御装置１１２とを備える。
【００５１】
電源入力部１１１は、車両２０から、車両２０の集電装置２１により集電された直流電力、又は該直流電力を変換した交流電力を入力し、制御装置１１２に出力する。
【００５２】
制御装置１１２は、第１の実施形態で説明したように、車両２０の主制御装置２３と並列に接続されるＶＶＶＦインバータ装置としてもよいし、車両２０の補助電源装置２４と直列に接続される産業用インバータ装置としてもよい。また、第１の実施形態で説明したように、制御装置１１２を備えないで、三相交流電力を直接アシスト主電動機１２に出力する構成としてもよい。
【００５３】
フェル式鉄道は、１８００年代後半に検討されたものの、普及はしなかった。その理由として、鉄レールに対して鉄車輪を押し付ける構造であったため、摩擦力が限られており、また確実に押さえつけるための機構が複雑であったことが考えられる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、鉄輪で中央レール４２を押さえつけるのではなく、ゴムタイヤ１５で中央レール４２を押さえつける方式とするのが好適である。フェル式鉄道が検討された時代に比べると、近年は車両用の高性能なゴムタイヤが開発されており、より高い摩擦係数が期待される。また、ゴムタイヤではそのものに弾性を有しているため、アシスト台車２が軽量であっても、特別な機構を設けることなくゴムタイヤ１５を中央レール４２に確実に押し付けることが可能である。
【００５５】
図５は、第２の実施形態に係るアシスト台車の第２の構成例を示す図である。中央レール４２の押しつけ面は図４に示したように垂直でもよいが、図５に示すように傾けてもよい。この場合、ゴムタイヤ１５の押し付けによりアシスト台車２が下に押し付けられるために、さらなる確実な押し付け及び脱線防止の効果を上げることができる。また、図４及び図５では、ゴムタイヤ１５はアシスト主電動機１２に直接接続されているが、歯車装置等で減速してもよい。
【００５６】
上述したように、アシスト台車１，２は、集電装置や運転台を備えず、車両２０から電力を入力する構成とした。すなわち、アシスト台車１，２は、急勾配を登り降りするための駆動力・制動力発生のための僅かな設備のみ有しており、運転に必要な機器の大半は車両２０に備えられているものを用いる。そのため、機関車の増結に比べると大幅に簡素化される。そのため、コスト低減だけではなく、連結した編成全体の重量も軽量化されるため、軌道への負担が少なく勾配を登るためのエネルギー節約も可能である。
【００５７】
また、アシスト台車１，２は小型であり、また集電装置も不要であるため高さを抑制可能である。そのため、車両２０の先頭車両の前方にアシスト台車１，２を連結しても、車両２０の運転台２２からの視界を遮ることはないため、運転台２２をそのまま用いることが可能である。
【００５８】
また、車両２０は平坦路線ではアシスト台車１，２を連結せずに運転する。そのため、アシスト台車１のピニオン１３、及びアシスト台車２のゴムタイヤ１５は、既存路線の分岐器や踏切・信号装置等に干渉するおそれはない。
【００５９】
さらに、アシスト台車２は、中央レール４２を挟み込む構成により、脱線防止の作用があるため、アシスト台車２の重量が軽くても浮き上がりや脱線の心配はない。また、中央レール４２とゴムタイヤ１５が接触する面は垂直であるため、雨・雪や落ち葉が留まる心配はなく、粘着係数が大幅に低下することを防止することができる。
【００６０】
なお、アシスト台車１，２が連結された状態においても、車両２０も同時に駆動・制動力を発生させる構成でもよい。その場合、アシスト台車１，２の負担する制動・駆動力を減らすことが可能となるため、アシスト台車１，２の出力容量を低減させることができる。
【００６１】
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【００６２】
例えば、上述の実施形態においては、下り勾配におけるブレーキはアシスト主電動機１２による回生ブレーキを前提としているが、バックアップの非常ブレーキとして直接機械的にラック式のピニオンにブレーキをかけたり、フェル式の中央レールを掴んだりする構成の機械ブレーキを併用することが考えられる。このような機械ブレーキの併用は、いずれの実施形態においても適用可能であり、その場合も本発明の範囲であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
このように本発明によれば、通常の鉄道車両を急勾配区間に直接乗り入れることができるため、急勾配を走行する鉄道システムに有用である。
【符号の説明】
【００６４】
１，２  アシスト台車
１１    台車本体
１２    アシスト主電動機
１３    ピニオン
１４    車輪
１５    ゴムタイヤ
２０    車両
２１    集電装置
２２    運転台
２３    主制御装置
２４    補助電源装置
３０    架線
４０    レール
４１    ラックレール
４２    中央レール
１１１  電源入力部
１１２  制御装置
【図１】
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【図２】
2017154534.tif 000004
【図３】
2017154534.tif 000005
【図４】
2017154534.tif 000006
【図５】
2017154534.tif 000007