JP2006254661A - 鉄道車両システム - Google Patents

Abstract

【課題】 リニアモータによる損失を低減し、効率のよい走行を可能とする。
【解決手段】 この鉄道車両システムには、リニアモータの一次側コイルがレールの間に配置された軌道と、台車に軸バネ及び軸受を介して車輪の車軸が取り付けられ、当該車軸にリニアモータのリアクションプレートが一次側コイルに対向するように固定された少なくとも１つのリニア式車両とが備えられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両システムに係り、特に、リニアモータを使用した鉄道車両システムに関する。

従来、トレーラ車両を有する列車編成の場合、勾配区間等で車輪とレールとの粘着係数が不足して推進力が弱まることを防ぐために、リニアモータを使用した鉄道車両システムが実用化されている。
図６は従来の鉄道車両システムの概略構成を示す説明図である。図６に示すように、鉄道車両システム１００は、軌道１１０と車両１２０とから構成されている。軌道１１０には、レール１１１と、レール１１１の間に配設されてリニアモータのリアクションプレート（二次導体）１１２とが設けられている。
車両１２０には、車両本体１２１と、車両本体１２１が載置される台車１２２と、車両本体１２１及び台車１２２の間に介在する空気バネ１２３とが設けられている。台車１２２には、軸バネ１２４及び軸受１２５を介して車輪１２６の車軸１２７が取り付けられている。また、台車１２２の下端部には、リニアモータの一次側コイル１２８が、リアクションプレート１１２と対向するように設けられている。この一次側コイル１２８の制御機器１２９は車両本体１２１に搭載されている。

そして、制御機器１２９が一次側コイル１２８を制御して磁界を発生させると、リアクションプレート１１２が励磁されて、吸引力と反発力が発生することになる。車輪１２６とレール１１１との粘着係数が不足していたとしても、この吸引力と反発力によって推進力が高められるとともに、吸引力が作用することで吸着力をも高められるために、勾配区間等であっても安定した走行が得られるようになっている。

ところで、電気効率を高めるには一次側コイル１２８とリアクションプレート１１２との間隔をできるだけ小さくすることが望まれるが、上記したように一次側コイル１２８を台車１２２に設けた場合、軸バネ１２４による台車１２２の揺れが一次側コイル１２８まで伝達してしまうために、その揺れにより一次側コイル１２８がリアクションプレート１１２に接触しない間隔に設定しなければならなかった。このように一次側コイル１２８とリアクションプレート１１２との間隔にいくらかの遊びを設けてしまうと、一次側コイル１２８に対する電力供給を高めなければ、安定した推進力が得られない可能性があった。

このため、図７に示すように、軸バネ１２４による揺れが影響しない車軸１２７に一次側コイル１２８ａを配置して遊びを極力小さくすることも考えられるが、軸バネ１２４のバネ下荷重が重くなってしまい、結果的に軸バネ１２４の反応が悪くなって振動が吸収されにくくなる。振動が吸収されないと、その振動により一次側コイル１２８ａが壊れてしまうおそれもある。

本発明の課題は、リニアモータによる損失を低減し、効率のよい走行を可能とすることである。

請求項１記載の発明における鉄道車両システムは、
リニアモータの一次側コイルがレールの間に配置された軌道と、
台車に軸バネ及び軸受を介して車輪の車軸が取り付けられ、当該車軸に前記リニアモータのリアクションプレートが前記一次側コイルに対向するように固定された少なくとも１つのリニア式車両とを備えることを特徴としている。

ここで、リニアモータのリアクションプレートは、一次側コイルよりも軽いのが一般的である。このことから、リアクションプレートを車軸に固定した場合と、一次側コイルを車軸に固定した場合とを比較すると、リアクションプレートを車軸に固定した場合の方が軸バネのバネ下荷重が小さくなって、一次側コイルを車軸に固定した場合よりも軸バネの反応を高めて振動を吸収させやすくすることができる。つまり、請求項１記載の発明のように、一次側コイルがレール間に配置されて、リアクションプレートが車軸に固定されていれば、振動によりリニアモータが壊れることを防止でき、リアクションプレートと一次側コイルとの間隔を狭めることが可能となる。
また、従来では一次側コイルがリニア式車両に搭載されていたが、請求項１記載の発明では一次側コイルよりも軽いリアクションプレートがリニア式車両に設けられているので、リニア式車両の総重量を抑えることができる。このうえ、一次側コイルがリニア式車両にないのであれば、一次側コイルを制御する制御機器をもリニア式車両に搭載する必要もないために、さらなる軽量化が可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の鉄道車両システムにおいて、
前記一次側コイルは、前記レールのうち、駅の直前直後区間及び勾配区間の少なくとも一区間に敷設される前記レールの間に配置されていることを特徴としている。

車輪とレールとの粘着係数の不足による加速度への影響は勾配区間で大きい。また、発進時に車輪が停車状態から回転する際においても粘着係数の不足は影響が大きい。そして、確実に停車させようとすると、ブレーキ時（減速時）における粘着力（Ｆ＝μ・Ｗ（μ：粘着係数、Ｗ：荷重））を高めることが望まれる。これらのことにより請求項２記載の発明のように、レールのうち、駅の直前直後区間及び勾配区間の少なくとも一区間に敷設されるレールの間に一次側コイルが配置されていれば、通常走行時と比べて高い粘着力を付与することができ、安定した走行及び確実な停車が可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の鉄道車両システムにおいて、
台車に軸バネ及び軸受を介して車輪の車軸が取り付けられ、かつ前記車輪を回転させるための回転式モータを有して、前記リニア式車両に連結される少なくとも１つのモータ式車両を備えることを特徴としている。

請求項３記載の発明によれば、リニア式車両にモータ式車両が連結されているので、回転式モータによる推進力と、リニアモータによる推進力とを併用してリニア式車両及びモータ式車両を走行させることができる。

請求項４の発明は、請求項３記載の鉄道車両システムにおいて、
前記モータ式車両の前記車軸には、前記リニアモータのリアクションプレートが前記一次側コイルに対向するように固定されていることを特徴としている。

請求項４記載の発明によれば、モータ式車両の車軸にもリアクションプレートが固定されているので、上下方向の吸引力によりモータ式車両における車輪とレールとの粘着力をも高めることができる。

請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の鉄道車両システムにおいて、
前記回転式モータ及び前記一次側コイルを制御する制御部を備え、
通常走行時には、前記制御部は、回転駆動するように前記回転式モータを制御するとともに、磁界が発生しないように前記一次側コイルを制御することを特徴としている。

ここで、通常走行とは、安定した推進力で走行している状態、つまり発進、停車及び勾配区間での走行以外の走行のことである。つまり、通常走行時においては回転式モータの駆動力のみで安定した走行を得ることができるため、請求項５の発明のように通常走行時に、回転式モータが回転駆動し、一次側コイルが磁界を発生させていなければ、効率よく通常走行を行うことが可能となる。

本発明によれば、リアクションプレートと一次側コイルとの間隔が狭められ、さらにリニア式車両が軽量化されていると、少ない供給電力で安定した推進力を得ることができる。これにより、リニアモータによる損失が低減されて、効率のよい走行が可能となる。

本実施形態の鉄道車両システムについて図１を参照にして説明する。図１は鉄道車両システムの概略構成を表す側面図である。この図１に示すように、鉄道車両システム１には、レール２が敷設された軌道３と、レール２に沿って走行する例えば８両編成の列車４とが設けられている。ここで、列車４を構成する８両の車両５のうち、両端から３両がリニア式車両６であり、その他の中央２両がモータ式車両７となっている。また、軌道３におけるレール２の間にはリニアモータの一次側コイル３１が配置されている（図２参照）。この一次側コイル３１はＡＴＳやＡＴＣの列車認識センサに用いることも可能である。

ここで、リニア式車両６について図２を参照にして説明する。図２はリニア式車両６の概略構成を表す正面図である。図２に示すようにリニア式車両６には、車両本体６１と、車両本体６１が載置される台車６２が設けられている。車両本体６１と台車６２との間には、空気バネ６３が介在している。また、台車６２には、軸バネ６５及び軸受６６を介して車輪６７の車軸６８が取り付けられている。車軸６８の下部には、リニアモータの二次導体としてのリアクションプレート６９が一次側コイル３１に対向するように固定されている。この一次側コイル３１によって磁界が発生されると、リアクションプレート６９が励磁されて吸引力と反発力が発生し、推進力が付与されるようになっている。

次にモータ式車両７について図３を参照して説明する。図３はモータ式車両７の概略構成を示す正面図である。モータ式車両７はリニア式車両６と基本構成が一緒であるためにリニア式車両６と同一部分においては同一符号を付して説明を省略する。図３に示すように、モータ式車両７の台車６２には、車輪６７の駆動源となる回転式モータ７１が取り付けられている。回転式モータ７１は、動力を車輪６７に伝達するために、第一ギア７２及び第２ギア７３を介して車輪６７に連結されている。これにより、モータ式車両７は、回転式モータ７１及びリニアモータを駆動源として走行するようになっている。

図４は、鉄道車両システム１の主制御構成を表すブロック図である。図４に示す通り、鉄道車両システム１の制御部８は、回転式モータ７１を制御するモータ用制御機器８１と、一次側コイル３１を制御するコイル用制御機器８２と、ＣＰＵ８３と、ＲＯＭ８４と、ＲＡＭ８５とを備えている。ここで、モータ用制御機器８１は、図示しないもののモータ式車両７における車両本体６１又は台車６２に搭載されており、コイル用制御機器８２は図２に示すように軌道３近傍に設置されている。そして、モータ用制御機器８１及びコイル用制御機器８２は相互に通信して、各々の制御状況を認識できるようになっている。

ＣＰＵ８３は、ＲＯＭ８４に記憶された制御プログラムをＲＡＭ８５に展開して、モータ用制御機器８１及び一次側コイル３１の処理動作を統括的に制御するようになっている。
制御プログラムには、走行時における回転式モータ７１及び一次側コイル３１の稼働タイミングを制御するための走行プログラムがある。図５は、一次側コイル３１の敷設範囲の一例を示す説明図であるが、リニアモータは、一次側コイル３１とリアクションプレート６９とで発生する吸引力及び反発力により推進力を安定させるものであるため、少なくとも推進力の低下が推測される区間、つまり車輪６７とレール２との粘着係数が不足する区間に一次側コイル３１を敷設する必要がある。粘着係数が不足する区間とは、レール２の全長のうち、駅Ｓの直前直後区間（敷設範囲Ｈ１）及び勾配区間（敷設範囲Ｈ２，Ｈ３）である。これらの区間を列車４が走行する際においては、回転式モータ７１による推進力とリニアモータによる推進力とを併用すれば安定した走行が可能となる。ここで駅Ｓの直前直後区間とは、停車時における減速開始位置から発車時における所定速度走行開始位置（惰行を含む。）までの範囲を少なくとも含む区間のことである。一方、敷設範囲Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３以外を走行する通常走行時には回転式モータ７１の推進力のみであっても安定した走行が得られる。これらのことから、走行プログラムは、敷設範囲Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の走行時では回転式モータ７１を回転駆動させるとともに一次側コイル３１から磁界を発生させ、通常走行時では回転式モータ７１を回転駆動させるとともに一次側コイル３１から磁界を発生させないように設定されている。なお、勾配区間は走行方向によって上り坂、下り坂となるが、上り坂を走行する場合は全軸が動軸でないため、軸辺り期待粘着が高くなり、結果として空転滑走を起こしやすくなる。このため、上り坂の走行時にのみ一次側コイル３１の推進力と回転式モータ７１の推進力とを併用することが、期待粘着を下げて空転滑走を防いで、リニア推進力によって全体の推力維持することができ、効率的な走行を図るうえで好ましい。

次に本実施形態の作用について説明する。
走行時、制御部８は走行プログラムに基づいて回転式モータ７１及び一次側コイル３１を制御して列車４を走行させている。例えば、列車４が図５の区間Ａから右方向に走行する場合を例示して説明すると、区間Ａでは通常走行となるために、制御部８は、所定速度で回転駆動するように回転式モータ７１を制御し、磁界を発生しないように一次側コイル３１を制御する。区間Ｂに進入すると、一次側コイル３１が敷設されているものの下り坂なので、この区間Ｂにおいても区間Ａと同様に、制御部８は、所定速度で回転駆動するように回転式モータ７１を制御し、磁界を発生しないように一次側コイル３１を制御する。区間Ｃにおいても同様の制御が施される。区間Ｄでは、上り坂であるので、制御部８は、所定速度で回転駆動するように回転式モータ７１を制御し、磁界を発生するように一次側コイル３１を制御する。また、区間Ｅでは区間Ａと同様の制御が施される。そして、区間Ｆに進入すると、列車４を減速させるために制御部８は、回転数を落としながら回転駆動するように回転式モータ７１を制御し、磁界を発生するように一次側コイル３１を制御する。これにより、列車４は駅Ｓの所定の位置に停車することになる。発車する際においては、列車４を加速するために制御部８は、回転数を高めながら回転駆動するように回転式モータ７１を制御し、磁界を発生するように一次側コイル３１を制御する。その後、区間Ｇに進入すると、所定速度で回転駆動するように回転式モータ７１を制御し、磁界を発生しないように一次側コイル３１を制御する。
つまり、区間Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｇの走行時においては、回転式モータ７１による推進力のみによって列車４は走行し、区間Ｄ，Ｆの走行時においては回転式モータ７１による推進力及びリニアモータによる推進力が併用されて列車４は走行する。

以上のように、本実施形態の鉄道車両システム１によれば、一次側コイル３１がレール２間に配置されて、リアクションプレート６９が車軸６８に固定されていれば、振動によりリニアモータが壊れることを防止でき、リアクションプレート６９と一次側コイル３１との間隔を狭めることが可能となる。また、従来では一次側コイルがリニア式車両に搭載されていたが、この鉄道車両システム１では一次側コイル３１よりも軽いリアクションプレート６９がリニア式車両６に設けられているので、リニア式車両６の総重量を抑えることができる。このうえ、一次側コイル３１がリニア式車両６にないのであれば、一次側コイル３１を制御するコイル用制御機器８２をもリニア式車両６に搭載する必要もないために、さらなる軽量化が可能となる。
このように、リアクションプレート６９と一次側コイル３１との間隔が狭められ、さらにリニア式車両６が軽量化されていると、少ない供給電力で安定した推進力を得ることができる。これにより、リニアモータによる損失が低減されて、効率のよい走行が可能となる。
また、本実施形態では、レール２の全長のうち、駅Ｓの直前直後区間（区間Ｆ）及び勾配区間（区間Ｂ，Ｄ）の少なくとも一区間に敷設されるレール２の間に一次側コイル３１が配置されているので、通常走行時と比べて高い粘着推進力を付与することができ、安定した走行及び確実な停車が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施形態では、一次側コイル３１を駅Ｓの直前直後区間及び勾配区間にのみ配置する場合について説明したが、一次側コイル３１をレール２の全長に亘って配置してもよい。緊急停車時においては停車位置が決まっていないが、一次側コイル３１をレール２の全長に亘って配置していれば、緊急停車時であっても車輪６７とレール２との粘着力を高めることができ確実な停車が可能となる。さらには、地震等の災害時に一次側コイル３１で磁界を発生させれば、リアクションプレート６９との間に磁力が発生するために、脱線、転覆を防止することも可能となる。
そして、リニア式車両６及びモータ式車両７の少なくとも一方に誘導発電コイルを一次側コイル３１に対向するように配置しておけば、一次側コイル３１と誘導発電コイルとによって非接触発電が可能となる。この得られた電力を蓄電するために、リニア式車両６及びモータ式車両７の少なくとも一方に蓄電池を搭載しておけば、発電により得られた電力だけでの走行が可能となる。したがってパンタグラフ架線等の接触集電設備を省略することができる。

本実施形態に係る鉄道車両システムの全体構成を表す説明図である。 図１の鉄道車両システムに備わるリニア式車両の概略構成を表す正面図である。 図１の鉄道車両システムに備わるモータ式車両の概略構成を表す正面図である。 図１の鉄道車両システムの主制御構成を表すブロック図である。 図１の鉄道車両システムに備わる一次側コイルの敷設範囲の一例を示す説明図である。 従来の鉄道車両システムの概略構成を表す説明図である。 図６の鉄道車両システムの変形例を表す説明図である。

符号の説明

１ 鉄道車両システム
２ レール
３ 軌道
６ リニア式車両
７ モータ式車両
８ 制御部
３１ 一次側コイル
６２ 台車
６５ 軸バネ
６６ 軸受
６７ 車輪
６８ 車軸
６９ リアクションプレート
７１ 回転式モータ

Claims (5)

1. リニアモータの一次側コイルがレールの間に配置された軌道と、
   台車に軸バネ及び軸受を介して車輪の車軸が取り付けられ、当該車軸に前記リニアモータのリアクションプレートが前記一次側コイルに対向するように固定された少なくとも１つのリニア式車両とを備えることを特徴とする鉄道車両システム。
2. 請求項１記載の鉄道車両システムにおいて、
   前記一次側コイルは、前記レールのうち、駅の直前直後区間及び勾配区間の少なくとも一区間に敷設される前記レールの間に配置されていることを特徴とする鉄道車両システム。
3. 請求項１又は２記載の鉄道車両システムにおいて、
   台車に軸バネ及び軸受を介して車輪の車軸が取り付けられ、かつ前記車輪を回転させるための回転式モータを有して、前記リニア式車両に連結される少なくとも１つのモータ式車両を備えることを特徴とする鉄道車両システム。
4. 請求項３記載の鉄道車両システムにおいて、
   前記モータ式車両の前記車軸には、前記リニアモータのリアクションプレートが前記一次側コイルに対向するように固定されていることを特徴とする鉄道車両システム。
5. 請求項３又は４記載の鉄道車両システムにおいて、
   前記回転式モータ及び前記一次側コイルを制御する制御部を備え、
   通常走行時には、前記制御部は、回転駆動するように前記回転式モータを制御するとともに、磁界が発生しないように前記一次側コイルを制御することを特徴とする鉄道車両システム。

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