JP2010124555A - 電動台車 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな台車枠のピッチング検出手段を設けずに、台車枠のピッチング運動を抑制する。
【解決手段】複数の車軸を有し、車軸のすべてもしくは一部が電動機により直接もしくは歯車装置を介して駆動されるピッチング回転を許容する構造を有す電動台車であり、前記ピッチング回転を検出しそれをもとに前記電動機のトルク指令を操作することにより前記ピッチング回転を抑制する制御を行う電動台車において、前記ピッチング回転の検出は前記電動機の制御に用いる電動機回転速度情報から演算することを特徴とする電動台車。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用台車のピッチング運動を抑制するためのものであり、特にピッチング運動の検出手法に関するものである。

一例として図３から図６に従来の技術による電動台車の構成図を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。

２本の車軸１にはそれぞれ両端に走行用の車輪２が備えられている。車輪２はレール３の上に乗り、摩擦による接線力Fにより前後方向の力を発生する。車軸２の両端は、軸箱４が設置されている。軸箱４と台車枠５は、上下方向は軸ばね６によって、前後方向は前後支持装置７によって結合されている。この構成により、台車枠５は上下に振動可能となり、前後方向の力の伝達が可能となる。

電動機８は、台車枠５に結合されている。駆動装置９は歯車装置で構成されており、電動機８の駆動トルクTを車軸に伝達する。なお、図４では省略されているが、台車枠５が振動しても駆動トルクTの伝達が可能なように、駆動装置９には継手が装備されている。
台車枠５と車体１０の間は、上下方向は空気ばね１１、前後方向は牽引装置１２によって結合されている。この構成によって、車体１０は台車枠５の振動が直接伝わらずに、前後方向の力の伝達が可能となる。

電動機制御装置１３は、電流検出器１４で検出した電動機８に流れる電流iを入力し、駆動トルクTがトルク指令T*となるような電圧vを電動機８に印加する。電動機８に誘導電動機を用いる場合、電動機制御装置１３は電動機回転速度ωmが必要となる。電動機回転速度ωmは、図５のように電動機８に直接取り付けられた回転速度検出器１５から得られる場合が多いが、図６のように電動機８の印加電圧v及び電流iから計算される速度演算装置１６も実用化されている（たとえば特許文献１）。

台車枠５の運動のうち、台車枠５の前後が上下逆方向になるような回転運動をピッチングという。

ここで、台車枠５のピッチング運動の発生要因のうち、電動機８の駆動トルクTに起因するものに注目する。台車枠５にかかるモーメントの中で、駆動トルクTによってピッチング方向に影響するものは次のようなものがある。

第一として、電動機８の駆動トルクTが駆動装置９を介し車輪２とレール３の間の接線力Fとなることに起因するものである。接線力Fは、前後支持装置７を介して台車枠５に伝わる。ここで、前後支持装置７の力の作用点が台車枠５のピッチング回転中心よりずれている場合、台車枠５にピッチング方向のモーメントが生じる。接線力Fは駆動トルクTに比例した値とみなすことができるため、電動機８の駆動トルクTによって台車枠８に発生するモーメントが変化する。

第二として、電動機８の駆動トルクTの反力が台車枠５に加わることに起因するものである。特に、電動機８の軸が車軸２と平行である場合、電動機８の駆動トルクTの台車枠５にかかる反力はピッチング方向のモーメントとなる。

第三として、台車枠５における牽引装置１２の前後力の発生する点が、台車枠５のピッチング回転中心と上下方向にずれた場合、牽引装置１２の前後力は台車枠５のピッチングのモーメントとして作用する。牽引装置１２の前後力は、接線力Fの和とつりあうことから、これも駆動トルクTに比例したモーメントとなる。

主に上の３つの要因から、駆動トルクTにより台車枠５にピッチング方向のモーメントが変化する。すなわち、駆動トルクTを急変させると、台車枠５のピッチング運動を誘発することを意味する。

電動台車では、雨天等で車輪２とレール３の間の摩擦係数が低下すると接線力Fが発生できなくなり車輪２が空転を発生する。その場合には電動機８のトルク指令T*を低下させて駆動トルクTを急激に絞り込む制御を行うが、電動機８の駆動トルクTを急激に変化させることにより台車枠５のピッチング運動を誘発する。

一方で、駆動トルクTにより台車枠５にピッチング方向のモーメントが変化することは、駆動トルクTによって台車ピッチング運動の制御が可能であることを意味する。台車枠５のピッチング運動を抑制するには、図７に示すように台車枠５のピッチング速度ωpに定数１７を乗じたものの符号を変えトルク指令T*に重畳すればよい。（例えば非特許文献１）
平成６年電気学会産業応用部門大会講演論文集１８４空転再粘着時の動的軸重移動補償法の検討 特開２００５−１６０２４５公報 特開２００６−２３８５１３公報

非特許文献１では、台車枠５のピッチング速度を用いて台車枠５のピッチング運動を抑制することが示されている。しかしながら、通常の台車では台車枠５のピッチングの速度検出装置はついていないため、新たな検出器が必要である。

一方で特許文献２においては、台車枠５と車体１０の間の変位を検出することにより台車ピッチング運動を検出している。しかしながら、台車枠５と車体１０の間に変位検出器を設けることは構造上困難な場合がある。また、既存の台車にこの手法を適用する場合、新たな変位検出器を設ける必要がある。

このようなことから、台車ピッチング運動の検出のための新たな検出器が不要な台車ピッチング運動の検出手段が望まれる。

請求項１の発明によれば、複数の車軸を有し、前記車軸のすべてもしくは一部が電動機により直接もしくは歯車装置を介して駆動されるピッチング回転を許容する構造を有する電動台車であり、前記ピッチング回転を検出しそれをもとに前記電動機のトルク指令を操作することにより前記ピッチング回転の振動を抑制する制御を行う電動台車において、前記ピッチング回転の検出は前記電動機の制御に用いる電動機回転速度から演算することを特徴とする電動台車。

請求項２の発明によれば、請求項１の電動台車において、前記電動機回転速度を前記台車ピッチング運動の固有振動数付近の周波数のみを抽出したものに係数を掛けたものを電動機トルク指令に重畳することによりピッチング回転の振動を抑制することを特徴とする電動台車。

請求項３の発明によれば、請求項１もしくは請求項２の電動台車において、前記ピッチング回転の検出の演算に用いる前記電動機回転速度は、前記電動機に取り付けられている回転速度検出器であることを特徴とする電動台車。

請求項４の発明によれば、請求項１もしくは請求項２の電動台車において、前記ピッチング回転の検出の演算に用いる前記電動機回転速度は、前記電動機に取り付けられている回転速度検出器を用いずに、前記電動機に印加される電圧及び前記電動機に流れる電流から演算されることを特徴とする電動台車。

本発明により、新たな台車枠のピッチング運動の検出装置を設けることなく台車ピッチングの制御が可能となる。また、既存の電動台車に対しても、制御演算の改良のみで対応可能であるため極めて有用である。

台車ピッチング運動の検出のための新たな検出器が不要な台車ピッチング運動の検出手段を備えることにより、台車ピッチングの抑制が可能となる。

図１は請求項１から請求項３の電動台車の一実施例である。図１を用いて請求項１から請求項３の電動台車について説明するが、従来例と同一部分は省略する。

電動機８は台車に装荷されているため、台車枠５がピッチング運動を生じるとピッチング回転速度ωpが電動機回転速度ωmに重畳されることとなる。

電動機回転速度ωmは、車輪１の回転速度をωr、駆動装置９のギア比をGr、ピッチング回転速度ωpにより、次のように表すことができる。

ωm＝Gr×ωr＋ωp 式（１）

電動台車において、通常は車輪１の回転速度ωrが急変することはないため式（１）の第1項が急変することはない。一方で台車枠５のピッチング回転速度ωpは、ピッチング運動発生時において振動成分となる。台車枠５のピッチング運動の周波数は、機械的な固有振動数付近が問題となるため、固有振動数付近の周波数成分のみを抽出すればよい。鉄道用電動台車の台車枠５のピッチングの固有振動数は、おおむね5〜10Hz程度となるため、この周波数帯域の成分を抽出すればよい。通常は車輪１の回転速度ωrの変動周波数はより低いため、台車枠５のピッチングの固有振動数付近のみの成分を抽出することにより、車輪１の回転速度ωrの影響を受けずに台車枠５のピッチング回転速度ωpを抽出可能である。

すなわち、回転速度検出器１５によって得られた電動機回転速度ωmから、台車枠５のピッチングの固有振動数付近のみの成分を抽出する周波数フィルタ１８を用いてこの周波数成分を抽出することにより、台車枠５のピッチング運動の抑制に用いるピッチング回転速度ωpを生成することができる。周波数フィルタ１８は、特定の周波数成分のみを抽出ために、バンドパス特性とする。

以上の構成により、新たなピッチング検出器や、台車枠５と車体１０の間に変位検出手段を設けることなく、台車枠５のピッチング運動の抑制制御が可能となる。また、既存の電動台車からも、制御演算の改良のみで実現可能である。

次に図２に基づき請求項４の発明の一実施例を説明するが、実施例１と同一部分は省略する。

電動機回転速度ωmは、回転速度検出器１５を用いずに、速度演算装置１６から演算したものとする。この場合、回転速度検出器１５は、他の目的で利用されるために必要なこともあるが、必要のない場合は回転速度検出器１５は不要となる。

本発明により、新たな検出器が不要で台車ピッチングの抑制が可能であり、電気鉄道だけでなく、電気自動車や電動搬送車用の電動台車として極めて有効である。特に、既存の電動台車に対しても制御演算の改良のみで本発明の適用が実現できるため、極めて有効性の高い発明である。

請求項１から請求項３の一実施例を表した構成図である。 請求項４の一実施例を表した構成図である。 従来の技術による車両用台車の側面から見た構成図である。 従来の技術による車両用台車の上面からみた構成図である。 従来の技術による車両用台車の制御ブロック図の一例である。 従来の技術による車両用台車の制御ブロック図の一例である。 従来の技術による車両用台車の制御ブロック図の一例である。

符号の説明

１ 車軸
２ 車輪
３ レール
４ 軸箱
５ 台車枠
６ 軸ばね
７ 前後支持装置
８ 電動機
９ 駆動装置
１０ 車体
１１ 空気ばね
１２ 牽引装置
１３ 電動機制御装置
１４ 電流検出器
１５ 回転速度検出器
１６ 速度演算装置
１７ 定数
１８ 周波数フィルタ

Claims (4)

1. 複数の車軸を有し、該車軸のすべてもしくは一部が電動機により直接もしくは歯車装置を介して駆動されるピッチング回転を許容する構造を有する電動台車であり、該ピッチング回転を検出しそれをもとに該電動機のトルク指令を操作することにより前記ピッチング回転の振動を抑制する制御を行う電動台車において、前記ピッチング回転の検出は前記電動機の制御に用いる電動機回転速度から演算することを特徴とする電動台車。
2. 請求項１の電動台車において、前記電動機回転速度を前記台車ピッチング運動の固有振動数付近の周波数のみを抽出したものに係数を掛けたものを電動機トルク指令に重畳することによりピッチング回転の振動を抑制することを特徴とする電動台車。
3. 請求項１もしくは請求項２の電動台車において、前記ピッチング回転の検出の演算に用いる前記電動機回転速度は、前記電動機に取り付けられている回転速度検出器であることを特徴とする電動台車。
4. 請求項１もしくは請求項２の電動台車において、前記ピッチング回転の検出の演算に用いる前記電動機回転速度は、前記電動機に取り付けられている前記回転速度検出器を用いずに、前記電動機に印加される電圧及び前記電動機に流れる電流から演算されることを特徴とする電動台車。
   

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