JP2011101555A

JP2011101555A - 電気車駆動システム

Info

Publication number: JP2011101555A
Application number: JP2009256182A
Authority: JP
Inventors: Shingo Makishima; 信吾牧島
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-09
Also published as: JP5606043B2

Abstract

【課題】アクティブサスペンションや軸ばねの可変特性といったハードウェアの追加や変更が不要で、車体の振動乗り心地を改善する手法が必要である。また、電動台車で容易に実現できる手法が望ましい。
【解決手段】車輪を有する台車の上に車体が搭載された電気車であり、台車に装荷された電動機が歯車を内蔵した駆動装置を介して車輪を駆動することにより走行する電気車両において、電動機のトルクにより車体の振動抑制制御を行う。また、台車振動を電動機の回転速度から演算した情報をもとに電動機のトルクにより台車振動を抑制し、間接的に車体の振動の抑制を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車駆動システムに関するものであり、特に振動乗り心地向上に関するものである。

図８から図１１に従来の技術による電気車駆動システムの一例を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。

車体１の運転台にある主幹制御装置２を運転手が操作することにより、加速指令が出力され電動機制御装置３に入力される。電動機制御装置３に入力された加速指令はトルク制御器３１によってトルク指令に変換される。トルク指令は電流制御器３２に入力され、電力変換回路３３に流れる電流がトルク指令と対応した電流となるように電圧指令を生成する。また同時に、電流制御器は電圧指令と電力変換回路３３に流れる電流から電動機６１の回転速度を推定する。電力変換回路３３は、集電装置４の電圧とレール５の電圧を用いて、電圧指令と等価的な電圧を台車６に搭載されている電動機６１に電圧を印加する。（例えば特許文献１）

なお、複数の電動機６１を並列に制御することも可能であるが、ここでは図９に示すように個々の電動機６１を別の電力変換回路３３で駆動する場合を説明する。その場合、電流制御器３２と電力変換回路３３を電動機６１と対応したものを用意し、電流制御器３２に入力されるトルク指令は同一のものとする。

台車６を上から見た図を図１０に、横から見た図を図１１に示す。台車６を横から見た際に構成が複雑でるため、図１１では３つの図に分割したが、全て同一の台車６に組み込まれる構成である。

台車６は走行用の車輪６２が２組あり、車輪６２と台車枠６３は上下方向が軸ばね６４、前後方向は前後支持装置６５で結合されている。また、台車枠６３と車体１は、上下方向が空気ばね６６で、前後方向は牽引装置６７で結合されている。

電動機６１のトルクは、継手６８を介して駆動装置６９に入力される。駆動装置６９の小歯車６９１は歯車箱６９２に取り付けられている。小歯車６９１は車輪６２とつながった大歯車６９３と噛み合って車輪６２を回転させる。この時に、歯車箱６９２が回転運動をすることを防ぐために、台車枠６３と結合する吊りリンク６９４によって歯車箱６９２の回転運動を防止している。

車輪６２はレール５上を走行するが、レール５の凹凸により上下に振動する。上下振動は、軸ばね６４及び空気ばね６６により吸収されるため、車体１に伝達される振動はレールの凹凸のうち一部である。しかしながら、レール５の凹凸が大きいと十分に振動が減衰されずに車体１の振動も大きくなるため、乗り心地の悪化を招く。

軸ばね６４によって台車枠と軸箱の間の振動が吸収されるが、電動機６１は台車枠６３に結合されているため電動機６１と小歯車６９１の相対位置がずれる。そのために、継手６８により電動機６１と小歯車６９１の相対位置がずれてもトルクが伝わるようになっている。

また、車体１は空気力変動によっても振動が発生する。特に他の車体１とのすれ違いや、トンネル通過等では空気力変動も大きいため、車体１が振動し乗り心地悪化を招く。

台車枠６３は上下方向だけでなく、前後が逆方向に動くピッチングといわれる回転運動も行う。凹凸のあるレール５を走行すると台車枠６３は上下振動だけでなくピッチング振動も発生する。ピッチング振動が発生すると、牽引装置６７経由で車体に振動が伝達されるため、車体１の振動を発生させて乗り心悪化を招く。（例えば、非特許文献１）

車体１の振動を抑制するために、アクティブサスペンションを台車枠６３と車体１の間に設ける場合がある。アクティブサスペンションは、車体１の振動を検出して車体１の振動を抑制するような力を発生する。（例えば、特許文献２）

また、軸ばね６４の特性を可変にすることによって、台車枠６３の上下振動を制御し、間接的に車体１の振動の抑制を行う手法も提案されている。（例えば、特許文献３）

特開２００５−１６０２４５号公報特開平７−２６７０８５号公報特開２００５−１４５３１２号公報

鉄道車両の車体、台車及び車体・台車結合要素特製が振動乗り心地に与える影響、日本機械学会論文集（Ｃ編）６６巻６４５号

アクティブサスペンションを搭載するにはコストが増加するため、一部の車両に限定される。また、アクティブサスペンションの力を発生するにはエネルギーが必要であるため、エネルギー源が必要であり、エネルギー消費が増大する。

アクティブサスペンションを制御するためには、振動センサが必要である。振動センサを設けると、コスト増加やセンサの配線や電源が必要となる。また、センサの故障や誤作動があると、制御できなくなるという問題がある。

既存の台車の中には、アクティブサスペンションの搭載が困難な構成や軸ばねの特性を可変にするのが困難なものもある。特に電動台車は構造が複雑なため、アクティブサスペンションの搭載が困難な場合が多く、電動機を有さない付随台車に比べ振動対策が施されない場合が多い。

よって、アクティブサスペンションや軸ばねの可変特性といったハードウェアの追加や変更が不要で、車体の振動乗り心地を改善する手法が必要である。また、電動台車で容易に実現できる手法が望ましい。

請求項１の発明によれば、車輪を有する台車の上に車体が搭載された電気車であり、該台車に装荷された電動機が歯車を内蔵した駆動装置を介して該車輪を駆動することにより走行する電気車両において、該電動機のトルク変動により該車体の振動抑制制御を行うことを特徴とする電気車制御装置。

請求項２の発明によれば、２台の電動機がそれぞれ駆動装置を介して２組の車輪を独立に駆動する電気車制御装置において、前記２台の電動機に逆方向の振動トルクを重畳させることによって前記台車の上下振動の制御を行い間接的に前記車体の振動抑制制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。

請求項３の発明によれば、前記台車の上下振動の絶対速度に比例し速度と逆方向の力が発生するように前記２台の電動機に逆方向のトルクを重畳させることによって前記台車の上下振動の制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。

請求項４の発明によれば、前記電動機のトルクを変動させて前記台車のピッチング振動を制御することにより間接的に前記車体の振動抑制制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。

請求項５の発明によれば、前記電動機のトルクの変動による前記車体の振動抑制の制御は、前記台車の振動を前記電動機の回転速度から演算した情報を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気車制御装置。

請求項６の発明によれば、前記台車の上下振動抑制に用いる上下振動速度は同一台車内の２台の前記電動機の回転速度の差から演算することを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。

請求項７の発明によれば、前記台車のピッチング振動抑制に用いるピッチング速度は、前記台車内の前記電動機の回転速度変動から演算することを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。

アクティブサスペンション等の新たなハードウェアを追加しなくても、車体の振動抑制が可能となる。

本発明の実施例１に係る電気車駆動システムの原理を説明する図である。本発明の実施例１に係る電気車駆動システムの原理を説明する図である。本発明の実施例２に係る電気車駆動システムの制御系の一例である。本発明の実施例３に係る電気車駆動システムの制御系の一例である。本発明の実施例４に係る電気車駆動システムの制御系の一例である。本発明の実施例４に係る電気車駆動システムの原理を説明する図である本発明の実施例４に係る電気車駆動システムの原理を説明する図である従来の技術による電気車駆動システムの一例である。従来の技術による電気車駆動システムの制御系の一例である。従来の技術による電気車駆動システムの台車の上面図の一例である。従来の技術による電気車駆動システムの台車の側面図の一例である。

以下に図面を参照して、本発明にかかる電気車駆動システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１及び図２を用いて請求項１の発明の一実施例について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。

電動機６１のトルクが発生すると、駆動装置６９の小歯車６９１は大歯車周りに公転運動をしようとする。しかしながら、小歯車６９１は歯車箱６９２に設置されており、歯車箱６９２は吊りリンク６９４によって台車枠６３に結合されていることから、小歯車６９１の公転運動を抑制するように力を発生する。この力の反作用が台車枠にかかるため、電動機６１のトルクによって台車枠６３は力を受ける。

また、電動機６１は台車枠６３に設置されているため、電動機６１のトルクの反作用がモーメントとして台車枠６３にかかる。

一例として図１は、２台の電動機６１に逆方向のトルクをかけた場合である。２台の電動機６１に逆方向にトルクをかけた場合、図１に示すように台車枠６３に対して吊りリンクからの力及び電動機６１のトルクの反作用が働く。このうち、電動機６１のトルクの反作用は逆方向に働くため打ち消しあう。しかしながら、吊りリンク６９４によって発生する力によって台車枠の上下方向に重なり合うため、２台の電動機６１に逆方向のトルクをかけることにより、台車枠の上下運動を制御できることがわかる。

別の一例として図２は、２台の電動機６１に同一方向のトルクをかけた場合である。同一方向のトルクをかけた場合、図２に示すように台車枠６３に対して吊りリンク６９４からの力及び電動機６１のトルクの反作用が働く。これらはすべて台車枠６３のピッチング方向のモーメントとして作用することから、２台の電動機に同一のトルクをかけることにより、台車枠６３のピッチング運動を制御できることがわかる。

つまり、２台の電動機６１のトルクを同位相に振動させることにより台車枠６３のピッチング振動を制御でき、逆位相に振動させることにより台車枠６３の上下振動を制御できる。車体１は空気ばね６５を介して台車枠６３と結合していることから、台車枠６３の上下振動を制御することにより、間接的に車体１の振動抑制が可能である。また〔００１２〕で示したとおり、台車枠６３のピッチング振動が牽引装置６７経由で車体に伝達することから、台車枠６３のピッチング振動の制御によって間接的に車体１の振動抑制が可能となる。

図３を用いて請求項２及び請求項３の発明の一実施例について説明するが、実施例１と同一部分は省略する。

加速度センサ６３１がそれぞれの台車枠６３につけられ、台車枠６３の上下振動加速度を検出する。加速度センサ６３１の出力は、積分器３４が積分することにより台車枠６３上下絶対速度に変換される。積分器３４の出力が比例器３５により増幅したものを、該当する台車の電動機６１に対応するトルク指令のうち、一方から減算しもう一方には加算する。

この構成により、台車枠６３の上下絶対速度に比例した振動トルクが２台の電動機６１に逆方向に重畳される。逆方向の振動トルクは、〔００３３〕に示した原理により台車枠６３の上下力として作用する。台車枠６３の上下振動絶対速度に比例した逆方向の力が台車枠６３に発生することにより、台車枠６３の上下振動を抑制できる。

レールに凹凸がある場合、車輪６２→軸ばね６４→台車枠６３→空気ばね６６→車体１の順に減衰しながら伝達される。そこで、台車枠６３の振動を抑制することにより、車体１への振動伝達がなくなり、レールに凹凸があっても車体１の振動を抑制することができる。

図４を用いて請求項４の発明の一実施例について説明するが、実施例１と同一部分は省略する。

台車枠ピッチングセンサ６３２がそれぞれの台車枠６３につけられ、台車枠６３のピッチング角を検出する。台車枠ピッチングセンサ６３２の出力は、積分器３４が積分することによりピッチング角速度に変換される。積分器３４の出力である車体上下の絶対加速度が比例器３５により増幅したものを、該当する台車の電動機６１に対応するトルク指令の両方から減算する。

この構成により、台車枠６３のピッチング角速度に比例した振動トルクが２台の電動機６１に同一方向に重畳される。同一方向の振動トルクは、〔００３４〕に示した原理により台車枠６３のピッチング方向のモーメントとして作用する。台車枠６３のピッチング角速度に比例した逆方向のモーメントが台車枠６３に発生することにより、台車枠６３のピッチング振動を抑制できる。

台車枠６３のピッチング固有振動数は、１０Ｈｚ程度である。台車枠６３の運動が牽引装置６７経由で車体１に伝達されて乗り心地悪化を招くのは、主にこの周波数付近である。台車枠６３のピッチングを抑制することにより、牽引装置６７経由での車体１の振動悪化を防ぐことが可能である。

図５から７を用いて請求項５から７の発明の一実施例について説明するが、実施例１から３までと同一部分は省略する。

図６は台車枠６３が上方向に動いた際の図である。台車枠６３が上方向に動くと、吊りリンク６９４により歯車箱６９２が引っ張られて回転運動をする。歯車箱６９２が回転運動すると歯車箱６９２に設置された小歯車６９１は大歯車６９３回りの遊星歯車運動をするため、回転する。このとき、同一の台車６内の２つの小歯車６９１は逆方向に回転するため、同時に同一の台車６内の２つの電動機６１の回転数も逆方向に変動する。

つまり、同一の台車６内の２つの電動機６１の回転数は台車枠６３の上下運動速度に比例することがわかる。電動機６１の回転数は電流制御器３１内で演算されることから、同一の台車６内の２つの電動機６１に対応した２台の電流制御器３１で演算される回転数差から、台車の上下振動を検出できる。

図７は台車枠６３がピッチング方向に回転した際の図である。〔００４５〕と同様の理由で、小歯車６９１が回転する。また、電動機６１の固定子は台車枠６３に設置されているため台車枠６３のピッチングとともに回転する。電動機６１の回転子は小歯車６９１と同一回転角度となるため、電動機６１は台車枠６３の回転と小歯車６９１の回転の和となる。この場合、２台の電動機６１は同一の変化となるが、問題となる台車枠６３のピッチング振動は固有振動数付近の周波数の振動状態となるため、定常的な回転速度に固有振動数付近の振動が重畳した形となる。

そこで図５に示すように、同一の台車６に搭載されている２台の電動機６１の回転速度の差から台車枠６３の上下振動速度成分を抽出し、２台の電動機６１の回転速度の和をフィルタ３６に通して定常成分を除去したものから台車枠６３のピッチング振動速度成分を抽出する。この抽出した台車枠３６の上下振動成分を用いて実施例２の手法を、ピッチング振動速度成分を用いて実施例３の手法を実施する。

フィルタ３６は２台の電動機６１の回転速度の和から台車枠６３のピッチング振動の固有振動数の周波数付近のみを取り出すことにより、台車枠６３のピッチング速度成分を抽出できる。

本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに有効である。また既存の車両のハードウェアの変更なしに実現できるため、極めて有効である。

１車体
２主幹制御装置
３電動機制御装置
３１トルク制御器
３２電流制御器
３３電力変換回路
３４積分器
３５比例器
３６フィルタ
４集電装置
５レール
６台車
６１電動機
６２車輪
６３台車枠
６３１加速度センサ
６３２台車枠ピッチングセンサ
６４軸ばね
６５前後支持装置
６６空気ばね
６７牽引装置
６８継手
６９駆動装置
６９１小歯車
６９２歯車箱
６９３大歯車
６９４吊りリンク

Claims

車輪を有する台車の上に車体が搭載された電気車であり、該台車に装荷された電動機が歯車を内蔵した駆動装置を介して該車輪を駆動することにより走行する電気車両において、該電動機のトルク変動により該車体の振動抑制制御を行うことを特徴とする電気車制御装置。
２台の電動機がそれぞれ駆動装置を介して２組の車輪を独立に駆動する電気車制御装置において、前記２台の電動機に逆方向の振動トルクを重畳させることによって前記台車の上下振動の制御を行い間接的に前記車体の振動抑制制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記台車の上下振動の絶対速度に比例し速度と逆方向の力が発生するように前記２台の電動機に逆方向のトルクを重畳させることによって前記台車の上下振動の制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。
前記電動機のトルクを変動させて前記台車のピッチング振動を制御することにより間接的に前記車体の振動抑制制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記電動機のトルクの変動による前記車体の振動抑制の制御は、前記台車の振動を前記電動機の回転速度から演算した情報を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
前記台車の上下振動抑制に用いる上下振動速度は同一台車内の２台の前記電動機の回転速度の差から演算することを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
前記台車のピッチング振動抑制に用いるピッチング速度は、前記台車内の前記電動機の回転速度変動から演算することを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。