JP2013055831A

JP2013055831A - 鉄道編成車両駆動システム

Info

Publication number: JP2013055831A
Application number: JP2011193446A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Miyauchi; 努宮内; Motoya Suzuki; 基也鈴木; Toshiharu Sugawara; 俊晴菅原; Atsushi Oda; 篤史小田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】機器を高効率点で動作させるとともに、空転／滑走を少なくすること。
【解決手段】複数の異なる性能で動作する駆動システムで動作する鉄道車両を接続して構成される鉄道編成車両において、高出力時に効率が良くなる車両と低出力時に効率が良くなる車両を組み合わせ、粘着余力が少ないと思われる進行方向側の車両を低出力時に効率が良くなる車両、中間側に高出力時に効率が良くなる車両を設け、あらかじめ進行方向側の車両を低出力で、中間車を高出力となるように組み合わせて走行することが可能な車両配置および駆動システムを備えることで達成する。
【選択図】図１

Description

鉄道車両を駆動する駆動システムに関する。

環境への影響を少なくするために消費エネルギーの低減が必要である。鉄道システムの走行におけるエネルギーは、鉄道システム全体の約７０％を占めるといわれており、走行中の省エネルギーが欠かせない。消費エネルギーの低減方法としては、機器を高効率な動作点で動かすことが必要である。また、車輪部にて空転／滑走が発生した場合、そのエネルギーは路面に対するエネルギーとはなっていないため無駄である。このため、空転／滑走を少なくすることも、無駄なエネルギーを発生させないためには必要である。この問題を解決するための１つの方法として、空転／滑走が発生した車両の出力を下げ、空転／滑走が発生していない車両で、その分の出力を補填することで、走行性能を維持しつつ空転／滑走を低減する方法が例えば特許文献１に開示されている。

特開２００４−３２８８９３号公報

しかしながら、特許文献１では、空転／滑走は低減できるものの、車両駆動システムそれぞれの効率は最適点で動作しているとはいえない。その理由は、空転／滑走が起こらない状況で動作するものとして駆動システムの設計をしているため、駆動出力を変化させた場合に必ずしも高効率で駆動している保証はないためである。

本発明の目的は、駆動装置をより高い効率で動作させることができる。さらには、空転／滑走を少なくすることである。

本発明は上記目的を達成するために、車両を駆動する複数の駆動装置を有する鉄道編成車両駆動システムにおいて、出力トルクに対する効率の特性が異なる２種類以上の駆動装置を有する。さらには、高出力時に効率が良くなる車両と低出力時に効率が良くなる車両を組み合わせる。さらには、粘着余力が少ないと思われる先頭（後尾）を低出力時に効率が良くなる車両、中間側に高出力時に効率が良くなる車両を設ける。さらには、あらかじめ先行（後尾）を低出力で、中間車を高出力となるように組み合わせて走行することが可能な車両配置および駆動システムを備える。

機器をより高い効率で動作させることができる。さらには、空転／滑走を低減することができ、省エネに寄与する。

実施例１における編成車両の構成を示す図。実施例１における各駆動装置の出力トルクを示す図。実施例１における各駆動装置の駆動効率を示す図。編成列車の各駆動装置に単一特性の駆動装置を用いた場合の効率マップを示す図。低出力トルクの駆動装置に対して、別の特性を設定した場合の効率マップを示す図。実施例２における編成車両の構成を示す図。実施例２における各駆動装置の出力トルクを示す図。実施例２における各駆動装置の駆動効率を示す図。実施例２におけるユニットの定義方法を示す図。実施例３における編成車両の構成を示す図。実施例３における各駆動装置の出力トルクを示す図。実施例３におけるユニットの定義方法を示す図。実施例４における編成車両の構成を示す図。実施例４における各駆動装置の出力トルクを示す図。実施例４におけるユニットの定義方法を示す図。

以下に各実施例について、図面を使って実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明を実現する本実施例の編成車両の構成を示す図である。進行方向より車両１０１１，１０１２，…，１０１ｎ（ｎは車両数）が接続して１つの編成として動作する編成車両とし、それぞれの車両には、車両を動作させるための駆動装置１０２ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）が備えられているとする。また、図２は、本実施例の各駆動装置の出力トルクを示す図であり、図４は、本実施例の各駆動装置の効率を示す図である。車両１０１ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）の駆動装置の出力トルクは１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）である。前記出力トルク１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）を出している場合の効率を１０４ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）とする。前記出力トルク１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）を合計し、車両数ｎで割ったときの出力トルクすなわち各車両で平均トルクＴｒを、前記駆動装置１０２ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）が出している時の、各駆動装置の効率を１０５ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）とする。この場合、進行方向側の先頭の車両１０１１の出力トルク１０３１が他の出力トルク１０３２〜１０３ｎよりも低くなっており、または平均トルクＴｒよりも低くなっている。進行方向から最も離れている後尾の車両１０１ｎの出力トルク１０３ｎが前記車両１０１１の出力トルク１０３１よりも高い構成となっている。また、その出力トルク１０３１を用いた場合の効率１０４１が、前記平均トルクＴｒを出した時の効率１０５１よりも高いことを示している。

鉄道車両は、鉄で作成された車輪が鉄のレール上で加減速して運行するが、鉄の摩擦係数は小さく、降雨時などにおいては、レールが濡れるため更に摩擦力が小さくなる。また、鉄道車両は、決められた線路の上を走行するという特徴を有するため、進行方向側の先頭の車両が、その後に繋がる車両よりも、その摩擦力の低下の影響を受けやすくなる。このため、進行方向側の先頭の車両のトルクを低くすることは空転／滑走を抑制することになる。

本構成では、進行方向の車両１０１１の出力トルク１０３１が、他の出力トルク１０３２〜１０３ｎよりも低くなっており、または平均トルクＴｒよりも低くなっていることから空転／滑走を抑制することが可能である。なお、本実施例においては、前記駆動装置１０２ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）が、上記したそれぞれの出力トルク１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）を出した時の効率１０４ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）が、平均トルクＴｒを出した時の効率１０５ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）より高効率となっており、望ましくは、さらに出力トルク１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）を出した時の効率１０４ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）が最も良くなるように駆動装置１０２ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）を設計することである。

図４及び図５に、ある特性の駆動装置における出力トルク１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）と回転数に対する効率マップを示す。図４は、編成車両の各駆動装置１０２ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）の特性を単一特性とした場合における、出力トルク１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）と回転数に対する効率マップである。また、回転数−出力トルクの特性に合わせて効率が決まるものとしており、横軸を回転数、縦軸を出力トルクとし、８２，８５，８８，９２，９５はそれぞれ効率等高線を示している。編成車両の各駆動装置の特性を単一特性とした場合には、前記駆動装置１０２１の出す出力トルクでは、１０２２，１０２ｎと比較して効率が悪くなることが分かる。

そこで、図５に示すように、先頭車両の前記駆動装置１０２１の特性を前記駆動装置１０２１が出す出力トルク１０３１（低トルク出力）で効率が良くなるように、または、低出力トルクかつ低回転数領域において動作効率が良くなるように、または、低出力トルクかつ高回転数領域において動作効率が良くなるように設計する。他の車両の前記駆動装置１０２ｘ（ｘ＝２，…，ｎ）の性能を図２に示すように高トルク出力で効率が良くなるように、または、高トルク出力かつ低回転数領域において動作効率が良くなるように、または、高出力トルクかつ高回転数領域において動作効率が良くなるように設計する。

このように設計することで、駆動装置をより高い効率で動作させつつ、空転／滑走を低減するという目的を達成する。すなわち、異なる特性の駆動装置を備えた車両により編成を構成する、さらには、先頭車両の駆動装置が他の駆動装置よりも低い出力トルクで高効率となるように構成することで、本発明を実施することができる。

なお、図４および図５から、編成車両において各車両の駆動装置で必要とされる出力トルクに合わせて、駆動装置の特性を決めることで各駆動装置の効率が大きく向上することが分かる。また、各駆動装置の特性の決定方法としては、車両が走行した場合に各駆動装置で発生する摩擦力以下となる出力トルクで高効率となるように各駆動装置の特性を決定すると良い。

また、図３に示すように上述した例では、簡単に最適効率点は各駆動装置とも同一としているが、駆動装置毎に最適効率点が異なっても本発明の内容を妨げるものではない。

さらに、本実施例では編成車両内の全ての車両に１つの駆動装置があるという前提で記述したが、必ずしもその必要はなく、編成車両内の２両以上に駆動装置が存在する、または編成車両内に２つ以上の駆動装置が存在する場合において、特性の異なる駆動装置を備えることで本発明は適用可能である。

以上のことから、上記実施例を実現することで、駆動装置を高効率点で動作させるとともに、空転／滑走を少なくするという本発明の目的を達成することが可能となる。

なお、他の実施形態として、例えば図４〜図６に示すような車両構成であっても、本発明の効果を達成することが可能である。

図６〜図９を用いて、実施例２について説明する。図６は、実施例２における編成列車の構成を示す図である。進行方向から車両４０１１，４０１２，４０１３，４０１４，４０１５，４０１６で構成される６両編成の車両である。図示していないが、図６に示す各車両は駆動装置を備えている。図７は、各車両の駆動装置が出力する出力トルクを示している。それぞれの車両に搭載された駆動装置が出す出力トルクは４０２１，４０２２，４０２３，４０２４，４０２５，４０２６である。

図８は、各車両に搭載された各駆動装置の駆動効率を示す図である。各駆動装置が出力トルクとして、図７に示すように出力トルク４０２１，４０２２，４０２３，４０２４，４０２５，４０２６を出力した場合の各駆動装置の効率は４０３１，４０３２，４０３３，４０３４，４０３５，４０３６である。また、各車両の駆動装置が出す出力トルクを合計し、車両数６で割った値（すなわち平均トルク）を各駆動装置が出力した場合の効率を、それぞれ４０４１，４０４２，４０４３，４０４４，４０４５，４０４６とする。本実施例では、先頭の車両４０１１の駆動装置が出す出力トルク４０２１と中間車である車両４０１３の駆動装置の出す出力トルク４０２３が他の駆動装置の出力トルクと比較して低い。また、先頭車両の出力トルク４０２１に比べて中間車である車両４０１３の駆動装置が出す出力トルク４０２３の方が小さい。

図９は、編成車両を同じ車両数となるように複数分割し、それぞれを１つのユニットと定義する場合の、ユニット定義方法を示す図である。

この実施例では、中間車両の出力トルク４０２３が先頭車両の出力トルク４０２１よりも低いが、先頭側ユニットの複数の駆動装置の平均出力トルクは、後尾側ユニットの複数の駆動装置の平均出力トルクよりも低くなっており、また、出力トルクの低い車両４０１１，４０１３の駆動装置が出力トルク４０２１，４０２３で動作した場合の効率は、例えば図５に示すように高効率となっているため、本発明の効果を達成している。

また、最も進行方向側のユニットに所属する鉄道車両のうちの少なくとも１つの車両の駆動装置が出す出力トルクが、同一編成車両内の他のユニット内に所属する車両の駆動装置が出す出力トルクよりも低く、かつ当該低出力トルクを出力する駆動装置が当該低出力トルクで動作した場合の効率が、編成車両全体の合計トルクを基に計算した１台あたりの平均トルクで動作させた場合よりも例えば図５に示すように高効率であるため、本発明の効果を達成している。

図９に示すように、ユニットの定義１両／ユニット，２両／ユニット，３両／ユニットの中で、ユニット定義を３両／ユニットとした場合に、最も進行方向側のユニットの駆動装置の少なくとも１つが低トルク出力で高効率となる特性を有しているため、本実施例は本発明に属することが分かる。

図１０〜図１２を用いて、実施例３について説明する。図１０は、実施例３における編成列車の構成を示す図である。進行方向から車両５０１１，５０１２，５０１３，５０１４，５０１５，５０１６，５０１７で構成される７両編成の車両である。図示していないが、図１０に示す各車両は駆動装置を備えている。図１１は、各車両の駆動装置が出力する出力トルクを示している。それぞれの車両の駆動装置が出す出力トルクを５０２１，５０２２，５０２３，５０２４，５０２５，５０２６，５０２７とする。

本実施例では、先頭の車両５０１１の駆動装置が出す出力トルク５０２１と中間車である車両５０１３の駆動装置の出す出力トルク５０２３が他の駆動装置の出力トルクと比較して低い。また、先頭車両５０１１の駆動装置が出す出力トルク５０２１に比べて中間車である車両５０１３の駆動装置が出す出力トルク５０２３が小さい。

図１２は、編成車両を同じ車両数となるように複数分割し、それぞれを１つのユニットと定義する場合の、ユニット定義方法を示す図である。

この実施例では、中間車両の出力トルク５０２３が先頭車両の出力トルク５０２１よりも低いが、先頭側ユニットの複数の駆動装置の平均出力トルクは、後尾側ユニットの複数の駆動装置の平均出力トルクよりも低くなっており、また、出力トルクの低い車両５０１１，５０１３の駆動装置が出力トルク５０２１，５０２３で動作した場合の効率は、例えば図５に示すように高効率となっているため、本発明の効果を達成している。

本実施例では、素数の鉄道車両が繋がることで構成される鉄道編成車両を、中間車両を除いて同じ車両数となるように複数分割し、それぞれを１つのユニットとした鉄道編成車両において、最も進行方向側のユニットに所属する鉄道車両のうちの少なくとも１つの車両が出すトルクが、同一鉄道編成車両内の他のユニット内に所属する鉄道車両が出すトルクよりも低く、かつ当該低出力トルクを出力する駆動装置が当該低出力トルクで動作した場合の効率が、鉄道編成車両全体の合計トルクを基に計算した１台あたりの平均トルクで動作させた場合よりも例えば図５に示すように高効率であるため、本発明の効果を達成している。

図１２に示すように、１両／ユニット，２両／ユニット，３両／ユニットで考えることができる。この時、ユニットの定義を３両／ユニットとした場合に、最も進行方向側のユニットの駆動装置の少なくとも１つが低トルク出力で高効率となる特性を有しているため、本実施形態は本発明に属することが分る。

図１３〜図１５を用いて、実施例４について説明する。図１３は、実施例４における編成列車の構成を示す図である。

進行方向から車両６０１１，６０１２，６０１３，６０１４，６０１５，６０１６，６０１７で構成される７両編成の車両である。図示していないが、図１３に示す各車両は駆動装置を備えている。図１４は、各車両の駆動装置が出力する出力トルクを示している。それぞれの車両の駆動装置が出す出力トルクを６０２１，６０２２，６０２３，６０２４，６０２５，６０２６，６０２７とする。

本実施例では、進行方向の先頭の車両６０１１の駆動装置と進行方向と逆方向の後尾の車両６０１７の駆動装置が出すそれぞれの出力トルク６０２１および６０２７が最も低い。さらに車両６０１２の駆動装置が出す出力トルク６０２２と車両６０１６の駆動装置が出す出力トルク６０２６が次に低い値となっている。車両６０１３の駆動装置が出す出力トルク６０２３と車両６０１５の駆動装置が出す出力トルク６０２５が、次に低い値となっている。車両６０１４の駆動装置の出力トルク６０２４は最も高い値となっている。また、各駆動装置は、図１４に示す出力トルクにて動作する際の効率は、鉄道編成車両全体の合計トルクを基に計算した１台あたりの平均出力トルクで動作させた場合よりも高効率となるような特性となっている。

本実施例のように、複数の鉄道車両が繋がることで構成される鉄道編成車両において、鉄道編成車両内の中間点を挟んで対称となるようにトルクを出力し、かつそれぞれの駆動装置が図１４に示す各出力トルクにて動作した場合の効率が、鉄道編成車両全体の合計トルクを基に計算した１台あたりの平均トルクで動作させた場合よりも例えば図５に示すように高効率である。

鉄道車両は、一般的に双方向に進行することが多いため、本実施例のように車両の先頭車両及び後尾車両の駆動装置の特性を、中間車両の駆動装置の出力トルク６０２４よりも低いトルクで高効率となるように設計することにより、または、中間車両６０１２〜６０１６の複数の駆動装置の出力トルク６０２２〜６０２６の平均値よりも低いトルクで高効率となるように設計することにより、どちらの方向に進む場合においても、本発明の効果を達成することができる。

各実施例では、複数の編成列車の構成や複数の各駆動装置の特性の組み合わせについて説明したが、その共通する技術思想は、高トルク出力時に効率が良くなる車両と低トルク出力時に効率が良くなる駆動装置を組み合わせて編成列車の駆動装置を構成し、粘着余力が少ないと思われる先頭側（後尾側）を低トルク出力時に効率が良くなる駆動装置、中間側に高トルク出力時に効率が良くなる駆動装置を設けることにより、より高い効率で動作させることができる。

さらに、あらかじめ先頭側（後尾側）の駆動装置を低トルク出力とし、中間車の駆動装置を高トルク出力となるように運転することにより、高効率での動作と、空転／滑走の低減を両立することが可能となります。

８２，８５，８８，９２，９５効率等高線
１０１ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ），４０１１，４０１２，４０１３，４０１４，４０１５，４０１６，５０１１，５０１２，５０１３，５０１４，５０１５，５０１６，５０１７，６０１１，６０１２，６０１３，６０１４，６０１５，６０１６，６０１７車両
１０２ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ）駆動装置
１０３ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ），４０２１，４０２２，４０２３，４０２４，４０２５，４０２６，５０２１，５０２２，５０２３，５０２４，５０２５，５０２６，５０２７，６０２１，６０２２，６０２３，６０２４，６０２５，６０２６，６０２７出力トルク
１０４ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ），１０５ｘ（ｘ＝１，２，…，ｎ），４０３１，４０３２，４０３３，４０３４，４０３５，４０３６，４０４１，４０４２，４０４３，４０４４，４０４５，４０４６効率
ｎ車両数
Ｔｒ平均トルク

Claims

車両を駆動する複数の駆動装置を有する鉄道編成車両駆動システムにおいて、
出力トルクに対する効率の特性が異なる２種類以上の駆動装置を有する鉄道編成車両駆動システム。
請求項１の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
特性の異なる２種類以上の駆動装置は、低トルク出力の場合に高効率の駆動装置と、高トルク出力の場合に高効率である駆動装置と、を有することを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項２の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
特性の異なる２種類以上の駆動装置は、低トルク低回転出力の場合に高効率の駆動装置と、高トルク高回転出力の場合に高効率である鉄道車両の組み合わせであることを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項１の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
特性の異なる２種類以上の駆動装置は、低トルク高回転出力の場合に高効率の駆動装置と、高トルク低回転出力の場合に高効率である駆動装置と、を有することを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
進行方向の先頭車両の駆動装置が、他の駆動装置の出力トルク又は全駆動装置の平均出力トルクよりも低い出力トルクで高効率となる特性を有することを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
前記鉄道編成列車は、３両以上の車両で構成されており、
進行方向の先頭車両に搭載された駆動装置は、中間車両に搭載された駆動装置と比較して低いトルク出力の場合、または中間車両の搭載された複数の駆動装置の平均出力トルクよりも低いトルク出力の場合に、高効率となる特性を有することを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
鉄道編成車両を同じ車両数となるように複数分割し、それぞれを１つのユニットとした場合に、
最も進行方向側のユニットに所属する駆動装置のうちの少なくとも１つの駆動装置の出力トルクが、同一鉄道編成車両内の他のユニット内に所属する駆動装置の出力トルクよりも低く、
最も進行方向側のユニットに所属する前記駆動装置は、当該低い出力トルクで動作した場合の効率が、鉄道編成車両全体の合計トルクを基に計算した駆動装置１台あたりの平均トルクで動作させた場合の効率よりも、高効率であることを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
車両数が素数である鉄道編成車両を、中間車両を除いて同じ車両数となるように複数分割し、それぞれを１つのユニットとした場合に、
最も進行方向側のユニットに所属する駆動装置のうちの少なくとも１つの駆動装置の出力トルクが、同一鉄道編成車両内の他のユニット内に所属する駆動装置の出力トルクよりも低く、
最も進行方向側のユニットに所属する前記駆動装置は、当該低い出力トルクで動作した場合の効率が、鉄道編成車両全体の合計トルクを基に計算した駆動装置１台あたりの平均トルクで動作させた場合の効率よりも、高効率であることを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項６に記載の鉄道編成車両駆動システムにおいて、
鉄道編成車両内の中間点を中心に対称となるような出力トルク配分で駆動装置からトルクを出力し、
前記出力トルク配分で動作した場合の駆動装置の効率が、鉄道編成車両全体の合計トルクを基に計算した１台あたりの平均トルクで動作させた場合よりも高効率であることを特徴とする鉄道編成車両駆動システム。
請求項１乃至請求項９に記載の鉄道編成車両駆動システムを備えた鉄道編成車両。