JP2013169965A - 発電装置を備えた鉄道車両用台車およびその台車を備える鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置を備えた鉄道車両用台車において、台車振動から効率的に発電可能な発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置を備えた鉄道車両用台車において、台車枠３もしくは軸箱体４に、それらに固定した金属部材１２、１４と弾性体１３で構成される振動増幅機構１０に発電素子１１を固定した構成となっていて、さらに振動増幅機構１０の固定位置が台車中心よりレール長手方向、幅方向の端部の位置である。発電装置で発電された電力は車両用センサ８や無線装置２１へ供給される。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置を備えた鉄道車両用台車およびその台車を備える鉄道車両に関する。

鉄道車両では、安全安定輸送の確保が必須である。鉄道車両を構成する構成要素（部品）の内、特に走り装置と呼ばれる台車は、走行安定性、曲線通過安全性に影響を及ぼす構成要素である。このため、台車の軸ばねなどの台車部品に異常発生した場合や、軌道線形（曲線半径・カント・軌道不整）が外的な要因で管理値よりも大きく乖離する場合には、脱線や転覆などの重大事故につながる恐れがある。

このような背景より、台車振動を常時監視することで台車および軌道状態をモニタリングし、台車振動が管理値超過した時には警告を発するシステムが実用化されている。

このようなモニタリング系を構成するには、台車への振動測定センサの搭載が必要であり、それに伴ってセンサへの電力を供給する電力供給源、および、電力供給源とセンサとを接続する配線などを追加する必要がある。一般的に、車体には補助機器（空調装置などのサービス用機器）へ電力を供給する電力供給源が搭載されているため、台車に備えられるセンサへ電力を供給する配線を車体と台車との間に敷設する必要がある。

鉄道車両が急曲線および連続する分岐器などを通過する時など、台車は水平面内において台車の中心部（車体に備えられる中心ピンの周り）を支点に旋回するため、車体と台車との偏軌条件を考慮して、台車と車体と間に敷設される配線長を検討するだけでなく、配線と車体あるいは台車との固定構造および干渉の有無を検討するなどの手間が必要となっていた。

さらに、鉄道車両の検査または修理（検修作業）時に、車体と台車とを分離する場合があり、このような場合に配線を切り離すとともに、検修作業終了時には切り離された配線を復帰するする必要があった。
公知技術として特許文献１に示すように、車軸に振動発電機を搭載して、該発電機からの電力を蓄電する発明がある。

特開２００８−１６８７６１号公報

特許文献１に示される方法では、鉄道車両の輪軸において、車軸端に太陽電池パネル、もしくは、振動発電機を設けている。更に振動発電機で得た電力を充電できる蓄電装置、および、輪軸異常発生時に車両の運転台か車両の中継局に対して異常を通報する無線装置を設けている。
かかる構成により、車両走行中に輪軸異常発生時に無線により自車両の運転台または車両の中継局に通報することを目的としている。

一般的に発電素子では発電効率の良い周波数帯域を有しており、振動体の発電効率の良い周波数とずれてしまうと発電効率が低下しまい、必要とされる発電量を得られない場合がある。上記の構成は、車軸端に発電装置を搭載しているため、車軸振動の周波数が発電素子の発電効率の良い帯域と必ずしも一致しない懸念があり、発電効率を高める点において課題があると考える。

本発明の目的は、鉄道車両用台車において、台車振動によって、効率的に発電可能な鉄道車両用台車およびこの台車を備える鉄道車両を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の鉄道車両用台車またはその台車を備える鉄道車両では、台車枠もしくは軸箱体に、それらに固定した金属部材と弾性体で構成される振動増幅機構に発電素子を固定した構成となっていることで達成できる。さらに振動増幅機構の固定位置は、台車端部であることで達成できる。

本発明の鉄道車両用台車では、台車振動によって、以下の点を備えるため、取り扱いが容易であり且つ効率的に発電可能であり鉄道車両用台車およびこの台車を備える鉄道車両を提供することができる。
１）台車並進・回転モードが重なり合う台車振動が大きくなる振動エネルギーが大きい位置において、部材と弾性体で構成された振動増幅機構を搭載しているため、部材の質量、弾性体の剛性の調整により、部材の共振周波数、台車振動に対する振幅増幅比をチューニングできる。

発電素子が固定されている部材の共振周波数を発電素子の発電効率が高い周波数と一致させて、かつ、部材の振幅も増幅させているため、それらの相乗効果によって効率的に発電量を得られる。

２）無線送信機能を備えた台車状態監視センサ、および、その電力供給源である発電素子が、いずれも台車内に配置されているため、車体・台車間の配線の必要がなく、車体と台車を切り離すような場合にも配線切断することなく切り離すことができる。

本発明の第１実施例の鉄道車両の側面図である。 本発明の第１実施例の台車周辺の拡大図である。 本発明の発電装置の構成を示す第１実施例である。 本発明の効果を表した模式図である。 本発明の第１実施例の発電装置を台車枠の下面に備えた台車周辺の拡大図である。 本発明の第２実施例の台車周辺の拡大図である。 本発明の第２実施例の台車周辺の拡大図の別形態である。

以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１において、本発明の鉄道車両用の台車２は、台車枠３、軸箱体４、輪軸５、空気ばね６、発電装置７、車両用センサ８により主に構成される。車体１に車両用センサ８の取得データを記録する記録装置９を備えている。

輪軸５は軸箱体４に回転可能に保持されている。詳述はしないが、軸箱体４と台車枠３は軸箱支持装置を介して弾性支持されており、車体１と台車枠３とは空気ばね６を介して弾性支持されている。
鉄道車両の振動は、主に軌道不整により輪軸５が上下もしくは左右に加振され輪軸５の振動は、輪軸５を回転可能に保持している軸箱体４へ伝達され、軸箱支持装置を介して台車枠３に伝達される。さらに空気ばね６を介して車体１へ伝達される。

一般的に鉄道車両では、乗客が添乗する車体１の振動振幅を小さくして、乗心地を確保するため、車体１と台車２間の空気ばね６による弾性支持剛性を、軸箱体４と台車枠３間の軸箱支持装置による弾性支持剛性よりも柔らかくすることで、振動絶縁効果を利用して防振性能を確保している。
このため、一般的に鉄道車両では、加振源となる軌道に近い台車２の振動エネルギーが車体１と比べて大きい特徴がある。

以下、本発明の発電装置の構成の詳細を図２によって説明する。

図２において、本発明の発電装置７は、振動増幅機構１０と発電素子１１とから構成されており、台車枠３に固定される構成となっている。
発電装置７は、図２の実線で示すように車両用センサ８、無線装置２１へ電力供給できるように有線でつながれている。
さらに車両用センサ８の取得信号は、図２の点線で示すように無線装置２１へ伝達できるように有線でつながれている。無線装置２１は、車体に備えられるとともに受信装置を備える記録装置９に車両用センサ８の取得信号を無線送信できる構成となっている。

発電装置７の構成要素である振動増幅機構１０は、金属部材１２、弾性体１３、金属部材１４により構成される。
振動増幅機構１０の構成要素である金属部材１４が台車枠３の端部の位置で固定されている。金属部材１２と金属部材１４の間に弾性体１３が接着される構成となっていて、さらに金属部材１２に発電素子１１が固定されている。
発電素子１１は、電荷を帯びた２つの平面板が振動により相対変位することで起電力を発生させる静電型の振動発電機で構成されている。

台車枠３に振動発生した場合、台車枠３と金属部材１４の間は結合しているため台車枠３の振動がそのまま伝わるが、金属部材１２は弾性体１３を介して弾性結合されているため、振動増幅機構１０の振動周波数および振幅は、金属部材１２の質量、弾性体１３の剛性（ばね定数）、減衰特性によって調整可能な構成となっている。

一般的に高分子材料やゴムなどの弾性体の場合、剛性、減衰特性の調整は材料を構成するゴムの種類、配合を変えることでチューニングできる。さらに、弾性体１３の材質に高分子材料やゴム等の絶縁材を選定すれば、車体に搭載される電気品から生じる電気的ノイズに対する発電素子１１の耐性を高めることができる。また、弾性体１３をコイルばね等のばねで構成することもできる。

図３は、本発明の発電装置の構成を示す第１実施例である。発電装置７は、台車枠３の上面にボルト等（図示なし）で固定される金属部材１４と、金属部材１４の上部に立設される軸２０と、軸２０にその中心軸を沿う態様で配設されたコイルばね（弾性体１３）と、軸２０の上部が貫通する態様でコイルばねの上部に配設される金属部材１２と、金属部材１２の上部に備えられる発電素子１１と、から構成されている。

金属部材１２の中央部には軸２２が貫通する穴（図示なし）が備えられている。軸２２の上端部には、金属部材１２に備えられる穴の内径より大きい外径を有すエンドキャップ２２ａが備えられており、金属部材１２が軸２２から分離することを抑制している。

この構成によって、コイルばね（弾性体１３）のばね定数と金属部材１２の質量（重さ）を調整して発電装置７の上下方向の固有振動数を、発電素子１１が効率よく発電できる振動数に合わせることができる。さらに、軸２２の上端部に備えられるエンドキャップ２２ａによって、金属部材１２が発電装置７から逸脱することができるため、発電装置１１の耐久性と安全性とを高めることができる。

以上の構成の本発明の実施例１の作用・効果を以下に説明する。

図４に、図３に示すように本発明の発電装置７が固定されている台車枠の長手方向の端部近傍の部位Ｂの台車振動加速度応答（実線）、台車枠の長手方向の中央部近傍の部位Ａの台車振動加速度応答（一点鎖線）、および、発電素子１１が固定されている金属部材１２の振動加速度応答（点線）を示す。

図４に示すように、一般的に台車枠の端部（部位Ａ）では、台車並進モードと回転モードとが重なり合う位置であるため、振動加速度応答は部位Ａ（実線）の方が部位Ｂ（一点鎖線）よりも大きくなる。
本発明の発電装置７は、振動が大きくなる台車端部に配置されているため発電装置７に入力される振動エネルギーが大きくなるため、それに伴って、大きな発電量を得ることができる。

さらに本発明の発電装置７では、金属部材１２の質量、弾性体１３の剛性、減衰特性のチューニングにより発電装置７の共振周波数、台車枠３の振動振幅に対する増幅倍率を調整できる。
このため図４に示すように、台車振動加速度応答から所望の周波数Ｆ（Ｈｚ）の応答をＣ（（ｍ／ｓ^２）^２／Ｈｚ）からＤ（（ｍ／ｓ^２）^２／Ｈｚ）に増幅させることができる。
一般的に発電素子１１には、振動体の振幅に発電量が比例する発電効率が高い周波数が存在する特徴がある。

以上より、本発明の発電装置７では、振動増幅機構１０の構成要素である金属部材１２、弾性体１３のチューニングにより、発電素子に与える振動のＡ）振幅を増幅でき、Ｂ）周波数を発電素子の発電効率の良い周波数に一致させることができるため、それらの相乗効果によって効率的に発電量を得ることができる。

本発明では、発電装置７で得た電気エネルギーを電力供給源として、車両用センサ８を駆動し、車両用センサ８の取得データを記録装置９に無線送信できる構成となっている。
このため、車両用センサ８の駆動電力を台車内の発電で得ることができ、例えば車体の電源を使用して配線を引いてくる必要がない。さらに車体・台車を切り離すような場合にも配線切断することなく切り離すことができる。

ここで車両用センサ８とは、台車枠、軸箱体、軸受などの加速度・変位等の状態監視するための振動センサ、軸受温度の状態監視するための温度センサなどがある。
また車両用センサ８は、動揺防止フィードバック制御系における台車振動を検知するための振動センサ、もしくは、振子フィードバック制御系における緩和曲線入口を検知するための制御用センサでも良い。

本実施例では、発電装置７を台車枠３に固定しているが、図５に示すように軸箱体４に配置しても本実施例で示した構成としても良い。
一般的に軸箱体４の方が台車枠３よりも加速度が相対的に大きい傾向があるため、本実施例の効果と同等もしくはそれ以上の効果を得ることができる。

発電装置３５が発電素子１１と振動増幅機構１０を備え、振動増幅機構３０が金属部材３２、弾性体３３、金属部材３４で構成されることは、図２の実施例と同様である。

また、輪軸に発電装置７を固定しても良い。回転部に固定した車両用センサ取得信号を無線で記録装置に送信できるため、有線を使用した場合に必要であった輪軸で得た取得信号を非回転部分に渡すためのスリップリングを搭載する必要がない。

図２、図５に示す実施例では、無線装置２１，３７、記録装置９，３６の間は無線送信であるが、有線で結合しても良い。
図２、図５に示す実施例では、金属部材１２，３４に固定する発電素子１１，３１に静電型の振動発電機を用いているが、振動により永久磁石とコイルの相対変位を発生させて誘導起電力を発生させる電磁誘導型の振動発電機でも同等の効果を得ることができる。

図２、図５に示す実施例では、金属部材１２，３２に発電素子１１，３１を１つ固定した構成であるが、素子数は金属部材１２，３２に配置可能な範囲で増やしても良く、各素子にて、本実施例と同等の効果が得られるため、発電量を素子数倍に増やすことができる。

本実施例では、図２、図５に示すように振動増幅機構１０，３５を、上下方向の振動を増幅させる向きに台車枠３もくしは軸箱体４に固定しているが、左右振動、前後振動を増幅させる方向に配置させても良い。これにより、走行時の左右振動や加減速時の前後振動を利用して本実施例と同等の発電効果を得ることができる。

実施例２では、実施例１で示した発電装置に関して、別形状の発電装置１８について説明する。図６は、実施例２の台車側面図である。
発電装置１８は、片持ち梁状の金属部材１６、発電素子１７により構成される。発電装置１８の構成要素である金属部材１６が、台車枠３の台車中心よりレール長手方向の端部に固定されていて、さらに発電素子１７が金属部材１６の端部に固定された構成となっている。
発電素子１７は、電荷を帯びた２つの平面板が振動により相対変位することで起電力を発生させる静電型の振動発電機で構成されている。

台車枠３に振動発生した場合、金属部材１６が台車枠３を固定端とした片持ち梁の強制振動が発生する。片持ち梁の振動モードの振動周波数・台車枠３に対する振幅倍率は、金属部材１６の材質（ヤング率、密度）、張出し長さＬ、幅Ｂ（紙面奥行きの寸法）、高さＨによって調整可能な構成となっている。本実施例では実施例１に用いた弾性体１３を備えていないので、紫外線やグリス等による弾性体１３の劣化を考慮する必要が無く、耐候性を高めることができる。

本実施例においても、実施例１と同等に、台車中心よりレール長手方向の台車端部の位置の台車振動加速度応答から所望の周波数の応答を増幅させることができる。その結果、実施例２の構成の発電装置１８にても、発電素子１７に与える振動の周波数と振幅とを調整できるため、それらの相乗効果によって効率的に発電量を得ることができる。

本実施例においても、車両用センサ１９、受信機能を有するとともに車体に備えられる記録装置２０、無線装置２１を備えることでは、先の実施例と同様である。
本実施例においても、車体と台車との間の配線をなくすことができる。さらに車体と台車とを切り離す場合にも配線切断することなく切り離すことができる。

本実施例では、発電装置１８を台車枠３に固定しているが、図７に示すように軸箱体４に配置しても良い。図７の形態では、発電装置４８を構成する片持ち梁状の金属部材４６に固定する発電素子４７に静電型の振動発電機を用いているが、振動により永久磁石とコイルの相対変位を発生させて誘導起電力を発生させる電磁誘導型の振動発電機を用いても良い。

また、金属部材４６に曲げ変形が発生するため、変形により発電する圧電型の振動発電機を金属部材４６に貼付して発電させても良い。
この形態においても、車両用センサ４９、無線装置５１、受信機能を有するとともに車体に備えられる記録装置５０を備えることは、先の実施例と同様である。

本実施例においても、車体と台車との間の配線をなくすことができる。さらに車体と台車とを切り離す場合にも配線切断することなく切り離すことができる。

１：車体、２：台車、３：台車枠、４：軸箱体、５：輪軸、
６：空気ばね、７：発電装置、８：車両用センサ、９：記録装置、
１０：振動増幅機構、
１１：発電素子、１２：金属部材、１３：弾性体、１４：金属部材、
１５：振動増幅機構、１６：金属部材、１７：発電素子、
１８：発電装置、１９：車両センサ、２０：記録装置、２１：無線装置、
２２：軸、２２ａ：エンドキャップ
３０：振動増幅機構、３１：発電素子、３２：金属部材、３３：弾性体、
３８：車両用センサ、４６：金属部材、４７：発電素子、
４８：発電装置、４９：車両用センサ、５０：記録装置、５１：無線装置

Claims (7)

1. 台車枠と、軸箱体と、を有する鉄道車両用台車において、
   前記鉄道車両用台車は前記台車枠もしくは前記軸箱体に発電装置を備えており、
   前記発電装置は、
   金属部材と弾性体とから構成される振動増幅機構と、
   前記振動増幅機構に固定される発電素子と、から構成されること
   を特徴とする鉄道車両用台車。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用台車において、
   前記発電装置は、前記台車枠の長手方向の端部に備えられていること
   を特徴とする鉄道車両用台車。
3. 請求項１に記載の鉄道車両用台車において、
   前記発電装置によって得られた電気エネルギーを、台車枠もしくは軸箱体に備えられた車両用センサへ供給すること
   を特徴とする鉄道車両用台車。
4. 請求項３に記載の鉄道車両用台車において、
   前記発電装置によって得られた電気エネルギーによって、前記車両用センサが取得した情報を無線通信する無線装置を前記台車枠または前記軸箱体に備えること
   を特徴とする鉄道車両用台車。
5. 請求項４に記載の鉄道車両用台車において、
   前記車両用センサは、振動もしくは温度を測定するセンサであること
   を特徴とする鉄道車両用台車。
6. 請求項１から請求項５のいずれかの一項に記載された鉄道車両用台車において、
   前記振動増幅機構は、
   前記台車枠に固定される第１金属部材と、前記第１金属部材に立設される軸と、前記弾性体の中心軸を前記軸に沿う態様でその中心軸を配設する弾性体と、前記弾性体の上部に前記軸が貫通する態様で配設される第２金属部材と、から構成されており、
   前記発電素子は前記第２金属部材に固定されていること
   を特徴とする鉄道車両用台車。
7. 請求項１から請求項６のいずれかの１項に記載された鉄道車両用台車を有する鉄道車両において、
   前記鉄道車両に、前記無線装置が無線送信したデータを取得する受信機能を有す記録装置を備えること
   を特徴とする鉄道車両。

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