JP2017204930A

JP2017204930A - パンタグラフの揚力推定方法及び装置並びにパンタグラフの揚力補償方法及び装置

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Publication number: JP2017204930A
Application number: JP2016095061A
Authority: JP
Inventors: 隆之臼田; Takayuki Usuda
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: JP6557839B2

Abstract

【課題】車両に搭載可能で、様々な形態のパンタグラフの舟体構造に手を加えることなく適用でき、センサを低電圧環境に置くこともできるパンタグラフの揚力推定方法、装置及び揚力補償方法を提供する。【解決手段】トロリ線11としゅう動しながら走行しているパンタグラフ２の高さを測定するセンサ41と、電車線支持点21の位置を検知するセンサ43と、径間内におけるパンタグラフの最高高さから最低高さを引いて径間パンタ高さ差を算出する計算手段47と、車両の速度情報を得る手段45を備える。さらに、事前に整備しておいた、電車線の種類、径間長、パンタグラフ種類、車両速度ごとに、径間パンタ高さ差と揚力等との定量的な対応関係のデータベース（揚力推定テーブル51）を有し、測定した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力を推定する推定手段49を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電気鉄道車両の集電装置として用いられるパンタグラフにかかる揚力を推定する方法等に関する。また、その揚力推定に基づき、不足する若しくは過剰な揚力を補償する方法等に関する。特には、車両に搭載可能で、様々な形態のパンタグラフの舟体構造に手を加えることなく適用でき、センサを非加圧環境に置くこともできるパンタグラフの揚力推定方法等に関する。

パンタグラフは鉄道車両の屋根上に設置され、高速の気流中にさらされる装置である。そのため、パンタグラフ周りの流れ場の影響によりパンタグラフには揚力が働き、一般的に平均揚力は流速の２乗に比例する（比例係数を「揚力係数」という）。なお、本来、揚力とは各部材に働く分布力の合計であるが、本明細書中では、便宜上、各部材に働く分布力がパンタグラフのリンク機構を経て、パンタグラフの舟体を押し上げる際の合力と定義する。また、揚力は、パンタグラフ周りの気流の変化に応じて時々刻々変化するが、ここでは、ある間の揚力の平均値、例えば一つの電車線支持点間隔（「径間」ともいう）における揚力の平均値のことを「揚力」と呼ぶ。

パンタグラフの揚力特性はパンタグラフの外形形状やリンク機構により決定され、適正な揚力特性となるよう外形形状が設計されている。しかしながら、パンタグラフすり板の摩耗による舟体断面形状の変化などにより、設計時には想定しない揚力係数となることがある。過大な揚力は、トロリ線に著大な応力を発生させたり、押上量の超過などの好ましくない現象を発生させる。他方、揚力係数の過度の低下は、パンタグラフとトロリ線の安定した接触状態を阻害し、最悪の場合は、パンタグラフの降下などの現象を引き起こす。このような事態を避けるべく、現在実用化されている新幹線等用のパンタグラフは、設計時の十分な検討により安定な揚力特性を維持できるよう開発されている。

一方、高速の気流中にパンタグラフがさらされると、カルマン渦の発生などに起因する空力騒音が発生する。この空力騒音のエネルギは、パンタグラフ周りの空気流速の６〜８乗に比例して増加する。したがって、現状の騒音レベルを維持しながら、新幹線を更に高速化するためには、パンタグラフの空力騒音を大幅に低減する必要がある。この空力騒音低減のための有効な手法の一つとして、パンタグラフの舟体の断面形状を、従来の鈍頭形状から、平たい楕円形などの平滑な形とする手法が挙げられる。

ところが、パンタグラフの舟体断面形状の平滑化は、すり板摩耗などに伴う舟体形状変化に起因する平均揚力の変化を増長させる可能性が高い。したがって、今後飛躍的に低騒音化を施した高速車両用のパンタグラフを開発する際は、その揚力特性の変化に対して、補償を施す必要性が生じる可能性がある。そのためには、何らかの手法で、パンタグラフの揚力を計測する必要がある。

トロリ線としゅう動しているパンタグラフの揚力を測定する手法として、パンタグラフに取り付けたセンサ信号から推定する手法（非特許文献１、特許文献１参照）が提案されている。また、電車線に取り付けたセンサの信号から推定する手法（非特許文献２・３、特許文献２参照）も提案されている。

しかしながら、いずれも高電圧環境下での測定を必要とし、センサや信号伝送系統の構成及び保守に困難を伴う。さらに、前者は、推定方法が舟体構造に依存するため全てのパンタグラフに適用できるわけではない。後者は、地上設備側での測定を行うため，パンタグラフの揚力特性の変化を離散点でしか検知できない。結局のところ、トロリ線としゅう動している舟体の揚力を測定する有効な手法は、確立されていなかった。

特開2004-301591号公報特開2008-230322号公報

「架線偏位情報に基づくパンタグラフの揚力推定法」、機械学会年次大会，pp.219-220，2003、池田充「架線におけるパンタグラフ接触力モニタリング手法」、D&D2009，pp.47，2009、臼田隆之，他２名「トロリ線押上量観測によるパンタグラフ定常押上力のモニタリング」、J-rail2008，pp.509-510，2008 、網干光雄，他２名

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、車両に搭載可能で、様々な形態のパンタグラフの舟体構造に手を加えることなく適用でき、センサを非加圧環境に置くこともできるパンタグラフの揚力推定方法等を提供することを目的とする。さらに、適切にパンタグラフの押上力を変更することで、揚力変化を補償可能なパンタグラフを提供することを目的とする。

本発明のパンタグラフ揚力の推定方法は、トロリ線としゅう動しながら走行している前記パンタグラフの高さを測定し、前記トロリ線を含む電車線を支持する支持点の位置を検知し、隣接する二箇所の支持点の間（径間内）における前記パンタグラフの高さの差（最高高さ−最低高さ、「径間パンタ高さ差」という）を算出し、前記車両の速度情報を得、事前に、電車線の種類、径間長、パンタグラフ種類、車両速度ごとに、径間パンタ高さ差と揚力若しくは揚力係数（両者を併せて「揚力等」という）との定量的な対応関係のデータベースを整備しておき、測定した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力等を推定することを特徴とする。

本発明のパンタグラフ揚力の推定装置は、トロリ線としゅう動しながら走行している前記パンタグラフの高さを測定する手段と、前記トロリ線を含む電車線を支持する支持点の位置を検知する手段と、径間内における前記パンタグラフの最高高さから最低高さを引いて径間パンタ高さ差を算出する手段と、前記車両の速度情報を得る手段と、事前に整備しておいた、電車線の種類、径間長、パンタグラフ種類、車両速度ごとに、径間パンタ高さ差と揚力等との定量的な対応関係のデータベースを有し、測定した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力等を推定する推定手段と、を備えることを特徴とする。

「パンタグラフの高さ」とは、代表的には、パンタグラフすり板のトロリ線しゅう動部の高さ、あるいは舟体のある部位の高さのことである。しかしながら、揚力等と対応する「径間パンタ高さ差」に対応する値が得られるならば、パンタグラフのどの部位の高さあるいは変位量であってもよい。パンタグラフの高さを測定する手段や、トロリ線を含む電車線を支持する支持点の位置を検知する手段の具体例については後述する。

前記データベースの例・作成方法については、詳しくは後述するが、例えばシミュレーションなどで揚力推定用テーブル（グラフ）を作成する。すなわち、パンタグラフの揚力等を変更した条件で、架線・パンタグラフの運動シミュレーションを行い、列車速度と揚力等が径間内のパンタグラフの高さの差に与える影響を定量的に把握し、例えば図５・図６の揚力推定テーブルを作成する。揚力推定テーブルは径間長さ毎に異なるため、径間長毎に作成しておく。径間長は揚力を推定する区間によって異なるが、例えば代表的な径間長さ40〜60ｍで１ｍ毎に作成しておけば良い。また、揚力推定テーブルは架線種別によっても変わるため、架線種別毎に作成しておく。

本発明においては、同じ車両速度で走行した同一条件の複数の径間において、複数の径間パンタ高さ差を測定し、該複数の径間パンタ高さ差を平均し、平均した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力等を推定することが好ましい。あるいは、同じ車両速度で走行した同一条件の複数の径間において、複数の揚力等の推定値を得てそれらを平均することが好ましい。

このような平均処理を行うことにより、トロリ線の静高さ（ハンガ点81b（ハンガー13とトロリ線11の接続部）の高さ、図３参照）が均一でない状況（トロリ線高さ狂いがある場合）でも、この推定揚力の誤差を低減できる。

本発明のパンタグラフ揚力の補償方法は、上述の方法によってパンタグラフ揚力を推定し、適正な揚力から、推定した揚力を差し引いて、不足する若しくは過剰な揚力（補償揚力）を算出し、揚力補償アクチュエータを用いて前記補償揚力を前記パンタグラフに付加することを特徴とする。

パンタグラフ揚力を補償することにより、パンタグラフすり板の摩耗による舟体断面形状の変化が生じた場合における、過大な揚力発生によるトロリ線応力の著大化や、揚力係数の過度の低下によるパンタグラフの接触不良・離線などの好ましくない現象を防止できる。この意義は、空力騒音低減のために、パンタグラフの舟体の断面形状を平滑形状としたパンタグラフにおいて著しい。

本発明の応用形態として、パンタグラフの揚力異常と疑われる事象が発生した際に、事前に測定しておいた同じ地点における正常時のパンタグラフ高さと比較することで、パンタグラフの揚力異常が発生した可能性について検証を行うこともできる。

本発明の実施の形態に係る揚力推定方法の構成を説明する図であり、図１（Ａ）は電車線10とパンタグラフ２の形態を模式的に示す図であり、図１（Ｂ）は揚力推定装置の構成を示すブロック図である。シミュレーションに適用したヘビーコンパウンド架線10の構造を説明するための模式的な図である。シミュレーション結果の一例を示すグラフである。縦軸は、パンタグラフ高さあるいはトロリ線の基準高さであり、横軸は、シミュレーションモデル中における電車線の長手方向の位置である。シミュレーション結果の一例を示すグラフである。縦軸は第１パンタグラフの接触力であり、横軸は、シミュレーションモデル中における電車線の長手方向の位置である。ヘビーコンパウンド架線で径間長５０ｍの場合の揚力推定テーブルである。横軸は車両走行速度（km/h）、前後軸は揚力係数（Ｎ／（km/h）^２）、縦軸は径間パンタ高さ差（ｍｍ）である。縦軸の径間パンタ高さ差については、低い方から高い方へ、青〜緑〜オレンジに着色して示す。シンプル架線で径間長４２ｍの場合の揚力推定テーブルである。横軸は車両走行速度（km/h）、前後軸は揚力係数（Ｎ／（km/h）^２）、縦軸は径間パンタ高さ差（ｍｍ）である。縦軸の径間パンタ高さ差については、低い方から高い方へ、青〜緑〜オレンジに着色して示す。揚力推定の手法を説明するための模式的な図である。図５・図６の揚力推定テーブルを、推定時の車両走行速度で切った二次元のグラフであり、横軸は揚力等であり、縦軸は径間パンタ高さ差である。

１；車両、２;パンタグラフ、３；押上げばね、４；リンク機構、５；舟体５、
７；すり板、10；架線、11；トロリ線、13；ハンガー、15；補助ちょう架線、
17；ドロッパ、19；ちょう架線、21；支持点（電柱等）
41；パンタグラフ高さセンサ、43；電車線支持点センサ、45；走行速度計、
47；径間パンタ高さ差計算手段、49；パンタグラフ揚力推定部、
51；揚力推定テーブル、61；揚力補償部、63；揚力補償アクチュエータ
81（太い実線）；トロリ線の静高さ、81b；ハンガ点、81d；谷部
83（細実線）；走行速度が時速100km/hで揚力０の場合のパンタグラフ高さ、
83b；支持点の近傍、83d；支持点の中間部分、
85（破線）；走行速度が時速300km/hで「揚力０」の場合の、パンタグラフ高さ
85b；支持点を径間の四分の一程度過ぎた部位、
85d；支持点の中間部分を径間の四分の一程度過ぎた部位
87（一点鎖線）；走行速度が時速300km/hで「揚力あり」の場合のパンタグラフ高さ

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明においては、事前に、電車線の種類、径間長、パンタグラフ種類、車両速度ごとに、径間パンタ高さ差と揚力（若しくは揚力係数、両者を「揚力等」ともいう）との定量的な対応関係のデータベース（揚力推定テーブル、図５・図６参照）を整備しておく。そして、実際に測定した径間パンタ高さ差に基づいて、パンタグラフにかかっている揚力を推定する（図７参照）。

このデータベース整備の手法として好適と考えられるのが、電車線・パンタグラフ系のシミュレーションを行って、揚力推定用テーブルを作成する手法である。シミュレーションは、公益財団法人鉄道総合技術研究所が所有する架線・パンタグラフシミュレーションプログラム（下記文献参照）を利用して行った。
参照文献１；真鍋克士、「架線・パンタグラフ系の運動シミュレーション」，平成7年電気学会産業応用部門全国大会, pp.S-39-42,
参考文献２；真鍋克士、「架線・パンタグラフ系運動のシミュレーション」、鉄道と電気技術、pp.46、1996/6
参考文献３；池田充、「コンパウンド架線に対応したFEMに基づく架線パンタグラフ系3次元運動シミュレーション」、日本機械学会、第19回鉄道技術連合シンポジウム講演論文集、pp.587、2012/12

以下、シミュレーションの結果の例を説明する。
まず、図２及び図１を参照して、シミュレーションに適用したヘビーコンパウンド架線の構造について説明する。新幹線で採用されているヘビーコンパウンド架線10は、車両１のパンタグラフ２のすり板７としゅう動するトロリ線11や、このトロリ線11を上に吊るハンガー13及び補助ちょう架線15、この補助ちょう架線15を上に吊るドロッパ17及びちょう架線19を有する。

ちょう架線19は、代表的な間隔（径間長）50ｍで設けられた支持点（電柱等）21により支持され、支持点部で高く、その間で下に撓んでいる。ちょう架線19には、ほぼ定間隔（10ｍ）で、下方に延びるドロッパ17が接続されている。このドロッパ17の下端には、補助ちょう架線15が接続されている。補助ちょう架線15には、ほぼ定間隔（５ｍ）で、下方に延びるハンガー13が接続されている。このハンガー13の下端には、トロリ線11が接続されている。さらに、定間隔に設けられるハンガ１３によりトロリ線１１が補助ちょう架線１５から支持される。

シミュレーションに適用した架線10の径間長は50ｍ、スパン数（１径間におけるハンガー13の数）は１０とし、その定数（線密度・張力など）、並びに、パンタグラフの定数（等価質量・ばね定数など）は新幹線の一般的な値を適用した。また、トロリ線11の静高さは、全てのハンガ点において等しいとし、ここではその高さを基準高さと設定した。

走行する列車のパンタグラフ２の台数は、後続パンタグラフの接触力による影響を考慮するため、二台とし、その間隔は新幹線の一般的な値を適用した。二台目のパンタグラフの揚力は標準的な揚力係数から計算した値とし、一台目のパンタグラフの高さや接触力・揚力をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでのモデルは、径間１０個すなわち総延長500ｍの架線とし、計算領域端部の影響が少ない第５及び第６径間でのシミュレーション結果を採用した。

パンタグラフ２は、図１（Ａ）に模式的に示すように、リンク機構４、その押上げばね３、舟体５、すり板７などを有する。リンク機構４は、この図では簡略化してあるが、舟体５を、上下移動可能に、ある力（押上げ力）を上向きに掛けた状態で、支えるものである。押上げばね３は、前記押上げ力を発生させるものである。舟体５の上面には、すり板７が取り付けられている。すり板７は、鉄系焼結合金などの低摩擦材からなり、トロリ線11とのしゅう動により摩耗したら取り替えられる。なお、押上げばね３の下に示す補償シリンダ63は、本発明のオプション的なものであって、その内容については後述する。

図１（Ａ）に示すように、トロリ線11は、パンタグラフ２の接する部分の前後が、パンタグラフ２によって、上に押上げられる（押上げ高さＨ）。この押上げ高さＨは、概ね、（接触力÷接触点におけるトロリ線の等価ばね定数）に、波動成分などを加えたものである。シミュレーションにおいては、より厳密な力学モデルにおいて緻密な数値計算を行っているが、本発明の実施形態におけるシミュレーション結果を、直感的に理解しやすいよう、ここでは、妥当な範囲で簡略概念化した説明を行う。なお、接触力は、押上げ力と、揚力、慣性力などを合わせたものである。

ここで、「接触力」とは、すり板７とトロリ線11との間に働く上下方向の力である。「波動成分」とは、走行するパンタグラフによって、トロリ線（架線）が上下に揺らされ、それが波となってトロリ線を伝わる上下動のことである。慣性力は、パンタグラフ２及びトロリ線11の上下方向加速度にパンタグラフ舟体の等価質量を掛けたものである。

図３及び図４は、基礎的な検討における、シミュレーション結果の一例を示すグラフである。図３において、縦軸は、パンタグラフ高さあるいはトロリ線の基準高さであり、横軸は、シミュレーションモデル中における電車線の長手方向の位置である。図４において、縦軸は第１パンタグラフの接触力である（横軸は同上）。

図３において、図中の一番下の太い実線81は、トロリ線の静高さ（パンタグラフと接触しておらず振動もない状態）を表す。前述のように、トロリ線の静高さは、全てのハンガ点81b（ハンガー13とトロリ線11の接続部）において、基準高さ０ｍｍとなっている。隣接するハンガ点81bの間は、トロリ線がやや自重で垂れ下がった谷部81dとなっている。

図３中で、下から２番目の細実線のグラフ83は、走行速度が時速100km/hで、揚力０の場合の、パンタグラフ（先頭側・一台目のパンタグラフ）の高さをシミュレートした結果のグラフである。なお、二台目の後側パンタグラフの揚力は標準的な揚力係数から計算した値とした（図３・図４関連のシミュレーションにおいて同じ）。

この時速100km/hのグラフ83では、支持点21の近傍83bが最も低く、支持点21の中間部分83dが最も高い。これは、トロリ線の等価ばね定数が、支持点で最も高く（押上げにくく）、その中間部分で最も低い（押上げやすい）からである（（式１）参照）。そして、走行速度が低いため、トロリ線に伝わる波動成分（パンタグラフ接触点から走行方向前方に伝わる波動成分）もほとんどないためである。

図３中で、下から３番目の破線のグラフ85は、走行速度が時速300km/hで、「揚力０」の場合の、パンタグラフ（先頭側・一台目のパンタグラフ）の高さをシミュレートした結果のグラフである。この時速300km/hのグラフ85では、支持点21を径間の四分の一程度過ぎた部位85bが最も低く、支持点21の中間部分を径間の四分の一程度過ぎた部位85dが最も高い。すなわち、走行速度が高くなると、グラフ全体（最小・最大値となる点も）が、車両進行方向側へ移る傾向が確認される。これは、列車走行速度が、トロリ線に伝わる波動伝搬速度（パンタグラフ接触点から走行方向前後に伝わる波の速度）に近くなるためである。

走行速度100km/hのグラフ83と300km/hのグラフ85とを較べると、後者のほうが高さが高くなっている。これは、図４に示すように、走行速度が上がると、列車走行速度が、トロリ線に伝わる波動伝搬速度（パンタグラフ接触点から走行方向前後に伝わる波の速度）に近くなるためである。

図３中で、一番上の一点鎖線のグラフ87は、走行速度が時速300km/hで、「揚力あり（４０Ｎと設定）」の場合の、パンタグラフ（先頭側・一台目のパンタグラフ）の高さをシミュレートした結果のグラフである。この時速300km/h・「揚力あり」のグラフ87は、上述の時速300km/h・「揚力０」のグラフ85を、ほぼ上に持ち上げた形態となっている。揚力の分だけ接触力が上がり（図４を参照しつつ後述）、それに伴いトロリ線押上げ高さ（パンタグラフ高さ）が高くなったものである。

ここで、グラフ87及びグラフ85において、隣接する二箇所の支持点21の間（径間内）におけるパンタグラフの高さの差（パンタグラフ高さの変動幅、最高高さ−最低高さ、「径間パンタ高さ差」という）に着目する。グラフ87における径間パンタ高さ差ΔＨは、グラフ85における径間パンタ高さ差Δｈよりも大きくなっている。

このように、径間パンタ高さ差は、パンタグラフ揚力と相関性のある量であるので、車両における径間パンタ高さ差を測定することにより、揚力を推定することができる。なお、「パンタグラフ高さそのもの」（最低点や最高点、あるいは平均高さ）の測定値から揚力を推定することも理論的にはできるが、そのためには、トロリ線の静高さの情報が必要となるので、「径間パンタ高さ差」から推定したほうが、必要とする情報が少なくてすむという点で優れる。

次に、電車線の種類、パンタグラフ種類、径間長、車両速度ごとに、「径間パンタ高さ差と揚力等との定量的な対応関係」のデータベースを整備する手法の一例を説明する。本実施例では、前述のシミュレーションプログラムを用いて、車両走行速度と揚力係数を変化させながら、径間パンタ高さ差を計算し、その結果から、車両走行速度・揚力係数・径間パンタ高さ差の三次元のグラフ（揚力推定テーブル、図５・図６参照）を作成した。

すなわち、車両走行速度やパンタグラフの揚力係数を変更した条件で、架線・パンタグラフの運動シミュレーションを行い、列車速度と揚力係数が径間内のパンタグラフの高さの差（図３参照）に与える影響を定量的に把握した。揚力推定テーブルは径間長さ毎・架線種別毎に異なるため、径間長毎に作成しておく。径間長は揚力を推定する区間によって異なるが、例えば代表的な径間長さ40〜60ｍで１ｍ毎に作成しておけば良い。

作成した揚力推定テーブルの実例を、図５及び図６を参照しつつ紹介する。図５は、ヘビーコンパウンド架線で径間長５０ｍの場合の揚力推定テーブルであり、図６は、シンプル架線で径間長４２ｍの場合の揚力推定テーブルである。横軸は車両走行速度（km/h）、前後軸は揚力係数（Ｎ／（km/h）^２）、縦軸は径間パンタ高さ差（ｍｍ）である。縦軸の径間パンタ高さ差については、低い方から高い方へ、青〜緑〜オレンジに着色して示す。

列車速度を100km/h〜300km/h まで10km/h 刻み、揚力係数を0〜6.67×10-4(N/(km/h)2)まで4.44×10-5 刻みで計算し、それぞれのシミュレーション結果について第５及び第６スパンの各スパンでそれぞれパンタグラフ高さの差を計算し、それらの平均値を算出して図５及び図６にプロットした。

図５及び図６を見ると、径間パンタ高さ差は列車速度と揚力係数に大きく影響を受けること、パンタグラフによって電車線の前方に伝搬する波動エネルギの群速度に列車速度が一致した場合（図５においては130km/h 前後、図６においては130〜170km/h 前後）以外の速度域においては、列車速度による感度よりも、揚力係数による感度が支配的であることが確認できる。

次に、図１を参照して、本発明のパンタグラフ高さ推定装置及びパンタグラフ高さ補償装置の構成例を説明する。同装置は、以下のセンサや情報処理手段、アクチュエータを備える。

パンタグラフ高さセンサ41；
車両１の屋根の上（高電圧のかかっていない部分）には、パンタグラフ高さを検出するセンサ41が搭載されている。パンタグラフ高さ測定器は、具体的には、レーザ距離計をパンタグラフ近傍に設置したものや、パンタグラフ昇降機構や舟支えの各部の変位・角度を計測するものを用いて、パンタグラフ自体の高さを求める（特開2000-185577号公報の図８、特開2004-286500号公報など参照）。また、ビデオカメラを車両１の屋根に搭載して、パンタグラフのビデオ画像を取得し、パンタグラフ高さを求めることもできる（特開2011-232273参照）。

電車線支持点センサ43；
このセンサ43としては、近接センサや、画像処理装置、レーザ変位計などを用いることができる。
走行速度計45；
これは車両１の速度計を用いるのが簡便である。

径間パンタ高さ差計算手段47；
上記のパンタグラフ高さセンサ41及び電車線支持点センサ43からの信号を受けて、隣接する二箇所の支持点21の間（径間内）におけるパンタグラフ２の高さの差（最高高さ−最低高さ、「径間パンタ高さ差」）を算出する。この径間パンタ高さ差計算手段47や、以下説明するパンタグラフ揚力推定部49などは、電子計算機及びそれに搭載する処理プログラムとして構成できる。

パンタグラフ揚力推定部49；
この揚力推定部49は、上述の揚力推定テーブル51をデータベースとして保有している。そして、上述の径間パンタ高さ差計算手段47、及び、走行速度計45から、径間パンタ高さ差及び車両走行速度のデータを受けて、車両に搭載されているパンタグラフの揚力係数を、次のように推定する。

図７は、揚力推定の手法を模式的に説明するための図である。この図７は、図５・図６の揚力推定テーブルを、推定時の車両走行速度で切った二次元のグラフであり、横軸は揚力等であり、縦軸は径間パンタ高さ差である。このときの径間パンタ高さ差の実測値を、このグラフに当て嵌めると、実測値とグラフの交点の横軸座標が、推定された揚力（あるいは揚力係数）となる。なお、この実施例においては、縦軸を径間パンタ高さ差（変動幅）としたことで、トロリ線静高さが未知の状態でも揚力等を推定可能である。

揚力補償部61・揚力補償アクチュエータ63；
図１の例では、推定された現状の揚力等は、揚力補償部61に与えられて、適正な揚力との差が計算される。そして、パンタグラフ押上げばね３と並列に配置された揚力補償アクチュエータ63が、不足あるいは過剰な揚力を補償するパンタグラフ押上げ力をパンタグラフ２に付与する。

本手法においては、原則、トロリ線の静高さ（ハンガ点81b（ハンガー13とトロリ線11の接続部）の高さ）が水平となっていない状況、すなわちトロリ線高さ狂いがあると、揚力の推定誤差となる。ただし、この誤差要因は以下の方法により低減が可能である。
・複数の径間から推定した揚力の平均値を使用する
・径間長が等しい複数の径間におけるパンタグラフ高さの差の平均を計算し、この平均値を使用して推定する。

Claims

電気鉄道車両のパンタグラフにかかる揚力を推定する方法であって、
トロリ線としゅう動しながら走行している前記パンタグラフの高さを測定し、
前記トロリ線を含む電車線を支持する支持点の位置を検知し、
隣接する二箇所の支持点の間（径間内）における前記パンタグラフの高さの差（最高高さ−最低高さ、「径間パンタ高さ差」という）を算出し、
前記車両の速度情報を得、
事前に、電車線の種類、径間長、パンタグラフ種類、車両速度ごとに、径間パンタ高さ差と揚力若しくは揚力係数（両者を併せて「揚力等」という）との定量的な対応関係のデータベースを整備しておき、
測定した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力等を推定することを特徴とするパンタグラフの揚力推定方法。
同じ車両速度で走行した同一条件の複数の径間において、複数の径間パンタ高さ差を測定し、該複数の径間パンタ高さ差を平均し、平均した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力等を推定することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフの揚力推定方法。
同じ車両速度で走行した同一条件の複数の径間において、複数の揚力等の推定値を得てそれらを平均することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフの揚力推定方法。
電気鉄道車両のパンタグラフにかかる揚力を推定する装置であって、
トロリ線としゅう動しながら走行している前記パンタグラフの高さを測定する手段と、
前記トロリ線を含む電車線を支持する支持点の位置を検知する手段と、
径間内における前記パンタグラフの最高高さから最低高さを引いて径間パンタ高さ差を算出する手段と、
前記車両の速度情報を得る手段と、
事前に整備しておいた、電車線の種類、径間長、パンタグラフ種類、車両速度ごとに、径間パンタ高さ差と揚力等との定量的な対応関係のデータベースを有し、測定した径間パンタ高さ差及び前記データベースに基づいて、パンタグラフにかかっている揚力等を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とするパンタグラフの揚力推定装置。
請求項１〜３いずれか１項記載の方法によってパンタグラフ揚力を推定し、
適正な揚力から、推定した揚力を差し引いて、不足する若しくは過剰な揚力（補償揚力）を算出し、
揚力補償アクチュエータを用いて前記補償揚力を前記パンタグラフに付加することを特徴とするパンタグラフ揚力補償方法。
請求項４記載のパンタグラフ揚力推定装置と、
適正な揚力から推定した揚力を差し引いて、不足する若しくは過剰な揚力（補償揚力）を算出する手段と、
前記補償揚力を前記パンタグラフに付加するアクチュエータと、
ことを特徴とするパンタグラフ揚力補償装置。