JP2019004678A - 鉄道車両用走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造の軌道による磁気浮上式鉄道のための鉄道車両用走行装置を提供する。
【解決手段】２つの磁気ホイール１００Ｌ，１００Ｒは、車両を案内するための軌道３の短手方向に並べて配置され、車両の底面と交わる軸ＣＬ，ＣＲを中心に電動機により各々回転駆動される。駆動制御部は、電動機の駆動制御を行う。２つの磁気ホイールの各々には、その回転軸を中心とする円周に沿って偶数個の永久磁石１３０Ａ〜１３０Ｄが、磁化方向が交互に入れ替わるように埋設されている。駆動制御部は、磁気ホイールの回転速度および車両の走行速度と鉄道車両の走行状態を指示する指令から、指令により指示された走行状態を実現するための磁気ホイールの回転速度を決定し、決定した回転速度で磁気ホイールを回転駆動するように電動機を制御する。
【選択図】図７

Description

この発明は、鉄道車両の走行装置に関し、特に磁気浮上式鉄道の走行装置に関する。

次世代高速鉄道システムとして超伝導リニアやＨＳＳＴ（High Speed Surface Transport）、インダクトラックなどの磁気浮上式鉄道が注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１８６３８５号公報

従来の磁気浮上式鉄道には、複雑な構造の軌道を用いるため、軌道の敷設に多大なコストを要する、といった問題がある。例えば超電導リニアでは、車両の浮上および推進用の超電導磁石（コイル）を並べて軌道を形成する必要がある。インダクトラックではコイルに代えて薄いアルミニウム膜と絶縁膜を交互に重ねた積層材を使用することが提案されており、コイルに比べて大幅なコストダウンを見込める。しかし、鉄道の営業運転を行うには数十〜数百キロメートルに亙って軌道を敷設する必要があり、数十〜数百キロメートルに亙る距離分の積層材の生産には多大なコストが発生し、そもそも技術的に可能であるのか疑問が残る。

本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、簡素な構造の軌道で磁気浮上式鉄道を実現することを可能にする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、車両を案内するための軌道の短手方向に並べて配置され、前記車両の底面と交わる軸を中心に電動機により各々回転駆動される２つの磁気ホイールと、前記電動機の駆動制御を行う駆動制御部と、を備える鉄道車両用走行装置を提供する。この鉄道車両用走行装置の２つの磁気ホイールの各々には、その回転軸を中心とする円周に沿って、磁化方向が交互に入れ替わるように偶数個の永久磁石が埋設されている。そして、駆動制御部は、前記磁気ホイールの回転速度および前記車両の走行速度と前記鉄道車両の走行状態を指示する指令から前記磁気ホイールの回転速度を決定し、当該決定した回転速度で前記磁気ホイールを回転駆動するように前記電動機を制御する。

本発明によれば、磁気ホイールの回転により軌道に渦電流が誘起される。この渦電流により形成される磁界と上記永久磁石の磁界との相互作用により、本鉄道車両用走行装置を備えた車両を軌道から浮上させる浮上力と当該軌道に沿って当該車両を走行させる推進力とが生み出される。ここで、上記軌道は、アルミ板などの非磁性金属板であれば良く、従来よりも簡素な構造の軌道で磁気浮上式鉄道を実現することができる。

好ましい態様においては、前記駆動制御部は、前記指令に応じて加速または減速分を加味した前記車両の走行速度と前記磁気ホイールの回転速度の差が所定範囲に収まるように前記磁気ホイールの回転速度を決定する。磁気ホイールの回転速度が車両の走行速度に比較して早すぎると、車両を加減速させる推進力が低下するからである。

別の好ましい態様においては、前記２つの磁気ホイールの回転軸の間の距離は前記軌道の短手方向の距離よりも長いことを特徴とする。磁気ホイール全体が軌道を覆ってしまうと、車両を加減速させる推進力を生み出せなくなるからである。

より好ましい態様においては、前記駆動制御部は、前記鉄道車両の走行速度を計測する速度センサを備え、前記速度センサによる走行速度の計測値に応じて前記磁気ホイールの回転速度を決定することを特徴とする。また、別の好ましい態様においては、前記駆動制御部は、前記磁気ホイールの回転速度を計測する回転速度センサを備え、前記回転速度センサによる回転速度の計測値に応じて前記磁気ホイールの回転速度を決定することを特徴とする。

本発明の一実施形態に係るポッド１の側面図である。 チューブ２内を走行するポッド１の様子を示す図である。 ポッド１の底面図である。 ポッド１の正面図である。 ポッド１の走行装置である磁気ホイールユニット１０の構成例を示す図である。 磁気ホイールユニット１０に含まれる磁気ホイール１００の構成例を示す図である。 磁気ホイール１００の配置例を示す図である。 磁気ホイールユニット１０に含まれる駆動制御部２００の構成例を示す図である。 磁気ホイールユニット１０による加速／減速の様子を示す図である。 磁気ホイールユニット１０による加速／減速の様子を示す図である。 本発明の着想の元となったハイパーループのポッドの磁気ホイールユニットの断面図である。 図１１の磁気ホイールユニットの磁気ホイールの分解図である。 図１２の磁気ホイールとハイパーループのガイドウェイとの位置関係を示す図である。 図１２の磁気ホイールの回転制御に関わるシステムの構成を示すブロック図である。 図１４のシステムによる効果を確認するための試験の結果を示す図である。 図１４のシステムによる効果を確認するための試験の結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両であるポッド１を側面から見た透視図である。ポッド１は、ハイパーループと呼ばれる磁気浮上式鉄道の車両である。図２は、ポッド１が走行する様子を示す図である。ポッド１は、ガイドの役割を果たすチューブ２内を走行する。好ましい態様においては、ポッド１が走行する際の空気抵抗を低減するためにチューブ２内が減圧されていることが好ましい。

図３は、ポッド１を図１におけるブロック矢印Ａの方向から見た図、すなわちポッド１の底面図である。図３に示すように、ポッド１の底面には、ポッド１において走行装置の役割を果たす磁気ホイールユニット１０が設けられている。図３に示すように、本実施形態のポッド１の底面には４つの磁気ホイールユニット１０が設けられているが、磁気ホイールユニットの数は１〜３であっても良いし、５以上であっても良い。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、ポッド１を図１におけるブロック矢印Ｂの方向から見た図、すなわちポッド１の正面図である。図４（Ａ）には、ポッド１のみが図示されており、図４（Ｂ）には、チューブ２内に敷設された軌道３がポッド１とともに図示されている。図４（Ｂ）に示すように、軌道３の短手方向（すなわち、軌道３の延在方向に直交する方向）の断面形状は扁平なＩ字形となっている。本実施形態における軌道３は、アルミニウムや銅などの非磁性金属で形成されている。

図３および図４に示すように、磁気ホイールユニット１０は、各々扁平な円筒状に形成された磁気ホイール１００Ｌと磁気ホイール１００Ｒよりなる磁気ホイール対を有する。磁気ホイール１００Ｌおよび磁気ホイール１００Ｒは軌道３の上端面と対向するようにポッド１の底面に軌道３の短手方向に並べて配置される。以下では、磁気ホイール１００Ｌと磁気ホイール１００Ｒを区別する必要がない場合には、「磁気ホイール１００」と表記する。詳細については後述するが、本実施形態では磁気ホイール１００の中心軸を回転軸として回転駆動させることで、ポッド１を軌道３から浮上させる浮上力とポッド１を加速或いは減速させる推進力とが生み出される。

図５は、磁気ホイールユニット１０の構成例を示す図である。なお、図５には、磁気ホイールユニット１０に含まれる２つの磁気ホイール１００のうちの１つと当該磁気ホイール１００を回転駆動するための駆動制御部２００とが図示されているが、実際には磁気ホイール１００毎に駆動制御部２００が設けられている。

図６は、磁気ホイール１００の構成例を示す図である。図６に示すように、磁気ホイール１００は、例えばアルミニウムなどの非磁性材料を扁平な円筒状に形成された本体１２０と、ヨーク１１０と、駆動制御部２００に含まれる電動機の回転軸に本体１２０を固定するためのワッシャ１４０、ワッシャ１５０およびナット１６０とを有する。本体１２０には、回転軸を中心とする円周に沿って小径磁石１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃおよび１３０Ｄが埋め込まれている。以下では、小径磁石１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃおよび１３０Ｄの各々を区別する必要がない場合には、「小径磁石１３０」と表記する。小径磁石１３０は、一方の端面がＮ極となり、他方の端面がＳ極となるように磁化された円筒形永久磁石である。小径磁石１３０については例えばニオブ等の磁性金属で構成すれば良い。

図７は、磁気ホイール１００における小径磁石１３０の配置および磁気ホイール１００の回転方向を示す図である。図７は、磁気ホイールユニット１０に含まれる磁気ホイール１００Ｌおよび磁気ホイール１００Ｒを、ポッド１の底面から軌道３の上端面に向かう方向に俯瞰した図である。磁気ホイール１００に埋め込まれている４個の小径磁石１３０のうちの２つ（図７に示す例では小径磁石１３０Ａおよび１３０Ｃ）は、Ｎ極とポッド１の底面とが対向するように磁気ホイール１００に埋め込まれている。他の２つ（図７に示す例では小径磁石１３０Ｂおよび１３０Ｄ）はＳ極とポッド１の底面とが対向するように磁気ホイール１００に埋め込まれている。以下では、Ｎ極とポッド１の底面とが対向するように磁気ホイール１００に埋め込まれている小径磁石１３０を「第１の磁石」と呼び、Ｓ極とポッド1の底面とが対向するように磁気ホイール１００に埋め込まれている小径磁石１３０を「第２の磁石」と呼ぶ。図７に示すように、磁気ホイール１００には、その回転軸を中心とする円周に沿って第１の磁石と第２の磁石とが等間隔に交互に埋め込まれている。

図７に示すように磁気ホイール１００Ｌおよび磁気ホイール１００Ｒは、ポッド１の底面の短手方向に並べてポッド１の底面に配置される。図７に示すように、磁気ホイール１００Ｌはポッド１の底面と直交する回転軸を中心として時計回りに回転駆動され、磁気ホイール１００Ｒは反時計回りに回転駆動される。本実施形態では、磁気ホイール１００Ｌおよび１００Ｒの回転駆動により軌道３の上端面を横切る磁界に変化が発生し渦電流が誘起される。この渦電流により形成される磁界と磁気ホイール１００に埋め込まれた小径磁石１３０の磁界との相互作用により、ポッド１は軌道３から約２０ｍｍ浮上し、軌道３に沿って走行する。

上記にように磁気ホイール１００Ｌおよび磁気ホイール１００Ｒの各々が回転駆動されるため、図７に示すように、磁気ホイール１００Ｌの回転軸ＣＬと磁気ホイール１００Ｒの回転軸ＣＲの間の距離Ｄ２は磁気ホイール１００の半径の２倍よりも長い。磁気ホイール１００Ｌと磁気ホイール１００Ｒとが互いに干渉しないようにするためである。加えて、本実施形態では、距離Ｄ２は軌道３の短手方向の巾Ｄ１よりも長い。Ｄ２をＤ１よりも長くした理由は次の通りである。

前述したように磁気ホイール１００には、互いに隣り合う第１の磁石と第２の磁石とからなる磁石対が２組埋め込まれている。本実施形態では、上記２つの磁石対のうちの一方により生成される磁界のみが軌道３の上端面を横切り、他方により生成される磁界は軌道３の上端面を横切らない。例えば、図７に示す例では、小径磁石１３０ＢのＮ極から小径磁石１３０ＡのＳ極へ向かう磁界は軌道３の上端面を横切り上記浮上力および推進力を発生させるものの、小径磁石１３０ＤのＮ極から小径磁石１３０ＣのＳ極へ向かう磁界は軌道３の上端面を横切らず上記浮上力および推進力の発生には寄与しない。

仮に、Ｄ１の方がＤ２よりも長く、小径磁石１３０ＤのＮ極から小径磁石１３０ＣのＳ極へ向かう磁界も軌道３の上端面を横切るとする。この場合、小径磁石１３０ＤのＮ極から小径磁石１３０ＣのＳ極へ向かう磁界も上記浮上力および推進力を発生させるものの、その推進力は小径磁石１３０ＢのＮ極から小径磁石１３０ＡのＳ極へ向かう磁界が発生させる推進力とは逆向きであって互いに相殺される。このような非効率を避けるために、本実施形態ではＤ２をＤ１よりも長くしたのである。磁気ホイール１００Ｌの回転軸ＣＬと磁気ホイール１００Ｒの回転軸ＣＲの間の距離Ｄ２をどのような値にするかについては適宜実験を行って定めれば良い。

図８は、駆動制御部２００の構成例を示す図である。
図８に示すように、駆動制御部２００は、速度センサ２１０、速度増分決定部２２０、加算器２３０および２４０、主制御部２５０、ＥＣＳ（Electrical Control System）２６０、電動機２７０、角速度センサ２８０、および回転速度演算部２９０を有する。

速度センサ２１０は、ポッド１の走行速度を計測し、計測した走行速度を示す走行速度データを出力する。速度センサ２１０としては周知のものを適宜用いるようにすれば良い。速度センサ２１０から出力される走行速度データは速度増分決定部２２０と加算器２３０に与えられる。

速度増分決定部２２０は、ポッド１の各種の走行速度に対応付けて、ポッド１の走行状態（加速、減速或いは停止）を指示する指令に応じてその走行速度に加算するべき速度増分を示す速度増分データを格納した速度増分テーブルを有する。速度増分決定部２２０は、速度センサ２１０から与えられた走行速度データの示す走行速度および外部（例えば、ポッド１の運行を管理する運行指令端末）から与えられる指令に応じた速度増分データを速度増分テーブルから読み出し、加算器２３０へ出力する。

加算器２３０は、速度センサ２１０から与えられた走行速度データに速度増分決定部２２０から与えられた速度増分データを加算して加算器２４０へ出力する。加算器２３０の出力データは、速度センサ２１０から与えられた走行速度データの表す走行速度に、速度増分決定部２２０から与えられた速度増分データの表す速度増分を加算した速度を表す。

加算器２４０には、加算器２３０の出力データの他に、回転速度演算部２９０の出力データが与えられる。詳細については後述するが、回転速度演算部２９０の出力データは磁気ホイール１００の回転速度を表す。加算器２４０は、回転速度演算部２９０の出力データから加算器２３０の出力データを減算して主制御部２５０へ出力する。加算器２４０の出力データは、ポッド１の走行速度を基準とする磁気ホイール１００の相対速度を表す。

主制御部２５０には、加算器２４０の出力データの他にポッド１の走行状態を指示する指令がポッド１の外部から与えられる。主制御部２５０は、磁気ホイール１００の相対速度が所定の範囲に収まるように磁気ホイール１００の回転速度を決定し、この回転速度が実現されるようにＥＣＳ２６０の作動制御を行う。

図９は、磁気ホイール１００の相対速度と磁気ホイール１００の回転により生み出される推進力の実測結果を示す図である。図９は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの大きさのニオブ製の小径磁石１３０を用いた試作機による実測結果である。図９では、横軸が磁気ホイール１００の相対速度（単位：ｍ／ｓ）であり、縦軸が推進力（単位：ｋｇｆ）である。推進力が正であれば、ポッド１を加速させることを意味し、推進力が負であればポッド１を減速させることを意味する。

図１０は、磁気ホイール１００の相対速度と磁気ホイール１００の回転により生み出される推進力および浮上力の関係を示す図である。実測に用いた小径磁石１３０および図１０における横軸、縦軸の単位は図９と同じである。また、図１０では、実測された推進力の値が黒塗りの四角形でプロットされており、同実測された浮上力の値が白抜きのひし形でプロットされている。図９および図１０を参照すれば明らかなように、磁気ホイール１００の回転により生み出される推進力の絶対値は、相対速度の絶対値が大きくなるにつれて大きくなり、相対速度の絶対値が所定の範囲（図９にて点線で区画した範囲）を超えると減少に転じる。つまり、磁気ホイール１００の回転速度は速ければ速い程良いという訳ではない。本実施形態において、磁気ホイール１００の相対速度が所定の範囲に収まるように磁気ホイール１００の回転速度を決定するのは、推進力を効率良く発生させるためである。

図８において、ＥＣＳ２６０は、主制御部２５０による制御の下、電動機２７０の駆動制御を行う。電動機２７０は、ブラシレス直流モータである。本実施形態では、電動機２７０によって、磁気ホイール１００が回転駆動される。角速度センサ２８０は、電動機２７０の回転軸の角速度（すなわち、電動機２７０により回転駆動される磁気ホイール１００の角速度）を計測し、計測された角速度を示す角速度データを回転速度演算部２９０へ出力する。回転速度演算部２９０には、磁気ホイール１００の半径を示す半径データが予め記憶されている。回転速度演算部２９０は、角速度センサ２８０から与えられる角速度データに上記半径データを乗算して加算器２４０へ出力する。回転速度演算部２９０の出力データは、電動機２７０により回転駆動される磁気ホイール１００の角速度に当該磁気ホイール１００の半径を乗算して得られる値、すなわち、磁気ホイール１００の回転速度を表す。

以上に説明した構成としたため、本実施形態によれば、ポッド１の走行速度に応じて磁気ホイール１００の回転速度を制御することで、ポッド１の加速、減速或いは停止を実現できる。ここで注目すべき点は、本実施形態のポッド１の走行を案内する軌道３は非磁性金属により形成された構造物であって、超電導リニアにおける超電導磁石の配置等は必要ないという点である。このように、本実施形態によれば、従来よりも簡素な構造の軌道で磁気浮上式鉄道を実現することが可能になる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、この実施形態に以下の変形を加えても勿論良い。
（１）上記実施形態では、磁気ホイール１００を回転駆動させる電動機２７０としてブラシレス直流モータを用いたが、誘導電動機や同期電動機などの交流電動機を用いても良い。電動機２７０として交流電動機を用いる場合にはＥＣＳに代えてインバータ等の電力変換器を用いるようにすれば良い。

（２）上記実施形態の磁気ホイール１００には２つの磁石対が埋め込まれていたが、磁気ホイール１００に埋め込まれる磁石対は１つであっても良く、また３つ以上であっても良い。

（３）上記実施形態では、磁気ホイール１００の角速度をセンサにより計測したが、電動機２７０が交流電動機である場合には、磁気ホイール１００の角速度を電動機の誘導電流から推定しても良く、この場合は角速度センサを省略可能である。また、走行速度についても運転指令所から走行速度を通知するようにすれば速度センサを省略可能である。このように、角速度センサと速度センサの一方、或いは両方を省略した構成であっても良い。

ここで、本発明の着想の元となったハイパーループについて説明する。このハイパーループは、減圧されたチューブ内に敷かれたガイドレール上において、ポッドと称する車両を走行させるものである。ガイドレールは、アルミニウム製の板により構成する。一方、ポッドの下面（走行時にガイドレールと対向する面）に、磁気ホイールユニットを設けている。図１１は、磁気ホイールユニットの断面図である。磁気ホイールユニットは左側の磁気ホイールとこれを回転自在に支持する右側のモータとからなる。ポッドは、磁気ホイールユニットの下面（図１１の左の端面）を下に向けてガイドレール上に置かれる。

図１２は、図１１の磁気ホイールユニットの磁気ホイールの組み立て図である。図１２に示すように、磁気ホイールは、４個の永久磁石（ニオブの小径マグネット）を非磁性体のディスクの周に埋め込んだものである。磁気ホイールの４個の永久磁石は、磁気ホイールの回転中心を取り囲んでいる。４個の永久磁石は、隣り合うもの同士の極性が逆向きになっている。図１３は、ポッドをガイドウェイ上に置いたときのガイドウェイと磁気ホイールユニットとの位置関係を示す図である。図１３に示すように、ポッドは、左右１対の磁気ホイールユニットを有している。ポッドは、左右１対の磁気ホイールユニットの回転中心が、ガイドウェイの左右の側端よりも外側になるようにして、ガイドウェイ上に置かれる。この状態で、磁気ホイールユニットを図１３の矢印方向に回転させると、渦電流が発生し、この渦電流の作用によってポッドが前方（図１３の上の方向）に移動する。磁気ホイールユニットを図１３の矢印方向と逆方向に回転させると、逆向きの渦電流が発生し、この渦電流の作用によってボッドが後方（図１３の下の方向）に移動する。このような構成により、常温での動作が可能なうえ、ガイドウェイ側にコイルなどを敷設する必要もなく、インフラコストの面で有利になる。

図１３は、図１２の磁気ホイールの回転制御に関わるシステムの構成を示すブロック図である。この図に示すように、ポッドは、機体速度（ポッドの速度）と磁気ホイールの回転速度を常時測定する。また、ポッドは、地上から、加速／制御／停止に関わる指令を受信する。ポッドは、機体速度に加えるべき速度増分を、表（ＴＡＢ）を参照して選択し、この増分を期待速度に加えて磁気ホイールの回転速度を決定し、ＳＷ（スイッチ）により、駆動及び制御を切り替える。以上の処理の流れにより、ポッドは、走行中における磁気ホイールの回転速度を維持する。図１５及び図１６は、このパイパーループの効果を確認するための試験の結果を示す図である。

１…ポッド、２…チューブ、１０…磁気ホイールユニット、１００，１００Ｌ，１００Ｒ…磁気ホイール、１１０…ヨーク、１２０…本体、１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ、１３０Ｄ…小径磁石、１４０，１５０…ワッシャ、１６０…ナット、２００…駆動制御部、２１０…速度センサ、２２０…速度増分決定部、２３０，２４０…加算器、２５０…主制御部、２６０…ＥＣＳ、２７０…電動機、２８０…角速度センサ、２９０…回転速度演算部。

Claims (6)

1. 車両を案内するための軌道の短手方向に並べて配置され、前記車両の底面と交わる軸を中心に電動機により各々回転駆動される２つの磁気ホイールと、
   前記電動機の駆動制御を行う駆動制御部と、を備え、
   前記２つの磁気ホイールの各々には、
   前記軸を中心とする円周に沿って、磁化方向が交互に入れ替わるように偶数個の永久磁石が埋設されており、
   前記駆動制御部は、
   前記磁気ホイールの回転速度および前記車両の走行速度と前記鉄道車両の走行状態を指示する指令から前記磁気ホイールの回転速度を決定し、当該決定した回転速度で前記磁気ホイールを回転駆動するように前記電動機を制御する
   ことを特徴とする鉄道車両用走行装置。
2. 前記駆動制御部は、
   前記指令に応じた加速または減速分を加味した前記車両の走行速度と前記磁気ホイールの回転速度の差が所定範囲に収まるように前記磁気ホイールの回転速度を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用走行装置。
3. 前記２つの磁気ホイールの回転軸の間の距離は前記軌道の短手方向の距離よりも長いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用走行装置
4. 前記駆動制御部は、
   前記鉄道車両の走行速度を計測する速度センサを備え、前記速度センサによる走行速度の計測値に応じて前記磁気ホイールの回転速度を決定する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の鉄道車両用走行装置。
5. 前記駆動制御部は、
   前記磁気ホイールの回転速度を計測する回転速度センサを備え、前記回転速度センサによる回転速度の計測値に応じて前記磁気ホイールの回転速度を決定する
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の鉄道車両用走行装置。
6. ガイドウェイの右側と左側に位置するように配された１対又は複数対の磁気ホイールユニットを有し、
   前記磁気ホイールユニットは、磁気ホイールと、前記磁気ホイールユニットを回転させるモータとを有し、
   前記磁気ホイールユニットは、偶数個の永久磁石を非磁性体のディスクに埋め込んだものであり、
   前記磁気ホイールユニットの磁気ホイールを、当該ポッドの移動速度に合わせて制御する
   ことを特徴とするハイパーループのポッド。