JP4119103B2

JP4119103B2 - 鉄道車両用輪重制御装置及び方法

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Publication number: JP4119103B2
Application number: JP2001211552A
Authority: JP
Inventors: 栄一前橋; 正道小笠; 弘明石田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: JP2003025992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、台車とレール間に吸引力を生じさせる装置を有する鉄道車両用輪重制御装置に関する。さらに、この鉄道車両用輪重制御装置を用いた輪重制御方法に関する。特には、レール頭頂面の損傷を来たすことなく、車輪粘着係数の増加や脱線係数の低減を実現できる等の利点を有する鉄道車両用輪重制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
現状の鉄道車両の主なブレーキとしては、踏面ブレーキやディスクブレーキ、電気ブレーキ等の粘着ブレーキ装置が広く用いられている。この種の粘着ブレーキ装置は、車輪とレール間に働く摩擦力（車輪踏面の粘着力）を制動力として利用する装置である。一方、車輪踏面の粘着力よりも大きい制動力を必要とする場合がよくある路面電車等の特殊な車両においては、粘着ブレーキ装置に加えて、車輪を介さずに直接レールとの間で摩擦力を生じさせるレールブレーキを有するものがある。このようなレールブレーキの代表的なものが電磁吸着型ブレーキ装置である。
【０００３】
図６は、従来の電磁吸着型ブレーキ装置を備えたボギー台車の一例を示す側面図である。
なお、本明細書中では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、レールの長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面におけるレール長手方向と直角の方向を左右方向、軌道面に垂直な方向を上下方向と呼ぶ。
【０００４】
この図に示すボギー台車（以下、単に台車という）１０１は、台車枠１０３を備えている。台車枠１０３の上部には、空気バネ等からなる車体支持装置（図示されず）を介して車体（図示されず）が載置される。台車枠１０３の下部には、車輪１０５と車軸１０６からなる輪軸１０７が組み込まれている。車輪１０５は、車軸１０６の左右両側に圧入されて固定されている。両車輪１０５の外側において、車軸１０６の両端部には軸箱１０８が外嵌されている。台車枠１０３は、軸箱１０８上において軸ばね１０９を介して載置されている。
【０００５】
台車枠１０３の前後方向中央部の下面には、支持部材１１２を介して電磁石１１０が取り付けられている。この電磁石１１０が励磁されると、電磁石１１０とレール１００との間に吸引力が生じ、電磁石１１０が下方向に引き寄せられ、電磁石１１０はレール１００に接する。なお、このとき軸ばね１０９は電磁石１１０の吸引力に対応する分だけ縮む。そして、この際の電磁石１１０下面とレール１００頭頂面間に働く摩擦力が、車両の制動力となる。
【０００６】
ところが、このような電磁吸着型ブレーキ装置を制動用に用いると、電磁石１１０はレール１００頭頂面に接した状態で、車両が停止するまで引き摺られることとなる。このとき、電磁石１１０下面とレール１００頭頂面が滑るため、レール１００頭頂面が激しく摩耗・損傷するという問題がある。なお、このブレーキ装置をパーキングブレーキとして用いる分には、上記のような問題はない。
【０００７】
さらに、図６のブレーキ装置は、電磁石１１０が台車枠１０３にばねを介さず直接装架され、これら電磁石１１０及び台車枠１０３が軸ばね１０９で支持される構成である。このため、電磁石１１０とレール１００との間に前後方向の制動力を発生させると、台車枠１０３がばね支持されているので、車両振動（ピッチング）が発生するという問題も予想される。
【０００８】
図６のような電磁吸着型ブレーキ装置の他に、渦電流型レールブレーキ装置も知られている。この装置は、レール内を磁束が横切るように電磁石を配置し、この電磁石が車両とともに進む際に、レール内で誘起される渦電流を利用して、車両に制動力を加えるものである。
ところが、この渦電流型ブレーキ装置は、作動時の熱がレールの温度上昇を引き起こすおそれがあるという点が懸念される。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、レール頭頂面の損傷を来たすことなく、車輪粘着係数の増加や脱線係数の低減を実現することができる鉄道車両用輪重制御装置を提供することを目的とする。
さらに、このような鉄道車両用輪重制御装置を用いた輪重制御方法を提供することも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のベースとなる鉄道車両用輪重制御装置は、鉄道レール上を転動する左右一対の車輪と、該左右一対の車輪を繋ぐ車軸と、該車軸の軸受けを含む軸箱と、該軸箱上に支持された台車枠と、前記車輪の制動機構（ブレーキ）と、を含む、鉄道車両用の輪重制御装置であって、前記レールとの間で吸引力を生じて、前記軸箱に下方向の力を加える電磁石と、該電磁石が前記レールに接することのないように設定される、前記電磁石と前記レールとの間の最小隙間を確保する隙間保持機構と、を具備する。
【００１１】
本発明によれば、隙間保持機構で電磁石とレール間の間隔が確保されるので、電磁石とレール頭頂面とが接触しない。このため、電磁石とレール頭頂面との間にすべり摩擦が起こらず、磨耗や損傷が生じない。したがって、レール交換等の保守作業を減らすことができる。それにもかかわらず、電磁石とレールとの間隔が適正に保たれて、電磁石の吸引力分だけ輪重が増えて見かけの粘着係数が大きくなるので、粘着領域が確保されてブレーキ距離を短縮できる。
【００１２】
また、本発明の輪重制御装置は、それ自体が制動力を発揮するものではなく、単に輪重を増やすだけなので、力行時にもスリップ防止用に用いることができ、加速性能を上げることもできる。さらに、輪重が車両の自重分よりも増加することで、脱線係数Ｑ／Ｐ（横圧（Q）÷輪重（P））を低減することもできる。また、磁力分の輪重の増加によって充分な見かけの粘着係数を得ることができるので、電力回生ブレーキ等との併用も可能である。
【００１３】
本発明の鉄道車両用輪重制御装置においては、前記軸箱と前記台車枠間の軸ばねを介さずに、前記電磁石を前記台車枠に対して弾性支持する弾性部材を有し、前記隙間保持機構として、前記電磁石に接続された部材が前記軸箱に当接して、当接した後における前記弾性部材の変形を抑止する抑止機構が設けられている。
このため、通常時は吸着装置の荷重を弾性部材を介して台車枠で支え、吸着装置重量がいわゆる軸ばね下荷重とならないので、車両の走行性能が損なわれない。吸着装置作動時には、前記抑止機構が前記弾性部材の変形を阻止して、車輪踏面に電磁石が接するのを防ぐ。
【００１４】
また、本発明の鉄道車両用輪重制御装置は、車両の所定値を超える加速時あるいは減速時に、前記電磁石を作動させるものとすることができる。
この場合、所定値を超える加速時あるいは減速時に生じる台車の軸重移動（不均一）を、電磁石の吸引力で緩和することができる。
【００１５】
さらに、本発明の鉄道車両用輪重制御装置は、前記車輪の浮き上がり検出機構をさらに有し、該検出機構の検出信号に応じて前記電磁石を作動させるものとすることができる。
車両の加速時や減速時等に急激な車両の軸重前後移動が起こった場合や、曲線軌道で軸重左右移動が起こった場合に、前後左右の車輪のうち浮き上がりつつある車輪を加速時計やばね変位計等の検出機構で検出し、この浮き上がりを抑えるよう電磁石を作動させる。
【００１６】
さらに、本発明の鉄道車両用輪重制御装置は、車両の曲線軌道低速走行時に、該曲線軌道の外側の車輪に対応する電磁石のみを作動させるものとすることができる。
車両が低速で曲線軌道を走行する場合は、遠心力が車両にあまり作用しないので、軌道のカントの影響で車両の重量が内側軌道に集中的にかかり、外側軌道の脱線係数Q／Pが大きくなり、脱線し易い状況が生じる。そこで、外側軌道側の車輪にのみ吸引力を生じさせて輪重Pを大きくすると、脱線係数Q／Pが小さくなり、脱線を防止できる。
【００１７】
本発明の鉄道車両用輪重制御方法は、鉄道車両用輪重制御装置を具備する鉄道車両の制動方法であって、制動時に電磁石を作動させてレールとの間で吸引力を生じさせることにより、軸箱に下方向の力を加えて輪重を増し、制動距離を短縮することを特徴とする。
本発明の鉄道車両用輪重制御方法は、鉄道車両用輪重制御装置を具備する鉄道車両の脱線・転覆防止方法であって、制動時に電磁石を作動させてレールとの間で吸引力を生じさせることにより、軸箱に下方向の力を加えて輪重を増し、車両の脱線・転覆を阻止することを特徴とする。
【００１８】
地震等の非常時には、電磁石を作動して吸引力を生じさせることで、電磁石がレール上をガイドする機能が付加される。さらに、電磁石の吸引力で輪重が増加するので、脱線係数Q／Pを小さくすることができる。
あるいは、車両が曲線区間で停車しているときには、車両が横風を受けて転覆するのを防止する効果も期待できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１（A）は本発明の第１実施例に係る鉄道車両用輪重制御装置を示す側面図であり、図１（B）は同鉄道車両用輪重制御装置の電磁石付近の部分を前後方向から見た一部断面図である。
図１（Ａ）に示す台車１１は、台車枠１３を備えている。台車枠１３の上部には、空気バネ等の車体支持装置（図示されず）を介して車体（図示されず）が載置される。台車枠１３の下部には、車輪１５と車軸１６からなる輪軸１７が組み込まれている。車輪１５は、車軸１６の両側に圧入されて固定されている。両車輪１５の外側において、車軸１６の両端部には軸箱１８が外嵌されている。車輪１５の踏面付近には、ブレーキ装置のパッド１４が配置されている。なお、踏面ブレーキではなく、ディスクブレーキ等の他の形式のブレーキ装置を用いることもできる。
【００２０】
台車枠１３と軸箱１８上面間には、軸ばね１９が取り付けられている。この軸ばね１９の両側において、台車枠１３下面からはペデスタル２５が垂下している。このペデスタル２５は、２つの対向する逆三角形のブロックからなり、両ブロックの間に前述の軸ばね１９及び軸箱１８が組み込まれている。軸箱１８は、ペデスタル２５の下部に摺動可能に係合している。ペデスタル２５は、台車枠１３が軸ばね１９上で上下に弾性変位する際に、軸箱１８を上下に案内する役割を果たす。前後の軸箱１８間には、釣合梁２２が架設されている。この釣合梁２２の両側の端部２２ｂ、２２ｃは、前後の軸箱１８の下端面にそれぞれ固定されている。釣合梁２２は、ＦＲＰやオーステナイトステンレス等の非磁性材からなる。
【００２１】
釣合梁２２の中央部には、支持部材２４を介して電磁石２１が配置されている。この支持部材２４は、図１（Ｂ）に分かり易く示すように、断面が方形の筒状体である。この支持部材２４の下面に、電磁石２１が固定されている。支持部材２４の上面には、台車枠１３から垂下するばね２３が取り付けられている。電磁石２１及び支持部材２４は、ばね２３の弾性力で上方向に付勢されている。電磁石２１の重量は、通常時（電磁石２１の非通電時）はばね２３を介して台車枠１３に支えられる。
【００２２】
非通電時に、電磁石２１がばね２３の付勢力を受けて引き上げられている状態（図１の状態）では、支持部材２４の内孔上端面２４ａと釣合梁２２上面との間には隙間ｔ１が存在する。この隙間ｔ１は、非通電時における、電磁石２１の下端面２１ａとレール１００の頭頂面１００ａとの間の間隔ｔ２よりも小さい。これらの間隔の寸法は、例えばｔ１＝９０ｍｍに対し、ｔ２＝１００ｍｍ程度である。
【００２３】
次に、上記の構成からなる台車１１の作用について説明する。
まず、通常時（電磁石２１の非通電時）においては、図１（Ｂ）に分かり易く示すように、電磁石２１及び支持部材２４がばね２３の付勢力で上方向に引き寄せられており、支持部材２４の内孔下端面２４ｃと釣合梁２２の下面が接触している。この通常時には、電磁石２１は非通電状態で励磁されていないので、電磁石２１とレール１００間には吸引力が生じていない。
【００２４】
車両の制動時等の吸着力発生を要する場合には、図示せぬ電源から電力が供給されて電磁石２１が励磁される。すると、電磁石２１とレール１００との間に吸引力が生じ、電磁石２１が下方向（レール１００側）に引き寄せられる。このとき、電磁石２１は、ばね２３の弾性力に抗して下方向に変位し、支持部材２４の内孔上端面２４ａが釣合梁２２の上面に当たり、釣合梁２２全体を下方向に押す。これに伴い、釣合梁２２の両端部２２ｂ、２２ｃが軸箱１８を下に押し、この力が車輪１５の輪重に付加される。このようにして輪重が増加することで、車輪１５のレール１００への見かけの粘着係数が大きくなり、粘着領域を確保してブレーキ距離を短縮できる。
【００２５】
電磁石２１とレール１００との間に吸引力が生じた際の、電磁石２１の釣合梁２２に対する変位可能量（隙間ｔ１、一例９０ｍｍ）は、電磁石２１の下端面２１ａとレール１００の頭頂面１００ａ間の寸法（間隔ｔ２、一例１００ｍｍ）よりも小さいので、電磁石２１が作動した後にも電磁石２１とレール１００との間にはｔ２−ｔ１（一例で１０ｍｍ）の隙間が確保され、電磁石２１とレール１００は接触しない。したがって、レール１００の頭頂面１００ａのすべり摩擦に伴う磨耗や損傷を回避できる。そのため、レール交換等の保守作業が軽減される。
【００２６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図２（A）は本発明の第２実施例に係る鉄道車両用輪重制御装置を示す側面図であり、図２（B）は前後の電磁石を同時に作動した状態を示す側面図であり、図２（Ｃ）は軸重移動した状態（電磁石を作動させなかった場合）を示す側面図であり、図２（Ｄ）は軸重移動時で後ろの電磁石を作動した状態を示す側面図である。
図２（Ａ）に示す台車３１は、台車枠３３を備えている。台車枠３３の下部には、第１実施例と同様に、輪軸３７（車輪３５及び車軸３６）や軸箱３８、軸ばね３９、ブレーキ装置のパッド３４が配置されている。
【００２７】
この台車３１は、各車輪３５のそれぞれに対応して、それぞれ電磁石４１を備えている。各電磁石４１は、リンク４４、アーム４３及びばね４５を介して、台車枠３３下面に個別に支持されている。リンク４４は、台車枠３３の中央部と電磁石４１上面を繋いでいる。アーム４３は、各電磁石４１上面から各軸箱３８上面に向けて延びるほぼL字状の部材である。各アーム４３は、電磁石４１上面に固定された固定端と、軸箱３８上面に臨む自由端４３ａとを有する。アーム４３の自由端４３ａは、軸箱３８上面に当接可能ではあるが固定されてはいない。通常時（電磁石４１の非通電時）においては、図２（Ａ）に示すように、アーム４３の自由端４３ａと軸箱３８上面間には隙間ｔ１が存在する。各アーム４３と台車枠３３間には、ばね４５が取り付けられている。アーム４３及び電磁石４１は、ばね４５の弾性力で上方向に付勢されている。
【００２８】
この台車３１は、電磁石４１の非通電時において、隙間ｔ１（アーム４３の自由端４３ａと軸箱３８上面間）が例えば９０ｍｍ程度確保され、隙間ｔ２（電磁石４１の下端面とレール１００の頭頂面間）が例えば１００ｍｍ程度確保されている。各軸箱３８の上方において、台車枠３３の下面には軸ばね変位センサ４７が取り付けられている。軸ばね変位センサ４７は、レーザ式変位計や歪みゲージ式変位計であって、軸ばね３９の変位を計測して軸箱３８の浮き上がり（つまり車輪３５の浮き上がり）を検出する。４つの電磁石４１は、それぞれの軸ばね変位センサ４７の検出信号に応じて、個別に作動することが可能である。
【００２９】
次に、上記の構成からなる台車３１の作用について説明する。
まず、通常時（電磁石４１の非通電時）においては、図２（Ａ）に示すように、電磁石４１の重量がアーム４３及びばね４５を介して台車枠３３で支えられる。このため、通常走行時には、電磁石４１の重量がいわゆるばね（軸ばね）下荷重にならないので、車両の走行性能が損なわれない。
【００３０】
制動時等の吸着力発生を要する場合において、全ての電磁石４１が同時に励磁されると、図２（Ｂ）に示すように、各電磁石４１が下方向（レール１００側）に引き寄せられる。すると、この電磁石４１の吸引力でアーム４３がばね４５の付勢力に抗して引き下がり、アーム４３の自由端４３ａが軸箱３８上面に当接する。そして、電磁石４１の吸引力がアーム４３を介して軸箱３８に伝達され、軸箱３８が下方向に押し付けられる。これによって、車輪３５の輪重が増加し、第１実施例と同様に車輪踏面の見かけの粘着係数が大きくなるので、粘着領域を確保してブレーキ距離を短縮できる。
【００３１】
電磁石４１とレール１００との間に吸引力が生じた際の、電磁石４１の変位可能量（隙間ｔ１、一例９０ｍｍ）は、電磁石４１とレール１００間の寸法（間隔ｔ２、一例１００ｍｍ）よりも小さいので、電磁石４１が作動した後にも電磁石４１とレール１００との間にはｔ２−ｔ１（一例で１０ｍｍ）の隙間が確保され、電磁石４１とレール１００とは接触しない。そのため、第１実施例と同様に、レール１００頭頂面の磨耗や損傷が生じない。
【００３２】
なお、この第２実施例の台車３１においては、検出センサ４７を用いて電磁石４１を個別に励磁すると、前後左右の４つの車輪３５に個別に輪重を加えることができる。これを利用して、以下に述べるように、台車の軸重移動に伴う傾きを低減することができる。
【００３３】
すなわち、車両の加速時や減速時等においては、図２（Ｃ）に示すような急激な軸重前後移動（図２（Ｃ）では図の左側；進行方向前方への移動）が起こる場合がある。このような軸重前後移動を低減するには、前後左右の車輪３５のうち浮き上がりつつある車輪（図２（Ｃ）では右側の車輪）を、軸ばね変位センサ４７で検出する。このとき、軸ばね変位センサ４７は、軸箱上の軸ばねの変位量に基づき、浮き上がりつつある車輪を検出する。そして、この浮き上がりを検出した変位センサ４７に対応する電磁石４１のみを励磁して、吸引力を生じさせる。こうすると、図２（Ｄ）に示すように、浮き上がりつつある右側の軸箱３８にのみアーム４３の自由端４３ａが当接し、電磁石４１の吸引力が伝わる。そのため、浮き上がりつつある車輪にのみ輪重が加えられるので、軸重移動の不均衡を抑えて車両のバランスを保つことができる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
図３（Ａ）は本発明の第３実施例に係る鉄道車両用輪重制御装置を示す側面図であり、図３（Ｂ）は同鉄道車両用輪重制御装置で電磁石を作動した状態を示す側面図である。
図３に示す台車５１は、台車枠５３を備えている。台車枠５３の下部には、第１及び第２実施例と同様に、輪軸５７（車輪５５及び車軸５６）や軸箱５８、軸ばね５９、ブレーキ装置のパッド５４が配置されている。
【００３５】
前後の軸箱５８間には、電磁石６１を吊るす吊り梁６２が架設されている。この吊り梁６２の両端部寄りには、当接部材６５が設けられている。当接部材６５は、吊り梁６２から軸箱５８上面に向けて下方向に突出している。吊り梁６２と台車枠５３間には、ばね６３が取り付けられている。吊り梁６２及び電磁石６１は、ばね６３の弾性力で上方向に付勢されている。
【００３６】
この台車５１は、電磁石６１の非通電時において、隙間ｔ１（当接部材６５と軸箱５８上面間）が例えば９０ｍｍ程度確保され、隙間ｔ２（電磁石６１の下端面とレール１００の頭頂面間）が例えば１００ｍｍ程度確保されている。
【００３７】
次に、上記の構成からなる台車５１の作用について説明する。
まず、通常時（電磁石６１の非通電時）においては、電磁石６１が吊り梁６２に吊られており、吊り梁６２は２つのばね６３の弾性力で上側に付勢されている。電磁石６１の重量は、ばね６３を介して台車枠５３で支えられる。このため、第２実施例と同様に、通常走行時の電磁石６１の支持が不安定にならず、車両の走行性能が損なわれない。
【００３８】
制動時等の吸着力発生を要する場合において、電磁石６１が励磁されると吸引力が生じ、電磁石６１が下方向（レール１００側）に引き寄せられる。すると、図３（Ｂ）に示すように、この電磁石６１の吸引力で吊り梁６２がばね６３の付勢力に抗して下がり、吊り梁６２の両端の当接部材６５が軸箱５８上面に当たる。そして、吊り梁６２に加わる力が当接部材６５を介して軸箱５８に伝達され、軸箱５８が下方向に押し付けられる。これによって、車輪５５の輪重が増加し、第１及び第２実施例と同様に車輪踏面の見かけの粘着係数を大きくすることができるので、粘着領域を確保してブレーキ距離を短縮できる。
【００３９】
電磁石６１とレール１００との間に吸引力が生じた際の、電磁石６１の変位可能量（隙間ｔ１、一例９０ｍｍ）は、電磁石６１とレール１００間の寸法（間隔ｔ２、一例１００ｍｍ）よりも小さいので、電磁石６１が作動した後にも電磁石６１とレール１００との間にはｔ２−ｔ１（一例で１０ｍｍ）の隙間が確保され、電磁石６１とレール１００とは接触しない。そのため、第１及び第２実施例と同様に、レール１００頭頂面の磨耗や損傷が生じない。
【００４０】
次に、上記の各実施例の台車を装備した鉄道車両の曲線走行時の作用について説明する。
図４（Ａ）はカント（バンク）付き曲線軌道における鉄道車両の走行時にかかる力を説明するための正面図であり、図４（Ｂ）はその平面図である。
図４（Ａ）に示すように、鉄道車両１の輪軸７（内車輪５Ｉ、外車輪５Ｏ及びこれらを繋ぐ車軸６）には、輪重Ｐと横圧Ｑが反作用として働く。そして、横圧Ｑが輪重Ｐに比べてある程度以上大きくなると、鉄道車両１の脱線が生じ易くなる。このような脱線の危険性を表す指標としては、横圧（Q）÷輪重（P）で与えられる脱線係数が用いられる。
【００４１】
鉄道車両が曲線軌道を低速で走行する際には、図４（Ｂ）に分かり易く示すように、台車が直線状態に戻ろうとする復元力（レールの外側に働く力）が生じ、これが上述した横圧Ｑとなる。この復元力は一般には小さい力であるが、レールの曲線部の曲率が大きいと、これに比例して復元力も大きくなる。そのため、輪重Ｐが小さい場合は脱線係数Ｑ／Ｐが大きくなり、脱線が生じる可能性が高くなる。また、図４（Ａ）に示すように、鉄道車両１が低速でカント（バンク）付き曲線軌道を走行する場合は、遠心力があまり作用しないので、鉄道車両１の重心が内側軌道ＲＩに移動し、外側軌道ＲＯの脱線係数が大きくなる状況が生じる。
【００４２】
このような場合、本来は鉄道車両１の車重でしか得ることができない輪重Ｐに、上述した電磁石（２１、４１、６１）の吸引力で輪重を加えることで、脱線係数を小さくすることができる。つまり、外側軌道ＲＯ側の車輪５Ｏにのみ電磁石（２１、４１、６１）で吸引力を生じさせ、外側軌道ＲＯにおける輪重を大きくすると、軸重が増えて脱線係数が小さくなり、脱線・転覆の可能性を低減できる。
なお、曲線の程度は、台車に転向ヨー角センサを設け、このセンサの信号から判定することができる。あるいは、車両に予めレール曲線部の情報を搭載しておくこともできる。これら曲線の曲率半径・カント角・車両速度から適切な電磁石の作動を選択できる。
【００４３】
次に、本発明の鉄道車両用輪重制御装置の電磁石の設計諸元及び計算上の効果の一例を説明する。
図５（Ａ）は本発明に係る鉄道車両用輪重制御装置の電磁石とその電気系統をモデル化した図であり、図５（Ｂ）は電磁石とレールを含む磁気回路の図であり、図５（Ｃ）はレールの断面図である。
【００４４】
図５（Ａ）に示すように、この例ではコ字状の電磁石４００を用いた。この電磁石４００は２つの円形の端面を有し、各端面の直径ｄは６ｃｍ（半径３ｃｍ）である。この電磁石４００にはケーブル４０１が巻き付けられており、ここが磁界を生じるコイルＣとなる。ケーブル４０１は、パンタグラフ２００からの主動力線と、電力回生部（三相モータ３００及び三相インバータ３０１）とに並列に接続されている。ケーブル４０１の途中には、抵抗ωが組み込まれている。パンタグラフ２００と車輪２０１間には、コンデンサ２０２が接続されている。
【００４５】
まず、常用ブレーキ時又は力行時における、パンタグラフ２００からの主電力源を用いた電磁石４００の励磁について説明する。
パンタグラフ２００から電磁石４００には、電圧Ｖ_D＝１５００Ｖが印加される。この場合、電磁石４００に流れる直流電流ｉ_Dは、
ｉ_D＝Ｖ_D（Ｖ）／ω（Ω）＝１５００／ω（単位Ａ）
となる。さらに、電磁石４００端面とレール１００頭頂面間のギャップｔの長さは１５ｍｍとする。なお、このギャップｔは、最小６ｍｍに設定可能である。
【００４６】
図５（Ｂ）に示す磁気回路において、磁気抵抗（リラクタンス）Ｒは、
Ｒ＝（１／μ）×（ｌ／Ｓ）（単位Ａ／Ｗｂ）
で与えられる。但し、鉄の場合（電磁石４００及びレール１００）は透磁率ξ＝２００であって、空気の場合（電磁石４００とレール１００間のギャップｔ）は透磁率ξ＝ξ₀＝１．０とする。さらに、電磁石４００の端面の面積Ｓ（半径３ｃｍの円；Ｓ＝０．０３²π（ｍ²））を、レール１００の頭頂面への磁気回路有効範囲と仮定する。
磁力線の磁路は、電磁石４００の長さ＝５０ｃｍ、ギャップｔの長さの２倍＝１５×２＝３０ｍｍ、レール１００の長さ＝５０ｃｍの総計となる。なお、図５（Ｃ）に示すように、レール１００の幅ｈ１＝６５ｍｍ、頭頂面の幅ｈ２＝３０ｍｍとする。
【００４７】
すると、この場合の電磁石４００、ギャップｔ及びレール１００における各磁気抵抗Ｒｃ、Ｒｇ及びＲｒは、
電磁石の鉄心の磁気抵抗Ｒｃ＝（１／２００）×（０．５／０．０３²π）
ギャップの磁気抵抗Ｒｇ＝（１／１）×（０．０３／０．０３²π）
レールの磁気抵抗Ｒｒ＝（１／２００）×（０．５／０．０３²π）
となる。したがって、合計の磁気抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｒｃ＋Ｒｇ＋Ｒｒ＝１２．３８（Ａ／Ｗｂ）
となる。
さらに、図５（Ｂ）に示す磁気回路の磁束φは、
φ＝Ｂ×Ｓ（単位Ｗｂ）
で与えられる。Ｂは電磁石４００のコイルＣの磁束密度である。
【００４８】
次に、電磁石４００の吸引力を求める。
単位面積当たりの吸引力ｆは、
ｆ＝Ｂ²／２ξ₀（単位Ｐａ）
であり、有効面積当たりの吸引力Ｆは、
Ｆ＝ｆ×２Ｓ＝φ²／（ξ₀×Ｓ）（単位Ｐａ）
で求められる。ここで、図５（Ｂ）の磁気回路の起磁力は、電磁石４００のコイルＣのインダクタンスをＬ（単位Ｈ）とすると、
Ｌ×ｉ_D＝Ｌ×（Ｖ_D／ω）（単位Ａ）
であるから、上記の磁束φは、
φ＝Ｌ×（１／ω）×Ｖ_D／Ｒ（Ｗｂ）
となる。
【００４９】
したがって、有効面積当たりの吸引力Ｆは、
Ｆ＝φ²／（ξ₀×Ｓ）
＝（（Ｌ／ω）²×Ｖ_D ²）／（μ₀×Ｓ×Ｒ²）
＝（（Ｌ／ω）²×Ｖ_D ²）／（１×０．０３²π×１２．３８²）
＝２．３０８×Ｌ²×（Ｖ_D／ω）²（Ｐａ）
となる。
【００５０】
ここで、主動電源の電圧Ｖ_D＝１５００Ｖ、直流電流ｉ_D＝１０Ａ、抵抗ω＝１５０Ωのとき（電力Ｐ＝１５ｋＷ）、コイルＣのインダクタンスＬの値と有効面積当たりの吸引力Ｆの値は、
Ｌ＝１０ｍＨならばＦ＝０．０２３Ｎ、
Ｌ＝１００ｍＨならばＦ＝２．３０８Ｎ、
Ｌ＝１０００ｍＨならばＦ＝２３０．８Ｎ、
となる。なお、実際の車載リアクトルは、Ｌ＝２０ｍＨ程度である。このＶ_D＝１５００Ｖ、ｉ_D＝１０Ａ、ω＝１５０Ωの場合を含む、直流電流ｉ_D＝２０Ａ、３０Ａ、５０Ａに対する吸引力Ｆの値を次の表１に示す。
【表１】

【００５１】
次いで、吸引力Ｆによる輪重の増加に伴う見かけ上の粘着係数の増大Δμが具体的にどの程度の数値になり得るかについて述べる。
軸質量Ｍを１０（単位ｔ）＝１０×１０³（単位ｋｇ）と仮定し、これと重力加速度ｇとの積Ｍ×ｇ（単位Ｎ）で軸重を表現する。この場合、吸引力の半分が１軸当たりの軸質量増大値と等価になる。
設計上のμ（＝引張力／軸重比）をμ₀とし、電磁石４００のコイルＣの吸引力をＦ_C（単位Ｎ）とおく。さらに、等価的に軸質量Ｍを
Ｍ＋（１／２）×（Ｆ_C／ｇ）＝Ｍ＋（Ｆ_C／２ｇ）
で置きかえる。
【００５２】
これを、設計利用μが増大したと考え直すと、
μ₀×（Ｍ＋（Ｆ_C／２ｇ））＝μ´×Ｍ
すなわち、
μ´＝μ₀×（１＋（Ｆ_C／２（Ｍ×ｇ）））
となる。したがって、粘着改善効果（見かけ上の粘着係数の増大）Δμ＝μ´−μ₀は、
Δμ＝μ´−μ₀＝μ₀×Ｆ_C／２（Ｍ×ｇ）
となる。
【００５３】
この粘着改善効果Δμをパーセント表示して、μ₀＝２０％、軸質量Ｍ＝１０ｔの電車に当てはめると、
Δμ（％）＝２０／（２×１０×１０³×９．８）×Ｆ_C
＝Ｆ_C／９８００
となる。したがって、吸引力Ｆ_C＝５７７０Ｎのときは、
Δμ（％）＝５７７０／９８００＝０．５８８７…≒０．５９％
となる。つまり、この場合は、約０．６％の粘着性能の改善を見込むことができ、μの設計値を２０％とした場合は、合計で２０．６％の粘着率を得ることができる。
以上の値は、ギャップ長ｔ＝１５ｍｍの場合の計算値であるが、ｔ＝１０ｍｍではΔμ＝１．３２％（２１．３２％）、ｔ＝６ｍｍではΔμ＝３．６８％（２３．６８％）の粘着改善効果が得られる。
【００５４】
次に、非常用バッテリ等の直流１００Vラインからの電力を用いた電磁石４００の励磁について説明する。
電力回生源からは、電磁石４００に電圧Ｖ_D′＝１００Ｖが印加される。このとき、電磁石４００には直流電流ｉ_D´＝１００（Ｖ）／ω（Ω）＝１００／ω（Ａ）の電流が流れる。
この場合、上記と同様にして、コイルＣのインダクタンスＬの値と有効面積当たりの吸引力Ｆの値を求めると、
ｉ_D´＝５０Ａ、ω＝２Ωのとき（電力Ｐ＝５ｋＷ）、
Ｌ＝１０ｍＨならばＦ＝０．５５７Ｎ、
Ｌ＝１００ｍＨならばＦ＝５５．７Ｎ、
Ｌ＝１０００ｍＨならばＦ＝５７７０Ｎ
となる。
【００５５】
さらに、粘着改善効果Δμの値を求めると、
ギャップ長１５ｍｍのときは Δμ＝０．５９％
ギャップ長１０ｍｍのときは Δμ＝１．３２％
ギャップ長６ｍｍのときは Δμ＝３．６８％
となり、主動電源を用いた場合と同様の効果が得られる。特に、１００V直流源を用いる場合は、主動電源を用いる場合に比べて絶縁耐圧が小さくて済む利点があるので、より効果が大きい。
【００５６】
以上をまとめると、以下の通りである。
（１）現状の鉄道車両においては、主電動機が抵抗制御の場合の設計上の期待粘着係数が１４％、チョッパ制御の場合の設計上の期待粘着係数が１６〜１８％に設定されており、インバータ制御の場合の設計上の期待粘着係数が２０％に設定されている。したがって、本実施例のように２０％の設計値に対して２０．６〜２３．６８％の粘着力が得られれば、実用的意義が充分にあるといえる。
【００５７】
（２）電磁石の励磁に１５００Ｖの主動電源を用いることができるのは勿論であるが、１００Ｖの電力源（専用バッテリ等）を用いても充分な粘着改善効果が得られる。なお、実際には、供給電力が１０〜２０ｋＷ程度で、コイルの起磁力が１Ｈ程度の大アンペアターンコイルを用いるのが好ましい。
（３）ギャップ長ｔ＝１０ｍｍ程度に設定すれば、粘着改善効果Δμ＝約１．５％程度を見込むことができる。ギャップ長ｔ＝１０ｍｍ程度を確保すれば、レールのポイント通過時にも電磁石とレール頭頂面との接触を回避することができるので、実用上の支障はない。
【００５８】
なお、上記の結果は、コ字状の電磁石４００のレール１００の頭頂面への磁気回路有効範囲を、半径３ｃｍの円の２倍と仮定した場合であって、比較的厳しい条件を仮定している。そこで、電磁石の断面の面積を増やし（例えば、１０ｃｍ×３ｃｍ＝３０ｃｍ²の長方形）、レール１００の頭頂面への磁気回路有効範囲を大きくすると、粘着改善効果をさらに向上することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レール頭頂面の損傷を来たすことなく、粘着係数の増加や脱線係数の低減を実現することができる鉄道車両用輪重制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（A）は本発明の第１実施例に係る鉄道車両用輪重制御装置を示す側面図であり、図１（B）は同鉄道車両用輪重制御装置の電磁石付近の部分を前後方向から見た一部断面図である。
【図２】図２（A）は本発明の第２実施例に係る鉄道車両用輪重制御装置を示す側面図であり、図２（B）は前後の電磁石を同時に作動した状態を示す側面図であり、図２（Ｃ）は軸重移動した状態（電磁石を作動させなかった場合）を示す側面図であり、図２（Ｄ）は軸重移動時で後ろの電磁石を作動した状態を示す側面図である。
【図３】図３（Ａ）は本発明の第３実施例に係る鉄道車両用輪重制御装置を示す側面図であり、図３（Ｂ）は同鉄道車両用輪重制御装置で電磁石を作動した状態を示す側面図である。
【図４】図４（Ａ）はカント（バンク）付き曲線軌道における鉄道車両の走行時にかかる力を説明するための正面図であり、図４（Ｂ）はその平面図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明に係る鉄道車両用輪重制御装置の電磁石とその電気系統をモデル化した図であり、図５（Ｂ）は電磁石とレールを含む磁気回路の図であり、図５（Ｃ）はレールの断面図である。
【図６】従来の電磁吸着型ブレーキ装置を備えたボギー台車の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
１鉄道車両
５Ｉ内車輪５Ｏ外車輪
６車軸７輪軸
Ｐ輪重Ｑ横圧
ＲＩ内側軌道ＲＯ外側軌道
１１台車１３台車枠
１４パッド１５車輪
１６車軸１７輪軸
１８軸箱１９軸ばね
２１電磁石２１ａ下端面
２２釣合梁２２ｂ、２２ｃ端部
２３ばね２４支持部材
２４ａ内孔上端面２４ｃ内孔下端面
２５ペデスタル
３１台車３３台車枠
３４パッド３５車輪
３６車軸３７輪軸
３８軸箱３９軸ばね
４１電磁石４３アーム
４３ａ自由端４４リンク
４５ばね４７軸ばね変位センサ
５１台車５３台車枠
５４パッド５５車輪
５６車軸５７輪軸
５８軸箱５９軸ばね
６１電磁石６２吊り梁
６３ばね６５当接部材
１００レール１００ａ頭頂面
１０１台車１０３台車枠
１０５車輪１０６車軸
１０７輪軸１０８軸箱
１０９軸ばね１１０電磁石
１１２支持部材
２００パンタグラフ２０１車輪
２０２コンデンサ３００三相モータ
３０１三相インバータ４００電磁石
４０１ケーブル
Ｃコイル ω 抵抗

Claims

鉄道レール上を転動する左右一対の車輪と、
該左右一対の車輪を繋ぐ車軸と、
該車軸の軸受けを含む軸箱と、
該軸箱上に支持された台車枠と、
前記車輪の制動機構（ブレーキ）と、
を含む、鉄道車両用の輪重制御装置であって、
前記レールとの間で吸引力を生じて、前記軸箱に下方向の力を加える電磁石と、
該電磁石が前記レールに接することのないように設定される、前記電磁石と前記レールとの間の最小隙間を確保する隙間保持機構と、
を具備するとともに、
前記軸箱と前記台車枠間の軸ばねを介さずに、前記電磁石を前記台車枠に対して弾性支持する弾性部材を有し、
前記隙間保持機構として、前記電磁石に接続された部材が前記軸箱に当接して、当接した後における前記弾性部材の変形を抑止する抑止機構が設けられていることを特徴とする鉄道車両用輪重制御装置。
車両の所定値を超える加速時あるいは減速時に、前記電磁石を作動させることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用輪重制御装置。
前記車輪の浮き上がり検出機構をさらに有し、該検出機構の検出信号に応じて前記電磁石を作動させることを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道車両用輪重制御装置。
車両の曲線軌道低速走行時に、該曲線軌道の外側の車輪に対応する電磁石のみを作動させることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の鉄道車両用輪重制御装置。