JP4353936B2 - リニアモータシステム - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータシステムに関し、特に、電力変換器が故障した場合においても電気制動のみで確実な制動力の確保できるリニアモータシステムに関する。

リニアモータなどの電動機においては、電気制動が広く使用されているが、電気制動には、電動機で発生した電力を電源側に返還する回生制動、電動機で発生した電力を抵抗器で消費する発電制動、および回生制動と発電制動との組み合わせなどがある。

たとえば、山梨リニア実験線では、回生制動を常用ブレーキとし、回生制動が失効したときは、地上に設置した抵抗器を用いて発電制動を行うシステムを用いている（非特許文献１）。
「超伝導リニアモータカー」（東海旅客鉄道株式会社、財団法人鉄道総合技術研究所、日本鉄道建設公団編）第７１〜７７ページ

従来のリニアモータ駆動システムの一例を図４に示す。図４に示すリニアモータ駆動システムは、複数の区間に分割された固定子Ａと、固定子Ａに沿って移動する移動子Ｂとを備える。夫々の固定子Ａには、電力変換器Ｃから交流電力を供給する饋電線Ｄが設けられている。夫々の固定子Ａは、饋電区分開閉器Ｅを介して饋電線Ｄに接続されていて、移動子Ｂが在線する固定子Ａに接続される饋電区分開閉器Ｅを投入して当該固定子Ａのみを通電する機構としている。また、電力変換器Ｃと並列に抵抗器Ｒが接続されている。電力変換器Ｃと饋電線Ｄとの間には、電源側開閉器Ｆが挿入され、抵抗器Ｒと饋電線Ｄとの間には発電制動開閉器Ｇが挿入されている。

以下、図４に示すリニアモータ駆動システムの作用について図５を用いて説明する。

図５のステップＳ１０２で発電制動開閉器Ｇが開放されていることが確認されたら走行開始とする。

減速時には、先ず、ステップＳ１０６において移動子Ｂが在線する固定子Ａに接続された電力変換器Ｃの異常の有無を判定する。ステップＳ１０６でこの電力変換器Ｃに異常があり、回生制動が不可能であると判定されたときは、ステップＳ１１４においてこの電力変換器Ｃと固定子Ａとを接続する電源側開閉器Ｆを開放し、ステップＳ１１６で発電制動開閉器Ｇを投入する。

そして、ステップＳ１１８で発電制動開閉器Ｇが正常に投入されたか否か判定する。ステップＳ１１８において発電制動開閉器Ｇが正常に投入されたことが確認されたら、ステップＳ１２０で発電制動に移行する。一方、発電制動開閉器Ｇが正常に投入されなかったときは、ステップＳ１２２で機械的ブレーキや空力的ブレーキを作動させる。

一方、ステップＳ１０６で電力変換器Ｃに異常なしと判定されたときは、ステップＳ１０８において、減速区間にある饋電区分開閉器Ｅを投入し、ステップＳ１１０で前記饋電区分開閉器Ｅが投入されたか否か判定する。

ステップＳ１１０において、饋電区分開閉器Ｅが正常に投入されなかったと判定されたときは、ステップＳ１２２に移行して機械的ブレーキや空力的ブレーキを作動させる。

一方、ステップＳ１１０において、饋電区分開閉器１０が投入されたと判定されたときは、ステップＳ１１２に移行して回生制動を行う。

このように、図４に示す形態のリニアモータ駆動システムにおいては、発電制動を行うときは、発電制動開閉器Ｇを閉にすると共に、移動子Ｂの位置に応じて饋電区分開閉器Ｅを切り替え、移動子Ｂに相対する位置にある固定子Ａが饋電線Ｄを介して抵抗器Ｒに接続されるようにする必要がある。

したがって、前記リニアモータ駆動システムにおいて、移動子Ｂの位置が検出できなくなった場合や、饋電区分開閉器Ｅが正常に作動しない場合には、発電制動が失効してしまう。

発電制動が失効したときには、ディスクブレーキのような機械的ブレーキや、空力ブレーキなどにより制動力を確保する考え方が、これまでは一般的であった。

しかしながら、機械的ブレーキは点検、保守が煩雑であり、空力ブレーキにおいては、騒音や空気振動による環境への影響が懸念される。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、回生制動が失効した場合には、確実に発電制動を行うことのできるリニアモータシステムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、所定の経路に沿って配列され、夫々電気的に独立した複数の固定子と、前記固定子からの電磁力によって前記固定子に沿って移動する移動子と、前記固定子に所定の電圧および周波数の電力を供給する電力変換器と、前記固定子と前記電力変換器との間に挿入された饋電区分開閉器と、少なくとも前記移動子が減速するべき減速区間にある固定子に発電制動開閉器を介して接続された発電制動抵抗器とを備えてなることを特徴とするリニアモータシステムに関する。

前記リニアモータシステムにおいては、電力変換器から饋電区分開閉器を介して固定子に所定の電圧および周波数の交流を供給すると、移動子は固定子に沿って移動する。

そして、電力変換器を回生動作させることにより、回生制動を行うことができる。

回生制動が失効したときは、全ての固定子において発電制動開閉器を閉とすることにより、全ての固定子が抵抗器に電気的に接続される。

したがって、移動子の位置の検出に失敗したり、饋電区分開閉器が開閉せず、電力変換器と固定子との接続を切り替えることができなくなったりしても、発電制動を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、前記発電制動開閉器が投入状態にあることを運転開始条件とすると共に、移動子が在線する区間にある固定子に接続された電力変換器と饋電区分開閉器とが健全に動作するか否かを前記移動子が前記固定子を通過する前に判定し、前記電力変換器と饋電区分開閉器とが健全に動作する旨判定したときは、前記移動子が前記固定子上を通過する前に発電制動開閉器を開放する請求項１に記載のリニアモータシステムに関する。

前記リニアモータシステムにおいては、発電制動開閉器が開放された状態では運転できないから、電力変換器や饋電区分開閉器に異常が生じた場合に発電制動が行えない状態で前記固定子と移動子とからなるリニアモータが運転されることはない。

また、電力変換器、饋電区分開閉器、および発電制動開閉器が何れも正常な場合には、発電制動開閉器を開放しているから、回生制動によって移動子を減速、停止させることができる。したがって、電力変換器が正常であるにも係わらず発電制動に移行するという無駄がない。

請求項３に記載の発明は、前記移動子の位置を検出する位置検出手段を備えてなり、前記位置検出手段が何れも健全に動作するか否かを判定し、前記位置検出手段が何れも健全に動作する旨判定したときは、前記移動子がある一の固定子の位置に在線していることを前記位置検出手段が検出する前に前記一の固定子に接続された発電制動開閉器を開放する請求項２に記載のリニアモータシステムに関する。

前記リニアモータシステムは、移動子の位置を検出する位置検出手段を備えたリニアモータシステムの例である。

前記リニアモータシステムにおいては、位置検出手段が移動子の位置を正常に検出できない場合においても自動的に発電制動に移行するから、安全性が高い。

請求項４に記載の発明は、前記固定子と発電制動抵抗器との間にコンデンサが直列に挿入されてなる請求項１〜３の何れか１項に記載のリニアモータシステムに関する。

発電制動により得られる制動力は、発電制動抵抗器で消費される有効電力量に依存する。ここで、固定子にはリアクタンスが存在するから、発電制動抵抗器を直接固定子に接続した場合には、発電制動抵抗器で消費される有効電力量が制限される。

しかし、前記リニアモータシステムにおいては、発電制動抵抗器と直列にコンデンサが接続されているから、力率が改善され、発電制動抵抗器で消費される有効電力量が大きくなる。したがって、更に強力な制動力が得られる。

請求項５に記載の発明は、移動子の移動速度の大きな固定子に挿入されるコンデンサは、前記移動子の移動速度の小さな固定に挿入されるコンデンサに比較して容量が小さくなるように前記コンデンサの容量が設定されてなる請求項４に記載のリニアモータシステムに関する。

固定子と移動子とからなる誘導型リニアモータにおいて電気制動を行う場合、固定子の角速度ωは移動子の速度に比例する。したがって、移動子の移動速度が大きくなればなるほど、周波数ωは高くなる。

ここで、固定子のリアクタンスをＬ，コンデンサの容量をＣとすると、Ｌω＝１／Ｃω、即ちＣ＝１／Ｌω^２の関係が成立するようにコンデンサ容量Ｃを設定すれば、力率が最も高くなり、強力な制動力が得られる。そして、式Ｃ＝１／Ｌω^２から明らかなように、移動子の速度が高い場合、即ち角速度ωが大きな場合は、コンデンサ容量Ｃは小さく、移動子の速度が低い場合、即ち角速度ωが小さな場合は、コンデンサ容量Ｃは大きく設定すれば、移動子の移動速度によらずに高い力率が得られる。

前記リニアモータシステムにおいては、移動子の移動速度の大きな固定子に挿入されるコンデンサは、前記移動子の移動速度の小さな固定に挿入されるコンデンサに比較して容量が小さくなるように前記コンデンサの容量が設定されているから、前述の理由により、移動子の移動速度によらずに高い力率が得られる。

以上説明したように本発明によれば、回生制動が失効した場合には、確実に発電制動を行うことのできるリニアモータシステムが提供される。

１．実施形態１
本発明のリニアモータシステムの一例であるリニアモータ駆動システムの構成の概略を図１に示す。

実施形態１に係るリニアモータ駆動システム１００は、図１に示すように所定の経路に沿って配列された固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・（以下、「固定子２」と略称することがある。）と、固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・に沿って直線状に移動する移動子４と、固定子２Ａ，２、２Ｃ・・・に、電力変換器６からの交流電力を供給する饋電線８とを備える。

固定子２Ａ，２、２Ｃ・・・は、夫々饋電区分開閉器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ・・・（以下、「饋電区分開閉器１０」と略称することがある。）を介して饋電線８に接続されている。一方、電力変換器６と饋電線８との間には電源側開閉器１２が挿入されている。

更に、固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃには、夫々発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・（以下、「発電制動抵抗器１４」と略称することがある。）が接続されている。発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・は、固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・を饋電線８に接続する配線に接続されているが、前記配線における饋電区分開閉器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ・・・よりも固定子２側に接続されている。なお、発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・は、固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・に直接接続されていてもよい。発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・と固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・との間には発電制動開閉器１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ・・・（以下、「発電制動開閉器１６」と略称することがある。）が挿入されている。

なお、固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・は、コイルであるからインダクタンスを有し、交流電流は交流電圧に遅れて変化しようとする。したがって力率が１００％よりも低くなり、有効電力量が低下する。

ここで、発電制動により得られる制動力は、発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・で消費される有効電力量に依存する。

そこで、図３に示すように、発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ，１４Ｃ・・・と発電制動開閉器１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ・・・との間に直列にコンデンサ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ・・・を接続することにより、交流電流の位相が進み、固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・において生じた位相の遅れが補償されて力率が改善される。

なお、コンデンサ１８の容量は以下のように設定できる。

固定子２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・・を通過する移動子４の角速度をω、固定子２のリアクタンスをＬ、コンデンサ１８の容量をＣとすると、Ｌω＝１／Ｃω、即ちＣ＝１／Ｌω^２になるようにコンデンサ１８の容量を設定すれば、最も力率が改善される。

これにより、発電制動抵抗器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・で消費される有効電力量が増大し、更に強力な制動力が得られる。

以下、リニアモータ駆動システム１００の作用について図２を用いて説明する。

図２のステップＳ２において移動子４が減速する減速区間にある固定子２の発電制動開閉器１６が閉成されているかどうかを確認する。ステップＳ２で発電制動開閉器１６が閉成されていることが確認されたら、電源側開閉器１２および移動子４が在線する区間の饋電区分開閉器１０を閉成し、電力変換器６から固定子２に所定の電圧および周波数の交流を印加して走行開始とする。

減速時には、先ず、ステップＳ６において電力変換器６の異常の有無を判定する。ステップＳ６で電力変換器６に異常があり、回生制動が不可能であると判定されたときは、ステップＳ８において発電制動に移行する。

一方、ステップＳ６で電力変換器６に異常なしと判定されたときは、ステップＳ１０において、減速区間にある饋電区分開閉器１０が投入されたか否か判定する。

ステップＳ１２において、饋電区分開閉器１０の投入に失敗したと判定されたときは、ステップＳ８に移行して発電制動を行う。

ステップＳ１２において、饋電区分開閉器１０が投入されたと判定されたときは、ステップＳ１４で発電制動開閉器１６を開放し、ステップＳ１６で発電制動開閉器１６が開放されたかどうかを判定する。

ステップＳ１６で発電制動開閉器１６が正常に開放されたと判定されたときは、ステップＳ１８に移行して回生制動を行う。

一方、ステップＳ１８で発電制動開閉器１６が正常に開放されなかったと判定されたときは、ステップＳ８に移行して発電制動を行う。

なお、リニアモータ駆動システム１００においては、固定子２に誘起される電圧の変化を検出したり、移動子４そのものを物理的に検出したりして移動子４の在線位置を検出する位置検出手段を設け、前記位置検出手段における検出結果に基づいてステップＳ６〜Ｓ１８を行ってもよい。

リニアモータ駆動システム１００においては、少なくとも減速区間にある発電制動開閉器１６が正常に閉成されたことを条件にして固定子２と移動子４とからなるリニアモータを駆動する。

したがって、減速時において電力変換器６や饋電区分開閉器１０に異常が生じ、正常に閉成できない場合には、固定子２で生じた交流電流は閉成された発電制動開閉器１６を通して発電制動抵抗器１４に流れ、自動的に発電制動が行われる。

故に、発電制動が失効した場合のバックアップ用として機械的ブレーキや空力ブレーキを設ける必要がなくなる。

本発明のリニアモータシステムは、リニアモータカーだけでなく、リニアモータで籠を昇降させるリニアエレベータや工作機械の送り装置などの各種推進装置にも使用できる。

図１は、実施形態１に係るリニアモータ駆動システムの構成を示す概略ブロック図である。 図２は、実施形態１に係るリニアモータ駆動システムの動作手順を示すフローチャートである。 図３は、実施形態１に係るリニアモータ駆動システムの別の例について構成を示す概略ブロック図である。 図４は、従来のリニアモータ駆動システムの一例について構成を示す概略ブロック図である。 図５は、図４に示すリニアモータ駆動システムの動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２ 固定子
２Ａ 固定子
２Ｂ 固定子
２Ｃ 固定子
４ 移動子
６ 電力変換器
８ 饋電線
１０ 饋電区分開閉器
１０Ａ 饋電区分開閉器
１０Ｂ 饋電区分開閉器
１０Ｃ 饋電区分開閉器
１２ 電源側開閉器
１４ 発電制動抵抗器
１４Ａ 発電制動抵抗器
１４Ｂ 発電制動抵抗器
１４Ｃ 発電制動抵抗器
１６ 発電制動開閉器
１６Ａ 発電制動開閉器
１６Ｂ 発電制動開閉器
１６Ｃ 発電制動開閉器
１８Ａ コンデンサ
１８Ｂ コンデンサ
１８Ｃ コンデンサ
１００ リニアモータ駆動システム

Claims (4)

1. 所定の経路に沿って配列され、夫々電気的に独立した複数の固定子と、
   前記固定子からの電磁力によって前記固定子に沿って移動する移動子と、
   前記固定子に所定の電圧および周波数の電力を供給する電力変換器と、
   前記固定子と前記電力変換器との間に挿入された饋電区分開閉器と、
   少なくとも前記移動子が減速するべき減速区間にある固定子に発電制動開閉器を介して接続された発電制動抵抗器と
   を備え、
   全ての発電制動開閉器が投入状態にあることを前記移動子の運転開始条件とすると共に、
   移動子が在線する区間にある固定子に接続された電力変換器と饋電区分開閉器とが健全に動作するか否かを前記移動子が前記固定子を通過する前に判定し、前記電力変換器と饋電区分開閉器とが健全に動作する旨を判定したときは、前記移動子が前記固定子上を通過する前に発電制動開閉器を開放するリニアモータシステム。
2. 前記移動子の位置を検出する位置検出手段を備えてなり、
   前記位置検出手段が何れも健全に動作するか否かを判定し、前記位置検出手段が何れも健全に動作する旨を判定したときは、前記移動子がある一の固定子の位置に在線していることを前記位置検出手段が検出する前に前記一の固定子に接続された発電制動開閉器を開放する請求項１に記載のリニアモータシステム。
3. 前記固定子と発電制動抵抗器との間にコンデンサが直列に挿入されてなる請求項１または２に記載のリニアモータシステム。
4. 移動子の移動速度の大きな固定子に挿入されるコンデンサは、前記移動子の移動速度の小さな固定に挿入されるコンデンサに比較して容量が小さくなるように前記コンデンサの容量が設定されてなる請求項３に記載のリニアモータシステム。

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