JP4444379B2 - 渦電流ブレーキの制御又は調整方法 - Google Patents

Description

この発明は、渦電流ブレーキ、特に鉄道車両の渦電流ブレーキを制御又は調整する方法であって該車両の速度が測定される該方法、並びに該方法を実施するための制御又は調整装置、及び請求項９に記載された渦電流ブレーキに関する。
リニア渦電流ブレーキにおいて、完全非摩耗性及び粘着係数非依存性を特徴とするブレーキシステムが問題である。現代の車輪・レール技術では、このようなブレーキシステムが不可欠である。粘着係数に左右されない、そして無接触式のリニア渦電流ブレーキは、特に高性能の緊急ブレーキ及び常用ブレーキとして採用されている。これは数個の磁極片を備えた鉄ヨークからなっている。この場合は、電気コイルがブレーキを磁気的に付勢して、交番のＮ磁極及びＳ磁極が発生する。渦電流ブレーキがレールを越えて移動すると、一時的な電流変化により電圧と渦電流が発生する。渦電流のこの二次的な磁界はブレーキの磁界と逆向きである。それによって、走行方向とは逆向きに作用する水平の分力、即ちブレーキ力が発生する。
渦電流ブレーキでは、電流の印加によって前記のＮ極とＳ極とを発生する磁極片は、ビームに沿ってタンデム配置されている。このビームは作動状態ではボギー台車の輪軸の軸受ハウジングに支承されることによって、レールの上縁部に対して５−７ｍｍの均一な空隙を確実に保持することができる。リニア渦電流ブレーキの構造に関しては下記のような文献がある：
・鉄道車両用ブレーキ、制動技術の概念と数値ハンドブック、クノール・ブレーキ株式会社、ミュンヘン、１９９０年
・ヴォルフガンク・シュロッサー博士著「革新的車両概念の一体的部品としての新しいブレーキシステム」ＺＥＶ＋ＤＥＴグラーゼル アナーレン、２／３号、１９９７年、１２１−１２８ページ
・ドイツ特許明細書１９６ １８ ９０３ Ｃ２
・ザウムベーバー Ｅ．、クローファー Ｕ．、ベルント Ｐ．Ｊ．「軌道ブレーキの動作原理」 ヨーク大学の国際鉄道ブレーキ会議に際して行われた講演、２６−２７、１９７９年９月
・ザウムベーバー Ｅ．、ゲルム Ｅ．、ベルント Ｐ．Ｊ．著「鉄道車両ブレーキの基本原理」 鉄道技術のためのＡＥＴ記録４３、ヘストラ出版刊、１９９０年
・ヘンドリックス Ｗ．著「リニア渦電流ブレーキによる実験−機械的数値の測定」ＺＥＶ グラーゼル アナーレン １０９巻（１９８５年）、第９号（３７５−３８１頁）
・ヘンドリックス Ｗ．著「リニア渦電流ブレーキの電気系統の研究」ＥＢ８３（１９８５年）、第１０号
・ヘンドリックス Ｗ．著「渦電流ブレーキの熱的挙動」ＥＢ８４（１９８６年）、第５号
・ドブラー Ｒ．著「リニア渦電流ブレーキ−ドイツ連邦鉄道における実験的導入による情報」ＥＴＲ３７（１９８８年）、１／２号
・クローガー Ｕ．著「リニア渦電流ブレーキの原理、開発及び構造」ＺＥＶグラーゼル アナーレン １０９巻（１９８５）、第９号
・クローガー Ｕ．著「ＩＣＥのブレーキ装置」ＥＴＲ３８（１９８９年）、第９号
・ヘンドリックス Ｗ．著「高速ＩＣＥ−Ｖによる制動技術上の実験」ＥＴＲ３７（１９８９年）、１／２号
・シュロサー Ｗ．著「ドイツ鉄道の高速“ＩＣＥ”旅客列車のブレーキシステム」空気ブレーキ協会、第７９回年次技術会議、シカゴ、１９８７年
・コーウェル Ｐｈ．、フレシェド Ｌ．著「Ｆｏｕｃａｕｌｔの電流ブレーキ」鉄道一般誌、１０（１９９６年）、Ｓ．５
・ファン オストベーン Ｈ．、ジーツェン Ｒ．著「永久磁石軌道ブレーキの経験」ＺＥＶ＋ＤＥＴ グラーゼル アナーレン、１２１巻（１９９７年）、第１２号（６１３−６１７頁）
上記文献の公開内容は全て本出願で参考文献として参照されている。
渦電流ブレーキ、所謂ＥＷＢの実施例は、２年前からフランス国鉄のＴＧＶの駆動先頭車に導入されている。渦電流ブレーキの別の実施例では、一体型キャリヤがコイル用磁気アース及び締付け力を支持アームを介して軸受に支持するための担持部を同時に形成する。レール上を平行に案内するために、一体型キャリアと共に強固なブレーキフレームを形成する２つのタイロッドが備えられている。ブレーキ力は両側がヒンジ式に支承されたブレーキ力ブラケットを介してボギーに伝達される。非制動時には、４つの空気ベローズが高圧の圧縮空気でブレーキフレームを保持する。制動時には、フレームは軸受上に降下されが、非励磁状態ではブレーキとレールの間の空隙は７ｍｍに調整される。
空隙が一定で、励磁電流が一定である場合、渦電流ブレーキのブレーキ力は前記の速度範囲全体に亘って理想的な一定の推移曲線を示し、５０ｋｍ／時以下に速度が低下して始めてブレーキ力が低下する。これに対して締付け力は速度の低下と共に漸増する。従って、一体型キャリヤの最終的な剛性により、空隙を一定に保持するには問題が生ずる。一体型キャリヤの機械的負荷が極めて大きいので、レールに接触する危険が生ずる。これを防止するため、２００ｋｍ／時乃至１００ｋｍ／時の速度範囲では速度の低下と共に絶えずベローズ圧力が上昇される。
リニア渦電流ブレーキを導入する可能性は、基本的に制動時に、特に励磁コイル内に発生する温度上昇によって制約される。
従って、緊急制動の場合にもリニア渦電流ブレーキを使用できるように、緊急制動のため所謂温度余裕が常に保持されねばならない、即ち、常用制動は、常用制動による加熱が常用制動のシステムの限界を示し、技術的に制限された所定の一定温度以下に常に保たれるようなブレーキ力だけで実施される。
高速度の場合に、特に温度余裕を保持しなければならないので、常用制動用の前述のリニア渦電流ブレーキのブレーキ力は不十分にしか利用できない。
従って、この発明の目的は、上記の欠点を克服する方法及び制御システム、より詳しくは調整システムを提供することにある。特に、リニア渦電流ブレーキは常用制動用に速度範囲全域で最適に利用される。
この発明によれば、上記の目的は、渦電流ブレーキの制御方法又は調整方法において、少なくとも車両速度に応じて渦電流ブレーキの常用制動の所定限界温度が設定され、設定された限界温度に達すると、常用制動用渦電流ブレーキの電流が遮断され、又は取り消されることによって達成される。
常用制動が連続的に複数回実施される場合に、温度上昇がゆっくりしか消散しないことを考慮して、常用制動の限界温度を各常用制動の間及び／又はその前に測定し、新たに設定することが有利である。常用制動の限界温度が速度に依存することにより、速度の低下時には限界温度が高くなり、従って向上したブレーキ力及び／又はブレーキ時間を備えた常用制動の下で、走行可能である。
ここにおいて、遅い時点においてずっと高い車両速度を考慮できることも有利である。
設定される常用ブレーキの限界温度に対する車両速度の従属パラメタの他に、１つ又は数個の下記数値がなお考慮に入れることができる。即ち、軸間距離、温度勾配及び外気温度である。
この発明は上記の方法の他に、この方法を実施するための渦電流ブレーキの制御装置／調整装置をも提供する。好適には、この制御／調整装置は走行速度を検出する手段と、ブレーキ要求を検出する手段と、ブレーキ要求に起因する温度上昇を検出する手段と、制御ユニットとを含んでいる。
この発明による制御／調整装置は、走行速度に応じて制御ユニットで限界温度が設定され、常用制動に起因する温度上昇により常用制動の限界温度に達すると、制御ユニットは渦電流ブレーキの電流を遮断することを特徴としている。
この発明は該方法及び制御／調整装置の他に、少なくとも鉄道車両の速度に応じて磁束が磁極片によって制限され、又は遮断される制御又は調整装置を有していることを特徴とする渦電流ブレーキをも提供するものである。
この発明の特にコンパクトな実施例では、渦電流ブレーキの制御／調整装置は渦電流ブレーキ内に直接一体化される。
別に構成された実施例では、制御又は調整装置として通常は例えばサイリスタのような高効率半導体素子によって構成された電流調整器が備えられる。電流調整器は電流の強さの現在値を測定する測定回路と、電流の強さが例えば限界温度に応じて所定の目標値に調整される閉調整回路とを備えることができる。
次にこの発明を実施例を参照して詳細に説明する。
図面において、
図１は速度に応じた渦電流ブレーキのブレーキ力と締付け力との理論的な推移曲線を示し、
図２は速度に応じて測定されたブレーキ力、締付け力及び空隙の推移曲線を示し、
図３は速度に応じたベローズ圧と電気的励振の推移曲線を示し、
図４は時間に応じた常用制動時の温度推移曲線を示し、
図５は走行速度に応じた緊急制動に必要な温度余裕を示し、
図６は速度に応じた常用制動の限界温度を示し、
図７はこの発明に基づく制御／調整装置を示している。
図１には渦電流ブレーキの空隙と励磁電流が一定の場合のブレーキ力と締付力の理論特性曲線が示されている。図２は実験で測定された曲線を示している。渦電流ブレーキは高速度領域全体に亘って理想的な一定の曲線を示し、速度が５０ｋｍ／時以下に低下した場合に始めて下降する。これに対して締付け力は低下する速度推移と共に増加する。一体型キャリヤの最終的な剛性のために、空隙を一定に保持するには問題が生ずる。一体型キャリヤの機械的負荷が極めて大きいので、レールに接触する危険が生ずる。これを防止するため、図３に示すように２００ｋｍ／時乃至１００ｋｍ／時の速度範囲では速度の低下と共に絶えずベローズ圧力Ｐ＿ＷＢが上昇され、１００ｋｍ／時未満では電流の励磁Ｉ＿ＷＢは小さくなる。それによって、全速度範囲で空隙を一体型躯体が過負荷状態にならずにほぼ一定に保持することができる。
図４には常用制動の温度曲線１が時間の経過と共に示されている。
図から明らかであるように、リニア渦電流ブレーキをスイッチ・オンした後、温度はレール内の渦電流により上昇する。この温度上昇は参照符号３で示されている。常用制動の所定の限界温度Ｔ_GBBに達すると、リニア渦電流ブレーキが遮断され、温度は領域５において一定時間だけ限界温度Ｔ_GBBに留まっており、領域７で再び制動前の数値まで低下する。常用制動で限界温度に達した後、緊急制動が導入されと、温度は記載されている温度余裕Ｔ_Resだけ上昇して、ブレーキの技術的構造によって制約された緊急制動の限界温度Ｔ_Grに達する。
これまで知られたシステムでは、常用制動の限界値は定数として固定的に定められていた。関係式Ｒ＝Ｕ／ｌに基づいて、所定の電圧レベル、つまり温度レベルに達すると直ちに、常用制動用のブレーキは遮断された。図５に示すように、緊急制動に必要な温度余裕Ｔ_Resは速度の上昇と共に関数２０に基づいて大きく上昇する。
あらゆる速度で充分な温度余裕を利用できるようにするため、従来の技術ではＴ_GBBを車両の最高速度に適応させなければならなかった、即ち、車両速度が低い場合は、温度余裕Ｔ_Resが極めて大きいために限界温度Ｔ_GBBが低いので、リニア渦電流ブレーキの出力性能は不十分にしか活用できなかった。
この発明によれば、いまや固定値Ｔ_GBBに代わって、図６に示すように速度に応じた値が設定される。
緊急制動用の低温度の場合は、極めて低い温度だけが許容されなければならないので、５０ｋｍ／時の速度の場合の常用制動の限界値Ｔ_GBBは例えば１９５℃であり、最も簡単な場合は、例えば３５０ｋｍ／時の速度ではＴ_GBB＝１００℃のように、走行速度と共に直線的に低下する。
例えば、その開示内容が全般的に本出願に参照されているヴォルフガンク・シュロッサー博士著「革新的車両概念の一体的部品としての新規のブレーキシステム」ＺＥＶ＋ＤＥＴグラーゼル アナーレン、２／３号、１９９７年、１２８ページから知られているように、リニア渦電流ブレーキは図３に示すように、５０ｋｍ／時より大きい速度で始めて適用される。その理由は、低速度では垂直の締付け力が極めて増大するからである。従って、低速度の場合は支持ベローズ及びボギーを不必要に大きい締付け力用に設計しなくても済むように、リニア渦電流ブレーキを遮断することが必要である。
図６に示すように、常用制動の限界温度Ｔ_GBBを速度の線形関数として設定することの外、その他の制限因子を考慮に入れることも可能である。それは、例えば、軸間距離、温度係数並びに外気温度である。この制限因子に従って、特性曲線ｆ（ｖ）は直線的な推移を辿らないか、又は点線で示した領域１００においてシフトするかする。特性曲線ｆ（ｖ）が直線的に延びていない場合は、関数ｆ（ｖ）は少なくとも殆どの速度領域で負の上昇を示す。
非線形の特性曲線の特に好適な関数として、ｎ次の多項式、
ｆ（ｖ）＝ａ＋ｂｖ＋ｃｖ²＋．．．が判明している。このような関数では、パラメタａ、ｂ、ｃを以下の特性、即ち、
・列車の加速力
・ブレーキの温度状態（加熱、冷却）
・緊急制動時の遅れ
の選択に応じて確定することができる。
図７は、この発明による方法のための制御／調整装置の実施例を図式的に示している。導線１１２を介して車両速度センサ１１４に接続されている制御ユニット１１０が図式的に示されている。車両速度センサ１１４は鉄道車両のボギー１１８の車輪１１６に配設された速度センサでよい。車両速度センサ１１４を介して、車両速度信号が制御ユニット１１０に伝送される。車両速度に応じて常用制動の温度限界値Ｔ_GBBが設定される。そこで常用制動が必要な場合は、常用制動の限界温度Ｔ_GBBに達するまで、給電装置１２２を介してリニア渦電流ブレーキ１２０の磁界を付勢するためにコイルに電流が供給される。これが達成されると、電流供給は遮断される、即ちリニア渦電流ブレーキは不作動にされる。
別の実施例では、遮断されるのではなく、リニア渦電流ブレーキのブレーキ力が絶えず調整されることにより、リニア渦電流ブレーキの励磁コイルの電流の強さが、常用制動の所定の温度限界値Ｔ_GBBを超えないように調整される。このような種類の調整は専門家には広く知られており、例えば閉調整回路を接続することによって、又は勾配調整を利用して実施することができる。
特に好適な実施例では、渦電流ブレーキ（ＥＷＢ）の動作に必要な調整及び制御機能、並びに駆動制御器（ＡＳＧ）及び制動制御器（ＢＳＧ）の診断を実施することができ、その際に多機能車両母線（ＭＶＢ）を介して情報が交換され、それに応じて制御要素（電流、圧力）が制御される。ＡＳＧ及びＢＳＧでは、走行シミュレーションとコイル温度の監視とが行われる。それによって、速度によって左右される限界温度に達した場合に、常用ブレーキのＥＷＢが本発明に基づいて取り消されることで、常用制動の使用が頻繁な場合にもＥＷＢ自体を少なくとも一度は緊急制動用に利用できることが確保される。
従って、この発明によって車両速度に応じて常用制動の温度限界値Ｔ_GBBを設定し、それによってリニア渦電流ブレーキの出力性能をこれまでよりも好適に活用できる、調整方法及び制御装置、並びにリニア渦電流ブレーキが始めて提供される。
参照符号リスト
１ 温度曲線
３ 温度上昇
５ 一定温度領域
７ 温度低下
２０ 関数Ｔ_Res（ｖ）
１００ 特性曲線領域
１１２ 制御線
１１４ 車両速度センサ
１１６ 車輪
１１８ ボギー
１２０ リニア渦電流ブレーキ
１２２ 給電装置
Ｔ_GBB 常用制動の限界温度
Ｔ_Res 温度余裕
Ｔ_Gr 緊急制動の場合には達してはならない、技術的に制約された限界温度値

Claims (13)

1. 渦電流ブレーキ（１２０）を制御又は調整する方法であって、
   １．１ 車両速度が検出され、
   １．２ 少なくとも車両速度に応じて渦電流ブレーキによる常用制動の限界温度Ｔ_GBBが設定され、
   １．３ 設定された限界温度Ｔ_GBBに達すると、常用制動用の渦電流ブレーキが遮断されるか、取り消される方法。
2. 常用制動の限界温度Ｔ_GBBはその都度の常用制動の前、又は制動中に測定し、新たに設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 常用制動の限界温度Ｔ_GBBは下記の数値、即ち、
   ・外気温度
   ・走行区間の許容最高速度
   の少なくとも１つ、又は双方に応じて設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 常用制動の限界温度Ｔ _GBB は、少なくとも走行速度に基づいた関数ｆ（ｖ）であり、該関数ｆ（ｖ）は多項式又は一次関数であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の方法。
5. 前記関数ｆ（ｖ）は負の勾配を有しており、常用制動の限界温度Ｔ _GBB は、走行速度が上昇するにつれて低下することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記関数ｆ（ｖ）＝ａ＋ｂｖ＋ｃｖ ² は多項式であり、該多項式のパラメタａ、ｂ、ｃを、以下の特性、即ち
   ・列車の加速力
   ・ブレーキの温度状態
   ・緊急制動時の遅れ
   の選択に応じて確定することができることを特徴とする請求項４、又は請求項５に記載の方法。
7. 渦電流ブレーキは、鉄道車両に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１に記載の方法。
8. 走行速度を検出する手段（１１４）と、
   ブレーキ要求を検出する手段と、
   制御ユニットと
   を有する、請求項１から請求項６のいずれか１に記載の方法を実施するための渦電流ブレーキの制御／調整装置において、車両速度に応じて制御ユニット（１１０）で限界温度Ｔ_GBBが設定され、常用制動に起因する温度上昇により常用制動の限界温度Ｔ_GBBに達すると、制御ユニットは渦電流ブレーキを遮断することを特徴とする制御／調整装置。
9. ブレーキ要求に起因する温度上昇を検出する手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の渦電流ブレーキ。
10. 複数個の磁極片と、
    磁極片及びレールヘッドにより磁束を発生するための複数個のコイルと、を有する鉄道車両のレールヘッドの上方に配置された渦電流ブレーキにおいて、
    渦電流ブレーキ（１２０）は、速度に応じて設定される常用制動の限界温度Ｔ_GBBに応じて磁束を変化させ、又は遮断する制御又は調整装置（１１０）を備えていることを特徴とする渦電流ブレーキ。
11. 渦電流ブレーキの制御／調整装置は列車側のブレーキ制御機構に一体化されていることを特徴とする請求項１０に記載の渦電流ブレーキ。
12. 制御又は調整装置は、高効率半導体素子によって形成された電流調整器であり、該電流調整器によって渦電流ブレーキの励磁コイルの電流の強さが調整されることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の渦電流ブレーキ。
13. 前記電流の強さは閉調整回路によって調整可能であることを特徴とする請求項１２記載の渦電流ブレーキ。

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