JP4460930B2 - 渦電流ブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に装備され、レールを２次導体として用いる渦電流ブレーキ装置に関する。

レールを２次導体として用いる従来の渦電流ブレーキ装置は、直流励磁又は永久磁石による直流磁界を利用したものであり、鉄道車両の走行に伴ってレール内部に発生する渦電流損によってブレーキ力が得られる。その場合に、鉄道車両の運動エネルギーは、その殆どがレール内部の渦電流損によって熱エネルギーに変換されるので、レールの発熱及び温度上昇を生じる。鉄道車両用の従来の渦電流ブレーキ装置においては、このレールの発熱及び温度上昇が主な問題点となっていた。

関連する技術として、特許文献１には、レール吸着式渦電流ブレーキ装置がレール面に接触した時に、すぐにレールブレーキを作動させるようにして非常ブレーキの停止距離を短くすることが開示されている。この渦電流ブレーキ装置においては、ブレーキシューがレール面に接触するか否かを検出するために交流電源を用いているが、電磁ブレーキをかける際には直流電源を用いている。
特開平８−２３７８０８号公報（第１頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、レールを２次導体として用いる渦電流ブレーキ装置において、レールの発熱及び温度上昇を低減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る渦電流ブレーキ装置は、鉄道車両においてレールに対向する位置に配置され、供給される電流に従って発生する磁界によってレール内に渦電流を発生させると共に、レールに対する相対的な位置の変化に伴って起電力を生じる電磁変換部と、複数のスイッチング素子を有し、架線から鉄道車両に印加される電圧に基づいて、電磁変換部に交流励磁電流を供給することによりブレーキ力を発生させ、又、電磁変換部から印加される起電力に基づいて、架線、又は、電力を消費若しくは貯蔵する装置に電力を供給しながらブレーキ力を発生させる電力変換部と、電磁変換部と電力変換部との間に流れる電流を検出するための少なくとも１つの電流検出部と、少なくとも１つの電流検出部から出力される検出信号に基づいて電力変換部のスイッチング動作を制御する制御部とを具備する。

本発明によれば、架線から鉄道車両に印加される電圧に基づいて電磁変換部に交流励磁電流を供給することによりブレーキ力を発生させ、又、電磁変換部から印加される起電力に基づいて電力回生を行うか、又は、電力を消費若しくは貯蔵する装置に電力を供給すると共に、ブレーキ力を発生させるため、同等のブレーキ力を得る場合の直流励磁の渦電流ブレーキ装置に比べてレール内の渦電流損失によるレールの発熱及び温度上昇を低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る渦電流ブレーキ装置及びその周辺部分を示す図である。渦電流ブレーキ装置は、電磁変換部として、一方のレール２１に対向するように配置された第１の電機子１１と、他方のレール２２に対向するように配置された第２の電機子１２とを含んでいる。これらの電機子１１及び１２は、コア（磁芯）に形成された複数の溝に巻線を巻いて構成された直線状の電磁石であり、車輪１３を回転可能に支持する台車１４に固定されている。レール２１及び２２としては、従来の鉄道軌道をそのまま使用することができるので、何も変更する必要はない。

次に、図２を参照しながら、本実施形態に係る渦電流ブレーキ装置の基本的な原理について説明する。なお、図２においては、説明を簡単にするために、片側の電機子１１及び片側のレール２１のみが示されている。図２の（Ａ）を参照すると、台車１４及びその上に取り付けられた客室等を含む鉄道車両は、レール２１上を走行することにより、運動エネルギーを蓄積している。本発明においては、走行速度を減少させたい場合に、電機子１１の巻線に交流電流を流すことにより交流磁界を発生させる。この磁界により、電機子１１の一端からレール２１内を貫通して電機子１１の他端に戻る磁束が発生し、レール２１内に渦電流が生じる。鉄道車両の移動と共に磁束もレール２１内を移動するが、レール２１内の渦電流は磁束の変化を妨げようとするので、電機子１１とレール２１との間にブレーキ力が生じる。

従来の渦電流ブレーキ装置は、直流励磁又は永久磁石による直流磁界を利用したものであり、ブレーキ力によって減少する鉄道車両の運動エネルギーの殆どは、レール内の渦電流損失によって熱エネルギーとなり、レールの発熱、即ち、温度上昇を生じる。一方、本実施形態においては、交流励磁を行うことにより、交流磁界を発生することを特徴としている。これにより、鉄道車両の運動エネルギーの一部を、架線（トロリ）に電力回生させたり、鉄道車両内に設けられた装置に用いられている素子の抵抗成分によって消費させたり、鉄道車両内に設けられた装置に用いられている電力貯蔵媒体に充電したりすることが可能となり、レール内の渦電流損失による発熱を低減できるようになった。

また、図２の（Ｂ）に示すように、電機子１１とレール２１との間には、磁界による吸引力が発生する。これにより、鉄道車両の重量増を伴うことなく、車輪１３とレール２１との間の接触圧を増加させることが可能であり、鉄道車両用の増粘着装置としても利用することができる。磁界による吸引力を用いているので、接触圧を増加させても路盤にかかる荷重が変化しないという利点がある。

従来のように直流磁界を利用する場合には、磁界の配置にもよるが、接触圧を増加させると、レール内の渦電流損失により多少の走行抵抗を生じることが多かった。一方、本発明のように交流磁界を利用する場合には、リニアモータの同期運転を利用することにより、レール内の渦電流損失を殆ど生じることなく、効果的に吸引力を発生させることが可能である。さらに、吸引力を制御することにより、鉄道車両制振装置としても利用することができる。

図３は、直流き電とした場合の本実施形態に係る渦電流ブレーキ装置の基本的構成を示すブロック図である。台車１４には、一方のレール２１に対向するように第１の電機子１１が配置され、他方のレール２２に対向するように第２の電機子１２が配置されている。これらの電機子１１及び１２は、供給される交流電流に従って発生する交流磁界によってレール２１及び２２内に渦電流を発生させると共に、レール２１及び２２に対する相対的な位置の変化に伴って起電力を生じる。尚、図３では１つのインバータに対し２つの電機子が並列に接続されているが、発明の装置の構成はこれに限らない。

本実施形態においては、電力変換部として、周波数制御が可能なインバータ１５が用いられている。インバータ１５は、車輪１３を介してレールに接地されており、架線（トロリ）からパンタグラフ１６を介して印加される直流電圧に基づいて電機子１１及び１２に交流電流を流すことによりブレーキ力を発生させると共に、電機子１１及び１２から印加される起電力に基づいてトロリに電流を供給することにより電力回生動作を行いながらブレーキ力を発生させる。パンタグラフ１６とインバータ１５との間には、リプルを低減するために、インダクタ１７が挿入されている。なお、インバータ１５は、電力回生動作を行う替わりに、１次側（直流側）において、電力を消費又は貯蔵する装置に直流電流を供給するようにしても良い。

電機子１１及び１２の巻線に流れる電流を検出するために、インバータ１５と電機子１１及び１２との間には、電流検出部１８ａ〜１８ｃが配置されている。制御部２０は、電流検出部１８ａ〜１８ｃから出力される検出信号に基づいて、電機子１１及び１２の巻線に流れる電流の電流ベクトルを検出し、指令部から送られてくる指令信号に従い、検出された電流ベクトルを用いて、電機子１１及び１２に供給すべき３相交流電流の周波数や振幅を制御するための制御信号を算出してインバータ１５に出力する。制御信号を算出する際に必要な車両の速度情報は、鉄道車両の速度を検出するための速度センサ１９を設ける方法のほか、速度センサレスで制御する方法もある。

図４に、本実施形態において用いるインバータの原理的な構成例を示す。この例においては、インバータ１５として、電力回生機能を有する３相のＰＷＭインバータが用いられている。図４に示すように、インバータ１５は、Ｕ相の巻線に接続されるＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、Ｖ相の巻線に接続されるスイッチング素子Ｑ３及びＱ４と、Ｗ相の巻線に接続されるスイッチング素子Ｑ５及びＱ６と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６とを有している。これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、トロリとレールとによってそれぞれ供給される２種類の電源電位とＵ相〜Ｗ相の巻線との間でスイッチング動作を行うことにより、電機子１１に交流電流を供給する。また、インバータ１５は、電機子１１に交流電流を供給する場合に対して電流位相を反転させるようにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御してスイッチング動作を行わせることにより、電力回生動作を行う。
以上においては、直流き電とした場合について説明したが、本発明に係る渦電流ブレーキ装置は、交流き電とした場合にも適用できる。

次に、図５〜図７を参照しながら、第１の電機子１１の構成について詳細に説明する。なお、第２の電機子１２も、第１の電機子１１と同様の構成を有している。
図５は、電機子及びレールの外観を示す斜視図である。電機子１１は、鉄等の強磁性体の板材を積層して作製されたコア（磁芯）１１ａを含んでいる。コア１１ａにおいて、レール２１に対向する面には、複数の溝が形成されている。これらの溝には、巻線１１ｂが巻かれている。電機子１１を台車バネ下に搭載する場合には、２つの車軸の間隔である１．１〜１．３ｍ程度が、コアの長さの最大値となる。

図６は、電機子における巻線の配置を示す図である。本実施形態においては、電機子１１に供給する交流電流として、３相交流電流を用いる。従って、巻線は、３相交流電流に対応して、図６に示すように、Ｕ相（○印）、Ｖ相（△印）、Ｗ相（□印）の３種類の巻線が交互にコアに巻かれている。これらの印内に記入されている「・」と「×」は、巻線の巻方向を示している。なお、３相交流の替わりに単相交流を用いても、レール発熱低減効果が劣るものの、渦電流ブレーキ装置を実現することが可能である。

図６に示す電機子において、磁極（ＮＳ）の数は、４極となっている。巻線の巻き方は、１つの溝（スロット）に最大で２種類の巻線が層状に巻かれているので二層巻であり、１種類の巻線が隣接する２つのスロットに分布して巻かれているので分布巻と呼ばれ（分布数ｑ＝２）、ポールピッチに対しコイルピッチを短くしているので、単節巻と呼ばれる（短節率β＝４／６）。図７に、この電機子の諸元と、以下に説明する渦電流ブレーキ装置の特性シミュレーションにおける諸条件を示す。

なお、二層巻の替わりに単層巻又はリング巻としても良いし、分布巻の替わりに集中巻としても良いし、短節巻の替わりに全節巻としても良い。また、３相巻線の結線方式としてはΔ結線とＹ結線とがあるが、いずれを用いても原理的な特性は変わらないので、ブレーキ力の特性や容量等を考慮して適切な方式を選択すれば良い。

次に、図５〜図７に示す電機子を用いた渦電流ブレーキ装置の特性シミュレーションについて、図８〜図１１を参照しながら説明する。この特性シミュレーションにおいては、フーリエ級数を利用した２次元線形解析を行っている。鉄道車両の進行方向に関して電機子の有限性は考慮されているが、枕木方向のレール幅の有限性に関しては、補正係数を用いているものの、厳密には考慮されていない。また、コアの磁化特性の非線形性も、考慮されていない。なお、この特性シミュレーションにおいては、同期周波数ｆ_Ｓを、４３．４Ｈｚとし、１つの電機子について計算を行っている。また、電力変換部の容量としては、電圧容量６００Ｖ／相、電流容量２００Ａ／相を想定している。

図８に、３相交流電流の周波数ｆ_１（Ｈｚ）に対する推力Ｆ_Ｘ（ｋＮ）の変化を示す。３相交流電流の周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも小さい範囲においては、推力Ｆ_Ｘの符号がマイナスとなってブレーキ力が働いていることが分り、同時に、電力回生動作も行われる。一方、３相交流電流の周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも大きい範囲においては、推力Ｆ_Ｘの符号がプラスとなって推進力が働くことにより力行することが分る。

図８において、周波数ｆ_１がゼロの場合には、直流渦電流ブレーキと等価になる。滑りｓが−０．５となる周波数（ｆ_１＝２９．０Ｈｚ）において、直流渦電流ブレーキ力に対する交流渦電流ブレーキ力の割合は約９１％であり、直流渦電流ブレーキと同等のブレーキ力が得られることが分る。

図９に、３相交流電流の周波数ｆ_１（Ｈｚ）に対する吸引力Ｆ_Ｚ（ｋＮ）の変化を示す。３相交流電流の周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも小さい範囲においては、吸引力Ｆ_Ｚが２０〜４５ｋＮ程度となっており、直流渦電流ブレーキ装置よりも大きな吸引力が得られることが分る。

図１０に、３相交流電流の周波数ｆ_１（Ｈｚ）に対する効率η（％）の変化を示す。３相交流電流の周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも小さい範囲においては、交流渦電流ブレーキ装置を発電機として捉えることができ、一方、周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも大きい範囲においては、交流渦電流ブレーキ装置をモータとして捉えることができる。

滑りｓが−０．５となる周波数（ｆ_１＝２９．０Ｈｚ）においては、交流渦電流ブレーキ装置の発電機としての効率が約５５％になることが分る。即ち、走行する鉄道車両がブレーキによって失う運動エネルギーの内の約５５％を、電力回生により架線に戻したり、鉄道車両内に設置された装置において消費又は貯蔵することができる。レールの発熱によって消費されるのは、走行する鉄道車両がブレーキによって失う運動エネルギーの内の約４５％に過ぎない。従って、本実施形態に係る交流渦電流ブレーキ装置によれば、従来の直流渦電流ブレーキ装置と比較して、レールの発熱を４５％程度に抑えることができる。

図１１に、３相交流電流の周波数ｆ_１（Ｈｚ）に対する回生電力Ｐ_ＯＵＴ（ｋＷ）の変化を示す。３相交流電流の周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも小さい場合には、広範囲に渡って電力回生動作を行うことができる。一方、周波数ｆ_１が同期周波数ｆ_Ｓよりも大きい場合には、電力が消費される。図１１に示すように、滑りｓが−０．５となる周波数（ｆ_１＝２９．０Ｈｚ）において交流渦電流ブレーキ装置を用いることにより、４０ｋＷ程度の電力を回生することができる。

本発明は、鉄道鉄道車両に装備され、レールを２次導体として用いる渦電流ブレーキ装置において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る渦電流ブレーキ装置及びその周辺部分を示す図である。 本発明の一実施形態に係る渦電流ブレーキ装置の基本的な原理を示す図である。 直流き電とした場合の本発明の一実施形態に係る渦電流ブレーキ装置の基本的構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態において用いるインバータの原理的な構成例を示す回路図である。 本発明の一実施形態において用いる電機子及びレールの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態において用いる電機子における巻線の配置を示す図である。 本発明の一実施形態において用いる電機子の諸元と特性シミュレーションにおける諸条件を示す図である。 本発明の一実施形態における３相交流電流の周波数に対する推力の変化を示す図である。 本発明の一実施形態における３相交流電流の周波数に対する吸引力の変化を示す図である。 本発明の一実施形態における３相交流電流の周波数に対する効率の変化を示す図である。 本発明の一実施形態における３相交流電流の周波数に対する回生電力の変化を示す図である。

１１、１２ 電機子
１３ 車輪
１４ 台車
１５ インバータ
１５ａ 電圧制御発振器
１５ｂ 整流回路
１６ パンタグラフ
１７ インダクタ
１８ａ〜１８ｃ 電流検出部
１９ 速度センサ
２０ 制御部
２１、２２ レール
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード

Claims (3)

1. 鉄道車両においてレールに対向する位置に配置され、供給される電流に従って発生する磁界によってレール内に渦電流を発生させると共に、レールに対する相対的な位置の変化に伴って起電力を生じる電磁変換部と、
   複数のスイッチング素子を有し、架線から前記鉄道車両に印加される電圧に基づいて、前記電磁変換部に交流励磁電流を供給することによりブレーキ力を発生させ、又、前記電磁変換部から印加される起電力に基づいて、前記架線、又は、電力を消費若しくは貯蔵する装置に電力を供給しながらブレーキ力を発生させる電力変換部と、
   前記電磁変換部と前記電力変換部との間に流れる電流を検出するための少なくとも１つの電流検出部と、
   前記少なくとも１つの電流検出部から出力される検出信号に基づいて前記電力変換部のスイッチング動作を制御する制御部と、
   を具備する渦電流ブレーキ装置。
2. 前記制御部が、前記電力変換部から前記電磁変換部に供給すべき交流励磁電流の周波数及び振幅を制御することにより、前記電力変換部が、前記架線から前記鉄道車両に印加される電圧に基づいて、前記電磁変換部に交流励磁電流を供給することができ、又、前記電磁変換部から印加される起電力に基づいて、前記架線、又は、電力を消費若しくは貯蔵する装置に電力を供給することができる、請求項１記載の渦電流ブレーキ装置。
3. 前記電磁変換部が、２本のレールに対向する位置にそれぞれ配置された２つの電機子を含み、前記２つの電機子の各々が、複数の溝が形成された磁芯と、前記磁芯の溝に巻かれた巻線とを有する、請求項１又は２記載の渦電流ブレーキ装置。

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