JP4549914B2 - 誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導集電装置を用いた磁気ダンピング発生方法に係り、特に、そのセンサレス磁気ダンピング発生方法に関するものである。

これまでに、本願発明者らは、磁気浮上式鉄道の車上電源として地上コイルが作る高周波磁界を利用する誘導集電装置を開発し（下記特許文献１）、そのダンピング特性の改良を図り、さらに、その誘導集電装置は無効電流方式と零相電流方式として開発されてきている（下記特許文献２，３）。

つまり、超電導磁気浮上式鉄道は、誘導式磁気浮上及びリニア同期モータによって、非接触にて車両を支持あるいは駆動する。そのため、その車上電源も非接触な方法が望まれ、現在、その一方式として、分散型誘導集電装置が開発されている（非特許文献１参照）。

このような誘導集電装置は、地上コイルが発生する高調波磁界を利用して、車上の集電コイルにて発電するものであるが、この集電コイルに零相電流を通電すれば、上下力を発生することができる。そのため、集電コイルの有効電流によって、集電電力を制御しつつ、その零相電流によって、車両の振動速度に比例する上下力を発生すれば、集電電力と独立に、磁気ダンピングを発生あるいは制御することができる（下記非特許文献２参照）。
特許第３５９２５７３号公報 特許第３４３５０８５号公報 特許第３３０６０３２号公報 長谷川均、村井敏昭、山本貴光：「分散型誘導集電装置の現車試験による特性確認」、電学論Ｄ，１２３，２，ｐｐ．１５６−１６３（２００３−２） 村井敏昭、長谷川均、山本貴光、藤原俊輔：「誘導集電装置を利用したアクティブ磁気ダンパ」、電学論Ｄ，１１９，１１，ｐｐ．１３７１−１３７６（１９９９−１１） 村井敏昭、山本貴光、長谷川均、藤原俊輔：「誘導集電装置を利用した上下左右兼用磁気ダンパ」、第１１回電磁力関連のダイナミクスシンポジウム，１Ａ２３，ｐｐ．１３３−１３６（１９９９−１１） 藤原俊輔、藤本健：「浮上と案内を兼用する誘導反発磁気浮上の特性」、電学論Ｄ，１１２，５，ｐｐ．４５９−４６６（１９９２−５） 古賀俊作、北野淳一、中島強、森島直樹、丸山高央：「磁気浮上式鉄道における速度起電力位相同期方式を用いた自制制御」、電学論Ｄ，１１９，６，ｐｐ．８１６−８２４（１９９９−６） 長谷川均、村井敏昭、山本貴光、渡辺英司：「零相電流制御誘導集電装置の電磁解析」、電気学会リニアドライブ研究会，ＬＤ−０２−１１８（２００２．１２）

しかしながら、誘導式磁気浮上方式は、元来、超電導コイルと地上コイルの間の磁気ダンピングが小さく、車両の乗り心地向上の妨げとなっていた。

また、磁気浮上式鉄道車両に振動加速度センサを用意し、その観測値から振動速度に比例した磁気ダンピングを発生させるようにしていたが、従来技術によれば、別途、センサを用意するため、システムが複雑となる欠点があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、車両振動を測定するセンサが不必要で、誘導集電装置のみでクローズしたシステムを構築することができる誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、車両の変位に比例した誘導電圧変動をオブザーバにて推定し、その推定値から振動速度に比例した磁気ダンピングを発生させることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、前記推定値が

だだし、ｇはオブザーバゲイン、ｉ_d はｄ軸電流、Ｒ_s は集電コイル抵抗、Ｒ_c はコンバータの等価抵抗、Ｌ_s は集電コイルのインダクタンス
であることを特徴とする誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、２つの電源系に対して前記オブザーバを適用してその和と差をとることにより、集電コイルの上下変位及び左右変位を推定することを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、更に前記集電コイルの上下変位及び左右変位を推定値の微分をとることによりその振動速度を推定することを特徴とする。

〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載のセンサレス磁気ダンピング発生方法において、斜めコイルを接続した２組の独立した集電コイル回路構成によって上下左右独立したダンピングを発生させることを特徴とする。

本発明によれば、車両振動を測定するセンサが不必要であり、誘導集電装置のみでクローズしたシステムとなり、簡素化、低コスト化を図ることができる。

本発明の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法は、車両の変位に比例した誘導電圧変動をオブザーバにて推定し、その推定値から振動速度に比例した磁気ダンピングを発生させる。よって、誘導集電装置のみでクローズしたシステムとなり、簡素化、低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明の上下左右兼用磁気ダンパの基本構成について説明する。

図１は誘導集電装置の基本構成を示す図、図２はそのコイル配置（零相電流方式、車両の片側分を示す）図である。

図１及び図２において、１は地上（浮上）コイル、２は車両、３は車両２に搭載される超電導コイル、４は集電コイル、５はコンバータ、６は蓄電池、７は負荷である。

図３は集電コイルと電力変換装置の組み合わせを示す図である。

この図において、１１は第１の電力変換装置、１２はその左上集電コイル，１３は右下集電コイル，１５は第２の電力変換装置、１６はその左下集電コイル，１７は右上集電コイルである。

超電導磁気浮上式鉄道において、車両を支持する電磁力は、超電導コイル３とその移動によって生じる浮上コイル磁界の基本波成分との相互作用によって発生し、誘導集電装置は、その浮上コイル１の高調波磁界を利用して、車上の集電コイル４にて発電する。この集電コイル４は車両の進行方向に三相回路を構成し、電力変換装置（コンバータ）５及び蓄電池６を介して車内負荷７に接続される。このような誘導集電装置において、磁気ダンピングを発生するためには、集電電力を発生する集電コイル４の有効電流とともに、上下力または左右力を発生する零相電流を電力変換装置５にて制御する必要があり、磁気ダンピングを発生できる系は、その数量に比例する。すなわち、上下及び左右に磁気ダンピングを発生するためには、最低２個の電力変換装置１１，１５が必要であり、集電コイルと電力変換装置の組み合わせとしては、図３に示すように斜め方向に配置されるコイルを接続して斜めに分離した２組の回路構成が有効である。なお上下左右コイルを分離した４組の回路構成も考えられるが、電力変換装置の数量が増加するばかりでなく、上下コイルの集電電力が異なり、２種類の容量の電力変換装置が必要となることから、あまり実用的でない。

次に、図２に示した零相電流方式の集電コイル配置を取り扱い、特性の解析を行う。
（１）零相電流による浮上コイル電流
ここでは、各コイルがｘ方向とともに、ｚ方向も仮想的にＷ_z で周期的に配置されると仮定し、その磁界をフーリエ級数にて表す。超電導コイルの起磁力、極ピッチ、中心位置座標をＩ₀ ，τ，（ｘ₀ ，ｙ₀ ，ｚ₀ ）、浮上コイルのピッチ、中心位置座標、インピーダンス、上下コイル間の相互インダクタンスをτ₁ ，（ｘ₁ ，ｙ₁ ，ｚ_1i），Ｚ₁ ，Ｍ₁ 、集電コイルの零相電流、中心位置座標をＩ_2i，（ｘ₂ ，ｙ₂ ，ｚ_2i）とする。また、ｉ＝Ｕ，Ｂであり、Ｕが上コイル、Ｂが下コイルを表す。この場合、集電コイルが作る磁界による浮上コイルへの鎖交磁束Φ_li（ｉ＝Ｕ，Ｂ）は、

ここでｆ₁ （ｍ，ｎ）、ｆ_2j´（ｍ，ｎ）、ｆ_2j″（ｍ，ｎ）は浮上コイル及びＵ相、ＶＷ相の集電コイル形状を表す関数である。

更に、図４の浮上回路を示す左右浮上コイルを結んだ左上浮上コイル２１と右下浮上コイル２２と左下浮上コイル２３と右上浮上コイル２４からなる浮上コイル２１〜２４へ拡張して、集電コイルが作る磁界による浮上コイル２１〜２４への鎖交磁束をΦ_i （ｉ＝１〜４）とすると、その電流は、上記非特許文献４と同様に、

となる。すなわち、図５に示す以下の３つの電流に分離することができる。

（複号はｉ＝１の時上側、ｉ＝２の時下側）
ここで図５に示す斜めに分離した２組の集電コイル電流（Ｉ_2BR ，Ｉ_2UR ，Ｉ_2BL ，Ｉ_2UL 、添え字のＢＲは右下、ＵＲは右上、ＢＬは左下、ＵＬは左上コイルを示す）を以下のように２組の和が上下振動速度Δｖ_z 、２組の差が左右振動速度Δｖ_y に比例するようにすると
Ｉ_2BR ＝−Ｉ_2UL ＝Ｉ₂ Δｖ_z ＋Ｉ₂ ´Δｖ_y …（９）
−Ｉ_2UR ＝Ｉ_2BL ＝Ｉ₂ Δｖ_z ＋Ｉ₂ ´Δｖ_y …（１０）
図５に示す等価回路電流は、浮上電流が上下振動速度、案内電流が左右振動速度に比例したものとなる。またＱ_UU（ｍ）＞Ｑ_BB（ｍ）≫Ｑ_UB（ｍ），Ｑ_BU（ｍ）であるため、案内電流は、ｉ_G1が小さく、ｉ_G2が大きい。

（２）零相電流による発生電磁力
上記の集電コイルによる浮上コイル磁界及び電流に、上記非特許文献４に示される超電導コイルによる磁界を追加して、浮上コイルに作用する電磁力の定常分を求めると、以下のようになる。

上式において第１項は超電導コイルと浮上コイルの間の基本的な電磁力であり、その他の項は集電コイル電流によって発生する。更に第２，４項は集電コイルとの間の力、第３，５，６項は超電導コイルとの間の力である。

（３）車両運動による集電コイル誘導電圧
一方、図２において上下方向、左右方向、ローリング方向に各々Δｚ，Δｙ，Δφの車両動揺がある時の浮上コイルが作る磁界の時間６次高調波成分による集電コイル鎖交磁束Φ_2i（ｉ＝Ｕ，Ｂ）（代表としてｕ相）は、上記非特許文献４と同様にしてΔｚに比例した浮上電流Ｉ_L （ｍ）及びΔｙ、Δφに比例した案内電流Ｉ_Gi（ｍ）（ｉ＝１，２）の組合せにて表される。

上式を図３の左右コイルを含む系に拡張し〔集電コイル１２，１３，１６，１７における誘導電圧ｅ_i （ｉ＝１〜４）〕、及び各電源系における誘導電圧ｅ_0A，ｅ_0Bを求めると、

ここで両者の和、差をとると、各々、Δｚに比例した浮上電流Ｉ_L （ｍ）及びΔｙ、Δφに比例した案内電流Ｉ_Gi（ｍ）の成分に分離することができる。

差分電圧は、Ｒ_UU（ｍ）＞Ｒ_BB（ｍ）≫Ｒ_UB（ｍ），Ｒ_BU（ｍ）であるため、第１項は小さく、第２項は大きい。また、案内電流Ｉ_G1はΔφ、案内電流Ｉ_G2はΔｙの成分が大きいため、差分電圧は最終的にΔφの成分が小さく、Δｙの成分が大きくなる。

次に、誘導電圧オブザーバを用いたセンサレス制御について説明する。
（１）力率１制御
上記したように各電源系における誘導電圧の和と差は、各々、上下変位及び左右変位に比例するため、誘導電圧オブザーバを用いれば、振動加速度センサなしで各振動速度を推定することができる。しかも誘導電圧オブザーバを構成する三相系（ｄ軸系）とダンピングを発生する零相系は、力率１制御が達成されると仮定すると、各々独立に取り扱うことができるため、上記オブザーバの適用は容易であると考えられる。

以下、誘導集電装置に用いられる力率１制御方法を説明し、誘導電圧オブザーバを導出する。

この誘導集電装置に用いられる力率１制御の原理を説明するために、図６に１相のみ取り出した等価回路を示す。ここで集電コイルが発生する誘導電圧ｅ₀ 、電流ｉ，抵抗Ｒ_s 、インダクタンスＬ_s 、角周波数ωとすると、集電コイルのインピーダンス降下電圧ｅ_S は下記式（２９）で表されるが、コンバータはそのリアクタンス電圧降下分を補償するように下記式（３０）の電圧ｅ_c を発生する。すなわちコンバータの等価回路は等価抵抗Ｒ_c 、等価コンデンサＣ（等価インダクタンスＬ_c ）にて表され、図６のように、単純なＲＣ回路が発生する電圧と等価になるように、電圧を発生して力率１を達成する。

（２）誘導電圧オブザーバの構成
上記制御方法によって、力率１制御が達成される場合、上記回路方程式を三相に拡大し、誘導電圧を基準とするｄｑ０軸変換すると（ｄｑ０成分の各々を記すために、図６の記号にｄｑ０の添え字を付加する）、

以上より、上記式（３４）を積分した式（３５）にて誘導電圧が求められる。そのため、２つの電源系に関して上記オブザーバを適用して、その和と差をとれば、各々、上下変位及び左右変位に比例した値となり、速度は更にその微分を取れば良い。その具体的な制御系としての誘導電圧オブザーブブロック線図を図７に示す。

図７において、３１は第１のコンバータＡ、３２は第２のコンバータＢ、３３，３４，３５，３６は加算器である。また、ここでｇはオブザーバゲイン、ｉ_d はｄ軸電流、Ｒ_s は集電コイル抵抗、Ｒ_c はコンバータの等価抵抗、Ｌ_s は集電コイルのインダクタンス、ｓは微分演算子、ｋ₁ ，ｋ₂ は各々、Δｚ及びΔｙに対する誘導電圧係数である。また、Ｉ_2BR ，Ｉ_2UR ，Ｉ_2BL ，Ｉ_2UL は上記式（９），式（１０）にて示される各電源系における集電コイル零相電流指令値であり、別途、この電流が通電できる電流制御系を組めば、上下及び左右振動速度に比例した磁気ダンピングを発生できる。

以下、具体的な数値例による検討を行う。

（１）発生する電磁力、誘導電圧
検討に用いた各コイルの諸元例を表１に示す。

なお、集電コイルは上下コイルの高さが異なり、表内数値は上コイル／下コイルである。その時の上下及び左右振動速度に比例した零相電流を１００Ａ通電した時の片側台車あたりの上下力、左右力を図８に示す。

この図から、上下振動速度に比例した零相電流１００Ａが発生する上下力（図中、Ｆ_z ｂ_y ｖ_z ）は片側台車あたり３．１ｋＮ、左右力（図中、Ｆ_y ｂ_y ｖ_z ）は１．４ｋＮとなる。なお、この左右力は左右コイルにて反対向きであるため車両の案内力として作用しない。一方、左右振動速度に比例した零相電流が発生する左右力は１．５ｋＮ（図中、Ｆ_y ｂ_y ｖ_y ）であり、上下力の半分であるが、左右コイルにて同じ向きであるため車両の案内力として作用する。またその時の上下力（図中、Ｆ_z ｂ_y ｖ_y ）は左右コイルにて反対向きの−０．３ｋＮであり、車両のローリングモーメントとして作用するが、その値は小さい。このことは前節のｉ_G1が小さく、ｉ_G2が大きいことによる。

また、上下、左右、ロール変位１ｍあたりの誘導電圧係数を図９に示す。この図から上下変位に対する誘導電圧係数（図中、Ｅ０／ｚ）は４．０Ｖｓ／ｒａｄ、左右変位に対する係数（図中、Ｅ０／ｙ）は２．３Ｖｓ／ｒａｄ、ロール変位に対する係数（図中、Ｅ０／ｆ）は０．５Ｖｓ／ｒａｄであり、その比率は上記した電磁力とほぼ同じである。すなわち上下、左右変位に対する誘導電圧変化は大きいが、ロール変位に対する変化は小さく、上記の車両運動による集電コイル誘導電圧と同様な結果が得られる。なお、上記値は超電導磁石外槽に発生する渦電流による影響を考慮していないため、実際は上記値の６０％程度となる。

（２）上下２自由度系モデルによるシミュレーション
センサレス制御の有用性を確認するため、表２の上下２自由度系車両運動モデルを上記のオブザーバも含めたコンバータモデルと組み合わせて、シミュレーションを実施した。なおシミュレーションは以下の条件のもと実施した。

（１）動作周波数は巡航速度である５００ｋｍ／ｈとする。なお、その時の高調波磁界周波数は約３００Ｈｚである。

（２）軌道不整として振幅１ｍｍの定常正弦波変位を与える。また、その周波数は台車共振点である５Ｈｚとする。

（３）ダンピング発生のため零相電流は２ｓから通電する。その電流は減衰係数１００ｋＮｓ／ｍ発生のために必要な係数を推定速度に乗じたものとするが、最大値を１００Ａとする。

（４）表１のコイル諸元における誘導電圧、集電コイルインダクタンスは各々、不平衡率（＝平均値からの最大偏差／平均値）１２％、２２％の三相不平衡となる（上記非特許文献６参照）。

この時のシミュレーション結果のうち、コンバータ運転特性に関する結果を図１０へ、車両運動に関する結果を図１１に示す。なお、図１０のＥ０，Ｉ，Ｉ０，Ｅｏ０は誘導電圧振幅、三相電流振幅、零相電流、誘導電圧推定値、図１１のＸ０，Ｘ１，Ｘ２，Ｆは軌道上下変位、台車上下変位、車体上下変位、零相電流による発生力を表す。これらの図から以下のことが読み取れる。

（１）誘導電圧は三相不平衡であるため、若干の脈動成分を持つが、台車−地上間変位に比例して振動している。誘導電圧推定値はその振動とほぼ一致している。

（２）零相電流の通電前後で台車変位は５ｍｍ→１．４ｍｍに低減している。また、車体変位も台車振動周波数成分が低減している。

（３）零相電流は通電開始（２ｓ）直後、台車変位が大きいため、最大値にて飽和しているが、台車変位低減とともに小さくなり、安定に制御されている。なお２ｓ前も若干の電流が流れているが、これは三相不平衡による成分である。

上記したように、超電導磁気浮上式鉄道の乗り心地向上のため、誘導集電装置を利用した上下左右兼用磁気ダンパを提案し、またその振動加速度センサレス化を検討し、以下を明らかにした。

（１）斜めに配置される集電コイルを接続した２組の独立した回路構成によって、上下左右独立したダンピングを発生できる。

（２）またその誘導電圧の和と差から上下左右変位各々に比例した成分が得られ、誘導電圧オブザーバを利用して振動速度が推定できる。

これらの特性は、数値例にて、零相電流による発生力、各変位に対する誘導電圧係数を求め、上記特性を確認した。また、上下２自由度系モデルによるシミュレーションにてセンサレス制御の有用性を確認した。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法は、超電導磁気浮上式鉄道の誘導集電装置として利用可能である。

誘導集電装置の基本構成を示す図である。 集電コイルの配置を示す図である。 集電コイルと電力変換装置の組合せを示す図である。 浮上コイル回路を示す図である。 等価回路電流を示す図である。 １相分の等価回路図である。 誘導電圧オブサーバブロック線図である。 零相電流１００Ａ通電時の電磁力を示す図である。 変位１ｍあたりの誘導電圧係数を示す図である。 コンバータ運動特性のシミュレーション結果を示す図である。 車両運動のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１ 地上（浮上）コイル
２ 車両
３ 超電導コイル
４ 集電コイル
５ コンバータ（電力変換装置）
６ 蓄電池
７ 負荷
１１ 第１の電力変換装置
１２ 左上集電コイル
１３ 右下集電コイル
１５ 第２の電力変換装置
１６ 左下集電コイル
１７ 右上集電コイル
２１ 左上浮上コイル
２２ 右下浮上コイル
２３ 左下浮上コイル
２４ 右上浮上コイル
３１ 第１のコンバータＡ
３２ 第２のコンバータＢ
３３，３４，３５，３６ 加算器

Claims (5)

1. 車両の変位に比例した誘導電圧変動をオブザーバにて推定し、その推定値から振動速度に比例した磁気ダンピングを発生させることを特徴とする誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法。
2. 請求項１記載の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、前記推定値が
   

   

   だだし、ｇはオブザーバゲイン、ｉ_d はｄ軸電流、Ｒ_s は集電コイル抵抗、Ｒ_c はコンバータの等価抵抗、Ｌ_s は集電コイルのインダクタンス
   であることを特徴とする誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法。
3. 請求項１又は２記載の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、２つの電源系に対して前記オブザーバを適用してその和と差をとることにより、集電コイルの上下変位及び左右変位を推定することを特徴とするセンサレス磁気ダンピング発生方法。
4. 請求項３記載の誘導集電装置を用いたセンサレス磁気ダンピング発生方法において、更に前記集電コイルの上下変位及び左右変位を推定値の微分をとることによりその振動速度を推定することを特徴とするセンサレス磁気ダンピング発生方法。
5. 請求項３又は４記載のセンサレス磁気ダンピング発生方法において、斜めコイルを接続した２組の独立した集電コイル回路構成によって上下左右独立したダンピングを発生させることを特徴とするセンサレス磁気ダンピング発生方法。

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