JP4803503B2 - 電気モータ車両機関に対する電力供給方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源ラインから電気モータ車両機関に対して電力を供給するための方法及び装置に関するものである。本発明の特に有用な適用分野は、例えば、電車及びその他の都市輸送機関並びに都市連絡輸送機関のような、電源ライン即ちカテナリ吊り線によって電力が供給される電気モータ車両機関の分野である。また、本発明の特に有益な適用分野は、非常に高速で走行する電車の分野である。然しながら、本発明は何らかの高電力供給システムに適用することができるので、本発明は広い応用範囲を有している。

電車に関しては、集電は、電車のモータ及びその補助手段の全てに対して電力を供給するために電気的接点を設定し維持するよう機能するパンタグラフと呼ばれている連結式機械的装置と一般的に関連している。その接点の特性は、パンタグラフの機械的特性と、採用されるカテナリ吊り線の電気的及び機械的特性とにより大きく左右される。接点は、あらゆる場合に、摩擦力を受ける。高速電車におけるように電車が高速で走行する場合には、接点の特性が問題となる。実際に、高速電車に影響を及ぼす問題の一つとして、カテナリ吊り線と電車のパンタグラフとの間に良好な電気的接点を維持することが認識されている。例えば、速度記録を破ることに向けられた電車においては、電源ラインを構成している導体ワイヤーの張力を特別に調整することが必要とされる。

従って、本発明の目的は、カテナリ吊り線と電車のパンタグラフ又はその他の何らかの集電システムとの間の電気的接点の特性を改善することにある。

本発明の別の目的は、摩擦力による電源ラインとパンタグラフの磨耗という問題に対する解決策を提供することにある。

上記目的の少なくとも一つは、電源ラインから電気モータ車両機関に電力を供給する本発明に係る方法によって達成される。その電気モータ車両機関は、モータに対して直接的に接続され又は配電システムを介して接続された少なくとも一つの集電器を有している。この集電器は、電源ラインとの関係で電位差を有している。本発明によれば、高パワーパルスフェムトセコンドレーザ（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅｄ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ）によるフェムトセコンドフィラメンテーション（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｆｉｌａｍｅｎｔａｔｉｏｎ）が、集電器と電源ラインとの間に伝導性プラズマを作り出すために採用され、上記電位差は放電を起こしガイドするプラズマにとっては十分なものである。

本発明による方法では、機械的摩擦がなくて、電源ライン又はカテナリ吊り線によって送られる電力が、電気的接点と、車両に固定的又は可動的に配置されて車両の電気モータに接続された集電器とに送られる。こうして、一般に用いられているシステムと対照的に、電源ライン又はカテナリ吊り線と集電器接点との間の永久的な機械的接点が不要になる。

プラズマは、集電器と電源ラインとの間の間隔の変化にも拘わらず、高速度であっても、電源ラインと集電器との間の高特性な電気的接点を確実にする。実際に、集電器の一端は、電源ラインから数センチメートル離して位置決めさせることができる。然しながら、電源ラインと集電器との間の間隔は、レーザフィラメンテーションによって起こされてガイドされる放電を生じさせるプロセスが数センチメートル又は数メータにさえも亘って実施されるので、臨界的な調整を必要としない。従って、本発明による方法は、広範囲の車両スピードのために応用することが可能である。

レーザビームのレイリー長さ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｌｅｎｇｔｈ）を超えるイオン化エアーの領域を作り出す方法が、フェムトセコンドフィラメンテーションという用語で科学文献に一般に記載されている。高パワーレーザパルスは、空気の分子をイオン化させることができる。ショートパルスレーザ（ｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ）技術は、ジュールよりかなり低い非常に適度なパルスエネルギーでエアーのイオン化を達成するのに必要とされるパワーレベルを考慮したものである。これらのレーザは、１ピコセカンド、即ち、１０^−１２秒より少ないパルス持続時間を有し、１０ＧＷ、即ち、１０^７ワットを超える或る瞬間のパワーを送ることができる。

一例として、本願発明者は、単一のレンズによってエアーに集中される数ミリジュールのパワーの赤外線パルスが、レンズの焦点の周りの数センチメータ離れた間隔に亘って伝導性プラズマを発生させるのに十分であることを実証した。そのレーザパルスは、能動媒体としてチタン・ドープ処理したサファイヤを備えたフェムトセコンドレーザによって発生させた。かなりの長さに亘ってエアーのイオン化を開始させるための物理的方法は、レーザビームの自己焦点合わせと多くの赤外線光子の同時吸収を伴う多光子イオン化との間の張り合いであることがよく認識されている。また、フェムトセコンドフィラメンテーションによって発生させられるプラズマは、数ｋＶ／ｃｍの電界に晒される二つの電極を有する装置を一時的に短絡させることを可能にすることも実験的に実証された。本発明によれば、電源ラインは高電圧であり、電位差は１０ｋＶよりも大きい、例えば、１０ｋＶと２５ｋＶの間であることが好ましい。

一般的に、２５ｋＶの電界で、二つの電極の間のエアー柱を循環する電流が著しく増加することが認められ、放電が得られる。

７００アンペアに達した電流が測定された。用いられる電源ラインの電圧によってより高い強度の電流が得られる。この現象は、フィラメンテーションによって作られるプラズマ柱が拡大するエアーの微妙な柱を加熱して、中央窪み（ｃｅｎｔｒａｌ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ）を作り出すという事実によっても説明することができる。１００ナノセカンド以下の遅延後に、放電がこの窪みに沿って突進する。

本発明の特徴の一つによれば、レーザが、プラズマを再生して、電流の良好な循環を維持するように、高反復速度、例えば、１キロヘルツを超える高反復速度で作動する。更に、レーザによって提供されるパルスのパワーは、１ミリジュールを超えるのが好ましい。

実際上、レーザによって供給される高パワーパルスを電源ラインと集電器の端に近いエアーに対して集中させるためにレンズを用いることができる。

本発明の限定的でない実施形態によれば、電気モータ車両機関は電車であり、集電器は、関連のパンタグラフである。

本発明の別の特徴によれば、電源ラインから電気モータ車両機関に対して電流を供給するための装置が得られ、同電気モータ車両機関は、モータに接続され且つ電源ラインとの関係で電位差を有する少なくとも一つの集電器を有している。本発明によれば、その装置は、フェムトセコンドフィラメンテーションによって集電器と電源ラインとの間に伝導性プラズマを発生させるために用いられる高パワーパルスフェムトセコンドレーザを有し、前記電位差は、上記プラズマにとって放電を起こし且つガイドするのに十分なものである。

本発明の他の利点及び特徴については、限定的でない本発明の一実施形態に関する詳細な説明と一つの添付図面を参照することにより明らかになるであろう。

図１は、レール上を走行する電車１を示した図である。電車１のモータ２には、パンタグラフ３によって電流が供給され、電車の上方に位置するパンタグラフ３の自由端４は、カテナリ吊り線５に近接して配置されている。後者は、一般的には、２５ｋＶの高電圧電源ラインである。電車は、カテナリ吊り線５とパンタグラフ３の自由端４の近くのエアーに集中される高パワーパルスを供給するためのフェムトセコンドレーザ６を更に有している。その集中はレンズ７によって実施される。繊条化されたビームは、自由端４によってカテナリ吊り線をパンタグラフ３に接続させるプラズマ柱（ｐｌａｓｍａ ｃｏｌｕｍｎ）８を形成する。プラズマを循環する電流は、パンタグラフによって電気モータ２に伝えられる。

レーザ６は高反復速度で作動し、プラズマが再生することを可能にして、電流の断絶を回避するよう設計されている。このフェムトセコンドレーザは、１ミリジュールを超えるパルスエネルギーで、１キロヘルツを超える速度で作動する。

本発明による装置は、全体的な電流を増加させ且つ電流供給の何らかの終局的な断絶を回避するために、同じ電車に複数の例で複合的に用いることができる。

勿論、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に対して様々な修正を加えることができる。特に、本発明は、可動であろうとなかろうと、電源ラインから電気モータに電流を伝えるように機能する全てのシステムに適用することができる。

レール上を走行する電車を示した図である。

Claims (11)

1. 電源ラインから電気モータ車両機関に対して電流を供給するための方法であって、前記電気モータ車両機関が、モータに接続され且つ前記電源ラインとの関係で電位差を有する少なくとも一つの集電器を有し、高パワーパルスフェムトセコンドレーザによるフェムトセコンドフィラメンテーションによって前記集電器と前記電源ラインとの間に伝導性プラズマを発生させ、前記電位差が、前記プラズマが放電を起こし且つガイドするのに十分なものであることを特徴とする、電源ラインから電気モータ車両機関に対して電流を供給するための方法。
2. 前記レーザが、前記プラズマを再生させるように高反復速度で作動するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザが、１キロヘルツを超える速度で作動するようになっていることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記レーザによって提供されるパルスのパワーが、１ミリジュールを超えるものであることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記電源ラインが高電圧電源ラインで、前記電位差が１０ｋＶを超えるものであることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記集電器の一端が前記電源ラインから数センチメートル離れて配置されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記レーザによって発生させられる高パワーパルスを、前記電源ラインと前記集電器の一端に近接したエアーに集中させることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記集電器がパンタグラフであることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記電気モータ車両機関が電車であることを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. 電源ラインから電気モータ車両機関に対して電流を供給するための装置であって、前記電気モータ車両機関が、モータに接続され且つ前記電源ラインとの関係で電位差を有する少なくとも一つの集電器を有し、前記装置が、フェムトセコンドフィラメンテーションによって前記集電器と前記電源ラインとの間に伝導性プラズマを発生させるための高パワーパルスフェムトセコンドレーザを有し、前記電位差が、上記プラズマが放電を起こし且つガイドするのに十分なものであることを特徴とする、電源ラインから電気モータ車両機関に対して電流を供給するための装置。
11. 前記装置が、前記レーザによって提供される高パワーパルスを前記電源ラインと前記集電器の一端に近接したエアーに集中させるためのレンズを更に有していることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。

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