JP4824000B2 - 推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム - Google Patents

Description

本発明は、推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムに関するものである。

磁気浮上式鉄道は、非接触で浮上走行するため、従来の鉄道と異なり、パンタグラフに代わる車上に電気を供給するための手段が必要となる（下記特許文献１，２参照）。

図１５は従来の高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの構成図であり、図１５（ａ）は超電導コイル（超電導磁石）により地上に配置される地上コイル（推進コイルと浮上コイルを有している）に電流が誘導される状態を示す図、図１５（ｂ）は地上に配置される地上コイルから車両に搭載される集電コイルに電圧が誘起される状態を示す図である。

図１５（ａ）に示すように、車両に搭載される外槽１０１内に固定される超電導コイル１０２と地上に配置される浮上コイル１０３との相対運動により、浮上コイル１０３に電流が誘導される。すると、その浮上コイル１０３の誘導電流が車両に搭載される集電コイル１０５を鎖交する磁束を作り、その鎖交する磁束により集電コイル１０５に電圧が誘導される。この電圧を磁気浮上式鉄道用車上電源として用いる。なお、１０４は浮上コイル１０３とともに地上に配置される推進コイルである。

また、超電導コイルの磁界により誘導されて流れる浮上電流を利用する磁気浮上列車が開示されている（下記特許文献３参照）。
特開２０００−２２５９３９号公報 特開２００１−１０３６１６号公報 特開昭５５−１９６３０号公報

しかしながら、上記した従来の高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムは、以下のような問題点を有している。

（１）超電導コイルと地上コイルの間に集電コイルを配置するようにしているため、超電導コイルと地上コイル間のギャップを広げなくてはならず、推進特性及び浮上特性が悪くなる。

（２）集電コイルを外槽の表面に取り付けるため、薄い形状としなければならず、表面絶縁を取り難く、衝撃強度も小さい。

（３）超電導磁石（超電導コイル）の表面で通電するため、集電コイルに大きな電磁力がかかり、集電コイルの配置が難しい。

（４）外槽はアルミニウム製であり、この外槽の表面に集電コイルを置くため、高調波が大きい割りには大きな電力を得ることができない。

（５）鉄が飽和するほど超電導コイルの磁場が強くなるため、集電コイルに鉄心を使用することができない。

また、上記した特許文献３では、浮上電流を誘導する誘導集電であるため、集電コイルを超電導コイルに隣接した位置に取り付けなければならず、超電導コイルからの制約を受けざるを得ない。

本発明は、上記状況に鑑みて、推進特性及び浮上特性を向上するとともに、集電コイルの配置の自由度を増すことができる推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム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〕推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、磁気浮上式鉄道用車両の台車に配置される超電導コイルと、この超電導コイルから離された前記車両の外側面の場所に配置される集電コイルと、地上に配置される少なくとも推進コイルを有する地上コイルとを備え、前記推進コイルによる高調波磁場により、前記超電導コイルから離された場所の前記集電コイルで集電電力を得ることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記超電導コイルから離された場所が前記車両の中央に位置する床下機器室であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記集電コイルは鉄心を有することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記集電電力が単相交流電力であることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記集電電力が３相交流電力であることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）推進特性及び浮上特性を向上するとともに、集電コイルの配置の自由度を増すことができる。

（２）推進コイルの推進電流は、地上の変電所から強制的に３相交流が供給されるので、この推進電流が作る高調波磁場を利用して、集電コイルによって集電電力を得る。よって、集電コイルを取り付ける場所を超電導コイルの近くにする必要がなく、推進コイルに近い車両の外側面の場所であれば、どこに取り付けてもよいので、集電コイルの設計の自由度を増すことができる。

本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムは、磁気浮上式鉄道用車両の台車に配置される超電導コイルと、この超電導コイルから離された前記車両の外側面の場所に配置される集電コイルと、地上に配置される少なくとも推進コイルを有する地上コイルとを備え、前記推進コイルによる高調波磁場により、前記超電導コイルから離された場所の前記集電コイルで集電電力を得る。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの模式図、図２はその車上電源システムに用いられる集電コイルの模式図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図、図４は図１のＢ−Ｂ線断面図である。

これらの図において、１は磁気浮上式車両、２はその磁気浮上式車両１の台車、３はその台車２に配置される外槽、４はその外槽３内に配置される超電導コイル、５は車両１の中央に位置する床下機器室、６はその床下機器室５に配置される集電コイル、７はコンバータ、８は蓄電池、９は負荷、１０は鉄心、１１は軌道、１２は推進コイル１２Ａ及び浮上コイル１２Ｂを有する地上コイルである。

ここで、図３に示すように、超電導コイル４によって生じる移動磁界が浮上コイル１２Ｂに作用して車両１は浮上する。また、推進コイル１２Ａによって生じる高調波磁界は、集電コイル６に速度起電力を発生させ、この速度起電力によって、集電コイル６に集電電力を得る。つまり、集電コイル６に電流を発生させ、その集電コイル６の電流の力率及び振幅をコンバータ７によって、制御して、負荷９及び蓄電池８に電力を供給する。

ここで留意すべきことは、推進コイル１２Ａの推進電流は、地上の変電所から強制的に３相交流が供給されており、本発明の集電では、その推進電流が作る高調波磁場を利用して、集電コイル６に集電電力を得る点である。その場合、集電コイル６を取り付ける場所を超電導コイル４の近くにする必要は全くなく、推進コイル１２Ａに近い磁気浮上式車両１の外側面の場所であれば、どこに取り付けてもよい。そのため、集電コイル６は、例えば超電導コイル４から最も遠い場所である磁気浮上式車両１の中央に位置する床下機器室５に取り付けることが望ましい。

このように構成することにより、集電コイル６は、超電導コイル４と作用することがなく、集電効率をも高めることができる。

また、この集電コイル６は、図２に示すように、鉄心１０付きで配列するようにしている。このように構成することにより、より大きい電力を集電することができる。これは、集電コイル６を超電導コイル４と離れた場所に配置するようにしたことによる利点である。

上記したように、この磁気浮上式鉄道用車上電源システムは、地上に配置される推進コイル１２Ａが発生する高調波磁場を利用した電磁誘導の原理を用いて車上電源を得ることができる。

なお、推進コイル１２Ａが発生する高調波磁場は、浮上電流が作る高調波磁場のよりは小さいが、図２に示すように集電コイル６に鉄心１０を利用することにより、推進コイル１２Ａが発生する高調波磁場でも大きな誘導電圧を得ることができ、大きな集電電力を得ることができる。

以下、本発明の推進コイルが発生する高調波磁場を利用した電磁誘導の具体例について詳細に説明する。

図５はある瞬間の時刻において、３相交流が供給される推進コイル（３相コイル）が作る磁場の強さを示す図であり、図５（ａ）はその推進コイルが作る磁場（３相コイルの合計の磁場）、図５（ｂ）はその３相コイルのＵ相コイルが作る磁場、図５（ｃ）はその３相コイルのＶ相コイルが作る磁場、図５（ｄ）はその３相コイルのＷ相コイルが作る磁場のそれぞれの磁場の強さを示す図、図５（ｅ）は地上コイルの推進コイルの各相の配置を示す模式図である。ここで、横軸は磁気浮上式車両の長手方向の位置（列車長手方向の位置）を、縦軸は磁場の強さを示している。

そこで、推進コイル（３相コイル）の各相の磁場の強さと、図５（ｅ）に示す地上コイルの推進コイルの位置とをつきあわせて見ると、例えば、図５（ｂ）に示すＵ相コイルが作る磁場は、Ｕ相コイルの近くでのみ大きな値となることがわかる。図５（ｃ）に示すＶ相コイルが作る磁場や、図５（ｄ）に示すＷ相コイルが作る磁場も同様である。推進コイルが作る磁場は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの磁場を足し合わせたものなるので、図５（ａ）に示すようにきれいな正弦波ではなく、多少凸凹した波形となる。推進力を発生させる観点からは、推進コイルが発生する磁場はきれいな正弦波となっていることが望ましいが、推進コイルが飛び飛びに配置されているために、どうしてもこのような凸凹の波形になる。

次に、図５の状態から少し時間が経過して、グラフの１目盛分だけ磁気浮上式車両が移動した時の３相交流が供給される推進コイル（３相コイル）が作る磁場の強さを示す図を図６に示す。この図６において、図６（ａ）はその推進コイルが作る磁場（３相コイルの合計の磁場）、図６（ｂ）はその３相コイルのＵ相コイルが作る磁場、図６（ｃ）はその３相コイルのＶ相コイルが作る磁場、図６（ｄ）はその３相コイルのＷ相コイルが作る磁場のそれぞれの磁場の強さを示す図、図６（ｅ）は地上コイルの推進コイルの各相の配置を示す模式図である。ここで、横軸は磁気浮上式車両の長手方向の位置（列車長手方向の位置）を、縦軸は磁場の強さを示している。

そこで、横軸のとり方として、磁気浮上式車両側（超電導コイル）を固定し、地上コイルを相対的に左側へ移動させる座標系（磁気浮上式車両に乗って地上コイルが作る磁場を眺めているイメージ）で示しているので、地上コイルの位置が１目盛分左にずれている。このように、磁気浮上式車両上から見た推進コイルの磁場は、常に一定というわけではなく、時間とともに変動している。

図７は図５と同じタイミングにおける推進コイルが作る磁場を基本波成分と高調波成分とに分けた時の磁場の強さを示す図であり、図７（ａ）はその推進コイルの合計の磁場（基本波成分＋高調波成分）、図７（ｂ）はその推進コイルの基本波成分、図７（ｃ）はその推進コイルの高調波成分のそれぞれの磁場の強さを示す図、図７（ｄ）は超電導コイルと地上コイルとの配置を示す模式図である。

この図７に示すように、推進コイルが作る磁場は、グラフ６目盛の長さを１周期とする基本波成分と、３目盛の長さを１周期とする高調波成分を足し合わせたものとなっている。また、図７（ｄ）に示されている超電導コイルの位置と図７（ｂ）に示す推進コイルが作る磁場の基本波成分との相対関係から、基本波成分が推進力を発生することが分かる。

図８は、図６と同じタイミングにおける推進コイルが作る磁場を基本波成分と高調波成分とに分けた時の磁場の強さを示す図であり、図８（ａ）はその推進コイルの合計の磁場（基本波成分＋高調波成分）、図８（ｂ）はその推進コイルの基本波成分、図８（ｃ）はその推進コイルの高調波成分のそれぞれの磁場の強さを示す図、図８（ｄ）は超電導コイルと地上コイルとの配置を示す模式図である。

図８（ｂ）と図７（ｂ）の基本波成分を比べると全く同じであり、磁気浮上式車両から見ると推進コイルが作る磁場の基本波成分は変化しないことが分かる。一方、図７（ｃ）及び図８（ｃ）に示すように、高調波成分は正負が逆転しており、磁気浮上式車両から見た推進コイルが作る磁場の高調波磁場は時間的に変動する。

このように、推進コイルが作る磁場の高調波磁場の変動を利用して、誘導集電により磁気浮上式車両の車上電源を得ることができる。

次に、磁気浮上式車両の車上電源を得るための集電について説明する。

図９は本発明の単相交流を集電するための集電コイルの配置と磁場の強さの関係を示す図であり、図９（ａ）はその推進コイルの合計の磁場（基本波成分＋高調波成分）、図９（ｂ）はその推進コイルの基本波成分、図９（ｃ）はその推進コイルの高調波成分のそれぞれの磁場の強さを示す図、図９（ｄ）は推進コイルと集電コイルとの配置を示す模式図である。

図７（ｃ）から分かるように、推進コイルが作る磁場の高調波成分の周期はグラフの３目盛分となる。したがって、図９（ｄ）のように、集電コイルを３／２目盛の間隔（超電導コイルの半分のピッチ）で磁気浮上式車両上に配置すると、推進コイルの作る磁場の高調波成分の変動を捉えることができ、単相交流として磁気浮上式車両の車上電源を得ることができる。

図１０は本発明の３相交流を集電するための集電コイルの配置と磁場の強さの関係を示す図であり、図１０（ａ）はその推進コイルの合計の磁場（基本波成分＋高調波成分）、図１０（ｂ）はその推進コイルの基本波成分、図１０（ｃ）はその推進コイルの高調波成分のそれぞれの磁場の強さを示す図、図１０（ｄ）は推進コイルと集電コイルとの配置を示す模式図である。

３相交流として磁気浮上式車両の車上電源を得る場合は、図１０（ｄ）のように、１目盛分の間隔（地上コイルの半分のピッチ）で集電コイルを磁気浮上式車両の車上に配置することにより、３相交流を集電電力として得ることができる。

グラフの１目盛に相当する長さをτとすると、超電導コイルの極ピッチ３τの単層リニアモータに対して、３τ／２以下のピッチの集電コイルを磁気浮上式車両上に配置すれば、集電コイルに電圧が誘導され、集電電力を得ることができる。

図１１は本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの推進コイルと鉄心付き単相用集電コイルの配置を示す模式図、図１２はその鉄心付き単相用集電コイルの模式図であり、図１２（ａ）はその鉄心付き単相用集電コイルの斜視図、図１２（ｂ）は単相用集電コイルを外した鉄心の斜視図である。

単相用集電コイル２２は、推進コイル２１に対向するように、図１１に示すように配置する。また、単相用集電コイル２２には図１２に示すように鉄心２３を設ける。

図１３は本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの推進コイルと鉄心付き３相用集電コイルの配置を示す模式図、図１４はその鉄心付き３相用集電コイルの模式図であり、図１４（ａ）はその鉄心付き３相用集電コイルの斜視図、図１４（ｂ）は単相用集電コイルを外した鉄心の斜視図である。

３相用集電コイル３２は、推進コイル３１に対向するように、図１３に示すように配置する。また、３相用集電コイル３２には鉄心３３を設ける。

なお、上記した集電コイルの鉄心は、推進コイルが作る磁場が集電コイルを突き抜ける磁路の磁気抵抗が小さくなるように、図１１から図１４に示すように配置する。

このように、本発明によれば、リニアモータの特性を損なうことなく、誘導集電システムを構築することができる。

また、磁気浮上式車両への集電コイルの配置が簡単で、異物の衝突などにも強い集電コイルを構築することができる。

さらに、本発明は、ＰＬＧコイル（推進・浮上・案内機能を有するコイル）を使ったシステムにも適用することができる。

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。

本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムは、集電コイルの配置の自由度が増し、推進特性及び浮上特性を向上させることができるリニアモータカーの車上電源システムとして利用可能である。

本発明の実施例を示す推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの模式図である。 本発明の実施例を示す推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムに用いられる集電コイルの模式図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 ある瞬間の時刻において、３相交流が供給される推進コイル（３相コイル）が作る磁場の強さを示す図である。 図５の状態から少し時間が経過して、グラフの１目盛分だけ磁気浮上式車両が移動した時の３相交流が供給される推進コイル（３相コイル）が作る磁場の強さを示す図である。 図５と同じタイミングにおける推進コイルが作る磁場を基本波成分と高調波成分とに分けた時の磁場の強さを示す図である。 図６と同じタイミングにおける推進コイルが作る磁場を基本波成分と高調波とに分けた時の磁場の強さを示す図である。 本発明の単相交流を集電するための集電コイルの配置と磁場の強さの関係を示す図である。 本発明の３相交流を集電するための集電コイルの配置と磁場の強さの関係を示す図である。 本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの推進コイルと鉄心付き単相用集電コイルの配置を示す模式図である。 本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムに用いる鉄心付き単相用集電コイルの模式図である。 本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの推進コイルと鉄心付き３相用集電コイルの配置を示す模式図である。 本発明の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムに用いる鉄心付き３相用集電コイルの模式図である。 従来の高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムの構成図である。

符号の説明

１ 磁気浮上式車両
２ 台車
３ 外槽
４ 超電導コイル
５ 床下機器室
６ 集電コイル
７ コンバータ
８ 蓄電池
９ 負荷
１０，２３，３３ 鉄心
１１ 軌道
１２ 地上コイル
１２Ａ，２１，３１ 推進コイル
１２Ｂ 浮上コイル
２２ 単相用集電コイル
３２ ３相用集電コイル

Claims (5)

1. （ａ）磁気浮上式鉄道用車両の台車に配置される超電導コイルと、
   （ｂ）該超電導コイルから離された前記車両の外側面の場所に配置される集電コイルと、
   （ｃ）地上に配置される少なくとも推進コイルを有する地上コイルとを備え、
   （ｄ）前記推進コイルによる高調波磁場により前記超電導コイルから離された場所の前記集電コイルで集電電力を得ることを特徴とする推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム。
2. 請求項１記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記超電導コイルから離された場所が前記車両の中央に位置する床下機器室であることを特徴とする推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム。
3. 請求項１記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記集電コイルは鉄心を有することを特徴とする推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム。
4. 請求項１、２又は３記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記集電電力が単相交流電力であることを特徴とする推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム。
5. 請求項１、２又は３記載の推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システムにおいて、前記集電電力が３相交流電力であることを特徴とする推進コイルの高調波磁場を利用した磁気浮上式鉄道用車上電源システム。

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