JP5420181B2 - 磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導コイルを搭載する磁気浮上式鉄道の軌道に配置される地上コイルの異状を検知する、磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置に関するものである。

従来、磁気浮上式鉄道の地上コイルは、軌道の両側に配置され、磁気浮上式車両に搭載される超電導磁石との磁気作用により、磁気浮上式車両を走行させるように構成されている（特許文献１，２参照）。
かかる磁気浮上式鉄道の地上コイルの保守管理は、作業員が徒歩による目視点検を行い、地上コイルの異状の有無を判断するようにしていた。
特許第３２０２７６５号公報 特許第２７０６２１７号公報

上記したような磁気浮上式鉄道の安定運行には地上コイルの保守管理が不可欠であるが、全線に亘って敷設される膨大なコイルの保守を目視点検により行うことは容易ではない。特に、一旦敷設された地上コイルは最低でも３０年間の安定使用が期待され、現地での保守運用管理手法の確立が実用化に向けた大きな課題となっている。
そこで、磁気浮上式鉄道の信頼性の向上及び現地保守作業の省力化を狙いとした、磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状を検知する異状検知センサ及びその異状検知システムについての基礎検討が進められている。

磁気浮上式鉄道車両の通過時の挙動把握を基にして異状の有無を判定する地上コイルの異状検知システムでは、センシング用電源が不可欠であり、如何にしてコイル内蓄電池に充電を行うかが、センサの小型化と併せて重要なポイントとなっている。
本発明は、上記状況に鑑みて、磁気浮上式車両の通過に伴い非接触により発電を行い、それによる充電を可能にした磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置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〕磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置において、地上コイルの歪み、振動加速度、及び温度を検知するセンサ部からなる異状検知センサと、この異状検知センサからの信号を処理する信号処理部と、この信号処理部からの情報を記憶するメモリ部と、前記信号処理部からの情報を送信する信号送信部と、磁気浮上式車両の通過に伴い、非接触により発電を行う発電装置及び蓄電部とを具備し、前記異状検知センサは、地上コイルのコイル保護層のガラスマット内に実装され、前記発電装置及び蓄電部によって前記異状検知センサに給電するとともに、前記発電装置が、前記地上コイルに配置される電磁誘導発電装置であることを特徴とする。

〔２〕磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置において、地上コイルの歪み、振動加速度、及び温度を検知するセンサ部からなる異状検知センサと、この異状検知センサからの信号を処理する信号処理部と、この信号処理部からの情報を記憶するメモリ部と、前記信号処理部からの情報を送信する信号送信部と、磁気浮上式車両の通過に伴い、非接触により発電を行う発電装置及び蓄電部とを具備し、前記異状検知センサは、地上コイルのコイル保護層のガラスマット内に実装され、前記発電装置及び蓄電部によって前記異状検知センサに給電するとともに、前記発電装置が、前記地上コイルに配置される振動発電装置であり、この振動発電装置が前記磁気浮上式車両の超電導磁石による電磁力を利用することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置において、前記振動発電装置が前記地上コイルの推進電流に基づく変動磁場を利用す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）磁気浮上式車両の通過に伴い生じる現象を地上コイル異状検知センサ用電源の充電に用いることができ、地上コイル異状検知センサのメンテナンスの軽減と省資源化に寄与することができる。
（２）推進用地上コイルに生ずる交流磁場を利用する電磁誘導発電装置の場合は、推進電流の小さい下り勾配区間や惰行区間では適用が望ましくないが、本発明による振動発電装置は、磁気浮上式車両の通過時の大きい振動を利用するため、電磁誘導発電装置による問題を解消することができる。

本発明の磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置は、地上コイルの歪み、振動加速度、及び温度を検知するセンサ部からなる異状検知センサと、この異状検知センサからの信号を処理する信号処理部と、この信号処理部からの情報を記憶するメモリ部と、前記信号処理部からの情報を送信する信号送信部と、磁気浮上式車両の通過に伴い、非接触により発電を行う発電装置及び蓄電部とを具備し、前記異状検知センサは、地上コイルのコイル保護層のガラスマット内に実装され、前記発電装置及び蓄電部によって前記異状検知センサに給電するとともに、前記発電装置が、前記地上コイルに配置される電磁誘導発電装置である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサの概要について説明する。
図１は本発明にかかる磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状検知センサの配置状況を示す図、図２はその異状検知センサを有する磁気浮上式鉄道用地上コイルの平面図であり、図２（ａ）はその表面図、図２（ｂ）はその裏面図である。図３はその異状検知センサを有する磁気浮上式鉄道用地上コイルのコイル表面保護層の断面図（横断面図）、図４はその異状検知センサからのデータの流れの説明図であり、図４（ａ）は異状検知センサからのデータがデータ収録ポストへ収録される様子を示す図、図４（ｂ）はデータ収録ポストから検測車８へのデータの流れを示す図、図５は本発明にかかる磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状検知フローチャートである。

これまでの磁気浮上式鉄道用地上コイルに関する各種試験から、不具合発生前の兆候として、樹脂の歪み増大、振動増加、温度上昇等が発見されている。そこで、磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状検知センサとして、各種センサと情報処理部を一つのチップに集積した小型センサを、磁気浮上式鉄道用地上コイルの成形時に内蔵することにより、コイル自身が発する、樹脂の歪み、振動加速度、温度などの多種多様な情報を外部から収集可能にした。

図１及び２において、１は磁気浮上式鉄道の軌道、２はこの軌道１の側壁、３は磁気浮上式鉄道用地上コイル、４はその磁気浮上式鉄道用地上コイル３の成形時に内蔵される異状検知センサである。ここで、異状検知センサ４は、図２に示すように、地上コイル３の上段締結部３Ｂの近傍に配置することが望ましい。
その異状検知センサ４は、図４（ａ）に示すように、センサ部４Ａと、このセンサ部４Ａからの信号を受けて信号を処理する信号処理部４Ｂと、情報を記憶するメモリ部４Ｅと、信号処理部４Ｂからの信号を受けて外部へ送信する信号送信部４Ｃと、これらに電力を供給する電源部４Ｄからなる。センサ部４Ａには、地上コイルの歪みセンサ４Ａ−１、振動加速度センサ４Ａ−２、温度センサ４Ａ−３などが配置される。

また、異状検知センサ４は、図３に示すように、地上コイルのコイル表面保護層６に実装する。つまり、このコイル表面保護層６は、ＦＲＰ板６Ａ、ガラスマット６Ｂ、ガラスクロス６Ｃ、及び導電性塗膜６Ｄ，６Ｅからなり、異状検知センサ４はガラスマット６Ｂ内に実装される。
センサ部４Ａには各種センサが配置されるが、樹脂の歪みに対しては、歪みセンサや圧電式センサ、光ファイバなどを用い、車両通過時の電磁力に基づく歪みを検知することができる。また、発熱に関しては、異常電流、巻線コイルの層間短絡やコネクタ部の接触抵抗増大などによる異常発熱を検出するため、温度センサや臭いセンサを用いる。振動に関しては、局部破壊や締結部の緩みに起因する異常振動、衝突検知をするため、振動加速度センサを用いることができる。また、それら以外にも、環境による劣化に関しては、紫外線、吸水による樹脂劣化があり、色センサを用いることができる。

ここで、図４に示すように、電源部４Ｄは、磁気浮上式鉄道車両走行時のセクション内通電により推進コイルに生ずる交流磁場を利用し、電磁誘導発電装置５で電力を生成し、その電力を蓄積可能な蓄電部（電気二重層キャパシタ）５Ａに蓄える。その電力を異状検知センサ４による地上コイル３の異状の検出のために用いる。ここで、異状検知センサ４は、地上コイル３の上段締結部３Ｂの近傍や地上コイル３の下部の端子部３Ａに配置することが望ましい。

以下、その磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状の検出方法を図５のフローチャートを参照しながら説明する。
（１）車両走行時のセクション内通電により、推進コイルに交流磁場を発生させる。（ステップＳ１）。
（２）すると、電磁誘導作用により異状検知センサ４の電源部４Ｄに電力が発生する（ステップＳ２）。

（３）車両通過時の各種センサからの信号を信号処理部４Ｂで変換し、ピーク値をメモリ部４Ｅに転送する。その際、基準値以下であるかどうかの自動判定を行う。なお、状態監視期間内の走行によりピーク値が更新された場合は、更新データ及び判定結果をメモリ部４Ｅに保存する（ステップＳ３）。
（４）メモリ部４Ｅに保存されたデータを、一定間隔（例えば、ガイドウェイの桁ピッチ）毎に設置されたデータ受信部７Ａ、データメモリ部７Ｂ及びデータ送信部７Ｃを備えたデータ収録ポスト７に、信号処理部４Ｂを介して信号送信部４Ｃより定期的に送信する（ステップＳ４）。

（５）夜間等の車両走行休止の時間帯にデータ読取・判定装置９を搭載した検測車８を走行させ、データ収録ポスト７からの発信データを読み取る。このように、データ収録ポスト７を介して、検測車８のデータ読取・判定装置９により、地上コイル毎の識別番号と異状検知センサ４のピーク値を自動収録する（ステップＳ５）。
（６）検測車８のデータ読取・判定装置９に収録されたデータは瞬時に自動判定され、地上コイルの異状の有無、異状項目、所見等の表示がされる（ステップＳ６）。

収集されたデータは、各地上コイルのセンサ部の識別記号（ＩＤコード）毎に管理される。
このように構成することにより、これまで作業者が徒歩による目視点検で判別していたコイル異状の有無を、磁気浮上式鉄道用地上コイル自らに備えた異状検知センサからの異常信号を無線で送信し、この送信信号を検測車のデータ読取・収録装置で収集して、各地上コイル毎に管理する。

したがって、地上コイルの保守管理に要する時間を大幅に短縮することができるばかりでなく、作業者による技量の差や見落としがなくなり、飛躍的な信頼性改善を図ることが可能となる。
次に、磁気浮上式車両の通過に伴う非接触による発電装置と、それによる充電に基づいた磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置の構築について説明する。

〔Ａ〕まず、ＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置について説明する。
図６は本発明の第１実施例を示すＬＳＭ電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置を有する地上コイルの斜視図、図７はその地上コイルの断面図、図８はその電磁誘導発電装置の変動磁場による電磁誘導発電フローチャートである。

これらの図において、１１は磁気浮上式鉄道用地上コイル、１２は地上コイルの下部の端子部、１３は地上コイル１１の締結部、１４は発電用コイル、１５は発電用コイル１４の埋め込み箇所、１６は地上コイル内のコイルである。
そこで、発電フローチャートについて説明すると、
（１）まず、ＬＳＭ電流が通電される（ステップＳ１１）。

（２）地上コイル１１に交流磁場が発生する（ステップＳ１２）。
（３）発電用コイル１４に電圧が発生する（ステップＳ１３）。
（４）発電用コイル１４に発生した電圧を整流し、蓄電部に蓄電する（ステップＳ１４）。
図９は本発明の第１実施例を示すＬＳＭ電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置の充電特性図、図１０はその電磁誘導発電装置の放電特性図を示している。

ここで、地上コイルの通電条件はＬＳＭ電流（定格推進電流）の１／２とし、５分間隔で１０秒間の間欠通電とした。今回の試作機では、蓄電部（電気二重層キャパシタ）の容量を０．４７Ｆ×４個（２直列×２並列）とした。図９において、横軸は経過時間（分）、縦軸は充電電圧（Ｖ）を示している。なお、ａは下部コイル電流、ｂは上部コイル電流、ｃは充電電圧を示している。

また、図１０には、放電特性試験結果が示されている。なお、この図において、横軸は経過時間（秒）、縦軸は電圧（Ｖ）、ｄは放電電圧、ｅは出力電圧を示している。
上記のような条件の試作機を用いて測定を行った結果、本発明のＬＳＭ電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置では、蓄電部（電気二重層キャパシタ）の容量として容量組み合わせ０．４７Ｆ×４個にて充電電圧を１０Ｖとした場合、３．３Ｖ×２５０ｍＡの電力を１０．４秒間供給できることを確認した。

〔Ｂ〕次に、磁気浮上式鉄道車両に搭載される超電導磁石との電磁力を利用した振動発電装置について説明する。
図１１は本発明の第２実施例を示す超電導磁石との電磁力を利用した振動発電装置を有する地上コイルの断面図、図１２はその振動発電装置の超電導磁石との電磁力による振動発電フローチャートである。

図１１において、磁気浮上式鉄道用地上コイル２１内に第１の圧電素子２２を配置するとともに、下部コイル２３の裏面に第２の圧電素子２４を、地上コイル２１の底部に第３の圧電素子２５を配置する。ただし、これらの圧電素子２２，２４，２５の配置はこれに限定されるものではなく、何れの箇所に配置してもよい。なお、図１１において、矢印は電磁力の方向を示している。

そこで、発電フローチャートについて説明すると、
（１）まず、磁気浮上式鉄道車両が走行することにより、車両に搭載される超電導磁石が通過する（ステップＳ２１）。
（２）地上コイル２１に電磁力が発生する（ステップＳ２２）。
（３）圧電素子２２，２４，２５に電圧が発生する（ステップＳ２３）。

（４）圧電素子２２，２４，２５からの電流を整流し、蓄電部に蓄電する（ステップＳ２４）。
また、磁気浮上式鉄道車両の通過時の列車風に基づく圧力変動を利用し、図１１に示す第２の圧電素子２４と第３の圧電素子２５とを利用して振動発電を行わせることができる。

〔Ｃ〕次に、ＬＳＭ電流による変動磁場を利用した振動発電装置について説明する。
図１３は本発明の第３実施例を示すＬＳＭ電流による変動磁場を利用した振動発電装置を有する地上コイルの斜視図、図１４はその地上コイルの断面図、図１５はその振動発電装置の発電用振動素子の構成図、図１６はその振動発電装置の変動磁場による振動発電フローチャートである。

図１３，図１４に示すように、磁気浮上式鉄道用地上コイル３１に発電用振動素子３２を埋め込む。その発電用振動素子３２の埋め込み箇所３３は上部コイル３４の近くに配置される。
また、図１５に示すように、発電用振動素子３２は、中央に永久磁石３２Ａがあり、その永久磁石３２Ａの両側に圧電素子３２Ｂと３２Ｃが配置されている。

そこで、発電フローチャートについて説明すると、
（１）まず、ＬＳＭ電流が通電される（ステップＳ３１）。
（２）地上コイル３１に交流磁場が発生する（ステップＳ３２）。
（３）発電用振動素子３２に電圧が発生する（ステップＳ３３）。
（４）発電用振動素子３２からの電流を整流し、蓄電部に蓄電する（ステップＳ３４）。

図１７は本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その１）を示す図である。
この図において、４１は固定端、４２は圧電素子、４３は半固定端、４４，４５は永久磁石である。
図１８は本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その２）を示す図、図１９はその振動発電装置の側面図、図２０はその振動発電装置の正面図である。

これらの図において、５１は固定端、５２は圧電素子、５３，５４は圧電素子５２を挟むように配置される複数の永久磁石である。
図２１は本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その３）を示す図である。
この図において、６１は固定端、６２は圧電素子、６３，６４は圧電素子６２を挟むように配置される複数の導電材料である。

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。

本発明の磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置は、車両の通過時の非接触発電（電磁誘導発電又は振動発電）により電源装置を充電することにより、省エネルギー化を図ることができる。

本発明にかかる磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状検知センサの配置状況を示す図である。 本発明にかかる異状検知センサを有する磁気浮上式鉄道用地上コイルの平面図である。 本発明にかかる異状検知センサを有する地上コイルのコイル表面保護層の断面図（横断面図）である。 本発明にかかる磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状検知センサからのデータの流れの説明図である。 本発明にかかる磁気浮上式鉄道用地上コイルの異状検知フローチャートである。 本発明の第１実施例を示すＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置を有する地上コイルの斜視図である。 本発明の第１実施例を示すＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置を有する地上コイルの断面図である。 本発明の第１実施例を示す電磁誘導発電装置の変動磁場による電磁誘導発電フローチャートである。 本発明の第１実施例を示すＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した電磁誘導発電装置の充電特性図である。 本発明の第１実施例を示す電磁誘導発電装置の放電特性図である。 本発明の第２実施例を示す超電導磁石との電磁力を利用した振動発電装置を有する地上コイルの断面図である。 本発明の第２実施例を示す振動発電装置の超電導磁石との電磁力による振動発電フローチャートである。 本発明の第３実施例を示すＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した振動発電装置を有する地上コイルの斜視図である。 本発明の第３実施例を示すＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した振動発電装置を有する地上コイルの断面図である。 本発明の第３実施例を示すＬＳＭ（リニア・シンクロナス・モータ）電流による変動磁場を利用した振動発電装置の発電用振動素子の構成図である。 本発明の第３実施例を示す振動発電装置の変動磁場による振動発電フローチャートである。 本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その１）を示す図である。 本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その２）を示す図である。 本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その２）の側面図である。 本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その２）の正面図である。 本発明の変動磁場を利用した振動発電装置（その３）を示す図である。

１ 磁気浮上式鉄道の軌道
２ 軌道の側壁
３，１１，２１，３１ 磁気浮上式鉄道用地上コイル
３Ａ，１２ 地上コイルの下部の端子部
３Ｂ 地上コイルの上段締結部
４ 異状検知センサ
４Ａ センサ部
４Ａ−１ 地上コイルの歪みセンサ
４Ａ−２ 振動加速度センサ
４Ａ−３ 温度センサ
４Ｂ 信号処理部
４Ｃ 信号送信部
４Ｄ 電源部
４Ｅ メモリ部
５ 電磁誘導発電装置
５Ａ 蓄電部（電気二重層キャパシタ）
６ コイル表面保護層
６Ａ ＦＲＰ板
６Ｂ ガラスマット
６Ｃ ガラスクロス
６Ｄ，６Ｅ 導電性塗膜
７ データ収録ポスト
７Ａ データ受信部
７Ｂ データメモリ部
７Ｃ データ送信部
８ 検測車
９ データ読取・判定装置
１３ 地上コイルの締結部
１４ 発電用コイル
１５ 発電用コイルの埋め込み箇所
１６ 地上コイル内のコイル
２２ 第１の圧電素子
２３ 下部コイル
２４ 第２の圧電素子
２５ 第３の圧電素子
３２ 発電用振動素子
３２Ａ，４４，４５，５３，５４ 永久磁石
３２Ｂ，３２Ｃ，４２，５２，６２ 圧電素子
３３ 発電用振動素子の埋め込み箇所
３４ 上部コイル
４１，５１，６１ 固定端
４３ 半固定端
６３，６４ 導電材料

Claims (3)

1. 地上コイルの歪み、振動加速度、及び温度を検知するセンサ部からなる異状検知センサと、該異状検知センサからの信号を処理する信号処理部と、該信号処理部からの情報を記憶するメモリ部と、前記信号処理部からの情報を送信する信号送信部と、磁気浮上式車両の通過に伴い、非接触により発電を行う発電装置及び蓄電部とを具備し、前記異状検知センサは、地上コイルのコイル保護層のガラスマット内に実装され、前記発電装置及び蓄電部によって前記異状検知センサに給電するとともに、前記発電装置が、前記地上コイルに配置される電磁誘導発電装置であることを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置。
2. 地上コイルの歪み、振動加速度、及び温度を検知するセンサ部からなる異状検知センサと、該異状検知センサからの信号を処理する信号処理部と、該信号処理部からの情報を記憶するメモリ部と、前記信号処理部からの情報を送信する信号送信部と、磁気浮上式車両の通過に伴い、非接触により発電を行う発電装置及び蓄電部とを具備し、前記異状検知センサは、地上コイルのコイル保護層のガラスマット内に実装され、前記発電装置及び蓄電部によって前記異状検知センサに給電するとともに、前記発電装置が、前記地上コイルに配置される振動発電装置であり、該振動発電装置が前記磁気浮上式車両の超電導磁石による電磁力を利用することを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置。
3. 請求項２記載の磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置において、前記振動発電装置が前記地上コイルの推進電流に基づく変動磁場を利用することを特徴とする磁気浮上式鉄道の地上コイル異状検知センサ用電源装置。