JP5425449B2 - Non-contact power supply system for rail vehicles - Google Patents

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JP5425449B2 JP2008302386A JP2008302386A JP5425449B2 JP 5425449 B2 JP5425449 B2 JP 5425449B2 JP 2008302386 A JP2008302386 A JP 2008302386A JP 2008302386 A JP2008302386 A JP 2008302386A JP 5425449 B2 JP5425449 B2 JP 5425449B2
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均 長谷川
隆行 柏木
泰明 坂本
卓 笹川
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公益財団法人鉄道総合技術研究所
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本発明は、鉄道車両用非接触給電システムに係り、特に、鉄道レール側に給電コイルを配置し、鉄道車両側の集電コイルにより集電する鉄道車両用非接触給電システムに関するものである。 The present invention relates to a contactless power supply system for railway vehicles, in particular, the power supply coil is arranged on the railway rail side, to a contactless power supply system for rail vehicles for collector by railcar side of the collector coil.

近年、感電の心配や摩耗がなく、移動体や回転体にエネルギー供給の可能な非接触集電技術を用いた電池バスや工場内搬送装置の実用化が進んでいる(下記非特許文献1,2,3参照)。 Recently, there is no electrical shock worries and wear, practical use of cell buses and plant carrying device using a non-contact current collecting technique capable of energy supply to the mobile and the rotating body is advanced (Non-Patent Document 1, see 2, 3). これらの背景には、地球温暖化に対する省エネルギー効果、安全性、保守性への期待がある。 These background, energy-saving effect on global warming, safety, there is an expectation of maintainability.
一方、最近の半導体の高速スイッチングにみられるようなパワーエレクトロニクスの発達、電磁界解析技術の高度化、磁性材料の進歩など、非接触集電技術に欠かせない要素も発達してきている。 On the other hand, the recent semiconductor development of power electronics, such as seen in a high speed switching, the sophistication of the electromagnetic field analysis techniques, such as advancement of a magnetic material, and elements that are essential to the non-contact collector technology has developed.

非接触給電システムを原理的に分類すると、 When the non-contact power supply system is theoretically classification,
(a)電磁誘導を用いたリニア変圧器方式(b)走行体の運動エネルギーを用いたリニア発電機方式(c)電磁波を用いたマイクロ波方式(d)その他(下記非特許文献4参照) (A) a linear transformer method using electromagnetic induction (b) linear generator system using the kinetic energy of the traveling body (c) the microwave system using electromagnetic waves (d) Others (see Non-Patent Document 4)
に分けることができる。 It can be divided into.

上述の電池バスや搬送装置では、(a)方式すなわちリニア変圧器方式が採用されている。 In the above-described cell buses and conveyors, it is adopted (a) Method i.e. linear transformer system. これは、(b)方式は磁気浮上式車両のような地上1次システムでしか実現できない(下記非特許文献5参照)ことや、(c)方式はエネルギー密度が極端に小さい等の理由からと考えられる。 This, (b) method on the ground can not be realized only with the primary system (see Non-Patent Document 5) or such as a magnetic levitation vehicle, and for reasons such as (c) scheme energy density is extremely small Conceivable.
もっとも、(a)のリニア変圧器方式も高周波電流を使用するため渦電流損が大きい、ギャップ変動の影響が大きい等の克服しなければならない問題もある。 However, there is also a linear transformer method also large eddy current loss for using high frequency current, must overcome the high impact such gap change issues (a).

ところで、鉄道車両の非接触給電システムとして、リニア変圧器による給電(集電)方式を適用することが考えられている(下記非特許文献6〜8参照)。 Meanwhile, as the non-contact power supply system of the rail vehicle, (see Non-Patent Document 6-8) to feed (collector) it is considered to apply a method using linear transformer. この場合、運転時のエネルギー供給の他、デッドセクションや保守基地での電力供給などへの利用が考えられる。 In this case, other energy supply during operation are conceivable application to such power supply dead section and maintenance base. しかしながら、在来鉄道では、互換性や相互乗り入れが重要視されるため、現状の設備や車両を大幅に変更することは難しい。 However, in the conventional railroad, for compatibility and mutual entry it is important, it is difficult to greatly change the current equipment and the vehicle. このため、現在の車両限界や建築限界内に給電コイル等を配置しなければならない。 Therefore, it is necessary to arrange a feed coil and the like to the current vehicle gauge and architectural within limits.

上記したように、鉄道では従来との互換性や相互乗り入れが重視されるため、現状の設備や車両を大きく変更して非接触給電を行うことは難しい。 As described above, because the railway compatibility and mutual entry is emphasized with conventional, it is difficult to perform non-contact power supply by changing increase the current equipment and the vehicle.
また、リニア変圧器方式の非接触型給電システムを鉄道車両に適用する場合、金属である鉄道レールへの渦電流による発熱が問題となる。 Also, when applying the non-contact power supply system of the linear transformer method railcars, heat generation due to eddy currents in the railway rail is metal becomes a problem. そのため、鉄道レールを有する鉄道車両への非接触型給電システムへの適用は、いまだになされていないのが現状である。 Therefore, application to non-contact power supply system of the railway vehicle having a railway rail, at present, not been made yet.

本発明は、上記状況に鑑みて、地上の鉄道レール側に給電コイル、車上側に集電コイルを設置するという簡単な構成により従来の地上に鉄道レールを有する鉄道の設備を変えずに非接触給電を行い、しかも鉄道レールの発熱量を低減できる鉄道車両への非接触給電システムを提供することを目的とする。 The present invention is, in view of the above circumstances, the non-contact without changing ground railway rail side to the feeding coil, a railway installation with a railroad rail to conventional land with a simple configuration of installing the current collecting coil car upper It performs power feeding, yet an object to provide a non-contact Sawakyu collector system to a railway vehicle capable of reducing the heating value of the railway rails.

本発明は、上記目的を達成するために、 The present invention, in order to achieve the above object,
〔1〕軌道上に敷設される鉄道レール間に配置される8の字コイルからなる給電コイルと、この給電コイルに給電する高周波電源と、前記鉄道レールを走行する車両の底部に配置され、走行時に前記給電コイルに対向するように配置される8の字コイルからなる集電コイルと、この集電コイルに接続されるコンバータと、このコンバータに接続されるリチウムイオン蓄電池とを備え、前記給電コイルに対する前記集電コイルの相対的移動による前記集電コイルからの出力を前記リチウムイオン蓄電池に充電するようにした鉄道車両用非接触給電システムであって、前記給電コイルの背面には絶縁支持板を、前記集電コイルの背面と前記車両の底部間には背面磁性体板を配置し、前記鉄道レールの発熱量を低減できるように構成したことを特徴 [1] A feeding coil made of 8-shaped coils disposed between the railway rails to be laid on the track, a high frequency power supply for supplying power to the feeding coil, located at the bottom of the vehicle traveling the railway rails, running comprising a current collector coil at consists 8-shaped coils arranged so as to face the feeding coil, a converter connected to the collector coil and a lithium ion battery which is connected to the converter, the feed coil the output from the collector coil due to the relative movement of the collector coil a railway contactless power supply system for a vehicle so as to charge the lithium ion蓄 batteries for the insulating support plate on the back of the feeding coil and characterized in that the inter bottom of the the back of the collector coil vehicle arranged rear magnetic plate, and configured to reduce the heating value of the railway rail する。 To.

〕上記〔1〕記載の鉄道車両用非接触給電システムにおいて、前記高周波電源は20kHzオーダーの高周波電源であることを特徴とする。 [2] In [1] non-contact power supply system for a railway vehicle, wherein the high frequency power source is characterized by a high frequency power source 20kHz order.

本発明によれば、地上側の鉄道レール間に給電コイル、車上側に集電コイルを設置する簡単な構成により、従来の鉄道レールを有する鉄道の設備を変えずに非接触給電を行い、しかも鉄道レールの発熱量を低減できる鉄道車両用非接触型給電システムを構築することができる。 According to the present invention, the feeding coil between the ground side of the railroad rail, with a simple configuration of installing the current collecting coil car upward, performs non-contact power supply without changing the railway equipment with conventional railway rail, moreover it is possible to construct a non-contact power supply system for a railway vehicle capable of reducing the heating value of the railroad rail.

本発明の鉄道車両用非接触給電システムは、軌道上に敷設される鉄道レール間に配置される8の字コイルからなる給電コイルと、この給電コイルに給電する高周波電源と、前記鉄道レールを走行する車両の底部に配置され、走行時に前記給電コイルに対向するように配置される8の字コイルからなる集電コイルと、この集電コイルに接続されるコンバータと、このコンバータに接続されるリチウムイオン蓄電池とを備え、前記給電コイルに対する前記集電コイルの相対的移動による前記集電コイルからの出力を前記リチウムイオン蓄電電池に充電するようにした鉄道車両用非接触給電システムであって、前記給電コイルの背面には絶縁支持板を、前記集電コイルの背面と前記車両の底部間には背面磁性体板を配置し、前記鉄道レールの発熱量 Railway contactless power supply system for a vehicle according to the present invention, the running and feeding coil consisting of 8-shaped coils disposed between the railway rails to be laid on the track, a high frequency power supply for supplying power to the feeding coil, the railway rail lithium is disposed at the bottom of the vehicle, a current collector coil made 8-shaped coils arranged so as to face the feeding coil at the time of traveling, a converter connected to the collector coil, which is connected to the converter a ion battery, a non-contact power supply system for a railway vehicle so as to charge the output from the collector coil due to the relative movement of the collector coil with respect to the feeding coil to the lithium ion electric storage batteries, the an insulating support plate on the back of the power supply coil, between the bottom of the the back of the collector coil vehicle arranged rear magnetic plate, the heating value of the railway rail 低減できるように構成した It was constructed so that it can be reduced.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 It will be described in detail embodiments of the present invention.
鉄道車両への非接触給電システムの適用としては次の2つの方式が想定される。 The following two methods are contemplated as application of the non-contact power supply system of the railway vehicle.
(i)レール方式:地上側に給電コイルまたはループを連続して設置し、常時車上に給電を行い走行する。 (I) the rail system: the feeding coil or loop on the ground continuously installed travels performs feed on at all times the car.
(ii) ステーション方式:駅や給電ポイントに給電コイルを設置し、蓄電池等に充電を行って走行する。 (Ii) the station method: set up a feeding coil to a station or feed point, travels to charge the storage batteries.

考え方としては、レール方式は非接触給電を使った電化であり、ステーション方式は、非電化区間の排ガスレス化と捉えられる。 The idea, the rail system is electrified using non-contact power feeding station system is regarded as the exhaust gas-less non-electrified section. 力行時の電力補助や回生電力吸収を考えると、レール方式・ステーション方式共に蓄電池等の車載は必須となる。 Given the power assist and regenerative power absorption at the time of power running, a vehicle-mounted battery, such as the rail system-station system both is essential.
図1は本発明の実施例を示す鉄道車両用非接触給電システムの模式図、図2はその側面図、図3はその要部断面図である。 Figure 1 is a schematic diagram of a contactless power supply system for a railway vehicle showing an embodiment of the present invention, FIG 2 is a side view thereof, and FIG. 3 is a fragmentary sectional view.

これらの図において、Aは軌道(地上配置)、1は高周波電源、2,2′は軌道Aに敷設される鉄道レール、3は鉄道レール2と2′間に配置される一回巻きの地上側の給電コイル(1次コイル:8の字コイル)、Bは地上側の給電コイル3の絶縁支持体、4は鉄道車両、5は鉄道車両4の車輪、6は鉄道車両4の底面に配置される車両側集電コイル(2次コイル:8の字コイル)、Cは車両側の集電コイル6の背面(車体底面と車両側の集電コイル6との間)に配置される背面磁性板(フェライト板)、7は車両側の集電コイル6に接続されるコンバータ、8はコンバータ7に接続されるリチウムイオン蓄電池である。 In these drawings, A is the track (ground arrangement), 1 high-frequency power supply, 2,2 single turn of the ground which is disposed between 'railway rails to be laid on the track A, 3 railway rails 2 and 2' side of the feeding coil (primary coil: 8-shaped coil), B is the ground-side insulating supports of the feeding coil 3, the railcar 4, 5 the wheels of railway vehicles 4, 6 are disposed on the bottom surface of the railway vehicle 4 vehicle-side collector coils (secondary coils: 8-shaped coil), rear magnetic C is disposed on the rear surface of the current collector coil 6 of the vehicle side (between the current collector coil 6 of a vehicle body bottom and the vehicle side) plate (ferrite plate), 7 converter connected to the current collector coil 6 of the vehicle side, and 8 is a lapis lithium ion electric storage batteries are connected to the converter 7.

なお、背面磁性板Cは鉄道車両4の底面に配置される種々の部材に対する磁気シールドとしてコイル回路を担保するために重要である。 Incidentally, the rear magnetic plate C is important in order to secure the coil circuit as a magnetic shield for the various members disposed on the bottom surface of the railway vehicle 4.
また、地上側の給電コイル3の絶縁支持体Bは軌道からの絶縁を確保するために重要である。 The insulating support B of the feeding coil 3 on the ground side is important in order to ensure insulation from the track.
これらの図に示すように、本発明では、レール方式の非接触給電システムとした。 As shown in these figures, in the present invention, and a non-contact power supply system of the rail system. 鉄道車両4は在来線狭軌の通勤近郊型電車を想定している。 Railway vehicle 4 is assumed to commuter suburban train conventional lines narrow gauge. この鉄道車両4の電源構成は、リチウムイオン蓄電池8を搭載した試験車両の仕様を参考とした。 Power structure of the railway vehicle 4, was the specification of the test vehicle equipped with a lithium-ion battery 8 as a reference. すなわち、レール方式の非接触給電システムにより常時給電された電力を、力行時にはリチウムイオン蓄電池8から補助し、減速時にはそのリチウムイオン蓄電池8に回生して走行する。 That is, the power supplied at all times by the non-contact power supply system of the rail system, and an auxiliary lithium ion battery 8 during power running, travels with regenerated to its lithium-ion battery 8 during deceleration.

非接触給電システムの諸元としては、機械的な部分は在来線の車両限界を基準に算定し、電気的な部分はドイツのトランスラピッドの給電装置を参考とした。 The specifications of the non-contact power supply system, mechanical parts calculated on the basis of the vehicle limits of conventional lines, electrical parts was referring to the power supply device Transrapid Germany.
表1に非接触給電システムの概念設計例を示す。 It shows a conceptual design example of the non-contact power supply system in Table 1.

より詳細に説明すると、列車は2車両を1セットとしている。 More particularly, the train has one set of two vehicles. 給電コイルの出力電力は20kW/1コイル、地上側の給電コイル3と車上側の集電コイル6との間の間隔は75mm、給電コイルへの印加周波数は20kHz、コイル幅は600mmである。 The output power of the feeding coil is the interval between the 20 kW / 1 coil, the ground side of the feeding coil 3 and car upper current collecting coil 6 75 mm, the applied frequency of the feeding coil is 20 kHz, the coil width is 600 mm. また、給電コイルの電流は200A, 巻回数は1回であり、一方、集電コイルの電流は60A、巻回数は20回である。 The current feeding coil 200A, the number of turns is one, while the current of the collector coil 60A, the number of turns is 20 times. なお、給電コイルへの印加周波数は、電波法に準拠して10kHz以下としても、出力は若干低減するが、システムとしては問題なく適用することができる。 Incidentally, the applied frequency of the feeding coil, even 10kHz or less in conformity with the Radio Law, the output is reduced slightly, it can be applied without problems as a system.

次に、問題となる鉄道レールの渦電流について説明する。 It will now be described eddy current railway rail in question.
ここでは、非線形動磁場解析の問題となる。 Here, a problem of non-linear dynamic magnetic field analysis. レール進行方向については一様で無限長と見てよいため、2次元にて近似可能である。 Since it sees a uniform infinite length for rail travel direction, it can be approximated by two-dimensional. さらに、枕木方向については、車両−地上間で相対運動はなく、運動非連成である。 Furthermore, for the sleepers direction, the vehicle - rather than relative motion between the earth, an exercise non coupled.
解析コードには、A−φ法を用いた有限要素法であるフォトン社のEddyを使用した(上記非特許文献11参照)。 The analysis code, using Photon's Eddy a finite element method using the A-phi method (see Non-Patent Document 11).

図4は本発明の比較例を示す鉄道車両用非接触給電システムの模式図、図5は給電コイル及び集電コイルが8の字コイルである場合の解析モデル、図6は給電コイル及び集電コイルが矩形コイルである場合の解析モデルである。 Figure 4 is a schematic diagram of a contactless power supply system for a railway vehicle showing a comparative example of the present invention, FIG 5 is an analysis model when the feeding coil and collector coils are shaped coil 8, 6 power supply coil and the current collector an analysis model when the coil is rectangular coil.
図4において、Aは軌道(地上配置)、11は高周波電源、12,12′は軌道Aに敷設される鉄道レール、13は鉄道レール12と12′間に配置される一回巻きの地上側の給電コイル(1次コイル:矩形コイル)、Bは地上側の給電コイル13の絶縁支持体、14は鉄道車両、15は鉄道車両14の車輪、16は鉄道車両14の底面に配置される車両側の集電コイル(2次コイル:矩形コイル)、Cは車両側の集電コイル16の背面(車体底面と車両側の集電コイル16との間)に配置される背面磁性板(フェライト板)、17は車両側の集電コイル16に接続されるコンバータ、18はコンバータ17に接続されるリチウムイオン蓄電池である。 In FIG 4, A is the track (ground arrangement), 11 high-frequency power source, 12 and 12 single turn of the ground side is disposed between 'railway rails to be laid on the track A, 13 A railway rail 12 12' feeding coil (primary coil: rectangular coil), B is an insulating support on the ground side of the power supply coil 13, the railway vehicle 14, 15 vehicle wheels of a rail vehicle 14, 16 which are disposed on the bottom surface of the railway vehicle 14 side of the collector coil (secondary coil: rectangular coil), C is a rear magnetic plate disposed on the back of the vehicle side of the collector coil 16 (between the collector coil 16 of the underbody and the vehicle side) (the ferrite plate ), 17 converter connected to the collector coil 16 of the vehicle 18 is azure lithium ion electric storage batteries are connected to the converter 17.

図5において、21は軌道の中心線、22は鉄道レール、23は給電コイル(1次コイル:8の字コイル)、24は背面磁性板(フェライト)、25は背面磁性板24に取付けられる集電コイル(2次コイル:8の字コイル)である。 5, 21 is the trajectory of the center line, 22 railway rail, the power supply coil 23 (primary coil: 8-shaped coil), 24 rear magnetic plate (ferrite), collecting 25 attached to the rear magnetic plate 24 electric coils: a (secondary coil 8 shaped coil).
図6において、31は軌道の中心線、32は鉄道レール、33は給電コイル(1次コイル:矩形コイル)、34は背面磁性板、35は背面磁性板34に取付けられる集電コイル(2次コイル:矩形コイル)である。 6, 31 is the trajectory of the center line, 32 railroad rail, 33 supply coil (primary coil: rectangular coil) 34 is a rear magnetic plate, 35 current collector coil (secondary attached to the rear magnetic plate 34 coil: a rectangular coil).

漏れ磁束の影響を検討するため、8の字コイル(Null−flux mode)(図5)と矩形コイル(Normal−flux mode)(図6)のモデルを作成した。 To study the influence of the leakage magnetic flux, we created a model of the 8-shaped coil (Null-flux mode) (FIG. 5) and a rectangular coil (Normal-flux mode) (Fig. 6). この解析では、x方向を枕木方向、y方向を天上方向、z方向をレール進行方向とした。 In this analysis, the x-direction sleeper direction, y-direction heavenly direction, the z direction as the rail travel direction.
モデルは対象性を考慮して、yz面に反対称境界条件(ベクトルポテンシャルの接線方向が0)、x,y方向の遠方に対称境界条件(ベクトルポテンシャルの法線方向が0)を指定した。 Model in consideration of symmetry, anti-symmetric boundary conditions yz plane (tangential vector potential is 0), x, (the normal direction of the vector potential 0) symmetric boundary conditions far in the y direction was specified.

扱う周波数が高いため、渦電流の流れる鉄道レール22,32の表面部分は、表皮厚以下になるように細かく要素分割を行った。 Because of the high frequency handle, the surface portion of the railway rail 22, 32 of the flow of the eddy currents, was finely divided into elements to be less than the thickness epidermis.
図7は解析のため非線形計算に使用したB−Hカーブを示す図であり、□は鉄、○はフェライトを示している。 Figure 7 is a diagram showing a B-H curve used in the non-linear calculation for analysis, □ iron, ○ denotes a ferrite.
以下解析結果を順を追って示す。 It shows step-by-step analysis results below. 解析結果の横軸は電流値であり、表1に示した定格電流を1とした。 The horizontal axis of the analysis result is the current value was set to 1 the rated current shown in Table 1. 鉄道レールへの電磁的な影響ということで、単位長さ当たりの発熱量を評価対象とした。 That the electromagnetic effects of the railway rails, and evaluated the amount of heat generated per unit length.

まず、線形解析にて近似可能であれば、計算時間を大幅に短縮できるため、非線形解析との比較を行った。 First, the approximation if at linear analysis, since the calculation time can be greatly shortened, and compared with the non-linear analysis.
図8は線形解析と非線形解析での計算結果を示す図である。 Figure 8 is a diagram showing a calculation result of the linear analysis and nonlinear analysis. ここで、□は線形解析、○は非線形解析を示している。 Here, □ the linear analysis, ○ represents the non-linear analysis.
図8を見ると、電流の大きな領域で線形解析と非線形解析との計算結果に大きな乖離が生じることがわかる。 Looking at Figure 8, it can be seen that a large discrepancy in the calculated results of the linear analysis and nonlinear analysis in large areas of current. また、鉄道レール、背面磁性板ともに定格値付近でも飽和領域に達しており、非線形解析が必要であることがわかった。 Further, railroad rails, and also reached saturation region near the rated value of both the rear magnetic plate, it was found that it is necessary nonlinear analysis.

図9は給電コイル及び集電コイルが8の字コイルの場合の定格電流時の磁束密度分布を示す図、図10は給電コイル及び集電コイルが矩形コイルの場合の定格電流時の磁束密度分布を示す図である。 Figure 9 is a diagram showing a magnetic flux density distribution at rated current in the case of shaped coils of the feeding coil and collector coils 8, 10 are magnetic flux density distribution at rated current in the case of the feeding coil and collector coils rectangular coil is a diagram illustrating a.
図9においては、集電(2次)コイル25の背面磁性板24と、鉄道レール22の表面に磁束が集中している様子がわかる。 In Figure 9, the rear magnetic plate 24 of the current collector (secondary) coil 25, it can be seen that the magnetic flux on the surface of the railway rails 22 are concentrated. 表面の渦電流により磁界が遮蔽されて、鉄道レール22内部には磁束が侵入していないことも読み取れる。 Magnetic field is shielded by the eddy current in the surface, also read the magnetic flux does not penetrate inside the railway rail 22.

一般的に、図4に示した矩形コイル同士よりも、図1に示した8の字コイル同士の方が周囲への漏れ磁束が小さい構成が可能である。 In general, than the rectangular coils each other as shown in FIG. 4, towards the 8-shaped coils each other as shown in FIG. 1 can be configured leakage flux to the surroundings it is small. そのため、鉄道車両への非接触給電システムにおいて、8の字コイルの方が過電流を低減し、鉄道レールの発熱を抑えることができる。 Therefore, in the contactless power supply system of the railway vehicle it can be found the following 8-shaped coil to reduce excessive current, suppress heat generation of the railroad rail.
そこで、鉄道レールの発熱を抑える試みとして、給電コイル及び集電コイルが矩形コイルと8の字コイルの場合の比較を行った。 Therefore, an attempt to suppress the heat generation of the railroad rail, the power supply coil and collector coils were compared in the case of shaped coils of rectangular coils and 8.

図11は矩形コイルと8の字コイルの場合の数値解析の結果を示す図であり、横軸に給電(1次)コイル電流(規格化)、縦軸に発熱量〔W/m〕が示され、また、◇は矩形コイル、○は8の字コイルの結果を示している。 Figure 11 is a graph showing the results of numerical analysis in case of shaped coils of rectangular coils and 8, the feed to the horizontal axis (primary) coil current (normalized), the heating value on the vertical axis [W / m] is shown are, also, ◇ rectangular coils, ○ shows the results of the 8-shaped coil.
8の字コイルの方が鉄道レールの発熱量は小さかった。 Towards the 8-shaped coil calorific railway rail it was small. 現状の車両限界や建築限界を想定すると、8の字コイルにより鉄道レールへの影響をより小さく抑えることができる。 Assuming a vehicle gauge and architectural limitations of current can be further reduced influence of the railway rail by 8-shaped coil.

図12は給電(1次)コイル電流のみ、集電(2次)コイル電流のみ通電した場合の解析結果を示す図である。 Figure 12 is feed (primary) coil current only, a diagram showing an analysis result in the case of energizing only collector (secondary) coil current. ここで、◇は集電(2次)コイル電流、○は給電(1次)コイル電流を示している。 Here, ◇ the collector (secondary) coil currents, ○ denotes a feed (primary) coil current.
給電(1次)コイルの方が、幾何学的には鉄道レールに近接しているため、鉄道レールに与える影響が大きいと考えられた。 Feed (primary) direction of the coil, the geometry because of the proximity to the railway rail, was considered to influence the railway rail is large. しかし、今回の諸元では、集電(2次)コイル電流のアンペアターンが大きいため、集電(2次)コイル電流の影響が大きいことがわかった。 However, at this time of specifications, for ampere-turns of the current collector (secondary) coil current is large, it was found that the impact of the current collector (secondary) coil current is large. 発熱量で比較すると、電流値の自乗に比例するため、このような結果となったと考えられる。 Compared with heat value is proportional to the square of current value, is considered to have become such a result.

図13は鉄道レールの導電率を変化させた場合の解析結果を示す図である。 Figure 13 is a diagram showing an analysis result in the case of changing the conductivity of the railroad rail.
一般的な鉄の導電率である1×10 6 〜1×10 7 〔S/m〕の範囲内を解析したところ、1桁変化させても発熱量は4割程度の違いしか発生しなかった。 Were analyzed within the scope of a conductivity of typical iron 1 × 10 6 ~1 × 10 7 [S / m], the amount of heat generated by changing an order of magnitude were generated only difference of about 40% .
図14は給電(1次)コイル電流の位相と集電(2次)コイル電流の位相を変化させた場合の解析結果を示す図である。 Figure 14 is a diagram showing an analysis result in the case of changing the phase of the phase and the current collector (secondary) coil current of the power supply (primary) coil current.

給電(1次)コイル電流と集電(2次)コイル電流の位相差を変化させると劇的に変化するような点がある。 Feed is (primary) coil current and the collector (secondary) point that varies dramatically when changing the phase difference of the coil current. 一方、実際の非接触給電では共振現象を利用するため、大きな位相差変化はない。 On the other hand, the actual non-contact power supply that utilizes a resonance phenomenon, a large phase difference change is not. そのため、図14では位相差を5deg. Therefore, 5 deg phase difference in FIG. 14. 変化させた場合の結果のみを示した。 Results in case of changing shows only. この程度の範囲内では、大きな変化が見られないことがわかる。 Within this extent, it can be seen that the large change is not observed.
以上の解析結果から次のことがわかった。 Was found the following: From the above analysis results.

(1)数10kW級の電力を得るためには、電流値が大きくなるため、磁性体の飽和領域となり、非線形解析が必要となる。 (1) in order to obtain a power of several 10kW class, since the current value increases, becomes a saturation region of the magnetic body, it is necessary to nonlinear analysis.
(2)給電(1次)コイルの周波数が20kHzと高いため、漏れ磁束による渦電流は鉄道レール表面部に集中する。 (2) feeding (primary) for frequency coil is high and 20 kHz, the eddy current due to leakage flux is concentrated on the railway rail surface portion.
(3矩形コイルと8の字コイルでは、8の字コイルの方が鉄道レールへの影響は小さい。 (3 in the shape coil rectangular coil and 8, a small impact on the railway rail towards the 8-shaped coil.

(4) 集電(2次)コイルのアンペアターンが大きいため、鉄道レールへの影響は給電(1次)コイルより集電(2次)コイルの影響の方が大きい。 (4) collector (secondary) for ampere turns of the coil is large, the feeding effect on the railway rail (primary) current collector from the coil (secondary) is larger the influence of the coil.
(5)鉄道レールの導電率や給電(1次)コイルと集電(2次)コイルの電流の位相差の変化では、鉄道レールへの影響には大きな違いが見られなかった。 (5) In the change in the phase difference of the current of the conductivity of the railway rails or feeding (primary) coil and the collector (secondary) coil, significant difference was observed in the effect of the railway rails.
このように、本発明では、地上側に給電コイル、車上側に集電コイルを設置することにより、鉄道車両への非接触給電を行うようにした。 Thus, in the present invention, the feed coil on the ground, by placing a current collector coil car top and to perform non-contact power supply to the rail vehicle. このとき鉄道では従来車両や設備との互換性が重視されるため、土木設備の大幅な変更は考えられない。 At this time, since the compatibility with the conventional vehicles and equipment by rail is important, significant changes in the civil engineering equipment is not considered.

ここでは、その鉄道レールへの電磁的な影響を抑えるため、鉄道レールの発熱量を評価対象として、コイル構成や物性値等を変化させ、有限要素法による電磁場解析により計算を行った。 Here, the order to suppress electromagnetic impact of the railway rails, as the evaluation target heating value of railroad rails, by changing the coil structure and physical properties like were calculated by electromagnetic field analysis by the finite element method.
その結果、コイル構成を8の字形状にすることにより漏れ磁束による鉄道レール発熱が低減できることがわかった。 As a result, the railway rail heat generated by the leakage magnetic flux was found to be reduced by the shape of the coil construction 8.

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。 The present invention is not limited to the above embodiments, but various modifications are possible based on the spirit of the present invention and is not intended to exclude from the scope of the present invention.

本発明の鉄道車両用非接触給電システムは、従来の設備や車両を変更することなく適用できる鉄道車両用非接触給電システムとして利用することができる。 Non-contact power supply system for rail vehicles according to the present invention can be utilized as a contactless power supply system for railway vehicles that can be applied without changing the conventional equipment and vehicles.

本発明の実施例を示す鉄道車両用非接触給電システムの模式図である。 It is a schematic diagram of a contactless power supply system for a railway vehicle, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示す鉄道車両用非接触給電システムの側面図である。 Is a side view of a contactless power supply system for a railway vehicle, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示す鉄道車両用非接触給電システムの要部断面図である。 It is a fragmentary cross-sectional view of a non-contact power supply system for a railway vehicle, according to an embodiment of the present invention. 本発明の比較例を示す鉄道車両用非接触給電システムの模式図である。 It is a schematic diagram of a contactless power supply system for a railway vehicle showing a comparative example of the present invention. 給電コイル及び集電コイルが8の字コイルである場合の解析モデルである。 An analysis model for the feed coil and collector coils are shaped coil 8. 給電コイル及び集電コイルが矩形コイルである場合の解析モデルである。 An analysis model for the feed coil and collector coils is rectangular coil. 解析のためのB−Hカーブを示す図である。 It is a diagram illustrating a B-H curve for analysis. 線形解析と非線形解析での計算結果を示す図である。 It is a diagram showing a calculation result of the linear analysis and nonlinear analysis. 給電コイル及び集電コイルが8の字コイルの場合の定格電流時の磁束密度分布を示す図である。 Feeding coil and collector coils is a diagram showing a magnetic flux density distribution at rated current in the case of 8-shaped coil. 給電コイル及び集電コイルが矩形コイルの場合の定格電流時の磁束密度分布を示す図である。 Feeding coil and collector coils is a diagram showing a magnetic flux density distribution at rated current in the case of a rectangular coil. 矩形コイルと8の字コイルの場合の数値解析の結果を示す図である。 It shows the results of numerical analysis in case of shaped coils of rectangular coils and 8. 給電(1次)コイル電流のみ、集電(2次)コイル電流のみ通電した場合の解析結果を示す図である。 Feed (primary) coil current only, a diagram showing an analysis result in the case of energizing only collector (secondary) coil current. 鉄道レールの導電率を変化させた場合の解析結果を示す図である。 Is a diagram showing an analysis result in the case of changing the conductivity of the railroad rail. 給電(1次)コイル電流の位相と集電(2次)コイル電流の位相を変化させた場合の解析結果を示す図である。 It is a diagram showing an analysis result in the case of feeding the (primary) coil current phase and the current collector (secondary) of the coil current phase is varied.

A 軌道 1,11 高周波電源 2,2′,12,12′,22,32 鉄道レール B 絶縁支持体 3,23 給電コイル(1次コイル:8の字コイル) A trajectory 1,11 high frequency power supply 2, 2 ', 12, 12', 22, 32 railroad rail B insulating support 3, 23 supply coil (primary coil: 8-shaped coil)
C,24,34 背面磁性体板 4,14 鉄道車両 5,15 鉄道車両の車輪 6,25 集電コイル(2次コイル:8の字コイル) C, 24, 34 back magnetic plates 4 and 14 railcar 5,15 railway vehicle wheels 6,25 collecting coil (secondary coil: 8-shaped coil)
7,17 コンバータ 8,18 チウムイオン蓄電 7, 17 converter 8 and 18 lithium-ion energy storage battery
13,33 給電コイル(1次コイル:矩形コイル) 13, 33 feeding the coil (primary coil: rectangular coil)
16,35 集電コイル(2次コイル:矩形コイル) 16 and 35 collecting coil (secondary coil: rectangular coil)
21,31 軌道の中心線 21 and 31 orbit the center line of the

Claims (2)

  1. 軌道上に敷設される鉄道レール間に配置される8の字コイルからなる給電コイルと、該給電コイルに給電する高周波電源と、前記鉄道レールを走行する車両の底部に配置され、走行時に前記給電コイルに対向するように配置される8の字コイルからなる集電コイルと、該集電コイルに接続されるコンバータと、該コンバータに接続されるリチウムイオン蓄電池とを備え、前記給電コイルに対する前記集電コイルの相対的移動による前記集電コイルからの出力を前記リチウムイオン蓄電池に充電するようにした鉄道車両用非接触給電システムであって、前記給電コイルの背面には絶縁支持板を、前記集電コイルの背面と前記車両の底部間には背面磁性体板を配置し、前記鉄道レールの発熱量を低減できるように構成したことを特徴とする鉄道車 A feeding coil made of 8-shaped coils disposed between the railway rails to be laid on the track, a high frequency power supply for supplying power to the power feeding coil is arranged at the bottom of the vehicle traveling the railroad rail, the power supply during running comprising a current collector coil made 8-shaped coils arranged so as to face the coil, the converter connected to the current collector coil and a lithium ion battery which is connected to the converter, the current with respect to the feeding coil a the output from the collector coil due to the relative movement of the conductive coil non-contact power supply system for railway vehicles which is adapted to charge the lithium-ion蓄 batteries, the back of the feeding coil an insulating support plate, wherein railway vehicle, characterized in that the inter-bottom of the vehicle and back of the collector coil arranged rear magnetic plate, and configured to reduce the heating value of the railway rail 用非接触給電システム。 Non-contact power supply system use.
  2. 請求項1 載の鉄道車両用非接触給電システムにおいて、前記高周波電源は20kHzオーダーの高周波電源であることを特徴とする鉄道車両用非接触給電システム。 In claim 1 Symbol placement contactless power supply system for a railway vehicle, the non-contact power supply system for rail vehicles, wherein the high-frequency power supply is a high frequency power source 20kHz order.
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