JP5656831B2 - レールブレーキの監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による起動車両用のレールブレーキの監視方法に関する。

このような方法は特許文献１から公知である。

現代の軌道車両には通例、空気式ブレーキ装置に加えて磁気的レールブレーキが装備されており、この磁気的レールブレーキは渦電流ブレーキまたはマグネットレールブレーキとして構成されている。

長距離鉄道では「高式懸架」が通例であり、ブレーキ磁石がバネによってレール上に約１０ｍｍの所定の高さで保持されている。制動過程のためには、バネ力に空気操作シリンダによって打ち克ち、ブレーキ磁石が高位置からレールへの作動位置に引き下げられる。同時にブレーキが電気的にスイッチオンされる（非特許文献１参照）。

駆動車両では、高式懸架と低式懸架の組合せを設けることもできる。この場合、磁石は圧力シリンダまたは空気ベローズに懸架され、圧縮空気により高位置へ、台車固定の中央ストッパに押し付けられる。ブレーキ操作の際には、圧力シリンダまたは空気ベローズが排気され、このとき磁石が待機位置に降下される。例えば市街電車のような近距離交通車両では、低式懸架が通常である。一般的に磁気レールブレーキでは、ブレーキ磁石が制動位置にあるときにレールと摩擦接触する。

これに対して、いわゆるリニア渦電流ブレーキでは、ブレーキ磁石が制動位置でもレールに対して間隔を維持しており、電磁石コイルがポールコアを磁化する。これにより渦電流ブレーキがスイッチオンされると、渦電流ブレーキがレールに対して相対運動し、磁束の時間的変化に基づいて渦電流が走行レールに誘導され、これが渦電流ブレーキの磁界とは反対方向の二次磁界を形成する。そこから走行方向とは反対に作用する水平の制動力が生じる。しかしそのためには、レールとブレーキ磁石との間に磁気的結合が必要であり、この磁気的結合はブレーキ磁石とレールとの間の空隙に基本的に依存している。

したがって磁気ブレーキの両方の形式では、ブレーキ磁石とレールとの間に正しい間隔が存在することがブレーキの作用に重要である。

このため特許文献１は、ブレーキ磁石と走行レールとの間の間隔を監視する診断および監視装置を提案しており、この装置はブレーキ磁石とレール表面との間の空隙を測定する複数の間隔センサを使用する。これにより両方の形式のブレーキ磁石において、ブレーキ磁石が走行位置にあっても、制動位置にあっても、レールに対して正しい間隔を有しているか否かを連続的に検査することができる。

とりわけセンサには付加的コストがつきものであり、センサが故障または機能不全した場合にはエラーを識別することができず、または該当しないエラー信号を形成してしまうおそれがある。

特許文献２も、磁気ブレーキとレール上縁との間隔を測定するセンサの使用を提案しており、測定信号に依存して制御調整装置を制御し、アクチュエータによって磁気ブレーキとレール上縁との間隔が調整される。

ドイツ特許公開公報第１０１５５１４３号 ドイツ特許第１０００９３３１号公報

Wotfgang Hendrichs, "Das statische, dynamische und thermische Verhalten von Magnetschienenbremsen" Elektrische Bahnen eb. 86. Jahrgang, Heft 7/1988, S. 224-228

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のレールブレーキの作用監視を改善し、間隔センサを使用しなくてもレールブレーキの申し分のない機能を検査することができるようにすることである。

この課題は請求項１に示された特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態および改善形態は、従属請求項から知ることができる。

本発明は、磁気回路の変化によって生じる電流変化から、レールブレーキ／レールシステム現在の状態を一義的に推定することができるという基本思想に基づく。

ブレーキ磁石とレールとの間の磁気結合は磁気回路を形成し、磁石レールブレーキではブレーキ磁石とレールとの間隔に依存する。したがって磁気結合は、ブレーキ磁石の作用により流れる励磁電流に直接的にフィードバックされる。磁気レールブレーキの降下中に励磁電流がスイッチオンされる場合、磁気結合が形成されると直ちに励磁電流が有意に変化する。

このため本発明は、ブレーキ磁石のコイルを流れる電流を測定し、測定された電流の時間経過を記憶された基準電流の時間経過と比較することを提案する。そこから、ブレーキ磁石とレールとの間に磁気結合が生じているか否かを示す信号が得られ、これはレールブレーキの有効性または可用性と同義である。

同じようにこれは、励磁電流の時間経過がブレーキ磁石とレールとの間の磁気結合に依存する渦電流ブレーキに対しても当てはまる。

予想される電流経過（基準電流）を測定された電流経過と比較することにより、ブレーキ磁石とレールとの間の磁気結合の変化が識別される。

したがって付加的なセンサも、これまで使用されていた目視監視も必要ない。励磁電流の測定は付加的なセンサを必要とせず、制御装置に測定抵抗が必要なだけである。励磁電流の時間経過の評価と、予測される電流経過との比較は、ブレーキ制御装置においてマイクロプロセッサにより行うことができる。これによりレールブレーキの可用性またはそのブレーキ技術的な作用を確定することができる。

以下に本発明を、実施形態に基づき図面を参照して詳細に説明する。

磁気レールブレーキを制御するための制御装置の基本回路図である。 ブレーキ磁石とレールとの間で磁気結合が作用している場合と作用していない場合に対する励磁電流の時間経過を示す測定線図である。 励磁電流がクロック制御でスイッチオンされる場合の励磁電流の時間経過を示す線図である。 ブレーキ磁石とレールとの間で磁気結合が変化する場合と変化しない場合の励磁電流の時間経過を示す測定線図である。

図１は、図１の回路図にインダクタンスＬ１とＬ２として示されたブレーキ磁石を制御するための制御装置を示す。

制御装置１には、例えばバッテリー２のような搭載電源から電気エネルギーが供給される。電気エネルギーは、バッテリーの両極でヒューズ３、４により安全確保されている。

両方のインダクタンスＬ１とＬ２は電流回路にあり、マイクロプロセッサ６により制御される電力スイッチ５およびバッテリー２のバッテリー電圧と接続されている。両方のインダクタンスＬ１とＬ２はそれぞれ直列にシャント抵抗Ｒ１ないしはＲ２と接続されており、それらの電圧降下はインダクタンスＬ１またはＬ２を流れる電流に比例する。これらの電圧は、インダクタンスＬ１、Ｌ２とシャント抵抗Ｒ１、Ｒ２の間の共通の接続点で取り出され、測定増幅器７、８を介してマイクロプロセッサ６に伝達される。マイクロプロセッサ６は、導電絶縁部９によって回路の電力部から分離されている。

電力スイッチ５は、電力スイッチ５の温度を測定し、測定増幅器１４と１５および導電絶縁部９を介してマイクロプロセッサに通知する温度センサ１３を有する。

電力スイッチ５、インダクタンスＬ１、Ｌ２およびシャント抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる直列回路に並列に、シャント抵抗Ｒ３に配設されたフリーホイールダイオードＤ１ならびに測定増幅器１０が配置されており、測定増幅器１０は導電絶縁部９を介してダイオード監視信号をマイクロプロセッサ６に送信する。

バッテリー電圧（通常はプラス極）に接続された電力スイッチ５の極は別の測定増幅器１７と導電絶縁部９を介してマイクロプロセッサ６と接続されている。この経路を介してバッテリー電圧を測定し、監視することができる。

電力スイッチ５は２つの信号により切り替えられる。すなわちイネーブル信号と、電力スイッチ５をオンオフするための切替信号（オン／オフ）である。２つの信号は外部端子１１と１２を介して、有利には同様に導電絶縁部９を介して制御装置１に供給される。もちろんこれらの信号をマイクロプロセッサ６に供給し、マイクロプロセッサが出力端からこれらの信号を導電絶縁部９にさらに伝送することもできる。これら２つの信号はＡＮＤゲート１８で相互に結合され、電力スイッチを制御し、これによりブレーキ磁石に対するインダクタンスＬ１とL２のオンオフが制御される。

電力部（とりわけ電力スイッチ５）の導電絶縁側には、マイクロプロセッサ６の他に電源部１９も存在し、この電源部１９は測定増幅器および電力スイッチ５を制御するための制御電圧を供給する。前記の構成部材の電圧供給も電源部１９に対して導電絶縁されている。

インダクタンスＬ１とＬ２を流れる電流は連続的にシャント抵抗Ｒ１とＲ２により測定され、マイクロプロセッサ６に通知される。

フリーホイールダイオードＤ１の監視は、コンパレータとして構成された測定増幅器１０により行われ、測定増幅器１０はフリーホイールダイオードＤ１を流れる電流を、シャント抵抗Ｒ３での電圧降下として測定する。したがって測定増幅器１０はデジタル信号をマイクロプロセッサ６に送信する。

電力スイッチの温度は温度センサ１３により監視され、アナログ信号として測定増幅器１４と１５からマイクロプロセッサ６に通知される。同様にバッテリー電圧は測定増幅器１７により監視され、アナログ信号としてマイクロプロセッサ６に通知される。電力部に行き来するすべての信号および電力部のすべての供給電圧は、制御部（マイクロプロセッサ６および電源部１９）から導電絶縁されている。

ブレーキ磁石の温度は、定常状態でインダクタンスＬ１とＬ２を流れる電流を介して間接的に測定される。インダクタンスＬ１とＬ２のオーム抵抗は温度とともに有意に変化する。したがってその他の定常状態でのパラメータが既知であり、電流が０より大きく、時間導関数ｄｉ／ｄｔ＝０で一定であれば、電流ｉからブレーキ磁石の温度を推定することができ、これが評価の際に考慮される。

図２は、時間（ｔ）の関数としてインダクタンス（ブレーキ磁石）Ｌ１とＬ２を流れる電流（ｉ）の線図である。電流経過ｉ１は、ブレーキ磁石がレールと接触している場合を示し、電流経過ｉ２はブレーキ磁石がレールと接触していない場合を示す。両方の電流経過ｉ１とｉ２は、電流の上昇速度に関して有意に異なる。本発明の基本思想によれば、電流上昇速度が評価される。したがって電流をシャント抵抗Ｒ１とＲ２（図１）を介して測定することだけで、ブレーキがレールと接触しているか否かを識別することができる。

本発明の変形実施形態によれば、ブレーキ磁石がレールと接触したときの電流上昇の時間経過、図２の曲線ｉ２がマイクロプロセッサ６に「基準電流」として記憶される。基準電流のこの曲線ｉ２は、本発明の第１の変形実施形態によれば個々のレールブレーキについて個別に決定される。本発明の別の変形実施形態によれば、基準電流に対する曲線ｉ２を、純粋に計算的にまたは理論的に設定し、レールブレーキのそれぞれの形式または個別のレールブレーキに、適切な正規化係数により、または後で説明する閾値の選択により適合することができる。

マイクロプロセッサ６は、シャント抵抗Ｒ１、Ｒ２および測定増幅器７、８を介して通知された測定電流経過と、基準電流値の電流経過との差を連続的に形成し、この差を時間について積分する。この電流経過の差の積分値が所定の閾値を上回るとマイクロプロセッサ６は、ブレ機磁石とレールとが接触していないことを通報する。反対にこの積分値が所定の閾値より下にあれば、マイクロプロセッサは接触が存在しており、レールブレーキが使用可能であり、有効であることを通報する。しかし反対に、基準電流に対する曲線ｉ２が、使用されていないレールブレーキに関連することも可能であり、この場合は、前に説明した場合とは異なり反転ロジックにより動作する。

好ましくは前記差の積分が所定の時間インターバルで評価される。この時間インターバルは、インダクタンスＬ１とＬ２を通る電流が完全な飽和値または公称値に達する時間よりも短い。

図３に概略的に示された本発明の改善形態によれば、スイッチオン過程が複数のスイッチオンパルスＰ１からＰ４に分割される。すなわち図１の電力スイッチ５はクロック制御される。したがって順次連続する電流上昇と電流下降が、フェーズＰ４で完全な公称電流に達するまで行われる。前に説明した電流上昇速度の評価は、各フェーズＰ１からＰ４のそれぞれで実施され、この評価もフェーズＰ１、Ｐ２またはＰ３よりも短い時間インターバルで実施することができる。好ましくは評価は、各フェーズの開始時に行われる
図４は、インダクタンスＬ１とＬ２を流れる電流経過を、時間に関して示す。曲線ｉ４は、ブレーキ磁石とレールとの間で磁気結合の状態変化が生じない場合のスイッチオン電流の電流経過を示す。磁気結合が存在するかしないかによって、図２の曲線ｉ１とｉ２の傾斜が異なっている。スイッチオン過程中に、ブレーキ磁石とレールとの間の磁気結合の状態が変化すると、曲線ｉ４による電流経過は、局所的極値ｅ ｍｉｎとｅ ｍａｘの形成より有意な変化を示す。磁気結合が生じる時点（ｔ１）で、図１の等価回路においてインダクタンスＬ１とＬ２の値が変化し、これにより電流は局所的最大値（ｅ ｍａｘ）に達し、短時間で小さくなり、時点でｔ２で局所的最小値に達した後、再度、やや緩慢に上昇する。したがって有意な変化、とりわけ電流ｉ４の局所的極値ｅ ｍａｘとｅ ｍｉｎの極値を評価することにより、磁気結合の状態変化が決定される。例えば図４に示すように、インダクタンスＬ１とＬ２に対する励磁電流ｉ４が、ブレーキ磁石のレールの方向への機械的降下フェーズ中にすでにスイッチオンされると、ブレーキ磁石とレールとの空隙が減少し、所定の間隔から磁気結合が形成され、図４の曲線ｉ４による電流経過が測定される。

本発明の改善形態によれば、上記方法ステップによる評価は、局所的最小値ｅ ｍｉｎの発生後にそれぞれ新たに行われる。したがってこの時点から、記憶された目標曲線（基準電流）と測定された実際曲線との差を時間に関して積分することにより電流上昇速度が新たに評価される。ここでも評価は、所定の時間窓内で実施することができる。したがって正の電流上昇速度だけが比較される。

上記の積分閾値は、レールブレーキの形式に応じて調整することができる。

実際には測定された電流経過にはノイズ信号が重畳されているから、本発明の改善形態によれば、測定された電流経過の信号が、好ましくはローパスフィルタによりフィルタリングされる。このローパスフィルタのカットオフ周波数はレールブレーキの形式に依存する。カットオフ周波数は５０Ｈｚ以下のオーダーにある。

局所的極値の識別の確実性は、局所的極値の電流値の差積分が、記憶された基準電流の差積分の少なくとも３０％に相当することによって高められる。ここで両方の積分は同じ時間内で求められる。

ブレーキ磁石とレールとの間の磁気結合を識別するために、局所的極値の時間間隔（ｔ２−ｔ１）を求めることもでき、これが標準信号の時間間隔と比較される。したがって、局所的最大値ｅ ｍａｘから局所的最小値ｅ ｍｉｎへ電流が経過する間の時間差ｔ１−ｔ２が評価される。ここで好ましくは、局所的最大値ｅ ｍａｘと局所的最小値ｅ ｍｉｎの間の差ｄｅｌｔａ ｅが所定の限界値を越える電流経過だけが評価される。

ここでも測定された電流経過と、記憶された基準電流経過との差の積分を求めることができる。

実際電流経過の差の積分も、第１の極値（図４のｅ ｍａｘ）の時点から公称電流ｉ ｎｅｎｎに達するまでの外挿された曲線部分により形成される基準電流経過とすることができる。この場合も、レールブレーキ形式に依存して閾値を決定することができる。この閾値を上回って初めて、ブレーキ磁石とレールとの磁気結合が行われる。外挿された曲線部分による評価も時間窓に制限することができ、この場合もレールブレーキ形式に依存する閾値を上回らなければならない。

さらなる基準は、局所的最小値ｅ ｍｉｎの電流が時間窓ｔ２−ｘからｔ２＋ｘの間に、この時間窓の電流の平均値を下回ることとすることができる。時間ｘはレールブレーキの形式に依存し、１秒より小さいオーダーである。

さらなる基準を次のように決定することができる。すなわち測定された電流ｉ４と基準電流ｉ３との差Ｄｅｌｔａ ｉを連続的に形成するのである。これは図４の曲線Ｄｅｌｔａ ｉに示されている。Ｄｅｌｔａ ｉの経過から、Ｄｅｌｔａ ｉの最大値の時点ｔ３が求められ、これは時間窓ｔ２−ｘからｔ２＋ｘの間にあるかどうか検査する。時間窓内にあればこれは同様に、ブレーキ磁石とレールとの間で磁気結合が行われたことに対する基準である。図４の測定線図から、差の最大値ｍａｘ（Ｄｅｌｔａ ｉ）が時間領域ｔ１からｔ２の外になることもあることも分かる。したがって前記時間窓を、ｔ２の両側に置くのが好ましい。差の代わりに、差の積分とその最大値を求め、評価することもできる。

最後に、バッテリー電圧の変動、レールブレーキの磁気コイルおよび／または電力スイッチの温度の変化によるエラーを、基準電流の記憶された目標曲線をバッテリー電圧、レールブレーキの磁気コイルの温度および／または電力スイッチ５の温度を基準にして正規化することにより除去することができる。バッテリー電圧と電力スイッチ５の温度は、図１によれば、バッテリー電圧用の測定増幅器１７と、電力スイッチ用の測定増幅器１４、１５によって検出される。レールブレーキの磁気コイルの温度は、上に説明したようにインダクタンスＬ１とＬ２を通る定常電流の測定により求めることができる。定常電流は、電流が０より大きく、この電流の時間導関数ｄｉ／ｄｔが０であることにより定義される。

Claims (21)

1. ブレーキ磁石のコイルに電流が流れるレールブレーキの作用監視方法において、
   ・前記コイルを流れる電流（ｉ２、ｉ４）を測定し、
   ・測定電流の時間経過を、時間経過と共に変化する基準電流（ｉ１、ｉ３）の記憶された時間経過と比較する、ことを特徴とする方法。
2. 前記比較は、測定電流（ｉ２、ｉ４）と基準電流（ｉ１、ｉ３）との差を形成することにより行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記測定電流（ｉ２、ｉ４）と基準電流（ｉ１、ｉ３）との差は、時間について積分されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記比較は、レールブレーキのスイッチオン過程中に所定の時間インターバル内でだけ実施され、
   前記所定の時間インターバルは、電流のスイッチオンと公称電流に達するまでの時間より小さいことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. ブレーキ磁石のコイルに供給される電流は複数のパルス（Ｐ１−Ｐ４）で供給され、
   前記比較は、各パルス（Ｐ１−Ｐ４）において新たに実施されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 測定電流（ｉ４）の局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）および／または局所的最大値（ｅ ｍａｘ）が求められ、
   前記局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）に続いて上昇する、または、前記局所的最大値（ｅ ｍａｘ）に到達する前の上昇する測定電流（ｉ４）の時間経過だけが基準電流（ｉ３）と比較されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 測定電流（ｉ４）の、局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）に続く経過だけが基準電流（ｉ３）と比較されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 測定電流（ｉ４）の局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）と局所的最大値（ｅ ｍａｘ）を求める際に、測定電流（ｉ４）と基準電流（ｉ３）の変化速度の差を所定の時間の間、積分し、これを所定の閾値と比較することを特徴とする請求項６または７記載の方法。
9. 基準電流（ｉ１、ｉ３）の記憶された時間経過は、レールブレーキの形式に依存して決定されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記基準電流（ｉ１、ｉ３）の記憶された時間経過は、レールブレーキの形式に依存せずに決定され、
    測定電流の時間経過と基準電流の時間経過との比較が、少なくとも１つの閾値に依存して実施され、該閾値はレールブレーキの形式に依存して設定されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
11. 前記局所的最大値（ｅ ｍａｘ）発生と前記局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）の発生との時間間隔（ｔ１−ｔ２）を、基準信号の対応する値と比較することを特徴とする請求項６から８までのいずれか１項に記載の方法。
12. 測定電流（ｉ２、ｉ４）を、比較の前にローパスフィルタによりフィルタリングすることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. ローパスフィルタのカットオフ周波数は５０Ｈｚより低いことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記局所的最大値（ｅ ｍａｘ）と前記局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）の電流値の差を求め、所定の閾値と比較することを特徴とする請求項６から８までのいずれか１項に記載の方法。
15. 前記閾値は、基準電流の差の少なくとも３０％に相当することを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 測定電流（ｉ２、ｉ４）と、前記局所的最大値（ｅ ｍａｘ）の時点から公称電流（ｅ ｎｅｎｎ）に達するまでを外挿した曲線部分との差の積分を閾値と比較することを特徴とする請求項６から８までのいずれか１項に記載の方法。
17. 積分の差が所定の時間インターバル内で形成されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記所定の時間インターバルは、前記局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）の時間的に前（ｔ２−ｘ）と後（ｔ２＋ｘ）の範囲をカバーすることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記局所的最小値（ｅ ｍｉｎ）の時点（ｔ２）で測定された電流を、所定の時間インターバル内で測定された電流の平均値と比較することを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 実際電流（ｉ４）と基準電流（ｉ３）の差（Ｄｅｌｔａ ｉ）の最大値（ｍａｘ（Ｄｅｌｔａ ｉ））の発生時点が所定の時間インターバル（ｔ２−ｘからｔ２＋ｘ）内にあるかどうか検査する、ただしｘは１秒以下であることを特徴とする請求項６から１９までのいずれか１項に記載の方法。
21. 電流（ｉ４）の測定値および／または基準電流（ｉ３）の経過を、定常状態にあるときに測定された電流（ｉ４）の大きさに依存して正規化することを特徴とする請求項１から２０までのいずれか１項に記載の方法。

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