JP5781050B2 - 鉄道車両用駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両を走行させるための鉄道車両用駆動装置に関する。
既存の気動車の駆動装置には、ディーゼルエンジンの出力を変速機に入力し、推進軸(中間軸)を介して変速機の出力を終減速機に伝達し、車輪を駆動するものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−140311号公報(図4)
上記特許文献1に記載の駆動装置において、エンジン、変速機は車体下部に設けられ、終減速機は車体下部に設けられた台車に設けられ、推進軸が終減速機と変速機とを連結する。車体と台車との間には相対変位が生じるため、推進軸は、この相対変位を許容するために比較的長尺に構成される。推進軸を長尺にして車体と台車間の相対変位を吸収しても、変速機及び終減速機と推進軸との連結部には繰り返し負荷が生じるため、連結部が破損しやすくなる。この結果、車両故障が生じやすくなる。また、推進軸が長尺になって大型化すると、当該推進軸の配置に基づいて車両下部に設ける機器の配置が決まるため、機器の設置に自由度がなくなる。
そこで、本発明の目的は、車両故障を抑制するとともに機器配置の自由度を向上させることが可能な鉄道車両用駆動装置を提供することである。
本発明の鉄道車両用駆動装置は、鉄道車両に設けられ、当該鉄道車両を走行させるための鉄道車両用駆動装置において、エンジンと、液体を収容するタンクと、圧液が供給されることで前記鉄道車両の車輪を駆動する液圧モータと、前記エンジンの駆動力によって前記タンクからの液体に圧力を加えて前記液圧モータに供給する液圧ポンプと、圧液を蓄積、及び、蓄積した圧液を放出することが可能なアキュムレータと、前記タンク、前記液圧モータ、前記液圧ポンプ及び前記アキュムレータを接続する複数の流路と、前記液圧モータと前記アキュムレータとを接続する流路及び前記液圧モータと前記タンクとを接続する流路の途中部位に設けられ、前記アキュムレータに蓄積された圧液を前記液圧モータに供給可能であって前記液圧モータから送られてきた圧液を前記タンクに排出可能な第1状態、及び、前記液圧モータから送られてきた圧液を前記アキュムレータに供給可能であって前記タンクからの液体を前記液圧モータに供給可能な第2状態を選択的に取り得る切換機構と、前記エンジンの駆動力によって交流電力を発電する発電機と、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、前記インバータ装置によって変換された交流電力によって前記車輪を駆動する電動モータと、直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電装置と、前記鉄道車両を走行させる際に、前記エンジン、前記液圧ポンプ及び前記切換機構を制御し、且つ前記発電機、前記コンバータ装置、前記インバータ装置及び前記蓄電装置の少なくともいずれかを制御する制御装置とを備えている。そして、前記制御装置は、前記鉄道車両を力行させる際に前記第1状態を取るように前記切換機構を制御し、前記鉄道車両を制動させる際に前記第2状態を取るように前記切換機構を制御し、前記電動モータは、前記鉄道車両の車体を支持する複数の台車のうち、前記液圧モータが設けられた前記台車とは別の台車に設けられている。
これによると、液圧ポンプ及びアキュムレータの少なくともいずれかから供給された圧液によって液圧モータが鉄道車両の車輪を駆動する。このため、鉄道車両に長尺な推進軸を設ける必要がなくなり、車両故障を抑制することが可能になるとともに、鉄道車両における機器配置の自由度が向上する。さらに、鉄道車両を制動させる際に圧液をアキュムレータに蓄積し、当該アキュムレータに蓄積した圧液を液圧モータに供給することで車両を力行させることが可能となる。このため、回生エネルギーを有効利用することが可能となる。また、発電機で発電した電力及び蓄電装置に充電された電力で鉄道車両を力行させることが可能となり、電力系統及び液圧系統のいずれか一方が故障しても、他方の系統で鉄道車両を力行させることが可能となる。さらに、鉄道車両を制動させる際に、電動モータが発電した電力を充電し、当該蓄電装置に充電された電力で車両を力行させることが可能となる。このため、回生エネルギーを有効利用することが可能となる。また、鉄道車両の重量バランスがとれて、台車毎の車輪摩耗の差が小さくなる。
また、本発明において、前記制御装置は、前記鉄道車両が所定速度に達するまでの低速域において、前記液圧モータを駆動し、前記所定速度を超えた中及び高速域において、前記電動モータだけを駆動するように、前記切換機構、前記インバータ装置及び前記蓄電装置を制御することが好ましい。これにより、低速域で必要となる大きなトルクが効果的に得ることができる。
また、本発明において、前記制御装置は、前記鉄道車両が停止状態から走行し始める際に、前記液圧モータ及び前記電動モータを同時に駆動するように、前記切換機構、前記インバータ装置及び前記蓄電装置を制御することが好ましい。これにより、電動モータが設けられた台車及び液圧モータが設けられた台車の車輪が同時に駆動されるので、液圧モータが設けられた台車の車輪だけを駆動させるときよりも、鉄道車両をスムーズ(車輪を空転させずに)に走行させることが可能となる。
また、本発明において、前記制御装置は、前記鉄道車両が前記所定速度に達する直前に、前記電動モータを駆動するように、前記インバータ装置及び前記蓄電装置を制御することが好ましい。これにより、鉄道車両が低速域から中速域になる際の走行時における振動を抑制することが可能となる。
本発明の鉄道車両用駆動装置によると、液圧ポンプ及びアキュムレータの少なくともいずれかから供給された圧液によって液圧モータが鉄道車両の車輪を駆動する。このため、鉄道車両に長尺な推進軸を設ける必要がなくなり、車両故障を抑制することが可能になるとともに、鉄道車両における機器配置の自由度が向上する。さらに、鉄道車両を制動させる際に圧液をアキュムレータに蓄積し、当該アキュムレータに蓄積した圧液を液圧モータに供給することで車両を力行させることが可能となる。このため、回生エネルギーを有効利用することが可能となる。また、発電機で発電した電力及び蓄電装置に充電された電力で鉄道車両を力行させることが可能となり、電力系統及び液圧系統のいずれか一方が故障しても、他方の系統で鉄道車両を力行させることが可能となる。さらに、鉄道車両を制動させる際に、電動モータが発電した電力を充電し、当該蓄電装置に充電された電力で車両を力行させることが可能となる。このため、回生エネルギーを有効利用することが可能となる。また、鉄道車両の重量バランスがとれて、台車毎の車輪摩耗の差が小さくなる。
本発明の一実施形態である鉄道車両用駆動装置が採用された鉄道車両の概略側面図である。 図1に示す鉄道車両を下方から見たときの図である。 図1に示す駆動装置の電気及び油圧の系統図である。 切換弁が第1状態を取り、方向制御弁が第1進行状態を取るときの油圧モータの駆動状況を示す図である。 油圧モータからの圧油をアキュムレータへ供給するときの状況図である。 切換弁が第1状態を取り、方向制御弁が第2進行状態を取るときの油圧モータの駆動状況を示す図である。 切換弁が第1状態を取り、方向制御弁が中立状態を取るときの油の流れを示す状況図である。 図1に示す鉄道車両の走行及び停車時のエネルギー消費量、油圧ポンプの出力、アキュムレータの圧油の蓄積及び放出の状態、発電出力、充放電の状態を示すチャート図である。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
本発明の一実施形態である鉄道車両用駆動装置が採用された鉄道車両について、図1〜図7を参照し、以下に説明する。
鉄道車両1は、図1に示すように、車体11、2つの台車12及び駆動装置10を有する。車体11は、方向Aに沿って長尺な直方体形状を有する。台車12は、図1及び図2に示すように、車体11の方向Aの前方下部、及び、後方下部にそれぞれ取り付けられている。
各台車12は、方向Aに直交する方向に延在する2本の車軸14及び4つの車輪13を有しており、車体11を下方から支持する。車輪13は、各車軸14の両端近傍にそれぞれ固定され、車軸14を介して、台車12に回転可能に支持されている。
駆動装置10は、車両1を走行させるための装置であって、図1〜図3に示すように、2つの電動モータ15と、蓄電装置20と、コンバータ装置21と、インバータ装置22と、制御装置24(図3参照)と、エンジン25と、発電機26とを有する。また、駆動装置10は、2つの油圧モータ18と、油圧ポンプ30と、タンク31と、アキュムレータ32と、切換弁34(図3参照)と、方向制御弁35(図3参照)と、2つの流量調整弁36a,36b(図3参照)と、3つのリリーフ弁37a〜37c(図3参照)と、7本の配管L1〜L7(図3参照)とを有する。
2つの電動モータ15は、2つの台車12のうち、方向Aに関して前方にある台車12に設けられている。これら電動モータ15は、インバータ装置22によって変換された交流電力によって駆動される。電動モータ15の駆動軸15aの先端には、ギア16が固定されている。ギア16は、電動モータ15によって回転する。前方にある台車12の各車軸14には、ギア16と噛み合うギア17がそれぞれ固定されている。この構成において、電動モータ15を駆動すると、ギア16,17によって2本の車軸14とともに4つの車輪13が駆動される。これにより、車両1が方向A及び当該方向Aとは逆の方向Bのいずれかに進行する。
2つの油圧モータ18は、方向Aに関して後方にある台車12に設けられている。これら油圧モータ(液圧モータ)18は、油圧ポンプ31及びアキュムレータ32から供給された圧油によって駆動される。油圧モータ18の駆動軸18aの先端には、ギア19が固定されている。ギア19は、油圧モータ18によって回転する。後方にある台車12の各車軸14にも、ギア17がそれぞれ固定されており、ギア19と噛み合っている。この構成において、油圧モータ18を駆動すると、ギア17,19によって2本の車軸14とともに4つの車輪13が駆動される。これにより、車両1が方向A及び方向Bのいずれかに進行する。
蓄電装置20、コンバータ装置21、インバータ装置22、エンジン25、発電機26、油圧ポンプ30、タンク31及びアキュムレータ32は、図1に示すように、車両1の下部に配置されている。より具体的には、車体11の下面であって、2つの台車12間に配置されている。このように、蓄電装置20、コンバータ装置21、インバータ装置22、エンジン25、発電機26、油圧ポンプ30、タンク31及びアキュムレータ32が、車両1の下部に配置されていることで、車両1の重心が下方に位置し、安定する。このため、車両1が走行時に転覆しにくくなる。
油圧ポンプ30、タンク31、アキュムレータ32、2つの油圧モータ18は、図3に示すように、4本の配管L1〜L4によって接続されている。つまり、これら4本の配管L1〜L4は、油圧ポンプ30、タンク31、アキュムレータ32、2つの油圧モータ18を接続する複数の流路を構成している。なお、油圧ポンプ30、タンク31、アキュムレータ32、2つの油圧モータ18は、4本の配管L1〜L4以外の部材、例えば、油圧マニホールドに形成された複数の流路を介して接続されていてもよい。つまり、油圧ポンプ30、タンク31、アキュムレータ32、2つの油圧モータ18は、これらを接続する流路を構成する部材であれば、どのような部材で接続されていてもよい。
配管L1は、図3に示すように、油圧ポンプ30とタンク31とを接続する。配管L2は、油圧ポンプ30と2つの油圧モータ18とを接続する。配管L2の油圧モータ18側の部分は2つに分岐されており、分岐された部分の端部が各油圧モータ18と接続されている。配管L3は、2つの油圧モータ18とタンク31とを接続する。配管L3の油圧モータ18側の部分は2つに分岐されており、分岐された部分の端部が各油圧モータ18と接続されている。配管L2,L3の途中部位には、切換弁34、及び、方向制御弁35が設けられている。また、配管L2の途中部位には、流量調整弁36aが設けられており、配管L3の途中部位には流量調整弁36bが設けられている。配管L4の一端は配管L2の油圧ポンプ30と切換弁34との間に接続され、他端はアキュムレータ32に接続されている。配管L5の一端は配管L2の油圧モータ18と流路調整弁36aとの間に接続され、他端はタンク31に接続されている。配管L6の一端は配管L3の油圧モータ18と流量調整弁36bとの間に接続され、他端はタンク31に接続されている。配管L7の一端は配管L2の油圧ポンプ30と切換弁34との間に接続され、他端はタンク31に接続されている。3つの配管L5〜L7のそれぞれには、途中部位にリリーフ弁37a〜37cが設けられている。
切換弁34は、公知の切換弁であって、制御装置24の制御によって第1状態と、第2状態とを選択的に取る。第1状態は、図3及び図4に示す状態であって、図4中矢印で示すように、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32からの圧油を油圧モータ18に供給可能な状態であり、且つ、油圧モータ18から送られてきた圧油をタンク31に排出可能な状態である。第2状態は、図5に示す状態であって、図5中矢印で示すように、油圧モータ18から送られてきた圧油をアキュムレータ32に供給可能な状態であり、且つ、タンク31からの油を油圧モータ18に供給可能な状態である。
本実施形態においては、配管L2の油圧ポンプ30と切換弁34との間の部分にアキュムレータ32に接続された配管L4が接続されている。このため、油圧モータ18への圧油の供給を油圧ポンプ30のみから行う際も、切換弁34を第1状態とする必要があるが、変形例として油圧ポンプ30が切換弁34を介さず方向制御弁35に直接接続されていてもよい。この場合、切換弁34は、第1状態を取ると、アキュムレータ32からの圧油を油圧モータ18に供給可能な状態となり、且つ、油圧モータ18から送られてきた圧油をタンク31に排出可能な状態となる。つまり、油圧ポンプ30と方向制御弁35とは常に接続された状態となる。この結果、切換弁34の状態に係わらず、油圧ポンプ30を駆動することで油圧モータ18に圧油を供給可能となる。
方向制御弁35は、公知の方向制御弁であって、制御装置24の制御によって第1進行状態と、第2進行状態と、中立状態とを選択的に取る。第1進行状態は、図3及び図4に示す状態であって、圧油を切換弁34から流量調整弁36a、及び、流量調整弁36bから切換弁34に向かって流すことが可能な状態である。方向制御弁35が第1進行状態を取るときに、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32から圧油が供給されると、図4中の矢印で示すように、圧油が切換弁34、方向制御弁35、流量調整弁36aを順に通って油圧モータ18に供給され、車両1が方向Aに進行する。このとき、油圧モータ18に供給された圧油は、流量調整弁36b、方向制御弁35、切換弁34を順に通ってタンク31に排出される。
第2進行状態は、図6に示す状態であって、圧油を切換弁34から流量調整弁36b、及び、流量調整弁36aから切換弁34に向かって流すことが可能な状態である。方向制御弁35が第2進行状態を取るときに、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32から圧油が供給されると、図6中の矢印で示すように、圧油が切換弁34、方向制御弁35、流量調整弁36bを順に通って油圧モータ18に供給され、車両1が方向Bに進行する。このとき、油圧モータ18に供給された圧油は、流量調整弁36a、方向制御弁35、切換弁34を順に通ってタンク31に排出される。このように方向制御弁35は、制御装置24の制御により、車両1を方向Aに進行させる場合に第1進行状態を取り、方向Bに進行させる場合に第2状態を取る。なお、第2進行状態のときに、切換弁34が第2状態を取ると、流量調整弁36aを介して油圧モータ18から送られてきた圧油がアキュムレータ32に供給可能な状態となる。
中立状態は、図7に示す状態であって、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32からの圧油の供給が遮断され、配管L2と配管L3とを方向制御弁35内で連通させる。これにより、車両1が方向Aに進行している際は、車輪13の回転によって油圧モータ18が駆動されるため、図7中矢印で示すように、圧油が油圧モータ18→流量調整弁36b→方向制御弁35→流量調整弁36a→油圧モータ18へと循環する。なお、車両1が方向Bに進行している際は、上述とは逆方向に圧油が循環する。
リリーフ弁37aは、配管L5に設けられ、配管L2の流量調整弁36aと油圧モータ18との間における圧力が所定値よりも高くなると、配管L5を介して配管L2内の圧油をタンク31に排出する。これにより、配管L2内の異常な圧力上昇によって、油圧モータ18、配管L2及び流量調整弁36aなどが損傷するのを抑制することが可能となる。
リリーフ弁37bは、配管L6に設けられ、配管L3の流量調整弁36bと油圧モータ18との間における圧力が所定値よりも高くなると、配管L6を介して配管L3内の圧油をタンク31に排出する。これにより、配管L3内の異常な圧力上昇によって、油圧モータ18、配管L3及び流量調整弁36bなどが損傷するのを抑制することが可能となる。
リリーフ弁37cは、配管L7に設けられ、配管L2の油圧ポンプ30と切換弁34との間における圧力及び配管L4内の圧力がアキュムレータ32の上限設定圧力値よりも高くなると、配管L7を介して配管L2,L4内の圧油をタンク31に排出する。これにより、配管L2,L4の異常な圧力上昇によって、アキュムレータ32が損傷するのを抑制することが可能となる。なお、上限設定圧力値は、油圧ポンプ30及び配管L2,L4の耐圧上限値よりも小さい。このため、油圧ポンプ30及び配管L2,L4などの損傷も抑制することが可能となる。
流量調整弁36a,36bは、公知の流量調整弁であり、制御装置24の制御によって通過可能な流量が調整される。これにより、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32から油圧モータ18へ供給される圧油の流量を調整し、車両1の力行時に必要なトルクを確保することできる。また、流量調整弁36aは、図5に示すように、方向制御弁35が第1進行状態を取り切換弁34が第2状態を取るときに、制御装置24の制御の下、タンク31から油圧モータ18へ供給される油の流量を調整することで、車両1を減速させる。つまり、車両1を制動させることが可能となる。なお、方向制御弁35が第2進行状態を取り切換弁34が第2状態を取るときは、流量調整弁36bが制御装置24の制御の下、タンク31から油圧モータ18へ供給される油の流量を調整することで、車両1を減速させる。
エンジン25は、車両1の動力源である。油圧ポンプ30は、制御装置24の制御の下、エンジン25の駆動力が伝達される伝達可能状態と、伝達不可能状態とに選択的に取ることが可能である。油圧ポンプ30は、エンジン25の駆動力が伝達されることで駆動され、タンク31内の油に圧力を加えて油圧モータ18に供給する。なお、油圧ポンプ30、切換弁34、方向制御弁35及び流量調整弁36a,36bは、補助電源装置27と電線(不図示)によって接続されており、電力が供給される。
タンク31は、内部空間に油が貯留されている。アキュムレータ32は、公知のアキュムレータであって、圧油を蓄積、及び、蓄積した圧油を放出することが可能である。アキュムレータ32は、圧油が蓄積された状態において、切換弁34が第1状態を取り、方向制御弁35が第1又は第2進行状態を取るときに、油圧モータ18へ圧油を供給する。アキュムレータ32は、切換弁34が第2状態を取り、方向制御弁35が第1又は第2進行状態を取るときに、油圧モータ18から送られてきた圧油を蓄積することが可能である。
車両1には、図1及び図3に示すように、補助装置23が設けられている。発電機26、コンバータ装置21、蓄電装置20、インバータ装置22、直流電力部28、2つのモータ15、補助電源装置27、及び、補助装置23は、電力を供給する電線D1〜D8によって互いに接続されている。
発電機26は、制御装置24の制御の下、エンジン25の駆動力が伝達される伝達可能状態と、伝達不可能状態とに選択的に取ることが可能である。発電機26は、エンジン25の駆動力が伝達されることで、エンジン25の回転出力を3相交流電力に変換する。発電された電力は、コンバータ装置21に供給される。
コンバータ装置21は、発電機31で発電された3相交流電力を入力とし、スイッチング素子(不図示)による整流制御により直流電力に変換し、直流電力部28に供給する。直流電力部28は、コンバータ装置21とインバータ装置22との間に位置する。インバータ装置22は、直流電力部28の直流電力を入力とし、スイッチング素子(不図示)による電圧・周波数可変(VVVF)制御により、3相交流電力に変換する。この3相交流電力により2つの電動モータ15を駆動し、さらに減速機により必要な加速性能を得られる駆動トルクを確保した上で、方向Aに関して前方にある台車12の車軸14でトルクを伝達して車両1を加減速させる。
蓄電装置20は、直流電力部28に接続されており、直流部分の電圧値と、蓄電装置20の開放端電圧値との関係に応じて、蓄電装置20が充電又は放電される。すなわち、直流部分の電圧値が、蓄電装置20の開放端電圧値よりも大きいときは、直流部分の電力が蓄電装置20に充電され、逆に、直流部分の電圧値が、蓄電装置20の開放端電圧値よりも小さいときは、直流部分に蓄電装置20の電力が放電される。
補助装置23は、図1に示すように、照明装置23a及び2つの空調装置23bとを有し、車体11の天井及び屋上部分に配置されている。照明装置23aは、車体11の前後方向に沿って延在している。2つの空調装置23bは、方向Aに関して車体11の前方と後方とに分けて配置されている。
補助電源装置27は、直流電力部28の直流電力を入力とし、スイッチング素子(不図示)による電圧・周波数一定(CVCF)制御により、3相交流電力に変換する。この3相交流電力により補助装置23の照明装置23a及び2つの空調装置23bを駆動する。
制御装置24は、図3に示すように、エンジン25、油圧ポンプ30、切換弁34、方向制御弁35、及び、2つの流量調整弁36a,36bと信号線S1〜S6によって接続されており、これらの動作状態を監視するとともに、アキュムレータ32に設けられた圧力センサの蓄圧量を検出する。制御装置24は、車両1の力行及び制動時の運転台での操作に応じて、力行及び制動に必要なトルクを算出し、エンジン25、油圧ポンプ30、切換弁34及び流量調整弁36a,36bを制御する。このとき、制御装置24は、力行時に第1状態を取るように、制動時に第2状態を取るように、切換弁34を制御する。方向制御弁35は、運転台での車両1の進行方向の操作に応じて、制御装置24によって制御される。また、方向制御弁35は、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32からの圧油の供給を遮断する際に、中立状態を取るように、制御装置24によって制御される。
また、制御装置24は、発電機26、コンバータ装置21、インバータ装置22、蓄電装置20、及び、補助電源装置27と信号線S7〜S11によって接続されており、これらの動作状態を監視するとともに、蓄電装置20の蓄電量を検出する。また、制御装置24は、エンジン25、発電機26により発電される電力と、各電動モータ15で車両1を加速することにより消費する電力、あるいは減速することにより回生する電力とを調整制御して、蓄電装置20の蓄電量を適切な範囲に維持する機能を有する。具体的には、制御装置24は、車両1の走行時において、エンジン25を駆動し発電機26によって発電することで、蓄電装置20の蓄電量をほぼ一定に保つ。
制御装置24は、車両1が停止状態から走行し始める際に、2つの電動モータ15及び2つの油圧モータ18を駆動するように、切換弁34、方向制御弁35、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御する。また、制御装置24は、車両1が所定速度に達するまでの低速域において、2つの油圧モータ18を駆動し、所定速度を超えた中及び高速域において、2つの電動モータ15だけを駆動するように、油圧ポンプ30、切換弁34、方向制御弁35、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御する。また、制御装置24は、車両1が所定速度に達する直前に、2つの電動モータ15を駆動するように、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御する。
続いて、車両1の停車・走行時におけるエネルギー消費量、油圧ポンプの出力、アキュムレータ32の圧油の蓄積及び放出の状態、発電出力、充放電の状態について、図8を参照しつつ説明する。車両1は、図8に示すように、停車時においても、補助装置23が駆動される。このとき、補助装置23は、蓄電装置20からの電力を補助電源装置27が変換し、その変換した電力によって駆動される。また、車両1の駅での停車時には、制御装置24がエンジン25の駆動を停止する。これにより、停車駅でのエンジン25の駆動による騒音や振動を防ぐことができる。
車両1が、次の駅に向けて走行を開始する。制御装置24は、運転台での力行を開始する操作に応じて、力行に必要なトルクを算出しこれに基づいた流量を油圧モータ18に供給可能なように流量調整弁36aを制御し、第1状態及び第1進行状態を取るように切換弁34及び方向制御弁35を制御する。これにより、アキュムレータ32に蓄積された圧油が2つの油圧モータ18に供給される。なお、アキュムレータ32に圧油が蓄積されていない場合は、制御装置24が、エンジン25を駆動し油圧ポンプ30を伝達可能状態に制御し、2つの油圧モータ18に圧油を供給する。また、方向Bに車両1を走行させる場合は、制御装置24が、第2進行状態を取るように方向制御弁35を制御するとともに、流量調整弁36aに替えて流量調整弁36bを制御する。
また、このとき、制御装置24は、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御して、蓄電装置20の電力をインバータ装置22が交流電量に変換して、2つの電動モータ15に供給する。これにより、各台車12のすべての車輪13が同時に駆動される。このため、油圧モータ18が設けられた台車12の車輪13だけを駆動させるときよりも、車輪13を空転させずに車両1をスムーズに力行させることが可能となる。制御装置24は、車両1が所定速度(例えば、時速10km)に達すると、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御して電動モータ15への電力供給を停止する。
制御装置24は、アキュムレータ32からの圧油の放出が終了する前に、油圧ポンプ30を伝達可能状態となるように制御する。このとき、エンジン25が駆動されていない場合はエンジン25を駆動するように制御する。こうして、アキュムレータ32からの圧油の供給が終了するときには、油圧ポンプ30から圧油が供給される。そして、制御装置24は、車両1が所定速度を超える中速域に達するまで、油圧ポンプ30から圧油が供給されるように、油圧ポンプ30を制御する。制御装置24は、車両1が所定速度に達すると、中立状態を取るように方向制御弁35を制御する。これにより、油圧ポンプ30から油圧モータ18への圧油の供給が遮断される。この場合でも、上述のように車両1の進行によって油圧モータ18が駆動されるため、油が配管L2,L3を循環する。
制御装置24は、車両1が所定速度(中速域)に達する直前に、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御して、蓄電装置20の電力をインバータ装置22が交流電力に変換して、2つの電動モータ15に供給する。これにより、車両1が低速域から中速域になる際に、油圧モータ18及び電動モータ15の両方の駆動によって車両1が走行する。このため、低速域は油圧モータ18だけで駆動され、中速域は電動モータ15だけで駆動されるときよりも、走行時における振動(すなわち、駆動形態の切り替わりによって生じる速度差のショック)を抑制することが可能となる。そして、制御装置24は、中及び高速域において、継続して2つの電動モータ15に電力を供給するように、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御する。
なお、補助装置23は、車両1の走行時においても、蓄電装置20からの電力によって駆動されている。制御装置24は、車両1の走行が開始されると、エンジン25を駆動するように制御する。このとき、制御装置24は、発電機26を伝達可能状態に制御するとともに、エンジン25及び発電機26によって最も効率良く発電することが可能な発電出力まで上昇させ、その後、発電出力を一定にする。このように発電出力を平準化することで、エンジン25の燃費が向上する。この力行時においても、エンジン25及び発電機26によって発電されているため、蓄電装置20には電力が蓄えられていくが、電動モータ15が駆動されている間は消費電力の方が多いため、実質的には蓄電量が減少する。
変形例として、車両1の走行が開始されても、しばらくはエンジン25が駆動されなくてもよい。例えば、油圧ポンプ30を駆動する際にエンジン25も同時に駆動してもよい。こうすることで、エンジン25による燃料消費量が低下する。別の変形例として、アキュムレータ32の蓄圧量を大きくすることで、低速域全般をアキュムレータ32からの圧油の供給で油圧モータ18を駆動してもよい。こうすれば、車両1の低速域において、エンジン25を駆動する必要がなくなって、エンジン25による燃料消費量が低下する。
車両1の惰行時は、電動モータ15への電力供給が停止され、補助装置23だけの駆動となる。このときも、エンジン25は駆動されているため、蓄電装置20には電力が蓄えられていく。この場合の消費電力は、補助装置23の駆動のみとなるため、発電量が消費電力を上回り、蓄電装置20に電力が蓄えられる。つまり、力行時で消費した電力を充電することが可能となる。
次の停車駅の手前では、車両1が制動される。このとき、制御装置24は、運転台での制動を開始する操作に応じて、制動に必要なトルクを算出しこれに基づいた流量を油圧モータ18に供給可能なように流量調整弁36aを制御し、第2状態を取るように切換弁34を制御する。より詳細には、油圧モータ18に供給可能な流量を車両1の速度を減速させることが可能な量に調整することで、車両1を制動させることができる。このとき、切換弁34が第2状態を取ることで、油圧モータ18からの圧油がアキュムレータ32に供給され、蓄積される。また、このとき、電動モータ15による回生電力が発生し、蓄電装置20に供給される。このとき、制御装置24は、エンジン25を停止させ、発電機26が伝達不可能状態を取るように発電機26を制御する。このときの消費電力も、補助装置23の駆動のみとなるため、回生電力が消費電力を上回り、蓄電装置20に電力が蓄えられ、力行時で消費した電力及びこれ以外の時に補助装置23によって消費された電力を充電することが可能となる。こうして、アキュムレータ32の蓄圧量と蓄電装置20の蓄電量とを、駅を出発する前とほぼ同じ程度まで回復させることが可能となる。
以上に述べたように、本実施形態の鉄道車両用駆動装置10によると、油圧ポンプ30及びアキュムレータ32の少なくともいずれかから供給された圧油によって油圧モータ18が車輪13を駆動する。このため、車両1に長尺な推進軸を設ける必要がなくなり、車両故障を抑制することが可能になる。加えて、車両1における機器配置の自由度が向上する。さらに、車両1を制動させる際に圧油をアキュムレータ32に蓄積し、当該アキュムレータ32に蓄積した圧油を油圧モータ18に供給することで車両1を力行させることが可能となる。このため、回生エネルギーを有効利用することが可能となる。
また、駆動装置10が、発電機26、コンバータ装置21、インバータ装置22、蓄電装置20、電動モータ15を有していることで、発電機26で発電した電力及び蓄電装置20に充電された電力で車両1を力行させることが可能となり、電力系統及び油圧系統のいずれか一方が故障しても、他方の系統で車両1を力行させることが可能となる。さらに、車両1を制動させる際に、電動モータ15が発電した電力を充電し、当該蓄電装置20に充電された電力で車両を力行させることが可能となる。このため、回生エネルギーを有効利用することが可能となる。
さらに、駆動装置10はアキュムレータ32を有し、アキュムレータ32に回生エネルギーとして圧油を蓄積することが可能である。このため、蓄電装置20を大型化して蓄電容量を増大させる必要がなくなる。蓄電装置20の蓄電容量を増大させると、当該蓄電装置20のコストが大幅に上昇するが、増大させる蓄電容量に対応する蓄圧量を確保できるアキュムレータ32とすることで、駆動装置10の製造コストが上昇するのを抑制することが可能となる。
また、電動モータ15は、油圧モータ18が設けられた台車12とは別の台車12に設けられている。これにより、車両1の重量バランスがとれて、台車12毎の車輪摩耗の差が小さくなる。
また、制御装置24は、低速域において、油圧モータ18を駆動し、中及び高速域において、電動モータ15だけを駆動するように、油圧ポンプ30、切換弁34、インバータ装置22及び蓄電装置20を制御している。これにより、低速域で必要となる大きなトルクが効果的に得ることができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである
制御装置24は、低速域において、電動モータ15を駆動し、中及び高速域において、油圧モータ18を駆動するように、インバータ装置22,蓄電装置20、切換弁34、油圧ポンプ30、エンジン25などを制御してもよい。また、制御装置24は、低及び中速域において、油圧モータ18又は電動モータ15を駆動し、高速域において、電動モータ15又は油圧モータ18を駆動するように、インバータ装置22,蓄電装置20、切換弁34、油圧ポンプ30、エンジン25などを制御してもよい。また、制御装置24は、車両1の駆動形態が油圧から電気、又は、電気から油圧に切り替わる際に、両者のモータを同時に駆動していなくてもよい。また、制御装置24は、車両1が停止状態から走行し始める際に、油圧モータ18及び電動モータ15を同時に駆動しなくてもよい。
上述の実施形態においては、駆動装置10の構成要素として油圧ポンプ30や油圧モータ18を採用しているが、油以外の液体を採用し、これら油圧ポンプ、油圧モータを当該液体に対応した液圧ポンプ及び液圧モータを採用すればよい。また、上述の実施形態においては、切換機構として、切換弁34を採用しているが、油圧モータ18とアキュムレータ32とを接続する流路及び油圧モータ18とタンク31とを接続する流路の途中部位に設けられ、アキュムレータ32に蓄積された圧油を油圧モータ18に供給可能であって油圧モータ18から送られてきた圧油をタンク31に排出可能な第1状態、及び、油圧モータ18から送られてきた圧油をアキュムレータ32に供給可能であってタンク31からの油を油圧モータ18に供給可能な第2状態を選択的に取り得る切換機構であれば、どのような構成であってもよい。
1 車両
10 駆動装置
12 台車
13 車輪
15 電動モータ
18 油圧モータ(液圧モータ)
20 蓄電装置
21 コンバータ装置
22 インバータ装置
23 補助装置
24 制御装置
25 エンジン
26 発電機
30 油圧ポンプ(液圧ポンプ)
31 タンク
32 アキュムレータ
L1〜L7 配管(流路)
32 切換弁(切換機構)

Claims (4)

  1. 鉄道車両に設けられ、当該鉄道車両を走行させるための鉄道車両用駆動装置において、
    エンジンと、
    液体を収容するタンクと、
    圧液が供給されることで前記鉄道車両の車輪を駆動する液圧モータと、
    前記エンジンの駆動力によって前記タンクからの液体に圧力を加えて前記液圧モータに供給する液圧ポンプと、
    圧液を蓄積、及び、蓄積した圧液を放出することが可能なアキュムレータと、
    前記タンク、前記液圧モータ、前記液圧ポンプ及び前記アキュムレータを接続する複数の流路と、
    前記液圧モータと前記アキュムレータとを接続する流路及び前記液圧モータと前記タンクとを接続する流路の途中部位に設けられ、前記アキュムレータに蓄積された圧液を前記液圧モータに供給可能であって前記液圧モータから送られてきた圧液を前記タンクに排出可能な第1状態、及び、前記液圧モータから送られてきた圧液を前記アキュムレータに供給可能であって前記タンクからの液体を前記液圧モータに供給可能な第2状態を選択的に取り得る切換機構と、
    前記エンジンの駆動力によって交流電力を発電する発電機と、
    交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、
    直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、
    前記インバータ装置によって変換された交流電力によって前記車輪を駆動する電動モータと、
    直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電装置と、
    前記鉄道車両を走行させる際に、前記エンジン、前記液圧ポンプ及び前記切換機構を制御し、且つ前記発電機、前記コンバータ装置、前記インバータ装置及び前記蓄電装置の少なくともいずれかを制御する制御装置とを備えており、
    前記制御装置は、前記鉄道車両を力行させる際に前記第1状態を取るように前記切換機構を制御し、前記鉄道車両を制動させる際に前記第2状態を取るように前記切換機構を制御し、
    前記電動モータは、前記鉄道車両の車体を支持する複数の台車のうち、前記液圧モータが設けられた前記台車とは別の台車に設けられていることを特徴とする鉄道車両用駆動装置。
  2. 前記制御装置は、前記鉄道車両が所定速度に達するまでの低速域において、前記液圧モータを駆動し、前記所定速度を超えた中及び高速域において、前記電動モータだけを駆動するように、前記切換機構、前記インバータ装置及び前記蓄電装置を制御することを特徴とする請求項に記載の鉄道車両用駆動装置。
  3. 前記制御装置は、前記鉄道車両が停止状態から走行し始める際に、前記液圧モータ及び前記電動モータを同時に駆動するように、前記切換機構、前記インバータ装置及び前記蓄電装置を制御することを特徴とする請求項に記載の鉄道車両用駆動装置。
  4. 前記制御装置は、前記鉄道車両が前記所定速度に達する直前に、前記電動モータを駆動するように、前記インバータ装置及び前記蓄電装置を制御することを特徴とする請求項又はに記載の鉄道車両用駆動装置。
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