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

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１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２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２又は３に記載の鉄道車両用駆動装置。

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