JP6734657B2 - 鉄道車両トラクションシステムの保護システム、関連トランスミッションライン及び関連鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータ及び当該電気モータの電源回路を含む鉄道車両トラクションシステムの保護システムに関する。

本発明は詳しくは、鉄道車両用永久磁石同期電気モータのための保護システムに関する。

このようなモータに電力を供給するべくパワーチェーンは、変換器、絶縁接触器、当該絶縁接触器と当該モータの入力端子との間に接続されたケーブルを連続的に含む。

短絡型の電気故障が検出されると、絶縁接触器は開となって変換器を電気モータから絶縁する。その結果、変換器の部材は、その時点で電流源として動作している電気モータが生成する電力から保護される。電気モータは、動いている鉄道車両の車輪によって駆動されているからである。

しかしながら、絶縁接触器を開にしても、例えば接続ケーブル同士の間にある絶縁接触器の下流側の電気故障、すなわち電気モータの内部故障又は電気モータの外部故障を隔離することができない。

さらに、そのような絶縁変換器の下流側の故障は一般に、火災発生又は電気モータ破壊につながり得る電気アークの形成に関連する。電気モータ破壊の場合、モータの固定子の内側で回転子がブロックされるリスクが存在する。これは、列車の不動化及び乗客の避難が必要性が懸念される事象につながる。

そのような永久磁石同期電気モータの動作保護を保証するには、懸念事象を回避するべく、可能性のある故障を管理する必要がある。

そのため、特許文献１は、電気アークの形成及び拡大を回避するべく、パワーチェーンに、モータの位相を完全短絡させることができる付加的制御スイッチを装備する。しかしながら、そのような装置は、機械内部のすべての型の故障を解決できるわけではない。

欧州特許出願公開第２，６３４，８８４（Ａ１）号明細書

したがって、本発明は、現状技術のソリューションに対して代替的な保護ソリューションを展開することによって上述の問題を解決することを目的とする。

その目的のため、本発明は、鉄道車両トラクションシステム用の保護システムであって、
・トランスミッションラインの第１部材及び第２部材間の機械的結合装置と、
・制御手段と
を含み、
第１部材は電気モータの出力シャフトに接続され、第２部材は鉄道車両の車軸の入力シャフトに接続され、結合装置は、第１部材及び第２部材間でトルクの伝達が可能な係合状態に、又は第１部材及び第２部材間でトルクの伝達が不可能な係合解除状態にあることができ、
制御手段は、電気モータの電源回路及び／又は電気モータ自体に影響する故障が検出された場合、機械的結合装置に係合解除信号を適用して機械的結合装置を係合状態から係合解除状態へと切り替える保護システムに関する。

本発明は、ロバストな機械的ソリューションの実装を通じて、電気モータを車軸から機械的に隔離することができる。その結果、故障が検出された場合、当該故障の性質にかかわらず、パワーチェーン及び電気モータが保護される。すなわち、任意の懸念事象を回避することができる。

本発明に係る保護システムはさらに、以下の特徴の一以上を、単独とみなして又は技術的に可能な任意の組み合わせに応じて含み得る。
・結合装置は、第１部材及び第２部材を互いに結合させる少なくとも一つの要素と、係合解除信号が制御手段によって適用されると結合要素を破壊することができる点火モジュールとを含む。
・第１部材及び第２部材は、互いに向かい合う第１フランジ及び第２フランジであり、機械的結合装置は、第１フランジ及び第２フランジを互いに結合させる爆発ボルトである。
・制御手段は、結合装置に固定された閉制御モジュールに無線リンクを介して接続された遠隔制御モジュールを含み、閉制御モジュールは、遠隔制御モジュールが発信した作動信号を受信すると、結合装置に適用される係合解除信号を生成する。
・制御手段は、故障が検出されると、遠隔制御モジュールに警告信号を送信して遠隔制御モジュールに作動信号を送らせる検出手段を含む。
・検出手段は、トラクションシステムの測定入力値及び動的モデルから推定出力値を計算して当該推定出力値をトラクションシステムの測定出力値と対比することができ、検出モジュールは、推定出力値及び測定出力値間に有意な偏差が存在する場合に警告信号を発信することができる。
・結合装置は、係合状態から係合解除状態へと不可逆的に切り替わることができる。
・機械的結合装置は、係合解除信号を受信すると係合状態から係合解除状態へと切り替わり、それとは逆に係合信号を受信すると係合解除状態から係合状態へと切り替わる。

本発明はまた、電気モータ及び鉄道車両車軸間のトランスミッションラインであって、上述の保護システムを含むトランスミッションラインに関する。

トランスミッションラインは、電気モータを鉄道車両車軸から分離する手段を有する。これは、保護システムが作動すると任意の機械的駆動からモータを隔離する。

本発明に係るトランスミッションラインはさらに、当該トランスミッションラインの第１及び第２部材間に設けられた機械的結合装置を含む。第１及び第２部材は、電気モータ及び車軸間に又はトランスミッションラインの減速ギアの第１段及び第２段間にある当該トランスミッションラインの２つの半シャフトの向かい合う端に設けられた第１及び第２フランジである。

本発明はまた、上述のトランスミッションラインを含む鉄道車両に関する。

本発明が、単なる一例として与えられかつ添付図面を参照してなされる以下の説明を読むことにより良好に理解される。

第１実施形態に係る保護システムを含む鉄道車両トラクションシステムを例示する線図である。 第２実施形態に係る保護システムを含む鉄道車両トラクションシステムを例示する線図である。 第２実施形態に係る保護システムを含む鉄道車両トラクションシステムを例示する線図である。

以下、用語「起電力」は、特に動作の悪化時に、電力を生成する電気モータの能力として理解される。

図１はトラクションシステム２の第１実施形態を示す。

システムは、車軸４、トランスミッションライン６、永久磁石モータ８、及び当該モータの電源回路１０を含む。

モータ８は永久磁石同期モータである。

車軸４は、少なくとも一対の車輪に固定された棒からなるアセンブリである。当該車輪は一対のレール上を案内される。

トランスミッションライン６は、モータ８の出力シャフト１４と車軸４の入力シャフト１６との間に配置された一以上の段の減速ギア１２を含む。

電源回路１０は、インバータ１８、絶縁接触器２０、モータ位相の完全短絡用のスイッチ装置２１、並びに接触器２０及びスイッチ装置２１を制御する制御装置２２を含む。

インバータ１８は３つの出力端子を含む。各端子は接続ケーブルにより、絶縁接触器２０、スイッチ装置２１を介して電気モータ８の一位相に接続される。

制御装置２２は、電源回路１０の故障、特に短絡型の故障を検出して接触器２０の開を指令することができる。

接触器２０を開にすることにより、インバータ１８を電気モータ８から絶縁することができる。故障が発生すると、車軸４による電気モータ８の回転が続き、インバータ１８を破壊しかねない起電力が生じる。

しかしながら、接触器２０を開にすることが十分とはいえない。特に、モータ ８の内部での短絡の場合、車軸４に結合されたモータ８により生じる起電力が、モータ８自体を破壊の危険にさらすからである。

そのため、トラクションシステム２は保護システム２４を含む。

保護システム２４は、特に鉄道車両が停止するまで、電気モータ８を車軸４から機械的に隔離することができる。このように、回転子がもはや車軸４によって回転されなくなると、モータ８は起電力の生成をやめる。

保護システム２４は、結合装置２６及び当該の結合装置２６の制御手段２８を含む。

結合装置２６は、トランスミッションライン６の第１部材３０及び第２部材３２間に配置される。

結合装置２６は、制御手段２８が生成する適切な係合解除信号を受信すると、係合状態から係合解除状態へと不可逆的に切り替わることができる。

係合状態において、トランスミッションライン６の第１及び第２部材３０、３２間でトルクを伝達することができる。

係合解除状態において、トランスミッションラインの第１及び第２部材３０、３２間にトルクを伝達することができない。

図１の第１実施形態において、第１部材３０は電気モータ８の出力シャフト１４であり、第２部材３２は減速ギア１２の入力シャフトである。

詳しくは、モータの出力シャフト１４の自由端が、減速ギア１２の入力シャフトの端に設けられた第２フランジ３６に対向配置された第１フランジ３４で終端する。

結合装置２６は、第１及び第２フランジ３４、３６を互いに結合させる複数の爆発ボルト又はピンから作られる。

爆発ボルト３８は、第１及び第２フランジ３４、３６を互いに結合させることができるシャンク４０と、制御手段２８からの適切な係合解除信号を受信してシャンク４０を破断させることができる点火モジュール４２とを含む。

制御手段２８は、電気モータの電源回路１０及び／又は電気モータ８自体に影響する故障が検出された場合、結合装置２６を係合状態から係合解除状態へと切り替える係合解除信号を結合装置２６へと発信することができる。

制御手段２８は、故障検出手段４４、遠隔制御モジュール４６、及び、結合装置２６に固定された閉制御モジュール４８を含む。

有利には、制御手段２８は、鉄道車両の車掌とのインタフェイスを含む。当該インタフェイスは、係合解除信号の発信を示す信号の室内表示を可能にする。

検出手段４４は、故障が検出された場合、遠隔制御モジュール４６に警告信号を送信することができる。

検出手段４４は、測定モジュール５０及び計算モジュール５２を含む。

測定モジュール５０は、トラクションシステム２の、特にモータ８の動作に対する測定された入力及び出力値を、計算モジュール５２に送信することができる。

測定モジュール５０は、トラクションシステム２についての、入力値を測定するセンサと、出力値を測定するセンサとを含む。

例えば、入力センサは、電源回路１０における及び／又は電気モータ８の２つの位相間における電流を測定する。

出力センサはまた、電源回路１０における及び／又は電気モータ８の２つの位相間における電流を測定する。電圧、トルク等のような他の出力特性もまた、測定することができる。

代替的に、入力及び出力センサは、電圧、磁界、温度、加速度、振動等の中からの他の物理的特性を測定する。

計算モジュール５２は、測定モジュール５０によって測定された入力及び出力値を受信し、警告信号の発信につながり得る診断を確立することができる。

計算モジュール５２は、測定入力値から、トラクションシステム２のの動的モデルを使用することにより推定出力値を計算することができる。このトラクションシステムの動的モデルは、入力特性を出力特性に連結させる複数の微分方程式に基づくが、入力特性の測定入力値を使用して出力特性の推定出力値を計算する。次に、推定出力値は、測定出力値と対比される。これらの値間の所定偏差を超えると、故障が宣言される。

計算モジュール５２は、推定出力値をトラクションシステム２の測定出力値と対比することができる。

計算モジュール５２は、推定出力値及び測定出力値間に有意な偏差が存在する場合に警告信号を発信するべく設計される。

さらに、計算モジュール５２は有利なことに、測定された入力及び出力値並びに推定された出力値を記憶するメモリを含む。

遠隔制御モジュール４６は、計算モジュール５２に接続される。

遠隔制御モジュール４６は、計算モジュール５２から警告信号を受信し、当該警告信号を、閉制御モジュール４８に対して意図された作動信号に変換することができる。

閉制御モジュール４８は、結合装置２６に固定され、それゆえに回転する。

閉制御モジュール４８及び遠隔制御モジュール４６間の通信は、無線リンクを使用して、好ましくはＷｉ−Ｆｉ（登録商標）プロトコルを実装することによって行われる。

閉制御モジュール４８は、遠隔制御モジュール４６から入来する作動信号を受信することができる。

閉制御モジュール４８は、受信した作動信号を、結合装置２６のための、係合状態から係合解除状態へと切り替える係合解除信号として使用する。

図１の保護システム２４を使用するように実装された鉄道車両の電気モータ８を保護する方法が以下に説明される。

まず、鉄道車両は、鉄道線路上を進行する。

測定モジュール５０は、電源回路１０における及び／又は電気モータ８の２つの位相間における入力及び出力値を測定する。

計算モジュール５２は、動的モジュールを介して推定された出力値を、測定された入力値の関数として計算する。計算モジュール５２は、測定された出力値と推定された出力値との偏差を計算する。計算モジュール５２はその診断を行う。

懸念事象につながり得る故障を示す有意な偏差が測定されると、検出手段４４は、警告信号を遠隔制御モジュール４６に送信する。

遠隔制御モジュール４６は、警告信号を受信して対応する作動信号を閉制御モジュール４８に送信する。

閉制御モジュール４８は、作動信号を受信し、この信号を係合解除信号として結合装置２６へと適用する。

係合解除信号が点火モジュール４２の発火トリガとなる結果、シャンク４０が破壊される。

結合装置２６が係合状態から係合解除状態へと不可逆的に切り替わることにより、第１及び第２フランジ３０、３２が互いから結合解除される。

入力シャフト１６が、出力シャフト１４から分離される。モータの回転子に関連する出力シャフト１４が減速して不動となる一方、入力シャフト１６は、動く鉄道車両の車輪によって駆動され続ける。したがって、鉄道車両は、電流発生器として作用する故障したシステムのモータなしに、動き続けることができる。

図２は、保護システム２４の第２実施形態を例示する。ここで、他のすべては同じであるが、結合装置２６が、減速ギア１２の出力シャフトと車軸の入力シャフト１６との間に配置される。

図３は、保護システム２４の第３実施形態を例示する。ここで、結合装置２６が、多階層減速ギア１２の２つの段の間に配置される。

かかる保護システム２４は、安全緊急機械的ソリューションを構成する。これにより、電気モータ８を車軸４から分離し、当該モータ８を車軸４の任意の機械的駆動から機械的に隔離することができる。

かかる保護システム２４は、現状技術の純粋に電気的なソリューションの代わりの又は好ましくは付加的な、懸念事象に対する保護を可能とする機械的代替例を構成する。

代替的に、機械的結合装置２６は、制御手段２８が生成する適切な係合信号を受信すると係合状態から係合解除状態へと、及びそれとは逆に、係合解除状態から係合状態へと切り替わることができる。

上記から独立した他の代替例において、検出手段４４及び制御装置２２は、トラクションシステムの故障を検出する手段を共有する。

Claims (9)

1. 電気モータ（８）、及び前記電気モータ（８）の電源回路（１０）を含む鉄道車両のトラクションシステム（２）の保護システム（２４）であって、
   トランスミッションライン（６）の第１部材（３０）及び第２部材（３２）間の機械的結合装置（２６）と、
   制御手段（２８）と
   を含み、
   前記第１部材（３０）は前記電気モータ（８）の出力シャフト（１４）に接続され、
   前記第２部材（３２）は前記鉄道車両の車軸（４）の入力シャフト（１６）に接続され、
   前記機械的結合装置（２６）は、前記第１部材及び第２部材（３０、３２）間でトルクの伝達が可能な係合状態に、又は前記第１部材及び第２部材（３０、３２）間でトルクの伝達が不可能な係合解除状態にあることができ、
   前記制御手段（２８）は、前記電気モータの電源回路（１０）及び／又は前記電気モータ自体（８）に影響する故障が検出された場合、前記機械的結合装置（２６）に係合解除信号を適用して前記機械的結合装置（２６）を前記係合状態から前記係合解除状態へと切り替え、
   前記機械的結合装置（２６）は、
   前記第１部材及び第２部材（３０、３２）を互いに結合させる少なくとも一つの結合要素（４０）と、
   係合解除信号が前記制御手段（２８）によって適用されると前記結合要素（４０）を破壊することができる点火モジュール（４２）と
   を含み、
   前記制御手段（２８）は、前記機械的結合装置（２６）に固定された閉制御モジュール（４８）に無線リンクを介して接続された遠隔制御モジュール（４６）を含み、
   前記閉制御モジュール（４８）は、前記遠隔制御モジュール（４６）が発信した作動信号を受信すると、前記機械的結合装置（２６）に適用される前記係合解除信号を生成する、保護システム（２４）。
2. 前記第１部材及び第２部材（３０、３２）は、互いに向かい合う第１フランジ及び第２フランジ（３４、３６）であり、
   前記機械的結合装置（２６）は、第１フランジ及び第２フランジ（３４、３６）を互いに結合させる爆発ボルト（３８）である、請求項１に記載の保護システム（２４）。
3. 前記制御手段（２８）は、故障が検出されると、前記遠隔制御モジュール（４６）に警告信号を送信して前記遠隔制御モジュール（４６）に作動信号を発信させる検出手段（４４）を含む、請求項１又は２に記載の保護システム（２４）。
4. 前記検出手段（４４）は、前記トラクションシステム（２）の測定入力値及び動的モデルから推定出力値を計算して前記推定出力値を前記トラクションシステム（２）の測定出力値と対比することができ、
   前記検出手段（４４）は、前記推定出力値及び前記測定出力値間に有意な偏差が存在する場合に警告信号を発信することができる、請求項３に記載の保護システム（２４）。
5. 前記機械的結合装置（２６）は、前記係合状態から前記係合解除状態へと不可逆的に切り替わる、請求項１から４のいずれか一項に記載の保護システム（２４）。
6. 前記機械的結合装置（２６）は、係合解除信号を受信すると前記係合状態から前記係合解除状態へと切り替わる、請求項１から５のいずれか一項に記載の保護システム（２４）。
7. 鉄道車両用の永久磁石同期電気モータ（８）及び車軸（４）間のトランスミッションライン（６）であって、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の保護システム（２４）を含む、トランスミッションライン（６）。
8. 前記機械的結合装置（２６）は、前記トランスミッションライン（６）の第１部材及び第２部材（３０、３２）間に設けられ、
   前記第１部材及び第２部材（３０、３２）は、前記電気モータ（８）及び前記車軸（４）間に又は前記トランスミッションラインの減速ギア（１２）の第１段及び第２段間にある前記トランスミッションライン（６）の２つの半シャフトの向かい合う端に設けられた第１フランジ及び第２フランジ（３４、３６）である、請求項７に記載のトランスミッションライン（６）。
9. 鉄道車両であって、
   請求項７又は８に記載のトランスミッションライン（６）を含む鉄道車両。

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