JP7321392B2 - 故障判別装置、駆動制御装置、および故障判別方法 - Google Patents

Description

本開示は、故障判別装置、故障判別装置を備える駆動制御装置、および故障判別方法に関する。

鉄道車両では、例えば、集電装置が架線を介して取得した電力が、電動機を駆動するための電力に変換され、変換された電力が電動機に供給される。電動機が電力の供給を受けて回転することで、電動機のシャフトに継手および歯車を介して接続されている車軸が回転し、鉄道車両の推進力が得られる。鉄道車両の保守性を高めるため、電動機から車軸まで動力を伝達する動力伝達機構の故障の有無を判別する故障判別装置が鉄道車両または運転指令所に設けられる。この種の故障判別装置の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示される破損検出装置は、２つの速度発電機を備え、電動機の電機子軸の回転速度と車軸の回転速度とを測定する。詳細には、各速度発電機は、電機子軸または車軸に取り付けられた歯車と、歯車に径方向に対向する磁極と、磁極に巻かれたコイルと、を備える。コイルで歯車の回転によって生じる磁束の変化を検出することで、各速度発電機は、電機子軸または車軸の回転速度を測定する。例えば車軸を回転可能に支持する軸受が損傷して車軸が正常時の位置からずれると、車軸に取り付けられた歯車と磁極との距離が正常時とは異なる。この結果、磁束の変化の仕方が正常時とは異なるため、速度発電機が測定した車軸の回転速度は、正常時に速度発電機が測定した車軸の回転速度と異なり、電機子軸の回転速度と車軸の回転速度との差が増大する。そこで、特許文献１に開示される破損検出装置は、電機子軸の回転速度と車軸の回転速度との差が閾値以上となると、支持構造が破損しているとみなす。

特許第５９４７１４４号

特許文献１に開示される破損検出装置は、電機子軸および車軸のそれぞれの回転速度を測定するために２つの速度発電機を必要とする。さらに各速度発電機の測定値の差を算出するため、速度発電機が出力するセンサ信号の電圧を検出する電圧検出回路を必要とする。このため、特許文献１に開示される破損検出装置は構造が複雑となる。この課題は、動力を受けて回転するシャフトとシャフトを回転可能に支持する支持機構とを備える回転体の故障の有無を速度発電機を用いて判別する場合に起こり得る。

本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で回転体の故障の有無を判別可能な故障判別装置、駆動制御装置および故障判別方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の故障判別装置は、動力を受けて回転するシャフトとシャフトを回転可能に支持する支持機構とを有する回転体の故障の有無を判別する故障判別装置であって、速度発電機と、周波数算出部と、判別部と、を備える。速度発電機は、シャフトの回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する。周波数算出部は、速度発電機から出力されるセンサ信号の周波数を算出する。判別部は、周波数算出部で算出された周波数が目標周波数範囲内にあるか否かを判別することで、回転体の故障の有無を判別する。

本開示の故障判別装置は、センサ信号の周波数から回転体の故障の有無を判別するため、シャフトから回転力を伝達される別の部材の回転速度を測定する必要がなく、センサ信号の電圧値を測定する電圧検出回路を設ける必要もない。このため、故障判別装置の構造が簡易である。

実施の形態１に係る故障判別装置の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る駆動制御装置の構成を示すブロック図 実施の形態１に係る速度発電機の出力例を示す図 実施の形態１に係る波形成形部の出力例を示す図 実施の形態１に係るセンサ信号の周波数と振幅の関係の一例を示す図 実施の形態１に係る故障判別装置のハードウェアの構成を示すブロック図 実施の形態１に係る故障判別装置が行う故障判別の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２に係る故障判別装置の構成を示すブロック図 実施の形態２に係る故障判別装置が行う故障判別の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態に係る故障判別装置が行う故障判別の動作の変形例の一例を示すフローチャート

以下、本開示の実施の形態に係る故障判別装置、駆動制御装置、および故障判別方法について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

動力を受けて回転するシャフトとシャフトを回転可能に支持する支持機構とを有する回転体の故障の有無を判別する故障判別装置１と、故障判別装置１を備え、故障判別装置１の判別結果に応じて、回転体に動力を与える駆動装置５０を制御する駆動制御装置１０について以下に説明する。実施の形態１では、故障判別装置１は、鉄道車両の台車の故障の有無を判別する。故障判別装置１が故障の有無を判別する対象である回転体は台車に含まれ、台車の車軸がシャフトに相当し、車軸を回転可能に支持する軸受が支持機構に相当する。駆動制御装置１０は、鉄道車両の推進力を生じさせる駆動装置５０を制御する。

図１に示すように、鉄道車両には、鉄道車両の推進力を生じさせる駆動装置５０と駆動装置５０を制御する駆動制御装置１０とが搭載される。
駆動装置５０は、架線５１を介して直流電力を取得する集電装置５２に電力変換部５３を電気的に接続、または集電装置５２から電力変換部５３を電気的に切り離す接触器ＭＣ１と、電力変換部５３の一次端子間に接続されるフィルタコンデンサＦＣ１と、フィルタコンデンサＦＣ１を介して供給される直流電力を電動機５４に供給するための三相交流電力に変換して三相交流電力を電動機５４に供給する電力変換部５３と、電力変換部５３に駆動されて車軸に動力を与える電動機５４と、を備える。

例えば、電力変換部５３は出力交流電力の実効電圧と周波数が可変であるインバータであり、電動機５４は三相誘導電動機である。電力変換部５３が電動機５４に三相交流電力を供給することで、電動機５４が駆動される。駆動された電動機５４は、継手および歯車を介して車軸に動力を与える。

電気ブレーキによって鉄道車両を減速させるためには、電力変換部５３は双方向の電力変換が可能なインバータであることが好ましい。この場合、電力変換部５３は、鉄道車両のブレーキ時に、発電機として動作する電動機５４で生じた三相交流電力を、架線５１を介して近隣を走行している他の鉄道車両に供給するための直流電力に変換すればよい。電動機５４で生じた三相交流電力を他の鉄道車両に供給して消費することで、鉄道車両を減速させる電気ブレーキ力が得られる。

駆動制御装置１０は、台車の故障の有無を判別する故障判別装置１と、図示しない運転台から取得した運転指令に応じて駆動装置５０が備える電力変換部５３が有する複数のスイッチング素子のオンオフを制御する駆動制御部３１と、運転指令に応じて電気ブレーキ力および機械ブレーキ力の少なくともいずれかを生じさせるブレーキ制御部３２と、を備える。台車の故障は、例えば、台車が備える車軸の損傷または摩耗、車軸を回転可能に支持する軸受の損傷または摩耗等を含む。

故障判別装置１は、後述の速度発電機１１が出力するセンサ信号の周波数を算出し、算出した周波数から台車の故障の有無を判別する。センサ信号の周波数から台車の故障の有無を判別するため、車軸の回転に伴って回転する別部材の回転速度、例えば後述の電動機５４の電機子軸の回転速度を測定する必要がなく、センサ信号の電圧値を測定する電圧検出回路を設ける必要もない。このため、故障判別装置１および故障判別装置１を備える駆動制御装置１０の構造が簡易である。

駆動制御装置１０の各部の詳細について以下に説明する。
駆動制御装置１０が備える故障判別装置１は、図２に示すように、車軸の回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機１１と、センサ信号の周波数を算出する周波数算出部１２と、周波数算出部１２で算出された周波数から回転体を含む台車の故障の有無を判別する判別部１３と、を備える。

故障判別装置１の各部の詳細について以下に説明する。
速度発電機１１は、回転体のシャフトの回転を検出する非接触型の速度発電機である。詳細には、速度発電機１１は、車軸に取り付けられた歯車と、歯車に径方向に対向する磁極と、磁極に巻かれたコイルと、を備える。車軸の回転に伴って歯車が回転すると、磁極に磁路が形成され、磁束が生じる。磁極に巻かれたコイルは、磁束の変化に応じた波形の電圧を発生させる。この結果、速度発電機１１は、図３に示すセンサ信号を出力する。図３の横軸は時間を示し、縦軸はセンサ信号の電圧値を示す。

図３において、時刻Ｔ１で車軸が回転を開始するものとする。センサ信号の周波数は、車軸の回転速度に応じて変化する。詳細には、センサ信号の周波数は、車軸の回転速度に比例する。換言すれば、時刻Ｔ１以降、センサ信号の周波数は、車軸の回転速度の増大に伴って増大する。車軸の回転開始直後、すなわち、時刻Ｔ１の直後は、センサ信号の振幅は小さいが、回転速度の増大に伴ってセンサ信号の振幅は増大する。この結果、時刻Ｔ２以降、センサ信号の振幅は、後述の周波数算出部１２で周波数の算出が可能な程度の大きさとなるものとする。車軸の回転速度が十分に大きくなると、センサ信号の振幅は一定となる。

周波数算出部１２は、図２に示すように、速度発電機１１が出力するセンサ信号のノイズを低減するフィルタ部２１と、フィルタ部２１の出力からパルス信号を生成する波形成形部２２と、パルス信号に基づいてセンサ信号の周波数を算出する演算部２３と、を有する。

フィルタ部２１は、例えばＬＰＦ（Low Pass Filter：低域通過フィルタ）であり、速度発電機１１が出力するセンサ信号に重畳されているノイズを低減する。そして、フィルタ部２１は、ノイズが低減されたセンサ信号を波形成形部２２に送る。

波形成形部２２は、フィルタ部２１でノイズが低減されたセンサ信号に基づいて、図４に示すパルス信号を生成する。詳細には、波形成形部２２は、例えばコンパレータを有し、フィルタ部２１でノイズが低減されたセンサ信号の電圧値と閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、センサ信号の電圧値が閾値電圧Ｖｔｈ以上であればＨ（High）レベルであり、センサ信号の電圧値が閾値電圧Ｖｔｈ未満であればＬ（Low）レベルである信号を出力する。閾値電圧Ｖｔｈは、車軸が停止している際に起こり得るセンサ信号の変動幅より大きい値とすることが好ましい。これにより、センサ信号の変動に基づいてセンサ信号の周波数を誤って算出することが防止される。

図４の時刻Ｔ１，Ｔ２は、図３の時刻Ｔ１，Ｔ２と同じである。時刻Ｔ２において、図３に示すセンサ信号の電圧値が閾値電圧Ｖｔｈに到達すると、図４に示す波形成形部２２が生成するパルス信号が立ち上がる。

演算部２３は、波形成形部２２が出力するパルス信号に基づいて、単位時間あたりのパルス数をカウントし、センサ信号の周波数を算出する。単位時間あたりのパルス数をカウントすることで得られるパルス信号の周波数は、速度発電機１１が生成するセンサ信号の周波数に相当する。詳細には、演算部２３は、時刻Ｔ２においてパルス信号の立ち上がりを検出すると、センサ信号の周波数を算出する処理を開始する。例えば、演算部２３は、カウンタおよびタイマを有し、単位時間ごとにパルスの立ち上がりをカウントし、カウント数に応じてセンサ信号の周波数を演算し、演算した周波数を出力する。

図２に示す判別部１３は、周波数算出部１２で算出されたセンサ信号の周波数から台車の故障の有無を判別する。詳細には、判別部１３は、車軸の回転開始後に車軸の回転速度が増大している間に周波数算出部１２で算出されたセンサ信号の周波数から台車の故障の有無を判別することが好ましい。判別部１３は、運転指令を取得し、運転指令がブレーキ指令から力行指令に変化した後に周波数算出部１２で算出されたセンサ信号の周波数から台車の故障の有無を判別すればよい。運転指令がブレーキ指令から力行指令に変化すると、車軸が回転を開始したとみなすことができる。センサ信号の周波数から台車の故障の有無を判別する手法について以下に説明する。

上述したように、センサ信号の周波数は車軸の回転速度に応じて変化するため、車軸の回転速度が増大すると、センサ信号の周波数は増大する。車軸の回転開始直後はセンサ信号の振幅は小さく、車軸の回転速度が十分に大きくなるまでは、センサ信号の振幅は車軸の回転速度の増大に伴って増大する。センサ信号の周波数と振幅の関係を図５に示す。図５の横軸はセンサ信号の周波数を示し、縦軸はセンサ信号の振幅を示す。図５において台車の故障が生じていない場合のセンサ信号の周波数と振幅の関係を実線で示す。

図３の時刻Ｔ２に示すようにセンサ信号の電圧が閾値電圧Ｖｔｈに到達すると、波形成形部２２が生成するパルス信号が立ち上がる。このときのセンサ信号の振幅を振幅Ａ１とする。図５に示すように、台車の故障が生じていない場合に、センサ信号の振幅が振幅Ａ１に到達した直後に演算部２３で算出されたセンサ信号の周波数を周波数Ｆ１とする。

回転体の故障、例えば軸受の損傷が生じると、車軸が正常時の位置からずれ、速度発電機１１の歯車と磁極との間隔が広くなると、速度発電機１１が出力するセンサ信号の電圧は正常時よりも小さくなる。このため、センサ信号の電圧が閾値電圧Ｖｔｈに到達するまでに要する時間、換言すれば、センサ信号の振幅が振幅Ａ１に到達するまでに要する時間は、正常時よりも長くなる。この場合のセンサ信号の周波数と振幅の関係を図５に一点鎖線で示す。センサ信号の振幅が振幅Ａ１に到達した直後に演算部２３で算出されたセンサ信号の周波数を周波数Ｆ２とすると、周波数Ｆ２は周波数Ｆ１より大きくなる。

車軸が正常時の位置からずれ、速度発電機１１の歯車と磁極との間隔が狭くなると、センサ信号の電圧は正常時よりも大きくなる。このため、センサ信号の電圧が閾値電圧Ｖｔｈに到達するまでに要する時間、換言すれば、センサ信号の振幅が振幅Ａ１に到達するまでに要する時間は、正常時よりも短くなる。この場合のセンサ信号の周波数と振幅の関係を図５に二点鎖線で示す。センサ信号の振幅が振幅Ａ１に到達した直後に演算部２３で算出されたセンサ信号の周波数を周波数Ｆ３とすると、周波数Ｆ３は周波数Ｆ１より小さくなる。

上述したように、回転体の故障が生じると、回転体のシャフトの回転を検出する速度発電機１１が出力するセンサ信号の周波数と振幅の関係が変化する。この変化を利用して判別部１３は、台車の故障の有無を判別する。判別部１３は、車軸の回転開始後において図４に示すパルス信号の最初の立ち上がりの直後に周波数算出部１２が有する演算部２３で算出された周波数から台車の故障の有無を判別することが好ましい。換言すれば、判別部１３は、車軸の回転開始後に、周波数算出部１２が最初に算出した周波数に基づいて、車軸の故障の有無を判別することが好ましい。

例えば、判別部１３は、周波数算出部１２で算出された周波数が目標周波数範囲内にあるか否かを判別する。周波数算出部１２で算出された周波数が目標周波数範囲内にあれば、台車の故障が生じていないとみなすことができる。周波数算出部１２で算出された周波数が目標周波数範囲内にない場合は、台車の故障が生じているとみなすことができる。目標周波数範囲は、試験走行またはシミュレーションによって定めることができる。具体的には、台車に故障が生じていない場合に車軸の回転開始後に車軸の回転速度が増大している間にセンサ信号の周波数が取り得る値を含む範囲が目標周波数範囲として設定される。例えば、台車に故障が生じていない場合にセンサ信号の振幅が振幅Ａ１に到達した際のセンサ信号の周波数が取り得る値の上下３０％を含む範囲を目標周波数範囲とすればよい。

故障判別装置１は、故障が生じていると判別した場合に、判別結果を駆動制御部３１およびブレーキ制御部３２に送ることが好ましい。

図１に示す駆動制御部３１は、上述の故障判別装置１から判別結果を取得し、図示しない運転台から運転指令を取得する。そして、駆動制御部３１は、運転指令に応じて電力変換部５３が有するスイッチング素子のオンオフを制御する。運転指令は、車両の加速を指示する力行指令または車両の減速を指示するブレーキ指令を含む。詳細には、駆動制御部３１は、運転指令が力行指令を含む場合、力行指令が示す目標加速度に応じて電力変換部５３を制御する。駆動制御部３１は、故障判別装置１から故障が生じている旨の判別結果を取得すると、運転指令によらず、電力変換部５３が有するスイッチング素子をオフにすることが好ましい。この結果、故障判別装置１で台車の故障が生じていると判別された場合、車両は加速を停止し、惰性で走行する。

電気ブレーキによって鉄道車両を減速させることが可能な場合、駆動制御部３１は、後述のブレーキ制御部３２から取得した回生ブレーキパターン信号に応じて電力変換部５３を制御する。この結果、電力変換部５３は、鉄道車両のブレーキ時に発電機として動作する電動機５４で生じた三相交流電力を、架線５１を介して近隣を走行している他の鉄道車両に供給するための直流電力に変換する。電動機５４で生じた三相交流電力が他の鉄道車両に供給されて消費されることで電気ブレーキ力が生じる。

ブレーキ制御部３２は、運転指令がブレーキ指令を含む場合、ブレーキ指令が示す目標減速度に応じて、鉄道車両の制動力を生じさせるブレーキ装置を制御する。ブレーキ装置は、電気ブレーキを生じさせる電力変換部５３と機械ブレーキ装置５５とを含む。具体的には、ブレーキ制御部３２は、ブレーキ指令が示す目標減速度および図示しない応荷重装置から取得した車両の重量から、目標減速度を得るためのブレーキ力である総ブレーキ力を算出する。そして、ブレーキ制御部３２は、総ブレーキ力に応じて電気ブレーキ力の目標値を決定し、電気ブレーキ力の目標値を示す回生ブレーキ信号を駆動制御部３１に送信する。ブレーキ制御部３２は、駆動制御部３１から実際に生じている電気ブレーキ力を示す実ブレーキ力を取得し、実ブレーキ力が総ブレーキ力に満たない場合、総ブレーキ力を得るために機械ブレーキ装置５５を制御して機械ブレーキ力を生じさせる。

ブレーキ制御部３２は、故障判別装置１から故障が生じている旨の判別結果を取得すると、運転指令によらず、電気ブレーキ力および機械ブレーキ力の少なくともいずれかを生じさせる制御を行うことが好ましい。例えば、ブレーキ制御部３２は、故障判別装置１から故障が生じている旨の判別結果を取得すると、運転指令によらず、機械ブレーキ装置５５を制御して非常ブレーキを動作させればよい。
故障判別装置１が台車の故障が生じていると判別した場合に、駆動制御装置１０が有する駆動制御部３１が電力変換部５３のスイッチング素子を停止させることで駆動装置５０を停止させ、ブレーキ制御部３２がブレーキ力を生じさせることで、鉄道車両を安全に停止させることが可能となる。

上述の故障判別装置１および駆動制御装置１０は、図６に示すように、各部を制御するハードウェア構成として、プロセッサ６１と、メモリ６２と、インターフェース６３と、を備える。プロセッサ６１、メモリ６２、およびインターフェース６３は互いにバス６０で接続されている。故障判別装置１および駆動制御装置１０の各機能は、プロセッサ６１がメモリ６２に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。インターフェース６３は故障判別装置１および駆動制御装置１０のそれぞれと外部装置とを接続し、通信を確立させるためのものである。一例として、故障判別装置１は、インターフェース６３を介して駆動制御装置１０に接続される。他の一例として、駆動制御装置１０は、インターフェース６３を介して電力変換部５３の複数のスイッチング素子に複数のスイッチング素子を制御するための信号を送信する。インターフェース６３は、必要に応じて複数の種類のインターフェースモジュールを有する。

図６では、故障判別装置１および駆動制御装置１０はそれぞれ、プロセッサ６１およびメモリ６２をそれぞれ１つずつ有するが、故障判別装置１および駆動制御装置１０はそれぞれ、複数のプロセッサ６１および複数のメモリ６２を有してもよい。この場合、複数のプロセッサ６１および複数のメモリ６２が連携することで、各機能が実行されればよい。

上記構成を有する故障判別装置１が行う回転体の故障の有無を判別する動作について図７を用いて以下に説明する。故障判別装置１は運転指令に変化があった場合に図７に示す処理を行えばよい。
故障判別装置１が備える判別部１３は、運転台から運転指令を取得する（ステップＳ１１）。運転指令がブレーキ指令または力行指令から変化がない場合、あるいは、運転指令が力行指令からブレーキ指令に変化した場合は（ステップＳ１２；Ｎｏ）、演算部２３は、ステップＳ１１の処理を繰り返す。

運転指令がブレーキ指令から力行指令に変化した場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、判別部１３は、周波数算出部１２から周波数を取得する（ステップＳ１３）。詳細には、判別部１３は、波形成形部２２が生成するパルス信号が立ち上がった後に、演算部２３がパルス信号から算出したセンサ信号の周波数を演算部２３から取得する。

判別部１３は、ステップＳ１３で取得した周波数が目標周波数範囲内であるか否かを判別する（ステップＳ１４）。ステップＳ１３で取得した周波数が目標周波数範囲内である場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、故障判別装置１は故障判別の処理を終了する。

ステップＳ１３で取得した周波数が目標周波数範囲内にない場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、判別部１３は判別結果を駆動制御部３１およびブレーキ制御部３２に出力する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５の処理が終了すると、故障判別装置１は故障判別の処理を終了する。

以上説明したとおり、実施の形態１に係る故障判別装置１は、センサ信号の周波数から回転体を含む台車の故障の有無を判別する。センサ信号の周波数から台車の故障の有無を判別するため、車軸から回転力を伝達される別の部材の回転速度、例えば、電動機５４の電機子軸の回転速度を測定する必要がなく、センサ信号の電圧値を測定する電圧検出回路を設ける必要もない。このため、故障判別装置１および故障判別装置１を備える駆動制御装置１０の構造が簡易である。

（実施の形態２）
回転体の故障の有無の判別は、複数のセンサ信号に基づいてなされてもよい。複数のセンサ信号に基づいて台車の故障の有無を判別する故障判別装置２について実施の形態２で説明する。

図８に示す実施の形態２に係る故障判別装置２は、複数の速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、周波数算出部１４と、判別部１３と、を備える。速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄはそれぞれ、実施の形態１に係る故障判別装置１が備える速度発電機１１と同様の構造を有し、同様の動作を行う。例えば、速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄはそれぞれ、同じ車両の互いに異なる車軸の回転を検出する。具体的には、鉄道車両を構成する各車両には、２つの台車が設けられ、各台車には２つの車軸が設けられているため、速度発電機１１ａ，１１ｂはそれぞれ一方の台車の異なる車軸の回転を検出し、速度発電機１１ｃ，１１ｄは他方の台車の異なる車軸の回転を検出すればよい。

周波数算出部１４は、複数のフィルタ部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと、複数の波形成形部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと、複数の演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと、を有する。

フィルタ部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはそれぞれ、実施の形態１に係る故障判別装置１が備える周波数算出部１２が有するフィルタ部２１と同様の構造を有し、同様の動作を行う。フィルタ部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはそれぞれ、速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが出力するセンサ信号に重畳されているノイズを低減する。

波形成形部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄはそれぞれ、実施の形態１に係る故障判別装置１が備える周波数算出部１２が有する波形成形部２２と同様の構造を有し、同様の動作を行う。波形成形部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄはそれぞれ、フィルタ部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄのそれぞれでノイズが低減されたセンサ信号に基づいて、パルス信号を生成する。

演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄはそれぞれ、実施の形態１に係る故障判別装置１が備える周波数算出部１２が有する演算部２３と同様の構造を有し、同様の動作を行う。演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄはそれぞれ、波形成形部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが出力するパルス信号に基づいて、単位時間ごとのパルス数をカウントし、センサ信号の周波数を算出する。換言すれば、演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄはそれぞれ、速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが出力するセンサ信号の周波数を算出する。

同じ台車に取り付けられる車軸は、同様に摩耗するため、台車の故障が生じていない場合はセンサ信号の周波数のばらつきは十分に小さい。そこで、判別部１３は、周波数算出部１４で算出された各センサ信号の周波数のばらつきに基づいて台車の故障の有無を判別する。詳細には、判別部１３は、周波数算出部１４で算出された各センサ信号の周波数のばらつきを算出し、ばらつきが規定範囲内であるか否かを判別する。センサ信号の周波数のばらつきが規定範囲内である場合は、台車に故障が生じていないとみなすことができる。センサ信号の周波数のばらつきが規定範囲内にない場合は、台車に故障が生じているとみなすことができる。規定範囲は、シミュレーションまたは試験走行によって、台車に故障が生じていない場合に各センサ信号の周波数のばらつきに基づいて定めればよい。

実施の形態２では、判別部１３は、差分器およびコンパレータを有し、同じ台車に取り付けられている異なる車軸の回転を検出する速度発電機１１ａ，１１ｂのそれぞれのセンサ信号の周波数の差を算出し、速度発電機１１ａ，１１ｂのそれぞれのセンサ信号の周波数の差が差分閾値以上であるか否かを判別する。速度発電機１１ａ，１１ｂのそれぞれのセンサ信号の周波数の差が差分閾値以上であれば、速度発電機１１ａ，１１ｂの測定対象である車軸が取り付けられている台車の故障が生じているとみなすことができる。速度発電機１１ａ，１１ｂのそれぞれのセンサ信号の周波数の差が差分閾値未満であれば、速度発電機１１ａ，１１ｂの測定対象である車軸が取り付けられている台車の故障は生じていないとみなすことができる。

判別部１３は、同じ台車に取り付けられている異なる車軸の回転速度を検出する速度発電機１１ｃ，１１ｄのそれぞれのセンサ信号の周波数の差が差分閾値以上であるか否かを判別する。速度発電機１１ｃ，１１ｄのそれぞれのセンサ信号の周波数の差が差分閾値以上であれば、速度発電機１１ｃ，１１ｄの測定対象である車軸が取り付けられている台車の故障が生じているとみなすことができる。速度発電機１１ｃ，１１ｄのそれぞれのセンサ信号の周波数の差が差分閾値未満であれば、速度発電機１１ｃ，１１ｄの測定対象である車軸が取り付けられている台車の故障は生じていないとみなすことができる。

上記構成を有する故障判別装置２が行う回転体の故障の有無を判別する動作について図９を用いて以下に説明する。故障判別装置１は運転指令に変化があった場合に図９に示す処理を行えばよい。
ステップＳ１１－Ｓ１３の処理は、実施の形態１と同様である。ステップＳ１３において、判別部１３は、演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄのそれぞれからセンサ信号の周波数を取得する。

判別部１３は、ステップＳ１３で取得した各センサ信号の周波数のばらつきを算出する（ステップＳ２１）。詳細には、判別部１３は、演算部２３ａ，２３ｂで算出された周波数の差と、演算部２３ｃ，２３ｄで算出された周波数の差を算出する。

そして、判別部１３は、ステップＳ２１で算出した各センサ信号の周波数のばらつきが規定範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ２２）。詳細には、判別部１３は、演算部２３ａ，２３ｂで算出された周波数の差が差分閾値未満であるか否かを判別する。判別部１３は、演算部２３ｃ，２３ｄで算出された周波数の差が差分閾値未満であるか否かを判別する。

各センサ信号の周波数のばらつきが規定範囲内である場合、具体的には、演算部２３ａ，２３ｂで算出された周波数の差および演算部２３ｃ，２３ｄで算出された周波数の差がそれぞれ差分閾値未満である場合（ステップＳ２２；Ｙｅｓ）、故障判別装置２は、故障判別の処理を終了する。

各センサ信号の周波数のばらつきが規定範囲内にない場合、具体的には、演算部２３ａ，２３ｂで算出された周波数の差または演算部２３ｃ，２３ｄで算出された周波数の差が差分閾値以上である場合（ステップＳ２２；Ｎｏ）、判別部１３は判別結果を駆動制御部３１およびブレーキ制御部３２に出力する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５の処理が終了すると、故障判別装置２は故障判別の処理を終了する。

以上説明したとおり、実施の形態２に係る故障判別装置２は、複数のセンサ信号の周波数から回転体を含む台車の故障の有無を判別する。複数のセンサ信号の周波数のばらつきに基づいて台車の故障の有無を判別するため、例えば同じ台車の一部の車軸のみが摩耗している故障を検出することが可能となる。

上述の実施の形態は一例であり、上述の実施の形態は任意に組み合わせることができる。上述のハードウェア構成およびフローチャートは一例であり、任意に変更および修正が可能である。

一例として、故障判別装置２は、各センサ信号の周波数が目標周波数範囲内にない場合に、各センサ信号の周波数のばらつきが規定範囲内であるか否かを判別してもよい。詳細には、図１０に示すように、判別部１３は、演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄで算出されたセンサ信号の周波数のそれぞれが目標周波数範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ１４）。演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄで算出されたセンサ信号の周波数のそれぞれが目標周波数範囲内にある場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、故障判別装置２は、故障判別の処理を終了する。

演算部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄで算出されたセンサ信号の周波数の少なくともいずれかが目標周波数範囲にない場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、判別部１３は、ステップＳ１３で取得した各センサ信号の周波数のばらつきを算出する（ステップＳ２１）。後続の処理は実施の形態２と同様である。図１０に示す処理を行う故障判別装置２は、各センサ信号の周波数が目標周波数範囲にあるか否かを判別した上で、各センサ信号の周波数のばらつきに基づいて台車の故障の有無を判別するため、精度よく回転体の故障の有無を判別することが可能となる。

故障判別装置２が備える速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの数は４つに限られず、任意である。一例として、故障判別装置２は、同じ車両に設けられた２つの台車の一方の１つの車軸の回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機１１ａと、同じ車両に設けられた２つの台車の他方の１つの車軸の回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機１１ｂと、を備えてもよい。

判別部１３は、運転指令に限られず、他の信号に基づいて車軸が回転を開始したか否かを判別してもよい。一例として、判別部１３は、ドアの開閉信号がドアが開いていることを示している状態からドアの開閉信号がドアが閉じられていることを示している状態に変化した場合に、車軸が回転を開始したとみなしてもよい。

センサ信号の周波数のばらつきを示す値は、センサ信号の周波数の差に限られない。一例として、故障判別装置２が備える判別部１３は、各センサ信号の周波数と他のセンサ信号の周波数の平均値との差が差分閾値以上であるか否かを判別してもよい。例えば、判別部１３は、速度発電機１１ａのセンサ信号の周波数と速度発電機１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのセンサ信号の周波数の平均値との差が差分閾値以上であるか否かを判別すればよい。この場合、速度発電機１１ａのセンサ信号の周波数と速度発電機１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのセンサ信号の周波数の平均値との差が差分閾値以上である場合、速度発電機１１ａの測定対象である車軸または車軸を回転可能に支持する軸受に故障が生じているとみなすことができる。

他の一例として、判別部１３は、各センサ信号の周波数の最大値と最小値との差が差分閾値以上であるか否かを判別してもよい。各センサ信号の周波数の最大値と最小値との差が差分閾値以上である場合、台車の故障が生じているとみなすことができる。

他の一例として、判別部１３は、目標周波数範囲とは別に定義された周波数範囲に基づいて、故障の予兆の有無を判別してもよい。例えば、判別部１３は、上述の実施の形態で説明した目標周波数範囲である第１周波数範囲、および第１周波数範囲とは異なる第２周波数範囲を用いて故障の予兆の有無を判別すればよい。詳細には、判別部１３は、周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲であるか否かを判別し、周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲にない場合には、周波数算出部１２で算出された周波数が第２周波数範囲であるか否かを判定すればよい。第２周波数範囲は、第１周波数範囲を含む周波数範囲であればよい。例えば、第２周波数範囲は、第１周波数範囲の上下を３０％ずつ広くした範囲である。

周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲にある場合は、台車の故障は生じておらず、台車の故障の予兆はないとみなすことができる。周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲になく、かつ、周波数算出部１２で算出された周波数が第２周波数範囲にある場合は、台車の故障は生じていないが、台車の故障の予兆があるとみなすことができる。周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲および第２周波数範囲のいずれにもない場合は、台車の故障が生じているとみなすことができる。判別部１３が上述の処理を行うことで、故障が生じる前に、故障の予兆の有無を判別することが可能となる。上述の処理を行う判別部１３を備える故障判別装置１は、故障の予兆の有無についての判別結果および故障の有無の判別結果を駆動制御部３１およびブレーキ制御部３２に送ることが好ましい。

他の一例として、判別部１３は、定められた判別条件が満たされるたびに判別処理を行うことを繰り返し、複数の判別処理の結果に基づいて故障の予兆の有無を判別してもよい。詳細には、判別部１３は、上述の実施の形態で説明した目標周波数範囲である第１周波数範囲、および第１周波数範囲とは異なる第３周波数範囲を用いて故障の予兆の有無を判別すればよい。詳細には、判別部１３は、毎日最初の運転開始時に、周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲であるか否かを判別し、周波数算出部１２で算出された周波数が第１周波数範囲にある場合には、周波数算出部１２で算出された周波数が第３周波数範囲であるか否かを判別すればよい。判別部１３は、上述の判別結果を図示しないメモリに記憶する。そして、判別部１３は、メモリに記憶されている直近の複数の判別結果が全て、周波数算出部１２で算出された周波数が第３周波数範囲にないことを示しているか否かを判別する。第３周波数範囲は、第１周波数範囲に含まれる周波数範囲であればよい。例えば、第３周波数範囲は、第１周波数範囲の上下を３０％ずつ狭くした範囲である。

メモリに記憶されている直近の複数の判別結果、例えば直近の一週間分の判別結果が全て、周波数算出部１２で算出された周波数が第３周波数範囲にないことを示している場合は、直近の期間で、センサ信号の周波数は故障の有無の判別に用いられる第１周波数範囲にはあるが、第１周波数範囲の上限値または下限値に近い値であるため、故障の予兆があるとみなすことができる。判別部１３が上述の処理を行うことで、故障が生じる前に、故障の予兆の有無を判別することが可能となる。上述の処理を行う判別部１３を備える故障判別装置１は、故障の予兆の有無についての判別結果および故障の有無の判別結果を駆動制御部３１およびブレーキ制御部３２に送ることが好ましい。

判別条件は、上述の例に限られず、任意である。一例として、判別部１３は、鉄道車両が定められたターミナル駅を出発する際に毎回判別処理を行ってもよい。他の一例として、判別部１３は、鉄道車両が各駅を出発するたびに判別処理を行ってもよい。

故障判別装置１，２は、判別部１３の判別結果によらず、判別結果を常に駆動制御部３１およびブレーキ制御部３２に送ってもよい。

駆動制御装置１０の構成は上述の例に限られず、回転体に動力を与える駆動装置の制御を可能とする構成であれば任意である。一例として、駆動制御装置１０が備えるブレーキ制御部３２は、機械ブレーキ装置５５による機械ブレーキ力のみを生じさせてもよい。故障判別装置１で故障が生じていると判別された場合、ブレーキ制御部３２は機械ブレーキ装置を制御して常用ブレーキを作動させてもよいし、非常ブレーキを作動させてもよい。他の一例として、ブレーキ制御部３２は、鉄道車両のブレーキ時に発電機として動作する電動機５４で生じた三相交流電力をブレーキ抵抗で消費させることで電気ブレーキ力を生じさせてもよい。

駆動装置５０の構成は上述の例に限られず、回転体に動力を与えることを可能とする構成であれば任意である。一例として、駆動装置５０は、自動車、航空機、船舶等の任意の移動体に搭載され、移動体の推進力を生じさせる駆動装置でもよい。
駆動装置５０は、直流き電方式の電気鉄道車両に限られず、交流き電方式の電気鉄道車両に搭載されてもよい。駆動装置５０は、内燃機関から動力を得る気動車に搭載されてもよい。

上述の例では、速度発電機１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、車軸の回転を検出したが、回転の検出対象は車軸に限られない。故障判別装置１，２が故障の有無を判別する対象である回転体は、動力を受けて回転するシャフトとシャフトを回転可能に支持する支持機構とを有する任意の回転体である。一例として、故障判別装置１が備える速度発電機１１は、電動機５４の電機子軸の回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力してもよい。詳細には、速度発電機１１が有する歯車は、電動機５４の電機子軸に取り付けられればよい。この場合、故障判別装置１は電動機５４の電機子軸の回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号の周波数に基づいて電動機５４の故障の有無を判別すればよい。

同様に、故障判別装置２は、異なる車両のそれぞれに設けられている複数の電動機５４の電機子軸の回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが出力するセンサ信号のばらつきに基づいて、複数の電動機５４の故障の有無を判別してもよい。

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

１，２ 故障判別装置、１０ 駆動制御装置、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 速度発電機、１２，１４ 周波数算出部、１３ 判別部、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ フィルタ部、２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 波形生成部、２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 演算部、３１ 駆動制御部、３２ ブレーキ制御部、５０ 駆動装置、５１ 架線、５２ 集電装置、５３ 電力変換部、５４ 電動機、５５ 機械ブレーキ装置、６０ バス、６１ プロセッサ、６２ メモリ、６３ インターフェース、ＦＣ１ フィルタコンデンサ、ＭＣ１ 接触器。

Claims (14)

1. 動力を受けて回転するシャフトと前記シャフトを回転可能に支持する支持機構とを有する回転体の故障の有無を判別する故障判別装置であって、
   前記シャフトの回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機と、
   前記速度発電機から出力される前記センサ信号の周波数を算出する周波数算出部と、
   前記周波数算出部で算出された前記周波数が目標周波数範囲内にあるか否かを判別することで、前記回転体の故障の有無を判別する判別部と、
   を備える故障判別装置。
2. 前記判別部は、前記シャフトの回転開始後に前記シャフトの回転速度が増大している間に前記周波数算出部で算出された前記周波数から前記回転体の故障の有無を判別する、
   請求項１に記載の故障判別装置。
3. 動力を受けて回転するシャフトと前記シャフトを回転可能に支持する支持機構とを有する回転体の故障の有無を判別する故障判別装置であって、
   前記シャフトの回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機と、
   前記速度発電機から出力される前記センサ信号の周波数を算出する周波数算出部と、
   前記周波数算出部で算出された前記周波数から前記回転体の故障の有無を判別する判別部と、を備え、
   前記判別部は、前記シャフトの回転開始後に前記シャフトの回転速度が増大している間に前記周波数算出部で算出された前記周波数から前記回転体の故障の有無を判別する、
   故障判別装置。
4. 前記周波数算出部は、前記センサ信号の電圧が閾値電圧以上であるか否かに基づいてパルス信号を生成し、前記シャフトの回転開始後に前記パルス信号が立ち上がると、前記パルス信号に基づいて前記センサ信号の周波数を算出する処理を開始する、
   請求項２または３に記載の故障判別装置。
5. 前記判別部は、前記シャフトの回転開始後において前記パルス信号の最初の立ち上がりの直後に前記周波数算出部で算出された前記周波数から前記回転体の故障の有無を判別する、
   請求項４に記載の故障判別装置。
6. 複数の前記速度発電機を備え、
   前記複数の速度発電機は、前記回転体が有する複数の前記シャフトの回転をそれぞれ検出して前記センサ信号を出力し、
   前記周波数算出部は、前記速度発電機のそれぞれから前記センサ信号を取得し、前記速度発電機のそれぞれから取得した前記センサ信号の周波数を算出し、
   前記判別部は、前記周波数算出部で算出された前記センサ信号のそれぞれの前記周波数から前記回転体の故障の有無を判別する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の故障判別装置。
7. 複数の前記速度発電機を備え、
   前記複数の速度発電機は、複数の前記回転体がそれぞれ有する前記シャフトの回転を検出して前記センサ信号を出力し、
   前記周波数算出部は、前記速度発電機のそれぞれから前記センサ信号を取得し、前記速度発電機のそれぞれから取得した前記センサ信号の周波数を算出し、
   前記判別部は、前記周波数算出部で算出された前記センサ信号のそれぞれの前記周波数から前記複数の回転体の故障の有無を判別する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の故障判別装置。
8. 前記判別部は、前記シャフトに動力を与える駆動装置を制御する駆動制御装置に前記回転体の故障の有無を通知する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の故障判別装置。
9. 前記速度発電機は、車両の推進力を生じさせる駆動装置から動力を受けて回転する車軸である前記シャフトの回転を検出し、前記センサ信号を出力する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の故障判別装置。
10. 前記速度発電機は、車両に搭載され、前記車両の推進力を生じさせる駆動装置が備える電動機が有する電機子軸である前記シャフトの回転を検出し、前記センサ信号を出力する、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の故障判別装置。
11. 前記判別部は、前記車両の運転指令を取得し、前記運転指令が前記車両の減速を指示するブレーキ指令から前記車両の加速を指示する力行指令に変化した場合に、前記シャフトが回転を開始したと判定する、
    請求項９または１０に記載の故障判別装置。
12. 請求項９から１１のいずれか１項に記載の故障判別装置と、
    前記車両の運転指令を取得し、前記運転指令が前記車両の加速を指示する力行指令である場合、前記駆動装置を、前記力行指令に応じて制御する駆動制御部と、を備え、
    前記駆動制御部は、前記故障判別装置が備える前記判別部が前記回転体の故障が生じていると判別した場合、前記運転指令によらず、前記駆動装置を停止させる、
    駆動制御装置。
13. 前記運転指令を取得し、前記運転指令が前記車両の減速を指示するブレーキ指令である場合、前記車両の制動力を生じさせるブレーキ装置を、前記ブレーキ指令に応じて制御するブレーキ制御部をさらに備え、
    前記ブレーキ制御部は、前記故障判別装置が備える前記判別部が前記回転体の故障が生じていると判別した場合、前記運転指令によらず、前記ブレーキ装置を制御して前記車両の制動力を生じさせる、
    請求項１２に記載の駆動制御装置。
14. 動力を受けて回転するシャフトと前記シャフトを回転可能に支持する支持機構とを有する回転体の故障の有無を判別する故障判別方法であって、
    前記シャフトの回転速度に応じて周波数が変化するセンサ信号を出力する速度発電機から出力される前記センサ信号の周波数を算出し、
    算出された前記センサ信号の前記周波数が目標周波数範囲内にあるか否かを判別することで、前記回転体の故障の有無を判別する、
    故障判別方法。

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