JPH08205308A - 車両用集電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、軽量で制御性，応答性に優
れ、かつ耐アーク性の良好な高速鉄道車両に好適な低騒
音の車両用集電装置を提供する。 【構成】集電装置２０は、架線１と接触して集電する摺
り板２１を保持する集電体２２，これを支持する支持碍
子３０，ケーブルヘッド５０をはじめとする導電機構を
主構造物とし、格納ドーム４等から構成される。架線１
と摺り板２１の接触力が常に適正値になるようにアクチ
ュエータで、集電体２２を支持碍子３０と共に上下制御
する。摺り板２１の周囲に耐アーク保護板２４を配置
し、さらに架線１の伸長方向端部に耐熱，高抵抗のアー
ク移動障壁板２５ａ，２５ｂを設けることで、軽量化に
よる制御性向上と、架線，摺り板間のアークの移動、お
よびアークに伴う高温溶融飛散物による集電体の損傷防
止を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は車両用集電装置に係わ
り、特に、高速鉄道車両に好適な低騒音な車両用集電装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の高速化に伴う空力騒音は速度
の８乗程度に比例して増加するため、車両速度の増加に
伴い急激に増加する。一方、環境の保全に対する関心は
今後ますます高まるものと考えられる。このため、高速
で走行する車両では低騒音の集電装置が求められてい
る。

【０００３】高速車両用の低騒音集電装置の一例とし
て、日経メカニカル１９９２年５月４日号第２２頁から
第４０頁「速くなる新幹線」の中で、第２７頁図４，図
５に示されているようなＴ型構成の集電装置が提案され
ている。これは架線と接触して集電するための摺り板を
保持する部材を流線型として一本の碍子で支える構成
で、集電装置周囲の空気の流れの乱れを抑えて騒音を低
減するものである。また、同様な考えに基づく集電装置
が特開平5−49103号公報や特開平5−49104号公報に示さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したＴ型の集電装
置においては、騒音低減には有効な流線型の摺り板保持
部材（以下、集電体と呼ぶ）であるが、高速走行時に揚
力が作用することに伴う架線への過剰な押付け力や、逆
に離線が問題となる。従来、パンタグラフと呼ばれてい
る構造の集電装置においては集電体の支持機構に組み込
んだばねの動作により摺り板を架線に追従させていた。

【０００５】これに対して上記したＴ型の集電装置で
は、架線への押付け力や離線を検出して、集電装置の支
持機構に組み込んだ駆動装置で摺り板を架線に追従制御
する必要がある。この場合、十分な高速追従制御を行う
ためには集電体の重量を少しでも軽くする必要がある。

【０００６】一方、いかに高精度で制御してもある程度
の離線，アーク発生は避け難く、摺り板や集電体、およ
び架線に損傷を与えるといった問題は残る。このアーク
は流れる電流による電磁力により、またアークを形成す
る課電粒子が高速気流で吹き流されることにより、摺り
板や集電体上を移動し、損傷範囲を拡大する。この対策
として集電体をアークによる損傷の小さい金属板で覆う
といった方策が考えられるが、軽量化の要求に相違する
ことになる。従来技術ではこれらの点について十分配慮
されていなかった。

【０００７】本発明の目的は、軽量化することで高速走
行中の架線への適正押付け力保持のための制御性，応答
性に優れて、かつ、アークや高温の溶融飛散物に対して
損傷が小さい集電体を構成し、信頼性の高い低騒音の高
速鉄道に優れている車両用集電装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、架線へ
の追従制御機構を有する支持機構で保持されて、列車走
行時の気流の流れを整えるために流線形断面に成型され
た集電体に搭載した摺り板の周囲に、集電体に着脱可能
に取り付けられた金属性の耐アーク保護板を配置し、さ
らに耐アーク保護板の架線伸長方向端部に耐熱，高抵抗
材料によるアーク移動障壁板を設けているところにあ
る。

【０００９】

【作用】摺り板を囲んで配置した耐アーク保護板は、ア
ークにより集電体が損傷するのを防ぐ。この保護板は集
電体に着脱可能に取り付けられているので、アークによ
る損傷が繰り返えされて耐アーク保護性能や機械的強度
が低下した場合には、この保護板だけを交換できる。そ
してこの耐アーク保護板の端部に設けたアーク移動障壁
板はアークの移動を保護板に留め、集電体の本体にまで
移動して損傷するのを防ぐ。耐熱性や機械的強度の関係
で金属材料を用いなければならない耐アーク保護板の取
り付け範囲を縮小できるので集電体の軽量化が図れる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の一実施例を図を用いて説明す
る。

【００１１】まず、図１に本発明の集電装置を搭載した
高速車両の外観図を示す。列車はＡ方向に進行してい
る。低騒音化のため車体２の外面はなめらかに形成され
ており、台車や床下機器類もカバー２ｃで覆われてい
る。集電装置２０の下半分は格納ドーム４に囲まれた位
置にあり、絶縁用支持碍子３０，導電用ケーブルヘッド
５０，集電体２２などの集電主要部材が集電時には格納
ドーム４のほぼ中央部から突出し、架線１に接触してい
る。格納ドーム４は外表面が空気抵抗の少ない流線型で
あり、その内部には、台座３，可撓性高圧ケーブル５
ａ，高圧コネクター６，固定高圧ケーブル５ｂ，集電装
置起伏用のシリンダー７等が配設されている。

【００１２】図２に集電装置２０を拡大して示す。集電
状態にあり、集電体２２を支える支持碍子３０や導電用
ケーブルヘッド５０が格納ドーム４のほぼ中央に立ち上
がった状態の斜視図を示している。デルタ翼型をした集
電体２２の上面には架線接触集電用の摺り板２１が取り
付けられている。そして摺り板２１の周囲は金属製の耐
アーク保護板２４で囲まれ、さらに架線伸長方向端部に
は本発明によるアーク移動障壁板２５ａ，２５ｂを取り
付けている。集電状態においては集電装置２０と格納ド
ーム４の間の隙間及び格納用開口部は、シャッター機構
９により完全に塞がれて、空気の巻き込みによる騒音を
低減している。

【００１３】図３に本集電装置２０の断面図を示し、以
下に構成と動作を説明する。高速走行時の空気抵抗や空
力騒音を低減する目的で、断面を流線型に形成した集電
体２２には架線１と接触する摺り板２１を、ばね２３を
介して取り付けてある。この集電体２２は支持碍子３０
で支えられ、荷重検出器３３を介して駆動用アクチュエ
ータ３２の操作力を伝える駆動ロッド３１に接続されて
いる。この構成において摺り板２１が架線１を押付ける
力を荷重検出器３３で検出し、この押付け力が適正な値
（架線の損傷が小さく、かつ摺り板が架線から離線しな
い値）を保ちつつ架線に追従するように駆動用アクチュ
エータ３２の操作力を制御する。列車が高速化するほど
架線追従の制御速度を上げなければならず、大きな加速
度で制御する必要が生じる。

【００１４】このときアクチュエータ３２で駆動される
部材の質量が大きいと、加速度と質量の積で支配される
必要駆動力は大きな値となり、装置が大がかりとなる。
このため集電体２２の質量をできるだけ小さくして必要
な制御力を低減することが望まれる。

【００１５】摺り板２１で集電した電力は、摺り板と電
気的に接続された可撓導体５１を介してケーブルヘッド
５０に導かれ、可撓性高圧ケーブル５ａ，図１に示す高
圧コネクター６を経て固定高圧ケーブル５ｂにより車両
床下に引き込まれる。

【００１６】本実施例の集電装置において、デルタ翼型
の集電体２２は方向性をもつのに対して、列車は逆方向
にも走行しなければならない。そこで、一編成の列車に
は正逆の対となる集電装置を装備しておき、進行方向に
正となる集電装置を使用することになる。この時、逆方
向の集電装置の集電体や碍子は高速走行時に走行抵抗や
騒音源となる。そこで、逆方向走行時には集電装置２０
を格納ドーム４内に収納する。

【００１７】このために図３に示すように集電装置２０
は、回転軸４０Ａと軸受４１で構成される旋回機構４０
を介して車体屋根（図３には図示せず）に設けた台座３
に取り付けてある。すなわち集電体２２，支持碍子３
０，ケーブルヘッド５０等を取付座５５でまとめて回転
軸４０Ａを中心にして旋回し、図２に示すドーム４の内
部に収納する。そして、格納後はシャッター機構９によ
り収納口を閉鎖し、ドーム表面を平滑にして、騒音発生
を防いでいる。ここで集電装置２０の格納や装架のため
の旋回動作は図１に示すシリンダー７や操作ロッド８に
より行う。またこの旋回動作の都度、可撓性高圧ケーブ
ル５ａは屈伸が繰り返されるので、絶縁性能確保の点か
ら定期的に交換する必要があり、高圧コネクター６で脱
着することになる。

【００１８】本集電装置において、摺り板２１が常に架
線１に追従，接触していればよいが、外乱の条件によっ
ては制御が追い付かずに離線する場合があり、また集電
装置収納に伴う離線もある。これらの場合には架線，摺
り板間にアークが生じる。さらに架線への給電系統の変
更等の無電区間突入時には離線がなくてもアークが発生
する。このように集電に伴うアーク発生は避け難いもの
であるが、このアークは常に架線と摺り板の間に留まる
とは限らず、架線に対向した集電体の上面を移動する。

【００１９】アークが集電体の上面を移動する原因の一
つはアークに働く電磁力であり、図４により動作を説明
する。ただし説明の都合上、架線１と摺り板２１の距離
は実態より大幅に拡大して描いている。

【００２０】架線１からアーク６０を形成しながら摺り
板２１に電流ｉ２が流れ込んでいる状況を考える。架線
の電流がｉ１とｉ３の方向に流れている時にはそれぞれ
の電流による磁界はφ１，φ２，φ３のようになる。こ
のときアーク６０にはＦ方向の電磁力が生じるため、ア
ークは時間の経過とともに図５に示すように６０，６
０′，６０″のように移動する。なお、ここでは摺り板
２１は周囲を金属製の耐アーク保護板２４ａ，２４ｂで
囲まれ、さらに架線１の伸長方向端部には本発明による
アーク移動障壁板２５ａ，２５ｂが配置されている状況
を示している。ここで架線１に流れる電流ｉ１とｉ３は
架線に給電する地上の変電所の位置と列車の位置との関
係や、付近に電力回生状態にある車両の有無等で方向が
決まる。また、図示した車両自体が回生状態にある時に
はアークの電流ｉ２は図示とは逆の方向となる。このた
めアークに働く電磁力、すなわちアーク移動方向はこれ
らの条件により変化する。

【００２１】アークが集電体の上面を移動する他の原因
はアークが高速気流中に曝されることにより課電粒子が
吹き流されることにある。この場合にはアークは列車の
進行方向の後ろ側に移動する。実運転時には二つの原因
が複合することになり、アークは複雑に動くことにな
る。

【００２２】図２，図３に示す集電装置において、高速
走行時の架線追従性を向上するためにはアクチュエータ
３２で駆動される部材の質量はできるだけ小さいことが
望まれる。そこで集電体２２は軽量，高剛性，高耐熱性
の点から炭素繊維を基材としたエポキシ樹脂複合材の成
型体で構成するのが適当である。しかし離線時に生じる
アークの温度は数千℃になるので、耐熱性の良い炭素繊
維強化複合材でも損傷してしまう。そこで摺り板２１は
周囲を金属製の耐アーク保護板２４で囲んでいる。この
耐アーク保護板２４は一例として厚さ２〜３mm程度のア
ルミ板が適当である。そして軽量化のためには耐アーク
保護板２４の設置領域を摺り板２１の周囲にできるだけ
限定するのがよい。

【００２３】ところが先に記載したようにアークは摺り
板から離れて複雑に移動するために、耐アーク保護板２
４を越えて集電体２２を構成する樹脂複合材２２に至る
可能性は十分ある。そこで移動領域を耐アーク保護板２
４に留める方策として、本発明によるアーク移動障壁板
２５ａ，２５ｂを設けている。このアーク移動障壁板に
は数千℃のアーク温度に耐える耐熱性と、数十Ｖのアー
ク電圧を遮断する性能が必要であり、例えば窒化ボロン
の焼結体等が適当である。

【００２４】本実施例により、図６に示すように架線１
と摺り板２１の間で生じたアーク６０は、耐アーク保護
板２４ａまたは２４ｂ上を移動するが、アーク移動障壁
板２５ａまたは２５ｂで止まり、例えば６０ａや６０ｂ
のような形態となる。このようにアークの移動範囲を耐
アーク保護板に限定することができるので、軽量化する
ために樹脂複合材で構成した集電体を損傷するのを防ぐ
ことができる。また例えば融点が６６０℃のアルミ板で
構成した耐アーク保護板は数千℃のアークに曝されたと
きに局部的に溶融し、これが繰り返されると、強度が低
下する等の問題が生じる。そこで損傷の進展状況に応じ
て交換することが必要であるが、アーク移動障壁板で限
定された小面積の耐アーク保護板のみを交換すればよい
ため、作業は容易であり、材料を節約できる効果もあ
る。

【００２５】図７に本実施例の集電体２２の架線１側か
ら見た平面図を示す。列車進行方向Ａに対して鋭角状の
デルタ翼の集電体２２に搭載された摺り板２１の周囲を
アーク保護板２４で囲み、さらに架線１の伸長方向両端
にアーク移動障壁板２５ａ，２５ｂを配している。

【００２６】この実施例のVIII方向から見た態様を図８
に示し、アークの挙動を説明する。架線１と摺り板２１
間のアーク６０は電磁力で６０′あるいは６０″のよう
に移動するが、集電体の幅方向（Ｗ方向）については架
線１のＷ方向の偏位が限定されているめ、アーク６０の
移動量は架線伸長方向に比べて小さく、摺り板２１から
はずれて集電体２２まで至り、損傷する可能性は小さ
い。このため摺り板２１のＷ方向端部にはアーク移動障
壁板を省略して構造を簡略化，軽量化している。ただし
図示は省略するが、アークが摺り板２１のＷ方向端部か
ら耐アーク保護板２４を越えて集電体２２にかけて移動
する可能性が大きい場合には耐アーク保護板２４のＷ方
向端部にもアーク移動障壁板を設けることで、アークの
移動を制約する効果があるのは明白である。

【００２７】高速運転列車に搭載される集電装置におい
て、アークの移動原因が主に高速気流で吹き流される課
電粒子にあり、電磁力の寄与が小さい場合には、アーク
の移動方向は列車走行方向の後ろ側となる。この場合に
は図７において摺り板２１の列車走行前方にあるアーク
移動障壁板２５ａを省略することもできる。

【００２８】これまでは集電体が列車の片方の走行方向
に対してのみ空気抵抗や騒音を低減する効果がある単方
向性集電体の実施例を示したが、以下に列車の両方向の
走行に対応できる双方向集電体の実施例を説明する。図
９に架線側から見た平面図を、図１０に図９のＸ−Ｘ′
断面図を示す。集電体２２は列車の前後両方の走行に対
して空力的に対称の形状となっており、支持碍子３０で
支えられている。摺り板２１を囲んで耐アーク保護板２
４を配し、その架線伸長方向端部にアーク移動障壁板２
５ａ，２５ｂを設けている。この実施例は一つの集電装
置を列車の正，逆両方向の走行に使用するもので、図３
に実施例を示した単方向性集電装置で必要だった旋回機
構（図３の４０）は不要となる。

【００２９】以上の実施例において耐アーク保護板２４
は、アークそのものの他に、アークにより架線１や摺り
板２１から生じる高温の溶融飛散物から集電体を保護す
る機能も有している。溶融飛散物はアークのように複雑
に移動することはないが、周囲に飛散するために、これ
による損傷から集電体２２を保護できるように摺り板２
１の周囲をある程度広く覆う必要がある。

【００３０】図１１に本発明の変形例として、耐アーク
保護板を省略した集電体２２の平面図を示す。摺り板２
１の両側に耐熱高抵抗材料によるアーク移動障壁板２５
ａ，２５ｂを配置している。本実施例のアーク移動障壁
板２５ａ，２５ｂはアークの移動を制約すると同時に、
高温の溶融飛散物から集電体２２を保護する機能を果た
している。本実施例によれば耐アーク保護板を用いてい
ないので、集電体を簡略化，軽量化することができる。

【００３１】図１１には単方向性集電体の例を図示した
が、双方向性集電体についても同様な構成を採用して簡
略化，軽量化することができるのはもちろんである。ま
た摺り板２１全体をアーク移動障壁板で囲うことで、架
線伸長方向に直角に移動するアークに対しても集電体保
護機能が作用することも明らかである。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、架線への
追従制御機構を有する支持機構で保持されて、軽量の繊
維強化複合材で構成された集電体に搭載した摺り板の周
囲に、集電体に着脱可能に取り付けられた金属性の耐ア
ーク保護板を配置し、さらに架線伸長方向端部に耐熱，
高抵抗材料によるアーク移動障壁板を設けているので、
軽量で高速走行中の架線への適正押付け力保持のための
制御性，応答性に優れて、かつアークや、高温の溶融飛
散物に対して損傷が小さい集電体を実現でき、信頼性の
高い低騒音の高速鉄道の好適な車両用集電装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の集電装置を搭載した高速鉄
道車両を示す図である。

【図２】本発明の一実施例の集電装置を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明の一実施例の集電装置を示す断面図であ
る。

【図４】架線−摺り板間のアークに加わる電磁力発生状
況の一例を示す概念図である。

【図５】架線−摺り板間のアークの移動状況の一例を示
す概念図である。

【図６】本発明の一実施例によりアークの移動がアーク
移動障壁板で阻止されている状況を示す概念図である。

【図７】本発明の一実施例を示す単方向性集電体の平面
図である。

【図８】架線伸長方向から見た架線−摺り板間のアーク
発生状況の一例を示す概念図である。

【図９】本発明の一実施例を示す双方向性集電体の平面
図である。

【図１０】図９に示す本発明の一実施例の双方向性集電
体のＸ−Ｘ′断面図である。

【図１１】本発明の一実施例の、耐アーク保護板を省略
した集電体の平面図である。

【符号の説明】

１…架線、２…車体、２ｃ…カバー、３…集電装置台
座、４…格納ドーム、５ａ…可撓性高圧ケーブル、５ｂ
…固定高圧ケーブル、６…高圧コネクター、７…シリン
ダー、８…操作ロッド、９…シャッター機構、２０…集
電装置、２１…摺り板、２２…集電体、２３…ばね、２
４，２４ａ，２４ｂ…耐アーク保護板、２５ａ，２５ｂ
…アーク移動障壁板、３０…支持碍子、３１…駆動ロッ
ド、３２…アクチュエータ、３３…荷重検出器、４０…
旋回機構、４０Ａ…回転軸、４１…軸受、５０…ケーブ
ルヘツド、５１…可撓導体、５５…取付座、６０，６
０′，６０″…アーク、Ａ…列車進行方向、Ｆ…電磁
力、ｉ１，ｉ２，ｉ３…電流、φ１，φ２，φ３…磁
界。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 掛樋 豊 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 原 邦芳 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁支持部材を介してアクチュエータで架
   線に追従制御される集電体と，該集電体に搭載されて架
   線と接触して電力を集電する摺り板とを構成要素に含む
   集電装置において、 前記摺り板の架線伸長方向の少なくとも片方の端部に、
   耐熱，高抵抗板を配設した集電体を用いたことを特徴と
   する車両用集電装置。
2. 【請求項２】絶縁支持部材を介してアクチュエータで架
   線に追従制御される集電体と，該集電体に搭載されて架
   線と接触して電力を集電する摺り板とを構成要素に含む
   集電装置において、 前記摺り板の周囲に耐熱，高抵抗板を配設した集電体を
   用いたことを特徴とする車両用集電装置。
3. 【請求項３】絶縁支持部材を介してアクチュエータで架
   線に追従制御される集電体と，該集電体に搭載されて架
   線と接触して電力を集電する摺り板とを構成要素に含む
   集電装置において、 前記摺り板の周囲に高熱伝導率材料による保護板を設
   け、該保護板の架線伸長方向の少なくとも片方の端部に
   耐熱，高抵抗板を配設した集電体を用いたことを特徴と
   する車両用集電装置。
4. 【請求項４】絶縁支持部材を介してアクチュエータで架
   線に追従制御される集電体と，該集電体に搭載されて架
   線と接触して電力を集電する摺り板とを構成要素に含む
   集電装置において、 前記摺り板の周囲に高熱伝導率材料による保護板を設
   け、さらにその周囲に耐熱，高抵抗板を配設した集電体
   を用いたことを特徴とする車両用集電装置。
5. 【請求項５】請求項１、又は３に記載した集電装置の集
   電体が列車の進行方向に関して方向性を有し、且つ耐
   熱，高抵抗板が、摺り板の列車進行方向後部にのみ配設
   された集電体を用いたことを特徴とする車両用集電装
   置。