TWI523773B

TWI523773B - 電氣列車的集電設備及其集電方法

Info

Publication number: TWI523773B
Application number: TW102102068A
Authority: TW
Inventors: 郭明哲; 羅文毅; 王耀翊
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2016-03-01
Also published as: US9139098B2; TW201429765A; US20140202816A1

Description

電氣列車的集電設備及其集電方法

本發明是與一種電氣列車的電力傳輸技術有關，且特別是與一種電氣列車的集電設備及其集電方法有關。

在電氣化鐵路供電系統中，電氣列車是利用集電弓與電車線接觸，進而將電力引進到電氣列車的主變壓器，以作為電氣列車的動力來源。但是在受到車輛高速行駛下的搖晃、電車線的不平順、電車線的振動、石墨滑板的振動或軌道的不平整等多種因素的影響下，往往使得集電弓與電車線容易地發生未接觸的離線情形，進而導致產生電弧現象。一般而言，當電氣列車的速度越高，則越會增加集電弓與電車線的分離可能性，並且容易發生電弧現象。電弧現象會導致石墨滑板的接觸面不均勻，並影響供電品質。另外，電弧還會影響石墨滑板的使用壽命，增加其之更換次數，嚴重時更會使得電車線損壞，而影響列車安全。

有鑑於此，本發明提出一種電氣列車的集電設備及其集電方法，藉以解決先前技術所述及的問題。

本發明提供了一種電氣列車的集電設備，其包括集電單元以及磁性單元。集電單元具有第一側、第二側與石墨滑板，且石墨滑板係設置於第一側上，其中集電單元的第一側透過石墨滑板而與具有一電力來源接觸以汲取工作電壓。磁性單元具有電磁線圈體。磁性單元係配置於集電單元的第二側上，以提供集電單元與電力來源之間的吸引力，據以減少離線率。

於本發明的一示範性實施例中，電氣列車的集電設備更包括控制單元。控制單元耦接至集電單元與磁性單元，其中控制單元用以根據與電力來源有關的感測感測信號或是根據車速信號，來調整電磁線圈體的線圈電流，藉以調整磁性單元的磁力。

於本發明的一示範性實施例中，在車速信號增加時，控制單元增加線圈電流，而在車速信號減少時，控制單元減少線圈電流，或是控制單元根據電流感測信號調整線圈電流。

於本發明的一示範性實施例中，電力來源係為電車線或第三軌。

於本發明的一示範性實施例中，集電單元為集電弓或集電靴。

本發明另提供了一種電氣列車的集電方法，包括以下步驟。提供集電單元，此集電單元係具有第一側與第二側，其中第一側與第二側為集電單元的相對兩側，而石墨滑板係設置於第一側上。提供具有電磁線圈體的磁性單元，磁性單元係配置於集電單元的第二側上。當集電單元的第一側係透過石墨滑板而與具有導磁能力的電力來源接觸，以汲取工作電壓時，磁性單元用以提供集電單元與電力來源之間的吸引力，據以減少離線率。

於本發明的一示範性實施例中，集電方法更包括以下步驟：提供控制單元，此控制單元係耦接至集電單元與磁性單元，其中控制單元用以根據與電力來源有關的電流感測信號或是根據車速信號，來調整電磁線圈體的線圈電流，藉以調整磁性單元的磁力。

基於上述，在本發明中的集電設備，由於利用磁性單元的物理特性改善集電單元的離線情形，因此可以抑制電弧發生且可減少集電單元與電力來源(電車線或第三軌)的耗損，提高電氣列車的電力傳輸品質，從而得以解決先前技術所述及的問題。

應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。

10‧‧‧集電設備

20‧‧‧電氣列車

30‧‧‧電車線

40‧‧‧接地軌

50‧‧‧第三軌

60‧‧‧絕緣蓋

70‧‧‧固定體

80‧‧‧枕木

90‧‧‧絕緣體

110‧‧‧集電單元

110A‧‧‧集電弓

110B~110E‧‧‧集電靴

112、112A、112B‧‧‧石墨滑板

120、120A、120B‧‧‧磁性單元

122、122A‧‧‧電磁線圈體

130‧‧‧控制單元

AA‧‧‧第一側

BB‧‧‧第二側

HV‧‧‧工作電壓

SI‧‧‧電流感測信號

SP‧‧‧車速信號

S1101~S1105‧‧‧本發明一示範性實施例的電氣列車的集電方法的各步驟

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，其繪示了本發明的示例實施例，所附圖式係與說明書的描述一起用來說明本發明的原理。

圖1是根據本發明之示範性實施例的電氣列車的集電設備之示意圖。

圖2是根據本發明之示範性實施例的電氣列車與電車線之示意圖。

圖3是根據本發明之示範性實施例的集電弓與磁性單元之立體圖。

圖4是根據本發明之示範性實施例的集電弓與磁性單元之前視圖。

圖5是根據本發明之示範性實施例的集電弓與磁性單元之上視圖。

圖6是根據本發明之示範性實施例的集電靴與磁性單元之示意圖。

圖7至圖10是根據本發明之示範性實施例的集電靴與第三軌的多種接觸型式的示意圖。

圖11繪示為本發明之示範性實施例的電氣列車之集電方法的流程圖。

現在將詳細參考本發明之示範性實施例，並在附圖中說明所述的示範性實施例之實例。另外，在圖式及實施方式中所使用之相同或類似標號的元件/構件，係用來代表相同或類似部分。

圖1是根據本發明之示範性實施例的電氣列車的集電設備之示意圖。圖2是根據本發明之示範性實施例的電氣列車與電車線之示意圖。請合併參閱圖1和圖2，電氣列車20的集電設備(collector device)10包括集電單元(collector unit)110以及磁性單元(magnetic unit)120。集電單元110係為具有第一側AA、第二側BB與石墨滑板(graphite skateboard)112，而第一側AA與第二側BB為集電單元110的相對兩側，且石墨滑板係較佳地設置於第一側AA上。集電單元110的第一側AA在透過石墨滑板112，而與具有導磁能力的一電力來源接觸時可以汲取工作電壓HV，其中電力來源可以為一電車線(trolley wire)30或一第三軌 (third rail)50。所述第三軌50係為接地軌40之外的軌道，其可以作為供應電氣列車20電力的另一種電力來源。

於本示範性實施例中，磁性單元120係具有電磁線圈體122。磁性單元120係配置於集電單元110的第二側BB，以用來提供集電單元110與電車線30之間的吸引力，或是提供集電單元110與第三軌50之間的吸引力。藉由磁性單元120的物理特性，將可以在集電單元110發生離線情況時，減少石墨滑板112與電車線30或第三軌50間的離線距離，據以減少離線率(contact loss rate)並抑制電弧的發生。此外，磁性單元120可間接使接觸面的電阻變小，藉以減少電氣列車20的集電電流損失，確保電力供電品質正常。

另一方面，電氣列車20的集電設備10還可包括控制單元130。控制單元130係電性耦接至集電單元110與磁性單元120。此外，也可以採用電流回授的方式來控制磁性單元120的磁力。例如，可以藉由電流計來取得與電車線30或第三軌50有關的電流感測信號SI。控制單元130可根電流據感測信號SI來調整電磁線圈體122的線圈電流，藉以調整磁性單元120的磁力。舉例而言，當電流感測信號SI顯示電流增加時，電氣列車20可能增加動力而增快車速，為了避免電氣列車20因高速而使集電設備10與電力來源的接觸面分離，控制單元130可以使磁性單元120增加磁力(增加電磁線圈體122的線圈電流)，反之，當電流感測信號SI顯示電流減小時，控制單元130便可使磁性單元120減小磁力。

此外，若不是因電氣列車20增加所需動力，而電流感測信號SI卻突然變小時，可能原因是集電設備10與電力來源的接觸面有分離現象，此時的控制單元130亦可以增加磁性單元120的線圈電流。因此，控制單元130應該依據實際可能情況或設計，來調整電磁線圈體122的線圈電流。

此外，當電氣列車20在行駛過程中以及離線時，控制單元130亦可配合列車速度，而依序增減磁力大小，藉以減少集電電流損失。控制單元130可以根據車速信號SP來調整電磁線圈體122的線圈電流，藉以調整磁性單元120的磁力。例如，若車速信號SP增加時則控制單元130增加電磁線圈體122的線圈電流以增加磁力，若車速信號SP降低時則控制單元130降低電磁線圈體122的線圈電流以減小磁力。

在此值得一提的是，集電單元110可以為集電弓(pantograph)或集電靴(collector shoe)等裝置。集電弓或集電靴的主要的功用，是將電車線30上的電流引入電氣列車20內部的主變壓器，以作為電氣列車20的照明、空調用電等電力來源。關於集電弓與集電靴的相關作用將於後文再詳細說明。

圖3是根據本發明之示範性實施例的集電弓與磁性單元之立體圖。圖4是根據本發明之示範性實施例的集電弓與磁性單元之前視圖。圖5是根據本發明之示範性實施例的集電弓與磁性單元之上視圖。請參閱圖3至圖5。首先，在圖5中，由上至下依序為電車線30、石墨滑板112A、磁性單元120A以及電磁線圈體122A。在圖3中的集電弓110A係呈現Z字形，而且集電弓110A係具有均衡彈簧而可做伸縮調節。在圖4中的集電弓110A具有第一側AA、第二側BB與石墨滑板112A，其中第一側AA與第二側 BB係為集電弓110A的相對兩側。磁性單元120A係配置於集電弓110A的第二側BB，而電車線30需具有導磁能力。故，集電弓110A的第一側AA在透過石墨滑板112A而接觸電車線30時，便會因磁性單元120A所提供的吸引力，來增進石墨滑板112A與電車線30之間的吸附力，進而使得石墨滑板112A與電車線30之間的接觸面的電阻變小，藉以減少電氣列車的集電電流損失，從而抑制電弧發生。

另一方面，由於磁性單元120A的內部具有電磁線圈體122A，因此可在磁性單元120A的外圍包覆適當的絕緣材質，藉以增加磁性單元120A承受到高電壓時的絕緣能力。

圖6是根據本發明之示範性實施例的集電靴與磁性單元之示意圖。請參閱圖6。集電靴110B係具有第一側AA、第二側BB與石墨滑板112B，其中第一側AA與第二側BB為集電靴110B的相對兩側。磁性單元120B係配置於集電靴110B的第二側BB。集電靴110B的第一側AA則透過石墨滑板112B而可與第三軌接觸。

圖7至圖10是根據本發明之示範性實施例的集電靴與第三軌的多種接觸型式的示意圖。第三軌50係位在電氣列車外，而集電靴的設計則需對應至第三軌50。

承上述，磁性單元120B係配置於集電靴110B~110E的第二側。集電靴110B~110E係配置在電氣列車上，其中集電靴110B~110E中之每一者的形狀都略有些不同，但是其等同樣是透過集電靴110B~110E的第一側的石墨滑板來與第三軌50接觸。

請依序參閱圖7至圖10。圖7至圖10的集電靴的設計需對應至第三軌50。圖7中的第三軌50係配置在枕木80與絕緣體90的上方。圖8中的第三軌50係配置在枕木80與絕緣體90的上方，並且第三軌50的外圍具有絕緣蓋60。圖9與圖10中的第三軌50係配置在枕木80上方的絕緣蓋60內，絕緣蓋60係具有用來支撐第三軌50之固定體70。另外，磁性單元120B與集電靴的實施態樣可視實際設計/應用需求來決定，只要其可以提供維持磁性單元120B之既有的功能即可。

基於上述本發明之實施例所揭示的內容，可以彙整出一種通用的電氣列車的集電方法。更明確地說，圖11繪示本發明之示範性實施例的電氣列車之集電方法的流程圖。請合併參閱圖1和圖11，本實施例之電氣列車的集電方法可以包括以下步驟：提供集電單元110，集電單元110係具有第一側AA、第二側BB與石墨滑板112，其中第一側AA與第二側BB係為集電單元110的相對兩側，而石墨滑板112係設置於第一側AA上(步驟S1101)；提供具有電磁線圈體122的磁性單元120，磁性單元120係配置於集電單元110的第二側BB上(步驟S1103)；以及當集電單元110的第一側AA係透過石墨滑板112而與具有導磁能力的電力來源(電車線30或第三軌50)接觸，以汲取工作電壓HV時，磁性單元120可以提供集電單元110與電力來源(電車線30或第三軌50)之間的吸引力，據以減少離線率(步驟S1105)。

綜上所述，由於在本發明的集電設備中，可以利用磁性單元的物理特性來改善集電單元的離線情形，因此可以抑制電弧發生以減少集電單元與電車線或第三軌的耗損，藉以提高電氣列車的電力傳輸品質，從而得以解決先前技術所述及的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之專利範圍。