WO2012098841A1 - 鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁 - Google Patents

鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁 Download PDF

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resolver
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air spring
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大輔 品川
根来　尚志
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住友金属工業株式会社
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
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    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
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    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle body height adjustment valve (leveling valve: hereinafter also referred to as “LV”) for a rail vehicle that adjusts a vehicle body supported by an air spring on a bogie of the rail vehicle to a certain height.
  • LV vehicle body height adjustment valve
  • the present invention relates to an LV with a resolver that is integrally provided with a resolver as a sensor for detecting the height of an air spring in order to tilt the vehicle body when the vehicle travels on a curved road.
  • the railway vehicle is composed of a vehicle body and a carriage, and the vehicle body is supported on the carriage via a pair of air springs on the left and right.
  • railcars supply each air spring with pressurized air from an air tank in order to maintain a horizontal posture when traveling at low speed or when a passenger gets on and off.
  • a vehicle body height adjusting device that discharges air from the spring and adjusts the vehicle body to the same constant height on the left and right with respect to the carriage is provided.
  • an air pipe from the air tank to each air spring is disposed, and an LV is interposed in the path of this pipe.
  • the LV functions as a valve that mechanically detects the fluctuation in the height of the air spring and simultaneously supplies and exhausts pressurized air to the air spring in accordance with the fluctuation in the height.
  • the LV is fixed to the vehicle body, and a lever attached to the operating shaft of the LV is connected to the carriage by a link mechanism.
  • the LV may be fixed to the carriage, and in this case, the lever of the LV is connected to the vehicle body by a similar link mechanism.
  • a vehicle body tilting device that discharges air in the air spring and tilts the vehicle body relative to the carriage is provided.
  • the vehicle body tilting device is a separate system from the air piping of the vehicle body height adjusting device described above, and an air piping from the air tank to each air spring is arranged, and a dedicated tilt control valve is interposed in the route of this piping Is done.
  • the tilt control valve is a valve that supplies and exhausts pressurized air to and from the air spring so that the tilt angle of the vehicle body becomes a predetermined angle.
  • a sensor for detecting the height of the air spring is indispensable for the vehicle body tilting device. This is because, based on the output signal from the sensor, the height of the air spring, and further, the inclination angle of the vehicle body is sequentially grasped from the height of the air spring, and the inclination control valve is operated appropriately.
  • a rotational angle sensor such as a resolver or an encoder is employed as the sensor.
  • a rotation angle sensor is fixed to a vehicle body or a carriage separately from the above LV, and a lever attached to a rotor (rotor) of the rotation angle sensor is connected to the carriage or the vehicle body by a link mechanism, and an air spring Is detected as the lever rotation angle.
  • Patent Document 2 proposes an LV with a rotation angle sensor in which a link mechanism is shared and a rotation angle sensor rotor is mounted on the LV operating shaft.
  • a resolver is used as the rotation angle sensor.
  • a resolver is useful in that it is more robust than an encoder.
  • the conventional resolver described in the same document has a rotation angle detector in both the rotor and the stator (stator) surrounding the rotor, as described in paragraph [0024] and FIG. 3 of the same document.
  • the rotor is provided with an excitation coil and the stator is provided with a detection coil.
  • both the rotor and the stator require coil windings, and a brush or a rotary transformer is required to supply power to the exciting coil of the rotating rotor.
  • the conventional resolver has a complicated structure, is expensive, and has a large size. The problem of such a resolver is inherited also to LV with a resolver.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and even when a resolver for detecting the height of an air spring of a railway vehicle is integrally provided, the cost can be reduced and the size can be reduced. It is an object of the present invention to provide a vehicle body height adjusting valve with a resolver that can be used.
  • the outer periphery of the rotor is changed so that the gap between the outer peripheral surface of the rotor and the iron core of the stator coil periodically changes in the circumferential direction during one rotation of the rotor. It is necessary to set the outline shape. As the rotor rotates, the gap changes, and the magnetic flux density that passes through the gap changes accordingly. The coil output changes accordingly, and this can be used to detect the rotation angle. Because.
  • the present invention has been completed based on the above findings, and the gist of the present invention is the LV with a resolver for a railway vehicle shown below. That is, it is used for a railway vehicle in which a vehicle body is supported on a carriage via a pair of air springs on the left and right sides, and has an operating shaft that rotates according to fluctuations in the height of the air spring.
  • the LV adjusts the height of the vehicle body to a constant level by supplying and exhausting pressurized air to the air spring, and the LV is used to incline the vehicle body when the railway vehicle travels on a curved road.
  • a resolver for detecting a height including a rotor made of a magnetic material fixed to the operating shaft and a stator made of a magnetic material surrounding the rotor; A plurality of iron cores around which a coil and a detection coil are wound are provided in the circumferential direction so as to face the outer peripheral surface of the rotor.
  • the gap between and is periodic in the circumferential direction A resolver with LV for a railway vehicle, characterized in that it is formed in varying shapes.
  • the contour shape of the outer periphery of the rotor is preferably a shape in which the gap changes in 3 to 6 cycles while the rotor rotates once.
  • the operating shaft is inserted into the rotation center of the rotor and is fixed to the operating shaft with a key.
  • the LV with a resolver for a railway vehicle of the present invention since the coil is provided only in the stator without providing the coil in the rotor of the resolver, the winding of the coil is only the stator, and the power supply Therefore, the structure and the number of parts can be reduced, and the cost can be reduced and the size can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a railway vehicle on which the LV with a resolver of the present invention is mounted.
  • FIG. 1 (a) shows a state in which vehicle body height adjustment is performed, and FIG. Each state when performing tilting is shown.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the appearance of the resolver-equipped LV of the present invention.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams schematically showing a configuration example of a resolver in the LV with a resolver of the present invention.
  • FIG. 3A is a plan view
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Each figure is shown.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the outer contour of the rotor used in the resolver.
  • FIG. 4 (a) shows three cycles per revolution
  • FIG. 4 (b) shows four cycles per revolution
  • FIG. 4 (c). Indicates contour shapes that change in six cycles per round.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a railway vehicle equipped with an LV with a resolver according to the present invention.
  • FIG. 1 (a) shows a state when the vehicle body height adjustment is executed.
  • b) shows a state when the vehicle body tilting is executed.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing the appearance of the resolver-equipped LV of the present invention.
  • the railway vehicle 1 includes a vehicle body 2 and a carriage 3 that supports the vehicle body 2 in the front-rear direction and travels on the rail 4.
  • the vehicle body 2 is elastically supported by a pair of air springs 5 interposed between the vehicle 3 and the left and right.
  • the railway vehicle 1 adjusts the vehicle body 2 to the same constant height on the left and right with respect to the carriage 3 in order to maintain the posture of the vehicle body 2 in a horizontal state when traveling at a low speed or when the passenger gets on and off.
  • a height adjusting device is provided.
  • the railway vehicle 1 includes a vehicle body tilting device that tilts the vehicle body 2 with respect to the carriage 3 in order to tilt the vehicle body 2 toward the inner track side when traveling on a curved road.
  • an air pipe (hereinafter referred to as “first pipe” for convenience of explanation) 11 from the air tank 6 to each air spring 5 is disposed, and a resolver-equipped LV 20 is provided in the path of the first pipe 11. Is installed. Further, the first pipe 11 is provided with a shutoff valve 12 in a path between the LV 20 and the air spring 5. The shut-off valve 12 is connected to the control unit 7 and opens and closes a path according to a command from the control unit 7.
  • the LV 20 has a rotatable operation shaft 22 that penetrates the valve body 21, and a lever 23 is attached to the front end of the operation shaft 22.
  • the valve body 21 is fixed to the vehicle body 2
  • the lever 23 is connected to the carriage 3 by a link mechanism via a connecting rod 24.
  • the LV 20 may be fixed to the carriage 3.
  • the lever 23 of the LV 20 is connected to the vehicle body 2 by a similar link mechanism.
  • the valve body 21 of the LV 20 is provided with an intake port 25, an exhaust port 26 and a ventilation port 27.
  • the first piping 11 connected to the air tank 6 is connected to the intake port 25, and the first piping 11 connected to the air spring 5 is connected to the ventilation port 27.
  • An exhaust pipe (not shown) opened to the outside is connected to the exhaust port 26.
  • a projecting piece projects from the operating shaft 22 in the radial direction, and the needle valve of the intake port 25 and the needle valve of the exhaust port 26 face each other with the projecting piece interposed therebetween. Is done.
  • either the needle valve of the intake port 25 or the needle valve of the exhaust port 26 is pushed in by the projecting piece when the operating shaft 22 rotates through the link mechanism according to the height fluctuation of the air spring 5.
  • the pushed-in ports 25 and 26 are opened.
  • the vehicle body tilting device is a separate system from the first piping 11 constituting the vehicle body height adjusting device, and is an air piping (hereinafter referred to as the first piping) from the air tank 6 to each air spring 5.
  • a distinctive “second pipe” 31 is disposed, and a dedicated inclination control valve 32 is interposed in the path of the second pipe 31.
  • the inclination control valve 32 is connected to the control unit 7 and operates according to a command from the control unit 7.
  • the resolver 40 is arrange
  • the resolver 40 includes a rotor 41 and a stator 42 that surrounds the rotor 41.
  • the rotor 41 is attached to the rear end of the operating shaft 22 of the LV 20 as a rotor, and the stator 42 is fixed to the valve body 21 as a stator.
  • a plurality of exciting coils 44 and detection coils 45 are provided on the inner peripheral surface of the stator 42 in the circumferential direction, and the lead wires drawn from the coils 44 and 45 are shown in FIG. 1 via an R / D converter (not shown). Connected to the control unit 7 shown.
  • the rotor 41 rotates when the operating shaft 22 rotates via the link mechanism in accordance with the height variation of the air spring 5, and the voltage whose amplitude changes in the detection coil 45 according to the rotation angle. Occurs.
  • the resolver 40 detects the rotation angle from the waveform of the voltage generated in the detection coil 45 by the R / D converter, and specifies the height of the air spring from this rotation angle. The detailed configuration of the resolver 40 will be described later.
  • the shutoff valve 12 is opened by a command from the control unit 7 as shown in FIG. While maintaining the state, the tilt control valve 32 is maintained in an inoperative state. If the height of the air spring 5 changes in this state, the change in height is mechanically transmitted to the lever 23 of the LV 20 via the link mechanism (connecting rod 24), and the operating shaft 22 of the LV 20 is integrated with the lever 23. Rotate.
  • the intake port 25 is opened.
  • route of the 1st piping 11 is opened over the whole region, and pressurized air is supplied to the air spring 5 from the air tank 6 (refer the continuous line arrow in Fig.1 (a)).
  • the height of the air spring 5 increases, and the operating shaft 22 of the LV 20 rotates in the direction opposite to the above, and the protruding piece of the operating shaft 22 pushes the needle valve of the exhaust port 26.
  • the exhaust port 26 is opened. Thereby, the air in the air spring 5 is discharged to the outside through the first pipe 11 from the air spring 5 to the LV 20 (refer to the broken line arrow in FIG. 1A).
  • the LV 20 mechanically detects the height fluctuation of the air spring 5 and simultaneously supplies and exhausts pressurized air to the air spring 5 in accordance with the height fluctuation, and the vehicle body to the carriage 3 Adjust 2 to the same constant height on the left and right.
  • the shutoff valve 12 is held closed by a command from the control unit 7 as shown in FIG. This is to stop the vehicle body height adjustment function by the LV 20.
  • the control unit 7 operates the tilt control valve 32 based on the trajectory information of the curved road so that the tilt angle of the vehicle body 2 becomes a predetermined angle.
  • the height of the air spring 5 on the outer gauge side (right side in FIG. 1B) of the left and right air springs 5 is higher than the height of the air spring 5 on the inner gauge side (left side in FIG. 1B).
  • the control unit 7 sequentially acquires output signals from the resolver 40 output via the R / D converter, detects the height of the air spring 5, and further detects the height of the air spring 5 from the height of the air spring 2. The angle of inclination is grasped sequentially. Then, the control unit 7 continuously operates the tilt control valve 32 so that the tilt angle of the vehicle body 2 that is sequentially grasped becomes a predetermined angle, and supplies and exhausts pressurized air to and from the air spring 5.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration example of a resolver in the LV with a resolver of the present invention.
  • FIG. 3 (a) is a plan view
  • FIG. 3 (b) is an A diagram in FIG. 3 (a).
  • -A sectional view is shown respectively.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the shape of the outer contour of the rotor used in the resolver.
  • FIG. 4 (a) shows three cycles per round
  • FIG. 4 (b) shows four cycles per round
  • FIG. Indicates contour shapes that change in six cycles per round.
  • FIG. 3 exemplifies that shown in FIG. 4B in which the contour shape of the rotor changes in four cycles per round.
  • the resolver 40 includes a rotor 41 that is a rotor and a stator 42 that is a stator that surrounds the rotor 41, and both are made of a magnetic material.
  • the LV operating shaft 22 is inserted at the center of rotation, and the key 46 is inserted into the rotor 41 so as to be firmly fixed to the operating shaft 22 (see FIG. 3B).
  • a plurality of iron cores 43 are provided on the inner peripheral surface of the stator 42 so as to face the outer peripheral surface of the rotor 41 in the circumferential direction, and an excitation coil 44 and a detection coil 45 are wound around each iron core 43 in order from the inside. .
  • the contour shape of the end surface portion 43 a of the iron core 43 is an arc shape on the same circumference with the rotation center of the rotor 41 as the center.
  • the rotor 41 has a unique outer peripheral contour shape. That is, the contour shape of the rotor 41 is such that the gap t between the outer peripheral surface of the rotor 41 and the end surface portion 43a of the iron core 43 of the stator 42 changes periodically in the circumferential direction while the rotor 41 rotates once. .
  • the shape of the rotor 41 when the gap t changes in three cycles while the rotor 41 makes one rotation is a rounded triangular star shape as a whole.
  • the shape of the rotor 41 when the gap t changes in four cycles is a rounded square star as shown in FIG. 4B.
  • FIG. 4C the shape of the rotor 41 when the gap t changes in six periods is a rounded hexagonal star.
  • the rotor 41 is rotated by rotating the operating shaft 22 via the link mechanism in accordance with the height variation of the air spring 5, and the above-described gap is determined according to the rotation angle. t changes, and the magnetic flux density that passes through the gap t changes accordingly. In response to this, a voltage whose amplitude changes is generated in the detection coil 45, and the rotation angle is detected from this voltage waveform, and the height of the air spring 5 can be detected.
  • the resolver (hereinafter also referred to as “VR (variable reluctance) resolver”) employed in the present invention has an angle compared to the conventional resolver described above (both the rotor and the stator are provided with coils).
  • the measurement accuracy is inferior.
  • the measurement error of a conventional resolver is 0.02 to 0.09 ° for a general-purpose resolver, whereas a measurement error of about 1 ° at maximum occurs with a VR resolver.
  • the measurement error of the air spring height is expressed as “lever length ⁇ sin (resolver angle measurement error)”.
  • the term “lever length” here means “the lever length of the resolver”.
  • the distance between the left and right air springs is 2000 mm, and the measurement error of the tilt angle of the vehicle body is required to be 0.05 ° or less. From this, the measurement error of the air spring height is An accuracy of 2 mm or less is required.
  • the angle measurement error allowed by the resolver is about 0.8 °. Therefore, there may occur a situation where the VR resolver cannot satisfy the allowable measurement accuracy. In the following, we will consider measures to ensure measurement accuracy with the VR resolver.
  • the angle measurement error In a VR resolver using a rotor (elliptical rotor) whose outer peripheral contour shape changes in two cycles per round, the angle measurement error is 1 °.
  • the angle measurement error in a VR resolver using a rotor whose outer contour shape changes in three cycles per round, the angle measurement error is 0.75 °.
  • the angle measurement error can be reliably guaranteed within a range of 120 ° obtained by dividing one round into three periods, that is, into three.
  • the angle measurement error is 0.50 °.
  • the angle measurement error can be reliably ensured in the range of 90 ° divided by four periods, that is, divided into four.
  • the VR resolver using the rotor whose outer contour shape changes in three cycles or more per round can ensure an angle measurement error of at least 0.75 ° or less. Allowable measurement accuracy (0.8 ° or less) can be satisfied.
  • the height of the air spring fluctuates in the range of ⁇ 4 to 120 mm, which corresponds to ⁇ 11.5 to 37 ° in terms of the rotation angle of the VR resolver. Therefore, in order to ensure the angle measurement error with the VR resolver, it is necessary to secure the measurement range by the VR resolver at 55 ° or more in consideration of safety.
  • the range in which the angle measurement error can be reliably guaranteed is six cycles of the rotor, ie, 60 ° divided into six, It is within the measurement range required for ordinary railway vehicles.
  • the range in which the angle measurement error can be reliably guaranteed is that the rotor circumference is 7 cycles. In other words, it is 51.4 ° divided into seven, which exceeds the measurement range required for a normal railway vehicle.
  • the contour shape of the outer periphery of the rotor is a shape that changes in three cycles, four cycles, five cycles, or six cycles per cycle. This is because the angle measurement error required for ordinary railway vehicles can be reliably guaranteed.
  • the coil is provided only in the stator without providing the coil in the resolver rotor, the winding of the coil may be only the stator.
  • a brush for supplying power and a rotary transformer are not required. For this reason, the structure is simple and the number of parts can be reduced, so that the cost can be reduced and the size can be reduced.

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Abstract

　空気バネの高さ変動に応じて回動する作動軸を有し、作動軸の回動に応じ空気バネに加圧空気を給排気して車体の高さを一定に調整する車体高さ調整弁であって、当該車体高さ調整弁は、鉄道車両が曲線路を走行する際に車体を傾斜させるために空気バネの高さを検出するレゾルバを備え、レゾルバは、作動軸に固定されたロータと、ロータを包囲するステータとを含み、ステータの内周面には、励磁コイルおよび検出コイルが巻き回された複数の鉄心がロータの外周面に対向して周方向にわたり設けられ、ロータの外周の輪郭形状は、ロータが１回転する中でロータの外周面とステータの鉄心との隙間が周方向で周期的に変化する形状に形成されている。このような構成の鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁は、コストの低減とともに小型化を図ることができる。

Description

鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁
　本発明は、鉄道車両の台車上で空気バネによって支持された車体を一定の高さに調整する鉄道車両用の車体高さ調整弁（レベリングバルブ：以下「ＬＶ」ともいう）に関し、特に、鉄道車両が曲線路を走行する際に車体を傾斜させるために空気バネの高さを検出するセンサとしてレゾルバを一体的に備えたレゾルバ付きＬＶに関する。
　鉄道車両は車体と台車から構成され、車体は台車上に左右に一対の空気バネを介して支持される。通常、鉄道車両は、低速で走行する際や乗客が乗降する停車の際に車体の姿勢を水平な状態に維持するため、逐次、各空気バネにエアタンクから加圧空気を供給したり、各空気バネから空気を排出したりして、台車に対し車体を左右で同じ一定の高さに調整する車体高さ調整装置を備える。車体高さ調整装置としては、エアタンクから各空気バネに到る空気配管が配設され、この配管の経路にＬＶが介設される。ＬＶは、空気バネの高さ変動を機械的に検知すると同時に、その高さ変動に応じ空気バネに対して加圧空気の給排気を行う弁として機能する。
　具体的には、例えば、特許文献１に開示されるように、ＬＶは車体に固定され、ＬＶの作動軸に取り付けられたレバーがリンク機構で台車と連結される。ＬＶは台車に固定される場合もあり、この場合、同様のリンク機構によってＬＶのレバーが車体と連結される。このように車体と台車に連結されたＬＶにおいて、空気バネの高さが変動すると、その高さ変動がリンク機構を介してレバーに機械的に伝達され、作動軸がレバーと一体で回動する。例えば、空気バネの高さが低くなり、これに応じて作動軸が回転し、吸気ポートが開放された場合、空気バネに加圧空気が供給される。一方、空気バネの高さが高くなり、これに応じて作動軸が上記とは逆方向に回転し、排気ポートが開放された場合、空気バネから空気が排出される。
　ところで、新幹線などのように高速で走行する鉄道車両は、曲線路を走行する際に車体を内軌側に傾倒させるため、外軌側の空気バネに加圧空気を供給したり、内軌側の空気バネ内の空気を排出したりして、台車に対し車体を傾斜させる車体傾斜装置を備える。車体傾斜装置としては、上記した車体高さ調整装置の空気配管とは別系統で、エアタンクから各空気バネに到る空気配管が配設され、この配管の経路に専用の傾斜制御弁が介設される。傾斜制御弁は、車体の傾斜角度が所定の角度となるように、空気バネに対して加圧空気の給排気を行う弁である。
　ここで、車体傾斜装置には、空気バネの高さを検出するセンサが不可欠である。センサからの出力信号に基づいて、空気バネの高さ、さらにはこの空気バネ高さから車体の傾斜角度を逐次把握し、傾斜制御弁を適切に作動させるためである。一般には、そのセンサとしてレゾルバまたはエンコーダといった回転角度センサが採用される。従来、回転角度センサは、上記のＬＶとは別に、車体または台車に固定されるとともに、回転角度センサのロータ（回転子）に取り付けられたレバーがリンク機構で台車または車体に連結され、空気バネの高さをレバーの回転角度として検出する。
　近年、鉄道車両にはコストの低減が強く求められ、部品点数の削減が積極的に図られている。この点、上記のＬＶと回転角度センサは、同様のリンク機構によって作動するため、リンク機構を共用すれば、部品点数の削減が期待できる。このため、例えば、特許文献２には、リンク機構を共用化し、ＬＶの作動軸に回転角度センサのロータを装着した回転角度センサ付きＬＶが提案されている。
特開２００４－２６２４３８号公報 特開２００６－３２７３９１号公報
　前記特許文献２に提案される回転角度センサ付きＬＶでは、回転角度センサとしてレゾルバが用いられる。レゾルバは、エンコーダと比較して堅牢性に優れる点で有用である。
　しかし、同文献に記載の従来のレゾルバは、同文献の段落［００２４］および図３に記載されるように、ロータと、これを包囲するステータ（固定子）の両方に回転角度検出部を有することから、ロータに励磁コイルが設けられ、ステータに検出コイルが設けられたものといえる。そうすると、従来のレゾルバでは、ロータおよびステータのいずれにもコイルの巻線が必要であり、また、回転するロータの励磁コイルに電力を供給するのにブラシまたは回転トランスが必要となる。このため、従来のレゾルバは、構造が複雑となり、コストが高く、サイズも大きくならざるを得ない。このようなレゾルバの問題は、レゾルバ付きＬＶにも引き継がれる。
　本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、鉄道車両の空気バネ高さを検出するレゾルバを一体的に備える場合であっても、コストの低減を実現でき、しかも小型化を図ることが可能なレゾルバ付き車体高さ調整弁を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、下記の知見を得た。レゾルバ付きＬＶにおいて、コストの低減とともに小型化を図るには、ステータのみにコイルを設けたレゾルバを採用するのが有効である。回転するロータにコイルを設けないため、コイルの巻線がステータのみで済み、また、電力供給用のブラシおよび回転トランスが不要となり、その結果、構造が簡素で部品点数も削減できるからである。
　もっとも、このようなレゾルバで回転角度を検出するには、ロータが１回転する中でロータの外周面とステータのコイルの鉄心との隙間が周方向で周期的に変化するように、ロータの外周の輪郭形状を設定する必要がある。ロータの回転に伴って上記の隙間が変化し、これに応じてその隙間を透過する磁束密度が変化し、これに応じてコイルの出力が変化するため、これを利用して回転角度を検出できるからである。
　本発明は上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記に示す鉄道車両用のレゾルバ付きＬＶにある。すなわち、台車上に左右に一対の空気バネを介して車体が支持された鉄道車両に用いられ、空気バネの高さの変動に応じて回動する作動軸を有し、この作動軸の回動に応じ空気バネに加圧空気を給排気して車体の高さを一定に調整するＬＶであって、当該ＬＶは、鉄道車両が曲線路を走行する際に車体を傾斜させるために空気バネの高さを検出するレゾルバを備え、このレゾルバは、前記作動軸に固定された磁性材からなるロータと、このロータを包囲する磁性材からなるステータとを含み、ステータの内周面には、励磁コイルおよび検出コイルが巻き回された複数の鉄心がロータの外周面に対向して周方向にわたり設けられ、ロータの外周の輪郭形状は、ロータが１回転する中でロータの外周面とステータの鉄心との隙間が周方向で周期的に変化する形状に形成されていることを特徴とする鉄道車両用のレゾルバ付きＬＶである。
　上記のレゾルバ付きＬＶにおいて、前記ロータの外周の輪郭形状は、前記ロータが１回転する中で前記隙間が３周期～６周期で変化する形状であることが好ましい。
　また、上記のレゾルバ付きＬＶでは、前記ロータは、回転中心に前記作動軸が挿入されキーで前記作動軸に固定されることが好ましい。
　本発明の鉄道車両用のレゾルバ付きＬＶによれば、レゾルバのロータにコイルを設けることなく、ステータのみにコイルを設ける構成であるため、コイルの巻線がステータのみで済み、また、電力供給用のブラシおよび回転トランスが不要となり、このことから、構造が簡素で部品点数も削減でき、コストの低減とともに小型化を図ることが可能になる。
図１は、本発明のレゾルバ付きＬＶを搭載した鉄道車両の構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は車体高さ調整を実行する際の状態を、図１（ｂ）は車体傾斜を実行する際の状態をそれぞれ示す。 図２は、本発明のレゾルバ付きＬＶの外観を模式的に示す斜視図である。 図３は、本発明のレゾルバ付きＬＶにおけるレゾルバの構成例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図を、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ断面図をそれぞれ示す。 図４は、レゾルバに用いられるロータの外周輪郭の形状例を示す図であり、図４（ａ）は一周につき３周期で、図４（ｂ）は一周につき４周期で、図４（ｃ）は一周につき６周期でそれぞれ変化する輪郭形状を示す。
　以下に、本発明の鉄道車両用のレゾルバ付きＬＶの実施形態について詳述する。
　１．鉄道車両の構成
　図１は、本発明のレゾルバ付きＬＶを搭載した鉄道車両の構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は車体高さ調整を実行する際の状態を、図１（ｂ）は車体傾斜を実行する際の状態をそれぞれ示す。図２は、本発明のレゾルバ付きＬＶの外観を模式的に示す斜視図である。
　鉄道車両１は、車体２と、この車体２を前後で支持する台車３とから構成され、レール４上を走行する。車体２は、台車３との間に介装された左右に一対の空気バネ５によって弾性支持される。鉄道車両１は、低速で走行する際や乗客が乗降する停車の際に車体２の姿勢を水平な状態に維持するため、台車３に対し車体２を左右で同じ一定の高さに調整する車体高さ調整装置を備える。また、鉄道車両１は、曲線路を走行する際に車体２を内軌側に傾倒させるため、台車３に対し車体２を傾斜させる車体傾斜装置を備える。
　車体高さ調整装置としては、エアタンク６から各空気バネ５に到る空気配管（以下、説明の便宜上「第１配管」という）１１が配設され、この第１配管１１の経路にレゾルバ付きＬＶ２０が介設される。また、第１配管１１には、ＬＶ２０と空気バネ５の間の経路に遮断弁１２が介設される。遮断弁１２は制御部７に接続されており、制御部７からの指令により経路を開閉する。
　ＬＶ２０は、バルブ本体２１を貫通する回動自在な作動軸２２を有し、この作動軸２２の前端部にレバー２３が取り付けられる。ＬＶ２０は、バルブ本体２１が車体２に固定され、レバー２３が連接棒２４を介したリンク機構により台車３と連結される。ＬＶ２０は台車３に固定される場合もあり、この場合、同様のリンク機構によってＬＶ２０のレバー２３が車体２と連結される。
　ＬＶ２０のバルブ本体２１には、図２に示すように、吸気ポート２５、排気ポート２６および通気ポート２７が設けられる。吸気ポート２５には、エアタンク６につながる第１配管１１が接続され、通気ポート２７には、空気バネ５につながる第１配管１１が接続される。排気ポート２６には、外部に開放された図示しない排気管が接続される。バルブ本体２１の内部では、図示はしないが、作動軸２２から径方向に突片が突出し、この突片を間に挟んで吸気ポート２５のニードル弁と排気ポート２６のニードル弁が対向して配置される。ＬＶ２０は、空気バネ５の高さ変動に伴ってリンク機構を介して作動軸２２が回動することにより、吸気ポート２５のニードル弁と排気ポート２６のニードル弁のいずれか一方が突片により押し込まれ、押し込まれた方のポート２５、２６が開放される構造である。
　車体傾斜装置としては、図１に示すように、車体高さ調整装置を構成する第１配管１１とは別系統で、エアタンク６から各空気バネ５に到る空気配管（以下、第１配管と区別して「第２配管」という）３１が配設され、この第２配管３１の経路に専用の傾斜制御弁３２が介設される。傾斜制御弁３２は制御部７に接続されており、制御部７からの指令により作動する。
　また、図２に示すように、ＬＶ２０のバルブ本体２１の背後にレゾルバ４０が配置される。レゾルバ４０は、ロータ４１と、これを包囲するステータ４２とから構成される。ロータ４１は、回転子としてＬＶ２０の作動軸２２の後端部に取り付けられ、ステータ４２は、固定子としてバルブ本体２１に固定される。ステータ４２の内周面には、周方向にわたり複数の励磁コイル４４および検出コイル４５が設けられ、各コイル４４、４５から引き出された導線は、図示しないＲ／Ｄ変換器を介して図１に示す制御部７に接続される。
　レゾルバ４０は、空気バネ５の高さ変動に伴ってリンク機構を介して作動軸２２が回動することにより、ロータ４１が回動し、この回転角度に応じ検出コイル４５に振幅の変化する電圧が発生する。レゾルバ４０は、Ｒ／Ｄ変換器により、その検出コイル４５に発生する電圧の波形から回転角度を検出し、この回転角度から空気バネの高さを特定するものである。なお、レゾルバ４０の詳細な構成は後述する。
　このような鉄道車両１において、低速走行時や停車時のように車体高さ調整を実行する際、図１（ａ）に示すように、制御部７からの指令により、遮断弁１２を開いた状態に保持するとともに、傾斜制御弁３２を非作動の状態に保持する。この状態で空気バネ５の高さが変動すると、その高さ変動がリンク機構（連接棒２４）を介してＬＶ２０のレバー２３に機械的に伝達され、ＬＶ２０の作動軸２２がレバー２３と一体で回動する。
　例えば、空気バネ５の高さが低くなり、これに応じてＬＶ２０の作動軸２２が回転し、作動軸２２の突片が吸気ポート２５のニードル弁を押し込んだ場合、吸気ポート２５が開放される。これにより、第１配管１１の経路が全域にわたって開通し、エアタンク６から空気バネ５に加圧空気が供給される（図１（ａ）中の実線矢印参照）。これとは逆に、空気バネ５の高さが高くなり、これに応じてＬＶ２０の作動軸２２が上記とは逆方向に回転し、作動軸２２の突片が排気ポート２６のニードル弁を押し込んだ場合、排気ポート２６が開放される。これにより、空気バネ５からＬＶ２０までの第１配管１１を通じ、空気バネ５内の空気が外部に排出される（図１（ａ）中の破線矢印参照）。
　こうして、ＬＶ２０は、空気バネ５の高さ変動を機械的に検知すると同時に、その高さ変動に応じ、逐次、空気バネ５に対して加圧空気の給排気を行って、台車３に対し車体２を左右で同じ一定の高さに調整する。
　一方、高速での曲線路走行時のように車体傾斜を実行する際は、図１（ｂ）に示すように、制御部７からの指令により、遮断弁１２を閉じた状態に保持する。ＬＶ２０による車体高さ調整機能を停止させるためである。このとき、制御部７は、曲線路の軌道情報に基づいて、車体２の傾斜角度が所定の角度となるように、傾斜制御弁３２を作動させる。
　例えば、左右の空気バネ５のうちの外軌側（図１（ｂ）では右側）の空気バネ５の高さを内軌側（図１（ｂ）では左側）の空気バネ５の高さよりも高くして、車体２を内軌側に所定の角度に傾倒させる場合を考える。この場合、外軌側の傾斜制御弁３２の作動により、外軌側の空気バネ５に第２配管３１を通じて加圧空気を供給し（図１（ｂ）中の実線矢印参照）、場合によっては、それと同時に内軌側の傾斜制御弁３２の作動により、内軌側の空気バネ５内の空気を第２配管３１を通じて外部に排出する（図１（ｂ）中の破線矢印参照）。
　その際、制御部７は、Ｒ／Ｄ変換器を介して出力されるレゾルバ４０からの出力信号を逐次取得して、空気バネ５の高さを検出し、さらにこの空気バネ高さから車体２の傾斜角度を逐次把握している。そして、制御部７は、逐次把握する車体２の傾斜角度が所定の角度となるように、傾斜制御弁３２を継続して作動させ、空気バネ５に対して加圧空気の給排気を行う。
　２．レゾルバの構成
　図３は、本発明のレゾルバ付きＬＶにおけるレゾルバの構成例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図を、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ断面図をそれぞれ示す。図４は、レゾルバに用いられるロータの外周輪郭の形状例を示す図であり、図４（ａ）は一周につき３周期で、図４（ｂ）は一周につき４周期で、図４（ｃ）は一周につき６周期でそれぞれ変化する輪郭形状を示す。図３では、ロータの輪郭形状が一周につき４周期で変化する図４（ｂ）に示すものを例示している。
　図３に示すように、レゾルバ４０は、回転子であるロータ４１と、これを包囲する固定子であるステータ４２とから構成され、いずれも磁性材からなる。ロータ４１は、回転中心にＬＶの作動軸２２が挿入され、キー４６を挿し込まれて作動軸２２に強固に固定される（図３（ｂ）参照）。ステータ４２の内周面には、ロータ４１の外周面に対向して周方向にわたり複数の鉄心４３が設けられ、各鉄心４３には、内側から順に励磁コイル４４および検出コイル４５が巻き回される。鉄心４３の端面部４３ａの輪郭形状は、ロータ４１の回転中心を中心とする同一円周上の円弧状とされる。
　ロータ４１は、その外周の輪郭形状が独特の形状に形成されている。すなわち、ロータ４１の輪郭形状は、ロータ４１が１回転する中で、ロータ４１の外周面とステータ４２の鉄心４３の端面部４３ａとの隙間ｔが周方向で周期的に変化する形状とされる。例えば、ロータ４１が１回転する中で上記の隙間ｔが３周期で変化する場合のロータ４１の形状は、図４（ａ）に示すように、全体に丸みを帯びた三角の星形である。また、上記の隙間ｔが４周期で変化する場合のロータ４１の形状は、図４（ｂ）に示すように、全体に丸みを帯びた四角の星形である。上記の隙間ｔが６周期で変化する場合のロータ４１の形状は、図４（ｃ）に示すように、全体に丸みを帯びた六角の星形である。
　このような構成のレゾルバ４０では、空気バネ５の高さ変動に伴ってリンク機構を介して作動軸２２が回動することにより、ロータ４１が回動し、この回転角度に応じて上記の隙間ｔが変化し、これに応じてその隙間ｔを透過する磁束密度が変化する。これに応じ、検出コイル４５に振幅の変化する電圧が発生し、この電圧波形から回転角度を検出し、空気バネ５の高さを検出できる。
　ここで、本発明で採用するレゾルバ（以下、「ＶＲ（可変リラクタンス）レゾルバ」ともいう）は、上述した従来のレゾルバ（ロータおよびステータのいずれにもコイルを設けたもの）と比較して、角度の計測精度に劣る。一般に、従来のレゾルバの計測誤差は、汎用のもので０．０２～０．０９°であるのに対し、ＶＲレゾルバでは、最大で１°程度の計測誤差が発生する。
　一方、空気バネ高さの計測にレゾルバを使用する場合、空気バネ高さの計測誤差は、「てこの長さ×ｓｉｎ（レゾルバの角度計測誤差）」で表される。ここでいう「てこの長さ」は、「レゾルバのレバー長さ」のことである。通常の鉄道車両においては、左右の空気バネの配置間隔は２０００ｍｍであり、車体の傾斜角度の計測誤差は０．０５°以下を要求され、これらから換算して、空気バネ高さの計測誤差は２ｍｍ以下の精度を要求される。この場合、てこの長さを１４０ｍｍとすると、レゾルバで許容される角度計測誤差は約０．８°となる。したがって、ＶＲレゾルバでは許容される計測精度を満足できない状況が起こり得る。以下、ＶＲレゾルバにより計測精度を確実に確保する方策を検討する。
　外周輪郭形状が一周につき２周期で変化するロータ（楕円形のロータ）を用いたＶＲレゾルバでは、角度計測誤差は１°である。これに対し、前記図４（ａ）に示すように、外周輪郭形状が一周につき３周期で変化するロータを用いたＶＲレゾルバでは、角度計測誤差は０．７５°であり、この場合、ロータの一周を３周期分、すなわち３分割した１２０°の範囲で、その角度計測誤差を確実に保証できる。また、前記図４（ｂ）に示すように、外周輪郭形状が一周につき４周期で変化するロータを用いたＶＲレゾルバでは、角度計測誤差は０．５０°であり、この場合、ロータの一周を４周期分、すなわち４分割した９０°の範囲で、その角度計測誤差を確実に保証できる。
　このような傾向からすれば、外周輪郭形状が一周につき３周期以上で変化するロータを用いたＶＲレゾルバは、角度計測誤差を少なくとも０．７５°以下に確保することが可能であり、鉄道車両で許容される計測精度（０．８°以下）を満足することができる。
　また、通常の鉄道車両においては、空気バネの高さは－４～１２０ｍｍの範囲で変動し、これはＶＲレゾルバの回動角度に換算して－１１．５～３７°に相当する。このため、ＶＲレゾルバで角度計測誤差を確実に保証するには、ＶＲレゾルバによる計測範囲は安全性を考慮して５５°以上確保する必要がある。この点、外周輪郭形状が一周につき６周期で変化するロータを用いたＶＲレゾルバでは、角度計測誤差を確実に保証できる範囲は、ロータの一周を６周期分、すなわち６分割した６０°であり、通常の鉄道車両で必要とする計測範囲内である。しかし、外周輪郭形状が一周につき６周期を超えて変化するロータ、例えば、７周期で変化するロータを用いたＶＲレゾルバでは、角度計測誤差を確実に保証できる範囲は、ロータの一周を７周期分、すなわち７分割した５１．４°であり、通常の鉄道車両で必要とする計測範囲を超えてしまう。
　したがって、ＶＲレゾルバにおいて、ロータの外周の輪郭形状は、一周につき３周期、４周期、５周期または６周期で変化する形状であることが好ましい。通常の鉄道車両で要求される角度計測誤差を確実に保証できるからである。
　以上の通り、本発明の鉄道車両用のレゾルバ付きＬＶによれば、レゾルバのロータにコイルを設けることなく、ステータのみにコイルを設ける構成であるため、コイルの巻線がステータのみで済み、また、電力供給用のブラシおよび回転トランスが不要となる。このため、構造が簡素で部品点数も削減でき、コストの低減とともに小型化を図ることが可能になる。
　　１：鉄道車両、　　２：車体、　　３：台車、　　４：レール、
　　５：空気バネ、　　６：エアタンク、　　７：制御部、
　　１１：第１配管（空気配管）、　　１２：遮断弁、
　　２０：ＬＶ（車体高さ調整弁）、　　２１：バルブ本体、
　　２２：作動軸、　　２３：レバー、　　２４：連接棒、
　　２５：吸気ポート、　　２６：排気ポート、　　２７：通気ポート、
　　３１：第２配管（空気配管）、　　３２：傾斜制御弁、
　　４０：レゾルバ、　　４１：ロータ、　　４２：ステータ、
　　４３：鉄心、　　４３ａ：端面部、　　４４：励磁コイル、
　　４５：検出コイル、　　４６：キー、　　ｔ：隙間
 
 

Claims (3)

  1. 　台車上に左右に一対の空気バネを介して車体が支持された鉄道車両に用いられ、空気バネの高さの変動に応じて回動する作動軸を有し、この作動軸の回動に応じ空気バネに加圧空気を給排気して車体の高さを一定に調整する車体高さ調整弁であって、
    　当該車体高さ調整弁は、鉄道車両が曲線路を走行する際に車体を傾斜させるために空気バネの高さを検出するレゾルバを備え、
    　このレゾルバは、前記作動軸に固定された磁性材からなるロータと、このロータを包囲する磁性材からなるステータとを含み、ステータの内周面には、励磁コイルおよび検出コイルが巻き回された複数の鉄心がロータの外周面に対向して周方向にわたり設けられ、ロータの外周の輪郭形状は、ロータが１回転する中でロータの外周面とステータの鉄心との隙間が周方向で周期的に変化する形状に形成されていることを特徴とする鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁。
  2. 　前記ロータの外周の輪郭形状は、前記ロータが１回転する中で前記隙間が３周期～６周期で変化する形状であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁。
  3. 　前記ロータは、回転中心に前記作動軸が挿入されキーで前記作動軸に固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用のレゾルバ付き車体高さ調整弁。
     
     
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