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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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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