| 【発明の名称】 |
車両駆動制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】中沢 洋介
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| 【要約】 |
【課題】各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくすることによって各歯車の歯の断面積を小さくし、その結果としてギア比を高く設計することができ、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が図れる車両駆動制御装置を提供する。
【解決手段】車輪軸10に直結された大歯車11に、２つ以上の複数個の小歯車121-124をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機131-134をさらにそれら各々に個別に接続されたインバータ装置141-144で給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくする。また、各インバータの直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータが流用できるようにする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合う複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するためにそれらの各々に１台ずつ接続され、かつ、それらの直流入力側が直列に接続された複数のインバータとを備えて成る車両駆動制御装置。
【請求項２】 前記複数のインバータ各々は、架線から供給される直流電源電圧検出値と前記インバータ各々の入力電圧検出値とを入力し、前記直流電源電圧検出値を前記複数のインバータの直列段数で除した値と前記入力電圧検出値との偏差に応じて出力トルク指令を補正するインバータ制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載の車両駆動制御装置。
【請求項３】 前記複数のインバータ各々は、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるために、その正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両駆動制御装置。
【請求項４】 前記複数のインバータのうちの少なくとも１台が故障して残りのインバータによって継続運転している最中に、架線電源電圧が運転中のすべてのインバータの許容入力直流電圧の加算値を超えたときに架線の直流電源がこれらのインバータの直流入力側に供給されるのを遮断する電源遮断スイッチを備えたことを特徴とする請求項３に記載の車両駆動制御装置。
【請求項５】 前記インバータ各々の出力電流の合成値に基づいてインバータ出力電圧指令を演算し、各段のインバータを同一の電圧指令にしたがってパルスパターンを出力するインバータ制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両駆動制御装置。
【請求項６】 前記交流電動機各々のフレームと電源アースとを電気的に短絡し、各段のインバータのＰＷＭパルスパターンを作成するための三角波に位相差を持たせるインバータ制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両駆動制御装置。
【請求項７】 前記インバータ各々の入力直流電圧検出値と入力直流電流検出値とに基づいて演算した出力有効電力と、電動機回転角周波数とトルク指令とに基づいて演算した有効電力指令値との偏差に基づき、トルク指令値を補正するインバータ制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両駆動制御装置。
【請求項８】 １編成中の少なくとも２つ以上の車輪軸に直結された各々１つずつの大歯車と、前記大歯車各々にかみ合った複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するために前記交流電動機１台につき１台ずつ接続され、かつ、前記異なる車輪軸につながった前記交流電動機を駆動するものの直流入力端子同士が直列に接続されたインバータと、架線直流電源から前記インバータのすべてに供給される電力を同時に遮断するための電源遮断スイッチとを備えて成る車両駆動制御装置。
【請求項９】 車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合った１つの小歯車と、前記小歯車に直結された３×ｎ（ｎは２以上の正の整数）相交流電動機と、前記交流電動機に対して電力を供給する、それらの直流入力側が直列接続されたｎ台のインバータとを備えて成る車両駆動制御装置。
【請求項１０】 前記ｎ台のインバータ各々は、架線から供給される直流電源電圧検出値と前記インバータ各々の入力電圧検出値とを入力し、前記直流電源電圧検出値を前記複数のインバータの直列段数ｎで除した値と前記入力電圧検出値との偏差に応じて出力トルク指令を補正するインバータ制御装置を有することを特徴とする請求項９に記載の車両駆動制御装置。
【請求項１１】 前記ｎ台のインバータ各々は、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるために、その正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の車両駆動制御装置。
【請求項１２】 前記交流電動機が永久磁石同期電動機であり、少なくとも１台のインバータが故障したときに、健全な残りのインバータで永久磁石同期電動機の永久磁石磁束に起因する磁束を打ち消す方向の電流が流れるように制御するインバータ制御装置を備えたことを特徴とする請求項９に記載の車両駆動制装置。
【請求項１３】 車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合う複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するためにそれらの各々に１台ずつ接続された複数のインバータと、前記複数のインバータの直流入力側ごとに接続され、かつ、それらの交流入力端子が直列接続された複数のコンバータと、交流電源を入力として適切な定格の交流電圧に変圧して前記コンバータに出力する変圧器とを備えて成る車両駆動制御装置。
【請求項１４】 前記複数のコンバータ各々は、自コンバータ又はその直流出力側に接続されているインバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのコンバータ及びインバータによって運転を継続させるために、その交流入力端子各々に短絡用スイッチを有することを特徴とする請求項１３に記載の車両駆動制御装置。
【請求項１５】 車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合う複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するためにそれらの各々に１台ずつ接続された複数のインバータと、交流電源を入力として適切な定格の交流電圧を得る変圧器と、直流出力側が前記複数のインバータの直流入力側各々に並列接続され、かつ、その交流入力端子が前記変圧器の二次側に接続されたコンバータと、前記複数のインバータの正負の直流入力端子間各々に接続され、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるための複数の短絡用スイッチとを備えて成る車両駆動制御装置。
【請求項１６】 前記交流電動機各々とインバータ各々とを一体型にしたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の車両駆動制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、車両駆動制御装置は図２１及び図２２に示す構成である。大歯車１１と、小歯車１２と、交流電動機１３と、インバータ１４と、フィルタリアクトル１５と、給電装置１６とから構成されている。大歯車１１は車輪軸１０と同軸上に直結され、小歯車１２の歯とかみ合うように機械的に配置されている。そして、交流電動機１３が発生するトルクは小歯車１２と大歯車１１とのギア比に応じたトルク増幅率で出力トルクを車輪回転トルクに変えて加速力、減速力を得ている。なお、符号９は台車、８は平滑コンデンサである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来の車両駆動制御装置では、大きなトルクを伝達するためには歯車の歯の大きさ（歯の面積）は一定量以上必要であるが、機械強度と車両床下の限られたスペースの中で歯車を構成するには、歯車の歯数に上限があった。すなわち、ギア比に上限があり、歯車の高トルク増幅率、電動機の高速回転化による電動機の小型、軽量、低コスト化に制限があった。
【０００４】さらに、車両駆動用電動機に電力を供給するインバータ装置の入力直流電圧は、ＤＣ１５００Ｖ程度と一般産業用の汎用インバータ装置の入力直流電圧ＤＣ２８０Ｖ程度に比べて格段に高いため、インバータ装置のスイッチングに伴う高調波誘導障害の問題が顕著であり、さらに特別仕様のインバータ装置を設計製造していたため、高コストになったり、信頼性が低下する問題点があった。
【０００５】本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機をさらにそれら各々に個別に接続されたインバータ装置で給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくすることができ、その結果としてギア比を高く設計することができ、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が図れる車両駆動制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】本発明はまた、各インバータの直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる車両駆動制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の車両駆動制御装置は、車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合う複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するためにそれらの各々に１台ずつ接続され、かつ、それらの直流入力側が直列に接続された複数のインバータとを備えたものである。
【０００８】請求項１の発明の車両駆動制御装置では、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機をさらにそれら各々に個別に接続されたインバータ装置で給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくしてギア比を高く設計し、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化を図る。また、各インバータの直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上を図る。
【０００９】請求項２の発明の車両駆動制御装置は、請求項１において、前記複数のインバータ各々が、架線から供給される直流電源電圧検出値と前記インバータ各々の入力電圧検出値とを入力し、前記直流電源電圧検出値を前記複数のインバータの直列段数で除した値と前記入力電圧検出値との偏差に応じて出力トルク指令を補正するインバータ制御装置を有するものであり、インバータを直列に多段接続した構成において、各インバータの個体差に起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータの入力過電圧による運転停止を防止する。
【００１０】請求項３の発明の車両駆動制御装置は、請求項１又は２において、前記複数のインバータ各々が、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるために、その正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有するものであり、万一インバータのうちの何台かが故障しても最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【００１１】請求項４の発明の車両駆動制御装置は、請求項３において、さらに、前記複数のインバータのうちの少なくとも１台が故障して残りのインバータによって継続運転している最中に、架線電源電圧が運転中のすべてのインバータの許容入力直流電圧の加算値を超えたときに架線の直流電源がこれらのインバータの直流入力側に供給されるのを遮断する電源遮断スイッチを備えたものであり、インバータのうちの何台かが故障した状態で車両の運転を継続している最中に、健全なインバータにその耐圧を超える直流入力過電圧が発生すれば、電源遮断スイッチを開放することによってインバータの破壊を防止する。
【００１２】請求項５の発明の車両駆動制御装置は、請求項１において、さらに、前記インバータ各々の出力電流の合成値に基づいてインバータ出力電圧指令を演算し、各段のインバータを同一の電圧指令にしたがってパルスパターンを出力するインバータ制御装置を備えたものであり、力行運転において特別な直流電圧のバランス制御を行なうことなしに、自動的に直流電圧の均等化を図りながら運転を継続することができる。
【００１３】請求項６の発明の車両駆動制御装置は、請求項１において、さらに、前記交流電動機各々のフレームと電源アースとを電気的に短絡し、各段のインバータのＰＷＭパルスパターンを作成するための三角波に位相差を持たせるインバータ制御装置を備えたものであり、インバータのＰＷＭスイッチングに起因する対地高周波漏れ電流を低減し、信号や通信への悪影響を低減する。
【００１４】請求項７の発明の車両駆動制御装置は、請求項１において、さらに、前記インバータ各々の入力直流電圧検出値と入力直流電流検出値とに基づいて演算した出力有効電力と、電動機回転角周波数とトルク指令とに基づいて演算した有効電力指令値との偏差に基づき、トルク指令値を補正するインバータ制御装置を備えたものであり、電動機の永久磁石磁束の個体差などに起因して発生する出力トルクアンバランス、ひいては直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータ入力過電圧による運転停止を防止する。
【００１５】請求項８の発明の車両駆動制御装置は、１編成中の少なくとも２つ以上の車輪軸に直結された各々１つずつの大歯車と、前記大歯車各々にかみ合った複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するために、前記交流電動機１台につき１台ずつ接続され、かつ、前記異なる車輪軸につながった前記交流電動機を駆動するものの直流入力端子同士が直列に接続されたインバータと、架線直流電源から前記インバータのすべてに供給される電力を同時に遮断するための電源遮断スイッチとを備えたものであり、万一のインバータの故障時に、車両編成としての駆動力を確保するために健全なインバータと電動機の電流及びトルクを増加させるような運転状態においても、トルクを２つの車輪軸でレールに伝えることができ、レール・車輪間の空転の発生の確率を低減して、編成としての加速力を確保しやすくする。
【００１６】請求項９の発明の車両駆動制御装置は、車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合った１つの小歯車と、前記小歯車に直結された３×ｎ（ｎは２以上の正の整数）相交流電動機と、前記交流電動機に対して電力を供給する、それらの直流入力側が直列接続されたｎ台のインバータとを備えたものであり、インバータ各々の直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害の減少や、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上を図る。
【００１７】請求項１０の発明の車両駆動制御装置は、請求項９において、前記ｎ台のインバータ各々が、架線から供給される直流電源電圧検出値と前記インバータ各々の入力電圧検出値とを入力し、前記直流電源電圧検出値を前記複数のインバータの直列段数ｎで除した値と前記入力電圧検出値との偏差に応じて出力トルク指令を補正するインバータ制御装置を有するものであり、インバータを直列に多段接続した構成において、各インバータの個体差に起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータの入力過電圧による運転停止を防止する。
【００１８】請求項１１の発明の車両駆動制御装置は、請求項９又は１０において、前記ｎ台のインバータ各々が、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるために、その正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有するものであり、万一インバータのうちの何台かが故障しても最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【００１９】請求項１２の発明の車両駆動制御装置は、請求項９において、さらに、前記交流電動機が永久磁石同期電動機であり、少なくとも１台のインバータが故障したときに、健全な残りのインバータで永久磁石同期電動機の永久磁石磁束に起因する磁束を打ち消す方向の電流が流れるように制御するインバータ制御装置を備えたものであり、交流電動機に誘起電圧の高い永久磁石同期電動機を適用することが可能であり、電動機の高効率化、小型化が実現できる。
【００２０】請求項１３の発明の車両駆動制御装置は、車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合う複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するためにそれらの各々に１台ずつ接続された複数のインバータと、前記複数のインバータの直流入力側ごとに接続され、かつ、それらの交流入力端子が直列接続された複数のコンバータと、交流電源を入力として適切な定格の交流電圧に変圧して前記コンバータに出力する変圧器とを備えたものである。
【００２１】請求項１３の発明の車両駆動制御装置では、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機を、それら各々に個別に接続されたインバータ及びコンバータによって給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくしてギア比を高く設計し、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化を図る。また、各インバータの直流入力端子同士を各々コンバータを介して直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上を図る。
【００２２】さらに、コンバータの直列多重化により変圧器二次巻線にかかるＰＷＭ電圧を多レベル化して、電源、架線系統への高調波流出の低減、変圧器の高調波に起因する発熱損失の低減、低騒音化を図る。
【００２３】請求項１４の発明の車両駆動制御装置は、請求項１３において、前記複数のコンバータ各々が、自コンバータ又はその直流出力側に接続されているインバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのコンバータ及びインバータによって運転を継続させるために、その交流入力端子間各々に短絡用スイッチを有するものであり、万一インバータ又はコンバータのうちの何台かが故障しても、最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【００２４】請求項１５の発明の車両駆動制御装置は、車輪軸に直結された１つの大歯車と、前記大歯車にかみ合う複数の小歯車と、前記小歯車の各々に１台ずつ直結された交流電動機と、前記交流電動機の各々に電力を供給するためにそれらの各々に１台ずつ接続された複数のインバータと、交流電源を入力として適切な定格の交流電圧を得る変圧器と、直流出力側が前記複数のインバータの直流入力側各々に並列接続され、かつ、その交流入力端子が前記変圧器の二次側に接続されたコンバータと、前記複数のインバータの正負の直流入力端子間各々に接続され、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるための複数の短絡用スイッチとを備えたものである。
【００２５】請求項１５の発明の車両駆動制御装置では、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機を、それら各々に個別に接続されたインバータ及びこれらのインバータに共通に接続されたコンバータによって給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくしてギア比を高く設計し、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化を図る。また、各インバータの直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線よりコンバータを介して電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上を図る。
【００２６】さらに、各インバータの正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有するので、万一インバータのうちの何台かが故障しても最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【００２７】請求項１６の発明の車両駆動制御装置は、請求項１〜１５において、前記交流電動機各々とインバータ各々とを一体型にしたものであり、交流電動機の高速化による小型化によって空いた台車内の空間を利用して、インバータと交流電動機とを一体化したユニットとして搭載することにより、交流電動機とインバータとの間の配線作業の手間を省略し、また、従来、車両の床下に搭載していたインバータの空間を不要にし、ひいては電動機付き車両も２階建て車両にして客席数を増加できるようにする。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１及び図２は、本発明の第１の実施の車両駆動制御装置の構成を示している。この実施の形態の車両駆動制御装置は、大歯車１１と、４つの小歯車１２１，１２２，１２３，１２４と、４つの交流電動機１３１，１３２，１３３，１３４と、４つのインバータ１４１，１４２，１４３，１４４と、フィルタリアクトル１５と、給電装置１６と、４つのたわみ継手１７１，１７２，１７３，１７４から構成されている。
【００２９】大歯車１１は、車輪軸１０と同軸上に直結され、小歯車１２１〜１２４の歯とそれぞれかみ合うように機械的に配置されている。そして、交流電動機１３１〜１３４が発生するトルクは、小歯車１２１〜１２４と大歯車１１とのギア比で増幅され、車輪軸１０を回転させることにより駆動力に変換される。
【００３０】このような大歯車１１と小歯車１２１〜１２４との組合せにより、車両編成の中で、１つの車輪軸及び車輪が分担すべき駆動力が同一であるとすると、従来の１つの小歯車と大歯車との間ですべてのトルクを伝達しているのに対して、４つの小歯車１２１〜１２４によって必要トルクを４分割することができ、歯車の各歯に要求される機械的強度が低減される。これにより、歯をより小さく設計することができるようになり、同一直径の歯車に対して従来以上に多くの歯を作ることが可能になり、結果的に、高ギア比を達成することが可能になる。
【００３１】小歯車１２１〜１２４は、それぞれたわみ継手１７１〜１７４を介して交流電動機１３１〜１３４の回転子軸と結合されている。そして、たわみ継手１７１〜１７４は、それぞれ交流電動機１３１〜１３４が発生するトルクを小歯車１２１〜１２４に伝達しながら、台車９に装荷された交流電動機１３１〜１３４と車輪軸１０に装荷された小歯車１２１〜１２４とが台車９のバネ機構で軸中心が互いにずれても回転力を伝達する働きをする。
【００３２】交流電動機１３１〜１３４は、インバータ１４１〜１４４から三相電力を給電されてトルクを発生する三相交流電動機であり、例えば、永久磁石同期電動機や誘導電動機、リラクタンス電動機が用いられる。
【００３３】インバータ１４１〜１４４は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような電力用半導体素子のスイッチングによって一定電圧直流から所望の三相交流電圧を得る一般的な三相ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータである。これらのインバータ１４１〜１４４の正負の直流入力端子間にはそれぞれ、平滑コンデンサ８１〜８４それぞれが接続され、また４段に直列接続されている。
【００３４】給電装置１６は架線と機械的、電気的に接触して架線から直流電力を得るパンタグラフであり、フィルタリアクトル１５を介してインバータ１４１の直流入力プラス端子に電気的に接続されている。
【００３５】フィルタリアクトル１５は、インバータのＰＷＭスイッチングに伴う高調波が架線に流出するのを防ぐと共に、万一、インバータのいずれかに直流短絡故障が発生したときに短絡電流を低減する働きをする。
【００３６】インバータ１４４の直流入力マイナス端子は、車輪及びレールを介して電源マイナス端子に電気的に接続されている。
【００３７】上記の構成の車両駆動制御装置では、給電装置１６からフィルタリアクトル１５を経て取り込んだ直流架線電圧を直列４段のインバータ１４１〜１４４それぞれに４分圧されて給電され、所望の周波数の三相交流電力に変換してそれぞれに接続されている交流電動機１３１〜１３４に出力して駆動する。この交流電動機１３１〜１３４の駆動により、たわみ継手１７１〜１７４を経て小歯車１２１〜１２４それぞれが回転駆動され、これらとかみ合っている大歯車１１が回転駆動され、これに直結されている車輪軸１０と車輪が回転駆動される。
【００３８】これにより、各小歯車１２１〜１２４の分担するトルクが分散されて小さくなることにより、各歯車の歯の断面積を小さくすることができ、その結果、ギア比を高く設計できるようになり、ギア比を高く設計することにより電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が実現できる。
【００３９】また、各インバータ１４１〜１４４の直流入力側を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害の減少や大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【００４０】次に、本発明の車両駆動制御装置の第２の実施の形態を、図３及び図４に基づいて説明する。第２の実施の形態の車両駆動制御装置は図３及び図４に示す構成である。この図３及び図４において、図１及び図２に示した第１の実施の形態と共通する構成部分には同一の符号を付して示してある。以下、その特徴部分について説明する。
【００４１】インバータ１４１の制御部２１１は、インバータ１４１の直流入力電圧Vdc1と、直流全電圧Vdcと、運転台から送られるトルク指令と、Ｕ，Ｗ相出力電流フィードバック値Iu，Iwと、電動機回転位置フィードバック値θrとを入力して、次の演算により三相ＰＷＭ電圧指令VuPWM，VvPWMを求めて出力する。
【００４２】直流入力電圧Vdc1と、直流全電圧Vdcをインバータの直列段数（ここでは４段）で除した値の偏差がゼロになるようにゲインG(s)（ここでｓはラプラス演算子）をかけた値をトルク指令補正値ΔTrqRefとして求める。
【００４３】
【数１】
以下、交流電動機１３１〜１３４が永久磁石同期電動機であっ場合を例にして説明する。電流指令値演算部２１２では、トルク指令TrqRefから、トルク指令補正値ΔTrqRefを減じた値を用いてｄ，ｑ軸電流指令値IdRef，Iqefを次の数２式により求める。
【００４４】
【数２】
ここで、ΦPMは永久磁石磁束、Poは極対数である。
【００４５】電流制御部２１３では、ｄ，ｑ軸電流指令値IdRef，IqRefと、Ｕ，Ｗ相出力電流フィードバック値Iu，Iwと、電動機回転位置フィードバック値θｒとを入力として、次の演算により三相ＰＷＭ電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを求めて出力する。
【００４６】Iu，Iw，θｒからｄ，ｑ軸電流フィードバック値Id，Iqを一般的な座標変換の式を用いて次のように求める。
【００４７】
【数３】
ここで、θｒは電動機回転子位相であり、ｄ，ｑ軸座標が同期して回転する。
【００４８】ｄ軸電流Idとｄ軸電流指令IdRefとの偏差、ｑ軸電流Iqとｑ軸電流指令IqRefとの偏差がそれぞれゼロになるように電流フィードバック制御を施し、ｄ軸電圧指令Vd、ｑ軸電圧指令Vqを次の式により求める。
【００４９】
【数４】
ここで、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。
【００５０】ｄ，ｑ軸電圧指令Vd，Vqと電動機回転位置フィードバック値θｒを用いて、三相電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを次の数５式によって求める。
【００５１】
【数５】
インバータ１４１は、上記の三相電圧指令を基にして一般的な三角波比較ＰＷＭ手法などを用いて、各半導体スイッチング素子のオン／オフを行ない、所望の出力電圧を得る。
【００５２】なお、インバータ１４２〜１４４についても、インバータ１４１と同様にそれぞれの制御部（図示せず）により同様の制御に基づいて所望の出力電圧を得る。
【００５３】これにより、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、さらに、インバータ１４１〜１４４を直列に多段接続した構成において、電流検出部の個体差などに起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータ入力過電圧による運転停止を防止することができる。
【００５４】次に、本発明の第３の実施の形態の車両駆動制御装置を、図５に基づいて説明する。第３の実施の形態の特徴は、図１及び図２に示した第１の実施の形態において、さらに、直流電源入力に対して直列４段に接続したインバータ１４１〜１４４それぞれに対して平滑コンデンサ８１〜８４それぞれと並列に直流入力短絡スイッチ３１１〜３１４を設けた点にある。その他の構成は第１の実施の形態と共通であり、同一の符号を付すことによってそれらの詳しい説明は省略する。
【００５５】直流入力短絡スイッチ３１１〜３１４それぞれは、それらに接続されるインバータ１４１〜１４４それぞれが半導体素子の短絡破壊などで運転継続が困難になった場合に短絡状態にし、インバータ１４１〜１４４が健全な状態では開放状態にする。
【００５６】給電装置１６が給電する直流架線の電圧は、ＤＣ１５００Ｖ程度であり、これに対してインバータ１４１〜１４４に汎用品である直流入力電圧の耐圧が５００Ｖ程度のものを使用すれば、４台のインバータのうちのいずれか１台が故障しても、そのインバータ（例えば、インバータ１４１とする）に並列に接続された直流入力短絡スイッチ３１１を短絡させることにより、残りの健全な３台でＤＣ１５００Ｖを均等に分担して運転を継続させることができる。このときの出力トルクは３／４になってしまうが、従来であれば１台のインバータの故障によって車輪軸の電動機トルクがゼロになってしまっていた（ただし、他の車輪軸で運転は継続できているが）のに比べれば、駆動力の低減の度合いを最低限に抑えることができる。
【００５７】これにより、第３の実施の形態では、第１の実施の形態に加えて、万一インバータ１４１〜１４４のうちの何台かが故障しても、最低限のトルク低減のみで運転を継続することができる。
【００５８】次に、本発明の第４の実施の形態の車両駆動制御装置を、図６及び図７に基づいて説明する。第４の実施の形態の特徴は、図５に示した第３の実施の形態に対して、さらに、給電装置１６とフィルタリアクトル１５との間に、直流入力電源を遮断するための電源遮断スイッチ３２を設けた点にある。その他の構成は第３の実施の形態と共通であり、同一の符号を付すことによってそれらの詳しい説明は省略する。
【００５９】この電源遮断スイッチ３２は、健全動作中は短絡状態にし、次の条件が発生した時に開放状態にすることによって回路要素を保護する。すなわち、インバータ１４１〜１４４のうちの１台（例えば、インバータ１４１とする）が故障してそれに接続されている直流入力短絡スイッチ３１１を短絡状態にして運転を継続している最中に、同じ架線から給電される別の車両が回生ブレーキを行なうなどの理由で直流入力電圧が規定値を超えた場合、例えば、各インバータ１４１〜１４４に直流入力耐圧が５００Ｖのものを採用している場合であれば、架線電圧が１５００Ｖ以下ではそのまま運転を継続させ、１５００Ｖより高い電圧、例えば、１７００Ｖに上昇した場合に電源遮断スイッチ３２を開放させて残りの健全なインバータ１４２〜１４４が直流入力過電圧によって破壊されるのを防止する。
【００６０】これにより、第４の実施の形態では、インバータ１４１〜１４４のうちの何台かが故障した状態で車両の運転を継続している最中に、健全なインバータにその耐圧を超える直流入力過電圧が発生すれば、電源遮断スイッチ３２を開放することによって残りの健全なインバータの破壊を防止することができる。
【００６１】次に、本発明の第５の実施の形態の車両駆動制御装置を、図８に基づいて説明する。第５の実施の形態の特徴は、複数台、ここでは４台のインバータ１４１〜１４４を１台のインバータ制御装置４１によって一括制御するようにした点にある。その他の構成要素は、図１及び図２に示した第１の実施の形態と共通であり、同一の部分には同一の符号を付して示してある。
【００６２】インバータ制御装置４１は、４台のインバータ１４１〜１４４のＵ相電流の合計値Iuと、４台のＷ相電流の合計値Iwと、４台のうちの１台に取り付けられた電動機回転位置センサ４２のフィードバック値θｒと、４台分の電動機のトルク指令値TrqRefを入力として、次の演算により三相電圧指令Vu，Vv，Vwを求めて４台のインバータ１４１〜１４４に出力する。
【００６３】以下、交流電動機１３１〜１３４が永久磁石同期電動機であっ場合を例にして、説明する。ただし、４台の電動機の回転子の固定子Ｕ相軸に対する回転角θｒは４台共に同一になるように歯車を初期セッティングしておく必要がある。
【００６４】電流指令値演算部４１１では、トルク指令TrqRefを用いてｄ，ｑ軸電流指令値IdRef，Iqefを次の数６式により求める。
【００６５】
【数６】
ここで、ΦPMは１台の電動機の永久磁石磁束、Poは極対数である。
【００６６】電流制御部４１２では、ｄ，ｑ軸電流指令値IdRef，IqRefと、Ｕ，Ｗ相の合計出力電流フィードバック値Iu，Iwと、電動機回転位置フィードバック値θｒとを入力として、次の演算により三相ＰＷＭ電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを求めて出力する。
【００６７】Iu，Iw，θｒからｄ，ｑ軸電流フィードバック値Id，Iqを一般的な座標変換の式を用いて次のように求める。
【００６８】
【数７】
ここで、θｒは電動機回転子位相であり、ｄ，ｑ軸座標が同期して回転する。
【００６９】ｄ軸電流Idとｄ軸電流指令IdRefとの偏差、ｑ軸電流Iqとｑ軸電流指令IqRefとの偏差がそれぞれゼロになるように電流フィードバック制御を施し、ｄ軸電圧指令Vd、ｑ軸電圧指令Vqを次の式により求める。
【００７０】
【数８】
ここで、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。
【００７１】ｄ，ｑ軸電圧指令Vd，Vqと電動機回転位置フィードバック値θｒを用いて、三相電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを次の数９式によって求める。
【００７２】
【数９】
各インバータ１４１〜１４４は、上記の三相電圧指令を基にして一般的な三角波比較ＰＷＭ手法などを用いて、各半導体スイッチング素子のオン／オフを行ない、所望の出力電圧を得る。
【００７３】これにより、第５の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、さらに、力行運転に関しては、第２の実施の形態に示すような特別な直流電圧のバランス制御を施すことなしに、自動的に直流電圧の均等化を図りながら運転継続を図ることができる。
【００７４】次に、本発明の第６の実施の形態の車両駆動制御装置を、図９及び図１０に基づいて説明する。第６の実施の形態の回路構成は図１及び図２に示した第１の実施の形態と共通である。そして第６の実施の形態の特徴は、各インバータ１４１〜１４４のＰＷＭパルスパターンにある。例えば、インバータ１４１のＰＷＭパルスパターンは、各相の電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMと、キャリア三角波TRI1との大小比較により、次のようにして求める。
【００７５】VuPWM＞TRI1のとき、Vu1＝１VuPWM＜TRI1のとき、Vu1＝０ここで、三角波TRI1は、周波数ｆTRI（例えば、２００Ｈｚ）で、振幅Vdc／２の三角波である。
【００７６】インバータ１４２〜１４４の三角波TRI2〜TRI4は、それぞれ三角波TRI1に対して三角波周期Ttri（＝１／ｆTRI）の１／４，２／４，３／４ずつ位相のずれた三角波である。
【００７７】なお、インバータの直列段数がこの実施の形態のように４段ではない場合、その直列段数に応じて適切な位相ずれを持たせることになる。
【００７８】また、交流電動機１３１〜１３４のフレーム（外部ケース）は、お互いに電気的に短絡し、さらに車輪、レールを介して電源のマイナス端子に電気的に接続されるようにしてある。
【００７９】これにより、第６の実施の形態では、インバータのＰＷＭスイッチングに起因する対地高周波漏れ電流を低減し、信号や通信への悪影響を低減することができる。
【００８０】次に、本発明の第７の実施の形態の車両駆動制御装置を、図１１及び図１２に基づいて説明する。この図１１及び図１２において、図１及び図２に示した第１の実施の形態と共通する構成部分には同一の符号を付して示してある。以下、その特徴部分について説明する。
【００８１】第７の実施の形態では、インバータ１４１に対する制御部２２１は、インバータ１４１の直流入力電圧Vdc1と、直流入力電流Idc1と、運転台から送られるトルク指令と、Ｕ，Ｗ相出力電流フィードバック値Iu，Iwと、電動機回転位置フィードバック値θｒとを入力とし、次の演算によって三相ＰＷＭ電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを求めて出力する。
【００８２】出力有効電力指令PowerRefを次の演算により求める。
【００８３】
【数１０】
また、出力有効電力Power1を次の演算によって求める。
【００８４】
【数１１】Powe1＝Vdc1・Idc1そして、出力有効電力Power1が出力有効電力指令PowerRefに追従するようにトルク指令TrqRefを補正する。トルク指令補正値ΔTrqRefは、次の式で求める。
【００８５】
【数１２】ΔTrqRef＝G(s)・（PowerRef−Power1）
ここでは、直流有効電力Power1と出力有効電力指令PowerRefとの偏差がゼロになるようにゲインG(s)（ここでｓはラプラス演算子）をかけた値をトルク指令補正値ΔTrqRefとして求めている。
【００８６】以下、交流電動機１３１〜１３４が永久磁石同期電動機であっ場合を例にして説明する。電流指令値演算部２２２では、トルク指令TrqRefから、トルク指令補正値ΔTrqRefを減じた値を用いてｄ，ｑ軸電流指令値IdRef，Iqefを次の数１３式により求める。
【００８７】
【数１３】
ここで、ΦPMは永久磁石磁束、Poは極対数である。
【００８８】電流制御部２２３では、ｄ，ｑ軸電流指令値IdRef，IqRefと、Ｕ，Ｗ相出力電流フィードバック値Iu，Iwと、電動機回転位置フィードバック値θｒとを入力として、次の演算により三相ＰＷＭ電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを求めて出力する。
【００８９】Iu，Iw，θｒからｄ，ｑ軸電流フィードバック値Id，Iqを一般的な座標変換の式を用いて次のように求める。
【００９０】
【数１４】
ここで、θｒは電動機回転子位相であり、ｄ，ｑ軸座標が同期して回転する。
【００９１】ｄ軸電流Idとｄ軸電流指令IdRefとの偏差、ｑ軸電流Iqとｑ軸電流指令IqRefとの偏差がそれぞれゼロになるように電流フィードバック制御を施し、ｄ軸電圧指令Vd、ｑ軸電圧指令Vqを次の式により求める。
【００９２】
【数１５】
ここで、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインである。
【００９３】ｄ，ｑ軸電圧指令Vd，Vqと電動機回転位置フィードバック値θｒを用いて、三相電圧指令VuPWM，VvPWM，VwPWMを次の数１６式によって求める。
【００９４】
【数１６】
インバータ１４１は、上記の三相電圧指令を基にして一般的な三角波比較ＰＷＭ手法などを用いて、各半導体スイッチング素子のオン／オフを行ない、所望の出力電圧を得る。
【００９５】なお、インバータ１４２〜１４４についても、インバータ１４１と同様にそれぞれの制御部（図示せず）により同様の制御に基づいて所望の出力電圧を得る。
【００９６】これにより、第７の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、さらに、第２の実施の形態と同様、インバータ１４１〜１４４を直列に多段接続した構成において、電流検出部の個体差などに起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータ入力過電圧による運転停止を防止することができる。
【００９７】次に、本発明の第８の実施の形態の車両駆動制御装置を、図１３に基づいて説明する。この実施の形態の車両駆動制御装置は、第１の車輪軸１０１に直結された大歯車１１１と、第２の車輪軸１０２に直結された大歯車１１２と、大歯車１１１とかみ合う２つの小歯車１２１，１２２と、大歯車１１２とかみ合う２つの小歯車１２３，１２４と、４つの交流電動機１３１〜１３４と、４つのインバータ１４１〜１４４と、給電装置１６と、４つのたわみ継手１７１〜１７４と、２つの電源遮断スイッチ３２１，３２２とで構成されている。
【００９８】大歯車１１１は、第１の車輪軸１０１と同軸上に直結され、小歯車１２１，１２２がこの周囲にそれぞれかみ合うように機械的に配置されている。交流電動機１３１，１３２の発生するトルクは小歯車１２１，１２２それぞれに伝達され、さらに大歯車１１１に伝達され、それらの間のギア比で増幅され、車輪を回転させることにより駆動力に変換される。
【００９９】大歯車１１２は、第２の車輪軸１０２と同軸上に直結され、小歯車１２３，１２４がこの周囲にそれぞれかみ合うように機械的に配置されている。交流電動機１３３，１３４の発生するトルクは小歯車１３３，１３４それぞれに伝達され、さらに大歯車１１２に伝達され、それらの間のギア比で増幅され、車輪を回転させることにより駆動力に変換される。
【０１００】小歯車１２１〜１２４はそれぞれたわみ継手１７１〜１７４を介して交流電動機１３１〜１３４の回転子軸と結合されている。そして、たわみ継手１７１〜１７４はそれぞれ交流電動機１３１〜１３４が発生するトルクを小歯車１２１〜１２４に伝達しながら、台車９（ここでは、図示せず。図１参照）に装荷された交流電動機１３１〜１３４と車輪軸１０１，１０２に装荷された小歯車１２１〜１２４とが台車のバネ機構によって軸中心が互いにずれても回転力を伝達する働きをする。
【０１０１】交流電動機１３１〜１３４は、インバータ１４１〜１４４から三相電力を給電されてトルクを発生する三相交流電動機であって、例えば、永久磁石同期電動機、誘導電動機又はリラクタンス電動機が用いられる。
【０１０２】インバータ１４１〜１４４は、ＩＧＢＴのような電力用半導体素子のスイッチングによって一定電圧直流から所望の三相交流電圧を得る一般的な三相ＰＷＭインバータである。これらのインバータ１４１〜１４４の直流入力端子のプラスとマイナス間にはそれぞれ、平滑コンデンサ８１〜８４（ここでは、図示せず。図２参照）それぞれが接続されている。さらに、第１車輪軸１０１側のインバータ１４１のマイナス端子と第２車輪軸１０２側のインバータ１４３のプラス端子が直列接続され、また第１車輪軸１０１側のインバータ１４２のマイナス端子と第２車輪軸１０２側のインバータ１４４のプラス端子とが直列接続されている。
【０１０３】給電装置１６は架線と機械的、電気的に接触して架線から直流電力を得るパンタグラフであり、電源遮断スイッチ３２１を介してインバータ１４１の直流入力プラス端子に接続され、また電源遮断スイッチ３２２を介してインバータ１４２の直流入力プラス端子に接続されている。
【０１０４】インバータ１４３，１４４それぞれの直流マイナス端子は、車輪及びレールを介して電源マイナス端子に電気的に接続されている。
【０１０５】上記の構成の車両駆動制御装置では、給電装置１６から電源遮断スイッチ３２１，３２２を経て取り込んだ直流架線電圧がそれぞれ直列２段のインバータ１４１，１４３、またインバータ１４２，１４４に２分圧されて給電され、各インバータによって所望の周波数の三相交流電力に変換されてそれぞれに接続されている交流電動機１３１，１３３；１３２，１３４に出力され、それらを駆動する。この交流電動機１３１〜１３４の駆動により、たわみ継手１７１〜１７４を経て小歯車１２１〜１２４それぞれが回転駆動され、これらとかみ合っている大歯車１１１，１１２が回転駆動され、これに直結されている第１車輪軸１０１、第２車輪軸１０２とそれらに直結されている２つの車輪が回転駆動される。
【０１０６】これにより、２つの車輪に対して等トルクを与える（したがって、１つの車輪に対しては第１の実施の形態の場合の１／２のトルクを与える）ものとして、各小歯車１２１〜１２４の分担するトルクが分散されて小さくなり、第１の実施の形態と同様に各小歯車の歯の断面積を小さくすることができ、その結果、ギア比を高く設計できるようになり、ギア比を高く設計することにより電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が実現できる。
【０１０７】また、例えば、インバータ１４１が半導体素子短絡故障などにより動作できなくなった場合、電源遮断スイッチ３２１のみを開放し、電源遮断スイッチ３２２は短絡接続の状態を保持する。その上で、インバータ１４２とインバータ１４４を正常に動作させると、２つの車輪軸１０１，１０２それぞれの発生する駆動力はそれぞれ健全な状態の時の半分にはなるが、運転を継続することができる。
【０１０８】さらに、この第８の実施の形態では、上記のような万一のインバータの故障時に、車両編成としての駆動力を確保するために健全なインバータ、電動機（上記の場合にはインバータ１４２，１４４と交流電動機１３２，１３４）の電流及びトルクを増加させるような運転状態にしても、必要トルクが２つの車輪軸１０１，１０２に分散されるので、１つの車輪軸によって同じトルクをレールに伝える場合よりもレール・車輪間の空転の発生の確率を低減することができ、車両編成としての加速力が確保しやすくなる利点がある。
【０１０９】次に、本発明の第９の実施の形態の車両駆動制御装置を、図１４及び図１５に基づいて説明する。この実施の形態の車両駆動制御装置は、大歯車１１と、小歯車１２と、交流入力が三相交流である場合に３×ｎにおいてｎ＝４とした１２相交流電動機１３と、ｎ個（ここではｎ＝４）のインバータ１４１，１４２，１４３，１４４と、フィルタリアクトル１５と、給電装置１６と、たわみ継手１７から構成されている。
【０１１０】１２相交流電動機１３は、固定子が１２スロットで構成され、各スロットに４台のインバータ１４１〜１４４の同一相の巻線が挿入される。各巻線は、４台のインバータ１４１〜１４４につながる三相巻線ごとに中性点短絡し、４つの中性点同士は電気的に接続していない。
【０１１１】小歯車１２は、たわみ継手１７を介して交流電動機１３の回転子軸と結合され、さらに大歯車１１の歯とかみ合うように配置されている。そして、たわみ継手１７は、交流電動機１３が発生するトルクを小歯車１２に伝達しながら、台車９に装荷された交流電動機１３と車輪軸１０に装荷された小歯車１２とが台車９のバネ機構で軸中心が互いにずれても回転力を伝達する働きをする。
【０１１２】インバータ１４１〜１４４は、ＩＧＢＴのような電力用半導体素子のスイッチングによって一定電圧直流から所望の三相交流電圧を得る一般的な三相ＰＷＭインバータである。これらのインバータ１４１〜１４４の直流入力端子のプラスとマイナス間にはそれぞれ、平滑コンデンサ８１〜８４（ここでは、図示せず。図２参照）それぞれが接続され、またインバータ１４１〜１４４の直流入力側は４段に直列接続されている。
【０１１３】給電装置１６は架線と機械的、電気的に接触して架線から直流電力を得るパンタグラフであり、フィルタリアクトル１５を介してインバータ１４１の直流入力プラス端子に電気的に接続されている。
【０１１４】フィルタリアクトル１５は、インバータのＰＷＭスイッチングに伴う高調波が架線に流出するのを防ぐと共に、万一、インバータのいずれかに直流短絡故障が発生したときに短絡電流を低減する働きをする。
【０１１５】インバータ１４４の直流マイナス端子は、車輪及びレールを介して電源マイナス端子に電気的に接続されている。
【０１１６】上記の構成の車両駆動制御装置では、給電装置１６からフィルタリアクトル１５を経て取り込んだ直流架線電圧を直列４段のインバータ１４１〜１４４それぞれに４分圧されて給電され、所望の周波数の三相交流電力に変換してそれぞれに接続されている交流電動機１３１〜１３４に出力して駆動する。この交流電動機１３１〜１３４の駆動により、たわみ継手１７１〜１７４を経て小歯車１２１〜１２４それぞれが回転駆動され、これらとかみ合っている大歯車１１が回転駆動され、これに直結されている車輪軸１０と車輪が回転駆動される。
【０１１７】これにより、各インバータ１４１〜１４４の直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害の減少や大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【０１１８】なお、この第９の実施の形態においても、図３及び図４に示した第２の実施の形態と同様にインバータ１４１〜１４４を制御することができる。ただし、この実施の形態の場合、駆動する交流電動機は１台であるので、交流電動機の回転位置フィードバック値θｒは、１台だけの交流電動機１３から取り込むことになる。これにより、第２の実施の形態と同様に、インバータ１４１〜１４４を直列に多段接続した構成において、電流検出部の個体差などに起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータ入力過電圧による運転停止を防止することができる。
【０１１９】なおまた、上記の第９の実施の形態において、図５に示した第３の実施の形態と同様に、各インバータ１４１〜１４４に対して直流入力短絡スイッチ３１１〜３１４を設け、いずれかのインバータ、例えば、インバータ１４１が短絡故障したような場合には、短絡スイッチ３１１を短絡状態にし、他の健全なインバータ１４２〜１４４によって継続運転する構成にすることができる。これにより、万一インバータの何台かに故障が発生しても、最低限のトルク低減のみで運転継続することが可能となる。
【０１２０】さらにまた、上記の第９の実施の形態において、図６及び図７に示した第４の実施の形態で採用した電源遮断スイッチ３２を採用することができる。そしてその場合には、次のような制御を行なう。ただし、この実施の形態の場合、駆動する交流電動機は１台である。
【０１２１】交流電動機１３が永久磁石同期電動機である場合、インバータの動作にかかわらず、電動機の回転により交流誘起電圧が発生する。万一インバータ１４１〜１４４のうちの少なくとも１台が短絡故障した場合、インバータの動作を停止させても、電動機誘起電圧に起因した短絡トルク電流が流れ、故障したインバータの拡大破壊が起こったり、不要なブレーキ力が発生することにより、車輪の滑走、ひいては車輪の削れによる回転不能すら起こり得る。そこで、万一のインバータの短絡故障時には、電源遮断スイッチ３２を開放した上で、故障していない健全なインバータを以下に示す制御することにより、電動機誘起電圧を打ち消す方向の電流を流す。
【０１２２】ｄ軸電流指令IdRefを次の値に設定する。
【０１２３】
【数１７】
ここで、Idはｄ軸電流、ΦPMは永久磁石磁束、Ldはｄ軸インダクタンスである。
【０１２４】ｑ軸電流指令IqRefは、インバータを動作させるのに必要な直流電圧を確保するために、直流平滑コンデンサ８１〜８４を充電状態に保つのに必要な回生トルクから得られる値−Iq0に設定する。
【０１２５】
【数１８】IqRef＝−Iq0ｑ軸電流指令IqRefは、直流コンデンサ電圧Vdc1〜Vdc4のうちの対応するものをフィードバックし、それが一定値になるようにIqRefを調整するようなフィードバックループを組むことも可能である。
【０１２６】この制御を採用することにより、交流電動機に誘起電圧の高い永久磁石同期電動機を採用することができ、電動機の高効率化、小型化が実現できる。
【０１２７】次に、本発明の第１０の実施の形態の車両駆動制御装置を、図１６及び図１７に基づいて説明する。この実施の形態の車両駆動制御装置は、大歯車１１と、４つの小歯車１２１，１２２，１２３，１２４と、４つの交流電動機１３１，１３２，１３３，１３４と、４つのインバータ１４１，１４２，１４３，１４４と、給電装置１６と、４つのたわみ継手１７１，１７２，１７３，１７４と、そして４つのコンバータ５１１〜５１４から構成されている。
【０１２８】大歯車１１と、４つの小歯車１２１〜１２４と、４つのたわみ継手１７１〜１７４と、４つの交流電動機１３１〜１３４の構成、作用は図１及び図２に示した第１の実施の形態と同様である。
【０１２９】そして、インバータ１４１〜１４４は、ＩＧＢＴのような電力用半導体素子のスイッチングによって一定電圧直流から所望の三相交流電圧を得る一般的な三相ＰＷＭインバータである。これらのインバータ１４１〜１４４の直流入力端子のプラスとマイナス間には平滑コンデンサ８１〜８４それぞれが接続され、さらに、４つのコンバータ５１１〜５１４それぞれの直流出力端子と接続されている。
【０１３０】コンバータ５１１〜５１４は、インバータ同様のＩＧＢＴのような電力用半導体素子のスイッチングによって単相交流電圧から所望の直流電圧を得る一般的な単相ＰＷＭコンバータである。これらのコンバータ５１１〜５１４の直流出力端子は、それぞれインバータ１４１〜１４４の直流入力端子に接続されている。また、コンバータ５１１の交流入力端子の一方（Ｖ相）はコンバータ５１２の交流入力端子の一方（Ｕ相）に接続され、コンバータ５１２の交流入力端子の他方（Ｖ相）はコンバータ５１３の交流入力端子の一方（Ｕ相）に接続され、コンバータ５１３の交流入力端子の他方（Ｖ相）はコンバータ５１４の交流入力端子の一方（Ｕ相）に接続されて直列構成になっている。
【０１３１】そして、コンバータ５１１の交流入力端子の残りの片方（Ｕ相）は変圧器５２の低圧二次巻線の一端に接続され、コンバータ５１４の交流入力端子の残りの片方（Ｖ相）は変圧器５２の同じ二次巻線の他端に電気的に接続されている。
【０１３２】給電装置１６は交流架線と機械的、電気的に接触して電力を得るパンタグラフであり、変圧器５２の高圧一次巻線の一端に電気的に接続されている。この変圧器５２の高圧一次巻線の他端は、車輪、レールを介してアースされている。
【０１３３】上記の構成の車両駆動制御装置では、給電装置１６から変圧器５２を経て取り込んだ交流架線電圧を４つのコンバータ５１１〜５１４それぞれで所定電圧の直流に変換し、さらにその各々を４つのインバータ１４１〜１４４各々に入力し、所望の周波数の三相交流電力に再変換してそれぞれに接続されている交流電動機１３１〜１３４に出力して駆動する。
【０１３４】この交流電動機１３１〜１３４の駆動により、たわみ継手１７１〜１７４を経て小歯車１２１〜１２４それぞれが回転駆動され、これらとかみ合っている大歯車１１が回転駆動され、これに直結されている車輪軸１０と車輪が回転駆動される。
【０１３５】これにより、第１０の実施の形態では、各小歯車１２１〜１２４の分担するトルクが分散されて小さくなることにより、歯車の歯の断面積を小さくすることができ、その結果、ギア比を高く設計できるようになり、ギア比を高く設計することにより電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が実現できる。また、各インバータ１４１〜１４４の直流入力には、高電圧である架線交流電力を４段の直列構成のコンバータ５１１〜５１４によって直流電力に変換し、１／４の電圧にしてに給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害の減少や大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【０１３６】加えて、この第１０の実施の形態では、コンバータ５１１〜５１４の直列多重化により、変圧器５２の二次巻線にかかるＰＷＭ電圧が多レベル化され、電源・架線系統への高調波の漏出を低減し、変圧器５２の高調波に起因する発熱損失を低減し、低騒音化が図れる。
【０１３７】次に、本発明の第１１の実施の形態の車両駆動制御装置を、図１８に基づいて説明する。第１１の実施の形態の車両駆動制御装置の機械的な構造は図１６に示した第１０の実施の形態と同様である（ただし、コンバータは１台だけである）。そして、第１１の実施の形態の回路構成は、４つの小歯車１２１，１２２，１２３，１２４にたわみ継手１７１〜１７４によってそれぞれ結合されている４つの交流電動機１３１，１３２，１３３，１３４と、４つのインバータ１４１，１４２，１４３，１４４と、平滑コンデンサ８１，８２，８３，８４と、インバータ直流短絡スイッチ３１１，３１２，３１３，３１４と、これらの４つのインバータ１４１〜１４４に電力を供給するための１つのコンバータ５１と、変圧器５２と、給電装置１６とから構成されている。
【０１３８】インバータ１４１〜１４４は図１７に示した第１０の実施の形態と同様のものである。そして、コンバータ５１は、ＩＧＢＴのような電力用半導体素子のスイッチングによって単相交流電圧から所望の直流電圧を得る一般的な単相ＰＷＭコンバータである。このコンバータ５１の交流入力端子の一方（Ｕ相）は変圧器５２の低圧二次巻線の一端に接続され、コンバータ５１の交流入力端子の他方（Ｖ相）は変圧器５２の二次巻線の他端に接続されている。
【０１３９】コンバータ５１の直流出力端子のプラス側はインバータ１４１の直流入力プラス端子に、コンバータ５１の直流出力端子のマイナス側はインバータ１４４の直流入力マイナス端子に接続されていて、このコンバータ５１の直流出力に対し、４つのインバータ１４１〜１４４が直列４段に接続された構成となっている。
【０１４０】インバータ１４１〜１４４には直流入力電圧の耐圧が５００Ｖ程度のものを採用し、通常時にはコンバータ５１の直流出力電圧設定を５００Ｖの直列段数４倍である２０００Ｖに設定する。そして、万一４台のインバータ１４１〜１４４のうちのいずれか１台が故障した場合（ここでは、インバータ１４１が故障したとする）には該当するインバータの直流短絡スイッチ３１１を短絡した上で、コンバータ５１の直流出力電圧設定値を健全なインバータ１４２〜１４４の直列段数３倍である１５００Ｖに変更して運転を継続する。
【０１４１】これにより、この実施の形態では、１台のインバータの故障により出力トルクが、通常時の３／４に低下するが、従来であれば１台のインバータの故障によってその軸の電動機トルクはゼロになってしまっていたのが、トルク低下の程度を抑えることができる。また、健全時にも各インバータの直流入力電圧はその耐圧を最大限に活用する５００Ｖで運転して、必要な出力パワーに対して、パワー余裕を最小にすることができる。
【０１４２】次に、本発明の第１２の実施の形態の車両駆動制御装置を、図１９に基づいて説明する。第１２の実施の形態の特徴は、図１６及び図１７に示した第１１の実施の形態に対して、さらに、４つのコンバータ５１１〜５１４それぞれの交流入力側に、交流入力短絡スイッチ５３１〜５３４を設けたことを特徴とする。その他の構成は、図１６及び図１７に示した第１０の実施の形態と共通である。
【０１４３】交流入力短絡スイッチ５３１〜５３４それぞれは、コンバータ５１１〜５１４それぞれの交流入力端子間に接続されている。そして、万一コンバータ５１１〜５１４のいずか、又はインバータ１４１〜１４４のいずれかが故障した場合、該当する位置の交流入力短絡スイッチを閉じて短絡状態にすることにより、残りの健全なコンバータとインバータによって運転を継続するようにしている。
【０１４４】これにより、コンバータ又はインバータの何台かに故障が発生しても、最低限のトルク低減のみで運転継続が可能となる。
【０１４５】次に、本発明の第１３の実施の形態の車両駆動制御装置を、図２０に基づいて説明する。第１３の実施の形態の特徴は、その機械的な配置構造にあり、ここでは４台の交流電動機１３１〜１３４それぞれを駆動する４台のインバータ１４１〜１４４を各交流電動機１３１〜１３４と一体化し、第１の実施の形態〜第１２の実施の形態によって交流電動機１３１〜１３４の高速回転化による小型化によって空いた台車９（ここでは、図示せず。図１を参照）内の空間を利用して、そこに組み込んだ構造にしている。
【０１４６】これにより、インバータと交流電動機との一体ユニット化により、台車９への組み込み作業において、交流電動機とインバータとの間の配線作業の手間を省略することができ、また従来、車両の床下に搭載されていたインバータのスペースが不要になるので電動機付き車両であっても２階建て車両にして客席数を増加できるメリットがある。
【０１４７】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機をさらにそれら各々に個別に接続されたインバータ装置で給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくしてギア比を高く設計し、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が図れる。また、各インバータの直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【０１４８】請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、インバータを直列に多段接続した構成において、各インバータの個体差に起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータの入力過電圧による運転停止を防止することができる。
【０１４９】請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明の効果に加えて、複数のインバータ各々が、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるために、その正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有しているので、万一インバータのうちの何台かが故障しても最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【０１５０】請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、複数のインバータのうちの少なくとも１台が故障して残りのインバータによって継続運転している最中に、架線電源電圧が運転中のすべてのインバータの許容入力直流電圧の加算値を超えたときに架線の直流電源がこれらのインバータの直流入力側に供給されるのを遮断する電源遮断スイッチを備えているので、インバータのうちの何台かが故障した状態で車両の運転を継続している最中に、健全なインバータにその耐圧を超える直流入力過電圧が発生すれば、電源遮断スイッチを開放することによってインバータの破壊を防止することができる。
【０１５１】請求項５の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、インバータ各々の出力電流の合成値に基づいてインバータ出力電圧指令を演算し、各段のインバータを同一の電圧指令にしたがってパルスパターンを出力するインバータ制御装置を備えているので、力行運転において特別な直流電圧のバランス制御を行なうことなしに、自動的に直流電圧の均等化を図りながら運転を継続することができる。
【０１５２】請求項６の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、交流電動機各々のフレームと電源アースとを電気的に短絡し、各段のインバータのＰＷＭパルスパターンを作成するための三角波に位相差を持たせるインバータ制御装置を備えているので、インバータのＰＷＭスイッチングに起因する対地高周波漏れ電流を低減し、信号や通信への悪影響を低減することができる。
【０１５３】請求項７の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、インバータ各々の入力直流電圧検出値と入力直流電流検出値とに基づいて演算した出力有効電力と、電動機回転角周波数とトルク指令とに基づいて演算した有効電力指令値との偏差に基づき、トルク指令値を補正するインバータ制御装置を備えているので、電動機の永久磁石磁束の個体差などに起因して発生する出力トルクアンバランス、ひいては直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータ入力過電圧による運転停止を防止することができる。
【０１５４】請求項８の発明によれば、万一のインバータの故障時に、車両編成としての駆動力を確保するために健全なインバータと電動機の電流及びトルクを増加させるような運転状態においても、トルクを２つの車輪軸でレールに伝えることができ、レール・車輪間の空転の発生の確率を低減して、編成としての加速力が確保しやすい。
【０１５５】請求項９の発明によれば、インバータ各々の直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害の減少や、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【０１５６】請求項１０の発明によれば、請求項９の発明の効果に加えて、ｎ台のインバータ各々が、架線から供給される直流電源電圧検出値とインバータ各々の入力電圧検出値とを入力し、直流電源電圧検出値を複数のインバータの直列段数ｎで除した値と入力電圧検出値との偏差に応じて出力トルク指令を補正するインバータ制御装置を有しているので、インバータを直列に多段接続した構成において、各インバータの個体差に起因して発生する直流電圧アンバランスを抑制し、直流電圧アンバランスによって生じるインバータの入力過電圧による運転停止を防止することができる。
【０１５７】請求項１１の発明によれば、請求項９又は１０の発明の効果に加えて、ｎ台のインバータ各々が、自インバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのインバータによって運転を継続させるために、その正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有しているので、万一インバータのうちの何台かが故障しても最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【０１５８】請求項１２の発明によれば、請求項９の発明の効果に加えて、交流電動機が永久磁石同期電動機であり、少なくとも１台のインバータが故障したときに、健全な残りのインバータで永久磁石同期電動機の永久磁石磁束に起因する磁束を打ち消す方向の電流が流れるように制御するインバータ制御装置を備えているので、交流電動機に誘起電圧の高い永久磁石同期電動機を適用することが可能であり、電動機の高効率化、小型化が実現できる。
【０１５９】請求項１３の発明によれば、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機を、それら各々に個別に接続されたインバータ及びコンバータによって給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくしてギア比を高く設計し、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が図れる。また、各インバータの直流入力端子同士を各々コンバータを介して直列に接続して高電圧である架線より電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【０１６０】さらに、コンバータの直列多重化により変圧器二次巻線にかかるＰＷＭ電圧を多レベル化して、電源、架線系統への高調波出力の低減、変圧器の高調波に起因する発熱損失の低減、低騒音化が図れる。
【０１６１】請求項１４の発明によれば、請求項１３の発明の効果に加えて、複数のコンバータ各々が、自コンバータ又はその直流出力側に接続されているインバータに故障が発生した場合に閉じ、残りのコンバータ及びインバータによって運転を継続させるために、その交流入力端子各々に短絡用スイッチを有するものであり、万一インバータ又はコンバータのうちの何台かが故障しても、最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【０１６２】請求項１５の発明によれば、車輪軸に直結された大歯車に、２つ以上の複数個の小歯車をかみ合わせて、小歯車各々に直結された交流電動機を、それら各々に個別に接続されたインバータ及びこれらのインバータに共通に接続されたコンバータによって給電する構成にすることにより、各小歯車の分担するトルクを分散させて小さくし、これによって、各歯車の歯の断面積を小さくしてギア比を高く設計し、電動機の高速回転化に伴う小型、軽量、低コスト化が図れる。また、各インバータの直流入力端子同士を直列に接続して高電圧である架線よりコンバータを介して電力を給電することにより、各インバータの入力直流電圧を汎用インバータ並みに低下させ、高調波誘導障害を減少させ、大量生産される汎用インバータをそのまま流用することによる低コスト化、信頼性の向上が図れる。
【０１６３】さらに、各インバータの正負の直流入力端子間各々に短絡用スイッチを有しているので、万一インバータのうちの何台かが故障しても最低限のトルク低減のみで車両の運転を継続することができる。
【０１６４】請求項１６の発明によれば、交流電動機各々とインバータ各々とを一体型にしたので、交流電動機の高速化による小型化で空いた台車内の空間を利用して、インバータと交流電動機とを一体化したユニットとして搭載することにより、交流電動機とインバータとの間の配線作業の手間を省略し、また、従来、車両の床下に搭載していたインバータの空間を不要にし、ひいては電動機付き車両も２階建て車両にして客席数を増加できるようになる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成１１年２月１８日（１９９９．２．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３８０６
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和 （外７名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２４５００５（Ｐ２０００−２４５００５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月８日（２０００．９．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−４０６２０ |
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