鉄道編成車両

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【発明の名称】	鉄道編成車両
【発明者】	【氏名】嶋田基巳【住所又は居所】茨城県ひたちなか市市毛１０７０番地株式会社日立製作所交通システム事業部水戸交通システム本部内【氏名】堀江哲【住所又は居所】茨城県ひたちなか市市毛１０７０番地株式会社日立製作所交通システム事業部水戸交通システム本部内
【要約】	【課題】高速域から低速域まで主に電力回生ブレーキを利用する鉄道車両の駆動軸をブレーキ力が均等に作用する軸配置とし、機械ブレーキの負担を均一化、軽減し、ブレーキ装置の全体構成を簡略化することにある。【解決手段】車両１ａ～１ｄで一つの編成単位を構成する鉄道編成車両において、各車両の輪軸を電動機により駆動される電動軸（３ａ，３ｂ～３ｇ，３ｈ）と電動機により駆動されない付随軸（４ａ，４ｂ～４ｇ，４ｈ）により構成し、最高速度から停止まで電動機のトルクを制御する電力変換器の制御手段（２ａ，２ｂ～２ｇ，２ｈ）と、電動軸および付随軸に作用する機械ブレーキ力の制御手段（情報制御手段１２，電動軸用変換弁６，付随軸用変換弁７）を備え、全ての電動軸および全ての付随軸はその編成単位毎にそれぞれ同じ制御系統（１２，６，７，電動軸用ブレーキ圧配管９，付随軸ブレーキ圧配管１０）により機械ブレーキの制御を行う。

【特許請求の範囲】
【請求項１】電動機により駆動される電動軸と、電動機により駆動されない付随軸と、前記電動機のトルクを制御する電力変換器の制御手段と、前記電動軸および前記付随軸に作用する機械ブレーキ力の制御手段を備える鉄道編成車両において、編成単位における各車両の輪軸は、前記電動軸と前記付随軸により構成することを特徴とする鉄道編成車両。
【請求項２】請求項１において、前記電動機のトルクを制御する電力変換器の制御手段は、最高速度から停止まで前記電動機のトルクを制御することを特徴とする鉄道編成車両。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記機械ブレーキ力の制御手段は、前記電動軸に作用する機械ブレーキ力を調整する制御手段と、前記付随軸に作用する機械ブレーキ力を調整する制御手段を備えることを特徴とする鉄道編成車両。
【請求項４】請求項１または請求項２において、前記機械ブレーキ力の制御手段は、前記電動軸と前記付随軸に作用する機械ブレーキ力を調整する制御手段を備えることを特徴とする鉄道編成車両。
【請求項５】一または複数の車両で一つの編成単位を構成する鉄道編成車両において、各車両の輪軸を電動機により駆動される電動軸と電動機により駆動されない付随軸により構成し、最高速度から停止まで電動機のトルクを制御する電力変換器の制御手段と、前記電動軸および前記付随軸に作用する機械ブレーキ力の制御手段を備え、全ての前記電動軸および全ての前記付随軸はその編成単位毎にそれぞれ同じ制御系統により機械ブレーキの制御を行うことを特徴とする鉄道編成車両。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道編成車両に係り、特に、高速域から低速域まで主に電力回生ブレーキを利用する鉄道車両の駆動軸をブレーキ力が均等に作用する軸配置とした鉄道編成車両において機械ブレーキの負担を軽減するブレーキ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電気車では電気ブレーキと空気ブレーキを併用したブレーキ制御を行うのが一般的であり、特に速度が所定速度以下から停止までは空気ブレーキのみで制動している。実際の回生ブレーキ力を空気ブレーキ装置に与える際、ブレーキステップ及び応荷重条件からなるブレーキ力指令全領域について、空気ブレーキの作用遅れを加味した係数を実際の回生ブレーキ力に乗算し、回生ブレーキと空気ブレーキの切換え時の円滑性を図った制御方式として特開平７－７８０６号公報の「電気車の回生ブレーキ制御方式」がある。図５に、従来のブレーキ制御の構成図を示す。車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄでひとつの編成単位を構成する。ここでは、特に４両単位でのブレーキ制御を例に挙げているが、編成両数を限定するものではない。車両１ａ、１ｃは推進力を発生する電動車であり、車両１ａはインバータ制御装置２ａにより電動軸（Ｍ）３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを駆動し、車両１ｃはインバータ制御装置２ｂにより電動軸３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈを駆動する。また、車両１ｂ、１ｄは推進力を発生しない付随車であり、車両１ｂは付随軸（Ｔ）４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを有し、車両１ｄは付随軸４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈを有する。ブレーキ制御装置５ａは車両１ａ、１ｂのブレーキ力を制御し、ブレーキ制御装置５ｂは車両１ｃ、１ｄのブレーキ力を制御する。ブレーキ制御装置５ａは、ブレーキ力指令Ｂｔｃを受信し、回生ブレーキパターン（Ｂｔｐ）を演算してインバータ制御装置２ａに送り、実際にインバータ制御装置２ａが発生する電気ブレーキ力（回生ブレーキフィードバック信号）（Ｂｆｂ＿ａ）をブレーキ制御装置５ａに返して不足するブレーキ力を演算し、車両１ａが補足すべき空気ブレーキ力信号（Ｂｔａ＿ｍ）を電動軸用変換弁６ａに、車両１ｂが補足すべき空気ブレーキ力信号（Ｂｔａ＿ｔ）を付随軸用変換弁７ｂに送り、圧力源８ａの圧力をもとに必要なブレーキ圧を得る。ブレーキ制御装置５ｂは、ブレーキ力指令Ｂｔｃを受信し、回生ブレーキパターン（Ｂｔｐ）を演算してインバータ制御装置２ｂに送り、実際にインバータ制御装置２ｂが発生する電気ブレーキ力（回生ブレーキフィードバック信号）（Ｂｆｂ＿ｂ）をブレーキ制御装置５ｂに返して不足するブレーキ力を演算し、車両１ｃが補足すべき空気ブレーキ力信号（Ｂｔａ＿ｍ）を電動軸用変換弁６ｂに、車両１ｄが補足すべき空気ブレーキ力信号（Ｂｔａ＿ｔ）を付随軸用変換弁７ｂに送り、圧力源８ｂの圧力をもとに必要なブレーキ圧を得る。ここで、電動軸３に作用する空気ブレーキ力を調整する電動軸用変換弁６および電動軸用ブレーキ圧配管９、付随軸４に作用する空気ブレーキ力を調整する付随軸用変換弁７および付随軸用ブレーキ圧配管１０を別系統として設け、補足すべき空気ブレーキ力を電動軸３および付随軸４に任意に配分できる構成としている。これにより、例えば指令値に対する電動軸３に作用する回生ブレーキ力の不足分のみを付随軸４の空気ブレーキ力で負担する等、回生ブレーキを優先的に用いることにより回生効率を向上するブレーキ力制御を可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のブレーキ制御においては、電動軸（Ｍ）と付随軸（Ｔ）を車両毎に分割配置しているため、Ｍ車とＴ車との間にブレーキ力の不均衡が発生し、ブレーキ時にＭ車とＴ車の間に衝撃を生ずるという問題がある。また、低速時かつＭ車を空気ブレーキにより作動する場合、電動軸（Ｍ）と付随軸（Ｔ）を車両毎に分割配置しているため、Ｍ車とＴ車に対するブレーキ力の調整が複雑になるという問題がある。ここで、高速時におけるブレーキ力の配分についても、同様にその調整が複雑になるという問題がある。一方、近年の地球環境への関心から、電気車のおける回生エネルギ効率向上の要求が高まりつつあり、関連する技術の開発が進められている。その一環として高速域から速度ゼロまでできる限り回生ブレーキのみでブレーキ力を負担する全電気ブレーキ制御が提案されている。この全電気ブレーキ制御を行った場合、ブレーキ力の殆どは回生ブレーキが負担するため、空気ブレーキの使用頻度が減る。このため、従来の応荷重ブレーキ力制御、滑走防止制御等の高度な機能を持つブレーキ制御器に代わり、これらの機能は全て回生ブレーキ制御により行うことで、ブレーキ制御器は回生ブレーキで負担できないブレーキ力を作用させるだけの単機能なものに置き換えられることが考えられる。
【０００４】本発明の課題は、高速域から低速域まで主に電力回生ブレーキを利用する鉄道車両の駆動軸をブレーキ力が均等に作用する軸配置とし、機械ブレーキの負担を均一化、軽減し、ブレーキ装置の全体構成を簡略化することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、編成単位における各車両の輪軸は電動軸と付随軸により構成し、全ての電動軸および全ての付随軸はその編成単位毎にそれぞれ同じ制御系統により機械ブレーキの制御を行う。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の鉄道編成車両の第１の実施形態を示す構成図である。図１において、車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで一つの編成単位を構成する。ここでは、特に４両単位でのブレーキ制御を例に挙げているが、編成両数を限定するものではない。車両１ａは、インバータ制御装置２ａ、２ｂがそれぞれ駆動する電動軸（Ｍ）３ａ、３ｂと付随軸（Ｔ）４ａ、４ｂ、車両１ｂは、インバータ制御装置２ｃ、２ｄがそれぞれ駆動する電動軸（Ｍ）３ｃ、３ｄと付随軸（Ｔ）４ｃ、４ｄ、車両１ｃは、インバータ制御装置２ｅ、２ｆがそれぞれ駆動する電動軸（Ｍ）３ｅ、３ｆと付随軸（Ｔ）４ｅ、４ｆ、車両１ｄは、インバータ制御装置２ｇ、２ｈがそれぞれ駆動する電動軸（Ｍ）３ｇ、３ｈと付随軸（Ｔ）４ｇ、４ｈを有する。図１では、特に各車両の内側の２本の輪軸を電動軸３、外側の２本の輪軸を付随軸３としているが、この組み合わせは任意であり、例えば各車両の外側の２本の輪軸を電動軸３、内側の２本の輪軸を付随軸４とする構成であってもよい。また、図１では、特に１つのインバータ制御装置で１つの電動軸を駆動する構成の例を示しているが、例えばインバータ制御装置２ａ、２ｂを組み合わせた機能を持つ１つの制御装置により電動軸３ａ、３ｂを駆動するという構成であってもよい。
【０００７】インバータ制御装置２ａは、情報制御手段１２より情報伝送手段１３を経由して送られてきたブレーキ力指令Ｂｔｃを受信する。そして、このブレーキ力指令Ｂｔｃに対して実際にインバータ制御装置２ａが発生する電気ブレーキ力（回生ブレーキフィードバック信号）Ｂｆｂ＿ａを演算し、情報伝送手段１３を経由して情報制御手段１２に送る。同様に、インバータ制御装置２ｂ～２ｈは、ブレーキ力指令Ｂｔｃに対して実際にインバータ制御装置２ｂ～２ｈが発生する電気ブレーキ力（回生ブレーキフィードバック信号）Ｂｆｂ＿ｂ～Ｂｆｂ＿ｈを演算し、情報伝送手段１３を経由して情報制御手段１２に送る。情報制御手段１２では、ブレーキ力指令Ｂｔｃと、各インバータ制御装置２ａ～２ｈから情報伝送手段１３を経由で送られた回生ブレーキフィードバック信号Ｂｆｂ＿ａ～Ｂｆｂ＿ｈを基に編成単位全体として必要な空気ブレーキ力を演算する。この空気ブレーキ力は、電動軸３で負担すべき空気ブレーキ力指令Ｂｔａ＿ｍ、付随軸４で負担すべき空気ブレーキ力指令Ｂｔａ＿ｔを別々に演算する。これは通常、電動軸３に作用する回生ブレーキ力と付随軸４に作用する空気ブレーキ力で編成単位全体のブレーキ力を負担できる編成車両でも、回生負荷が不足して十分な回生ブレーキ力が得られないとき、その不足分ブレーキ力の全てを付随軸４に空気ブレーキ力として添加すると、粘着限界を超過する場合が考えられ、これを防止するため、空気ブレーキ力を電動軸３と電動軸４に配分して作用させ、滑走することなく、充分なブレーキ力を確保するためである。空気ブレーキ力指令Ｂｔａ＿ｍ、Ｂｔａ＿ｔは情報伝送手段１２を経由してそれぞれ電動軸用変換弁６、付随軸用変換弁７に送り、圧力源８の圧力をもとに必要なブレーキ圧を発生する。ここで、電動軸３に作用する空気ブレーキ力を調整する電動軸用変換弁６および電動軸用ブレーキ圧配管９、付随軸４に作用する空気ブレーキ力を調整する付随軸用変換弁７および付随軸用ブレーキ圧配管１０は別系統として設け、補足すべき空気ブレーキ力を電動軸３および付随軸４に任意に配分できる構成とする。また、電動軸３へ空気ブレーキ力を与えるブレーキ圧配管は、通常は電動軸用ブレーキ圧配管９からの圧力としているが、インバータ制御装置２が切替弁１１に指令を与えることで付随軸用ブレーキ圧配管１０からの圧力により空気ブレーキを動作できる構成とする。これは、万一インバータ制御装置２のいずれかが故障したときに、そのインバータ装置が回生ブレーキを発生しないことにより、ブレーキ力の不足、あるいは車両毎のアンバランスを軽減するためである。
【０００８】図２は、本発明の第１の実施形態におけるブレーキ制御方式の一例を示す図である。（ａ）は、編成単位全体で必要なブレーキ力の半分以上を電気ブレーキで負担できる場合を示している。いま、車両１ａ、１ｃは電気ブレーキの出力限界以下、車両１ｂ、１ｄは電気ブレーキの出力限界以上のブレーキ力を必要としている。この時の各車両のブレーキ力の配分は、車両１ｂ、１ｄの電気ブレーキの出力限界値超過分をまだ出力限界値に達していない車両１ａ、１ｃで負担し、それでも電気ブレーキの出力限界値を超過する分については付随軸の空気ブレーキで各車両均一に負担しするものとし、このブレーキ力相当を付随軸（Ｔ）空気ブレーキ信号Ｂｔａ＿ｔとする。（ｂ）は、編成単位全体で必要なブレーキ力の半分以下しか電気ブレーキで負担できない場合を示している。いま、車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはすべて電気ブレーキの出力限界以上のブレーキ力を必要としている。このとき、必要なブレーキ力と電気ブレーキの出力限界値の差分を空気ブレーキで補足するが、（付随軸の空気ブレーキ力Ｂｔａ＿ｔ）＝（電動軸の空気ブレーキ力Ｂｔａ＿ｍ）＋（電気ブレーキの出力限界値）
となるように、Ｂｔａ＿ｍ、Ｂｔａ＿ｔを演算する。（ｃ）は、編成単位全体で必要なブレーキ力の半分以下しか電気ブレーキで負担できず、かつ、車両１ｄの電気ブレーキ力が全く得られない場合を示している。このとき、前述のようにインバータ制御装置からの指令により車両１ｄの電動軸には付随軸と同じ空気ブレーキ力が作用する。車両１ａ、１ｂ、１ｃについては（ｂ）と同じ状態と考えて良い。
【０００９】図３は、本発明の第２の実施形態を示す構成図である。図３において、車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで一つの編成単位を構成する。ここでは、特に４両単位でのブレーキ制御を例に挙げているが、編成両数を限定するものではない。車両１ａは、インバータ制御装置２ａ、２ｂがそれぞれ駆動する電動軸３ａ、３ｂと付随軸４ａ、４ｂ、車両１ｂは、インバータ制御装置２ｃ、２ｄがそれぞれ駆動する電動軸３ｃ、３ｄと付随軸４ｃ、４ｄ、車両１ｃは、インバータ制御装置２ｅ、２ｆがそれぞれ駆動する電動軸３ｅ、３ｆと付随軸４ｅ、４ｆ、車両１ｄは、インバータ制御装置２ｇ、２ｈがそれぞれ駆動する電動軸３ｇ、３ｈと付随軸４ｇ、４ｈを有する。図３では、特に各車両の内側の２本の輪軸を電動軸３、外側の２本の輪軸を付随軸３としているが、この組み合わせは任意であり、例えば各車両の外側の２本の輪軸を電動軸３、内側の２本の輪軸を付随軸４とする構成であってもよい。また、図３では、特に１つのインバータ制御装置で１つの電動軸を駆動する構成の例を示しているが、例えばインバータ制御装置２ａ、２ｂを組み合わせた機能を持つ１つの制御装置により電動軸３ａ、３ｂを駆動するという構成であってもよい。
【００１０】インバータ制御装置２ａは、情報制御手段１２より情報伝送手段１３を経由して送られてきたブレーキ力指令Ｂｔｃを受信する。そして、このブレーキ力指令Ｂｔｃに対して実際にインバータ制御装置２ａが発生する電気ブレーキ力（回生ブレーキフィードバック信号）Ｂｆｂ＿ａを演算し、情報伝送手段１３を経由して情報制御手段１２に送る。同様に、インバータ制御装置２ｂ～２ｈはブレーキ力指令Ｂｔｃに対して実際にインバータ制御装置２ｂ～２ｈが発生する電気ブレーキ力（回生ブレーキフィードバック信号）Ｂｆｂ＿ｂ～Ｂｆｂ＿ｈを演算し、情報伝送手段１３を経由して情報制御手段１２に送る。情報制御手段１２では、ブレーキ力指令Ｂｔｃと各インバータ制御装置２ａ～２ｈから情報伝送手段１３を経由で送られた回生ブレーキフィードバック信号Ｂｆｂ＿ａ～Ｂｆｂ＿ｈを基に編成単位全体として必要な空気ブレーキ力Ｂｔａ＿ｔを演算する。空気ブレーキ力指令Ｂｔａ＿ｔは、情報伝送手段１２を経由して付随軸用変換弁７に送り、圧力源８の圧力をもとに必要なブレーキ圧力を発生する。ここで、付随軸用変換弁７により供給する空気ブレーキ圧は、付随軸用ブレーキ圧配管１０により付随軸４の空気ブレーキ装置に供給する。また、空気ブレーキ装置には開閉弁１４を設け、インバータ制御装置２からの指令により電動軸に空気ブレーキ力を与えるか否かを選択できる構成とする。これは、全てのインバータ制御装置２が正常動作しているときは、必要なブレーキ力は電動軸３に作用する回生ブレーキと付随軸４に作用する空気ブレーキで負担できる編成車両でも、万一インバータ制御装置２のいずれかが故障したときには、ブレーキ力が不足することも考えられる。このとき、故障したインバータ装置２が駆動していた電動軸３の開閉弁１４を開放し、空気ブレーキ力が作用するようにしてそのインバータ制御装置が電気ブレーキを発生しないことによる、ブレーキ力の不足あるいは車両毎のアンバランスを軽減する。
【００１１】図４は、本発明の第２の実施形態におけるブレーキ制御方式の一例を示す図である。（ａ）は、編成単位全体で必要なブレーキ力の半分以上を電気ブレーキで負担できる場合を示している。いま、車両１ａ、１ｃは電気ブレーキの出力限界以下、車両１ｂ、１ｄは電気ブレーキの出力限界以上のブレーキ力を必要としている。この時の各車両のブレーキ力の配分は、車両１ｂ、１ｄの電気ブレーキの出力限界値超過分をまだ出力限界値に達していない車両１ａ、１ｃで負担し、さらに電気ブレーキの出力限界値を超過する分については、付随軸の空気ブレーキで各車両均一に負担し、このブレーキ力相当を付随軸空気ブレーキ信号Ｂｔａ＿ｔとする。（ｂ）は、編成単位全体で必要なブレーキ力の半分以下しか電気ブレーキで負担できない場合を示している。いま、車両１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはすべて電気ブレーキの出力限界以上のブレーキ力を必要としている。このとき、必要なブレーキ力と電気ブレーキの出力限界値の差分を空気ブレーキで各車両均一に補足するように、付随軸の空気ブレーキ力信号Ｂｔａ＿ｔを演算する。（ｃ）は、編成単位全体で必要なブレーキ力の半分以下しか電気ブレーキで負担できず、かつ、車両１ｄの電気ブレーキ力が全く得られない場合を示している。このとき、インバータ制御装置からの指令により車両１ｄの電動軸には付随軸と同じ空気ブレーキ力が作用する。車両１ａ、１ｂ、１ｃについては（ｂ）と同じ状態と考えて良い。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、編成単位における各車両の輪軸を電動軸と付随軸により構成するので、高速域から低速域まで主に電力回生ブレーキを利用する鉄道車両の駆動軸にブレーキ力が均等に作用すると共に、機械ブレーキの負担を均一化、軽減することができる。また、全ての電動軸および全ての付随軸をその編成単位毎にそれぞれ同じ制御系統により機械ブレーキの制御を行うことにより、ブレーキ装置の全体構成を簡略化することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００５１０８【氏名又は名称】株式会社日立製作所【住所又は居所】東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地
【出願日】	平成１３年９月２５日（２００１．９．２５）
【代理人】	【識別番号】１０００９９３０２【弁理士】【氏名又は名称】笹岡茂（外１名）
【公開番号】	特開２００３－１０２１０３（Ｐ２００３－１０２１０３Ａ）
【公開日】	平成１５年４月４日（２００３．４．４）
【出願番号】	特願２００１－２９２６２２（Ｐ２００１－２９２６２２）