特許 7041444 鉄道用電源切替器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-15

(45)【発行日】2022-03-24

(54)【発明の名称】鉄道用電源切替器

(51)【国際特許分類】

   H01H 51/20 20060101AFI20220316BHJP

   H01H 50/32 20060101ALI20220316BHJP

   B61L 3/08 20060101ALI20220316BHJP

【ＦＩ】

H01H51/20 Z

H01H50/32 A

B61L3/08 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018084065

(22)【出願日】2018-04-25

(65)【公開番号】P2019192489

(43)【公開日】2019-10-31

【審査請求日】2021-04-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000207470

【氏名又は名称】大同信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106345

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 香

(72)【発明者】

【氏名】佐野 善弘

(72)【発明者】

【氏名】田本 成充

【審査官】井上 信

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第４３９８０９７（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭６１－７４２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－１５３４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－９４１９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｈ ５１／２０

Ｈ０２Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

常用電源と予備電源と電気機器とに接続される双投双刃形の電磁接触器と、前記電磁接触器を電磁駆動可能であって駆動時には前記電磁接触器に前記常用電源と前記電気機器とを接続させる第１駆動回路と、前記電磁接触器を電磁駆動可能であって駆動時には前記電磁接触器に前記予備電源と前記電気機器とを接続させる第２駆動回路と、前記常用電源の電圧を監視して前記常用電源の停電を検出すると前記第２駆動回路に前記電磁接触器の駆動を行わせる制御回路とを備えた鉄道用電源切替器において、
前記電磁接触器が、常用電源側の可動接点を具備した可動子と予備電源側の可動接点を具備した可動子との両可動子を個別の支軸にて揺動可能に支持するとともにカム機構を介して連動させる二軸式電磁接触器であり、
前記第２駆動回路が、前記予備電源を整流して脈流を生成する整流回路と、その脈流を蓄電にて平滑化してから前記電磁接触器の電磁駆動に供する平滑回路とを具備していることを特徴とする鉄道用電源切替器。

【請求項2】

前記第１駆動回路が、前記常用電源を整流して脈流を生成し該脈流を前記電磁接触器の電磁駆動に供する整流回路を具備していることを特徴とする請求項１記載の鉄道用電源切替器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、鉄道設備における電気機器（鉄道用電気機器）と電源とに介在させて設置される鉄道用電源切替器に関し、詳しくは、常用電源と予備電源と電気機器とに接続されて、常用電源の給電時には常用電源から電気機器へ動作電力を供給し、常用電源の停電時には予備電源から電気機器へ動作電力を供給する鉄道用電源切替器に関する。

【背景技術】

【0002】

き電回路や軌道回路といった鉄道用の重要な電気機器に対して動作に必要な電力を供給する鉄道設備にあっては、供給側の常用電源および予備電源と負荷側の電気機器との間に鉄道用電源切替器が設置されて、常用電源と予備電源とのうち何れか一つから電気機器へ電力が供給されるようになっている（例えば特許文献１～３参照）。
そのような鉄道用電源切替器について具体的な構成例を説明する。図６は、（ａ）が鉄道用電源切替器１０の回路図、（ｂ）が電磁接触器２０の模式的断面図である。

【0003】

鉄道用電源切替器１０は、一つの制御回路１１（論理部）と、二つの駆動回路１２，１３（第１，第２駆動回路）と、一つの電磁接触器２０と、三つの端子対２３，２３，３４，３４，４４，４４とを具えている。
それらの端子のうち一対の端子２３，２３は、負荷側端子であり、負荷の電気機器に至る電力供給ラインが接続される。他の一対の端子３４，３４は、常用電源側端子であり、常用電源に至る電力供給ラインが接続される。更に他の一対の端子４４，４４は、予備電源側端子であり、予備電源に至る電力供給ラインが接続されるようになっている。

【0004】

制御回路１１（論理部）は、常用電源側端子３４，３４を介して常用電源から受電するとともに予備電源側端子４４，４４を介して予備電源から受電することで、常用電源と予備電源との何れか一方または双方が給電を行っていれば、動作することができるようになっており、常用電源電圧を監視することに加えて予備電源電圧を監視することも行うものである。そして、常用電源電圧が正常であれば電磁接触器２０を制御して常用電源側端子３４，３４と負荷側端子２３，２３とを導通させるとともに予備電源側端子４４，４４と負荷側端子２３，２３とを開放させる一方、常用電源電圧が低下して停電状態になると電磁接触器２０を制御して常用電源側端子３４，３４と負荷側端子２３，２３とを開放させるとともに予備電源側端子４４，４４と負荷側端子２３，２３とを導通させるようになっている。

【0005】

駆動回路１２（第１駆動回路）は、常用電源側の電気駆動部であり、ダイオードスタックを主体とした整流回路からなり、常用電源側端子３４，３４を介して受けた常用電源を整流して脈流を生成し、それを常用電源への切替駆動や状態維持のために電磁接触器２０に対して送出するようになっている。
駆動回路１３（第２駆動回路）は、やはりダイオードスタックを主体とした整流回路からなるが、予備電源側の電気駆動部であり、予備電源側端子４４，４４を介して受けた予備電源を整流して脈流を生成し、それを予備電源への切替駆動や状態維持のために電磁接触器２０に対して送出するようになっている。

【0006】

電磁接触器２０は、双極双投双刃形の電磁接触器（電気機械式切替部）であり、負荷側端子２３，２３と常用電源側端子３４，３４と予備電源側端子４４，４４とが何れも一対の端子からなることに対応して双極形になっているので、一対の可動子２１，２１（機械部）を具備している。これらの可動子２１が何れも支軸２２にて揺動可能に軸支されているので、電磁接触器２０は一軸式電磁接触器である。
また、電磁接触器２０が双刃形なので、可動子２１は、何れも、揺動の向きに応じて選択的に接続される可動接点として、常用電源側端子３４に接続された固定接点３３に対して離接される可動接点３２と、予備電源側端子４４に接続された固定接点４３に対して離接される可動接点４２とを具備しており、しかも、負荷側端子２３に対しては常に接続されるようになっている。

【0007】

さらに、電磁接触器２０は、双投形なので、可動接点３２が固定接点３３に当接したときには可動接点４２が固定接点４３から離脱し、可動接点４２が固定接点４３に当接したときには可動接点３２が固定接点３３から離脱するようになっている。
しかも、電磁接触器２０は、制御回路１１の制御に従う駆動回路１２によって選択的に通電駆動される常用コイル３１（磁気駆動部）と、制御回路１１の制御に従う駆動回路１３によって選択的に通電駆動される予備コイル４１（磁気駆動部）とを具備しており、常用コイル３１が通電駆動されると何れの可動子２１も可動接点３２を固定接点３３に当接させる向きに揺動する一方、予備コイル４１が通電駆動されると何れの可動子２１も可動接点４２を固定接点４３に当接させる向きに揺動するようになっている。

【0008】

このような鉄道用電源切替器１０の動作を、図面を引用して説明する。
図７は、常用系（常用電源から負荷へ給電）が用いられる通常の状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器１０の回路図、（ｂ）が電磁接触器２０の模式的断面図である。
また、図８は、予備系（予備電源から負荷へ給電）に切り替わった状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器１０の回路図、（ｂ）が電磁接触器２０の模式的断面図である。
さらに、図９は、切替時の電圧波形例である。

【0009】

常用電源が正常な通常状態では（図７参照）、その状態を検出した制御回路１１の制御に従い、駆動回路１２によって常用コイル３１が通電駆動されるので、電磁接触器２０では常用電源側端子３４と固定接点３３と可動接点３２と可動子２１と負荷側端子２３とが導通して、常用電源から負荷側の電気機器へ電力が供給される（太い矢付き輪郭線を参照）。このとき、駆動回路１３による予備コイル４１の通電駆動は行われないため、電磁接触器２０では可動接点４２と固定接点４３とが離れて予備電源側端子４４と負荷側端子２３とが電気的に開放させるので、予備電源からは負荷側の電気機器への電力供給が行われない。

【0010】

これに対し、常用電源が停電した状態では（図８参照）、その状態を検出した制御回路１１の制御に従い、駆動回路１３によって予備コイル４１が通電駆動されるので、電磁接触器２０では予備電源側端子４４と固定接点４３と可動接点４２と可動子２１と負荷側端子２３とが導通して、予備電源から負荷側の電気機器へ電力が供給される（太い矢付き輪郭線を参照）。このとき、駆動回路１２による常用コイル３１の通電駆動は行われないため、電磁接触器２０では可動接点３２と固定接点３３とが離れて常用電源側端子３４と負荷側端子２３とが電気的に開放されるので、常用電源からは負荷側の電気機器への電力供給が行われない。

【0011】

これら両状態に係る状態遷移のうち通常状態から常用電源停電状態へ切り替わる状況を説明する。この状態遷移では、要するに、常用系の停電に応じて鉄道用電源切替器１０が切替動作することによって、負荷に繋がる電源が常用電源から予備電源へ切り替わるのであるが、その様子について電圧波形図を参照しながら詳述する（図９参照）。
鉄道専用の発電設備が多用される常用電源も、商用の電力が転用されることが多い予備電源も、５０Ｈｚや６０Ｈｚといった所定周波数の交流電源であるとする。

【0012】

そうすると、通常状態では（時刻Ｔ１より前を参照）、常用電源電圧の波形が正弦波状になり、常用コイル電圧（常用コイル３１の駆動電圧）の波形が脈流波形になり、予備電源電圧の波形が正弦波状になるが、予備コイル電圧（予備コイル４１の駆動電圧）の波形は無電圧に対応した一定値の直線状になり、電気機器に掛かる負荷電圧の波形は、常用電源電圧に対応した正弦波状になる。
その状態で、常用電源が停電すると（時刻Ｔ１参照）、常用電源電圧も常用コイル電圧も負荷電圧も速やかに無電圧対応値になり、予備電源電圧だけが正弦波状を維持する。

【0013】

そして、その停電から約９０ｍｓ後（時刻Ｔ２参照）、常用電源の停電を検出した制御回路１１から駆動回路１２，１３へ切替指令が送出され、その指令に従って、駆動回路１３による予備コイル４１の駆動が開始されて予備コイル電圧の波形が脈流波形になる一方、駆動回路１２による常用コイル３１の駆動が断たれて常用コイル電圧が明確に無電圧対応値をとり続ける。こうして、予備コイル４１が駆動されると、僅かに遅れて（時刻Ｔ３参照）、可動子２１が揺動を開始し、予備コイル４１の駆動開始から約８０ｍｓ後には（時刻Ｔ４参照）、可動子２１の揺動が止まって、予備系への切替が完了する。

【0014】

電源が予備系に切り替わった後は（時刻Ｔ４以降を参照）、常用電源電圧と常用コイル電圧の波形が無電圧対応値のままでも、予備電源電圧の波形は正弦波状を維持し、予備コイル電圧の波形は脈流波形を維持し続け、電気機器に掛かる負荷電圧の波形は、予備電源電圧に対応した正弦波状になる。そのため、負荷側の電気機器は、予備電源から電力を受給して動作を継続することができる。
なお、常用電源電圧が回復すると、予備系から常用系へ戻す切替が自動で行われるが、その切替動作は、逆向きであること以外、同様になされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【文献】特開２００２－８５０５号公報

【文献】特開２０１４－８６３６６号公報

【文献】特開２０１６－１８９６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

このような鉄道用電源切替器１０を用いた鉄道設備では、電源切替時の負荷側の短時間の停電期間については、負荷側に設けた図示しないバッテリー（蓄電器）やＵＰＳ（無停電電源装置）からの一時的な給電などで動作を継続することで、停電を乗り切ることができるようにもなっている。
しかしながら、電源切替時間（時刻Ｔ１～Ｔ４）が長いと、電源切替時の負荷側の短時間の停電期間も同じく長くなって、上述したバッテリーやＵＰＳといった負荷側の付設機器について望ましくない大型化やコストアップを招くので、その不都合を回避や緩和する観点からは電源切替時間が短いほど良い。

【0017】

電源切替時間の短縮という観点からは、切替素子にサイリスタ等の半導体を採用した無接点式電源切替器がある。無接点式電源切替器には機械的動作が無いので、電気機械式の電磁接触器を用いた上述の電源切替器の電源切替時間よりも無接点式電源切替器の電源切替時間は短い。
とはいえ、電源切替時間が短いというだけで鉄道用電気設備に好適であると言える訳ではない。半導体を主体とした回路について鉄道分野で必要な信頼性を確保するには、高性能で高価な部品の組み込みや回路構成の複雑化などが伴い、コストアップに加えて大型化や重量化をも招くためである。

【0018】

これに対し、既述した現行の鉄道用電源切替器１０には、コストやサイズ等に優位性があるうえ、実績に基づく安心感もあるが、電源切替時間の短縮が望ましい。
具体的には、既述したように鉄道用電源切替器１０の切替時間は、制御回路１１の検出時間の約９０ｍｓと電磁接触器２０の作動時間の約８０ｍｓとを合わせた時間になるが、駆動回路１３の出力が脈流であるため（図９参照）、駆動回路１３の駆動の開始時期（時刻Ｔ２）が脈流波形の何処に当たったかによって、電磁接触器２０の作動開始時期が、数ｍｓ程度の時間幅（時刻Ｔ３～Ｔ３ａ）で変動し、それに対応して電磁接触器２０の切替動作完了時期も数ｍｓ程度の時間幅で変動するので（時刻Ｔ４～Ｔ４ａ）、停電から電源切替完了までの時間は合計の１７０ｍｓ超～１９０ｍｓ弱であり、それを踏まえて電源切替時間の仕様上の公称値は２００ｍｓとなっているため、短縮が望まれる。

【0019】

そこで、信頼性が高く使用実績も多い電気機械式の電磁接触器を切替部に用いながらも電源切替時間が短い鉄道用電源切替器を実現することが基本的な技術課題となる。
また、鉄道設備の場合、いつ発生するか分からない常用電源の停電が発生したときには列車運行等の突然の中断を避けるためにも予備電源への速やかな切替が要請されるが、常用電源の回復後に常用電源へ戻す切替は、列車運行等の安全を確認してから計画的に行えるので、予備電源への切替ほど迅速性が要求されるものではない。
そこで、このような鉄道設備の特質をも勘案して改良することでコストアップ要因の部材追加が少ない鉄道用電源切替器を実現することが更なる技術課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明の鉄道用電源切替器は（解決手段１）、このような課題を解決するために創案されたものであり、
常用電源と予備電源と電気機器とに接続される双投双刃形の電磁接触器と、前記電磁接触器を電磁駆動可能であって駆動時には前記電磁接触器に前記常用電源と前記電気機器とを接続させる第１駆動回路と、前記電磁接触器を電磁駆動可能であって駆動時には前記電磁接触器に前記予備電源と前記電気機器とを接続させる第２駆動回路と、前記常用電源の電圧を監視して前記常用電源の停電を検出すると前記第２駆動回路に前記電磁接触器の駆動を行わせる制御回路とを備えた鉄道用電源切替器において、
前記電磁接触器が、常用電源側の可動接点を具備した可動子と予備電源側の可動接点を具備した可動子との両可動子を個別の支軸にて揺動可能に支持するとともにカム機構を介して連動させる二軸式電磁接触器であることを特徴とする。

【0021】

また、本発明の鉄道用電源切替器は（解決手段２）、上記解決手段１の鉄道用電源切替器であって、
前記第２駆動回路が、前記予備電源を整流して脈流を生成する整流回路と、その脈流を蓄電にて平滑化してから前記電磁接触器の電磁駆動に供する平滑回路とを具備していることを特徴とする。

【0022】

さらに、本発明の鉄道用電源切替器は（解決手段３）、上記解決手段２の鉄道用電源切替器であって、
前記第１駆動回路が、前記常用電源を整流して脈流を生成する整流回路を具備していて該脈流を前記電磁接触器の電磁駆動に供するようになっていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

このような本発明の鉄道用電源切替器にあっては（解決手段１）、電気機械式切替部を継続保有しつつも要部を一軸式電磁接触器から二軸式電磁接触器に換えたことにより、切替時間が大きく短縮される。しかも、回路構成の複雑化や機構の大型化等は抑制される。
一軸式電磁接触器は、常用電源側の可動接点と予備電源側の可動接点が一個の可動子に設けられているため、一方の可動接点が固定接点から離れ始めるタイミングと他方の可動接点が固定接点へ近づき始めるタイミングが一緒であり、切替動作の途中で一方の接点が開ききる前に他方の接点が閉じようとすることから、可動接点と固定接点との離隔距離が十分に確保されていないとアークによって不所望な橋洛が起きるおそれがあるので、そのような橋洛を防ぐために可動接点と固定接点との離隔距離が大きくなっており、その分だけ可動接点の移動距離が長くなり、ひいては切替時の動作時間が長くなってしまう。

【0024】

これに対し、二軸式電磁接触器は、可動子が常用電源側と予備電源側とに分かれているうえ双方の可動子が個別の支軸によって支持されているため、それらの可動子を個別のタイミングで揺動させることで双方の可動接点を個別のタイミングで移動させることが可能になることから、不所望な橋洛を防ぐために確保する可動接点と固定接点との離隔距離を最小限に縮めることができるので、その分だけ可動接点の移動距離が短縮され、それに伴って切替時の動作時間が短縮される。しかも、この二軸式電磁接触器は、双方の可動子ひいては可動接点がカム機構を介して連動するようにもなっているため、一方を電磁駆動して接点接触状態・電気導通状態にすれば他方が従動して接点離隔状態・電気開放状態になるので、一軸式電磁接触器と互換性が高く同様に使用することができる。
したがって、この発明によれば、信頼性が高く使用実績も多い電気機械式の電磁接触器を切替部に用いながらも電源切替時間が短い鉄道用電源切替器を実現することができ、その結果、上述の基本的な技術課題が解決される。

【0025】

また、本発明の鉄道用電源切替器にあっては（解決手段２）、常用電源から予備電源へ切り替えるときの駆動を担う第２駆動回路について、整流回路からの脈流を蓄電にて平滑化する平滑回路を追加したことにより、第２駆動回路の出力が直流化されるとともに、その出力の電圧が脈流のピーク電圧かそれに近い電圧に維持されることになるため、第２駆動回路の出力電圧が脈流の平均電圧より何割か高くなることから、その分だけ電磁接触器の予備電源側部分に対する電磁駆動力が増すので、常用電源から予備電源への切替が速くなり、常用電源から予備電源へ切り替えるときの動作時間が短縮される。
したがって、この発明によれば、上述の基本的な技術課題が高位に解決される。

【0026】

さらに、本発明の鉄道用電源切替器にあっては（解決手段３）、予備電源から常用電源へ切り替えるときの駆動を担う第１駆動回路については、常用電源を整流した脈流を平滑化することなく電磁接触器の電磁駆動に供することで、平滑回路の追加を回避している。上述のように常用電源の回復後に常用電源へ戻す切替には予備電源への切替ほどの迅速性は要求されないという観点から、平滑回路の追加は第２駆動回路にとどめられている。
したがって、この発明によれば、コストアップ要因の部材追加が少ない鉄道用電源切替器を実現することができ、上述の基本的な技術課題に加えて上述の更なる技術課題までも解決される。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の実施例１について、鉄道用電源切替器の構造を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器の回路図、（ｂ）が電磁接触器の模式的断面図である。

【図2】通常の状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器の回路図、（ｂ）が電磁接触器の模式的断面図である。

【図3】予備系へ切替後の状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器の回路図、（ｂ）が電磁接触器の模式的断面図である。

【図4】常用系から予備系へ切替時の電圧波形例である。

【図5】予備系から常用系へ切替時の電圧波形例である。

【図6】従来の鉄道用電源切替器の構造を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器の回路図、（ｂ）が電磁接触器の模式的断面図である。

【図7】通常の状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器の回路図、（ｂ）が電磁接触器の模式的断面図である。

【図8】予備系へ切替後の状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器の回路図、（ｂ）が電磁接触器の模式的断面図である。

【図9】常用系から予備系へ切替時の電圧波形例である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

このような本発明の鉄道用電源切替器について、これを実施するための具体的な形態を、以下の実施例１により説明する。
図１～５に示した実施例１は、上述した解決手段１～３（出願当初の請求項１～３）を総て具現化したものである。
なお、それらの図示に際し従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、また、それらについて背景技術の欄で述べたことは以下の実施例についても共通するので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。

【実施例1】

【0029】

本発明の鉄道用電源切替器の実施例１について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は、鉄道用電源切替器５０の構造を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器５０の回路図、（ｂ）が電磁接触器６０の模式的断面図である。

【0030】

鉄道用電源切替器５０は既述の鉄道用電源切替器１０を改良したものであり、鉄道用電源切替器５０が既述の鉄道用電源切替器１０と相違するのは、既述した一軸式の電磁接触器２０が新たな二軸式の電磁接触器６０（電気機械式切替部）になった点と、駆動回路１３（第２駆動回路）に平滑回路５１が追加された点である。
なお、駆動回路１２（第１駆動回路）や，負荷側端子２３，常用電源側端子３４，予備電源側端子４４には変更が無く、各端子の接続先も変更されていない。制御回路１１の制御方式や停電検知方式については、電磁接触器や時定数の変更等に伴う修正が施されているが、本質的な改変は必要がなく大幅な変更は無いので、煩雑な説明は割愛するが、停電や復電の確認時間が、時定数の変更等によって、従来の約９０ｍｓ（図９の時刻Ｔ１～Ｔ２参照）から、約１０ｍｓ（図４，図５の時刻Ｔ１～Ｔ２参照）に短縮されている。

【0031】

電磁接触器６０が既述の電磁接触器２０と相違するのは、可動子２１が常用電源側の可動子６２と予備電源側の可動子６４という二部材に分かれている点と、支軸２２が可動子６２を揺動可能に支持する支軸６３と可動子６４を揺動可能に支持する支軸６５という二部材に分かれている点と、可動子６２と可動子６４とを連動させるカム機構６１が付加されている点である。なお、可動子２１が可動子６２，６４に分かれたが、それら６２，６４は何れも可動子２１と同じく負荷側端子２３と接続されている。また、可動子６２の揺動端に設けられた可動接点３２が可動子６２の揺動によって固定接点３３に対して離接されることや、可動子６４の揺動端に設けられた可動接点４２が可動子６４の揺動によって固定接点４３に対して離接されるようになっていることに、変更は無い。

【0032】

常用コイル３１と予備コイル４１もそれ自体には本質的な変更が無いが、常用コイル３１の駆動先が可動子２１から可動子６２になっており、常用コイル３１は、駆動回路１２によって通電されると可動子６２を揺動させて可動接点３２を固定接点３３に当接させるものとなっている。また、予備コイル４１の駆動先が可動子２１から可動子６４になっており、予備コイル４１は、駆動回路１３によって通電されると可動子６４を揺動させて可動接点４２を固定接点４３に当接させるものとなっている。

【0033】

カム機構６１は、常用コイル３１の駆動に応じて常用電源側の可動子６２が可動接点３２を固定接点３３に当接させる向きに揺動するときには、予備電源側の可動接点４２を固定接点４３から離脱させる向きに可動子６４が揺動するように、両可動子６２，６４を連動させるとともに、予備コイル４１の駆動に応じて予備電源側の可動子６４が可動接点４２を固定接点４３に当接させる向きに揺動するときには、常用電源側の可動接点３２を固定接点３３から離脱させる向きに可動子６２が揺動するように、両可動子６２，６４を連動させるものであるが、その際に離脱側の可動接点が橋洛防止可能な所まで移動してから当接側の可動接点の移動が本格化するようにもしておく等のことで、両可動接点３２，４２の移動量及び両可動子６２，６４の揺動量を電磁接触器２０の該当量より可成り小さくしたものとなっている。

【0034】

そして、かかるカム機構６１を具備した電磁接触器６０にあっては、駆動回路１２によって常用コイル３１が駆動され更に常用コイル３１によっって可動子６２が駆動されると、可動子６２，６４の揺動が可動子２１より短い時間で遂行される。具体例を述べると、電磁接触器６０は、常用コイル３１による可動子６２の揺動遂行時間が、既述の可動子２１の約８０ｍｓ（図９の時刻Ｔ２～Ｔ４参照）から約２０ｍｓ短縮されて、６０ｍｓ程度の短いものとなっている（図５の時刻Ｔ２～Ｔ４参照）。また、予備コイル４１による可動子６４の駆動についても駆動力が同様であれば可動子６４の揺動遂行時間も同様の短時間で遂行されるが、次に詳述する平滑回路５１が駆動回路１３に追加されたことにより、電磁接触器６０にあっては予備コイル４１の駆動力まで強化されている。

【0035】

平滑回路５１は、コンデンサを主体とした蓄電回路であり、駆動回路１３において整流回路の出力側に接続されて、整流回路から出力された脈流を一旦蓄電することで平滑化するとともに、短時間なら大きな電流出力能力を発揮するものとなっている。平滑回路５１によって平滑化された駆動回路１３の出力電圧は、平滑前の脈流の平均電圧の約１．５倍の高電圧になるため、これによって可動子６４の揺動遂行時間は上述した可動子６２の揺動遂行時間より３０ｍｓ程さらに短くなる。しかも、制御回路１１の制御によって駆動回路１３から予備コイル４１への通電が開始されると直ちに上記の高電圧が予備コイル４１に印加されるため、可動子２１の揺動開始時の数ｍｓの不確定時間（図９の時刻Ｔ３～Ｔ３ａ，Ｔ４～Ｔ４ａ）が無くなって、可動子６４の揺動遂行時間（図４の時刻Ｔ２～Ｔ４参照）が３０ｍｓ程度にまで短縮されている。

【0036】

この実施例１の鉄道用電源切替器５０について、その動作を、図面を引用して説明する。図２は、常用系（常用電源から負荷へ給電）が用いられる通常の状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器５０の回路図、（ｂ）が電磁接触器６０の模式的断面図である。また、図３は、予備系（予備電源から負荷へ給電）に切り替わった状態を示し、（ａ）が鉄道用電源切替器５０の回路図、（ｂ）が電磁接触器６０の模式的断面図である。さらに、図４は、常用系から予備系へ切り替わったときの電圧波形例であり、図５は、常用系から予備系へ常用系へ切り替わったときの電圧波形例である。

【0037】

常用電源が正常な通常状態では（図２参照）、その状態を検出した制御回路１１の制御に従い、駆動回路１２によって常用コイル３１が通電駆動されるので、電磁接触器６０では常用電源側端子３４と固定接点３３と可動接点３２と可動子６２と負荷側端子２３とが導通して、常用電源から負荷側の電気機器へ電力が供給される（太い矢付き輪郭線を参照）。このとき、駆動回路１３による予備コイル４１の通電駆動は行われないため、電磁接触器６０では可動接点４２と固定接点４３とが離れて予備電源側端子４４と負荷側端子２３とが電気的に開放されるので、予備電源から負荷側の電気機器への電力供給は行われない。

【0038】

これに対し、常用電源が停電した状態では（図３参照）、その状態を検出した制御回路１１の制御に従い、駆動回路１３によって予備コイル４１が通電駆動されるので、電磁接触器６０では予備電源側端子４４と固定接点４３と可動接点４２と可動子６４と負荷側端子２３とが導通して、予備電源から負荷側の電気機器へ電力が供給される（太い矢付き輪郭線を参照）。このとき、駆動回路１２による常用コイル３１の通電駆動は行われないため、電磁接触器６０では可動接点３２と固定接点３３とが離れて常用電源側端子３４と負荷側端子２３とが電気的に開放されるので、常用電源から負荷側の電気機器への電力供給は行われない。

【0039】

これら両状態に係る状態遷移のうち通常状態から常用電源停電状態へ切り替わる状況を先ず説明する。この状態遷移では、常用電源の停電に応じて鉄道用電源切替器５０が切替動作することによって、負荷に繋がる電源が常用電源から予備電源へ切り替わるのであり、機能面では既述したのと同様であるが、切替速度が高速になっているので、その違いを示せるよう電圧波形図を参照しながら詳述する（図４，図５参照）。なお、常用電源も、予備電源も、既述したのと同じ商用周波数の交流電源である。

【0040】

そうすると、通常状態では（図４の時刻Ｔ１より前を参照）、常用電源電圧の波形が正弦波状になり、常用コイル電圧（常用コイル３１の駆動電圧）の波形が脈流波形になり、予備電源電圧の波形が正弦波状になるが、予備コイル電圧（予備コイル４１の駆動電圧）の波形は無電圧に対応した一定値の直線状になり、電気機器に掛かる負荷電圧の波形は、常用電源電圧に対応した正弦波状になる。
その状態で、常用電源が停電すると（図４の時刻Ｔ１参照）、常用電源電圧も常用コイル電圧も負荷電圧も速やかに無電圧対応値になり、予備電源電圧だけが正弦波状を維持する。

【0041】

そして、その停電から約１０ｍｓ後（図４の時刻Ｔ２参照）、常用電源の停電を検出した制御回路１１から駆動回路１２，１３へ切替指令が送出され、その指令に従って、駆動回路１３による予備コイル４１の駆動が開始されて予備コイル電圧の波形が概ね直流の波形になる一方、駆動回路１２による常用コイル３１の駆動が断たれて常用コイル電圧が明確に無電圧対応値をとり続ける。こうして予備コイル４１が駆動されると、僅かに遅れて（図４の時刻Ｔ３参照）、可動子６４が揺動を開始するが、当初その速度は低速である。これに対し、その可動子６４の揺動に連動して可動子６２も揺動を開始するが、こちらの速度は当初ほど高速なので、可動接点３２が固定接点３３から素早く離れる。

【0042】

それから、両接点３２，３３が橋洛しないところまで両接点３２，３３の離隔距離が到達すると、直ちに可動子６４の揺動速度が増して、可動接点４２が固定接点４３に素早く当接する。それから、可動子６２，６４の何れも揺動が止まって、常用系から予備系への切替が完了する（図４の時刻Ｔ４参照）。
上述したように電磁接触器６０が常用電源側から予備電源側へ切り替わるのに要する時間は３０ｍｓ程度なので、常用電源電圧の停電後に鉄道用電源切替器５０が予備電源へ切り替わる実際の時間は４０ｍｓ程度であり（図４の時刻Ｔ１～Ｔ４参照）、平滑回路５１の容量の経時変化等を考慮しても電源切替時間の仕様上の公称値７５ｍｓより十分に短い。

【0043】

電源が予備電源に切り替わった後は（図４の時刻Ｔ４以降と図５の時刻Ｔ１以前を参照）、既述したのと同様に、常用電源電圧と常用コイル電圧の波形が無電圧対応値のままでも、予備電源電圧の波形は正弦波状を維持し、予備コイル電圧の波形は脈流成分を少し含むことはあっても概ね直流波形を維持し続け、電気機器に掛かる負荷電圧の波形は、予備電源電圧に対応した正弦波状になる。そのため、負荷側の電気機器は、予備電源から電力を受給して動作を継続することができる。

【0044】

そして、常用電源電圧が回復すると（図５の時刻Ｔ１参照）、常用電源電圧の波形が正弦波状に戻り、それを検出した制御回路１１の制御によって自動で予備系から常用系へ戻す切替が行われることになるが、その切替では、駆動回路１３による予備コイル４１の通電駆動が断たれる一方、駆動回路１２による常用コイル３１の通電駆動が再開される（図５の時刻Ｔ２参照）。そして、電磁接触器６０では可動接点４２と固定接点４３とが離れて予備電源側端子４４と負荷側端子２３とが電気的に開放されるので、予備電源から負荷側の電気機器への電力供給が止まる一方、電磁接触器６０では常用電源側端子３４と固定接点３３と可動接点３２と可動子６２と負荷側端子２３とが導通して、再び常用電源から負荷側の電気機器へ電力が供給される（図５の時刻Ｔ４参照）。

【0045】

その切替状況も詳述すると、常用電源が正常に復帰すると、その電圧波形が正弦波状になって（図５の時刻Ｔ１参照）、駆動回路１２の出力波形が脈流波形になる。そして、制御回路１１の制御に従って、電磁接触器６０では、駆動回路１３が予備コイル４１の通電駆動を止め（図５の時刻Ｔ２参照）、駆動回路１２が常用コイル３１に通電駆動を行うので、常用コイル電圧の波形が脈流波形になる（図５の時刻Ｔ２参照）。そして、常用コイル３１が駆動されると、先ず可動子６２が低速で揺動し、それに連動する可動子６４は高速で揺動するので、予備電源側の可動接点４２が固定接点４３から素早く離れ、それからは可動子６２が高速で揺動して、可動接点３２が固定接点３３に素早く当接するので、予備系から常用系へ復帰する切替が完了する（図５の時刻Ｔ４参照）。

【0046】

上述したように電磁接触器６０が予備電源側から常用電源側へ切り替わるのに要する時間は６０ｍｓ程度であり（図５の時刻Ｔ２～Ｔ４参照）、常用電源電圧の回復後に鉄道用電源切替器５０が予備電源から常用電源へ復帰する実際の時間は、常用電源電圧の回復を検出する時間の約１０ｍｓと（図５の時刻Ｔ１～Ｔ３参照）、脈動駆動に起因した可動子６２の揺動開始時の数ｍｓの不確定時間とを加えると（図５の時刻Ｔ３～Ｔ３ａ，Ｔ４～Ｔ４ａ参照）、概ね８０ｍｓとなる。そのため、電源復帰時間の仕様上の公称値は余裕を持って１１５ｍｓ程度に定めることができる。

【0047】

そして、新たな鉄道用電源切替器５０を設置した鉄道設備における電源切替時間の保証値は、常用系から予備系への切替時間の公称値７５ｍｓと予備系から常用系への切替時間の公称値１１５ｍｓとのうち大きい方の１１５ｍｓになる。これは既述した鉄道用電源切替器１０の切替時間の公称値２００ｍｓと比べて、概ね２分の１まで短縮されているので、その比率で、バッテリーやＵＰＳなどの付設機器を負荷側の電気機器に対して新設や更新する際に付設機器を小容量化・小型化することができる。また、例え駆動回路１３の平滑回路５１が想定以上に容量を喪失したような場合でも、駆動回路１３の性能が駆動回路１２のそれを下回ることがないので、上記の付設機器等に悪影響は無い。

【0048】

［その他］
上記実施例では、鉄道用電源切替器５０に組み込んだ電磁接触器６０として常用コイル３１か予備コイル４１に対して通電を継続するタイプのものを挙げたが、電磁接触器６０は、切替完了後はコイル通電を断ってもバネ力等にて切替状態を維持する双安定型のものであっても良い。
上記実施例では、切替対象の電源等が単相である場合を想定して電磁接触器６０に双極（２極）のものを挙げたが、切替対象の電源等が三相であれば電磁接触器６０も３極のものが良く、単相電磁接触器６０の極数が切替対象の電源等の相数以上であれば不都合は無いので、電磁接触器６０は電源の相数を超える多極のものであっても良い。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明の鉄道用電源切替器は、既述した軌道回路等に適用が限られる訳でなく、鉄道設備であってコストとサイズと切替性能とのバランスといった要求仕様に合致するものであれば適用することができる。

【符号の説明】

【0050】

１０…鉄道用電源切替器、
１１…制御回路（論理部）、
１２…駆動回路（第１駆動回路）、１３…駆動回路（第２駆動回路）、
２０…電磁接触器（電気機械式切替部）、
２１…可動子、２２…支軸、２３…負荷側端子、
３１…常用コイル、３２，３３…接点、３４…常用電源側端子、
４１…予備コイル、４２，４３…接点、４４…予備電源側端子、
５０…鉄道用電源切替器、
５１…平滑回路、
６０…電磁接触器（電気機械式切替部）、
６１…カム機構、６２…可動子、６３…支軸、６４…可動子、６５…支軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】