特許 7071822 電気車制御装置および電気車制御システム

(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】2022-05-11

(45)【発行日】2022-05-19

(54)【発明の名称】電気車制御装置および電気車制御システム

(51)【国際特許分類】

   B60L 15/20 20060101AFI20220512BHJP

   B60L 15/42 20060101ALI20220512BHJP

   B60L 9/18 20060101ALN20220512BHJP

【ＦＩ】

B60L15/20 Y

B60L15/20 A

B60L15/42

B60L9/18 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2017238040

(22)【出願日】2017-12-12

(65)【公開番号】P2019106796

(43)【公開日】2019-06-27

【審査請求日】2020-11-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 康

(72)【発明者】

【氏名】服部 陽平

(72)【発明者】

【氏名】牧野 友由

(72)【発明者】

【氏名】結城 和明

(72)【発明者】

【氏名】尾谷 浩昭

【審査官】岩田 健一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１６４０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０３２６１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ １５／２０

Ｂ６０Ｌ １５／４２

Ｂ６０Ｌ ９／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レールを走行する電気車の車輪に空転滑走が生じたときに前記車輪を駆動する電動機のトルク電流を低減させた後再び増加させる再粘着制御を行う電気車制御装置であって、
前記電動機の回転速度を検出する速度検出部と、
前記回転速度の変化量が、前記再粘着制御の途中で再びしきい値を超えると、前記しきい値を超えた時点における前記レールに対する前記車輪の粘着度合いを示す粘着係数を算出し、算出結果に基づいて前記トルク電流を調整する調整部と、
前記調整部で調整された実トルク電流に基づいて前記電動機を駆動する駆動部と、
を備える電気車制御装置。

【請求項2】

前記調整部は、前記粘着係数に応じて、前記しきい値、前記トルク電流の低減時間、および前記トルク電流の増加率の少なくとも一つを変化させる、請求項１に記載の電気車制御装置。

【請求項3】

前記粘着係数に応じた前記しきい値、前記トルク電流の低減時間、および前記トルク電流の増加率の少なくとも一つを変化させる量は、速度に応じた係数を持たせるようにした、請求項２に記載の電気車制御装置。

【請求項4】

レールを走行する電気車の車両速度と、前記電気車の車輪に連結された電動機の回転速度との差であるクリープ量に基づいて前記電気車を制御する電気車制御装置であって、
前記クリープ量を算出するクリープ量算出部と、
前記クリープ量が許容値を超えると、前記許容値を超えた時点における前記レールに対する前記車輪の粘着度合いを示す粘着係数を算出し、算出結果に基づいて前記電動機のトルク電流を調整する調整部と、
前記調整部で調整された実トルク電流に基づいて前記電動機を駆動する駆動部と、
を備える電気車制御装置。

【請求項5】

前記調整部は、前記粘着係数に応じて、前記クリープ量を変化させる、請求項４に記載の電気車制御装置。

【請求項6】

前記調整部が前記粘着係数を算出するたびに、前記粘着係数を連続的に記憶する記憶部をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の電気車制御装置。

【請求項7】

前記調整部と前記記憶部との間に設けられ、前記調整部の算出データに含まれたノイズ成分を除するフィルタをさらに備える請求項６に記載の電気車制御装置。

【請求項8】

レールで連結された複数の電気車に設置された、請求項１から７のいずれかに記載の複数の電気車制御装置と、
前記複数の電気車制御装置と個々に通信可能な複数の制御端末と、を備え、
前記複数の制御端末の一つが、
前記複数の電気車制御装置から前記トルク電流を収集する収集部と、
前記収集部で収集された前記トルク電流に基づいて、車両ごとに前記トルク電流の配分を決定する分配部と、
を有する電気車制御システム。

【請求項9】

前記分配部は、先頭車両の前記トルク電流が他の車両の前記トルク電流よりも低くなるように配分を決定する、請求項８に記載の電気車制御システム。

【請求項10】

前記分配部は、前記レールに対する前記車両全体の粘着力が最も大きくなるように前記トルク電流の配分を設定する、請求項８に記載の電気車制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電気車制御装置および電気車制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両では、レールに対する車輪の粘着力が低下すると、車輪が空転滑走する場合がある。車輪の空転滑走は、例えば、車輪に連結された電動機の回転速度の変化量に基づいて検出できる。この空転滑走が検出されると、電動機のトルク電流が一定時間低減される。その結果、粘着力が回復して空転状態または滑走状態が解消される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－９２９５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

車輪の空転滑走に関し、上述した従来の対処方法では、電動機の回転速度の異変が生じたときに電動機のトルク電流を一律に増減している。そのため、車輪の空転滑走を検知することはできるものの、空転滑走それ自体の発生を抑制する対策が不十分である。
そこで、本発明の実施形態は、車輪の空転滑走の抑制化を図ることが可能な電気車制御装置、および電気車制御システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態によれば、電気車制御装置は、レールを走行する電気車の車輪に空転滑走が生じたときに、車輪を駆動する電動機のトルク電流を低減させた後再び増加させる再粘着制御を行う。この電気車制御装置は、回転速度を検出する速度検出部と、変化量が、再粘着制御の途中で再びしきい値を超えると、しきい値を超えた時点におけるレールに対する車輪の粘着度合いを示す粘着係数を算出し、算出結果に基づいてトルク電流を調整する調整部と、調整部で調整された実トルク電流に基づいて電動機を駆動する駆動部と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る電気車制御装置の簡略的な構成を示すブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る電気車制御装置の動作手順を示すフローチャートである。

【図3】速度信号とトルク電流の変化を示す図である。

【図4】第２実施形態に係る電気車制御装置の簡略的な構成を示すブロック図である。

【図5】第２実施形態に係る電気車制御装置の動作手順を示すフローチャートである。

【図6】クリープ量およびトルク電流の変化を示す図である。

【図7】第３実施形態に係る電気車制御システムの簡略的な構成を示すブロック図である。

【図8】第３実施形態に係る電気車制御システムの動作手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

【0008】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電気車制御装置の簡略的な構成を示すブロック図である。図１に示す電気車制御装置１は、例えば、電動機１０１を駆動するＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータの中に組み込むことができる。

【0009】

電動機１０１は、レール１２１上を走行する電気車の車輪１１１に連結されている。なお、図１では、一台の電動機１０１が電気車制御装置１に連結されているが、複数台の電動機１０１が連結されていてもよい。

【0010】

図１に示す電気車制御装置１は、速度検出部１１と、調整部１２と、駆動部１３と、記憶部１４と、フィルタ１５と、を備える。

【0011】

速度検出部１１は、電動機１０１の回転速度を検出する。本実施形態では、速度センサ（不図示）が電動機１０１に設置されている。速度検出部１１は、この速度センサから出力された速度信号に基づいて電動機１０１の回転速度を検出する。

【0012】

調整部１２は、速度検出部１１で検出された電動機１０１の回転速度の変化量を算出する。この変化量は、車輪１１１の空転を検知する場合に加速度に相当し、滑走を検知する場合に減速度に相当する。調整部１２は、この変化量に基づいて、電動機１０１のトルク電流を調整する。

【0013】

駆動部１３は、調整部１２で調整されたトルク電流に基づいて電動機１０１を駆動する。駆動部１３は、例えば、ＰＷＭ（Pulse With Modulation）制御を用いて直流電力を交流電力に変換するインバータ回路等を有する。

【0014】

記憶部１４は、調整部１２の算出データ等の種々のデータを記憶する。フィルタ１５は、調整部１２と記憶部１４との間に設けられている。フィルタ１５は、例えば変化率リミッタまたは所定の時定数が設定されたフィルタ回路等で構成され、調整部１２から出力された算出データに含まれたノイズ成分を除去する。

【0015】

以下、図２および図３を参照して、本実施形態に係る電気車制御装置１の動作について説明する。図２は、本実施形態に係る電気車制御装置１の動作手順を示すフローチャートである。また、図３は、速度信号とトルク電流の変化を示す図である。

【0016】

調整部１２は、速度検出部１１で検出された速度信号ＰＧ（図３参照）に基づいて電動機１０１の回転速度の変化量を算出するたびに、その変化量がしきい値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、調整部１２は、車輪１１１の空転を検知する場合には加速度を上記変化量として算出する。一方、車輪１１１の滑走を検知する場合には、調整部１２は減速度を上記変化量として算出する。

【0017】

変化量がしきい値を超えた時点ｔ１（図３参照）で、調整部１２は、車輪１１１の空転または滑走が発生していると判定し、トルク電流を低減させる（ステップＳ１２）。その後、所定の低減時間ｔｄが経過すると（ステップＳ１３）、調整部１２は、再びトルク電流を増加させる（ステップＳ１４）。

【0018】

上記のような再粘着制御を行っている途中で、変化量が再びしきい値を超えると（ステップＳ１５）、調整部１２は、その時点ｔ２（図３参照）における粘着係数を算出する（ステップＳ１６）。ここで、粘着係数について説明する。

【0019】

粘着係数は、レール１２１に対する車輪１１１の粘着度合いを示すものである。本実施形態では、調整部１２は、変化量が最初にしきい値を超えた時点ｔ１におけるトルク電流値Ｉｑ１と変化量が再びしきい値を超えた時点ｔ２におけるトルク電流値Ｉｑ２との割合（Ｉｑ１／Ｉｑ２）を粘着係数として算出する。この粘着係数は、車輪１１１の粘着限界に相当する。

【0020】

粘着係数が調整部１２により算出されるたびに、粘着係数はフィルタ１５を介して記憶部１４に連続的に記憶される（ステップＳ１７）。本実施形態では、フィルタ１５によってノイズ成分が除去されるので、粘着係数データを高精度に記憶部１４に記憶することができる。

【0021】

その後、調整部１２は、記憶部１４のデータを学習して、実トルク電流を調整する（ステップＳ１８）。例えば、空転滑走が発生しやすい雨天時等の場合、調整部１２は、上記しきい値を晴天時よりも低い値に設定する。また、ステップＳ１８では、調整部１２は、記憶部１４に記憶された粘着係数に応じて、図３に示す低減時間ｔｄまたはトルク電流の増加率（傾き）ｋを変化させてもよい。さらに、調整部１２は、速度に応じて、しきい値、低減時間およびトルク電流の増加率を変化させてもよい。粘着力は、速度が高いほど悪化する傾向を示すため、速度に応じた係数を掛けて補正を行うことにより、より空転滑走を抑制することが可能となる。

【0022】

以上説明した本実施形態によれば、電動機１０１の回転状態の異変が再び起こったときに調整部１２が粘着係数を算出することによって、車輪１１１の粘着限界を把握することができる。また、この粘着係数に基づいて電動機１０１の実トルク電流が調整される。これにより、車輪１１１の実際の粘着特性に応じて当該車輪１１１を駆動する電動機１０１の駆動条件が調整される。よって、車輪１１１の空転滑走の抑制化を図ることができる。

【0023】

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る電気車制御装置の簡略的な構成を示すブロック図である。図４では、上述した第１実施形態に係る電気車制御装置１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態に係る電気車制御装置２は、速度検出部１１ではなくクリープ量算出部２１を備えている点で、図１に示す電気車制御装置１と異なる。

【0024】

クリープ量算出部２１で算出されるクリープ量は、レール１２１上を走行する電気車の車両速度と、電気車の車輪に連結された電動機１０１の回転速度との速度差である。上記車両速度は、複数の車輪１１１のうち、速度の基準となる車輪の回転軸の軸速度に相当する。クリープ量は、換言すると、レール１２１上における車輪１１１のすべり量である。

【0025】

以下、図５および図６を参照して、本実施形態に係る電気車制御装置２の動作について説明する。図５は、本実施形態に係る電気車制御装置２の動作手順を示すフローチャートである。また、図６は、クリープ量およびトルク電流の変化を示す図である。

【0026】

クリープ量算出部２１が、クリープ量を算出するたびに、調整部１２は、そのクリープ量が許容値を超えたか否かを判定する（ステップＳ２１）。車輪１１１の空転または滑走が発生すると、図６に示すように、その車輪１１１に連結された電動機１０１の回転速度Ｖｃと、車両速度Ｖｒｅｆとの差、すなわちクリープ量Ｃｒが大きくなる。

【0027】

そこで、クリープ量Ｃｒが許容値を超えた時点ｔ３で、調整部１２は、車輪１１１の空転または滑走が発生していると判定し、トルク電流を低減させる（ステップＳ２２）。

【0028】

続いて、調整部１２は、上記時点ｔ３における粘着係数を算出する（ステップＳ２３）。本実施形態では、調整部１２は、車両速度Ｖｒｅｆに対応する基準トルク電流Ｉｑｒｅｆ（図６参照）と、低減後のトルク電流Ｉｑ３（図６参照）との差を粘着係数として算出する。

【0029】

粘着係数が調整部１２により算出されるたびに、第１実施形態と同様に、粘着係数はフィルタ１５を介して記憶部１４に連続的に記憶される（ステップＳ２４）。その後、調整部１２は、記憶部１４のデータを学習して、実トルク電流を調整する（ステップＳ２５）。例えば、空転滑走が発生しやすい雨天時等の場合、調整部１２は、クリープ量Ｃｒが晴天時よりも低くなるようにトルク電流を調整する。さらに、調整部１２は、速度に応じて、クリープ量を変化させてもよい。粘着力は、速度が高いほど悪化する傾向を示すため、速度に応じた係数を掛けて補正を行うことにより、より空転滑走を抑制することが可能となる。

【0030】

以上説明した本実施形態によれば、クリープ量Ｃｒの異変時に調整部１２が粘着係数を算出することによって、車輪１１１の粘着限界を把握することができる。また、この粘着係数に基づいて電動機１０１の実トルク電流が調整される。そのため、第１実施形態と同様に、車輪１１１の空転滑走の抑制化を図ることができる。

【0031】

なお、本実施形態では、第１実施形態で説明したトルク電流制御を併用してもよい。すなわち、調整部１２は、電動機１０１の回転速度の変化量の異変時およびクリープ量Ｃｒの異変時における粘着係数を算出し、その粘着係数に基づいて実トルク電流を調整してもよい。この場合、空転滑走をより一層抑制することができる。

【0032】

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る電気車制御システムの簡略的な構成を示すブロック図である。本実施形態に係る電気車制御システム３は、複数の電気車制御装置３０と、複数の制御端末４０ａ～４０ｎと、を備える。

【0033】

各電気車制御装置３０は、第１実施形態で説明した電気車制御装置１または第２実施形態で説明した電気車制御装置２に相当する。各電気車制御装置３０は、複数の制御端末４０ａ～４０ｎと個々に通信可能である。また、制御端末４０ａ～４０ｎ同士も通信可能である。電気車制御装置３０および制御端末４０ａ～４０ｎは、レール１２１上で連結された複数の電気車にそれぞれ１台ずつ設置される。本実施形態では、制御端末４０ａが先頭車両に設置されている。

【0034】

制御端末４０ａは、図７に示すように、収集部４１および分配部４２を有する。収集部４１はトルク電流を収集する。このトルク電流は、粘着係数に基づいて各電気車制御装置３０の調整部１２で最適化されたものである。換言すると、収集部４１に収集されたトルク電流は、車両単位で最適化されたものである。

【0035】

分配部４２は、収集部４１に収集されたトルク電流および電気車の車両位置に基づいて、複数の電気車制御装置３０へのトルク電流の配分を決定する。

【0036】

なお、本実施形態では、収集部４１および分配部４２は、先頭車両に設置された制御端末４０ａに設けられているが、これらは制御端末４０ａの代わりに制御端末４０ｂ、４０ｎに設けられていてもよい。

【0037】

以下、図８を参照して、本実施形態に係る電気車制御システム３の動作について説明する。図８は、本実施形態に係る電気車制御システム３の動作手順を示すフローチャートである。

【0038】

まず、制御端末４０ａの収集部４１が、トルク電流を収集する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１では、制御端末４０ｂ、４０ｎに接続された電気車制御装置３０のトルク電流データは、各制御端末を介して制御端末４０ａに収集される。収集されたトルク電流データは、分配部４２に入力される。

【0039】

次に、分配部４２は、トルク電流の配分を決定する（ステップＳ３２）。一般的に先頭車両の粘着力は、他の車両の粘着力よりも低い傾向にある。すなわち、先頭車両では空転滑走が起こりやすい。そこで、分配部４２は、例えば、先頭車両のトルク電流が他の車両のトルク電流よりも低くなるように配分を決定する。

【0040】

なお、ステップＳ３２では、分配部４２は、トルク電流データの収集やトルク電流の配分の繰り返しによって、トルク電流をどの程度低減すると車両編成全体で最大の粘着力を得られるか、その重み付けを学習することが望ましい。例えば、分配部４２は、最大の粘着力が得られるようにするために、予め設定された基準となるトルク電流に係数（重み付け）を変えることによって、空転滑走が起こりにくい最適なトルク電流の配分を見出してもよい。

【0041】

さらに、ステップＳ３２では、分配部４２は、先頭車両だけでなく残りの車両についてもどのようなトルク電流の配分にすれば最大の粘着力が得られるか学習することが望ましい。この場合も、分配部４２は、車両ごとに上記係数を変えることによって、最適なトルク電流の配分を見出す。

【0042】

その後、分配部４２は、各電気車制御装置３０へ配分に応じたトルク電流を通知する（ステップＳ３３）。このとき、制御端末４０ｂ、４０ｎに接続された電気車制御装置３０に対し、トルク電流は、各制御端末を介して通知される。各電気車制御装置３０は、通知されたトルク電流に基づいて電動機１０１を駆動する。

【0043】

以上説明した本実施形態によれば、分配部４２によって、トルク電流の配分が、各車両の粘着特性に応じて決定される。そのため、車両編成全体として空転滑走の抑制化を図ることが可能となる。

【0044】

以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0045】

１、２、３０ 電気車制御装置、３ 電気車制御システム、１１ 速度検出部、１２ 調整部、１３ 駆動部、１４ 記憶部、１５ フィルタ、２１ クリープ量算出部、４０ａ～４０ｎ 制御端末、４１ 収集部、４２ 分配部、１０１ 電動機、１１１車輪、１２１ レール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】