JP2006335289A - 電気駆動車への給電方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に非接触で電車に給電する方法と装置を提供する。
【解決手段】 変圧器機能とリニアモータ機能を併せもつ変圧器兼リニアモータ装置３と、この運転制御用インバータ４と、電力供給可能区間では充電を、電力供給不可能区間ではリニアモータ機能或いはモータ駆動による走行と車上への給電を行うバッテリ５を備える。停車時は、軌道側からの電力供給で車上への給電と車内電源の充電を行う。走行時は、軌道からの電力供給が可能な区間は、リニアモータ機能による走行と車上への給電・車内電源の充電を行う。軌道からの電力供給が不可能で、軌道側への二次導体板敷設区間は、車上電源からの電力供給でリニアモータ機能による走行と車上への給電を、また二次導体板が敷設されていない区間は、車上電源からの電力供給でモータ駆動による走行と車上への給電を行う。
【効果】 車両への搭載バッテリ量を少なくでき、地上設備を簡略化できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気で駆動される電気駆動車において、トロリ線を使用せず、非接触で電気駆動車に給電する方法、及び、この方法を実施する装置に関するものである。

以下、鉄道車両について説明する。
現在では、環境にやさしいとされている電気式鉄道車両（以下、電車と略す。）が一般的であるが、電車への給電は、トロリ線からパンタグラフを用いて接触給電する方式が一般的である。また、熱エネルギの有効活用の観点から、鉄道車両には回生ブレーキが採用されている。
特開平７−３２２４０７号公報 特開２０００−８３３０２号公報

また、地上の全区間に電力供給コイルを配置して非接触で給電し、リニアモータを駆動する方式もある。
特開２００２−２３８１０９号公報

しかしながら、トロリ線からパンタグラフを用いて接触給電する方式では、保守や都市の美観の点で問題がある。また、回生ブレーキを採用している電車では、制動による回生電力の処理が難しく、更なる省エネルギ化が難しい。

また、地上の全区間に電力供給コイルを配置する方式は、保守や都市の美観の点では優れるものの、設備費が嵩むという問題がある。

なお、高周波による誘導集電方式も考えられるが、この方式は効率や力率が悪く、現在の技術では電車のように比較的大きな電力供給を必要とするものには不向きである。また、バッテリ駆動や車両内で発電する方式も考えられるが、多量のバッテリや発電装置が必要になるので、重量や容積が嵩み、実現は難しい。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の電車への給電方式では、保守や美観、設備費の点で問題があり、また、更なる省エネルギ化が難しいという点である。

そこで、本発明の電車への給電方法は、
トロリ線を使用せず、しかも、地上の全区間に電力供給コイルを配置することなく、非接触で電車に電気を供給するために、
軌道からの電力供給が可能な区間での停車時は、軌道側から電力を供給されて、変圧器機能により車上への給電と、車内電源の充電を行う一方、
走行時は、
軌道からの電力供給が可能な区間では、リニアモータ機能による走行に加えて、車上への給電と、車内電源の充電を、
また、軌道からの電力供給が不可能であるが軌道側に二次導体板が敷設されている区間では、車上電源からの電力供給により、リニアモータ機能による走行と車上への給電を、
また、軌道からの電力供給が不可能でかつ軌道側に二次導体板が敷設されていない区間では、車上電源からの電力供給により、モータ駆動による走行と車上への給電を行うことを最も主要な特徴としている。

前記本発明の給電方法は、
非接触で車両に電気を供給するための非接触給電・充電用の変圧器機能と、電車の加減速推進用リニアモータ機能を併せもつ変圧器兼リニアモータ装置と、
この変圧器兼リニアモータ装置の運転制御を行うべく、電気駆動車に設置されたインバータと、
このインバータによって制御され、軌道からの電力供給が可能な区間では充電を、また、軌道からの電力供給が不可能な区間では、リニアモータ機能或いはモータ駆動による走行と車上への給電を行うべく、電気駆動車に設置された直流電源を備えた本発明の給電装置を使用することによって実施できる。

本発明では、美観を損なうトロリ線を設けず、しかも、地上の全区間に電力供給コイルを配置することなく、非接触で電車に電気を供給することができるという利点がある。すなわち、電力供給コイルの敷設区間は電力供給コイルを介して電力を供給できるので、全区間をバッテリ駆動する場合と比べて車両に搭載するバッテリの量を少なくできて車重を軽くでき、バッテリの交換・保守などの手間や費用を軽減できる。また、地上設備を簡略化でき、道路の融通性を損なうことが避けられるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図４を用いて説明する。
本発明の電車への給電装置は、非接触で車両に電気を供給するための非接触給電・充電用の変圧器機能と、電車の加減速推進用リニアモータ機能を併せもつ装置であり、車両側設備１と軌道側設備２とで構成されている。

そして、その基本構成は、図１に示すように、変圧器兼リニアモータ装置３（以下、リニア変圧器３或いはリニアモータ装置３とも言う。）と、その車両側巻線３ａに接続する制御用インバータ４と、その直流電源部としてのバッテリ或いはカパシタ（以下、単にバッテリという。）５からなる。また、軌道側巻線３ｂは商用電源７に接続され、その運転制御は車両側巻線３ａに接続する前記インバータ４で行う。

このような構成の本発明では、軌道側に電力線コイル（軌道側巻線３ｂ）を敷設した区間では、図２（ｂ）に示すように、軌道側から電力Ｐ1を供給されて駆動するリニアモータ装置３によって走行する。

この場合の走行に必要な動力Ｐmは、推力をＦx、走行速度をｖ（＝（１−ｓ）ｖs。但し、ｓは誘導機において定義される滑り値、ｖsは移動磁界の速度である。）とした場合、ｖ・Ｆx＝（１−ｓ）Ｐ1で求められる。従って、余剰な電力Ｐ2（＝Ｐ1−Ｐm＝ｓ・Ｐ1）は、車上に給電され、車内電力の供給とバッテリ５の充電に充てられる。

一方、軌道側に電力線コイル（軌道側巻線３ｂ）は敷設していないが、二次導体板９を敷設している区間では、前記バッテリ５から電力を供給されて駆動するリニアモータ装置３によって非接触で（図２（ｃ））走行する。

また、軌道側に電力線コイルも二次導体板も敷設されておらず、通常の道路或いはレール１０が敷設された区間では、バッテリ５によって駆動される車輪駆動用モータ６による車輪Ｗでの摩擦力駆動（図２（ｄ））で走行する。この摩擦力駆動の際、図１のように、別途専用のインバータ８を設けてモータ６を駆動しても良い。

なお、駅などのように軌道側に電力線コイルが敷設された場所で停車する時は、図２（ａ）に示すように、軌道側から供給される電力Ｐ1で、変圧器３によって、車上への給電Ｐ2（≒Ｐ1）、すなわち車内電力の供給とバッテリ５の充電を行う。

このような作用を行わせる前記変圧器兼リニアモータ装置３としては、例えば以下の２つの方式の何れかを採用する。
（方式１）
通常の巻線型リニア誘導モータと同様な構造で、軌道側と車両側にそれぞれ三相巻線３ａ，３ｂを有する一次側と二次側を配置する構造とする。なお、軌道側には三相商用電源７を接続する。

そして、停車時に充電を行う変圧器運転では、移動磁界を利用し、エアギャップを介して三相商用電源７から車両側巻線３ａに電力を伝達する。この場合、一般に推力が発生するので、車両が動かないような固定機構を併用する。

また、加減速運転では、軌道側巻線３ｂを流れる電流の周波数をｆ1、車両側巻線３ａを流れる電流の周波数をｆ2とした場合、ｆ2＝ｓｆ1となるように制御し、始動加速はｆ2＝ｆ1から減少させて行なう。

なお、この加減速時に生じるｓ・Ｐ1の電力も、前記したように、本発明では車上のバッテリ５への充電や車内電力の供給用に利用する。

（方式２）
図３及び図４に示すように、軌道側巻線３ｂは単相巻線、車両側巻線３ａは単相と二相との切り換えが可能な巻線構成にする。そして、その切り換えはスイッチ等を使用せずに巻線電流制御用に接続するインバータ４で行なう。

なお、軌道側巻線３ｂは安価な集中巻の単相巻線とし、商用電源から供給する。また、前記インバータ４は、図３（ｅ）及び図４（ｅ）に示すように、単相インバータを２台結合した形式とする。

そして、停車時に充電を行う変圧器運転では、インバータ４により、図３に示すように、二次側の車両側巻線３ａを単相巻線に切り換え、交番磁界による変圧器動作をさせて推力を発生させずに車両側に電力を供給する。

また、加減速運転では、インバータ４により、図４に示すように、車両側巻線３ａを二相巻線に切り換え、ａ相とｂ層にそれぞれ９０度宛位相がずれた４相電流（図４（ｄ））を流すことにより、移動磁界による推力を発生させる。なお、車両側巻線３ａを流れる電流の周波数の制御法は、前記方式１の加減速運転と同様に行なう。

以上が本発明の電車への給電方法である。
このような本発明によれば、電車の駆動電源は、軌道側巻線３ｂの敷設区間では誘導給電方式で、それ以外の区間では車上のバッテリ５から供給する方式になるため、全て非接触の架線レス化が実現できる。

すなわち、本発明は、地上一次型リニアモータと車上一次型リニアモータ、または回転型モータと組み合わせるハイブリット駆動方式であるため、軌道設備２の経済性を向上できると共に、道路の融通性を極力損なわず、また、安全で美観を損ねない給電が実現できる。

また、本発明では、軌道側巻線３ｂの敷設区間では、軌道側から供給される電力でリニアモータ装置３の加速運転を行うので、運転時における電力消費の大きな割合を占める加速時にバッテリ５から電力を供給する必要がなくなる。従って、電車に積載すべき蓄熱エネルギを大幅に軽減できる。また、急な坂道では、軌道側巻線３ｂを敷設しておくことで、車上の電源を消耗させずに、急勾配の走行が可能になる。

さらに、駅等での停車中に非接触で安全に車内電力の給電やバッテリの充電が行なえるので、充電のために特別な場所や施設を設ける必要がない。また、加速区間においても本発明ではバッテリ５を放電（消費）せず、逆に給電・充電が行なえる。

また、リニアモータ装置３による駆動区間では、リニアモータ装置３を走行案内設備として利用でき、またバッテリ５を消費しない自動運転が可能であることから、ＩＴＳ（Intelligent Transport Systems）に適応しやすくなる。

このような本発明では、効率を重視する場合は、軌道側巻線３ｂの電流を供給する区間を最小限にし、車両の移動に応じて、区間を切り換えて電流を供給すればよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

以上の本発明は、電車に限らず、バスなどの車両にも適用できる。この場合、扁平なリニアモータと小径の車輪を使用することで、人に安全でやさしい低床バスの実現が容易になる。

本発明の電車への給電装置の基本構成を示した概略図である。 本発明の動作原理を説明する概略図で、（ａ）は停車時、（ｂ）は軌道からの電力供給によるリニアモータ駆動での走行時、（ｃ）は車上電源によるリニアモータ駆動での走行時、（ｄ）は車上電源によるモータ駆動での走行時を示す図である。 変圧器兼リニアモータ装置の第２の方式で、単相変圧器動作をさせる場合の説明図であり、（ａ）は軌道側巻線、（ｂ）は軌道側巻線の位相関係、（ｃ）は車両側巻線、（ｄ）は車両側巻線の位相関係、（ｅ）はインバータ回路を示した図である。 図３と同様のリニアモータ動作をさせる場合の説明図である。

符号の説明

１ 車両側設備
２ 軌道側設備
３ 変圧器兼リニアモータ装置
３ａ 車両側巻線
３ｂ 軌道側巻線
４ インバータ
５ バッテリ
６ モータ
７ 商用電源
９ 二次導体板

Claims (2)

1. 非接触で電気駆動車に電気を供給するための給電方法であって、
   軌道からの電力供給が可能な区間での停車時は、軌道側から電力を供給されて、変圧器機能により車上への給電と、車内電源の充電を行う一方、
   走行時は、
   軌道からの電力供給が可能な区間では、リニアモータ機能による走行に加えて、車上への給電と、車内電源の充電を、
   また、軌道からの電力供給が不可能であるが軌道側に二次導体板が敷設されている区間では、車上電源からの電力供給により、リニアモータ機能による走行と車上への給電を、
   また、軌道からの電力供給が不可能でかつ軌道側に二次導体板が敷設されていない区間では、車上電源からの電力供給により、モータ駆動による走行と車上への給電を行うことを特徴とする電気駆動車への給電方法。
2. 請求項１に記載の電気駆動車への給電方法を実施する為の装置であって、
   非接触で車両に電気を供給するための非接触給電・充電用の変圧器機能と、電車の加減速推進用リニアモータ機能を併せもつ変圧器兼リニアモータ装置と、
   この変圧器兼リニアモータ装置の運転制御を行うべく、電気駆動車に設置されたインバータと、
   このインバータによって制御され、軌道からの電力供給が可能な区間では充電を、また、軌道からの電力供給が不可能な区間では、リニアモータ機能或いはモータ駆動による走行と車上への給電を行うべく、電気駆動車に設置された直流電源を備えたことを特徴とする電気駆動車への給電装置。
   

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