JP3967569B2 - 回生ブレーキ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の回生ブレーキに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開昭６１−２６６０６４号公報等に開示されているような三相交流を用い電磁誘導により制動を行う渦電流ブレーキがある。この渦電流ブレーキ１００は、図６に示すように、盤面１０４が車軸１０６に垂直になるように車軸１０６に取り付けられたブレーキディスク１０２と、盤面１０４に対向する位置に設けられ、励磁すると、ブレーキディスク１０２の回転方向に対し反対方向に移動する移動磁界を発生させる固定子１０８とを備えている。この渦電流ブレーキ１００は、図７に示すように、すべりが１以上となるように移動磁界を移動させるようにされ、この移動磁界により固定子１０８を励磁して渦電流を盤面１０４に発生させると、フレミングの左手則によりブレーキディスク１０２の回転方向とは反対方向に作用する力がブレーキディスク１０２に作用するので、その力を利用して制動を行うものである。
【０００３】
この渦電流ブレーキ１００では、ブレーキディスク１０２を流れる渦電流により、車輪１１０の運動エネルギーの殆どが熱エネルギーに変換され、ブレーキディスク１０２が熱せられる。一方、ブレーキディスク１０２の温度が一定温度以上に高温となることは、構造上好ましくないことが知られている。そのため、従来の渦電流ブレーキ１００では、ブレーキディスク１０２を肉厚にして、熱容量を大きくしたり、放熱効率を良くしている他、ファン等の冷却装置を設けてブレーキディスク１０２を強制冷却して、ブレーキディスク１０２が一定温度以上に高温になるのを防止している。
【０００４】
ところで、新幹線車両等の電車車両の高速化には、車両重量の軽減と、制動力の強化が必要とされる。例えば現在の新幹線車両で用いられている渦電流ブレーキは、車軸に取り付けられた鉄製のディスクと台車に取り付けられた界磁コイルによって構成されている。界磁コイルはディスクを挟んで同極となるように配置してあり、励磁電源は補助回路と同様に主変圧器の３次巻線（ＡＣ４４０Ｖ）を混合ブリッジの整流回路で直流に変換したものを使用している。この渦電流ブレーキは機械的な摩耗部品がないのでメンテナンスの面でメリットがある。しかし、車両の運動エネルギーをディスク発熱にかえてブレーキ力を得る方式であるため、上述のように大きなブレーキ力を得ようとすると発熱が大きくなり、車軸の温度も上昇させてしまう。したがって、その防止のため、ブレーキディスク１０２の肉厚をより厚くして熱容量等を大きくしたり、ファンを取り付けたりせねばならず、その分重量が増すなどの問題が生じてくる。
【０００５】
この問題に鑑み本願出願人は、特願２０００−１７６８０３号において、電磁誘導により制動を行うブレーキであって、渦電流ブレーキに比べ制動力が大きくしても小型軽量な回生ブレーキを開示した。当該発明は、励磁コイルに代えて交流三相巻線によって進行磁界を励磁し、直流励磁の渦電流ディスクブレーキをリニア誘導発電機にすることによって、ブレーキによる運動エネルギーの一部を電力回生し、残りをディスクで熱として消費するブレーキシステムである。ディスクは磁束を発生させるための鉄ディスクを渦電流が流れやすい良導体である銅やアルミで両側から挟みこんだ三層構造をしている。一般のリニア誘導電動機のリアクションプレートも同様な構造をしている。上記ブレーキシステムは電力を回生できる点で省エネであり、回生できるエネルギー分ディスク発熱を減らすことができディスクを小型化することができる点でメリットがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現在のシステムでは磁極鉄心とディスク表面とのギャップは１２mmと他のリニアモータシステムより比較的大きくなっている。またディスク表面の良導体（銅やアルミ等）の比透磁率は空気とほぼ等しい。このため磁気的ギャップはエアギャップと良導体の厚さの和となり、現状では２０mmを超える値となっている。この磁気的ギャップを小さくすることができれば磁束を増やすことができ、リニア誘導電動機の推力を向上させることができる。しかし、本システムにおけるエアギャップは走行中の輪軸の右左折案内時を考慮して設定されたものであるため、このギャップ自体を大幅に詰めることは困難である。また良導体の厚さを薄くすると抵抗が増し、渦電流が小さくなる。これに伴い電磁力が小さくなり推力の低下に至るので困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、電磁誘導により制動を行うブレーキであって、渦電流ブレーキに比べ制動力を大きくしても小型軽量であり、且つ効率よく推力を発生可能な回生ブレーキを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成する本発明の回生ブレーキは、図７に示す誘導機の特性曲線を示すグラフで説明すると、従来の渦電流ブレーキのようにすべりが１以上となる範囲で制動を行うのではなく、すべりが０より小さい範囲で制動を行う。このようにすべりが０より小さい範囲で制動を行うと、制動の際、鉄道車両の運動エネルギーの一部が電源側に回生されるため、従来の技術の欄で説明した渦電流ブレーキに比べ熱エネルギーに変換されるエネルギー量が減少するので、ブレーキディスクで発生する熱量が少ない。そのため、本発明の回生ブレーキを用いると、渦電流ブレーキのようにブレーキディスクの熱容量を大きくする必要がなく、ブレーキディスクを薄肉に構成することができる。
【０００９】
そしてさらに、本発明のブレーキディスク（１０：この欄においては、発明への理解の容易化のため、必要に応じて実施の形態中で用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、次のような構成を持つ。すなわち、磁束を発生させるための磁性体ディスク（１６２）を、渦電流が流れやすい良導体ディスク（１６１）で両側から挟みこんだ三層構造をしており、且つ、良導体ディスク（１６１）に設けられた貫通孔に磁性体ディスク（１６２）の凸部が嵌入することで前記盤面（１２）が良導体及び磁性体の両者で構成されると共に、良導体ディスク（１６１）は、ディスク中央付近から外周部へ向かって電流の流れる経路を有している。なお、良導体としてはアルミ等、磁性体としては鉄等が考えられる。
【００１０】
このように、良導体ディスク（１６１）の表面まで磁性体ディスク（１６２）の一部を露出させることにより、良導体ディスク（１６１）の厚さによる磁気的ギャップを大幅に小さくすることができ、したがって、ブレーキディスク（１０）の盤面（１２）を全て良導体で占有していた場合に比べて発生する磁束を増加させることができる。なお、増加割合は、ブレーキディスク（１０）の盤面（１２）の表面積に対し、どの程度磁性体を占有させるかによる。露出割合が高いほど磁束の増加が期待できるので、なるべく多く露出させることが「磁束増加」の観点からは好ましい。
【００１１】
一方、このようにすることで、ブレーキディスク（１０）の盤面（１２）を全て良導体で占有していた場合に比べ、良導体ディスク（１６１）に誘導された渦電流は、流れる経路が減少することによって若干減少する。しかし、本発明の回生ブレーキの場合は、ディスク中央付近から外周部へ向かって電流の流れる経路を有しているため、回転方向の電磁力を出させる電流成分の減少を抑えることができる。リニアモータの推力（ブレーキ力）は２次側の電流と２次鎖交磁束の積であるため、磁束増加による効果を電流減少による効果よりも大きくすることができ、結果として推力を向上させることができる。
【００１２】
したがって、本発明の回生ブレーキによれば、従来の渦電流ブレーキに比べ制動力を大きくしても小型軽量であり、且つ効率よく推力を発生可能である。
【００１３】
また、本発明のブレーキディスク（１０）は、第１の環状部（１６１ｂ）と第２の環状部（１６１ｃ）とを接続するバー部（１６１ａ）に主に電流が流れる。バー部（１６１ａ）を流れる電流によって発生する磁束は電流方向と直交する。ここでバー部（１６１ａ）がディスク中央付近から外周部へ向かって略放射状に形成されているため、ブレーキディスク（１０）の略接線方向に推力が発生する。したがって、効率よい推力発生が期待できる。
そして、このバー部（１６１ａ）は、略円柱状であるため、略四角柱状のものに比べて露出面積が相対的に少なくなる。つまり、略四角柱状のものを用いると、その１側面が全て露出することとなるが、略円柱状のバー部（１６１ａ）とすれば、円弧部分の一部のみを露出させることができ、露出面積が相対的に少なくなる。これは逆に言えば、盤面（１２）における磁性体の占有面積が相対的に多くなっていることを意味する。上述したように、盤面（１２）における磁性体の占有面積が多いほど発生する磁束を増加させることができる。
この場合、請求項２に示すように、バー部（１６１ａ）をディスクの半径方向に沿って形成すれば、ブレーキディスク（１０）の接線方向に推力が発生する（図１（ｂ）等参照）。
【００１４】
一方、請求項３に示すように、バー部（１６１ａ）を、ディスクの半径方向から所定角度ずらして形成してもよい（図３（ｄ）参照）。この所定角度ずらす方法は、回転型の誘導電動機におけるスキューに相当する。このように構成すれば、始動時における振動等の異常現象を防止することができる。
【００１５】
また、請求項４に示すように、第１の環状部（１６１ｂ）と第２の環状部（１６１ｃ）との間に、１つ以上の第３の環状部（１６１ｄ）を設けてもよい（図４（ａ）参照）。このようにすれば、渦電流が流れ易く、また略半径方向にも電流経路があるため、効率よい推力発生の点でも有利である。
【００１６】
また、請求項５に示すように、ブレーキディスク（１０）の側面は全て良導体となるよう良導体ディスク（１６１）を形成してもよい（図３（ａ）〜（ｃ）参照）。このようにすれば、ブレーキディスク（１０）の側面（外周付近）の電気抵抗が相対的に小さくなり、電流が流れやすくなる。
【００１７】
ところで、本発明の回生ブレーキにおける固定子は、盤面の一部を覆う大きさに形成するのが好ましい（請求項６）。このようにすると、ブレーキディスクの放熱効果が大きくなるので、ブレーキディスクをより薄く構成することができる。また冷却装置も不要となる。その結果本発明の渦電流ブレーキは、小型軽量に構成することができる。
【００１８】
具体的には、固定子は、ブレーキディスクの円周に沿った扇形状に形成され、扇形の円周方向に沿って複数の前記コイルを設置するよう形成された固定子鉄心を備えていることがより好ましい（請求項７）。このように構成された固定子を用いれば、移動磁界がブレーキディスクの回転方向に沿って移動し、制動力がブレーキディスクの回転方向に沿って作用するので、制動力を効率よくブレーキディスクにかけることができるからである。
【００１９】
他の具体例としては、固定子は、長尺状に形成された固定子鉄心を備え、固定子鉄心の長手方向が鉄道車両の進行方向に沿うように固定子鉄心を配置したものを用いるとより好ましい（請求項８）。このようにすると、固定子鉄心の長手方向と列車の進行方向とが互いに沿うように配置されるので、風が効率よくブレーキディスク上を通過する。そのため、放熱効果が高く、ブレーキディスクを一層薄く構成することができるので、回生ブレーキを小型軽量に構成することができる。
【００２０】
ところで、モータが取り付けられた動力車、いわゆるＭ車には、誘導モータが取り付けられ、この誘導モータが回生制動を行うため、敢えて本発明の回生ブレーキを取り付ける必要はない。しかし非動力車、いわゆるＴ車には誘導モータが取り付けられていないため、本発明の渦電流ブレーキを取り付けて回生制動を行う意義が大きい（請求項９）。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００２２】
［第１実施例］
図１（ａ）は、第１実施例の回生ブレーキが取り付けられる車軸の一端側の斜視図、図１（ｂ）はブレーキディスクの正面図、図１（ｃ）はブレーキディスクの側面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ端面図である。また、図２（ａ）は固定子の断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図）、図２（ｂ）は動作回路のブロック図である。
【００２３】
本実施例の回生ブレーキ１は、図１（ａ）に示すように、ブレーキディスク１０と、一対の固定子２０とを備えている。
ブレーキディスク１０は、鉄道車両の台車に設置された車軸９に同軸状に固定される。このブレーキディスク１０は、具体的には筒部１４とディスク部１６とからなっており、円筒状に形成された筒部１４が、車軸９に挿通した状態でブレーキディスク１０を車軸９に固定する。一方、ディスク部１６は、鉄等で製作された磁性体ディスク１６２をアルミ等で製作された２枚の良導体ディスク１６で挟んだ３層構造に形成され、筒部１４の外周面上に、筒部１４に対し同心状になるように一体に取り付けられる。尚、磁性体ディスク１６２は、鉄の他に鋼などの強度を持った磁性体であればどのような材料で構成してもよい。また、良導体ディスク１６１は、導電率の高い非磁性体であればどのようなものでもよい。
【００２４】
そしてさらに、本実施例のブレーキディスク１０のディスク部１６は、良導体ディスク１６１に設けられた貫通孔に磁性体ディスク１６２の凸部が嵌入することで、その盤面１２に良導体及び磁性体の両者が露出している。
具体的には、図１（ｂ）に示すように、良導体ディスク１６１は、バー部１６１ａと、第１の環状部１６１ｂと、第２の環状部１６１ｃとから構成されている。第２の環状部１６１ｃは筒部１４の外周面側に嵌め込み可能な断面略四角のリング形状である。また、バー部１６１ａは略四角柱状であり、第２の環状部１６１ｃに一端が固定されディスク半径方向に沿って放射状に形成されている。なお、バー部１６１ａは本実施例では２０本であり、等間隔で配置される。そして、第１の環状部１６１ｂはそのバー部１６１ａの外周部側の端部と固定する断面略四角のリング形状にされている。これらバー部１６１ａ、第１の環状部１６１ｂ及び第２の環状部１６１ｃについては、一体成形してもよいし、別個に製作して例えばロウ付けによって固定しても良い。良導体ディスク１６１は平板ではなくこのような形状であるため、２０本のバー部１６１ａと第１及び第２の環状部１６１ｂ，１６１ｃによって、貫通孔が２０個形成されることとなる。
【００２５】
一方、磁性体ディスク１６２は、円盤状の両面にそれぞれ、上記良導体ディスク１６１に形成された貫通孔にそれぞれ嵌入可能な凸部が２０個有している。したがって、この磁性体ディスク１６２の凸部に上記貫通孔を嵌めるように２枚の良導体ディスク１６１を両側から挟んで固定することで、本実施例のディスク部１６が形成される。
【００２６】
固定子２０は、ブレーキディスク１０の盤面１２に対向する位置かつ、車軸９の上部で、ブレーキディスク１０を挟むように設置される。この固定子２０は、具体的には、図２（ａ）に示すように、固定子鉄心２２及び固定子巻線２４とからなる。このうち固定子鉄心２２は、鉄道車両の進行方向に沿いかつ盤面１２に沿って長尺状に形成され、盤面１２に対向する面側には、固定子鉄心２２の長手方向に対し垂直に形成された複数のスリット２２ａが、長手方向に沿って等間隔に設けられている。
【００２７】
一方、移動磁界をつくるため、固定子巻線２４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相分の各コイル２４ａ〜２４ｃからなる。各コイル２４ａ〜２４ｃは、ブレーキディスク１０の盤面１２に対向する位置に、各コイル２４ａ〜２４ｃを構成する電導線が巻回される巻回面がブレーキディスク１０の盤面１２に沿いかつ、鉄道車両の進行方向に沿って並設される。そして各コイル２４ａ〜２４ｃは、固定子鉄心２２に割り当てられた各相の固定子巻線２４を設置する場所に短節巻かつ集中巻でスリット２２ａに填め込んで取り付けられる。また、各コイル２４ａ〜２４ｃは、同相のコイル２４ａ〜２４ｃが互いに対向し、かつ、互いに磁束を打ち消さないように各固定子鉄心２２に取り付けられる。尚、本実施例では、一例として、極ピッチが４スロットに対し、コイルピッチが３スロットの短節巻でコイル２４ａ〜２４ｃが取り付けられた様子を示しているが、これに限られるものではない。
【００２８】
次に、本実施例の回生ブレーキを動作させる動作回路について説明する。
ここで、図２（ｂ）は、動作回路のブロック図である。本実施例の動作回路３０は、コンバータ３２、インバータ３４、回転速度センサ３６及び制御回路３８からなる。このうちコンバータ３２は、架線から供給される特別高圧を降圧する主変圧器巻線のうち補助回路用に用いられる三次巻線の単相４４０Ｖの電力を直流に変換してインバータ３４に出力する。なお、この補助回路は、空調器や換気装置等の車内機器に電力を供給する回路である。
【００２９】
インバータ３４は、コンバータ３２から供給される直流電力をＰＷＭ制御により三相交流電力に変換して固定子巻線２４に出力する。これらコンバータ３２及びインバータ３４は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）素子を用いて構成されている。
【００３０】
回転速度センサ３６は、ブレーキディスク１０に取り付けられブレーキディスク１０の回転速度を測定し、ブレーキディスク１０の回転速度を表す速度信号を制御回路３８に出力している。制御回路３８は、回転速度センサ３６から入力した速度信号に基づいてブレーキディスク１０の回転速度を算出し、その算出結果に基づいて、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御を行ってインバータ３２を動作している。このＰＷＭ制御では、固定子巻線２４を励磁して、制御回路３８で算出したブレーキディスク１０の回転速度よりも遅い速度で、同じ方向に移動する移動磁界を発生させる制御を行っている。
【００３１】
またこの動作回路３０には、回生制動時に固定子巻線２４から供給され、インバータ３４で直流に変換された電力を消費する三次回路を、コンバータ３２とインバータ３４との間に接続してもよい。また、この動作回路３０で、補助回路の電源がすでに直流となっている場合は、コンバータ３２を介さず、直接インバータ３２に電力を送電してもよい。
【００３２】
以上のように構成された回生ブレーキ１を動作回路３０を用いて制御すると以下のように動作する。
まず、本実施例の回生ブレーキ１を用いて制動を開始すると、ＰＷＭ制御により固定子２０に設置されているコイル２４ａ〜２４ｃに電流が流れ、ブレーキディスク１０のディスク１６ｂを貫きブレーキディスク１０と同じ回転方向に、ブレーキディスク１０の回転速度より遅い速度で移動する移動磁界が発生し、ブレーキディスク１０上には渦電流が生じる。そのため、フレミングの左手の法則により回転方向とは逆方向に力がかかり、この力が制動力となってブレーキディスク１０が制動されるのである。この制動は回生制動であり、鉄道車両の運動エネルギーの一部は電力に変換され、その電力はインバータ３４がコンバータの役割をしてインバータ３４で直流に変換された電源側に出力され、一部は、熱エネルギーに変換されブレーキディスク１０を熱する。
【００３３】
以上説明した回生ブレーキ１を用いると以下のような効果がある。
前述したように、すべりが０より小さい範囲で制動を行うと、制動の際、鉄道車両の運動エネルギーの一部が電源側に回生され、本実施例の回生ブレーキ１は、従来の技術の欄で説明した渦電流ブレーキに比べ、熱エネルギーに変換されるエネルギー量が減少するので、ブレーキディスク１０で発生する熱量が少なくなる。そのため、本実施例の回生ブレーキ１を用いると、渦電流ブレーキのようにブレーキディスク１０の熱容量を大きくする必要がないので、ブレーキディスク１０を薄肉に構成することができる。
【００３４】
そして、本実施例のブレーキディスク１０のディスク部１６は、良導体ディスク１６１の表面まで磁性体ディスク１６２が露出しているため、良導体ディスク１６１の厚さによる磁気的ギャップを大幅に小さくすることができる。したがって、盤面１２を全て良導体で占有していた場合に比べて発生する磁束を増加させることができる。どの程度増加するかについて説明する。
【００３５】
エアギャップをｇ、良導体の厚さをａとした場合の磁束について考える。真空の透磁率をμ0 とすると、アルミ等の良導体の透磁率もほぼμ0 と等しい。対向している良導体の面積をＡとすると磁気抵抗Ｒは、下記のようになる。
Ｒ＝（ｇ＋ａ）／（μ0 ×Ａ）と表せる。
【００３６】
よって磁束Φは、起磁力Ｆと磁気抵抗Ｒを用いて、下記のようになる。
Φ＝Ｆ／Ｒ＝Ｆ×μ0 ×Ａ／（ｇ＋ａ）
この式より磁束Φはエアギャップと良導体の厚さの和（ｇ＋ａ）に反比例することが分かる。よって磁性体をディスク表面まで出すとａ＝０となるので、磁束Φは（ｇ＋ａ）／ｇ倍となる。従来想定していた渦電流ディスクブレーキにおける具体的数値としてはｇ＝１２mm、ａ＝１０mmであるので、磁性体をディスク表面に全て出したと仮定すると磁束は約１．８倍に増加する。本実施例の場合、磁性体をディスク表面に全て出しているわけではなく、また磁束の一部は漏れ磁束となるが、それ相応の磁束増加が期待できる。
【００３７】
なお、盤面１２が全て良導体であった場合に比べ、本実施例の良導体ディスク１６１に誘導された渦電流は、流れる経路が減少することによって若干減少する。しかし、バー部（１６１ａ）がディスクの半径方向に沿って形成されているため、その方向に流れる電流によってブレーキディスク１０の接線方向に推力が発生する。そのため、回転方向の電磁力を出させる電流成分の減少を抑えることができる。リニアモータの推力（ブレーキ力）は２次側の電流と２次鎖交磁束の積であるため、磁束増加による効果を電流減少による効果よりも大きくすることができ、結果として推力を向上させることができる。
【００３８】
したがって、本実施例の回生ブレーキ１によれば、従来の渦電流ブレーキに比べ制動力を大きくしても小型軽量である。そして、上述のようなディスク部１６を有するため、効率よく推力を発生可能である。
また、本実施例の回生ブレーキ１は、ブレーキディスク１０の盤面の一部を覆う大きさに形成されており、ブレーキディスク１０の放熱効果が大きいので、ブレーキディスク１０をより薄く構成することができる。また冷却装置も不要となる。その結果、本実施例の回生ブレーキ１は、従来の渦電流ブレーキに比べ小型軽量に構成することができる。
【００３９】
また、本実施例では、固定子鉄心２２の長手方向と列車の進行方向とが互いに沿うように配置されるので、風が効率よくブレーキディスク１０上を通過する。そのため、本実施例の回生ブレーキ１は、従来の渦電流ブレーキに比べ放熱効果が高く、ブレーキディスク１０を一層薄く構成することができるので、従来の渦電流ブレーキに比べ小型軽量に構成することができる。
【００４０】
［第２実施例］
第２実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
図３（ａ）は、第２実施例のブレーキディスクの正面図、図３（ｂ）はその側面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ端面図である。
【００４１】
本実施例は、基本的な構成は第１実施例の場合と同じであるが、良導体ディスク１６１の第１の環状部１６１ｂの構成が多少異なっている。具体的には、ディスク部１６の側面が全て良導体となるように、第１の環状部１６１ｂの厚さがディスク部１６の厚さと等しくなっている。なお、磁性体ディスク１４の外径はその分だけ小さくなっている。
【００４２】
本第２実施例のようなディスク部１６の構成にすれば、ディスク部１６の側面（外周付近）の電気抵抗が相対的に小さくなり、電流が流れやすくなる。その結果、推力を向上させることができる。
［第３実施例］
第３実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
【００４３】
図３（ｄ）は、第３実施例のブレーキディスクの正面図、図３（ｅ）はその側面図である。
本実施例は、基本的な構成は第１実施例の場合と同じであるが、良導体ディスク１６１のバー部１６１ａの配置が多少異なっている。つまり、第１実施例の場合には、バー部１６１ａが半径方向に沿って配置されていたが、本第３実施例の場合には、バー部１６１ａがディスクの半径方向から所定角度ずらして配置されている。この所定角度ずらす方法は、回転型の誘導電動機におけるスキューに相当する。
【００４４】
このように構成すれば、始動時における振動等の異常現象を防止することができる。ここで、半径方向からずらす「所定角度」に関して補足する。かご型誘導電動機では一般に回転子側を１スロットピッチ斜めスロットになっている。これは、かご型誘導電動機の固定子と回転子にはギャップに面してスロットを有するので歯頭間の磁気抵抗が回転子の位置によって変化する。このため、回転磁界のギャップ内の磁束分布は基本波の他に多くの高調波成分を含んでしまう。この高調波成分は誘導電動機の始動時に悪影響（次同期運転又はクローリングと呼ばれる）を及ぼすので磁束分布の高調波を低減する必要がある。この対策として、固定子か回転子のいずれか一方を１スロット分斜めスロットにして歯頭間の磁気抵抗を均一化する方法が採られる。１スロット分が一般的なのは、あまり斜めスロットを大きくするとトルクへの影響が大きくなるため、高調波成分とトルクへの影響を最低限に抑えることのバランスを取ったものと考えられる。本実施例のブレーキディスク１０もリニア誘導電動機の回転子に相当するため、上記現象が当てはまる。このため、１スロット分（程度）ディスクの良導体のバーを斜めにすることが効果的であると考えられる。
【００４５】
［第４実施例］
第４実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
図４（ａ）は、第４実施例のブレーキディスクの正面図、図４（ｂ）はその側面図である。
【００４６】
本実施例は、第１実施例の構成に対して第３の環状部１６１ｄを追加したものとなっている。この第３の環状部１６１ｄは、第１の環状部（１６１ｂ）と第２の環状部（１６１ｃ）との間に同心円状に４つ設けられている。本実施例では、第３の環状部１６１ｄ同士の間隔、第１の環状部１６１ｂと第３の環状部１６１ｄとの間隔、及び第２の環状部１６１ｃと第３の環状部１６１ｄとの間隔は等しくされている。
【００４７】
このように構成すれば渦電流が流れ易くなる。
［第５実施例］
第５実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
【００４８】
図４（ｃ）は、第５実施例のブレーキディスクの正面図、図４（ｄ）はその側面図である。
本実施例の良導体ディスク１６１には、所定位置に円形貫通孔１６５が形成されており、そこに磁性体ディスク１６２の両面に形成された円形凸部が嵌まっている。上述した各実施例とは異なり、本実施例の場合は、明確なバー部のような構成はないが、実質的にはバー部と同様の機能を果たすような形状にされている。つまり、円形貫通孔１６５がディスク半径方向に沿って配置されているため、逆に言えば、良導体がディスク表面に位置する部分もディスク半径方向に沿って連続して配置されることとなる。
【００４９】
そのため、やはり本実施例の場合においても、ディスク半径方向に沿って流れる電流によりブレーキディスク１０の接線方向に推力が発生し、回転方向の電磁力を出させる電流成分の減少を抑えることができる。
【００５０】
なお、円形貫通孔１６５としたが、円形以外にも楕円形あるいは多角形であってもよい。
本実施例からも分かるように、第１〜第４実施例のような整然と配置された太さが一定のバー部１６１ａの存在が必ずしも必要ではなく、太さが変わったり非対称に配置されていてもよく、さらにバーでなくても電流が流れる経路が確保されていればよい。ディスクに回転方向の推力を与えるためには、フレミング左手の法則より磁束と直交する電流経路にディスクの半径方向成分が含まれていることが必要だからであり、その観点からすれば、半径方向への電流経路を確保できる形状や配置であれば同様に適用できるからである。
【００５１】
［第６実施例］
第６実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
図５（ａ）は第６実施例のブレーキディスクの正面図、図５（ｂ）はその側面図、図５（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ端面図である。
【００５２】
本実施例は、基本的な構成は第１実施例の場合と同じであるが、良導体ディスク１６１のバー部１６１ａの形状が略円柱状である点が異なっている。つまり、第１実施例の場合には、バー部１６１ａが略四角柱状であり、その１側面が全て露出していたが、本実施例の場合には略円柱状のバー部１６１ａであるため、露出面積が相対的に少ない。これは逆に言えば、盤面１２における磁性体の占有面積が相対的に多くなっていることを意味する。上述したように、盤面１２における磁性体の占有面積が多いほど発生する磁束を増加させることができるため、その観点からは好ましい。但し、電流の流れる経路確保のため完全に埋没させるのではなく、一部を露出させている。
【００５３】
なお、本実施例の場合には、磁性体ディスク１６２の側面から半径方向に貫通孔を形成し、その中に良導体のバー部１６１ａを挿入し、その後に第２の環状部１６１ｃ及び第３の環状部１６１ｄと固定するといった作業が必要となるため、製作加工の観点からすると、上述した他の実施例よりは複雑な作業となる。
【００５４】
［その他］
（１）上記第１〜第４実施例では、バー部１６１ａ、第１の環状部１６１ｂ及び第２の環状部１６１ｃ（さらに第４実施例では第３の環状部１６１ｄ）の断面を四角形としたが、それ以外の形状でも構わない。但し、第６実施例でも述べたが例えば断面円形などにすると製作加工の面では相対的に複雑な作業となるため、断面四角形状の場合は製作加工が容易になるというメリットがある。
【００５５】
（２）固定子鉄心２２については、図５に示すように、ブレーキディスク１０の円周に沿った扇形状に形成し、扇形の円周方向に沿ってコイル２４ａ〜２４ｃを設置するよう形成してもよい。このようにすれば、移動磁界がブレーキディスク１０の回転方向に沿って移動し、制動力がブレーキディスク１０の回転方向に沿って作用するので、制動力を効率よくブレーキディスク１０にかけることができるからである。
【００５６】
（３）従来の渦電流ブレーキは、回転子すなわちブレーキディスク１０の回転速度が遅いと制動力が小さくなり、鉄道車両では時速７０ｋｍ以下になると制動ブレーキが効かなくなることが知られている。本実施例のように、固定子２０で発生させる移動磁界の移動速度は、回転子に相当するブレーキディスク１０の回転速度に対し、図７に示すように、すべりＳが、図７中αで表した範囲内のうち、例えば、誘導機器を制動機として扱うときの最大トルク値（図７中βで表した点）と同じトルク値を取る値（図７中γで表した点）から、最大トルクが得られる値の範囲内に収まるように制御するとよい。
【００５７】
このようにすると、低速でも非常に高いトルク、すなわち制動力を得られるからである。また、このようにすると、高い制動力を得られるにも関わらず、少ない一次電流で制動できるので、ブレーキディスク１０で熱として発生する損失が少なく、ブレーキディスク１０の厚みをより薄くすることができ、本実施例の回生ブレーキ１を軽量にすることができる。
【００５８】
（４）上記実施例では、回転速度センサ２６を用いてブレーキディスク１０の回転速度を測定しているが、列車速度とブレーキディスク１０の回転速度との関係を予めテーブル化しておき、列車速度を測定すれば移動磁界の移動速度を算出できるようにすることで回転速度センサ２６を省略し、列車速度から直接ＰＷＭ制御を行ってもよい。
【００５９】
（５）上記実施例では、コンバータ３２及びインバータ３４をＩＧＢＴ素子を用いて構成したが、ＧＴＯサイリスタ（gate turn-off thyristor ）素子などの電力用半導体を用いてもよい。さらに、上記実施例では短節巻について説明したが、分布巻等その他どのような巻き方をしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１実施例の回生ブレーキが取り付けられる車軸の一端側の斜視図、（ｂ）はブレーキディスクの正面図、（ｃ）はブレーキディスクの側面図、（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ端面図である。
【図２】（ａ）は固定子の断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）は動作回路のブロック図である。
【図３】（ａ）は第２実施例のブレーキディスクの正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ端面図、（ｄ）は第３実施例のブレーキディスクの正面図、（ｅ）はその側面図である。
【図４】（ａ）は第４実施例のブレーキディスクの正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は第５実施例のブレーキディスクの正面図、（ｄ）はその側面図である。
【図５】（ａ）は第６実施例のブレーキディスクの正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ端面図、（ｄ）は固定子鉄心の他の例を説明するためのブレーキディスクの正面図である。
【図６】従来の渦電流ブレーキの斜視図である。
【図７】誘導機器の特性曲線を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１…回生ブレーキ、９…車軸、１０…ブレーキディスク、１２…盤面、１４…筒部、１６…ディスク部、２０…固定子、２２…固定子鉄心、２２ａ…スリット、２４…固定子巻線、２６…回転速度センサ、３０…動作回路、３２…コンバータ、３４…インバータ、３６…回転速度センサ、３８…制御回路、４０…三次回路、１６１…良導体ディスク、１６２…磁性体ディスク、１６１ａ…バー部、１６１ｂ…第１の環状部、１６１ｃ…第２の環状部、１６１ｄ…第３の環状部、１６５…円形貫通孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の回生ブレーキに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開昭６１−２６６０６４号公報等に開示されているような三相交流を用い電磁誘導により制動を行う渦電流ブレーキがある。この渦電流ブレーキ１００は、図６に示すように、盤面１０４が車軸１０６に垂直になるように車軸１０６に取り付けられたブレーキディスク１０２と、盤面１０４に対向する位置に設けられ、励磁すると、ブレーキディスク１０２の回転方向に対し反対方向に移動する移動磁界を発生させる固定子１０８とを備えている。この渦電流ブレーキ１００は、図７に示すように、すべりが１以上となるように移動磁界を移動させるようにされ、この移動磁界により固定子１０８を励磁して渦電流を盤面１０４に発生させると、フレミングの左手則によりブレーキディスク１０２の回転方向とは反対方向に作用する力がブレーキディスク１０２に作用するので、その力を利用して制動を行うものである。
【０００３】
この渦電流ブレーキ１００では、ブレーキディスク１０２を流れる渦電流により、車輪１１０の運動エネルギーの殆どが熱エネルギーに変換され、ブレーキディスク１０２が熱せられる。一方、ブレーキディスク１０２の温度が一定温度以上に高温となることは、構造上好ましくないことが知られている。そのため、従来の渦電流ブレーキ１００では、ブレーキディスク１０２を肉厚にして、熱容量を大きくしたり、放熱効率を良くしている他、ファン等の冷却装置を設けてブレーキディスク１０２を強制冷却して、ブレーキディスク１０２が一定温度以上に高温になるのを防止している。
【０００４】
ところで、新幹線車両等の電車車両の高速化には、車両重量の軽減と、制動力の強化が必要とされる。例えば現在の新幹線車両で用いられている渦電流ブレーキは、車軸に取り付けられた鉄製のディスクと台車に取り付けられた界磁コイルによって構成されている。界磁コイルはディスクを挟んで同極となるように配置してあり、励磁電源は補助回路と同様に主変圧器の３次巻線（ＡＣ４４０Ｖ）を混合ブリッジの整流回路で直流に変換したものを使用している。この渦電流ブレーキは機械的な摩耗部品がないのでメンテナンスの面でメリットがある。しかし、車両の運動エネルギーをディスク発熱にかえてブレーキ力を得る方式であるため、上述のように大きなブレーキ力を得ようとすると発熱が大きくなり、車軸の温度も上昇させてしまう。したがって、その防止のため、ブレーキディスク１０２の肉厚をより厚くして熱容量等を大きくしたり、ファンを取り付けたりせねばならず、その分重量が増すなどの問題が生じてくる。
【０００５】
この問題に鑑み本願出願人は、特願２０００−１７６８０３号において、電磁誘導により制動を行うブレーキであって、渦電流ブレーキに比べ制動力が大きくしても小型軽量な回生ブレーキを開示した。当該発明は、励磁コイルに代えて交流三相巻線によって進行磁界を励磁し、直流励磁の渦電流ディスクブレーキをリニア誘導発電機にすることによって、ブレーキによる運動エネルギーの一部を電力回生し、残りをディスクで熱として消費するブレーキシステムである。ディスクは磁束を発生させるための鉄ディスクを渦電流が流れやすい良導体である銅やアルミで両側から挟みこんだ三層構造をしている。一般のリニア誘導電動機のリアクションプレートも同様な構造をしている。上記ブレーキシステムは電力を回生できる点で省エネであり、回生できるエネルギー分ディスク発熱を減らすことができディスクを小型化することができる点でメリットがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現在のシステムでは磁極鉄心とディスク表面とのギャップは１２mmと他のリニアモータシステムより比較的大きくなっている。またディスク表面の良導体（銅やアルミ等）の比透磁率は空気とほぼ等しい。このため磁気的ギャップはエアギャップと良導体の厚さの和となり、現状では２０mmを超える値となっている。この磁気的ギャップを小さくすることができれば磁束を増やすことができ、リニア誘導電動機の推力を向上させることができる。しかし、本システムにおけるエアギャップは走行中の輪軸の右左折案内時を考慮して設定されたものであるため、このギャップ自体を大幅に詰めることは困難である。また良導体の厚さを薄くすると抵抗が増し、渦電流が小さくなる。これに伴い電磁力が小さくなり推力の低下に至るので困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、電磁誘導により制動を行うブレーキであって、渦電流ブレーキに比べ制動力を大きくしても小型軽量であり、且つ効率よく推力を発生可能な回生ブレーキを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成する本発明の回生ブレーキは、図７に示す誘導機の特性曲線を示すグラフで説明すると、従来の渦電流ブレーキのようにすべりが１以上となる範囲で制動を行うのではなく、すべりが０より小さい範囲で制動を行う。このようにすべりが０より小さい範囲で制動を行うと、制動の際、鉄道車両の運動エネルギーの一部が電源側に回生されるため、従来の技術の欄で説明した渦電流ブレーキに比べ熱エネルギーに変換されるエネルギー量が減少するので、ブレーキディスクで発生する熱量が少ない。そのため、本発明の回生ブレーキを用いると、渦電流ブレーキのようにブレーキディスクの熱容量を大きくする必要がなく、ブレーキディスクを薄肉に構成することができる。
【０００９】
そしてさらに、本発明のブレーキディスク（１０：この欄においては、発明への理解の容易化のため、必要に応じて実施の形態中で用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、次のような構成を持つ。すなわち、磁束を発生させるための磁性体ディスク（１６２）を、渦電流が流れやすい良導体ディスク（１６１）で両側から挟みこんだ三層構造をしており、且つ、良導体ディスク（１６１）に設けられた貫通孔に磁性体ディスク（１６２）の凸部が嵌入することで前記盤面（１２）が良導体及び磁性体の両者で構成されると共に、良導体ディスク（１６１）は、ディスク中央付近から外周部へ向かって電流の流れる経路を有している。なお、良導体としてはアルミ等、磁性体としては鉄等が考えられる。
【００１０】
このように、良導体ディスク（１６１）の表面まで磁性体ディスク（１６２）の一部を露出させることにより、良導体ディスク（１６１）の厚さによる磁気的ギャップを大幅に小さくすることができ、したがって、ブレーキディスク（１０）の盤面（１２）を全て良導体で占有していた場合に比べて発生する磁束を増加させることができる。なお、増加割合は、ブレーキディスク（１０）の盤面（１２）の表面積に対し、どの程度磁性体を占有させるかによる。露出割合が高いほど磁束の増加が期待できるので、なるべく多く露出させることが「磁束増加」の観点からは好ましい。
【００１１】
一方、このようにすることで、ブレーキディスク（１０）の盤面（１２）を全て良導体で占有していた場合に比べ、良導体ディスク（１６１）に誘導された渦電流は、流れる経路が減少することによって若干減少する。しかし、本発明の回生ブレーキの場合は、ディスク中央付近から外周部へ向かって電流の流れる経路を有しているため、回転方向の電磁力を出させる電流成分の減少を抑えることができる。リニアモータの推力（ブレーキ力）は２次側の電流と２次鎖交磁束の積であるため、磁束増加による効果を電流減少による効果よりも大きくすることができ、結果として推力を向上させることができる。
【００１２】
したがって、本発明の回生ブレーキによれば、従来の渦電流ブレーキに比べ制動力を大きくしても小型軽量であり、且つ効率よく推力を発生可能である。
【００１３】
また、本発明のブレーキディスク（１０）は、第１の環状部（１６１ｂ）と第２の環状部（１６１ｃ）とを接続するバー部（１６１ａ）に主に電流が流れる。バー部（１６１ａ）を流れる電流によって発生する磁束は電流方向と直交する。ここでバー部（１６１ａ）がディスク中央付近から外周部へ向かって略放射状に形成されているため、ブレーキディスク（１０）の略接線方向に推力が発生する。したがって、効率よい推力発生が期待できる。
そして、このバー部（１６１ａ）は、略円柱状であるため、略四角柱状のものに比べて露出面積が相対的に少なくなる。つまり、略四角柱状のものを用いると、その１側面が全て露出することとなるが、略円柱状のバー部（１６１ａ）とすれば、円弧部分の一部のみを露出させることができ、露出面積が相対的に少なくなる。これは逆に言えば、盤面（１２）における磁性体の占有面積が相対的に多くなっていることを意味する。上述したように、盤面（１２）における磁性体の占有面積が多いほど発生する磁束を増加させることができる。
この場合、請求項２に示すように、バー部（１６１ａ）をディスクの半径方向に沿って形成すれば、ブレーキディスク（１０）の接線方向に推力が発生する（図１（ｂ）等参照）。
【００１４】
一方、請求項３に示すように、バー部（１６１ａ）を、ディスクの半径方向から所定角度ずらして形成してもよい（図３（ｄ）参照）。この所定角度ずらす方法は、回転型の誘導電動機におけるスキューに相当する。このように構成すれば、始動時における振動等の異常現象を防止することができる。
【００１５】
また、請求項４に示すように、第１の環状部（１６１ｂ）と第２の環状部（１６１ｃ）との間に、１つ以上の第３の環状部（１６１ｄ）を設けてもよい（図４（ａ）参照）。このようにすれば、渦電流が流れ易く、また略半径方向にも電流経路があるため、効率よい推力発生の点でも有利である。
【００１６】
また、請求項５に示すように、ブレーキディスク（１０）の側面は全て良導体となるよう良導体ディスク（１６１）を形成してもよい（図３（ａ）〜（ｃ）参照）。このようにすれば、ブレーキディスク（１０）の側面（外周付近）の電気抵抗が相対的に小さくなり、電流が流れやすくなる。
【００１７】
ところで、本発明の回生ブレーキにおける固定子は、盤面の一部を覆う大きさに形成するのが好ましい（請求項６）。このようにすると、ブレーキディスクの放熱効果が大きくなるので、ブレーキディスクをより薄く構成することができる。また冷却装置も不要となる。その結果本発明の渦電流ブレーキは、小型軽量に構成することができる。
【００１８】
具体的には、固定子は、ブレーキディスクの円周に沿った扇形状に形成され、扇形の円周方向に沿って複数の前記コイルを設置するよう形成された固定子鉄心を備えていることがより好ましい（請求項７）。このように構成された固定子を用いれば、移動磁界がブレーキディスクの回転方向に沿って移動し、制動力がブレーキディスクの回転方向に沿って作用するので、制動力を効率よくブレーキディスクにかけることができるからである。
【００１９】
他の具体例としては、固定子は、長尺状に形成された固定子鉄心を備え、固定子鉄心の長手方向が鉄道車両の進行方向に沿うように固定子鉄心を配置したものを用いるとより好ましい（請求項８）。このようにすると、固定子鉄心の長手方向と列車の進行方向とが互いに沿うように配置されるので、風が効率よくブレーキディスク上を通過する。そのため、放熱効果が高く、ブレーキディスクを一層薄く構成することができるので、回生ブレーキを小型軽量に構成することができる。
【００２０】
ところで、モータが取り付けられた動力車、いわゆるＭ車には、誘導モータが取り付けられ、この誘導モータが回生制動を行うため、敢えて本発明の回生ブレーキを取り付ける必要はない。しかし非動力車、いわゆるＴ車には誘導モータが取り付けられていないため、本発明の渦電流ブレーキを取り付けて回生制動を行う意義が大きい（請求項９）。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００２２】
［第１実施例］
図１（ａ）は、第１実施例の回生ブレーキが取り付けられる車軸の一端側の斜視図、図１（ｂ）はブレーキディスクの正面図、図１（ｃ）はブレーキディスクの側面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ端面図である。また、図２（ａ）は固定子の断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図）、図２（ｂ）は動作回路のブロック図である。
【００２３】
本実施例の回生ブレーキ１は、図１（ａ）に示すように、ブレーキディスク１０と、一対の固定子２０とを備えている。
ブレーキディスク１０は、鉄道車両の台車に設置された車軸９に同軸状に固定される。このブレーキディスク１０は、具体的には筒部１４とディスク部１６とからなっており、円筒状に形成された筒部１４が、車軸９に挿通した状態でブレーキディスク１０を車軸９に固定する。一方、ディスク部１６は、鉄等で製作された磁性体ディスク１６２をアルミ等で製作された２枚の良導体ディスク１６で挟んだ３層構造に形成され、筒部１４の外周面上に、筒部１４に対し同心状になるように一体に取り付けられる。尚、磁性体ディスク１６２は、鉄の他に鋼などの強度を持った磁性体であればどのような材料で構成してもよい。また、良導体ディスク１６１は、導電率の高い非磁性体であればどのようなものでもよい。
【００２４】
そしてさらに、本実施例のブレーキディスク１０のディスク部１６は、良導体ディスク１６１に設けられた貫通孔に磁性体ディスク１６２の凸部が嵌入することで、その盤面１２に良導体及び磁性体の両者が露出している。
具体的には、図１（ｂ）に示すように、良導体ディスク１６１は、バー部１６１ａと、第１の環状部１６１ｂと、第２の環状部１６１ｃとから構成されている。第２の環状部１６１ｃは筒部１４の外周面側に嵌め込み可能な断面略四角のリング形状である。また、バー部１６１ａは略四角柱状であり、第２の環状部１６１ｃに一端が固定されディスク半径方向に沿って放射状に形成されている。なお、バー部１６１ａは本実施例では２０本であり、等間隔で配置される。そして、第１の環状部１６１ｂはそのバー部１６１ａの外周部側の端部と固定する断面略四角のリング形状にされている。これらバー部１６１ａ、第１の環状部１６１ｂ及び第２の環状部１６１ｃについては、一体成形してもよいし、別個に製作して例えばロウ付けによって固定しても良い。良導体ディスク１６１は平板ではなくこのような形状であるため、２０本のバー部１６１ａと第１及び第２の環状部１６１ｂ，１６１ｃによって、貫通孔が２０個形成されることとなる。
【００２５】
一方、磁性体ディスク１６２は、円盤状の両面にそれぞれ、上記良導体ディスク１６１に形成された貫通孔にそれぞれ嵌入可能な凸部が２０個有している。したがって、この磁性体ディスク１６２の凸部に上記貫通孔を嵌めるように２枚の良導体ディスク１６１を両側から挟んで固定することで、本実施例のディスク部１６が形成される。
【００２６】
固定子２０は、ブレーキディスク１０の盤面１２に対向する位置かつ、車軸９の上部で、ブレーキディスク１０を挟むように設置される。この固定子２０は、具体的には、図２（ａ）に示すように、固定子鉄心２２及び固定子巻線２４とからなる。このうち固定子鉄心２２は、鉄道車両の進行方向に沿いかつ盤面１２に沿って長尺状に形成され、盤面１２に対向する面側には、固定子鉄心２２の長手方向に対し垂直に形成された複数のスリット２２ａが、長手方向に沿って等間隔に設けられている。
【００２７】
一方、移動磁界をつくるため、固定子巻線２４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相分の各コイル２４ａ〜２４ｃからなる。各コイル２４ａ〜２４ｃは、ブレーキディスク１０の盤面１２に対向する位置に、各コイル２４ａ〜２４ｃを構成する電導線が巻回される巻回面がブレーキディスク１０の盤面１２に沿いかつ、鉄道車両の進行方向に沿って並設される。そして各コイル２４ａ〜２４ｃは、固定子鉄心２２に割り当てられた各相の固定子巻線２４を設置する場所に短節巻かつ集中巻でスリット２２ａに填め込んで取り付けられる。また、各コイル２４ａ〜２４ｃは、同相のコイル２４ａ〜２４ｃが互いに対向し、かつ、互いに磁束を打ち消さないように各固定子鉄心２２に取り付けられる。尚、本実施例では、一例として、極ピッチが４スロットに対し、コイルピッチが３スロットの短節巻でコイル２４ａ〜２４ｃが取り付けられた様子を示しているが、これに限られるものではない。
【００２８】
次に、本実施例の回生ブレーキを動作させる動作回路について説明する。
ここで、図２（ｂ）は、動作回路のブロック図である。本実施例の動作回路３０は、コンバータ３２、インバータ３４、回転速度センサ３６及び制御回路３８からなる。このうちコンバータ３２は、架線から供給される特別高圧を降圧する主変圧器巻線のうち補助回路用に用いられる三次巻線の単相４４０Ｖの電力を直流に変換してインバータ３４に出力する。なお、この補助回路は、空調器や換気装置等の車内機器に電力を供給する回路である。
【００２９】
インバータ３４は、コンバータ３２から供給される直流電力をＰＷＭ制御により三相交流電力に変換して固定子巻線２４に出力する。これらコンバータ３２及びインバータ３４は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）素子を用いて構成されている。
【００３０】
回転速度センサ３６は、ブレーキディスク１０に取り付けられブレーキディスク１０の回転速度を測定し、ブレーキディスク１０の回転速度を表す速度信号を制御回路３８に出力している。制御回路３８は、回転速度センサ３６から入力した速度信号に基づいてブレーキディスク１０の回転速度を算出し、その算出結果に基づいて、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御を行ってインバータ３２を動作している。このＰＷＭ制御では、固定子巻線２４を励磁して、制御回路３８で算出したブレーキディスク１０の回転速度よりも遅い速度で、同じ方向に移動する移動磁界を発生させる制御を行っている。
【００３１】
またこの動作回路３０には、回生制動時に固定子巻線２４から供給され、インバータ３４で直流に変換された電力を消費する三次回路を、コンバータ３２とインバータ３４との間に接続してもよい。また、この動作回路３０で、補助回路の電源がすでに直流となっている場合は、コンバータ３２を介さず、直接インバータ３２に電力を送電してもよい。
【００３２】
以上のように構成された回生ブレーキ１を動作回路３０を用いて制御すると以下のように動作する。
まず、本実施例の回生ブレーキ１を用いて制動を開始すると、ＰＷＭ制御により固定子２０に設置されているコイル２４ａ〜２４ｃに電流が流れ、ブレーキディスク１０のディスク１６ｂを貫きブレーキディスク１０と同じ回転方向に、ブレーキディスク１０の回転速度より遅い速度で移動する移動磁界が発生し、ブレーキディスク１０上には渦電流が生じる。そのため、フレミングの左手の法則により回転方向とは逆方向に力がかかり、この力が制動力となってブレーキディスク１０が制動されるのである。この制動は回生制動であり、鉄道車両の運動エネルギーの一部は電力に変換され、その電力はインバータ３４がコンバータの役割をしてインバータ３４で直流に変換された電源側に出力され、一部は、熱エネルギーに変換されブレーキディスク１０を熱する。
【００３３】
以上説明した回生ブレーキ１を用いると以下のような効果がある。
前述したように、すべりが０より小さい範囲で制動を行うと、制動の際、鉄道車両の運動エネルギーの一部が電源側に回生され、本実施例の回生ブレーキ１は、従来の技術の欄で説明した渦電流ブレーキに比べ、熱エネルギーに変換されるエネルギー量が減少するので、ブレーキディスク１０で発生する熱量が少なくなる。そのため、本実施例の回生ブレーキ１を用いると、渦電流ブレーキのようにブレーキディスク１０の熱容量を大きくする必要がないので、ブレーキディスク１０を薄肉に構成することができる。
【００３４】
そして、本実施例のブレーキディスク１０のディスク部１６は、良導体ディスク１６１の表面まで磁性体ディスク１６２が露出しているため、良導体ディスク１６１の厚さによる磁気的ギャップを大幅に小さくすることができる。したがって、盤面１２を全て良導体で占有していた場合に比べて発生する磁束を増加させることができる。どの程度増加するかについて説明する。
【００３５】
エアギャップをｇ、良導体の厚さをａとした場合の磁束について考える。真空の透磁率をμ0 とすると、アルミ等の良導体の透磁率もほぼμ0 と等しい。対向している良導体の面積をＡとすると磁気抵抗Ｒは、下記のようになる。
Ｒ＝（ｇ＋ａ）／（μ0 ×Ａ）と表せる。
【００３６】
よって磁束Φは、起磁力Ｆと磁気抵抗Ｒを用いて、下記のようになる。
Φ＝Ｆ／Ｒ＝Ｆ×μ0 ×Ａ／（ｇ＋ａ）
この式より磁束Φはエアギャップと良導体の厚さの和（ｇ＋ａ）に反比例することが分かる。よって磁性体をディスク表面まで出すとａ＝０となるので、磁束Φは（ｇ＋ａ）／ｇ倍となる。従来想定していた渦電流ディスクブレーキにおける具体的数値としてはｇ＝１２mm、ａ＝１０mmであるので、磁性体をディスク表面に全て出したと仮定すると磁束は約１．８倍に増加する。本実施例の場合、磁性体をディスク表面に全て出しているわけではなく、また磁束の一部は漏れ磁束となるが、それ相応の磁束増加が期待できる。
【００３７】
なお、盤面１２が全て良導体であった場合に比べ、本実施例の良導体ディスク１６１に誘導された渦電流は、流れる経路が減少することによって若干減少する。しかし、バー部（１６１ａ）がディスクの半径方向に沿って形成されているため、その方向に流れる電流によってブレーキディスク１０の接線方向に推力が発生する。そのため、回転方向の電磁力を出させる電流成分の減少を抑えることができる。リニアモータの推力（ブレーキ力）は２次側の電流と２次鎖交磁束の積であるため、磁束増加による効果を電流減少による効果よりも大きくすることができ、結果として推力を向上させることができる。
【００３８】
したがって、本実施例の回生ブレーキ１によれば、従来の渦電流ブレーキに比べ制動力を大きくしても小型軽量である。そして、上述のようなディスク部１６を有するため、効率よく推力を発生可能である。
また、本実施例の回生ブレーキ１は、ブレーキディスク１０の盤面の一部を覆う大きさに形成されており、ブレーキディスク１０の放熱効果が大きいので、ブレーキディスク１０をより薄く構成することができる。また冷却装置も不要となる。その結果、本実施例の回生ブレーキ１は、従来の渦電流ブレーキに比べ小型軽量に構成することができる。
【００３９】
また、本実施例では、固定子鉄心２２の長手方向と列車の進行方向とが互いに沿うように配置されるので、風が効率よくブレーキディスク１０上を通過する。そのため、本実施例の回生ブレーキ１は、従来の渦電流ブレーキに比べ放熱効果が高く、ブレーキディスク１０を一層薄く構成することができるので、従来の渦電流ブレーキに比べ小型軽量に構成することができる。
【００４０】
［第２実施例］
第２実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
図３（ａ）は、第２実施例のブレーキディスクの正面図、図３（ｂ）はその側面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ端面図である。
【００４１】
本実施例は、基本的な構成は第１実施例の場合と同じであるが、良導体ディスク１６１の第１の環状部１６１ｂの構成が多少異なっている。具体的には、ディスク部１６の側面が全て良導体となるように、第１の環状部１６１ｂの厚さがディスク部１６の厚さと等しくなっている。なお、磁性体ディスク１４の外径はその分だけ小さくなっている。
【００４２】
本第２実施例のようなディスク部１６の構成にすれば、ディスク部１６の側面（外周付近）の電気抵抗が相対的に小さくなり、電流が流れやすくなる。その結果、推力を向上させることができる。
［第３実施例］
第３実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
【００４３】
図３（ｄ）は、第３実施例のブレーキディスクの正面図、図３（ｅ）はその側面図である。
本実施例は、基本的な構成は第１実施例の場合と同じであるが、良導体ディスク１６１のバー部１６１ａの配置が多少異なっている。つまり、第１実施例の場合には、バー部１６１ａが半径方向に沿って配置されていたが、本第３実施例の場合には、バー部１６１ａがディスクの半径方向から所定角度ずらして配置されている。この所定角度ずらす方法は、回転型の誘導電動機におけるスキューに相当する。
【００４４】
このように構成すれば、始動時における振動等の異常現象を防止することができる。ここで、半径方向からずらす「所定角度」に関して補足する。かご型誘導電動機では一般に回転子側を１スロットピッチ斜めスロットになっている。これは、かご型誘導電動機の固定子と回転子にはギャップに面してスロットを有するので歯頭間の磁気抵抗が回転子の位置によって変化する。このため、回転磁界のギャップ内の磁束分布は基本波の他に多くの高調波成分を含んでしまう。この高調波成分は誘導電動機の始動時に悪影響（次同期運転又はクローリングと呼ばれる）を及ぼすので磁束分布の高調波を低減する必要がある。この対策として、固定子か回転子のいずれか一方を１スロット分斜めスロットにして歯頭間の磁気抵抗を均一化する方法が採られる。１スロット分が一般的なのは、あまり斜めスロットを大きくするとトルクへの影響が大きくなるため、高調波成分とトルクへの影響を最低限に抑えることのバランスを取ったものと考えられる。本実施例のブレーキディスク１０もリニア誘導電動機の回転子に相当するため、上記現象が当てはまる。このため、１スロット分（程度）ディスクの良導体のバーを斜めにすることが効果的であると考えられる。
【００４５】
［第４実施例］
第４実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
図４（ａ）は、第４実施例のブレーキディスクの正面図、図４（ｂ）はその側面図である。
【００４６】
本実施例は、第１実施例の構成に対して第３の環状部１６１ｄを追加したものとなっている。この第３の環状部１６１ｄは、第１の環状部（１６１ｂ）と第２の環状部（１６１ｃ）との間に同心円状に４つ設けられている。本実施例では、第３の環状部１６１ｄ同士の間隔、第１の環状部１６１ｂと第３の環状部１６１ｄとの間隔、及び第２の環状部１６１ｃと第３の環状部１６１ｄとの間隔は等しくされている。
【００４７】
このように構成すれば渦電流が流れ易くなる。
［第５実施例］
第５実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
【００４８】
図４（ｃ）は、第５実施例のブレーキディスクの正面図、図４（ｄ）はその側面図である。
本実施例の良導体ディスク１６１には、所定位置に円形貫通孔１６５が形成されており、そこに磁性体ディスク１６２の両面に形成された円形凸部が嵌まっている。上述した各実施例とは異なり、本実施例の場合は、明確なバー部のような構成はないが、実質的にはバー部と同様の機能を果たすような形状にされている。つまり、円形貫通孔１６５がディスク半径方向に沿って配置されているため、逆に言えば、良導体がディスク表面に位置する部分もディスク半径方向に沿って連続して配置されることとなる。
【００４９】
そのため、やはり本実施例の場合においても、ディスク半径方向に沿って流れる電流によりブレーキディスク１０の接線方向に推力が発生し、回転方向の電磁力を出させる電流成分の減少を抑えることができる。
【００５０】
なお、円形貫通孔１６５としたが、円形以外にも楕円形あるいは多角形であってもよい。
本実施例からも分かるように、第１〜第４実施例のような整然と配置された太さが一定のバー部１６１ａの存在が必ずしも必要ではなく、太さが変わったり非対称に配置されていてもよく、さらにバーでなくても電流が流れる経路が確保されていればよい。ディスクに回転方向の推力を与えるためには、フレミング左手の法則より磁束と直交する電流経路にディスクの半径方向成分が含まれていることが必要だからであり、その観点からすれば、半径方向への電流経路を確保できる形状や配置であれば同様に適用できるからである。
【００５１】
［第６実施例］
第６実施例の回生ブレーキが第１実施例と異なるのは、ブレーキディスク１０だけなので、その部分のみ説明する。
図５（ａ）は第６実施例のブレーキディスクの正面図、図５（ｂ）はその側面図、図５（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ端面図である。
【００５２】
本実施例は、基本的な構成は第１実施例の場合と同じであるが、良導体ディスク１６１のバー部１６１ａの形状が略円柱状である点が異なっている。つまり、第１実施例の場合には、バー部１６１ａが略四角柱状であり、その１側面が全て露出していたが、本実施例の場合には略円柱状のバー部１６１ａであるため、露出面積が相対的に少ない。これは逆に言えば、盤面１２における磁性体の占有面積が相対的に多くなっていることを意味する。上述したように、盤面１２における磁性体の占有面積が多いほど発生する磁束を増加させることができるため、その観点からは好ましい。但し、電流の流れる経路確保のため完全に埋没させるのではなく、一部を露出させている。
【００５３】
なお、本実施例の場合には、磁性体ディスク１６２の側面から半径方向に貫通孔を形成し、その中に良導体のバー部１６１ａを挿入し、その後に第２の環状部１６１ｃ及び第３の環状部１６１ｄと固定するといった作業が必要となるため、製作加工の観点からすると、上述した他の実施例よりは複雑な作業となる。
【００５４】
［その他］
（１）上記第１〜第４実施例では、バー部１６１ａ、第１の環状部１６１ｂ及び第２の環状部１６１ｃ（さらに第４実施例では第３の環状部１６１ｄ）の断面を四角形としたが、それ以外の形状でも構わない。但し、第６実施例でも述べたが例えば断面円形などにすると製作加工の面では相対的に複雑な作業となるため、断面四角形状の場合は製作加工が容易になるというメリットがある。
【００５５】
（２）固定子鉄心２２については、図５に示すように、ブレーキディスク１０の円周に沿った扇形状に形成し、扇形の円周方向に沿ってコイル２４ａ〜２４ｃを設置するよう形成してもよい。このようにすれば、移動磁界がブレーキディスク１０の回転方向に沿って移動し、制動力がブレーキディスク１０の回転方向に沿って作用するので、制動力を効率よくブレーキディスク１０にかけることができるからである。
【００５６】
（３）従来の渦電流ブレーキは、回転子すなわちブレーキディスク１０の回転速度が遅いと制動力が小さくなり、鉄道車両では時速７０ｋｍ以下になると制動ブレーキが効かなくなることが知られている。本実施例のように、固定子２０で発生させる移動磁界の移動速度は、回転子に相当するブレーキディスク１０の回転速度に対し、図７に示すように、すべりＳが、図７中αで表した範囲内のうち、例えば、誘導機器を制動機として扱うときの最大トルク値（図７中βで表した点）と同じトルク値を取る値（図７中γで表した点）から、最大トルクが得られる値の範囲内に収まるように制御するとよい。
【００５７】
このようにすると、低速でも非常に高いトルク、すなわち制動力を得られるからである。また、このようにすると、高い制動力を得られるにも関わらず、少ない一次電流で制動できるので、ブレーキディスク１０で熱として発生する損失が少なく、ブレーキディスク１０の厚みをより薄くすることができ、本実施例の回生ブレーキ１を軽量にすることができる。
【００５８】
（４）上記実施例では、回転速度センサ２６を用いてブレーキディスク１０の回転速度を測定しているが、列車速度とブレーキディスク１０の回転速度との関係を予めテーブル化しておき、列車速度を測定すれば移動磁界の移動速度を算出できるようにすることで回転速度センサ２６を省略し、列車速度から直接ＰＷＭ制御を行ってもよい。
【００５９】
（５）上記実施例では、コンバータ３２及びインバータ３４をＩＧＢＴ素子を用いて構成したが、ＧＴＯサイリスタ（gate turn-off thyristor ）素子などの電力用半導体を用いてもよい。さらに、上記実施例では短節巻について説明したが、分布巻等その他どのような巻き方をしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１実施例の回生ブレーキが取り付けられる車軸の一端側の斜視図、（ｂ）はブレーキディスクの正面図、（ｃ）はブレーキディスクの側面図、（ｄ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ端面図である。
【図２】（ａ）は固定子の断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）は動作回路のブロック図である。
【図３】（ａ）は第２実施例のブレーキディスクの正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ端面図、（ｄ）は第３実施例のブレーキディスクの正面図、（ｅ）はその側面図である。
【図４】（ａ）は第４実施例のブレーキディスクの正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は第５実施例のブレーキディスクの正面図、（ｄ）はその側面図である。
【図５】（ａ）は第６実施例のブレーキディスクの正面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ端面図、（ｄ）は固定子鉄心の他の例を説明するためのブレーキディスクの正面図である。
【図６】従来の渦電流ブレーキの斜視図である。
【図７】誘導機器の特性曲線を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１…回生ブレーキ、９…車軸、１０…ブレーキディスク、１２…盤面、１４…筒部、１６…ディスク部、２０…固定子、２２…固定子鉄心、２２ａ…スリット、２４…固定子巻線、２６…回転速度センサ、３０…動作回路、３２…コンバータ、３４…インバータ、３６…回転速度センサ、３８…制御回路、４０…三次回路、１６１…良導体ディスク、１６２…磁性体ディスク、１６１ａ…バー部、１６１ｂ…第１の環状部、１６１ｃ…第２の環状部、１６１ｄ…第３の環状部、１６５…円形貫通孔
Claims (9)
- 鉄道車両の車輪の車軸に取り付けられたブレーキディスクと、
該ブレーキディスクの盤面に対向する位置に設置されたブレーキ用の固定子とを備え、
該固定子に設置されたコイルを励磁して前記ブレーキディスクの回転方向と同じ方向に前記ブレーキディスクの回転速度より遅い速度で移動する移動磁界を発生させて前記ブレーキディスクを制動し、該制動に伴って前記鉄道車両の運動エネルギーの一部を前記固定子を介して電源側に回生する回生ブレーキであって、
前記ブレーキディスクは、
磁束を発生させるための磁性体ディスクを、渦電流が流れやすい良導体ディスクで両側から挟みこんだ三層構造をしており、且つ、前記良導体ディスクに設けられた貫通孔に前記磁性体ディスクの凸部が嵌入することで前記盤面が良導体及び磁性体の両者で構成されており、
前記良導体ディスクは、ディスク中央付近から外周部へ向かって略放射状に形成された略円柱状のバー部と、当該バー部のディスク外周部側の端部と接続された第１の環状部と、当該バー部のディスク中央付近側の端部と接続された第２の環状部とを有している電流の流れる経路を有すること
を特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項１に記載の回生ブレーキにおいて、
前記良導体ディスクのバー部は、ディスクの半径方向に沿って形成されていることを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項１に記載の回生ブレーキにおいて、
前記良導体ディスクのバー部は、ディスクの半径方向から所定角度ずらして形成されていることを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の回生ブレーキにおいて、
前記良導体ディスクは、前記第１の環状部と第２の環状部との間に、前記バー部と接続された第３の環状部を有していることを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の回生ブレーキにおいて、
前記ブレーキディスクの側面は全て前記良導体となるよう、前記良導体ディスクを形成したことを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の回生ブレーキにおいて、
前記固定子は、前記ブレーキディスクの盤面の一部を覆う大きさに形成されていることを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項６に記載の回生ブレーキにおいて、
前記固定子は、前記ブレーキディスクの円周に沿った扇形状に形成され、前記扇形の円周方向に沿って複数の前記コイルを設置するよう形成された固定子鉄心を備えていることを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項６に記載の回生ブレーキにおいて、
前記固定子は、長尺状に形成された固定子鉄心を備え、該固定子鉄心の長手方向が前記鉄道車両の進行方向に沿うように前記固定子鉄心を配置したことを特徴とする回生ブレーキ。 - 請求項１〜８のいずれかに記載の回生ブレーキにおいて、
非動力車に取り付けられていることを特徴とする回生ブレーキ。
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