JPH1066204A - 気動・電動車両の動力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 車両の慣性抵抗及び勾配抵抗に係る、運動及
び位置のエネルギの処理方法を改善し、燃料や電力の消
費量を低減する。 【構成】 電動車両の車両内に蓄電器１０とエンジン発
電機２またはチョッパ３０や変圧器３Ｔ・整流器５Ｔを
持つ架線受電装置を配し、慣性抵抗による突入過負荷及
び勾配抵抗による突入・重負荷を主に蓄電器の充放電で
賄い、走行抵抗負荷及び車内設備負荷を、非電化線区で
はエンジン発電機で、電化線区では架線受電電力で賄
い、発電機は２組の３相電機子巻線と整流器及びＹ・Δ
及び直・並列切り替えで、回転数全域で蓄電電圧に発電
給電、電動装置は、電動機回路の一方に２個の接触器
を、他方に２個のチョッパをブリッジ形に配して蓄電器
の正・負極に接続し、電動機回路の同一電流方向で電動
・回生の両作動を可能とするよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軌動走行のディーゼル
動車やディーゼル機関車（以下、纒めて気動車両と呼
ぶ）及び電車や電気機関車（以下、纒めて電動車両と呼
ぶ）の動力装置に関するものであり、なお、道路走行の
自動車についても波及するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道の非電化線区では、旧来の蒸気機関
車に代わって、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）を原
動機とする気動車両が稼動しており、その動力装置は、
トルクコンバータの如き増力流体接手を介して車両を駆
動する方式（以下、気動直接式と呼ぶ）が主に、大形の
機関車では発電機及び電動機を介して駆動する方式（以
下、気動電気式と呼ぶ）も使用されているが、いずれの
方式においても、加速や登坂の重負荷に見合う容量のエ
ンジンを使用し、降坂抑速や制動にはエンジンの空転抵
抗（以下、エンジンブレーキと呼ぶ）や各車輪に配した
摩擦ブレーキ（以下、車輪ブレーキと呼ぶ）が使用さ
れ、また、道路走行の自動車でも、エンジンで摩擦クラ
ッチまたは増力流体接手を介して駆動する気動直接式で
あり、抑速・制動にはエンジンブレーキと車輪ブレーキ
が使用されている。

【０００３】鉄道の電化線区では、架線または第３レー
ル（以下、総称して架線と呼ぶ）から集電器で受電して
電動機で車両を駆動する電動車両が使用され、降坂抑速
や制動には、電動機を発電機として抵抗器に電力消費さ
せる方式（以下、発電ブレーキと呼ぶ）と車輪ブレーキ
が使用され、その電力を架線に送出する方式（以下、回
生ブレーキと呼ぶ）も採用されつつあり、その区間の変
電所には逆変換設備が付加されている。

【０００３】なお、車両内に蓄電器を搭載して電動走行
の機関車及び電気自動車（以下、蓄電池車と呼ぶ）や、
正・負２条の架線から受電して電動走行のトロリーバス
もあり、特に電気自動車は、都市域の排気ガス規制の見
地から開発・改良が進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】車両の動力装置は、上
述のいずれの方式においても、平坦路の定常走行では軽
負荷であるが、加速と登坂では重負荷で大きな動力を消
費し、減速・制動と降坂抑速では、車両の運動のエネル
ギと位置のエネルギを、車輪ブレーキやエンジンブレー
キまたは発電ブレーキで熱に戻して大気中に放散してお
り、そのエネルギ損失は消費動力の大半に及び、また、
電化線区では、架線及び変電所に重負荷が及び電圧降下
が大きくそれが電力損失となり、回生ブレーキの効率も
良くない。

【０００５】最近は特に、電力需給の逼迫や発電所立地
の制約等の国内問題は勿論、燃料の石油資源枯渇や排気
ガスによる環境汚染や温暖化が地球規模の緊要な問題に
なり、その源を車両分野もかなりの割合を占めており、
電力や燃料の消費量の低減が排気ガスの有害成分の抑制
とともに切実に求められている。

【０００６】一般に車両は、各駅間で、発進・加速−力
行−惰行−減速・停止または発進・加速−定常力行−減
速・停止の運転サイクルを、運行区間の登坂・降坂を伴
って、繰り返すが、その車両の運転における主な抵抗
は、車輪の転がり抵抗と車体の空気抵抗を合わせた走行
抵抗Ｆv 、加速・減速に伴う慣性抵抗Ｆi 及び登坂・降
坂に伴う勾配抵抗Ｆs であり、走行抵抗Ｆv は常に正
（＋）の値であるが、慣性抵抗Ｆi は加速時に正
（＋）、減速時に負（−）の値、勾配抵抗Ｆs は登坂時
に正（＋）、降坂時に負（−）の値をとり、走行距離を
Ｓとすれば、駅間の運転サイクル毎の慣性仕事量ΣＷi
＝Σ（Ｆi ＊Ｓ）は運動のエネルギとして、運行区間の
往復サイクル毎の登・降坂仕事量ΣＷs ＝Σ（Ｆs ＊
Ｓ）は位置のエネルギとして、それぞれ正・負相殺され
てゼロ（Ｚｅｒｏ）になる無効動力Ｐn の如く働き、走
行抵抗分の仕事量ΣＷv ＝Σ（Ｆv ＊Ｓ）が実効動力Ｐ
e として働いたことになる。

【０００７】なお、登・降坂を伴う運行区間において、
途中駅乗降や通勤者の朝・夕の一方向移動があり、往復
サイクル毎の登・降坂仕事量ΣＷs は乗客重量の不等分
が正（＋）または負（−）の値として残るが、その値は
車両自重分にくらべ格段に小さく、全日サイクル（日毎
の複数の往復）では両方向移動で正・負相殺され、上記
のようにゼロになる無効動力Ｐn として考えて良い。

【０００８】エンジンの容量は、加速時及び登坂時の力
行抵抗Ｆda＝Ｆv ＋Ｆi 及びＦd ＝Ｆv ＋Ｆs に動力系
統の過負荷耐量を加味して選定されるが、通常の駅間距
離の運転サイクル及び勾配路での走行速度では、走行抵
抗Ｆv はエンジンの半負荷以下であり、エンジン出力の
大半は慣性抵抗Ｆi 及び勾配抵抗Ｆs が占め、それに費
やしたエネルギを車輪ブレーキやエンジンブレーキで熱
に戻し、消費エネルギの大半を無益に捨てている訳であ
る。

【０００９】電動機は、上記のエンジンと同様に、大き
な容量のものが選定され、発電ブレーキで停止寸前の微
速に至る広い速度域で抑速・制動が可能であるが、出力
の大半を占める慣性抵抗Ｆi や勾配抵抗Ｆs に費やした
エネルギを熱に戻して無益に捨てていることに変わりな
く、そのエネルギの回収をする回生ブレーキが採用され
つつあるが、突入負荷や重負荷が架線や変電所に及び電
圧降下が大きく、運転密度が高い区間では数十％に及ぶ
こともあり、それが電力損失に留まらず、車両の運転性
能の低下を来し、回生電力効率も下がり、その対策とし
て給電線銅量の増加や変電所間隔の短縮が施され、ま
た、交流線区では車両内に、直流線区では変電所に逆変
換装置が必要である。

【００１０】なお、蓄電池車では、蓄電池の蓄電原理上
避けられない充放電損失が大きく、充電に長時間の停車
を要し、充電毎の走行距離も小さい。

【００１１】本発明は、上述の問題に鑑み、車両の慣性
抵抗及び勾配抵抗に係る運動及び位置のエネルギの処理
方法を改善し、エンジンや給電設備を含み車両の動力装
置の総合的なエネルギ効率を向上し、燃料や電力の消費
量の低減を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の車両の動力装置においては、電動車両内
に蓄電器（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を搭載し、非電化線区
では、エンジン駆動の発電機（以下、エンジン発電機と
呼ぶ）を車両内に配して気動電気式とし、直流電化線区
では、リアクトル及びチョッパ等の抑流・逆流阻止用制
御素子を受電回路に配し、交流電化線区では受電用変圧
器・整流器を配して、蓄電器に並列接続して主電源を構
成し、車両の加速・減速及び登坂・降坂に伴う無効動力
Ｐn を主に蓄電器の充放電で処理し、走行抵抗に対する
実効動力Ｐe と、無効動力Ｐn の処理に伴う動力系統の
損失ｐn 及び補機・照明等の車内設備の消費電力を、主
にエンジン発電機または受電電力で賄うような機構を提
供する。

【００１３】蓄電器は、直流蓄電用のものを使用し、車
両の運転サイクルにおける加速・減速及び運行区間の登
坂・降坂の無効動力Ｐn を、電圧変動の許容範囲内の放
電・充電で、処理するに必要且つ充分な静電容量（Ｆ）
及び突入電力耐量を有するものとする。

【００１４】エンジン発電機の電機部分は三相交流同期
機とし、２組の電機子巻線と、それぞれにＹ・Δ切り替
え回路及び整流器を配し、直流側に平滑用リアクトル及
び直・並列切り替え回路を配し、また、２組の電機子巻
線に電機角３０度の位相差を持たせ、各整流器はサイリ
スタ等の制御素子で３相ブリッジ形に構成する。

【００１５】２台の三相交流同期機を、その回転界磁が
電気角３０度の位相差を持つように連結して、上記の２
組の電機子巻線に代えることができ、また、簡易形とし
て、１台の三相交流同期機にＹ・Δ切り替え回路及び整
流器を配してもよい。

【００１６】エンジンは、ターボ過給機付き高速ディー
ゼルエンジンが小形・軽量・高出力・高効率を要する車
両用として最適であり、ガスタービンも使用でき、小形
車両ではガソリンエンジンや天然ガスエンジンでもよ
く、また、技術進歩に伴い燃料電池等の採用も考えられ
る。

【００１７】エンジン発電機、整流器及び燃料槽は、電
動機を持つ車両（以下、動力車と呼ぶ）に搭載し、電動
客車の場合は床下に搭載するが、列車編成に非動力車を
連結する場合は、その非動力車の床下に装備し電源車と
するのがよい。

【００１８】コ・ゼネレーションシステム（Ｃｏ−Ｇｅ
ｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）として吸収式冷却機
を含む熱交換器を車両内に配し、エンジンの排熱（冷却
水熱及び排気熱）を冬季暖房及び夏季冷房に利用する。

【００１９】非電化線区ではエンジン発電機の整流器
を、交流電化線区では受電変圧器の整流器を、直流電化
線区では受電回路にＬＣ平滑回路とチョッパを、交・直
流両線区の運行では整流器とチョッパとの切り替え用接
触器を配して、それぞれ回路遮断器を介して蓄電器と並
列に接続し、主電源回路を構成する。

【００２０】電動機の主電源側に電動・回生用として２
個の接触器と、反対側に平滑用リアクトルを介して制御
用として２個のチョッパまたは各１個のダイオード及び
チョッパを、ブリッジ形に配して主電源回路の正極及び
負極にそれぞれ接続し、電動装置の運転主回路を構成す
る。

【００２１】特別高落差の急勾配の蓄電線区（特願平８
−１３４０９１参照）では、上記のチョッパに逆並列に
ダイオードと接触器またはスイッチング素子を付加し、
回生電力送出回路を構成する。

【００２２】前述の運転主回路の回生用接触器と負極と
の間に抵抗器及びその側路用接触器を挿入して非常充電
調整用発電ブレーキ回路を構成し、なお、エンジン発電
機または交流受電変圧器の整流器の直流側に接触器また
はスイッチング素子を配して、主電源の正極から電動機
回路に切り替えて、整流器をインバータとして働かせ、
エンジンブレーキ装置または回生電力送出回路を構成す
ることができる。

【００２３】主電源回路から分岐し、インバータ及び変
圧器を配して、電動機界磁の励磁、補機・照明等の車内
設備の低圧電力を、更に整流器及び蓄電池を配して、制
御装置や拡声・通信等に無停電直流電力を給電する。

【００２４】一般に、電動客車の動力車では全４軸駆動
であるが、電動機２台を永久直列してその２群を直・並
列切り替えするものとし、蓄電器と組み合わせて、１動
力単位を構成し、非電化線区では、前述のエンジン発電
機・整流器を持つ電源車と連結し、電化線区では、受電
変圧器・整流器またはダイオードやチョッパを含む受電
装置を動力車または非動力車の床下に装備し、それぞれ
最小単位編成を構成し、また、営業密度に応じ複数組連
結して所要の規模の編成を得る。

【００２５】大容量の機関車では、故障時（特に蓄電
器）の安全性を考え、台車毎（例えば２軸毎）に動力単
位を分割し、各動力単位に回路遮断器及びダイオードを
介して発電あるいは受電電力を給電し、共通１組の車内
設備用インバータに各動力単位から回路遮断器及びダイ
オードを介して給電するよう構成するのがよい。

【００２６】電動機は、回転界磁形三相同期機に分配器
を付し、サイリスタ等のインバータを組み合わせた直流
無整流子電動機を使用するのが、構造、過負荷・過電圧
耐量及び効率について好都合であり、界磁制御（直巻、
分巻及び複巻特性）と電気子巻線のＹ・Δ切り替え及び
電動機２台または２群の直・並列切り替え回路を配し、
Ｙ直列（１速）、Ｙ並列（２速）及びΔ並列（３速）の
変速段を形成する。

【００２７】機関車等で電動機の単機容量が大きい場合
あるいは上述の電動客車でも必要に応じて、各電動機に
電気角３０度の位相差を持つ２組の電気子巻線とそれぞ
れにインバータ、Ｙ・Δ切り替え及び直・並列切り替え
回路を配し、上記の変速段を形成する。

【００２８】従来の電動車両を流用して直流整流子電動
機を使用の場合は、上述と同様に、電動機２台の電機子
を永久直列し２群の直列（１速）・並列（２速）切り替
えと電機子群の正・逆転切り替え回路を配し、直巻界磁
は電機子と同様に直・並列切り替え回路を配して、電機
子群と直列に接続し、永久直列２台の電動機の直巻界磁
に更に直・並列切り替え回路を配して半励磁（３速）ま
での変速段を形成する。

【００２９】車両編成の両端の運転室に、主幹制御器、
制動空気弁及び各種計器｛自動車では、運転席に変速レ
バー、アクセルペダル、ブレーキペダル、舵輪及び各種
計器｝を運転操作用として配し、車軸に速度センサ、エ
ンジン発電機・受電・蓄電器・電動機回路に温度・回転
数・電圧・電流等の各種センサ、車輪ブレーキ用圧縮空
気源｛自動車では油圧系統｝及び主制御装置等の機器を
車両内に配する。

【００３０】｛自動車のアクセル・ブレーキのように｝
発進・加速・制動操作が高頻度の車両では、発電機・電
動機回路とも、並列用及び電動用接触器の代わりにサイ
リスタ等のスイッチング素子を、直列用及び回生用接触
器の代わりにダイオードを使用するのが望ましい。

【００３１】

【作用】以上述べたように構成した本発明の動力装置
は、下記のように働くが、主に電動機４台と蓄電装置で
構成の動力単位を持つ鉄道車両について、自動車につい
ての相違点は｛｝を付して、説明する。

【００３２】［充放電特性］ 蓄電器は内部抵抗が極め
て小さく、蓄電池に不可避の分極作用による充放電の電
圧落差やタイムラグ（Ｔｉｍｅ ｌａｇ）を伴う化学変
化が皆無のため、充放電の電力損失は極めて小さく、車
両の加速・制動時の数秒〜数十秒に集中する慣性抵抗に
よる突入電力や、急勾配登・降坂時の数分〜十数分に集
中する勾配抵抗による大電力を、電圧急変なく円滑且つ
効率良く充放電できる。

【００３３】［負荷分担］ 慣性抵抗による突入負荷や
勾配抵抗による重負荷は、発電機、変圧器や架線・変電
所のインピーダンスに比べ、内部抵抗が格段に小さい且
つ配線が短い車両内の蓄電器に集中するので、発電機、
変圧器や架線の負荷は、定常走行抵抗に近い値に軽減且
つ平準化され、電圧降下も著しく低減される。

【００３４】［発電運転］ エンジン発電機は、停車中
にはＹ直列でアイドリングに近い低速回転で、補機・照
明等の車内設備の消費電力を賄い、走行中は負荷に従い
Ｙ並列で中速及びΔ並列で高速回転し、略々全励磁の界
磁制御及び制御整流で、発電電圧を常に蓄電電圧に合わ
せ且つ蓄電器と負荷分担するよう給電するとともに、常
に負荷に見合う出力の回転数で運転し、エンジン回転数
全域で熱効率を保つ。

【００３５】なお、自動車のように、車内設備の消費電
力がエンジン始動用蓄電池及びその充電用低圧発電機で
賄う場合は、１組の電機子巻線の三相交流同期機とＹ・
Δ切り替え及び整流器でＹ接続・中速及びΔ接続・高速
回転し、上記と同様に、走行中に給電する。

【００３６】［発電出力］ 発電機は、上記の各々接続
の高速側では、定格より高い出力電圧を発生し、制御整
流で定格電圧に変成されるので、銅損増加なく定格より
大きい電力出力が可能であり、また、上記の接続切り替
えと界磁制御を併用して、過大な電圧変成比を避け、鉄
損及び及び歪波形による電機子及び整流器の損失増加を
抑える。

【００３７】［整流出力］ ２組の電機子巻線は、それ
ぞれ３相ブリッジ整流により６相として働き電気角３０
度の位相差を以て直流側で合成され、恰も１２相の如く
作用して脈動率が極めて小さい直流出力を得るが、制御
整流の脈動に対してもリアクトルが両整流器出力の直流
分磁束を相殺して磁気飽和なく有効な平滑作用を持つと
ともに、蓄電器の容量性負荷による尖頭電流を抑制す
る。

【００３８】［架線電力受電］ 直流電化線区では受電
回路のチョッパで、交流電化線区では受電変圧器の整流
器で、架線電圧が高いときは異常突入電流を抑制しなが
ら受電して蓄電器を充電し、低いときは蓄電電力の逆流
出を阻止するので、蓄電電圧は架線電圧変動の中央値以
上の高めの値に保持され、常に定格電圧での運転性能を
維持し、勾配路の運行では、勾配抵抗負荷を主に蓄電器
に分担させるよう、蓄電電圧に合わせて、該チョッパや
該変圧器・整流器で受電電力を制御する。

【００３９】［蓄電器初・補充電］ 蓄電器を新設・換
装したときや夜間休止後の運転前に、エンジン発電機で
は界磁制御と制御整流で、直流架線受電ではチョッパ制
御で、交流架線受電では変圧器のタップ切り替えと制御
整流で、ゼロ電圧からの初充電や漏洩電力の補充電を行
なう。

【００４０】［回生電力送出］ 直流電化の特別高落差
の蓄電線区（特願平８−１３４０９１参照）の降坂運転
では、送出用接触器が「入」となり、特別高落差の交流
電化線区では整流器がインバータに替わり、運転主回路
のチョッパで制御した回生電力を架線に送出するが、車
両内の蓄電電力は、直流線区ではダイオードで、交流線
区では回生送出用接触器で、阻止されて架線に逆流出せ
ず、架線電圧急落には運転主回路のチョッパが即応し、
急昇したときは直ちに車両内の蓄電器の充電に替わり、
回生電圧・電流即ち回生ブレーキトルクの急変を防ぐ。

【００４１】［運転］ 主幹制御器を「力行」ノッチに
入れると｛変速レバーを「Ｄ」ノッチに入れると｝電動
用接触器が「入」、負極側チョッパが制御作動し、電動
機は「１速」で微速発進、「加速」ノッチに押すと｛ア
クセルペダルを踏むと｝該チョッパが増流作動し加速、
続いて速度に応じ「２速」・「３速」に進段し、所定の
速度に達した時「力行」ノッチに戻すと｛アクセルペダ
ルを戻せば｝、主制御装置に記憶の速度に対応の変速段
で定速制御を伴う定常力行｛抑速｝に移り、主幹制御器
を「中立」ノッチ｛変速レバーを「Ｎ」｝に戻せば、上
記の接触器が「切」、チョッパが全閉になって電動機が
空転し、車両は惰力で走行する。

【００４２】主幹制御器を「制動」ノッチに入れると
｛ブレーキペダルを踏むと｝、回生用接触器が「入」と
なって力行時と同方向の電動機電流回路を形成し、正極
側チョッパで制御された回生電力を蓄電器に充電し、速
度に対応の変速段と設定減速度｛ブレーキペダルの踏
力｝に応じたトルクの回生ブレーキが働いて車両を減
速、回生電圧が蓄電電圧まで下がった時、負極側チョッ
パの制御作動に移り、リアクトルの脈動起電力で昇圧し
て充電を続行、回生電圧が更に低下して電機子等主回路
のジュール熱による発電ブレーキに移行し、停止寸前の
微速に至り、所定の停止位置に合わせ制動空気弁を操作
し｛ブレーキペダルを踏み｝車両を停止させる。

【００４３】降坂路で、主幹制御器を「抑速」ノッチに
入れると｛アクセルペダルを戻せば｝、上記と同様に回
生接触器が「入」、回生電圧に従い正・負極両側のチョ
ッパの連係作動で回生ブレーキが働いて蓄電器に充電
し、その操作時の速度の記憶値に対応の変速段で界磁制
御し、定速制御を伴う抑速を行なう。

【００４４】電動機は、各変速段において、全励磁の電
動域上限速度までは、チョッパによる電機子電流制御の
定トルク特性、それ以上の速度では界磁制御の定出力特
性を持ち、それぞれ定トルク域では定加速度で、定出力
域では垂下加速度で、車両を加速・減速し、また、速度
に応じて変速段を切り替えて、電機子起電力と蓄電電圧
との落差が過大にならないようにし、リアクトル及びチ
ョッパの平均債務及び損失を軽減する。

【００４５】［無整流子電動機］ ３相電機子Ｙ接続で
定格を、一般の電動車両の整流子電動機の定格回転数及
び走行速度（例えば1500rpmで50km／h）に合わせば、Δ
接続で 1.732倍（2600rpmで87km／h）まで全励磁電動域
を拡大し、上記の定出力域における励磁を 1.732倍に上
げ、加速・制動の突入負荷においても電機子反作用及び
銅損を低減するので、過負荷におけるトルク特性及び効
率が良く、また、インバータやチョッパ等の制御素子を
強化すれば、Δ接続では銅損増加なく 1.732倍の速度ま
で定トルク・定加速度域を拡大し、定格の 1.732倍の
定常出力も可能となるので、高速域での加速度や勾配限
度を増大できる。

【００４６】抑速・制動の際、分配器を切り離しインバ
ータを整流器に替え、電動の場合と同一の主回路電流方
向で回生ブレーキが作動し、また、各変速段の上限速度
では、定格の 1.732〜２倍の電機子起電力を発生する
が、無整流子のためそのような過電圧でもトラブル（Ｔ
ｒｏｕｂｌｅ）なく、また、銅損増加なく定格の 1.732
〜２倍の回生出力も可能であり、高速域でも低・中速域
と同様な制動減速度が得られ、回生ブレーキで急制動も
可能であり、なお、制御整流すれば、運転主回路の正極
側チョッパをダイオードに代えることができる。

【００４７】位相差３０度の２組の電機子巻線を持つ電
動機は、前述［整流出力］の発電機と同様に作動し、１
台の電動機で３段の変速が得られ、脈動トルクは１２相
交流の極めて小さいものとなり、特に始動・加速・減速
において車輪の粘着が良い。

【００４８】［整流子電動機］ 直流整流子電動機の場
合、電動は前述［運転］のように作動し、回生は、電機
子群の逆転切り替えで力行時と同方向の直巻界磁電流
で、残留磁気から回生電圧が立ち上がり、正・負両極側
のチョッパで電圧・電流を連係制御しながら、発電ブレ
ーキに移行まで回生ブレーキが作動し、また、直巻界磁
の直・並列切り替え回路が均圧線となり、全電動機の界
磁を均等に励磁し並列電動機の横流乱調を防止する。

【００４９】直巻電動機の自励増幅的な発電特性から、
負極側チョッパで初期励磁後は、高速域では正極側チョ
ッパで電流制御し、低速域では負極側チョッパの昇圧制
御で停止寸前の微速の発電ブレーキに移行まで回生ブレ
ーキが作動するが、整流子の制約から、高過電圧耐量の
特殊仕様（例えば２００％）のものの他、電機子起電力
はあまり大きくとれないので、各変速段とも主に界磁強
さ切り替え即ち直・並列切り替えと正・負両極側のチョ
ッパの連係作動で、定トルク特性域の上限までは、過電
圧耐量以下の蓄電電圧に近い電機子起電力に制御し、定
出力特性の垂下加速度で減速作動する。

【００５０】走行速度及び抑速負荷に応じて界磁の直・
並列切り替えを電機子とは別に行ない、できるだけ蓄電
電圧に近い回生電圧でリアクトル及びチョッパの債務と
脈動による損失を低減し、定速制御を伴う抑速を行な
う。

【００５１】突入負荷や重負荷においても蓄電電圧変動
は緩やかで、架線電圧急変にも影響されないため、回生
ブレーキは過渡乱調なく働き、自励増幅的な発電特性の
直巻電動機でも安定した回生作動が得られる。

【００５２】［非常充電調整］ 高落差の急勾配の登坂
・降坂において、エンジン発電機の給電や受電電力を増
すよう制御して過放電を避け、発電ブレーキ用抵抗器や
エンジンブレーキに、回生電力を消費させて過充電を避
けることができる。

【００５３】［予備充電］ 急勾配路では電動機容量の
限度で、急曲線路では速度制限で、中速走行に抑えら
れ、走行抵抗分を給電するエンジン発電機や架線受電は
逆に軽負荷になるので、そのような区間では、発電機や
架線は高めの電圧で発電・受電を制御し予備充電して蓄
電電圧を高めておき、平坦・緩勾配や直線・緩曲線路で
放電して発電容量や受電容量を超える走行抵抗の高速走
行も可能であり、運行区間の路線状況や運転ダイヤに合
わせて予め計画のプログラムに従い、上記も併せ、発電
や受電の電力制御をすることが望ましい。

【００５４】

【実施励１】実施励１として、主に４台の電動機で全軸
駆動の電動客車を１動力単位とした車両の動力装置を挙
げ、図面を参照し説明する。

【００５５】［発電機回路］ 図１（ａ）において、エ
ンジン１で駆動の発電機２の２組の電機子巻線３ａ、３
ｂで発生した３相交流電力は、それぞれＹ・Δ切り替え
用接触器４ｙ、４δを経て３相ブリッジ整流器５ａ、５
ｂで３相全波整流され、リアクトル６ａ、６ｂ、直・並
列切り替え用接触器７Ｓ、７Ｐ及び回路遮断器８を経て
主電源線９Ｐ（正極）、９Ｎ（負極、車体接地）に直流
電力を供給する。

【００５６】２組の電機子巻線３ａ、３ｂが発生する３
相交流電力Ｒａ、Ｓａ、Ｔａ及びＲｂ、Ｓｂ、Ｔｂは３
０度の位相差を持ち、それぞれ全波整流で６相整流波
形、直流側で合成されて１２相交流の整流波形となり、
また、リアクトル５ａ、５ｂは共通鉄芯を持ち、それぞ
れ６相脈流の直流分の磁束を相殺する極性でリアクタン
スの低下なく、制御整流の歪波形による１２相脈流を平
滑にし、蓄電器１０が成す容量性負荷の尖頭電流を抑制
する。

【００５７】［蓄電器回路］ 蓄電器１０は、断路器１
１を持ち回路遮断器１２を経て主電源線９Ｐ、９Ｎで上
述の発電・整流出力に並列接続する。

【００５８】［車内低圧電源］ 主電源線９Ｐより回路
遮断器１３で分岐してインバータ１４及び変圧器１５で
３相交流低圧電力に変換し、電動機界磁の励磁、補機・
照明等に給電し、更に整流器１６及び蓄電池１７を以て
励磁、制御、通信等に無停電低圧直流を給電する。

【００５９】なお、エンジン１は、燃料槽１８は勿論、
排熱利用の熱交換器１９（吸収式冷却機を含み、）を持
ち、エンジン出力Ｐe の２倍近い排熱（冷却水熱及び排
気熱）を、車両内設備の消費エネルギの大部分を占める
冷・暖房に利用する。

【００６０】［複数単位の給電］ 機関車または複数の
動力車と電源車１両の編成のように、複数の動力単位に
給電の場合は、点線図示のように上述の回路遮断器８を
動力単位毎に配して分岐し、それぞれダイオード２０を
介して各動力単位の主電源線９Ｐに給電、また、そのダ
イオード２０で、蓄電器１０をそれぞれ持つ動力単位の
間の蓄電電圧不等による電力横流を阻止し、万一の故障
の波及を防止する。

【００６１】［共通低圧電源］ なお、複数の動力単位
の車内低圧電源を共通１組とする場合は、点線図示のよ
うに各動力単位の主電源線９Ｐから回路遮断器１３で分
岐し、ダイオード２１を介してインバータ１４に給電、
また、そのダイオード２１で各動力単位間の電力横流を
阻止し、蓄電電圧が高い方の電力を消費する。

【００６２】［運転主回路］ 電動の際は、電動用接触
器２４が「入」、負極側チョッパ２７が制御作動して電
動機回路２２を働かせ、正極側チョッパ２６は全開で還
流ダイオードとして働き、回生の際は、回生用接触器２
５が「入」、回生電圧が主電源電圧Ｖより高い中・高速
域では正極側チョッパ２６が制御作動し負極側チョッパ
２７は全閉、主電源電圧Ｖより低い低速域では負極側チ
ョッパ２７が制御作動してリアクトル２３に脈動起電力
を発生させて昇圧し、全開の正極側チョッパ２６を経
て、蓄電器１０に充電する。

【００６３】［非常充電調整］ 高落差降坂で蓄電器１
０が過充電（過電圧）あるいはそれが予想されるとき、
側路接触器２９を「切」にして負極側チョッパ２７を制
御作動させ、抵抗器２８に回生電力を消費させて発電ブ
レーキとし、蓄電器１０の充電調整ができるが、そのよ
うなエネルギ損失を極力避けるため、後述の［予備充放
電］のように充電調整するのがよい。

【００６４】［架線電力受電］ 直流電化線区では、点
線で図示のように、主電源の正極９Ｐ（チョッパ２６の
正極側）に受電用チョッパ３０を配し、ＬＣろ波回路
（コンデンサ３１とリアクトル３２で構成）、回路遮断
器３３及び集電器３４を介して架線３５に、主電源線負
極９Ｎは車軸接地器３６を介して軌道３７に接続して受
電装置を構成する。

【００６５】チョッパ３０は、ろ波用リアクトル３２と
ともに架線電圧の急昇による蓄電器１０への異常突入充
電電流を抑制し、勾配路の運行では勾配抵抗負荷を主に
蓄電器１０に分担させるよう蓄電電圧に合わせ受電電力
を制御し、架線電圧が低下したとき蓄電電力の逆流出を
阻止する。

【００６６】［回生電力送出］ 特別高落差の急勾配の
蓄電線区で回生電力を送出する場合は、点線で図示のよ
うに、上記受電用チョッパー３０と逆並列に配した接触
器３８Ｃとダイオード３８Ｄが回生電力の送出に働き、
架線電圧急昇の際はダイオード３８Ｄが逆流阻止し、回
生電力をダイオード３９を経て蓄電器１０に充電させ、
急落の際はダイオード３９で蓄電電力の逆流出を阻止
し、正極側チョッパ２６の制御作動で、いずれの際も回
生電力・トルクの急変を防止する。

【００６７】［電源車］ 図１（ｂ）において、電源車
４０の床下にエンジン１、発電機２、制御箱４、整流器
箱５、燃料槽１８及び熱交換器１９を配して、電源ユニ
ットを構成し、制御箱４には前述の接触器４ｙ、４δ、
７ｓ、７ｐ、回路遮断器８等の電源制御装置一切を、整
流器箱５には整流器５ａ、５ｂ及びリアクトル６ａ、６
ｂをそれぞれ格納する。

【００６８】［動力車］ 電動機４１（Ｍ１〜Ｍ４）を
各車軸に持つ動力車４２の床下に、蓄電器１０、制御箱
４３、補機４４及び抵抗器２８を配し、制御箱４３には
上述の接触器２４、２５、２９、チョッパ２６、２７、
車内低圧電源用インバータ１４等及び後述の電動機制御
機器を格納し、架線電力受電の場合は、点線で図示のよ
うに、屋根上に集電器３４を、床下に受電箱４５を配し
てチョッパ３０、接触器３８Ｃ、ダイオード３８Ｄ、コ
ンデンサ３１、リアクトル３２、回路遮断器３３等の受
電用の機器・素子を格納し、電化線区では、電源車４０
の代わりに非動力車を連結し、電動車両編成で運行す
る。

【００６９】［充放電特性］ 図２において、蓄電器１
０の充放電特性を、一般に蓄電装置として使用されてい
る蓄電池と比較するに、蓄電器では、上図（ａ）に示す
ように、静電容量Ｃ（Ｆ）と蓄電量Ｗc （ＭＪ）に応
じ、無負荷電圧Ｖは直線Ｉ・Ｏ・ＧでＶo −δＶからＶ
o ＋δＶの間に変動するが、充放電電流Ｉに対し、充電
は蓄電器の内部抵抗ｒによる電圧降下Ｉ＊ｒだけ高い充
電電圧Ｖc ＝Ｖ＋Ｉ＊ｒの直線Ａ・Ｂ・Ｃで、放電は電
圧降下Ｉ＊ｒだけ低い放電電圧Ｖd ＝Ｖ−Ｉ＊ｒの直線
Ｄ・Ｅ・Ｆで進行し、充放電停止後は、直ちに無負荷の
蓄電電圧Ｖに戻り水平線Ｇ・ＨまたはＩ・Ｊのようにな
る。

【００７０】蓄電池では下図（ｂ）に示すように、蓄電
池の内部抵抗ｒに化学的分極作用による起電力ｅc 及び
ｅd が加わり、充電電圧Ｖc はＶ＋（Ｉ＊ｒ＋ｅc ）の
直線Ａ・Ｂ・Ｃ、放電電圧Ｖd はＶ−（Ｉ＊ｒ＋ｅd ）
の直線Ｃ・Ｄ・Ｅで進行し、充放電停止後は、直ちに無
負荷の蓄電電圧Ｖの点ＧやＪに戻らず、点線曲線Ｃ・Ｈ
やＦ・Ｊのように略々復帰するまで数分遅れ、また、充
電開始の点Ａで立ち上がりが数秒遅れる。

【００７１】両者とも、点Ｉ・Ｏ間やＯ・Ｇ間の蓄電電
圧Ｖ、電流Ｉの充放電時間ｔについての積分値が、中点
Ｏの定格電圧Ｖo から電圧変動±δＶに対する充放電電
力量Ｗc であり、充放電の電圧降下（蓄電器ではＩ＊
ｒ、蓄電池ではＩ＊ｒ＋ｅc 及びＩ＊ｒ＋ｅd ）が電力
損失となり、充放電効率ηc はＶd ／Ｖc の比となる
が、蓄電池では、その蓄電原理に不可避の電圧降下が大
きく、１０時間率の緩充放電でも充放電電力効率ηc は
７０〜８０％、１時間率の急速充放電では、効率ηc は
更に著しく低下するが、蓄電器では、その蓄電原理（静
電容量）及び構造（対向・引出し導体）から考えて、極
めて小さい内部抵抗ｒのみが充放電損失であり、タイム
ラグも皆無のため、数秒〜数十秒に集中の突入電力や数
分〜十数分に集中の大電力を、極めて効率良く充放電す
ることができる訳である。

【００７２】［発電機特性］ 図３において、発電機２
は、Ｙ直列、Ｙ並列及びΔ並列の各々接続について、全
励磁Φo で定格電圧Ｖo を発生する基本回転数Ｎio、Ｎ
yo及びＮδo を有し、各々接続の回転数範囲で全励磁Φ
o で起電力特性Ｅi 、Ｅｙ及びＥδの各直線と、定格電
圧Ｖo を発生の所要励磁特性Φi 、Φｙ及びΦδの各曲
線のように、各基本回転数Ｎio、Ｎyo及びＮδo の低速
側では過励磁で定格電圧Ｖo を、高速側では全励磁Φo
と制御整流の電圧変成で定格電圧Ｖo をそれぞれ給電す
るよう作動し、各々基本回転数Ｎio、Ｎyo及びＮδo の
基本容量はＰio、Ｐｙo 及びＰδo で最高回転数Ｎmax
の出力はＰδmax となり、回転数Ｎに比例の直線Ｐo 上
に並ぶ。

【００７３】［エンジン特性］ 一般に車両用エンジン
１は、トルク曲線Ｔ及び出力曲線Ｐe のように、略々中
速域から高速域にかけて中高のトルク及び軸出力特性を
持ち、エンジン発電機としての電気出力特性は軸出力Ｐ
e に発電機２の効率ηg を乗じた曲線Ｐg となり、燃料
消費率は中低の曲線Ｆe で、最大トルクＴmax を発生す
る回転数域で最小となり熱効率が良く、また、その回転
数域で発電機２の基本出力Ｐo を幾分上回るよう両者
１、２の定格容量を選定するのが、両者１、２の過負荷
トルク耐量から見て適当であり、また、発電機２の基本
高速定格回転数Ｎδo より充分上回るＮmax を持つエン
ジン１を使用し、銅損増加なくその基本高速定格容量Ｐ
δo を大きく超え且つ最高回転数Ｎmax の鉄損増加を考
え出力Ｐδmax よりやや低い、電気出力Ｐgmaxが得るの
がよい。

【００７４】［発電作動］ 発電機２の負荷Ｐg に応じ
エンジン回転数Ｎを増減し、停車中はＹ直列とアイドリ
ングに近い低速Ｎi で車内消費電力を、Ｙ並列で中速回
転且つ低騒音で中速走行の軽負荷に、Δ並列の高速回転
で高速走行の高負荷に、それぞれ対応し、界磁制御及び
制御整流で常に蓄電器１０の電圧Ｖに合わせ給電するよ
う、後述の図５に示す主制御装置５４で制御する。

【００７５】［電動機主回路］ 図４において、サイリ
スタ等の制御素子で３相ブリッジ回路に構成のインバー
タ４６は、電動機４１の軸に装着の分配器４７の位相信
号で作動し、回転界磁４１Ｆの回転位相に同期した３相
交流電力に変換し、Ｙ・Δ切り替え回路４８を経て電機
子４１Ａの電動トルクを発生させる直流無整流子電動機
を構成し、また、２台づつ永久直列の電動機２組を接触
器４９Ｓ、４９Ｐで直・並列切り替えし、Ｙ直列（１
速）、Ｙ並列（２速）、Δ並列（３速）の変速段を形成
する。

【００７６】［電動機界磁回路］ ３相ブリッジ整流器
５０の直流出力で、正・逆転切り替え用接触器５１Ｆ、
５１Ｒを経て、各電動機４１の回転界磁４１Ｆ（スリッ
プリングは図示省略）を励磁し、還流ダイオード５２で
界磁４１Ｆのリアクタンスと共働し整流器５０の直流出
力の脈流を平滑にする。

【００７７】［運転制御］ 図５において、主幹制御器
５３がＤノッチ（力行）またはＡノッチ（加速）のと
き、電動用接触器２４が「入」、分配器４７の位相信号
に合わせインバータ４６が整流子作用、チョッパ２７で
電機子電流Ｉa を制御、Ｙ・Δ切り替え回路４８ととも
に、ゲートパルスの位相転移（３０度）が作動し、主幹
制御器５３がＳノッチ（抑速）またはＢノッチ（制動）
のとき、回生用接触器２５が「入」、分配器４７の位相
信号を切り離し、インバータ４６を整流器として働か
せ、回生電圧（電機子電圧Ｅ）に応じチョッパ２６、２
７で主回路電流Ｉm及び電機子電流Ｉa を制御するよ
う、主制御装置５４が作動する。

【００７８】なお、回生作動において、インバータ４６
で制御整流し電機子起電力を主電源電圧Ｖに変成した回
生電圧を得る場合は、チョッパ２６の代わりにダイオー
ド２６Ｄを配することができる。

【００７９】他励分巻界磁４１Ｆは、電機子電流Ｉa に
比例の直巻成分を加えるよう、整流器５０にゲートパル
スを与えて励磁電流制御を行ない、直巻、複巻及び分巻
のトルク特性を得、定出力速度域で減磁、力行・抑速ノ
ッチにおいて速度センサ５５の速度信号により励磁調整
して定速制御を行ない、軌道勾配の変化で各定速制御と
反対方向に速度変化ある時は、表示器５６に警報・表示
し逆操作等の処置を促すよう、主制御装置５４が作動す
る。

【００８０】［電流センサ］ 発電出力Ｉg 、充放電電
流Ｉc 、電動装置主回路電流Ｉm 、電機子電流Ｉa 及び
受電電流Ｉt のそれぞれ電流センサ５７、５８、５９、
６０及び６１を配し、主制御装置５４を介して、それぞ
れの制御を上述のように行ない、表示盤５６の電流計
（図示省略）で表示する。

【００８１】［２組の電機子巻線］ 図６において、３
０度の位相差の２組の電機子巻線４１ａ、４１ｂ及び共
通の回転界磁４１Ｆを有する電動機４１を使用する場合
は、共通１個の分配器４７でそれぞれの３相ブリッジ形
インバータ４６ａ、４６ｂを整流子作動させ、Ｙ・Δ切
り替え回路４８ａ、４８ｂを持ち、接触器４９Ｓ、４９
Ｐで直・並列切り替えで、前述の図１（ａ）の発電機２
と同様に、位相差３０度の２つの６相脈動を合成し、１
２相交流の極めて小さい脈動トルクを得る他は、前述の
図４のものと同様である。

【００８２】［整流子電動機回路］ 図７において、整
流子電動機を使用の場合は、各電動機４１（Ｍ１〜Ｍ
４）の電機子４１Ａは２台づつ永久直列で接触器４９
Ｓ、４９Ｐで直・並列切り替え、接触器５１Ｆ、５１Ｒ
で正・逆転切り替えし、直巻界磁４１Ｆは接触器６２
Ｓ、６２Ｐで２群の直・並列切り替え、接触器６３Ｓ、
６３Ｐで台車毎に直・並列切り替えして全・半励磁切り
替えし、電動機群全体として直列（１速）、並列（２
速）、半励磁（３速）の変速段を形成する。

【００８３】接触器２４「入」とチョッパ２７の作動
で、直巻電動機として上記の変速段で電動に働き、接触
器２５「入」、接触器５１Ｆ、５１Ｒの逆転作動とチョ
ッパ２７の制御作動により、電動と同一の電流方向と界
磁４１Ｆの残留磁気で初期励磁され、直巻発電機として
自励増幅し、走行速度と電機子電流に見合う電機子起電
力Ｅが立ち上がり、蓄電電圧Ｖより高いときはチョッパ
２６が制御作動しチョッパ２７は全閉、低いときはチョ
ッパ２６が全開しチョッパ２７が制御作動して、回生電
力を蓄電器１０に充電する。

【００８４】抑速及び制動では、走行速度及び回生負荷
に応じ、界磁回路の直・並列切り替え（接触器６２Ｓ、
６２Ｐ、６３Ｓ、６３Ｐ）が電機子回路の直・並列切り
替え（接触器４９Ｓ、４９Ｐ）とは別に作動し、抑速で
はできるだけ電源電圧に近い、制動では電動機の過電圧
耐量以下のできるだけ高い回生電圧を得て、チョッパ２
６、２７及びリアクトルの制御作動損失を軽減する。

【００８５】［運転サイクル］ 図８において、一般に
車両は上図（ａ）に示すように各駅間で、短距離では中
間が一部点線で示す曲線ｖL のように発進・加速−力行
−惰行−制動・停止、長距離では加速終期が一部点線で
示す曲線ｖh のように発進・加速−定常力行−制動・停
止の運転サイクルを繰り返しすが、実線折線α−ｖ−β
（加速−定常力行−制動）のようにモデル化して走行抵
抗Ｆv および慣性抵抗Ｆi 並びにそれぞれの動力及び仕
事量について、表１及び表２と対照しながら説明する。

【００８６】

【表１】

【００８７】

【表２】

【００８８】［走行抵抗］ 走行抵抗Ｆv は、ゼロ速度
で最小値、走行速度ｖに従い増減し、常に正（＋）の値
をとり、加速距離Ｓa 、定常走行距離Ｓv 及び減速距離
Ｓbにおけるそれぞれ仕事量はＷea、Ｗev及びＷeb、そ
の合計値ΣＷe が駅間の運転に費やされる実効仕事量で
ある。

【００８９】［慣性抵抗］ 発進・加速においては、電
動機の定トルク限度速度ｖcaまでは定加速度αで、以後
定常速度まではαとｖの積が一定値の定出力加速度で車
両を加速し、また、制動・停止においては、定トルク限
度速度ｖcaまではβとｖとの積が一定値の定出力減速度
で、以後停止までは定減速度βで車両を減速し、それぞ
れ慣性抵抗Ｆia（正の値）及びＦib（負の値）を、加速
距離Ｓa 及び減速距離Ｓb について積分した値Ｗia（正
の値）及びＷib（負の値）がそれぞれの慣性仕事量であ
り、運転サイクル毎の総和ΣＷi ＝Ｗia＋Ｗibはゼロと
なる無効仕事量である。

【００９０】［牽引力・制動力・仕事量］ 電動機の軸
負荷となる牽引力及び制動力は、走行抵抗Ｆv と慣性抵
抗Ｆi との和であるが、前述の表１に示すように、加速
及び定常力行時の牽引力Ｆda＝Ｆv ＋Ｆia及びＦdv＝Ｆ
v 、減速時の制動力Ｆb ＝Ｆv ＋Ｆib（負の値）とな
り、表２に示すように、それぞれが作用した距離Ｓa 、
Ｓv 、Ｓb についての積分値がそれぞれの仕事量Ｗda、
Ｗdv、Ｗb 、牽引に消費する仕事量はΣＷd ＝Ｗda＋Ｗ
dvとなり、その内εe （％）＝ΣＷe ／ΣＷd が実効仕
事量として働いたことになる。

【００９１】［回収エネルギ］ 上記の消費仕事量ΣＷ
d から実効仕事量ΣＷe を差し引いた残りの制動仕事量
Ｗb は、従来の気動車両や回生ブレーキを持たない電動
車両では、車輪ブレーキ、エンジンブレーキや発電ブレ
ーキで無益に捨てられており、前述の表２に示すよう
に、その割合εb （％）＝Ｗb ／ΣＷd は、駅間短距離
・中速の運転サイクルでは略々７０〜４０％の如き大半
を占め、長距離・高速でも略々４０〜２０％の如くかな
りの値で且つ仕事量は大きく、また、回生ブレーキ末期
に移行の発電ブレーキ（停止寸前の微速まで作動）及び
車輪ブレーキ（以下、両者を纒め単に車輪ブレーキとし
て扱う）を除いた有効な回生ブレーキ下限速度ｖb を想
定した車輪ブレーキ損失率εwbと、動力装置の効率ηp
も加味して電力回収率εr （％）を示すように、本発明
によるその回収と次サイクルでの再利用が、電動機、制
御装置及び蓄電器の効率ηm 、ηi 及びηc を総合した
動力装置の過負荷効率ηp 次第で、エネルギ効率を大き
く改善することが判る。

【００９２】［曲線抵抗］ なお、軌道の曲線半径によ
り曲線抵抗Ｆr が、表１の注（＊１）に示すように、実
効分として走行抵抗Ｆv に加わり、曲線長％は一定でな
いので駅間全距離が直線路と曲線路の両者について、上
記の諸量を前述の表２に示すが、地方線区では両者の中
間、幹線区では前者に近い値になると考える。

【００９３】［電動機・発電機負荷］ 図８の下図
（ｂ）において、電動機の軸負荷は、上述の加速、定常
力行、制動でそれぞれＰda、Ｐdv、Ｐb （電気負荷でＰ
mda、Ｐmdv、Ｐmb）、特にＰda及びＰb は電動機の瞬時
過負荷耐量（例えば３００％、１分）に近い突入負荷で
あるが、主に蓄電器の充放電で賄われ、それに伴う動力
装置の損失ｐd 及びｐb を平準化して定常走行負荷Ｐmd
v＝Ｐdv ／ηp に加えた値が発電機の負荷Ｐg であり、
発電機は蓄電電圧Ｖの変動に合わせ、主に定出力加・減
速及び定常走行中（ｔap＋ｔv ＋ｔbp）に均等給電し、
定トルク加・減速中（ｔat、ｔbt）に暫増・減で給電す
るよう、モデル化して求めた発電機の負荷Ｐg は、前述
の表２に示すように、定常走行負荷Ｐmdv に近い軽負荷
である。

【００９４】［架線負荷］ 電化線区で架線３５より受
電の場合は、鎖線曲線Ｐt で示すように、蓄電電圧Ｖが
定格架線電圧Ｖo より下がる加速後期から緩やかに負荷
が移行し、主に定常走行中（ｔv ）に受電し、その時間
ｔv が上記の発電給電より短いため、その電力Ｐt は上
記の発電機負荷Ｐg よりも幾分大きくなるが、それでも
加速・制動時の電気負荷Ｐmda 、Ｐmbに比し格段に軽
く、蓄電器の充放電による慣性抵抗負荷の処理で、架線
負荷Ｐt にも低減と平準化が及ぶ。

【００９５】［蓄電電圧変動］ 運転サイクル毎の慣性
抵抗負荷の充放電処理による蓄電電圧Ｖの変動δＶを前
述の表２及示すように、駅間短距離・中速運転では小波
で高頻度に、長距離・高速では大波で低頻度に上下す
る。

【００９６】［勾配抵抗負荷］ 図９（ａ）において、
車両が平坦路（ｓ＝０）、登坂（＋ｓ）、降坂（−
ｓ）、平坦路（ｓ＝０）を速度ｖで走行する運行サイク
ルを実線折線で、平坦路、降坂（−ｓ）、登坂（＋
ｓ）、平坦路の運行サイクルを点線折線で示せば、電動
機の軸負荷は、勾配路では走行抵抗負荷Ｐv 及び勾配抵
抗負荷Ｐs の和が登坂力行負荷Ｐd 及び降坂抑速負荷Ｐ
b であるが、勾配抵抗負荷Ｐsは、登坂時に正（＋）、
降坂時に負（−）の値となり、高度差Ｈがある２地点間
距離Ｓの往復運行では、その運行サイクル毎の位置のエ
ネルギとして登・降坂の仕事量Ｗs の総計値ΣＷs はゼ
ロとなる無効動力であり、実効動力として常に正（＋）
の値を取る前述の走行抵抗負荷Ｐv との和が、登坂力行
負荷Ｐd 及び降坂抑速負荷Ｐb となるが、その比Ｐb ／
Ｐd を抑速動力率εs （％）として、また、電気負荷は
それぞれ電動入力Ｐmd＝Ｐd ／ηp 、回生出力Ｐmb＝Ｐ
b ＊ηp のため、その比Ｐmb／Ｐmd＝εs ＊ηp^2 が回
収電力率εr （％）であり、各走行速度ｖ及び各勾配ｓ
における値を、それぞれ表３に示せば、従来の気動車両
や回生ブレーキを持たない電動車両は、特に中勾配（ｓ
＝１５o/oo）以上の中速走行（ｖ＝５０〜８５ｋｍ／
ｈ）において略々８０％〜２５％のように、登坂力行の
重負荷に費やしたエネルギの大半を、降坂でエンジンブ
レーキや発電ブレーキにより無益に捨てており、本発明
によるその回収と登坂力行での再利用が、動力装置の定
常負荷効率ηp 次第で、エネルギ効率を大きく改善する
ことが判る。

【００９７】

【表３】

【００９８】［電動機負荷］ 上記の表３に、各勾配ｓ
と各走行速度ｖについて、登坂力行及び降坂抑速での電
動機の軸負荷Ｐd 及びＰb を示し、なお、重負荷の登坂
力行では前述の表１に示す加速度αを採りうる限度負荷
Ｐdmax及び限度勾配（＋ｓmax ）、降坂では急制動能力
を考えて限度勾配（−ｓmax ）とし、各々走行速度ｖの
登・降坂の勾配限度を「←、→」及び「△、▽」印を付
けて示し、また、表４に、電動機の電気負荷Ｐmd＝Ｐd
／ηp 及びＰmb＝Ｐb ＊ηp を示す。

【００９９】

【表４】

【０１００】［負荷分担・Ｃａｓｅ−Ｉ］ 図９（ａ）
のように、平坦路・勾配路とも同じ速度ｖで走行し、勾
配負荷Ｐs ＝蓄電器充放電Ｐc で処理し、登坂・降坂と
も略々均等に発電給電する場合をＣａｓｅ−Ｉとして、
図９（ｂ）に、蓄電電圧Ｖの変化δＶ及び電動入力Ｐmd
及び回生出力Ｐmbにおける動力装置の損失ｐd 及びｐb
を分離して発電給電Ｐg と蓄電器充放電Ｐc の電力勘定
を示せば、平坦路ではＰmd＝走行抵抗負荷Ｐv ＋ｐd に
給電しＰg ＝Ｐmd、登坂路ではＰmd＝Ｐv ＋ｐd ＋放電
Ｐc の内のＰv ＋ｐd を給電しＰg ＝Ｐmd−Ｐs 、降坂
路ではＰmb＝制動負荷Ｐb −ｐb であるがＰv ＋ｐd を
給電しＰg ＝Ｐmb＋Ｐs （Ｐmbは負の値）、各々の発電
給電Ｐg は損失ｐd 及びｐb に不同があるが略々均等、
登・降坂とも蓄電器充放電Ｐc ＝Ｐs であり、表４にそ
れぞれの値を示す。

【０１０１】［負荷分担・Ｃａｓｅ−ＩＩ］ 図１０
（ａ）のように、勾配路では電動機の限度負荷に見合う
速度ｖs に減速、平坦路では増速して速度ｖo で走行
し、降坂抑速負荷Ｐb ＝蓄電器充放電Ｐc で処理し、発
電機は、登坂力行時に最大容量Ｐgmaxの限度内で増力給
電し、降坂抑速時に無給電とする場合をＣａｓｅ−ＩＩ
として、図１０（ｂ）に、蓄電電圧Ｖの変化δＶ、電動
・回生における損失ｐd 、ｐb 及び発電電力Ｐg 及び蓄
電器充放電Ｐc の電力勘定を示せば、平坦路の速度ｖo
では上記Ｃａｓｅ−Ｉと同様、降坂路では、回生出力Ｐ
mb＝Ｐb −ｐb が充電Ｐc となり給電Ｐg ＝０、登坂路
では、Ｐmd＝Ｐd ＋ｐd 、放電Ｐc は回生充電に同じ、
給電Ｐg ＝Ｐmd−Ｐc ＝２＊Ｐv ＋ｐd＋ｐb＜Ｐgmaxで
あるが、高速域の登坂力行でＰmd−Ｐc ＞Ｐgmaxを避け
るため、降坂抑速でその超過分を調整給電して充電Ｐc
を増し、前述の表４にその値を示すように、緩勾配・高
速走行では、Ｃａｓｅ−Ｉに近くする。

【０１０２】［充放電電力・最大高度差］ 前述の表４
に、上記のＣａｓｅ−Ｉ、Ｃａｓｅ−ＩＩの両者につい
て、各勾配ｓ及び各速度ｖでの蓄電器の充放電の電力Ｐ
c を示し、表５に、電圧変動δＶ＝０〜±１０％での充
放電電力量Ｗcm（＝１１２．５ＭＪ）で登・降坂可能な
最大高度差Ｈmax 並びに各速度ｖの限度勾配ｓmax につ
いて最大運転距離Ｓmax 及び運転時間ｔmax を示すが、
その電力量Ｗcm（蓄電池では２４Ｖ＊２１ＡＨ＊６３個
直列）を数分〜十数分で充放電する極めて重債務である
ことを示している。

【０１０３】

【表５】

【０１０４】［予備充放電］ 図１０（ｂ）に鎖線で示
すように、高落差の登坂勾配路の手前では距離Ｓadj
を、発電機の最大容量Ｐgmax以内の給電余裕で、力行負
荷Ｐmdを上回る出力Ｐg ＝Ｐmd＋Ｐgadjで調整給電しな
がら走行して、蓄電電圧をＶ＋δＶ／２まで予備充電
し、降坂路の手前では距離Ｓadj を、蓄電器の放電Ｐca
dj＝Ｐmdだけで走行して、蓄電電圧をＶ−δＶ／２まで
予備放電し、勾配路では、蓄電電圧Ｖの変動範囲を両振
り（＋δＶ／２〜−δＶ／２）に利用し、勾配路通過後
の距離Ｓadj でδＶがゼロになるよう調整充放電を予備
充放電と同様に行なえば、電圧変動範囲が±δＶ／２＝
±５％で上記と同様な充放電電力量Ｗcmが得られ、ま
た、それを±１０％にして充放電電力量Ｗcmを倍増すれ
ば、表５に示す高度差Ｈの２倍の勾配路を運行すること
ができる。

【０１０５】なお、前述の表２で計算した、慣性抵抗Ｆ
i による蓄電電圧変動δＶの高度差換算値δＨを、上述
の登・降坂最大標高差Ｈmax と対照して示し、蓄電器１
０の容量選定の参考とする。

【０１０６】低高度差勾配の起伏を持つ程度の平坦な線
区では、定常走行負荷Ｐv が軽い曲線路または駅間短距
離の中速走行時に、上記の如く蓄電器の予備充電を行な
い蓄電電圧Ｖを高め、直線路または緩曲線路で小駅通過
等の高速走行時に放電電力Ｐc を発電給電Ｐg に加え、
再び曲線路または駅間短距離の中速走行に戻ってから上
記の如く調整充電を行なえば、表６に記号「＞、◇」で
示すように定常走行負荷Ｐv が発電給電Ｐg の最大容量
を超える高速での運転も可能であり、運行区間の曲線、
勾配及び駅間距離の路線状況及び通過駅等の運転ダイヤ
により予めプログラムして、エンジン発電機の給電電力
Ｐg を制御するのがよい。

【０１０７】

【表６】

【０１０８】以上は、前述の表１の要目欄に記載の各１
両の動力車と電源車の編成（１Ｍ・１Ｇ）について前述
の表１〜表５に示したが、増結して長編成にすると、走
行抵抗Ｆv は、表１の注（＊１）の計算式において、第
１・２項の転がり抵抗分は総重量Ｗd ・Ｗf に比例する
が、第３項の空気抵抗分は、編成の後続車は先頭車に比
べ、それぞれに対応の定数値０．００７８、０．０２８
の如く小さい（約１／３．６）ため、動力単位毎の走行
抵抗負荷Ｐv は、上記の表６に示すように長編成程軽
く、その差は高速域で顕著であり、それだけ前述制動・
抑速動力率εb 及び電力回収率εr が大きくなる。

【０１０９】［発電装置−別例］ 図１１のように、２
台の３相交流発電機２を、その回転界磁２Ｆが位相差ψ
＝３０度を持つよう軸接手６４で連結し、それぞれの電
機子２Ａを前述の図１（ａ）の２組の電機子巻線３ａ、
３ｂに代えることができ、また、車内電力をエンジンの
始動用蓄電池及びその充電用発電機で賄う場合は、１台
の発電機２の単一電機子巻線３Ａと、１組のＹ・Δ切り
替え接触器４ｙ、４δ及び整流器５ａで簡易型（図示省
略）に構成し、主動力負荷だけの給電としてもよい。

【０１１０】［エンジンブレーキ］ 前述の［非常充電
調整］の抵抗器２８及び側路接触器２９の代わりに、図
１２のように、発電機２の整流器５ａ、５ｂの直流出力
を接触器６５で電動機回路２２に（電流センサ６０経
由）直結して回生電流を整流方向に受け、電機子３ａ、
３ｂの起電力に同期または分配器（図示省略）により整
流器５ａ、５ｂをインバータとして作動させ、発電機２
を電動作動させてエンジン１をエンジンブレーキとする
こともできる。

【０１１１】［架線受電・回生送出−別例］ 交流電化
線区では図１３に示すように、図１１の電機子３Ａ及び
整流器５ａ、５ｂを受電用変圧器３Ｔ及び整流器５Ｔ
（単相ブリッジ）に置き換え、変圧器３Ｔのインピーダ
ンスで異常突入充電を抑制し、勾配路の運行では勾配抵
抗負荷を主に蓄電器１０に分担させるよう変圧器３Ｔの
タップ切り替え（図示省略）と整流器５Ｔの制御整流で
受電電力を制御し、上記と同様に整流器５Ｔを架線周波
数に同期のインバータとして働かせ変圧器３Ｔを経て、
回生電力を交流架線３５に送出することができる。

【０１１２】直流電化線区では、図１４で点線で図示の
ように、前述の図１（ａ）の受電用チョッパ３０に代わ
りダイオード３０Ｄと接触器３０Ｃを配し、電動装置主
回路の受電点と送出点の間に正極用チョッパ２６を移し
て受電充電の抑流および受電電力制御に兼用し、それに
代わってダイオード２６Ｄをリアクトル２３との間に挿
入して構成することもでき、定トルク加速中に架線電圧
が急昇した時、接触器３０Ｃを一時的に「切」にし、チ
ョッパ２６の還流ダイオード作用の中断を避けるのがよ
く、また、架線電圧変動が小さい軽負荷の線区の車両で
は、図１５のように、受電用チョッパ３０に代わりダイ
オード３０Ｄ、接触器３０Ｃ、電流遮断器３０Ｉ及び抵
抗器３０Ｒを、送出用接触器３８Ｃに常時閉接点を追加
してダイオード３９の代わりに配してもよい。

【０１１３】

【実施例２】実施例２として、自動車の動力装置を挙
げ、図１６に示せば、上図（ａ）のように、エンジン
１、発電機２、制御箱４を床下に（大形バスでは、点線
図示のように車両後部に）搭載、整流器５、制御箱４
３、蓄電器１０及び燃料槽１８も床下空所に搭載し、電
動機４１は変速歯車６６（急勾配では半速Ｇ１、通常は
全速Ｇ２）、伝導軸６７及び差動歯車６８を介して動輪
６９を駆動、前輪７０は遊輪、各車輪に車輪ブレーキ７
１を配しブレーキペダルで油圧操作、運転席には舵輪７
３、変速レバー７４、アクセルペダル７５及びパーキン
グブレーキレバー７６を配する。

【０１１４】下図（ｂ）において、エンジン１、発電機
２及び整流器５ａ、５ｂに係る回路は図１（ａ）及び図
１２に同一につき図示省略、電動用及び並列用接触器２
４及び４９Ｐがそれぞれサイリスタ等のスイッチング素
子２４Ｓ及び４９Ｐ（同符号）に、回生用及び直列用接
触器２５及び４９Ｓがそれぞれダイオード２５Ｄ及び４
９Ｓ（同符号）に、界磁用整流器５０がチョッパ５０
（同符号）に代えた他は、前述の図１（ａ）及び図６と
同様であり、トロリーバスのように正（＋）、負（−）
２条の架線３５Ｐ、３５Ｎから集電器３４Ｐ、３４Ｎを
介して受電の場合は、点線図示のように、回生送出用接
触器３８Ｃとダイオード３８Ｄの代わりにスイッチング
素子３８を、負極集電器３４Ｎにスイッチング素子３８
Ｎとダイオード７７を配する他は、前述の図１（ａ）の
点線図示と同様である。

【０１１５】大形車両で軸負荷が大きい場合は、図１７
のように電動機４１を２台使用し、図（ａ）、（ｂ）の
ように、差動歯車６８の前後（動輪１軸）または各差動
歯車（後輪２軸）に配し、あるいは、図（ｃ）のよう
に、左右の車輪を各々独立の減速歯車７８を介して駆動
し、左右の電動機に、Ｙ直列（低速）で等電流・異速の
差動機能を、Ｙ並列（中速）及びΔ並列（高速）では舵
角に応じた励磁差制御で当電圧・異速の差動機能を与え
る。

【０１１６】変速レバーの「Ｄ」、「２」及び「Ｌ」の
各ノッチが電動機回路のΔ並列（３速）、Ｙ並列（２
速）及びＹ直列（１速）に対応し、いずれかのノッチで
微速発進、アクセルペダル７５を踏めば加速し操作ノッ
チの変速段まで自動進段し力行、足を離せば定速制御の
回生抑速、ブレーキペダルを踏めば自動戻段を伴う回生
制動、その下限速度で車輪ブレーキ７１で停止、強く踏
めば直ちに車輪ブレーキで急停止、「Ｒ」ノッチで逆転
用接触器５１Ｒを介し界磁極生反転し後進の他は、実施
例１のものと同様であり、高落差急勾配路での非常充電
調整は、前述の図１２に示すエンジンブレーキが望まし
く、トロリーバスの場合は、集電器３４Ｐ、３４Ｎが架
線３５Ｐ、３５Ｎから外れたとき、チョッパ３０及びダ
イオード７７の逆流阻止は勿論、スイッチング素子３８
Ｐ、３８Ｎの遮断作動で、地絡や車体の帯電防止の他
は、実施例１の［架線受電］及び［回生送出］と同様で
ある。

【０１１７】運転サイクルにおける慣性抵抗Ｆi や運行
サイクルにおける勾配抵抗Ｆs の充放電処理は、前述の
図８、図９及び図１０と同様に働き、実施例１の鉄道車
両に比べ走行抵抗と車両重量との比Ｆv ／Ｗが大きい
が、駅間距離Ｓが鉄道の数分の一で且つ道路交通状況に
より途中の加速・減速や停止・再発進も加わって慣性抵
抗負荷は高頻度であり、勾配ｓも一桁大きい（％表示）
ので、制動動力率εb や抑速動力率εs が鉄道車両と同
様に大きく、動力装置の過負荷・定常負荷の効率ηp 次
第で高い電力回収率εr が得られ、本発明の効果として
エネルギ効率の著しい改善が自動車にも充分及ぶと考え
る。

【０１１８】

【発明の効果】本発明の動力装置では、鉄道車両や自動
車において、突入負荷の慣性抵抗Ｆiと重負荷の勾配抵
抗Ｆs を無効負荷Ｐn と考え主に蓄電器の充放電で処理
し、軽負荷の走行抵抗Ｆv （曲線抵抗Ｆr を含む）を実
効負荷Ｐe と考え主にエンジン発電機または架線電力で
賄うよう負荷分担し、従来の車両が無益に捨てている車
両の運動・位置のエネルギの殆どを、回生ブレーキで蓄
電器に回収し次サイクルでの再利用により、燃料や電力
の消費量が半減し、発電または給電・受電設備が著しく
軽負荷になることは前述したが、その効果は下記にも波
及している。

【０１１９】上記の蓄電器は、主に数分〜十数分で走破
の勾配落差（百数十ｍ）に見合う容量で充分のため、蓄
電池車の如き数時間分の大容量を必要とせず、小形軽量
で済むので車両重量増加は少なく、また、蓄電原理は静
止・静電的で単純、電力損失が極めて小さく（交流電力
蓄電器の約０．３％から見て１％位は可能と推定）、電
力回収率εr 向上に極めて有効で、重債務・高頻度の充
放電を繰り返しても寿命は半永久的であり、蓄電池の如
き劣化や旧品処理の問題はないので、資源・環境保全上
も誠に好都合である。

【０１２０】動力車は非電化・電化（交流・直流）を問
わず全線区に共通であり、電動装置は標準化が可能、そ
れにエンジン発電機や架線受電装置を搭載あるいは搭載
の非動力車との編成でいずれの線区にも運行可能であ
り、非電化線区でも（自動車も同様に）、電化線区と同
様な車両の走行性能（特に加速度、制御性、低騒音）を
発揮して運行効率を向上し、また、燃料給油毎の運行距
離を倍増でき、なお、蓄電池車の如き運行距離の制約は
軽く、長時間の停車を伴う充電が不要である。

【０１２１】駅間短距離や急勾配では、電動機の突入・
重負荷とは逆に、エンジン発電機や架線の負荷が軽くな
るので、発電機、変圧器、整流器等の設備容量を低減で
き、特に、中速走行が主になる駅間短距離の市街線区
や、急曲線・急勾配が多い地方線区では半容量で済み、
また、緩曲線・緩勾配や直線・平坦の区間は、その手前
の予備充電を利用して、発電・受電の設備容量を超える
走行抵抗の高速走行も可能である。

【０１２２】電化線区では、架線負荷の著しい軽減及び
平準化と単一方向の電力流で、架線の電圧降下とその電
力損失が激減（直流線区の＋２０％、−４０％や交流線
区の±２０％が数％に）するので、給電線の銅量や変電
所の設備容量を半減あるいは運転容量を倍増でき、回生
ブレーキでは架線は無負荷で電力損失ゼロ、その好影響
は関連の電力系統にも及ぶ。

【０１２３】蓄電線区が必要な数百ｍに及ぶ如き特別高
落差の急勾配区間は日本全国でもその箇所は少なく、上
述の車両内蓄電器の容量を幾分増大すれば、殆どの線区
の急勾配路でも回生電力を車両内処理して運行でき、回
生電力送出回路や変電所の逆変換設備が不要となり変電
所・架線・受電とも回路は簡潔になる。

【０１２４】エンジン発電機は、走行負荷に見合う出力
の回転数で、停車中はアイドリングに近い低速回転数で
車内負荷に給電するので、負荷の大小の全域に亘り熱効
率が良く、また、負荷が平準化されるので、排熱利用の
コ・ゼネレーションシステムの作動が安定し、車内消費
エネルギの大部分を占める冷・暖房を賄い、エンジン自
体の総合的熱効率を更に向上できる。

【０１２５】鉄道車両や大形バス等は、１車あたり軸出
力２００ＫＷ前後に及ぶ設備容量に対し、相応の容量の
発電プラントとして排熱利用は肝要であり、特に冷房用
として、吸収式等の冷却機を含む車載型の熱交換器の出
現を期待する。

【０１２６】なお、高速ディーゼルエンジンで発電機の
定格を超える回転数で駆動し、定格を超える発電電圧を
制御整流すれば、銅損増加なく定格を超える電力出力が
得られるので、エンジン発電機は著しく小形・軽量にで
き、例えば、前述の表１に示すＹ接続定格１２０ＫＷ、
１５００ｒｐｍの無整流子電動機の過電圧・過速度耐量
が大きな電機部分を利用し、Δ接続、３６００ｒｐｍで
単機定常出力３００ＫＷが得られ、前述の表４の「発電
給電」に示すように、電動機４台の動力車を１００ｋｍ
／ｈまで運転可能となる。

【０１２７】直流無整流子電動機は、他励界磁で制御性
良く、トルク特性は整流子電動機と同様に強力、特に高
速域で突入負荷にも低損失で回生効率を高め、過電圧や
過負荷耐量が大きく車両用として最適であり、鉄道車
両、自動車とも、制御装置を含み略々共通の電機設計で
標準シリーズ化し量産効果を期待する。

【０１２８】従来の整流子電動機を持つ電動車両を流用
し、本発明の如く制御装置を改造して動力車４２とし、
電源車４０を組み合わせて非電化線区を、受電装置の改
造を加えて電化線区を運行すれば、著しい省エネと旧車
両の活性化が期待できる。

【０１２９】蓄電器は、最近の電気自動車の開発に伴
い、低圧（１５〜１２０Ｖ）では静電容量１００〜３３
０Ｆ級ものが出現し、既に単独または蓄電池との併用で
試用段階にあり、本発明の実施例では、前述の表１に示
す如き５００Ｆ（７５０〜１５００Ｖ）の如き大容量・
高耐圧のものも、その分野の技術開発・進歩次第で充分
可能と考える。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の動力装置の全体を示し、（ａ）は主
回路図、（ｂ）は機器配置図である。

【図２】蓄電器の充放電特性を蓄電池と比較して示す線
図で、（ａ）は蓄電器、（ｂ）は蓄電池のものを示す。

【図３】実施例１のエンジン発電機の、回転数全域に亘
る出力、トルク、燃料消費率や各種の作動特性を示す線
図である。

【図４】直流無整流子電動機を使用した実施例１の、電
動装置の主回路を示す回路図。

【図５】直流無整流子電動機を使用した実施例１の、動
力装置の制御機構を示す系統図。

【図６】実施例１で、２組の電機子巻線を持つ直流無整
流子電動機を使用した場合の、電動装置の主回路を示す
回路図。

【図７】実施例１で、直流直巻電動機を使用した場合
の、電動機主回路を示す回路図。

【図８】車両の駅間の運転サイクルにおける慣性抵抗に
関する諸量の状態を示す線図で、（ａ）は物理的諸量
を、（ｂ）は電気的諸量を示す。

【図９】平坦路と勾配路を等速走行する場合（Ｃａｓｅ
−Ｉ）の、勾配抵抗に関する諸量の状態を示す線図で、
（ａ）は物理的諸量を、（ｂ）は電気的諸量を示す。

【図１０】勾配路では平坦路より減速して走行する場合
（Ｃａｓｅ−ＩＩ）の、勾配抵抗に関する諸量の状態を
示す線図で、（ａ）は物理的諸量を、（ｂ）は電気的諸
量を示す。

【図１１】図１の２組の電機子巻線の代わりに、エンジ
ン発電機２台を連結して使用する場合の、電機子及び回
転界磁の位相を示す図。

【図１２】図１のエンジン発電機にエンジンブレーキ機
能を付加した場合の回路図。

【図１３】実施例１の車両の動力装置に、交流架線電力
受電装置を配した場合の回路図。

【図１４】図１の架線受電関係回路の別案を示す回路
図。

【図１５】図１の架線受電関係回路の別案を示す回路
図。

【図１６】実施例２の動力装置の全体を示し、（ａ）は
機器配置図、（ｂ）は主回路図である。

【図１７】実施例２の動力装置に２台の電動機を配した
場合の動輪軸系統図で、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３様
について示す。

【符号の説明】

１ エンジン、 ２ 発電機 ３Ｆ 界磁 ３ａ、３ｂ、３Ａ 電機子巻線 ３Ｔ 受電変圧器 ４ 制御箱 ４ｙ、４δ 接触器（Ｙ、Δ） ５ 整流器箱 ５ａ、５ｂ、５Ｔ 整流器 ６ａ、６ｂ ６Ｔ リアクトル ７Ｓ、７Ｐ 接触器（直列、並列） ８、１２、１３、３３ 回路遮断器 ９Ｐ、９Ｎ 主電源線（正極、負極） １０、蓄電器 １１ 断路器 １４、インバータ １５ 変圧器 １６ 整流器 １７ 蓄電池 １８ 燃料槽 １９ 熱交換器 ２０、２１、２６Ｄ、３０Ｄ、３８Ｄ、３９ ダイオー
ド ２２ 電動機回路 ２３ リアクトル ２４、２５、２９ 接触器（電動、回生、発電ブレー
キ） ２４Ｓ スイッチング素子（電動） ２５Ｄ ダイオード（回生） ２６、２７、３０ チョッパ ２８ 抵抗器 ３１ コンデンサ（ろ波用） ３２ リアクトル（ろ波用） ３４、３４Ｐ、３４Ｎ 集電器 ３５、３５Ｐ、３５Ｎ 架線 ３６ 車軸接地器 ３７ 軌道 ３８、３８Ｎ スイッチング素子（回生送出） ３０Ｃ、３８Ｃ 接触器（受電、回生送出） ４１ 電動機 ４１Ａ、４１ａ、４１ｂ 電機子巻線 ４１Ｆ 界磁 ４０ 電源車 ４２ 動力車 ４３ 制御箱 ４４ 補機 ４５ 受電箱 ４６、４６ａ、４６ｂ インバータ ４７ 分配器 ４８、４８ａ、４８ｂ Ｙ・Δ切り替え回路 ４９ 直・並列切り替え回路 ４９Ｓ 接触器、ダイオード（直列） ４９Ｐ 接触器、スイッチング素子（並列） ５０ 整流器 ５２ 還流ダイオード ５１ 正・逆転切り替え回路 ５１Ｆ、５１Ｒ 接触器（正転、逆転） ５３ 主幹制御器 ５４ 主制御装置 ５５ 速度センサ ５６ 表示盤 ５７、５８、５９、６０、６１電流センサ ６２Ｓ、６２Ｐ、６３Ｓ、６３Ｐ 接触器 ６４ 軸接手 ６５ 接触器（エンジンブレーキ、回生送出） ６６ 変速歯車 ６７ 伝導軸 ６８ 差動歯車 ６９ 動輪 ７０ 遊輪 ７１ 車輪ブレーキ ７２ ブレーキペダル ７３ 舵取ハンドル ７４ 変速レバー ７５ アクセルペダル ７６ パーキングブレーキレバー ７７ ダイオード 図３の符号 Ｎ 回転数 Ｔ トルク Ｐ 出力 Ｆe 燃料消費率 Ｐo 発電機容量 Ｐe エンジン出力 Ｐg 発電機出力 Ｎio、Ｎyo、Ｎδo 回転数 Ｎymin、Ｎδmin 最低回転数 Ｎimax、Ｎymax、Ｎmax 最高回転数 Φi 、Φy 、Φδ 磁束 Φo 定格磁束 Φimax、Φymax、Φδmax 過励磁磁束 Ｅi 、Ｅy 、Ｅδ 起電力 Ｅio、Ｅyo、Ｅδo 定格起電力 Ｅimax、Ｅymax、Ｅδmax 最高起電力 Ｖo 定格電圧 δＶ 電圧変動 Ｖ 蓄電電圧 Ｐio、Ｐyo、Ｐδo 発電機基本定格容量 Ｐmax 発電機最大容量 Ｐemin エンジン最低出力 Ｐgmin 発電機最低出力 Ｐemax エンジン最大出力 Ｐgmax 発電機最大出力 Ｔmax 最大トルク Ｔpm 最大出力トルク 図２、図８、図９及び図１０の符号 Ｖo 、Ｖ、δＶ 図３に同じ Ｉ 充放電電流 ｒ 内部抵抗 ｅc 、ｅd 分極作用起電力 Ｗc 充放電電力量 ηc 充放電効率 ｖ、ｖL 、ｖH 、ｖo 、ｖs 走行速度 ｖca 定加速度上限速度 ｖb 回生下限速度 α 加速度 β 減速度 ｓ 勾配 Ｈ 高度差（勾配落差） ｔa 加速時間 ｔv 定常走行時間 ｔb 制動時間 ｔ 走行時間、 充放電時間 ｔst 停車時間 ｔat、ｔbt 定トルク加速・減速時間 ｔap、ｔbp 定出力加速・減速時間 Ｓa 加速距離 Ｓv 定常走行距離 Ｓb 制動距離 Ｆv 走行抵抗 Ｆi 、Ｆia、Ｆib 慣性抵抗 Ｆs 勾配抵抗 Ｆda 加速牽引力 Ｆdv 定常牽引力 Ｆb 制動力、抑速抵抗 Ｆd 力行抵抗、 Ｗea、Ｗev、Ｗeb 実効仕事量（加速時、定常走行時、
制動時） Ｗi 、Ｗia、Ｗib 慣性仕事量 Ｗe 実効仕事量 慣性仕事量 Ｗd 消費仕事量 Ｗda、Ｗdv、Ｗb 仕事量（加速時、定常走行時、制動
時） Ｗmd 電動入力電力量 Ｗmb 回生出力電力量、 Ｗc 充放電電力量 Ｗca 放電電力量 Ｗcb 充電電力量 Ｗwb 車輪ブレーキ損失 Ｗg 発電電力量 Ｐg 発電電力 Ｐc 充放電電力 Ｐi 車内消費電力 Ｐd 力行負荷 Ｐb 抑速負荷 Ｐv 定常走行負荷 Ｐs 勾配抵抗負荷 Ｐmd 力行電力 Ｐmb 回生電力 ｐd 電動損失 ｐb 回生損失 Ｐmda 加速電動電力 Ｐca 加速放電電力 Ｐcb 制動充電電力 Ｐmdv 定常走行電動電力 Ｐcv 定常走行充電電力 Ｐt 架線受電電力 Ｐgadj 調整給電電力 Ｐcadj 予備・調整充放電電力 Ｓadj 予備・調整充放電距離

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両内に、蓄電器と、エンジン発電機及
   び整流器、交流受電変圧器及び整流器または直流受電用
   チョッパを配し、車両の慣性抵抗負荷及び勾配抵抗負荷
   を主に蓄電器の充放電で、走行抵抗負荷と車両内設備の
   消費電力を主にエンジン発電機または架線電力で分担す
   るよう構成した、車両の主電源装置。
2. 【請求項２】 エンジン発電機の３相交流電機子巻線の
   Ｙ・Δ切り替え回路を配し、エンジン回転数の中速域で
   Ｙ接続、高速域でΔ接続し、その両者で整流器を介して
   同一の直流定格電圧で給電するよう構成し、あるいは、
   それらを２組配して直・並列切り替え回路を付加し、エ
   ンジンのアイドリングを含む低速域でも同一の直流定格
   電圧の給電を可能とした、発電装置。
3. 【請求項３】 交流発電機を、全励磁のままで定格を超
   える回転数で駆動し、制御整流で定格電圧に変成して、
   銅損増加なく定格を超える電力出力を得るよう構成し
   た、発電装置。
4. 【請求項４】 交流発電機の３０度の位相差を持つ２組
   の３相電機子巻線または３０度の位相差で連結した２台
   の発電機の３相電機子巻線に、それぞれ３相ブリッジ整
   流回路を配し、直流側で直列または並列に接続して、１
   ２相交流の整流出力を得るよう構成した、直流電源装
   置。
5. 【請求項５】 電動機回路（２２）の一方に２個の接触
   器（２４）、（２５）またはスイッチング素子（２４
   Ｓ）及びダイオード（２５Ｄ）を、他方にリアクトル
   （２３）を介して２個のチョッパ（２６）、（２７）ま
   たは各１個のダイオード（２６Ｄ）及びチョッパ（２
   ７）を配してブリッジ回路を形成し、主電源の正極（９
   Ｐ）と負極（９Ｎ）にそれぞれ接続し、電動機回路（２
   ２）の電流方向が電動、回生とも同一になるよう構成し
   た、電動装置の運転主回路。
6. 【請求項６】 チョッパ（３０）等の逆流阻止機能を持
   つ制御素子または制御機器を受電回路に配し、蓄電器
   （１０）の異常突入充電電流を抑制及び・または蓄電電
   圧に合わせ電力制御して受電し、回生・蓄電電力の逆流
   出を阻止するよう構成した、車両の架線電力受電装置。
7. 【請求項７】 ダイオード（２６Ｄ）、（３０Ｄ）を請
   求項５のチョッパ（２６）とリアクトル（２３）及び受
   電回路との間にそれぞれ配し、該チョッパを蓄電器（１
   ０）の異常突入充電電流の抑制及び受電電力制御に兼用
   し、ダイオード（３０Ｄ）で回生・蓄電電力の逆流出を
   阻止するよう構成した、車両の架線電力受電装置。
8. 【請求項８】 請求項４の運転主回路の接触器（２４）
   とチョッパ（２６）との間に挿入したダイオード（３
   ９）の入力側と受電回路との間に、ダイオード（３８
   Ｄ）及び接触器（３８Ｃ）またはスイッチング素子（３
   ８）を配し、回生電力を架線に送出し且つ蓄電器（１
   ０）の蓄電電力が架線に逆流出しないよう構成した、車
   両の回生電力送出装置