JPH09219902A - 列車の集電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電車の集電は線路とき電導体（第三軌条）か
ら車輪とパンタグラフを介して行われることが多いが、
輸送速度を高速化すると、摩擦接触するパンタグラフ等
が摩耗して寿命短縮の嫌いがあり、この現象の生起を防
ぐ手段が備わった列車の集電装置を提供することを目的
とする。 【解決手段】 電源３と駆動源４と電極装置５を備えた
列車の集電装置において、車両１への集電をき電導体
（第三軌条）２・集電用の電極51間にエアギャップを設
けて、駆動源４に非接触集電すると共に、先のエアギャ
ップが常に一定になるようにセンサを介して監視し、サ
ーボ演算して電極の位置を制御し、走行中の揺れ等でギ
ャップが変動して通電抵抗が変動することを防止して安
定した長寿命の走行を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速走行する列車が電
力を集電する集電手段に係り、そこに適用される電極装
置を用いた列車の集電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の列車の集電手段は、車輪とパンタ
グラフを用いてそれぞれレールとき電導体（第三軌条）
に接触させ、回転ないし摺動摩擦している状態で集電す
るのが殆どであった［以下、これを『従来例』とい
う］。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが従来例におい
て、輸送効率を向上させるために列車の走行速度を上げ
て行くと、摺動摩擦しているパンタグラフ等の寿命は短
くなる一方であり、またそれだけでなく、パンタグラフ
がき電導体（第三軌条）の撓みに追従できなくなり非接
触となる事態が発生し、良好な走行状態が行われなくな
るという懸念がある。ここにおいて、本発明は、従来例
の課題を解決するように、き電導体（第三軌条）から高
速走行時でも、非接触で安定した集電が可能な列車の集
電装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、き電導体（第三軌条）と集電用の電極間
に、エアギャップを一定となるようにフィードバック制
御して、一定のギャップを介して非接触の集電をする。
こうすることによって、摩擦を無くして高速走行を可能
にし、集電経路のエアギャップを一定に保ち、安定した
集電によって列車を高速安定走行させることができる。
さらに、一定のギャップを介して非接触の集電をするア
クチュエータ手段において、高い応答性のアクチュエー
タは制御できるストロークが小さいことが多いため、高
速走行時に受ける風圧が変動する等して車両が大きく上
下するときは制御範囲を越えてしまい、安定した集電が
損なわれることがあるから、電極をアクチュエータごと
変位させ、該アクチュエータよりストロークが大きく、
低い周波数特性の第２のアクチュエータを併設し、２重
にギャップを制御するようにして対応している。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、電源と駆動源と電極装置を備え、前記電源が前記電
極装置を介して第三軌条であるき電導体から集電し、前
記駆動源に電力を供給して走行する列車の集電装置にお
いて、前記電極装置に設けたエアギャップを隔てて前記
き電導体に対向する電極を、前記走行する列車車両に対
して可動にすると共に、前記き電導体と前記電極間を一
定のエアギャップに保持して集電・走行することを特徴
とする列車の集電装置としたものであり、摩擦を無くし
て、高速走行を可能にし、集電経路のエアギャップを一
定に保ち、安定した集電によって列車を高速安定走行さ
せることができるという作用を有する。

【０００６】請求項２に記載の発明は、前記電極と、前
記電極を絶縁部材を介して取り付け前記電極を操作する
アクチュエータと、前記エアギャップを検出しギャップ
検出値を送出するギャップセンサと、前記アクチュエー
タを駆動する駆動装置と、前記エアギャップの指令値と
前記ギャップ検出値とのギャップ偏差から位相を演算・
制御するギャップ制御器と、前記電極と前記電源を接続
する絶縁ケーブルからなり、前記ギャップ検出値に対応
して前記ギャップ制御器が働き、前記ギャップ制御器か
ら前記駆動装置に指令を与えて前記アクチュエータを駆
動し、前記エアギャップを一定に保持するこを特徴とす
る請求項１記載の列車の集電装置としたものであり、き
電導体（第三軌条）と集電用の電極間にエアギャップが
一定となるようにフィードバック制御して、一定のギャ
ップを介して非接触の集電ができるという作用を有す
る。

【０００７】請求項３に記載の発明は、前記電極が固着
された可動子鉄心と、該可動子鉄心に固着された変位検
出棒と、前記電極と前記変位検出棒が平行にスライドで
きるよう支持するガイドと、前記可動子鉄心と空隙を介
して対向し２つの電磁石から成る固定子と、該固定子に
対する前記可動子鉄心の位置を検出する変位センサと、
前記固定子に電流を供給する２つの増幅器と、前記指令
値と前記検出値の信号を比較し両者のギャップ偏差を導
出する比較器と、前記ギャップ制御器からの制御信号と
前記変位センサからの変位信号を受けて前記２つの増幅
器に指令を与え、前記固定子が前記可動鉄心に及ぼす支
持力を前記制御器の指令と比例関係となるよう補償する
補償器とを備え、前記エアギャップを前記エアギャップ
の指令値と等しくなるようフィードバック制御すること
を特徴とする請求項２記載の列車の集電装置としたもの
であり、フィードバック制御が正確・迅速になされ電極
のスライド動作が円滑行われるという作用を有する。

【０００８】請求項４に記載の発明は、前記補償器から
の補償信号を、前記２つの増幅器の１つへ与えて前記電
極を下降・上昇させ、もしくは両方へバイアスを与えて
一方を増加させると同時に他方を減少させて前記電極を
下降・上昇させることを特徴とする請求項３記載の列車
の集電装置としたものであり、極く微小時間の過渡的な
変位に対しても、電極の位置保持にバイアス的な役目を
果たすという作用を有する。請求項５に記載の発明は、
前記２つの固定子のうちの一方の固定子をバネに代え
て、前記電極を常時特定の方向に押し付け、他方の固定
子が前記特定方向と逆向きの方向の力を発生して前記エ
アギャップを一定に保持・制御することを特徴とする請
求項３記載の列車の集電装置としたものであり、一方の
固定子の削減に基づき設備のコスト低減と設備の簡略化
になるという作用を有する。

【０００９】請求項６に記載の発明は、前記き電導体に
対して前記電極が、低い周波数特性を持って大きな変位
に対応する前記アクチュエータの第１の構成手段と、高
い周波数特性を持って小さな変位に対応する前記アクチ
ュエータの第２の構成手段と、をそれぞれ具備したこと
を特徴とする請求項２記載の列車の集電装置としたもの
であり、変位の大きさに対応した迅速な効率的な電極の
スライド動作が可能となるという作用を有する。

【００１０】請求項７に記載の発明は、第１の前記アク
チュエータと前記電極を一緒に移動させる第２のアクチ
ュエータを備えて成り前記エアギャップを可変にする手
段として第１及び第２のアクチュエータと、該第１及び
第２のアクチュエータの駆動装置と、前記ギャップセン
サの信号をフィードバックして位相制御し前記第１及び
第２の駆動装置に指令する第１及び第２のギャップ制御
器を設けると共に、前記第２のアクチュエータを含むギ
ャップ制御ループの前記電極のストロークが、前記第１
のアクチュエータを含むギャップ制御ループの電極のス
トロークより広く、前記第１のアクチュエータを含むギ
ャップ制御ループの周波数帯域が、前記第２のアクチュ
エータを含むギャップ制御ループの周波数帯域より高周
波であるように構成したことを特徴とする請求項６記載
の列車の集電装置としたものであり、重畳的な電極移動
がより確実になされ得るという作用を有する。請求項８
に記載の発明は、前記き電導体が、前記走行する列車に
対向する固定部に敷設されたレール形状で構成すること
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかの項に
記載の列車の集電装置としたものであり、車両の高速走
行に対してもき電導体（第三軌条）の変動が比較的に少
なくエアギャップの調整が短時間に可能になるという作
用を有する。

【００１１】以下、本発明の実施の形態について、図面
を順次用いて説明する。 （実施の形態１）図１は、本発明を適用した列車要部の
概略構成を表す説明図である。図１において、１は車
両、２はき電導体（第三軌条）、３は電源、４は駆動
源、５は電極装置、51は電極である。電極51はき電導体
（第三軌条）２に対向して所定のエアギャップを介して
設けており、車両１内に固定された電極装置５において
上下方向にスライド可能に装着されている。車両１が走
行してき電導体（第三軌条）２の表面の凹凸などにより
前記エアギャップが変動しようとするとき、図示しない
ギャップセンサ［図２以下で後述］からのギャップ検出
信号を受けて、電極装置５が上下にスライド動作し電極
51を変位させ、前記エアギャップが一定に保たれる。

【００１２】図２は、集電手段としての電極装置の全体
の電気的回路構成と一部の機械的機構の構成を示す説明
図である。図２において、棒状電極51はき電導体（第三
軌条）２の表面から集電できる対向する表面積と走行方
向に対しての横揺れをカバーできる横幅を備えており、
51a は固定子52a または固定子52b に吸引される可動子
鉄心、51b は可動子鉄心51a の変位を表す変位検出棒、
51c は絶縁部材でありこれらは一体に形成されている。
52a,52bは可動子鉄心51a とエアギャップを介して上下
に配置された車両内の固定側に固定された電磁石で形成
される固定子、53a,53b は電極51と変位検出棒51b 等を
支持して上下方向のスライド移動のみを可能とし固定側
に固定され摩擦の極めて少ないガイド（支持部材）であ
る。可動子鉄心51a と、変位検出棒51b と、ガイド53a,
53b と、固定子52a,52b とで電極51を上下に移動させる
アクチュエータを成している。54a,54b はそれぞれ固定
子52a,52b に電流を供給する増幅器、55は補償器( 詳細
は後述) 、58a は固定子52a,52b に対する可動子鉄心51
a の位置を検出する変位センサである。変位センサ58a
と、増幅器54a,54b と補償器55 とで前記アクチュエー
タを駆動する駆動装置を成している。

【００１３】58bはき電導体（第三軌条）２と電極51間
のエアギャップを検出するギャップセンサ、55はギャッ
プ制御器56からの信号に対応して固定子52a,52b が可動
子鉄心51a を磁気吸引力で支持する支持力が生じるよう
補償演算を行う補償器、57はギャップ指令値Ｇｓとギャ
ップセンサ58b の検出値の両信号を比較しギャップ偏差
を算出する比較器である。比較器57と、ギャップ制御器
56と、エアギャップセンサ58b でエアギャップの位相制
御手段を成している。59は電極51と図示しない電源とを
接続した絶縁ケーブルである。エアギャップ制御器56の
信号と変位センサ58a の信号を受けて増幅器54a,54bに
指令を送る補償器55は、磁気吸引力によって可動鉄心51
a を支持する固定子52a,52b の支持力が制御器56の信号
に比例するように補償する。つまり、増幅器54a,固定子
52a が働き磁気吸引力によって可動鉄心51a を下降さ
せ、増幅器54b,固定子52b が働き磁気吸引力によって可
動鉄心51a を上昇させるが、一方を可動的に他方をバイ
アス的に使用するようにしても良い。このような構成に
おいて、ギャップセンサ58b が電極51とき電導体（第三
軌条）２間のギャップを検出した検出値と、ギャップ指
令値Ｇs とを比較して、差があればギャップ制御器56が
働いてスライド指令を出す。このスライド指令を受けた
補償器55は増幅器54a,54b を介して固定子52a,52b に電
流を与え、可動鉄心51a を変位させる。そして、電極51
とき電導体（第三軌条）２間のギャップが、指令値Ｇs
に近づいて行く。この動作が継続するので、車両１が走
行しても前記エアギャップが一定に保たれる。

【００１４】（実施の形態２）図３は、図２の一部を変
形して他の構成とした要部の説明図である。図３におい
て、50は固定部間に装着したバネ［もっとも、可動子鉄
心51a の下部端面と固定部間に装着してもよいが、その
ときは固定子は52a(図２参照）を使う］であり、下側は
可動鉄心51a の上部端面に接し上側は図示しない固定側
に固着されて圧縮された状態で装着されており、可動鉄
心51a を常時下側に押し付けている。そして、可動鉄心
51a は、図示しないストッパで所定の位置までしか（下
方への）変位をしないようになっている。このような構
成において、固定子52b に電流を供給すると可動鉄心51
a に吸引力が働いてバネで押されている可動鉄心51a を
引き上げる。そして、図２と同様にフィードバック制御
をすることによって、エアギャップが指令値Ｃs に等し
くされいて一定のギャップに保たれる。

【００１５】（実施の形態３）図４は、本発明の実施の
形態３の回路構成を示すブロック図である。図４におい
て、61は電車線を成すき電導体（第三軌条）２と電極51
間のエアギャップを可変にする第１のアクチュエータ、
62は第１のアクチュエータ61と電極51を一緒に装着［搭
載］してエアギャップを可変にする第２のアクチュエー
タ、71は第１のアクチュエータ61を駆動する第１の駆動
装置、72は第２のアクチュエータ62の駆動装置、56a は
エアギャップセンサ58b の検出信号を受けてエアギャッ
プが所定の大きさになるよう位相制御して第１の駆動装
置71に指令を送る第１のギャップ制御器、56b はエアギ
ャップセンサ58b の検出信号を受けてエアギャップが所
定の大きさになるよう位相制御して、第２の駆動装置72
に指令を送る第２のギャップ制御器であり、ケーブル59
（不図示）は電極51（図２，図３参照）と図示しない列
車の電源を接続している。なお、これらは全て車両内に
配置されており、電極51と第１のアクチュエータ61とは
電気的に絶縁されている。また、第２のアクチュエータ
62が電極51ごと第１のアクチュエータ61を駆動するスト
ロークは、電極51を駆動する第１のアクチュエータ61の
ストロークより大きく、さらに、第２のアクチュエータ
62を含むギャップ制御ループの周波数特性は、第１のア
クチュエータ61を含むギャップ制御ループの周波数特性
より低く抑えられている。

【００１６】以上の構成において、列車が高速走行する
とき、き電導体（第三軌条）２の表面粗さ等に起因して
ストロークは小さいが高周波のギャップの変動が生じ
る。一方、風圧変動によって車両全体が揺れるが、車両
の重量が大きいので低周波のギャップの変動が生じる。
これらのギャップ変動に対して上記の本発明装置が作動
すると、車両１（電極51）とき電導体（第三軌条）２間
の相対変位のうちの低周波で大きな変動は、第２のギャ
ップ制御器56a を含む制御ループで制御され、小振幅で
高周波の振動は、第１のギャップ制御器56a を含む制御
ループで制御される。風圧変動がなく、車両１とき電導
体（第三軌条）２間の相対位置の変動が小さいときは、
第２のギャップ制御器56b を含む制御ループは殆ど作動
せず、第１のギャップ制御器56a を含む制御ループが作
動し、前記ギャップを一定となるよう制御される。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電極が
き電導体（第三軌条）と接触することなく非接触の状態
で集電するので、集電部の摩擦による走行速度の制限が
なく、ギャップが一定に保たれるから、集電経路のエア
ギャップが一定して電流に乱れがなく、安定した高速走
行が可能になって、列車の高速化を可能にして輸送速度
を上げるという有利な効果が得られる。さらに、き電導
体（第三軌条）と電極間のギャップを制御領域を２重に
制御するため、車両が大きく揺れることがあっても、ギ
ャップは常に一定に制御され、非接触集電の効用を最大
に発揮でき、列車の安定した高速走行を可能とする特段
の効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における列車要部の概要
構成を示すブロック図

【図２】本発明の実施の形態１における集電手段として
の電極装置の全体を表す電気的回路構成と一部の機械的
機構の構成を説明する図

【図３】本発明の実施の形態２における集電手段として
の電極装置の全体を表す電気的回路構成と一部の機械的
機構の構成を説明する図

【図４】本発明の実施の形態３における回路構成を示す
ブロック図

【符号の説明】

１ 車両 ２ き電導体（第三軌条） ３ 電源 ４ 駆動源 ５ 電極装置 50 バネ 51 電極 51a 可動子鉄心 51b 変位検出棒 51c 絶縁部材 52a,52b 固定子 53a,53b ガイド 54a,54b 増幅器 55 補償器 56 ギャップ制御器（位相制御器） 56a 第１のギャップ制御器 56b 第２のギャップ制御器 57 比較器（ギャップの偏差算出） 58a 変位センサ 58b ギャップセンサ 59 絶縁ケーブル 61 第１のアクチュエータ 62 第２のアクチュエータ 71 第１の駆動装置 72 第２の駆動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 勇輔 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電源と駆動源と電極装置を備え、前記電源
   が前記電極装置を介して第三軌条であるき電導体から集
   電し、前記駆動源に電力を供給して走行する列車の集電
   装置において、 前記電極装置に設けたエアギャップを隔てて前記き電導
   体に対向する電極を、前記走行する列車車両に対して可
   動にすると共に、前記き電導体と前記電極間を一定のエ
   アギャップに保持して集電・走行することを特徴とする
   列車の集電装置。
2. 【請求項２】前記電極と、 前記電極を絶縁部材を介して取り付け前記電極を操作す
   るアクチュエータと、 前記エアギャップを検出しギャップ検出値を送出するギ
   ャップセンサと、 前記アクチュエータを駆動する駆動装置と、 前記エアギャップの指令値と前記ギャップ検出値とのギ
   ャップ偏差から位相を演算・制御するギャップ制御器
   と、 前記電極と前記電源を接続する絶縁ケーブルからなり、 前記ギャップ検出値に対応して前記ギャップ制御器が働
   き、前記ギャップ制御器から前記駆動装置に指令を与え
   て前記アクチュエータを駆動し、前記エアギャップを一
   定に保持するこを特徴とする請求項１記載の列車の集電
   装置。
3. 【請求項３】前記電極が固着された可動子鉄心と、 該可動子鉄心に固着された変位検出棒と、 前記電極と前記変位検出棒が平行にスライドできるよう
   支持するガイドと、 前記可動子鉄心と空隙を介して対向し２つの電磁石から
   成る固定子と、 該固定子に対する前記可動子鉄心の位置を検出する変位
   センサと、 前記固定子に電流を供給する２つの増幅器と、 前記指令値と前記検出値の信号を比較し両者のギャップ
   偏差を導出する比較器と、 前記ギャップ制御器からの制御信号と前記変位センサか
   らの変位信号を受けて前記２つの増幅器に指令を与え、
   前記固定子が前記可動鉄心に及ぼす支持力を前記制御器
   の指令と比例関係となるよう補償する補償器とを備え、
   前記エアギャップを前記エアギャップの指令値と等しく
   なるようフィードバック制御することを特徴とする請求
   項２記載の列車の集電装置。
4. 【請求項４】前記補償器からの補償信号を、前記２つの
   増幅器の１つへ与えて前記電極を下降・上昇させ、もし
   くは両方へバイアスを与えて一方を増加させると同時に
   他方を減少させて前記電極を下降・上昇させることを特
   徴とする請求項３記載の列車の集電装置。
5. 【請求項５】前記２つの固定子のうちの一方の固定子を
   バネに代えて、前記電極を常時特定の方向に押し付け、
   他方の固定子が前記特定方向と逆向きの方向の力を発生
   して前記エアギャップを一定に保持・制御することを特
   徴とする請求項３記載の列車の集電装置。
6. 【請求項６】前記き電導体に対して前記電極が、 低い周波数特性を持って大きな変位に対応する前記アク
   チュエータの第１の構成手段と、 高い周波数特性を持って小さな変位に対応する前記アク
   チュエータの第２の構成手段と、をそれぞれ具備したこ
   とを特徴とする請求項２記載の列車の集電装置。
7. 【請求項７】第１の前記アクチュエータと前記電極を一
   緒に移動させる第２のアクチュエータを備えて成り前記
   エアギャップを可変にする手段として第１及び第２のア
   クチュエータと、 該第１及び第２のアクチュエータの駆動装置と、 前記ギャップセンサの信号をフィードバックして位相制
   御し前記第１及び第２の駆動装置に指令する第１及び第
   ２のギャップ制御器を設けると共に、 前記第２のアクチュエータを含むギャップ制御ループの
   前記電極のストロークが、前記第１のアクチュエータを
   含むギャップ制御ループの電極のストロークより広く、 前記第１のアクチュエータを含むギャップ制御ループの
   周波数帯域が、前記第２のアクチュエータを含むギャッ
   プ制御ループの周波数帯域より高周波であるように構成
   したことを特徴とする請求項６記載の列車の集電装置。
8. 【請求項８】前記き電導体が、前記走行する列車に対向
   する固定部に敷設されたレール形状で構成することを特
   徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかの項に記載
   の列車の集電装置。