JP3967569B2

JP3967569B2 - Regenerative brake

Info

Publication number: JP3967569B2
Application number: JP2001268770A
Authority: JP
Inventors: 宏和加藤; 栄石川; 勉齋藤
Original assignee: Central Japan Railway Co
Current assignee: Central Japan Railway Co
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: JP2003088090A

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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a regenerative brake for a railway vehicle.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is an eddy current brake that performs braking by electromagnetic induction using a three-phase alternating current as disclosed in, for example, JP-A-61-266064. As shown in FIG. 6, the eddy current brake 100 is provided at a position facing the disc surface 104 and a brake disc 102 attached to the axle 106 so that the disc surface 104 is perpendicular to the axle 106. And a stator 108 that generates a moving magnetic field that moves in a direction opposite to the rotation direction of the disk 102. As shown in FIG. 7, the eddy current brake 100 moves the moving magnetic field so that the slip becomes 1 or more. The moving magnetic field excites the stator 108 to generate an eddy current on the board surface 104. Then, a force acting in the direction opposite to the rotation direction of the brake disk 102 acts on the brake disk 102 due to Fleming's left-hand rule, and braking is performed using this force.
[0003]
  In this eddy current brake 100, most of the kinetic energy of the wheel 110 is converted into heat energy by the eddy current flowing through the brake disc 102, and the brake disc 102 is heated. On the other hand, the temperature of the brake disc 102 is higher than a certain temperature.AndIt is known that this is not preferable in terms of structure. Therefore, in the conventional eddy current brake 100, the brake disk 102 is thickened to increase the heat capacity and improve the heat radiation efficiency, and a cooling device such as a fan is provided to forcibly cool the brake disk 102. The brake disc 102 is prevented from becoming higher than a certain temperature.
[0004]
By the way, in order to increase the speed of a train vehicle such as a Shinkansen vehicle, it is necessary to reduce the vehicle weight and strengthen the braking force. For example, an eddy current brake used in a current Shinkansen vehicle is composed of an iron disk attached to an axle and a field coil attached to a carriage. The field coil is arranged so as to have the same polarity across the disk, and the excitation power source is obtained by converting the tertiary winding (AC 440V) of the main transformer to direct current by the rectifier circuit of the mixed bridge like the auxiliary circuit. Is used. This eddy current brake is advantageous in terms of maintenance because there are no mechanical wear parts. However, since this is a system in which the kinetic energy of the vehicle is changed to the disc heat generation to obtain a braking force, when a large braking force is obtained as described above, the heat generation becomes large and the temperature of the axle is also increased. Therefore, in order to prevent this, it is necessary to increase the thickness of the brake disk 102 to increase the heat capacity, etc., or to install a fan, resulting in an increase in weight.
[0005]
In view of this problem, the applicant of the present application disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-176803 a brake that performs braking by electromagnetic induction and that is small and lightweight even if the braking force is larger than that of an eddy current brake. The present invention excites a traveling magnetic field with an AC three-phase winding instead of an exciting coil, and makes a DC induction eddy current disc brake a linear induction generator, thereby regenerating part of the kinetic energy by the brake, It is a brake system that consumes the rest as heat with a disc. The disk has a three-layer structure in which an iron disk for generating magnetic flux is sandwiched from both sides by copper or aluminum, which is a good conductor that allows eddy currents to flow easily. The reaction plate of a general linear induction motor has the same structure. The brake system is energy-saving in that it can regenerate electric power, and has an advantage in that the amount of heat that can be regenerated can reduce disk heat generation and reduce the size of the disk.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the current system, the gap between the magnetic core and the disk surface is 12 mm, which is relatively larger than other linear motor systems. The relative permeability of good conductors (copper, aluminum, etc.) on the disk surface is almost equal to air. For this reason, the magnetic gap is the sum of the thickness of the air gap and the good conductor, and is currently over 20 mm. If this magnetic gap can be reduced, the magnetic flux can be increased, and the thrust of the linear induction motor can be improved. However, since the air gap in this system is set in consideration of the right / left turn guidance of the traveling wheel shaft, it is difficult to greatly reduce the gap itself. Further, when the thickness of the good conductor is reduced, the resistance is increased and the eddy current is reduced. As a result, the electromagnetic force is reduced and the thrust is reduced, which is difficult.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a regenerative brake that brakes by electromagnetic induction and that is small and light even when the braking force is increased compared to an eddy current brake and that can generate thrust efficiently. And
[0008]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
The regenerative brake of the present invention that achieves the above object will be described with the graph showing the characteristic curve of the induction machine shown in FIG. 7. , Braking is performed in a range where the slip is less than zero. When braking is performed in such a range where the slip is less than 0, a part of the kinetic energy of the railway vehicle is regenerated to the power source side at the time of braking. Since the amount of energy converted into energy decreases, the amount of heat generated in the brake disc is small. Therefore, when the regenerative brake of the present invention is used, it is not necessary to increase the heat capacity of the brake disc as in the case of the eddy current brake, and the brake disc can be configured to be thin.
[0009]
Furthermore, the brake disk of the present invention (10: In this column, for ease of understanding of the invention, the reference numerals used in the embodiments are attached as necessary. Is not meant to do.) Has the following structure. That is, it has a three-layer structure in which a magnetic disk (162) for generating magnetic flux is sandwiched from both sides by a good conductor disk (161) through which eddy current easily flows, and is provided on the good conductor disk (161). By inserting the convex portion of the magnetic disk (162) into the through-hole, the board surface (12) is composed of both a good conductor and a magnetic material, and the good conductor disk (161) is moved from the vicinity of the center of the disk to the outer periphery. It has a path through which current flows. It should be noted that the good conductor may be aluminum or the like, and the magnetic material may be iron or the like.
[0010]
Thus, by exposing a part of the magnetic disk (162) to the surface of the good conductor disk (161), the magnetic gap due to the thickness of the good conductor disk (161) can be greatly reduced. The magnetic flux generated can be increased compared to the case where the board surface (12) of the brake disk (10) is entirely occupied by a good conductor. The increase rate depends on how much the magnetic material is occupied with respect to the surface area of the disk surface (12) of the brake disk (10). Since the increase in magnetic flux can be expected as the exposure ratio is higher, it is preferable to expose as much as possible from the viewpoint of “increase in magnetic flux”.
[0011]
On the other hand, by doing in this way, the flow path of the eddy current induced in the good conductor disk (161) is reduced as compared with the case where the board surface (12) of the brake disk (10) is entirely occupied by the good conductor. It decreases slightly. However, the regenerative brake of the present invention has a path through which current flows from the vicinity of the center of the disk to the outer peripheral portion, so that it is possible to suppress a decrease in the current component that generates an electromagnetic force in the rotational direction. Since the thrust (braking force) of the linear motor is the product of the secondary current and the secondary flux linkage, the effect of increasing the magnetic flux can be greater than the effect of decreasing the current, resulting in improved thrust Can do.
[0012]
  Therefore, according to the regenerative brake of the present invention, even if the braking force is increased as compared with the conventional eddy current brake, the regenerative brake is small and light, and can generate thrust efficiently..
[0013]
  Also, the brake disk (10) of the present inventionThe current mainly flows through the bar portion (161a) connecting the first annular portion (161b) and the second annular portion (161c). The magnetic flux generated by the current flowing through the bar portion (161a) is orthogonal to the current direction. Here, since the bar portion (161a) is formed substantially radially from the vicinity of the center of the disc toward the outer peripheral portion, thrust is generated in a substantially tangential direction of the brake disc (10). Therefore, efficient thrust generation can be expected.
  And since this bar part (161a) is substantially cylindrical shape,The exposed area is relatively smaller than that of a substantially quadrangular prism shape. That is, when a substantially square columnar shape is used, one side surface thereof is exposed, but if it is a substantially cylindrical bar portion (161a), only a part of the arc portion can be exposed and exposed. The area is relatively small. In other words, this means that the area occupied by the magnetic body on the board surface (12) is relatively large. As described above, the generated magnetic flux can be increased as the area occupied by the magnetic material on the board surface (12) increases.
  In this case, the claim2As shown in FIG. 1, if the bar portion (161a) is formed along the radial direction of the disc, a thrust is generated in the tangential direction of the brake disc (10) (see FIG. 1 (b) and the like).
[0014]
  Meanwhile, claims3As shown in FIG. 3, the bar portion (161a) may be formed by shifting a predetermined angle from the radial direction of the disc (see FIG. 3D). This method of shifting by a predetermined angle corresponds to skew in a rotary induction motor. If comprised in this way, abnormal phenomena, such as a vibration at the time of starting, can be prevented.
[0015]
  Claims4As shown in FIG. 4, one or more third annular portions (161d) may be provided between the first annular portion (161b) and the second annular portion (161c) (FIG. 4 (a)). reference). In this way, eddy currents easily flow and there is a current path in a substantially radial direction, which is advantageous in terms of efficient thrust generation.
[0016]
  Claims5As shown in FIG. 3, the good conductor disk (161) may be formed so that the side surfaces of the brake disk (10) are all good conductors (see FIGS. 3A to 3C). In this way, the electrical resistance of the side surface (near the outer periphery) of the brake disc (10) becomes relatively small, and current easily flows.
[0017]
  By the way, it is preferable that the stator in the regenerative brake of the present invention is formed in a size that covers a part of the board surface.6). In this way, the heat dissipation effect of the brake disk is increased, so that the brake disk can be made thinner. In addition, a cooling device is not required. As a result, the eddy current brake of the present invention can be configured to be small and light.
[0018]
  Specifically, the stator is provided with a stator core that is formed in a fan shape along the circumference of the brake disk and is formed so that a plurality of the coils are installed along the circumferential direction of the fan shape. Is more preferred (claims)7). If the stator configured as described above is used, the moving magnetic field moves along the rotation direction of the brake disc, and the braking force acts along the rotation direction of the brake disc, so that the braking force is efficiently applied to the brake disc. Because it can.
[0019]
  As another specific example, when the stator includes a stator core formed in a long shape and the stator core is arranged so that the longitudinal direction of the stator core is along the traveling direction of the railway vehicle, More preferred (claims)8). If it does in this way, since it arrange | positions so that the longitudinal direction of a stator core and the advancing direction of a train may mutually follow, a wind passes on a brake disk efficiently. Therefore, the heat dissipation effect is high and the brake disk can be made thinner, so that the regenerative brake can be made smaller and lighter.
[0020]
  By the way, an induction motor is attached to a motor vehicle to which a motor is attached, that is, a so-called M vehicle, and this induction motor performs regenerative braking. Therefore, it is not necessary to attach the regenerative brake of the present invention. However, since an induction motor is not attached to a non-powered vehicle, so-called T vehicle, it is significant to attach the eddy current brake of the present invention and perform regenerative braking.9).
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. Needless to say, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples, and can take various forms as long as they belong to the technical scope of the present invention.
[0022]
[First embodiment]
1A is a perspective view of one end side of an axle to which a regenerative brake of the first embodiment is attached, FIG. 1B is a front view of the brake disc, FIG. 1C is a side view of the brake disc, FIG. 1 (d) is a BB end view of FIG. 1 (b). 2A is a sectional view of the stator (AA sectional view of FIG. 1A), and FIG. 2B is a block diagram of an operation circuit.
[0023]
The regenerative brake 1 of this embodiment includes a brake disk 10 and a pair of stators 20 as shown in FIG.
The brake disc 10 is coaxially fixed to an axle 9 installed on a railway vehicle carriage. Specifically, the brake disc 10 includes a cylinder portion 14 and a disc portion 16, and the brake disc 10 is fixed to the axle 9 with the cylinder portion 14 formed in a cylindrical shape being inserted through the axle 9. . On the other hand, the disk portion 16 is formed in a three-layer structure in which a magnetic disk 162 made of iron or the like is sandwiched between two good conductor disks 16 made of aluminum or the like. It is integrally attached to the part 14 so as to be concentric. The magnetic disk 162 may be made of any material as long as it is a magnetic body having strength such as steel in addition to iron. The good conductor disk 161 may be any non-magnetic material having a high conductivity.
[0024]
Further, the disc portion 16 of the brake disc 10 of the present embodiment has both the good conductor and the magnetic material on the board surface 12 by inserting the convex portion of the magnetic disc 162 into the through hole provided in the good conductor disc 161. Exposed.
Specifically, as shown in FIG. 1B, the good conductor disk 161 includes a bar portion 161a, a first annular portion 161b, and a second annular portion 161c. The second annular portion 161 c has a ring shape with a substantially square cross section that can be fitted to the outer peripheral surface side of the cylindrical portion 14. The bar portion 161a has a substantially quadrangular prism shape, and one end is fixed to the second annular portion 161c and is formed radially along the disk radial direction. In this embodiment, there are 20 bar portions 161a, which are arranged at equal intervals. And the 1st annular part 161b is made into the ring shape of a cross-sectional substantially square shape fixed to the edge part by the side of the outer peripheral part of the bar part 161a. The bar portion 161a, the first annular portion 161b, and the second annular portion 161c may be integrally formed, or may be separately manufactured and fixed by, for example, brazing. Since the good conductor disk 161 is not a flat plate but has such a shape, 20 through holes are formed by the 20 bar portions 161a and the first and second annular portions 161b and 161c.
[0025]
On the other hand, the magnetic disk 162 has 20 convex portions that can be respectively fitted into the through holes formed in the good conductor disk 161 on both sides of the disk shape. Therefore, the disk portion 16 of the present embodiment is formed by sandwiching and fixing the two good conductor disks 161 from both sides so that the through hole is fitted in the convex portion of the magnetic disk 162.
[0026]
The stator 20 is installed so as to sandwich the brake disk 10 at a position facing the board surface 12 of the brake disk 10 and at the upper part of the axle 9. Specifically, the stator 20 includes a stator core 22 and a stator winding 24 as shown in FIG. Among them, the stator core 22 is formed in a long shape along the traveling direction of the railway vehicle and along the board surface 12, and is formed perpendicular to the longitudinal direction of the stator core 22 on the surface side facing the board surface 12. The plurality of slits 22a are provided at equal intervals along the longitudinal direction.
[0027]
On the other hand, in order to generate a moving magnetic field, the stator winding 24 is composed of coils 24a to 24c for three phases of U phase, V phase, and W phase. Each of the coils 24a to 24c is disposed at a position facing the board surface 12 of the brake disk 10 so that the winding surface around which the conductive wires constituting the coils 24a to 24c are wound is along the board surface 12 of the brake disk 10 and Are juxtaposed along the direction of travel. The coils 24 a to 24 c are attached to the slit 22 a with short-pitch winding and concentrated winding at a place where the stator winding 24 of each phase assigned to the stator core 22 is installed. The coils 24a to 24c are attached to the stator cores 22 so that the coils 24a to 24c having the same phase face each other and do not cancel the magnetic fluxes. In the present embodiment, as an example, a state in which the coils 24a to 24c are attached in a short-pitch winding with a coil pitch of 3 slots with respect to a pole pitch of 4 slots is not limited to this. .
[0028]
Next, an operation circuit for operating the regenerative brake of this embodiment will be described.
Here, FIG. 2B is a block diagram of an operation circuit. The operation circuit 30 of this embodiment includes a converter 32, an inverter 34, a rotation speed sensor 36, and a control circuit 38. Among these, the converter 32 converts the single-phase 440V power of the tertiary winding used for the auxiliary circuit among the main transformer windings for stepping down the extra high voltage supplied from the overhead wire, and outputs it to the inverter 34. The auxiliary circuit is a circuit that supplies power to in-vehicle devices such as an air conditioner and a ventilator.
[0029]
The inverter 34 converts the DC power supplied from the converter 32 into three-phase AC power by PWM control and outputs it to the stator winding 24. The converter 32 and the inverter 34 are configured using IGBT (insulated gate bipolar transistor) elements.
[0030]
The rotation speed sensor 36 is attached to the brake disk 10 and measures the rotation speed of the brake disk 10 and outputs a speed signal representing the rotation speed of the brake disk 10 to the control circuit 38. The control circuit 38 calculates the rotational speed of the brake disk 10 based on the speed signal input from the rotational speed sensor 36, performs PWM (pulse width modulation) control based on the calculation result, and operates the inverter 32. Yes. In this PWM control, the stator winding 24 is excited and control is performed to generate a moving magnetic field that moves in the same direction at a speed slower than the rotational speed of the brake disk 10 calculated by the control circuit 38.
[0031]
Further, a tertiary circuit that consumes electric power supplied from the stator winding 24 and converted into direct current by the inverter 34 during regenerative braking may be connected between the converter 32 and the inverter 34. . In the operation circuit 30, when the power source of the auxiliary circuit is already a direct current, power may be transmitted directly to the inverter 32 without using the converter 32.
[0032]
When the regenerative brake 1 configured as described above is controlled using the operation circuit 30, it operates as follows.
First, when braking is started using the regenerative brake 1 of the present embodiment, current flows through the coils 24 a to 24 c installed in the stator 20 by PWM control, and passes through the disk 16 b of the brake disk 10 to be the same as the brake disk 10. A moving magnetic field that moves at a speed slower than the rotation speed of the brake disk 10 is generated in the rotation direction, and an eddy current is generated on the brake disk 10. Therefore, a force is applied in the direction opposite to the rotational direction according to Fleming's left-hand rule, and this force is used as a braking force to brake the brake disc 10. This braking is regenerative braking, and a part of the kinetic energy of the railway vehicle is converted into electric power, and the electric power is output to the power source side where the inverter 34 functions as a converter and converted into direct current by the inverter 34, and partly Is converted into thermal energy to heat the brake disc 10.
[0033]
Use of the regenerative brake 1 described above has the following effects.
As described above, when braking is performed in a range where the slip is less than 0, a part of the kinetic energy of the railway vehicle is regenerated to the power source side during braking, and the regenerative brake 1 of the present embodiment is a column of the prior art. Compared with the eddy current brake described in the above item, the amount of energy converted into heat energy is reduced, so that the amount of heat generated in the brake disk 10 is reduced. Therefore, when the regenerative brake 1 of the present embodiment is used, it is not necessary to increase the heat capacity of the brake disc 10 as in the case of the eddy current brake, so that the brake disc 10 can be configured to be thin.
[0034]
Since the magnetic disk 162 is exposed to the surface of the good conductor disk 161 in the disk portion 16 of the brake disk 10 of the present embodiment, the magnetic gap due to the thickness of the good conductor disk 161 can be greatly reduced. . Therefore, the generated magnetic flux can be increased as compared with the case where the board surface 12 is entirely occupied by a good conductor. Explain how much it increases.
[0035]
Consider the magnetic flux when the air gap is g and the thickness of the good conductor is a. The vacuum permeability is μ₀As a result, the permeability of a good conductor such as aluminum is about μ₀Is equal to Assuming that the area of the opposing good conductor is A, the magnetoresistance R is as follows.
R = (g + a) / (μ₀XA).
[0036]
Therefore, the magnetic flux Φ is as follows using the magnetomotive force F and the magnetic resistance R.
Φ = F / R = F × μ₀× A / (g + a)
From this equation, it can be seen that the magnetic flux Φ is inversely proportional to the sum (g + a) of the air gap and the thickness of the good conductor. Therefore, when the magnetic material is brought out to the disk surface, a = 0 is obtained, and the magnetic flux Φ is (g + a) / g times. Since specific values in the eddy current disk brake conventionally assumed are g = 12 mm and a = 10 mm, the magnetic flux is increased by about 1.8 times assuming that all the magnetic material is put on the disk surface. In the case of the present embodiment, not all the magnetic material is provided on the disk surface, and a part of the magnetic flux becomes a leakage magnetic flux, but a corresponding increase in magnetic flux can be expected.
[0037]
Note that the eddy current induced in the good conductor disk 161 of the present embodiment is slightly reduced by reducing the flowing path as compared with the case where the board surface 12 is a good conductor. However, since the bar portion (161a) is formed along the radial direction of the disc, a thrust is generated in the tangential direction of the brake disc 10 by the current flowing in that direction. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the current component that generates the electromagnetic force in the rotation direction. Since the thrust (braking force) of the linear motor is the product of the secondary current and the secondary flux linkage, the effect of increasing the magnetic flux can be greater than the effect of decreasing the current, resulting in improved thrust Can do.
[0038]
Therefore, according to the regenerative brake 1 of this embodiment, it is small and light even if the braking force is increased as compared with the conventional eddy current brake. And since it has the above disk parts 16, it can generate | occur | produce a thrust efficiently.
Further, the regenerative brake 1 of the present embodiment is formed in a size that covers a part of the surface of the brake disc 10 and has a large heat dissipation effect, so that the brake disc 10 can be made thinner. . In addition, a cooling device is not required. As a result, the regenerative brake 1 of the present embodiment can be configured to be smaller and lighter than the conventional eddy current brake.
[0039]
Further, in the present embodiment, since the longitudinal direction of the stator core 22 and the traveling direction of the train are arranged along each other, the wind passes over the brake disk 10 efficiently. Therefore, the regenerative brake 1 of this embodiment has a higher heat dissipation effect than the conventional eddy current brake, and the brake disk 10 can be made thinner, so that it can be made smaller and lighter than the conventional eddy current brake. it can.
[0040]
[Second Embodiment]
Since the regenerative brake of the second embodiment is different from the first embodiment only in the brake disk 10, only that portion will be described.
3A is a front view of a brake disk according to a second embodiment, FIG. 3B is a side view thereof, and FIG. 3C is a CC end view of FIG. 3A.
[0041]
The basic configuration of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration of the first annular portion 161b of the good conductor disk 161 is slightly different. Specifically, the thickness of the first annular portion 161b is equal to the thickness of the disc portion 16 so that all the side surfaces of the disc portion 16 are good conductors. Note that the outer diameter of the magnetic disk 14 is reduced accordingly.
[0042]
With the configuration of the disk portion 16 as in the second embodiment, the electrical resistance on the side surface (near the outer periphery) of the disk portion 16 becomes relatively small, and current flows easily. As a result, thrust can be improved.
[Third embodiment]
Since the regenerative brake of the third embodiment is different from the first embodiment only in the brake disk 10, only that portion will be described.
[0043]
FIG. 3D is a front view of the brake disk of the third embodiment, and FIG. 3E is a side view thereof.
The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but the arrangement of the bar portions 161a of the good conductor disk 161 is slightly different. That is, in the case of the first embodiment, the bar portion 161a is arranged along the radial direction. However, in the case of the third embodiment, the bar portion 161a is arranged by being shifted by a predetermined angle from the radial direction of the disk. Has been. This method of shifting by a predetermined angle corresponds to skew in a rotary induction motor.
[0044]
If comprised in this way, abnormal phenomena, such as a vibration at the time of starting, can be prevented. Here, it supplements regarding the "predetermined angle" shifted from a radial direction. In a squirrel-cage induction motor, the rotor side is generally a 1-slot pitch diagonal slot. This is because the stator and rotor of the squirrel-cage induction motor have a slot facing the gap, so that the magnetic resistance between the teeth varies depending on the position of the rotor. For this reason, the magnetic flux distribution in the gap of the rotating magnetic field includes many harmonic components in addition to the fundamental wave. Since this harmonic component has an adverse effect (referred to as subsynchronous operation or crawling) at the start of the induction motor, it is necessary to reduce the harmonics of the magnetic flux distribution. As a countermeasure against this, a method is adopted in which either one of the stator or the rotor is inclined by one slot and the magnetic resistance between the teeth is made uniform. One slot is common because the influence on the torque becomes large when the oblique slot is made too large, so it is considered that the balance between the harmonic component and the influence on the torque is kept to a minimum. Since the brake disk 10 of this embodiment also corresponds to the rotor of the linear induction motor, the above phenomenon applies. For this reason, it is considered that it is effective to make the good conductor bar of the disk (approx.) For one slot diagonal.
[0045]
[Fourth embodiment]
Since the regenerative brake of the fourth embodiment is different from the first embodiment only in the brake disk 10, only that portion will be described.
FIG. 4A is a front view of a brake disk according to a fourth embodiment, and FIG. 4B is a side view thereof.
[0046]
In the present embodiment, a third annular portion 161d is added to the configuration of the first embodiment. Four third annular portions 161d are provided concentrically between the first annular portion (161b) and the second annular portion (161c). In the present embodiment, the interval between the third annular portions 161d, the interval between the first annular portion 161b and the third annular portion 161d, and the interval between the second annular portion 161c and the third annular portion 161d are as follows. Are equal.
[0047]
If comprised in this way, an eddy current will flow easily.
[Fifth embodiment]
Since the regenerative brake of the fifth embodiment is different from the first embodiment only in the brake disk 10, only that portion will be described.
[0048]
FIG. 4C is a front view of the brake disk of the fifth embodiment, and FIG. 4D is a side view thereof.
In the good conductor disk 161 of this embodiment, circular through holes 165 are formed at predetermined positions, and circular convex portions formed on both surfaces of the magnetic disk 162 are fitted therein. Unlike the above-described embodiments, the present embodiment does not have a clear bar-like configuration, but is substantially shaped to perform the same function as the bar portion. That is, since the circular through holes 165 are arranged along the disk radial direction, conversely, the portion where the good conductor is located on the disk surface is also arranged continuously along the disk radial direction.
[0049]
  Therefore, also in the case of the present embodiment, a thrust is generated in the tangential direction of the brake disk 10 due to the current flowing along the disk radial direction, and the decrease in the current component that generates the electromagnetic force in the rotation direction can be suppressed..
[0050]
In addition, although it was set as the circular through-hole 165, elliptical shape or polygonal shape may be sufficient besides circular.
As can be seen from the present embodiment, the presence of the bar portion 161a having a uniform thickness as in the first to fourth embodiments is not necessarily required, and the thickness is changed or asymmetrically disposed. In addition, it is only necessary to secure a path through which a current flows without using a bar. In order to give thrust to the disk in the rotational direction, it is necessary to include the radial component of the disk in the current path perpendicular to the magnetic flux according to Fleming's left-hand rule. This is because the present invention can be similarly applied to any shape or arrangement that can secure the current path.
[0051]
[Sixth embodiment]
Since the regenerative brake of the sixth embodiment is different from the first embodiment only in the brake disk 10, only that portion will be described.
FIG. 5A is a front view of a brake disk according to a sixth embodiment, FIG. 5B is a side view thereof, and FIG. 5C is a DD end view of FIG.
[0052]
This embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, but is different in that the shape of the bar portion 161a of the good conductor disk 161 is substantially cylindrical. That is, in the case of the first embodiment, the bar portion 161a has a substantially quadrangular prism shape, and one side of the bar portion 161a is exposed, but in the case of this embodiment, the bar portion 161a has a substantially cylindrical shape. The exposed area is relatively small. In other words, this means that the area occupied by the magnetic body on the board surface 12 is relatively large. As described above, since the generated magnetic flux can be increased as the area occupied by the magnetic body on the board surface 12 increases, it is preferable from this viewpoint. However, it is not completely buried to secure the current flow path, but a part thereof is exposed.
[0053]
In the case of the present embodiment, a through hole is formed in the radial direction from the side surface of the magnetic disk 162, a good conductor bar portion 161a is inserted therein, and then the second annular portion 161c and the third annular portion 161c are inserted. Since an operation of fixing to the annular portion 161d is necessary, it is more complicated than the other embodiments described above from the viewpoint of manufacturing.
[0054]
[Others]
(1) In the first to fourth embodiments, the cross section of the bar portion 161a, the first annular portion 161b, and the second annular portion 161c (further, the third annular portion 161d in the fourth embodiment) is rectangular. However, other shapes may be used. However, as described in the sixth embodiment, for example, when the cross section is circular, the manufacturing process is relatively complicated, and therefore, when the cross section is rectangular, there is an advantage that the manufacturing process is easy.
[0055]
(2) The stator core 22 is formed in a fan shape along the circumference of the brake disk 10 as shown in FIG. 5 and the coils 24a to 24c are installed along the circumferential direction of the fan shape. May be. In this way, the moving magnetic field moves along the rotation direction of the brake disc 10 and the braking force acts along the rotation direction of the brake disc 10, so that the braking force can be applied to the brake disc 10 efficiently. Because.
[0056]
(3) It is known that in the conventional eddy current brake, the braking force is reduced when the rotational speed of the rotor, that is, the brake disk 10 is slow, and the braking brake is not effective when the speed is 70 km / h or less in a railway vehicle. As in this embodiment, the moving speed of the moving magnetic field generated by the stator 20 is such that the slip S is α in FIG. 7 with respect to the rotating speed of the brake disk 10 corresponding to the rotor, as shown in FIG. Within the range shown, for example, from the value (point represented by γ in FIG. 7) that takes the same torque value as the maximum torque value (point represented by β in FIG. 7) when the induction device is handled as a brake, Control may be performed so that the maximum torque is within a range of values that can be obtained.
[0057]
This is because a very high torque, that is, a braking force can be obtained even at a low speed. Further, in this way, although a high braking force can be obtained, the braking can be performed with a small primary current, so that the loss generated as heat in the brake disk 10 is small, and the thickness of the brake disk 10 can be further reduced. The regenerative brake 1 of the present embodiment can be made lightweight.
[0058]
(4) In the above embodiment, the rotational speed of the brake disk 10 is measured using the rotational speed sensor 26, but the relationship between the train speed and the rotational speed of the brake disk 10 is tabulated in advance, and the train speed is The rotational speed sensor 26 may be omitted by making it possible to calculate the moving speed of the moving magnetic field by measuring, and the PWM control may be performed directly from the train speed.
[0059]
(5) In the above embodiment, the converter 32 and the inverter 34 are configured using IGBT elements. However, a power semiconductor such as a GTO thyristor (gate turn-off thyristor) element may be used. Further, in the above embodiment, the short winding has been described, but any other winding method such as distributed winding may be used.
[Brief description of the drawings]
1A is a perspective view of one end of an axle to which a regenerative brake according to a first embodiment is attached, FIG. 1B is a front view of a brake disc, FIG. 1C is a side view of the brake disc, and FIG. It is a BB end view of Drawing 1 (b).
2A is a cross-sectional view of a stator (AA cross-sectional view of FIG. 1A), and FIG. 2B is a block diagram of an operation circuit.
3A is a front view of a brake disc of a second embodiment, FIG. 3B is a side view thereof, FIG. 3C is a CC end view of FIG. 3A, and FIG. The front view of a brake disc and (e) are the side views.
4A is a front view of a brake disc of a fourth embodiment, FIG. 4B is a side view thereof, FIG. 4C is a front view of a brake disc of a fifth embodiment, and FIG. 4D is a side view thereof. is there.
5A is a front view of a brake disk of a sixth embodiment, FIG. 5B is a side view thereof, FIG. 5C is a DD end view of FIG. 5A, and FIG. It is a front view of the brake disc for demonstrating the example of.
FIG. 6 is a perspective view of a conventional eddy current brake.
FIG. 7 is a graph showing a characteristic curve of the induction device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Regenerative brake, 9 ... Axle, 10 ... Brake disk, 12 ... Board surface, 14 ... Tube part, 16 ... Disk part, 20 ... Stator, 22 ... Stator iron core, 22a ... Slit, 24 ... Stator winding, DESCRIPTION OF SYMBOLS 26 ... Rotation speed sensor, 30 ... Operation circuit, 32 ... Converter, 34 ... Inverter, 36 ... Rotation speed sensor, 38 ... Control circuit, 40 ... Tertiary circuit, 161 ... Good conductor disk, 162 ... Magnetic disk, 161a ... Bar part , 161b ... first annular portion, 161c ... second annular portion, 161d ... third annular portion, 165 ... circular through hole

Claims

Brake discs attached to the axles of the railroad vehicle wheels;
A brake stator installed at a position facing the board surface of the brake disc,
The coil installed in the stator is excited to generate a moving magnetic field that moves in the same direction as the rotation direction of the brake disk at a speed slower than the rotation speed of the brake disk to brake the brake disk, and A regenerative brake that regenerates a part of the kinetic energy of the railway vehicle to the power source side through the stator,
The brake disc is
The magnetic disk for generating magnetic flux has a three-layer structure sandwiched from both sides by a good conductor disk that easily flows eddy currents, and the through hole provided in the good conductor disk has a convex shape of the magnetic disk. the board by section is fitted is constituted by both a good conductor and a magnetic material,
The good conductor disk is a substantially cylindrical bar portion that is formed substantially radially from the vicinity of the center of the disk toward the outer periphery, and a first annular portion that is connected to an end of the bar portion on the outer periphery side of the disk. A regenerative brake comprising a current flow path having a second annular portion connected to an end of the bar portion near the center of the disk .

The regenerative brake according to claim 1,
The regenerative brake according to claim 1, wherein the bar portion of the good conductor disk is formed along a radial direction of the disk .

The regenerative brake according to claim 1 ,
The regenerative brake characterized in that the bar portion of the good conductor disk is formed with a predetermined angle offset from the radial direction of the disk.

The regenerative brake according to any one of claims 1 to 3 ,
The regenerative brake , wherein the good conductor disk has a third annular portion connected to the bar portion between the first annular portion and the second annular portion .

The regenerative brake according to any one of claims 1 to 4,
The regenerative brake is characterized in that the good conductor disk is formed so that all side surfaces of the brake disk become the good conductor .

In the regenerative brake according to any one of claims 1 to 5,
The regenerative brake is characterized in that the stator is formed in a size that covers a part of a surface of the brake disc .

The regenerative brake according to claim 6 ,
The stator includes a stator core that is formed in a fan shape along a circumference of the brake disk and is formed so as to install a plurality of the coils along a circumferential direction of the fan shape. Regenerative brake.

The regenerative brake according to claim 6 ,
The stator includes a stator core formed in a long shape, and the stator core is arranged so that a longitudinal direction of the stator core is along a traveling direction of the railway vehicle. .

In the regenerative brake according to any one of claims 1 to 8 ,
A regenerative brake that is mounted on a non-powered vehicle .