鉄道車両トラクションシステムの保護システム、関連トランスミッションライン及び関連鉄道車両

本発明は、電気モータ及び当該電気モータの電源回路を含む鉄道車両トラクションシステムの保護システムに関する。

本発明は詳しくは、鉄道車両用永久磁石同期電気モータのための保護システムに関する。

このようなモータに電力を供給するべくパワーチェーンは、変換器、絶縁接触器、当該絶縁接触器と当該モータの入力端子との間に接続されたケーブルを連続的に含む。

短絡型の電気故障が検出されると、絶縁接触器は開となって変換器を電気モータから絶縁する。その結果、変換器の部材は、その時点で電流源として動作している電気モータが生成する電力から保護される。電気モータは、動いている鉄道車両の車輪によって駆動されているからである。

しかしながら、絶縁接触器を開にしても、例えば接続ケーブル同士の間にある絶縁接触器の下流側の電気故障、すなわち電気モータの内部故障又は電気モータの外部故障を隔離することができない。

さらに、そのような絶縁変換器の下流側の故障は一般に、火災発生又は電気モータ破壊につながり得る電気アークの形成に関連する。電気モータ破壊の場合、モータの固定子の内側で回転子がブロックされるリスクが存在する。これは、列車の不動化及び乗客の避難が必要性が懸念される事象につながる。

そのような永久磁石同期電気モータの動作保護を保証するには、懸念事象を回避するべく、可能性のある故障を管理する必要がある。

そのため、特許文献1は、電気アークの形成及び拡大を回避するべく、パワーチェーンに、モータの位相を完全短絡させることができる付加的制御スイッチを装備する。しかしながら、そのような装置は、機械内部のすべての型の故障を解決できるわけではない。

欧州特許出願公開第2,634,884(A1)号明細書

したがって、本発明は、現状技術のソリューションに対して代替的な保護ソリューションを展開することによって上述の問題を解決することを目的とする。

その目的のため、本発明は、鉄道車両トラクションシステム用の保護システムであって、 ・トランスミッションラインの第1部材及び第2部材間の機械的結合装置と、 ・制御手段と を含み、 第1部材は電気モータの出力シャフトに接続され、第2部材は鉄道車両の車軸の入力シャフトに接続され、結合装置は、第1部材及び第2部材間でトルクの伝達が可能な係合状態に、又は第1部材及び第2部材間でトルクの伝達が不可能な係合解除状態にあることができ、 制御手段は、電気モータの電源回路及び/又は電気モータ自体に影響する故障が検出された場合、機械的結合装置に係合解除信号を適用して機械的結合装置を係合状態から係合解除状態へと切り替える保護システムに関する。

本発明は、ロバストな機械的ソリューションの実装を通じて、電気モータを車軸から機械的に隔離することができる。その結果、故障が検出された場合、当該故障の性質にかかわらず、パワーチェーン及び電気モータが保護される。すなわち、任意の懸念事象を回避することができる。

本発明に係る保護システムはさらに、以下の特徴の一以上を、単独とみなして又は技術的に可能な任意の組み合わせに応じて含み得る。 ・結合装置は、第1部材及び第2部材を互いに結合させる少なくとも一つの要素と、係合解除信号が制御手段によって適用されると結合要素を破壊することができる点火モジュールとを含む。 ・第1部材及び第2部材は、互いに向かい合う第1フランジ及び第2フランジであり、機械的結合装置は、第1フランジ及び第2フランジを互いに結合させる爆発ボルトである。 ・制御手段は、結合装置に固定された閉制御モジュールに無線リンクを介して接続された遠隔制御モジュールを含み、閉制御モジュールは、遠隔制御モジュールが発信した作動信号を受信すると、結合装置に適用される係合解除信号を生成する。 ・制御手段は、故障が検出されると、遠隔制御モジュールに警告信号を送信して遠隔制御モジュールに作動信号を送らせる検出手段を含む。 ・検出手段は、トラクションシステムの測定入力値及び動的モデルから推定出力値を計算して当該推定出力値をトラクションシステムの測定出力値と対比することができ、検出モジュールは、推定出力値及び測定出力値間に有意な偏差が存在する場合に警告信号を発信することができる。 ・結合装置は、係合状態から係合解除状態へと不可逆的に切り替わることができる。 ・機械的結合装置は、係合解除信号を受信すると係合状態から係合解除状態へと切り替わり、それとは逆に係合信号を受信すると係合解除状態から係合状態へと切り替わる。

本発明はまた、電気モータ及び鉄道車両車軸間のトランスミッションラインであって、上述の保護システムを含むトランスミッションラインに関する。

トランスミッションラインは、電気モータを鉄道車両車軸から分離する手段を有する。これは、保護システムが作動すると任意の機械的駆動からモータを隔離する。

本発明に係るトランスミッションラインはさらに、当該トランスミッションラインの第1及び第2部材間に設けられた機械的結合装置を含む。第1及び第2部材は、電気モータ及び車軸間に又はトランスミッションラインの減速ギアの第1段及び第2段間にある当該トランスミッションラインの2つの半シャフトの向かい合う端に設けられた第1及び第2フランジである。

本発明はまた、上述のトランスミッションラインを含む鉄道車両に関する。

本発明が、単なる一例として与えられかつ添付図面を参照してなされる以下の説明を読むことにより良好に理解される。

第1実施形態に係る保護システムを含む鉄道車両トラクションシステムを例示する線図である。

第2実施形態に係る保護システムを含む鉄道車両トラクションシステムを例示する線図である。

第2実施形態に係る保護システムを含む鉄道車両トラクションシステムを例示する線図である。

以下、用語「起電力」は、特に動作の悪化時に、電力を生成する電気モータの能力として理解される。

図1はトラクションシステム2の第1実施形態を示す。

システムは、車軸4、トランスミッションライン6、永久磁石モータ8、及び当該モータの電源回路10を含む。

モータ8は永久磁石同期モータである。

車軸4は、少なくとも一対の車輪に固定された棒からなるアセンブリである。当該車輪は一対のレール上を案内される。

トランスミッションライン6は、モータ8の出力シャフト14と車軸4の入力シャフト16との間に配置された一以上の段の減速ギア12を含む。

電源回路10は、インバータ18、絶縁接触器20、モータ位相の完全短絡用のスイッチ装置21、並びに接触器20及びスイッチ装置21を制御する制御装置22を含む。

インバータ18は3つの出力端子を含む。各端子は接続ケーブルにより、絶縁接触器20、スイッチ装置21を介して電気モータ8の一位相に接続される。

制御装置22は、電源回路10の故障、特に短絡型の故障を検出して接触器20の開を指令することができる。

接触器20を開にすることにより、インバータ18を電気モータ8から絶縁することができる。故障が発生すると、車軸4による電気モータ8の回転が続き、インバータ18を破壊しかねない起電力が生じる。

しかしながら、接触器20を開にすることが十分とはいえない。特に、モータ 8の内部での短絡の場合、車軸4に結合されたモータ8により生じる起電力が、モータ8自体を破壊の危険にさらすからである。

そのため、トラクションシステム2は保護システム24を含む。

保護システム24は、特に鉄道車両が停止するまで、電気モータ8を車軸4から機械的に隔離することができる。このように、回転子がもはや車軸4によって回転されなくなると、モータ8は起電力の生成をやめる。

保護システム24は、結合装置26及び当該の結合装置26の制御手段28を含む。

結合装置26は、トランスミッションライン6の第1部材30及び第2部材32間に配置される。

結合装置26は、制御手段28が生成する適切な係合解除信号を受信すると、係合状態から係合解除状態へと不可逆的に切り替わることができる。

係合状態において、トランスミッションライン6の第1及び第2部材30、32間でトルクを伝達することができる。

係合解除状態において、トランスミッションラインの第1及び第2部材30、32間にトルクを伝達することができない。

図1の第1実施形態において、第1部材30は電気モータ8の出力シャフト14であり、第2部材32は減速ギア12の入力シャフトである。

詳しくは、モータの出力シャフト14の自由端が、減速ギア12の入力シャフトの端に設けられた第2フランジ36に対向配置された第1フランジ34で終端する。

結合装置26は、第1及び第2フランジ34、36を互いに結合させる複数の爆発ボルト又はピンから作られる。

爆発ボルト38は、第1及び第2フランジ34、36を互いに結合させることができるシャンク40と、制御手段28からの適切な係合解除信号を受信してシャンク40を破断させることができる点火モジュール42とを含む。

制御手段28は、電気モータの電源回路10及び/又は電気モータ8自体に影響する故障が検出された場合、結合装置26を係合状態から係合解除状態へと切り替える係合解除信号を結合装置26へと発信することができる。

制御手段28は、故障検出手段44、遠隔制御モジュール46、及び、結合装置26に固定された閉制御モジュール48を含む。

有利には、制御手段28は、鉄道車両の車掌とのインタフェイスを含む。当該インタフェイスは、係合解除信号の発信を示す信号の室内表示を可能にする。

検出手段44は、故障が検出された場合、遠隔制御モジュール46に警告信号を送信することができる。

検出手段44は、測定モジュール50及び計算モジュール52を含む。

測定モジュール50は、トラクションシステム2の、特にモータ8の動作に対する測定された入力及び出力値を、計算モジュール52に送信することができる。

測定モジュール50は、トラクションシステム2についての、入力値を測定するセンサと、出力値を測定するセンサとを含む。

例えば、入力センサは、電源回路10における及び/又は電気モータ8の2つの位相間における電流を測定する。

出力センサはまた、電源回路10における及び/又は電気モータ8の2つの位相間における電流を測定する。電圧、トルク等のような他の出力特性もまた、測定することができる。

代替的に、入力及び出力センサは、電圧、磁界、温度、加速度、振動等の中からの他の物理的特性を測定する。

計算モジュール52は、測定モジュール50によって測定された入力及び出力値を受信し、警告信号の発信につながり得る診断を確立することができる。

計算モジュール52は、測定入力値から、トラクションシステム2のの動的モデルを使用することにより推定出力値を計算することができる。このトラクションシステムの動的モデルは、入力特性を出力特性に連結させる複数の微分方程式に基づくが、入力特性の測定入力値を使用して出力特性の推定出力値を計算する。次に、推定出力値は、測定出力値と対比される。これらの値間の所定偏差を超えると、故障が宣言される。

計算モジュール52は、推定出力値をトラクションシステム2の測定出力値と対比することができる。

計算モジュール52は、推定出力値及び測定出力値間に有意な偏差が存在する場合に警告信号を発信するべく設計される。

さらに、計算モジュール52は有利なことに、測定された入力及び出力値並びに推定された出力値を記憶するメモリを含む。

遠隔制御モジュール46は、計算モジュール52に接続される。

遠隔制御モジュール46は、計算モジュール52から警告信号を受信し、当該警告信号を、閉制御モジュール48に対して意図された作動信号に変換することができる。

閉制御モジュール48は、結合装置26に固定され、それゆえに回転する。

閉制御モジュール48及び遠隔制御モジュール46間の通信は、無線リンクを使用して、好ましくはWi−Fi(登録商標)プロトコルを実装することによって行われる。

閉制御モジュール48は、遠隔制御モジュール46から入来する作動信号を受信することができる。

閉制御モジュール48は、受信した作動信号を、結合装置26のための、係合状態から係合解除状態へと切り替える係合解除信号として使用する。

図1の保護システム24を使用するように実装された鉄道車両の電気モータ8を保護する方法が以下に説明される。

まず、鉄道車両は、鉄道線路上を進行する。

測定モジュール50は、電源回路10における及び/又は電気モータ8の2つの位相間における入力及び出力値を測定する。

計算モジュール52は、動的モジュールを介して推定された出力値を、測定された入力値の関数として計算する。計算モジュール52は、測定された出力値と推定された出力値との偏差を計算する。計算モジュール52はその診断を行う。

懸念事象につながり得る故障を示す有意な偏差が測定されると、検出手段44は、警告信号を遠隔制御モジュール46に送信する。

遠隔制御モジュール46は、警告信号を受信して対応する作動信号を閉制御モジュール48に送信する。

閉制御モジュール48は、作動信号を受信し、この信号を係合解除信号として結合装置26へと適用する。

係合解除信号が点火モジュール42の発火トリガとなる結果、シャンク40が破壊される。

結合装置26が係合状態から係合解除状態へと不可逆的に切り替わることにより、第1及び第2フランジ30、32が互いから結合解除される。

入力シャフト16が、出力シャフト14から分離される。モータの回転子に関連する出力シャフト14が減速して不動となる一方、入力シャフト16は、動く鉄道車両の車輪によって駆動され続ける。したがって、鉄道車両は、電流発生器として作用する故障したシステムのモータなしに、動き続けることができる。

図2は、保護システム24の第2実施形態を例示する。ここで、他のすべては同じであるが、結合装置26が、減速ギア12の出力シャフトと車軸の入力シャフト16との間に配置される。

図3は、保護システム24の第3実施形態を例示する。ここで、結合装置26が、多階層減速ギア12の2つの段の間に配置される。

かかる保護システム24は、安全緊急機械的ソリューションを構成する。これにより、電気モータ8を車軸4から分離し、当該モータ8を車軸4の任意の機械的駆動から機械的に隔離することができる。

かかる保護システム24は、現状技術の純粋に電気的なソリューションの代わりの又は好ましくは付加的な、懸念事象に対する保護を可能とする機械的代替例を構成する。

代替的に、機械的結合装置26は、制御手段28が生成する適切な係合信号を受信すると係合状態から係合解除状態へと、及びそれとは逆に、係合解除状態から係合状態へと切り替わることができる。

上記から独立した他の代替例において、検出手段44及び制御装置22は、トラクションシステムの故障を検出する手段を共有する。