列车和列车用制动控制装置的制作方法

本发明涉及一种列车和列车用制动控制装置。

背景技术：

在美国专利公开公报2014/0132155号中公开有以非接触方式发电的自行车用发电机。上述的公知文献的自行车用发电机将绕沿着与自行车的轮子的旋转轴线正交的方向延伸的旋转轴线旋转的圆环状的永磁体的外周面同与轮子的外周面相连的一侧面有间隔地配置。

美国专利公开公报2014/0132155号中的永磁体是将多个磁极沿着周向排列配置而成的，在相邻的磁极中，磁化方向相反。例如，若在永磁体的n极与轮子的一侧面相对配置了的状态下轮子旋转，则沿着妨碍来自永磁体的磁通的变化的方向在轮子的一侧面产生涡流。由于该涡流的磁通和来自永磁体的磁通之间的斥力和吸引力，永磁体沿着轮子的旋转方向旋转。

因而，只要用线圈卷绕在永磁体的周围而使来自永磁体的磁通在线圈交链，就能够从线圈获取感应电力。

技术实现要素：

在将美国专利公开公报2014/0132155号所记载的自行车用发电机应用于列车用的发电机的情况下，必须将永磁体与车轮远离恒定的距离地配置，因此，想到例如将永磁体安装于列车的转向架构架。然而，列车的转向架构架由于配置于其上方的货车厢、客车厢的重量而其上下位置变动。另外，转向架构架也由于列车的行驶中的振动而上下运动。进而，列车的车轮由于与轨道之间的摩擦而使接触面变形，因此，需要定期地进行对接触面进行切削的被称为镟修的保养作业。每次进行镟修，车轮的外径尺寸都变小，因此，车轮与永磁体之间的位置关系也就变化。

如此，若转向架构架上下变动、或进行车轮的镟修，则永磁体与车轮之间的位置关系变化而有可能无法获得所期望的发电性能。

本发明是鉴于上述的问题而做成的，其目的在于提供一种即使转向架构架上下变动、或进行车轮的镟修，也能够获得所期望的发电性能的列车和列车用制动控制装置。

为了解决上述的问题，根据本发明的一形态，提供一种列车，该列车具备：

车轮；

旋转体，其以与所述车轮非接触的方式与所述车轮相对配置，具有利用根据所述车轮的旋转方向而产生的洛伦兹力绕预定的旋转轴线旋转的永磁体；以及

发电部，其用于将由所述旋转体的旋转而产生的动能转换成电能。

也可以是，所述旋转体以与所述车轮之间的相对面积恒定的方式配置。

也可以是，该列车具备控制部，该控制部用于控制所述旋转体的安装位置，以使所述旋转体与所述车轮之间的相对面积恒定。

也可以是，所述旋转体与所述车轮之间的相对面积比所述旋转体的外径面积小。

也可以是，所述旋转体与连接到车轴的一对所述车轮彼此的相对面中的至少一者相对配置。

也可以是，该列车具备用于将车轮支承成旋转自如的转向架构架，

所述旋转体旋转自如地安装于所述转向架构架。

也可以是，所述旋转体以如下方式旋转自如地安装于所述转向架构架：即使所述转向架构架上下变动，所述旋转体与所述车轮之间的相对面积也比0大且比所述旋转体的外径面积小。

也可以是，所述旋转体配置在如下方向上：经过所述车轮的旋转中心位置并朝向所述转向架构架的长度方向的方向。

也可以是，在将所述车轮的半径设为r1、将所述旋转体的半径设为r2、将所述旋转体相对于所述车轮的相对的下降距离设为δh时，将经过所述车轮的旋转中心位置并朝向所述转向架构架的长度方向的方向设为中心方向，所述旋转体配置于由以下的(1)式表示的±θ的角度范围内，

[数学式1]

根据本发明的另一形态，提供一种列车用制动控制装置，该列车用制动控制装置具备：

旋转体，其以与车轮非接触的方式与车轮相对配置，具有利用根据所述车轮的旋转方向而产生的洛伦兹力绕预定的旋转轴线旋转的永磁体；

发电部，其用于将由所述旋转体的旋转而产生的动能转换成电能；

速度传感器，其用于检测所述车轮的旋转速度；

防抱死·制动控制部，其以所述发电部所转换来的电能为电力源，基于所述速度传感器的检测信号在所述车轮的制动时进行防抱死控制。

根据本发明，即使转向架构架上下变动、或进行车轮的镟修，也能够获得所期望的发电性能。

附图说明

图1是表示列车的车轮的周边的构造的立体图。

图2是车轮和旋转体的主视图。

图3是表示旋转体的永磁体的磁极配置和磁化方向的图。

图4是用于说明由于在车轮的一侧面产生的涡流而使永磁体旋转的原理的图。

图5是表示车轮与旋转体之间的位置关系的图。

图6a是表示第1比较例中的旋转体与车轮之间的位置关系的图。

图6b是表示第2比较例中的旋转体与车轮之间的位置关系的图。

图7是表示由于镟修而车轮的外径缩小了的例子的图。

图8a是表示转向架构架下方移动之前的状态的图。

图8b是表示旋转体相对地向下方移动后的状态的图。

图9是用于说明旋转体的配置位置的容许范围的图。

图10是放大图9的一部分的图。

图11是表示列车用制动控制装置的概略构成的框图。

具体实施方式

以下，详细地说明本发明的实施方式。

图1是表示列车1的车轮5的周边的构造的立体图。图1是将与本实施方式的特征部分相关联的构造抽出来图示的简化后的立体图。如图1所示，作为将一对车轮5组装于车轴10而成的构造体的两个轮轴12转动自如地安装于转向架构架13的长度方向的两端侧。转向架构架13的长度方向x是列车1的行驶方向。

图1表示被称为间接安装式转向架的构造，但本实施方式也可适用于直接安装式转向架、无枕梁转向架等。在图1的转向架构架13的上表面设置有枕簧14，枕簧14将其上的枕梁15支承成摆动自如。在枕梁15的中央部设置有心盘16。在枕梁15之上配置有货车厢、客车厢等未图示的车身，车身和枕梁15由插入到心盘16的未图示的中心销连结。在枕梁15的下侧设置有枕梁锚固件17。枕梁锚固件17用于连结枕梁15和转向架构架13。

旋转体2以非接触的方式与轮轴12的一对车轮5的相对的内侧的面的至少一者相对配置。旋转体2被支承于转向架构架13。本实施方式的列车1具备：旋转体2，其以与车轮5非接触的方式与车轮5相对配置；和发电部，其用于将由旋转体2的旋转产生的动能转换成电能。旋转体2具有在根据车轮5的旋转方向而产生的洛伦兹力的作用下绕预定的旋转轴线旋转的永磁体11。此外，也可以使旋转体2不是与一对车轮5的相对的内侧的面相对配置，而是与其相反侧的外侧的面相对配置。以下，作为一个例子，对使旋转体2与一对车轮5的相对的内侧的面相对配置的例子进行说明。

图2～图4是用于说明利用车轮5的旋转而使旋转体2旋转的原理的图。图2是车轮5和旋转体2的主视图，图3是表示旋转体2的永磁体11的磁极配置和磁化方向的图。

如图2所示，旋转体2与车轮5有间隔地配置，旋转体2绕其旋转轴线2a旋转。旋转体2沿着与车轮5的旋转方向相应的方向旋转。

如图2所示，永磁体11的旋转轴线2a与车轮5的旋转轴线5a平行地配置，永磁体11的与外周面2c相连的一侧面2d的至少一部分同车轮5的与外周面5b相连的一侧面5c相对配置。更具体而言，永磁体11所具有的多个磁极2b中的、2个以上的磁极2b与车轮5的一侧面5c相对配置。由此，如后述那样，能够增加永磁体11与车轮5之间的磁耦合量，能够使在车轮5的一侧面5c上产生的涡流增大。

车轮5是例如车辆的车轮5、轮子等。对于车轮5，在与永磁体11相对配置的一侧面5c产生涡流。需要车轮5的至少一侧面5c由金属等导电材料形成，以便能够产生涡流。

在本实施方式中，由于来自永磁体11的各磁极2b的磁通，在车轮5的一侧面5c产生涡流。因而，永磁体11的一侧面2d与车轮5的一侧面5c之间的间隔被限制在来自永磁体11的各磁极2b的磁通能够到达车轮5的范围内。

永磁体11的各磁极2b在向着朝向相对的永磁体11的一侧面2d的方向或其相反方向上被磁化。另外，永磁体11的相邻的磁极2b彼此的磁化方向互逆。在图3中，以箭头表示永磁体11的各磁极2b的磁化方向。如图3所示，在永磁体11的一侧面2d呈周状交替地排列有n极和s极。另外，永磁体11的与车轮5相对的一侧面2d的相反侧的侧面2e成为与一侧面相反的极性。

图4是用于说明由于在车轮5的一侧面5c产生的涡流6a、6b而使永磁体11旋转的原理的图。来自呈周状排列于永磁体11的一侧面2d上的多个磁极2b中的、与车轮5的一侧面5c相对配置的磁极2b的磁通向车轮5的一侧面5c方向传播。永磁体11的一侧面2d与车轮5的一侧面5c之间是气隙，来自永磁体11的磁极2b在该气隙中传播。

若车轮5旋转，则在车轮5的一侧面5c沿着妨碍来自永磁体11的磁通的变化的方向产生涡流，利用该涡流的磁通与来自永磁体11的磁通之间的相互作用(斥力和吸引力)使永磁体11旋转。不过，永磁体11的一侧面2d的表面速度比与其相对的车轮5的一侧面5c的表面速度慢。

例如，在永磁体11的n极与车轮5的一侧面5c相对配置的情况下，在来自n极的旋转方向前方的边缘e1的磁通所到达的车轮5的一侧面5c部分产生的涡流6a的朝向与在来自n极的旋转方向后方的边缘e2的磁通所到达的车轮5的一侧面5c部分产生的涡流6b的朝向不同。由来自n极的旋转方向后方的边缘e2的磁通而产生的涡流6b向产生与来自n极的磁通反向的磁通的朝向流动。另一方面，在来自n极的旋转方向前方的边缘e1的磁通所到达的车轮5的一侧面5c部分产生的涡流6a向产生与来自n极的磁通同向的磁通的朝向流动。任一涡流6a、6b都向妨碍与车轮5的旋转相伴的来自永磁体11的磁通的变化的方向流动。

如上述这样，在永磁体11的n极的旋转方向前方的边缘e1侧，涡流6a的磁通的方向与来自永磁体11的n极的磁通的方向相同，因此，相互吸引的吸引力起作用。另一方面，在永磁体11的n极的旋转方向后方的边缘e2侧，涡流6b的磁通与来自永磁体11的n极的磁通成为相反方向，因此，相互排斥的斥力起作用。在永磁体11的一侧面2d的表面速度比与其相对的车轮5的一侧面5c的表面速度慢的情况下，上述的、永磁体11与涡流6a、6b的关系始终成立。由此，永磁体11以追赶与其相对的车轮5的一侧面5c的移动表面的方式以比相对的车轮5的一侧面5c的表面速度慢的表面速度旋转。

在图2的例子中，在永磁体11的与车轮5相对的一侧面2d的相反侧的侧面2e相对配置有线圈3。在线圈3同与其相对的永磁体11的侧面2e之间设有气隙。线圈3被固定，来自旋转的永磁体11的磁通在线圈3交链。永磁体11的呈周状配置的多个磁极2b的极性交替地变化，因此，在线圈3交链的磁通是其朝向周期性地变化的交变磁通。因而，在线圈3沿着妨碍来自永磁体11的磁通的变化的方向产生感应电流，通过将该感应电流抽出，能够生成由交流形成的感应电力。如此，通过设置线圈，能够将车轮5的动能转换成电能。因而，线圈作为发电机发挥功能。

如图2的箭头y1、y2所示，来自永磁体11的磁通在线圈3进行了交链之后，在空气中传播而返回永磁体11。磁通所穿过的路径被称为磁路。在磁路的大部分是空气的情况下，由于空气中的磁阻较大，因此，在线圈3穿过的磁通密度变小，作为结果，感应电流也变小。另外，在磁通于空气中传播的过程中有可能产生磁通的泄漏，或者，磁路也有可能由于周边的导电材料或磁性材料的影响而变化。因此，如图2所示，期望的是于在线圈3进行了交链的磁通所穿过的磁路内设置磁轭4。磁轭4由铁等导磁率较高的材料形成，例如，通过将磁轭4密合配置于线圈3的与永磁体11相对的面的相反侧的面，从而使在线圈3进行了交链的磁通能够没有泄漏地向磁轭4引导，在磁轭4内穿过而返回永磁体11。由此，能够防止磁通的泄漏，能够提高磁效率。

如上述这样，若车轮5旋转，则在车轮5的表面产生涡流，而利用该涡流的磁通与永磁体11的磁通之间的吸引力和斥力，旋转体2产生向与车轮5相同的旋转方向旋转的力。因而，若车轮5开始旋转，则旋转体2开始旋转。另外，车轮5的移动速度或旋转速度越快，使旋转体2旋转的力也越强。

在旋转体2的与车轮5相对的主面整体与车轮5的相对面重叠的情况下，作用于旋转体2中的永磁体11的各磁极的洛伦兹力相互抵消，旋转体2几乎不旋转，发电性能也明显减弱。因而，为了获得稳定的发电性能，如图4所示，期望的是使旋转体2与车轮5之间的相对面积比旋转体2的主面的全面积小。

图5是表示车轮5与旋转体2之间的位置关系的图，图6a和图6b是从图5的p方向观察的平面图。在图5中，将旋转体2的理想的配置位置设为a，将第1比较例的配置位置设为b，将第2比较例的配置位置设为c。

图6a表示第1比较例中的旋转体2与车轮5之间的位置关系，图6b表示第2比较例中的旋转体2与车轮5之间的位置关系。如图6a和图6b所示，列车1的车轮5在用于构成轮轴12的一对车轮5彼此的相对面侧设有凸缘5d。通过设有凸缘5d，从而难以产生车轮5从轨道脱开的脱轨。在车轮5的比凸缘5d靠内周侧的位置设有大致平坦的面(以下，称为平坦面)5e，在比该平坦面5e靠内周侧的位置设有边缘5f，车轮5的宽度在比该边缘5f靠内周侧的位置处变窄。此外，在图2等中，为了简化，将车轮5的与旋转体2相对的一侧的整体设为平坦面5e，但实际上，如图6a和图6b所示，仅车轮5的与旋转体2相对的一侧的一部分为平坦面5e。

在本实施方式中，将旋转体2与车轮5的平坦面5e隔开预定的间隙地配置，并且，旋转体2与平坦面5e之间的相对面积比0大且比旋转体2的主面的面积小。即，旋转体2的主面不会整体与车轮5的平坦面5e相对配置。其原因在于，如上所述，若使旋转体2的主面整体与车轮5的平坦面5e相对配置，则旋转体2几乎不旋转。此外，在本说明书中，旋转体2的主面是指旋转体2的与车轮5相对的一侧的面整体。

如图6a和图6b所示，在用于构成轮轴12的一对车轮5彼此的相对面侧设有凸缘5d、平坦面5e以及边缘5f。在旋转体2产生的旋转能量依赖于旋转体2与车轮5之间的间隙成为最小的部分的面积。在本说明书中，将旋转体2与车轮5之间的间隙成为最小的部分的面积定义为旋转体2与车轮5之间的相对面积。因而，即使旋转体2与车轮5的凸缘5d相对，或者在比车轮5的边缘5f靠旋转中心侧的位置处相对，也不包含于相对面积。

在图5中，将水平方向即转向架构架13的长度方向设为x，将铅垂(上下)方向设为y。在本实施方式中，如图5的位置a所示，将旋转体2配置在如下方向上：经过车轮5的旋转中心位置o1即车轴位置o1并朝向转向架构架13的长度方向x的方向。将旋转体2配置于图5的位置a的理由在于，用于支承旋转体2的转向架构架13由于车身的重量、行驶时的振动等而上下变动，但若是图5的位置a，即使转向架构架13上下振动，也不必担心旋转体2的主面的整体相对于车轮5的平坦面5e偏离。

例如，在旋转体2配置到图5的位置b、位置c的情况下，若转向架构架13上下变动，则旋转体2的主面的整体与车轮5的平坦面5e相对配置，或者旋转体2的主面的整体相对于车轮5的平坦面5e偏离。在图6a和图6b中以虚线表示由于转向架构架13的上下运动而使旋转体2的位置变化了的状态。如图示那样，在转向架构架13仅稍微上下移动了几十mm的情况下，旋转体2的主面的整体与车轮5的平坦面5e相对配置，或者旋转体2的主面的整体移动到不与车轮5的平坦面5e相对的位置。在图6a和图6b的虚线位置处，旋转体2的发电性能明显减弱。

另外，列车1的车轮5由于磨损而形状变形，因此，需要定期地进行车轮5的镟修来使车轮5与轨道之间的接触性改善。每次进行镟修时，车轮5的外径包括凸缘5d在内变小。图7表示由于镟修而车轮5的外径缩小了的例子。在将旋转体2安装到车轮5的平坦面5e的外周侧的情况下，即使转向架构架13不上下变动，也由于车轮5的镟修而使车轮5的平坦面5e与旋转体2之间的位置关系变化，可能发生变为旋转体2的主面的整体不与车轮5的平坦面5e相对的状态的情况。

另一方面，在旋转体2配置到图5所示的位置a的情况下，即使例如转向架构架13上下变动或由于车轮5的镟修而使车轮5的外径尺寸变小，车轮5与旋转体2之间的重叠比例也不会较大地变化。图8a表示转向架构架13向下方移动之前的状态。在图8a中，表示旋转体2的旋转中心位置位于车轮5的平坦面5e的内周面上的例子。从车轮5的旋转中心位置o1到旋转体2的旋转中心位置的距离设为例如400mm。图8b表示旋转体2相对地向下方移动了例如40mm的状态。在该情况下，从车轮5的旋转中心位置o1到旋转体2的旋转中心位置的距离如以下的(2)式所示，变为约402mm，与图8a相比，仅稍微增加2mm左右。

[数学式2]

因而，虽然取决于旋转体2的外径尺寸，但在将旋转体2配置到图5的位置a的情况下，即使转向架构架13上下变动了，也难以发生旋转体2的主面的整体与车轮5的平坦面5e相对配置或者旋转体2的主面的整体相对于车轮5的平坦面5e偏离的不良情况。

如此，旋转体2的理想的配置位置是图5的位置a。更准确而言，旋转体2的理想的配置位置是如下位置：位于经过车轮5的旋转中心位置o1并朝向转向架构架13的长度方向x的方向，旋转体2的主面与车轮5的平坦面5e之间的相对面积比0大且比旋转体2的主面的外径面积小。

在列车1的车轮5的周围配置有搭载于列车1的各种设备，因此，能设想未必可以将旋转体2配置于上述的理想的位置。即使旋转体2被配置于相对于上述的理想的位置稍微偏离的位置，只要得到在实际应用上没有妨碍的程度的发电能力即可。

图9和图10是用于说明旋转体2的配置场所的容许范围的图。在图9和图10中，将车轮5的平坦面5e的内周面的半径设为r1，将旋转体2的主面的半径设为r2，将旋转体2由于转向架构架13的上下变动而导致的相对的下方变动幅度设为δh。

图9设想了以从车轮5的旋转中心位置o1朝向转向架构架13的长度方向x的方向为基准方向，并在±θ的范围内配置旋转体2的例子。图10是放大图9的一部分的图。在图10中，在旋转体2相对于车轮5仅相对地降低了δh时，将旋转体2的主面与车轮5的平坦面5e完全不相对的极限角度设为θ。另外，在图10中，将旋转体2的位置仅降低了δh时的旋转体2的旋转中心位置到基准方向的距离设为x，将车轮5的旋转中心位置设为o1，将旋转体2降低δh之前的旋转中心位置设为o2，将降低了δh之后的旋转中心位置设为o3，将经过旋转中心位置o2、o3的线与基准方向x相交的点设为p，将经过车轮5的旋转中心位置o1和旋转体2的旋转中心位置o3的线与车轮5的平坦面5e的内周面相交的点设为q。

在图10中，三角形o2o3q与三角形o1o3p是相似形。因而，以下的(3)式所示的比例式成立。

δh：r2＝(r1-r2)：x…(3)

若针对x对(3)式求解，则能够获得以下的(4)式。

[数学式3]

线段o2p由以下的(5)式表示。

o2p＝r1sinθ＝δh+x…(5)

将(5)式的x置换成(4)式而针对θ求解，则获得以下的(6)式。

[数学式4]

因而，旋转体2的配置位置的容许范围是自基准方向x±θ的角度范围内，如从(6)式可知那样，θ由车轮5的平坦面5e的内周面的半径r1、旋转体2的半径r2、旋转体2相对于车轮5相对地沉入的距离δh这3个参数决定。

在旋转体2配置到自基准方向x±θ的角度范围内的情况下，即使旋转体2相对于车轮5相对地沉入仅δh，也不必担心旋转体2的主面的整体与车轮5的平坦面5e相对配置或旋转体2的主面的整体相对于车轮5的平坦面5e偏离，能够获得在实际应用上没有妨碍的程度的发电性能。

如此，在本实施方式中，在将非接触发电机搭载于列车1时，使以与车轮5非接触的方式与车轮5相对配置的旋转体2的配置场所最佳化。更具体而言，以经过车轮5的旋转中心位置o1并朝向转向架构架13的长度方向x的方向为基准方向，在(6)式所示的±θ的角度范围内配置旋转体2。由此，即使是在用于支承旋转体2的转向架构架13沿着上下方向变动了的情况下，对于旋转体2与车轮5之间的相对面积也不会产生较大的差异，而始终能够获得稳定的发电性能。

(第2实施方式)

第2实施方式是以搭载到列车1的非接触发电机所发电的电能为电力源来进行防抱死·制动控制的实施方式。

图11是表示列车用制动控制装置20的概略构成的框图。图11的列车用制动控制装置20具备：旋转体2、发电部21、能量积蓄部22、速度传感器23以及abs(防抱死制动系统，antilockbrakesystem)控制部24。

旋转体2和发电部21可适用在第1实施方式中进行了说明的内容。速度传感器23用于检测车轮5的旋转速度。

发电部21使用线圈等来将旋转体2的旋转能量转换成电能，将转换来的电能积蓄于能量积蓄部22。

abs控制部24以与旋转体2的旋转能量相应的电能为电力源，基于速度传感器23的检测信号在车轮5的制动时进行防抱死控制。更详细而言，来自abs控制部24的控制信号向制动控制阀25发送。接受该控制信号并控制制动控制阀25的开闭，由此，利用制动垫片26断续地对车轮5施加制动。

在以往的列车用制动控制装置20中，为了确保电力源，需要引绕电源线缆。与此相对，在本实施方式中，能够将由发电机产生的电能主要用于abs控制，也无需将电源线缆引绕得较长，能够削减列车1内的配线量，也难以产生断线等不良情况。

如此，在第2实施方式中，将由以与车轮5非接触的方式与车轮5相对配置的旋转体2的旋转能量而获得的电能用于abs控制，因此，用于abs控制的电力源的确保变得容易，也无需将电源线缆引绕得较长，也难以产生断线等故障。另外，通过将旋转体2的配置位置设于在第1实施方式中进行了说明的位置，从而能够获得稳定的发电性能，因此，能够用作abs控制这样的对车辆来说极其重要的功能的电力源。

本发明的形态并不限定于上述的各实施方式，也包含本领域技术人员能想到的各种变形，本发明的效果也并不限定于上述的内容。即，能够在不脱离从权利要求书所规定的内容及其等效物导出的本发明的概念性的思想和主旨的范围内进行各种追加、变更和局部删除。

附图标记说明

1、列车；2、旋转体；3、线圈；4、磁轭；5、车轮；10、车轴；11、永磁体；12、轮轴；13、转向架构架；14、枕簧；15、枕梁；16、心盘；17、枕梁锚固件；20、列车用制动控制装置；21、发电部；22、能量积蓄部；23、速度传感器；24、abs控制部。