常電導磁気浮上式モデル車両の浮上制御装置

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常電導磁気浮上式モデル車両の浮上制御装置

ControIEquipment

_of

ElectromagneticallY

Levitated

ModelVehicle

運輸省内に設置された低公害鉄道総合委員会が中心となって,常電導j義気浮上方 式の低公害鉄道の開発が進められているが,本稿は日立製作所が社団法人日本鉄道 技術協会から委託きれた浮上制御装置の開発について検討した結果を述べたもので ある｡すなわち,まず理論研究とシミュレーションによる検討から浮上体の上下方 向の変動の加速度を帰還すると,浮上体を安定に制御できることを解析するととも に,これを室内浮上試験装置によr)実験した結果,重量約1tの浮上体を所定のギ ャッ70に安定に浮上させ得ることを確認した｡ これらの結果をもとにして,重量1.8tの小形モデル車両用制御装置を試作し,神 奈川県大和市郊外に設置された実験線で,ギャップを所定の15mmに保ち最高速度 40km/hで浮上走行させることに成功した｡ lI

緒

言 最近の都市交適では,騒音と振動の低i成が重要な課題とな っている｡そこで,運輸省内に低公害鉄道総合委員会が設置 され,電磁石の[吸引力で車両を浮上させるとともに,リニア モ【タで推進する常電導弓滋気浮上方式による低公害鉄道の開 発が現在進められている｡その基礎技術開発のため,財団法 人日本船舶振興会の昭和49年から51年度の補助事業として, 社団法人日本鉄道技術協会(会長･関 _{四郎氏)の組織内に東} 京大学名誉教授･山村 昌氏を委員長とする｢低公害鉄道基礎 的i芋上推進実験委員会+が設置され,基礎実験が進められた｡ その-一環として小形モデル車両を実験線で浮上走行させる ことになり,日立製作所では東京芝浦電気株式会社,三菱電 機株式会社とともにこのモデル車両用制御装置の開発の委託 を社団法人日本鉄道技術協会から′受けた｡ニの常電導石義気浮 上方式は,本質的に不安定であるため制御装置でそれを補イ質 するように磁気【吸引力を制御し,軌道と車両の間に一定のギ ャップを保って安定に浮上させる必要がある｡本論文では, ニのモデル車両の中心となる制御装置について述べる｡ 臣l

_{モデル車両の構造}

図1に実験線で他用されるモデル車両の構造を示す｡i手上 梓には軌道をかかえこむような脚をもち,脚には水平軌道に 対向して浮上用電磁石が,側面軌道に対向して案内用電ぞ遍石 が取り付けられている｡また枠の床下には.推進用リニアイ ンダクションモ【タ(LIM)が取り付けられ,更にこのLIMに 対向して,リアクションプレートが軌道上に敷設される｡一 方､床上には浮上制御装置及びLIM用制御装置が搭載される｡ このモデル卓両の浮上･推進用電子原は,トロリー線から集電 器によって集電される｡ 田

ギャップ制御1)

3.1浮上制御上の問題点 図1に示したモデル車両の浮上制御を行なうのに,次のよ うな問題点がある｡

(1)吸引形電磁石は本質的に不安定な系であるため,-{走の

ギャップに安定に制御するのは極めて困難である｡

山崎正規*

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渡辺淳吉**

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中村イ変明***

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(2)常電導イ滋気浮上方式は,軌道と電一遍石とのギャップが/ト

さいため軌道凹凸によってi手七草両が加振され,乗心地を悪 く _{したり電右晶石が軌道に接触するおそれがある｡} (3)集電器の瞬時離線によって浮上車両が落下Lたり,ギャ ップ制御が不能となるおそれがある｡ そこで,このような問題点を解決するためには,どのよう な制御￣方式にしたらよいかについて検討した｡ 3.2 ギャップ制御の動作原理 図2(a)に常電導磁気浮上制御の動作原理をホす｡i手上用軌 道と電イ滋石との間のギャップをギャップセンサで検出して, 浮上 こ御 進二常 内 上 り制 推り非 案 浮 集電 1,700 -l′ 泄

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制御装置 アモータ 装置 用 アモータ▼ 用シュー

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く:) ⊂) N ⊂⊃ ⊂) ⊂カ 注:車両全長 2,800mm,車両重量 約1.8t 図l _{実験線モデル車両構造図 電磁石の励磁電流を制御して,モデ} ル車両を浮上案内しリニアモータで推進する｡ * 日立製作所日立研究所 ** 日立製作所水戸⊥場 *** 日立･製作所機電事業本部交通技術本部

それを--一定に保つように電石嘉石の肋磁電i充を制御する｡ 周知のように,電イ滋石の吸引力凡はギャップズの2乗に逆 比例して変化する｡すなわち,同図(a)で電イ滋前の力凡が浮上 体に働く重力lγ∼より大きいときは,浮上体は持ち上がって ギャップが小さくなる｡そのため,[吸･il力は急i敷に大きくな りついには電磁石は軌道に吸い付いてしまう｡逆に電磁才子の q及引力が′トさいときは,浮._L体は下がってギャ､ソプが人きく なりますます吸引力はi成少し,洋一_L休は落下してしまう｡ニ のように,この制御系は極めて不安定なものである｡ 3.3 ギャップ制御の解析 この動作を,ブロック図で表わすと図3(a)のようになる｡ すなわち,ギャップと基準依を比較増幅し電磁石の助磁電i克 を制御すると吸引力凡が発生する｡この吸引力とi字_L体に働

く重力肌の差によって加速度が生じ,これを2回積分(与)

ざ するとギャップとなる｡ところでF(s)は,-一般に遅れ要素で できているので,日動制御の理論からループの中に2回積分

(吉)のブロックが存在する場合は不安定な系となることがよ

く知られている｡図3(a)のプロ･ソク図をベクトル線図で匝iく と同図(b)のようになり,ナイキストポイント(-1,ふ)の上 に来るので不安定となることが分かる｡このような場合,つ桂 準値ズざをステップニ伏に変化したときのギャップズの応答,す なわち過去度応答波形をシミュレーションで求めると,同図(C) に示すように発散状態となった｡ そこで,このような不安定な動作を改善する方法を検討し た結果,図4(a)に示すようにざ2の項,すなわちギャップズを 浮 上 用 軌 道 J_†J ギャップ (方) ギャップセンサ

雫要害い⊥

L -R nJl 昏 増 幅 器 F(べ) (a)制御動作原理 ギャップ▲Ⅴ (b)電磁石吸引力特性

電磁石卜7

浮上体Itl′rf

α(÷)Z

図2 常電導石益気浮上制御の動作原‡里 常電導磁石式浮上制御は,本 質的に不安定な系である｡ 基準値∬s 十 F(J■ J.tJ α _Y2 浮上体重量 i･lr′ ＋ 爪J 1 ノ1･∫ .＼■￣ (a)ブロック回 仁一S′ ノ l l 1-一-ノ ト1,ノD) ナイキストポイント α 1

｢;-5jニf'一言J■荊■∵

､ヽ･ご ただし,F(S〉は遅れ要素 (b)ベクトル線図 ギャップ ｡七' 基準値方s ギャップ方 時間 (0)過渡応答波形 図3 _{図2の制御系のブロック図とその応答う皮形 ベクトル線図の} 軌跡がナイキストポイントの上側を通ると,不安定な系となることが自動制御 理論からよく知られている｡ 2回微分したものをフィードバックすることに着日Lたt､こ の場合のベクトル線図は同同(b)のようになり,ナイキストポ イントの下側に来るため安定となる｡また,過i度J石谷波形も シミュレーションの結果同図(c)のように集束した.｡

【】浮上試験装置による実験

モデル車両に近い規模で,車両の停止紙態での浮.L制御の 等価実験を行なう目的で,室内に浮上試験装置を設置した｡ t4･'亡 十 ナ→(S) 十 基準値 ユ■5 ムJ ギャップの 加速度 ユr2 _{f＼lJ Jlグ ､ヾ￣}リ (a)ブロック国 (爪1../■勺) ノ _＋ ｢;く5) 肌ノ (b)ベクトル繰回 ギャップ∫ 基準値ぷ5 ギャップ方 時間 (c)過渡応答波形 図4 ギヤップの加速度も帰遠制御した場合 ギャップ(ズ)のほか に,ギャップの加速度(52)を負帰還Lて安定化することに着目Lた｡

つり上げ電磁石 軌道 静荷重 浮上体 急変荷重 案内電磁石 ギャップセンサ 浮上電磁石 〔::==) 巨∃ 図5 浮上試験装置の構造 及び荷重急変試験ができる｡ ギャップ基準値設定器 ＋12V O-く) (:叫】12V

化+

｢.山上JJ

庄 源 電 定電

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加振装置 …≒∃ ･∵･0･∵‥1･･打‥-0 ∴･t=〉 ･･ ?･,ベース 浮上体を浮上させた状態で.軌道急変試験 演算増幅回路 常電導磁気浮上式モデル車両の浮上制御装置 ₆₆₉ 4.1試験装置の構造 図5は本装置の構造を示すもので,軌道部と浮上体から構 成され,浮上体には水平軌道と対向して浮上用電子滋石が,ま た内面軌道に対向して案内用電石益石が取r)付けられている｡ この浮_ヒ体重量は電磁石,静荷重を含めて約1tであるが, そのほかに荷重を急変できるようになっている｡一方,軌道 はばねを介して取り付けられており,加振装置により軌道そ のものを振動させることができるようになっている｡ 4.2 _{浮上制御装置の回路} 図6に,浮上試験装置に組み合わせるために試作した浮上 制御装置の回路を示す｡200V三相￣交i充を電源とするサイリス タ純ブリッジ回路から電磁石を励磁するようにし,サイリス タのゲートは才滋気移相器で制御する｡加速度及びギャップの 検出信号は,ギャップ基準値と比較したのち清算増幅回路で 増幅し,磁気移相器の制御巻線に加える｡ 4.3 ギャップ制御の実験 浮上試験装置と制御装置とを組み合わせて,ギャップ制御 の実験を行なった｡

(1)ギャップ基準値急変試験

図7はギャップ基準値を急変させた場合のオンログラムで あり,基準値を15mmから10mⅡlにステップメ犬に変化させた場合 である｡浮+L体のギャップは,シミュレーションで求めた波 形とほほ㌧-･致する結果が得られた｡したがって,ギャップ変位 のほかに浮上体の上】卜方向の加速度を検出して,負輔還する ことにより安定なギャップ制御が行なわれることを確認した｡

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磁気移相器 バイアス ゲ…卜へ Gl】 G12 G21 G22 G31 G:iZ ∪ V W 三相200V 電 磁 石 Jl! サイリスタ回路 Gll G21 G3】 G12 G22 G32 図6 浮上制御装置回路図 サイリスタのゲート制御には,電源電圧変動に強い磁気移相器を採用した｡ 加速度 検出 器 ギャッフ 検出 器

｢=⊥0･-s

シミュレーション 10mm 10 今回開発した装置の特性 浮上体ギャップ 10mm 15mm ギャップ基準値 電磁石電流 43A 15mm 30A 図7 浮上試験装置によるギャップ基準値急変試験 _{重量Itの浮} 上体は,安定に静止浮上した｡

(2)軌道変動試験

次に,乗心地に大きな影響のある軌道の凹凸に対する浮上 体の応答を調べる実験を行なった｡図8にそのオシログラム を示す｡周波数がごく低い場合は,浮上体の変動にほぼ追従 しているが,4Hz程度まで周波数が高くなると7.5mmの軌道 変動に対して浮上体の変動は5mmとなり,浮上体はあまり追 従しなくなる｡これをグラフにまとめたのが図9であり,ほ ぼ1.5Hz程度まで追従して,それ以上では軌道が振動しても 浮上体の変位はほとんど変動しなくなることが分かる｡した がって,この装置は車両の乗心地の点からほぼ理想的な特惟 を示している｡

(3)集電器離線試験

次に,集電器離線に対する浮上体の応答を調べる実験を行

一斗29.4mm

26.5mm 浮上体変動 軌道変動

す1仁一s

5mnl 7.5mm ./=4Hz ./=0.5Hz 図8 浮上試験装置による軌道正弦波加糖試験 軌道変動周波数が 高〈なるに従い,浮上体は軌道変動に追従Lなくなる｡ 0.1 J_⊃ 一一I L璧 豊臣

了

理想特性 0.1 1 10 周波数(Hz) 図9 _{浮上試験装置による軌道加振試験周波数特性 軌道に接触す} ることなしに.良好な乗心地を保つ理想特性をほぼ満足している｡ 表l許容される集電器離縁時間 集電器離縁に対する浮上制御への 影響ほ,ほとんどないと考えられる｡ 集電器離縁 離 縁 時 間 一相離縁 0.5s以下であれば,ほとんど問題ない｡ 二相離縁 I5ms以下であれば,安定に元のギャップに復帰する｡ 浮上体ギャップ 電磁石電流 電源電圧 180V 2mm

｢｢

20mm 25mm 54A 図10 浮上試験装置による集電器一相離縁試験 離線時に浮上体の ギャップは多小変動するが,安定に元のギャップに復帰している｡

図Il ある｡ 実験線の全景 実験線の全長は約165m,実験車両の重量はl.8tで 常電導磁気浮上式モデル車両の浮上制御装置 671 なった｡図川はその実験結果の一例を示すもので,三相電i悼 のうち一相が0.2秒間だけ維線した場合のオシログラムであ る｡浮上体のギャップは過亨度的に2mm変動するが,特に問題 となることはなかった｡この実験結果から,集電器離線に対 する許容時間についてまとめ.ると表lに示すようになる｡ニ の方式がこのように安定な理由は,サイリスタのゲート制御 装置に電源電圧変動に強い磁気移相器を採用したことによる ものである｡ 臼

_{モデル車両の浮上走行試験2)}

理論解析と浮上試験装置による実験とによI),浮上制御上 の問題点を解決できたのでこの方式を適用した制御装置をモ デル車両に搭載し,実一験線で走行実験を行なった｡ 5.1実験線 図11に,社団法人日本鉄道技術協会が神奈川県大和市郊外 に設置した実験線を示す｡実験線の全長は約165mであり,モ デル車両の寸法は幅1.7mX高さ2.1mX長さ2.8mで,垂岩は 土2桁 土3 土4 _{≠5 ニ6} 士7 ±8 三9 亡10 =11 士12 士13桁 進行方向

}旦竺+

‡----･･･-･

1(∋5[1 =2桁 こ3桁

⊂コ宅ヨ

段差部 1,000mm 三4桁中心 1,000 1､000 通り狂い部 3.2mm

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土5桁中央 1､000mm =五

蠣¶･2mm

上下狂い部 16m[1

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カント吾B(壬8桁) No,1浮上キャップ No-2浮上ギヤップ No-3浮上ギヤップ No_4浮上ギャップ No.1浮上電磁石電流 No2浮上電磁石電流 No,3浮上電磁石電流 No.4浮上電磁石電流 王=桁 25mm ｢ 角折れ部 望12桁 15.5mm 15.5mm 15mm 33.5A 30.5A 28A 29A

トユ㍉

図ほ 実験線の軌道 実験 線の軌道には,図示のような不整 が付けてある｡ 図13 _{モデル車両の静止浮上} 試験 ソフトパターンに治って 安定に浮上し,浮上後の各点のギ ャップ及び電磁石電流はバランス している｡

G2 ②l 車両 ギャップG 案内用電磁石 20 18 丘U 4 2 (〟こ 顆 0 即 時 増 00 甜 案内電磁石 車 両

∃諾

｢△ ヽ ヽ

＼

ヽ ヽ × / ⑨ ロープ G3 ップ 何 重 ①引 一方 (む代 G4 ′1 ′l束 ′ ザ･ L㊥ (ヽ △

淘､､｡

､-くゝ-1ゝ_ (∈∈) 森 蜘 ト ヽ一斗 廿 2 0 20 40 60 80100120140160180200220240260280 荷 重 重 _量(kgw) 図14 案内力測定試験 最大荷重240kgのとき.ギャップ変動は2.5mmと 小さく,車両がカント部を通過するときの案内力には余裕がある｡ 約1･飢である｡また,軌道には図12に示すような不整が故意 に付けてある｡例えば,♯2桁と♯3桁の間には3mmの段差 が,♯4桁の中央部側面軌道には,厚さ3.2mmの鉄板を1m おきに2枚溶接して不整を付けている｡ 5.2 静的浮上案内試験

(1)浮上試験

モデル車両を着地状態から所定のギャッ7Dまで浮上させた 3mm 3.2mm _40mm o 段差郡 上下狂い部 カント部 No.1 15mm

/

浮上ギャップ 【5mm

/

/

ときの各点のギャップ,及び電磁石電流の応答を測定した｡ そのときのオンログラムを図13に示す｡同図に示すように, ソフトパターンに沿って安定に浮上し,浮上静止後の各点の ギャップ及び電1充はバランスしている｡

(2)案内力測定試験

モデル車両を浮上させた状態で案内方向に外力を加え,ギ ャップ変動と案内用電磁石の電流とを測定した｡図14に測定 結果を示す｡外力を0∼240kgまで変化させたときのギャップ 変動は0∼2.5mmと小さく,車両がカント部を通過するときの 案内力には余裕のあることが分かった｡ 5.3 走行浮上案内試験 モデル車両を使って,各種不整を付けた軌道の上を浮上走 行させる実験を行なった｡図柑にそのオンログラムの一例を 示す｡走行中のギャップ変動は,上下方向,案内方向とも基 準値の15mmに対し±5mm以内であり,安定に浮上走行するこ とを知った｡また,走行中の振動加速度は1m/s2以下であり, 乗心地も十分満足することを確認した｡ l司

結

言 以上,常電導磁気浮上式モデル車両の浮上制御装置につい て検討し,ギャップ制御系の安定化のためのシミュレーショ ン及びモデル車両による浮上走行試験の結果について述べた が,更に信頼性の高い制御装置とするよう努力を続けて行き たい｡ 本装置の開発に当たっては,｢低公害鉄道基礎的浮上推進実 験委員会+の山村

_{昌委員長(東京大学名誉教授)をはじめと}

する委員各位及び御指導,御鞭1蓮をいただいた関係者の方々 に対し厚くお礼を申しあげる｡ 参考文献 1)山村ほか:磁気浮上方式の貴通制御,電気学会電気鉄道研究 会資料(昭51-7) 2)日本鉄道技術協会:低公害鉄道の開発研究報告書(基礎的諸 要素の開発)(昭50-3) 3)日本鉄道技術協会:低公害鉄道の開発研究報告書(基礎的浮 上･推進実験)(昭51-3) 4)日本鉄道技術協会:低公害鉄道の開発研究報告書(基礎的浮 上実験)(昭52-3) 25mm 角祈れ部

/

士2桁 虎3 _{＋5mm ま4 ±三5士6 王7 士8 生9 卓10 ≠11 士12 と13柿}

トユl

振動加速度(上下卜 Tlm/s2 30km/h 仙.1電磁石電流 3gkm/h ⊥30A￣￣ 0 _速度 0 区I15 _{モテリレ車両の浮上走行} 試験 _{モデル車両のギャップの} 変動は.基準値のほmmに対して± 5mm以内,上下方向振動加速度は Im/s2以内であり安定に走行Lた｡