JP7496331B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の床下機器の取り付け及び配置に関し、効率的な床下機器の配置を行う為に機器の仕様などを共通化する技術である。

日本の鉄道車両は、複数の車両より編成されている。例えば、駆動するための装置の付いた電動車両と、それらの無い付随車両の２種類に分けることができ、電動車両であれば、台車に２本用意される車軸にモータが備えられる。そして、パンタグラフその他の集電装置と他車両への給電装置とを有し他車両への給電を行うタイプのものと、自車両へも給電を行うタイプのものなど、様々なタイプの車両が用意される。例えば、新幹線などは１６両編成であり、それぞれの車両が専用設計で製作されている。しかし、ニーズの異なる高速車両を専用設計で製作すると、それなりのコストがかかる。

特許文献１には、列車の編成配列に関する技術が開示されている。特許文献１の列車の編成配列は、給電装置を有し前後をモータ付き台車により連接支持される給電車両と、該給電車両の両側に連接され前後をモータ付き台車により連接支持される２つの受電動力車の３車体の連接で１単位となる動力ユニットを、複数連接して備えている。そして、隣接する動力ユニット同士の間にアイドラ車体を連接して、両動力ユニットと共通のモータ付き台車で支持している。こうすることで、中間のモータ付き台車が干渉を起こすこと無く車両編成が可能となる。つまり、３両１単位の列車編成に拘束されることが無くなるため、列車の編成配列の自由度を高めることが可能となる。

特許文献２には、鉄道用車上電気機器を搭載した鉄道車両及び鉄道車両の編成列車に関する技術が開示されている。特許文献２の列車は、発電装置を搭載した車両と、架線から電力を得て電力を供給する車両と、駆動装置を搭載した車両と、電力蓄電手段を搭載した車両と、過剰電力消費手段を搭載した車両と、架線から電力を得て電力を供給し、かつ補助で発電装置を床下艤装として搭載した車両などの鉄道車両から編成される。これらの鉄道車両は、運行区間、乗車需要に応じて、これら全てまたは一部を組み合わせてなり、編成内の車両間で電力を融通できる直流電力バスを少なくとも一系統設けて、複数の編成と区割りを少なくとも一系統設けて、複数の編成と分断、併合ができる機能を設けている。

特開平４－１２６６５８号公報 特開２０１２－５０１６２号公報

しかしながら、特許文献１に示すような技術を用いても、車両編成の自由度は高まるとはいえ、例えば短編成化する為には、再度設計を必要とすると考えられる。これは、床下機器の配置などが影響しているためであり、例えば台枠に設けられる横梁は、機器取り付けに最適化されたピッチで配置されている。よって、短編成化するためには、不要となる機器や必要となる機器を見極め、その機器取り付けの場所を決定してから、台枠の設計を行い、他の配線などを決めるといった設計を必要とする。その結果、短編成化の為に再設計をした上で、製造をやり直すなどのコストがかかる。

しかし、短編成化のニーズは、例えば乗客が少ない時間帯に対応、或いは乗客の少ない路線に対応する為であることが多く、再設計などのコストをかけることは合理性に欠けることもある。特許文献２は、そういった部分を考慮して列車の共通化を図ることが提案されているが、編成内の車両間で電力を融通できる手段だけでは、短編成化の為の再設計を避けることが難しいと思われる。そこで出願人は、短編成化の為に車両を共通化すべく、複数のユニットの共通取り付け化を検討したが、取り付け位置がまちまちであったり、配線の位置などが問題となったりするため、簡単には実現出来ないことが分かった。

そこで、本発明はこの様な課題を解決する為に、鉄道車両の短編成化にあたって車両を標準化する技術の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による鉄道車両は、以下のような特徴を有する。

（１）複数の横梁が設けられた台枠に取り付けられる主変圧器と、該主変圧器より電力の供給を受ける電動機を搭載した動力車とを備える鉄道車両において、前記主変圧器は、電力を供給する前記動力車の数に応じて設計された第１主変圧器と第２主変圧器とを含み、前記台枠には前記第１主変圧器または前記第２主変圧器のいずれかが取り付けられ、対応できる前記動力車の数の異なる前記第１主変圧器と前記第２主変圧器は、備えられる配線端子の位置が共通化されること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様によって、鉄道車両の標準化を図ることができる。主変圧器は、その多くが動力車に取り付けられるが、車両編成によって電動機を搭載しない付随車の数が異なるケースがある。そして、主変圧器の配線に関してもこの付随車の数によって変更する必要があり、これが鉄道車両の標準化の妨げの一因となっている。本発明ではその点に鑑み、電力を供給する動力車の数の異なる第１主変圧器と第２主変圧器の配線端子の位置を共通化している。こうすることで、配線数を単純に増減するだけで第１主変圧器と第２主変圧器の交換が可能となる。鉄道車両の動力車への電力供給に用いられる配線は、大電力を用いるために太く硬い。よって、主変圧器に接続する接続端子に配線をする場合、この配線端子の位置が共通化している、つまり、第１主変圧器と第２主変圧器でほぼ同じ位置に来ることは、配線の取り回しなどを考えた上でも、メリットが大きい。

短編成化を可能としたい場合には、例えば４両を１ユニットとして主変圧器から電力を供給される動力車が３という構成になる３Ｍの主変圧器と、動力車が４となる４Ｍの主変圧器では、配線数も異なるし用いる端子数も異なる。ただし、接続端子の位置を同じにしておけば、４Ｍの主変圧器から３Ｍの主変圧器にする場合でも、配線数を減らすだけで済むことになる。このため、短編成化にあたっての作業性の向上を図ることができ、作業工数の低減にも繋がる。こうして、複数種類の車両を統合して１種類の台枠での対応が可能となるため、製作コストや製造コストを抑えることが可能となり短編成化に有利となる。

（２）（１）に記載の鉄道車両において、前記第１主変圧器と前記第２主変圧器の各筐体は、同じ前記横梁に対して取り付け可能な構成となっていること、が好ましい。

上記（２）に記載の態様によって、第１主変圧器と第２主変圧器の交換にあたり、共通した横梁が固定に利用できるので、短編成化にあたって横梁の再設計などが不要となり、短編成化の作業性を向上させることが期待できる。また、短編成化における作業工数の削減などにも繋がる。

（３）（１）または（２）に記載の鉄道車両において、前記第１主変圧器と前記第２主変圧器の何れにも設けられる接続用排気ダクトの位置が共通化されていること、が好ましい。

上記（３）に記載の態様によって、第１主変圧器と第２主変圧器の接続用排気ダクトの位置が共通化されることで、短編成化にあたっての第１主変圧器と第２主変圧器の交換する際にも、排気ダクトの設計変更などを必要とせず、作業工数の削減を実現可能となる。

本実施形態の、第１先頭車両の床下機器配置図である。 本実施形態の、変圧器無車両の床下機器配置図である。 本実施形態の、変圧器有車両の床下機器配置図である。 本実施形態の、第２先頭車両の床下機器配置図である。 本実施形態の、変圧器無車両の第１パターンの部分拡大図である。 本実施形態の、変圧器無車両の第２パターンの部分拡大図である。 本実施形態の、変圧器無車両の第３パターンの部分拡大図である。 本実施形態の、主変換装置の平面図である。 本実施形態の、静止形変換装置の平面図である。 本実施形態の、３Ｍタイプの主変圧器の側面図である。 本実施形態の、４Ｍタイプの主変圧器の側面図である。 本実施形態の、鉄道車両の編成を説明する模式図であり、（ａ）には、従来の車両編成を、（ｂ）には、今回整理する車両編成を示している。 本実施形態の、車両編成の一例を説明する模式図であり、（ａ）は１６両編成であり、（ｂ）は１２両編成、（ｃ）は８両編成となっている。

まず、本発明の実施形態について、図面を用いて説明を行う。図１に、本実施形態の、第１先頭車両の床下機器配置図を示す。図２に、変圧器無車両の床下機器配置図を示す。図３に、変圧器有車両の床下機器配置図を示す。図４に、第２先頭車両の床下機器配置図を示す。鉄道車両１００の車両編成は、第１先頭車両Ａと、変圧器無車両Ｂと、変圧器有車両Ｃと、第２先頭車両Ｄよりなり、図１乃至図４に示すように、それぞれ複数の床下機器を備えている。このうち、変圧器無車両Ｂは、その中央部分で第１パターンｂ１、第２パターンｂ２、第３パターンｂ３の３つのタイプの機器取り付けが可能である。

図５に、変圧器無車両の第１パターンｂ１の部分拡大図を示す。図６に、変圧器無車両の第２パターンｂ２の部分拡大図を示す。図７に、変圧器無車両の第３パターンｂ３の部分拡大図を示す。鉄道車両１００には、変圧器無車両Ｂが複数用意されるが、パターンを整理すると図５乃至図７に示すような第１パターンｂ１、第２パターンｂ２、第３パターンｂ３のいずれかに分類できる。しかしながら、第１パターンｂ１、第２パターンｂ２、第３パターンｂ３の何れの場合も台枠１１０に設けられた横梁１１５のピッチは同じ構成となっている。横梁１１５には、図示しないボルトレーンが用意されており、床下機器の取り付けが可能となっている。

第１パターンｂ１には、主変換装置１２０と静止形変換装置１３０、電動空気圧縮機１４０などが配置されている。配線箱１５０や換気空調１６０なども配置されるが、変圧器無車両Ｂの何れのパターンでも配置される機器に関しては説明を割愛する。第２パターンｂ２には、主変換装置１２０と静止形変換装置１３０、補助空気圧縮機１７０、パンタ状態監視箱１９０が配置されている。第３パターンｂ３には、主変換装置１２０と補助空気圧縮機１７０、電動空気圧縮機１８０、パンタグラフ状態監視箱１９０が配置されている。

変圧器無車両Ｂでは、床下機器のうち、主変換装置１２０は静止形変換装置１３０とほぼ同じ大きさで重心を考慮して設計されており、変圧器無車両Ｂには主変換装置１２０が必ず配置される。図８に、主変換装置の平面図を示す。主変換装置１２０は、ＳｉＣ素子を採用することで小型化が可能となっている。ユニット化して長方形の筐体に収められている主変換装置１２０は、その周囲に取り付け用のリブ１２１が設けられており、リブ１２１に設けられた孔にはピッチＡに設定されている。また、主変換装置１２０の長手方向は幅Ｂに収められている。

図９に、静止形変換装置の平面図を示す。静止形変換装置１３０もまた、主変換装置１２０と同じ大きさの筐体に収められており、長手方向は幅Ｂに収められ、周囲に設けられたリブ１３１には取り付け用の孔があり、その孔はピッチＡに設定されている。このように、主変換装置１２０と静止形変換装置１３０が同じ大きさの筐体に収めることを実現している。これが、共通の台枠１１０を用いることを実現できた理由でもある。

変圧器有車両Ｃでは、図３に示すように主変圧器２１０が備えられている。この主変圧器２１０は、１ユニットあたり４両に電力を供給する４Ｍ車と３両に電力を供給する３Ｍ車の２つのタイプが存在する。この主変圧器２１０は必要に応じて選択される必要がある。図１０に、３Ｍタイプの主変圧器の側面図を示す。図１１に、４Ｍタイプの主変圧器の側面図を示す。３Ｍタイプの主変圧器２１０は便宜的に２１０Ａとし、４Ｍタイプの主変圧器２１０は便宜的に２１０Ｂとしている。

この３Ｍ主変圧器２１０Ａに備える第１端子板２１５Ａと第２端子板２１６Ａは、４Ｍ主変圧器２１０Ｂに備える第１端子板２１５Ｂと第２端子板２１６Ｂと同じ位置に端子が配置されており、第２端子板２１６Ａに比べて第２端子板２１６Ｂの接続部分の数が多いという違いがある。３Ｍ主変圧器２１０Ａと４Ｍ主変圧器２１０Ｂでは、細部の違いはあるが第１端子板２１５Ａと第２端子板２１６Ａ及び第１端子板２１５Ｂと第２端子板２１６Ｂの位置関係などは共通化している。また、３Ｍ主変圧器２１０Ａに備えられる接続用排気ダクト２１７Ａと、４Ｍ主変圧器２１０Ｂに備えられる接続用排気ダクト２１７Ｂが備えられている。

本実施形態の鉄道車両１００は上記構成であるため、以下に示すような作用及び効果を奏する。

まず、本実施形態の鉄道車両１００は、短編成化を見据えて車両の標準化を図り、低コスト化を実現できる。これは、複数の横梁１１５が設けられた台枠１１０に取り付けられる主変圧器２１０と、主変圧器２１０より電力の供給を受ける変圧器無車両Ｂ及び変圧器有車両Ｃとを備える鉄道車両において、主変圧器２１０は、ユニットにおいて電力を供給する動力車の数に応じて設計された第１主変圧器に相当する３Ｍ主変圧器２１０Ａと第２主変圧器に相当する４Ｍ主変圧器２１０Ｂとを含み、台枠１１０には３Ｍ主変圧器２１０Ａまたは４Ｍ主変圧器２１０Ｂのいずれかが取り付けられ、対応できる動力車の数の異なる３Ｍ主変圧器２１０Ａまたは４Ｍ主変圧器２１０Ｂは、備えられる配線端子の位置が共通化されること、を特徴とするからである。

図１２に、鉄道車両の編成を説明する模式図を示している。（ａ）には従来の車両編成について示され、（ｂ）には今回整理する鉄道車両編成について示している。図１３に、車両編成の一例を模式図に示す。（ａ）は１６両編成であり、（ｂ）は１２両編成、（ｃ）は８両編成となっている。なお、図１２及び図１３はあくまで説明を行う為のイメージである。鉄道車両１００を短編成化するためには、再設計を行って全車作り替えるということも可能ではあるが、その為にはコストがかかる。

そこで、本発明のように車両の標準化を図ることで、床下機器の載せ替えだけで対応が可能となる。具体的には、図１２（ａ）に示すように、共通する先頭車両Ａと先頭車両Ｂの他に、パターンＢ１、パターンＢ２、パターンＢ３という変圧器無しの３種類と、パターンＣ１、パターンＣ２、パターンＣ３という変圧器有りの３種類とに分類される。

そして、図１２（ｂ）に示すように、先頭車両Ａと先頭車両Ｄに変圧器無車両Ｂと変圧器有車両Ｃの４タイプの台枠１１０に分類することができる。変圧器無車両Ｂは、図２に示すように３パターンが考えられるが、台枠１１０は共通して使う事ができる。つまり、図１３に示すように１６両編成、１２両編成、８両編成と、もともと１６両編成の構成であっても、設計変更無しで１２両編成や８両編成に短編成化することが可能となる。

基本的には、変圧器有車両Ｃが離れた位置に配置されて、それ以外の車両は変圧器車両Ｃに隣接して変圧器無車両Ｂ、そして先頭車両Ａと先頭車両Ｄを加えることで車両が編成できる。この時、３Ｍ主変圧器２１０Ａか４Ｍ主変圧器２１０Ｂかは編成によって選択的に選ばれることになるが、３Ｍ主変圧器２１０Ａに設けられるリブ１２１と、４Ｍ主変圧器２１０Ｂに設けられるリブ１３１は鉄道車両１００の進行方向に対して同じピッチＡに設定されており、共通した横梁１１５に取り付けが可能となっている。

この際に、３Ｍ主変圧器２１０Ａに備えられる第１端子板２１５Ａと第２端子板２１６Ａに対して、４Ｍ主変圧器２１０Ｂに備える第１端子板２１５Ｂと第２端子板２１６Ｂは、３Ｍ主変圧器２１０Ａが台枠１１０に取り付けられた場合と、４Ｍ主変圧器２１０Ｂが台枠１１０に取り付けられた場合とで、同じ位置に来るように設計されている。このため、３Ｍ主変圧器２１０Ａと４Ｍ主変圧器２１０Ｂを取り替えるにあたって、取り替え作業が容易に行える。３Ｍ主変圧器２１０Ａと４Ｍ主変圧器２１０Ｂとでは接続する端子の数が異なるだけになっている為、配線のやり直しなどの手間が省けることとなるからである。

また、３Ｍ主変圧器２１０Ａに備えられる接続用排気ダクト２１７Ａと、４Ｍ主変圧器２１０Ｂに備えられる接続用排気ダクト２１７Ｂの位置に関しても共通化されているため、接続用排気ダクト２１７Ａまたは接続用排気ダクト２１７Ｂの接続先との関係においても、３Ｍ主変圧器２１０Ａか４Ｍ主変圧器２１０Ｂのどちらが選ばれても、容易に取り付けが可能となる。この結果、高速鉄道などを短編成化するにあたって、再設計や再製作などの手間を省き、コストを大幅に抑えることが可能となる。なお、図１３は編成の一例であるので、これに限定されるものではない。

以上、本発明に係る鉄道車両に関する説明をしたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本実施形態では編成の例を示しているが、これに限定されるものではないし、床下機器の配置も一例に過ぎない。

１００ 鉄道車両
１１０ 台枠
１２０ 主変換装置
１３０ 静止形変換装置
１４０ 電動空気圧縮機
１５０ 配線箱
１６０ 換気空調
１７０ 補助空気圧縮機
１８０ 電動空気圧縮機
１９０ パンタグラフ状態監視箱
２１０ 主変圧器

Claims (3)

1. 複数の横梁が設けられた台枠に取り付けられる主変圧器と、該主変圧器より電力の供給を受ける電動機を搭載した動力車とを備える鉄道車両において、
   前記主変圧器は、電力を供給する前記動力車の数に応じて設計された第１主変圧器と、該第１主変圧器とは異なる前記動力車の数に応じて設計された第２主変圧器とを含み、前記台枠には前記第１主変圧器または前記第２主変圧器のいずれかが取り付けられ、
   対応できる前記動力車の数の異なる前記第１主変圧器と前記第２主変圧器は、前記台枠に取り付けられた場合に、備えられる配線端子の位置が同じ位置となるように共通化されること、
   を特徴とする鉄道車両。
2. 請求項１に記載の鉄道車両において、
   前記第１主変圧器と前記第２主変圧器の各筐体は、同じ前記横梁に対して取り付け可能な構成となっていること、
   を特徴とする鉄道車両。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両において、
   前記第１主変圧器と前記第２主変圧器の何れにも設けられる接続用排気ダクトの位置が共通化されていること、
   を特徴とする鉄道車両。

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