特許 7564669 鉄道車両用主回路システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-01

(45)【発行日】2024-10-09

(54)【発明の名称】鉄道車両用主回路システム

(51)【国際特許分類】

   B60L 9/24 20060101AFI20241002BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

B60L9/24 A

H05K7/20 D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020161207

(22)【出願日】2020-09-25

(65)【公開番号】P2022054164

(43)【公開日】2022-04-06

【審査請求日】2023-07-03

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】加藤 宏和

(72)【発明者】

【氏名】福島 隆文

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 賢司

(72)【発明者】

【氏名】下山 拓紀

(72)【発明者】

【氏名】上野 雅之

(72)【発明者】

【氏名】古屋 政嗣

(72)【発明者】

【氏名】田中 英允

(72)【発明者】

【氏名】牧野 友由

(72)【発明者】

【氏名】尾谷 浩昭

(72)【発明者】

【氏名】内田 寿幸

(72)【発明者】

【氏名】藤谷 幸平

(72)【発明者】

【氏名】味岡 佳史

(72)【発明者】

【氏名】松本 侑大

(72)【発明者】

【氏名】村上 太郎

(72)【発明者】

【氏名】菱田 昭裕

(72)【発明者】

【氏名】滝沢 将光

(72)【発明者】

【氏名】森 義郎

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】再公表特許第２００８／１５２６８６（ＪＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０４９７８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０３３５８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ ９／２４

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

単相交流電力を変換して直流電力を出力するように構成されたコンバータと、
前記コンバータが出力した直流電力を変換して三相交流電力を出力するように構成されたインバータと、
前記インバータが出力した三相交流電力により駆動するように構成された６極の電動機と、
車両床下に配置されると共に、走行風によって前記コンバータ及び前記インバータを冷却するように構成された放熱体と、
を備え、
前記コンバータ及び前記インバータの各相は、パワー半導体素子及びダイオードを有して同じように構成されており、且つ、前記コンバータ及び前記インバータの各相は、前記電動機の駆動時における最大エネルギー損失が互いに等しくなるように構成されており、
前記コンバータの各相において前記パワー半導体素子及び前記ダイオードが前記放熱体と接触する面積は、前記インバータの各相において前記パワー半導体素子及び前記ダイオードが前記放熱体と接触する面積と等しい、
鉄道車両用主回路システム。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車両用主回路システムであって、
前記コンバータ及び前記インバータは、それぞれ、ＳｉＣ素子を含む、鉄道車両用主回路システム。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両用主回路システムであって、
前記コンバータ及び前記インバータの少なくとも一方におけるコンデンサの電荷を放電するように構成された抵抗器をさらに備え、
前記抵抗器は、前記放熱体に取り付けられる、鉄道車両用主回路システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鉄道車両用主回路システムに関する。

【背景技術】

【0002】

架線から交流電流を集電して走行する鉄道車両では、電力変換装置（つまりコンバータ及びインバータ）によって交流電力を電力変換して電動機に供給する。このような電力変換装置及び電動機を含む主回路システムにおいて、電動機の構造を４極から６極に変えることで、小型化を図ることができる。

【0003】

また、主回路システムの小型化を目的として、鉄道車両の走行風を放熱体に当てることによって電力変換装置を冷却し、冷却装置（つまりブロア）を省略する方法が公知である（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－１３２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のように電動機を６極とすると、電力変換装置において発熱量が増加すると共に、発熱箇所の偏りが大きくなる。このような発熱箇所の偏りの発生を抑えるために、放熱体の面積を大きくすると、上述した小型化の目的が達成できない。

【0006】

本開示の一局面は、発熱箇所の偏りの発生を抑制しつつ小型化が可能な鉄道車両用主回路システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、単相交流電力を変換して直流電力を出力するように構成されたコンバータと、コンバータが出力した直流電力を変換して三相交流電力を出力するように構成されたインバータと、インバータが出力した三相交流電力により駆動するように構成された６極の電動機と、車両床下に配置されると共に、走行風によってコンバータ及びインバータを冷却するように構成された放熱体と、を備える鉄道車両用主回路システムである。コンバータ及びインバータは、電動機の駆動時におけるコンバータの各相の最大エネルギー損失とインバータの各相の最大エネルギー損失とが等しくなるように構成される。

【0008】

このような構成によれば、コンバータの各相の最大エネルギー損失とインバータの各相の最大エネルギー損失とが等しくされることで、電力変換装置における発熱箇所の偏りが小さくなる。そのため、６極の電動機と放熱体とによる小型化を図りつつ、電力変換装置における発熱箇所の偏りの発生を抑制できる。

【0009】

本開示の一態様は、コンバータ及びインバータは、それぞれ、ＳｉＣ素子を含んでもよい。このような構成によれば、鉄道車両用主回路システムの小型化及び軽量化を促進できる。

【0010】

本開示の一態様は、コンバータ及びインバータの少なくとも一方におけるコンデンサの電荷を放電するように構成された抵抗器をさらに備えてもよい。抵抗器は、放熱体に取り付けられてもよい。このような構成によれば、放熱体によって抵抗器が冷却されるため、抵抗器の冷却装置が不要となる。その結果、主回路システムの小型化を促進できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態における鉄道車両用主回路システムの搭載例を示す模式的な斜視図である。

【図2】図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線での模式的な断面図である。

【図3】図３は、図１の鉄道車両用主回路システムの模式的な回路図である。

【図4】図４は、図３の電動機の構造を示す模式図である。

【図5】図５Ａは、電動機における回転速度と電圧又は電流との関係の一例を示すグラフであり、図５Ｂは、電動機における回転速度とトルクとの関係の一例を示すグラフである。

【図6】図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、それぞれ、電力変換装置の各相におけるエネルギー損失を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す鉄道車両用主回路システム１（以下、単に「主回路システム１」ともいう。）は、架線から供給される電力によって鉄道車両１０を走行させる。鉄道車両１０は、例えば、１８０ｋｍ／ｈ以上の高速で走行する。

【0013】

図２及び図３に示すように、主回路システム１は、電力変換装置２と、電動機３と、抵抗器４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄと、外部電源５と、放熱体６とを備える。

【0014】

＜電力変換装置＞
電力変換装置２は、鉄道車両１０の床下において、鉄道車両１０の走行方向（つまりレールＲ１，Ｒ２の延伸方向）における中央部分に配置されている。鉄道車両１０は、コンバータ２Ａと、インバータ２Ｂと、接続部材２Ｃとを有する。

【0015】

（コンバータ）
コンバータ２Ａは、パンタグラフを介して架線から入力される単相交流電力を変換して直流電力を出力するように構成されている。

【0016】

本実施形態のコンバータ２Ａは、パワー半導体素子として、ＳｉＣ素子（つまりシリコンカーバイトで構成された半導体層）を含んでいる。具体的には、コンバータ２Ａのパワー半導体素子は全てＳｉＣ素子である。

【0017】

図３に示すように、コンバータ２Ａは、Ｕ相回路と、Ｖ相回路とを有する。Ｕ相回路及びＶ相回路は、それぞれ、上アーム（つまり高電位側アーム）と、下アーム（つまり低電位側アーム）とを有する。

【0018】

Ｕ相回路及びＶ相回路それぞれの上アームは、２つのパワー半導体素子を有する。上アームの２つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子２Ｆが接続されている。上アームと中間電位端子２Ｆとの間には、上アームへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。

【0019】

Ｕ相回路及びＶ相回路それぞれの下アームは、２つのパワー半導体素子を有する。下アームの２つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子２Ｆが接続されている。下アームと中間電位端子２Ｆとの間には、中間電位端子２Ｆへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。

【0020】

Ｕ相回路及びＶ相回路それぞれの高電位側は、コンデンサを介して中間電位端子２Ｆに接続されている。Ｕ相回路及びＶ相回路それぞれの低電位側も、コンデンサを介して中間電位端子２Ｆに接続されている。

【0021】

コンバータ２ＡのＵ相回路は、上アームと下アームとの間において、交流端子２Ｄを介して外部電源５に電気的に接続されている。コンバータ２ＡのＶ相回路も、上アームと下アームとの間において、交流端子２Ｅを介して外部電源５に電気的に接続されている。

【0022】

外部電源５は、架線から入力される単相交流電圧を降圧する主変圧器を含む交流電源である。コンバータ２Ａには、Ｕ相回路及びＶ相回路に接続された外部電源５を介して単相交流電圧が入力される。

【0023】

（インバータ）
インバータ２Ｂは、コンバータ２Ａが出力した直流電力を変換して三相交流電力を出力するように構成されている。本実施形態のインバータ２Ｂは、パワー半導体素子として、ＳｉＣ素子を含んでいる。具体的には、インバータ２Ｂのパワー半導体素子は全てＳｉＣ素子である。

【0024】

インバータ２Ｂは、Ｕ相回路と、Ｖ相回路と、Ｗ相回路とを有する。Ｕ相回路、Ｖ相回路及びＷ相回路は、それぞれ、上アーム（つまり高電位側アーム）と、下アーム（つまり低電位側アーム）とを有する。

【0025】

Ｕ相回路、Ｖ相回路及びＷ相回路それぞれの上アームは、２つのパワー半導体素子を有する。上アームの２つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子２Ｇが接続されている。上アームと中間電位端子２Ｇとの間には、上アームへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。

【0026】

Ｕ相回路、Ｖ相回路及びＷ相回路それぞれの下アームは、２つのパワー半導体素子を有する。下アームの２つのパワー半導体素子の間には、中間電位端子２Ｇが接続されている。下アームと中間電位端子２Ｇとの間には、中間電位端子２Ｇへ向かう方向を順方向とするダイオードが配置されている。

【0027】

Ｕ相回路、Ｖ相回路及びＷ相回路それぞれの高電位側は、コンデンサを介して中間電位端子２Ｇに接続されている。Ｕ相回路、Ｖ相回路及びＷ相回路それぞれの低電位側も、コンデンサを介して中間電位端子２Ｇに接続されている。

【0028】

インバータ２ＢのＵ相回路、Ｖ相回路、及びＷ相回路は、それぞれ、上アームと下アームとの間において、交流端子２Ｈ，２Ｉ，２Ｊを介して電動機３に電気的に接続されている。

【0029】

（接続部材）
接続部材２Ｃは、コンバータ２Ａとインバータ２Ｂとを電気的に接続している。接続部材２Ｃは、第１部２１と、第２部２２と、第３部２３とを有する。

【0030】

第１部２１は、コンバータ２Ａの高電位側とインバータ２Ｂの高電位側とを接続している。第２部２２は、コンバータ２Ａの中間電位端子２Ｆとインバータ２Ｂの中間電位端子２Ｇとを接続している。第３部２３は、コンバータ２Ａの低電位側とインバータ２Ｂの低電位側とを接続している。

【0031】

＜電動機＞
電動機３は、鉄道車両１０の走行動力源であり、鉄道車両１０の車輪（図示省略）を回転させる。電動機３は、インバータ２Ｂが出力した三相交流電力により駆動するように構成された誘導電動機であり、極数は６である。

【0032】

図４に示すように、電動機３は、６つの固定子３１Ａ－３１Ｆと、固定子３１Ａ－３１Ｆの内側に配置された回転子３２とを有する。６つの固定子３１Ａ－３１Ｆは、電動機３の周方向（つまり回転方向）において互いに異なる極が隣接するように配置されている。

【0033】

６極の電動機は、例えば４極の電動機に比べて、固定子の径方向における幅を小さくすることができる。そのため、電動機３によって主回路システム１の小型化及び軽量化を図ることができる。

【0034】

＜抵抗器＞
図３に示す第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂは、常時、コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂにおけるコンデンサの電荷を放電するように構成されている。

【0035】

第１抵抗器４Ａは、接続部材２Ｃの第１部２１と第２部２２とを接続する回路に配置されている。つまり、第１抵抗器４Ａは、コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂの複数の上アームと並列に接続されている。

【0036】

第２抵抗器４Ｂは、接続部材２Ｃの第３部２３と第２部２２とを接続する回路に配置されている。つまり、第２抵抗器４Ｂは、コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂの複数の下アームと並列に接続されている。

【0037】

第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂは、後述する放熱体６に取り付けられている。第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂは、放熱体６との熱交換によって、放電によって発生する熱を放出する。

【0038】

第３抵抗器４Ｃ及び第４抵抗器４Ｄは、電力変換装置２において異常が発生した時に、コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂにおけるコンデンサの電荷を放電するように構成されている。

【0039】

第３抵抗器４Ｃは、スイッチング素子と共に、接続部材２Ｃの第１部２１と第２部２２とを接続する回路に接続されている。第４抵抗器４Ｄは、スイッチング素子と共に接続部材２Ｃの第３部２３と第２部２２とを接続する回路に接続されている。

【0040】

＜放熱体＞
図１に示す放熱体６は、鉄道車両１０の床下に配置されると共に、走行風Ｗによってコンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂを冷却するように構成されている。放熱体６は、鉄道車両１０の下方に露出している。

【0041】

放熱体６は、第１放熱部６Ａと、第２放熱部６Ｂとを有する。第１放熱部６Ａ及び第２放熱部６Ｂは、それぞれ、鉄道車両１０の床面を構成する底壁から下方に突出する複数のフィンを有する。複数のフィンは、厚み方向が鉄道車両１０の走行方向と直交する向きとなるように、互いに離れて配置されている。

【0042】

第１放熱部６Ａは、コンバータ２Ａの少なくとも一部（具体的にはパワー半導体素子）と接触しており、主にコンバータ２Ａを冷却する。第２放熱部６Ｂは、インバータ２Ｂの少なくとも一部（具体的にはパワー半導体素子）と接触しており、主にインバータ２Ｂを冷却する。また、第１放熱部６Ａ及び第２放熱部６Ｂの少なくとも一方は、第１抵抗器４Ａ又は第２抵抗器４Ｂと接触している。

【0043】

放熱体６は、コンバータ２Ａ、インバータ２Ｂ、第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂが発生させる熱を複数のフィンを介して走行風Ｗに伝達する。つまり、放熱体６は、主回路システム１と大気との熱交換を行う。

【0044】

＜エネルギー損失＞
図５Ａは、４極の電動機における回転速度と出力電圧Ｖ１及び出力電流Ｉ１との関係と、６極の電動機における回転速度と出力電圧Ｖ２及び出力電流Ｉ２との関係とを示す一例である。また、図５Ｂは、電動機におけるトルク特性の一例である。

【0045】

図５Ａに示すように、４極の電動機に比べて、６極の電動機は低速域における出力電流が大きい。そのため、６極の電動機を用いた場合は、電力変換装置２におけるエネルギー損失が大きくなる。

【0046】

そのため、図６Ａに示すコンバータ２Ａにおけるパワー半導体素子の損失がインバータ２Ｂよりも大きくなる設計、又は図６Ｂに示すコンバータ２Ａにおけるパワー半導体素子の損失がインバータ２Ｂよりも小さくなる設計の場合、放熱体６の走行風を利用した冷却では、コンバータ２Ａとインバータ２Ｂとの温度差が大きくなり、発熱箇所の偏りが発生する。なお、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃの各相における黒四角の数は、エネルギー損失の大きさを模式的に表している。

【0047】

これに対し、図６Ｃに示すように、コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂが、電動機３の駆動時におけるコンバータ２Ａの各相（つまり、Ｕ相及びＶ相）の最大エネルギー損失とインバータ２Ｂの各相（つまり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）の最大エネルギー損失とが等しくなるように構成されることで、放熱体６の面積を抑制しつつ、発熱箇所の偏りの発生を抑制できる。

【0048】

本実施形態では、コンバータ２Ａの各相においてパワー半導体素子及びダイオードが放熱体６の第１放熱部６Ａと接触する面積と、インバータ２Ｂの各相においてパワー半導体素子及びダイオードが放熱体６の第２放熱部６Ｂと接触する面積とは等しい。

【0049】

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）コンバータ２Ａの各相の最大エネルギー損失とインバータ２Ｂの各相の最大エネルギー損失とが等しくされることで、電力変換装置２における発熱箇所の偏りが小さくなる。そのため、６極の電動機３と放熱体６とによる小型化を図りつつ、電力変換装置２における発熱箇所の偏りの発生を抑制できる。

【0050】

（１ｂ）コンバータ２Ａ及びインバータ２ＢがそれぞれＳｉＣ素子を含むことで、主回路システム１の小型化及び軽量化を促進できる。

【0051】

（１ｃ）放熱体６によって第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂが冷却されるため、第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂの冷却装置が不要となる。その結果、主回路システム１の小型化を促進できる。

【0052】

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0053】

（２ａ）上記実施形態の鉄道車両用主回路システム１において、コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂは、必ずしもＳｉＣ素子を含まなくてもよい。コンバータ２Ａ及びインバータ２Ｂは、例えばＳｉ素子で構成されてもよい。

【0054】

（２ｂ）上記実施形態の鉄道車両用主回路システム１において、第１抵抗器４Ａ及び第２抵抗器４Ｂは、必ずしも放熱体６に取り付けられなくてもよい。
（２ｃ）上記実施形態の鉄道車両用主回路システム１において、電力変換装置２（つまりコンバータ２Ａ、インバータ２Ｂ及び接続部材２Ｃ）の回路構成は一例である。

【0055】

（２ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0056】

１…鉄道車両用主回路システム、２…電力変換装置、２Ａ…コンバータ、
２Ｂ…インバータ、２Ｃ…接続部材、２Ｄ，２Ｅ…交流端子、
２Ｆ，２Ｇ…中間電位端子、２Ｈ，２Ｉ，２Ｊ…交流端子、３…電動機、
４Ａ…第１抵抗器、４Ｂ…第２抵抗器、４Ｃ…第３抵抗器、４Ｄ…第４抵抗器、
５…外部電源、６…放熱体、６Ａ…第１放熱部、６Ｂ…第２放熱部、１０…鉄道車両、
２１…第１部、２２…第２部、２３…第３部、３１Ａ－３１Ｆ…固定子、
３２…回転子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】