特許 7607846 鉄道車両用の電力変換装置

(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】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】鉄道車両用の電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241220BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024558567

(86)(22)【出願日】2022-11-16

(86)【国際出願番号】 JP2022042574

(87)【国際公開番号】W WO2024105813

(87)【国際公開日】2024-05-23

【審査請求日】2024-10-17

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】中川 良介

(72)【発明者】

【氏名】白木 康博

【審査官】安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－３４８８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－００９７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１５２２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車両に搭載される推進モータを駆動するための鉄道車両用の電力変換装置であって、
直流電力を前記推進モータへの交流電力に変換する三相インバータと、
前記三相インバータと前記推進モータとを接続する電気配線である三相交流電力線と、前記電力変換装置の接地電位と前記推進モータの接地電位との間を接続する電気配線であるコモンモード電流還流線とを貫通させた磁性体コアと、
を備え、
前記磁性体コアは、
前記三相インバータの側に配置され、前記三相交流電力線及び前記コモンモード電流還流線の双方を貫通させた第１のコアと、
前記推進モータの側に配置され、前記三相交流電力線及び前記コモンモード電流還流線の双方を貫通させた第２のコアと、
前記第１のコアと前記第２のコアとの間に配置され、前記三相交流電力線のみを貫通させた第３のコアと、
を備え、
前記第１、第２及び第３のコアの各コアにおいて、前記三相インバータの側に面する面を第１の面とし、前記推進モータの側に面する面を第２の面とするときに、
前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの少なくとも１つの電気配線は、前記第２のコアから前記第２の面側に引き出されるときに、他の１つ又は２つの電気配線に対して互いに平行とはならないように引き出されている
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項2】

前記第１、第２及び第３のコアは、方形環状又は円形環状に形成され、
前記第２のコアの前記第２の面には非磁性金属板が設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１のコアの前記第１の面には非磁性金属板が設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項4】

前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの少なくとも１つの電気配線は、前記第１のコアから前記第１の面側に引き出されるときに、他の１つ又は２つの電気配線に対して互いに平行とはならないように引き出されている
ことを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項5】

前記第１のコアと前記第３のコアとの間に配置され、前記三相交流電力線のみを貫通させた第４のコアと、
前記第２のコアと前記第３のコアとの間に配置され、前記三相交流電力線のみを貫通させた第５のコアと、
を備え、
前記第４及び第５のコアは、方形環状又は円形環状に形成され、
前記第４及び第５のコアの各コアにおいて、前記三相インバータの側に面する面を第３の面とし、前記推進モータの側に面する面を第４の面とするときに、
前記第１のコアの前記第４の面、前記第４のコアの前記第３の面、前記第５のコアの前記第４の面及び前記第２のコアの前記第３の面の各々には、非磁性金属板が設置される
ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項6】

前記非磁性金属板は、表皮深さ以上の厚みを有するように形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項7】

前記コモンモード電流還流線は、２つに分けられて前記第１及び第２のコアを貫通する
ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【請求項8】

２つに分けられた前記コモンモード電流還流線のうちの１つは、前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの１つである第１の電気配線に対して互いに平行となるように配置され、
２つに分けられた前記コモンモード電流還流線のうちの他の１つは、前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの前記第１の電気配線とは異なる第２の電気配線に対して互いに平行となるように配置される
ことを特徴とする請求項７に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、鉄道車両に搭載される推進モータを駆動するための鉄道車両用の電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor）などのスイッチング素子を備えている。近年の電力変換装置では、スイッチング素子の高耐圧化、高周波化に伴い、スイッチング電圧の増加、スイッチング動作の高速化が進んでいる。

【0003】

一般に、電力変換装置におけるスイッチング動作は、零相電流であるコモンモード電流の原因となることが知られている。また、電力変換装置におけるスイッチング動作は、電力変換装置と負荷とを接続する交流電力線と、大地との間の寄生容量を介して、大地へ流れる漏れ電流の原因となることも知られている。また、電力変換装置におけるスイッチング動作は、交流電力線と、電力変換装置を収容する筐体との間の寄生容量を介して、負荷以外の周辺機器へ流れる漏れ電流の原因となることも知られている。これらの漏れ電流は、接地系に流れるコモンモード電流として、零相電流とは区別されている。

【0004】

上記のように、スイッチング電圧の増加及びスイッチング動作の高速化は、零相電流及び漏れ電流を増加させ、放射ノイズ及び伝導ノイズを増加させるので、周辺の通信機器などに悪影響を及ぼすという問題がある。

【0005】

零相電流を低減するため、従来から、交流電力線を同一の磁性体コアに巻回又は貫通させることが行われている。また、下記特許文献１には、漏れ電流の低減を図るため、電力変換装置の接地端子と、負荷の接地端子とをコモンモード電流還流線と呼ばれる電気配線で接続し、交流電力線とコモンモード電流還流線とを同一の磁性体コアに巻回又は貫通させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００１－０８６７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の技術を用いた場合、コモンモード電流還流線の還流ループのインピーダンスに比べて、接地回路の還流ループのインピーダンスが大きくなるので、接地回路の還流ループに流れる漏れ電流を小さくすることができる。しかしながら、特許文献１の技術を用いた場合、交流電力線のみを同一の磁性体コアに巻回又は貫通させた場合に比べて零相電流のピーク値が大きくなると説明されている。上述したように、零相電流は、放射ノイズ及び伝導ノイズの原因になる。鉄道車両用の電力変換装置の場合、負荷である推進モータには、極めて大きな電流が流れるため、零相電流の増加は許容することができない。

【0008】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、零相電流の増加を防止しながら、漏れ電流を低減できる鉄道車両用の電力変換装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本開示に係る鉄道車両用の電力変換装置は、鉄道車両に搭載される推進モータを駆動するための鉄道車両用の電力変換装置であって、直流電力を推進モータへの交流電力に変換する三相インバータと、三相交流電力線とコモンモード電流還流線とを貫通させた磁性体コアとを備える。三相交流電力線は、三相インバータと推進モータとを接続する電気配線であり、コモンモード電流還流線は、電力変換装置の接地電位と推進モータの接地電位との間を接続する電気配線である。磁性体コアは、三相交流電力線及びコモンモード電流還流線の双方を貫通させた第１及び第２のコアと、三相交流電力線のみを貫通させた第３のコアとを有する。第１のコアは三相インバータの側に配置され、第２のコアは推進モータの側に配置される。また、第３のコアは、第１のコアと第２のコアとの間に配置される。第１、第２及び第３のコアの各コアにおいて、三相インバータの側に面する面を第１の面とし、推進モータの側に面する面を第２の面とするときに、三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの少なくとも１つの電気配線は、第２のコアから前記第２の面側に引き出されるときに、他の１つ又は２つの電気配線に対して互いに平行とはならないように引き出されている。

【発明の効果】

【0010】

本開示に係る鉄道車両用の電力変換装置によれば、零相電流の増加を防止しながら、漏れ電流を低減できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る電力変換装置を含む鉄道車両システムの電気系の構成例を示す図

【図2】図１に示す入力回路部のバリエーションの例を示す図

【図3】実施の形態１に係る電力変換装置に備えられる磁性体コアの構成並びに三相交流電力線及びコモンモード電流還流線との位置関係の説明に供する図

【図4】実施の形態１に係る電力変換装置に備えられる磁性体コアを用いたときの効果の説明に供する図

【図5】電磁界解析で用いる実施の形態１による磁性体コアの構成例を示す図

【図6】図５の比較例として示す磁性体コアの構成例を示す図

【図7】図５及び図６の構成の磁性体コアに対して行った電磁界解析の説明に供する図

【図8】図７に示す解析結果が得られる理由の説明に供する図

【図9】実施の形態１で説明したローカルな磁束が発生する状況を図４の磁性体コアの構成図上に示した図

【図10】実施の形態２に係る電力変換装置に備えられる磁性体コアの構成の説明に供する図

【図11】実施の形態４に係る電力変換装置に備えられる磁性体コアの構成の説明に供する図

【図12】実施の形態５に係る電力変換装置に備えられる磁性体コアの構成の説明に供する図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る鉄道車両用の電力変換装置（以下、適宜「電力変換装置」と略す）について詳細に説明する。なお、添付図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、以下では、物理的な接続と電気的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。即ち、「接続」という文言は、構成要素同士が直接的に接続される場合と、構成要素同士が他の構成要素を介して間接的に接続される場合との双方を含んでいる。

【0013】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置５０を含む鉄道車両システムの電気系の構成例を示す図である。実施の形態１に係る電力変換装置５０は、フィルタコンデンサ３と、三相インバータ４と、磁性体コア８とを備える。図１において、三相インバータ４の入力端には入力回路部２が接続され、三相インバータ４の出力端には少なくとも１つの推進モータ１５が接続されている。推進モータ１５は、鉄道車両に推進力を付与する三相モータである。

【0014】

入力回路部２は、少なくともスイッチ、フィルタリアクトルを含んで構成される。入力回路部２の一端は集電装置１１を介して架線１０に接続され、他端は車輪１３を介して大地電位であるレール１２に接続されている。架線１０から供給される直流電力又は交流電力は、集電装置１１を介して入力回路部２の一端に入力される。入力回路部２の出力端に生じた直流電力による直流電圧は、三相インバータ４に印加される。フィルタコンデンサ３は、三相インバータ４に印加される直流電圧のリプルが小さくなるように当該直流電圧を平滑する。三相インバータ４は、入力回路部２を介して供給される直流電力を推進モータ１５への交流電力に変換する。

【0015】

三相インバータ４は、磁性体コア８を介し、三相交流電力線５によって推進モータ１５と接続される。三相交流電力線５は、三相インバータ４と推進モータ１５とを接続する電気配線である。推進モータ１５の図示しない筐体は、接地線７によって接地される。また、推進モータ１５は、コモンモード電流還流線６によって、電力変換装置５０の接地電位となる部位に接続される。コモンモード電流還流線６は、電力変換装置５０の接地電位と推進モータ１５の接地電位との間を電気的に接続する電気配線である。

【0016】

三相インバータ４は、三相ブリッジ接続される複数のスイッチング素子４ａを備える。スイッチング素子４ａは、逆並列に接続される還流ダイオードを有する。スイッチング素子４ａは、図示しない制御部から出力されるゲート信号に従ってスイッチング動作する。スイッチング素子４ａのスイッチング動作によって、スイッチング素子４ａに流れる電流が断続的に制御される。これにより、入力回路部２から供給される直流電力が推進モータ１５への交流電力に変換される。推進モータ１５は、三相インバータ４から供給される交流電力によって駆動され、図示しない１以上の鉄道車両によって編成される列車に推進力を付与する。三相インバータ４は、入力回路部２を介して供給される直流電力を推進モータ１５への交流電力に変換することで推進モータ１５を駆動する。なお、図１では、入力回路部２と、三相インバータ４とを個別の構成要素として図示しているが、これらを同一の筐体に収容して構成してもよい。

【0017】

図２は、図１に示す入力回路部２のバリエーションの例を示す図である。図２には、架線１０が交流架線である場合の例として、入力回路部２Ａが示されている。入力回路部２Ａは、主変圧器２１と、コンバータ２２とを備えている。主変圧器２１は、集電装置１１を介して受電した交流電圧を降圧して、コンバータ２２に印加する。コンバータ２２は、降圧された交流電圧を直流電圧に変換して三相インバータ４に印加する。

【0018】

次に、図１及び図３を参照して、磁性体コア８の構成及び接続形態について説明する。図３は、実施の形態１に係る電力変換装置５０に備えられる磁性体コア８の構成並びに三相交流電力線５及びコモンモード電流還流線６との位置関係の説明に供する図である。

【0019】

磁性体コア８は、三相インバータ４の側に配置される第１のコア８ａと、推進モータ１５の側に配置される第２のコア８ｂと、第１のコア８ａと第２のコア８ｂとの間に配置される第３のコア８ｃとから構成される。第１のコア８ａ、第２のコア８ｂ及び第３のコア８ｃは、図３に示されるように、円形環状に形成されている。なお、ここで言う「円形」は、真円形状のみを意味するものではなく、楕円形状も含まれることは言うまでも無い。

【0020】

また、第１のコア８ａ、第２のコア８ｂ及び第３のコア８ｃからなる各コアは、三相インバータ４の側に面する面を第１の面とし、推進モータ１５の側に面する面を第２の面とするときに、これらの第１及び第２の面がｙｚ面内に位置するように配置されている。また、第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂには、三相交流電力線５及びコモンモード電流還流線６の双方が貫通している。一方、第３のコア８ｃには、三相交流電力線５及びコモンモード電流還流線６のうちで三相交流電力線５のみが貫通している。このように構成する理由については、後述する。

【0021】

三相交流電力線５は、電気配線５ａ，５ｂ，５ｃの電気配線から成る。例えば、電気配線５ａはＵ相の電気配線であり、電気配線５ｂはＶ相の電気配線であり、電気配線５ｃはＷ相の電気配線である。

【0022】

なお、図１及び図３では、各々が１つの第１のコア８ａ、第２のコア８ｂ及び第３のコア８ｃからなる構成を例示しているが、第１のコア８ａ、第２のコア８ｂ及び第３のコア８ｃの数は、２以上であってもよい。また、図３では、各コアが円形環状に形成される場合を例示しているが、この形状に限定されない。各コアは、方形環状に形成されていてもよい。また、各コアが方形環状に形成される場合、各コアの４つの角は、面取りされていてもよい。

【0023】

磁性体コア８の素材としては、例えばフェライト、アモルファスを用いることができる。また、磁性体コア８を構成する各コアにおける外周の長さ、内周の長さ、厚さ、縦横比等のパラメータは、三相インバータ４の容量、三相交流電力線５の長さ、太さ、配置等に応じた好適なものを用いることができる。更に、磁性体コア８の透磁率は、スイッチング周波数、電力変換装置５０及び推進モータ１５との大地との間の浮遊容量等に応じた好適なものを選択すればよい。

【0024】

次に、実施の形態１に係る電力変換装置５０に備えられる磁性体コア８を用いたときの効果について、図４を参照して説明する。図４は、実施の形態１に係る電力変換装置５０に備えられる磁性体コア８を用いたときの効果の説明に供する図である。

【0025】

図４において、三相交流電力線５には、紙面の左側から右側に向かう方向の零相電流が流れ、コモンモード電流還流線６には、紙面の右側から左側に向かう方向の零相電流が流れるとする。このとき、三相交流電力線５が貫通する第１のコア８ａ、第２のコア８ｂ及び第３のコア８ｃには、右ネジの法則に従って、二点鎖線で示す磁束１００が生じる。また、コモンモード電流還流線６が貫通する第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂには、一点鎖線で示す磁束１１０が生じる。第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂにおいて、磁束１００と磁束１１０とは互いに逆向きなので打ち消し合い、第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂの内部の磁束密度は小さくなる。これにより、三相交流電力線５のみを第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂに貫通させた場合に比べて、第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂが磁気飽和を起こす零相電流のレベルを大きく引き上げることが可能となる。

【0026】

次に、第３のコア８ｃにコモンモード電流還流線６を貫通させない理由について説明する。上記では、三相交流電力線５には、紙面の左側から右側に向かう方向の零相電流が流れ、コモンモード電流還流線６には、紙面の右側から左側に向かう方向の零相電流が流れると説明した。一方、コモンモード電流還流線６にも三相交流電力線５に流れる電流と同一方向の電流が流れ、接地線７を通じて還流する動作モードも存在する。この動作モードによる電流は零相電流に比べて小さいものの、磁束が加わる方向の電流となるので、磁性体コア８の内部の磁束密度に影響を及ぼすことになる。この影響を小さくするため、第３のコア８ｃには、コモンモード電流還流線６を貫通させない構成としている。この構成により、コモンモード電流還流線６の還流ループのインピーダンスが接地線７を含む接地回路の還流ループのインピーダンスに比べて極端に小さくなるのを防止できる。これにより、零相電流の増加を防止しながら、漏れ電流の低減を図ることができるという効果が得られる。

【0027】

次に、実施の形態１の磁性体コア８が具備する別の効果について、実施の形態１の磁性体コア８を有する構成に対して行った電磁界解析の構成例、結果等を示す図５から図７の図面を参照して説明する。図５は、電磁界解析で用いる実施の形態１による磁性体コアの構成例を示す図である。図６は、図５の比較例として示す磁性体コアの構成例を示す図である。図７は、図５及び図６の構成の磁性体コアに対して行った電磁界解析の説明に供する図である。

【0028】

図５には、三相交流電力線５及びコモンモード電流還流線６の双方を貫通させた第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂの数を２とし、三相交流電力線５のみを貫通させた第３のコア８ｃの数を４とする構成例が示されている。第１のコア８ａ、第２のコア８ｂ及び第３のコア８ｃには同一構造のコア部材を使用している。各コア部材には、図７の上段部に示すような方形環状のものを使用し、ｚ方向の幅は１５０ｍｍとしている。なお、図７では、ｚ軸の方向を、図３及び図４とは逆向きに示している。

【0029】

また、図６に示す比較例では、コア部材の全体数を同一の８とし、三相交流電力線５のみを貫通させたコア部材の数と、三相交流電力線５及びコモンモード電流還流線６の双方を貫通させたコア部材の数とを均等に４とする構成例が示されている。

【0030】

図７の中段部及び下段部には、電磁界解析の解析結果が示されている。横軸はｚ方向の位置を表し、縦軸は磁界の大きさを表している。解析対象のコア部材は、図５の構成の場合、第１のコア８ａのうちの最外端に位置するコア部材９０である。また、図６の構成の場合、解析対象のコア部材は、三相交流電力線５のみが貫通している４つの磁性体コアのうちの最外端に位置するコア部材９２とする。図７の中段部には、磁性体コアにおけるＡ－Ａ’線上の磁界分布が示され、下段部には磁性体コアにおけるＢ－Ｂ’線上の磁界分布が示されている。何れの図においても、太実線は比較例の構成による磁界分布を表し、細実線は実施の形態１の構成による磁界分布を表している。図７の上段部にも示しているように、三相交流電力線５における３つの電気配線には、振幅値が７０／３［Ａ］で周波数が１００ｋＨｚの交流電流を印加し、コモンモード電流還流線６には、振幅値が７０［Ａ］で周波数が１００ｋＨｚの交流電流を印加している。また、コア部材の比透磁率は、４０００としている。

【0031】

図７の中段部の解析結果に示されるように、実施の形態１の構成では、比較例の構成に比べて、Ａ－Ａ’線上における磁界のピーク値が１００（Ａ／ｍ）程度低下していることが見てとれる。また、図７の下段部の解析結果に示されるように、実施の形態１の構成では、比較例の構成に比べて、Ｂ－Ｂ’線上における磁界のピーク値が１３０～１４０（Ａ／ｍ）程度低下していることが見てとれる。また、図７の中段部及び下段部の解析結果に示されるように、実施の形態１の場合、ｚ軸方向の殆どの領域において、磁界の大きさが、比較例に比べて下回っていることが見てとれる。

【0032】

次に、図７に示す解析結果が得られる理由について説明する。図８は、図７に示す解析結果が得られる理由の説明に供する図である。

【0033】

電力変換装置５０から三相交流電力線５を引き出す場合、三相交流電力線５は、図８に示されるように、外部との配線の中継点として、固定又は絶縁の目的で、端子台に接続されることがある。また、電力変換装置５０が鉄道車両用として構成される場合、三相交流電力線５は、平板形状であることが多く、端子台においては、各相の電気配線が距離を隔てて配置されることが多い。この場合、各相の電気配線のうちの一部は、端子台へ引き込むときに、磁性体コア８から曲げられて引き出されることになる。曲げられて引き出された電気配線による磁束は、打ち消されずに残り、磁性体コア８の周辺にローカルな磁束を発生させるケースがある。図８には、最外端に配置される磁性体コアから引き出される各相の電気配線がばらけることによって、ローカルな磁束が発生する状況が示されている。

【0034】

図５及び図６において、最外端に位置する解析対象のコア部材９０，９２では、平板状の三相交流電力線５が折り曲げられて引き出されている。このため、コア部材９０，９２では、ローカルな磁束が発生する。ここで、コモンモード電流還流線６が貫通している図５のコア部材９０では、ローカルな磁束の一部がコモンモード電流還流線６に流れる電流による磁束によって打ち消されることになる。これに対し、コモンモード電流還流線６が貫通していない図６のコア部材９２では、ローカルな磁束が打ち消されずに残ることになる。このため、実施の形態１の構成におけるコア部材９０は、比較例の構成におけるコア部材９２に比べて、磁界の大きさが小さくなったものと考えられる。

【0035】

従って、実施の形態１の磁性体コア８を使用すれば、磁性体コア８の内部の磁界の増加を抑制できるので、磁気飽和の発生の確率を小さくすることが可能となる。また、実施の形態１の磁性体コア８を使用すれば、磁気飽和の発生の確率を小さくできるので、磁気飽和に起因する磁性体コア８の透磁率の低下を抑制することが可能となる。

【0036】

以上説明したように、実施の形態１に係る鉄道車両用の電力変換装置は、直流電力を鉄道車両に搭載される推進モータへの交流電力に変換する三相インバータと、三相交流電力線とコモンモード電流還流線とを貫通させた磁性体コアとを備える。三相交流電力線は、三相インバータと推進モータとを接続する電気配線であり、コモンモード電流還流線は、電力変換装置の接地電位と推進モータの接地電位との間を接続する電気配線である。磁性体コアは、三相交流電力線及びコモンモード電流還流線の双方を貫通させた第１及び第２のコアと、三相交流電力線のみを貫通させた第３のコアとを有する。第１のコアは三相インバータの側に配置され、第２のコアは推進モータの側に配置され、第３のコアは、第１のコアと第２のコアとの間に配置される。

【0037】

上記のように、実施の形態１に係る鉄道車両用の電力変換装置は、三相交流電力線及びコモンモード電流還流線の双方を貫通させた第１及び第２のコアを有すると共に、第１のコアと第２のコアとの間に、三相交流電力線及びコモンモード電流還流線のうちで三相交流電力線のみを貫通させた第３のコアを有している。この構成により、コモンモード電流還流線の還流ループのインピーダンスが接地線を含む接地回路の還流ループのインピーダンスに比べて極端に小さくなるのを防止できる。これにより、実施の形態１に係る電力変換装置は、零相電流の増加を防止しながら、漏れ電流の低減を図ることが可能となる。

【0038】

また、上記のように、実施の形態１に係る鉄道車両用の電力変換装置は、三相交流電力線のみを貫通させた第３のコアの両端に、三相交流電力線及びコモンモード電流還流線の双方を貫通させた第１及び第２のコアを配置する構成としている。この構成により、第１及び第２のコアの最外端に位置するコア部材の磁界の増加を抑制できるので、磁性体コアにおける磁気飽和の発生の確率を小さくすることができ、磁気飽和に起因する磁性体コアの透磁率の低下を抑制することが可能となる。

【0039】

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で説明したローカルな磁束を更に低減させる構成について説明する。

【0040】

図９は、実施の形態１で説明したローカルな磁束が発生する状況を図４の磁性体コア８の構成図上に示した図である。

【0041】

図９には、三相交流電力線５を構成する３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの電気配線５ａ，５ｃが、第１のコア８ａから第１の面側に引き出されるときに、電気配線５ｂに対して互いに平行とはならないように引き出される状況が示されている。また、図９には、三相交流電力線５を構成する３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの電気配線５ａ，５ｃが、第２のコア８ｂから第２の面側に引き出されるときに、電気配線５ｂに対して互いに平行とはならないように引き出される状況が示されている。なお、図９において、図４と同一の要素については、同一の符号を付して示している。

【0042】

また、図９には、三相交流電力線５に流れる電流によって生じる磁束１００と、コモンモード電流還流線６に流れる電流によって生じる磁束１１０とが示されると共に、電気配線５ｂに対して互いに平行ではない電気配線５ａ，５ｃの部位によって生じ得るローカル磁束１２０が破線で示されている。前述したように、磁束１００と磁束１１０とは、互いに逆向きなので、打ち消し合うことになる。これに対し、ローカル磁束１２０は、打ち消し合う磁束が存在しないので、その成分が第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂの周辺に残り、或いは第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂの内部に進入することになる。

【0043】

そこで、実施の形態２では、図１０に示す磁性体コア８１の構成を提案する。図１０は、実施の形態２に係る電力変換装置５０に備えられる磁性体コア８１の構成の説明に供する図である。図１０において、図９と同一の要素には、同一の符号を付して示している。

【0044】

実施の形態２の磁性体コア８１では、図１０に示すように、第１のコア８ａの第１の面には非磁性金属板２００が設置され、第２のコア８ｂの第２の面にも非磁性金属板２００が設置されている。非磁性金属板２００の一例は、アルミ板である。

【0045】

図１０において、非磁性金属板２００は、第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂにおけるｙｚ面に配置されるので、ローカル磁束１２０と鎖交する。ローカル磁束１２０が非磁性金属板２００に鎖交すると、非磁性金属板２００に渦電流が流れる。この渦電流は、ローカル磁束１２０を打ち消す方向の磁束を発生させるので、ローカル磁束１２０が第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂの内部に進入するのを抑止するように作用する。これにより、ローカル磁束１２０によって磁性体コア８１が磁気飽和するのを抑止することが可能となる。

【0046】

電力変換装置５０が鉄道車両用である場合、三相インバータ４の側よりも推進モータ１５の側の方が、寸法の制約が大きく、空きスペースに余裕がないことが多い。このため、第２のコア８ｂの第２の面に非磁性金属板２００を設置するのが好ましい実施例となる。また、平板形状の三相交流電力線５を用いる場合、三相交流電力線５を構成する３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃの全てを互いに平行に引き出して端子台に固定するのは困難である。このため、三相インバータ４の側においても、第１のコア８ａの第１の面に非磁性金属板２００を設置するのが、より好ましい実施例となることは言うまでも無い。

【0047】

なお、図１０では、３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの、２つの電気配線５ａ，５ｃがもう１つの電気配線５ｂに対して互いに平行ではない例を示しているが、この例に限定されない。３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの、例えば１つの電気配線５ａが他の２つの電気配線５ｂ，５ｃに対して互いに平行ではない場合でも、非磁性金属板２００を設置することで、ローカル磁束１２０を低減する効果が得られる。即ち、三相交流電力線５を構成する３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの少なくとも１つの電気配線が第１のコア８ａから第１の面側、又は第２のコア８ｂから第２の面側に引き出されるときに、他の１つ又は２つの電気配線に対して互いに平行とはならないように引き出されている構成であれば、非磁性金属板２００によるローカル磁束１２０を低減する効果が得られる。

【0048】

実施の形態３．
実施の形態３では、図１０のように構成された磁性体コア８１において、非磁性金属板２００における好ましい厚みについて説明する。具体的に、実施の形態３に係る電力変換装置５０では、磁性体コア８における非磁性金属板２００の厚みを表皮深さ以上にすることを提案する。

【0049】

金属板における表皮深さとは、ある材質の金属に入射した電磁界が、１／ｅ（≒１／２．７１８≒－８．７ｄＢ）に減衰する距離である。ここで、非磁性金属板２００における透磁率をμ、導電率をσ、周波数をｆで表すと、表皮深さδは、δ＝１／√（πｆμσ）によって与えられる。

【0050】

磁性体コア８１における非磁性金属板２００において、その厚みを非磁性金属板２００の材質の表皮深さ以上にすれば、第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂ内に進入する磁束量を非磁性金属板２００がない場合に比べて１／ｅ以下とすることができる。これにより、磁性体コア８１をより磁気飽和が起こりにくい構成とすることが可能となる。

【0051】

実施の形態４．
図１１は、実施の形態４に係る電力変換装置５０に備えられる磁性体コア８２の構成の説明に供する図である。図１１に示す磁性体コア８２では、図１０に示す磁性体コア８１の構成において、第１のコア８ａと第３のコア８ｃとの間に、三相交流電力線５のみを貫通させた第４のコア８ｄが追加されている。また、図１１に示す磁性体コア８２では、第２のコア８ｂと第３のコア８ｃとの間に、三相交流電力線５のみを貫通させた第５のコア８ｅが追加されている。また、図１１に示す磁性体コア８２では、第１のコア８ａの第２の面、第４のコア８ｄの第１の面、第５のコア８ｅの第２の面及び第２のコア８ｂの第１の面の各々には、非磁性金属板３００が設置されている。非磁性金属板３００の一例は、アルミ板である。なお、図１１の構成では、第１のコア８ａの第１の面及び第２のコア８ｂの第２の面には、図１０に示す非磁性金属板２００が設置されていないが、図１０と同様に非磁性金属板２００が設置されていてもよい。非磁性金属板２００を有する場合の効果は、実施の形態２と同じである。

【0052】

次に、非磁性金属板３００を用いたときの効果について説明する。まず、コモンモード電流還流線６は、第４のコア８ｄ、第３のコア８ｃ及び第５のコア８ｅを貫通しないため、破線で示す第１のコア８ａと第４のコア８ｄとの間及び第５のコア８ｅと第２のコア８ｂとの間で折り曲げられて磁性体コア８２内に配線される。この配線形態により、折り曲げられた箇所では、実施の形態２で説明したようなローカル磁束が発生する。実施の形態４では、このようなローカル磁束が第１のコア８ａ及び第４のコア８ｄ、並びに第５のコア８ｅ及び第２のコア８ｂの内部に進入するのを抑止するために非磁性金属板３００を設置している。非磁性金属板３００を設置することにより、コモンモード電流還流線６の折り曲げ部によって発生し得るローカル磁束によって、磁性体コア８２が磁気飽和するのを抑止することが可能となる。

【0053】

なお、非磁性金属板３００の厚みを非磁性金属板２００の材質の表皮深さ以上にすれば、実施の形態３と同様の効果が得られる。また、図１１では、非磁性金属板３００を第１のコア８ａの第２の面、第４のコア８ｄの第１の面、第５のコア８ｅの第２の面及び第２のコア８ｂの第１の面の各々に設置しているが、この構成に限定されない。第１のコア８ａと第４のコア８ｄとの間隔が非磁性金属板３００の厚みに比べて広い場合には、コモンモード電流還流線６の折り曲げ部に近い箇所の面のみに非磁性金属板３００を設置することでもよい。例えば、コモンモード電流還流線６の折り曲げ部が第１のコア８ａの第２の面よりも第４のコア８ｄの第１の面の方に近い場合には、第４のコア８ｄの第１の面のみに非磁性金属板３００を設置することでもよい。同様に、例えば、コモンモード電流還流線６の折り曲げ部が第２のコア８ｂの第１の面よりも第５のコア８ｅの第２の面の方に近い場合には、第５のコア８ｅの第２の面のみに非磁性金属板３００を設置することでもよい。

【0054】

実施の形態５．
図１２は、実施の形態５に係る電力変換装置５０に備えられる磁性体コア８３の構成の説明に供する図である。図１２に示す磁性体コア８３では、図１０に示すコモンモード電流還流線６が、コモンモード電流還流線６ａ，６ｂの２つに分けられて、第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂを貫通している。２つに分けられたうちの１つであるコモンモード電流還流線６ａは、電気配線５ａに対して互いに平行となるように配置されている。また、２つに分けられたうちの他の１つであるコモンモード電流還流線６ｂは、電気配線５ｃに対して互いに平行となるように配置されている。なお、ここで言う「平行」とは、厳密な意味の平行のみを意味するものではなく、実質的に平行であればよいことを意味する。

【0055】

次に、実施の形態５の磁性体コア８３による効果について説明する。図１２において、電気配線５ａ，５ｂ，５ｃには、二点鎖線の矢印線で示す同相の零相電流が流れる。一方、コモンモード電流還流線６ａ，６ｂには、同相で、且つ電気配線５ａ，５ｂ，５ｃに流れる零相電流とは逆相の一点鎖線の矢印線で示す電流が流れる。従って、電気配線５ａに流れる電流によって生じる実線で示す磁束と、コモンモード電流還流線６ａに流れる電流によって生じる破線で示す磁束とは、互いに逆向きとなり打ち消し合う。同様に、電気配線５ｃに流れる電流によって生じる実線で示す磁束と、コモンモード電流還流線６ｂに流れる電流によって生じる破線で示す磁束とは、互いに逆向きとなり打ち消し合う。これにより、電気配線５ａが第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂから曲げられて引き出される場合であっても、電気配線５ａに対して互いに平行となるように配されたコモンモード電流還流線６ａによってローカル磁束の発生が抑制され、磁性体コア８３の内部に磁束が進入するのを抑止することが可能となる。また、電気配線５ｃが第１のコア８ａ及び第２のコア８ｂから曲げられて引き出される場合であっても、電気配線５ｃに対して互いに平行となるように配されたコモンモード電流還流線６ｂによってローカル磁束の発生が抑制され、磁性体コア８３の内部に磁束が進入するのを抑止することが可能となる。

【0056】

なお、図１２の構成では、非磁性金属板２００を有していないが、図１０に示されるように非磁性金属板２００を第１のコア８ａの第１の面及び第２のコア８ｂの第２の面に設置するようにしてもよい。また、実施の形態５では、２つに分けられたうちの１つであるコモンモード電流還流線６ａを、３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの第１の電気配線である電気配線５ａに対して互いに平行となるように配置し、他の１つであるコモンモード電流還流線６ｂを３つの電気配線５ａ，５ｂ，５ｃのうちの第２の電気配線である電気配線５ｃに対して互いに平行となるように配置するのを図１０の構成に適用したが、実施の形態４に係る図１１の構成に適用してもよい。図１１の構成に適用すれば、実施の形態４で説明した効果も得ることができる。

【0057】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
以下に、本開示の諸態様を付記として纏めて記載する。
［付記１］
鉄道車両に搭載される推進モータを駆動するための鉄道車両用の電力変換装置であって、
直流電力を前記推進モータへの交流電力に変換する三相インバータと、
前記三相インバータと前記推進モータとを接続する電気配線である三相交流電力線と、前記電力変換装置の接地電位と前記推進モータの接地電位との間を接続する電気配線であるコモンモード電流還流線とを貫通させた磁性体コアと、
を備え、
前記磁性体コアは、
前記三相インバータの側に配置され、前記三相交流電力線及び前記コモンモード電流還流線の双方を貫通させた第１のコアと、
前記推進モータの側に配置され、前記三相交流電力線及び前記コモンモード電流還流線の双方を貫通させた第２のコアと、
前記第１のコアと前記第２のコアとの間に配置され、前記三相交流電力線のみを貫通させた第３のコアと、
を備え、
前記第１、第２及び第３のコアの各コアにおいて、前記三相インバータの側に面する面を第１の面とし、前記推進モータの側に面する面を第２の面とするときに、
前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの少なくとも１つの電気配線は、前記第２のコアから前記第２の面側に引き出されるときに、他の１つ又は２つの電気配線に対して互いに平行とはならないように引き出されている
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
［付記２］
前記第１、第２及び第３のコアは、方形環状又は円形環状に形成され、
前記第２のコアの前記第２の面には非磁性金属板が設置される
ことを特徴とする付記１に記載の鉄道車両用の電力変換装置。
［付記３］
前記第１のコアの前記第１の面には非磁性金属板が設置される
ことを特徴とする付記１又は２に記載の鉄道車両用の電力変換装置。
［付記４］
前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの少なくとも１つの電気配線は、前記第１のコアから前記第１の面側に引き出されるときに、他の１つ又は２つの電気配線に対して互いに平行とはならないように引き出されている
ことを特徴とする付記３に記載の鉄道車両用の電力変換装置。
［付記５］
前記第１のコアと前記第３のコアとの間に配置され、前記三相交流電力線のみを貫通させた第４のコアと、
前記第２のコアと前記第３のコアとの間に配置され、前記三相交流電力線のみを貫通させた第５のコアと、
を備え、
前記第４及び第５のコアは、方形環状又は円形環状に形成され、
前記第４及び第５のコアの各コアにおいて、前記三相インバータの側に面する面を第３の面とし、前記推進モータの側に面する面を第４の面とするときに、
前記第１のコアの前記第４の面、前記第４のコアの前記第３の面、前記第５のコアの前記第４の面及び前記第２のコアの前記第３の面の各々には、非磁性金属板が設置される
ことを特徴とする付記２から４の何れか１つに記載の鉄道車両用の電力変換装置。
［付記６］
前記非磁性金属板は、表皮深さ以上の厚みを有するように形成されている
ことを特徴とする付記２から５の何れか１つに記載の鉄道車両用の電力変換装置。
［付記７］
前記コモンモード電流還流線は、２つに分けられて前記第１及び第２のコアを貫通する
ことを特徴とする付記１から６の何れか１つに記載の鉄道車両用の電力変換装置。
［付記８］
２つに分けられた前記コモンモード電流還流線のうちの１つは、前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの１つである第１の電気配線に対して互いに平行となるように配置され、
２つに分けられた前記コモンモード電流還流線のうちの他の１つは、前記三相交流電力線を構成する３つの電気配線のうちの前記第１の電気配線とは異なる第２の電気配線に対して互いに平行となるように配置される
ことを特徴とする付記７に記載の鉄道車両用の電力変換装置。

【符号の説明】

【0058】

２，２Ａ 入力回路部、３ フィルタコンデンサ、４ 三相インバータ、４ａ スイッチング素子、５ 三相交流電力線、５ａ，５ｂ，５ｃ 電気配線、６，６ａ，６ｂ コモンモード電流還流線、７ 接地線、８，８１，８２，８３ 磁性体コア、８ａ 第１のコア、８ｂ 第２のコア、８ｃ 第３のコア、８ｄ 第４のコア、８ｅ 第５のコア、１０ 架線、１１ 集電装置、１２ レール、１３ 車輪、１５ 推進モータ、２１ 主変圧器、２２ コンバータ、５０ 電力変換装置、９０，９２ コア部材、１００，１１０ 磁束、１２０ ローカル磁束、２００，３００ 非磁性金属板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】