JP7166474B2 - 電気車の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータを冷却する機能を備える電気車の駆動制御装置に関する。

従来、電気車には、電動機に電力を供給するための駆動制御装置が搭載されている。駆動制御装置は、リアクトル、コンデンサ、インバータなどを備えている。インバータは、架線から受電した直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電動機に供給する。

一般的に、リアクトル、コンデンサ、インバータ、これらを冷却する冷却装置などは、同じ筐体に収納されて、電気車の屋根の上または床下に配置されている。一方で、電動機は、車両の床下に設置される台車に配置されている。

電気車の屋根の上および床下には、インバータなどの他に、多数の装置が配置されるため、他の装置との関係で筐体の配置スペースが制約を受ける場合がある。このような場合には、駆動制御装置の仕様を変更して、駆動制御装置の構成部品および筐体を小型化する必要がある。なお、駆動制御装置の仕様の変更に伴い、仕様の変更前に比べて電気車の性能が低下することがある。

特許文献１には、電気車の電動機に用いられるものではないが、インバータを内蔵するインバータ一体型電動機が記載されている。電気車の電動機にインバータ一体型電動機を用いることができれば、インバータと電動機とをまとめて台車に配置できるため、インバータが占有していた筐体内のスペースが空き、その分筐体を縮小できる。これにより、駆動制御装置の仕様を変更することなく、筐体の小型化を実現できるため、電気車の電動機に用いられるインバータ一体型電動機の開発が望まれている。

インバータ一体型電動機では、インバータで発生した熱の放熱が問題になるため、インバータの冷却対策が必要となる。特許文献１に記載された技術では、インバータを冷却するための冷却手段が搭載されている。

特開２００４－３１２９６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、固定子、回転子などを冷却するための冷却手段とは別に、インバータを冷却するための冷却手段が必要になるため、インバータ一体型電動機が大型化するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インバータを冷却する機能を確保しつつインバータ一体型電動機の小型化を図ることができる電気車の駆動制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電気車の駆動制御装置は、電動機部と電動機部の駆動を制御する変換器部とを備える。電動機部は、固定子および回転子を収容し、金属で形成された電動機フレームを有する。電動機フレームは、外周面を有する。変換器部は、電動機フレームの周囲に配置されている。変換器部は、半導体素子を含む半導体モジュールを有する。半導体モジュールは、電動機フレームの外周面と直接接触または熱的に接触している。電動機フレームの外周面は、台車に固定される固定面を含んでいる。変換器部は、電動機フレームの外周面のうち固定面を避けた位置に配置されている。電動機部の内部には、外気を電動機部の内部に取り入れて通流させてから電動機部の外部に排出する外気通風路が設けられている。半導体モジュールと外気通風路とは、電動機フレームで隔てられている。

本発明によれば、インバータを冷却する機能を確保しつつインバータ一体型電動機の小型化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電気車の駆動制御装置を電気車に搭載した状態を示す側面図 本発明の実施の形態１にかかる電気車の駆動制御装置を電気車に搭載した状態を示す平面図 図２に示されたＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図 図３に示される変換器部を拡大した断面図 本発明の実施の形態１にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を模式的に示す斜視図 図５に示されたＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図 本発明の実施の形態２にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を模式的に示す斜視図 本発明の実施の形態３にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を模式的に示す斜視図 本発明の実施の形態４にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を示す断面図 図９に示される変換器部を拡大した断面図 本発明の実施の形態５にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を示す断面図 本発明の実施の形態６にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を示す断面図 本発明の実施の形態７にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を示す断面図 本発明の実施の形態８にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部および電動機部を示す断面図であって、図５に示されたＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図に相当する図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電気車の駆動制御装置１を電気車１００に搭載した状態を示す側面図である。以下、電気車１００の長さ方向をＸ軸方向とし、電気車１００の高さ方向をＹ軸方向とし、電気車１００の幅方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向とは、互いに直交する。また、電気車の駆動制御装置１を駆動制御装置１と称する場合もある。

図１に示すように、電気車１００は、電気動力によって走行する鉄道車両であり、複数の台車７と、駆動制御装置１とを備える。複数の台車７は、Ｘ軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。台車７のそれぞれは、駆動制御装置１を支持する台車枠７３を備える。台車枠７３は、Ｘ軸方向の中央部において、下方に突出する支持フレーム７４を有している。台車枠７３には、Ｚ軸方向に延びる車軸７２が設置されている。車軸７２のＺ軸方向の両端には、車輪７１が取り付けられている。

駆動制御装置１は、インバータ一体型電動機２と、スイッチ３と、リアクトル４とを備える。

スイッチ３およびリアクトル４は、同じ筐体８の内部に収納されて、電気車１００の床下に配置されている。筐体８は、隣り合う台車７の間に配置されている。スイッチ３は、図示しない架線から直流電力を受電する図示しない集電装置と接続される。リアクトル４は、図示しない架線側からのサージ電圧を抑制するとともに、後記する半導体モジュール６２のスイッチング動作により発生する電流のリプル成分が架線側に流出することを抑制する機能を有する。リアクトル４は、外部接続導体１３を介して、インバータ一体型電動機２と接続されている。

インバータ一体型電動機２は、電気車１００の床下において、台車７に配置されている。インバータ一体型電動機２とスイッチ３およびリアクトル４とは、電気車１００の床下に分散して配置されている。なお、図示は省略するが、実際の電気車１００の床下には、駆動制御装置１の他に、電気車１００の走行に必要な種々の装置が配置されている。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる電気車の駆動制御装置１を電気車１００に搭載した状態を示す平面図である。図３は、図２に示されたＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、図３に示される変換器部６を拡大した断面図である。図３に示すように、インバータ一体型電動機２は、電動機部５と変換器部６とを備える電動機である。電動機部５は、車軸７２に駆動力を与えて、車輪７１を回転させる機能を有する。電動機部５は、電動機部５の外枠となる円筒形状の電動機フレーム５１と、電動機フレーム５１の内周面に取り付けられた円筒形状の固定子５２と、固定子５２の内側に配置された円筒形状の回転子５３と、回転子５３の中心に通された円柱状の電動機軸５４とを有する。以下の説明において、インバータ一体型電動機２の各構成要素について方向を説明するときには、電動機部５の軸方向、径方向、周方向を基準とする。

固定子５２は、回転磁界を発生させる役割を果たす。固定子５２には、図示しない固定子コイルが設けられる。回転子５３は、回転磁界に応じて回転する。電動機軸５４は、回転子５３と一緒に回転する。電動機フレーム５１は、固定子５２および回転子５３を収容する。電動機フレーム５１は、金属で形成されている。金属は、例えば、アルミニウム、鉄である。電動機フレーム５１は、電動機用固定部材５９により支持フレーム７４に固定されている。電動機フレーム５１は、外周面５５を有している。外周面５５の形状は、特に制限されないが、本実施の形態では円周面状である。電動機フレーム５１の外周面５５は、電動機用固定部材５９が固定される固定面５６を含んでいる。

図２に示すように、電動機軸５４のうち軸方向の一端には、小歯車９ａが設けられている。車軸７２のうち軸方向の一端には、小歯車９ａと噛み合う大歯車９ｂが設けられている。電動機軸５４の回転力は、小歯車９ａおよび大歯車９ｂを介して、車軸７２に伝達される。これにより、車軸７２が回転して、車軸７２と連結された車輪７１が一緒に回転する。

変換器部６は、電動機部５の駆動を制御する機能を有する。図３に示すように、変換器部６は、電動機フレーム５１の周囲に配置されている。変換器部６の一部は、電動機フレーム５１の外周面５５と接触している。電動機フレーム５１を間に挟んでＸ軸方向の一方には、車軸７２が配置されており、電動機フレーム５１を間に挟んでＸ軸方向の他方には、電動機用固定部材５９が配置されている。変換器部６は、電動機フレーム５１の外周面５５のうち、車軸７２および電動機用固定部材５９を避けた位置に配置されている。変換器部６は、本実施の形態では、電動機フレーム５１の外周面５５のうち車軸７２と電動機用固定部材５９との間で上方を向く面に配置されている。これにより、台車７の上方から変換器部６にアクセス可能である。

図４に示すように、変換器部６は、コンデンサ６１と、半導体モジュール６２と、駆動制御基板６３と、カバー６４とを有する。半導体モジュール６２、コンデンサ６１、駆動制御基板６３およびカバー６４は、本実施の形態では、電動機フレーム５１の外周面５５のうち上方を向く面に配置されている。

コンデンサ６１は、図示しない架線側からのサージ電圧を抑制するとともに、半導体モジュール６２のスイッチング動作により発生する電流のリプル成分が図示しない架線側に流出することを抑制する機能を有する。コンデンサ６１は、電動機フレーム５１の外周面５５に概ね沿った形状に形成されている。コンデンサ６１は、コンデンサ固定部材６５により、電動機フレーム５１の外周面５５に固定されている。

半導体モジュール６２は、コンデンサ６１で保持された直流電圧を、任意の周波数および任意の電圧の交流電力に変換する機能を有する。半導体モジュール６２で変換された交流電力は、電動機部５に供給される。半導体モジュール６２は、半導体モジュール取付部５７を介して、電動機フレーム５１の外周面５５に取り付けられている。半導体モジュール取付部５７は、電動機フレーム５１の外周面５５と一体に形成されてもよいし、電動機フレーム５１とは別体に形成されて電動機フレーム５１の外周面５５に固定されてもよい。半導体モジュール取付部５７は、例えば、電動機フレーム５１とは別体に形成されたアルミニウム製の冷却ブロックでもよい。

駆動制御基板６３は、半導体モジュール６２の駆動を制御するための基板である。駆動制御基板６３は、半導体モジュール６２を間に挟んで電動機フレーム５１とは反対に配置されている。駆動制御基板６３は、図示しない導体を介して、半導体モジュール６２と接続されている。駆動制御基板６３は、制御信号ケーブル１０を介して、図示しない制御装置と接続されている。

カバー６４は、コンデンサ６１、半導体モジュール６２、駆動制御基板６３を覆う部材である。カバー６４は、開閉可能である。カバー６４を開けているときは、半導体モジュール６２などの点検作業を上方から行うことができる。

ここで、図５を参照して、電動機部５、コンデンサ６１、半導体モジュール６２および駆動制御基板６３についてさらに説明する。図５は、本発明の実施の形態１にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を模式的に示す斜視図である。電動機部５は、本実施の形態では三相交流で駆動される。駆動制御装置１は、変換器部６と電動機部５とを接続するＵ相導体１１ｕ、Ｖ相導体１１ｖおよびＷ相導体１１ｗを備える。以下、Ｕ相導体１１ｕ、Ｖ相導体１１ｖおよびＷ相導体１１ｗを電動機導体１１と総称する場合もある。

コンデンサ６１と半導体モジュール６２とは、電動機部５の周方向に並べて配置されている。コンデンサ６１の形状は、直方体である。コンデンサ６１は、電動機部５を向く電動機部側取付面６１ａと、複数の外部接続端子６１ｃと複数のコンデンサ側接続端子６１ｄとが設けられるコンデンサ側端子面６１ｂとを有する。コンデンサ６１は、コンデンサ側接続端子６１ｄが半導体モジュール６２の方を向くように、電動機フレーム５１の外周面５５に配置されている。複数の外部接続端子６１ｃは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。複数の外部接続端子６１ｃのそれぞれには、図示しないリアクトル４と繋がる外部接続導体１３が接続されている。複数のコンデンサ側接続端子６１ｄは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。

半導体モジュール６２は、軸方向に互いに間隔を空けて並べて３つ配置されている。最も紙面左側の半導体モジュール６２は、Ｕ相導体１１ｕと接続されている。中央の半導体モジュール６２は、Ｖ相導体１１ｖと接続されている。最も紙面右側の半導体モジュール６２は、Ｗ相導体１１ｗと接続されている。

半導体モジュール６２の形状は、直方体である。半導体モジュール６２は、駆動されたときに熱が発生する半導体素子６２ｅと、半導体素子６２ｅを冷却する放熱面６２ａと、複数の直流側端子６２ｃおよび複数の交流側端子６２ｄが設けられるモジュール側端子面６２ｂとを有する。半導体モジュール６２は、放熱面６２ａを電動機部５に向け、かつ、モジュール側端子面６２ｂを電動機部５とは反対に向けた状態で、電動機フレーム５１の外周面５５に配置されている。半導体素子６２ｅは、ジャンクション温度の上限値が電動機部５の発熱温度よりも高い温度である素子である。電動機フレーム５１の材料が鉄またはアルミニウムである場合には、電動機部５の運転中に電動機フレーム５１の表面温度が１００℃以上になるため、ジャンクション温度の上限値が１２５℃以下の半導体素子６２ｅでは半導体モジュール６２で発生した熱を電動機フレーム５１に伝え難くなる。そこで、本実施の形態では、ジャンクション温度の上限値が１５０℃以上の半導体素子６２ｅを用いている。半導体素子６２ｅは、例えば、耐熱性を有するＳｉＣ素子などのワイドバンドギャップ半導体で形成される。ワイドバンドギャップ半導体では、半導体素子６２ｅのジャンクション温度の上限値が１５０℃から１７５℃である。放熱面６２ａの一部または全ての面は、電動機フレーム５１の外周面５５と接触している。ここでいう接触とは、半導体素子６２ｅで発生した熱を電動機フレーム５１に伝えられるように放熱面６２ａの一部または全ての面と電動機フレーム５１の外周面５５とが直接接触することを意味する。また、ここでいう接触とは、半導体素子６２ｅで発生した熱を電動機フレーム５１に伝えられるように放熱面６２ａの一部または全ての面と電動機フレーム５１の外周面５５とが熱的に接触することも含まれる。すなわち、放熱面６２ａの一部または全ての面と電動機フレーム５１の外周面５５との間に、半導体素子６２ｅで発生した熱を電動機フレーム５１に伝えられる媒体を介してもよい。放熱面６２ａおよびモジュール側端子面６２ｂの寸法は、例えば、縦１３０ｍｍ×横１３０ｍｍである。

複数の直流側端子６２ｃは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。複数の交流側端子６２ｄは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。直流側端子６２ｃは、モジュール側端子面６２ｂの中心よりもコンデンサ６１に寄った位置に配置されている。コンデンサ側接続端子６１ｄと直流側端子６２ｃとは、直流接続導体１２を介して、互いに接続されている。直流接続導体１２には、正側の導体板と負側の導体板とを絶縁フィルムで挟んだラミネートブスバーが用いられることが好ましい。直流接続導体１２は、電動機フレーム５１の外周面５５と概ね平行である。

交流側端子６２ｄは、モジュール側端子面６２ｂの中心を挟んで直流側端子６２ｃと反対側に配置されている。交流側端子６２ｄは、電動機導体１１を介して、電動機部５の図示しない固定子コイルと接続されている。電動機フレーム５１には、電動機導体１１を電動機フレーム５１の外に引き出すための引出孔５８が形成されている。引出孔５８は、電動機フレーム５１の外周面５５のうち軸方向の一方に寄った位置に配置されている。引出孔５８は、軸方向よりも周方向に長い。複数の電動機導体１１は、周方向に並べられた状態で、引出孔５８から径方向に引き出されている。なお、固定子コイルを形成する導体の一部を引出孔５８から引き出して電動機導体１１として利用してもよいし、固定子コイルの導体とは別のケーブル、ブスバーなどを電動機導体１１に用いてもよい。固定子コイルを形成する導体を電動機導体１１として利用すると、別のケーブル、ブスバーなどを電動機導体１１に使用する場合に比べて、電動機導体１１の中継処理が不要になるため、駆動制御装置１の小型化および軽量化をより一層図ることができる。

次に、図６を参照して、電動機部５の風路について説明する。図６は、図５に示されたＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。図６では、電動機部５の径方向の片側のみを図示している。また、図６では、半導体モジュール取付部５７を省略している。また、図６に示される破線矢印は、半導体モジュール６２で発生した熱が電動機フレーム５１に伝わってから空気中に放熱される様子を模式的に表している。電動機部５は、全閉形電動機である。電動機部５の内部には、内気通風路５ａと、外気通風路５ｂとが設けられている。内気通風路５ａは、密閉された電動機部５の内部で内気を循環させるための風路である。外気通風路５ｂは、外気を電動機部５の内部に取り入れて通流させてから電動機部５の外部に排出するための風路である。外気通風路５ｂには、外気が流入する吸気口５ｃと、外気が排出される排気口５ｄとが形成されている。内気通風路５ａには、内気を循環させて固定子５２および回転子５３に内気を送風する内扇ファン５ｅが設けられている。外気通風路５ｂには、吸気口５ｃから排気口５ｄに向けて外気を送風する外扇ファン５ｆが設けられている。外気通風路５ｂと内気通風路５ａとは、壁５ｇを隔てて配置されている。外気通風路５ｂは、電動機フレーム５１と内気通風路５ａとの間に配置されている。

電動機部５の運転に伴い、電動機部５の内部には熱が発生する。電動機部５の内部で発生した熱は、内気通風路５ａの内気の温度を上昇させる。温度が上昇した内気は、内扇ファン５ｅにより内気通風路５ａに沿って循環する。一方、外気通風路５ｂには、吸気口５ｃから外気が流入する。外気通風路５ｂに流入した外気は、外扇ファン５ｆにより外気通風路５ｂに沿って流れる。外気は、内気よりも低温の空気である。そして、内気通風路５ａを循環する内気と外気通風路５ｂを流れる外気との間で、壁５ｇを通じて熱交換が行われる。これにより、電動機部５の内部で発生した熱は、外気通風路５ｂを流れる外気を介して、電動機部５の外部に放熱される。複数の半導体モジュール６２は、本実施の形態では、外気通風路５ｂを流れる外気の流れ方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている。各半導体モジュール６２と外気通風路５ｂとは、電動機フレーム５１で隔てられている。

次に、本実施の形態にかかる電気車の駆動制御装置１の効果について説明する。

本実施の形態では、図１および図３に示すように、駆動制御装置１は、電動機部５と変換器部６とが一体化されたインバータ一体型電動機２を備えることにより、電動機部５と変換器部６とをまとめて台車７に配置できる。このため、変換器部６が占有していた筐体８内のスペースが空き、その分筐体８を縮小できる。これにより、駆動制御装置１の仕様を変更することなく、筐体８の小型化を実現できる。

本実施の形態では、図３に示すように、変換器部６は、電動機フレーム５１の周囲に配置され、半導体モジュール６２は、電動機部５の外周面５５と接触していることにより、半導体モジュール６２で発生した熱を電動機フレーム５１に伝えることができる。そして、図６に示すように、半導体モジュール６２から電動機フレーム５１に伝わった熱は、電動機フレーム５１から空気中に放熱される。すなわち、電動機フレーム５１を介して半導体モジュール６２で発生した熱を空気中に逃がすことができるため、半導体モジュール６２が冷却される。これにより、変換器部６を冷却するための専用の冷却ファンをインバータ一体型電動機２に搭載したり、電動機部５の内部の冷却ファンで発生させた風をダクトなどを用いて電動機フレーム５１の外周面５５に沿って流すことにより変換器部６を冷却したりする場合に比べて、インバータ一体型電動機２の小型化および軽量化を図ることができる。つまり、変換器部６を冷却する機能を確保しつつ、変換器部６を冷却するための専用の冷却手段が不要になるためインバータ一体型電動機２の小型化および軽量化を図ることができる。なお、電動機フレーム５１の表面温度は、電動機部５の運転中に１００℃以上になる。本実施の形態では、図５に示される半導体素子６２ｅは、ジャンクション温度の上限値が１５０℃から１７５℃のワイドバンドギャップ半導体で形成される。このため、電動機フレーム５１の表面温度および材料に左右されることなく、半導体モジュール６２の熱を電動機フレーム５１に確実に伝えて、半導体モジュール６２を冷却することができる。

本実施の形態では、図６に示すように、電動機フレーム５１と外気通風路５ｂを流れる外気との間で熱交換が行われる。すなわち、外気通風路５ｂを流れる外気は、電動機フレーム５１に伝わった熱を吸収する。これにより、電動機フレーム５１を介して、外気通風路５ｂを流れる外気により半導体モジュール６２が冷却される。

本実施の形態では、図３に示すように、変換器部６は、電動機フレーム５１の周囲に配置されるため、電動機フレーム５１の周囲のスペースを利用して変換器部６の位置を変えることができる。これにより、インバータ一体型電動機２の軸方向に沿った一端に変換器部６を配置する場合に比べて、変換器部６の位置の選択の自由度を高めることができる。

本実施の形態では、図５に示すように、半導体モジュール６２は、放熱面６２ａを電動機部５に向けて、電動機フレーム５１の外周面５５に配置されていることにより、半導体モジュール６２で発生した熱を電動機フレーム５１に効率よく伝えることができる。

本実施の形態では、図４に示すように、駆動制御基板６３は、半導体モジュール６２を間に挟んで電動機フレーム５１とは反対に配置されていることにより、駆動制御基板６３と半導体モジュール６２との距離を近づけて、駆動制御基板６３と半導体モジュール６２とを接続する導体を短くできる。そのため、半導体モジュール６２を最適に駆動させることができ、半導体モジュール６２の性能を最大限に引き出すことができる。

コンデンサ６１は、図５に示すように、複数の外部接続端子６１ｃを有することにより、変換器部６の外部から配線される外部接続導体１３をコンデンサ６１に直接接続できるため、端子台などの中継部材を別途設ける必要がなくなる。そのため、変換器部６の小型化および軽量化を図ることができる。

コンデンサ６１は、図５に示すように、コンデンサ側接続端子６１ｄが半導体モジュール６２の方を向くように、電動機フレーム５１の外周面５５に配置され、複数のコンデンサ側接続端子６１ｄは、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。半導体モジュール６２の直流側端子６２ｃは、軸方向に互いに間隔を空けて配置され、直流側端子６２ｃは、モジュール側端子面６２ｂの中心よりもコンデンサ６１に寄った位置に配置されている。これにより、コンデンサ側接続端子６１ｄと直流側端子６２ｃとの周方向に沿った距離を近づけて、直流接続導体１２によりコンデンサ側接続端子６１ｄと直流側端子６２ｃとを接続することができる。また、コンデンサ側接続端子６１ｄと直流側端子６２ｃとの周方向に沿った距離を近づけることにより、直流接続導体１２の周方向に沿った寸法を短くできるため、直流接続導体１２の小型化を図ることができる。なお、車輪７１から台車７に加わる振動に対して直流接続導体１２の耐振動性能を高めるためには、直流接続導体１２をねじなどの固定部材で電動機フレーム５１に固定する必要がある。直流接続導体１２のサイズが大きいほど直流接続導体１２が重くなり、固定部材の本数を増やしたり、強固で大きな固定部材を使用したりする必要があるため、インバータ一体型電動機２の大型化、重量化および高コスト化を招く。この点、本実施の形態では、直流接続導体１２の小型化を図ることにより、固定部材の本数を削減できたり、小さな固定部材を使用できたりするため、インバータ一体型電動機２の小型化、軽量化および低コスト化を図ることができる。

本実施の形態では、図５に示すように、引出孔５８は、電動機フレーム５１の外周面５５のうち軸方向の一方に寄った位置に配置されて、複数の電動機導体１１が周方向に並べられた状態で引出孔５８から引き出されることにより、固定子５２および回転子５３の軸方向の寸法を小さくすることできる。

なお、本実施の形態では、電動機フレーム５１の形状を円筒形状にしたが、四角筒形状などにしてもよい。また、本実施の形態では、電動機フレーム５１の外周面５５の形状を円周面状にしたが、四角環状などにしてもよい。また、本実施の形態では、駆動制御基板６３は、半導体モジュール６２を間に挟んで電動機フレーム５１とは反対に配置されたが、コンデンサ６１を間に挟んで電動機フレーム５１とは反対に配置されてもよい。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を模式的に示す斜視図である。本実施の形態では、一つの半導体モジュール６２Ａを有する点が前記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態２では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態にかかる変換器部６は、Ｕ相導体１１ｕ、Ｖ相導体１１ｖおよびＷ相導体１１ｗのそれぞれと接続される一つの半導体モジュール６２Ａを有する。半導体モジュール６２Ａの形状は、直方体である。半導体モジュール６２Ａは、例えば、長辺が３００ｍｍ、短辺が１３０ｍｍである。半導体モジュール６２Ａの長手方向が電動機部５の軸方向と平行になるように、半導体モジュール６２Ａおよび電動機部５が配置されている。本実施の形態では、一つの半導体モジュール６２Ａを使用するため、前記した実施の形態１に比べて、部品点数を削減することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を模式的に示す斜視図である。本実施の形態では、複数の半導体モジュール６２を周方向に並べて配置した点が前記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態３では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

複数の半導体モジュール６２は、周方向に互いに間隔を空けて並べて配置されている。複数の半導体モジュール６２は、本実施の形態では、図示しない外気通風路５ｂを流れる外気の流れ方向と直交する方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている。複数の半導体モジュール６２のそれぞれの直流側端子６２ｃは、周方向に互いに間隔を空けて並べて配置されている。複数の半導体モジュール６２のそれぞれの交流側端子６２ｄは、周方向に互いに間隔を空けて並べて配置されている。半導体モジュール６２の交流側端子６２ｄは、モジュール側端子面６２ｂの軸方向の中心より引出孔５８に寄った位置に配置されている。

本実施の形態では、複数の半導体モジュール６２は、外気通風路５ｂを流れる外気の流れ方向と直交する方向に沿って互いに間隔を空けて配置されていることにより、電動機フレーム５１の外周面５５のうち表面温度が均一になる部分に各半導体モジュール６２が取り付けられる。そのため、各半導体モジュール６２の温度のばらつきを抑制することができ、各半導体モジュール６２の寿命を均等化できる。本実施の形態では、複数の半導体モジュール６２は、周方向に互いに間隔を空けて並べて配置されていることにより、複数の半導体モジュール６２を電動機部５の軸方向に並べて配置した実施の形態１に比べて、交流側端子６２ｄと引出孔５８との距離を短くできる。そのため、引出孔５８から引き出される電動機導体１１の長さを短くできる。

実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を示す断面図である。図１０は、図９に示される変換器部６を拡大した断面図である。本実施の形態では、電動機用検出器６６をさらに備える点が前記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態４では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

変換器部６は、電動機用検出器６６を備える。電動機用検出器６６は、電動機部５の温度、振動、音、部分放電、絶縁状態のうちいずれか１つを検出する検出器である。図１０に示すように、電動機用検出器６６は、ケーブル１４を介して、駆動制御基板６３と接続されている。電動機用検出器６６の検出信号は、駆動制御基板６３に送信される。駆動制御基板６３は、電動機用検出器６６の検出信号を図示しない制御装置に送信する。

本実施の形態では、変換器部６は、電動機部５の温度、振動、音、部分放電、絶縁状態のうちいずれか１つを検出する電動機用検出器６６を備えることにより、電動機部５の過温度、電動機部５内のベアリング故障、固定子コイルの絶縁故障、車輪７１および歯車９ａ，９ｂの異常、台車７の異常、または、これらの兆候を検出することができる。そして、その検出信号を制御装置に送信することにより、電気車１００の保護、メンテナンスなどに利用することができる。すなわち、電動機用検出器６６と駆動制御基板６３とを有する変換器部６を電動機部５に搭載することにより、ＣＢＭ（Condition Based Maintenance）を実現することができる。

実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を示す断面図である。本実施の形態では、変換器部６の配置が前記した実施の形態４と相違する。なお、実施の形態５では、前記した実施の形態４と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

コンデンサ６１、半導体モジュール６２、駆動制御基板６３および電動機用検出器６６は、電動機部５を挟んで電動機用固定部材５９と反対側で、電動機部５の電動機軸５４よりも下方に配置されている。カバー６４は、本実施の形態では、電動機フレーム５１の外周面５５のうち上方を向く面から電動機用固定部材５９と反対側を向く面に亘って配置されている。変換器部６の一部は、電動機部５と車軸７２との間に配置されている。このように半導体モジュール６２などを電動機部５の下部に集中して配置することにより、台車７の下方から変換器部６にアクセスできる。そのため、電気車１００をピットに入れた状態で変換器部６のメンテナンスを容易に行うことができる。

実施の形態６．
図１２は、本発明の実施の形態６にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を示す断面図である。本実施の形態では、コンデンサ６１の配置が前記した実施の形態４と相違する。なお、実施の形態６では、前記した実施の形態４と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

コンデンサ６１は、電動機部５を挟んで電動機用固定部材５９と反対側で、電動機部５の外周面５５に配置されている。このようにコンデンサ６１を配置することにより、変換器部６の高さを低くできる。

実施の形態７．
図１３は、本発明の実施の形態７にかかる電気車の駆動制御装置１の変換器部６および電動機部５を示す断面図である。本実施の形態では、変換器部６の配置が前記した実施の形態４と相違する。なお、実施の形態７では、前記した実施の形態４と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。

コンデンサ６１、半導体モジュール６２、駆動制御基板６３および電動機用検出器６６は、電動機フレーム５１の外周面５５のうち電動機用固定部材５９と反対を向く面から下方を向く面に亘って、周方向に並べて配置されている。カバー６４は、本実施の形態では、電動機フレーム５１の外周面５５のうち電動機用固定部材５９と反対を向く面から下方を向く面に亘って配置されている。変換器部６の一部は、電動機部５と車軸７２との間に配置されている。このように半導体モジュール６２などを、電動機フレーム５１の外周面５５のうち電動機用固定部材５９と反対を向く面から下方を向く面に亘って周方向に並べて配置することにより、台車７の下方、側方から半導体モジュール６２などにアクセスできる。

実施の形態８．
図１４は、本発明の実施の形態８にかかる電気車の駆動制御装置の変換器部６および電動機部５を示す断面図であって、図５に示されたＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図に相当する図である。本実施の形態では、電動機部５の内部を冷却するための冷却手段が前記した実施の形態１と相違する。なお、実施の形態８では、前記した実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付して説明を省略する。図１４に示される破線矢印は、半導体モジュール６２で発生した熱が電動機フレーム５１に伝わってから空気中に放熱される様子を模式的に表している。

図１４に示すように、電動機部５の内部には、図６に示された内気通風路５ａ、外気通風路５ｂ、内扇ファン５ｅ、外扇ファン５ｆが設けられていない。本実施の形態の電動機部５は、例えば、電動機部５内の固定子コイルなどの発熱を熱伝導によって外部へ伝達する構成および伝達された熱を大気中へ放散する構成を有することで電動機部５を冷却する。

本実施の形態では、半導体モジュール６２は、電動機部５の外周面５５と接触していることにより、半導体モジュール６２で発生した熱を電動機フレーム５１に伝えることができる。そして、半導体モジュール６２から電動機フレーム５１に伝わった熱は、電動機フレーム５１から空気中に放熱される。すなわち、電動機フレーム５１を介して半導体モジュール６２で発生した熱を空気中に逃がすことができるため、半導体モジュール６２が冷却される。これにより、変換器部６を冷却するための専用の冷却ファンをインバータ一体型電動機２に搭載したり、電動機部５の内部の冷却ファンで発生させた風をダクトなどを用いて電動機フレーム５１の外周面５５に沿って流すことにより変換器部６を冷却したりする場合に比べて、インバータ一体型電動機２の小型化および軽量化を図ることができる。つまり、変換器部６を冷却する機能を確保しつつ、変換器部６を冷却するための専用の冷却手段が不要になるためインバータ一体型電動機２の小型化および軽量化を図ることができる。

本実施の形態のように、図６に示された内気通風路５ａ、外気通風路５ｂ、内扇ファン５ｅ、外扇ファン５ｆを有さない電動機部５でも、電動機フレーム５１を介して半導体モジュール６２の熱を空気中に逃がすことができるため、半導体モジュール６２を冷却することができる。つまり、半導体モジュール６２の冷却を実現する上で、電動機部５の内部の冷却手段はファン、通風路に限らず何でもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の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、本発明の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。

１ 電気車の駆動制御装置、２ インバータ一体型電動機、３ スイッチ、４ リアクトル、５ 電動機部、５ａ 内気通風路、５ｂ 外気通風路、５ｃ 吸気口、５ｄ 排気口、５ｅ 内扇ファン、５ｆ 外扇ファン、５ｇ 壁、６ 変換器部、７ 台車、８ 筐体、９ａ 小歯車、９ｂ 大歯車、１０ 制御信号ケーブル、１１ 電動機導体、１１ｕ Ｕ相導体、１１ｖ Ｖ相導体、１１ｗ Ｗ相導体、１２ 直流接続導体、１３ 外部接続導体、１４ ケーブル、５１ 電動機フレーム、５２ 固定子、５３ 回転子、５４ 電動機軸、５５ 外周面、５６ 固定面、５７ 半導体モジュール取付部、５８ 引出孔、５９ 電動機用固定部材、６１ コンデンサ、６１ａ 電動機部側取付面、６１ｂ コンデンサ側端子面、６１ｃ 外部接続端子、６１ｄ コンデンサ側接続端子、６２，６２Ａ 半導体モジュール、６２ａ 放熱面、６２ｂ モジュール側端子面、６２ｃ 直流側端子、６２ｄ 交流側端子、６２ｅ 半導体素子、６３ 駆動制御基板、６４ カバー、６５ コンデンサ固定部材、６６ 電動機用検出器、７１ 車輪、７２ 車軸、７３ 台車枠、７４ 支持フレーム、１００ 電気車。

Claims (16)

1. 電動機部と前記電動機部の駆動を制御する変換器部とを備え、
   前記電動機部は、固定子および回転子を収容し、金属で形成された電動機フレームを有し、
   前記電動機フレームは、外周面を有し、
   前記変換器部は、前記電動機フレームの周囲に配置され、
   前記変換器部は、半導体素子を含む半導体モジュールを有し、
   前記半導体モジュールは、前記電動機フレームの前記外周面と直接接触または熱的に接触しており、
   前記電動機フレームの前記外周面は、台車に固定される固定面を含んでおり、
   前記変換器部は、前記電動機フレームの前記外周面のうち前記固定面を避けた位置に配置され、
   前記電動機部の内部には、外気を前記電動機部の内部に取り入れて通流させてから前記電動機部の外部に排出する外気通風路が設けられ、
   前記半導体モジュールと前記外気通風路とは、前記電動機フレームで隔てられていることを特徴とする電気車の駆動制御装置。
2. 前記半導体素子は、ジャンクション温度の上限値が前記電動機部の発熱温度よりも高い温度である素子であることを特徴とする請求項１に記載の電気車の駆動制御装置。
3. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電気車の駆動制御装置。
4. 前記電動機フレームの前記外周面には、半導体モジュール取付部が一体に形成され、
   前記半導体モジュールは、前記半導体モジュール取付部に取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
5. 前記電動機フレームの前記外周面には、前記電動機フレームとは別体に形成された半導体モジュール取付部が固定され、
   前記半導体モジュールは、前記半導体モジュール取付部を介して、前記電動機フレームに取り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
6. 前記半導体モジュールは、接続端子が設けられる端子面と、前記半導体素子を冷却する放熱面と、をさらに有し、
   前記半導体モジュールは、前記放熱面を前記電動機フレームに向け、かつ、前記端子面を前記電動機フレームとは反対に向けた状態で、前記電動機フレームの前記外周面に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
7. 前記変換器部は、前記電動機部の温度、振動、音、部分放電および絶縁状態のうちいずれか１つを検出する検出器と、前記半導体モジュールの駆動を制御する駆動制御基板と、を有し、
   前記駆動制御基板には、前記検出器の信号が入力されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
8. 前記駆動制御基板は、前記半導体モジュールを間に挟んで前記電動機フレームとは反対に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の電気車の駆動制御装置。
9. 前記変換器部は、前記半導体モジュールと接続されるコンデンサを有し、
   前記コンデンサは、前記電動機フレームの前記外周面に沿った形状に形成されて、前記電動機フレームの前記外周面に取り付けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
10. 前記コンデンサは、前記コンデンサの接続端子が前記半導体モジュールの方を向くように、前記電動機フレームの前記外周面に配置され、
    前記コンデンサの接続端子と前記半導体モジュールの接続端子とは、前記電動機フレームの前記外周面と平行な直流接続導体により接続されていることを特徴とする請求項９に記載の電気車の駆動制御装置。
11. 前記コンデンサは、外部接続導体が接続される外部接続端子を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の電気車の駆動制御装置。
12. 前記電動機部は、三相交流で駆動され、
    前記変換器部と前記電動機部とを接続するＵ相導体、Ｖ相導体およびＷ相導体をさらに備え、
    前記変換器部は、前記Ｕ相導体と接続される前記半導体モジュールと、前記Ｖ相導体と接続される前記半導体モジュールおよび前記Ｗ相導体と接続される前記半導体モジュールを有し、
    複数の前記半導体モジュールは、前記電動機部の軸方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
13. 前記電動機部は、三相交流で駆動され、
    前記変換器部と前記電動機部とを接続するＵ相導体、Ｖ相導体およびＷ相導体をさらに備え、
    前記変換器部は、前記Ｕ相導体と接続される前記半導体モジュールと、前記Ｖ相導体と接続される前記半導体モジュールおよび前記Ｗ相導体と接続される前記半導体モジュールを有し、
    複数の前記半導体モジュールは、前記電動機部の周方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
14. 前記電動機部は、三相交流で駆動され、
    前記変換器部と前記電動機部とを接続するＵ相導体、Ｖ相導体およびＷ相導体をさらに備え、
    前記変換器部は、前記Ｕ相導体、前記Ｖ相導体および前記Ｗ相導体のそれぞれと接続される一つの前記半導体モジュールを有し、
    前記半導体モジュールの形状は、直方体であり、
    前記半導体モジュールの長手方向が前記電動機部の軸方向と平行になるように、前記半導体モジュールおよび前記電動機部が配置されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気車の駆動制御装置。
15. 前記半導体モジュールの前記接続端子は、導体を介して、前記電動機部の固定子と接続されていることを特徴とする請求項６に記載の電気車の駆動制御装置。
16. 前記電動機フレームには、前記導体を前記電動機フレームの外に引き出すための引出孔が形成され、
    前記引出孔は、前記電動機フレームの前記外周面のうち軸方向の一方に寄った位置に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の電気車の駆動制御装置。

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