WO2024028948A1 - 電気車駆動システム - Google Patents

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WO2024028948A1
WO2024028948A1 PCT/JP2022/029508 JP2022029508W WO2024028948A1 WO 2024028948 A1 WO2024028948 A1 WO 2024028948A1 JP 2022029508 W JP2022029508 W JP 2022029508W WO 2024028948 A1 WO2024028948 A1 WO 2024028948A1
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WO
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electric vehicle
control devices
control device
drive system
cooler
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/029508
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宏和 高林
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/18—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from dc supply lines

Definitions

  • the present disclosure relates to an electric vehicle drive system that includes a plurality of electric vehicle control devices that control electric motors that drive electric vehicles.
  • An electric vehicle control device (hereinafter abbreviated as "control device” as appropriate) operates by receiving power from overhead wires, so it is often mounted on the roof or under the floor of an electric vehicle.
  • the control device has an inverter in which a semiconductor element is incorporated.
  • the inverter is electrically connected to the electric motor for driving.
  • DC power is supplied to the inverter.
  • the DC power is converted into desired AC power by switching the semiconductor elements of the inverter, and is supplied to the motor.
  • the electric motor is driven by the converted AC power.
  • the semiconductor elements of the inverter perform a switching operation, they generate heat. For this reason, a cooler is attached to the casing that houses the inverter.
  • Patent Document 1 describes a running wind cooling type cooler that cools an inverter by using running wind when an electric car is running, and describes a cooling system in which two coolers are arranged close to each other in series along the traveling direction of an electric car.
  • a configuration is disclosed in which the device is arranged as follows.
  • Patent Document 1 it is difficult to efficiently cool multiple inverters. For example, if the area of the cooler is divided into windward and leeward areas with respect to the traveling wind, the inverter cooled by the cooler located on the windward side is easily cooled because the traveling wind is efficiently taken in. On the other hand, for an inverter that is cooled by a cooler located on the leeward side, the two coolers are close together, making it difficult for the running wind to be taken into the cooler on the leeward side, and the inverter is also cooled by a cooler located on the windward side. Due to the heat generated by the inverter, the temperature of the running air tends to rise, making cooling conditions stricter.
  • Patent Document 1 a structure is adopted in which a wind guide is provided for guiding the traveling wind to the cooler on the leeward side. In any case, with the conventional method, the problem arises that the control device becomes larger and the manufacturing cost of the control device increases.
  • control device when the control device is mounted under the floor of an electric vehicle, the space under the floor is limited, so there may not be enough space to mount the control device casing. In such a case, it is necessary to reduce the size of the component parts and downsize the casing by, for example, changing the specifications of the control device. Note that reviewing the specifications may have the disadvantage that the functions or performance of the electric vehicle may be lower than originally.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present disclosure is to obtain an electric vehicle drive system in which a control device can be flexibly arranged in a limited space of an electric vehicle so as to enable efficient cooling. With the goal.
  • an electric vehicle drive system includes a control system that controls at least one of four electric motors that drive four axles of two bogies of an electric vehicle. Equipped with multiple devices.
  • Each of the control devices includes an inverter that supplies power to at least one electric motor, and a control section that controls the inverter.
  • the inverter is housed in a housing together with a control unit, and each of the housings houses at least one control device.
  • Each of the casings is equipped with a cooler that cools the inverter using the wind generated by the running of the electric vehicle.
  • the plurality of control devices are arranged in a distributed manner near a first trolley located at the front in the direction of travel of the electric vehicle and near a second trolley located at the rear in the direction of travel of the electric vehicle.
  • control device can be flexibly arranged in the limited space of the electric vehicle so as to enable efficient cooling.
  • a diagram showing a configuration example of an electric vehicle drive system according to Embodiment 1 Diagram showing a conventional installation example shown as a comparative example A first diagram for explaining a first installation example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment A second diagram for explaining the first installation example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment A diagram for explaining a second installation example of the electric vehicle drive system according to Embodiment 1 A diagram for explaining a third installation example of the electric vehicle drive system according to Embodiment 1 A diagram for explaining a fourth mounting example of the electric vehicle drive system according to Embodiment 1 Diagram showing the results of the first verification test to explain the influence of obstacles on the air flow to the cooler Diagram showing the results of the second verification test to explain the influence of obstacles on the air flow to the cooler A diagram for explaining an example of mounting an electric vehicle drive system according to Embodiment 2
  • connection includes both cases where components are directly connected to each other and cases where components are indirectly connected to each other via other components.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an electric vehicle drive system according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows an example of the configuration for one electric car.
  • the electric vehicle drive system 200 includes four control devices 100 to 103 that receive DC power from the overhead wire 1 via the current collector 2. There is a substation (not shown) at the end of the overhead wire 1, and the overhead wire 1 is positioned as an external power source when viewed from the control devices 100 to 103.
  • the overhead wire voltage which is the voltage of the overhead wire 1 applied to the current collector 2, and each conversion capacity of the control devices 100 to 103 differ depending on the drive method of the electric vehicle drive system.
  • the range of the overhead wire voltage is approximately 600 to 3000 [V]. Further, the range of conversion capacity is from several tens to several hundreds [kVA].
  • the electric motors 80 to 83 for driving the electric vehicle are connected to each of the control devices 100 to 103, respectively.
  • DC power supplied from the overhead wire 1 and the current collector 2 is supplied to the control devices 100 to 103 via the switch 10, the reactor 11, and the electric wire 20.
  • Each positive side terminal P of the control devices 100 to 103 is connected to the reactor 11.
  • each negative side terminal N of the control devices 100 to 103 is connected to the rail 4 via the wheel 3.
  • the DC current caused by the DC power supplied from the overhead wire 1 flows through the switch 10, the reactor 11, the electric wire 20, the control devices 100 to 103, the electric motors 80 to 83, the wheels 3 and the rails 4, and returns to the substation.
  • the reactor 11, the electric wire 20, and the control devices 100 to 103 are the constituent elements of the electric vehicle drive system 200.
  • the electric wire 20 includes a conductor such as copper or aluminum.
  • An example of a conductor is a bus bar.
  • FIG. 1 shows an overhead wire as the overhead wire 1 and a pantograph-shaped current collector as the current collector 2, the present invention is not limited to these.
  • the overhead wire 1 may be a third rail used in a subway or the like, and accordingly, the current collector 2 may be a current collector for the third rail.
  • FIG. 1 shows a case where the overhead wire 1 is a DC overhead wire, the overhead wire 1 may be an AC overhead wire.
  • a transformer is provided between the current collector 2 and the switch 10 or between the switch 10 and the reactor 11 to step down the AC voltage received.
  • a converter that converts the AC voltage output from the transformer into DC voltage is provided downstream of the transformer.
  • the control device 100 includes a capacitor 50 that holds DC voltage, a discharge circuit 52 that discharges the voltage of the capacitor 50, and an inverter 60.
  • the capacitor 50 and the discharge circuit 52 are connected between the positive terminal P and the negative terminal N inside the control device 100. Thereby, the capacitor 50 and the discharge circuit 52 are connected in parallel to both ends of the inverter 60 on the input side of the inverter 60.
  • the capacitor 50 is connected to the reactor 11 and forms an LC filter circuit together with the reactor 11.
  • This LC filter circuit suppresses surge voltage flowing from the overhead wire 1 side. Further, the LC filter circuit is connected to the inverter 60 and suppresses the magnitude of the ripple component of the current flowing through the inverter 60.
  • the inverter 60 provided in the control devices 100 to 103 is a power conversion circuit that supplies power to the electric motors 80 to 83.
  • the inverter 60 converts the DC voltage of the capacitor 50 into an AC voltage having an arbitrary voltage value and an arbitrary frequency, and applies the AC voltage to the motors 80 to 83.
  • the inverter 60 has six semiconductor elements 60U, 60V, 60W, 60X, 60Y, and 60Z.
  • the semiconductor elements 60U, 60V, 60W, 60X, 60Y, and 60Z are bridge-connected to form a three-phase bridge circuit.
  • the control devices 101 to 103 are equipped with an inverter 60 like the control device 100.
  • the semiconductor elements 60U, 60V, and 60W are called a positive arm, and the semiconductor elements 60X, 60Y, and 60Z are called a negative arm. Further, a set of a positive arm and a negative arm connected in series is called a leg.
  • Semiconductor elements 60U and 60X constitute a U-phase leg
  • semiconductor elements 60V and 60Y constitute a V-phase leg
  • semiconductor elements 60W and 60Z constitute a W-phase leg.
  • the semiconductor elements 60U, 60V, 60W, 60X, 60Y, and 60Z are preferably insulated gate bipolar transistor (IGBT) elements with built-in antiparallel diodes, as shown in the figure. Note that instead of the IGBT element, a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) may be used.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • Each of the control devices 100 to 103 has a control section 30.
  • the control unit 30 generates a PWM signal for controlling the semiconductor elements 60U, 60V, 60W, 60X, 60Y, and 60Z of the inverter 60 using pulse width modulation (PWM), and applies it to the inverter 60.
  • PWM pulse width modulation
  • FIG. 1 shows the configuration of a control method called “individual control” in which each of the four electric motors 80 to 83 is individually controlled by one of the corresponding control devices 100 to 103.
  • the four electric motors 80 to 83 are mounted separately on two carts (not shown in FIG. 1), but this is called “cart control” in which one control device controls the two electric motors mounted on one cart. It may be configured using a control method.
  • the control device 100 and the control device 101 are integrated, and the inverter 60 connected to the electric motor 80 and the inverter 60 connected to the electric motor 81 are controlled by one control unit 30.
  • the control device 102 and the control device 103 are integrated, and the inverter 60 connected to the electric motor 82 and the inverter 60 connected to the electric motor 83 are controlled by one control unit 30.
  • FIG. 2 is a diagram showing a conventional mounting example shown as a comparative example.
  • the traveling direction F is the +X-axis direction
  • the horizontal direction orthogonal to the traveling direction F is the Y-axis direction
  • the traveling direction F is The vertically upward direction perpendicular to the traveling direction F is defined as the +Z axis direction
  • the vertically downward direction perpendicular to the traveling direction F is defined as the -Z axis direction.
  • the Y-axis direction may be referred to as a "first direction.”
  • FIG. 2 shows an example of mounting the above-mentioned trolley control system, in which two electric motors (not shown) are installed in each of the cart 40 on the front side and the cart 41 on the rear side with respect to the traveling direction F. It is installed.
  • the housing 250 is equipped with a control device 251 that controls the two electric motors of the truck 40 and a control device 252 that controls the two electric motors of the truck 41.
  • a cooler 253 for cooling the inverter provided in the control device 251 and a cooler 254 for cooling the inverter provided in the control device 252 are provided on the side surface of the case 250. It is attached so as to protrude in the Y-axis direction.
  • FIG. 2 does not show any underfloor equipment other than the casing 250, in reality, various underfloor equipment necessary for the operation of the electric vehicle 150 are installed. Although the vehicle length of one electric car 150 is about 20 m, it is necessary to secure space for mounting various underfloor devices, and the length of the casing 250 in the vehicle longitudinal direction is less than 2 m at the longest.
  • the conventional electric vehicle drive system has a configuration in which two coolers 253 and 254 are arranged close to each other in series along the traveling direction F of the electric vehicle 150.
  • the inverter is cooled by the cooler 253 located on the windward side of the traveling wind, so that the traveling wind is efficiently taken into the cooler 253. This makes it easier to cool down.
  • the two coolers 253 and 254 are close to each other, making it difficult for the traveling wind to be taken in by the cooler 254 on the leeward side.
  • Patent Document 1 employs a structure in which a wind guide is provided to guide the traveling wind to the cooler on the leeward side, but this poses a problem in that the control device becomes larger and the manufacturing cost increases.
  • FIG. 3 is a first diagram illustrating a first mounting example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a second diagram illustrating a first mounting example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a view of the electric vehicle 150A viewed from the side toward the negative direction of the Y-axis.
  • FIG. 4 is a perspective view of the underfloor of the electric car 150A viewed from the floor surface of the electric car 150A toward the negative direction of the Z-axis.
  • FIGS. 3 and 4 show examples of mounting the bogie control system, and the number of control devices is "2" per vehicle.
  • control device 120 the other control device will be described as "control device 121.”
  • the components of the electric vehicle drive system 200 are distributed and arranged under the floor of the electric vehicle 150A.
  • the housing 250A that accommodates the switch 10 and the reactor 11 is arranged in the central part under the floor.
  • the casing 260 that houses the control device 120 is located away from the central part under the floor and near the bogie 40 located in front of the electric vehicle 150A in the traveling direction F, specifically, It is located behind and to the left of 40.
  • the casing 261 that houses the control device 121 is located away from the central part under the floor and near the trolley 41 located at the rear of the electric vehicle 150A in the traveling direction F, specifically, with respect to the traveling direction F. It is arranged in front of the truck 41 and on the right side.
  • a cooler 270 for cooling the two inverters 60 included in the control device 120 is attached to the housing 260 so as to protrude in the +Y-axis direction from the side surface of the housing 260. Furthermore, a cooler 271 for cooling the two inverters 60 included in the control device 121 is attached to the casing 261 so as to protrude in the -Y-axis direction from the side surface of the casing 261.
  • the truck 40 is equipped with electric motors 80 and 81, each of which is connected to the control device 120.
  • the electric motor 80 drives the front axle 40a of the truck 40 in the traveling direction F
  • the electric motor 81 drives the rear axle 40b of the truck 40 in the traveling direction F.
  • the truck 41 is equipped with electric motors 82 and 83, each of which is connected to the control device 121.
  • the electric motor 82 drives the front axle 41a of the truck 41 in the traveling direction F
  • the electric motor 83 drives the rear axle 41b of the truck 41 in the traveling direction F.
  • the trolley 40 may be referred to as a "first trolley” and the trolley 41 may be referred to as a "second trolley.”
  • the control device 120 may be referred to as a "first control device” and the control device 121 may be referred to as a "second control device.”
  • the cooler 270 located on the windward side of the traveling wind and the cooler 271 located on the leeward side of the traveling wind are arranged with a sufficient distance from each other. Therefore, it can be said that there are no nearby heating elements. Thereby, in the configurations of FIGS. 3 and 4, the difference between the cooling condition of the cooler 271 located on the leeward side and the cooling condition of the cooler 270 located on the windward side can be reduced. Thereby, in the configurations of FIGS. 3 and 4, it is possible to avoid increasing the size of the control devices 120, 121 and increasing the manufacturing cost of the control devices 120, 121.
  • an rigging limit line 280 is shown by a dashed-dotted line with respect to the vehicle width of the vehicle 5 of the electric vehicle 150A.
  • the rigging limit line 280 means the boundary line on the vehicle width side of the mounting area for the underfloor cargo. In other words, it is not possible for the underfloor cargo to be mounted so as to protrude outside the rigging limit line 280.
  • the rigging limit line 280 is widest at the positions of the bogies 40 and 41 and narrowest at the center under the floor with respect to the vehicle width of the vehicle 5.
  • the configuration of Form 1 has a configuration that allows the wind to be taken in more easily when the vehicle is running. Accordingly, it can be said that the configurations shown in FIGS. 3 and 4 are configured to improve the cooling performance of the coolers 270 and 271 compared to the prior art configuration shown in FIG. Accordingly, with the configurations shown in FIGS. 3 and 4, the control devices 120 and 121 can be arranged so as to enable efficient cooling.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a second mounting example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment.
  • a casing 260 housing the control device 120 and a casing 261 housing the control device 121 are placed at opposite positions, that is, positions that are rotationally symmetrical when viewed from the center of the underfloor.
  • the casing 260 accommodating the control device 120 remains as is, and the casing 261 accommodating the control device 121 is moved in the same line as the casing 260, that is, along the traveling direction F.
  • 260 and the housing 261 are arranged in series.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a third mounting example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment.
  • the components of the electric vehicle drive system 200 are distributed and arranged under the floor of the electric vehicle 150A.
  • the housing 250A that accommodates the switch 10 and the reactor 11 is arranged in the central part under the floor.
  • the casing 262 that houses the control device 100 is located near the bogie 40 located in front of the electric vehicle 150A in the traveling direction F, specifically, in front of the bogie 40 and on the right side with respect to the traveling direction F. It is located.
  • the casing 263 that houses the control device 101 is located near the bogie 40 located in front of the electric vehicle 150A in the traveling direction F, specifically, at the rear and left side of the bogie 40 with respect to the traveling direction F. It is located.
  • the casing 264 that houses the control device 102 is located near the bogie 41 located behind the electric vehicle 150A in the traveling direction F, specifically, in front of the bogie 41 and on the right side with respect to the traveling direction F. It is located in Furthermore, the casing 265 that houses the control device 103 is located near the bogie 41 located at the rear of the electric vehicle 150A in the traveling direction F, specifically, at the rear and left side of the bogie 41 with respect to the traveling direction F. It is located.
  • each of the two control devices 100 and 101 that individually control the two electric motors 80 and 81 mounted on the bogie 40, which is the first bogie may be referred to as a "first control device.” be.
  • each of the two control devices 102 and 103 that individually controls the two electric motors 82 and 83 mounted on the second truck 41 may be referred to as a "second control device.”
  • a cooler 272 for cooling the inverter 60 included in the control device 100 is attached to the casing 262 so as to protrude in the ⁇ Y-axis direction from the side surface of the casing 262. Furthermore, a cooler 273 for cooling the inverter 60 included in the control device 101 is attached to the housing 263 so as to protrude in the +Y-axis direction from the side surface of the housing 263. Furthermore, a cooler 274 for cooling the inverter 60 included in the control device 102 is attached to the casing 264 so as to protrude in the ⁇ Y-axis direction from the side surface of the casing 264. Furthermore, a cooler 275 for cooling the inverter 60 included in the control device 103 is attached to the housing 265 so as to protrude in the +Y-axis direction from the side surface of the housing 265.
  • the cooler 272 located on the windward side of the traveling wind and the cooler 273 located on the leeward side of the traveling wind are separated by at least the length of the bogie 40. Therefore, it can be said that there are no nearby heating elements. Thereby, in the configuration of FIG. 6, the difference between the cooling condition of the cooler 272 located on the windward side and the cooling condition of the cooler 273 located on the leeward side can be reduced. This relationship is also the same between the coolers 274 and 275 in the truck 41. As a result, in the configuration of FIG. 6, it is possible to avoid increasing the size of the control devices 100 to 103 and increasing the manufacturing cost of the control devices 100 to 103.
  • the casings 262 to 265 that house the control devices 100 to 103 can be placed near the carts 40 and 41, where the width between the rigging limit line 280 is wide.
  • the control devices 100 to 103 can be arranged to enable efficient cooling even in an individual control system configuration.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a fourth mounting example of the electric vehicle drive system according to the first embodiment.
  • housings 262, 263 housing the control devices 100, 101 are arranged at opposite poles, that is, positions diagonally on the truck 40; 265 is placed at the opposite pole, that is, at a diagonal position on the trolley 41, and the housing 263 housing the control device 101 and the housing 264 housing the control device 102 are placed at opposite poles when viewed from the central part under the floor. It was placed in the position of On the other hand, in FIG. 7, the housings 263 housing the control device 101 and the housing 263 housing the control device 101 and the control device 102 are arranged so as to be lined up in the traveling direction F.
  • FIG. 8 is a diagram showing the results of a first verification test for explaining the influence of obstacles on the running wind toward the cooler.
  • FIG. 9 is a diagram showing the results of a second verification test for explaining the influence of obstacles on the running wind toward the cooler.
  • FIG. 8 schematically shows the test environment for the first verification test.
  • an obstacle 170 is placed on the windward side of the cooling air
  • an aluminum cooler 160 is placed on the leeward side of the cooling air.
  • FIG. 8 is a plan view, and the length of the obstacle 170 in the height direction and the length of the aluminum cooler 160 in the height direction are made equal.
  • the cooling air is blown by a blower (not shown).
  • the position of the side portion 162 in the aluminum cooler 160 is regulated by a position regulating portion 180.
  • the side portion 162 is a portion located on the tip side of the aluminum cooler 160 along the direction of the cooling air.
  • the position of the side 162 along the direction of the cooling air is regulated so as to match the position of the side 172 of the obstacle 170 along the direction of the cooling air.
  • the width of the aluminum cooler 160 that is, the length of the aluminum cooler 160 in the direction perpendicular to the cooling air is d.
  • the position d/2 from the position regulating part 180 on the blown surface of the aluminum cooler 160 is defined as the "front wind speed measurement point”
  • the position d/2 from the side part 162 of the aluminum cooler 160 is defined as the "side surface wind speed measurement point”.
  • Windd speed measurement point Then, using the "distance” that is the shortest distance between the obstacle 170 and the aluminum cooler 160 as a parameter, wind speed was measured at the front wind speed measurement point and the side wind speed measurement point.
  • the test results of the first verification test are shown in tabular form.
  • the second verification test will be explained.
  • the distance between the aluminum cooler 160 and the obstacle 170 was 1.5 m, and the front wind speed measurement point was located at I'm trying to match that. That is, the aluminum cooler 160 in FIG. 9 is restricted to a position protruding by d/2 in a direction perpendicular to the direction of the cooling air, compared to that in FIG. 8. In this state, the wind speed at the front wind speed measurement point was measured when the obstacle 170 was present and when the obstacle 170 was not present.
  • the length of the casing 250 to which the two coolers 253 and 254 are attached in the longitudinal direction of the vehicle is less than 2 m at most. Therefore, the distance between the two coolers 253 and 254 is considered to be approximately 1.5 m or less than 1.5 m. Therefore, the idea of the prior art that the cooling performance of the cooler 254 located on the leeward side of the traveling wind is influenced by the cooler 253 located on the windward side of the traveling wind is consistent with the results of the above verification test. There is.
  • the cooler 270 located on the windward side and the cooler 271 located on the leeward side are arranged with a sufficient distance apart. Since the coolers 270 and 271 are arranged close to the carts 40 and 41 with a wide width between the rigging limit lines 280, they can be arranged in positions where they are hardly affected by obstacles. Become.
  • the coolers 272, 274 located on the windward side and the coolers 273, 275 located on the leeward side are arranged with a sufficient distance from each other for each trolley 40, 41. Since the coolers 272 to 275 are arranged close to the trolley 40 or 41 with a wide width between the rigging limit lines 280, they can be arranged in positions where they are hardly affected by obstacles. becomes.
  • the electric vehicle drive system includes a plurality of control devices that control at least one of the four electric motors that drive the four axles of the two bogies of the electric vehicle.
  • Each of the control devices includes an inverter that supplies power to at least one electric motor, and a control section that controls the inverter.
  • the inverter is housed in a housing together with a control unit, each housing houses at least one control device, and each housing cools the inverter by using running air generated by the running of the electric vehicle.
  • a cooler is installed.
  • the plurality of control devices are distributed and arranged near the first truck located in front of the electric vehicle in the direction of travel and near the second truck located at the rear in the direction of travel of the electric vehicle.
  • the cooler located on the leeward side can be arranged with a sufficient distance from the cooler located on the windward side.
  • the cooler located on the leeward side and the cooler located on the windward side have the first and second coolers having a width between the rigging limit lines wider than the center part under the floor. Since it is placed near the trolley, it can be placed in a position where it is hardly affected by obstacles.
  • the plurality of control devices include one first control device that controls two electric motors mounted on a first cart, and one control device that controls two electric motors mounted on a second cart.
  • the present invention is applicable to a bogie control type electric vehicle drive system comprising a second control device.
  • a housing that accommodates the first control device is placed behind the first truck with respect to the traveling direction, and a housing that houses the second control device is located behind the first truck with respect to the traveling direction. It can be arranged in front of the second truck.
  • the plurality of control devices separately control two electric motors mounted on the first trolley, and two electric motors mounted on the second trolley. It is applicable to an electric vehicle drive system of an individual control type that includes two second control devices that are individually controlled.
  • a housing housing one of the two first control devices is arranged in front of the first truck with respect to the traveling direction, and the other of the two first control devices.
  • the housing that accommodates the first truck is located behind the first truck with respect to the traveling direction
  • the housing that accommodates one of the two second control devices is located behind the second truck with respect to the traveling direction.
  • the casing disposed at the front and accommodating the other of the two second control devices may be disposed at the rear of the second trolley in the traveling direction.
  • the two casings housing one and the other of the two first control devices are arranged behind the first trolley with respect to the traveling direction, and one of the two second control devices
  • the two housings accommodating the one and the other may be arranged in front of the second cart in the traveling direction.
  • the plurality of coolers housing the first and second control devices protrude in the first direction perpendicular to both the traveling direction of the electric car and the vertical direction of the electric car. It can be configured to be attached to the body.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an example of mounting the electric vehicle drive system according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram of the electric vehicle 150B according to the second embodiment viewed from the side toward the negative direction of the Y-axis.
  • FIG. 10 shows an example of mounting the trolley control system. Note that the same or equivalent components as in FIG. 3 are given the same reference numerals.
  • the difference between the electric car 150B according to the second embodiment shown in FIG. 10 and the electric car 150A according to the first embodiment shown in FIG. 3 is the mounting position and protrusion direction of the coolers 270 and 271.
  • the coolers 270 and 271 are attached to the side surface of the casing 260 or 261 so as to protrude in the +Y-axis direction or the -Y-axis direction.
  • the coolers 270 and 271 are attached to the lower surface of the housing 260 or the housing 261 so as to protrude in the ⁇ Z-axis direction.
  • the cooler 270 located on the windward side of the traveling wind and the cooler 271 located on the leeward side of the traveling wind are arranged with a sufficient distance between them, so the configuration of FIG. 3 The same effect can be obtained.
  • the configuration shown in FIG. 10 is preferable to the configuration shown in FIG. 3. There may be cases where it is easier to design. Therefore, the configuration of the second embodiment may also be adopted in the mounting examples shown in FIGS. 5 to 7.

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Abstract

電気車駆動システム（２００）は、電気車（１５０Ａ）の台車（４０）の車軸（４０ａ，４０ｂ）を駆動する電動機（８０，８１）を制御する制御装置（１２０）と、台車（４１）の車軸（４１ａ，４１ｂ）を駆動する電動機（８２，８３）を制御する制御装置（１２１）とを備える。制御装置（１２０，１２１）は、インバータ（６０）と、インバータ（６０）を制御する制御部（３０）とを備える。制御装置（１２０）は、筐体（２６０）に収容され、制御装置（１２１）は、筐体（２６１）に収容される。筐体（２６０，２６１）には、それぞれ走行風を利用して冷却する冷却器（２７０，２７１）が取り付けられている。制御装置（１２０，１２１）は、台車（４０）の近くと、台車（４１）の近くとに分散して配置される。

Description

電気車駆動システム
　本開示は、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置を複数備えた電気車駆動システムに関する。
　電気車制御装置（以下、適宜「制御装置」と略す）は、架線からの電力を受電して動作するため、電気車の屋根上又は床下に搭載されることが多い。制御装置は、半導体素子が内蔵されるインバータを有する。インバータは、走行用の電動機に電気的に接続される。インバータには、直流電力が供給される。直流電力は、インバータの半導体素子がスイッチング動作することによって、所望の交流電力に変換されて電動機に供給される。電動機は、変換された交流電力によって駆動される。インバータの半導体素子がスイッチング動作するときには、発熱する。このため、インバータを収容する筐体には、冷却器が取り付けられている。
　下記特許文献１には、電気車が走行するときの走行風を利用してインバータを冷却する走行風利用型の冷却器について、電気車の進行方向に沿って２つの冷却器を直列に接近させて配置する構成が開示されている。
特許第６４９４４０８号公報
　しかしながら、特許文献１の構成では、複数のインバータを効率よく冷却することが難しい。例えば冷却器の領域を走行風に対して風上と風下とに分けた場合、風上側に位置する冷却器によって冷却されるインバータは、走行風が効率よく取り込まれることで冷却され易くなる。これに対し、風下側に位置する冷却器によって冷却されるインバータは、２つの冷却器が接近していることで走行風が風下側の冷却器に取り込まれにくくなる上に、風上側に位置するインバータの発熱のあおりを受けて、走行風の温度が上がり気味となり、冷却条件が厳しくなる。
　従って、風下側であっても十分に冷却が可能となるように、ヒートパイプを併用した高性能の冷却器、又は大型の冷却器を適用することが必要となる場合がある。また、特許文献１では、風下側の冷却器に走行風を導くための風ガイドを設ける構造を採用している。何れにしても、従来手法では、制御装置が大型化し、制御装置の製造コストが増加するといった課題が生じる。
　また、制御装置を電気車の床下に搭載する場合、床下のスペースは限られているため、制御装置の筐体を搭載するための十分なスペースがない場合がある。このような場合には、制御装置の仕様を変更するなどして構成部品を小型化し、筐体を縮小化することが必要となる。なお、仕様を見直すことで電気車の機能又は性能が、当初より低下してしまうというデメリットが生じることもある。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、効率的な冷却が可能となるように制御装置を電気車の限られたスペースに柔軟に配置することができる電気車駆動システム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、本開示に係る電気車駆動システムは、電気車の２台の台車の４つの車軸を駆動する４つの電動機のうちの少なくとも１つを制御する制御装置を複数備える。制御装置のそれぞれは、少なくとも１つの電動機に電力を供給するインバータと、インバータを制御する制御部とを備える。インバータは、制御部と共に筐体に収容され、筐体のそれぞれには、少なくとも１つの制御装置が収容される。筐体のそれぞれには、電気車の走行による走行風を利用してインバータを冷却する冷却器が取り付けられる。複数の制御装置は、電気車の進行方向の前方に位置する第１の台車の近くと、進行方向の後方に位置する第２の台車の近くとに分散して配置される。
　本開示に係る電気車駆動システムによれば、効率的な冷却が可能となるように制御装置を電気車の限られたスペースに柔軟に配置することができるという効果を奏する。
実施の形態１に係る電気車駆動システムの構成例を示す図 比較例として示す従来の搭載例を示す図 実施の形態１に係る電気車駆動システムの第１の搭載例の説明に供する第１の図 実施の形態１に係る電気車駆動システムの第１の搭載例の説明に供する第２の図 実施の形態１に係る電気車駆動システムの第２の搭載例の説明に供する図 実施の形態１に係る電気車駆動システムの第３の搭載例の説明に供する図 実施の形態１に係る電気車駆動システムの第４の搭載例の説明に供する図 冷却器への走行風に及ぼす障害物の影響の説明に供する第１の検証試験の結果を示す図 冷却器への走行風に及ぼす障害物の影響の説明に供する第２の検証試験の結果を示す図 実施の形態２に係る電気車駆動システムの搭載例の説明に供する図
　以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る電気車駆動システム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。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの構成例を示す図である。図１には、電気車の１両分の構成例が示されている。
　電気車駆動システム２００は、図１に示すように、架線１からの直流電力を、集電装置２を介して受電する４つの制御装置１００～１０３を備える。架線１の先には、図示しない変電所があり、架線１は、制御装置１００～１０３から見て、外部電源という位置づけである。集電装置２に印加される架線１の電圧である架線電圧、及び制御装置１００～１０３の各変換容量は、電気車駆動システムの駆動方式によって異なる。架線電圧の範囲は、おおよそ６００から３０００［Ｖ］である。また、変換容量の範囲は、数十から数百［ｋＶＡ］である。
　制御装置１００～１０３のそれぞれには、電気車を駆動するための４つの電動機８０～８３がそれぞれ接続されている。架線１及び集電装置２から供給された直流電力は、スイッチ１０、リアクトル１１及び電線２０を介し、制御装置１００～１０３に供給される。制御装置１００～１０３の各正側端子Ｐは、リアクトル１１に接続される。また、制御装置１００～１０３の各負側端子Ｎは、車輪３を介してレール４に接続される。これにより、架線１から供給される直流電力による直流電流は、スイッチ１０、リアクトル１１、電線２０、制御装置１００～１０３、電動機８０～８３、車輪３及びレール４を介して流れ、変電所に戻る。図１の構成では、リアクトル１１、電線２０及び制御装置１００～１０３が電気車駆動システム２００の構成要素となる。電線２０には、銅又はアルミといった導体が含まれる。導体の一例は、ブスバーである。
　なお、図１では、架線１として架空電線を示し、集電装置２としてパンタグラフ状の集電装置をそれぞれ示しているが、これらに限定されない。架線１としては、地下鉄等で使用されている第三軌条でもよく、これに合わせ、集電装置２は第三軌条用の集電装置を用いてもよい。また、図１では、架線１が直流架線である場合を示しているが、架線１は交流架線でもよい。なお、架線１が交流架線である場合、集電装置２とスイッチ１０との間、もしくはスイッチ１０とリアクトル１１との間には、受電する交流電圧を降圧するための変圧器が設けられ、変圧器の後段には変圧器から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータが設けられる。
　制御装置１００は、直流電圧を保持するコンデンサ５０と、コンデンサ５０の電圧を放電させる放電回路５２と、インバータ６０と、を有する。コンデンサ５０及び放電回路５２は、制御装置１００の内部において、正側端子Ｐと負側端子Ｎとの間に接続される。これにより、コンデンサ５０及び放電回路５２は、インバータ６０の入力側において、インバータ６０の両端に並列に接続される。
　コンデンサ５０は、リアクトル１１に接続され、リアクトル１１と共にＬＣフィルタ回路を構成する。このＬＣフィルタ回路は、架線１側から流入するサージ電圧を抑制する。また、ＬＣフィルタ回路はインバータ６０に接続され、インバータ６０に流れる電流のリプル成分の大きさを抑制する。
　制御装置１００～１０３に備えられるインバータ６０は、電動機８０～８３に電力を供給する電力変換回路である。インバータ６０は、コンデンサ５０の直流電圧を任意の電圧値を有する任意の周波数の交流電圧に変換して、電動機８０～８３に印加する。
　インバータ６０は、図１に示されるように、６つの半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚを有する。半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚは、ブリッジ接続されて三相ブリッジ回路を構成する。なお、図１では、図示を省略しているが、制御装置１０１～１０３は、制御装置１００と同様にインバータ６０を備えている。
　インバータ６０において、半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗは、正側アームと呼ばれ、半導体素子６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚは、負側アームと呼ばれる。また、直列に接続される正側アームと負側アームとの組は、レグと呼ばれる。半導体素子６０Ｕ，６０ＸはＵ相レグを構成し、半導体素子６０Ｖ，６０ＹはＶ相レグを構成し、半導体素子６０Ｗ，６０ＺはＷ相レグを構成する。半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚとしては、図示のように、逆並列ダイオードが内蔵された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor：ＩＧＢＴ）素子が好適である。なお、ＩＧＢＴ素子に代えて、金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor　Field-Effect　Transistor：ＭＯＳＦＥＴ）を用いてもよい。
　制御装置１００～１０３のそれぞれは、制御部３０を有する。制御部３０は、インバータ６０の半導体素子６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚをパルス幅変調（Pulse　Width　Modulation：ＰＷＭ）制御するためのＰＷＭ信号を生成してインバータ６０に付与する。
　なお、図１は、４つの電動機８０～８３のそれぞれを、対応する制御装置１００～１０３のうちの１つが個々に制御する「個別制御」と呼ばれる制御方式の構成を示しているが、この構成に限定されない。４つの電動機８０～８３は、図１では図示しない２台の台車に分けて搭載されるが、１台の台車に搭載される２つの電動機を１つの制御装置が制御する「台車制御」と呼ばれる制御方式で構成されていてもよい。なお、台車制御方式の場合、制御装置１００と制御装置１０１とは統合され、電動機８０に接続されるインバータ６０と電動機８１に接続されるインバータ６０とが１つの制御部３０によって制御される構成となる。同様に、制御装置１０２と制御装置１０３とは統合され、電動機８２に接続されるインバータ６０と電動機８３に接続されるインバータ６０とが１つの制御部３０によって制御される構成となる。
　図２は、比較例として示す従来の搭載例を示す図である。図２では、互いに直交する右手系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を用いて、進行方向Ｆを＋Ｘ軸方向、進行方向Ｆに対して直交する水平方向をＹ軸方向、進行方向Ｆに対して直交する鉛直上方向を＋Ｚ軸方向、進行方向Ｆに対して直交する鉛直下方向を－Ｚ軸方向としている。なお、以降の図においても、図２と同じ座標系を使用する。また、本稿では、Ｙ軸方向を「第１の方向」と記載することがある。
　従来の例えば特許文献１に示される電気車駆動システムでは、図２に示すように、電気車駆動システムの構成要素の全てを内蔵した筐体２５０が電気車１５０の床下に搭載されている。図２は、前述した台車制御方式の搭載例を示すものであり、進行方向Ｆに対して、前方側にある台車４０及び後方側にある台車４１のそれぞれには、不図示の２つの電動機が搭載されている。筐体２５０には、台車４０の２つの電動機を制御する制御装置２５１と、台車４１の２つの電動機を制御する制御装置２５２とが搭載されている。また、筐体２５０には、制御装置２５１に備えられるインバータを冷却するための冷却器２５３と、制御装置２５２に備えられるインバータを冷却するための冷却器２５４とが、筐体２５０の側面において、Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。なお、図２では、筐体２５０以外の床下搭載の装置を図示していないが、実際には、電気車１５０の運行に必要となる種々の床下装置が搭載されている。１両の電気車１５０の車両長は２０ｍ程度であるが、種々の床下装置を搭載するスペースを確保する必要があり、筐体２５０の車両長方向の長さは、最長でも２ｍ未満である。
　上述のように、従来の電気車駆動システムは、電気車１５０の進行方向Ｆに沿って２つの冷却器２５３，２５４を直列に接近させて配置する構成となっている。この構成の場合、［発明が解決しようとする課題］の項でも説明したが、走行風の風上側に位置する冷却器２５３によって冷却されるインバータは、走行風が効率よく冷却器２５３に取り込まれることで冷却され易くなる。これに対し、走行風の風下側に位置する冷却器２５４によって冷却されるインバータは、２つの冷却器２５３，２５４が接近していることで走行風が風下側の冷却器２５４に取り込まれにくくなる上に、風上側に位置するインバータの発熱のあおりを受けて、冷却器２５４に取り込まれる走行風の温度が上がり気味となり、冷却条件が厳しくなる。特許文献１では、風下側の冷却器に走行風を導くための風ガイドを設ける構造を採用しているが、制御装置が大型化し、製造コストが増加するといった課題が生じていた。
　上記の課題に対し、実施の形態１では、まず、図３及び図４に示す搭載例を提案する。図３は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの第１の搭載例の説明に供する第１の図である。図４は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの第１の搭載例の説明に供する第２の図である。図３は、電気車１５０Ａを側面側からＹ軸の負の方向に向かって視認した図である。図４は、電気車１５０Ａの床下を電気車１５０Ａの床面からＺ軸の負の方向に向かって透視した図である。なお、以降の説明においても、図３及び図４と同様に図示された図面を使用する。また、図３及び図４は、台車制御方式の搭載例を示しており、制御装置の数は、１車両につき“２”となる。ここでは、便宜的に、一方の制御装置を「制御装置１２０」とし、他方の制御装置を「制御装置１２１」として説明する。
　図３及び図４において、電気車駆動システム２００の構成要素は、電気車１５０Ａの床下に分散されて配置されている。具体的に、スイッチ１０及びリアクトル１１を収容する筐体２５０Ａは、床下の中央部に配置されている。また、制御装置１２０を収容する筐体２６０は、床下の中央部から離れ、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの前方に位置する台車４０の近く、具体的には、進行方向Ｆに対して、台車４０の後方、且つ左側に配置されている。同様に、制御装置１２１を収容する筐体２６１は、床下の中央部から離れ、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの後方に位置する台車４１の近く、具体的には、進行方向Ｆに対して、台車４１の前方、且つ右側に配置されている。
　筐体２６０には、制御装置１２０に備えられる２つのインバータ６０を冷却するための冷却器２７０が、筐体２６０の側面において、＋Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。また、筐体２６１には、制御装置１２１に備えられる２つのインバータ６０を冷却するための冷却器２７１が、筐体２６１の側面において、－Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。
　台車４０には、それぞれが制御装置１２０に接続される電動機８０，８１が搭載されている。電動機８０は、進行方向Ｆに対して、台車４０における前方側の車軸４０ａを駆動し、電動機８１は、進行方向Ｆに対して、台車４０における後方側の車軸４０ｂを駆動する。
　台車４１には、それぞれが制御装置１２１に接続される電動機８２，８３が搭載されている。電動機８２は、進行方向Ｆに対して、台車４１における前方側の車軸４１ａを駆動し、電動機８３は、進行方向Ｆに対して、台車４１における後方側の車軸４１ｂを駆動する。なお、本稿では、台車４０を「第１の台車」と記載し、台車４１を「第２の台車」と記載することがある。また、本稿では、制御装置１２０を「第１の制御装置」と記載し、制御装置１２１を「第２の制御装置」と記載することがある。
　風上側に近接した発熱物が存在する場合、冷却器に取り込まれる走行風の温度が上昇する。これに対し、図３及び図４の構成では、走行風の風上側に位置する冷却器２７０と、走行風の風下側に位置する冷却器２７１とは、十分な離隔距離がとられて配置されているので、近接した発熱物は存在しないといってもよい。これにより、図３及び図４の構成では、風下側に位置する冷却器２７１の冷却条件と、風上側に位置する冷却器２７０の冷却条件との差を小さくすることができる。これにより、図３及び図４の構成では、制御装置１２０，１２１が大型化し、制御装置１２０，１２１の製造コストが増加するのを回避することができる。
　また、図４には、電気車１５０Ａの車両５の車幅に対して、艤装限界ライン２８０が一点鎖線で示されている。艤装限界ライン２８０は、床下搭載物の搭載エリアの車幅側の境界線を意味している。即ち、床下搭載物は、艤装限界ライン２８０の外側にはみ出して搭載することはできないことになっている。艤装限界ライン２８０は、車両５の車幅に対して、台車４０，４１の位置が最も広く、床下の中央部が最も狭くなっている。従って、制御装置を収容する筐体２５０を床下の中央部に配置する従来技術の構成よりも、制御装置１００～１０３を収容する筐体２６０，２６１を台車４０，４１の近くに配置する実施の形態１の構成の方が、走行風を取り込み易い構成になっていると言える。これにより、図３及び図４の構成は、図２の従来技術の構成よりも、冷却器２７０，２７１の冷却性能を高める構成になっていると言うことができる。これにより、図３及び図４の構成とすれば、効率的な冷却が可能となるように制御装置１２０，１２１を配置することができる。
　また、図３及び図４の構成では、電気車駆動システム２００の構成要素の全てを１つの筐体には収容せず、３つの筐体２５０Ａ，２６０，２６１に分けて収容している。これにより、筐体の数は増えるが、１つ１つの筐体のサイズは小さくなるので、床下の空きスペースを有効活用して配置することも可能となる。
　図５は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの第２の搭載例の説明に供する図である。図４では、制御装置１２０を収容する筐体２６０と、制御装置１２１を収容する筐体２６１とは対極の位置、即ち床下の中央部から見て回転対称となる位置に配置していた。これに対し、図５では、制御装置１２０を収容する筐体２６０はそのままで、制御装置１２１を収容する筐体２６１を、筐体２６０に対して同列、即ち進行方向Ｆに沿って、筐体２６０と筐体２６１とが直列に並ぶ位置に配置している。
　図５のように、風上側に位置する冷却器２７０と風下側に位置する冷却器２７１とを同列に配置しても、風上側の冷却器２７０と風下側の冷却器２７１との間の離隔距離は、図４の場合と殆ど変わらない。即ち、風上側の冷却器２７０と風下側の冷却器２７１とは、十分な離隔距離がとられて配置されているので、近接した発熱物は存在しないといってもよい。従って、図５の搭載例であっても、図４の搭載例と同等の効果を得ることができる。
　次に、個別制御方式の搭載例について説明する。図６は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの第３の搭載例の説明に供する図である。個別制御方式の場合も、電気車駆動システム２００の構成要素は、電気車１５０Ａの床下に分散されて配置される。具体的に、スイッチ１０及びリアクトル１１を収容する筐体２５０Ａは、床下の中央部に配置されている。また、制御装置１００を収容する筐体２６２は、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの前方に位置する台車４０の近く、具体的には、進行方向Ｆに対して、台車４０の前方、且つ右側に配置されている。また、制御装置１０１を収容する筐体２６３は、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの前方に位置する台車４０の近く、具体的には、進行方向Ｆに対して、台車４０の後方、且つ左側に配置されている。同様に、制御装置１０２を収容する筐体２６４は、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの後方に位置する台車４１の近く、具体的には、進行方向Ｆに対して、台車４１の前方、且つ右側に配置されている。また、制御装置１０３を収容する筐体２６５は、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの後方に位置する台車４１の近く、具体的には、進行方向Ｆに対して、台車４１の後方、且つ左側に配置されている。なお、本稿では、第１の台車である台車４０に搭載される２つの電動機８０，８１を個別に制御する２つの制御装置１００，１０１のそれぞれを「第１の制御装置」と記載することがある。また、第２の台車である台車４１に搭載される２つの電動機８２，８３を個別に制御する２つの制御装置１０２，１０３のそれぞれを「第２の制御装置」と記載することがある。
　筐体２６２には、制御装置１００に備えられるインバータ６０を冷却するための冷却器２７２が、筐体２６２の側面において、－Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。また、筐体２６３には、制御装置１０１に備えられるインバータ６０を冷却するための冷却器２７３が、筐体２６３の側面において、＋Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。また、筐体２６４には、制御装置１０２に備えられるインバータ６０を冷却するための冷却器２７４が、筐体２６４の側面において、－Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。また、筐体２６５には、制御装置１０３に備えられるインバータ６０を冷却するための冷却器２７５が、筐体２６５の側面において、＋Ｙ軸方向に突出するように取り付けられている。
　図６の構成では、台車４０において、走行風の風上側に位置する冷却器２７２と、走行風の風下側に位置する冷却器２７３とは、少なくとも台車４０の長さ分の離隔距離がとられて配置されているので、近接した発熱物は存在しないといってもよい。これにより、図６の構成では、風上側に位置する冷却器２７２の冷却条件と、風下側に位置する冷却器２７３の冷却条件との差を小さくすることができる。この関係は、台車４１における冷却器２７４，２７５の間でも同様である。これにより、図６の構成では、制御装置１００～１０３が大型化し、制御装置１００～１０３の製造コストが増加するのを回避することができる。
　また、図６の構成では、制御装置１００～１０３を収容する筐体２６２～２６５を、艤装限界ライン２８０間の幅が広い、台車４０，４１の近くに配置することができる。これにより、図６の構成とすれば、個別制御方式の構成であっても、効率的な冷却が可能となるように制御装置１００～１０３を配置することができる。
　また、図６の構成では、電気車駆動システム２００の構成要素の全てを１つの筐体には収容せず、５つの筐体２５０Ａ，２６２～２６５に分けて収容している。これにより、筐体の数は増えるが、１つ１つの筐体のサイズは小さくなるので、床下の空きスペースを有効活用して配置することも可能となる。
　図７は、実施の形態１に係る電気車駆動システムの第４の搭載例の説明に供する図である。図６では、台車４０，４１ごとに、制御装置１００，１０１を収容する筐体２６２，２６３を対極、即ち台車４０における対角線の位置に配置し、制御装置１０２，１０３を収容する筐体２６４，２６５を対極、即ち台車４１における対角線の位置に配置した上で、且つ、制御装置１０１を収容する筐体２６３と、制御装置１０２を収容する筐体２６４とを、床下の中央部から見て対極の位置に配置していた。これに対し、図７では、台車４０，４１ごとに、各々の制御装置を収容する筐体同士を対極の位置に配置する関係はそのままで、制御装置１０１を収容する筐体２６３と、制御装置１０２を収容する筐体２６４とが、進行方向Ｆに同列に並ぶように配置されている。
　図７のように、風上側に位置する冷却器２７３と風下側に位置する冷却器２７４とを同列に配置しても、風上側の冷却器２７３と風下側の冷却器２７４との間の離隔距離は、図６の場合と殆ど変わらない。即ち、風上側の冷却器２７３と風下側の冷却器２７４とは、十分な離隔距離がとられて配置されているので、近接した発熱物は存在しないといってもよい。従って、図７の搭載例であっても、図６の搭載例と同等の効果を得ることができる。
　なお、個別制御方式の場合は、図６及び図７以外の搭載例も考えられるが、４つの制御装置１００～１０３が、電気車１５０Ａの進行方向Ｆの前方に位置する台車４０の近くと、進行方向Ｆの後方に位置する台車４１の近くとに分散して配置される構成であれば、どのような構成であってもよい。
　次に、障害物が冷却器への走行風に及ぼす影響について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、冷却器への走行風に及ぼす障害物の影響の説明に供する第１の検証試験の結果を示す図である。また、図９は、冷却器への走行風に及ぼす障害物の影響の説明に供する第２の検証試験の結果を示す図である。
　まず、第１の検証試験について説明する。図８の下部には、第１の検証試験の試験環境が模式的に示されている。図８では、冷却風の風上側に障害物１７０が配置され、冷却風の風下側にアルミ製冷却器１６０が配置されている。図８は平面図であり、障害物１７０の高さ方向の長さと、アルミ製冷却器１６０の高さ方向の長さとは、同等にしている。冷却風は、図示しない送風機によって送風される。アルミ製冷却器１６０における辺部１６２の位置は、位置規制部１８０によって規制される。辺部１６２は、冷却風の方向に沿うアルミ製冷却器１６０の先端側に位置する部位である。図８では、冷却風の方向に沿う辺部１６２の位置と、冷却風の方向に沿う障害物１７０の辺部１７２の位置とが一致するように規制されている。また、アルミ製冷却器１６０の幅、即ちアルミ製冷却器１６０の冷却風に直交する方向の長さをｄとする。このとき、アルミ製冷却器１６０の被送風面における位置規制部１８０からｄ／２の位置を「前面風速測定点」とし、アルミ製冷却器１６０の辺部１６２からｄ／２の位置を「側面風速測定点」とした。そして、障害物１７０とアルミ製冷却器１６０との間の最短距離である「距離」をパラメータとして、前面風速測定点及び側面風速測定点において、風速の測定を行った。
　図８の上部には、第１の検証試験の試験結果が表形式で示されている。この試験結果から、以下のことが明らかになった。
　（１）障害物１７０がない場合と同等の風速を得るには、アルミ製冷却器１６０と障害物１７０との距離は、４．５ｍ必要であった。
　（２）アルミ製冷却器１６０と障害物１７０との距離が１．５ｍの場合、得られる前面風速は障害物１７０がない場合の約８０％（＝２．２／２．８×１００）であった。
　次に、第２の検証試験について説明する。第２の検証試験では、図９に示されるように、アルミ製冷却器１６０と障害物１７０との間の距離を１．５ｍとし、前面風速測定点の位置が、障害物１７０の辺部１７２と一致するようにしている。即ち、図９におけるアルミ製冷却器１６０は、図８に比べて、冷却風の方向に直交する方向にｄ／２だけ突き出した位置に規制されている。この状態で、障害物１７０がある場合と、障害物１７０がない場合とで、前面風速測定点における風速を測定した。
　試験結果は示していないが、図９の試験環境で試験を行ったところ、障害物１７０がある場合と、障害物１７０がない場合とで、前面風速測定点における風速に変化はなかった。即ち、第２の検証試験によれば、障害物１７０がある場合と、障害物１７０がない場合とで、前面風速測定点における風速は同等であるという結果が得られた。
　前述したように、図２に示す従来技術の構成において、２つの冷却器２５３，２５４が取り付けられている筐体２５０の車両長方向の長さは、最長でも２ｍ未満である。このため、２つの冷却器２５３，２５４間の距離は、１．５ｍ程度、もしくは１．５ｍ以下と考えられる。従って、走行風の風下側に位置する冷却器２５４の冷却性能が、走行風の風上側に位置する冷却器２５３の影響を受けるという従来技術の考え方は、上記の検証試験の結果とも整合している。
　一方、本願の構成に目を向けると、まず、台車制御方式では、風上側に位置する冷却器２７０と風下側に位置する冷却器２７１とは、十分な離隔距離がとられて配置される。そして、冷却器２７０，２７１は、艤装限界ライン２８０間の幅が広い、台車４０，４１の近くに配置するようにしているので、障害物の影響を殆ど受けない位置に配置することが可能となる。
　また、個別制御方式では、台車４０，４１ごとに、風上側に位置する冷却器２７２，２７４と風下側に位置する冷却器２７３，２７５とは、十分な離隔距離がとられて配置される。そして、冷却器２７２～２７５は、艤装限界ライン２８０間の幅が広い、台車４０又は台車４１の近くに配置するようにしているので、障害物の影響を殆ど受けない位置に配置することが可能となる。
　以上説明したように、実施の形態１に係る電気車駆動システムは、電気車の２台の台車の４つの車軸を駆動する４つの電動機のうちの少なくとも１つを制御する制御装置を複数備える。制御装置のそれぞれは、少なくとも１つの電動機に電力を供給するインバータと、インバータを制御する制御部とを備える。インバータは、制御部と共に筐体に収容され、筐体のそれぞれには、少なくとも１つの制御装置が収容され、筐体のそれぞれには、電気車の走行による走行風を利用してインバータを冷却する冷却器が取り付けられる。そして、複数の制御装置は、電気車の進行方向の前方に位置する第１の台車の近くと、進行方向の後方に位置する第２の台車の近くとに分散して配置される。このように構成された電気車駆動システムによれば、風下側に位置する冷却器は、風上側に位置する冷却器に対して、十分な離隔距離を確保して配置することが可能となる。また、実施の形態１に係る電気車駆動システムでは、風下側に位置する冷却器、及び風上側に位置する冷却器は、床下中央部よりも艤装限界ライン間の幅が広い第１及び第２の台車の近くに配置されるので、障害物の影響を殆ど受けない位置に配置することが可能となる。これらにより、効率的な冷却が可能となるように制御装置を電気車の限られたスペースに柔軟に配置することができる電気車駆動システムを得ることが可能となる。
　上記の構成は、複数の制御装置が、第１の台車に搭載される２つの電動機を制御する１つの第１の制御装置と、第２の台車に搭載される２つの電動機を制御する１つの第２の制御装置とから成る台車制御方式の電気車駆動システムに適用可能である。この台車制御方式において、第１の制御装置を収容する筐体は、進行方向に対して第１の台車の後方に配置され、第２の制御装置を収容する筐体は、進行方向に対して第２の台車の前方に配置される構成とすることができる。
　また、上記の構成は、複数の制御装置が、第１の台車に搭載される２つの電動機を個別に制御する２つの第１の制御装置と、第２の台車に搭載される２つの電動機を個別に制御する２つの第２の制御装置とから成る個別制御方式の電気車駆動システムに適用可能である。この個別制御方式において、２つの第１の制御装置のうちの一方を収容する筐体は、進行方向に対して第１の台車の前方に配置され、２つの第１の制御装置のうちの他方を収容する筐体は、進行方向に対して第１の台車の後方に配置され、２つの第２の制御装置のうちの一方を収容する筐体は、進行方向に対して第２の台車の前方に配置され、２つの第２の制御装置のうちの他方を収容する筐体は、進行方向に対して第２の台車の後方に配置される構成とすることができる。或いは、２つの第１の制御装置のうちの一方及び他方を収容する２つの筐体は、進行方向に対して第１の台車の後方に配置され、２つの第２の制御装置のうちの一方及び他方を収容する２つの筐体は、進行方向に対して第２の台車の前方に配置される構成としてもよい。
　また、上記の構成において、第１及び第２の制御装置を収容する複数の冷却器は、電気車の進行方向、及び電気車の車両の鉛直方向の双方に垂直な第１方向に突出して筐体に取り付けられる構成とすることができる。
実施の形態２．
　図１０は、実施の形態２に係る電気車駆動システムの搭載例の説明に供する図である。図１０は、実施の形態２に係る電気車１５０Ｂを側面側からＹ軸の負の方向に向かって視認した図である。また、図１０は、台車制御方式の搭載例を示している。なお、図３と同一又は同等の構成要素には、同一の符号を付している。
　図１０に示す実施の形態２に係る電気車１５０Ｂと、図３に示す実施の形態１に係る電気車１５０Ａとの相違点は、冷却器２７０，２７１の搭載位置及び突出方向である。図３に示す電気車１５０Ａでは、冷却器２７０，２７１は、筐体２６０又は筐体２６１の側面において、＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向に突出するように取り付けられていた。これに対し、図１０に示す電気車１５０Ｂでは、冷却器２７０，２７１は、筐体２６０又は筐体２６１の下面において、－Ｚ軸方向に突出するように取り付けられている。
　図１０の構成でも、走行風の風上側に位置する冷却器２７０と、走行風の風下側に位置する冷却器２７１とが、十分な離隔距離がとられて配置されるので、図３の構成と同等の効果を得ることができる。また、床下の空きスペースに関し、車両の横幅方向であるＹ軸方向に余裕が少なく、車両の高さ方向であるＺ軸方向に余裕がある場合には、図３の構成よりも図１０の構成の方が設計し易い場合も有り得る。このため、図５～図７の搭載例においても、実施の形態２の構成を採用してもよい。
　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。
　１　架線、２　集電装置、３　車輪、４　レール、５　車両、１０　スイッチ、１１　リアクトル、２０　電線、３０　制御部、４０，４１　台車、４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ　車軸、５０　コンデンサ、５２　放電回路、６０　インバータ、６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６０Ｘ，６０Ｙ，６０Ｚ　半導体素子、８０，８１，８２，８３　電動機、１００，１０１，１０２，１０３，１２０，１２１，２５１，２５２　制御装置、１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ　電気車、１６０　アルミ製冷却器、１６２，１７２　辺部、１７０　障害物、１８０　位置規制部、２００　電気車駆動システム、２５０，２５０Ａ，２６０，２６１，２６２，２６３，２６４，２６５　筐体、２５３，２５４，２７０，２７１，２７２，２７３，２７４，２７５　冷却器、２８０　艤装限界ライン、Ｆ　進行方向、Ｎ　負側端子、Ｐ　正側端子。

Claims (8)

  1. 　電気車の２台の台車の４つの車軸を駆動する４つの電動機のうちの少なくとも１つを制御する制御装置を複数備えた電気車駆動システムであって、
    　前記制御装置のそれぞれは、
    　少なくとも１つの前記電動機に電力を供給するインバータと、
    　前記インバータを制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記インバータは、前記制御部と共に筐体に収容され、
    　前記筐体のそれぞれには、少なくとも１つの前記制御装置が収容され、
    　前記筐体のそれぞれには、前記電気車の走行による走行風を利用して前記インバータを冷却する冷却器が取り付けられ、
    　複数の前記制御装置は、前記電気車の進行方向の前方に位置する第１の台車の近くと、前記進行方向の後方に位置する第２の台車の近くとに分散して配置される
    　ことを特徴とする電気車駆動システム。
  2. 　複数の前記制御装置は、前記第１の台車に搭載される２つの電動機を制御する１つの第１の制御装置と、前記第２の台車に搭載される２つの電動機を制御する１つの第２の制御装置とから成ることを特徴とする請求項１に記載の電気車駆動システム。
  3. 　前記第１の制御装置を収容する筐体は、前記進行方向に対して前記第１の台車の後方に配置され、
    　前記第２の制御装置を収容する筐体は、前記進行方向に対して前記第２の台車の前方に配置される
    　ことを特徴とする請求項２に記載の電気車駆動システム。
  4. 　複数の前記制御装置は、前記第１の台車に搭載される２つの電動機を個別に制御する２つの第１の制御装置と、前記第２の台車に搭載される２つの電動機を個別に制御する２つの第２の制御装置とから成ることを特徴とする請求項１に記載の電気車駆動システム。
  5. 　２つの前記第１の制御装置のうちの一方を収容する筐体は、前記進行方向に対して前記第１の台車の前方に配置され、
    　２つの前記第１の制御装置のうちの他方を収容する筐体は、前記進行方向に対して前記第１の台車の後方に配置され、
    　２つの前記第２の制御装置のうちの一方を収容する筐体は、前記進行方向に対して前記第２の台車の前方に配置され、
    　２つの前記第２の制御装置のうちの他方を収容する筐体は、前記進行方向に対して前記第２の台車の後方に配置される
    　ことを特徴とする請求項４に記載の電気車駆動システム。
  6. 　２つの前記第１の制御装置のうちの一方及び他方を収容する２つの筐体は、前記進行方向に対して前記第１の台車の後方に配置され、
    　２つの前記第２の制御装置のうちの一方及び他方を収容する２つの筐体は、前記進行方向に対して前記第２の台車の前方に配置される
    　ことを特徴とする請求項４に記載の電気車駆動システム。
  7. 　前記第１及び第２の制御装置を収容する複数の前記冷却器は、前記進行方向、及び前記電気車の車両の鉛直方向の双方に垂直な第１方向に突出して前記筐体に取り付けられている
    　ことを特徴とする請求項２から６の何れか１項に記載の電気車駆動システム。
  8. 　前記第１及び第２の制御装置を収容する複数の前記冷却器は、前記電気車の車両の鉛直下方向に突出して前記筐体に取り付けられている
    　ことを特徴とする請求項２から６の何れか１項に記載の電気車駆動システム。
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