CN101232269B - 用于铁道车辆的电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于铁道车辆的电机驱动系统(10-1)，其能够减少布线重量、电磁噪声和制造成本。该电机驱动系统包括逆变器(11)。该逆变器被配置成控制电机(13-1)，并且被分为与电机集成在一起的至少两个分离的逆变器单元。

Description

用于铁道车辆的电机驱动系统
技术领域
本发明涉及用于铁道车辆的电机驱动系统。
背景技术
在日本未审专利申请公开No.2000-308388、日本专利公开No.3594100等中公开了用于铁道车辆的电机驱动系统的实例。图1是示出根据现有技术的用于铁道车辆的电机驱动系统100的电路图。图2示出在图1的铁道车辆中配置的电机驱动系统100的逆变器110、车轮120、电机130等。
为了不用维护电机130，现有技术的电机驱动系统100采用比如感应电机或永磁同步电机的AC电机作为电机130。电机130连接到逆变器110并由逆变器110驱动。逆变器110安装在车辆底板140下面并且通过沿车辆底板140铺设的电布线150连接到电机130。近些年，逆变器广泛地采用高性能半导体切换元件，比如IGBT(绝缘栅双极晶体管)，其耐例如3300V的高压并且实现高速切换。
为了提高铁道车辆的加速度，需要用于驱动高输出电机的大电流。为了传递这种大电流，在电机和逆变器之间铺设的布线将变得较重。逆变器的高速切换产生从逆变器经长布线传递到电机的电流谐波。经长布线传递的电流谐波导致电磁噪声，电磁噪声会导致铁道信号出错。因此优选地，最小化逆变器和电机之间的布线长度。然而，逆变器通常体积大，并且因此在将逆变器配置得尽可能靠近电机以缩短布线方面受限制。
用于铁道逆变器的高耐压的半导体切换元件是制造成本较高的专用产品。因此，需要能以低成本制造的用于铁道车辆的电机驱动系统以实现经济的铁道运输。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够减少布线重量、电磁噪声和制造成本的用于铁道车辆的电机驱动系统。
为了实现该目的，本发明的第一方面提供了一种用于铁道车辆的电机驱动系统，其具有逆变器，被配置成控制电机，并且被分为与电机成整体地配置的至少两个分离的逆变器单元。
根据本发明的第二方面，逆变器单元具有串联的直流端。
根据本发明的第三方面，逆变器单元具有与直流电源并联的直流端。
根据本发明的第四方面，电机具有多相绕组，其数量对应于并联配置的逆变器单元的数量。
根据本发明的第五方面，电机包括一个风扇，其安装到电机的轴上并且被配置成产生冷却空气，每个逆变器单元包括配置在冷却空气通道中的散热部分。
根据本发明的第六方面，电机是在电机的框架内部具有密封区域的永磁电机，并且逆变器的组件配置在该密封区域中，以省略用于将逆变器与电机电气断开的开关。
根据本发明的用于铁道车辆的电机驱动系统中的逆变器采用低耐压的切换元件。该低耐压的切换元件是大量生产的以用于例如混合电车并且不昂贵。本发明配置至少两个这种逆变器以形成多相电路，该多相电路补偿了低耐压和低容量并且抑制了电流波纹。本发明将逆变器与电机集成在一起以减少布线重量、电磁噪声和制造成本。
附图说明
图1是示出根据现有技术的用于铁道车辆的电机驱动系统的电路图；
图2示出根据现有技术的电机驱动系统的组件配置；
图3是示出根据本发明第一实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统的电路图；
图4示出根据第一实施例的电机驱动系统的组件配置；
图5是示出根据第一实施例逆变器各相位单元与电机一起集成在电机驱动系统中的说明图；
图6是示出根据本发明第二实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统的电路图；
图7是示出根据第二实施例各逆变器与电机一起集成在电机驱动系统中的说明图；
图8是示出根据本发明第三实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统的电路图；
图9是示出根据第三实施例各逆变器与电机一起集成在电机驱动系统中的说明图；
图10是示出根据第三实施例的电机驱动系统中电机的布线的电路图；
图11示出根据第三实施例的电机驱动系统中逆变器的PWM切换模式；
图12是示出根据本发明的第四实施例，逆变器U相位单元与电机一起集成在用于铁道车辆的电机驱动系统中的侧视图；以及
图13是示出根据第四实施例逆变器U相位单元与电机一起集成在电机驱动系统中的正视图。
具体实施方式
将参考附图详细说明本发明的实施例。
第一实施例
将参考图3-5解释根据本发明第一实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统。根据第一实施例的电机驱动系统10-1包括三相逆变器11和三相永磁同步电机13-1。逆变器11包括具有两对U相位切换元件的U相位单元12U、具有两对V相位切换元件的V相位单元12V、以及具有两对W相位切换元件的W相位单元12W。
该U相位单元12U具有两个IGBT(绝缘栅双极晶体管)QU1和QU2以及电容器UC，并且形成二级逆变器11的臂。类似地形成V和W相位单元12V和12W。
如图5中详细所示，U、V和W相位单元12U、12V和12W机械上彼此分离并且被配置在电机13-1的表面上。如图3中详细所示，U、V和W相位单元12U、12V和12W的直流部分并联并且它们的交流输出端连接到电机13-1的相应相位的输入端，类似于图1中示出的现有技术的三相逆变器110。
在图4中，逆变器11的相位单元12U、12V和12W与电机13-1集成在一起并且该集成结构配置在具有车轮16的车辆15中的有限空间内。
根据第一实施例的电机驱动系统10-1，三相逆变器11被分为相位单元12U、12V和12W，它们配置在电机13-1表面上机械上分离的位置。这种配置可以避免由逆变器切换元件QU1、QU2等和电流传导产生的热集中。这使得散热单元能够最小化，逆变器11和电机13-1的集成结构能够安装在车辆15中的有限空间中，以及常规逆变器110(图2)所占用的底板空间140(图2)能得到有效利用。另外，逆变器11和电机13-1之间的三相布线包含在电机13-1内，以减小布线重量并且消除可能导致铁道信号出错的电磁噪声。
第二实施例
将参考图6和7解释根据本发明第二实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统。根据第二实施例的电机驱动系统10-2包括第一逆变器11-1、第二逆变器11-2、第三逆变器11-3和三相三绕组永磁同步电机13-2。
如图6中所示，第一逆变器11-1是具有六个IGBT切换元件和一个电容器的二级全桥逆变器。一般地，铁道车辆采用1500V的DC电压，因此，通常采用的IGBT每个耐3300V电压。相反，对于每个逆变器来说，第二实施例所采用的六个IGBT切换元件每个耐1200V电压。耐1200伏电压的IGBT切换元件可广泛用于例如混合电车，并且因此并不昂贵。类似于第一逆变器11-1构造第二和第三逆变器11-2和11-3。
第一、第二和第三逆变器11-1、11-2和11-3的直流端串联，以将来自架空线路的电压除以3并且各自接收除以3以后的电压。此配置使得可大量制造并且不昂贵的耐1200伏电压的IGBT元件能够用于第二实施例的电机驱动系统10-2。
如图7中详细所示，第一、第二和第三逆变器11-1、11-2和11-3彼此机械上分离并且配置在电机13-2的表面上。第一、第二和第三逆变器11-1、11-2和11-3的交流输出端分别连接到电机13-2的U、V和W相位输入端子。逆变器11-1、11-2和11-3与电机13-2的集成结构安装在车辆15的有限空间中，类似于图4的第一实施例。
根据第二实施例的电机驱动系统10-2，配置第一、第二和第三逆变器11-1、11-2和11-3，使得各逆变器的直流侧与架空线路串联以将架空线路的电压除以3。逆变器11-1、11-2和11-3安装在电机13-2表面上机械上分离的位置，以避免由逆变器切换和电流传导而产生的热集中。这使得散热单元能够最小化，逆变器和电机的集成单元能够安装在车辆15中的有限空间中，以及常规逆变器110(图2)所占用的底板空间140(图2)能得到有效利用。另外，逆变器11-1、11-2和11-3与电机13-2之间的三相多重布线包含在电机13-2内，以减小布线重量并且消除可能导致铁道信号出错的电磁噪声。第二实施例在第一、第二和第三逆变器11-1、11-2和11-3与电机13-2之间需要9条线。但是，与现有技术相比这不会增加布线的量，因为第二实施例的逆变器和电机被集成为一体，而不像现有技术那样将逆变器和电机配置在车辆中远离的位置而使得需要长布线。根据第二实施例，第一、第二和第三逆变器串联以将3300V的架空线路电压除以3。因此，第二实施例可以采用耐1200伏电压的IGBT元件用于逆变器。每个耐相对低的1200伏电压的IGBT元件是大量制造的、不昂贵的，并且具有较高可靠性。采用这种IGBT元件导致提高电机驱动系统10-2的可靠性并且降低其成本。
第三实施例
将参考图8-11解释根据本发明第三实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统。
如图8中详细所示，第三实施例的电机驱动系统10-3包括第一逆变器11A、第二逆变器11B和六相永磁同步电机13-3。第一逆变器11A是二级全桥逆变器，具有六个IGBT切换元件和一个电容器。类似于第一逆变器11A构造第二逆变器11B。第一和第二逆变器11A和11B的直流端并联，以从架空线路接收电压。
如图9中详细所示，第一和第二逆变器11A和11B彼此机械上分离并且配置在电机13-3的表面上。每个逆变器11A和11B的交流输出端连接到电机13-3的相位输入端子。逆变器11A和11B与电机13-3的集成结构安装在车辆15中的有限空间中，类似于图4中示出的第一实施例。
图10示出六相永磁同步电机13-3的布线连接。电机13-3包括两组其中性点互相连接的三相绕组。图11示出第一和第二逆变器11A和11B的切换定时。逆变器11A和11B被同步地控制并且其切换定时相互偏移180度，以减少电机的电流谐波。这使得电机13-3产生较少的热并且使得散热单元简化。简化的散热单元使得电机13-3尺寸减小。
以此方式，根据第三实施例的电机驱动系统10-3将逆变器分为第一和第二逆变器11A和11B并且将所划分的逆变器11A和11B配置在电机13-3表面上机械上分离的位置，以避免由逆变器切换和电流传导而产生的热集中，并且减小电机驱动系统10-3的散热单元的尺寸。尺寸减小的电机驱动系统10-3可以安装在铁道车辆15中的有限空间中，以使得常规逆变器110(图2)所占用的底板空间140(图2)能得到有效利用。另外，逆变器11A和11B与电机13-3之间的六相布线包含在电机13-3内，以减少布线重量并且消除可能导致铁道信号出错的电磁噪声。此外，第三实施例可以降低电机电流谐波，以使得电机13-3产生较少热，散热单元得到简化，并且减小了电机13-3的尺寸。第三实施例需要六组布线。如果逆变器如同图2中现有技术那样远离电机而安装的话，布线组数量大将是有问题的。第三实施例通过将逆变器与电机集成在一起而避免了这种问题。
第四实施例
将参考图12和13解释根据本发明第四实施例的用于铁道车辆的电机驱动系统。第四实施例的电机驱动系统与图3和5中示出的第一实施例具有相同的电路配置。根据第四实施例，逆变器11包括U相位单元12U、V相位单元12V和W相位单元12W，它们各包括散热片21、IGBT元件22、电容器23和栅基片24，如图12和13所示。图12和13仅示出U相位单元12U作为代表实例。在图12和13中，IGBT元件22、电容器23和栅基片24电气且机械地连接到散热片21，以形成U相位单元12U。电机13-4具有凹槽25，U相位单元12U安装并且固定在其中。此时，散热片在电机13-4的表面侧。
电机13-4具有固定到转子32的电机轴31。电机轴31具有风扇33，其在旋转时产生风。为电机13-4提供导向装置34，其沿电机13-4的表面引导由风扇33产生的风，以有效散发来自逆变器11的散热片21的热。IGBT元件22、电容器23、栅基片24等被封在散热片21和电机13-4之间的闭合空间中。
第四实施例省略了现有技术对用于铁道车辆的永磁同步电机所必须采用的电机断开开关，该开关用来避免当IGBT元件短路时由于在没有电机负载的条件下的感生电压而传递短路电流所导致的过热和着火。

Claims (6)

1.一种用于铁道车辆的电机驱动系统，包括：
逆变器，被配置成控制电机，并且被分为位于电机表面上的机械上分离的位置处、其每一个与该电机成整体地配置的至少两个机械上分离的逆变器单元。
2.根据权利要求1的电机驱动系统，其中：
所述逆变器单元具有串联的直流端。
3.根据权利要求1的电机驱动系统，其中：
所述逆变器单元具有与直流电源并联的直流端。
4.根据权利要求3的电机驱动系统，其中：
所述电机具有多相绕组，其数量对应于并联配置的逆变器单元的数量。
5.根据权利要求1-4中任何一项的电机驱动系统，其中：
所述电机包括一个风扇，其安装到该电机的轴上并且被配置成产生冷却空气；以及
每个逆变器单元包括配置在该冷却空气的通道中的散热部分。
6.根据权利要求1-4中任何一项的电机驱动系统，其中：
所述电机是在该电机的框架内部具有密封区域的永磁电机；以及
所述逆变器的组件被配置在该密封区域中，以省略用于将该逆变器与该电机电气断开的开关。
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