CN106169835B - 车辆用驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆用驱动装置，该车辆用驱动装置提高采用使电动机与电力变换装置形成为一体的机电一体化结构时的冷却性能。其特征在于，将对由在内部具备开关元件的半导体模块产生的热量进行散热的散热器的一部分配置在轴承的上风侧的进气流路上，将散热器的另一部分配置在轴承的下风侧的排气流路上。

Description

车辆用驱动装置
技术领域
本发明涉及一种使用了电力变换装置的车辆用驱动装置。
背景技术
在以将直流电变换为交流电的逆变器、将交流电变换为直流电的整流器为代表的电力变换装置中，为了降低损失，作为开关元件而应用了搭载有IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxcide Semiconductor Field EffectTransistor)的半导体模块。
构成开关元件的半导体芯片以Si(Silicon)为中心不断发展，出于进一步降低损失的目的，近年来，不断研究SiC(Silicon Carbide)、GaN(Gallium Nitride)等宽带隙半导体的应用。例如，与Si相比，SiC的绝缘击穿电压较高，因此能够使半导体芯片变薄，能够降低导通损失。另外，与Si相比，SiC的开关速度能够实现高速化，通过降低开关损失，能够有助于电力变换装置的小型化。
另外，搭载于铁路、机动车等电动机驱动用的电力变换装置通过将电动机与电力变换装置一体构成的机电一体化，具有各种优点。例如，在分别具备电动机与电力变换装置的铁路车辆的驱动装置中，在现有的驱动装置中，电力变换装置输出的电力经由电动机电缆向电动机供电。在此，铁路用的电动机电缆较长且为10m～20m，因此，成为舾装的简化、低成本化的弊害。与之相对地，机电一体化能够使电动机电缆最短，因此能够实现由部件件数的削减带来的低成本化、节省维护性。此外，由于不产生从电动机电缆放射的电磁噪音，因此可以消除噪音对用于确保车辆行驶的安全性的信号设备的影响。
另一方面，为了实现机电一体化结构而需要使电动机与电力变换装置小型化，在简化两者的冷却系统的基础上提高冷却性能成为课题。例如，存在作为铁路车辆的驱动装置的电动机、电力变换装置使用车辆的行驶风进行冷却的方法，但是在机电一体化的情况下成为高密度的安装，因此无法充分获得行驶风，成为驱动装置的烧损、故障的原因。
作为本技术领域的背景技术而具有日本特开2008-271730号公报(专利文献1)。在该专利文献1中记载有如下内容：“电动机具备：电动机主体，其具有封闭的外壳、借助轴承被外壳支承为旋转自如并且具有向外壳的外侧突出的端部的旋转轴、在外壳内设于旋转轴的转子、以及设于外壳内的定子；冷却风扇，其在外壳的外侧安装于旋转轴的端部，且能够与旋转轴一体旋转；风扇罩，其覆盖冷却风扇而安装于外壳，所述风扇罩具有与冷却风扇对置设置的引导口与位于外壳的外周侧的排出口，且将从引导口吸入的空气从排出口排出并向外壳的外周引导；以及风量调整机构，其根据冷却风扇的转速来改变排出口的开口面积”以及“具备向风扇罩分配并安装的多个逆变器”。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-271730号公报
如上述那样，作为高效冷却电动机与电力变换装置的方法，如上述的专利文献1那样，提出了如下的结构：在封闭的电动机外壳的外部且电动机的旋转轴上设置外部风扇，通过电动机的旋转使外部风扇旋转而向电动机外壳的外周表面与电力变换装置送风，并冷却电动机与电力变换装置。然而，在将这样的机电一体化的驱动装置应用于铁路车辆、机动车、工业用等大容量的用途的情况下，谋求进一步提高电力变换装置的冷却性能。
发明内容
本发明的目的在于，在将电动机与电力变换装置一体构成的机电一体化中提高冷却性能。
为了解决上述课题，例如采用技术方案所记载的结构。本申请包含多个解决上述课题的手段，若举出其中一例，则具有如下的车辆用驱动装置：该车辆用驱动装置具有电动机和电力变换装置，该电动机具备产生对支承旋转轴的轴承进行冷却的冷却风的风扇，且用于驱动车轮，该电力变换装置将通过使多个开关元件进行开关动作而由直流电变换的交流电向电动机供给，车辆用驱动装置的特征在于，对由在内部具备开关元件的半导体模块产生的热量进行散热的散热器的一部分配置在轴承的上风侧的进气流路上，散热器的另一部分配置在轴承的下风侧的排气流路上。
发明效果
根据本发明，能够提高使电动机与电力变换装置形成为一体的机电一体化结构的冷却性能。
附图说明
图1是作为本发明的实施例1所记载的应用例的铁路车辆的驱动装置的概要图。
图2是作为本发明的实施例1所记载的应用例的铁路车辆的驱动装置的俯视图。
图3是本发明的实施例1所记载的驱动装置的电路图。
图4是本发明的实施例1所记载的驱动装置的正面剖视图。
图5是本发明的实施例1所记载的驱动装置的侧视图。
图6是本发明的实施例2所记载的驱动装置的正面剖视图。
图7是本发明的实施例3所记载的驱动装置的正面剖视图。
图8是本发明的实施例4所记载的驱动装置的电路图的一例。
图9是本发明的实施例4所记载的驱动装置的电路图的另一例。
图10是本发明的实施例4所记载的驱动装置的侧视图。
附图标记说明：
1 架线
2 导轨
3 车轮
4 底架
5 电动机
6 电力变换装置
7 集电装置
8 车身
101 直流电源
102a～102c 电容器
103～105、103a～105a、103b～105b 半导体模块
106a～106c 主电路汇流条
107a～107c 栅极驱动电路
Q1～Q6、Q1a～Q6a、Q1b～Q6b 开关元件
D1～D6、D1a～D6a、D1b～D6b 二极管
201 转子风道
202 定子线圈
203 轴承
204 旋转轴
205 电动机框架
206 风扇
207 散热器
208 引导件
209 辅助风扇
210 转子
211 定子
212 框架风道
213 进气孔
214 排气孔
215 排气流路罩
216 进气流路罩
具体实施方式
以下，使用附图来说明实施例。需要说明的是，在附图以及实施例中作为开关元件而举出MOSFET，本发明也能够应用于IGBT。
实施例1
图1是本发明应用于铁路车辆的情况下的铁路车辆的驱动装置的概要图。电力从作为电源的架线1或者导电轨经由集电装置7向车辆8的驱动装置供给。所供给的电力经由电力变换装置而被电动机5消耗，利用电动机来驱动车轮3，由此使车身8前进或者后退。需要说明的是，作为电接地，电力变换装置的负电压侧经由车轮3与导轨2连接。在此，架线1的电压可以是直流以及交流中的任一者，以下，作为一例而说明将直流1500V的架线1设为电源的实施例。另外，电动机5搭载于底架4，底架4支承车身8。
图2是本发明的实施例1所示的驱动装置的俯视图。在底架4上搭载驱动装置，电动机5基于从电力变换装置6供给来的电力来驱动车轮3，使车身8前进或者后退。在此，作为机电一体化结构，在电动机5的近前配置有电力变换装置6，因此能够使电动机电缆变得最短，通过舾装的简化能够实现低成本化。
图3是本发明的实施例1所示的驱动装置的电路图。具备U相、V相、W相的三相的电力变换装置6具备使架线1等直流电源101平滑化的电容器102a～102c、以及开关元件Q1～Q6，开关元件Q1和Q2串联连接而构成U相，开关元件Q3和Q4串联连接而构成V相，开关元件Q5和Q6串联连接而构成W相。在各开关元件Q1～Q6上，在流通方向成为相反方向的朝向上并联连接有二极管D1～D6。在此，在开关元件Q1～Q6为IGBT的情况下，需要连接二极管D1～D6，但在开关元件Q1～Q6为MOSFET的情况下，能够不连接二极管D1～D6而利用MOSFET的寄生二极管。另外，构成各相的开关元件Q1～Q6的串联连接点与电动机5连接，并向电动机供给交流电。
另外，在使用将电力变换装置6的上下臂的开关元件、例如U相的开关元件Q1、Q2收纳于相同的封装体而成的2in1的半导体模块的情况下，电力变换装置6能够由半导体模块103～105构成。需要说明的是，电容器102a～102c可以是电解电容器、薄膜电容器中的任一者，也可以将多个电容器收纳于一个封装体。通过从栅极驱动电路107a～107c向开关元件Q1～Q6的各栅极端子施加与接通信号以及断开信号相应的栅极电压，由此使开关元件Q1～Q6进行开关动作。接通信号以及断开信号例如由PWM(Pulse Width Modulation)控制。需要说明的是，Q1～Q6可以分别由一个开关元件构成，也可以由并联连接的多个开关元件构成。
图4是本发明的实施例1所记载的驱动装置的正面剖视图。电动机5在电动机框架205之中具备封闭室，并且具备旋转轴204与支承旋转轴204的轴承203。在该旋转轴204的周围形成有转子210，在转子210的外周部隔着气隙而设有定子211。在此，在定子211中设有定子线圈202，通过在定子线圈202中流通电流而产生磁场，在转子210上产生使转子210旋转的力。另外，电动机可以是感应电动机或永磁体电动机中的任一者，在永磁体电动机的情况下，在转子210中使用永磁铁。
转子210与定子211分别设于封闭室内，在转子210与定子211上产生以涡电流为起因的损失，转子210与定子211带有热量，因此需要冷却。为此，在转子210上设有通气用的转子风道201，利用设于封闭室内且固定于旋转轴204而与旋转轴204一并旋转的风扇206使空气在电动机的封闭室内循环，利用框架风道212经由电动机框架205而与外部空气进行热交换。
另外，通过旋转轴204旋转而因摩擦热量使轴承203发热。该轴承203分别设于供电动机5的齿轮、作为驱动对象的车轮连接的驱动侧与其相反面的驱动侧的相反侧，使用分别设于驱动侧与驱动侧的相反侧的辅助风扇209进行冷却。在图4中，左侧成为驱动侧，右侧成为驱动侧的相反侧。辅助风扇209从分别设于电动机框架205的驱动侧以及驱动侧的相反侧的进气孔213分别抽吸外部空气而冷却轴承203，并从设于驱动侧以及驱动侧的相反侧的排气孔214进行排气。在此，进气孔213与排气孔214设于同一面。另外，为了防止粉尘进入电动机内，在进气孔213与排气孔214上设有透气性的密封件。在此，风扇206以及辅助风扇209为了改变所抽吸的冷空气的方向，使用径流式风扇、西洛克风扇。
驱动电动机5的电力变换装置6通过使半导体模块进行开关动作而将电力从直流变换为交流。在开关时在半导体模块上产生开关损失、导通损失，因此需要利用具备与半导体模块固定的冷却组件、以及将冷却组件的热量向大气散热的冷却翅片的散热器207来进行冷却。需要说明的是，开关元件Q1～Q6、二极管D1～D6使用SiC等宽带隙半导体，由此能够降低半导体模块的损失，能够实现冷却器的小型化。
在本实施方式中，其特征在于，为了简化电动机5与电力变换装置6的冷却系统并提高冷却性能，从驱动侧的相反侧进行将冷却风导入电动机外壳内的进气，将从轴承获得热量之后的冷却风从电动机外壳朝驱动侧的相反侧排出，将散热器207的冷却翅片配置为电动机外壳的驱动侧的相反侧的进气与排气这两者的流路状，从而冷却电力变换装置6。通过在对电动机5的驱动侧的相反侧的轴承203进行冷却的流路上、即轴承203的上游侧(进气侧)以及上游侧(排气侧)配置散热器207的冷却翅片，由此在辅助风扇209与电动机5一并旋转时能够使用电动机5的进气与排气而冷却电力变换装置6，因此能够使电力变换装置6的冷却性能提高。
本发明也能够在半导体模块的一方侧具备冷却组件与冷却翅片，将冷却翅片的一部分配置在进气的流路上，将冷却翅片的另一部分配置在排气的流路上，利用进气与排气这两者来冷却电力变换装置6，但在如图4所示利用在半导体模块的两面设有冷却翅片的双面冷却半导体模块的情况下，使用进气来冷却半导体模块的单面，使用排气来冷却半导体模块的相反面，由此与仅利用进气或仅利用排气来进行半导体模块的一方向的冷却相比，能够提高电力变换装置6的冷却性能。在此，为了进一步提高冷却性能，具备在进气流路与排气流路之间配置而分隔进气与排气的流路的引导件208、覆盖排气流路的侧面的排气流路罩215、以及覆盖进气流路的侧面的进气流路罩216。利用引导件208来防止进气与排气混合而导致冷却轴承203的冷却风的流量降低，通过具备排气流路罩215与进气流路罩216，防止冷却风在各流路中从冷却翅片之间向外侧漏出而导致冷却性能降低。另外，在图4所示的实施方式中，采用在比半导体模块靠内周侧(旋转轴204侧)的位置设置进气孔213、且在比半导体模块靠外周侧的位置设置排气孔214的结构，但也可以对调设置进气孔213与排气孔214的位置，并且可以将冷却风的流动方向设为相反方向。
图5是本发明的实施例1所记载的驱动装置中的从图3的A方向观察的侧视图。在图5中作为一例而说明电力变换装置6为图3所示的三相电力变换装置的情况。U相由电容器102a与半导体模块103构成，V相由电容器102b与半导体模块104构成，W相由电容器102c与半导体模块105构成。另外，在各相中，电容器102a～102c与半导体模块103～105使用主电路汇流条106a～106c进行电连接且结构连接。
在电动机框架205的进气孔213与排气孔214的流路上配置各半导体模块103～105的散热器的冷却翅片，电容器102a～102c、栅极驱动电路107a～107c安装于没有进气孔213和排气孔214的空间。在使用感应电动机的铁路车辆的驱动系统中，通常相对于一台电力变换装置而连接多台、例如四台感应电动机，通过一台电力变换装置的交流输出电力来驱动四台电动机。另一方面，在将电动机与电力变换装置一体构成的机电一体化的情况下，相对于一台电力变换装置而连接一台电动机，利用一台电力变换装置的交流输出电力来驱动一台电动机。即，成为机电一体化的电力变换装置与驱动多台电动机的电力变换装置相比较，能够减小半导体模块103～105的电流容量，因此能够实现小型化。基于同样的理由，与驱动多台电动机的电力变换装置相比，电容器102a～102c变小，因此能够使电力变换装置小型化，能够在本发明的电动机侧面安装电力变换装置。
如此一来，本发明的实施例1通过使用电动机5的进气与排气这两者来冷却电力变换装置6，由此能够提高冷却性能。或者，能够利用更小型的冷却器来确保同等的冷却性能，使电力变换装置6小型化。
实施例2
图6是本发明中的实施例2的驱动装置的正面剖视图。构成电力变换装置6的半导体模块103的上表面与罩215结构连接，下表面与散热器207的受热组件连接。散热器207的冷却翅片与实施例1相同地，配置在进气孔213附近的进气流路上以及排气孔214附近的排气流路上。另外，在进气流路与排气流路之间配置有分隔进气与排气的流路的引导件208，防止进气与排气混合而导致冷却轴承203的冷却风的流量降低。
与半导体模块103连接的散热器207中，远离半导体模块103的部分的冷却翅片使用电动机5的进气进行冷却，靠近半导体模块103的部分的冷却翅片使用电动机5的排气进行冷却。即，与实施例1相同地，通过使用进气与排气这两者，能够提高电力变换装置的冷却性能。另外，由于是单面冷却的结构，因此能够使用通用的半导体模块，能够以低成本来构成电力变换装置。除此以外的结构与实施例1相同。另外，在本实施例2中示出了将半导体模块配置在远离旋转轴204的外周侧、在内周侧构成散热器207的例子。但是，也可以是在内周侧配置半导体模块、在外周侧配置冷却器207的构造。在这种情况下，由于将冷却翅片的靠近半导体模块的部分配置在进气流路上，因此能够提高电力变换装置的冷却性能。
实施例3
图7是本发明中的实施例3的驱动装置的正面剖视图。构成电力变换装置6的半导体模块103配置在罩215的外侧，半导体模块103的上表面与外部空气相接，下表面与同罩215形成为一体的散热器207连接。散热器207与实施例1相同地，配置在电动机5的进气孔213附近的进气流路上以及排气孔214附近的排气流路上。另外，在进气流路与排气流路之间配置有分隔进气与排气的流路的引导件208，防止进气与排气混合而导致冷却轴承203的冷却风的流量降低。
半导体模块103的散热器207使用电动机5的进气而冷却引导件208的远离半导体模块103的内周侧的部分，使用电动机5的排气而冷却引导件208的靠近半导体模块103的外周侧的部分。即，与实施例2相同地通过使用电动机5的进气与排气这两者，能够提高电力变换装置的冷却性能，能够以低成本来构成电力变换装置，并且由于是单面冷却的结构，因此能够使用通用的半导体模块，能够以低成本来构成电力变换装置。除此以外的结构与实施例1相同。
实施例4
图8是本发明中的实施例4的驱动装置的电路图。在本实施例中，使用多个2in1的半导体模块而构成电力变换装置，该半导体模块将串联连接的两个开关元件、以及与各开关元件以逆并联的方式连接的二极管元件收纳于同一封装体而成，多个半导体模块并联连接而构成一相的上下臂。例如举出U相，将半导体模块103a、103b相互并联连接而构成U相。需要说明的是，并联连接的两个半导体模块也可以与共用的散热器连接。在此，并联连接的开关元件Q1a和Q1b通过两个开关元件来构成U相的上臂元件，因此借助从栅极驱动电路107a给予的共用的信号来控制而进行相同的开关动作。另外，相同地，并联连接的开关元件Q2a和Q2b通过两个开关元件来构成U相的下臂元件，因此借助从栅极驱动电路107a给予的共用的信号来控制而进行相同的开关动作。如此，通过将多个开关元件并联连接而构成一相的上侧臂元件或者下侧臂元件，由此提高电力变换装置的允许电流，能够实现电流的大容量化。例如，在图8中将两个额定600A的半导体模块并联连接，由此能够构成额定1200A的电力变换装置6。
图9是表示实施例4的驱动装置中的另一电路结构例的电路图。在本电路结构中，也与图8相同地，使用多个2in1的半导体模块构成电力变换装置，该半导体模块将串联连接的两个开关元件、以及与各开关元件以逆并联的方式连接的二极管元件收纳于同一封装体而成。在本实施例中，与实施例4不同，将两个半导体模块串联连接而构成一相的上下臂。例如举出U相，将半导体模块103a、103b相互串联连接而构成U相，半导体模块103a与半导体模块103b的连接点成为U相的交流输出。在此，串联连接的开关元件Q1a和Q1b通过两个开关元件来构成U相的上臂元件，因此借助从栅极驱动电路107a给予的共用的信号来控制而进行相同的开关动作。另外，相同地，串联连接的开关元件Q2a和Q2b通过两个开关元件来构成U相的下臂元件，因此借助从栅极驱动电路107a给予的共用的信号进行控制而进行相同的开关动作。如此，通过串联连接多个开关元件而构成一相的上侧臂元件或者下侧臂元件，由此提高电力变换装置的允许电压，能够实现电压的大容量化。例如，在构成与直流1500V架线对应的铁路车辆的驱动装置的情况下，半导体模块在一臂处需要3.3kV的耐压，但如图9所示将半导体模块串联连接，能够使用1.7kV耐压的2in1的元件。需要说明的是，半导体模块的并列数量以及串联数量不局限于两个，也可以是三个以上。
图10是实施例4中的驱动装置的侧视图。如图10所示，将对图8、图9的电路图所示的半导体模块103a、103b进行冷却的散热器207在物理上分离配置。通过该结构，由于将成为热源的半导体模块分离配置，因此能够增大散热作用并使散热器小型化。

Claims (13)

1.一种车辆用驱动装置，其具有电动机和电力变换装置，该电动机具备产生对支承旋转轴的轴承进行冷却的冷却风的风扇且用于驱动车轮，该电力变换装置将通过使多个开关元件进行开关动作而由直流电变换的交流电向所述电动机供给，
所述车辆用驱动装置的特征在于，
对由半导体模块产生的热量进行散热的散热器的一部分配置在所述轴承的上风侧的进气流路上，所述散热器的另一部分配置在所述轴承的下风侧的排气流路上，所述半导体模块在内部具备所述开关元件，
所述车辆用驱动装置还具备在所述进气流路与所述排气流路之间配置而分隔进气与排气的流路的引导件、覆盖所述排气流路的侧面的排气流路罩、以及覆盖所述进气流路的侧面的进气流路罩。
2.根据权利要求1所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述半导体模块以及所述散热器在所述电动机的一方的旋转轴方向配置，
由所述风扇产生的冷却风从所述电动机的一方的旋转轴方向进气，并向所述电动机的一方的旋转轴方向排气。
3.根据权利要求2所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述电动机的旋转轴在与配置有所述半导体模块的旋转轴方向相反的旋转轴方向与驱动对象的齿轮或者车轮连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
在所述半导体模块的一方侧配备的所述散热器配置在所述冷却风的进气流路上，
在所述半导体模块的另一方侧配备的所述散热器配置在所述冷却风的排气流路上。
5.根据权利要求4所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述风扇与所述旋转轴固定，通过使所述旋转轴进行旋转，产生从在旋转内周侧配置的所述进气流路向在旋转外周侧的配置的排气流路流动的冷却风，
所述半导体模块配置在所述进气流路与所述排气流路之间。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述半导体模块配置于比在所述进气流路上以及所述排气流路上配置的所述散热器靠旋转外周侧的位置。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述半导体模块分别具备第一开关元件、与所述第一开关元件逆并联连接的第一二极管、第二开关元件、以及与所述第二开关元件逆并联连接的第二二极管，所述第一开关元件的低电位端子与所述第二开关元件的高电位端子连接，
所述第一开关元件的低电位端子和所述第二开关元件的高电位端子的连接点与电动机连接，
由所述半导体模块构成三相变换电路中的一相。
8.根据权利要求7所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
一相变换电路由并联连接的多个所述半导体模块构成。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述半导体模块分别具备第一开关元件、与所述第一开关元件逆并联连接的第一二极管、第二开关元件、以及与所述第二开关元件逆并联连接的第二二极管，所述第一开关元件的低电位端子与所述第二开关元件的高电位端子连接，
所述半导体模块的所述第二开关元件的低电位端子和另一所述半导体模块的所述第一开关元件的高电位端子的连接点与电动机连接，
由相互连接的两个所述半导体模块构成三相变换电路中的一相。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述开关元件为IGBT或者MOSFET。
11.根据权利要求7所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述开关元件或所述二极管将硅或者具有比硅大的带隙的半导体材料作为母材。
12.根据权利要求9所述的车辆用驱动装置，其特征在于，
所述开关元件或所述二极管将硅或者具有比硅大的带隙的半导体材料作为母材。
13.一种铁路车辆，其特征在于，
所述铁路车辆在底架上具备权利要求1至12中任一项所述的车辆用驱动装置，经由集电装置从架线或者导电轨获得电力而向所述车辆用驱动装置供给电力。
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