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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeugantriebseinheit, die einen Leistungsumsetzer verwendet.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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In einem Leistungsumsetzer, der durch einen Wechselrichter, der Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umsetzt, und einen Umsetzer, der Wechselstromleistung in Gleichstromleistung umsetzt, repräsentiert wird, dient ein Halbleitermodul, das einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) umfasst, als ein Schaltelement zum Reduzieren von Verlusten.
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Ein Halbleiterchip, der in einem Schaltelement enthalten ist, ist hauptsächlich unter Verwendung von Silicium (Si) entwickelt worden. Um jedoch die Verluste weiter zu reduzieren, ist vor kurzem in Betracht gezogen worden, einen Halbleiter mit breiter Bandlücke wie beispielsweise unter Verwendung von Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zu verwenden. Beispielsweise ist eine Durchbruchspannung von SiC höher als die von Si. Daher kann ein Halbleiterchip dünner gemacht werden und Leitungsverluste können verringert werden. Ferner kann in dem Fall, in dem SiC verwendet wird, eine Schaltgeschwindigkeit im Vergleich mit dem Fall, in dem Si verwendet wird, erhöht werden und ein Leistungsumsetzer kann durch Reduzieren von Schaltverlusten verkleinert werden.
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Ferner hat ein Motorantriebs-Leistungsumsetzer, der beispielsweise an einem Schienenfahrzeug oder einem Kraftfahrzeug montiert ist, verschiedene Vorteile durch mechanisches und elektrisches Integrieren eines Motors und eines Leistungsumsetzers. Beispielsweise wird in dem Fall einer Antriebseinheit für ein Schienenfahrzeug, bei der ein Motor und ein Leistungsumsetzer getrennt vorgesehen sind, im Allgemeinen Leistung von dem Leistungsumsetzer zu dem Motor über ein Motorkabel übertragen. Jedoch hat das Motorkabel für ein Schienenfahrzeug eine Länge von 10 bis 20 m und wird zu einem Hindernis für eine Montagevereinfachung und Kostenreduzierung. In dem Fall der mechanisch und elektrisch integrierten Einheit kann ein Motorkabel verkürzt werden und die Kostenreduzierung und Wartungsreduzierung können durch die Reduzierung der Komponentenzahl verwirklicht werden. Ferner wird ein elektromagnetisches Rauschen, das von einem Motorkabel emittiert wird, nicht erzeugt und deshalb wird eine Signalvorrichtung, die die Sicherheit während des Fahrzeugbetriebs sicherstellt, nicht durch Rauschen beeinträchtigt.
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Andererseits müssen zum Verwirklichen der mechanisch und elektrisch integrierten Einheit ein Motor und ein Leistungsumsetzer verkleinert werden und ein Kühlleistungsvermögen muss durch Vereinfachen eines Kühlsystems für beide verbessert werden. Zum Beispiel gibt es ein Verfahren zum Kühlen eines Motors und eines Leistungsumsetzers in einer Antriebseinheit für ein Schienenfahrzeug, das Fahrtwind verwendet. Jedoch ist eine mechanisch und elektrisch integrierte Einheit eine Montageeinheit mit hoher Dichte und daher kann kein ausreichender Fahrtwind erhalten werden und die Antriebseinheit kann Brände und Ausfälle verursachen.
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JP 2008-271730 A offenbart Stand der Technik auf dem technischen Gebiet.
JP 2008-271730 A offenbart, dass ”ein Elektromotor einen Motorkörper, ein Kühlgebläse, eine Gebläseabdeckung und einen Luftmengen-Einstellmechanismus umfasst. Der Motorkörper umfasst ein abgedichtetes Gehäuse, eine Drehwelle, die drehbar über ein Lager von dem Gehäuse getragen wird und ein Ende aufweist, das aus dem Gehäuse ragt, einen Rotor, der an der Drehwelle in dem Gehäuse vorgesehen ist, und einen Stator, der in dem Gehäuse vorgesehen ist. Das Kühlgebläse ist an dem Ende der Drehwelle an einer Außenseite des Gehäuses angebracht und ist zusammen mit der Drehwelle drehbar. Die Gebläseabdeckung ist an dem Gehäuse angebracht ist, um das Kühlgebläse zu abzudecken. Die Gebläseabdeckung umfasst einen Führungsanschluss, der gegenüber dem Kühlgebläse vorgesehen ist, und einen Ausstoßanschluss, der an einer Außenumfangsseite des Gehäuses angeordnet ist, und Luft, die aus dem Führungsanschluss aufgenommen wird, wird aus dem Ausstoßanschluss ausgestoßen und zu einem Außenumfang des Gehäuses geführt. Der Luftmengen-Einstellmechanismus ändert eine Öffnungsfläche des Ausstoßanschlusses gemäß der Drehzahl des Kühlgebläses.” Das Dokument offenbart auch, dass ”mehrere Wechselrichter, die verteilt an der Gebläseabdeckung befestigt sind, enthalten sind.”
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Zusammenfassung der Erfindung
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Als das oben beschriebene Verfahren zum effizienten Kühlen eines Motors und eines Leistungsumsetzers ist wie in
JP 2008-271730 A beschrieben eine Anordnung vorgeschlagen, bei der der Motor und der Leistungsumsetzer durch Bereitstellen eines externen Gebläses an einer Drehwelle des Motors auf einer Außenseite eines abgedichteten Motorgehäuses und durch Senden von Luft zu einer Außenumfangsfläche des Motorgehäuses und des Leistungsumsetzers durch Drehen des Außengebläses durch Drehen des Motors gekühlt werden. Jedoch ist in dem Fall, in dem eine solche mechanisch und elektrisch integrierte Antriebseinheit in großvolumigen Anwendungen wie beispielsweise einem Schienenfahrzeug, einem Kraftfahrzeug und bei Industrieanwendungen verwendet wird, eine weitere Verbesserung eines Leistungsumsetzer-Kühlleistungsvermögens erforderlich. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlleistungsvermögen bei einer mechanisch und elektrisch integrierten Einheit zu verbessern, bei der ein Motor und ein Leistungsumsetzer einstückig ausgebildet sind.
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Um das obige Problem zu lösen, kann beispielsweise eine Anordnung, die in den Ansprüchen beschrieben ist, verwendet werden. Die vorliegende Offenbarung enthält eine Vielzahl von Mitteln, um das oben genannte Problem zu lösen. Als ein Beispiel umfasst eine Fahrzeugantriebseinheit ein Gebläse zum Erzeugen von Kühlluft zum Kühlen eines Lagers, das eine Drehwelle trägt, einen Motor zum Antreiben eines Rads, und einen Leistungsumsetzer, der an den Motor Wechselstromleistung, die durch einen Schaltbetrieb mehrerer Schaltelemente aus Gleichstromleistung umgesetzt wird, liefert. In der Fahrzeugantriebseinheit ist ein Teil des Kühlers, der Wärme abführt, die von einem Halbleitermodul erzeugt wird, das die Schaltelemente enthält, an einem Einlassströmungsdurchgang auf einer Luvseite von dem Lager angeordnet und ein weiterer Teil des Kühlers ist an einem Auslassströmungsdurchgang auf einer Leeseite von dem Lager angeordnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Kühlleistungsvermögen einer mechanisch und elektrisch integrierten Einheit, in der ein Motor und ein Leistungsumsetzer einstückig ausgebildet sind, verbessert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung einer Antriebseinheit für ein Schienenfahrzeug, die ein Anwendungsbeispiel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ist eine Draufsicht auf die Antriebseinheit für ein Schienenfahrzeug, die ein Anwendungsbeispiel gemäß der ersten Ausführungsform ist;
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3 ist ein Schaltungsdiagramm der Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform;
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4 ist eine vordere Schnittansicht der Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform;
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5 ist eine Seitenansicht der Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform;
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6 ist eine vordere Schnittansicht der Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 ist eine vordere Schnittansicht der Antriebseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 zeigt ein beispielhaftes Schaltungsdiagramm der Antriebseinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 zeigt ein weiteres beispielhaftes Schaltungsdiagramm der Antriebseinheit gemäß der vierten Ausführungsform; und
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10 ist eine Seitenansicht der Antriebseinheit gemäß der vierten Ausführungsform.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen und Ausführungsformen wird ein MOSFET als Schaltelement verwendet. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch ein IGBT anwendbar.
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Erste Ausführungsform
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1 ist eine schematische Ansicht einer Antriebseinheit für ein Schienenfahrzeug in dem Fall, in dem die vorliegende Erfindung auf das Schienenfahrzeug angewendet ist. Leistung wird an eine Antriebseinheit eines Fahrzeugkörpers 8 über einen Stromabnehmer 7 von einer Stromleitung 1 geliefert, die eine Leistungsquelle und eine leitende Schiene ist. Die gelieferte Leistung wird durch einen Motor 5 mittels eines Leistungsumsetzers verwendet und ein Fahrzeugkörper 8 bewegt sich vorwärts oder rückwärts, wenn ein Rad 3 durch den Motor angetrieben wird. Als elektrische Masse ist eine negative Spannungsseite eines Leistungsumsetzers mit einer Schiene 2 über das Rad 3 verbunden. Eine Spannung der Stromleitung 1 kann entweder Gleichspannung oder Wechselspannung sein. In der Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine Stromleitung 1 mit 1500 V Gleichspannung als Leistungsquelle verwendet wird. Ferner ist der Motor 5 auf einem Laufgestell 4 montiert und das Laufgestell 4 trägt den Fahrzeugkörper 8.
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2 ist eine Draufsicht auf die Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform. Eine Antriebseinheit ist auf dem Laufgestell 4 montiert. Der Motor 5 treibt das Rad 3 basierend auf der Leistung, die von einem Leistungsumsetzer 6 zugeführt wird, an und der Fahrzeugkörper 8 bewegt sich vorwärts oder rückwärts. Hierbei ist in einer mechanisch und elektrisch integrierten Einheit der Leistungsumsetzer 6 nächstgelegen zu dem Motor 5 angeordnet. Daher kann eine Motorleitung so weit wie möglich verkürzt werden und die Kostenreduzierung kann durch Montagevereinfachung verwirklicht werden.
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3 ist ein Schaltungsdiagramm der Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform. Der Leistungsumsetzer 6, der drei Phasen einschließlich einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase aufweist, umfasst Kondensatoren 102a bis 102c zum Glätten einer Gleichstromquelle 101 wie beispielsweise der Stromleitung 1 und die Schaltelemente Q1 bis Q6. Die Schaltelemente Q1 und Q2 sind in Reihe geschaltet und bilden die U-Phase. Die Schaltelemente Q3 und Q4 sind in Reihe geschaltet und bilden die V-Phase. Die Schaltelemente Q5 und Q6 sind in Reihe geschaltet und bilden die W-Phase. Dioden D1 bis D6 sind jeweils mit den Schaltelementen Q1 bis Q6 in einer Richtung, in der eine Fließrichtung umgekehrt ist, parallel geschaltet. Hierbei müssen in dem Fall, in dem die Schaltelemente Q1 bis Q6 ein IGBT sind, die Dioden D1 bis D6 verbunden sein. In dem Fall, in dem die Schaltelemente Q1 bis Q6 ein MOSFET sind, sind die Dioden D1 bis D6 nicht verbunden und eine parasitäre Diode des MOSFET kann verwendet werden. Ferner sind Reihenschaltungspunkte der Schaltelemente Q1 bis Q6, die die Phasen bilden, mit dem Motor 5 verbunden und versorgen den Motor mit Wechselstromleistung.
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Ferner kann in dem Fall, in dem ein 2-in-1-Halbleitermodul verwendet wird, in dem Schaltelemente des oberen und unteren Zweigs des Leistungsumsetzers 6, beispielsweise die U-Phasen-Schaltelemente Q1 und Q2, in derselben Baugruppe untergebracht sind, der Leistungsumsetzer 6 unter Verwendung von Halbleitermodulen 103 bis 105 ausgebildet sein. Die Kondensatoren 102a bis 102c können entweder von einem Elektrolytkondensator oder einem Filmkondensator gebildet werden und mehrere Kondensatoren können in einer Baugruppe untergebracht sein. Wenn eine Gate-Spannung an jeden Gate-Anschluss der Schaltelemente Q1 bis Q6 von Gate-Ansteuerschaltungen 107a bis 107c gemäß EIN- und AUS-Signalen angelegt wird, führen die Schaltelemente Q1 bis Q6 einen Schaltbetrieb durch. Die EIN- und AUS-Signale werden beispielsweise durch eine Pulsbreitenmodulation (PWM) gesteuert. Jedes der Schaltelemente Q1 bis Q6 kann durch ein Schaltelement gebildet sein und kann durch mehrere Schaltelemente, die parallel geschaltet sind, gebildet sein.
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4 ist eine vordere Schnittansicht der Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform. Der Motor 5 umfasst eine Dichtungskammer in einem Motorrahmen 205 und umfasst zudem eine Drehwelle 204 und ein Lager 203, das die Drehwelle 204 trägt. Ein Rotor 210 ist um die Drehwelle 204 ausgebildet und ein Stator 211 ist über einen Luftspalt auf einem Außenumfang des Rotors 210 bereitgestellt. Eine Statorspule 202 ist an dem Stator 211 vorgesehen. Ein Magnetfeld wird durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die Statorspule 202 erzeugt und eine Kraft zum Drehen des Rotors 210 wird erzeugt. Ein Motor kann ferner entweder ein Induktionsmotor oder ein Permanentmagnetmotor sein. In dem Fall des Permanentmagnetmotors wird der Permanentmagnet in dem Rotor 210 verwendet.
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Da der Rotor 210 und der Stator 211 jeweils in einer Dichtungskammer vorgesehen sein, werden der Rotor 210 und der Stator 211 durch Verluste durch einen Wirbelstrom erhitzt und müssen gekühlt werden. Deshalb ist ein Rotorkanal 201 zur Belüftung für den Rotor 210 vorgesehen, Luft wird in einer Dichtungskammer eines Motors durch ein Gebläse 206, das in der Dichtungskammer vorgesehen ist, an der Drehwelle 204 fixiert ist und sich mit der Drehwelle 204 dreht, umgewälzt, und Wärme wird mit der Außenluft an einem Rahmenkanal 212 über den Motorrahmen 205 ausgetauscht.
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Ferner wird das Lager 203 durch Reibungswärme erhitzt, die dann erzeugt wird, wenn sich die Drehwelle 204 dreht. Die Lager 203 sind jeweils auf einer Antriebsseite, die mit einem Zahnrad des Motors 5 und einem Rad, das angetrieben werden soll, verbunden ist, und auf einer Anti-Antriebsseite gegenüber der Antriebsseite vorgesehen und werden unter Verwendung eines Zusatzgebläses 209, das jeweils auf der Antriebsseite und der Anti-Antriebsseite vorgesehen ist, gekühlt. In 4 ist eine linke Seite die Antriebsseite und eine rechte Seite die Anti-Antriebsseite. Das Zusatzgebläse 209 kühlt das Lager 203 durch Aufnehmen von Außenluft aus Einlasslöchern 213, die auf der Antriebsseite und der Anti-Antriebsseite des Motorgehäuses 205 vorgesehen sind, und Wärme wird aus Auslasslöchern 214, die auf der Antriebsseite und der Anti-Antriebsseite vorgesehen sind, abgeführt. Hierbei sind das Einlassloch 213 und das Auslassloch 214 auf der gleichen Oberfläche vorgesehen. Ferner ist zum Verhindern eines Eindringens von feinen Partikeln in eine Motormaschine eine durchlässige Dichtung an dem Einlassloch 213 und dem Auslassloch 214 vorgesehen. In dem Gebläse 206 und dem Zusatzgebläse 209 werden ein Radialgebläse und ein Sirocco-Gebläse verwendet, um eine Richtung der aufgenommenen Kühlluft zu ändern.
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Der Leistungsumsetzer 6, der den Motor 5 antreibt, setzt Gleichstromleistung in Wechselstromleistung um, durch die ein Halbleitermodul einen Schaltbetrieb ausführt. Das Halbleitermodul weist Schaltverluste und Leitungsverluste während des Schaltens auf und muss daher durch einen Kühler 207 gekühlt werden, der einen Kühlblock, der an dem Halbleitermodul fixiert ist, und eine Kühlrippe, die Wärme des Kühlblocks an die Atmosphäre abführt, umfasst. Durch Verwenden eines Halbleiters mit breiter Bandlücke wie SiC für die Schaltelemente Q1 bis Q6 und die Dioden D1 bis D6 können die Verluste des Halbleitermoduls verringert werden und eine Kühlvorrichtung kann verkleinert werden.
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In der Ausführungsform wird zum Verbessern des Kühlleistungsvermögens durch Vereinfachen eines Kühlsystems des Motors 5 und des Leistungsumsetzers 6 der Leistungsumsetzer 6 gekühlt, indem Kühlluft in ein Motorgehäuse von einer Anti-Antriebsseite aufgenommen wird, die Kühlluft aus dem Motorgehäuse zu der Anti-Antriebsseite abgeführt wird, nachdem Wärme aus einem Lager entzogen worden ist, und Kühlrippen des Kühlers 207 sind an Strömungsdurchgängen sowohl auf der Einlass- als auch der Auslassseite auf der Anti-Antriebsseite des Motorgehäuses angeordnet. Durch Anordnen der Kühlrippe des Radiators 207 auf einer stromaufwärtigen Seite (Einlassseite) und einer stromaufwärtigen Seite (Auslassseite) des Lagers 203, die an einem Strömungsdurchgang zum Kühlen des Lagers 203 auf der Anti-Antriebsseite des Motors 5 dient, kann der Leistungsumsetzer 6 unter Verwendung von Einlass-/Ablassluft des Motors 5 gekühlt werden, wenn das Zusatzgebläse 209 sich mit dem Motor 5 dreht, und somit kann das Kühlleistungsvermögen des Leistungsumsetzers 6 verbessert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Leistungsumsetzer 6 durch Verwenden sowohl von Einlass- als auch Auslassluft durch Bereitstellen eines Kühlblocks und einer Kühlrippe auf einer Seite eines Halbleitermoduls, Anordnen eines Teils der Kühlrippe an einem Einlassströmungsdurchgang und Anordnen eines anderen Teils der Kühlrippe an einem Auslassströmungsdurchgang gekühlt werden. Wie jedoch in 4 dargestellt wird in dem Fall, in dem ein doppelseitiges Kühlhalbleitermodul verwendet wird, bei dem die Kühlrippen auf beiden Oberflächen des Halbleitermoduls vorgesehen sind, eine Seite des Halbleitermoduls unter Verwendung von Einlassluft gekühlt und eine gegenüberliegende Seite des Halbleitermoduls unter Verwendung von Auslassluft gekühlt. Dementsprechend kann im Vergleich mit einem Fall, in dem ein Halbleitermodul unidirektional entweder unter Verwendung von Einlassluft oder Auslassluft gekühlt wird, das Kühlleistungsvermögen des Leistungsumsetzers 6 verbessert werden. Hierbei sind eine Führung 208, eine Auslassströmungsdurchgangsabdeckung 215 und eine Einlassströmungsdurchgangsabdeckung 216 vorgesehen, um das Kühlleistungsvermögen weiter zu verbessern. Die Führung 208 ist zwischen dem Einlassströmungsdurchgang und dem Auslassströmungsdurchgang angeordnet und teilt die Strömungskanäle der Einlassluft und Auslassluft. Die Auslassströmungsdurchgangsabdeckung 215 deckt eine Seitenfläche des Auslassströmungsdurchgangs ab. Die Einlassströmungsdurchgangsabdeckung 216 deckt eine Seitenfläche des Einlassströmungsdurchgangs ab. Die Führung 208 verhindert, dass die Einlassluft und die Auslassluft gemischt werden und die Durchflussmenge der Kühlluft zum Kühlen des Lagers 203 reduziert wird, und verhindert durch Bereitstellen der Auslassströmungsdurchgangsabdeckung 215 und der Einlassströmungsdurchgangsabdeckung 216, dass das Kühlleistungsvermögen verringert wird, da sich ein Kühlluftleck nach außen zwischen Kühlrippen jedes Strömungsdurchgangs bildet. In der Ausführungsform, die in 4 beschrieben ist, ist das Einlassloch 213 auf einer Innenumfangsseite (auf der Seite der Drehwelle 204) von einem Halbleitermodul aus vorgesehen und das Auslassloch 214 auf einer Außenumfangsseite vorgesehen. Jedoch können das Einlassloch 213 und das Auslassloch 214 an gegenüberliegenden Positionen vorgesehen sein und auch eine Strömungsrichtung der Kühlluft kann entgegengesetzt sein.
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5 ist eine Seitenansicht der Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform und von der A-Richtung in 3 betrachtet. Der Fall, in dem der Leistungsumsetzer 6 ein dreiphasiger Leistungsumsetzer ist, der in 3 dargestellt ist, wird in 5 als Beispiel beschrieben. Eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase umfassen jeweils die Kondensatoren 102a bis 102c und die Halbleitermodule 103 bis 105. Ferner sind in jeder Phase die Kondensatoren 102a bis 102c und die Halbleitermodule 103 bis 105 elektrisch und strukturell unter Verwendung von Hauptschaltungs-Sammelschienen 106a bis 106c verbunden.
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Kühlrippen von Kühlern jeweiliger Halbleitermodule 103 bis 105 sind an Strömungsdurchgängen des Einlasslochs 213 und des Auslasslochs 214 des Motorgehäuses 205 angeordnet und die Kondensatoren 102a bis 102c und die Gateansteuerschaltungen 107a bis 107c sind in einem Raum untergebracht, in dem das Einlassloch 213 und das Auslassloch 214 nicht vorgesehen sind. In einem Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug, das einen Induktionsmotor verwendet, sind in der Regel mehrere Induktionsmotoren, beispielsweise vier Induktionsmotoren, mit einem Leistungsumsetzer verbunden und die vier Motoren werden durch Wechselstromausgangsleistung von dem einen Leistungsumsetzer angetrieben. Auf der anderen Seite ist in dem Fall eines mechanisch und elektrisch integrierten Systems, in dem ein Motor und ein Leistungsumsetzer einstückig ausgebildet sind, ein Motor mit einem Leistungsumsetzer verbunden und der eine Motor wird durch Wechselstromausgangsleistung von dem einen Leistungsumsetzer angetrieben. Insbesondere kann im Vergleich mit einem Leistungsumsetzer, der mehrere Motoren antreibt, der mechanisch und elektrisch integrierte Leistungsumsetzer verkleinert werden, da eine Stromkapazität der Halbleitermodule 103 bis 105 verringert werden kann. Aus dem gleichen Grund sind die Kondensatoren 102a bis 102c kleiner als bei einem Leistungsumsetzer, der mehrere Motoren antreibt. Daher kann der Leistungsumsetzer verkleinert werden und der Leistungsumsetzer kann gemäß der vorliegenden Erfindung an einer Seitenfläche des Motors verbaut werden.
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Wie oben beschrieben kann gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Kühlleistungsvermögen durch Kühlen des Leistungsumsetzers 6 verbessert werden, indem sowohl die Einlassluft als auch die Auslassluft des Motors 5 verwendet wird. Alternativ kann der Leistungsumsetzer 6 verkleinert werden, indem ein ähnliches Kühlleistungsvermögen sichergestellt wird, wobei eine kompaktere Kühlvorrichtung verwendet wird.
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Zweite Ausführungsform
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6 ist eine vordere Schnittansicht einer Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine obere Oberfläche eines Halbleitermoduls 103, das einen Leistungsumsetzer 6 bildet, ist strukturell mit einer Abdeckung 215 verbunden, und eine untere Oberfläche ist mit einem Wärmeaufnahmeblock des Kühlers 207 verbunden. Wie bei der ersten Ausführungsform sind Kühlrippen des Kühlers 207 an einem Einlassströmungsdurchgang in der Nähe eines Einlasslochs 213 und an einem Auslassströmungsdurchgang in der Nähe eines Austrittslochs angeordnet. Ferner ist eine Führung 208, die Strömungsdurchgänge der Einlassluft und der Auslassluft teilt, zwischen dem Einlassströmungsdurchgang und dem Auslassströmungsdurchgang angeordnet und verhindert, dass die Durchflussmenge der Kühlluft zum Kühlen eines Lagers 203 verringert wird, da Einlassluft und Auslassluft vermischt werden.
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In dem Kühler 207, der mit dem Halbleitermodul 103 verbunden ist, wird eine Kühlrippe, die von dem Halbleitermodul 103 entfernt angeordnet ist, unter Verwendung von Einlassluft des Motors 5 gekühlt, und eine Kühlrippe, die in der Nähe des Halbleitermoduls 103 angeordnet ist, unter Verwendung von Auslassluft aus dem Motor 5 gekühlt. Insbesondere kann wie bei der ersten Ausführungsform das Kühlleistungsvermögen eines Leistungsumsetzers durch Verwenden sowohl der Einlassluft als auch der Auslassluft verbessert werden. Ferner weist der Leistungsumsetzer eine einseitige Kühlstruktur auf. Daher kann ein Allzweck-Halbleitermodul verwendet werden und ein kostengünstiger Leistungsumsetzer kann verwendet werden. Andere Anordnungen als die obigen sind die gleichen wie die Anordnungen gemäß der ersten Anordnung. In der zweiten Ausführungsform ist als ein Beispiel ein Halbleitermodul auf einer Außenumfangsseite entfernt von einer Drehwelle 204 angeordnet und der Kühler 207 ist an einer Innenumfangsseite angeordnet. Jedoch kann das Halbleitermodul auf einer Innenumfangsseite angeordnet sein und der Kühler 207 kann an einer Außenumfangsseite angeordnet sein. In diesem Fall ist ein Teil der Kühlrippe in der Nähe des Halbleitermoduls an einem Einlassströmungsdurchgang angeordnet und somit kann das Kühlleistungsvermögen des Leistungsumsetzers verbessert werden.
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Dritte Ausführungsform
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7 ist eine vordere Schnittansicht einer Antriebseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Halbleitermodul 103, das in einem Leistungsumsetzer 6 enthalten ist, ist an einer Außenseite einer Abdeckung 215 angeordnet. Eine obere Oberfläche des Halbleitermoduls 103 ist der Außenluft ausgesetzt und eine untere Oberfläche ist mit einem Kühler 207 verbunden, der in die Abdeckung 215 integriert ist. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der Kühler 207 an einem Einlassströmungsdurchgang in der Nähe eines Einlasslochs 213 eines Motors 5 und an einem Auslassströmungsdurchgang in der Nähe eines Auslasslochs 214 angeordnet. Ferner ist eine Führung 208, die die Strömungsdurchgänge der Einlassluft und der Auslassluft teilt, zwischen dem Einlassströmungsdurchgang und dem Auslassströmungsdurchgang angeordnet und verhindert, dass die Durchflussmenge der Kühlluft zum Kühlen eines Lagers 203 verringert wird, da Einlassluft und Auslassluft vermischt werden.
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In dem Kühler 207 des Halbleitermoduls 103 wird ein Teil auf einer Innenumfangsseite der Führung 208 entfernt von dem Halbleitermodul 103 unter Verwendung von Einlassluft des Motors 5 gekühlt und ein Teil auf einer Außenumfangsseite der Führung 208 in der Nähe des Halbleitermoduls 103 unter Verwendung von Auslassluft aus dem Motor 5 gekühlt. Insbesondere kann wie bei der zweiten Ausführungsform das Kühlleistungsvermögen eines Leistungsumsetzers unter Verwendung sowohl der Einlassluft als auch der Auslassluft des Motors 5 erhöht werden und der Leistungsumsetzer kann unter geringen Kosten ausgebildet werden. Ferner weist der Leistungsumsetzer eine einseitige Kühlstruktur auf und somit kann ein Allzweck-Halbleitermodul verwendet werden und der Leistungsumsetzer kann unter geringen Kosten ausgebildet werden. Andere Anordnungen als die obigen sind die gleichen wie die Anordnungen gemäß der ersten Anordnung.
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Vierte Ausführungsform
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8 ist ein Schaltungsdiagramm einer Antriebseinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vierten Ausführungsform ist ein Leistungsumsetzer unter Verwendung mehrerer 2-in-1-Halbleitermodule ausgebildet, wobei zwei Schaltelemente, die in Reihe geschaltet sind, und Diodenelemente, die antiparallel zu jedem der Schaltelemente geschaltet sind, in der gleichen Baugruppe aufgenommen sind, und ein oberer und ein unterer Zweig für eine Phase ausgebildet sind, durch die mehrere Halbleitermodule parallel geschaltet sind. In dem Fall einer U-Phase als Beispiel sind Halbleitermodule 103a und 103b miteinander parallel geschaltet, um die U-Phase zu bilden. Die zwei Halbleitermodule, die parallel geschaltet sind, können mit einem gemeinsamen Kühler verbunden sein. Hierbei bilden Schaltelemente Q1a und Q1b, die parallel geschaltet sind, ein Oberzweigelement der U-Phase und führen den gleichen Schaltbetrieb aus, indem sie durch ein gemeinsames Signal, das von einer Gateansteuerschaltung 107a geliefert wird, gesteuert werden. Ferner bilden ebenso Schaltelemente Q2a und Q2b die parallel geschaltet sind, ein Unterzweigelement der U-Phase und führen den gleichen Schaltbetrieb aus, indem sie durch ein gemeinsames Signal, das von der Gateansteuerschaltung 107a geliefert wird, gesteuert werden. Wie oben beschrieben, kann durch Bilden eines Ober- oder Unterzweigelements für eine Phase durch Parallelschalten mehrerer Schaltelemente eine Stromstärkekapazität durch Erhöhen einer zulässigen Stromstärke eines Leistungsumsetzers erhöht werden. Beispielsweise kann in 8 der Leistungsumsetzer 6 mit einem Nennstrom von 1200 A durch Parallelschalten von zwei Halbleitermodulen mit einem Nennstrom von 600 A ausgebildet werden.
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9 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres Schaltungsanordnungsbeispiel einer Antriebseinheit gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. Wie in 8 ist in der Schaltungsanordnung ein Leistungsumsetzer unter Verwendung mehrerer 2-in-1-Halbleitermodule ausgebildet, wobei zwei Schaltelemente, die in Reihe geschaltet sind, und Diodenelemente, die antiparallel zu jedem der Schaltelemente geschaltet sind, in der gleichen Baugruppe aufgenommen sind. Im Gegensatz zu der vierten Ausführungsform sind in der vorliegenden Ausführungsform ein oberer und ein unterer Zweig für eine Phase ausgebildet, durch die zwei Halbleitermodule in Reihe geschaltet sind. In dem Fall, in dem eine U-Phase als ein Beispiel beschrieben wird, bilden die Halbleitermodule 103a und 103b, die miteinander in Reihe geschaltet sind, die U-Phase und ein Verbindungspunkt zwischen dem Halbleitermodul 103a und dem Halbleitermodul 103b wird zu einem Wechselstromausgang der U-Phase. Hierbei bilden die Schaltelemente Q1a und Q1b, die in Reihe geschaltet sind, ein Oberzweigelement der U-Phase und führen daher den gleichen Schaltbetrieb durch, indem sie, durch ein gemeinsames Signal, das von einer Gateansteuerschaltung 107a geliefert wird, gesteuert werden. Ferner bilden die Schaltelemente Q2a und Q2b, die in Reihe geschaltet sind, in ähnlicher Weise ein Unterzweigelement der U-Phase und führen daher den gleichen Schaltbetrieb durch, indem sie durch ein gemeinsames Signal, das von der Gateansteuerschaltung 107a geliefert wird, gesteuert werden. Wie oben beschrieben kann durch Bilden eines Oberzweigelements oder eines Unterzweigelements für eine Phase durch Reihenschalten von mehreren Schaltelementen eine Spannungskapazität durch Erhöhen einer zulässigen Spannung eines Leistungsumsetzers erhöht werden. Zum Beispiel muss in dem Fall des Ausbildens einer Antriebseinheit für ein Schienenfahrzeug, das für eine Stromleitung mit einer Gleichspannung von 1500 V verfügbar ist, eine Spannungsfestigkeit eines Zweigs eines Halbleitermoduls 3,3 kV sein. Jedoch kann durch Reihenschaltung der Halbleitermodule wie in 9 gezeigt ein 2-in-1-Element, dessen Spannungsfestigkeit 1,7 kV beträgt, eingesetzt werden. Die parallele Anzahl und die Reihenanzahl der Halbleitermodule sind nicht auf zwei beschränkt und können größer als zwei sein.
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10 ist eine Seitenansicht der Antriebseinheit gemäß der vierten Ausführungsform. Wie in 10 dargestellt ist der Kühler 207 zum Kühlen der Halbleitermodule 103a und 103b, die in den Schaltungsdiagrammen in 8 und 9 dargestellt sind, physisch getrennt angeordnet. Gemäß dieser Anordnung kann da ein Halbleitermodul, das eine Wärmequelle ist, getrennt angeordnet ist, ein Wärmeabführeffekt erhöht werden und der Kühler kann verkleinert werden.
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Merkmale, Komponenten und spezielle Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind. Soweit diese Änderungen für Fachleute ohne Weiteres ersichtlich sind, sollen sie aus Gründen der Klarheit der vorliegenden Beschreibung implizit durch die obige Beschreibung offengelegt sein, ohne dass explizit jede mögliche Kombination angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008-271730 A [0006, 0006, 0007]
