JP2013163503A - 車両用駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制し製造コストの低減を図ることが可能な車両用駆動制御装置を提供する。
【解決手段】車両用駆動制御装置は、複数台の電動機のそれぞれに接続され、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する複数の電力変換装置と、電力変換装置を制御する制御装置１８と、前記電力変換装置、制御装置を収容し、車両の床下に対向する天井壁と、地面に対向する底壁６３および天井壁と底壁を接続する側壁とを有している筐体６０と、電力変換装置を構成する複数の半導体素子が実装された冷却器８０と、冷却器に対向配設され、前記半導体素子に接続される第１コネクタを備える第１制御基板と、前記第１制御基板の直交方向に位置し、前記第１制御基板の第１コネクタと接続する第２コネクタを備える第２制御基板８４と、を有するパワーユニット６８と、を備える。
【選択図】図６

Description

この発明の実施形態は、鉄道車両用の駆動制御装置に関する。

例えば、鉄道車両は、車輪、空調装置等を駆動する複数の電動機と、これらの電動機を駆動制御する駆動制御装置を備えている。駆動制御装置は、電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する電動機に出力するコンバータ、あるいは、直流電圧を３相の交流電圧に変換して電動機に出力するインバータ等の電力変換装置、および電力変換装置、電動機を制御する制御装置を備えている。更に、駆動制御装置は、例えば、電力変換装置と電動機との間に接続された接触器あるいは遮断器を備えている。接触器は、電力変換装置と電動機との接続を開閉するもので、駆動制御装置の運転停止時、あるいは、異常発生時などに接続を開放する。

特許第４２９７９７１号公報

近年、鉄道車両用の電動機として、永久磁石同期電動機が適用されつつある。永久磁石同期電動機は、誘導電動機と比較して、高効率であるといった利点を有している。しかし、永久磁石同期電動機は、１台毎に駆動用インバータが必要となる。鉄道車両の場合、編成中の複数台の電動機により各車輪を駆動する構成であるため、複数台の電動機を駆動する駆動制御装置は、必要となるインバータの数が増加し、素子数の増加、接触器の増加が必要となる。そのため、駆動制御装置は、外形、質量が大型化するとともに、製造コストの増大を生じる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、大型化を抑制し製造コストの低減を図ることが可能な鉄道車両用の駆動制御装置を提供することにある。

実施形態によれば、車両に設けられた複数台の電動機を駆動する車両用駆動制御装置は、車両に設けられた複数台の電動機のそれぞれに接続され、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する複数の電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御装置と、前記電力変換装置、前記制御装置を収容し、車両の床下に対向する天井壁と、地面に対向する底壁および前記天井壁と前記底壁を接続する側壁とを有している筐体と、前記電力変換装置を構成する複数の半導体素子が実装された冷却器と、前記冷却器に対向配設され、前記半導体素子に接続される第１コネクタを備える第１制御基板と、前記第１制御基板の直交方向に位置し、前記第１制御基板の第１コネクタと接続する第２コネクタを備える第２制御基板と、を有するパワーユニットと、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る駆動制御装置を車両の床下に艤装した状態を示す側面図。 図２は、前記駆動制御装置を概略的に示すブロック図。 図３は、前記駆動制御装置のインバータのインバータ回路を示す図。 図４は、前記駆動制御装置の外観を示す斜視図。 図５は、前記駆動制御装置の外観を異なる方向から示す斜視図。 図６は、前記駆動制御装置の内部構造を示す斜視図。 図７は、前記駆動制御装置の側面図。 図８は、前記駆動制御装置の装置カバーを支持するヒンジ部を拡大して示す斜視図。 図９は、前記駆動制御装置の装置カバーを示す側面図。 図１０は、装置カバーを取外した状態の駆動制御装置を示す側面図。 図１１は、前記駆動制御装置の装置カバー部分の断面図。 図１２は、前記駆動制御装置のパワーユニットを示す斜視図。 図１３は、前記パワーユニットの冷却器およびフィンカバーを示す分解斜視図。 図１４は、前記パワーユニットの平面図。 図１５は、前記パワーユニットを第１制御基板側から見た斜視図。 図１６は、前記パワーユニットの第２制御基板を示す斜視図。 図１７は、前記パワーユニットの第１制御基板および第２制御基板を示す分解斜視図。 図１８は、前記パワーユニットのガイドレールを示す斜視図。 図１９は、前記パワーユニットの第２制御基板および支持フレームを示す斜視図。 図２０は、前記パワーユニットのコネクタ支持フレームおよび出力コネクタを示す斜視図。 図２１は、前記コネクタ支持フレームを裏側から見た斜視図。 図２２は、前記パワーユニットのＰＮ入力端子を示す斜視図。 図２３は、前記ＰＮ入力端子の断面図。 図２４は、前記パワーユニットおよび筐体を示す側面図。 図２５は、前記筐体側のコネクタ支持フレームおよび入力コネクタを示す斜視図。 図２６は、前記パワーユニットおよび筐体のコネクタ接続部分を示す駆動制御装置の断面図。 図２７は、前記パワーユニットおよびこのパワーユニットに接続された筐体側の構成要素を示す斜視図。 図２８は、前記パワーユニットの出力コネクタと筐体側の入力コネクタとの接続状態を示す斜視図。 図２９は、前記筐体に取付けられた連結コネクタを示す平面図。 図３０は、前記駆動制御装置の制御装置を示す斜視図。 図３１は、第２の実施形態に駆動制御装置を概略的に示す断面図。 図３２は、第３の実施形態に係る駆動制御装置を示す斜視図。 図３３は、第４の実施形態に係る駆動制御装置を概略的に示すブロック図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る駆動制御装置について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る駆動制御装置１０を鉄道車両８の床下に設置した状態を示し、図２は、駆動制御装置の全体概略構成を示すブロック図である。
図１および図２に示すように、駆動制御装置１０は、鉄道車両８とレール７ａとの間の車体床下に艤装され、鉄道車両の車輪７を駆動する複数台、例えば、４台の電動機１２ａ〜ｄを駆動する駆動制御装置である。電動機１２は、例えば、永久磁石同期電動機を用いている。駆動制御装置１０は、それぞれ１つの電動機１２に接続された４つの電力変換装置、例えば、インバータ（ＩＶ）１４ａ〜ｄと、各インバータと電動機１２との間に接続された４つの接触器１６と、インバータ１４、接触器１６、電動機１２を制御する制御装置１８と、を備えている。

各インバータ１４は、直流電源１９から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機１２に出力する。図３に示すように、各インバータ１４は、２レベル電力変換装置として構成され、３相のインバータ回路１１、インバータ回路を構成する半導体素子を冷却する後述の冷却器、検出器等を備えている。

（電気回路）
インバータ回路１１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ユニットを有している。Ｕ相ユニット１１ｕは、直流電源１９の直流正極端子Ｐと直流負極端子Ｎとの間に順次直列に接続された第１、第２スイッチング素子２１ｕ、２２ｕを有している。同様に、Ｖ相ユニット１１ｖは、直流正極端子Ｐと直流負極端子Ｎとの間に順次直列に接続された第１、第２スイッチング素子２１ｖ、２２ｖを有し、Ｗ相ユニット１１ｗは、直流正極端子Ｐと直流負極端子Ｎとの間に順次直列に接続された第１、第２スイッチング素子２１ｗ、２２ｗを有している。これら複数の半導体スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)やＧＴＯ等の自己消弧型半導体素子からなり、例えば、ＩＧＢＴと、このＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとがモジュール化されている。各スイッチング素子内のダイオードやＩＧＢＴは、例えば、Ｓｉや低損失半導体素子である窒化ケイ素（ＳｉＣ）素子により形成されている。

Ｕ相ユニット１１Ｕ、Ｖ相ユニット１１Ｖ、Ｗ相ユニット１１Ｗは並列に接続され、更に、直列接続されたフィルタコンデンサ２６、２７が各ユニットと並列に接続されている。フィルタコンデンサ２６、２７は、例えば電源平滑用コンデンサであり、アルミニウム乾式コンデンサなどである。Ｕ相ユニット１１Ｕの第１スイッチング素子２１ｕと第２スイッチング素子２２ｕとの間に出力端子３０ｕが接続され、同様に、Ｖ相ユニット１１Ｖの第１スイッチング素子２１ｖと第２スイッチング素子２２ｖとの間に出力端子３０ｖが接続され、Ｗ相ユニット１１Ｗの第１スイッチング素子２１ｗと第２スイッチング素子２２ｗとの間に出力端子３０ｗが接続されている。

ｕ、ｖ、ｗの３相の出力端子３０ｕ、３０ｖ、３０ｗは、１つの接触器１６を介して電動機１２に接続され、３相の交流電力を電動機１２に出力する。前述した各相の第１ないし第４スイッチング素子２１ｕ、２２ｕ、２１ｖ、２２ｖ、２１ｗ、２２ｗは、冷却器を構成する受熱ブロックの受熱面上に実装されている。

（装置の全体構造）
次に、駆動制御装置１０の全体の構成を詳細に説明する。
図４および図５は、駆動制御装置１０の外観を示す斜視図、図６は、筐体の装置カバーを取り外して駆動制御装置の内部構造を示す斜視図、図７は、筐体の装置カバーを取り外して駆動制御装置の内部構造を示す側面図である。

図４ないし図７に示すように、駆動制御装置１０は、細長い矩形箱状の筐体６０を備えている。この筐体６０は、矩形枠状の複数の本体フレーム６１、本体フレーム６１に固定された細長い矩形状の天井壁６２、本体フレーム６１に固定され天井壁と平行に対向する細長い矩形状の底壁６３、本体フレーム６１に固定され筐体の長手方向両端を構成する一対の端壁６４ａ、６４ｂ、および端壁６４ａ、６４ｂと直角に交わるように本体フレームに固定され互いに対向する一対の側壁６５ａ、６５ｂを備えている。天井壁６２および本体フレーム６１の外周部には、複数の吊り耳６７が取り付けられている。筐体６０は、これら吊り耳６７を車両８の車体床下の側面に固定することにより、車両８に艤装される（図１参照）。車両８の床下に艤装された状態において、筐体６０の天井壁６２は、車両の床下に対向し、底壁６３は地面、レール７ａ側に対向して位置する。

図６に示すように、筐体６０内は、筐体の長手方向に並んだ複数、例えば、３つの収納部、すなわち、中央に位置する第１収納部（主収納部）６６ａ、一端側に位置する第２収納部（主収納部）６６ｂ、他端側に位置する第３収納部（副収納部）６６ｃ、に区画されている。そして、筺体の第１収納部６６ａには主に、４つのインバータ１４および後述するパワーユニット６８が配置され、第２収納部６６ｂには主に制御装置１８が収納され、更に、副収納部６６ｃには、主に、４つの接触器１６が収納されている。

図４ないし図７に示すように、筐体６０の一対の側壁６５ａ、６５ｂは、それぞれ第１、第２、第３収納部６６ａ、６６ｂ、６６ｃに対向する開口を有し、これらの開口を通して各収納部内にアクセス可能となっている。また、筐体６０は、それぞれ側壁６５ａ、６５ｂに回動自在かつ取り外し可能に取り付けられ、側壁の開口を開閉する複数の装置カバー７０を備えている。

（装置カバーの構成）
各装置カバー７０は、周縁部が筐体６０側に折り曲げられた矩形板により形成され、例えば、各装置カバー７０の上端部が２つあるいは３つのヒンジ部７２により、回動自在に側壁６５ａあるいは側壁６５ｂに支持されている。これにより、装置カバー７０は、側壁の開口を覆い、側壁の一部を構成する閉じ位置と、開口を開放する開放位置との間を回動することができる。各装置カバー７０の底壁６３側には、装置カバーを閉じ位置にロックするロックレバー７１が設けられている。更に、装置カバー７０の中央部分には、装置カバーを開閉および脱着する際に用いる取っ手７３が取り付けられている。

図８に示すように、各ヒンジ部７２は、筐体６０の側壁６５ａ、６５ｂに取り付けられた枢軸７４ａと、装置カバー７０に取り付けられた筒状の受体７４ｂと、を有し、この受体７４ｂに枢軸７４ａが回動自在、かつ、軸方向に沿って引き抜き可能に挿入されている。これにより、受体７４ｂは枢軸７４ａに回動自在に支持されている。そして、図８、図９、図１０に示すように、装置カバー７０を枢軸７４の軸方向に沿ってスライドさせ、受体７４ｂを枢軸７４から引き抜くことにより、装置カバー７０を筐体６０から取り外すことができる。なお、ヒンジ部７２は、枢軸７４ａを装置カバー７０側に取り付け、筐体の側壁側に受体７４ｂを取り付ける構成としてもよい。

（ストッパの構成）
図６、図７、図９ないし図１１に示すように、筐体６０は、装置カバー７０の不用意な脱落を防止するストッパ７６を有している。ここでは、ストッパ７６は、本体フレーム６１に形成され装置カバー７０側に突出した板金により形成されている。ストッパ７６は、閉じ位置に閉じられた装置カバー７０がヒンジ部７２の抜け方向に移動した際に装置カバーに係合し、装置カバーの抜け方向の移動を規制する。これにより、装置カバー７０の不用意な脱落を確実に防止することができる。なお、装置カバー７０を開放位置側に回動することにより、ストッパ７６は装置カバー７０と係合不能となり、装置カバー７０を筐体６０から取り外すことができる。

なお、ストッパ７６は、本体フレーム６１に限らず、装置カバー７０に設けてもよい。この場合、ストッパ７６は、装置カバー７０が抜け方向に移動する際、本体フレーム６１に当接し、装置カバーの移動を規制する。

（パワーユニットの構成）
図５ないし図６に示すように、駆動制御装置１０は、筐体６０に装着され、その一部が第１収容部６６ａ内に配置されたパワーユニット６８を備えている。パワーユニット６８は、側壁６５ｂの開口を通して、筐体６０内に脱着可能に挿入され、筐体６０に固定されている。その脱着方向Ａは、筐体６０の幅方向、側壁６５ａと直交する方向となっている。

図１２ないし図１５は、パワーユニット６８をそれぞれ示している。これらの図に示すように、パワーユニット６８は、ベースフレーム７８と、冷却器８０と、冷却器８０に実装される４つのインバータ１４を構成する複数の半導体素子（第１ないし第４スイッチング素子２０ｕ〜２３ｕ、２０ｖ〜２３ｖ、２０ｗ〜２３ｗ、および第１および第２ダイオード２４ｕ、２５ｕ、２４ｖ、２５ｖ、２４ｗ、２５ｗ）と、第１コネクタ８１を有する第１制御基板８２と、第１コネクタに接続された第２コネクタ８３を有する第２制御基板８４と、を備えている。

以下、それぞれの部品についての説明を行う。まず、図１４に示すようにベースフレーム７８は、矩形枠８５ａおよび支持枠８５ｂを備えている。支持枠８５ｂは矩形枠８５ａ２つの側部からそれぞれ矩形枠８５ａと直交する方向（パワーユニット６８の脱着方向Ａ）に延出している。各支持枠８５ｂの延出端には、取手８５ｃが取り付けられている。

また図１３に示すように冷却器８０は、伝熱性の高い材料、例えば、アルミニウムにより形成された矩形板状の冷却ブロック８７と、冷却ブロック８７の一側面上に立設された多数の放熱フィン８６を有している 冷却ブロック８７は、冷却ブロック８７その周縁部が矩形枠８５ａに固定され、矩形枠８５ａ内に配置される。

冷却ブロック８７と放熱フィン８６は一体化するように構成されている。このとき放熱フィン８６の材料は、例えばアルミニウムなどの伝導性の高いものである。多数の放熱フィン８６は、その長手方向が車両８の走行方向とほぼ平行に延びているとともに、鉄道車両８からレール７ａ方向に所定の隙間置いて並んでいる。またパワーユニット６８を筐体６０に装着した状態において、放熱フィン８６は、筐体６０の外側に突出する。そのため、車両８が走行した際に発生する走行風が放熱フィン８６間を通風可能となる。

冷却ブロック８７の放熱フィン８６が取り付けられている面の反対の面は、受熱面８４ｂを形成している。この受熱面８４ｂ上に複数の半導体素子（第１ないし第４スイッチング素子２１ｕ、２２ｕ、２１ｖ、２２ｖ、２１ｗ、２１ｗが、熱伝導グリース等を介して互いに隙間を置いて並んで配置されている。

また、冷却ブロック８７の受熱面８４ｂ上で、複数の半導体素子間に、細長い角柱形状の絶縁体３００が固定され、この絶縁体に、後述するＰＮ入力端子１０８がねじ止め等により固定されている。このＰＮ入力端子１０８は、複数の半導体素子（第１ないし第４スイッチング素子２１ｕ、２２ｕ、２１ｖ、２２ｖ、２１ｗ、２１ｗに接続されている。このような絶縁体３００を設けることにより、いずれかの半導体素子が故障あるいは破壊した場合、その破壊した半導体素子が他の正常な半導体素子を傷つけないように、絶縁体３００で保護することができる。同時に、絶縁体３００に固定することにより、ＰＮ入力端子１０８の変形等を防止することが可能となる。

（フィンカバーの構成）
パワーユニット６８は、放熱フィン８６を保護するため放熱フィン８６を覆うような形状のフィンカバー８８を備えている。このフィンカバー８８は、矩形状の前面部８８ａと、前面部８８ａの両端部に接続される２つの矩形状の側面部８８ｂによって、ほぼＵ字形状に形成されている。前面部８８ａは、放熱フィン８６が冷却ブロック８７と接している端部とは反対側の端部、つまり、放熱フィンの８６の延出端側に位置し、側面部８８ｂは、放熱フィン８６の走行風の流入側および流出側に位置している。このフィンカバー８８は、ベースフレーム７８の矩形枠８５ａにボルト等によって固定される。また、フィンカバー８８は、鉄道車両８側およびレール７ａ側において、放熱フィン８６を覆うことなく開口部を有している。

ファンカバー８８の前面部８８ａは、周縁部を除いて、網目状に形成されている。更に、前面部８８ａには、２つの取手９０および取っ手の周囲を補強する補強リブ９１が設けられている。パワーユニット６８を筐体６０に対して脱着する際、取手９０に手を掛けてパワーユニットを押し込みあるいは引き出しすることができる。ファンカバー８８の両側面部８８ｂには、走行風を通すための多数の透孔９２が形成されている。各透孔９２は、例えば、パワーユニット６８の脱着方向に延びる細長い長孔としている。また、各側面部８８ｂには、脱着方向に延びる複数の補強リブ９３が、透孔９２間に設けられている。

このように、フィンカバー８８は、ファンカバー８８に取手９０を設け、かつ、脱着操作に耐えうるように補強リブ９１、９３を設けたにも拘わらず、放熱フィン８６の上端部および下端部を開放する構成とすることにより、フィンカバー８８の重量増大を抑制することができる。また、放熱フィン８６は、手が触れる可能性を考慮して、アース電位に設定されている。

（第１制御基板の構成）
次に、冷却ブロック８７上の半導体素子と接続される２枚の第１制御基板８２について説明する。図１４、図１５および図１７に示すように、２枚の第１制御基板８２は、冷却ブロック８７の受熱面８４ｂとほぼ平行に対向するように車両８側とレール７ａ側の上下に配置されベースフレーム７８に取り付けられている。各第１制御基板８２は、例えば、ゲートアンプ基板であり、各インバータ１４の半導体素子に接続され、スイッチング信号を出力する。第１制御基板８２の裏面及び外周側に第１コネクタ８１が設けられている。

（第２制御基板の構成）
前述の第１コネクタ８１に接続する第２コネクタ８３を有する２つの第２制御基板８４について説明する。第２制御基板８４は、例えば、ゲートアンプ基板に制御信号を出力するゲート制御基板である。図１４に示すように、パワーユニット６８は２枚の第２制御基板８４を有し、これらの第２制御基板８４はベースフレーム７８の２つの支持枠８５ｂにそれぞれ摺動自在に取り付けられている。より詳細には、図１４ないし図１９に示すように、第２制御基板８４は、この第２制御基板８４よりも一回り大きい矩形状の支持基板（支持板金）９４上に絶縁層９５を介して取り付けられている。また、図１５、図１６に示すように第２制御基板８４を覆うメッシュ状のカバー９６が支持基板９４に取り付けられている。更に、支持基板９４の一端部は第２制御基板８４側に直角に折曲げられ、この折曲げ部に取手９７が取り付けられている。第２制御基板８４の取手９７と反対側の端部に第２コネクタ８３が設けられている。

一方、ベースフレーム７８の各支持枠８５ｂには、上下一対で中央部に凹部を有するガイドレール９８が取り付けられる。上下のガイドレール９８は、支持枠８５ｂの長手方向に延びているとともに、凹部が対向しあうように互いに平行に位置している。そして、第２制御基板８４の支持基板９４の両側縁部をそれぞれガイドレール９８に凹部部分に係合させ、ガイドレールに沿って第１制御基板８２近傍まで摺動させることができる。このとき、ガイドレール９８の凹部係合していることにより第２制御基板８４は抜き差し自在に支持枠８５ｂに支持される。ガイドレール９８に従って装着された２つの第２制御基板８４は、互いに異なる位置に第２コネクタ８３を有しているため、冷却ブロック８７側で上下方向に位置している第１制御基板８２の第１コネクタ８１と結合する。これにより、２つの第２支持基板８４は、第１制御基板３２と直交する方向かつ、第２支持基板８４間で隙間を置いて対向配置されることになる。

このように、第１制御基板８２と第２制御基板８４とを互いに直交する向きに配置することにより、第２収納部内のスペースを有効に利用することができる。また、第２制御基板８４を第１制御基板８２と重ねることなく直交する向きに設けることにより、これら第１および第２制御基板８２、８４を容易に点検、保守することが可能となる。第１制御基板８２と第２制御基板８４とを第１コネクタ８１および第２コネクタ８３により直接、接続することにより、接続配線等が不要となり、設置スペースの低減および製造コストの低減を図ることが可能となる。更に、第２制御基板８４を摺動自在に支持し、第１制御基板８２とコネクタ接続とすることにより、第２制御基板８４を容易に脱着することができ、組立て、点検、保守を容易に行うことが可能となる。また、第２制御基板８４を支持基板８４上に取り付け、この支持基板をベースフレームに摺動自在に支持する構成とすることにより、第２制御基板８４が直接、ガイドレール９８上を摺動することがなく、摺動による第２制御基板８４の損傷を防止することができる。

（コネクタの構成）
また、図１４、図１５、図１８、図１９、図２０、図２１に示すようにパワーユニット６８は、コネクタ支持フレーム１００と出力コネクタ１０４ｕ１〜１０４ｗ３を備えている。コネクタ支持フレーム１００は、パワーユニット６８の脱着方向Ａと直交する方向（冷却器８０の受熱面８４と平行な方向）に延びる細長いコネクタ支持フレームである。出力コネクタ出力コネクタ１０４ｕ１〜１０４ｗ３は、コネクタ支持フレーム１００にエポキシ等の絶縁板１０２を挟んで取り付けられている。コネクタ支持フレーム１００および出力コネクタは、パワーユニット６８の上部に、すなわち、筐体６０の天井壁６２の近傍に設けられている。図２０に示すように、出力コネクタは、４つのインバータ１４のＵ、Ｖ、Ｗの出力にそれぞれ接続された、３つの出力コネクタ１０４ｕ１、ｖ１、ｗ１、３つの出力コネクタ１０４ｕ２、ｖ２、ｗ２、３つの出力コネクタ１０４ｕ３、ｖ３、ｗ３、および３つの出力コネクタ１０４ｕ４、ｖ４、ｗ４を含んでいる。これらの出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４は、コネクタ支持フレーム１００の長手方向に沿って一列に並んで、かつ、互いに隙間をおいて、配置されている。

（コネクタ位置決めピンの構成）
また、図２０及び図２１に示すように、コネクタ支持フレーム１００の出力コネクタ１０４ｕ１〜１０４ｗ３間には、複数の位置決めピン１０６が立設され、コネクタ支持フレームからパワーユニット６８の脱着方向Ａに延びている。位置決めピン１０６は、出力コネクタ列の端部およびもう一方の端部、出力コネクタ１０４ｗ１、１０４ｕ２の間、出力コネクタ１０４ｗ３、１０４ｕ４の間にそれぞれ設けられている。

パワーユニット６８を筐体６０に挿入および装着することにより、位置決めピン１０６は、筐体６０側に設けられたコネクタ支持フレームの位置決め孔に係合して、筐体６０側に設けられたコネクタに対して出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４を位置決めし、その後、出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４が筐体側のコネクタにそれぞれ嵌合する。

（パワーユニットのＰＮ入力端子の構成）
図１４、図１５に示すように、パワーユニット６８は、インバータ１４へ電流を流すための直流正極端子Ｐと直流負極端子Ｎを構成するＰＮ入力端子１０８を備えている。このＰＮ入力端子１０８は、パワーユニット６８の下部に、すなわち、筐体６０の底壁６３傍に設けられている。ＰＮ入力端子１０８は、図２２、図２３に示すように、板状の正極端子１１０ａと、この正極端子とほぼ同一の大きさに形成された板状の負極端子１１０ｂと、を有し、これら正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂは、絶縁層１２０を挟んで互いに重ね合わされ、互いに同一方向に沿って延在している。例えば、エポキシ等により形成された絶縁層１２０は、正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂよりも大きな面積を有し、正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂの外周部から所定幅だけ外側に延出している。ＰＮ入力端子１０８は、例えば、ベースフレーム７８に取付けられ、このベースフレームから第１制御基板８２を超えて脱着方向Ａに延出している。そして、ＰＮ入力端子１０８は、筐体６０の底壁６３とほぼ平行に延びている。

このように、ＰＮ入力端子１０８において、正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂを互いに重ねて配置し、かつ、全長に亘って互いに沿って延在する構成とすることにより、ＰＮ入力端子１０８がコネクタ化される。コネクタ化したＰＮ入力端子１０８は、フィルタコンデンサ２６、２７に設けられている接合部（接続端子１２２）へ容易にはめ込むことが可能となる。また、正極端子１１０ａおよび負極端子１１０ｂを互いに重ねて配置し、かつ、全長に亘って互いに沿って延在する構成とすることにより、インダクタンスを低減することができる。

ＰＮ入力端子１０８と前述した出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４をパワーユニット６８の上下に分けて設けることにより、ＰＮ入力端子側から出力コネクタへのノイズの流入が抑制される。同時に、ＰＮ入力端子１０８と前述した出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４とを並べて配置する場合に比較して、パワーユニット６８の幅方向の寸法を小さくすることが可能となる。また、出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４を筐体６０の天井壁６２側、ＰＮ入力端子１０８を出力コネクタに対して筐体６０の底壁６３側に配置することにより、信号等の電流が流れるレールや地面からの外部ノイズが出力コネクタへ流入することを防止することができる。

（フィルタコンデンサの構成）
次に、前述したＰＮ入力端子１０８との接合部を有するフィルタコンデンサ２６、２７について説明する。図６に示すように筐体６０の第１収納部６６ａにおいて、インバータ１４を構成する複数のフィルタコンデンサ２６、２７が底壁６３上に設置されている。図２４に示すように、これらのフィルタコンデンサ２６、２７は、パワーユニット６８のＰＮ入力端子１０８に接合可能な接続端子１２２を有している。フィルタコンデンサ２６、２７は、パワーユニット６８を筐体６０に装着した際、２枚の第２制御基板８４の間に位置するように配置されている。また、フィルタコンデンサ２６、２７は、後述する高圧側コネクタを介して、電源に接続される。

図２４から図２６に示すように、筐体６０の第１収納部６６ａ内に、細長いコネクタ支持フレーム１２４が設けられ、パワーユニット６８の脱着方向Ａと直交する方向に延びている。コネクタ支持フレーム１２４は、パワーユニット６８のコネクタ支持フレーム１００と平行に隣接対向するように配置されている。

コネクタ支持フレーム１２４にエポキシ等の絶縁板１２５を挟んで複数の入力コネクタ１２６が取り付けられている。これらの入力コネクタ１２６ｕ１ないし１２６ｗ４（３つの入力コネクタ１２６ｕ１、ｖ１、ｗ１、３つの入力コネクタ１２６ｕ２、ｖ２、ｗ２、３つの入力コネクタ１２６ｕ３、ｖ３、ｗ３、および３つの入力コネクタ１２６ｕ４、ｖ４、ｗ４）は、コネクタ支持フレーム１２４の長手方向に沿って一列に並んで、かつ、互いに隙間をおいて、配置されている。この入力コネクタ１２６ｕ１ないし１２６ｗ４と接合するのは前述した出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４である。 また、図２５に示すようにコネクタ支持フレーム１２４および絶縁板２３５には、複数の位置決め孔１２８が形成されている。位置決め孔１２８は、入力コネクタ列の端部およびもう一方の端部、並びに、入力コネクタ１０４ｗ１、１０４ｕ２の間、入力コネクタ１０４ｗ３、１０４ｕ４の間にそれぞれ形成されている。

図２６に示すようにコネクタ支持フレーム１２４には、複数の導体１３０が取付けられ、各導体の一端は入力コネクタ１０４ｕ１ないし１２６ｗ４にそれぞれ接続されている。また、複数の導体１３０の他端は、それぞれ接触器１６側に設けられている複数のコネクタ１３２に接続され、更に、これらのコネクタ１３２を介して複数の接触器１６に接続される。

（位置決めピンの構成）
図２４に示すようにパワーユニット６８は、筐体６０の側壁開口から筐体６０の第１収納部６６ａに挿入および装着される。図２６ないし図２８に示すように、上記装着の際はパワーユニット６８側の位置決めピン１０６が、筐体６０側のコネクタ支持フレーム１２４の位置決め孔１２８にそれぞれ挿入される。位置決めピン１０６と位置決め孔１２８が接合することで、パワーユニット６８側の出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４に対してそれぞれ筐体側の入力コネクタ１２６ｕ１ないし１２６ｗ３が対向するように位置づけられる。そして、位置決めピン１０６と位置決め孔１２８のガイドに従い、パワーユニット６８を筐体６０の所定位置まで更に押込むことにより、パワーユニット６８側の出力コネクタ１０４ｕ１ないし１０４ｗ４が筐体６０側の入力コネクタ１２６ｕ１ないし１２６ｗ４にそれぞれ嵌合する。また同時に、パワーユニット６８のＰＮ入力端子１０８が、フィルタコンデンサ２６、２７の接続端子１２２に係合し、導通する。これにより、パワーユニット６８に設けられたインバータ１４がそれぞれ対応する接触器１６に接続されるとともに、フィルタコンデンサ２６、２７を介して電源１９に接続される（パンタグラフ、ヒューズ、スイッチを介して電源に接続される）。

（パワーユニット全体）
図５ないし図７、図２７に示すように、筐体６０に装着されたパワーユニット６８は、矩形枠８５ａを筐体６０の側壁６５ｂおよび本体フレーム６１に固定することにより、所定位置に配置される。パワーユニット６８の放熱フィン８６およびフィンカバー８８は、筐体６０の外側に突出して位置し、車両の走行風を受けることができる。パワーユニット６８の他の部分は、筐体６０の第１収納部６６ａ内に配置される。この際、パワーユニット６８に取付けられた２枚の第２制御基板８４は、フィルタコンデンサ２６、２７の両側に並んで位置し、フィルタコンデンサと本体フレーム６１との比較的狭いスペースに効率良く配置される。また、各第２制御基板６４の延出端側は、筐体６０の反対側の側壁６５ａの近傍に位置している。そのため、装置カバー７０を取外すことにより、側壁６５ａの開口側から第２制御基板６４を点検、保守することができるとともに、パワーユニット６８に対して第２制御基板６４を抜き差しすることができる。

このように、パワーユニット６８を第１収納部６６ａ内のスペースに効率良く配置することにより、設置スペースを低減し、駆動制御装置１０の小型化を図ることができる。また、パワーユニット６８の保守、点検を容易に行うことが可能となる。更に、インバータ１４を構成する素子の内、比較的大型で重量の重いフィルタコンデンサ２６、２７を筐体６０の底壁６３上に載置し、インバータ１４の他の構成要素をパワーユニット６８に設け、コネクタおよび出力端子を介してフィルタコンデンサと接続可能とすることにより、パワーユニット６８の小型化および軽量化を図ることができ、パワーユニット６８の脱着操作を容易にすることができる。

（外部コネクタの構成）
図４、図６、図２９に示すように、筐体６０の側壁６５ａの外面、鉄道車両８側に複数、例えば、４つの高圧側コネクタ（連結コネクタ）１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄ、および複数、例えば、３つの高圧側コネクタ（連結コネクタ）１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃが取付けられている。高圧側コネクタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄは、筐体６０を貫通し、第１収納部６６ａに対向して設けられ、筐体６０内に配置された配線１３８により、４つの接触器１６の出力に直接、接続されている。高圧側コネクタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄは、例えば、ねじ込み式のコネクタであり、これらの高圧側コネクタの外側から、モータ１２に接続された連結コネクタ１４０が接続され、固定される。

高圧側コネクタ１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃは、筐体６０を貫通するように第２収納部６６ｂに対向して設けられている。筐体６０内では、高圧側コネクタ１３６ａと配線が接続され、その配線がフィルタコンデンサ２６、２７に直接接続されている。高圧側コネクタ１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃは、例えば、ねじ込み式のコネクタであり、これらの高圧側コネクタに、図示しない高圧線に接続された連結コネクタが接続および固定される。

このように筐体６０の外面にコネクタを設け、このコネクタを、配線を介して直接的に内部機器に接続することにより、筐体内に端子台を設ける必要がなく、筐体の設置スペースを低減することができる。また、これらのコネクタはゴムパッキンのみで防水が取れるため、従来のように、筐体６０の壁を通して配線を外部に引き出し、かつ、引き出し部をシールする必要がなく、組立性の向上、製造コストの低減、および、設置スペースの低減を図ることが可能となる。コネクタは、ねじ込み式に限らず、嵌合式等の他のタイプのコネクタを用いてもよい。

（接地コンデンサの配置構成）
図６および図３０に示すように、制御装置１８は、筐体６０の第２収納部６６ｂに収納された種々の機器を備えている。また、制御装置１８は、複数、例えば、３つの接地コンデンサ１４１を備え、これらの接地コンデンサ１４１は、第２収納部６６ｂ内で天井壁６２の内面側に設置されている。接地コンデンサ１４１は、ノイズ発生源となり易いことから、天井壁６２に設置し、高圧線、モータフレームアース線、パワーユニットのアース線等が他の高圧、低圧線と並行にとならないように配置している。これにより、制御装置１８に対する接地コンデンサ１４１からのノイズの影響を最小限とすることができる。

（接触器の配置）
図６、図７、図２６に示すように、４台の接触器１６は、筐体６０の第３収納部６６ｃ内に設置されている。接触器１６は２台ずつ、側壁６５ａ側と側壁６５ｂ側に配置され、側壁６５ａ側および側壁６５ｂ側では筐体６０の上下方向（車両８からレール７ａ方向）に並べて配置されている。このように、４台の接触器を幅方向および高さ方向に並べて配置することにより、小さな設置スペースに効率よく接触器を収納することができ、これにより、筐体６０の小型化を図ることが可能となる。

以上のように構成された車両用制御駆動装置１０によれば、大型化を抑制し製造コストの低減を図ることができる。

次に、種々の他の実施形態に係る駆動制御装置について説明する。以下に説明する種々の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一構成部分は、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

（第２の実施形態）
図３１は、第２の実施形態に係る駆動制御装置を概略的に示す断面図である。第２の実施形態によれば、駆動制御装置１０の筐体６０は、パワーユニットのＰＮ入力端子とフィルタコンデンサの接続端子との接続部の像を筐体の外方に向けて反射する反射板１５０を備えている。反射板１５０の表面は、例えば、鏡面に形成されている。反射板１５０は、例えば、筐体６０の天井壁６２の内面に固定されている。反射板１５０の鏡面は、天井壁６２に対して斜めに傾斜し、上記接続部に向いている。また、天井壁６２には、反射板１５０で反射された像が透光する覗き窓１５２が形成されている。これにより、筐体６０の外側から覗き窓１５２を通して上記接続部の接続状態を視認することができ、外側から点検し難い奥まった部位を容易に点検することが可能となる。
第２の実施形態において、駆動制御装置１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。

（第３の実施形態）
図３２は、第３の実施形態に係る駆動制御装置を概略的に示している。本実施形態によれば、駆動制御装置１０の筐体６０は、インバータおよびパワーユニットを収納する第１収納部および制御装置を収納した第２収納部を有する第１筐体６０ａと、接触器を収納した第３収納部を有する第２筐体６０ｂとに分離されている。これにより、駆動制御装置１０の接触器１６を他の場所に独立して設置することができ、駆動制御装置１０の設置場所の自由度を高めることができる。

（第４の実施形態）
図３３は、第４の実施形態に係る駆動制御装置１０の構成を概略的に示すブロック図である。この図に示すように、第４の実施形態によれば、駆動制御装置１０は、４台の永久磁石動機電動機１２にそれぞれ接続される４つのインバータ１４と、これら４つのインバータ１４の入力側と電源１９との間に並列に接続された１台の接触器１６と、インバータ１４、接触器１６および電動機１２を制御する制御装置１８と、を備えている。駆動制御装置１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。

このように、接触器１６を１台に減らすことにより、駆動制御装置１０の小型化が可能とともに、製造コストの低減を図ることができる。
以上のように構成された第２ないし第４の実施形態においても、大型化を抑制し製造コストの低減を図ることが可能な駆動制御装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、支持脚の設置数および形状は、前述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて、種々変更可能である。

８…車両、１０…駆動制御装置、１２…電動機、１４…インバータ（電力変換装置）、
１６…接触器、１８…制御装置、１９…電源、２４、２５…ダイオード、２６、２７…フィルタコンデンサ、３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ…電極、
３６ａ…固定電極、３６ｂ…可動電極、３７…筐体、３８…真空バルブ、
４２…作動アーム、４４…押圧器、４８…押圧ロッド、５０…プランジャ、
５１…電磁コイル、５２…コイルばね、６０…筐体、６１…本体フレーム、
６２…天井壁、６３…底壁、６５ａ、６５ｂ…側壁、６６ａ…第１収納部、
６６ｂ…第２収納部、６６ｃ…第３収納部、６８…パワーユニット、
７０…装置カバー、７２…ヒンジ部、７６…ストッパ、８０…冷却器、
８１…第１コネクタ、８２…第１制御基板、８３…第２コネクタ、
８４…第２制御基板、８６…放熱フィン、８７…冷却ブロック、８８…フィンカバー、
９８…ガイドレール、１００…コネクタ支持フレーム、
１０４ｕ１〜１０４ｗ３…出力コネクタ、１０６…位置決めピン、
１０８…ＰＮ入力端子、
１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄ…高圧側コネクタ（連結コネクタ）、
１３６ａ、１３ｂ、１３６ｃ…低圧側コネクタ（連結コネクタ）

Claims (17)

1. 車両に設けられた複数台の電動機のそれぞれに接続され、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する複数の電力変換装置と、
   前記電力変換装置を制御する制御装置と、
   前記電力変換装置、前記制御装置を収容し、車両の床下に対向する天井壁と、地面に対向する底壁および前記天井壁と前記底壁を接続する側壁とを有している筐体と、
   前記電力変換装置を構成する複数の半導体素子が実装された冷却器と、前記冷却器に対向配設され、前記半導体素子に接続される第１コネクタを備える第１制御基板と、前記第１制御基板の直交方向に位置し、前記第１制御基板の第１コネクタと接続する第２コネクタを備える第２制御基板と、を有するパワーユニットと、
   を備えている車両用駆動制御装置。
2. 前記パワーユニットは前記筐体に対して、所定の方向に脱着可能である脱着可能手段を有する請求項１記載の車両用駆動制御装置。
3. 前記冷却器は、前記複数の半導体素子が実装された受熱面を有する冷却ブロックと、この冷却ブロックから前記筺体の外側に延出した複数の放熱フィンと、
   前記放熱フィンにおいて前記筐体の側壁側を覆っているフィンカバーと、
   を備えている請求項２記載の車両用駆動制御装置。
4. 前記放熱フィンはアース電位に設定されている請求項３に記載の車両用駆動制御装置。
5. 前記パワーユニットは、前記パワーユニットを支持するベースフレームと、
   前記ベースフレームに設けられ、前記第２制御基板の長手方向に延在する一対のガイドレールと、
   前記ガイドレールに外周部が係合し、前記第２制御基板と絶縁層を介して接続される支持基板と、
   を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両用駆動制御装置。
6. 前記パワーユニットは、コネクタ支持フレームに一列に並んで取り付けられているとともに前記複数の電力変換装置の出力にそれぞれ接続された複数の出力コネクタを前記パワーユニットの天井壁側に備えている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の車両用駆動制御装置。
7. 前記コネクタ支持フレームにおいて、前記ベースフレームに取り付けられている前記冷却ブロックとは反対方向に延出した複数の位置決めピンを備えている請求項６に記載の車両用駆動制御装置。
8. 前記パワーユニットは、前記電力変換装置の電源に接続され、板状の正極端子と、絶縁層を介して前記正極端子に重ねて設けられた板状の負極端子を有するＰＮ入力端子を備える請求項７に記載の車両用駆動制御装置。
9. 前記ＰＮ入力端子は、前記パワーユニットにおいて前記筐体の前記底壁側に設けられている請求項８に記載の車両用駆動制御装置。
10. 前記筐体は、前記筐体の前記底壁上に配置されたコンデンサを備え、
    前記コンデンサは、前記ＰＮ入力端子が係合される接続端子を有する請求項８または９に記載の車両用駆動制御装置。
11. 前記コンデンサは、前記筐体内に配置された電源コネクタに接続され、
    前記筐体は、前記電源コネクタと前記コンデンサの接続部を前記筐体の外方に向けて反射する反射板を有している請求項１０に記載の車両用駆動制御装置。
12. 前記筐体は、前記天井壁、前記底壁、前記側壁から構成される本体フレームと、前記本体フレームにヒンジ部を介して取り付けられる装置カバーとを備え、
    前記ヒンジ部は、前記本体フレームおよび前記装置カバーのいずれか一方に取り付けられた棒状の軸を有する枢軸と、前記枢軸が取り付けられた前記本体フレームおよび装置カバーの他方に取り付けられる筒状の受体と、
    前記本体フレームにおいて、装置カバーに設けられた前記枢軸または前記受体の引き抜き方向の移動を規制するストッパを備えている請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の車両用駆動制御装置。
13. 前記ストッパは、前記本体フレームに形成され前記装置カバー側に突出した板金により形成されている請求項１２に記載の車両用駆動制御装置。
14. 前記筐体に外部に露出するように設けられた複数の連結コネクタと、
    前記連結コネクタと、前記筐体内に配設された前記電力変換装置あるいは前記接触器は、配線を通して接続されている請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の車両用駆動制御装置。
15. 前記連結コネクタは、ねじ込み式のコネクタである請求項１４に記載の車両用駆動制御装置。
16. 前記筐体は、前記電力変換装置および制御装置を収納する主収納部と、前記複数の接触器を収納する副収納部と、を有し、前記副収納部は、前記主収納部から分離可能に前記主収容部に連結されている請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の車両用駆動制御装置。
17. 車両に設けられた複数台の電動機を駆動する車両用駆動制御装置であって、
    直流電源と、
    前記複数の電動機のそれぞれに接続され、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記電動機に出力する複数の電力変換装置と、
    前記複数の電力変換装置と前記直流電源と間に接続され、前記電力変換装置の入力側を開閉する１つの接触器と、
    前記電動機、電力変換装置、および接触器を制御する制御装置と、
    を備える車両用駆動制御装置。

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