JP4558102B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電気車の車両床下に取り付けられた筐体２０に設置され、点検口２３を閉塞するカバー２１で閉塞された筐体２０の密閉部１に収納されたコンデンサユニット６および電力半導体モジュール５と、開放部１に設置され電力半導体モジュール５から発生する熱を冷却する冷却器４と、を備えた電力変換装置において、電力半導体モジュール５とコンデンサユニット６とを電気的に接続するバスバー８と、コンデンサユニット６とバスバー８とを電気的に接続する導体バー３と、を備え、導体バー３は、コンデンサユニット上面１２から引き出され、クランク状に折り曲げて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車の車両床下に取り付けられた筐体に収納された電力変換装置に関し、特に、電力半導体モジュールとコンデンサユニットとをバスバーにて接続する構造に関するものである。

電力変換装置における電力半導体モジュールとコンデンサユニットとを接続する配線は、低インダクタンスであることが望ましく、低インダクタンスを実現する手段としてバスバーを用いる場合がある。バスバーを用いた電力変換装置は、バスバー構造を容易にして生産性の向上を図ることや、電力半導体モジュールとコンデンサユニットの配置を工夫して生産性を向上させることが検討されてきた。

従来、下記特許文献１に示される従来技術は、曲げ構造のバスバーを使用して、電力半導体モジュールとコンデンサユニットとを接続することによって低インダクタンス化を実現している。

また、下記特許文献２に示される従来技術は、複数のバスバー、あるいは曲げの無いバスバーを使用して、電力半導体モジュールとコンデンサユニットとを接続することによって、上述同様に低インダクタンス化を実現している。

特開平１１−３３２２５３号公報 特開２００５−０６５４１２号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される従来技術は、コンデンサユニットを電力半導体の前面に配置し、かつ、コンデンサユニット端子（導体バー）を上面とした態様であるため、曲げ構造のバスバーを使用する必要があった。従って、バスバーの曲げ加工に起因するコストの増加を抑制することができないという課題があった。

また、上記特許文献２に示される従来技術は、曲げの無い平板構造のバスバーを使用しているため、上記特許文献１の課題を解決しているようにも思われるが、当該従来技術を採用した場合には、コンデンサユニットなどの保守性が悪いという問題があった。このことを説明すると、電力変換装置は、防塵性が要求される電力半導体モジュールおよびコンデンサユニットを密閉部に配設し、開放部には冷却装置を設置するという態様にて構成されるのが一般的である。特に、電力半導体モジュールおよびコンデンサユニットは、車両床下部の側面に設けられた点検口からの保守性を考慮して配置されていることが望ましい。ところが、上記特許文献２に示される従来技術では、上述態様の電力変換装置における点検口からの保守性が考慮されておらず、例えば、導体バーとバスバーとを電気的に接続するためのボルトを外す際、当該ボルトを着脱するためのスペースが制約されてしまう。したがって、各機器が密閉部と開放部に分かれる態様の電力変換装置で、単に平板構造のバスバーを採用するだけでは、保守性が悪化する場合や、ボルトの締め付けトルク管理ができない場合が生じるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、各機器が筐体の密閉部と開放部とに分けて配置されている場合であっても、前記筐体の保守性を損なうことなく、曲げの無いバスバーを使用可能な電力変換装置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に、本発明にかかる電力変換装置は、電気車の車両床下に取り付けられた筐体に設置され、点検口を閉塞するカバーで閉塞された前記筐体の密閉部に収納されたコンデンサユニットおよび電力半導体モジュールと、前記筐体の開放部に設置され前記電力半導体モジュールから発生する熱を冷却する冷却器と、を備えた電力変換装置において、前記電力半導体モジュールと前記コンデンサユニットとを電気的に接続するバスバーと、前記コンデンサユニットと前記バスバーとを電気的に接続する導体バーと、前記点検口側から前記バスバーを介して前記電力半導体モジュールに向けて挿入され前記コンデンサユニットと前記バスバーとの間に設置されるボルトと、を備え、前記導体バーは、前記コンデンサユニットの上面から引き出され、前記バスバー側に、前記コンデンサユニットが引き出されている部分から前記コンデンサユニットの前記ボルト側の面までの長さと、前記ボルトの頭の高さと、を合算した長さ以上に延設され、クランク状に折り曲げて形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、コンデンサ６の上面から引き出され、クランク状に折り曲げて形成された導体バー３を用いるようにしたので、各機器が筐体の密閉部と開放部とに分けて配置されている場合であっても、前記筐体の保守性を損なうことなく、曲げの無いバスバーを使用することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置の構造を示す図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３は、本発明の実施の形態にかかる導体バーの構造を説明するためのコンデンサユニット斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態にかかる導体バーの構造を説明するためのコンデンサユニット側面図である。 図５は、コンデンサユニット背面から導体バーを取り出した場合の問題点を説明するための図である。 図６は、曲げの無いバスバーを採用した場合に生じる問題点を説明するための図である。 図７は、曲げの無いバスバーを採用した場合に生じる他の問題点を説明するための図である。 図８は、曲げ構造のバスバーを採用した場合に生じる問題点を説明するための図である。

以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置の構造を示す図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３は、本発明の実施の形態にかかる導体バーの構造を説明するためのコンデンサユニット斜視図であり、図４は、本発明の実施の形態にかかる導体バーの構造を説明するためのコンデンサユニット側面図である。

図１において、電力変換装置は、主たる構成として、コンデンサユニット（以下単に「コンデンサ」と称する）６と、電力半導体モジュール（以下単に「モジュール」と称する）５と、冷却器４とを有して構成されている。図１は、車両上部から軌道側に見たときの筐体２０を示しており、電気車の車両床下に取り付けられた筐体２０に実装された電力変換装置の構造を概念的に表わしている。

図１には、一例として、２組の電力変換装置が冷却器４を対向するように配設され、冷却風の導入口は車両の進行方向であり、カバー２１の取り付け場所は、車両の側面方向である。図１に示される筐体２０において、作業員が電力変換装置、特に、コンデンサ６やモジュール５をメンテナンスする場合、例えば、当該カバー２１を取り外し、点検口２３から、所定の工具等を用いてボルト９ａを取り外し、さらに、バスバー８を電力半導体モジュール５に固定するためのボルト９ｂおよびボルト９ｃを取り外すという流れが一般的である。

筐体２０の中心部には、仕切り板２４によって間仕切りされ、冷却器４とブロア２２が配設されている開放部２が設けられている。冷却器４は、モジュール５で発生した熱を吸熱し、ブロア２２は、車両進行方向から導入される冷却風によって、冷却器４に蓄積された熱を強制的に放熱させる。ブロア２２から排出された空気は、例えば、レール側に排出される。

密閉部１には、モジュール５やコンデンサ６が収納され、モジュール５の端子面とバスバー８とは、ボルト９ｂおよびボルト９ｃによって電気的に接続されている。また、導体バー３とモジュール５の端子面とは、バスバー８を介して同一面上に配置されている。なお、密閉部１内に点線で示される空間には、他の機器が収納されているため、本発明の電力変換装置は、これらの機器と干渉することなく、かつ、限られた空間を有効に利用して収納されている。図２において、導体バー３は、コンデンサ６の上面から引き出され、クランク状に折り曲げて形成されている。また、導体バー３は、点検口２１から、バスバー８と導体バー３との接続端を見込む空間２５を遮断せず、コンデンサ６の上面から引き出されている。なお、空間２５は、筐体カバー２１側からボルト９ａの着脱を行う際に必要な作業スペースを示すものである。バスバー８と導体バー３とは、点検口２１からバスバー８に向かって挿入されるボルト９ａによって接続されている。

（導体バーの形状）
以下、図３および図４を用いて、導体バー３の形状を詳細に説明する。図３に示されるように、コンデンサ６には、２つの導体バー３（＋端子と−端子）が配設され、各導体バーの一端３ａは、例えば、コンデンサユニット上面１２から引き出されている。また、導体バーの他端３ｂには、コンデンサ６をバスバー８に固定するためのボルト挿通穴１５が形成されている。

次に、図４に示されるように、コンデンサユニット上面（以下単に「コンデンサ上面」と称する）１２から取り出された導体バー３は、コンデンサユニット背面（以下単に「コンデンサ背面」と称する）１４の方向に、コンデンサ上面１２と略平行に折り曲げられ、コンデンサユニット背面１４から所定の間隔（Ａ）を隔てた位置にて、コンデンサ上面１２の方向、すなわちコンデンサ６とは反対側に折り曲げられた形状を有している。なお、所定の間隔（Ａ）は、図２に示されるボルト９ｂおよびボルト９ｃのボルト頭部分のスペースを確保するために決定された間隔である。

導体バー３の形状を図２を用いて説明すると、導体バー３は、コンデンサ６からバスバー８側に向かって折り曲げられ、さらに、コンデンサ６から所定の間隔（Ａ）を隔てた位置にて、コンデンサ６とは反対側にバスバー８と略平行に折り曲げられている。

以下、導体バー３の形状に関して、従来技術に見られた問題点を、具体例を示して説明する。図５は、コンデンサ背面１４から導体バー３を取り出した場合の問題点を説明するための図である。図５に示される導体バー３は、従来技術にて採用されていた形状であり、コンデンサ背面１４の方向に、コンデンサ上面１２と略平行に伸び、コンデンサ背面１４から所定の間隔（Ｂ）をあけた位置にて、コンデンサ上面１２の方向にコンデンサ背面１４と略平行に折り曲げられた形状を有している。

ここで、電車に搭載されるコンデンサ６は、一般的に、その重量が数ｋｇ〜数十ｋｇにも及ぶため、導体バー３は、機械的強度を考慮して、所定の厚さにて形成されている。そのため、導体バー３の曲げ半径は、コンデンサ６の重量が増えるほど大きくなる傾向がある。図５に示されるように、コンデンサ背面１４に導体バー３を配設した場合、図５の所定の間隔（Ｂ）は、コンデンサ６の重量によって、図４の所定の間隔（Ａ）に比して広くなる傾向がある。保守性だけでなく、省スペース化も要求される電力変換装置では、所定の間隔（Ｂ）を闇雲に広げることができないため、本実施の形態にかかる電力変換装置は、保守性と省スペース化を実現する手段として、図４に示される形状の導体バー３を採用することとしている。

（バスバー）
次に、バスバー８の形状に関して、従来技術に見られる問題点を、具体例を示して説明する。図６は、曲げの無いバスバーを採用した場合に生じる問題点を説明するための図であり、図７は、曲げの無いバスバーを採用した場合に生じる他の問題点を説明するための図であり、図８は、曲げ構造のバスバーを採用した場合に生じる問題点を説明するための図である。

図６に示される電力変換装置は、開放部２に冷却器４とコンデンサ６とを配置した態様である。当該電力変換装置は、曲げの無いバスバー８を使用しているものの、当該電力変換装置の態様では、防塵性が要求されるコンデンサ６が開放部２に突出してしまうと問題が生じる。さらに、当該電力変換装置の態様は、冷却器４とコンデンサ６とが同一平面上に配置されるため、冷却器４とコンデンサ６との配置が競合し、省スペース化の妨げになるという問題が生じる。

図７に示される電力変換装置は、図６と同様に、曲げの無い構造のバスバー８を使用しているが、コンデンサ６を密閉部１に収納している。ただし、当該電力変換装置の態様では、コンデンサ背面１４からボルト９ａを挿入して、バスバー８にコンデンサ６を固定している。そのため、当該電力変換装置の態様は、コンデンサ前面７の方向（点検口２３の方向）からコンデンサ６を点検する際に、ボルト９ａの着脱が困難であるという問題が生じる。

図８に示される電力変換装置は、曲げ構造のバスバー８を採用しているため、図７の場合に比して保守性が良い。ただし、図８に示される曲げ構造のバスバー８は、上記課題にて述べたように、曲げの無い構造のバスバーに比して、製造コストが高いという問題が生じる。

一方、図２〜図４に示される本実施の形態にかかる電力変換装置は、導体バー３が、点検口２３からボルト９ａの取付け位置を見込む空間（例えば、コンデンサ上面１２付近やボルト９ａのボルト頭付近）を遮断せずに、コンデンサ６のバスバー８と対向する面（例えば、コンデンサ背面１４）を除くバスバー８と導体バー３との接続端に最も近いコンデンサ面（例えば、コンデンサ上面１２）から引き出されている。その結果、コンデンサ６の良好な保守性と、バスバー８のコスト低減とを両立させることが可能である。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、コンデンサ６の上面から引き出され、クランク状に折り曲げて形成された導体バー３を用いるようにしたので、曲げの無い構造のバスバー８を採用することが可能である。その結果、従来の電力変換装置に採用されていた曲げ構造のバスバー８に比して、その製造コストを低減することが可能である。また、曲げの無い構造のバスバー８を使用しても、作業員が点検口２３から容易にボルト９ａを着脱することが可能であり、曲げ構造のバスバーを用いた場合と同様に、良好な保守性を確保することが可能である。

なお、図２〜図４において、導体バー３の形状は、Ａ−Ａ断面がクランク状に略直角に折り曲げた形状を有しているが、例えば、Ａ−Ａ断面がＺ字状あるいはＮ字状に形成されていてもよいものとする。

以上のように、本発明は、電気車の車両床下に取り付けられた筐体に収納され、筐体の開放部に設置された冷却器と、筐体の密閉部に設置された電力半導体モジュールとコンデンサユニットとで構成された電力変換装置に適用可能であり、特に、保守性を損なうことなく曲げの無いバスバーを使用することが可能な発明として有用である。

１ 密閉部
２ 開放部
３ａ 導体バーの一端
３ｂ 導体バーの他端
４ 冷却器
５ 電力半導体モジュール
６ コンデンサユニット
７ コンデンサユニット前面
８ 曲げの無いバスバー
９ａ，９ｂ，９ｃ ボルト
１２ コンデンサユニット上面
１４ コンデンサユニット背面
１５ ボルト挿通穴
２０ 筐体
２１ カバー
２２ ブロア
２３ 点検口
２４ 仕切り板
２５ 空間

Claims (6)

1. 電気車の車両床下に取り付けられた筐体に設置され、点検口を閉塞するカバーで閉塞された前記筐体の密閉部に収納されたコンデンサユニットおよび電力半導体モジュールと、前記筐体の開放部に設置され前記電力半導体モジュールから発生する熱を冷却する冷却器と、を備えた電力変換装置において、
   前記電力半導体モジュールと前記コンデンサユニットとを電気的に接続するバスバーと、
   前記コンデンサユニットと前記バスバーとを電気的に接続する導体バーと、
   前記点検口側から前記バスバーを介して前記電力半導体モジュールに向けて挿入され前記コンデンサユニットと前記バスバーとの間に設置されるボルトと、
   を備え、
   前記導体バーは、前記コンデンサユニットの上面から引き出され、前記バスバー側に、前記コンデンサユニットが引き出されている部分から前記コンデンサユニットの前記ボルト側の面までの長さと、前記ボルトの頭の高さと、の合計値分延設され、クランク状に折り曲げて形成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 電気車の車両床下に取り付けられた筐体に設置され、点検口を閉塞するカバーで閉塞された前記筐体の密閉部に収納されたコンデンサユニットおよび電力半導体モジュールと、
   前記筐体の開放部に設置され前記電力半導体モジュールから発生する熱を冷却する冷却器と、を備えた電力変換装置において、
   前記電力半導体モジュールと前記コンデンサユニットとを電気的に接続するバスバーと、
   前記コンデンサユニットの長手方向に、前記電力半導体モジュールと前記コンデンサユニットとを電気的に接続する一対の導体バーと、
   前記点検口側から前記バスバーを介して前記電力半導体モジュールに向けて挿入され前記コンデンサユニットと前記バスバーとの間に設置されるボルトと、
   を備え、
   前記導体バーは、前記コンデンサユニットの上面から引き出され、前記バスバー側に、前記コンデンサユニットが引き出されている部分から前記コンデンサユニットの前記ボルト側の面までの長さと、前記ボルトの頭の高さと、を合算した長さ以上に延設されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 電気車の車両床下に取り付けられた筐体に設置され、点検口を閉塞するカバーで閉塞された前記筐体の密閉部に収納されたコンデンサユニットおよび電力半導体モジュールと、
   前記筐体の開放部に設置され前記電力半導体モジュールから発生する熱を冷却する冷却器と、を備えた電力変換装置において、
   前記電力半導体モジュールと前記コンデンサユニットとを電気的に接続するバスバーと、
   前記コンデンサユニットと前記バスバーとを電気的に接続する導体バーと、
   前記点検口側から前記バスバーを介して前記電力半導体モジュールに向けて挿入され前記コンデンサユニットと前記バスバーとの間に設置されるボルトと、
   を備え、
   前記導体バーは、前記コンデンサユニットの上面から引き出され、前記バスバー側に、前記コンデンサユニットが引き出されている部分から前記コンデンサユニットの前記ボルト側の面までの長さと、前記ボルトの頭の高さと、を合算した長さ以上に延設され、かつ、前記コンデンサユニットから所定の間隔を隔てた位置にて前記コンデンサユニットとは反対側に前記バスバーと略平行に折り曲げられていることを特徴とする電力変換装置。
4. 前記所定の間隔として、前記バスバーを前記電力半導体モジュールに固定するためのボルト頭部分のスペースが確保されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記導体バーは、
   前記点検口から前記バスバーと前記導体バーとの接続端を見込む空間を遮断せず、前記コンデンサユニットの上面から引き出されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記バスバーと前記導体バーとは、前記点検口から前記バスバーに向かって挿入されるボルトによって接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電力変換装置。

Images