JP4558102B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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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。
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