JP6646151B2 - 鉄道車両用電力変換装置及び鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用の電力変換装置及び電力変換装置を備えた鉄道車両に関する。

鉄道車両用電力変換装置において、交流電力を直流電力に変換する、あるいは直流電力を交流電力に変換する際、主回路にはスイッチングによる高周波電流が流れる。この高周波電流が主回路の導体に流れることで、この導体がアンテナとなり周囲に電磁波（以下、電磁ノイズと称する）を放射する。

上記主回路は、側面部に開口部を有する塗装を施された導体（以下、筐体と称する）と筐体の側面開口部を覆う取り外し可能で塗装を施された導体（以下、カバーと称する）によって収められている。
主回路を収容している筐体とカバーの特徴として、内部の電気品の保守のため、カバーが取り外し可能な構造となっている。故に、２つの導体間に微小な隙間（以下、スリットと称する）が存在しており、筐体及びカバーの両方に塗装が施されているため、両者間には、電気的に絶縁され電位差が生じている。
このスリットと電位差を有する構造（筐体に開口部を設けた形）がスロットアンテナと等価になるため、筐体内部で発生した電磁ノイズは、シールドされずに筐体外部に放射される。

ここで、鉄道車両の床下に艤装される鉄道車両用電力変換装置から電磁ノイズが放射され、問題視されるのが信号装置用トランスポンダなどの軌道側設備への影響を及ぼす課題がある。このような背景から鉄道車両用電力変換装置からの電磁ノイズの放射による悪影響を考慮することが求められている。

係る点に鑑み、従来では、筐体とカバーの間にシールド板を付与する方法やカバーを筐体と接地する方法が実施されてきた。例えば、電磁ノイズの放射量自体の低減するため、特開２００９−１１９９３８号公報（特許文献１）に記載された技術がある。
この特許文献１には、「鉄道車両の床下に装着された鉄道車両制御装置において、装置を密閉させる点検カバーの内側にフックを設けることで、意図しない点検カバーが開閉できない構造とし、そのフックを筐体側に接触させることでノイズ漏れ防止の２通りの効果を得る」という記載がある。

特開２００９−１１９９３８号公報

しかし、上述した２つのいずれの手法においても、電磁ノイズ対策のための部品を電力変換装置に付与しなければならず、部品点数の増加から組立性の悪化を引き起こす問題がある。
また、シールド板を付与する手法においては、装置全体の重量化の問題、例えば、特許文献１の手法においては、艤装空間の減少といった問題も加えて生じる。

そこで、本発明は、これらの問題を解決でき、かつ、電磁ノイズの放射量、特に鉄道車両用電力変換装置固有の課題である車体下方への電磁ノイズ放射量の軽減が図れる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、筐体とカバーを複数個所で電気的に接続するものである。
例えば、代表的な本発明の鉄道車両用電力変換装置の一つは、
電力変換部を含む機器を収容し、一側面に開口部を有する筐体と、
前記筐体の開口部を覆うカバーと、
前記筐体と前記カバーを締結する締結部材と、
を備えた鉄道車両用電力変換装置において、
更に、フィンガを備え、
前記筐体と前記カバーは、前記筐体と前記カバーとを前記締結部材により締結する箇所を除いて、電気的絶縁塗装が施されており、
前記カバーの内側に内カバーを取り付け、当該内カバーの下側の一端部及び前記筐体の開口部に突き出た先端部に折り曲げ部を設け、前記筐体の折り曲げ部と前記内カバーの折り曲げ部との間、及び当該折り曲げ部と前記締結部材との間に前記フィンガを取り付け、カバー上の前記フィンガを取り付ける箇所及び筐体上の前記フィンガと接触する箇所を電気的絶縁塗装が施されていない未絶縁塗装部分とし、
前記フィンガを介在して前記筐体と前記内カバーとを電気的に接続することを特徴とする。

本発明によれば、電磁ノイズ遮断を行うことができ、かつ、装置全体の重量化の問題を是正することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１を示す鉄道車両用電力変換装置の斜視図。 図１における、鉄道車両用電力変換装置の正面図。 図２のＸ−Ｘ線矢視断面図。 図２のＹ−Ｙ線矢視断面図。 本発明の鉄道車両用電力変換装置を鉄道車両に搭載した際の構成図。 スロットアンテナの概念図。 電磁ノイズ解析モデルを説明する斜視図。 導通間隔に対するシールド効果を示す特性図。 本発明の実施例２を示し、筐体とカバーとの間にフィンガを取り付けた鉄道車両用電力変換装置における要部断面図（図２におけるＸ−Ｘ線箇所における矢視断面図）。 筐体とカバーとの間にフィンガを取り付けた鉄道車両用電力変換装置における要部断面図（図２におけるＹ−Ｙ線箇所における矢視断面図）。 フィンガ取り付け箇所の構造を詳細に示す断面図。

以下、実施例を、図面を参照して説明する。

図１〜図８は、本発明の実施例１を示す図であって、図１は、鉄道車両用電力変換装置の斜視図、図２は、鉄道車両用電力変換装置の正面図、図３は、図２のＸ−Ｘ線矢視断面図、図４は、図２のＹ−Ｙ線矢視断面図である。

鉄道車両用電力変換装置１（以下、電力変換装置と称する）は、筐体２、カバー３、冷却器４、締結部材５、電力変換部６、電気機器７、などを有する。

筐体２は、導電性部材からなり、例えば、金属製の箱型に形成され、その一側面には開口部２１を有する。開口部２１は、筐体２に後述する電力変換部６、電気機器７、などを装着又はメンテナンスなどのために出し入れるために利用される。

カバー３は、筐体２と同様に導電性部材からなり、筐体２の開口部２１を図示の如く、覆って塞ぐように締結部材５により取り付けられる。

筐体２及びカバー３は、共に表面に絶縁塗装が施された塗装箇所（塗装部分ともいう）と、絶縁塗装が施されていない無塗装箇所（未塗装部分ともいう）を有する。無塗装箇所は、筐体２とカバー３を締結する電気的接続部分でもある。
締結部材５は、例えば、複数のボルト（以下、ボルト５と称する）からなり、カバー３を筐体２に締結する機能と、カバー３と筐体２とを絶縁塗装が施されていない未塗装部分にて電気的に接続する機能を有する。

冷却器４は、筐体２の開口部２１に対向する一側面に取り付け、電力変換部６より発生する熱を冷却する。

電力変換部６は、筐体２の内側に収容され、かつ、冷却器４に対向するように取り付けられる。電気機器７は、筐体２の内側に収容され、例えば、筐体２の底部、又は天井部や側面部に取り付けられる。

電力変換部６は、交流電力から直流電力への変換、あるいは直流電力から交流電力への変換する機能を有するが、係る機能は、スイッチングによってなされる。このスイッチングにおける変換時に電磁ノイズと熱が発生する。

この熱は、上述した通り、冷却器４によって放熱される。一方、電磁ノイズは、筐体２の開口部２１とカバー３との間に構成されたスリット８（本例では、３か所。図４参照）から放射される。

図５は、本発明の鉄道車両用電力変換装置１を鉄道車両の車体９に搭載した際の概略構成を示す図である。

電力変換装置１は、車体９の床下に艤装され、上記車体９は軌道１０上に位置する。また、軌道１０上には、信号装置用トランスポンダの地上子１１が設置されている。地上子１１とは、列車の運行を制御するため、線路内に設置された装置であり、例えば、ＡＴＳ（Automatic Train Stop）などの運転制御装置において、鉄道車両に搭載された車上子と情報の送受信を行うものである。

電力変換装置１のスリット８から電磁ノイズが放射されると、その下側に配置された地上子１１が当該電磁ノイズにより誤動作する場合が生じる。
したがって、上記スリット８から放射された電磁ノイズによって、上記地上子１１に誤動作が生じた場合、車両運行の安全性に与える影響が大きい。このことからもスリット８から放射される電磁ノイズ、特に車体下方へ放射される電磁ノイズを減少させることが強く求められている。

ここで、電磁ノイズがスリット８から放射されることについて考える。
一般的に鉄道車両用の電力変換装置１は、雨風に晒される条件下にて使用されるため、錆や腐食を防ぐために塗装が施される。筐体２とカバー３も同様に塗装が施された導体であり、電気的に絶縁されている。
このため、２つの導体（筐体２とカバー３）間に電位差が生じる。故に、この２つの導体間のスリット８と電位差を有する構造がスロットアンテナと等価になる。つまり、筐体２とカバー３は、スリット８を含み、スロットアンテナと同様な構成を形成する。このため、筐体２の内部（筐体内部）で発生した電磁ノイズは、シールドされずに、スリット８を通して筐体２の外部（筐体外部）に放射される。

図６は、スロットアンテナの概念を示す図である。
スロットアンテナから放射される電磁ノイズの磁界強度は、以下の数式１で示すことができる。

スロットアンテナは、図６に示すように広い導体板６１に細長いみぞ６２を切り、中央から電圧Ｖで給電したアンテナである。
ここで、細長いみぞ６２の細長いとは、みぞ６２のｚ方向長さに対してｘ方向長さが十分に大きいことを指している。

筐体２とカバー３の２つの導体間の隙間（スリット８）は、図４に示すように、電力変換装置１の長手方向の寸法に対して微小である。このことから、スロットアンテナと同様に広い導体板にみぞを切っている状態と等価として考えることができるため、スロットアンテナと等価として考えることができる。

電磁ノイズの強さである磁界強度Ｈは、上記数式１で示すように、スリット長さslit及び電位差Ｖに比例する。
よって、筐体２とカバー３を電気的に接続することで電位差を減らす、もしくはスリット８の長さを短くすることで、電磁ノイズ量を減らすことができる。

本実施例においては、筐体２とカバー３との電気的接続は、塗装を施さない筐体２とカバー３のボルト締結部において実施する。
したがって、筐体２及びカバー３の塗装を施す際には、例えば、ボルト５のボルト締結部（電気的接続部）にマスキングテープなどで塗料が付かないよう下準備した上で塗装をする。

この実施例において注意する点は、無塗装箇所（未塗装部分）が外部に露出することになるため、隙間（スリット８）から水が入り込み、電蝕を起こす恐れがある。よって、本実施例を実施する際は無塗装箇所（未塗装部分）に電蝕防止のためにシールディングテープなどを貼り付けると良い。

筐体２とカバー３の締結は、複数の箇所にて複数のボルト５により行っているため、ボルト締結箇所のすべてにおいて、上記の電気的接続を実施することで電位差を減らす効果とスリット８の大きさを小さくする効果が得られるため、電磁ノイズの放射量を減少させる効果が得られる。

この電気的接続による電磁ノイズの放射量減少効果に関しては、数値解析を実施することで確認することができる。その検討結果について、図７、図８を参照して説明する。

図７は、電磁ノイズ解析モデルを示す図であり、図８は、導通間隔に対するシールド効果を示す特性図である。

上記、電磁ノイズ解析モデルは、筐体２とカバー３の底面側のスリット８、以外はすべて筐体金属で埋めており、筐体内部からスリット８を通して下方へ放射される電磁ノイズを解析の対象としている。

スリット８の直下から任意の位置に解析領域１２を設け、上記領域内での磁界分布を算出する。
図８に示す特性図は、スリット８の長さ（締結部材５の位置）を変化させた時の解析結果を示すものであって、その解析結果は、上記解析モデルにおいて、筐体２およびカバー３の電気的接続をしていない場合に対して導通間隔（ｍｍ）を変化させた時に得られるシールド効果（ｄＢ）を示している。

ここで着目している電磁ノイズとしてはスリット８の直下から０．５ｍ位置、周波数１００ｋＨｚである。シールド効果としては、２０ｄＢ以上あれば筐体内部から放射される電磁ノイズを他のノイズに対して十分に小さく抑えることができる。
このため、図８の解析結果からみて、導通間隔は、０．７５ｍ以下が望ましい。

図９〜図１１は、本発明の実施例２を示す図であって、図９及び図１０は、筐体２とカバー３との間にフィンガ１３を取り付けた鉄道車両用電力変換装置１における要部断面図、図１１は、フィンガ１３の主部分の構成を示す断面図である。
本例は、複数個所で電気的に接続する部分に図示に示すようなフィンガ１３を付け加えたものである。

筐体２の開口部２１側の先端部は、図１１に示すようにカバー３側に突き出たＬ字状の突出片（曲げ部）２２を形成する。カバー３は、当該カバー３の内側に密着するように取り付けられた内カバー３１を有する。内カバー３１の下側の先端部は、筐体２の突出片２２に対向する突出片（曲げ部）３１１を形成してある。

フィンガ１３は、導電性部材からなり、例えば、内カバー３１の突出片３１１に図示のように装着されるコ字状の構造とすると良い。フィンガ１３は、筐体２の突出片２２に確実に接触する部分、いわゆる接点を有する。これにより、接触効果を高めることができる。
また、筐体２とカバー３（含内カバー３１）との間には、パッキン１５を設けると良い。パッキン１５は、雨水などが筐体２の内部に侵入することを防止するものである。

本実施例では、図１１に示すように、電力変換装置１は、カバー３の内側にある内カバー３１に設けられた曲げ部にフィンガ１３を取り付け、筐体２にも曲げ部を設けているため、カバー３を筐体２に取り付けることでフィンガ１３が筐体２に接触する。
ここで、カバー３上のフィンガ１３を取り付ける箇所及び筐体２上のフィンガ１３と接触する箇所（無塗装箇所）においては、実施例１と同様に無塗装としておく必要がある。

上述した実施例１においては、水が無塗装部に入り込み電蝕を起こす恐れがあったが、本実施例２においては、無塗装箇所がパッキン１５より内部にあり、水の浸入がないため、電蝕の恐れが少なくなる。

上記したフィンガ１３による電気的接続も実施例１と同様の効果が得られる。また、実施例１のボルト締結部において塗装を施さないことと合わせて実施することもできる。

例えば、図１０に示すようにフィンガ１３を配置し、ボルト締結部においても電気的に接続すればスリット８を小さくすることができる。それに加え、電気的接続箇所が増えれば、導通が十分に取れるため、筐体２、カバー３間の電位差を減らすことができ、電磁ノイズの放射量を減らすことができる。

また、図１０において、締結ボルト直近にフィンガ１３を取り付けているが、フィンガ１３の取り付け箇所に関しては筐体２の曲げ部（突出片２２）の位置を変更する、つまり、上下方向にずらし、導通間隔を変化させることで調節可能である。
このように調節することによる利点としては、図８で示したように電気的接続によるシールド効果は導通間隔によるため、電力変換装置の設計段階においてシールド効果を考慮した検討ができることである。

以上述べた、本発明の実施例によれば、電力変換装置に電磁ノイズ遮断用の特別な部品を付与せずに電磁ノイズ遮断効果が得られる（実施例１）。
また、電磁ノイズ遮断用に小型かつ軽量な部品を付与することで電磁ノイズ遮断効果が得られる（実施例２）。上述したものはいずれも、既存の電磁ノイズ遮断技術と比べ、軽量化および艤装空間の確保を可能とするものである。
またカバー下方で筐体とカバーを電気的に接続することで、車体下方への電磁ノイズの放射量を軽減する効果を得られる。

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易くする説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１ 電力変換装置
２ 筐体
２１ 開口部
３ カバー
３１ 内カバー
４ 冷却器
５ 締結部材（ボルト）
６ 電力変換部
７ 電気機器
８ スリット（隙間）
９ 車体
１０ 軌道
１１ 地上子
１２ 解析領域
１３ フィンガ
１５ パッキン

Claims (5)

1. 鉄道車両の床下に搭載される鉄道車両用電力変換装置において、
   電力変換部を含む機器を収容し、一側面に開口部を有する筐体と、
   前記筐体の開口部を覆うカバーと、
   前記筐体と前記カバーを締結する締結部材と、
   を備えた鉄道車両用電力変換装置において、
   更に、フィンガを備え、
   前記筐体と前記カバーは、前記筐体と前記カバーとを前記締結部材により締結する箇所を除いて、電気的絶縁塗装が施されており、
   前記カバーの内側に内カバーを取り付け、当該内カバーの下側の一端部及び前記筐体の開口部に突き出た先端部に折り曲げ部を設け、前記筐体の折り曲げ部と前記内カバーの折り曲げ部との間、及び当該折り曲げ部と前記締結部材との間に前記フィンガを取り付け、カバー上の前記フィンガを取り付ける箇所及び筐体上の前記フィンガと接触する箇所を電気的絶縁塗装が施されていない未絶縁塗装部分とし、
   前記フィンガを介在して前記筐体と前記内カバーとを電気的に接続する
   ことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記締結部材は、複数のボルトからなり、複数の箇所において、前記筐体と前記カバーとを複数のボルトにより電気的に接続し、前記未絶縁塗装部分に電蝕防止部材を取り付けたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
3. 請求項１〜２の何れか一項に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記筐体と前記カバーを電気的に接続する接続箇所を、前記カバーの下方とすることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記締結部材は、前記カバーの下方にて、かつ、前記未絶縁塗装部分にて、前記筐体と前記カバーを電気的に接続し、
   前記締結部材における導通間隔は、０．７５ｍ以下とする
   ことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載された鉄道車両用電力変換装置を、鉄道車両の床下に搭載した鉄道車両。

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