JP6666815B2 - 冷却装置およびそれを搭載した台車並びに鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の電力変換装置を冷却する冷却装置に関する。

電力変換装置は、電気鉄道車両等の車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。また、電動機は各車軸にギヤを介して接続され、車軸は１つの台車あたり２台設置され、台車は１車両あたり２台設置されていることから、１車両あたり合計４台の電動機を駆動させる必要がある。

従来の電力変換装置においては、１車両あたり合計４台の電動機（Ｍ）を１つのコントローラ（Ｃ）で制御する１Ｃ４Ｍ方式の構成や、１台車あたり２台の電動機を１つのコントローラで制御する１Ｃ２Ｍ方式の構成などがある。図２は、１Ｃ４Ｍ方式、１Ｃ２Ｍ方式および１Ｃ１Ｍ方式の各構成を模式的に示す図である。１Ｃ４Ｍ方式の構成は、図２の（ａ）に示すように、電力変換装置（コントローラ）を車両中央の床下に一体箱として設置されるのが一般的である。また、１Ｃ２Ｍ方式の構成は、特許文献１、特許文献２および図２の（ｂ）に示すように、電力変換装置（コントローラ）を、台車に隣接させるようにして、１車両の中で２つに分けて設置する構成が知られている。これにより、電動機と電力変換装置との間の配線を短縮することが可能となり、その結果、電磁ノイズを抑制する効果を奏する。更に、特許文献３および図２の（ｃ）に示すように、電動機と電力変換装置との間の距離を更に短縮し一体にすることで、各電動機を個別に制御することが可能な１Ｃ１Ｍ方式の構成も知られている。

特開２０１２−１７１０３号公報 特開２００７−３３６７７９号公報 特開２００８−１７９２８５号公報

本願発明者が、鉄道車両の電力変換装置を新鮮な周囲環境温度に近い風により効率的に冷却することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

上述の１Ｃ１Ｍおよび１Ｃ２Ｍ方式の構成により、従来の１Ｃ４Ｍ方式の構成に比べると、駆動系を１つに纏めることで車両中央に空きスペースができる。そのため、その空きスペースに従来搭載していなかった他の部品（例えば、電池やセンサなど）を搭載することで、省エネやサービスを向上させることが可能となる。また、車両中央床下の電気部品が無くなることで、車両を２階建てにして乗客輸送量の向上も見込める。

ところが、台車近傍の床下スペースは非常に限られ、台車フレーム、電動機およびギヤなどに近接して電力変換装置を設置することで、１Ｃ４Ｍ方式では格別問題の無かった課題が生じる。それは、電力変換装置の冷却用の走行風を誘導することが困難となる課題である。この冷却風を誘導困難とする課題を解決するために、特許文献１には、電動機の回転力を用いて電動機自身を冷却する風を、電力変換装置にも誘導する構造が示されている。特許文献３には、電動機に電力変換装置を設置させ、電動機と電力変換装置の両方を同時に冷却するフィンを設ける構造が示されている。

しかしながら、電動機を構成するステータ、コイルおよびロータが許容できる温度レベル（約２００℃〜３００℃）は、電力変換装置が許容できる温度レベル（約１２０℃〜２００℃）よりも高いため、電力変換装置を効率的に冷却するためには、電動機よりも上流（風上）側に電力変換装置を設置しなければならない。そのため、ダクト設計に制約が生じ、電力変換装置によって冷却風そのものの温度が高くなることで、電動機の冷却や小型化が困難になるという課題が生じる。また、電動機と電力変換装置ではそれぞれの保守時期が異なるため、双方をダクトで繋げてしまうと保守性が悪化してしまうという課題も生じる。

前記課題を解決するために、本発明は、車両を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を冷却する冷却装置を、車輪に直結された車軸に接続された送風手段と、送風手段と電力変換装置とをつなぐダクトとから構成し、ダクトは車軸の回転力によって送風手段が発生する冷却風を電力変換装置に誘導することを特徴とする。

本発明によれば、電動機による熱のあおり（風温上昇の影響）を受けることなく、電力変換装置を新鮮な周囲環境温度に近い風で冷却することが可能となり、電力変換装置用の冷却器の小型化が実現できる。更に、冷却系を電動機と分けることで、電動機やギヤで用いる潤滑油の飛散やブレーキ磨耗粉などによる粉塵の影響を抑えることも可能となる。

図１は、本発明の実施例１に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。 図２は、１Ｃ４Ｍ、１Ｃ２Ｍおよび１Ｃ１Ｍの各構成を模式的に示す図である。 図３は、本発明の実施例２に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。 図４は、本発明の実施例３に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。 図５は、本発明の実施例１〜３で用いる電力変換装置の斜視図である。 図６は、本発明の実施例４に係る１Ｃ２Ｍの構成を示す図である。 図７は、本発明の実施例４で用いる電力変換装置の斜視図である。 図８は、本発明の実施例５に係る１Ｃ２Ｍの構成を示す図である。 図９は、本発明の実施例５で用いる電力変換装置の斜視図である。 図１０は、本発明の実施例６に係る１Ｃ２Ｍの構成を示す図である。 図１１は、本発明の実施例６で用いる電力変換装置の斜視図である。 図１２は、本発明の実施例７に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。 図１３は、本発明に係る冷却装置に用いる送風手段の例を示す図である。

本発明の実施形態として実施例１〜７を、以下順に図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。
本発明に係る電力変換装置１００は、鉄道車両の床下等に設置され、車両を駆動する電動機２００に供給する電力の周波数を変えることにより、電動機２００の回転速度の制御を行う。電力変換装置１００と電動機２００とは近接しているため、電磁ノイズを小さくできる。更に、電力変換装置１００と電動機２００の両方を電磁シールド（図示せず）で覆うことで、周辺の信号線へのノイズの影響を無視できるくらいまで小さくできる。また、台車１０が走行によって振動する際、車体１と電力変換装置１００や電動機２００との接触を防ぐために、電力変換装置１００や電動機２００は小型低床化している。
ここで、電力変換装置１００としては、現行、電力変換素子としてＩＧＢＴを用いて構成されるものが主流であるところ、より電力損失を低減し効率を向上させることを可能にするＳｉＣを電力変換素子として用いて電力変換装置１００を構成することも可能である。この場合には、電力変換装置の小型化が図れ、併せて、以下で説明する冷却装置も小型化が図れることになる。

車輪１２に直結された車軸１１が回転することで、車軸１１に接続された送風手段２０（回転する遠心ファンなどとスリップリングなどを介して回転しないファンケーシング）は冷却風を発生させる。この冷却風は、ダクト３０を介して電力変換装置１００に誘導される。すなわち、図２の（ｃ）に示すように、台車１０毎に搭載した電動機２００対応に設置した電力変換装置１００に対して、ダクト３０が設けられる構成となる（この構成は、以下の実施例２および３においても同様である）。上記の冷却機構により、電力変換装置１００は小型化できる。また、ブレーキ磨耗粉や小石などの粉塵に対しては、送風手段２０にフィルタを設けることにより、電力変換装置用の冷却装置の目詰まりを防止している。

ここで、送風手段２０に用いる遠心ファンの具体例について説明する。図１３に、代表的な例として、シロッコ型遠心ファン（上図）およびターボ型遠心ファン（下図）を示す。
シロッコ型遠心ファンは、渦巻き状のファンケースの中にドラム型の多翼シロッコファンを備えたもので、このドラム型の多翼シロッコファンが回転することで取り込んだ冷却空気を遠心力で排気する。そして、排気された冷却風が、ダクト３０を介して機器へ送り込まれることになる。シロッコ型遠心ファンは、軸流ファンに比べ騒音が低く風圧が高いことが特徴である。
ターボ型遠心ファンは、同じく渦巻き状のファンケースの中にターボファンを備えたもので、このターボファンが回転することで取り込んだ冷却空気を遠心力で排気する。そして、排気された冷却風が、ダクト３０を介して機器へ送り込まれることになる。ターボ型遠心ファンでは、比較的消費電力を低く設計できることが特徴である。

図３は、本発明の実施例２に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。
実施例１との違いは、図３に示すように、開口部６０を、ダクト３０と電力変換装置１００との接合部分に接する位置に列車の走行方向に向けて設けている点である。この開口部６０を設けることで、電力変換装置１００へ誘導される冷却風の量は、ダクト３０からの冷却風の量と開口部６０から入る風の量との和となり、これにより冷却性能を向上させることが可能となる。更に、列車の進行方向が電力変換装置１００からダクト３０に流れ込む方向に走行風が入ることになる場合は、ダクト内の圧力損失が大きいため、開口部６０から風を逃がすことで電力変換装置１００への走行風の入気量を確保できる効果もある。このように、走行方向Ａにおいても走行方向Ｂにおいても、冷却性能を維持できることに特徴がある。また、ブレーキ磨耗粉や小石などの粉塵に対処するために、開口部をフィルタ付きとしてもよい。

図４は、本発明の実施例３に係る台車搭載１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。
実施例２との違いは、連結ダクト４０を追加している点である。下流（風下）側の電力変換装置の冷却設計が重要となるところ、２つの電力変換装置１００間の入気と排気を接続することで、周辺部材による走行風の変動を無くすことができ、送風手段２０とダクト３０を介して確実に冷却風を確保できる利点がある。

図５は、実施例１〜３で用いる電力変換装置１００の斜視図である。架線からの電流は、コンデンサモジュール１４０で平滑化され、金属積層板１２１を介してパワーモジュール１１０に入る。パワーモジュール１１０で直流電力が交流電力に変換され、最終的に交流側金属板１２２を介して電動機２００に交流電流が供給される。この際、発生した熱は、冷却器１３０に風が当たることで冷却される。冷却器１３０は、伝熱面積を拡大させるために細長いフィンで構成されることが多く、この構成のために小石などによって破損する恐れがある。そこで、冷却器カバー１３１を設けてフィン等の破損を防止している。

図６は、本発明の実施例４に係る１Ｃ２Ｍの構成を示す図である。
実施例４では、電力変換装置１００は、台車１０の上でなく車体１に吊り下げられた状態で固定設置されている。それ故に、車体１の振動によりダクト３０が破損することを防止する目的で、例えば蛇腹状の形状を有するフレキシブルダクト５０を接続している。実施例４は、先の実施例１〜３の１Ｃ１Ｍ構成とは異なり、１Ｃ２Ｍ構成を採用している。すなわち、図２の（ｂ）に示すように、台車１０対応に設置した電力変換装置１００に対してダクト３０（フレキシブルダクトを含めた総称とする）を設ける構成となる（この構成は、以下の実施例５および６においても同様である）。これにより、電力変換装置１００を小型化する制約を緩和できる。また、２台の電動機２００に対して１台の電力変換装置１００から電流を供給するため、電力変換装置１００の部品点数を減らすこともできる。
更に、台車１０、車軸１１および電動機２００等の保守のタイミングと、電力変換装置１００の保守のタイミングとを別々にできるため、保守性が向上する利点もある。

図７は、実施例４で用いる電力変換装置１００の斜視図である。２台の電動機２００に必要な電流を供給するだけでなく、１Ｃ１Ｍ構成に比べると電力変換装置１００内にスペース的に余裕があるため、例えば昇圧回路など別の機能を加えることもできる。図７では、架線からの電流を直流側金属板１２３で受け、パワーモジュール１１０の一部を昇圧回路用（図示せず）に使用する例を示している。これにより、電力変換装置内の電流を小さくでき配線を補足することができる。

図８は、本発明の実施例５に係る１Ｃ２Ｍの構成を示す図である。
実施例５では、電力変換装置１００とブレーキ制御装置３００とを一体箱３１０の中に収納したものである。これにより、台車近傍で必要な部材とそれに対する冷却風を共有化することで、小型で低コスト化できる。

図９は、実施例５で用いる電力変換装置１００の斜視図である。図５に示す電力変換装置１００と同様の構成部材を用い、冷却器１３０に入気した風がコンデンサモジュール１４０の中も通ることで、コンデンサセルも同時に冷却する構造となっている。

図１０は、本発明の実施例６に係る１Ｃ２Ｍの構成を示す図である。
実施例６の構成は、図１１に示す電力変換装置１００のように、コンデンサモジュール１４０によって冷却風が妨害されないように、電力変換装置１００の冷却器１３０のみに冷却風が入気されるように配置等に工夫が施されている。また、ダクト３０に開口部６０を設けることで、電力変換装置１００から排気される風の逃げ道を確保し圧力損失を低減できるため、電力変換装置１００への入気風量を確保できる。

図１２は、本発明の実施例７に係る１Ｃ１Ｍの構成を示す図である。
実施例７では、電力変換装置１００に対する送風手段２０およびダクト３０による冷却は実施例１と同様であるところ、モータ車の１車両あたりのモータの数を４台から２台に低減させ、モータが未設置の車両にモータを２台設置して、１Ｃ１Ｍとした点に特徴がある。このようにモータの搭載を平準化することで、全車両において同じ台車が使えることとなり、部材を標準化できるという効果がある。台車あたりでは電動機２００は１台のみであっても、従来と同じトルクを確保できることとなり、電磁ノイズを低減させるために電動機２００と電力変換装置１００との距離を短くしつつ、スペース効率が高い電力変換装置１００の台車搭載が実現できる。

以上、各実施例で説明したように、本発明によれば、電力変換装置による風温上昇の影響を受けることなく、電動機を新鮮な周囲環境温度に近い風で冷却することが可能となり、併せて、電動機と電力変換装置との距離を短縮させることで小型化と電磁ノイズ低減を両立させることができるものである。
また、実施例１〜７において、惰行走行時の効率等を考慮して、車軸１１は回転しているが送風手段２０を動作させない（ファンを回転させない）機能を設けてもよい。

１…車体、１０…台車、１１…車軸、１２…車輪、１３…ギヤ、
２０…送風手段、３０…ダクト、４０…連結ダクト、５０…フレキシブルダクト、
１００…電力変換装置、１１０…パワーモジュール、１２１…金属積層板、
１２２…交流側金属板、１２３…直流側金属板、１３０…冷却器、１３１…冷却器カバー、
１４０…コンデンサモジュール、２００…電動機、３００…ブレーキ制御装置、
３１０…一体箱

Claims (8)

1. 台車に設置され車両を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置を冷却する冷却装置であって、
   車輪に直結された車軸に接続された送風手段と、
   前記台車に設置され前記送風手段と前記電力変換装置とをつなぐダクトと、
   前記ダクトと前記電力変換装置との接合部分に接する位置に前記車両の走行方向に向けて設けられた開口部と
   を備え、
   前記ダクトは、前記車軸の回転力によって前記送風手段が発生する冷却風を前記電力変換装置に誘導し、
   前記開口部から入る風の量と前記ダクトから誘導される前記冷却風の量との和を、前記電力変換装置へ供給する
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記開口部は、フィルタ付きである
   ことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置であって、
   台車当たりに複数台設置した前記電力変換装置を相互に接続する連結ダクトを備える
   ことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置と、
   前記車輪と、
   前記車輪に直結された車軸と、
   前記車軸を回転させる電動機と、
   前記電力変換装置と、
   を備える台車。
5. 請求項４に記載の台車であって、
   前記電力変換装置１台に対して、当該台車当たり前記電動機を１台備える
   ことを特徴とする台車。
6. 請求項４または５に記載の台車を有する鉄道車両。
7. 請求項６に記載の鉄道車両であって、
   さらにブレーキ制御装置を有し、
   前記電力変換装置と前記ブレーキ制御装置とを一つの箱の中に収納した
   ことを特徴とする鉄道車両。
8. 請求項６または７に記載の鉄道車両であって、
   前記電力変換装置は、ＩＧＢＴまたはＳｉＣを電力変換素子として用いて構成されることを特徴とする鉄道車両。