JP7003542B2

JP7003542B2 - 静止誘導機器及びこれを使用した電力変換装置

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Publication number: JP7003542B2
Application number: JP2017190689A
Authority: JP
Inventors: 潔高橋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: JP2019067875A; US11165290B2; US20190103774A1

Description

本発明は、例えば鉄道車両に装着される静止誘導機器及びこれを使用した電力変換装置に関する。

電気車の床下に取り付けられる電力変換装置には、変圧器やリアクトルなどの静止誘導機器が使用され、この静止誘導機器として例えば特許文献１に記載された車両用変圧器が提案されている。
この車両用変圧器は、電気車の床下に吊り下げられて取り付けられるもので、取付ボルトに変圧器の自重による引張力が作用しないように、鉄心締付金具を電気車の床下に吊り下げられた箱枠の主フレームの上面に乗せて変圧器を取り付ける構成とされている。

車両に装着する変圧器やリアクトルなどの静止誘導機器は、高電圧の直流や交流が供給されることから、発熱を生じるので、冷却が必要となる。
この静止誘導機器を冷却する構造として、例えば特許文献２に記載された空冷式リアクトルが提案されている。
この空冷式リアクトルでは、重量物であるリアクトルを下方の支持構造部材で支持しており、冷却風を下方から上方に向けて通すために、支持構造部材に巻線の内部間隔に対応して冷却風を通過させるための通風口が形成されている。

特開平５－１３２４３号公報国際公開第２０１５／００８３５９号

上記特許文献２に記載された先行技術では、支持構造部材に形成された通風口を通じて巻線に冷却風を供給するが、通風口を冷却風が通過する際の流路抵抗が大きく、巻線に対して十分な冷却風を供給することができず、冷却効率が低下するという課題がある。
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に着目してなされたものであり、冷却効率を向上させることができる静止誘導機器及びこれを使用した電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る静止誘導機器の一態様は、直流リアクトルを支持する第１静止機器支持体と、絶縁トランスを支持する第２静止機器支持体と、交流三相リアクトルを支持する第３静止機器支持体とが、互いの間に通風路が形成され、通風路の一方から見て正方形状となるように連結支持部材を介して並列に配置されており、通風路の下流側に、正方形状に配置した前記第１から第３静止機器支持体の中心に軸心が一致するように排気ファンの吸い込み側を近接して配置している。

本発明の一態様によれば、静止誘導機器本体の両端のヨーク部をこのヨーク部に沿って延長する一対のヨーク支持部材で支持した複数の静止機器支持体を、隣接する静止誘導機器本体間に通風路を形成して並列させた状態で一対の連結支持部材で支持する。このため、一対の連結支持部材が通風路を遮ることがなく、冷却効率を向上させることができる。
また、冷却効率を向上させた静止誘導機器を電力変換装置に備えることにより、電力変換装置全体の小型化を図ることができる。

本発明に係る電力変換装置を装着する鉄道車両を示す側面図である。本発明に係る電力変換装置の全体構成を示す図であり、（ａ）は静止誘導機器収納部及び排気ファン収納部を露出させた平面図、（ｂ）は正面図である。電力変換装置の一例を示す回路図である。静止誘導機器の全体構成を示す斜視図である。図４の前後方向の中間部を断面として表す斜視図である。図４の上下の連結支持部材を取り外した状態の斜視図である。第１静止誘導機器支持体を示す斜視図である。第２静止誘導機器支持体を示す斜視図である。第３静止誘導機器支持体を示す斜視図である。静止誘導機器を第２筐体に収納した状態を示す正面図である。静止誘導機器の平面図及び底面図である。静止誘導機器の左側面図である。静止誘導機器の右側面図である。図１０の第２筐体を取り除いたXIV－XIV線上の断面図である。図１０の第２筐体を取り除いたXV－XV線上の断面図である。図１０の第２筐体を取り除いたXVI－XVI線上の断面図である。図１１のXVII－XVII線上の断面図である。

以下、本発明に係る電力変換装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

まず、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について説明する。
本発明に係る電力変換装置１０を装着する鉄道車両１１は、図１に示すように、車体１２の上部にパンタグラフ１３が設置されている。車体１２の床下には、車両の進行方向の両端側にそれぞれレール１４に転接する車輪１５を支持する台車１６が配置されている。
車体１２の床下における台車１６間の取付部１７には、電力変換装置１０が吊り下げ保持されている。この電力変換装置１０は、鉄道車両１１の車内電源を供給するものである。

電力変換装置１０は、図２に示すように、車両の走行方向に３つの第１筐体１８Ａ、第２筐体１８Ｂ及び第３筐体１８Ｃが一体に連結された構成を有する。ここで、鉄道車両１１が直流電気車であるものとすると、第１筐体１８Ａには、例えばパンタグラフ１３から供給される直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ及び共振型ＤＣ－ＤＣコンバータが収納されている。第２筐体１８Ｂには、変圧器、リアクトル等の静止誘導機器２０や冷却媒体として導入した外気を排気する排気ファン２１が収納されている。第３筐体１８Ｃには、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータから出力される直流を三相交流に変換する三相インバータが収納されている。

第１筐体１８Ａ、第２筐体１８Ｂ及び第３筐体１８Ｃの背面側には通気ダクト２２が形成されている。この通気ダクト２２は、第１筐体１８Ａ側の端部及び第３筐体１８Ｃ側の端部に吸気口２２ａ及び２２ｂが開口され、第１筐体１８Ａ、第２筐体１８Ｂ及び第３筐体１８Ｃとその背面側で連通している。したがって、排気ファン２１によって、吸気口２２ａ及び２２ｂから外気を導入する。この導入された外気が通気ダクト２２を通じて第１筐体１８Ａ及び第３筐体１８Ｃを冷却し、さらに第２筐体１８Ｂの静止誘導機器２０を冷却して第２筐体１８Ｂの前面に設けられた排気口２３から外部に排気される。すなわち、第２筐体１８Ｂ内で、排気ファン２１が第２筐体１８Ｂの前面側に配置され、静止誘導機器２０が背面側（通気ダクト２２側）に配置されている。

電力変換装置１０の回路構成は、図３に示すように、昇圧チョッパ３１、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２及び三相インバータ３３を備えている。
昇圧チョッパ３１は、３レベル昇圧チョッパの構成を有する。この昇圧チョッパ３１は、パンタグラフ１３から供給される直流高電圧が入力される直流リアクトルＲｄｃと、昇圧用スイッチング素子Ｑ１１及びＱ１２と、ダイオードＤ１１及びＤ１２と、キャパシタＣ１１及びＣ１２とで構成されている。

共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２は、４つのスイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４を有するスイッチング素子ブリッジ回路ＳＢと、高周波絶縁トランスＴｒと、４つのダイオードＤ２１～Ｄ２４を有するダイオードブリッジ回路ＤＢとを備えている。
スイッチング素子ブリッジ回路ＳＢは、スイッチング素子Ｑ２１及びＱ２２が直列に接続され、スイッチング素子Ｑ２３及びＱ２４が直列に接続されている。ハイアームを構成するスイッチング素子Ｑ２１及びＱ２３の高電位側端子が昇圧チョッパ３１の正極出力側に接続され、ローアームを構成するスイッチング素子Ｑ２２及びＱ２４の低電位側端子が昇圧チョッパ３１の負極出力側に接続されている。

高周波絶縁トランスＴｒは、一次側巻線Ｌ２１の一端がキャパシタＣ２１を介してスイッチング素子Ｑ２１及びＱ２２の接続点に接続され、他端が直接スイッチング素子Ｑ２３及びＱ２４の出力端子に接続されている。また、高周波絶縁トランスＴｒの二次側巻線Ｌ２２は、一端がダイオードＤ２１及びＤ２２の接続点に接続され、他端がダイオードＤ２３及びＤ２４の接続点に接続されている。
三相インバータ３３は、蓄電用キャパシタＣｓと、６つのスイッチング素子Ｑ３１～Ｑ３６を有する三相ブリッジ回路ＴＢと、交流フィルタ回路ＡＦとを備えている。蓄電用キャパシタＣｓは、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２の正極出力側及び負極出力側間に接続されている。三相ブリッジ回路ＴＢは、蓄電用キャパシタＣｓと並列に、スイッチング素子Ｑ３１及びＱ３２の直列回路、スイッチング素子Ｑ３３及びＱ３４の直列回路及びスイッチング素子Ｑ３５及びＱ３６の直列回路が接続されている。

交流フィルタ回路ＡＦは、交流三相リアクトルＲａｃと、交流キャパシタＣａｃとを備えている。交流三相リアクトルＲａｃは、３つの巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗを有する。巻線Ｌｕは、スイッチング素子Ｑ３１及びＱ３２の接続点及び出力端子ｔｕ間に接続されている。巻線Ｌｖは、スイッチング素子Ｑ３３及びＱ３４の接続点及び出力端子ｔｖ間に接続されている。巻線Ｌｗは、スイッチング素子Ｑ３５及びＱ３６の接続点及び出力端子ｔｗ間に接続されている。

交流キャパシタＣａｃは、一端が互いに接続された３つのキャパシタＣｕ、Ｃｖ及びＣｗを有する。キャパシタＣｕの他端は巻線Ｌｕ及び出力端子ｔｕ間に接続され、キャパシタＣｖの他端は巻線Ｌｖ及び出力端子ｔｖ間に接続され、キャパシタＣｗの他端は巻線Ｌｗ及び出力端子ｔｗ間に接続されている。
静止誘導機器２０は、図４に示すように、昇圧チョッパ３１を構成する直流リアクトルＲｄｃ、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２を構成する高周波絶縁トランスＴｒ及び三相インバータ３３を構成する交流三相リアクトルＲａｃを一纏めにして収納している。

この静止誘導機器２０は、直流リアクトルＲｄｃを支持する第１静止機器支持体ＳＰ１と、高周波絶縁トランスＴｒを支持する第２静止機器支持体ＳＰ２と、交流三相リアクトルＲａｃを支持する第３静止機器支持体ＳＰ３とを備えている。
第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３は、図１０に示すように、車体１２の前後方向すなわち電力変換装置１０の左右方向に、所定間隔の通風路４０を形成して並列配置されている。すなわち、通風路４０は、第２静止機器支持体ＳＰ２の両側面において、通風方向に沿って形成されている。各静止機器支持体ＳＰ１～ＳＰ３の上下端部は対となる第１連結支持部材ＣＳ１及び第２連結支持部材ＣＳ２に固定されている。

第１静止機器支持体ＳＰ１は、図６及び図７に示すように、直流リアクトルＲｄｃで構成される静止誘導機器本体４１と、静止誘導機器本体４１を支持する前後一対のヨーク支持部材４２及び４３とを備えている。
静止誘導機器本体４１は、図７及び図１４に示すように、鉄心４４と、この鉄心４４に巻装された巻線Ｌ１１及びＬ１２とを有する。鉄心４４は、巻線Ｌ１１及びＬ１２を巻装した２本の前後方向に延長する平行な磁脚部４４ａ及び４４ｂと、これら磁脚部４４ａ及び４４ｂの前後端部を個別に連結するヨーク部４４ｃ及び４４ｄとで方形枠状に形成されている。

ヨーク支持部材４２及び４３のそれぞれは、図７に示すように、静止誘導機器本体４１の鉄心４４のヨーク部４４ｃ及び４４ｄを垂直状態に配置した状態で、ヨーク部４４ｃ及び４４ｄの対向側面を個別に支持する左右一対の支持板４５ａ及び４５ｂを備えている。これら支持板４５ａ及び４５ｂのそれぞれは、ヨーク部４４ｃ及び４４ｄの延長方向すなわち通風路４０の通風方向と直交する方向に延長し、板面が図１０に示す通風路４０と平行な細長い帯状の板体で構成されている。

ここで、支持板４５ａ及び４５ｂは、上端が巻線Ｌ１１の上端より上方に延長しているとともに、下端が巻線Ｌ１２の下端より下方に延長している。支持板４５ａ及び４５ｂは、中間部に静止誘導機器本体４１のヨーク部４４ｃ及び４４ｄをボルト及びナット等の締結具４６で固定支持している。また、支持板４５ａ及び４５ｂの上端及び下端にはそれぞれヨーク部４４ｃ及び４４ｄから離れる方向に折り曲げられた取付板部４５ｃ及び４５ｄが形成されている。

そして、ヨーク支持部材４２及び４３の外側には、各支持板４５ａ及び４５ｂの中間部を囲むように保持する補強枠部材４７が設けられている。この補強枠部材４７は、前後一対の長方形板４７ａ及び４７ｂと、長方形板４７ｂに固定された長方形板４７ａまで延長する２本のボルト４７ｃ及び４７ｄと、ボルト４７ｃ及び４７ｄに螺合するナット４７ｅ及び４７ｆとで構成されている。
長方形板４７ａは、ヨーク部４４ｃの前端面における上下方向の中央部及びヨーク支持部材４３の支持板４５ａ及び４５ｂの前端における上下方向の中央部に正面から見て巻線Ｌ１１及びＬ１２間の空間部を閉塞するように接触する。この長方形板４７ａは、支持板４５ａ及び４５ｂの外表面間の幅より長く、巻線Ｌ１１及びＬ１２の幅と略等しい幅に設定され、支持板４５ａの外表面間の間隔と等しい間隔を保つ貫通孔（図示せず）が形成されている。

長方形板４７ｂは、ヨーク部４４ｄの後端面における上下方向の中央部及びヨーク支持部材４３の支持板４５ａ及び４５ｂの後端における上下方向の中央部に背面から見て巻線Ｌ１１及びＬ１２間の空間部を閉塞するように接触する。この長方形板４７ｂは、長方形板４７ａと同一寸法に形成され、長方形板４７ａの貫通孔に対向する位置にボルト４７ｃ及び４７ｄが固定されている。
そして、長方形板４７ｂに固定されたボルト４７ｃ及び４７ｄがヨーク支持部材４２の支持板４５ａ及び４５ｂの外側を通り、巻線Ｌ１１及びＬ１２間を通って長方形板４７ａの貫通孔から前方に突出されている。ボルト４７ｃ及び４７ｄの長方形板４７ａから突出する先端にナット４７ｅ及び４７ｆが螺合されて締め付けられている。このため、長方形板４７ａ及び４７ｂとボルト４７ｃ及び４７ｄとで、一対のヨーク支持部材４２及び４３の支持板４５ａ及び４５ｂを外側から囲んで挟持する方形枠状体が構成されている。

第２静止機器支持体ＳＰ２は、図６及び図８に示すように、高周波絶縁トランスＴｒで構成される静止誘導機器本体５１を前後一対のヨーク支持部材５２及び５３で支持している。静止誘導機器本体５１は、図８に示すように、鉄心５４と、この鉄心５４に巻装された一次側巻線Ｌ２１及び二次側巻線Ｌ２２とを有する。鉄心５４は、例えばアモルファス磁性薄帯を積層して四角筒状に形成され、図１５に示すように、前後方向に延長する磁脚部５４ａ及び５４ｂと、これら磁脚部５４ａ及び５４ｂを前後端部で連結するヨーク部５４ｃ及び５４ｄとで四角枠状に構成されている。

一次側巻線Ｌ２１及び二次側巻線Ｌ２２は、図５、図１５及び図１７に示すように、内側巻線５５と外側巻線５６とで構成されている。そして、内側巻線５５及び鉄心５４の外周面間にはスペーサ５７が介挿され、内側巻線５５及び外側巻線５６間にはスペーサ５８が介挿されている。
ヨーク支持部材５２及び５３のそれぞれは、図８に示すように、静止誘導機器本体５１の鉄心５４のヨーク部５４ｃ及び５４ｄを垂直方向に配置した状態で、ヨーク部５４ｃ及び５４ｄの対向側面を個別に支持する一対の支持板５９ａ及び５９ｂを備えている。

これら支持板５９ａ及び５９ｂのそれぞれは、ヨーク部５４ｃ及び５４ｄの延長方向に延長し、板面が図１０に示す通風路４０と平行な細長い帯状の板体で構成されている。支持板５９ａ及び５９ｂは、上端が一次側巻線Ｌ２１の上端より上方に延長しているとともに、下端が二次側巻線Ｌ２２の下端より下方に延長している。これら支持板５９ａ及び５９ｂの長さは前述した第１静止機器支持体ＳＰ１の支持板４５ａ及び４５ｂと同じ長さに設定されている。

また、支持板５９ａ及び５９ｂ間には、中間部に静止誘導機器本体５１のヨーク部５４ｃ及び５４ｄの円弧状外周面に対向又は係合する上下一対の連結ボルト６０ａ及び６０ｂが橋架されている。連結ボルト６０ａ及び６０ｂの先端にナット６０ｃ及び６０ｄが螺合されている。このナット６０ｃ及び６０ｄを締め付けることにより、一対のヨーク支持部材５２及び５３の支持板５９ａ及び５９ｂの中間部で静止誘導機器本体５１のヨーク部５４ｃ及び５４ｄを挟持する。

また、支持板５９ａ及び５９ｂの上端及び下端にはそれぞれヨーク部５４ｃ及び５４ｄから離れる方向に折り曲げられた取付板部５９ｃ及び５９ｄが形成されている。
そして、一対のヨーク支持部材５２及び５３の支持板５９ａ及び５９ｂの中間部を囲むように補強枠部材６１が配置されている。この補強枠部材６１は、前後一対の長方形板６２ａ及び６２ｂと、長方形板６２ｂに固定されて長方形板６２ａまで延長するボルト６２ｃ及び６２ｄと、ボルト６２ｃ及び６２ｄに螺合するナット６２ｅ及び６２ｆとで構成されている。長方形板６２ａ及び６２ｂは、一次側巻線Ｌ２１の外側巻線５６と二次側巻線Ｌ２２の外側巻線５６との間の空間を前後で閉塞するように配置されている。

長方形板６２ｂに固定されたボルト６２ｃ及び６２ｄは、一次側巻線Ｌ２１及び二次側巻線Ｌ２２間を通り、長方形板６２ａの貫通孔から前方に突出されている。ボルト６２ｃ及び６２ｄの長方形板６２ａから突出する先端にナット６２ｅ及び６２ｆが螺合されて締め付けられている。このため、長方形板６２ａ及び６２ｂとボルト６２ｃ及び６２ｄとで、一対のヨーク支持部材５２及び５３の支持板５９ａ及び５９ｂを外側から囲んで保持する方形枠状体が構成されている。

第３静止機器支持体ＳＰ３は、図６及び図９に示すように、交流三相リアクトルＲａｃで構成される静止誘導機器本体７１と、静止誘導機器本体７１を支持する前後一対のヨーク支持部材７２及び７３とを備えている。
静止誘導機器本体７１は、図９及び図１６に示すように、鉄心７４と、この鉄心７４に巻装された巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗとを有する。鉄心７４は、巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗを巻装した３本の前後方向に延長する平行な磁脚部７４ａ、７４ｂ及び７４ｃと、これら磁脚部７４ａ、７４ｂ及び７４ｃの前後端部を個別に連結するヨーク部７４ｄ及び７４ｅとで方形枠状に形成されている。鉄心７４の各磁脚部７４ａ、７４ｂ及び７４ｃと巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗとの間にはスペーサ７５が介挿されている。

ヨーク支持部材７２及び７３のそれぞれは、図９に示すように、静止誘導機器本体７１の鉄心７４のヨーク部７４ｄ及び７４ｅを垂直方向に配置した状態で、ヨーク部７４ｄ及び７４ｅの対向側面を個別に支持する一対の支持板７６ａ及び７６ｂを備えている。これら支持板７６ａ及び７６ｂのそれぞれは、ヨーク部７４ｄ及び７４ｅの延長方向すなわち通風路４０の通風方向と直交する上下方向に延長し、板面が通風路４０と平行な細長い帯状の板体で構成されている。支持板７６ａ及び７６ｂの長さは第１静止機器支持体ＳＰ１の支持板４５ａ及び４５ｂ、第２静止機器支持体ＳＰ２の支持板５９ａ及び５９ｂと同じ長さに設定されている。

支持板７６ａ及び７６ｂは、中間部に静止誘導機器本体７１のヨーク部７４ｄ及び７４ｅをボルト及びナット等の締結具７７で固定支持している。また、支持板７６ａ及び７６ｂの上端及び下端にはそれぞれヨーク部７４ｄ及び７４ｅから離れる方向に折り曲げられた取付板部７６ｃ及び７６ｄが形成されている。
そして、ヨーク支持部材７２及び７３には、各支持板７６ａ及び７６ｂの中間部を囲む上下一対の補強枠部材７８が設けられている。この補強枠部材７８は、前後一対の長方形板７８ａ及び７８ｂと、長方形板７８ｂに固定されて長方形板７８ａまで延長する２本の連結するボルト７８ｃ及び７８ｄと、ボルト７８ｃ及び７８ｄに螺合するナット７８ｅ及び７８ｆとで構成されている。長方形板７８ａ及び７８ｂは、巻線Ｌｕ及びＬｖ間の空間と巻線Ｌｖ及びＬｗ間の空間とを閉塞するように配置されている。

長方形板７８ｂに固定されたボルト７８ｃ及び７８ｄは、巻線Ｌｕ，Ｌｖ間及び巻線Ｌｖ，Ｌｗ間を通り、長方形板７８ａの貫通孔から前方に突出されている。ボルト７８ｃ及び７８ｄの長方形板７８ａから突出する先端にナット７８ｅ及び７８ｆが螺合されて締め付けられている。このため、長方形板７８ａ及び７８ｂとボルト７８ｃ及び７８ｄとで、一対のヨーク支持部材７２及び７３の支持板７６ａ及び７６ｂを外側から囲んで保持する方形枠状体が構成されている。

図４、図１１及び図１２に示すように、第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３の上端は、第１連結支持部材ＣＳ１で連結して支持されている。この第１連結支持部材ＣＳ１は、中央部に方形窓８１を形成した上面板部８２と、この上面板部８２の前後端部から下方に折り曲げられた折り曲げ部８３及び８４と、方形窓８１の前後端縁間を連結する連結板部８５及び８６とを備えている。
また、第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３の下端は、第２連結支持部材ＣＳ２で連結して支持されている。この第２連結支持部材ＣＳ２は、中央部に方形窓９１を形成した下面板部９２と、この下面板部９２の前後端部から上方に折り曲げられた折り曲げ部９３及び９４と、方形窓９１の前後端縁間を連結する連結板部９５及び９６とを備えている。

そして、図１０に示すように、上面板部８２の下面側に左側から順に第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３が巻線間に熱の干渉がない程度の間隔の通風路４０を形成して並列に支持されている。すなわち、上面板部８２の左端側に、第１静止機器支持体ＳＰ１を静止誘導機器本体４１の鉄心４４の磁脚部４４ａ及び４４ｂが第２筐体１８Ｂの前後方向（通風方向）に延長するように配置する（図４、図６、図７参照）。この状態で、上面板部８２に、ヨーク支持部材４２及び４３の支持板４５ａ及び４５ｂに形成された一方の取付板部４５ｃ及び４５ｄを、例えばボルト及びナットで構成される締結部材８７によって固定し、下面板部９２に、他方の取付板部４５ｃ及び４５ｄを、例えばボルト及びナットで構成される締結部材９７によって固定する（図４、図１２参照）。

同様に、上面板部８２の左右方向の中間部に、第２静止機器支持体ＳＰ２を静止誘導機器本体５１の鉄心５４の磁脚部５４ａ及び５４ｂが第２筐体１８Ｂの前後方向（通風方向）に延長するように配置する（図４、図６、図８参照）。この状態で、上面板部８２に、ヨーク支持部材５２及び５３の支持板５９ａ及び５９ｂに形成された取付板部５９ｃ及び５９ｄを例えばボルト及びナットで構成される締結部材８８によって固定し、下面板部９２に、他方の取付板部５９ｃ及び５９ｄを、例えばボルト及びナットで構成される締結部材９８によって固定する（図４、図１５参照）。

さらに、上面板部８２の右端側に、第３静止機器支持体ＳＰ３を静止誘導機器本体７１の鉄心７４の磁脚部７４ａ～７４ｃが第２筐体１８Ｂの前後方向（通風方向）に延長するように配置する（図４、図６、図９参照）。この状態で、上面板部８２に、ヨーク支持部材７２及び７３の支持板７６ａ及び７６ｂに形成された取付板部７６ｃ及び７６ｄを例えばボルト及びナットで構成される締結部材８９によって固定し、下面板部９２に、他方の取付板部７６ｃ及び７６ｄを、例えばボルト及びナットで構成される締結部材９９によって固定する（図４、図１３参照）。

ここで、第１連結支持部材ＣＳ１の上面板部８２の左端面は、第１静止機器支持体ＳＰ１の巻線Ｌ１１及びＬ１２の左端面より通風路４０の左右方向間隔の半分程度突出されている。また、上面板部８２の右端面は、第３静止機器支持体ＳＰ３の巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗの右端面より通風路４０の左右方向間隔の半分程度突出している。したがって、図１０に示すように、静止誘導機器２０を第２筐体１８Ｂに収納したときに、第１静止機器支持体ＳＰ１の巻線Ｌ１１及びＬ１２と第２筐体１８Ｂの左側壁１９Ｌとの間に通風路４０ａが形成される。同様に、第３静止機器支持体ＳＰ３の巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗと第２筐体１８Ｂの右側壁１９Ｒとの間に通風路４０ｂが形成される。

また、第２連結支持部材ＣＳ２の下面板部９２の左端面は、第１静止機器支持体ＳＰ１の巻線Ｌ１１及びＬ１２の左端面より通風路４０の左右方向間隔の半分程度突出されている。また、下面板部９２の右端面は、第３静止機器支持体ＳＰ３の巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗの右端面より通風路４０の左右方向間隔の半分程度突出ている。
そして、上記構成を有する静止誘導機器２０が、図２（ａ）に示すように、電力変換装置１０の第２筐体１８Ｂ内に第１連結支持部材ＣＳ１を上方とし、第２連結支持部材ＣＳ２を下方とする関係で、第２筐体１８Ｂの後方側に収納され、その前方に排気ファン２１が収納される。

次に、上記電力変換装置１０の動作を説明する。
パンタグラフ１３から入力される直流高電圧は、図３に示す電力変換装置１０の入力端子ｔｉ１に入力され、入力端子ｔｉ２は車輪１５を介してレール１４に接続されてアースに接続される。
電力変換装置１０に入力された直流高電圧は、昇圧チョッパ３１によって昇圧され、次いで共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２の高周波絶縁トランスＴｒによって入力側及び出力側が絶縁された状態で、電圧調整されて三相インバータ３３に供給される。三相インバータ３３では入力される直流を三相交流に変換し、出力端子ｔｕ～ｔｗから車内電源として出力する。

この電力変換装置１０では、電力変換過程で、昇圧チョッパ３１の直流リアクトルＲｄｃ、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２の高周波絶縁トランスＴｒ及び三相インバータ３３の交流フィルタＡＦを構成する交流三相リアクトルＲａｃで発熱を生じる。特に、昇圧チョッパ３１を構成する直流リアクトルＲｄｃは、電流量が多いため、発熱量も大きくなる。
これら直流リアクトルＲｄｃ、高周波絶縁トランスＴｒ及び交流三相リアクトルＲａｃでなる静止誘導機器を分散させて配置する場合には、発熱量が分散されるが、それぞれの静止誘導機器に対して冷却構造が必要となる。

したがって、本実施形態のように、直流リアクトルＲｄｃ、高周波絶縁トランスＴｒ及び交流三相リアクトルＲａｃを纏めて静止誘導機器２０とすることにより、冷却構造が１つで済むことになる。そして、この静止誘導機器２０を排気ファン２１の吸込み側すなわち上流側に近接させて配置することにより、排気ファン２１によって吸い込まれた外気によって十分に冷却することができる。
一方、昇圧チョッパ３１、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２及び三相インバータ３３を構成するスイッチング素子やキャパシタ等の電気部品でも発熱を生じる。

このため、本実施形態では、昇圧チョッパ３１及び共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２を収納する第１筐体１８Ａ及び三相インバータ３３を収納する第３筐体１８Ｃの後方側に両端に吸気口２２ａ及び２２ｂを有する通気ダクト２２を配置している。この通気ダクト２２は第１筐体１８Ａ，第２筐体１８Ｂ及び第３筐体１８Ｃに連通されている。したがって、排気ファン２１によって吸気口２２ａ及び２２ｂから吸気された外気が昇圧チョッパ３１、共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ３２及び三相インバータ３３を冷却した後、静止誘導機器２０を後方側から前方側に抜けて排気口２３から排気される。

このとき、静止誘導機器２０は、直流リアクトルＲｄｃを静止誘導機器本体４１として第１静止機器支持体ＳＰ１に支持させている。同様に、高周波絶縁トランスＴｒを静止誘導機器本体５１として第２静止機器支持体ＳＰ２に支持させている。さらに、交流三相リアクトルＲａｃを静止誘導機器本体７１として第３静止機器支持体ＳＰ３に支持させている。
そして、第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３が、図１０に示すように、第１連結支持部材ＣＳ１及び第２連結支持部材ＣＳ２間に、左右方向に隣接する巻線間に通風路４０を形成するように並列に支持されている。さらに、第１静止機器支持体ＳＰ１の巻線Ｌ１１及びＬ１２と第２筐体１８Ｂの左側壁１９Ｌとの間に通風路４０ａが形成され、第３静止機器支持体ＳＰ３の巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗと第２筐体１８Ｂの右側壁１９Ｒとの間に通風路４０ｂが形成されている。

したがって、直流リアクトルＲｄｃ、高周波絶縁トランスＴｒ及び交流三相リアクトルＲａｃの周囲に通風路４０、４０ａ及び４０ｂが形成されている。このため、これら通風路４０、４０ａ及び４０ｂを後方から前方に通過する冷却風によって直流リアクトルＲｄｃ、高周波絶縁トランスＴｒ及び交流三相リアクトルＲａｃに対して十分な冷却効果を発揮することができる。このとき、第１連結支持部材ＣＳ１及び第２連結支持部材ＣＳ２は、通風路４０、４０ａ及び４０ｂと平行に配置されているので、冷却風を遮ることがない。

また、第１静止機器支持体ＳＰ１では、静止誘導機器本体４１を構成する鉄心４４のヨーク部４４ｃ，４４ｄをヨーク支持部材４２，４３で支持している。同様に、第２静止機器支持体ＳＰ２では、静止誘導機器本体５１を構成する鉄心５４のヨーク部５４ｃ，５４ｄをヨーク支持部材５２，５３で支持している。さらに、第３静止機器支持体ＳＰ３では、静止誘導機器本体７１を構成する鉄心７４のヨーク部７４ｄ，７４ｅをヨーク支持部材７２，７３で支持している。

しかも、各ヨーク支持部材４２，４３、５２，５３及び７２，７３を構成する支持板４５ａ，４５ｂ、５９ａ，５９ｂ及び７６ａ，７６ｂは板面が通風路４０を通過する冷却風の通過方向と平行に配置されている。このため、支持板４５ａ，４５ｂ、５９ａ，５９ｂ及び７６ａ，７６ｂが冷却風の抵抗となることが殆どなく、流路抵抗を小さくして圧力損失を低減することができる。したがって、静止誘導機器本体４１、５１及び７１に対する冷却効果を向上させることができる。

さらに、直流リアクトルＲｄｃ、高周波絶縁トランスＴｒ及び交流三相リアクトルＲａｃには、鉄心４４、５４及び７４と巻線Ｌ１１，Ｌ１２、Ｌ２１，Ｌ２２及びＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗとの間にスペーサによる隙間が生じている。この隙間にも冷却風が通過するので、冷却効果をより向上させることができる。
ここで、第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３間の隙間は、広ければ広い程流路抵抗が減少して通風量が増えて冷却効率は向上するが、静止誘導機器２０全体が大型化してしまう。このため、必要な冷却効果が得られる最小限の隙間に設定することが好ましい。

また、幅の広い高周波絶縁トランスＴｒを支持する第２静止機器支持体ＳＰ２の両隣に幅の狭い直流リアクトルＲｄｃを支持する第１静止機器支持体ＳＰ１及び交流三相リアクトルＲａｃを支持する第３静止機器支持体ＳＰ３を配置している。このため、通風路４０が略左右対象となることにより、冷却風が一方側に偏ることなく、均等な冷却を行うことができる。このとき、静止誘導機器２０の正面を正方形に近い形状とし、その中心を排気ファン２１の軸心と略一致させることにより、より均等な冷却が可能となる。

さらに、第１静止機器支持体ＳＰ１、第２静止機器支持体ＳＰ２及び第３静止機器支持体ＳＰ３で、上下の巻線間に補強枠部材を構成する長方形板４７ａ、４７ｂ、６２ａ、６２ｂ、７８ａ、７８ｂが配置されている。このため、これら長方形板４７ａ、４７ｂ、６２ａ、６２ｂ、７８ａ、７８ｂが邪魔板となって、乱流を生じさせて冷却効果を向上させることができるとともに、通風路４０、４０ａ及び４０ｂに流れる冷却風の流量を均一化することができる。この意味で、第１静止機器支持体ＳＰ１の巻線Ｌ１１と第１連結支持部材ＣＳ１との間と巻線Ｌ１２と第２連結支持部材ＣＳ２との間の隙間にも補強枠部材を配置することが好ましい。この補強枠部材に代えて第１連結支持部材ＣＳ１及び第２連結支持部材ＣＳ２に隙間を塞ぐ閉塞板部を設けるようにしてもよい。

なお、上記実施形態では、静止誘導機器本体４１、５１、７１の鉄心４４、５４及び７４が垂直面内に位置するように配置した場合について説明した。本発明は、上記構成に限定されるものではなく、図１６において９０度回転させて静止誘導機器本体４１、５１、７１の鉄心４４、５４及び７４が水平面内に位置するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、一対のヨーク支持部材４２，４３、５２，５３、７２，７３を一対の支持板４５ａ，４５ｂ、５９ａ，５９ｂ、７６ａ，７６ｂで構成する場合について説明した。本発明はこれに限定されるものではなく、一方の支持板を省略してヨーク部を片側でのみ支持することもできるし、一対の支持板を連結してヨーク部を覆うように断面Ｕ字状に形成して一つの支持板とすることもできる。

また、ヨーク支持部材による鉄心のヨーク部の支持は、締結具による場合に限らない。例えば、対をなす支持板４５ａ，４５ｂ、５９ａ，５９ｂ、７６ａ，７６ｂの一方又は双方に鉄心のヨーク部を支持する支持片を形成してヨーク部を支持するようにしてもよい。あるいは一対の支持板同士を上下一対の連結板で連結して一体化し、連結板間にヨーク部を保持する保持部を形成するようにしてもよい。さらには、対をなす支持板４５ａ，４５ｂ、５９ａ，５９ｂ、７６ａ，７６ｂの形状は、細長い帯状に形成する場合に限らず、ヨーク部を支持できれば任意の形状とすることができる。

また、上記実施形態では、高周波絶縁トランスとしてアモルファス磁性薄帯を積層した鉄心５４を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、積層鉄心で構成することもできる。この場合には、支持板５９ａ及び５９ｂを鉄心５４に第１静止機器支持体ＳＰ１及び第３静止機器支持体ＳＰ３と同様に積層鉄心にボルト及びナット等の締結具で支持することができる。
また、上記実施形態では、補強枠部材４７、６３、７８を設けた場合について説明したが、これら補強枠部材４７、６３、７８を省略することもできる。

また、上記実施形態では、本発明に係る静止誘導機器を電力変換装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他のリアクトルや変圧器等の静止誘導機器を複数使用する装置に本発明に係る静止誘導機器を適用することができる。
また、上記実施形態では、車体の上部に設置されたパンタグラフから集電する鉄道車両用電力変換装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。本発明は、第三軌条からコレクターシューを介して集電する第三軌条方式の鉄道車両用電力変換装置に対して適用することができる。

１０…電力変換装置、１１…鉄道車両、１２…車体、１３…パンタグラフ、１４…レール、１５…車輪、１６…台車、１７…取付部、１８Ａ…第１筐体、１８Ｂ…第２筐体、１８Ｃ…第３筐体、２０…静止誘導機器、２１…排気ファン、２２…通気ダクト、３１…昇圧チョッパ、３２…共振型ＤＣ－ＤＣコンバータ、３３…三相インバータ、４０，４０ａ，４０ｂ…通風路、ＳＰ１…第１静止機器支持体、ＳＰ２…第２静止機器支持体、ＳＰ３…第３静止機器支持体、ＣＳ１…第１連結支持部材、ＣＳ２…第２連結支持部材、４１…静止誘導機器本体、４２，４３…ヨーク支持部材、４４…鉄心、４４ａ，４４ｂ…磁脚部、４４ｃ，４４ｄ…ヨーク部、４５ａ，４５ｂ…支持板、４５ｃ，４５ｄ…取付板部、４６…締結具、４７…補強枠部材、４７ａ，４７ｂ…長方形板、５１…静止誘導機器本体、５２，５３…ヨーク支持部材、５４…鉄心、５４ａ，５４ｂ…磁脚部、５４ｃ，５４ｄ…ヨーク部、５９ａ，５９ｂ…支持板、５９ｃ，５９ｄ…取付板部、６０ａ，６０ｂ…連結ボルト、６１…補強枠部材、７１…静止誘導機器本体、７２，７３…ヨーク支持部材、７４…鉄心、７４ａ～７４ｃ…磁脚部、７４ｄ，７４ｅ…ヨーク部、７６ａ，７６ｂ…支持板、７６ｃ，７６ｄ…取付板部、７８…補強枠部材、７８ａ，７８ｂ…長方形板、８１…方形窓、８２…上面板部、８３，８４…折り曲げ部、８５，８６…連結板部、９１…方形窓、９２…下面板部、９３，９４…折り曲げ部、９５，９６…連結板部

Claims

直流リアクトルを支持する第１静止機器支持体と、絶縁トランスを支持する第２静止機器支持体と、交流三相リアクトルを支持する第３静止機器支持体とが、互いの間に通風路が形成され、前記通風路の一方から見て正方形状となるように連結支持部材を介して並列に配置されており、
前記通風路の下流側に、正方形状に配置した前記第１から第３静止機器支持体の中心に軸心が一致するように排気ファンの吸い込み側を近接して配置した静止誘導機器。
請求項１記載の静止誘導機器を備えた電力変換装置。