JP7361954B2 - 電圧センサおよび電力変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、電圧センサおよび電力変換装置に関する。

電気鉄道車両には、架線を通して変電所から供給された直流電力を所望の交流電力に変換し、変換した交流電力を電動機に供給する電力変換装置が搭載されているものがある。この種の電力変換装置の一例が特許文献１に開示されている。この電力変換装置は、直流電力から交流電力への変換を行って交流電力をモータに供給するインバータと、インバータの一次端子間に接続されたフィルタコンデンサと、を備える。

電力変換装置はさらに、フィルタコンデンサに印加される電圧を測定する電圧センサと、モータに流れる電流を測定する電流センサと、を備える。インバータの制御を行うために、電力変換装置は、運転台からの運転指令、電圧センサが測定した電圧値、および電流センサが測定した電流値に基づいて変調率を算出し、変調率に基づいてインバータが有するスイッチング素子を制御する制御装置を備える。

特開２００５－２７４９９号公報

振動を受ける環境に設けられる電力変換装置、例えば、鉄道車両に搭載される電力変換装置においては、電圧センサの構成要素が振動を受けて損傷することを防ぐため、電圧センサとして、基板に正極入力端子、負極入力端子、および正極入力端子と負極入力端子との間の電位差を測定する測定回路が形成されていて、基板が固定されている電圧センサを用いることが好ましい。鉄道車両の走行時の振動によって基板が振動することを防ぐために、基板の四隅は、固定部材によって電力変換装置の筐体に固定されることが好ましい。

電圧センサは、フィルタコンデンサの一端に接続されているブスバーとフィルタコンデンサの他端に接続されているブスバーとの電位差を測定することで、フィルタコンデンサに印加される電圧を測定することができる。電圧センサの正極入力端子は、フィルタコンデンサの一端に接続されているブスバーに電線によって接続され、負極入力端子は、フィルタコンデンサの他端に接続されているブスバーに電線によって接続される。各電線は、基板を筐体に固定する固定部材とは離隔した位置に配設される。

換言すれば、電圧センサは、基板の四隅を筐体に固定する固定部材と、固定部材とは離隔した位置に配設され、正極入力端子および負極入力端子のそれぞれを対応するブスバーに接続する電線とを必要とする。このため、電圧センサの構造が複雑となり、製造工程が煩雑となる。この課題は、鉄道車両に搭載される電力変換装置が備える電圧センサに限られず、振動を受ける環境に設置される装置が備える電圧センサについて起こり得る。

本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造の電圧センサおよび電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の電圧センサは、第１ブスバーと第２ブスバーとの電位差を測定する電圧センサであって、基板と、第１接続部材と、第２接続部材と、第１支持部材と、を備える。基板には、第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極との電位差を測定することにより第１ブスバーと第２ブスバーとの電位差を測定する測定回路が形成される。第１接続部材は、第１電極を第１ブスバーに電気的に接続し、かつ、基板を第１ブスバーに固定する。第２接続部材は、第２電極を第２ブスバーに電気的に接続し、かつ、基板を第２ブスバーに固定する。第１支持部材は、第１ブスバーおよび第３ブスバーを互いに電気的に接続し、かつ、第１ブスバーおよび第３ブスバーを支持する。第１支持部材は、第１ブスバーおよび第３ブスバーが固定され、第１ブスバーおよび第３ブスバーを互いに電気的に接続する第１導電部材と、絶縁体で形成され、第１導電部材を覆う第１絶縁部材と、を有する。第１接続部材は、第１電極を第１導電部材に電気的に接続する。

本開示の電圧センサは、第１電極を第１ブスバーに電気的に接続し、かつ、基板を第１ブスバーに固定する第１接続部材と、第２電極を第２ブスバーに電気的に接続し、かつ、基板を第２ブスバーに固定する第２接続部材とを備える。この結果、基板の四隅を筐体に固定する固定部材と、固定部材とは離隔した位置に配設され、正極入力端子および負極入力端子のそれぞれを対応するブスバーに接続する電線とを設けることが不要となるため、電圧センサおよび電圧センサを備える電力変換装置の構造を簡易化することが可能となる。

実施の形態１に係る電力変換装置の回路図 実施の形態１に係る電圧センサの斜視図 実施の形態１に係る電圧センサの図２のIII－III線での矢視断面図 実施の形態１に係る電圧センサの図２のIV－IV線での矢視断面図 実施の形態２に係る電圧センサの斜視図 実施の形態２に係る第１支持部材の斜視図 実施の形態２に係る第１支持部材の斜視図 実施の形態２に係る第１支持部材の斜視図 実施の形態２に係る第１支持部材の斜視図 実施の形態２に係る電圧センサの図５のX－X線での矢視断面図 実施の形態２に係る第２支持部材の斜視図 実施の形態２に係る第２支持部材の斜視図 実施の形態２に係る第２支持部材の斜視図 実施の形態２に係る第２支持部材の斜視図 実施の形態２に係る電圧センサの図５のXV－XV線での矢視断面図 実施の形態に係る電圧センサの変形例の断面図 実施の形態に係る第１支持部材の変形例の斜視図

以下、本開示の実施の形態に係る電圧センサおよび電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
車両に搭載される電力変換装置を例にして、実施の形態１に係る電力変換装置４０および電力変換装置４０が備える電圧センサ１について説明する。
図１に示す電力変換装置４０は、直流電力を三相交流電力に変換する直流－三相変換装置であり、正極入力端子４１ａと、負極入力端子４１ｂと、出力端子４２ａ，４２ｂ，４２ｃとを備える。各出力端子４２ａ，４２ｂ，４２ｃはそれぞれ、三相交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応している端子である。

電力変換装置４０は、図示しない電源から供給される直流電力を、負荷６１を駆動するための電力に変換して、変換した電力を負荷６１に供給する電力変換部４４と、電力変換部４４の電源に近い端子間に接続されるフィルタコンデンサＦＣ１と、フィルタコンデンサＦＣ１に印加される電圧の値を測定する電圧センサ１と、電力変換部４４が有するスイッチング素子を制御する制御部５１と、を備える。

正極入力端子４１ａと負極入力端子４１ｂの間には、高電圧が印加される。高電圧とは、例えば、直流では４００Ｖ以上、１５００Ｖ以下の電圧であり、交流では実効値が２００Ｖ以上、１０００Ｖ以下の電圧を示すものとする。

正極入力端子４１ａ、負極入力端子４１ｂ、および出力端子４２ａ，４２ｂ，４２ｃはそれぞれ、電力変換部４４にブスバーで電気的に接続される。フィルタコンデンサＦＣ１、電力変換部４４、電力変換部４４に接続されるブスバーを含む高電圧が印加される回路を主回路４３とする。

電力変換装置４０の各部について以下に説明する。
正極入力端子４１ａは、図示しない電源に電気的に接続される。電源は、例えば、電力供給線から電力を取得する集電装置である。電力供給線は、例えば、架線または第三軌条である。集電装置は、例えば、パンタグラフまたは集電靴である。正極入力端子４１ａは、接触器、フィルタリアクトル等を介して、集電装置に電気的に接続されることが好ましい。負極入力端子４１ｂは、接地される。

出力端子４２ａ，４２ｂ，４２ｃはそれぞれ、例えば三相誘導電動機である負荷６１の入力端子に接続される。

電力変換部４４の一対の一次端子は、正極入力端子４１ａおよび負極入力端子４１ｂに電気的に接続される。電力変換部４４の三相交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの二次端子は、電力変換装置４０の出力端子４２ａ，４２ｂ，４２ｃに電気的に接続される。電力変換部４４は、制御部５１によってオンオフが制御される複数のスイッチング素子を有する。複数のスイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が用いられる。複数のスイッチング素子のオンオフが制御部５１によって制御されることで、電力変換部４４は、電力変換を行う。詳細には、電力変換部４４は、一次端子を介して供給される直流電力を負荷６１に供給するための三相交流電力に変換し、三相交流電力を二次端子から出力する。

電力変換部４４の一次端子の一方と正極入力端子４１ａとを接続するブスバーを第１ブスバー４５ａとし、電力変換部４４の一次端子の他方と負極入力端子４１ｂとを接続するブスバーを第２ブスバー４５ｂとする。第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂは、銅、アルミニウム等の導電体で形成される板状部材である。

フィルタコンデンサＦＣ１の一端は第１ブスバー４５ａに接続され、他端は第２ブスバー４５ｂに接続される。第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂのそれぞれに接続されたフィルタコンデンサＦＣ１は、図示しない電源から供給される直流電力によって充電される。上述したように正極入力端子４１ａと図示しない電源との間の回路に設けられるフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサＦＣ１が形成するフィルタによって、高調波成分が低減される。

電圧センサ１の一端は第１ブスバー４５ａに接続され、他端は第２ブスバー４５ｂに接続される。第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂのそれぞれに接続された電圧センサ１は、第１ブスバー４５ａに接続された電極と第２ブスバー４５ｂに接続された電極との電位差を測定する。電圧センサ１の一端は、フィルタコンデンサＦＣ１の一端が接続されている第１ブスバー４５ａ上の接続点と電位が一致するとみなせる位置で第１ブスバー４５ａに接続される。電圧センサ１の他端は、フィルタコンデンサＦＣ１の他端が接続されている第２ブスバー４５ｂ上の接続点と電位が一致するとみなせる位置で第２ブスバー４５ｂに接続される。このため、電圧センサ１が測定した電位差は、フィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧である。

制御部５１は、電圧センサ１から測定値を取得し、図示しない運転台から運転指令を取得し、図示しない電流センサから負荷６１に流れる電流の測定値を取得する。運転指令は、鉄道車両の加速度を指示する力行指令または鉄道車両の減速度を指示するブレーキ指令を含む。制御部５１は、電圧センサ１の測定値、運転指令、および電流センサの測定値から、変調率を算出する。そして、制御部５１は、変調率に従って電力変換部４４のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行う。この結果、電力変換部４４が、上述したように直流電力から三相交流電力への電力変換を行う。

電力変換装置４０の構造の簡易化を可能とする電圧センサ１の構造について以下に説明する。
図２に示すように、電圧センサ１は、第１電極１４、第２電極１５、および第１電極１４と第２電極１５との電位差を測定する測定回路１６が形成される基板１１と、第１電極１４を第１ブスバー４５ａに電気的に接続し、かつ、基板１１を第１ブスバー４５ａに固定する第１接続部材１２と、第２電極１５を第２ブスバー４５ｂに電気的に接続し、かつ、基板１１を第２ブスバー４５ｂに固定する第２接続部材１３と、を備える。

実施の形態１では、図２のIII－III線での矢視断面図である図３に示すように、第１接続部材１２は、第１電極１４を第１ブスバー４５ａに電気的に接続する第１カラー１７と、基板１１を第１ブスバー４５ａに固定する第１締結部材１８と、を有する。図２のIV－IV線での矢視断面図である図４に示すように、第２接続部材１３は、第２電極１５を第２ブスバー４５ｂに電気的に接続する第２カラー１９と、基板１１を第２ブスバー４５ｂに固定する第２締結部材２０と、を有する。図２から図４において、Ｚ軸は鉛直方向を示す。基板１１の主面の法線方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸は、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれに直交する。

筐体１０は、主回路４３を含む電力変換装置４０の構成要素を収容する。実施の形態１では、筐体１０に、電力変換部４４、フィルタコンデンサＦＣ１、第１ブスバー４５ａ、第２ブスバー４５ｂ、電圧センサ１、および制御部５１が収容される。筐体１０は、鉄道車両の予想される最大振動を受けても変形しない程度以上の剛性と強度を有する。例えば、筐体１０は、鉄、アルミニウム等の金属部材で形成される。

基板１１は、対向する第１主面１１ａと第２主面１１ｂとを有する。図２に示すように、基板１１は、第２主面１１ｂが第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂに面する向きで筐体１０に固定される。詳細には、基板１１は、第１電極１４および第２電極１５から離隔した位置で、絶縁体で形成される基板固定部材４６によって、筐体１０に直接的に固定される。実施の形態１では、第１主面１１ａの鉛直方向上端に第１電極１４および第２電極１５が形成され、基板１１は、鉛直方向下端で２つの基板固定部材４６によって筐体１０に直接的に固定される。

基板固定部材４６は、鉄道車両の予想される最大振動を受けても変形しない程度以上の剛性と強度を有することが好ましい。例えば、基板固定部材４６は、筐体１０と同じ金属部材に絶縁処理を施すことで形成されればよい。

第１電極１４は、フィルタコンデンサＦＣ１の一端が接続されている第１ブスバー４５ａ上の接続点と電位が一致するとみなせる位置で第１ブスバー４５ａに接続される。
第１電極１４は、図３に示すように第１主面１１ａから第２主面１１ｂまで基板１１を貫通する筒状の形状を有する導電体で形成される。第１電極１４の形状は、第１カラー１７に当接することが可能な形状を有する。実施の形態１では、第１電極１４の第２主面１１ｂに近い一端は、第１カラー１７の端面と面接触が可能な形状を有する。第１電極１４は、基板１１が第１ブスバー４５ａに固定された状態で、第１カラー１７から受ける応力によって変形しない程度以上の剛性と強度を有することが好ましい。

第２電極１５は、フィルタコンデンサＦＣ１の他端が接続されている第２ブスバー４５ｂ上の接続点と電位が一致するとみなせる位置で第２ブスバー４５ｂに接続される。
第２電極１５は、図４に示すように第１主面１１ａから第２主面１１ｂまで基板１１を貫通する筒状の形状を有する導電体で形成される。第２電極１５の形状は、第２カラー１９に当接することが可能な形状を有する。実施の形態１では、第２電極１５の第２主面１１ｂに近い一端は、第２カラー１９の端面と面接触が可能な形状を有する。第２電極１５は、基板１１が第２ブスバー４５ｂに固定された状態で、第２カラー１９から受ける応力によって変形しない程度以上の剛性と強度を有することが好ましい。

図２に示すように、測定回路１６は、第１主面１１ａに形成される。測定回路１６は、例えば、抵抗素子、トランス、ノイズフィルタ等を有する。

図３に示すように、第１カラー１７は、貫通孔１７ａが形成された筒状の形状を有する導電体で形成される。例えば、第１カラー１７は、銅で形成され、円筒の形状を有する。第１カラー１７が第１電極１４および第１ブスバー４５ａのそれぞれに当接することで、第１ブスバー４５ａが第１カラー１７を介して第１電極１４に電気的に接続される。

第１締結部材１８は、第１カラー１７の貫通孔１７ａに挿通される。貫通孔１７ａに挿通された第１締結部材１８は、第１カラー１７が第１電極１４および第１ブスバー４５ａに当接した状態で基板１１を第１ブスバー４５ａに固定する。第１カラー１７が第１電極１４および第１ブスバー４５ａに当接した状態で基板１１が第１ブスバー４５ａに固定されることで、第１ブスバー４５ａが基板１１に向かって移動することが抑制される。

第１締結部材１８は、例えば、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトである。第１締結部材１８は、第１電極１４を貫通し、第１カラー１７の貫通孔１７ａを通って、第１ブスバー４５ａの固定孔４７ａに挿通されて、ナット１８ａで固定される。第１ブスバー４５ａの固定孔４７ａは、第１ブスバー４５ａの主面に直交する方向に第１ブスバー４５ａを貫通する貫通孔である。詳細には、第１締結部材１８のねじ頭および第１ブスバー４５ａに、第１電極１４および第１カラー１７が挟まれて、第１締結部材１８がナット１８ａで締め上げられる。この結果、第１電極１４が第１カラー１７を介して第１ブスバー４５ａに電気的に接続され、基板１１が第１ブスバー４５ａに固定される。第１締結部材１８は、第１ブスバー４５ａとの間に第１電極１４および第１カラー１７を挟むため、第１カラー１７より硬度および剛性の高い部材、例えば鉄で形成されることが好ましい。

第１締結部材１８を鉄で形成する場合、第１締結部材１８の導電率は第１カラー１７より低いことが好ましい。第１カラー１７を例えば銅で形成して、第１カラー１７の導電率を第１締結部材１８の導電率より高くすることで、第１ブスバー４５ａから第１カラー１７を介して第１電極１４に電流が流れる。銅製の第１カラー１７に電流が流れることによる第１カラー１７の発熱量は、鉄製の第１締結部材１８に電流が流れることによる第１締結部材１８の発熱量より小さい。換言すれば、銅製の第１カラー１７と鉄製の第１締結部材１８を設けることで、第１接続部材１２の発熱量の増大を抑制することができる。

図４に示すように、第２カラー１９は、貫通孔１９ａが形成された筒状の形状を有する導電体で形成される。例えば、第２カラー１９は、銅で形成され、円筒の形状を有する。第２カラー１９が第２電極１５および第２ブスバー４５ｂのそれぞれに当接することで、第２ブスバー４５ｂが第２電極１５に電気的に接続される。

第２締結部材２０は、第２カラー１９の貫通孔１９ａに挿通される。貫通孔１９ａに挿通された第２締結部材２０は、第２カラー１９が第２電極１５および第２ブスバー４５ｂに当接した状態で基板１１を第２ブスバー４５ｂに固定する。第２カラー１９が第２電極１５および第２ブスバー４５ｂに当接した状態で基板１１が第２ブスバー４５ｂに固定されることで、第２ブスバー４５ｂが基板１１に向かって移動することが抑制される。

第２締結部材２０は、例えば、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトである。第２締結部材２０は、第２電極１５を貫通し、第２カラー１９の貫通孔１９ａを通って、第２ブスバー４５ｂの固定孔４７ｂに挿通されて、ナット２０ａで固定される。第２ブスバー４５ｂの固定孔４７ｂは、第２ブスバー４５ｂの主面に直交する方向に第２ブスバー４５ｂを貫通する貫通孔である。詳細には、第２締結部材２０のねじ頭および第２ブスバー４５ｂに、第２電極１５および第２カラー１９が挟まれて、第２締結部材２０がナット２０ａで締め上げられる。この結果、第２電極１５が第２カラー１９を介して第２ブスバー４５ｂに電気的に接続され、基板１１が第２ブスバー４５ｂに固定される。第２締結部材２０は、第２ブスバー４５ｂとの間に第２電極１５および第２カラー１９を挟むため、第２カラー１９より硬度および剛性の高い部材、例えば鉄で形成されることが好ましい。

第２締結部材２０を鉄で形成する場合、第２締結部材２０の導電率は第２カラー１９より低いことが好ましい。第２カラー１９を例えば銅で形成して、第２カラー１９の導電率を第２締結部材２０の導電率より高くすることで、第２電極１５から第２カラー１９を介して第２ブスバー４５ｂに電流が流れる。銅製の第２カラー１９に電流が流れることによる第２カラー１９の発熱量は、鉄製の第２締結部材２０に電流が流れることによる第２締結部材２０の発熱量より小さい。換言すれば、銅製の第２カラー１９と鉄製の第２締結部材２０を設けることで、第２接続部材１３の発熱量の増大を抑制することができる。

上述したように第１ブスバー４５ａが第１電極１４に電気的に接続され、第２ブスバー４５ｂが第２電極１５に電気的に接続されると、測定回路１６は、第１ブスバー４５ａと第２ブスバー４５ｂとの電位差を測定することができる。上述したように、第１電極１４が第１ブスバー４５ａに接続され、第２電極１５が第２ブスバー４５ｂに接続されているため、第１電極１４の電位は、フィルタコンデンサＦＣ１の一端の電位に一致し、第２電極１５の電位は、フィルタコンデンサＦＣ１の他端の電位に一致するとみなせる。すなわち、測定回路１６は、両端子が第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂに接続されているフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の値を測定することができる。

以上説明した通り、実施の形態１に係る電圧センサ１は第１電極１４を第１ブスバー４５ａに電気的に接続し、かつ、基板１１を第１ブスバー４５ａに固定する第１接続部材１２と、第２電極１５を第２ブスバー４５ｂに電気的に接続し、かつ、基板１１を第２ブスバー４５ｂに固定する第２接続部材１３と、を備える。このため、基板の四隅を筐体に固定する固定部材と、固定部材とは離隔した位置に配設され、基板の各電極を対応するブスバーに接続する電線を必要とする電圧センサに比べて、電圧センサ１の構造および製造工程は簡易である。この結果、電圧センサ１を備える電力変換装置４０の構成および製造工程は簡易である。

（実施の形態２）
第１電極１４および第２電極１５をブスバーに電気的に接続し、基板１１をブスバーに固定する方法は上述の例に限られない。複数のブスバーを互いに電気的に接続し、かつ、複数のブスバーを支持する支持部材を用いて、第１電極１４および第２電極１５をブスバーに電気的に接続し、かつ、基板１１を支持部材に固定する電圧センサ２について実施の形態２で説明する。

図５に示すように、電圧センサ２は、第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを電気的に接続し、かつ、第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを支持する第１支持部材２１と、第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄを電気的に接続し、かつ、第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄを支持する第２支持部材２２と、を備える。第１支持部材２１および第２支持部材２２は、筐体１０に収容されて筐体１０に固定されることで、筐体１０に支持される。筐体１０に支持される第１支持部材２１が第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを支持し、筐体１０に支持される第２支持部材２２が第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄを支持することで、鉄道車両の走行時における各ブスバーの振動が抑制される。

実施の形態２では、正極入力端子４１ａは、第１ブスバー４５ａ、第３ブスバー４５ｃ、および第１ブスバー４５ａと第３ブスバー４５ｃを互いに電気的に接続する第１支持部材２１を介して、電力変換部４４の一次端子の一方に接続される。負極入力端子４１ｂは、第２ブスバー４５ｂ、第４ブスバー４５ｄ、および第２ブスバー４５ｂと第４ブスバー４５ｄを互いに電気的に接続する第２支持部材２２を介して、電力変換部４４の一次端子の他方に接続される。

図６および図７に示すように、第１支持部材２１は、第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを互いに電気的に接続する第１導電部材２３と、第１導電部材２３の外面を覆って第１導電部材２３と筐体１０とを絶縁する第１絶縁部材２４と、を有する。

第１導電部材２３は、端部２３ａ，２３ｂが露出した状態で外面が第１絶縁部材２４に覆われる。第１導電部材２３は、導電体、例えば銅で形成されている。実施の形態２では、第１導電部材２３は折り曲げられた柱状の形状を有する。詳細には、第１導電部材２３は、Ｚ軸方向に延在する柱状部分と、Ｙ軸方向に延在する柱状部分を有する。

第１導電部材２３の端部２３ａに第１ブスバー４５ａが当接した状態で、締結部材２５ａによって第１ブスバー４５ａが端部２３ａに固定される。締結部材２５ａは、例えば、金属部材で形成される。図６から第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃの記載を省略した図８に示すように、端部２３ａに第１ブスバー４５ａを固定するためのＺ軸方向に延びる固定孔２６ａが形成される。第１ブスバー４５ａには、実施の形態１と同様に固定孔４７ａが形成されている。

第１ブスバー４５ａの固定孔４７ａを貫通した締結部材２５ａが端部２３ａに形成された固定孔２６ａに挿入されて固定されることで、第１ブスバー４５ａが第１導電部材２３の端部２３ａに固定される。例えば、締結部材２５ａは、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトであり、固定孔２６ａは、締結部材２５ａに嵌合するねじ穴である。締結部材２５ａを第１ブスバー４５ａの固定孔４７ａに通して固定孔２６ａに挿入し、締め上げることで、第１ブスバー４５ａが端部２３ａに固定される。

図７に示すように、第１導電部材２３の端部２３ｂに第３ブスバー４５ｃが当接した状態で、締結部材２５ｂによって第３ブスバー４５ｃが端部２３ｂに固定される。締結部材２５ｂは、例えば、金属部材で形成される。図７から第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃの記載を省略した図９に示すように、端部２３ｂに第３ブスバー４５ｃを固定するためのＹ軸方向に延びる固定孔２６ｂが形成される。図５のX－X線での矢視断面図である図１０に示すように、第３ブスバー４５ｃには、第３ブスバー４５ｃの主面に直交する方向に第３ブスバー４５ｃを貫通する貫通孔である固定孔４７ｃが形成される。

第３ブスバー４５ｃの固定孔４７ｃを貫通した締結部材２５ｂが端部２３ｂに形成された固定孔２６ｂに挿入されて固定されることで、第３ブスバー４５ｃが第１導電部材２３に固定される。例えば、締結部材２５ｂは、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトであり、固定孔２６ｂは、締結部材２５ｂに嵌合するねじ穴である。締結部材２５ｂを第３ブスバー４５ｃの固定孔４７ｃに通して固定孔２６ｂに挿入し、締め上げることで、第３ブスバー４５ｃが端部２３ｂに固定される。

図６および図８に示すように、第１導電部材２３の端部２３ａに、基板１１を固定するためのＹ軸方向に延びる固定孔２６ｃが形成される。固定孔２６ｃは、締結部材２５ａが挿入される固定孔２６ａに連通しない位置に形成される。図１０に示すように、第１接続部材１２が有する第１締結部材１８は、第１電極１４を貫通し、第１カラー１７に挿通された状態で固定孔２６ｃに挿入されて固定されることで、基板１１を第１導電部材２３に固定する。例えば、第１締結部材１８は、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトであり、固定孔２６ｃは、第１締結部材１８に嵌合するねじ穴である。第１締結部材１８を第１カラー１７の貫通孔１７ａに通して固定孔２６ｃに挿入し、締め上げることで、基板１１が端部２３ａに固定される。

第１カラー１７は、第１電極１４および第１導電部材２３のそれぞれに当接している。換言すれば、第１導電部材２３は第１カラー１７を介して第１電極１４に電気的に接続される。このため、第１導電部材２３によって互いに電気的に接続されている第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃは、第１導電部材２３を介して第１電極１４に電気的に接続される。

第１絶縁部材２４は、絶縁体、例えば、合成樹脂で形成されている。第１絶縁部材２４は、電力変換装置４０が搭載される車両の予想される最大振動を受けても変形しない程度以上の剛性と強度を有することが好ましい。実施の形態２では、第１絶縁部材２４の一部は、Ｚ軸方向に延びる第１導電部材２３の外面を覆う柱状の形状を有する。第１絶縁部材２４の他の一部は、Ｙ軸方向に延びる第１導電部材２３の外面を覆い、Ｚ軸方向に直交する断面において多角形とみなせる形状を有する。

絶縁性を有する第１絶縁部材２４は筐体１０に固定されていて、筐体１０に支持されている。第１絶縁部材２４が第１導電部材２３の外面を覆うことで、第１導電部材２３と第１導電部材２３に接続されている第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃは、筐体１０から絶縁される。この結果、第１支持部材２１は、第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを、筐体１０から絶縁した状態で支持することが可能となる。

図１１および図１２に示すように、第２支持部材２２は、第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄを互いに電気的に接続する第２導電部材２７と、第２導電部材２７の外面を覆って第２導電部材２７と筐体１０とを絶縁する第２絶縁部材２８と、を有する。

第２導電部材２７は、端部２７ａ，２７ｂが露出した状態で外面が第２絶縁部材２８に覆われる。第２導電部材２７は、導電体、例えば銅で形成されている。実施の形態２では、第２導電部材２７は折り曲げられた柱状の形状を有する。詳細には、第２導電部材２７は、Ｚ軸方向に延在する柱状部分と、Ｙ軸方向に延在する柱状部分を有する。

第２導電部材２７の端部２７ａに第２ブスバー４５ｂが当接した状態で、締結部材２９ａによって第２ブスバー４５ｂが端部２７ａに固定される。締結部材２９ａは、例えば、金属で形成される。図１１から第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄの記載を省略した図１３に示すように、端部２７ａに第２ブスバー４５ｂを固定するためのＺ軸方向に延びる固定孔３０ａが形成される。

第２ブスバー４５ｂの固定孔４７ｂを貫通した締結部材２９ａが端部２７ａに形成された固定孔３０ａに挿入されて固定されることで、第２ブスバー４５ｂが第２導電部材２７の端部２７ａに固定される。例えば、締結部材２９ａは、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトであり、固定孔３０ａは、締結部材２９ａに嵌合するねじ穴である。締結部材２９ａを第２ブスバー４５ｂの固定孔４７ｂに通して固定孔３０ａに挿入し、締め上げることで、第２ブスバー４５ｂが端部２７ａに固定される。

図１２に示すように、第２導電部材２７の端部２７ｂに第４ブスバー４５ｄが当接した状態で、締結部材２９ｂによって第４ブスバー４５ｄが端部２７ｂに固定される。締結部材２９ｂは、例えば、金属部材で形成される。図１２から第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄの記載を省略した図１４に示すように、端部２７ｂに第４ブスバー４５ｄを固定するためのＹ軸方向に延びる固定孔３０ｂが形成される。図５のXV－XV線での矢視断面図である図１５に示すように、第４ブスバー４５ｄには、第４ブスバー４５ｄの主面に直交する方向に第４ブスバー４５ｄを貫通する貫通孔である固定孔４７ｄが形成される。

第４ブスバー４５ｄの固定孔４７ｄを貫通した締結部材２９ｂが端部２７ｂに形成された固定孔３０ｂに挿入されて固定されることで、第４ブスバー４５ｄが第２導電部材２７に固定される。例えば、締結部材２９ｂは、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトであり、固定孔３０ｂは、締結部材２９ｂに嵌合するねじ穴である。締結部材２９ｂを第４ブスバー４５ｄの固定孔４７ｄに通して固定孔３０ｂに挿入し、締め上げることで、第４ブスバー４５ｄが端部２７ｂに固定される。

図１１および図１３に示すように、第２導電部材２７の端部２７ａに、基板１１を固定するためのＹ軸方向に延びる固定孔３０ｃが形成される。固定孔３０ｃは、締結部材２９ａが挿入される固定孔３０ａに連通しない位置に形成される。図１５に示すように、第２接続部材１３が有する第２締結部材２０は、第２電極１５を貫通し、第２カラー１９に挿通された状態で固定孔３０ｃに挿入されて固定されることで、基板１１を第２導電部材２７に固定する。例えば、第２締結部材２０は、一端にねじ頭が形成され、側面にねじ切り加工が施されたボルトであり、固定孔３０ｃは、第２締結部材２０に嵌合するねじ穴である。第２締結部材２０を第２カラー１９の貫通孔１９ａに通して固定孔３０ｃに挿入し、締め上げることで、基板１１が端部２７ａに固定される。

第２カラー１９は、第２電極１５および第２導電部材２７のそれぞれに当接している。換言すれば、第２導電部材２７は第２カラー１９を介して第２電極１５に電気的に接続される。このため、第２導電部材２７によって互いに電気的に接続されている第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄは、第２導電部材２７を介して第２電極１５に電気的に接続される。

第２絶縁部材２８は、絶縁体、例えば、合成樹脂で形成されている。第２絶縁部材２８は、電力変換装置４０が搭載される車両の予想される最大振動を受けても変形しない程度以上の剛性と強度を有することが好ましい。実施の形態２では、第２絶縁部材２８の一部は、Ｚ軸方向に延びる第２導電部材２７の外面を覆う柱状の形状を有する。第２絶縁部材２８の他の一部は、Ｙ軸方向に延びる第２導電部材２７の外面を覆い、Ｚ軸方向に直交する断面において多角形とみなせる形状を有する。

絶縁性を有する第２絶縁部材２８は筐体１０に当接していて、筐体１０に支持されている。第２絶縁部材２８が第２導電部材２７の外面を覆うことで、第２導電部材２７と第２導電部材２７に接続されている第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄは、筐体１０から絶縁される。この結果、第２支持部材２２は、第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄを、筐体１０から絶縁した状態で支持することが可能となる。

上述したように第１導電部材２３が第１電極１４に電気的に接続され、第２導電部材２７が第２電極１５に電気的に接続されると、測定回路１６は、第１導電部材２３と第２導電部材２７との電位差を測定することができる。第１導電部材２３と第２導電部材２７との電位差は、第３ブスバー４５ｃと第４ブスバー４５ｄの電位差に一致するとみなすことができる。すなわち、測定回路１６は、両端子が第３ブスバー４５ｃおよび第４ブスバー４５ｄのそれぞれに接続されているフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の値を測定することができる。

以上説明した通り、実施の形態２に係る電圧センサ２は、第１電極１４を、第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを互いに電気的に接続する第１導電部材２３に電気的に接続し、かつ、基板１１を第１導電部材２３に固定する第１接続部材１２を備える。電圧センサ２はさらに、第２電極１５を、第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄを互いに電気的に接続する第２導電部材２７に電気的に接続し、かつ、基板１１を第２導電部材２７に固定する第２接続部材１３を備える。このため、基板の四隅を筐体に固定する固定部材と、固定部材とは離隔した位置に配設され、基板の各電極を対応するブスバーに接続する電線を必要とする電圧センサに比べて、電圧センサ２の構造および製造工程は簡易である。この結果、電圧センサ２を備える電力変換装置４０の構成および製造工程は簡易である。

基板１１を筐体１０に固定し、さらに基板１１を第１導電部材２３および第２導電部材２７に固定することで、基板１１が受ける振動は低減される。

本開示は、上述の実施の形態に限られない。上述の実施の形態は組み合わせることが可能である。一例として、正極入力端子４１ａは第１ブスバー４５ａによって電力変換部４４の一次端子の一方に接続され、負極入力端子４１ｂは第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄによって電力変換部４４の一次端子の他方に接続されてもよい。この場合、電圧センサ１が備える基板１１に形成された第１電極１４は、正極入力端子４１ａと電力変換部４４とを接続する第１ブスバー４５ａに接続されればよい。基板１１に形成された第２電極１５は、第２ブスバー４５ｂおよび第４ブスバー４５ｄとを支持する第２支持部材２２が備える第２導電部材２７に接続されればよい。

実施の形態１では、基板１１の鉛直方向下部を基板固定部材４６によって筐体１０に固定したが基板固定部材４６を設けなくてもよい。また基板１１の鉛直方向下部を、嵌合、接着等の任意の手法で筐体１０に固定することが可能である。

図１６に示すように電圧センサ３が備える第１支持部材２１は、支持部材固定部材４８によって筐体１０に直接的に固定される。第１支持部材２１と同様の構造を有する第２支持部材２２も同様に、支持部材固定部材４８によって筐体１０に直接的に固定される。

図１６に示す第１支持部材２１が有する第１絶縁部材２４には、図１７に示すように、支持部材固定部材４８が挿入される挿入孔３１ａが形成されている保持部材３１が埋め込まれている。保持部材３１は、電力変換装置４０が搭載される車両の予想される最大振動を受けても変形しない程度以上の剛性と強度を有することが好ましい。例えば、保持部材３１は、筐体１０と同じ金属部材で形成されればよい。

図３の例では基板１１は、基板固定部材４６によって筐体１０に直接固定されているが、基板１１は筐体１０と別体に形成され、筐体１０に固定されている任意の形状の固定フレームに固定されてもよい。この場合、基板固定部材４６によって、基板１１は固定フレームに固定されればよい。固定フレームは、電力変換装置４０が搭載される車両の予想される最大振動を受けても変形しない程度以上の剛性と強度を有する。例えば、固定フレームは、筐体１０と同じ金属部材で形成されている。

電圧センサ１－３の接続位置は、上述の例に限られない。一例として、電圧センサ１－３は、電力変換部４４の各二次端子に接続されているブスバーに接続されてもよい。

電圧センサ１－３は、電力変換装置４０に限られず、ブスバーを備える任意の電子機器に搭載可能である。詳細には、電圧センサ１－３は、任意の電子機器が備えるブスバーに取り付けられて、任意のブスバー間の電位差を測定することができる。電圧センサ１－３の測定対象は直流電圧に限られず、交流電圧を測定することも可能である。

第１接続部材１２の構造および形状は、第１電極１４を第１ブスバー４５ａに電気的に接続し、基板１１を第１ブスバー４５ａに固定することができる構造および形状であれば任意である。一例として、第１接続部材１２は、第１締結部材１８と、基板１１および第１ブスバー４５ａに当接するスペーサと、を備えてもよい。この場合、第１電極１４は、第１締結部材１８を介して、第１ブスバー４５ａに電気的に接続される。第２接続部材１３についても同様である。

第１電極１４の形状は、上述の例に限られず、第１カラー１７に当接することが可能な形状であれば、任意である。一例として、第１電極１４の第２主面１１ｂに近い端部は、第１カラー１７と嵌合し、底面が平らな凹部の形状を有してもよい。第２電極１５についても同様である。

第１導電部材２３の形状は、上述の例に限られず、第１ブスバー４５ａおよび第３ブスバー４５ｃを取り付けることができる形状であれば任意である。一例として、第１導電部材２３は、角柱の形状を有してもよい。第２導電部材２７についても同様である。

第１絶縁部材２４の形状は、第１導電部材２３と筐体１０とを絶縁することができる形状であれば、任意である。第２絶縁部材２８の形状は、第２導電部材２７と筐体１０とを絶縁することができる形状であれば、任意である。一例として、第１絶縁部材２４は、第１導電部材２３と同様に、折り曲げられた柱状の形状を有してもよい。他の一例として、第１絶縁部材２４は、第１導電部材２３の延伸方向に直交する両端面のみを露出してもよい。この場合、第１絶縁部材２４を貫通し、第１導電部材２３に形成された固定孔２６ｃに連通する固定孔が第１絶縁部材２４に形成されればよい。

基板１１を第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂに固定する方法は、上述の例に限られず、車両の予想される最大振動を受けても、基板１１と第１ブスバー４５ａおよび第２ブスバー４５ｂとの位置関係が変化しない程度に固定できる方法であれば任意である。一例として、第１締結部材１８をかしめることで、基板１１を第１ブスバー４５ａに固定してもよい。

基板１１を第１導電部材２３および第２導電部材２７に固定する方法は、上述の例に限られず、車両の予想される最大振動を受けても、基板１１と第１導電部材２３および第２導電部材２７との位置関係が変化しない程度に固定できる方法であれば任意である。一例として、第１締結部材１８を接着剤によって第１導電部材２３に接着させることで、基板１１を第１導電部材２３に固定してもよい。

電力変換部４４は、上述の例に限られず、電源から供給される電力を負荷６１に供給するための電力に変換する任意の電力変換回路である。一例として、電力変換部４４は、ＤＣ（Direct Current：直流）－ＤＣコンバータでもよい。

基板固定部材４６および支持部材固定部材４８のそれぞれの数は上述の例に限られず、基板１１の大きさ、重量等によって任意に定められる。

電力変換装置４０は、鉄道車両に限られず、自動車、船舶、航空機等の任意の移動体に搭載することが可能である。

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

１，２，３ 電圧センサ、１０ 筐体、１１ 基板、１１ａ 第１主面、１１ｂ 第２主面、１２ 第１接続部材、１３ 第２接続部材、１４ 第１電極、１５ 第２電極、１６ 測定回路、１７ 第１カラー、１７ａ，１９ａ 貫通孔、１８ 第１締結部材、１８ａ，２０ａ ナット、１９ 第２カラー、２０ 第２締結部材、２１ 第１支持部材、２２ 第２支持部材、２３ 第１導電部材、２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂ 端部、２４ 第１絶縁部材、２５ａ，２５ｂ，２９ａ，２９ｂ 締結部材、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄ 固定孔、２７ 第２導電部材、２８ 第２絶縁部材、３１ 保持部材、３１ａ 挿入孔、４０ 電力変換装置、４１ａ 正極入力端子、４１ｂ 負極入力端子、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 出力端子、４３ 主回路、４４ 電力変換部、４５ａ 第１ブスバー、４５ｂ 第２ブスバー、４５ｃ 第３ブスバー、４５ｄ 第４ブスバー、４６ 基板固定部材、４８ 支持部材固定部材、５１ 制御部、６１ 負荷、ＦＣ１ フィルタコンデンサ。

Claims (7)

1. 第１ブスバーと第２ブスバーとの電位差を測定する電圧センサであって、
   第１電極、第２電極、および前記第１電極と前記第２電極との電位差を測定することにより前記第１ブスバーと前記第２ブスバーとの電位差を測定する測定回路が形成される基板と、
   前記第１電極を前記第１ブスバーに電気的に接続し、かつ、前記基板を前記第１ブスバーに固定する第１接続部材と、
   前記第２電極を前記第２ブスバーに電気的に接続し、かつ、前記基板を前記第２ブスバーに固定する第２接続部材と、
   前記第１ブスバーおよび第３ブスバーを互いに電気的に接続し、かつ、前記第１ブスバーおよび前記第３ブスバーを支持する第１支持部材と、を備え、
   前記第１支持部材は、
   前記第１ブスバーおよび前記第３ブスバーが固定され、前記第１ブスバーおよび前記第３ブスバーを互いに電気的に接続する第１導電部材と、
   絶縁体で形成され、前記第１導電部材を覆う第１絶縁部材と、を有し
   前記第１接続部材は、前記第１電極を前記第１導電部材に電気的に接続する、
   電圧センサ。
2. 前記第１接続部材は、
   筒状の形状を有する導電体で形成される第１カラーと、
   前記第１カラーに挿通されて、前記第１カラーが前記第１電極および前記第１ブスバーに当接した状態で前記基板を前記第１ブスバーに固定する第１締結部材と、を有する、
   請求項１に記載の電圧センサ。
3. 前記第１カラーの導電率は、前記第１締結部材の導電率より高い、
   請求項２に記載の電圧センサ。
4. 前記第１接続部材は、前記基板を前記第１導電部材に固定する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の電圧センサ。
5. 供給された電力を、負荷に供給するための電力に変換して、変換した電力を前記負荷に供給する主回路と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧センサと、
   前記主回路および前記電圧センサを収容する筐体と、
   を備える電力変換装置。
6. 絶縁体で形成され、前記電圧センサが備える前記基板を前記筐体に固定する基板固定部材をさらに備える、
   請求項５に記載の電力変換装置。
7. 供給された電力を、負荷に供給するための電力に変換して、変換した電力を前記負荷に供給する主回路と、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧センサと、
   前記主回路および前記電圧センサを収容する筐体と、
   前記電圧センサが備える前記第１支持部材を前記筐体に固定する支持部材固定部材と、
   を備える電力変換装置。

Images