JP2012064794A - 電力変換器及び鉄道車両用電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースモールド型コンデンサ１００の電極端子１０に伝わる応力を、従来同等に抑制しつつ、電極端子１０周りの部品点数を減らして、軽量で、組み立てが容易な電力変換器の主回路構造を提供する。
【解決手段】ケースモールド型コンデンサ１００に内蔵され、電力変換器のフレーム４に固定される電気絶縁性構造体３０に電極端子１０と導体バー２をともに締結する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換器の主回路部分の構造に改良を加えた電力変換器に関し、特に鉄道車両向けの電力変換器に関する。

一般に、鉄道車両向けの電力変換器の主回路は、半導体素子、フィルタコンデンサ、スナバ回路と、それらを導体バーで接続する構成をとっている。フィルタコンデンサは、特許文献１（特開２００７-６７０６３号公報）のように小容量コンデンサ素子を並列に接続し、小型かつ大容量のコンデンサとした構成のものが多く用いられており、例としては図３に示すようなケースモールド型コンデンサ１００が挙げられる。

このような従来技術における電力変換器の主回路部分の構造を図３に示すが、そのケースモールド型コンデンサ１００は、上下に正負の各極があるコンデンサ素子を、電極端子１０で並列接続し、さらにその外側を樹脂製のケース１２，１２で挟んで、樹脂モールドした構成となっている。なお、図３には個々のコンデンサ素子は図示していないが、コンデンサ素子が実装される範囲１１を示している。コンデンサ素子の両極はメタリコン処理されており、そこに電極端子１０が半田付けされる。熱でコンデンサ素子が破壊されるのを防ぐため、短時間で半田付けできるように、電極端子１０は厚さ０.３mm程度の薄い金属板となっている。電極端子１０は、ケースモールド型コンデンサ１００の端部まで引き出されており、後述する金属板の導体バー２（図１及び図２に示すが、従来例の図３には図示なし）に接続される構成となっている。つまり、薄い金属板状の電極端子１０に板状の導体バー２が接続される構成となっている。そのため、車両走行時に導体バー２が振動すると、それに伴って過大な変位応力が導体バー２に接続された電極端子１０に与えられて破壊してしまう恐れがある。

通常、鉄道車両向け電力変換器においては、この金属板の導体バー２は比較的に面積を大きくとった平板状のものが必要とされる。何故ならば、鉄道車両向け電力変換器においては自動車用などと相違して電流も電圧も高いが故に、発生する電磁場の影響を低減するために、並行に並べた導体バーの面積を大きくする必要がある。このようにして、鉄道車両向けの電力変換器においては、避けられない大きくて重い正極と陰極の並行した導体バーの防振対策は主回路構造の重要なポイントとなるものである。

そこで、電極端子１０の振動に対する強度を上げるための対策として、図４、図５に示すような構造が考えられる。図４は、図３のケースモールド型コンデンサ１００と同じ向きの斜視図で、図５は、図４の電極端子１０および締結具５２を通る断面を横方向から見た図である。

この対策は、図４に示すように、電極端子１０を、電極端子１０よりも厚い金属製の抑え板８，８を渡して挟み付け、この金属製抑え板８，８を電気絶縁性の構造体３４に締結具５８で固定し、この電気絶縁性の構造体３４を締結具５４によって電力変換装置のフレーム４に固定するものであった。つまり、図５に示すように、導体バー２は抑え板８とともに電極端子１０に金属製の締結具５２で共締めされる。なお、図４には導体バー２は図示していない。このようなケースモールド型コンデンサ１００は、筒状の電気絶縁性の構造体３１がケース１２に挟まれるように配置されており、電気絶縁性の構造体３１の貫通穴に固定具５４を通してフレーム４に固定されている。このような構成とすることにより、振動する導体バー２から電極端子１０に伝わる変位応力を、抑え板８によって抑制することができる。

特開２００７-６７０６３号公報

ところが、このような構成では、抑え板８や、電気絶縁性の構造体３４などケースモールド型コンデンサ１００の電極端子１０周りの部品数が多く、装置の組み立て時、メンテナンス時の工数が増えるという問題は解決ができない。また、電極端子１０周りの重量も増えてしまい、移動体においてはこのような部材は設けたくないという問題が残った。

本発明の目的は、導体バー２からの振動がケースモールド型コンデンサ１００の電極端子１０に伝わる応力を大幅に抑制する電力変換器を提供するものであり、さらに、望ましくは電極端子１０周りの部品点数を減らして、軽量で、組み立てが容易な電力変換器の主回路構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における実施例としては、ケースモールド型コンデンサ１００内で、電極端子１０と導体バー２を接続する際に、電極端子１０に接するように電気絶縁性のリジッドな構造体３０を配置したものである。この電気絶縁性の構造体３０は、ケースモールド型コンデンサ１００のケース１２とともにフレーム４に締結され、この電気絶縁性の構造体３０に対して、導体バー２を電極端子１０とともに金属製の締結具５２で締結する。

本発明の電力変換器は、半導体素子と、直流電圧を平滑するフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの一対の端子と接続される一対の平板形状の導体バーと、これらを支持するフレームから構成される電力変換器であって、前記フィルタコンデンサの一対の端子を平板形状とし、該フィルタコンデンサ内に電気絶縁性の構造体を配置し、該電気絶縁性の構造体を前記フィルタコンデンサのケースとともにフレームに締結し、該電気絶縁性の構造体に対して、前記一対の導体バー及び前記一対の端子を金属製の締結具で締結したことを特徴とする。

さらに、本発明の電力変換器は、前記電気絶縁性の構造体が、前記フィルタコンデンサのケースの一端部に配置された板状体構造を有することを特徴とする。

さらに、本発明の電力変換器は、前記電気絶縁性の構造体に対して、前記一対の導体バー及び前記一対の端子を金属製の締結具により締結する際に、前記一対の導体バーは高さの相違したスペーサを介して締結したことを特徴とする。

さらに、本発明の電力変換器は、前記電気絶縁性の構造体は、前記フィルタコンデンサのケースの一端部に配置され、段部を備えた凸状形状の板状体構造を有したことを特徴とする。

さらに、本発明の電力変換器は、前記電気絶縁性の構造体の段部において、前記一対の導体バー及び前記一対の端子を金属製の締結具で締結したことを特徴とする。

本発明によれば、従来構造に対して、ケースモールド型コンデンサ１００の導体バー２の振動により電極端子１０を破壊することのない電力変換器を達成することが可能であり、さらに好ましくは、ケースモールド型コンデンサ１００の電極端子１０と導体バー２周りの部品点数を減らし、軽量化と組み立て性の向上を図ることができる。

発明の第一の実施の形態におけるケースモールド型コンデンサの側面断面図である。 発明の第二の実施の形態におけるケースモールド型コンデンサの側面断面図である。 ケースモールド型コンデンサの斜視図である。 ケースモールド型コンデンサが電力変換器に実装される際の一形態の斜視図である。 図４のケースモールド型コンデンサを横方向から見た側面断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下においては、主にケースモールド型コンデンサ１００をフィルタコンデンサとした主回路構造に対して、本発明を適用した場合について説明するが、本発明はこの実施例の構造に限られるものではない。また、各図ともに図１と同一部位については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、本発明において上下左右の方向は図１及び図２に示す方向で表現している。

図１は、本発明による電力変換器の主回路構造の第１の実施の形態を示す図であり、ケースモールド型コンデンサ１００の断面図である。

図１に示すように、ケースモールド型コンデンサ１００においては、コンデンサエレメント（コンデンサ素子が実装される範囲は符号１１で示す）が金属箔状の電極端子１０，１０に上下から挟まれ、さらにそれらが樹脂製のケース１２，１２に上下から挟まれる構成となっている。電極端子１０は端部で２度折り曲げられており、その端部(図１中の左側端部)がケースモールド型コンデンサ１００の外部に飛び出しており、この飛び出し部分（電極端子１０の左側端部）で、後述の構造体３０を対して、導体バー２と電気的に接続されるようになっている。つまり、この電極端子１０の飛び出し部分に接し、上下のケース１２，１２に挟まれるように、電気絶縁性の構造体３０が配置されている。この電気絶縁性の構造体３０の形状は特定の形状に限定されるものではないが、導体バー２が振動しても共振して振動することがない程度のリジッドであることが望ましい。この電気絶縁性の構造体３０は、ケース１２に接する部分の一部に電極端子１０を通すための隙間が空けられている。さらに電極端子１０に沿うように段部が設けられ外側に飛び出し、凸形状をなしている。この飛び出し段部にはネジ座６２が設けられ、金属製の締結具５２によって、導体バー２と電極端子１０が共締めされている。また、電気絶縁性の構造物３０の上下両面を繋ぐように貫通穴６１が設けられ、締結具５１によって電力変換器のフレーム４と上下のケース１２，１２が共締めされている。

このように、電気絶縁性の構造体３０を設けることにより、電極端子１０と導体バー２は締結具５２を介して、リジッドな電気絶縁性の構造体３０に対して一体的に支持されるとともに、それがフレーム４に対し締結具６１を介して支持される構成となっている。これにより、図４、図５に示した構造の電気絶縁性の構造体３４および抑え板８の組み合わせ構造と同様に、電極端子１０と導体バー２を締結具５２を介して支持するとともに、フレーム４から締結具５１よって支持されることになるとともに、部品点数の削減が実現できるものである。

つまり、本実施例の電気絶縁性の構造体３０によって、鉄道車両の振動に伴って発生し、導体バー２から電極端子１０に伝わる変位応力を抑制することができる。さらに、この電気絶縁性の構造物３０によれば、フレーム４とケース１２が共締めされると共に、導体バー２と電極端子１０を抑え板８を介さずに共締めされるため、図４、図５に示した構造に比べて、締結具５２、５８の数を減らすことができ、抑え板８をなくすことができるので、部品点数を減らし、軽量化を図ることができる。さらに、電気絶縁性の構造体３０は、ケースモールド型コンデンサ１００に内蔵されるため、組み立て性が容易になり、電力変換器のメンテナンス性を向上させることができる。

図２は、本発明による電力変換器の主回路構造の第２の実施の形態を示す図であり、ケースモールド型コンデンサ１００の断面図である。本実施の形態の電力変換器の主回路構造は、第１の実施の形態に対して、電極端子１０の端部の曲げを１回として、ケースモールド型コンデンサ１００から外部に飛び出す部分をなくし、電気絶縁性の構造体３０の形状を平板状として外部に飛び出した段の部分をなくし、電極端子１０の端部と導体バー２が締結される方向を９０度回転させており（図中左右方向）、それに伴って、導体バー２の端部の曲げをなくし、締結具５２、ネジ座６２の向きも９０度回転させた構造としている（図中左右方向）。また、一方の導体バー２は、他方の導体バー２やケースモールド型コンデンサ１００と接触しないように、高さの相違するスペーサ７，７を介して、電極端子１０と電気絶縁性の構造体３０に共締めされており、外側に位置する導体バー２には、ケースモールド型コンデンサ１００に近い側の導体バー２の締結具５２に工具をアクセスするための穴２０が開いている。

本第２の実施の形態の作用および効果は、第１の実施の形態と同様であり、さらに電気絶縁性の構造体３０および電極端子１０の飛び出し部分がなくなるため、ケースモールド型コンデンサ１００の外形サイズを小さくすることができ、電力変換器に組みこむ際に周囲部品と干渉しにくくなり、また電極端子１０の曲げ回数が減っているため、製作性が容易になる。

なお、上記第２の実施の形態においては、ケースモールド型コンデンサ１００をフィルタコンデンサとした主回路構造に対して、本発明を適用した場合について説明したが、他のコンデンサでも同様に適用可能である。この場合でも、コンデンサ内の、薄板状の電極端子１０と導体バー２とが接続される場所の近傍に、電気絶縁性の構造物３０を配置し、この電気絶縁性の構造物３０に電極端子１０と導体バー２が金属製の締結具５２で支持されるとともに、電気絶縁性の構造物３０が電力変換器のフレーム４に支持される構成とすることにより、上述の各実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

１００ ケースモールド型コンデンサ
１０ 電極端子
１１ コンデンサ素子が実装される範囲
１２ ケース
２ 導体バー
２０ 導体バー２の貫通穴
３０、３１、３４ 絶縁性構造体
４ フレーム
５１、５２、５４、５８ 締結具
６１ 絶縁性構造体３０、３１の貫通穴
６２ ネジ座
７ スペーサ
８ 抑え板

Claims (6)

1. 半導体素子と、直流電圧を平滑するフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの一対の端子と接続される一対の平板形状の導体バーと、これらを支持するフレームから構成される電力変換器であって、
   前記フィルタコンデンサの一対の端子を平板形状とし、該フィルタコンデンサ内に電気絶縁性の構造体を配置し、
   該電気絶縁性の構造体を前記フィルタコンデンサのケースとともにフレームに締結し、
   該電気絶縁性の構造体に対して、前記一対の導体バー及び前記一対の端子を金属製の締結具で締結したことを特徴とする電力変換器。
2. 前記電気絶縁性の構造体は、前記フィルタコンデンサのケースの一端部に配置された板状体構造を有することを特徴とする請求項１記載の電力変換器。
3. 前記電気絶縁性の構造体に対して、前記一対の導体バー及び前記一対の端子を金属製の締結具により締結する際に、前記一対の導体バーは高さの相違したスペーサを介して締結したことを特徴とする請求項３記載の電力変換器。
4. 前記電気絶縁性の構造体は、前記フィルタコンデンサのケースの一端部に配置され、段部を備えた凸状形状の板状体構造を有したことを特徴とする請求項１記載の電力変換器。
5. 前記電気絶縁性の構造体の段部において、前記一対の導体バー及び前記一対の端子を金属製の締結具で締結したことを特徴とする請求項４記載の電力変換器。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電力変換器において、鉄道車両に搭載されることを特徴とする鉄道車両用電力変換器。

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