JP4987495B2 - 鉄道車両駆動用モータドライブシステム - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両駆動用モータドライブシステムに関する。

図１２、図１３に示すように、現状の鉄道車両駆動用モータドライブシステム１００においては、モータ１３０にはメンテナンスフリーの観点から誘導モータや永久磁石同期モータなどの交流モータが採用され、それを駆動する電源としてインバータ１１０が接続されるのが一般的である。その場合、インバータ１１０は車両床下１４０に搭載され、床面に艤装された電気配線１５０で駆動すべきモータ１３０と接続される。そして近年、インバータに使用されるＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子の高性能化が進み、３３００Ｖ耐圧などの高耐圧・高速スイッチングが可能になっている。図において、１２０は車輪である。

しかしながら、鉄道車両の加速力を得るために高出力モータを駆動する必要があるため大電流を流す必要があって、モータとインバータとを接続する配線の重量は重くなる。また、高速スイッチングによって発生する電流高調波が長い配線を通ってモータに流し込まれるため、その間に電磁ノイズを放出し、鉄道信号の誤動作などの悪影響を及ぼす場合がある。そこで、配線を最短に結ぶのが望ましいが、インバータは体積が大きいのが一般的であるため、モータの直近に設置するのには限界があり、配線長を短くするのには限界があった。

また、インバータに使用される高耐圧の半導体スイッチング素子は鉄道用など用途が限定されていることもあり、容量当たりのコストは割高であり、システムコスト低減を図り、低料金で鉄道輸送を実現したいという鉄道事業者の要求に十分こたえられていない問題点があった。
特開２０００−３０８３８８号公報 特許第３５９４１００号公報

本発明は、上記従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、配線重量の低減、電磁ノイズ低減、システムコスト低減が図れる鉄道車両駆動用モータドライブシステムを提供することを目的とする。

本発明は、 少なくとも２台のユニットに分割されるとともに、各ユニットがモータのフレームの内部に窪むように形成された収容部に密閉収納されたモータ制御用インバータと、前記ユニット各々に、前記フレームの外周面から突出して外部に露出するように設置された冷却部と、記モータのフレームの外部において、前記モータのモータ軸に取り付けられ、共に回転するファンと、前記モータのフレームの外部において前記ファンを覆うように配置され、前記ファンからの冷却風を前記フレームの外面に沿って前記インバータの各ユニットの冷却部に導くように流す冷却風ガイドとを備えた鉄道車両駆動用モータドライブシステムを特徴とする。

上記鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、前記分割した複数台のユニットの直流端を直列に、直流電源電圧を分圧するように接続したものとすることができる。

また、上記鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、前記モータは永久磁石モータとし、前記分割された各ユニットを前記モータのフレームの内部に窪むように形成された収容部に密閉収容した上で、前記モータと前記ユニット各々とを電気的に切り離すスイッチを省略したものとすることができる。

本発明によれば、インバータスイッチング素子をハイブリッド電気自動車など大量安価に生産される低耐圧スイッチング素子に置き換えた上で、耐圧、容量の不足分を補う目的と、低電流リプル化の目的とから２つ以上複数のインバータで多相構成の回路を実現し、それをモータと一体構造で構成することにより、配線重量の低減、電磁ノイズ低減、システムコスト低減などが図れる鉄道車両駆動用モータドライブシステムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムについて、図１〜図３を用いて説明する。本実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステム１０−１は、３相インバータ１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング素子それぞれ２対から成るＵ相ユニット１２Ｕ、Ｖ相ユニット１２Ｖ、Ｗ相ユニット１２Ｗと、３相永久磁石同期モータ１３とで構成される。

Ｕ相ユニット１２Ｕは、２つのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）ＱＵ１，ＱＵ２と、コンデンサＣＵとで構成され、２レベルインバータ１のいわゆる１アームを構成している。Ｖ相ユニット１２Ｖ、Ｗ相ユニット１２Ｗも同様である。

図３に詳しく示すように、Ｕ相ユニット１２Ｕ、Ｖ相ユニット１２Ｖ、Ｗ相ユニット１２Ｗは、それぞれ３相永久磁石同期モータ１３−１の表面に機械的に分割して取り付けてある。そして、図１の電気回路図に詳しく示してあるように、電気的には図１２に示した従来の３相インバータ１１０と同様にＵ，Ｖ，Ｗ各相ユニット１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの直流部分を並列に接続し、交流側出力端を３相永久磁石同期モータ１３−１の各相入力に接続してある。なお、１６は車輪である。

図２に示したように、このインバータ１１の各相ユニット１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗとモータ１３−１とが一体化したものは、台車１５内の限られた空間に設置する。

本実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステム１０−１では、３相インバータ１１を各相ユニット１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗに分割してモータ１３−１の表面の機械的に相ユニット毎に離れた位置に取り付けたことにより、インバータスイッチング素子ＱＵ１，ＱＵ２，…と電流導通によって発生する発熱損失の熱集中が避けられるので冷却装置を小型化することが可能であり、モータ１３−１と一体化しても鉄道車両の台車１５内の限られた空間に設置することが可能になり、このことによって、従来インバータ１１０が設置されていた車両床下空間１４０が不要になって有効に活用することが可能になり、また、インバータ１１とモータ１３−１とをつなぐ３相配線がモータ内部のみとなることにより、重量軽減、電磁ノイズによる信号誤動作問題の解消が可能になる。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムについて、図４、図５を用いて説明する。第２の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステム１０−２は、第１のインバータ１１−１と第２のインバータ１１−２と第３のインバータ１１−３と、３相３多重巻線永久磁石同期モータ１３−２とで構成されている。

図４に示したように、第１のインバータ１１−１は、６つのＩＧＢＴスイッチング素子とコンデンサとで２レベルフルブリッジインバータ構成で接続されている。鉄道車両用の直流き電電圧は１５００Ｖが一般的であり、従来例では３３００Ｖ耐圧のＩＧＢＴが一般的に用いられてきたが、本実施の形態で用いる６つのＩＧＢＴスイッチング素子は１２００Ｖ耐圧のスイッチング素子を適用する。これには、例えばハイブリッド電気自動車用に適用されるＩＧＢＴ素子を用いることができる。第２のインバータ１１−２、第３のインバータ１１−３も同様である。

第１のインバータ１１−１、第２のインバータ１１−２、第３のインバータ１１−３は、直流端を直列に接続して、架線からの電圧を３分圧して電力を受け取る構成である。これにより、絶縁耐圧の低い１２００Ｖ耐圧の大量生産される低コスト高信頼のＩＧＢＴ素子を適用することができる。

図５に詳しく示したように、第１のインバータ１１−１、第２のインバータ１１−２、第３のインバータ１１−３は、それぞれ３相３多重永久磁石同期モータ１３−２の表面に機械的に分割して取り付けてある。そして、第１〜第３のインバータ１１−１，１１−２，１１−３それぞれの交流側出力端を３相３多重永久磁石同期モータ１３−２のＵ，Ｖ，Ｗ各相入力に接続してある。なお、第１、第２、第３のインバータ１１−１，１１−２，１１−３とモータ１３−２とを一体化したものは、図２に示した第１の実施の形態と同様に台車１５内の限られた空間に取り付ける。

本実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステム１０−２によれば、架線電圧を３分圧するように第１、第２、第３のインバータ１１−１，１１−２，１１−３それぞれの直流側を架線電圧に直列３段に成るように接続し、これらのインバータ１１−１，１１−２，１１−３を分割してモータ１３−２の表面の機械的に離れた位置に取り付けたことにより、インバータスイッチングと電流導通によって発生する発熱損失の熱集中が避けられるので冷却装置を小型化することが可能であり、モータと一体化しても鉄道車両の台車１５内の限られた空間に設置することが可能になり、このことによって、従来例のインバータ１１０が設置されていた車両床下空間１５０が不要になってそこを他の用途に有効に活用することができ、また、インバータ１１−１，１１−２，１１−３とモータ１３−２とをつなぐ３相×３多重配線がモータ内部のみとなることにより、重量軽減、電磁ノイズによる信号誤動作問題を解消できる。さらに、本実施の形態によれば、第１、第２、第３のインバータ１１−１，１１−２，１１−３とモータ１３−２との間の配線が９本必要になるが、モータ一体型構成であるので、従来例のようにインバータとモータとが車両内の離れた位置に搭載される構成のように配線が増加することはない。加えて、本実施の形態によれば、鉄道車両駆動用のシステムではあっても、一般に３３００Ｖという高電圧の架線電圧を３分圧するように第１、第２、第３のインバータを直列接続しているので、絶縁耐圧の低い１２００Ｖ耐圧の大量生産される低コスト高信頼ＩＧＢＴ素子を適用することができ、システムとしての信頼性向上と低コスト化が図れる。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムについて、図６〜図９を用いて説明する。

図６に詳しいように、本実施の形態における鉄道車両駆動用モータドライブシステム１０−３は、第１のインバータ１１Ａと第２のインバータ１１Ｂと、６相永久磁石同期モータ１３−３とで構成されている。第１のインバータ１１Ａは、６つのＩＧＢＴスイッチング素子とコンデンサとで２レベルフルブリッジインバータ構成で接続されている。第２のインバータ１１Ｂも同様である。第１のインバータ１１Ａ、第２のインバータ１１Ｂは、直流端を並列に接続して、架線からの電圧から電力を受ける構成にしてある。

図７に詳しいように、第１のインバータ１１Ａ、第２のインバータ１１Ｂはそれぞれ６相永久磁石同期モータ１３−３の表面に機械的に分割してとりつけてある。それぞれのインバータ１１Ａ，１１Ｂの交流側出力端は、６相永久磁石同期モータ１３−３の各相入力に接続してある。そして、このインバータ１１Ａ，１１Ｂとモータ１３−３とが一体化されたものは、図２に示した第１の実施の形態と同様に台車１５内の限られた空間に取り付ける。

図８に、６相永久磁石同期モータ１３−３の配線接続を示してある。２組の３相巻線の中性点を互いに接続した構成である。図９は、第１のインバータ１１Ａと第２のインバータ１１Ｂのスイッチングタイミングを示している。互いの制御に同期をかけ、スイッチングタイミングを１８０度ずらすことにより、モータ電流の高調波を低減させている。これによりモータ発熱は低減し、冷却構成の簡素化によるモータの小型化が可能になる。

本実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステム１０−３によれば、インバータを第１のインバータ１１Ａと第２のインバータ１１Ｂとに２分割して並列構成にし、２分割したインバータ１１Ａ，１１Ｂをモータ１３−３の表面の機械的に離れた位置に取り付け、インバータスイッチングと電流導通によって発生する発熱損失の熱集中が避けられるようにしたので、冷却装置を小型化することができ、モータ１３−３と一体化しても鉄道車両の台車１５内の限られた空間に設置することが可能になり、このことによって、従来例のインバータ１１０が設置されていた車両床下空間１５０が不要になってそこを他の用途に有効に活用することができ、また、インバータ１１Ａ，１１Ｂとモータ１３−３をつなぐ６相配線がモータ内部のみとなることにより、重量軽減、電磁ノイズによる信号誤動作問題を解消できる。さらに、本実施の形態によれば、モータ電流の高調波を低減することができ、モータ発熱を低減し、冷却構成の簡素化によるモータの小型化が図れる。加えて、本実施の形態のような回路構成にすれば、インバータとモータとの間の配線が６本必要になるため、従来のようにインバータとモータとが車両内の遠く離れた位置に搭載される構成では配線増加による欠点が目立つことになるが、本実施の形態ではモータ一体型構成にしたことによりそのような問題点は解消される。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムについて、図１０、図１１を用いて説明する。本実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの電気回路構成は、図１、図３に示した第１の実施の形態と同様である。そして、本実施の形態の場合、インバータ１１のＵ相ユニット１２Ｕ、Ｖ相ユニット１２Ｖ、Ｗ相ユニット１２Ｗは、図１０、図１１に示すように冷却フィン２１と、ＩＧＢＴ素子２２と、コンデンサ２３と、ゲート基板２４とで構成されている。ＩＧＢＴ素子２２と、コンデンサ２２と、ゲート基板２４は冷却フィン２１に電気的、機械的に接続されてＵ相ユニット１２Ｕを構成している。そして、モータ１３の外周表面にあらかじめ取り付けられるように窪みをつけた部分２５に埋め込み固定されている。このとき、冷却フィン２１がモータ１３−１の外周表面側に出るように固定する。

モータ軸３１の片側にはモータ回転子３２に固定されて回転するファン３３が取り付けられ、ファン３３の回転によって発生する風がモータ表面に沿って這うように流れるように冷却風ガイド３４を取り付けている。ファン３３によって発生する冷却風の一部は、インバータ冷却フィン２１の熱を奪うように構成され、インバータ１１の冷却を効率的に行なえる。さらに、ＩＧＢＴ素子２２、コンデンサ２３、ゲート基板２４などが冷却フィン２１とモータ構造物の内部の密閉構造部分に閉じ込めてある。

本実施の形態によれば、従来であれば永久磁石同期モータを鉄道車両用に採用する際、ＩＧＢＴ素子の短絡故障時にモータ無負荷誘起電圧による短絡電流で素子が過熱発火して車両火災になることがないように取り付けていたモータ開放スイッチが不要になる。

本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの回路図。 上記第１の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの機器配置図。 上記第１の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、モータにインバータの各相ユニットを一体化した状態を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの回路図。 上記第２の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、モータにインバータを一体化した状態を示す説明図。 本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの回路図。 上記第３の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、モータにインバータを一体化した状態を示す説明図。 上記第３の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、モータの結線を示す回路図。 上記第３の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおけるインバータのＰＷＭスイッチングパターン図。 本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、モータにインバータのＵ相ユニットを一体化した状態を示す側面図。 本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動用モータドライブシステムにおいて、モータにインバータのＵ相ユニットを一体化した状態を示す正面図。 従来例の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの回路図。 従来例の鉄道車両駆動用モータドライブシステムの機器配置図。

符号の説明

１０−１，１０−２，１０−３ 鉄道車両駆動用モータドライブシステム
１１ インバータ
１１−１ 第１のインバータ
１１−２ 第２のインバータ
１１−３ 第３のインバータ
１１Ａ 第１のインバータ
１１Ｂ 第２のインバータ
１３−１，１３−２，１３−３ モータ
１５ 台車
１６ 車輪

Claims (3)

1. 少なくとも２台のユニットに分割されるとともに、各ユニットがモータのフレームの内部に窪むように形成された収容部に密閉収納されたモータ制御用インバータと、
   前記ユニット各々に、前記フレームの外周面から突出して外部に露出するように設置された冷却部と、
   記モータのフレームの外部において、前記モータのモータ軸に取り付けられ、共に回転するファンと、
   前記モータのフレームの外部において前記ファンを覆うように配置され、前記ファンからの冷却風を前記フレームの外面に沿って前記インバータの各ユニットの冷却部に導くように流す冷却風ガイドとを備えたことを特徴とする鉄道車両駆動用モータドライブシステム。
2. 前記分割した複数台のユニットの直流端を直列に、直流電源電圧を分圧するように接続したことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両駆動用モータドライブシステム。
3. 前記モータは永久磁石モータであり、
   前記分割された各ユニットをモータのフレームの内部に窪むように形成された収容部に密閉収容した上で、前記モータと前記ユニット各々とを電気的に切り離すスイッチを省略したことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両駆動用モータドライブシステム。

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