專利名稱：用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。
技術(shù)背景在曰本未審專利申請公開No. 2000 -308388、日本專利公開No. 3594100等中公開了用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)例。圖l是示出 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)100的電路圖。圖2示出 在圖1的鐵道車輛中配置的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)100的逆變器110、車輪120、 電機(jī)130等。為了不用維護(hù)電機(jī)130，現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)100釆用比如感 應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)的AC電機(jī)作為電機(jī)130。電機(jī)130連接到逆變器 110并由逆變器110驅(qū)動。逆變器110安裝在車輛底板140下面并且通過 沿車輛底板140鋪設(shè)的電布線150連接到電機(jī)130。近些年，逆變器廣泛 地采用高性能半導(dǎo)體切換元件，比如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)，其 耐例如3300V的高壓并且實(shí)現(xiàn)高速切換。為了提高鐵道車輛的加速度，需要用于驅(qū)動高輸出電機(jī)的大電 流。為了傳遞這種大電流，在電機(jī)和逆變器之間鋪設(shè)的布線將變得較 重。逆變器的高速切換產(chǎn)生從逆變器經(jīng)長布線傳遞到電機(jī)的電流諧波。 經(jīng)長布線傳遞的電流諧波導(dǎo)致電磁噪聲，電磁噪聲會導(dǎo)致鐵道信號出 錯。因此優(yōu)選地，最小化逆變器和電機(jī)之間的布線長度。然而，逆變 器通常體積大，并且因此在將逆變器配置得盡可能靠近電機(jī)以縮短布 線方面受限制。用于鐵道逆變器的高耐壓的半導(dǎo)體切換元件是制造成本較高的 專用產(chǎn)品。因此，需要能以低成本制造的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系 統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的鐵道運(yùn)輸。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能夠減少布線重量、電磁噪聲和制造成 本的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明的第一方面提供了一種用于鐵道車輛的 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其具有逆變器，被配置成控制電機(jī)，并且被分為與電 機(jī)成整體地配置的至少兩個分離的逆變器單元。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，逆變器單元具有串聯(lián)的直流端。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，逆變器單元具有與直流電源并聯(lián)的直流O根據(jù)本發(fā)明的第四方面，電機(jī)具有多相繞組，其數(shù)量對應(yīng)于并聯(lián) 配置的逆變器單元的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，電機(jī)包括一個風(fēng)扇，其安裝到電機(jī)的軸 上并且被配置成產(chǎn)生冷卻空氣，每個逆變器單元包括配置在冷卻空氣 通道中的散熱部分。根據(jù)本發(fā)明的第六方面，電機(jī)是在電機(jī)的框架內(nèi)部具有密封區(qū)域 的永磁電機(jī)，并且逆變器的組件配置在該密封區(qū)域中，以省略用于將 逆變器與電機(jī)電氣斷開的開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的逆變器采用低 耐壓的切換元件。該低耐壓的切換元件是大量生產(chǎn)的以用于例如混合 電車并且不昂貴。本發(fā)明配置至少兩個這種逆變器以形成多相電路， 該多相電路補(bǔ)償了低耐壓和低容量并且抑制了電流波紋。本發(fā)明將逆 變器與電機(jī)集成在一起以減少布線重量、電磁噪聲和制造成本。


圖l是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖；圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組件配置；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第 一 實(shí)施例的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖；圖4示出根據(jù)第 一 實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組件配置； 圖5是示出根據(jù)第一實(shí)施例逆變器各相位單元與電機(jī)一起集成在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的說明圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖；圖7是示出根據(jù)第二實(shí)施例各逆變器與電機(jī)一起集成在電機(jī)驅(qū)動 系統(tǒng)中的說明圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系 統(tǒng)的電路圖；圖9是示出根據(jù)第三實(shí)施例各逆變器與電機(jī)一起集成在電機(jī)驅(qū)動 系統(tǒng)中的說明圖；圖IO是示出根據(jù)第三實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)的布線的電路圖；圖11示出根據(jù)第三實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中逆變器的PWM切換模式；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，逆變器U相位單元與電機(jī) 一起集成在用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的側(cè)視圖；以及圖13是示出根據(jù)第四實(shí)施例逆變器U相位單元與電機(jī)一起集成在 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的正^L圖。
具體實(shí)施方式
將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。 第一實(shí)施例將參考圖3 - 5解釋根據(jù)本發(fā)明第 一實(shí)施例的用于鐵道車輛的電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)第一實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10 - 1包括三相逆變器ll 和三相永磁同步電機(jī)13- 1。逆變器11包括具有兩對U相位切換元件的 U相位單元12U、具有兩對V相位切換元件的V相位單元12V、以及具有 兩對W相位切換元件的W相位單元12W。該U相位單元12U具有兩個IGBT(絕緣柵雙極晶體管)QU1和QU2 以及電容器UC，并且形成二級逆變器ll的臂。類似地形成V和W相位 單元12V和12W。如圖5中詳細(xì)所示，U、 V和W相位單元12U、 12V和12W機(jī)械上彼 此分離并且被配置在電機(jī)13-1的表面上。如圖3中詳細(xì)所示，U、 V和 W相位單元12U、 12V和12W的直流部分并聯(lián)并且它們的交流輸出端連 接到電機(jī)13 - l的相應(yīng)相位的輸入端，類似于圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)的 三相逆變器110。在圖4中，逆變器11的相位單元12U、 12V和12W與電機(jī)13-l集 成在一起并且該集成結(jié)構(gòu)配置在具有車輪16的車輛15中的有限空間 內(nèi)。根據(jù)第一實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)IO- 1,三相逆變器ll被分為相 位單元12U、 12V和12W,它們配置在電機(jī)13-1表面上機(jī)械上分離的 位置。這種配置可以避免由逆變器切換元件QU1、 QU2等和電流傳導(dǎo) 產(chǎn)生的熱集中。這使得散熱單元能夠最小化，逆變器11和電機(jī)13-1 的集成結(jié)構(gòu)能夠安裝在車輛15中的有限空間中，以及常規(guī)逆變器110 (圖2)所占用的底板空間140 (圖2)能得到有效利用。另外，逆變器 11和電才幾13 - l之間的三相布線包含在電才幾13 - l內(nèi)，以減小布線重量 并且消除可能導(dǎo)致鐵道信號出錯的電磁噪聲。 第二實(shí)施例將參考圖6和7解釋根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于鐵道車輛的電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)第二實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10-2包括第一逆變器11 -l、第二逆變器ll-2、第三逆變器ll-3和三相三繞組永磁同步電機(jī) 13 - 2。如圖6中所示，第一逆變器ll - 1是具有六個IGBT切換元件和一 個電容器的二級全橋逆變器。 一般地，鐵道車輛采用1500V的DC電壓， 因此，通常采用的IGBT每個耐3300V電壓。相反，對于每個逆變器來 說，第二實(shí)施例所采用的六個IGBT切換元件每個耐1200V電壓。耐 1200伏電壓的IGBT切換元件可廣泛用于例如混合電車，并且因此并不昂貴。類似于第一逆變器ll - l構(gòu)造第二和第三逆變器ll - 2和11 - 3。第一、第二和第三逆變器ll-l、 11-2和11-3的直流端串聯(lián)， 以將來自架空線路的電壓除以3并且各自接收除以3以后的電壓。此配 置使得可大量制造并且不昂貴的耐1200伏電壓的IGBT元件能夠用于 第二實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10-2。如圖7中詳細(xì)所示，第一、第二和第三逆變器11-1、 11-2和11 -3彼此機(jī)械上分離并且配置在電機(jī)13-2的表面上。第一、第二和第 三逆變器ll - 1、 11 - 2和11 - 3的交流輸出端分別連接到電機(jī)13 - 2的 U、 V和W相位輸入端子。逆變器11-1、 11-2和11-3與電機(jī)13-2的 集成結(jié)構(gòu)安裝在車輛15的有限空間中，類似于圖4的第一實(shí)施例。根據(jù)第二實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10-2，配置第一、第二和第三 逆變器ll-l、 11-2和11-3,使得各逆變器的直流側(cè)與架空線路串聯(lián) 以將架空線路的電壓除以3。逆變器ll-l、 11-2和ll-3安裝在電機(jī) 13 - 2表面上機(jī)械上分離的位置，以避免由逆變器切換和電流傳導(dǎo)而產(chǎn) 生的熱集中。這使得散熱單元能夠最小化，逆變器和電機(jī)的集成單元 能夠安裝在車輛15中的有限空間中，以及常規(guī)逆變器110 (圖2)所占 用的底板空間140 (圖2)能得到有效利用。另外，逆變器ll-l、 11 一 2和11 - 3與電機(jī)13 一 2之間的三相多重布線包含在電機(jī)13 - 2內(nèi)，以 減小布線重量并且消除可能導(dǎo)致鐵道信號出錯的電磁噪聲。第二實(shí)施 例在第一、第二和第三逆變器ll - 1、 11-2和ll-3與電機(jī)13-2之間 需要9條線。但是，與現(xiàn)有技術(shù)相比這不會增加布線的量，因?yàn)榈诙?shí) 施例的逆變器和電機(jī)被集成為一體，而不像現(xiàn)有技術(shù)那樣將逆變器和 電機(jī)配置在車輛中遠(yuǎn)離的位置而使得需要長布線。根據(jù)第二實(shí)施例， 第一、第二和第三逆變器串聯(lián)以將3300V的架空線路電壓除以3。因此， 第二實(shí)施例可以采用耐1200伏電壓的IGBT元件用于逆變器。每個耐相 對低的1200伏電壓的IGBT元件是大量制造的、不昂貴的，并且具有較 高可靠性。釆用這種IGBT元件導(dǎo)致提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10 - 2的可靠性 并且降低其成本。第三實(shí)施例將參考圖8-ll解釋根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于鐵道車輛的電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。如圖8中詳細(xì)所示，第三實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10-3包括第一逆 變器11A、第二逆變器llB和六相永磁同步電機(jī)13-3。第一逆變器11A 是二級全橋逆變器，具有六個IGBT切換元件和一個電容器。類似于第 一逆變器11A構(gòu)造第二逆變器11B。第一和第二逆變器11A和11B的直 流端并聯(lián)，以從架空線路接收電壓。如圖9中詳細(xì)所示，第一和第二逆變器11A和11B彼此機(jī)械上分離 并且配置在電機(jī)13-3的表面上。每個逆變器11A和11B的交流輸出端 連接到電機(jī)13 - 3的相位輸入端子。逆變器11A和11B與電機(jī)13 - 3的集 成結(jié)構(gòu)安裝在車輛15中的有限空間中，類似于圖4中示出的第一實(shí)施 例。圖10示出六相永磁同步電機(jī)13 - 3的布線連接。電機(jī)13 - 3包括兩 組其中性點(diǎn)互相連接的三相繞組。圖11示出第一和第二逆變器11A和 IIB的切換定時。逆變器11A和11B被同步地控制并且其切換定時相互 偏移180度，以減少電機(jī)的電流諧波。這使得電機(jī)13-3產(chǎn)生較少的熱 并且使得散熱單元簡化。簡化的散熱單元使得電機(jī)13-3尺寸減小。以此方式，根據(jù)第三實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10-3將逆變器分為 第一和第二逆變器11A和11B并且將所劃分的逆變器11A和11B配置在 電機(jī)13 - 3表面上機(jī)械上分離的位置，以避免由逆變器切換和電流傳導(dǎo) 而產(chǎn)生的熱集中，并且減小電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)10-3的散熱單元的尺寸。尺 寸減小的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)IO - 3可以安裝在鐵道車輛15中的有限空間中， 以使得常規(guī)逆變器IIO (圖2)所占用的底板空間140 (圖2)能得到有 效利用。另外，逆變器llA和llB與電機(jī)13-3之間的六相布線包含在 電機(jī)13-3內(nèi)，以減少布線重量并且消除可能導(dǎo)致鐵道信號出錯的電磁 噪聲。此外，第三實(shí)施例可以降低電機(jī)電流諧波，以使得電機(jī)13-3 產(chǎn)生較少熱，散熱單元得到簡化，并且減小了電機(jī)13-3的尺寸。第三 實(shí)施例需要六組布線。如果逆變器如同圖2中現(xiàn)有技術(shù)那樣遠(yuǎn)離電機(jī)而 安裝的話，布線組數(shù)量大將是有問題的。第三實(shí)施例通過將逆變器與電機(jī)集成在一起而避免了這種問題。 第四實(shí)施例將參考圖12和13解釋根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的用于鐵道車輛的 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。第四實(shí)施例的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與圖3和5中示出的第一實(shí) 施例具有相同的電路配置。根據(jù)第四實(shí)施例，逆變器11包括U相位單 元12U、V相位單元12V和W相位單元12W，它們各包括散熱片21、IGBT 元件22、電容器23和柵基片24，如圖12和13所示。圖12和13僅示出U 相位單元12U作為代表實(shí)例。在圖12和13中，IGBT元件22、電容器23 和柵基片24電氣且機(jī)械地連接到散熱片21，以形成U相位單元12U。電 機(jī)13-4具有凹槽25， U相位單元12U安裝并且固定在其中。此時，散 熱片在電機(jī)13-4的表面?zhèn)取ｋ姍C(jī)13 - 4具有固定到轉(zhuǎn)子32的電機(jī)軸31。電機(jī)軸31具有風(fēng)扇33， 其在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生風(fēng)。為電機(jī)13-4提供導(dǎo)向裝置34，其沿電機(jī)13-4的 表面引導(dǎo)由風(fēng)扇33產(chǎn)生的風(fēng)，以有效散發(fā)來自逆變器11的散熱片21的 熱。IGBT元件22、電容器23、柵基片24等被封在散熱片21和電機(jī)13 -4之間的閉合空間中。第四實(shí)施例省略了現(xiàn)有技術(shù)對用于鐵道車輛的永磁同步電機(jī)所 必須采用的電機(jī)斷開開關(guān)，該開關(guān)用來避免當(dāng)IGBT元件短路時由于在 沒有電機(jī)負(fù)載的條件下的感生電壓而傳遞短路電流所導(dǎo)致的過熱和著 火。
權(quán)利要求
1.一種用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，包括逆變器，被配置成控制電機(jī)，并且被分為與該電機(jī)成整體地配置的至少兩個分離的逆變器單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中 所述逆變器單元具有串聯(lián)的直流端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中 所述逆變器單元具有與直流電源并聯(lián)的直流端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中 所述電機(jī)具有多相繞組，其數(shù)量對應(yīng)于并聯(lián)配置的逆變器單元的數(shù)量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任何一項(xiàng)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中 所述電機(jī)包括一個風(fēng)扇，其安裝到該電機(jī)的軸上并且被配置成產(chǎn)生冷卻空氣；以及每個逆變器單元包括配置在該冷卻空氣的通道中的散熱部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任何一項(xiàng)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中 所述電機(jī)是在該電機(jī)的框架內(nèi)部具有密封區(qū)域的永磁電機(jī)；以及 所述逆變器的組件被配置在該密封區(qū)域中，以省略用于將該逆變器與該電機(jī)電氣斷開的開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于鐵道車輛的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(10-1)，其能夠減少布線重量、電磁噪聲和制造成本。該電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括逆變器(11)。該逆變器被配置成控制電機(jī)(13-1)，并且被分為與電機(jī)集成在一起的至少兩個分離的逆變器單元。
文檔編號B60L11/00GK101232269SQ200810008728
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月25日
發(fā)明者中澤洋介, 福田和明, 結(jié)城和明, 野田伸一 申請人:株式會社東芝