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【発明の名称】 鉄道車両用駆動装置に含まれることが好ましくモジュ―ル構造である回路構成体のモジュ―ル
【発明者】 【氏名】マチアス ベルト

【氏名】ロルフ シフェルリ
【要約】 【課題】鉄道車両用駆動装置に含まれ、モジュール構造であり、コンパクト構造、高電力伝送能力及び置換容易性で区別されるモジュールを提供する。

【解決手段】モジュール（Ｍ1，Ｍ2，…）は高電圧の第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）、低電位の第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（６）、及び２つのアセンブリ（４，６）を結合して直流分離点を形成する変圧器（５）を有する。第１のアセンブリ（４）及び変圧器（５）の電気的接続点（２６，２７）は誘電体材料ハウジング（１０）に配置される。ハウジング（１０）は上面（１１）、底面（１２）及び前面部で閉じた前面上にフレーム又は接地電位に接続した導電層を有する。アセンブリ（４）の電気的接続部はモジュールの２つの側面（１４，１５）を通っている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 鉄道車両用駆動装置に含まれることが好ましくモジュール構造である回路構成体のモジュールであって、高電圧にある第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）と、より低い電位にある第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（６）と、前記第１のアセンブリ（４）及び直流分離点を形成する前記第２のアセンブリを結合する変圧器（５）とを有する前記モジュールにおいて、前記第１のアセンブリ（４）及び前記第１のアセンブリに結合した前記変圧器の電気的接続部が、通常は立方形状に設計されている誘電体材料のハウジング（１０）内に配置されることと、各ケースにて前記誘電体材料のハウジング（１０）は、その上面（１１）及び底面（１２）と同様に前面部で閉じているその前面（１３）上にて、フレームまたは接地電位に接続している電気的導電層を有することと、前記第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）の電気的接続部は、前記モジュール（Ｍ1，Ｍ2，…）の２つの側面（１４，１５）のおのおのを通っていること、とを特徴とする前記モジュール。
【請求項２】 請求項１記載のモジュールにおいて、更に、前記変圧器（５）及び前記第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（６）は前記誘電体材料のハウジング（１０）中に配置されていることと、前記誘電体材料のハウジング（１０）は更に前記変圧器（５）及び前記第２のアセンブリ（６）から第１のアセンブリ（４）を分離すると共に、高電圧にある前記変圧器（５）の電気的接続部が通っている絶縁性中間壁（２５）を収容していること、とを特徴とする前記モジュール。
【請求項３】 請求項２記載のモジュールにおいて、前記変圧器（５）の前記電気的接続部のブッシングはケーブル端子（２６，２７）として設計されていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項４】 請求項３記載のモジュールにおいて、前記ケーブル端末（２６，２７）は前記中間壁（２５）に堅く接続していると共に、キャップとして制御電極（２８）によってシールドされ、前記第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）を収容している領域に突き出ていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項５】 請求項２から４の何れかに記載のモジュールにおいて、冷却チャンネル（２９）が前記中間壁中に形成されていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項６】 請求項２から５の何れかに記載のモジュールにおいて、前記中間壁（２５）は前記変圧器（５）に堅く接続していることを特徴とする前記モジュール。
【請求項７】 請求項２から６の何れかに記載のモジュールにおいて、前記第１及び第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４，６）と同様に前記変圧器（５）は前記誘電体材料のハウジング（１０）中に挿入されていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項８】 請求項１から７の何れかに記載のモジュールにおいて、前記第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）と、フレームまたは接地電位に接続している前記電気的導電性層の間の電気的絶縁は前記誘電体ハウジング（１０）の壁のセクション（３０）を備え、該セクション（３０）は実質的にｕ字状に構成されると共に、前記上面（１１）から前記前面（１３）を越えて前記底面（１２）まで伸長していることを特徴とする前記モジュール。
【請求項９】 請求項８記載のモジュールにおいて、制御電極（２８）が前記第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）と前記誘電体材料のハウジング（１０）の前記ｕ字状壁セクション（３０）との間に配置され、該制御電極（２８）は前記ｕ字状壁セクション（３０）から或る距離を置いており、前記誘電体材料のハウジング（１０）の前記前面（１３）からの距離は前記直流分離点に向って増大することを特徴とする前記モジュール。
【請求項１０】 請求項９記載のモジュールにおいて、前記制御電極（２８）は電気的導電性プラスチックから構成され、その内側に金属コーティングがしてあることを特徴とする前記モジュール。
【請求項１１】 請求項８から１０の何れかに記載のモジュールにおいて、前記誘電体材料のハウジング（１０）の前記ｕ字状壁セクション（３０）は、前記側面（１４，１５）を形成するその壁セクションに比して単位面積当り小さい電気的容量を有することを特徴とする前記モジュール。
【請求項１２】 請求項１１記載のモジュールにおいて、前記壁セクション（３０）の厚さは前記側面（１４，１５）の厚さに比して大きいことを特徴とする前記モジュール。
【請求項１３】 請求項１１または１２の何れかに記載のモジュールにおいて、前記ｕ字状壁セクション（３０）は前記側面（１４，１５）に比して小さい誘電率を有する材料を含んでいることを特徴とする前記モジュール。
【請求項１４】 請求項１３記載のモジュールにおいて、前記ｕ字状壁セクション（３０）の前記材料は多孔性構造であって、泡状体または、空胴体で充填されたプラスチックの形態であることが好ましいことを特徴とする前記モジュール。
【請求項１５】 請求項１３または１４に記載のモジュールにおいて、前記ｕ字状壁セクション（３０）は、前記壁セクション（３０）の外面を形成する層状体（３４）及び前記壁セクション（３０）の内面（３３）を形成する層状体（３５）を有し、これらの層状体が機械的に高品質の絶縁性材料から構成されてなり、かつ中間に配置され低い誘電率を有する材料から成るより厚い層状体（３６）を有するサンドイッチ構造を有してなることを特徴とする前記モジュール。
【請求項１６】 請求項８から１５の何れかに記載のモジュールにおいて、少なくとも１つのリム・プロファイル（３１）が前記ｕ字状壁セクションに形成され、前記２つの側面（１４）のうちの一方に併合され、かつ各ケースにて（高電圧を帯びる前記パワーエレクトロニクス・アセンブリ（４）に面するその内側に）、その外側に配置されると共に反対方向に曲がっている第２の凹面（３２）に比してより大きな曲率半径を有する第１の凹面（３３）を有することを特徴とする前記モジュール。
【請求項１７】 請求項１６記載のモジュールにおいて、前記少なくとも１つのリム・プロファイル（３１）がｕ字状に構成されたビード（３７）を有し、前記側面（１４，１５）と同一の材料から成り、かつ関連する側面（１４）のリムから誘電率が前記側面（１４，１５）の材料に比して小さい材料中に伸長することを特徴とする前記モジュール。
【請求項１８】 請求項１７記載のモジュールにおいて、前記ビード（３７）によって囲まれ前記リムと並行に形成されている各溝（３８）が、前記ビード（３７）と関連する前記側面（１４）に形成されていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項１９】 請求項１８記載のモジュールにおいて、前記ビード（３７）及び前記各溝（３８）が前記側面に形成されていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項２０】 請求項１６から１９の何れかに記載のモジュールにおいて、前記第１の凹面（３２）及び前記第２の凹面（３３）には金属コーティングが施されていることを特徴とする前記モジュール。
【請求項２１】 請求項１６から２０の何れかに記載のハウジングにおいて、前記側面（１４）を越えて突き出している絶縁性バリアは前記第２の凹面（３２）に隣接していることを特徴とする前記モジュール。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、特許請求の範囲の請求項１の前文にて権利主張しているように、鉄道車両用駆動装置に含まれることが好ましく、モジュール構造である回路構成体のモジュールに基づいている。
【０００２】
【従来の技術】前述した型式のモジュールは、ドイツ国特許出願公開明細書第１９６ ３０２８４ Ａ１号において特に図６にて説明されている。このモジュールは相互に直列に接続され出力が相互に並列に接続しているｎ個の変換器モジュール４０．１，…，４０．ｎを有する回路構成の構成要素である。出力はおのおのがトラクション・モータ４２．１，…，４２．ｍを有する変換器モジュール４１．１，…，４１．ｍに接続することができる。鉄道車両用駆動装置のトラクション・ワイヤ３６及び鉄道３７の間に印加される比較的高い交流電圧は、変換器モジュールの数ｎに対応する変換器モジュール４０．１，…，４０．ｍに分配される。低い出力電圧が変換器モジュール４０．１，…，４０．ｎの出力に存在し、この電圧はモジュールの数に応じて低減され、各ケースにて変圧器６（図１）によって入力電圧から直流分離され、かつ変換器モジュール４３．１，…，４３．ｍを介してトラクション・モータ４２．１，…，４２．ｍに給電する。逆に、トラクション・モータもまた、鉄道車両の制動の際に一部の変換器モジュールを介して電源に電力を送給することができる。全ての変換器モジュールには低電圧しか印加されないので、これらの変換器モジュールは通常の耐圧を有する半導体スイッチ１１（図１）を使用してコスト的に有効な方法で動作することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、特許請求の範囲にて特定されるこの発明の１つの目的は、モジュール構造であり、コンパクトな構造によって区別され、かつ同時に高電圧からの高電力レベルをフレームまたは接地電位にある負荷に送給することができると共に、低電位にある負荷から放出された電力を高電圧に送ることができる回路構成用の新規なモジュールを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によるモジュールにおいて、高電圧にある少なくとも１つの第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリと同様に、直流分離点を形成する第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリを結合する変圧器の（前記アセンブリに結合している）電気的接続点が、通常は立方形状に構成されている誘電体材料のハウジング中に配置され、各ケースにて該誘電体材料のハウジングがその上面及び底面と同様に前面部で閉じているその前面上において、フレームまたは接地電位に接続している電気的導電層を有し、前記第１のパワーエレクトロニクス・アセンブリの電気的接続点が前記誘電体材料のハウジングの両側面のおのおのを通っている。これらの手段によって有益にも所望の電力伝送が行われ、同時に、欠陥のあるモジュールは回路構成体から除去することができると共に、極端に簡単な方法で新しいモジュールと置換することができる。
【０００５】生産目的のためには特に高度に有益である本発明によるモジュールの実施例において、変圧器全体と同様に第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリは誘電体材料のハウジングに配置され、誘電体材料のハウジングは更に、第１のアセンブリを変圧器及び第２のアセンブリから分離すると共に、高電圧にある変圧器の電気的接続部が通る絶縁中間壁を支えている。
【０００６】
【発明の実施の形態】ここで、幾つかの図面を通して同一または対応する部分には同様の参照番号が付されている図面を参照すると、ブロック図として図示している鉄道車両用の駆動装置は、例えば１５または２５ｋＶの交流電圧がかかっている高電圧ケーブル上に案内することができると共に、入力誘導コイル２を介して回路構成体３の（高電位にある）第１の入力に接続している電気的ピックアップ１を備えている。回路構成体３の第２の入力は接地電位またはフレームに接続している。回路構成体３は、おのおのが直流の絶縁分離点を有するｎ（ｎ＝２，３，…）個の直列接続のパワーエレクトロニクス・モジュールＭ1，Ｍ2，…，Ｍnから形成されており、そのうちのモジュールＭ1は高電圧にあり、またモジュールＭnはフレームまたは接地電位にある。各モジュールは同一の設計であると共に、誘電体材料のハウジングによって囲まれ変換器システムとして構成されているパワーエレクトロニクスと同様に、２つの入力を有し、この際、一方の入力は直列回路の上流側のモジュールに接続し、他方の入力は直列回路の下流側モジュールに接続している。これとは対照的に、モジュールＭ1の第１の入力は高電圧にあり、モジュールＭnの第２の入力は接地電位またはフレーム電位にある。各モジュールは２つの入力に接続したパワーエレクトロニクス・アセンブリ４と、直流絶縁分離点を形成する変圧器５と、変圧器５の下流側に接続すると共に、モジュールから出ている２つの出力を有するパワーエレクトロニクス・アセンブリ６を有している。２つの出力は並列に配置され、ｍ（ｍ＝１，２，…）個の変換器システム７を介してｍ個の駆動装置８に接続している。
【０００７】図２から図６にて判かるように、各モジュールは実質的に立方形の設計であって、フレームまたは接地電位にあるプレート９（図４）上に相互に平行にかつそれらの高さに比して相互に短い距離を置いて配置されている。各モジュールは主として立方形状に構成された誘電体材料のハウジング１０を有している。上面１１及び底面１２と同様に（前面部で閉じている）前面１３上において、各誘電体材料のハウジング１０はフレームまたは接地電位に維持することができる電気的導電層を有している。各アセンブリ４の直列回路を生成する接触構成の接触子に対する１つの電気的接続部は各ケースにおいて２つのそれぞれの隣接するモジュールの相互に面している側面１４，１５を通っている。
【０００８】各モジュールＭ1，Ｍ2，…は誘電体材料のハウジング１０の前面１３と直角をなしてプレート９上に移動可能に取り付けられている。接触構成は隣接する２つのモジュールを相互に移動することによって動作することができる。接触構成体の２つの接触子１６，１７のうちの一方、即ち接触子１７は、押圧方向（図３の双方向矢印１８）に関して傾斜し、移動すると直ちに相接触子１６と相互作用をなし、かつモジュールが押圧される方向に応じて、相接触子１６のスプリング式に取り付けられたピン２０に対して嵌合及び解放される案内面１９を有している。
【０００９】モジュールＭ2の底面にはキャリッジの形態をとると共にハンドル２２，２３を有する実質的に矩形状の案内要素２１のあることが図４から了知することができる。ランナとして機能する縦側面には、この案内要素は、プレート９に形成された２つのレール（図示せず）上を案内されるローラ２４を有している。各ハンドルは誘電体材料のハウジング１０の前面１３及び１７は背面についてこの誘電体材料のハウジング１０を越えて突出している。
【００１０】図４から図６は更に変圧器５及びパワーエレクトロニクス・アセンブリ６が誘電体材料のハウジング中に配置されていることと、誘電体材料のハウジング１０が（誘電体材料のハウジング１０の右手側に配置されている）パワーエレクトロニクス・アセンブリ４を変圧器５及び第２のパワーエレクトロニクス・アセンブリ６から分離する絶縁性中間壁２５を更に収容していることを示している。高電圧にある変圧器５の電気的接続部は中間壁２５を通っている。中間壁２５を通っている各電気的接続部はケーブル端子２６，２７として設計されていることが好ましい。従って、高電圧にあるパワーエレクトロニクス・アセンブリ４及びより低い電圧にあるパワーエレクトロニクス・アセンブリ６の間の接続点に簡単な手段を使用して、（例えば、特に高耐圧及び良好なクリーページ電流作用等の）有益な誘電体特性が得られる。ケーブル端子２６，２７が中間壁２５に堅く接続されると共に、キャップとしての制御電極２８によってシールドされ、パワーエレクトロニクス・アセンブリ４を収容する誘電体材料のハウジング１０の領域中に突出している場合に、特に有益な誘電体特性が達成される。モジュールの誘電体作用は制御電極２８の設計をケーブル端子２６，２７の配置及び構成と整合させることによって付加的に改善される。
【００１１】送信電力を増大するために、冷却チャンネル２９を絶縁性中間壁２５に形成し、パワーエレクトロニクス・アセンブリ４，６及び変圧器５を冷却するのに使用する冷却剤をこのチャンネルを通して流すようにする。この冷却剤は冷却チャンネル２９中に在るホースを通して流れる液体、例えば水であることが有益である。
【００１２】製造理由のために、パワーエレクトロニクス・アセンブリ４及び６と同様に変圧器５が誘電体材料のハウジング１０中に挿入されている実施例を選ぶべきである。整備をすることになっているとき、モジュールを回路構成体３から押し出して、個々のアセンブリ４，６または変圧器５を誘電体材料のハウジング１０から手早くはずすことができる。しかしながら、誘電体材料のハウジング１０を小型に維持することもできると共に、誘電体材料のハウジング１０中にパワーエレクトロニクス・アセンブリ４及び（ケーブル端子２６，２７として構成された）変圧器５に対する電気的接続部のみを配置することもできる。
【００１３】図３から判かるように、誘電体材料のハウジング１０はその前面に、側面１４，１５の領域中の誘電体材料のハウジングの壁厚と比較して特に厚く設計されている壁セクション３０を有している。このセクション３０は実質的にｕ字状に構成されていると共に、上面１１から前面１３を過ぎて底面１２に伸長している。このｕ字状セクション３０は（高電圧であって良い）パワーエレクトロニクス・アセンブリ４と、（フレームまたは接地電位を印加することができると共に、電気的導電層が設けられている）外表面、即ち、誘電体材料のハウジング１０の上面１１、前面１３及び底面１２との間の電気的絶縁を保証する。誘電体材料のハウジングのｕ字状壁セクション３０は、側面１４，１５を形成するその壁セクションに比して単位面積当り小さい電気的容量を有している。
【００１４】ｕ字状壁セクション３０は、誘電体材料のハウジング１０の側面１４，１５を形成する材料に比して低い誘電率を有する材料を含んでいる。ｕ字状壁セクション３０の材料は多孔性構造を有することが有益であると共に、泡状体または空胴ボールで充填されたプラスチックの形態であることが好ましい。約２の誘電率はこの種の材料を用いて達成することができる。低誘電率の他に高い機械的強度を有する材料は、おのおのが例えばエポキシ及びグラスファイバに基づく積層体等の機械的に高品質の誘電体材料から成る、壁セクションの外表面を形成する層状体と、壁セクションの内表面を形成する層状体と、低誘電率を有する材料、例えば泡状材料または空胴体で充填されたプラスチックから成る（中間に配置された）より厚い層状体とを用いたサンドイッチ構造を有することができる。このケースに使用する積層体はまた側面１４，１５を形成すると共に、少なくとも４の誘電率を有し、一方、これとは対照的に、サンドイッチ構造を有する材料の誘電率は幾分２を上回る平均値を有している。
【００１５】絶縁分離を改善するために、キャップ形状の制御電極２８をアセンブリ４及びｕ字状壁セクション３０の間に配置する。この制御電極は壁セクション３０から幾分距離を置いて配置され、正確にはこの距離は誘電体材料のハウジング１０の前面１３から変圧器によって形成される直流分離点に向って増大している。このことは電界が高電圧及びフレームまたは接地電位の間で特に十分に均質化され、誘電体的に不利な被増大電界領域が大幅に回避されることを保証する。制御電極２８は電気的導電性プラスチックから成ると共に、その内面に金属コーティングが施されていることが有益である。こうして、モジュールＭ2の電界は特に十分に容量的に制御され、ｕ字状壁セクション３０の上面１１、前面１３及び底面１２に塗布された金属コーティングと共に極端に有益にも均質化される。
【００１６】図７は前面１３及び側面１４の間の誘電体的に特に高度に負荷された接合領域における誘電体材料のハウジング１０の構成及び材料構造を示している。この誘電体的に特に高度に負荷された領域はリム・プロファイル３１として構成されると共に、上面１１及び底面１２に隣接している側面１４の各リムに続いている。この誘電体的に高度に負荷されたリム・プロファイル３１は、ｕ字状体における、側面１４に設けられた接触子１６を囲んでいる（図４及び図６参照）。対応するプロファイルはまた側面１５上に設けられている。リム・プロファイル３１は或る角度に曲げられている。側面１４に伸長しているこの角度の１つのアームは、比較的高い誘電率を有する機械的に高品質の材料によって形成されている。前面１３、上面１１及び底面１２に伸長しているこの角度のアームはサンドイッチ構造を有している。このサンドイッチ構造の（前面１３及び側面１４によって形成される）外表面及び内表面３３はおのおのが比較的高い誘電率を有する材料から成る層状体３４，３５によって形成されている。中間に位置している比較的厚い層状体３６は比較的低い誘電率を有する材料から形成されている。こうして、全体的に、サンドイッチ構造の材料は側面の材料と比較して比較的低い誘電率を有している。この材料構造はリム・プロファイル３１の表面上の電界の均質化を可成り援助している。
【００１７】パワーエレクトロニクス・アセンブリ４に面するその内表面３３上にて、リム・プロファイル３１は電気的導電性コーティングによって形成された凹面３２を有すると共に、該凹面３２に比して大きな曲率半径Ｒを有している。また、凹面３２は前面１３上に配置され、反対方向に曲がり、電気的導電性コーティングによって形成され、かつ半径ｒを有している。リム・プロファイル３１中の電界は、各半径の強度及び電気的導電性となるように構成され、金属化することが好ましい表面３２，３３の対向曲率によって均質化され、こうして電界は未コートの側面１４上において一層良好に分配される。
【００１８】リム・プロファイル３１はｕ字状に構成されると共に、側面１４と同一の材料から成るビード３７を有している。このビードは側面１４のリムから低誘電率を有する材料から成る層状体３６中に伸長している。層状体３６の材料と共に、このビードは側面１４上に位置するリム・プロファイル３１の表面の部分に電界の付加的均質化をもたらす。ビード３７によって囲まれ、リムと並行に設けられた溝３８もまた側面１４に形成されている。これらの溝は一方ではビード３７の領域における電界強度を低減し、他方ではフレームまたは接地電位及び高電圧（接触子１６）間のリム・プロファイル３１の表面に沿ったクリーページ経路（ｃｒｅｅｐａｇｅ ｐａｔｈ）を長くしている。長くされたクリーページ経路は汚染の場合及び／又は湿気のある場合にハウジング１０の絶縁耐力を高めるのに特に有益である。
【００１９】ビード３７及び各溝３８は製造根拠に対して有益な方法で側面１４中に形成する（ｓｔａｍｐｅｄ）ことができる。側面１４を越えて伸長する絶縁バリア３９は凹状外表面３２に隣接している。このバリアはフレームまたは接地電位から由来する表面電荷の発生を防止する。
【００２０】図８から判かるように、ビード３７の領域中の電界強度は事実上位置とは無関係である。比較的高い電界強度ピークは明らかに各溝３８の領域で発生している。しかしながら、絶縁性エアギャップのために、これらのピークは臨界的ではない。しかしながら、溝３８で生じた電圧降下はビード３７の領域におけるリム・プロファイル３１の表面に沿った電界強度を低減する。了知し得るように、誘電体材料のバリア３９上の電界強度は特に低い。
【００２１】本発明の多数の修正及び変形は前記教示に鑑みて明らかに可能である。従って、特許請求の範囲の範囲内で、この発明を本願で特に説明した以外に実施し得ることを思量すべきである。
【出願人】 【識別番号】５９９１２７１９５
【氏名又は名称】エイビービー ダイムラー − ベンツ トランスポーティション （テクノロジー） ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【出願日】 平成１１年９月８日（１９９９．９．８）
【代理人】 【識別番号】１０００６６６９２
【弁理士】
【氏名又は名称】浅村 皓 （外３名）
【公開番号】 特開２０００−９２６０９（Ｐ２０００−９２６０９Ａ）
【公開日】 平成１２年３月３１日（２０００．３．３１）
【出願番号】 特願平１１−２５４７７５