CN109075733B - 马达驱动装置以及空调机 - Google Patents

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Abstract

一种将交流电转换为直流电来驱动马达的马达驱动装置，具备印刷基板(52)，上述印刷基板(52)具有：第一板面(52a)以及第二板面(52b)；设置于第一板面(52a)的逆变器模块(5)以及逆变器模块(6)；设置于第二板面的与逆变器模块(5)连接的第一功率图案(31a)；设置于第二板面(52a)的与逆变器模块(6)连接的第二功率图案(31b)；以及连接第一功率图案(31a)和第二功率图案(31b)的跨接部(20)，跨接部(20)的截面积比第一功率图案(31a)或第二功率图案(31b)的截面积大。

Description

马达驱动装置以及空调机
技术领域
本发明涉及将直流电转换为交流电来驱动马达的马达驱动装置以及空调机。
背景技术
以往的马达驱动装置具有逆变器模块，在逆变器模块中配置有多个开关元件。在将多个开关元件作为芯片安装时，通过减小芯片面积，从而提高从晶片取出芯片时的成品率。而且，通过并联连接多个逆变器模块来使用，从而有时能够兼顾马达驱动装置的低成本化和大电流化。在专利文献1中公开了使用多个逆变器模块来进行并联驱动的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-161846号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1所示的现有技术中，在印刷基板上配置有多个逆变器模块，邻接的逆变器模块通过基板上的配线图案而相互连接。因此，在专利文献1所示的现有技术中，邻接的逆变器模块间的配线阻抗比配置有一个逆变器模块的基板中的配线阻抗大，由配线阻抗引起的发热量变高。马达驱动装置内的温度上升对构成马达驱动装置的部件的寿命产生影响，因此在专利文献1所代表的以往的马达驱动装置中，为了减小配线阻抗而使用复杂形状的汇流条，但存在制造成本上升这样的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于得到一种能够抑制温度上升并抑制制造成本的上升的马达驱动装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题、达成目的，本发明的马达驱动装置是将交流电转换为直流电来驱动马达的马达驱动装置，其中，上述马达驱动装置具备印刷基板，上述印刷基板具有：第一板面以及第二板面；设置于第一板面上的第一逆变器模块以及第二逆变器模块；设置于第二板面上且与第一逆变器模块连接的第一功率图案；设置于第二板面且与第二逆变器模块连接的第二功率图案；以及连接第一功率图案和第二功率图案的第一跨接部，第一跨接部的截面积比第一功率图案或第二功率图案的截面积大。
发明效果
本发明的马达驱动装置起到可抑制温度上升并抑制制造成本的上升的效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式的马达驱动装置的结构图。
图2是本发明的实施方式的空调机的结构图。
图3是图2所示的室外机的内观图。
图4是图3所示的电器元件箱的局部放大图。
图5是从纸面右侧观察图4所示的印刷基板及散热器的侧视图。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的实施方式的马达驱动装置以及空调机。另外，本发明并不限定于该实施方式。
实施方式.
图1是本发明的实施方式的马达驱动装置100的结构图。马达驱动装置100具备：整流器2，该整流器2对从交流电源1供给的交流电压进行整流；电抗器3；电容器4，该电容器4使由整流器2整流后的电压平滑；电压检测部11，该电压检测部11检测电容器4的两端电压；逆变电路101，该逆变电路101将由电容器4平滑后的直流电压转换为交流电压，驱动作为三相马达的马达8；控制电路9，该控制电路9生成用于控制逆变电路101的脉冲宽度调制(PWM：Pulse Width Modulation)信号；以及多个电流测量部10a、10b，上述多个电流测量部10a、10b测量马达电流。作为马达8，能够列举出三相感应旋转马达。
整流器2以及逆变电路101经由直流母线12而相互连接。整流器2是基于二极管桥的全波整流电路。电容器4的一端与直流母线12的正侧母线12a连接，电容器4的另一端与直流母线12的负侧母线12b1连接。电流测量部10a、10b设置于逆变电路101与马达8之间。
逆变电路101具备作为与U相对应的第一逆变器模块的逆变器模块5、作为与V相对应的第二逆变器模块的逆变器模块6、以及作为与W相对应的第三逆变器模块的逆变器模块7。
逆变器模块5具备6个开关元件5a、5b、5c、5d、5e、5f。具体而言，逆变器模块5具备：串联连接的开关元件5a、5b；串联连接的开关元件5c、5d；以及串联连接的开关元件5e、5f。开关元件5a、5c、5e构成上臂，开关元件5b、5d、5f构成下臂。构成上臂的开关元件5a、5c、5e与逆变器模块5的正极侧端子13a连接。构成下臂的开关元件5b、5d、5f与逆变器模块5的负极侧端子13b连接。正极侧端子13a与正侧母线12a连接，负极侧端子13b与负侧母线12b1连接。开关元件5a与开关元件5b的连接点同马达8连接。同样地，开关元件5c与开关元件5d的连接点同马达8连接，开关元件5e与开关元件5f的连接点同马达8连接。
逆变器模块6、7分别与逆变器模块5同样地构成，在图1中省略了逆变器模块6、7各自具备的多个开关元件5a至5f的附图标记。逆变器模块6所具备的正极侧端子13a与正侧母线12a连接，逆变器模块6所具备的负极侧端子13b与负侧母线12b2连接。逆变器模块7所具备的正极侧端子13a与正侧母线12a连接，逆变器模块7所具备的负极侧端子13b与负侧母线12b3连接。
正侧母线12a相当于构成逆变电路101的未图示的基板上的正侧功率图案，负侧母线12b1、12b2、12b3相当于构成逆变电路101的基板上的负侧功率图案。逆变器模块5以及逆变器模块6邻接地配置，逆变器模块6以及逆变器模块7邻接地配置。另外，邻接的负侧母线12b1以及负侧母线12b2通过作为第一跨接部的跨接部20连接。邻接的负侧母线12b2以及负侧母线12b3通过作为第二跨接部的跨接部21连接。构成逆变电路101的基板、该基板的功率图案、跨接部20、21的结构的详细情况将在后面说明。
控制电路9基于由电压检测部11检测出的电压和由电流测量部10a、10b测量出的马达电流来控制逆变电路101。具体而言，控制电路9生成用于控制每个相以及臂的开关元件的接通断开状态的PWM信号并向逆变电路101输出。PWM信号是取使开关元件为接通状态的高电平或使开关元件为断开状态的低电平的值的脉冲状的信号。在逆变电路101中，同一相的同一臂由3个开关元件构成，因此基于3个开关元件接通时流过的电流来决定脉冲宽度。脉冲宽度等于开关元件持续接通状态的时间长度。控制电路9将逆变器模块5、6、7各自具有的上臂的3个开关元件或下臂的3个开关元件视为大电流容量的1个开关元件来生成PWM信号。
作为开关元件5a至5f，能够列举出IPM(Intelligent Power Module)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor)、IGCT(Insulated Gate Controlled Thyristor)或FET(FieldEffect Transistor)等半导体开关。
作为开关元件5a至5f的材料，能够列举出被称为宽带隙半导体的氮化镓(GaN：Gallium Nitride)、碳化硅(SiC：Silicon Carbide)或金刚石。通过使用宽带隙半导体，从而耐电压性变高，容许电流密度也变高，因此能够实现模块的小型化。宽带隙半导体的耐热性也高，因此也能够实现散热部的散热翅片的小型化。
对马达驱动装置100的动作进行说明，从交流电源1输出的交流电压被施加到整流器2，在整流器2中将交流电压转换为直流电压。转换后的直流电压由电容器4平滑，进而施加到逆变电路101，转换为可变频率的交流电压并提供给马达8。
在此，作为比较例，对驱动三相马达的一般的逆变器进行说明。通常，在使用逆变器来驱动三相马达的情况下，逆变器每个相均具备由串联连接的上臂的一个开关元件和下臂的一个开关元件构成的开关元件对。因此，比较例的逆变器在三相中具备共计3对、即6个开关元件。另一方面，在将开关元件作为芯片安装的情况下，越减小芯片面积，越能够提高从晶片取出时的成品率。特别是在使用SiC作为开关元件的材料的情况下，与使用Si作为开关元件的材料的情况相比，晶片价格高，因此为了降低逆变器的价格，希望减小芯片面积。如用于家庭用的空调机的情况那样，在电流容量较小即可的情况下，通过使用由芯片面积小的6个开关元件来控制三相的逆变器模块，能够实现低价格化。
然而，芯片面积越小，电流容量越小。因此，在比较例的逆变器模块、即由6个开关元件驱动三相马达的逆变器模块中，难以兼顾低价格化和大电流化。与此相对，在本实施方式中，通过并联使用电流容量小的开关元件，从而能够兼顾低价格化和大电流化。另外，在比较例所示的由6个开关元件构成的三相用的1个逆变器模块与实施方式的逆变器模块5、6、7之间，能够通用基本的部分。逆变电路101能够将由6个开关元件构成的三相用的逆变器模块直接用作逆变器模块5、6、7，或者能够通过对该三相用的逆变器模块施加简单的改变来用作逆变器模块5、6、7。换言之，能够将三相用的1个逆变器模块和图1所示的逆变器模块5、6、7作为相同或者类似的模块来制造。因此，能够廉价地制造大电流容量用的逆变器模块5、6、7。列举一个例子，在家庭用的空调机中使用由6个开关元件构成的三相用的一个模块，在商务用的空调机中，如图1所示，能够使用具备3个模块的逆变电路101。
本实施方式的马达驱动装置100能够搭载于空调机、制冷机、洗涤干燥机、冰箱，除湿器、热泵式热水供应机、展柜、吸尘器、风扇马达、换气扇、手烘干机、或者电磁感应加热烹调器等设备，能够用作对内置于上述设备的马达进行驱动的装置。
以下，说明将马达驱动装置100搭载于空调机的室外机的例子。
图2是本发明的实施方式的空调机200的结构图。图3是图2所示的室外机202的内观图。图3表示从室外机202的顶面板202n观察到的室外机202的内部结构。图4是图3所示的电器元件箱50的局部放大图。在图4中，放大表示从室外机202的顶面板202n观察到的电器元件箱50内的设置有印刷基板52及散热器53的部分。图4的纸面下侧是送风室202e侧，纸面上侧是机械室202f侧，纸面左侧是热交换器202i侧，纸面右侧是送风风扇202d侧或吹出口202m侧。图5是从图4的纸面右侧观察图4所示的印刷基板52以及散热器53的侧视图。
空调机200是具备图1所示的马达驱动装置100的设备的一个例子。空调机200具备室内机201以及室外机202。室外机202具备壳体202a、热交换器202i、风扇固定部202h、电动机202b、送风风扇202d、机械室202f、分隔板202g、压缩机202c及电器元件箱50。
热交换器202i设置于壳体202a的内部。风扇固定部202h设置于热交换器202i的背面部中央。送风室202e设置于壳体202a的正面202j侧的吹出口202m与热交换器202i之间。作为送风风扇202d的驱动源的电动机202b通过风扇固定部202h而配置在壳体202a的送风室202e中。送风风扇202d安装于电动机202b的旋转轴202b1。压缩机202c配置在机械室202f的内部。机械室202f是通过分隔板202g而与送风室202e隔开的防雨构造。
如图2所示，电器元件箱50配置在机械室202f侧，并且配置在顶面板202n与压缩机202c之间。如图3所示，电器元件箱50具备：对作为非可燃性材料的一例的金属进行加工而形成的四边形的框体51、设置于框体51的内部的印刷基板52、以及散热器53。在印刷基板52上设置有构成图1所示的马达驱动装置100的部件。
在图3中，在电器元件箱50的框体51中，在送风室202e侧的侧面51a设置有印刷基板52以及散热器53。印刷基板52设置于框体51的内部，散热器53设置于框体51的外部。
如图4以及图5所示，散热器53具备翅片基座53a和多个翅片53b，上述翅片基座53a成为逆变器模块5、6、7的安装面。翅片53b设置于翅片基座53a的送风室202e侧，配置成由在送风室202e中流动的风冷却。即，以在送风室202e中流动的风流过邻接的翅片53b之间的间隙53c的方式配置有散热器53。更具体而言，翅片53b固定于翅片基座53a，在取入风A1的方向上排列有多个翅片53b，上述风A1在作为风路的送风室202e中流动。作为翅片53b以及翅片基座53a的材料，能够列举出铝。
在框体51的侧面51a上形成有1个开口部51a1和两个开口部51a2。在图4中，开口部51a1以及开口部51a2从纸面左侧起以开口部51a2、开口部51a1以及开口部51a2的顺序排列。开口部51a1的面积大于两个开口部51a2各自的面积。在侧面51a的送风室202e侧，以堵塞开口部51a1的方式固定有散热器53。在侧面51a的机械室202f侧设置有印刷基板52。
印刷基板52具备：送风室202e侧的第一板面52a；机械室202f侧的第二板面52b；设置于第一板面52a的逆变器模块5、6、7；设置于第二板面52b的与逆变器模块5连接的第一功率图案31a；设置于第二板面52b且与逆变器模块6连接的第二功率图案31b；以及设置于第二板面52b且与逆变器模块7连接的第三功率图案31c。
第一功率图案31a是相当于图1所示的负侧母线12b1的铜箔图案。第二功率图案31b是相当于图1所示的负侧母线12b2的铜箔图案。第三功率图案31c是相当于图1所示的负侧母线12b3的铜箔图案。
另外，印刷基板52具备跨接部20和跨接部21，该跨接部20设置于第二板面52b，将第一功率图案31a与第二功率图案31b连接，该跨接部21设置于第二板面52b，将第二功率图案31b和第三功率图案31c连接。
虽然在图4中省略了图示，但在印刷基板52上设置有相当于图1所示的正侧母线12a的功率图案、构成整流器2的二极管桥电路、电抗器3和电容器4。这些部件通过焊锡而与印刷基板52上的铜箔图案连接。
印刷基板52以第一板面52a与散热器53对置的方式设置。设置于第一板面52a上的逆变器模块5、6、7的每一个与散热器53接触。
逆变器模块5、6、7从纸面左侧的未图示的热交换器202i向纸面右侧的未图示的送风风扇202d以逆变器模块5、逆变器模块6以及逆变器模块7的顺序排列。即，逆变器模块5、6、7在送风室202e中流动的风A1的流通方向上依次排列配置。
跨接部20、21是匚字形的导电性构件，作为其材料，能够列举出与印刷基板52的铜箔图案相同的材料。另外，跨接部20、21的形状并不限定于匚字形，也可以是U字形、C字形或者与上述形状相当的弯曲形状。跨接部20具有直线状的基部20a和从基部20a的两端部弯折成直角的一对端子部20b。一对端子部20b插入到形成于印刷基板52的未图示的通孔中，钎焊于第一功率图案31a以及第二功率图案31b。跨接部21具有直线状的基部21a和从基部21a的两端部弯折成直角的一对端子部21b。一对端子部21b插入到形成于印刷基板52的未图示的通孔中，钎焊于第二功率图案31b以及第三功率图案31c。
跨接部20、21各自的截面积比第一功率图案31a、第二功率图案31b或第三功率图案31c的截面积大。在本实施方式中，使跨接部20、21各自的截面积为印刷基板52的铜箔图案的10倍以上。由此，能够大幅降低邻接的逆变器模块间的阻抗。另外，在本实施方式中，考虑到散热性，跨接部20、21的高度为10mm以上。
说明室外机202的动作。接收到制冷运转或者制热运转的指令的控制电路9驱动逆变电路101，由此驱动压缩机202c和送风风扇202d。通过驱动压缩机202c，制冷剂在热交换器202i中循环，在热交换器202i周围的空气与制冷剂之间进行热交换。另外，通过送风风扇202d的旋转而产生负压，室外机202的侧面以及背面的空气被取入到送风室202e。此时产生的风A1在热交换器202i的背面部以及侧面部流动，由此促进热交换器202i中的热交换。
另外，通过送风风扇202d的旋转而产生的风A1的一部分从图4的纸面左侧的第一开口部即开口部51a2侵入电器元件箱50的内部。侵入电器元件箱50的内部的风A2在设置于印刷基板52的第二板面52b的跨接部20、21的周围流动，从图4的纸面右侧的第二开口部即开口部51a2排出到电器元件箱50的外部。
另外，由于尘埃会附着，所以使风A2主动地吹向印刷基板52是不合适的，但若将使风A1吹向散热器53的风道即送风室202e、和使风A2吹向跨接部20、21的风道即电器元件箱50内的空间分隔开，则风A2能够以被流向散热器侧的强风A1牵引的形式向跨接部20、21侧流动。即，通过在电器元件箱50的送风室202e中设置两个开口部51a2，从而在送风室202e中流过风A1时，电器元件箱50的内部压力低于电器元件箱50的外部压力，在电器元件箱50内流动的风A2被流向散热器53侧的强风A1吸引。
本实施方式的马达驱动装置100通过设置跨接部20、21，从而能够将在印刷基板52上的图案配线产生的热和在钎焊部分产生的热经由跨接部20、21而高效地散热，能够抑制温度上升。因此，由温度上升引起的热循环被抑制，能够提高印刷基板52的长期可靠性。而且，本实施方式的马达驱动装置100是能够使风A2吹向跨接部20、21的构造，因此能够进一步抑制由印刷基板52上的图案配线产生的热所引起的温度上升，也能够应用于大电流的逆变电路101。
另外，在本实施方式中，说明了将跨接部20、21应用于负侧母线12b1、12b2、12b3的例子，但跨接部20、21也可以应用于正侧母线12a。在该情况下，正侧母线12a与负侧母线12b1、12b2、12b3同样地成为被分割成多个母线的结构，在邻接的正侧母线之间配置有跨接部20、21。另外，跨接部20、21也可以应用于负侧母线12b1、12b2、12b3以及正侧母线12a。
通过将跨接部20、21应用于正侧母线12a，能够得到与应用于负侧母线12b1、12b2、12b3的情况相同的效果，但在将跨接部20、21应用于负侧母线12b1、12b2、12b3的情况下，能够大幅降低逆变器模块间的负侧母线的阻抗，因此能够使逆变电路101的接地GND稳定。特别是在如本实施方式的逆变电路101那样驱动多个逆变器模块5、6、7的情况下，能够使多个接地GND稳定，因此能够共用用于驱动开关元件的直流稳定电源。能够实现更廉价且可靠性高的马达驱动装置100。
另外，在本实施方式中，说明了构成1个臂的开关元件的并联数为3个的例子，但并联数只要为2以上即可。但是，通用的马达驱动用的逆变器模块大多为三相，若并联数为3，则通过并联连接3个该模块，能够利用通用件容易地构成将开关元件3个并联的三相马达用逆变电路，因此在成本和供应性方面具有优点。
另外，在本实施方式中，说明了使用了散热器53的例子，但在除去了散热器53的结构中也能够降低逆变器模块间的阻抗。但是，马达驱动装置100具备散热器53，该散热器53配置成使在具备马达驱动装置100的设备的风道中流动的风流过邻接的翅片53b之间的间隙53c，而且，构成为跨接部20以及跨接部21沿着多个翅片53b各自延伸的方向排列，从而利用在与流过翅片53的间隙的风A1相同的方向上流动的风A2，有效地冷却跨接部20以及跨接部21，因此能够进一步高效地对印刷基板52上产生的热进行散热。
另外，在本实施方式中，说明了在电器元件箱50的框体51上设置两个开口部51a2的例子，但即使不设置开口部51a2，也能够利用跨接部20以及跨接部21而高效地对印刷基板52上产生的热进行散热。但是，通过在电器元件箱设置供在设备的风道中流动的风的一部分侵入的第一开口部和供侵入到电器元件箱的风排出的第二开口部，并且将跨接部20或跨接部21配置于第一开口部与第二开口部之间，从而利用在与流过散热器53的间隙的风A1相同的方向上流动的风A2，有效地冷却跨接部20或跨接部21，因此与没有第一开口部以及第二开口部的情况相比，能够高效地对在印刷基板52上产生的热进行散热。特别是，通过构成为跨接部20和跨接部21双方配置在第一开口部与第二开口部之间，从而与将跨接部20或跨接部21配置在第一开口部与第二开口部之间的情况相比，能够进一步高效地对印刷基板52上产生的热进行散热。
如以上说明那样，根据本实施方式的马达驱动装置100，能够利用从散热器53侧泄漏出的风、即图4所示的风A2而高效地对在印刷基板52上产生的热进行散热。由此，能够以廉价的结构降低逆变器模块间的阻抗，并且能够高效地对印刷基板52的热进行散热，能够提高产品的可靠性。另外，通过将本实施方式的马达驱动装置100搭载于空调机200，从而能够以廉价的结构得到可靠性高的空调机200。
以上的实施方式所示的结构表示本发明的内容的一个例子，也能够与其他公知的技术组合，在不脱离本发明的主旨的范围内，也能够省略、变更结构的一部分。
附图标记说明
1交流电源；2整流器；3电抗器；4电容器；5、6、7逆变器模块；5a、5b、5c、5d、5e、5f开关元件；8马达；9控制电路；10a、10b电流测量部；11电压检测部；12直流母线；12a正侧母线；12b1、12b2、12b3负侧母线；13a正极侧端子；13b负极侧端子；20、21跨接部；20a、21a基部；20b、21b端子部；31a第一功率图案；31b第二功率图案；31c第三功率图案；50电器元件箱；51框体；51a侧面；51a1、51a2开口部；52印刷基板；52a第一板面；52b第二板面；53散热器；53a翅片基座；53b翅片；53c间隙；100马达驱动装置；101逆变电路；200空调机；201室内机；202室外机；202a壳体；202b电动机；202b1旋转轴；202c压缩机；202d送风风扇；202e送风室；202f机械室；202g分隔板；202h风扇固定部；202i热交换器；202j正面；202m吹出口；202n顶面板。

Claims (8)

1.一种马达驱动装置，将交流电转换为直流电来驱动马达，其特征在于，
具备印刷基板，所述印刷基板具有：第一板面以及第二板面；设置于所述第一板面的第一逆变器模块以及第二逆变器模块；设置于所述第二板面且与所述第一逆变器模块连接的第一功率图案；设置于所述第二板面且与所述第二逆变器模块连接的第二功率图案；以及连接所述第一功率图案和所述第二功率图案的第一跨接部，
所述第一跨接部的截面积比所述第一功率图案或所述第二功率图案的截面积大。
2.根据权利要求1所述的马达驱动装置，其特征在于，
所述印刷基板具有：设置于所述第一板面的第三逆变器模块；设置于所述第二板面且与所述第三逆变器模块连接的第三功率图案；连接所述第二功率图案与所述第三功率图案的第二跨接部；以及与所述第一逆变器模块、所述第二逆变器模块以及所述第三逆变器模块接触的散热器，
所述散热器具有翅片基座和多个翅片，所述翅片基座与所述第一逆变器模块、所述第二逆变器模块以及所述第三逆变器模块接触，所述多个翅片设置于所述翅片基座，所述散热器配置为使在具备所述马达驱动装置的设备的风道中流动的风流过邻接的所述翅片之间的间隙，
所述第一跨接部以及所述第二跨接部沿着所述多个翅片各自延伸的方向排列。
3.根据权利要求1或2所述的马达驱动装置，其特征在于，
具备内置所述印刷基板的电器元件箱，
所述电器元件箱具备第一开口部和第二开口部，所述第一开口部供在具备所述马达驱动装置的设备的风道中流动的风的一部分侵入，所述第二开口部供侵入所述电器元件箱的风排出，
所述第一跨接部配置于所述第一开口部和所述第二开口部之间。
4.根据权利要求2所述的马达驱动装置，其特征在于，
具备内置所述印刷基板的电器元件箱，
所述电器元件箱具备第一开口部和第二开口部，所述第一开口部供在具备所述马达驱动装置的设备的风道中流动的风的一部分侵入，所述第二开口部供侵入所述电器元件箱的风排出，
所述第一跨接部以及所述第二跨接部配置于所述第一开口部和所述第二开口部之间。
5.根据权利要求1或2所述的马达驱动装置，其特征在于，
内置于所述第一逆变器模块的开关元件使用宽带隙半导体构成。
6.根据权利要求3所述的马达驱动装置，其特征在于，
内置于所述第一逆变器模块的开关元件使用宽带隙半导体构成。
7.根据权利要求4所述的马达驱动装置，其特征在于，
内置于所述第一逆变器模块的开关元件使用宽带隙半导体构成。
8.一种空调机，其特征在于，具备权利要求1至权利要求7中任一项所述的马达驱动装置。
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