JP2005130575A - ノイズフィルタおよびモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズ電流を外部に流出させない小形ノイズフィルタを提供する。
【解決手段】モータ駆動装置に使用されるノイズフィルタの入力側ノイズフィルタと、出力側ノイズフィルタとを一体としたので小形化でき、構成をコモンモードＬＣ型としたので、高周波ノイズとコモンモード電流を低減することができ、出力側のコモンモードチョークコイルと並列に抵抗を接続したのでフィルタ電流が共振しないようにできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ駆動装置のインバータのスイッチング動作で発生する高周波ノイズを低減するノイズフィルタと、それを用いたモータ駆動装置に関する。

従来のモータ駆動装置の入力側ノイズフィルタには、例えば特許文献１がある。また従来のモータ駆動装置の出力側ノイズフィルタには例えば特許文献２がある。
入力側ノイズフィルタの従来技術を図３により説明する。図３において、１０４はモータ駆動装置であり、整流部で交流電源１０２を整流することにより直流電圧に変換し、インバータのスイッチング素子の導通率を制御して直流電圧を交流に変換しモータ１０３を駆動している。交流電源１０２の中性点かまたは３相のうちいずれかの相とモータ１０５のフレームは接地されている。１０５はモータ駆動装置の入力側と電源間に挿入されたノイズフィルタであり、コモンモード経路において電源側のインピーダンスを大きくし、かつモータ駆動装置の入力側にコモンモード経路に対しインピーダンスの小さなバイパスコンデンサを付加して、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２を低減している。

次に、出力側ノイズフィルタの従来技術を図４により説明する。図４において、１０４はインバータ式駆動装置であり、整流部で交流電源１０２を整流することにより直流電圧に変換し、インバータのスイッチング素子の導通率を制御して直流電圧を交流に変換しモータ１０３を駆動している。交流電源１０２の中性点かまたは３相のうちいずれかの相とモータ１０５のフレームは接地されている。１０６はコモンモード電圧をコモンモードチョークコイルＬｃで分圧し、モータに対して並列にインピーダンスの小さなバイパス回路を付加することにより、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１の低減している。

図６は一般的なモータ駆動装置でモータを駆動したときのコモンモード電流をＬＣＲ等価回路でシミュレーションしたときの結果である。コモンモード電圧Ｖｃが変化した瞬間にＩｃ１≒Ｉｃ２のコモンモード電流が接地線に流れる。また図１１に図６に示すような一般的なモータ駆動装置を用いた場合のコモンモード電流Ｉｃ１のスペクトルを示す。図１１に示すようにモータに流れ込むコモンモード電流および電源側へ流出するコモンモード電流の周波数成分は、数ＭＨｚ程度である。これは、コモンモード電流経路がモータ巻線−固定子間あるいはパワーケーブル接地線間などの各部浮遊容量を通るので、インダクタンス、キャパシタが小さく高周波成分となる。

従来のモータ駆動装置の入力側ノイズフィルタは、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２を低減することができるが、モータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を増加させてしまう。図３において、１０４はインバータ式駆動装置であり、交流電源１０２を整流することにより直流電圧に変換し、スイッチング素子の導通率を制御して直流電圧を交流に変換しモータ１０３を駆動する。１１５はコモンモード経路において電源側のインピーダンスを大きくし、かつモータ駆動装置入力部にコモンモード経路に対しインピーダンスの小さなバイパスコンデンサを付加することにより、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２の低減を行う入力側ノイズフィルタである。

次に動作について説明する。図７はモータ駆動装置に従来の入力側ノイズフィルタを付加した場合の各部コモンモード電流をＬＣＲ等価回路でシミュレーションした結果である。また、図１１にコモンモード流Ｉｃ２のスペクトルを示す。モータ駆動装置入力部にノイズフィルタを付加すると、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２は低減されるが、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１が増加してしまい，モータ巻線の絶縁破壊、ベアリング電流の増加により電蝕を生じモータの故障が生じやすくなる。
このように、従来のノイズフィルタは、電源側へ流出するコモンモード電流を抑制するが、全コモンモード電流は増加してしまい、モータおよびモータ駆動装置に対しては悪影響を及ぼす。

図４において、１０４はモータ駆動装置であり、交流電源１０２を整流部で整流することにより直流電圧に変換し、スイッチング素子の導通率を制御して直流電圧を交流に変換しモータ１０３を駆動する。１０６はモータ駆動装置の出力側ノイズフィルタでコモンモード電圧をコモンモードチョークコイルＬｃで分圧し、モータに対して並列にインピーダンスの小さなコンデンサバイパス回路が付加されており、モータに流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１の低減を行っている。

次に動作について説明する。図８はモータ駆動装置に従来の出力側ノイズフィルタを付加した場合の各部コモンモード電流をＬＣＲ等価回路でシミュレーションした結果である。また、図１２はコモンモード流Ｉｃ１のスペクトルを示すものである。モータ駆動装置出力部にノイズフィルタを付加すると、モータ等の電気機器へ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１を低減することができ、モータ巻線の絶縁破壊、ベアリング電流増加に起因した電蝕によるモータの故障を抑えることができる。しかし、一般的に従来のモータ駆動装置の出力側ノイズフィルタは、外付けのオプションで取り付けるタイプが多く、モータ駆動装置をベクトル制御する際、ベクトル制御用電流センサＣＴを再配置し直さなければならなくなり、通常、従来のモータ駆動装置の出力側ノイズフィルタを付加した場合、Ｖ／ｆ制御でモータを駆動しなければならない。

図５は従来の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタを組み合わせた場合の回路構成を示す。１０４はインバータ式駆動装置であり、交流電源１０２を整流することにより直流電圧に変換し、スイッチング素子の導通率を制御して直流電圧を交流に変換しモータ１０３を駆動する。１０７は従来の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタを組み合わせた装置を示す。

次に動作を説明する。図９はモータ駆動装置に従来の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタを組み合わせたフィルタ装置を付加した場合の各部コモンモード電流をＬＣＲ等価回路でシミュレーションした結果である。また、図１３にコモンモード流Ｉｃ１のスペクトルを示す。従来の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタを組み合わせると、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１を低減することができる。しかし、従来の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタを組み合わせると、コモンモード電流は減衰率が小さいため共振電流となってしまう。

特開１９９８−１０７５７１号公報 特開２００１−６９７６２号公報

しかしながら、モータ駆動装置の入力側にノイズフィルタを付加すると、電源側へ流出するコモンモード電流Ｉｃ２は低減されるが、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１が増加してしまい，モータ巻線の絶縁破壊、ベアリング電流の増加により電蝕を起こしモータが故障するという問題があった。図７にモータ駆動装置の入力側に従来のノイズフィルタを付加した場合のコモンモード電流をＬＣＲ等価回路でシミュレーションした結果を示す。インバータがスイッチングした時の高周波数のピーク電流は２Ａを超えており、全コモンモード電流は増加してしまい、モータおよびインバータ式駆動装置に対しては悪影響を及ぼす。
また、図８にモータ制御装置の出力側にノイズフィルタを付加した場合のコモンモードシ電流をＬＣＲ等価回路でミュレーションした結果を示す。モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ２をピークで０．２Ａに低減することができ、モータ巻線の絶縁破壊、ベアリング電流の増加により電飾を起こしモータが故障するという問題は抑えることができる。しかし、一般的に従来の出力側ノイズフィルタは、モータ駆動装置の外付けオプションとして付加されることが多く、モータ駆動装置をベクトル制御する際、ベクトル制御用電流センサＣＴを再配置し直さなければならなくなり、通常は不可能なのでＶ／ｆ制御でモータを駆動しなければならなかった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電源側への高周波ノイズを低減すると共にモータに流れるコモンモード電流を低減し、共振電流を発生させないモータ駆動装置の入出力一体構造ノイズフィルタを提供することを目的とする。また、モータ駆動装置に入出力一体構造ノイズフィルタを内蔵することによりＶ／ｆ制御だけでなくベクトル制御も可能となる。

請求項１記載の本発明は、交流電源を整流して直流電圧に変換する整流部と、直流電圧をスイッチング素子の導電率を制御することにより交流に変換するインバータからなるモータ駆動装置に使用されるノイズフィルタにおいて、モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタと、モータ駆動装置の出力側ノイズフィルタとを一体化した構造にしたので、小形化を達成できる。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のノイズフィルタにおいて、入力側ノイズフィルタは雑音端子電圧低減フィルタであり、出力側ノイズフィルタはコモンモード電流低減フィルタであるので、電源に流出する高周波ノイズとモータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができる。
請求項３記載の本発明は、請求項１記載のノイズフィルタにおいて、雑音端子電圧低減フィルタは、前記交流電源と前記モータ駆動装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、モータ駆動装置の入力部とコモン線間に並列に接続されたコンデンサで構成されるので、電源に流出する高周波ノイズとモータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができる。
請求項４記載の本発明は、請求項１記載のノイズフィルタにおいて、出力側ノイズフィルタは、モータ駆動装置の出力部とモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、モータとコモン線間に並列に接続されたコンデンサと、コモンモードチョークコイルに並列に接続された抵抗とで構成されるので、電源に流出する高周波ノイズとモータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができるとともにフィルタ電流が共振電流とならないようにすることができる。
請求項５記載の本発明は、請求項１記載のノイズフィルタにおいて、入力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルと出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルを同一コア上に設けたので、さらに小形化でき、電源に流出する高周波ノイズとモータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができるとともにフィルタ電流が共振電流とならないようにすることができる。
請求項６記載の本発明は、請求項１記載のモータ駆動装置に請求項１から請求項５記載のノイズフィルタを搭載したので、電源に流出する高周波ノイズとモータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができるとともにフィルタ電流が共振電流とならないようにすることができる。

本発明のノイズフィルタによれば、電源側への高周波ノイズを低減すると共にモータ駆動装置およびモータに流れるコモンモード電流を低減することができ、フィルタ電流が共振電流とならないようにすることができる。また、Ｖ／ｆ制御だけでなくベクトル制御でモータを駆動することができ、ベクトル制御用電流センサの配置を変更するという手間を省くことができる。

以下、本発明の実施を図を用いて説明する。

図１は、本発明のモータ駆動装置に入出力一体構造ノイズフィルタの第１実施例を示すモ回路図である。図１において、１００は入出力一体構造ノイズフィルタを内蔵したモータ駆動装置であり、１０１は入出力一体構造ノイズフィルタであり、１０２は中性点が接地された電源、１０３はフレームが接地されたモータである。Ｌｃ−ｉｎは入力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイル、Ｃｆｒ、Ｃｆｓ、ＣｆｔはそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相からコモン線に接続されたバイパスコンデンサである。また、Ｌｃ−ｏｕｔは出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイル、Ｃｆｕ、Ｃｆｖ、ＣｆｗはＵ相、Ｖ相、Ｗ相からコモン線に接続されたバイパスコンデンサである。コモン線はアース端子Ｅを介して、モータフレームとともに接地されている。

モータ駆動装置入力側ノイズフィルタは電源側への高周波ノイズの流出を防ぐための雑音端子電圧を低減する。またモータ駆動装置の出力側のノイズフィルタは、モータに流れ込むコモンモード電流を低減する。本発明が特許文献１および特許文献２と異なる部分は、モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタと出力側フィルタを備えた部分であり、入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタのコモン線を共通にすることで電源側およびモータに流れるコモンモード電流をコモン線にバイパスさせ、モータ駆動装置内で循環させ、外には流出させないことである。

また、本発明の入力側ノイズフィルタは、電源とモータ駆動装置間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、モータ駆動装置とコモン線間に並列に接続されたコンデンサで構成され、出力側ノイズフィルタは、モータ駆動装置とモータ間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、モータとコモン線間に並列に接続されたコンデンサと、コモンモードチョークコイルと並列に接続された抵抗により構成される。図１に示すように、出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルに直列に抵抗を接続することにより、高周波成分のコモンモード電流はコモンモードチョークコイルＬｃ−ｏｕｔを通らずにＲｆを通ることでコンデンサＣｆｕ、Ｃｆｖ、Ｃｆｗにバイパスする。従って高周波成分のコモンモード電流はコモンモードドチョークコイルＬｃ−ｏｕｔをほとんど通らないため共振現象を起こしにくくなり、すぐ減衰する。

次に入出力一体構造型ノイズフィルタの構造について説明する。入出力一体構造型フィルタは、入力ノイズフィルタと出力ノイズフィルタを一つのモジュールとして一体構造の中に収めたもので、一体構造の中でノイズ電流が循環して閉じ込められ、ノイズ電流をフィルタの外側には流出しないようにしたものである。

次に動作について説明する。図１０はモータ駆動装置に入出力一体型ノイズフィルタを付加した場合の各部のコモンモード電流をＬＣＲ等価回路を用いてシミュレーションした結果である。また、図１４にコモンモード電流Ｉｃ１のスペクトルを示す。モータ駆動装置に入出力一体構造ノイズフィルタを付加すると、電源側へ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ２低減することができ、モータへ流れ込むコモンモード電流Ｉｃ１を低減することができる。また、本発明のモータ駆動装置入出力一体構造ノイズフィルタを付加することにより、コモンモード電流の共振現象を低減でき、周辺機器の誤作動、モータ巻線の絶縁破壊およびベアリング電流増加で発生する電蝕によるモータの故障を抑えることができる。

図２は第２実施例の構成を示す図である。１０４はモータ駆動装置であり、１０１は入出力一体構造のノイズフィルタ、１０２は中性点が接地された電源、１０３はフレームが接地されたモータである。Ｌｃ−ｉｎは入力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイル、Ｃｆｒ，Ｃｆｓ、Ｃｆｔはそれぞれ、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相からコモン線に接続されたバイパスコンデンサであり、Ｌｃ−ｏｕｔは出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイル、Ｃｆｕ、Ｃｆｖ、ＣｆｗはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相からコモン線に接続されたバイパスコンデンサである。コモン線はアース端子Ｅを介してモータフレームとともにアースに接地されている。
本発明の入出力一体構造型ノイズフィルタをモータ駆動装置に内蔵することにより、ベクトル制御用電流センサを出力側ノイズフィルタの出力側に配置することにより、コモンモード電流の影響で発生する電流の誤検出を防ぐことが可能になり、Ｖ／ｆ制御だけでなくベクトル制御も可能となる。

図１５は本発明の入力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルと出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルを共通コア上に構成した例である。図１５（ａ）は６相分の６つのコイルを束ねて一体として巻いた、いわゆるヘキサファイラ巻した例であり、図１５（ｂ）は入力側コイルと出力側コイルを個別に３相分の３つのコイルを束ねて一体として巻いた、いわゆるトライファイラ巻した例である。図１５（ｃ）はコモンモードチョークコイルの等価回路であり、これらはノルマルモードのインピーダンスが小さく、コモンモードのインピーダンスが大きいという特徴がある。また図１５（ｄ）のように共通コア上に６相分個別に巻いてもよい。

このように、入出力一体構造型ノイズフィルタをモータ駆動装置内蔵型にしているので、インバータ駆動装置で発生するノイズを電源側へ流出させず、同時にモータを保護することができるので、周辺機器の誤作動防止およびモータの長寿命化が期待できる。
また、モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタをモータ駆動装置内蔵型にすることによって部品の数を少なくすることができるので、低コスト化、小形化にも貢献できる。

モータ駆動装置入出力一体構造ノイズフィルタをモータ駆動装置に付加することによって、インバータで発生するノイズを電源側へ流出させず、同時にモータを保護することができるので、周辺機器の誤作動防止およびモータの長寿命化が必要とされるシステムへの用途に適用できる。
また、モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタおよび出力側ノイズフィルタをインバータ装置内蔵型にすることによって部品の数を少なくすることができるので、低コスト化、小形化に貢献できる。

本発明の第１実施例を示す入出力ノイズフィルタ一体構造インバータ式駆動装置を示す回路図 本発明の第２実施例を示すインバータ式駆動装置内蔵型入出力一体構造ノイズフィルタ装置装置の回路図 従来のインバータ式駆動装置の入力側ノイズフィルタ装置を示す回路図 従来のインバータ式駆動装置の出力側ノイズフィルタ装置を示す回路図 従来のインバータ式駆動装置の入力側ノイズフィルタ装置および出力側ノイズフィルタ装置を組み合わせた装置を示す回路図 インバータ式駆動装置のみを用いた場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果 インバータ式駆動装置に従来の入力側ノイズフィルタ装置を付加した場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果 インバータ式駆動装置に従来の出力側ノイズフィルタ装置を付加した場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果 インバータ式駆動装置に従来の入力側ノイズフィルタ装置および出力側ノイズフィルタ装置を組み合わせた装置を付加した場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果 本発明の第１実施例を示すインバータ式駆動装置入出力一体構造ノイズフィルタ装置を用いた場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果 モータ駆動装置のみを用いた場合のモータに流れ込むコモンモード電流Ｉｃの周波数成分を示すシミュレーション結果 モータ駆動装置に従来の入力側ノイズフィルタ装置を付加した場合のモータに流れ込むコモンモード電流Ｉｃの周波数成分を示すシミュレーション結果 モータ駆動装置に従来の入力側ノイズフィルタ装置および出力側ノイズフィルタを付加した場合のモータに流れ込むコモンモード電流Ｉｃの周波数成分を示すシミュレーション結果 本発明のモータ駆動装置入出力一体構造ノイズフィルタを用いた場合のモータに流れ込むコモンモード電流Ｉｃの周波数成分を示すシミュレーション結果 本発明のコモンモードチョークコイルの構成例

符号の説明

１００ 入出力一体構造ノイズフィルタ内蔵モータ駆動装置
１０１ 入出力一体構造ノイズフィルタ
１０２ 電源
１０３ モータ
１０４ モータ駆動装置
１０５ 入力側ノイズフィルタ
１０６ 出力側ノイズフィルタ
１０７ 従来の入力側ノイズフィルタと出力側ノイズフィルタを組み合わせたモータ駆動装置

Claims (6)

1. 交流電源を整流して直流電圧に変換する整流部と、前記直流電圧をスイッチング素子の導電率を制御することにより交流に変換するインバータからなるモータ駆動装置に使用されるノイズフィルタにおいて、
   前記モータ駆動装置の入力側ノイズフィルタと、前記モータ駆動装置の出力側ノイズフィルタとを一体構造にしたことを特徴とするノイズフィルタ。
2. 前記入力側ノイズフィルタは雑音端子電圧低減フィルタであり、前記出力側ノイズフィルタはコモンモード電流低減フィルタであることを特徴とする請求項１記載のノイズフィルタ。
3. 前記雑音端子電圧低減フィルタは、前記交流電源と前記モータ駆動装置の間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、前記モータ駆動装置の入力部とコモン線間に並列に接続されたコンデンサで構成されることを特徴とする請求項１記載のノイズフィルタ。
4. 前記出力側ノイズフィルタは、前記モータ駆動装置の出力部とモータの間に直列に接続されたコモンモードチョークコイルと、前記モータと前記コモン線間に並列に接続されたコンデンサと、前記コモンモードチョークコイルに並列に接続された抵抗とで構成されることを特徴とした請求項１記載のノイズフィルタ。
5. 前記入力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルと前記出力側ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルを共通コア上に設けたことを特徴とする請求項１記載のノイズフィルタ。
6. 請求項１から請求項４記載のノイズフィルタを搭載したことを特徴とするモータ駆動装置。

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