JP2019030183A - ノイズキャンセルシステムおよび電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ抑制能力に優れ、小型軽量かつ安価に構成できるノイズキャンセルシステムを提供する。【解決手段】ロータと、ステータコア２１と、ステータコア２１に巻回されたステータコイル２４と、を有する回転電機２０と、第１の直流電圧Ｖ１を変調し、変調波をステータコイル２４に印加するインバータ６０と、回転電機２０によって回転駆動される被駆動体３２，３４と、ステータコア２１に接触する接触子と、接触子に現れる電位の交流成分を打ち消すノイズキャンセラ４０と、を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズキャンセルシステムおよび電動車両に関する。

ハイブリッド車や電気自動車等の電動車両は、高圧電源および低圧電源を有している。高圧電源は、例えば２００〜３００Ｖ程度のバッテリを有し、車両の駆動用に用いられる。一方、低圧電源は、例えば１２Ｖのバッテリを有し、灯火類、ワイパー等の駆動用として用いられる。車両を駆動するモータは、高圧電源とインバータとによって駆動され、モータのシャーシは車体にアースされている。この種のモータは内部に冷媒を循環させているため、ステータコイルから冷媒、ステータコアを介して、車体に漏れ電流が流れる。しかし、この漏れ電流は、例えばＡＭラジオ等の電子機器にノイズを発生させる。

その対策として、下記特許文献１には、高圧電源とインバータとの間に、ノイズ電流検出回路やノイズキャンセル回路等を接続する技術が記載されている。また、下記特許文献２および３は、車載空気調和機用の圧縮機一体型のモータに関するものである。特許文献２には、モータに接続される配管や、モータを支持する部材に絶縁物を適用することが記載されている。また、特許文献３は、インバータ回路の直流入力端にスナバ回路を挿入する点が記載されている。

特開２００６−３３３６４７号公報 特開２００６−２７３１５号公報 国際公開第２００８／１０８０２２号

ところで、特許文献１のように、高圧電源やインバータ等の高圧回路にノイズ電流検出回路やノイズキャンセル回路等を設けると、これらの回路の絶縁保護や、フェールセーフ等を実現するために、体積の増加、重量の増加、あるいはコストアップ等を招く。また、特許文献２のように、モータを支持する部材に絶縁物を適用することもコストアップを招く。また、特許文献３のようにスナバ回路を設けたとしても、ノイズを充分に抑制することは困難である。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ノイズ抑制能力に優れ、小型軽量かつ安価に構成できるノイズキャンセルシステムおよび電動車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明のノイズキャンセルシステムは、ロータと、ステータコアと、前記ステータコアに巻回されたステータコイルと、を有する回転電機と、第１の直流電圧を変調し、変調波を前記ステータコイルに印加するインバータと、前記回転電機によって回転駆動される被駆動体と、前記ステータコアに接触する接触子と、前記接触子に現れる電位の交流成分を打ち消すノイズキャンセラと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ抑制能力に優れ、小型軽量かつ安価なノイズキャンセルシステムおよび電動車両を実現できる。

本発明の第１実施形態によるノイズキャンセルシステムのブロック図である。 第１実施形態におけるステータコアの周辺構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態における等価回路の回路図である。 比較例によるノイズキャンセルシステムのブロック図である。 比較例における等価回路の回路図である。 第２実施形態におけるステータコアの周辺構成を示す分解斜視図である。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
図１は、本発明の第１実施形態によるノイズキャンセルシステムＳのブロック図である。なお、本実施形態のノイズキャンセルシステムＳは、電動車両の駆動に適用されるものである。
図１において、ノイズキャンセルシステムＳは、モータ２０（回転電機）と、ノイズキャンセラ４０と、高圧電源５０（第１の電源）と、インバータ６０と、低圧電源７０（第２の電源）と、ＡＭラジオ８０（無線受信機）と、を有している。低圧電源７０は、例えばバッテリであり、出力する直流電圧Ｖ２（第２の直流電圧）は、例えば１２Ｖである。ＡＭラジオ８０は、低圧電源７０からの電力によって作動する。図１において、ノイズキャンセルシステムＳが設けられている電動車両（図示せず）のフレームの電位を接地電位とする。低圧電源７０の負極は、該フレームに接続されている。

高圧電源５０は、交流電圧を出力する発電機５２と、該交流電圧を整流する整流回路５３と、整流回路５３の出力電圧を平滑化するフィルタ回路５４と、フィルタ回路５４から出力された直流電圧で充電されるバッテリ５６と、を有している。なお、高圧電源５０が出力する直流電圧Ｖ１（第１の直流電圧）は、例えば３００Ｖである。

上述した高圧電源５０の各部は、電動車両のフレームとの間に浮遊容量５８を有している。なお、図１においては、浮遊容量５８は、整流回路５３の負極側と接地電位との間に示しているが、実際は高圧電源５０の各構成要素と接地電位との間に浮遊容量５８が存在する。インバータ６０は、直流電圧Ｖ１をＰＷＭ変調し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電圧を出力する。インバータ６０の回路構成は図示を省略するが、インバータ６０の各部は、電動車両のフレームとの間に浮遊容量６２を有している。

モータ２０は、三相同期電動機であり、ロータ（図示せず）と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイル２４と、ステータコア２１と、を有している。ステータコイル２４には、インバータ６０から、ＰＷＭ変調波である三相交流電圧が印加される。これらステータコイルは、ステータコア２１に巻回されている。

モータ２０の内部には、冷媒（図示せず）が封入されている。この冷媒により、ステータコイル２４とステータコア２１との間には、浮遊容量２６が生じている。なお、図１においては、浮遊容量２６は、ステータコイル２４の中性点（符号なし）とステータコア２１との間に示しているが、実際はステータコイル２４の各部とステータコア２１との間に浮遊容量２６が存在する。インバータ６０から出力されるＰＷＭ変調波の変調周波数は数ｋＨｚ程度であるため、ステータコイル２４から、浮遊容量２６およびステータコア２１を介して、外部にコモンモードの漏洩電流が流れる。

モータ２０のステータコア２１は、ステータハウジング２２（図２参照）および抵抗器の記号で図示する支持部材３８によって、電動車両のフレームに結合されている。ステータハウジング２２および支持部材３８は、金属等で構成されているため、モータ２０からのコモンモードの漏洩電流は、主として支持部材３８を介して電動車両のフレームに流れる。

また、モータ２０には、抵抗器の記号で図示するミッション部３２（被駆動体）およびドライブシャフト３４（被駆動体）が順次結合されている。なお、ドライブシャフト３４は図示せぬ車輪に結合され、車輪を回転駆動することによって車両を進行させる。ミッション部３２は、金属製のベアリングやギア等を有しており、ドライブシャフト３４も主として金属部品によって構成されている。従って、ステータコア２１の電位が変動すると、ミッション部３２およびドライブシャフト３４の電位も変動する。

ノイズキャンセルシステムＳにおける漏洩電流の主な経路は、図１に示すように、浮遊容量５８、浮遊容量６２、支持部材３８、を通る経路ＬＰになると考えられる。この経路ＬＰを介して高周波電流が流れると、これによってＡＭラジオ８０の受信信号にノイズを発生させる。また、ドライブシャフト３４は、ノイズ電流が流れていない状態であっても、高周波電圧が印加されている状態であれば、やはりノイズを発生させる。このノイズを「軸電圧放射ノイズ」と呼ぶ。

ノイズキャンセラ４０は、コンデンサ４２と、抵抗器４３，４４と、ＮＰＮ型のトランジスタ４６（第１の素子）と、ＰＮＰ型のトランジスタ４８（第２の素子）と、を有している。トランジスタ４６，４８のエミッタは、接続点４１を介して相互に接続され、トランジスタ４６のコレクタは低圧電源７０の負極に、また、トランジスタ４８のコレクタは低圧電源７０の正極に、それぞれ接続されている。

また、トランジスタ４６，４８のベースと、接続点４１との間には抵抗器４４が接続され、接続点４１と接地電位との間には、抵抗器４３が接続されている。また、接続点４１と、ステータコア２１における接続点２８と、の間には、コンデンサ４２が接続されている。接続点２８の電位には、直流成分と交流成分とが含まれる。このうち、交流成分がコンデンサ４２を介して、接続点４１の電位となって現れる。

ここで、接続点４１の電位、すなわち交流成分の瞬時値が接地電位よりも高くなったとする。すると、トランジスタ４６は、接続点４１の電位を下降させる。また、接続点４１の電位が接地電位よりも低くなったとする。すると、トランジスタ４８は、接続点４１の電位を上昇させる。このようなトランジスタ４６，４８の動作により、接続点４１の電位は、ほぼ接地電位に等しい値に維持される。

図２は、ステータコア２１の周辺構成を示す分解斜視図である。
ステータコア２１は、略円環板状の電磁鋼板を上下方向に沿って積層したものであり、全体として略円筒状に構成されている。ステータコア２１の内周面は、複数個所において放射方向に沿って切り欠かれ、スロット２１ａが形成されている。ステータコイル２４は、上下方向からスロット２１ａに挿入されつつ結合され、これによってステータコイル２４はステータコア２１に巻回されている。ノイズキャンセラ４０には、ケーブル１４４の一端が接続されており、ケーブル１４４の他端には、略長方形板状の導体キー１４６（接触子）が接続されている。

また、ステータハウジング２２は、ステータコア２１を収納するものであり、略円筒状に形成されている。ステータハウジング２２の内径は、ステータコア２１の外径にほぼ等しい。ステータハウジング２２の内周面には、導体キー１４６が挿入されるキー溝２２ａが形成されている。このキー溝２２ａに導体キー１４６を挿入し、ステータコア２１をステータハウジング２２に圧入すると、導体キー１４６はステータハウジング２２に固定される。この導体キー１４６は、図１に示した接続点２８に対応する。

〈第１実施形態の動作〉
図３は、本実施形態の高周波成分における等価回路の回路図である。
図３において、モータ２０は、ノイズ源２０ａおよび内部抵抗２０ｂを有するものとして考えることができる。ノイズ源２０ａから内部抵抗２０ｂを介して出力されたノイズ電流は、支持部材３８を介して接地電位に流れる。
ところで、図１について説明したように、本実施形態によれば、ノイズキャンセラ４０内の接続点４１の電位を、ほぼ接地電位に等しい値に維持することができる。これは、図１に示す、ステータコア２１の接続点２８の電位の交流成分の振幅をほぼ「０」にすることに等しい。

従って、図３においてノイズキャンセラ４０は、ノイズ源２０ａが発生させる電位の交流成分に対して、同一振幅で位相が１８０°異なる電圧を発生させるものと考えることができる。これにより、支持部材３８を流れるノイズ電流をキャンセルすることができるとともに、ミッション部３２およびドライブシャフト３４の電位の振幅を抑制することにより、ミッション部３２およびドライブシャフト３４からの軸電圧放射ノイズも抑制することができる。

〈比較例〉
次に、本実施形態の効果を明らかにするため、比較例の構成について説明する。図４は、比較例によるノイズキャンセルシステムＳＨのブロック図である。
図４に示すように、ノイズキャンセルシステムＳＨにおいては、高圧電源５０とインバータ６０との間に、ノイズ電流を検出するノイズ検出回路１３０が挿入されている。また、モータ２０を支持する支持部材３８と、電動車両（図示せず）のフレームと、の間にはアース線１５０が接続されている。また、本比較例におけるノイズキャンセラ１４０は、インバータ６０の入力端子と、アース線１５０との間に接続されている。

そして、ノイズキャンセラ１４０は、ノイズ検出回路１３０が検出したノイズ電流を打ち消すキャンセル電流を、インバータ６０の入力端子に供給する。ノイズキャンセルシステムＳＨの上述した以外の構成は、第１実施形態のもの（図１参照）と同様である。また、ノイズ検出回路１３０およびノイズキャンセラ１４０の具体的な構成は、例えば、上述した特許文献１に記載されている構成を適用できる。

図５は、本比較例の高周波成分における等価回路の回路図である。図５において、ノイズキャンセラ１４０以外の要素は、図３に示したものと同様である。
本比較例の構成によれば、経路ＬＰ１に沿って流れるノイズ電流はキャンセルすることが可能である。しかし、このノイズ電流の振幅が零値であったとしても、ミッション部３２およびドライブシャフト３４の電位の振幅は零値にはならない。従って、本比較例の構成によれば、特にドライブシャフト３４からの軸電圧放射ノイズを抑制することが困難である。さらに、本比較例においては、高電圧を扱うインバータ６０の入力端子にキャンセル電流を流すため、そのための配線の絶縁保護や、フェールセーフ等を実現するために、体積の増加、重量の増加、あるいはコストアップ等を招く。

〈第１実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、ステータコア（２１）に接触する接触子（１４６）と、接触子（１４６）に現れる電位の交流成分を打ち消すノイズキャンセラ（４０）と、を備えるため、ステータコア（２１）に現れる電位の交流成分を打ち消すことができ、被駆動体（３２，３４）に現れる電位変動を抑制することができる。

一般的に、車両に設けられるドライブシャフト３４は、長尺状の部材であるため、電磁波の放射経路も長くなる。本実施形態においては、接続点２８における電位の振幅をほぼ「０」にすることができるため、支持部材３８を介して流れるノイズ電流をほぼ零値にできるとともに、ドライブシャフト３４等からの軸電圧放射ノイズを抑制することができる。かかる特徴により、ＡＭラジオ８０に生じるノイズを効果的に抑制することができる。なお、実験によると、ドライブシャフト３４に現れる軸電圧放射ノイズは、ピーク時においても９Ｖ程度である。従って、１２Ｖの直流電圧Ｖ２であっても、軸電圧放射ノイズを充分に打ち消すことができる。

さらに、本実施形態によれば、ノイズキャンセラ（４０）は、第１の直流電圧（Ｖ１）よりも低い第２の直流電圧（Ｖ２）を発生する第２の電源（７０）によって駆動される。これにより、配線の絶縁保護や、フェールセーフ等を実現するための部材を簡素にすることができる。これにより、ノイズキャンセラ（４０）および周辺回路を小型軽量で安価に構成することができる。

また、本実施形態によれば、ノイズキャンセラ（４０）は、一端が接触子（１４６）に接続されたコンデンサ（４２）と、コンデンサ（４２）の他端の電位が所定の基準値（接地電位）よりも高い場合にコンデンサ（４２）の他端の電位を基準値（接地電位）に近づける第１の素子（４６）と、コンデンサ（４２）の他端の電位が基準値（接地電位）よりも低い場合にコンデンサ（４２）の他端の電位を基準値（接地電位）に近づける第２の素子（４８）と、を有することを特徴とする。これにより、比較例よりも簡易な構成で、ノイズ電流を抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態のノイズキャンセルシステムについて説明する。
本実施形態のノイズキャンセルシステムの全体構成は、第１実施形態のもの（図１参照）と同様である。但し、本実施形態においては、第１実施形態におけるステータコア２１（図２参照）に代えて、図６に示すステータコア１２１が適用される。なお、図６は、ステータコア１２１の周辺構成を示す分解斜視図である。

図６においてステータコア１２１は、略円環板状の電磁鋼板を上下方向に沿って積層したものであり、略円筒状に構成されている。ステータコア１２１の内周面は、第１実施形態のステータコア２１と同様に放射方向に沿って切り欠かれ、スロット１２１ａが形成されている。そして、ステータコイル２４は、上下からスロット１２１ａに挿入されつつ、ステータコア２１に巻回されている。

ステータコア１２１の外周には、周回方向３等分位置に、略三角柱体状の突出部１２３が形成されており、突出部１２３には、上下方向に沿って、断面円状の貫通孔１２３ａが形成されている。この貫通孔１２３ａにボルト１２５を挿通し、ボルト１２５とナット１２６とを螺合して締め付けると、ステータコア１２１を構成する電磁鋼板が相互に固定される。ここで、ボルト１２５のうち１個には、略円環板状のワッシャ型端子１４２（接触子）が挿通される。このワッシャ型端子１４２は、ケーブル１４４を介してノイズキャンセラ４０に接続されている。本実施形態においては、このワッシャ型端子１４２が接続点２８（図１参照）に対応する。

このように、本実施形態によれば、ボルト１２５やナット１２６等をステータコア１２１に装着する際に、ノイズキャンセラ４０を容易に接続することができる。なお、本実施形態においても、ステータコア１２１は、ステータハウジングに収納されるが、図６においてはステータハウジングの図示は省略している。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記各実施形態において、直流電圧Ｖ１は３００Ｖであり、直流電圧Ｖ２は１２Ｖであったが、直流電圧Ｖ１，Ｖ２の値はこれに限らず、所望の電圧値を採用してもよい。但し、直流電圧Ｖ２は、６０Ｖ未満であることが好ましい。これは、直流電圧Ｖ２が６０Ｖ以上になると、安全対策のコストアップが大きくなるためである。

（２）上記各実施形態においては、無線受信機の例として、ＡＭラジオ８０を適用したが、無線受信機はこれに限定されるものではなく、ＦＭラジオやトランシーバ等であってもよい。

（３）上記各実施形態においては、ノイズキャンセルシステムを電動車両に適用した例について説明したが、本発明のノイズキャンセルシステムは、電動車両に限られず、種々の電気機器に適用することができる。

２０ モータ（回転電機）
２１ ステータコア
２４ ステータコイル
３２ ミッション部（被駆動体）
３４ ドライブシャフト（被駆動体）
４０ ノイズキャンセラ
４２ コンデンサ
４６ トランジスタ（第１の素子）
４８ トランジスタ（第２の素子）
５０ 高圧電源（第１の電源）
６０ インバータ
７０ 低圧電源（第２の電源）
８０ ＡＭラジオ（無線受信機）
１２１ ステータコア
１４２ ワッシャ型端子（接触子）
１４６ 導体キー（接触子）
Ｓ ノイズキャンセルシステム
Ｖ１ 直流電圧（第１の直流電圧）
Ｖ２ 直流電圧（第２の直流電圧）

Claims (4)

1. ロータと、ステータコアと、前記ステータコアに巻回されたステータコイルと、を有する回転電機と、
   第１の直流電圧を変調し、変調波を前記ステータコイルに印加するインバータと、
   前記回転電機によって回転駆動される被駆動体と、
   前記ステータコアに接触する接触子と、
   前記接触子に現れる電位の交流成分を打ち消すノイズキャンセラと、
   を備えることを特徴とするノイズキャンセルシステム。
2. 前記第１の直流電圧を発生する第１の電源と、
   前記第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生する第２の電源と、
   電波を受信する無線受信機と、
   をさらに備え、
   前記ノイズキャンセラは、前記第２の電源によって駆動される
   ことを特徴とする請求項１に記載のノイズキャンセルシステム。
3. 前記ノイズキャンセラは、
   一端が前記接触子に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサの他端の電位が所定の基準値よりも高い場合に前記コンデンサの他端の電位を前記基準値に近づける第１の素子と、
   前記コンデンサの他端の電位が前記基準値よりも低い場合に前記コンデンサの他端の電位を前記基準値に近づける第２の素子と、
   を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載のノイズキャンセルシステム。
4. ロータと、ステータコアと、前記ステータコアに巻回されたステータコイルと、を有する回転電機と、
   第１の直流電圧を変調し、変調波を前記ステータコイルに印加するインバータと、
   前記回転電機によって回転駆動される被駆動体と、
   前記ステータコアに接触する接触子と、
   前記接触子に現れる電位の交流成分を打ち消すノイズキャンセラと、
   前記被駆動体を介して回転する車輪と、
   を備えることを特徴とする電動車両。

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