JP6077865B2

JP6077865B2 - ノイズ低減シールドケーブル

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Publication number: JP6077865B2
Application number: JP2013010471A
Authority: JP
Inventors: 大亮八木
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN104937828A; JP2014143821A; US20150366111A1; US9603293B2; WO2014115773A1; CN104937828B

Description

本発明は、ノイズ低減シールドケーブルに関するもので、特に、スイッチング回路のスイッチ動作に起因して生じるスイッチングノイズや誘導性負荷のサージを低減するためのノイズ低減機能を有するノイズ低減シールドケーブルに関する。

〈電気自動車およびハイブリッド車〉
電気自動車およびハイブリッド車においては、バッテリの直流電圧を交流電圧に変換するインバータを用いて、その交流出力でモータの可変速制御を行っている。
インバータは、スイッチング素子を電圧指令として正弦波指令を生成し、この正弦波指令値と三角波の搬送波との大小比較を行い、これにより得られるパルス信号に基づいてゲート信号を生成し、スイッチング素子を動作させるパルス幅変調（ＰＷＭ）方式の変換器が用いられている。しかし、インバータから出力される交流電圧は完全な正弦波形状をしていなくて、幅の異なる矩形波が連続的に積み重なった形状をしているため、電圧変化率が急峻に変わる矩形波の角の部分では、インバータとモータ間の線路の共振や反射等によるサージ電圧が生じる恐れがあった。

サージ電圧に対応する従来方法として、（１）フィルタ使用法と、（２）電磁シールド法の２つの方法があった。

〈フィルタ使用法〉
図７はフィルタを使用することによって、モータをサージ電圧から保護する従来技術である。
図７において、インバータ１０からの三相出力がケーブル２０を通ってモータ３０に送られる。そのケーブル２０の各相にインダクタ（誘導コイル）Ｌを挿入し、インダクタＬの前側（インバータ１０側）か後側（モータ側）のいずれか（図７では後側）に、抵抗Ｒとコンデンサ（容量キャパシタンス）Ｃの直列接続回路を１アームとする３アームの星形結線の各端部をケーブル２０の各相に接続し、星形結線の中性点をアースする。
このようにすることで、ＬＲＣによって構成されたフィルタ６０でサージ電圧が抑制される（特許文献１〜３参照）。

〈問題点〉
回路電流が大きな用途では、フィルタを構成するインダクタＬや抵抗Ｒで発生する電力が大きくなり、装置の大型化や、抵抗Ｒでの損失もあり、効率が悪化した。

〈電磁シールド法〉
図８は電磁シールドの電線／コネクタを使用することによって、インバータとモータおよびケーブルを含むシステムから放出するノイズを低減する従来技術である。
図８において、インバータ１０からの三相出力が高シールド電線７０を通ってモータ３０に送られる。そして、インバータ１０と高シールド電線７０との間、および高シールド電線７０とモータ３０との間を高シールドコネクタ８０で接続している。
インバータ１０とモータ３０とを接続するケーブルから高圧ノイズが周囲へ放射または誘導（電磁干渉）することが、このようなシールド性能が高い電磁遮蔽構造を備えた高シールド電線７０と高シールドコネクタ８０とを使用することで、高圧ノイズが周囲へ放射または誘導（電磁干渉）することを低減できる。

〈問題点〉
シールド電線やコネクタにおける金属製遮蔽部材の使用が多くなり、サイズや質量、コストが増大する上に、ＧＮＤプレーンを経由するようなノイズについては十分に低減できなかった。

特開２００３−２１９６５５号公報特開２００１−０６９７６２号公報特開２０１０−１３６５６４号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置のサイズや質量、コストを低減できて、ＧＮＤプレーンを経由するようなノイズにも十分に対応でき、効率が下がることのないノイズ低減シールドケーブルを提供することにある。

前述した目的を達成するために、本願の発明のノイズ低減シールドケーブルは次の（１）〜（４）を特徴としている。
（１）インバータ（１０）と、モータ（３０）と、前記インバータと前記モータを接続するケーブル（２０）と、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層（４０）と、前記シールド層の両端をそれぞれ接地する２本のアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記第１のアース線に静電容量Ｃａ１のコンデンサとインダクタンスＬａ１のインダクタを設け、
前記第２のアース線に静電容量Ｃａ２のコンデンサとインダクタンスＬａ２のインダクタを設け、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２］・・・・・・・式（１）
なお、Ｌ＝Ｌａ１、又はＬａ２、
Ｃ＝Ｃ０×Ｃａ１／（Ｃ０＋Ｃａ１）、又はＣ＝Ｃ０×Ｃａ２／（Ｃ０＋Ｃａ２）
式（１）を満足すること。
（２）インバータ（１０）と、モータ（３０）と、前記インバータと前記モータを接続するケーブル（２０）と、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層（４０）と、前記シールド層の一端を接地するアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記アース線に静電容量Ｃａ３のコンデンサとインダクタンスＬａ３のインダクタを設け、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２］・・・・・・・式（２）
なお、Ｌ＝Ｌａ３
Ｃ＝Ｃ０×Ｃａ３／（Ｃ０＋Ｃａ３）、
式（２）を満足すること。
（３）インバータ（１０）と、モータ（３０）と、前記インバータと前記モータを接続するケーブル（２０）と、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層（４０）と、前記シールド層の一端を接地するアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記アース線にインダクタンスＬｂのインダクタを設け、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌｂ×Ｃ０）^１／２］・・・・・・・式（３）
式（３）を満足すること。
（４）インバータ（１０）と、モータ（３０）と、前記インバータと前記モータを接続するケーブル（２０）と、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層（４０）と、前記シールド層の一端を接地するアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記アース線として自己インダクタンスＬｃのアース線を用い、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌｃ×Ｃ０）^１／２］・・・・・・・式（４）
式（４）を満足すること。

上記（１）の発明によれば、式（１）を満足するように、Ｌａ１、又はＬａ２、Ｃａ１、Ｃａ２を選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。
上記（２）の発明によれば、式（２）を満足するように、Ｌａ３、Ｃａ３だけを選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。
上記（３）の発明によれば、式（３）を満足するように、Ｌｂだけを選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。
上記（４）の発明によれば、式（４）を満足するように、自己インダクタンスＬｃのだアース線を選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５１を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。

図１は本発明の実施形態１に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。図２は本発明の実施形態２に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。図３は本発明の実施形態３に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。図４は本発明の実施形態４に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。図５は本発明のノイズ低減シールドケーブルの芯線−ＧＮＤ（アース）間の周波数対インピーダンス特性を表す線図である。図６は本発明のノイズ低減シールドケーブルの芯線−ＧＮＤ（アース）間の周波数対信号通過特性を表す線図である。図７はフィルタを用いた従来のサージ対策技術である。図８は電磁シールドの電線／コネクタを使用することによって、インバータとモータおよびケーブルを含むシステムから放出するノイズを低減する従来のノイズ低減技術である。

以下、本発明に係る実施形態１〜４のノイズ低減シールドケーブルを図１〜図６を用いて説明する。

〈実施形態１〉
図１において、インバータ１０からの三相出力がケーブル２０を通ってモータ３０に送られる。インバータ１０側からモータ３０までのケーブル２０の３本のケーブルをシールド層４０で覆っている。
実施形態１によれば、シールド層４０の一端を接地するアース線５０にコンデンサＣａ１とインダクタＬａ１の直列回路を挿入し、かつシールド層４０の他端を接地するアース線５０にコンデンサＣａ２とインダクタＬａ２の直列回路を挿入しているのが特徴である。

〈シールド層４０〉
シールド層４０は信号を通す３本の芯線とこれら３本の芯線を包囲するシールド層から構成されるものであり、芯線とシールド層との間には静電容量Ｃ０の特性を有している。
インバータ１０とシールド層４０との間、およびモータ３０とシールド層４０との間は図１から分かるように、図８のような厳密なシールド構造は一切採っていない。

〈コンデンサＣａとインダクタＬａの２系統の直列回路〉
コンデンサＣａ１の静電容量をＣａ１とし、コンデンサＣａ２の静電容量をＣａ２とし、インダクタＬａ１のインダクタンスをＬａ１とし、インダクタＬａ２のインダクタンスをＬａ２とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とすると、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２］・・・・・・・式（１）
なお、Ｌ＝Ｌａ１、又はＬａ２、
Ｃ＝Ｃ０×Ｃａ１／（Ｃ０＋Ｃａ１）、又はＣ＝Ｃ０×Ｃａ２／（Ｃ０＋Ｃａ２）
式（１）を満足するように、Ｌａ１、又はＬａ２、Ｃａ１、Ｃａ２を選べばよい。
こうすることによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、次に説明する図５および図６によれば、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、モータ側および周囲環境に影響を及ぼすことがなくなる。

〈周波数によるアース線のインピーダンスの変化〉
図５は本発明のノイズ低減シールドケーブルの芯線−ＧＮＤ（アース）間の周波数対インピーダンス特性を表す線図である。縦軸がアース線５０の全体のインピーダンスＺ、横軸が周波数ｆの変化である。図５において、周波数ｆが増加するにつれて、ある値Ｚ２からインピーダンスＺは次第に減少していき、周波数ｆ１でインピーダンスＺは極小値Ｚ１となり、その後、周波数ｆが増加するとインピーダンスＺはある値Ｚ３まで増加していく。
すなわち、周波数ｆ１のサージ電圧が発生したときには、アース線５０のインピーダンスＺが極小値となり、サージ電圧のほとんどがアース側に流れるようになる。これを、図６の周波数対信号通過特性を表す線図で確認すると次のようになる。

〈周波数によるシールドケーブルの通過特性〉
図６は本発明のノイズ低減シールドケーブルの芯線−ＧＮＤ（アース）間の周波数対信号通過特性を表す線図である。縦軸がシールドケーブルの通過特性、横軸が周波数ｆの変化である。図６において、周波数ｆが増加するにつれて、ある値Ｅ２から通過特性Ｅは次第に減少していき、周波数ｆ１で通過特性Ｅは極小値Ｅ１となり、その後、周波数ｆが増加すると通過特性Ｅはある値Ｅ３まで増加していく。
すなわち、周波数ｆ１のサージ電圧が発生したときには、シールドケーブルの通過特性Ｅが極小値となり、サージ電圧のほとんどが通過できなくなり、周波数ｆ１でノイズ抑制効果がピークとなる。

〈まとめ〉
式（１）を満足するように、Ｌａ１、又はＬａ２、Ｃａ１、Ｃａ２を選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。

〈実施形態２〉
図２は本発明の実施形態２に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。
図２において、インバータ１０からの三相出力がケーブル２０を通ってモータ３０に送られる。インバータ１０側からモータ３０までのケーブル２０の３本のケーブルをシールド層４０で覆っている。
実施形態２によれば、シールド層４０の片側だけを接地するアース線５０にコンデンサＣａ３とインダクタＬａ３の直列回路を挿入しているのが特徴である。

〈シールド層４０〉
シールド層４０は信号を通す３本の芯線とこれら３本の芯線を包囲するシールド層から構成されるものであり、芯線とシールド層との間には静電容量Ｃ０の特性を有している。
インバータ１０とシールド層４０との間、およびモータ３０とシールド層４０との間は図２から分かるように、図８のような厳密なシールド構造は一切採っていない。

〈コンデンサＣａとインダクタＬａの直列回路〉
コンデンサＣａ３の静電容量をＣａ３とし、インダクタＬａ３のインダクタンスをＬａ３とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とすると、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２］・・・・・・・式（２）
なお、Ｌ＝Ｌａ３、Ｃ＝Ｃ０×Ｃａ３／（Ｃ０＋Ｃａ３）
式（２）を満足するように、Ｌａ３、Ｃａ３を選べばよい。
こうすることによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、図５および図６に説明した線図となって、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、モータ側および周囲環境に影響を及ぼすことがなくなる。

〈まとめ〉
式（２）を満足するように、Ｌａ３、Ｃａ３を選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。

〈実施形態３〉
図３は本発明の実施形態３に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。
図３において、インバータ１０からの三相出力がケーブル２０を通ってモータ３０に送られる。インバータ１０側からモータ３０までのケーブル２０の３本のケーブルをシールド層４０で覆っている。
実施形態３によれば、シールド層４０の片側だけを接地するアース線５０にインダクタＬｂだけを挿入しているのが特徴である。

〈インダクタＬｂ〉
インダクタＬｂのインダクタンスをＬｂとし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とすると、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌｂ×Ｃ０）^１／２］・・・・・・・式（３）
式（３）を満足するように、Ｌｂを選べばよい。
こうすることによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、図５および図６に説明した線図となって、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、モータ側および周囲環境に影響を及ぼすことがなくなる。

〈まとめ〉
式（３）を満足するように、Ｌｂ３を選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５０を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。

〈実施形態４〉
図４は本発明の実施形態４に係るノイズ低減シールドケーブルのブロック図である。
図４において、インバータ１０からの三相出力がケーブル２０を通ってモータ３０に送られる。インバータ１０側からモータ３０までのケーブル２０の３本のケーブルをシールド層４０で覆っている。
実施形態４によれば、シールド層４０の片側だけを接地するアース線として、自己インダクタンスＬｃのアース線５１を使用しているのが特徴である。

〈自己インダクタンスＬｃのアース線５１〉
アース線５１の自己インダクタンスをＬｃとし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とすると、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌｃ×Ｃ０）^１／２］・・・・・・・式（４）
式（４）を満足するような自己インダクタンスのアース線Ｌｃを選べばよい。
こうすることによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、図５および図６に説明した線図となって、サージ電圧はアース線５１を通ってアース側に流れるので、モータ側および周囲環境に影響を及ぼすことがなくなる。

〈まとめ〉
式（４）を満足するような自己インダクタンスのアース線Ｌｃを選ぶことによって、抑制したい周波数ｆ１のサージ電圧が発生した場合は、サージ電圧はアース線５１を通ってアース側に流れるので、装置のサイズや質量やコストをほとんど変えずに、モータ側および周囲環境に影響を及ぼさないノイズ低減シールドケーブルが得られる。

１０：インバータ
２０：ケーブル
３０：モータ
４０：シールド層
５０：アース線
５１：自己インダクタンスＬａ３のアース線
Ｃａ１、Ｃａ２、Ｃａ３：コンデンサ
Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌａ３、Ｌｂ：インダクタ

Claims

インバータと、モータと、前記インバータと前記モータを接続するケーブルと、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層と、前記シールド層の両端をそれぞれ接地する２本のアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記第１のアース線に静電容量Ｃａ１のコンデンサとインダクタンスＬａ１のインダクタを設け、
前記第２のアース線に静電容量Ｃａ２のコンデンサとインダクタンスＬａ２のインダクタを設け、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２］・・・・・・・式（１）
なお、Ｌ＝Ｌａ１、又はＬａ２、
Ｃ＝Ｃ０×Ｃａ１／（Ｃ０＋Ｃａ１）、又はＣ＝Ｃ０×Ｃａ２／（Ｃ０＋Ｃａ２）
式（１）を満足することを特徴とするノイズ低減シールドケーブル。
インバータと、モータと、前記インバータと前記モータを接続するケーブルと、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層と、前記シールド層の一端を接地するアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記アース線に静電容量Ｃａ３のコンデンサとインダクタンスＬａ３のインダクタを設け、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２］・・・・・・・式（２）
なお、Ｌ＝Ｌａ３
Ｃ＝Ｃ０×Ｃａ３／（Ｃ０＋Ｃａ３）、
式（２）を満足することを特徴とするノイズ低減シールドケーブル。
インバータと、モータと、前記インバータと前記モータを接続するケーブルと、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層と、前記シールド層の一端を接地するアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記アース線にインダクタンスＬｂのインダクタを設け、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌｂ×Ｃ０）^１／２］・・・・・・・式（３）
式（３）を満足することを特徴とするノイズ低減シールドケーブル。
インバータと、モータと、前記インバータと前記モータを接続するケーブルと、前記ケーブルの前記インバータから前記モータまでの部分を覆うシールド層と、前記シールド層の一端を接地するアース線と、から構成されるシールドケーブルにおいて、
前記アース線として自己インダクタンスＬｃのアース線を用い、
かつ、前記ケーブルの芯線と前記シールド層の間の静電容量をＣ０とし、抑制したいサージ電圧の基本周波数をｆ１とするとき、
ｆ１＝１／［２π×（Ｌｃ×Ｃ０）^１／２］・・・・・・・式（４）
式（４）を満足することを特徴とするノイズ低減シールドケーブル。