专利名称：一种与三相无刷电动机有关的噪音降低装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及与三相无刷电动机有关的噪音降低装置，以及使用该装置的车辆用电动机驱动系统。
背景技术：
三相无刷电动机自身是公知的。例如，JP 2003-235240公开了它。在这种类型的三相无刷电动机中，电容器连接在直流电源的正电力线和负电力线之间，三组串联二功率 MOS晶体管分别连接在正电力线和负电力线之间。星形连接的电感性负载连接到相应组中的晶体管之间的中点。然而，在JP 2003-235240公开的三相无刷电动机的电路构造中，当与例如U相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在平面内的分立区域中产生。作为此结果，相反方向的磁场由相应的电流环路高速地(即以短的周期) 交替产生。因此，存在由于磁场的这种变化而产生噪音的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，借助该装置，当驱动三相无刷电动机时产生的噪音可被有效地降低。本发明的另一目的在于提供一种车辆用电动机驱动系统。为了实现上述目的，根据本发明第一实施形态，提供一种应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，其中，当与U相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反，当与V相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反，且当与W相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反。根据本发明，获得了应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，其能有效减小在驱动三相无刷电动机时产生的噪音。另外，根据本发明，获得了使用该噪音降低装置的车辆用电动机驱动系统。
由下面参照附图给出的对优选实施例的详细介绍，将会更加明了本发明的这些以及其他目的、特征和优点，在附图中图1用于示出用于电气车辆的电动机驱动系统1的实例的概况；图2用于概念性地示出在图1所示的电动机驱动系统1中用于驱动车辆的电动机 40以及变换器30的电路布置，根据本发明的噪音降低装置的实施例应用于该电动机驱动系统；图3为电流和磁通波形定时图，并示出了图2所示的变换器30的运行；图4用于概念性地示出根据现有技术的电路布置；图5A-5C用于原理性地示出几种条件下的电流流动；图6用于概念性地示出根据当前实施例的较高谐波降低效果；以及图7用于概念性地示出图2所示的变换器的安装状态。附图标记说明1电动机驱动系统
2电池
20DC-DC转换器
30变换器
40电动机
50半导体驱动器装置
80散热器
91第一层(接地层)的基板
92第二层的基板
93第三层的基板
94第四层(接地层)的基板
102导体
104导体
Ql, Q2与U相有关的开关元件
Q3, Q4与V相有关的开关元件
Q5, Q6与W相有关的开关元件
具体实施例方式下面将参照附图详细介绍用于实现本发明的最佳方式。图1示出了用于电气车辆的电动机驱动系统1的实例的概况。电动机驱动系统1 为用于使用来自电池10的电力驱动电动机40的系统，电动机40用于驱动车辆。注意，电气车辆的类型或是电气车辆的具体构造可以是任意的，只要电气车辆由使用电力的电动机 40驱动。典型地，电气车辆包括混合动力车(HV)，其使用内燃机和电动机40作为动力源； 真正的电气车辆，其仅将电动机40用作动力源。电动机驱动系统1包含电池10、DC-DC转换器20、变换器30、电动机40以及半导体驱动器装置50，如图1所示。电池10为任意的电容器单元，其积聚电力，以便输出直流电压。电池10可以被配置为镍氢电池、锂离子电池、例如电气双层电容器等的电容性元件，等等。DC-DC转换器20为双向DC-DC转换器(也称为可变斩波器(variable chopper) 型的升压DC-DC转换器)，并能够将输入电压14V升压转换为42V，以及将输入电压42V降压转换为14V。平滑电容器Cl连接在DC-DC转换器20的电抗器Ll的输入侧和负电极线之间。
变换器30包含并联布置在正电极线和负电极线之间的U-V-W相的臂。U相臂包含串联连接的开关元件(在此实例中为IGBT)Q1与Q2，VU相臂包含串联连接的开关元件(在此实例中为IGBT)Q3与Q4，W相臂包含串联连接的开关元件(在此实例中为IGBT)Q5与Q6。 另外，二极管D1-D6分别设置在开关元件Q1-Q6的集电极与发射极之间。开关元件Q1-Q6 在此实例中为IGBT(绝缘栅型双极型晶体管)，然而，开关元件Q1-Q6可以为其他的晶体管， 例如MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)等。电动机40为三相永磁电动机，U、V、W相各线圈的一端共同连接在其间的中点上。 U相线圈的另一端连接到开关元件Ql与Q2之间的中点Ml，V相线圈的另一端连接到开关元件Q3与Q4之间的中点M2，W相线圈的另一端连接到开关元件Q5与Q6之间的中点M3。 平滑电容器C2连接在开关元件Ql的集电极和负电极线之间。半导体驱动器装置50控制变换器30。半导体驱动器装置50包含例如CPU、ROM、 主存储器等，半导体驱动器装置50的功能在ROM中存储的控制程度从主存储器被读出并接着由CPU执行时实现。变换器30的控制方法可以是任意的，然而，通常，与U相有关的两个开关元件Ql与Q2以彼此相反的相位开通/关断，与V相有关的两个开关元件Q3与Q4以彼此相反的相位开通/关断，与W相有关的两个开关元件Q5与Q6以彼此相反的相位开通 /关断。图2用于概念性地示出图1所示电动机驱动系统1中的变换器30和电动机40的电路布置，根据本发明的噪音降低装置的实施例应用于该电动机驱动系统。在当前实施例中，变换器30以这样的方式被配置当与U相有关的两个开关元件 Ql与Q2以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向Z上彼此相反，当与V相有关的两个开关元件Q3与Q4以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向Z上彼此相反，当与W相有关的两个开关元件Q5与Q6 以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向Z上彼此相反。换句话说，变换器30被布置为，通过沿着图1所示的线P折叠，正电极侧和负电极侧彼此相反。图3为电流和磁通的波形定时图，并示出了图2所示的变换器30的运行。在图3中，Il表示经过与U相有关的开关元件Ql的电流，12表示经过与U相有关的开关元件Q2的电流，Φ1表示经过由电流Il产生的电流环路的磁通。磁通Φ1自身的波形基本上与电流Il的相同，因此，磁通Φ 1和电流Il并排写下。Φ2表示经过由电流 12产生的电流环路的磁通。磁通Φ2自身的波形基本上与电流12的相同，因此，磁通Φ2 和电流12并排写下。在当前实施例中，如上面所提到的，当与U相有关的两个开关元件Ql 与Q2以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板表面的方向Z 上彼此相反。因此，当从垂直于基板表面的方向Z观察时，Il产生的电流环路和12产生的电流环路重叠，重叠区域中的相应通量被叠加。因此，磁通Φ1+Φ2表示这样的重叠区域中的磁通。另外，在图3中，13表示经过与V相有关的开关元件Q3的电流，14表示经过与V 相有关的开关元件Q4的电流。Φ3表示经过由电流13产生的电流环路的磁通。磁通Φ3 自身的波形基本上与电流13的相同，因此，磁通Φ3和电流13并排写下。Φ4表示经过由电流14产生的电流环路的磁通。磁通Φ4自身的波形基本上与电流14的相同，因此，磁通Φ4和电流14并排写下。在当前实施例中，如上面所提到的，当与V相有关的两个开关元件 Q3与Q4以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板表面的方向 Z上彼此相反。因此，当从垂直于基板表面的方向Z观察时，13产生的电流环路和14产生的电流环路重叠，重叠区域中的相应通量被叠加。因此，磁通Φ3+Φ4表示这样的重叠区域中的磁通。另外，在图3中，15表示经过与W相有关的开关元件Q5的电流，16表示经过与W 相有关的开关元件Q6的电流。Φ5表示经过由电流15产生的电流环路的磁通。磁通Φ5 自身的波形基本上与电流15的相同，因此，磁通Φ5和电流15并排写下。Φ6表示经过由电流16产生的电流环路的磁通。磁通Φ6自身的波形基本上与电流16的相同，因此，磁通 Φ6和电流16并排写下。在当前实施例中，如上面所提到的，当与W相有关的两个开关元件 Q5与Q6以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板表面的方向 Z上彼此相反。因此，当从垂直于基板表面的方向Z观察时，15产生的电流环路和16产生的电流环路重叠，重叠区域中的相应通量被叠加。因此，磁通Φ5+Φ6表示这样的重叠区域中的磁通。注意，在图3中，示出了电压U-V、V-W和W-U的波形。这些波形自身与在普通构造中的那些相同。如图3所示，类似于正弦曲线(用虚线表示)的交流电压用由直流电源 (即电池10)产生的矩形波的组合产生。通过这种方式，电动机40被驱动，以便驱动车辆。这里，在当前实施例中，磁通Φ1+Φ2、Φ3+Φ4、Φ5+Φ6的叠加波形在两个电流环路重叠的区域中产生，如上面所提到的那样。这与现有技术的具有图4所示布置的构造形成对比。换句话说，在图4所示的现有技术的构造中，例如，电流Il产生的电流环路和电流12产生的电流环路不在与基板表面垂直的方向Z上彼此相反，因此，不发生磁通的叠加。 相反，根据当前实施例，由于上面提到的磁通的叠加，可以平滑磁通在整体上的波形，如图3 中的磁通Φ1+Φ2、Φ3+Φ4、Φ5+Φ6的叠加波形所示。这里，例如当考虑U相时，首先，假设图5A所示的第一状态，其中，开关元件Ql与 Q2分别处于开通与关断状态，开关元件Q3与Q4分别处于开通与关断状态，开关元件Q5与 Q6分别处于开通与关断状态。在此第一状态下，电流以图5A的箭头所示的这种方式流动。 于是，假设这样的情况开关元件Ql与Q2分别从开通与关断状态反转到关断与开通状态。 换句话说，假设这样的情况发生从第一状态到第二状态的转换。当到第二状态的转换完成时，电流以图5C中的箭头所示的方式流动。然而，在从第一状态到第二状态的过渡状态下， 作为过渡现象，电流由于线圈(即电感)的存在以相反的方向流动，如图5B所示。这通过图3的波形的部分T (右侧)概念性地示出。当开关元件Ql与Q2分别从关断与开通状态反转到开通与关断状态时，这样的过渡电流也以类似的方式产生。这通过图3中的波形的部分T(左侧)概念性地示出。由于这种过渡电流(以及因此带来的磁通)的产生，磁通作为整体的波形相对于磁通的上述叠加以协同的关系得到有效的平滑，如图3中的部分P所
7J\ ο图6示出了可通过例如FFT (快速傅立叶变换)获得的噪音谱的频率分布。在当前实施例中，由于磁通作为整体的波形(即磁通作为整体的变化)如上所述地得到平滑，相比于图4所示的现有技术的构造，噪音的较高的谐波可被有效地降低，如图6中概念性地示出的那样。
图7用于概念性地示出图2所示的变换器的安装状态。在图7所示的实例中，使用了在垂直于基板的方向Z上堆叠的四层基板91、92、93、94。从上面一侧起，第一层基板 91为接地层。通过例如铜的固体线路图案(solid pattern)，在基板91的上侧形成接地电位。第二层基板92的上侧形成电路部分，其从与U相有关的开关元件Ql与Q2之间的中点Ml经由电池10的正电极侧的开关元件Ql连接到正电极(即U相中位于正电极侧的电路部分)。另外，第二层基板92的上侧形成电路部分，其从与V相有关的开关元件Q3与 Q4之间的中点M2经由电池10的正电极侧的开关元件Q3连接到正电极(即V相中位于正电极侧的电路部分)。类似地，在第二层基板92的上侧形成电路部分，其从与W相有关的开关元件Q5与Q6之间的中点M3经由电池10的正电极侧的开关元件Q5连接到正电极(即 W相中位于正电极侧的电路部分)。在第三层基板93的上侧形成电路部分，其从与U相有关的开关元件Ql与Q2之间的中点Ml经由电池10的负电极侧的开关元件Q2连接到负电极(即U相中位于负电极侧的电路部分)。另外，在第三层基板93的上侧形成电路部分，其从与V相有关的开关元件 Q3与Q4之间的中点M2经由电池10的负电极侧的开关元件Q4连接到负电极(即V相中位于负电极侧的电路部分)。类似地，在第三层基板93的上侧形成电路部分，其从与W相有关的开关元件Q5与Q6之间的中点M3经由电池10的负电极侧的开关元件Q6连接到负电极 (即W相中位于负电极侧的电路部分)。第四层基板94为接地层。接地电位在基板94的上侧通过例如铜的固体线路图案形成。通过这种方式，在图7所示的实例中，在其上形成U、V、W相线路图案的基板92、93 在垂直于基板表面的方向Z上夹在形成接地层的相应基板91、94之间。作为其结果，可以使得共模噪音环路最小化，并防止共模噪音泄漏。开关元件Q1-Q6被容纳在散热器80中，在垂直于基板表面的方向Z上，散热器80 被设置在第一层基板91上方。开关元件Q1-Q6经由在垂直于基板表面的方向Z上形成的通孔连接到基板92、93上的对应的电路部分。注意，事实上，从位于U、V、W相负电极侧的电路部分的通孔与U、V、W相正电极侧的电路部分偏移开(在图7中的Y方向上)，以便不在其间建立电气连接。另外，通过掩蔽形成通孔的区域，在第一层基板91上形成铜的固体线路图案。散热器80由导电材料(例如铝块(aluminum block))制成。散热器80可包含凹部，用于以这样的方式容纳开关元件Q1-Q6 凹部与对应的开关元件Q1-Q6接触。散热器80 可具有在其上形成的翼片(fin)，以便加强热辐射特性。通过这种方式，散热器80不仅具有散热器功能，还具有屏蔽功能，用于屏蔽来自开关元件Q1-Q6的辐射噪音。散热器80的金属部分——例如导体102——连接到第一层基板91的接地层。另外，经由通孔或是经由设置在基板91、94的边面(edge faces)之间的导体104，第一层基板91的接地层连接到第四层基板94的接地层。结果，建立在散热器的屏蔽部分和相应的接地层之间的电气连接，因此可有效地屏蔽共模噪音。注意，从类似的观点看来，电动机40 可由屏蔽元件围绕，屏蔽元件电气连接到基板91、94的相应接地层。参照优选实施例公开了本发明。然而，应当明了，本发明不限于上述实施例，在不
8脱离本发明的范围的情况下，可作出修改和变化。例如，在上面介绍的实施例中，与U、V、W相有关的正电极侧上的电路部分和与U、 V、w相有关的负电极侧上的电路部分分别在基板92、93上形成。然而，本发明不限于此，因此，安装方式可以是任意的，只要形成如图2所示的环路的重叠部分。例如，与U、V、W相有关的正电极侧上的电路部分和与U、V、W相有关的负电极侧上的电路部分可在基板92、93中的一个的正面和背面形成。在这种情况下，可省略基板92、93中的另一个。另外，在上面介绍的实施例中，散热器80设置在基板91的一侧，然而，散热器80 可设置在基板92的一侧。散热器80可关于图7所示的实例以上下颠倒的方式布置。本发明基于2009年4月1日提交的日本优先权申请No. 2009-089599，其全部内容并入此处作为参考。
权利要求
1.一种应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，其中，当与U相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反，当与V相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反，且当与W相有关的两个开关元件以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反。
2.一种应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，其中，从与U相有关的两个开关元件之间的中点经由与U相有关的开关元件中位于电源正极侧的一个到连接到正极侧的点的电路部分和从所述中点经由与U相有关的开关元件中位于电源负极侧的另一个到负极侧的电路部分分别在层叠的第一基板以及第二基板上形成，从与V相有关的两个开关元件之间的中点经由与V相有关的开关元件中位于电源正极侧的一个到连接到正极侧的点的电路部分和从所述中点经由与V相有关的开关元件中位于电源负极侧的另一个到负极侧的电路部分分别在所述层叠的第一基板以及第二基板上形成，且从与W相有关的两个开关元件之间的中点经由与W相有关的开关元件中位于电源正极侧的一个到连接到正极侧的点的电路部分和从所述中点经由与W相有关的开关元件中位于电源负极侧的另一个到负极侧的电路部分分别在所述层叠的第一基板以及第二基板上形成。
3.一种应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，其中，从与U相有关的两个开关元件之间的中点经由与U相有关的开关元件中位于电源正极侧的一个到连接到正极侧的点的电路部分和从所述中点经由与U相有关的开关元件中位于电源负极侧的另一个到负极侧的电路部分分别在基板的第一以及第二表面上形成，从与V相有关的两个开关元件之间的中点经由与V相有关的开关元件中位于电源正极侧的一个到连接到正极侧的点的电路部分和从所述中点经由与V相有关的开关元件中位于电源负极侧的另一个到负极侧的电路部分分别在所述基板的所述第一以及第二表面上形成，且从与W相有关的两个开关元件之间的中点经由与W相有关的开关元件中位于电源正极侧的一个到连接到正极侧的点的电路部分和从所述中点经由与W相有关的开关元件中位于电源负极侧的另一个到负极侧的电路部分分别在所述基板的所述第一以及第二表面上形成。
4.权利要求2的噪音降低装置，其中，所述第一以及第二基板在与所述第一以及第二基板的表面垂直的方向上夹在形成接地层的基板之间。
5.权利要求3的噪音降低装置，其中，所述基板在与所述基板的表面垂直的方向上夹在形成接地层的基板之间。
6.权利要求2的噪音降低装置，其中，与U、V、W相有关的相应的开关元件被容纳在散热器中，散热器在垂直于第一或第二基板的方向上设置在所述基板上方或下方，所述散热器还用作对从相应的开关元件发出的噪音进行屏蔽的屏蔽装置。
7.权利要求3的噪音降低装置，其中，与U、V、W相有关的相应的开关元件被容纳在散热器中，散热器在垂直于所述基板的方向上设置在所述基板上方或下方，所述散热器还用作对从相应的开关元件发出的噪音进行屏蔽的屏蔽装置。
8.权利要求6的噪音降低装置，其中，在其上形成U/V/W线路图案的所述第一以及第二基板在与所述第一以及第二基板的表面垂直的方向上夹在形成接地层的基板之间，且形成接地层的相应的基板和散热器彼此电气连接。
9.权利要求7的噪音降低装置，其中，在其上形成U/V/W线路图案的所述基板在与所述基板的表面垂直的方向上夹在形成接地层的基板之间，且形成接地层的相应的基板和散热器彼此电气连接。
10.一种车辆用电动机驱动系统，包含逆变器，其包含根据权利要求1的噪音降低装置；三相无刷电动机，其连接到逆变器。
11.一种车辆用电动机驱动系统，包含逆变器，其包含根据权利要求2的噪音降低装置；三相无刷电动机，其连接到逆变器。
12.—种车辆用电动机驱动系统，包含逆变器，其包含根据权利要求3的噪音降低装置；三相无刷电动机，其连接到逆变器。
全文摘要
本发明的目的在于有效降低驱动三相无刷电动机时产生的噪音。公开了应用于三相无刷电动机的噪音降低装置，其中，当与U相有关的两个开关元件Q1、Q2以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反，当与V相有关的两个开关元件Q3、Q4以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反，当与W相有关的两个开关元件Q5、Q6以彼此相反的相位开通或关断时产生的相应的电流环路在垂直于基板的方向上彼此相反。
文档编号H02M7/00GK102369655SQ201080014480
公开日2012年3月7日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年4月1日
发明者今井孝志, 内藤隆之, 山本茂树, 山野上耕一, 水谷浩市 申请人:丰田自动车株式会社, 伟世通环球技术有限公司