JP2011130544A - 電動車両用回転電機、駆動制御装置および絶縁診断方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】車両に搭載されてインバーター電源7により駆動される電動車両用回転電機10に、巻線間、相間および対地間の絶縁部で発生する部分放電を計測する部分放電計測センサー4を備える。
【選択図】図2
Description
(2) 請求項2の電動車両用回転電機は、請求項1に記載の電動車両用回転電機において、部分放電計測手段は、ステーターコイルのコイルエンド近傍にステーターコアの全周に沿って巻回された導電線材であり、部分放電により発生する電磁波を検出する。
(3) 請求項3の発明は、請求項1に記載の電動車両用回転電機において、部分放電計測手段は、回転電機内部の温度を計測する温度センサーと、温度センサー近傍の温度センサーの出力線の両端に接続された静電容量とからなり、温度センサーの出力線をステーターコイルのコイルエンド近傍にステーターコアの全周に沿って巻回して配設する。
(4) 請求項4の発明は、請求項2または請求項3に記載の電動車両用回転電機において、導電線材または出力線の一方を、ステーターコイルの一方のコイルエンド近傍にステーターコアの全周に沿って時計回りに配設するとともに、導電線材または出力線の他方を、ステーターコイルの他方のコイルエンド近傍にステーターコアの円周方向に反時計回りに配設する。
(5) 請求項5の発明は、請求項2に記載の電動車両用回転電機において、回転電機内部の温度を計測する温度センサーを備える。
(6) 請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、回転電機内部の気圧を計測する気圧センサーを備える。
(7) 請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、回転電機内部の湿度を計測する湿度センサーを備える。
(8) 請求項8の発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、回転電機内部と連通する配管とバルブを備える。
(9) 請求項9の発明は、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、インバーター電源との間で電力の授受を行う電源用端子とは別個に、外部電源との間で電力の授受を行う外部電源用端子を備える。
(10) 請求項10の発明は、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機を駆動制御する駆動制御装置であって、回転電機にインバーターパルス電圧を印加して駆動するインバーター電源と、部分放電計測手段の出力信号から部分放電信号を抽出する抽出手段と、抽出手段により抽出された部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、部分放電開始電圧の経時変化に基づいて回転電機の絶縁診断を行う診断手段とを備える。
(11) 請求項11の発明は、請求項10に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、回転電機の絶縁診断時には、インバーター電源は、回転電機の駆動電圧が通常運転時の駆動電圧よりも高くなるインバーターパルス電圧を印加し、抽出手段は、部分放電計測手段の出力信号にハイパスフィルター処理を施し、インバーター電源によるインバーターパルスノイズを除去して部分放電信号を抽出する。
(12) 請求項12の発明は、請求項11に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、ハイパスフィルターは、インバーターパルスノイズの周波数スペクトルと、最小部分放電信号の周波数スペクトルとの交点を遮断周波数とするハイパスフィルターである。
(13) 請求項13の発明は、請求項10に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、回転電機の絶縁診断時には、インバーター電源は、回転電機の駆動電圧が通常運転時の駆動電圧よりも高くなるインバーターパルス電圧を印加し、抽出手段は、部分放電計測手段の出力信号の内、インバーター電源によるインバーターパルスノイズの発生位相と異なる位相において発生した信号を部分放電信号として抽出する。
(14) 請求項14の発明は、請求項10に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、回転電機の絶縁診断時には、インバーター電源は、回転電機の誘起電圧が通常運転時の誘起電圧よりも高くなる回転電機の界磁制御を行い、抽出手段は、部分放電計測手段の出力信号から回転電機に発生する誘起電圧成分を除去して部分放電信号を抽出する。
(15) 請求項15の発明は、請求項8に記載の電動車両用回転電機を駆動制御する駆動制御装置であって、回転電機にインバーターパルス電圧を印加して駆動するインバーター電源と、部分放電計測手段の出力信号から部分放電信号を抽出する抽出手段と、抽出手段により抽出された部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、部分放電開始電圧の経時変化に基づいて回転電機の絶縁診断を行う診断手段とを備え、回転電機の絶縁診断時には、配管とバルブに真空ポンプを接続して回転電機の内部気圧を低下させる。
(16) 請求項16の発明は、請求項9に記載の電動車両用回転電機を駆動制御する駆動制御装置であって、回転電機にインバーターパルス電圧を印加して駆動するインバーター電源と、インバーター電源と回転電機との間に設けられる遮断手段と、部分放電計測手段の出力信号から部分放電信号を抽出する抽出手段と、抽出手段により抽出された部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、部分放電開始電圧の経時変化に基づいて回転電機の絶縁診断を行う診断手段とを備え、回転電機の絶縁診断時には、遮断器を開路するとともに、外部電源用端子を介して外部電源から回転電機に絶縁試験電圧を印加する。
(17) 請求項17の発明は、請求項10〜16のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、回転電機の絶縁診断時の回転電機の温度、湿度および気圧を部分放電開始電圧とともに記録する記録手段と、記録手段に記録されている部分放電開始電圧を、回転電機の所定温度、所定湿度および所定気圧における値に換算する換算手段とを備え、診断手段は、換算手段により換算後の部分放電開始電圧に基づいて回転電機の絶縁診断を行う。
(18) 請求項18の発明は、請求項10〜17に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、診断手段は、回転電機の巻線間、相間および対地間の絶縁部の熱劣化、機械劣化、耐油劣化および耐加水分解劣化を考慮して部分放電開始電圧の経時変化に基づき絶縁診断を行う。
(19) 請求項19の発明は、車両に搭載されてインバーター電源により駆動される電動車両用回転電機の巻線間、相間および対地間の絶縁部で発生する部分放電をセンサーにより計測し、このセンサーの出力信号から部分放電信号を抽出し、抽出された部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、部分放電開始電圧の経時変化に基づいて電動車両用回転電機の絶縁診断を行う電動車両用回転電機の絶縁診断方法である。
図2は部分放電計測センサー4と温度センサー3の構造と取り付け位置を示し、(a)は回転電機10(図1(a)参照)の固定子鉄心(ステーターコア)20と固定子巻線(ステーターコイル)のコイルエンド21の側面図、(b)は固定子鉄心20とコイルエンド21の三相UVWの口出し(端子)24〜26側の正面図である。コイルエンド21は、回転電機10の固定子鉄心20から左右の軸方向に飛び出している。温度センサー3は、回転電機10の固定子コイルの温度が最も高くなると推定されるコイルエンド表面に貼り付けられる。温度センサー3には、半導体素子を使ったサーミスタや熱電対、白金の測定温度抵抗体などを使用する。
図4は、部分放電計測センサーを2つに分けてコイルエンド21の両側に配置した変形例の部分放電計測センサー4a、4bを示し、(a)は固定子鉄心20と固定子巻線のコイルエンド21の側面図、(b)は固定子鉄心20とコイルエンド21の三相UVWの口出し24〜26側の正面図である。この変形例では、一方の部分放電計測センサー4aが、三相UVWの口出し24、25、26側と反対側のコイルエンド21の近傍に、固定子コイル全体の部分放電を計測できるように固定子鉄心20の全周に沿って巻回して配設され、また、他方の部分放電計測センサー4bが、三相UVWの口出し24、25、26側のコイルエンド21の近傍に、固定子コイル全体の部分放電を計測できるように固定子鉄心20の全周に沿って巻回して配設され、反口出し側の部分放電計測センサー4aと口出し側の部分放電計測センサー4bとが直列に接続される。これにより、インバーターパルスノイズをさらに低減し、部分放電信号を高感度で計測することができる。なお、温度センサー3については図2に示す計測方法2と同様であり、説明を省略する。
温度センサーを使った従来の高電圧回転電機の部分放電計測では、回転電機の急激な温度変化とともに温度センサーのインピーダンスが大きく変化するため、部分放電計測感度が大きく変化するという問題があった。このため、図1〜図5に示す部分放電の計測方法1、2では温度センサー3と部分放電計測センサー4とを分離した。しかし、電気自動車およびハイブリッド電気自動車では小型、軽量化、部品点数削減に対するニーズが高く、このようなニーズに応えるために温度センサーを改良し、負荷変動や温度変化の大きい電気自動車およびハイブリッド電気自動車において温度センサーを使って部分放電を計測する例を以下に説明する。
図9は、温度センサー兼部分放電計測センサー41の変形例の構成を示す。上述した図6に示す計測方法では、温度センサー41の両端にコンデンサー42を接続して部分放電を計測する方法を示したが、ここではコンデンサーを接続せずに温度センサー41から引き出されるリード線を平行に近接させて樹脂などでモールドして固定し(図中に500で示す部分)、温度センサー41の近くに並列に静電容量500を付加している(以下では、静電容量500を付加した温度センサー41を温度センサー兼部分放電計測センサー41と呼ぶ)。温度センサー兼部分放電計測センサー41は、図9に示すように部分放電計測器5に接続されるとともに、図1(a)に示す制御/データ処理装置6の温度計測ポートに接続される。この計測方法によれば、図7に示す効果と同様な効果が得られる上に、図6に示す計測方法に比べコンデンサー42が不要になり、部品点数の削減とともに接続作業工数を削減できる。
図11は、図6および図9に示す温度センサー兼部分放電計測センサーを2つに分けてコイルエンド21の両側に配置した変形例の温度センサー兼部分放電計測センサー41a、41bを示し、(a)は回転電機10(図1(a)参照)の固定子鉄心20と固定子巻線のコイルエンド21の側面図、(b)は固定子鉄心20とコイルエンド21の三相UVWの口出し24〜26側の正面図である。温度センサー兼部分放電計測センサー41aと41bはそれぞれ、回転電機10の軸方向の左右のコイルエンド21の近傍に、固定子コイル全体の部分放電を計測できるように固定子鉄心20の全周に沿って巻回して配設され、温度センサー兼部分放電計測センサー41aと41bはコンデンサー43を介して接続される。このような構成とすることによって、ミリ秒から分オーダーまでの低周波の温度時間変化に対しては温度センサー兼部分放電計測センサー41aと41bがそれぞれ独立した温度センサーとして機能する。一方、MHzからGHzまでの高周波の部分放電信号変化があると、温度センサー兼部分放電計測センサー41a、41bの両端が短絡され、部分放電計測センサーとして機能する。このように、温度センサー兼部分放電計測センサーを2つに分けることによって、図4に示す2つの部分放電計測センサー4a、4bを直列接続した場合の図5に示す効果と同様な効果が得られ、インバータパルスノイズを低減しながら部分放電をより高感度で計測することが可能になる。
図12は、図6および図9に示す温度センサー兼部分放電計測センサー41の配線を一方のコイルエンド21から他方のコイルエンド21に引き回した場合の例を示し、(a)は回転電機10(図1(a)参照)の固定子鉄心20と固定子巻線のコイルエンド21の側面図、(b)は固定子鉄心20とコイルエンド21の三相UVWの口出し24〜26側の正面図である。上述した図11に示す部分放電の計測方法5では、2つの温度センサー兼部分放電計測センサー41a、41bを用いているため、温度を2点で計測できるメリットがある反面、センサーが2つになり部品点数が増加する上に、センサー41a、41bどうしを接続するコンデンサー43が必要になる。これに対し図12に示す計測方法6では、温度測定点は1つであるが、単一の温度センサー兼部分放電計測センサー41の配線を一方のコイルエンド21から他方のコイルエンド21に連続して引き回すことによって、部品点数を削減しつつ、インバータパルスノイズを低減し、部分放電をより高感度で計測することを可能にしている。
図10〜図12に示す温度センサー兼部分放電計測センサー41、(41a、41b)から出力される2本の配線を、固定子鉄心20の円周方向の時計回りと反時計回りに分配して巻回した例を図13〜図15に示す。図13〜図15において、(a)は回転電機10(図1(a)参照)の固定子鉄心20と固定子巻線のコイルエンド21の側面図、(b)は固定子鉄心20とコイルエンド21の三相UVWの口出し24〜26側の正面図である。上述した図10〜図12では温度センサー兼部分放電計測センサー41、(41a、41b)から出力される2本の配線を平行に配設していたため、配線間の静電容量が大きいと部分放電信号が配線間で漏れて短絡するおそれがあり、配線の絶縁部材を厚くする必要があった。これに対し図13〜図15に示すように温度センサー兼部分放電計測センサー41、(41a、41b)から出力される2本の配線を固定子鉄心20の全周の時計回りと反時計回りに分配することによって、配線間の漏れ静電容量を低減すると同時に、回転電機10の軸方向に伝播する部分放電の電磁波を効率的に捕らえることができる。
図16は回転電機10の軸方向の断面図である。回転電機10は、ステーター(固定子)150と、ステーター150の内周側に空隙を介して配置され、かつ回転可能に支持されているローター(回転子)151から構成されている。ステーター150とローター151は回転電機のハウジング152内に保持されている。
図17は、電気自動車あるいはハイブリッド電気自動車の駆動システムに用いるインバーターINVの回路構成を示す。インバーターINVは、2個のインバーターINV1,INV2から構成されている。インバーターINV1,INV2の構成は同じである。インバーターINV1,INV2は、それぞれパワーモジュールPMと、ドライバーユニットDUから構成される。ドライバーユニットDUは、モーター制御ユニットMCUによって制御される。パワーモジュールPMにはバッテリーBAから直流電力が供給され、インバーターINV1,INV2はそれぞれ直流電力を交流電力に変換してモーター・ジェネレーターFMG,RMGに供給する。また、モーター・ジェネレーターFMG,RMGが発電機として動作するときには、発電機(ジェネレーター)の出力をインバーターINV1,INV2によって直流電力に変換するとともに、図示しないDC−DCコンバーターで電圧の大きさをコントロールしてバッテリーBAに蓄電される。
図18は、図16に示す回転電機10と図17に示すインバータシステムを搭載したハイブリッド電気自動車の走行駆動システムを示す。図18に示すハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンENと、上述した回転電機10からなるフロント側モーター・ジェネレーターFMGによって前輪WH−Fを、回転電機10からなるリア側モーター・ジェネレーターRMGによって後輪WH−Rをそれぞれ駆動するように構成された四輪駆動式の車両である。なお、この一実施の形態では、エンジンENとフロント側モーター・ジェネレーターFMGによって前輪WH−Fを、リア側モーター・ジェネレーターRMGによって後輪WH−Rをそれぞれ駆動する場合について説明するが、エンジンENと上述した回転電機10からなるフロント側モーター・ジェネレーターFMGによって後輪WH−Rを、リア側モーター・ジェネレーターRMGによって前輪WH−Fをそれぞれ駆動するようにしてもよい。
Claims (19)
- 車両に搭載されてインバーター電源により駆動される電動車両用回転電機であって、
巻線間、相間および対地間の絶縁部で発生する部分放電を計測する部分放電計測手段を備えることを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1に記載の電動車両用回転電機において、
前記部分放電計測手段は、ステーターコイルのコイルエンド近傍にステーターコアの全周に沿って巻回された導電線材であり、部分放電により発生する電磁波を検出することを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1に記載の電動車両用回転電機において、
前記部分放電計測手段は、前記回転電機内部の温度を計測する温度センサーと、前記温度センサー近傍の前記温度センサーの出力線の両端に接続された静電容量とからなり、前記温度センサーの前記出力線をステーターコイルのコイルエンド近傍にステーターコアの全周に沿って巻回して配設することを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項2または請求項3に記載の電動車両用回転電機において、
前記導電線材または前記出力線の一方を、ステーターコイルの一方のコイルエンド近傍にステーターコアの全周に沿って時計回りに配設するとともに、前記導電線材または前記出力線の他方を、ステーターコイルの他方のコイルエンド近傍にステーターコアの円周方向に反時計回りに配設することを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項2に記載の電動車両用回転電機において、
前記回転電機内部の温度を計測する温度センサーを備えることを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、
前記回転電機内部の気圧を計測する気圧センサーを備えることを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、
前記回転電機内部の湿度を計測する湿度センサーを備えることを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、
前記回転電機内部と連通する配管とバルブを備えることを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機において、
前記インバーター電源との間で電力の授受を行う電源用端子とは別個に、外部電源との間で電力の授受を行う外部電源用端子を備えることを特徴とする電動車両用回転電機。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機を駆動制御する駆動制御装置であって、
前記回転電機にインバーターパルス電圧を印加して駆動するインバーター電源と、
前記部分放電計測手段の出力信号から部分放電信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された前記部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、前記部分放電開始電圧の経時変化に基づいて前記回転電機の絶縁診断を行う診断手段とを備えることを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項10に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、
前記回転電機の絶縁診断時には、前記インバーター電源は、前記回転電機の駆動電圧が通常運転時の駆動電圧よりも高くなるインバーターパルス電圧を印加し、
前記抽出手段は、前記部分放電計測手段の出力信号にハイパスフィルター処理を施し、前記インバーター電源によるインバーターパルスノイズを除去して前記部分放電信号を抽出することを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項11に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、
前記ハイパスフィルターは、インバーターパルスノイズの周波数スペクトルと、最小部分放電信号の周波数スペクトルとの交点を遮断周波数とするハイパスフィルターであることを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項10に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、
前記回転電機の絶縁診断時には、前記インバーター電源は、前記回転電機の駆動電圧が通常運転時の駆動電圧よりも高くなるインバーターパルス電圧を印加し、
前記抽出手段は、前記部分放電計測手段の出力信号の内、前記インバーター電源によるインバーターパルスノイズの発生位相と異なる位相において発生した信号を前記部分放電信号として抽出することを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項10に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、
前記回転電機の絶縁診断時には、前記インバーター電源は、前記回転電機の誘起電圧が通常運転時の誘起電圧よりも高くなる前記回転電機の界磁制御を行い、
前記抽出手段は、前記部分放電計測手段の出力信号から前記回転電機に発生する誘起電圧成分を除去して前記部分放電信号を抽出することを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項8に記載の電動車両用回転電機を駆動制御する駆動制御装置であって、
前記回転電機にインバーターパルス電圧を印加して駆動するインバーター電源と、
前記部分放電計測手段の出力信号から部分放電信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された前記部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、前記部分放電開始電圧の経時変化に基づいて前記回転電機の絶縁診断を行う診断手段とを備え、
前記回転電機の絶縁診断時には、前記配管とバルブに真空ポンプを接続して前記回転電機の内部気圧を低下させることを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項9に記載の電動車両用回転電機を駆動制御する駆動制御装置であって、
前記回転電機にインバーターパルス電圧を印加して駆動するインバーター電源と、
前記インバーター電源と前記回転電機との間に設けられる遮断手段と、
前記部分放電計測手段の出力信号から部分放電信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された前記部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、前記部分放電開始電圧の経時変化に基づいて前記回転電機の絶縁診断を行う診断手段とを備え、
前記回転電機の絶縁診断時には、前記遮断器を開路するとともに、前記外部電源用端子を介して外部電源から前記回転電機に絶縁試験電圧を印加することを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項10〜16のいずれか一項に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、
前記回転電機の絶縁診断時の前記回転電機の温度、湿度および気圧を前記部分放電開始電圧とともに記録する記録手段と、
前記記録手段に記録されている前記部分放電開始電圧を、前記回転電機の所定温度、所定湿度および所定気圧における値に換算する換算手段とを備え、
前記診断手段は、前記換算手段により換算後の部分放電開始電圧に基づいて前記回転電機の絶縁診断を行うことを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 請求項10〜17に記載の電動車両用回転電機の駆動制御装置において、
前記診断手段は、前記回転電機の巻線間、相間および対地間の絶縁部の熱劣化、機械劣化、耐油劣化および耐加水分解劣化を考慮して前記部分放電開始電圧の経時変化に基づき絶縁診断を行うことを特徴とする電動車両用回転電機の駆動制御装置。 - 車両に搭載されてインバーター電源により駆動される電動車両用回転電機の巻線間、相間および対地間の絶縁部で発生する部分放電をセンサーにより計測し、前記センサーの出力信号から部分放電信号を抽出し、抽出された前記部分放電信号に基づいて部分放電開始電圧を検出し、前記部分放電開始電圧の経時変化に基づいて前記電動車両用回転電機の絶縁診断を行うことを特徴とする電動車両用回転電機の絶縁診断方法。
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