JP2017219352A

JP2017219352A - 絶縁検査用電源装置

Info

Publication number: JP2017219352A
Application number: JP2016112004A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　秀行; Hideyuki Sato; 秀行佐藤; 聡吉川; Satoshi Yoshikawa; 悟坂田; Satoru Sakata
Original assignee: Toyota Motor Corp; Kikusui Electronics Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Kikusui Electronics Corp
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-14

Abstract

【課題】従来の電源装置では、試験電圧の立ち上がり時間とピーク維持時間を独立して設定することが出来なかった。【解決手段】本発明の絶縁試験用電源装置１０は、直流電圧発生部１１の正極端子に一端が接続されるスイッチ１２と、一端がスイッチ１２の他端に接続され、他端が第１の接続端子ＴＴ１に接続され、設定値に応じてインダクタンス値を変更する可変インダクタンス１４と、直流電圧発生部１０の正極端子と負極端子との間に接続される容量素子Ｃと、第１の接続端子ＴＴ１と第２の接続端子ＴＴ２との間に接続される抵抗素子Ｒｓと、スイッチ１２の開閉状態を切り替えるパルス信号を出力するパルス発生器１３と、を有し、パルス発生器１３が出力するパルス信号のパルス幅を、試験電圧が所定の電圧以上となる期間を示すピーク維持時間に合わせて設定し、可変インダクタンス１４の設定値を、試験電圧の立ち上がり時間に合わせて設定する。【選択図】図３

Description

本発明は縁検査用電源装置に関し、例えば、モータに設けられる２端子間のサージ電圧に対する絶縁特性を検査する絶縁検査用電源装置に関する。

近年自動車では駆動用モータを搭載することが多くなってきている。この駆動用モータには、ステータに巻線が設けられており、この巻線の絶縁性を確保する必要がある。そこで、ステータの巻線の絶縁特性の試験方法が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載のインバータ駆動モータの絶縁評価方法では、インバータ駆動モータの巻線ターン間に発生するピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧とし、該試験電圧を試料絶縁材に課電して前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｐを計測し、前記ピーク電圧Ｖｍと前記寿命時間ｔｐとの関係を前記試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得し、取得した前記絶縁寿命特性に基づいて前記試料絶縁材の絶縁性能を評価する。

特開２００７−２３２５１７号公報

ステータの巻線の絶縁特性は、特許文献１に記載のモータの評価方法のように、巻線ターン間に発生する電圧（以下サージ電圧と称す）のピーク電圧を１つの評価パラメータとして評価することができる。しかしながら、発明者らの検討において、ピーク電圧のみならずピーク電圧の立ち上がり時間及びピーク電圧が持続するピーク維持時間もステータの絶縁特性の測定結果に影響があることが分かった。

特許文献１に記載のモータの絶縁評価方法では、パルス幅を評価パラメータとしては利用していない。このようなことから、特許文献１に記載のモータの絶縁評価を行う装置では、モータに印加する試験電圧の立ち上がり時間及びピーク維持時間をそれぞれ独立して設定することが出来ない。このようなことから、特許文献１に記載のモータの絶縁評価方法及びモータの絶縁評価装置では、ステータの絶縁特性の測定精度が十分ではない問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ステータの絶縁検査を行う絶縁検査用電源において、モータに印加する試験電圧の立ち上がり時間及びピーク維持時間を独立して設定可能にすることを目的とするものである。

本発明にかかる絶縁検査用電源装置の一態様は、被試験物の２つの被試験端子に試験電圧を出力する絶縁検査用電源装置であって、直流電圧を出力する直流電圧発生部と、前記直流電圧発生部の正極端子に一端が接続されるスイッチと、前記被試験端子の一方に接続される第１の接続端子と、一端が前記スイッチの他端に接続され、他端が前記第１の接続端子に接続され、設定値に応じてインダクタンス値を変更する可変インダクタンスと、前記被試験端子の他方が接続される第２の接続端子と、前記第２の接続端子と前記直流電圧発生部の負極端子との間を接続する負極配線と、前記直流電圧発生部の前記正極端子と前記負極端子との間に接続される容量素子と、前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間に接続される抵抗素子と、前記スイッチの開閉状態を切り替えるパルス信号を出力するパルス発生器と、を有し、前記パルス発生器が出力する前記パルス信号のパルス幅を、前記試験電圧が所定の電圧以上となる期間を示すピーク維持時間に合わせて設定し、前記可変インダクタンスの前記設定値を、前記試験電圧の立ち上がり時間に合わせて設定する。

上記本発明の一態様によれば、回路構成を変更することなく、試験電圧の立ち上がり時間とピーク維持時間とをそれぞれ独立して設定できるため、容易に絶縁検査の精度を高めることができる。

本発明にかかる絶縁検査用電源装置によれば、試験電圧の立ち上がり時間とピーク維持時間とをそれぞれ独立することが出来る絶縁検査用電源装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置の試験対象となるモータを含むシステムブロック図である。モータに印加されるサージ電圧の波形を説明する電圧波形である。実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置のブロック図である。実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置を用いた絶縁検査の流れを説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０の検査対象となるモータを含むシステム（以下モータシステムと称す）のブロック図を図１に示す。図１に示すように、モータシステムは、インバータ１、モータ２を含む。モータ２は、例えば、３相交流モータであり、インバータ１が出力する３相の駆動信号により動作する。

また、図１では、電圧計３、４を示した。電圧計３は、モータの相間の電圧（相間電圧）を測定するものである。また、電圧計４は、モータの各相と接地電圧との電圧差（対地電圧）を測定するものである。実際のモータシステム１では、電圧計３、４は設けられないが、次に説明するモータ２のステータに与えられるサージ電圧はこの電圧計３、４により測定される。

続いて、モータ２のステータに与えられるサージ電圧について説明する。そこで、図２にモータに印加されるサージ電圧の波形を説明する電圧波形を示す。図２に示すように、サージ電圧は、電圧の立ち上がり前と、立ち上がり後の最高電圧との電圧差としてピーク電圧Ｖｓを有する。また、サージ電圧が、ピーク電圧Ｖｓの１０％となる電圧からピーク電圧Ｖｓの９０％となる電圧に達するまでの時間が立ち上がり時間Ｔ２ｓとして規定される。また、サージ電圧は、ピーク電圧Ｖｓの９０％以上の電圧が維持される時間がピーク維持時間Ｔ１ｓとして規定される。

なお、ピーク維持時間Ｔ１ｓを規定するために用いたピーク電圧Ｖｓの９０％という値は、８５〜９０％程度の範囲に入っていれば良く、インバータ１、モータ２及びインバータ１とモータ２とを接続するパワーケーブルの特定バラツキを考慮して決定される。また、立ち上がり時間Ｔ２ｓを規定するために用いたピーク電圧Ｖｓの１０％及び９０％という値は、サージ電圧の上昇の傾きを求めるために便宜的に定めた値であり、どのような値を用いてサージ電圧の上昇の傾きを規定するかは任意に決定することができる。

ここで、モータのステータの絶縁特性は、モータに印加されるサージ電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｓ及びピーク維持時間Ｔ１ｓをパラメータとして測定することで高い測定精度を得られることを発明者らは発見した。また、自動車等の製品に搭載されるモータは、当該モータに組み合わせられるインバータ１及びパワーケーブルの仕様が特定されている。そのため、１つの仕様のモータに対する絶縁特性を試験する場合は、試験対象のモータに関するサージ電圧の特性を測定することができる。そして、当該測定結果に基づき試験電圧の電圧波形を決定することができる。そこで、上記サージ電圧の特性に基づき試験電圧を生成する実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０について以下で詳細に説明する。

図３に実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０のブロック図を示す。なお、図３では、絶縁検査用電源装置１０とモータ２との接続関係を示すために被試験物として絶縁検査用電源装置１０に接続されるモータ２を示した。

図３に示すように、絶縁検査用電源装置１０は、直流電圧発生部（例えば、直流降圧電圧発生部１１）、スイッチ（例えば、高圧スイッチ１２）、パルス発生器１３、可変インダクタ１４、放電検出器１５、抵抗素子（例えば、終端抵抗Ｒｓ）、容量素子（例えば、コンデンサＣ）を有する。また、絶縁検査用電源装置１０には、第１の接続端子ＴＴ１及び第２の接続端子ＴＴ２を有する。さらに、絶縁検査用電源装置１０には、第１の接続端子ＴＴ１及び第２の接続端子ＴＴ２の極性の切り替えに用いられるスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を有する。

また、図３では、被試験物となるモータ２の端子のうち絶縁検査用電源装置１０に接続される２つの被試験端子のみを示した。第１の接続端子ＴＴ１は、被試験端子の一方に接続される。第２の接続端子ＴＴ２は、被試験端子の他方に接続される。

絶縁検査用電源装置１０は、直流電圧（例えば、直流高電圧）を出力する。高圧スイッチ１２は、絶縁検査用電源装置１０の正極端子に一端が接続され、他端が可変インダクタ１４に接続される。また、高圧スイッチ１２は、パルス発生器１３が出力するパルス信号がハイレベルの期間にオン状態とされ、パルス信号がロウレベルの期間にオフ状態とされる。パルス発生器１３は、スイッチの開閉状態を切り替えるパルス信号を出力する。また、パルス発生器１３は、パルス信号のパルス幅を設定により変更可能である。

可変インダクタ１４は、一端が高圧スイッチ１２の他端に接続され、他端が第１の接続端子ＴＴ１に接続される。図１に示す例では、高圧スイッチ１２の他端は、スイッチＳＷ３がオン状態、かつ、スイッチＳＷ１がオフ状態のときは第１の接続端子ＴＴ１に接続される。一方、高圧スイッチ１２の他端は、スイッチＳＷ３がオフ状態、かつ、スイッチＳＷ１がオン状態のときは第２の接続端子ＴＴ２に接続される。また、高圧スイッチ１２は、設定値に応じてインダクタンス値を変更する。

可変インダクタ１４は、インダクタンス値を可変可能な１つの部品として凍雨際されても良い。しかしながら、絶縁検査用電源装置１０の可変インダクタ１４は、複数のインダクタのうち有効に機能させるインダクタの個数を切り替えることでインダクタンス値を切り替える。図３に示すように、可変インダクタ１４は、インダクタＬ１〜Ｌ３、スイッチＳＷＬ１〜ＳＷＬ３を有する。インダクタＬ１とスイッチＳＷＬ１とが並列接続された第１のインダクタユニットと、インダクタＬ２とスイッチＳＷＬ２とが並列接続された第２のインダクタユニットと、インダクタＬ３とスイッチＳＷＬ３とが並列接続された第３のインダクタユニットと、を有する。そして、第１のインダクタユニットから第３のインダクタユニットを直列に接続する。また、インダクタＬ１〜Ｌ３のインダクタンスの比率を１：２：４に設定する。これにより、可変インダクタ１４は、少ないインダクタユニットでありながら、スイッチをオフ状態とすることで有効になるインダクタユニットの組み合わせを切り替えにより様々なインダクタンス値を実現する。

絶縁検査用電源装置１０では、第２の接続端子ＴＴ２と直流降圧電圧発生部１１の負極端子との間を接続する負極配線を有する。放電検出器１５は、この負極配線上に設けられる。放電検出器１５は、第１の接続端子ＴＴ１から出力されモータ２を介して戻ってくる電流を検出する。コンデンサＣは、直流降圧電圧発生部１１の正極端子と負極端子との間に接続される。終端抵抗Ｒｓは、第１の接続端子ＴＴ１と第２の接続端子ＴＴ２との間に接続される。

続いて、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０が出力する試験電圧について説明する。そこで、図４に実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置の動作を説明するタイミングチャートを示す。

図４に示すように、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０は、立ち上がり時間がＴ２ｔとなり、ピーク維持時間がＴ１ｔとなるパルス状の電圧波形となる試験電圧を出力する。また、絶縁検査用電源装置１０の電源装置に流れる試験機合計電流及びモータ２のステータに流れるステータ電流は、試験電圧の増減に応じて増減する。

ここで、試験電圧のピーク電圧Ｖｔは、ステータ温度、モータ２の周囲温度等の環境条件の最悪条件を見込んで、図２で示したサージ電圧Ｖｓよりも大きくすることが好ましい。

また、試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔは、試験電圧がピーク電圧Ｖｔの１０％から９０％に至までの時間として規定される。そして、試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔは、可能な限り、図２に示したサージ電圧Ｖｓの立ち上がり時間Ｔ２ｓに合わせることが好ましい。試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔが短すぎると放電の検出が難しくなり、試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔが長すぎると放電しやすくなり、試験条件が厳しくなりすぎる可能性があるためである。なお、試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔを規定するために用いた試験電圧のピーク電圧Ｖｔの１０％及び９０％という値は、試験電圧の上昇の傾きを求めるために便宜的に定めた値であり、どのような値を用いて試験電圧の上昇の傾きを規定するかは任意に決定することができる。

実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０では、試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔがサージ電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｓに合うように、可変インダクタ１４のインダクタンス値を設定する。この設定は、例えば、図３で図示を省略した可変インダクタ１４のスイッチＳＷＬ１〜ＳＷＬ３の開閉状態を制御するスイッチ制御回路に格納する設定値により、可変インダクタ１４内で有効に機能させるインダクタユニットの組み合わせを変更することで行う。

また、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔは、試験電圧がピーク電圧Ｖｔの９０％以上を維持する時間として規定される。そして、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔは、図２に示したサージ電圧Ｖｓのピーク維持時間Ｔ１ｓよりも長くなるように設定する。試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｓの長さはステータの放電のしやすさを決定する要因となる。そのため、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔは、サージ電圧のピーク維持時間Ｔ１ｓよりも短くてはならない。一方、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔが長すぎると放電しやすくなり、試験条件が厳しくなりすぎる可能性があるため、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔは、サージ電圧のピーク維持時間Ｔ１ｓよりも少し長い程度であることが好ましい。なお、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔを規定するために用いた試験電圧のピーク電圧Ｖｔの９０％という値は、８５〜９５％程度の値に設定されていればよい。

実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０では、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔがサージ電圧のピーク維持時間Ｔ１ｓよりも少し長くなるように、パルス発生器１３が出力するパルス信号のパルス幅を設定する。この設定は、例えば、パルス発生器１３に発生するパルス信号のパルス幅を設定することで行う。

実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０では、パルス発生器１３が発生するパルス信号のパルス幅を変更しても可変インダクタ１４のインダクタンス値により決定される試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔには影響を及ぼさない。また、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０では、可変インダクタ１４のインダクタンス値を変更してもパルス発生器１３が発生するパルス信号のパルス幅により決定される試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔには影響を及ぼさない。これは、互いの時間を決定する要因に、２つのパラメータが互いに影響を及ぼさないためである。

続いて、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０を用いたモータ２の絶縁検査について説明する。そこで、図５に実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０を用いた絶縁検査の流れを説明するフローチャートを示す。

図５に示すように、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０では、まず、被試験物に対して登録されたサージ電圧の特性データを読み込む（ステップＳ１）。これにより、絶縁検査用電源装置１０は、サージ電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｓ及びピーク維持時間Ｔ１ｓを取得する。また、ステップＳ１で読み込む特性データは、事前に被試験物とそれを含むシステムを用いて測定されたサージ電圧のものである。

続いて、絶縁検査用電源装置１０は、ステップＳ１で取得したサージ電圧のピーク維持時間Ｔ１ｓよりも試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔが長くなるようにパルス発生器が出力するパルス幅を設定する（ステップＳ２）。また、絶縁検査用電源装置１０は、ステップＳ１で取得したサージ電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｓに試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔが合うように可変インダクタ１４のインダクタンス値を設定する（ステップＳ３）。このステップＳ２、Ｓ３により、絶縁検査用電源装置１０の動作設定処理が終了する。

続いて、絶縁検査用電源装置１０は、被試験物に対して試験電圧を印加して絶縁検査を実施する（ステップＳ４）。このとき、未試験の被試験物があれば、絶縁検査用電源装置１０は、未試験の被試験物が無くなるまで、絶縁検査を継続する（ステップＳ５）。そして、全ての被試験物に対して試験を行ったことに応じて、絶縁検査用電源装置１０は試験を終了する。

上記説明より、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０は、試験電圧の立ち上がり時間Ｔ２ｔの長さを可変インダクタ１４のインダクタンス値により調節し、試験電圧のピーク維持時間Ｔ１ｔの長さを高圧スイッチ１２をオン状態に制御するパルス信号のパルス幅により調節する。このとき、調節する２つのパラメータは、互いに影響を与え合うことなく、独立して対象のパラメータを調整可能なものである。このようなことから、実施の形態１にかかる絶縁検査用電源装置１０は、ステータの絶縁試験に適した試験電圧を回路構成を変更することなく生成することができる。

また、絶縁検査用電源装置１０を用いて絶縁試験を行うことで、ステータの絶縁性の測定精度を高めることができる。これにより、試験で得られた結果を用いてモータ２のステータを設計することで、ステータの絶縁性を過大に確保することなく、最適な絶縁性を有するステータ及びモータ２を設計することができる。また、最適な絶縁性を有するステータを設計することで、ステータの占有率の増加及びコストの増大を回避することができる。

上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１インバータ
２モータ
３、４電圧計
１０絶縁検査用電源装置
１１直流降圧電圧発生部
１２高圧スイッチ
１３パルス発生器
１４可変インダクタ
１５放電検出器

Claims

被試験物の２つの被試験端子に試験電圧を出力する絶縁検査用電源装置であって、
直流電圧を出力する直流電圧発生部と、
前記直流電圧発生部の正極端子に一端が接続されるスイッチと、
前記被試験端子の一方に接続される第１の接続端子と、
一端が前記スイッチの他端に接続され、他端が前記第１の接続端子に接続され、設定値に応じてインダクタンス値を変更する可変インダクタンスと、
前記被試験端子の他方が接続される第２の接続端子と、
前記第２の接続端子と前記直流電圧発生部の負極端子との間を接続する負極配線と、
前記直流電圧発生部の前記正極端子と前記負極端子との間に接続される容量素子と、
前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間に接続される抵抗素子と、
前記スイッチの開閉状態を切り替えるパルス信号を出力するパルス発生器と、を有し、
前記パルス発生器が出力する前記パルス信号のパルス幅を、前記試験電圧が所定の電圧以上となる期間を示すピーク維持時間に合わせて設定し、
前記可変インダクタンスの前記設定値を、前記試験電圧の立ち上がり時間に合わせて設定する絶縁検査用電源装置。