JP6314875B2

JP6314875B2 - インバータ駆動モータの検査方法

Info

Publication number: JP6314875B2
Application number: JP2015040013A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　秀行; 秀行佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2035-03-02
Also published as: JP2016161379A

Description

本発明は、インバータ駆動モータの検査方法に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２００７−２３２５１７号公報がある。この公報に記載されたインバータ駆動モータの絶縁評価方法では、所定のピーク電圧とパルス幅と周波数を有する試験電圧を試料絶縁材に課電し、試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間を計測する。その後、ピーク電圧と計測された寿命時間の関係を試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得し、絶縁寿命特性に基づいて絶縁性能を評価する。

特開２００７−２３２５１７号公報

インバータ駆動モータは、量産ラインの中での絶縁検査が実施される。しかしながら、インバータ駆動モータにおいて、モータを製造するメーカーが組み合わせるインバータを指定しても、ユーザが指定どおりに組み合わせない場合があった。そのため、モータの絶縁耐力に余裕を持った設計を行わなければならず、コストが高くなる問題があった。また、モータの検査を行う際には余裕をもった検査を行う必要があり、余分に電圧を高めた印加電圧波形を用いていた。そのため、余分に電圧を高めた印加電圧波形を生成するためには検査装置が大出力となり、コストが高くなるという問題があった。

ここで、ハイブリッド車に用いられるモータは、組み合わされるインバータやパワーケーブルが限定されるため、モータに印加されるサージ電圧波形が特定できる。そのため、特定されたサージ電圧波形を特徴として用いることにより、余分に電圧を高めることなく、低コストの検査装置を用いて試験を行いたいという要望があった。
本発明は、低コストの検査装置を利用したインバータ駆動モータの検査方法を提供するものである。

本発明にかかるインバータ駆動モータの検査方法は、インバータを用いてサージ測定用モータに電圧を印加し、前記電圧の印加により前記サージ測定用モータに発生するサージ電圧波形を取得し、前記サージ電圧波形のピーク電圧より所定の割合だけ低い電圧を閾値電圧として、前記閾値電圧より高電圧の状態が維持される時間を算出し、前記サージ電圧波形の前記ピーク電圧より高電圧である検査用ピーク電圧を算出し、前記検査用ピーク電圧より前記所定の割合だけ低い電圧を検査用閾値電圧として算出し、前記検査用閾値電圧より高電圧の状態が前記算出された時間より長く維持され、かつ、検査用ピーク電圧をピーク電圧とする擬似サージ波形を生成し、前記擬似サージ波形を検査対象モータに印加して検査を行い、放電が検出されない場合に前記検査対象モータの検査結果を合格とする。
これにより、実際にインバータ駆動モータを使用する環境下における電圧波形の特徴に基づいて生成された検査電圧波形を用いて、検査を実行することができる。

これにより、低コストの検査装置を利用したインバータ駆動モータの検査方法を提供することができる。

検査システムの構成を示す図である。サージ電圧測定装置の構成を示す図である。サージ電圧測定装置で発生したサージ電圧波形の一例を示す図である。検査装置の構成を示す図である。検査装置で用いる検査電圧波形の一例を示す図である。検査システムの動作フローを示す図である。検査電圧波形として半波を用いる場合の一例を示す図である。

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。図１に示すように、検査システム１は、サージ電圧測定装置２と、検査装置３と、を備える。

図２に示すように、サージ電圧測定装置２は、三相交流により駆動するサージ測定用モータ３１と、サージ測定用モータ３１に電気的に接続されたインバータ１１と、サージ測定用モータ３１の相間電圧を測定する第１の電圧計１２と、サージ測定用モータ３１の対地電圧を測定する第２の電圧計１３と、を備える。

インバータ１１は、図示しない電源に接続されている。インバータ１１は、例えば直流電流から交流電流への変換や、電圧や周波数の変換を行い、サージ測定用モータ３１を駆動するために必要な電圧を印加する。なお、サージ電圧測定装置２に用いられるインバータ１１には、サージ測定用モータ３１と組み合わされて使用されるもののうち、サージ測定用モータ３１にサージ電圧が発生しやすいものを用いる。

サージ測定用モータ３１は、インバータ１１により供給された電力によって駆動する三相誘導モータである。サージ測定用モータ３１を構成するステータに配されたＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル（以下、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）には、それぞれインバータ１１から電力が供給される。なお、サージ測定用モータ３１は、ハイブリッド車等に用いられるモータである。

第１の電圧計１２は、サージ測定用モータ３１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの２つの相間電圧を測定する。例えば、第１の電圧計１２は、サージ測定用モータ３１のＵ相とＶ相の間の電圧を測定する。これにより、第１の電圧計１２は、図３に示すようなサージ電圧波形を取得する。

第２の電圧計１３は、サージ測定用モータ３１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの１つと、接地箇所の間の電圧を測定する。例えば、第２の電圧計１３は、Ｗ相と地面の間の対地電圧を測定する。これにより第２の電圧計１２は、サージ電圧波形を取得する。なお、第２の電圧計１３で取得されるサージ電圧波形は、第１の電圧計１２で取得されたサージ電圧波形と相似するが、ピーク電圧の値は小さくなる。

図４に示すように、検査装置３は、検査対象である検査対象モータ３２と、電源である電圧発生装置２１と、回路切替装置２２と、検査に用いる検査電圧波形を生成する波形調整装置２３と、検査対象モータ３２による放電を検出する放電検出器２４と、を備える。

電圧発生装置２１は、低電圧の両極性のパルス電圧を発生させる電源である。電圧発生装置２１は、単相２線により回路切替装置２２に接続されている。

回路切替装置２２は、電圧発生装置２１から単相２線で供給された交流電圧をリレーにより接続を切り替える装置である。また、回路切替装置２２は、回路を切り替えることによって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電位をそれぞれ同電位にすることや、任意の２相の電位を異なる電位とすることができる。

波形調整装置２３は、電圧発生装置２１で発生させた波形の周波数や電圧を調整する。具体的には波形調整装置２３は、電圧発生装置２１から出力された両極性のパルス電圧を調整することにより擬似サージ波形を生成する。この擬似サージ波形を、検査電圧波形とする。ここで図５に示すように、波形調整装置２３は、検査電圧波形として減衰振動波形を生成してサージ測定用モータ３１に出力する。

放電検出器２４は、電圧発生装置２１と回路切替装置２２を接続している単相２線の結線のうち、一方の線に接続されている。放電検出器２４は、検査用の印加電圧を検査対象モータ３２にかけたときの放電の発生状態を検出する。例えば、放電検出器２４は、電圧発生装置２１と回路切替装置２２の間において、放電により生じる放電信号を取得することにより、検査対象モータ３２による放電状態を検出する。

検査対象モータ３２は、サージ電圧測定装置２に用いられたサージ測定用モータ３１と同型のモータである。検査対象モータ３２は、ステータコアと、ステータコアに配されているＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルを有している。

次に、図６を参照して、検査対象モータ３２の検査方法について説明する。第１の工程は、サージ電圧測定装置２を用いてサージ測定用モータ３１に印加されるサージ電圧の特徴を求める工程である。第２の工程は、検査対象モータ３２の量産ラインでの検査工程であり、検査装置３を用い、第１の工程で求めたサージ電圧の特徴を用いた検査電圧波形によって検査対象モータ３２の検査を行う。典型的には、第２の工程では複数の検査対象モータ３２について、連続的に検査が行われる。以下、各工程について説明する。

（第１の工程）
最初に、インバータ１１からサージ測定用モータ３１に、サージ特性を測定するための電圧を印加する（Ｓ１）。例えば、インバータ１１は、サージ測定用モータ３１のＵ相とＶ相の間に電位差が生じるように電圧を印加する。このときサージ測定用モータ３１に印加する電圧は、インバータ１１とサージ測定用モータ３１の種類や、インバータ１１とサージ測定用モータ３１の製造上のばらつき、サージ測定用モータ３１の動作範囲内で最大電圧が発生する回転数やトルクを考慮した上で決定される。これにより、サージ測定用モータ３１にはサージ電圧が発生する。

第１の電圧計１２は、サージ測定用モータ３１のＵ相とＶ相の相間電圧の測定を行う。また、第２の電圧計は、サージ測定用モータ３１のＷ相に接続され、対地電圧の測定を行う（Ｓ２）。なお典型的には、第１の電圧計１２による測定は、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の間のそれぞれについて行い、最もサージ電圧のピーク電圧が高い値を示す組み合わせを用いる。

ここでサージ測定用モータ３１は、ハイブリッド車用のモータであり、組み合わせるインバータ１１やパワーケーブルが限定される。したがって、第１の電圧計１２による測定によって、図３に示すようなサージ電圧波形が特定される。

第１の電圧計１２により測定されたサージ電圧波形において、立ち上がりのピーク電圧をＶｓとし、ピーク電圧Ｖｓの９０％の電圧（閾値電圧、以下、９０％Ｖｓと記載する）よりも高い電圧が維持される時間を時間Ｔｓとする（Ｓ３）。例えば、第１の電圧計１２には演算部が設けられており、測定されたサージ波形に基づいて、ピーク電圧Ｖｓと時間Ｔｓの値を演算して値を特定する。同様に、第２の電圧計１３には演算部が設けられており、測定されたサージ波形に基づいて、ピーク電圧Ｖｓと時間Ｔｓの値を演算して値を特定する。

Ｓ３により特定されたピーク電圧Ｖｓ、時間Ｔｓに基づいて、第２の工程で生成される検査電圧波形の検査用ピーク電圧Ｖｔ、検査用ピーク電圧Ｖｔの９０％の電圧（検査用閾値電圧、以下、９０％Ｖｔと記載する）以上の電圧を維持する時間Ｔｔを決定する（Ｓ４）。より具体的には、第１の電圧計１２により取得されたピーク電圧Ｖｓ及び時間Ｔｓの値を用い、それぞれ余剰分を乗じることによって、第２の工程において、検査対象モータ３２の相間の検査を行う際に生成する検査電圧波形の検査用ピーク電圧Ｖｔ１、時間Ｔｔ１を決定する。また、第２の電圧計１３により取得されたピーク電圧Ｖｓ及び時間Ｔｓの値を用いることにより、第２の工程において、検査対象モータ３２のコイルとステータコア間の検査を行う際に生成する検査電圧波形の検査用ピーク電圧Ｖｔ２、時間Ｔｔ２を決定する。

なお、検査電圧波形の検査用ピーク電圧Ｖｔは、サージ電圧測定装置２においてサージ電圧を測定する際に、実際にサージ測定用モータ３１が使用される環境を再現できていないことを考慮した上で、値を決定する。例えば、第２の工程で検査する検査対象モータ３２が、高温環境下、又は高地で使用することを想定した低気圧下といった悪条件の下で使用されることや、インバータに用いる素子の違いによりインバータとモータの特性が変化することを考慮する。さらに、第１の電圧計１２によって測定されたサージ電圧のピーク電圧Ｖｓの測定誤差も考慮して、ピーク電圧Ｖｓより高電圧である検査用ピーク電圧Ｖｔを決定する。

またこのとき、９０％Ｖｔの電圧以上が維持される時間Ｔｔは、第１の工程で特定された９０％Ｖｓ以上が維持される時間Ｔｓより僅かに長時間となるように決定する。これは、検査用ピーク電圧Ｖｔに近い高電圧が維持される時間が放電のしやすさを決定する要因であって、時間Ｔｔが長すぎると放電しやすくなり、厳しすぎる試験となる可能性があるためである。

（第２の工程）
回路切替装置２２は、検査対象モータ３２において検査を行う箇所に応じて回路を切り替える（Ｓ１１）。ここでは最初に、Ｕ相とＶ相の間、及びＵ相とＷ相の間の放電電圧を検査する場合について説明する。

回路切替装置２２は、検査対象モータ３２において検査を行う箇所が異なる電位となるように、回路を切り替える。言い換えると、回路切替装置２２は、検査対象モータ３２のＶ相とＷ相を同一の電位にすると共に、Ｕ相の電位が、Ｖ相及びＷ相とは異なる電位となるように回路を切り替える。

電圧発生装置２１は、パルス電圧を発生させ、回路切替装置２２に出力する（Ｓ１２）。回路切替装置２２に入力されたパルス電圧は、波形調整装置２３に出力される。

波形調整装置２３は、電圧発生装置２１から入力されたパルス電圧を利用して、検査電圧波形を生成する（Ｓ１２）。このとき波形調整装置２３は、図５に示すように、Ｓ４において測定されたピーク電圧Ｖｓ、時間Ｔｓを用いて決定された検査用ピーク電圧Ｖｔ、及び９０％Ｖｔ以上である時間Ｔｔの条件を満たすような検査電圧波形を生成する。ここで、Ｕ相とＶ相、Ｕ相とＷ相の相間の検査を行う場合には、第１の電圧計１２により測定されたピーク電圧Ｖｓ、時間Ｔｓを用いて決定された検査用ピーク電圧Ｖｔ１、時間Ｔｔ１の条件を満たすような検査電圧波形を生成する。

波形調整装置２３は、生成した検査電圧波形を検査対象モータ３２に印加する（Ｓ１４）。

放電検出器２４は、検査対象モータ３２で発生した放電を検出する（Ｓ１５）。放電検出器２４によって、検査対象モータ３２で放電が生じないことを確認した場合には、検査対象モータ３２は検査に合格したものとする。また、放電検出器２４により、検査対象モータ３２で放電が生じることを確認した場合には、検査対象モータ３２は検査に不合格とする。

その後、Ｓ１１に戻り、回路切替装置２２により回路を切り替えることで、検査対象モータ３２のコイルとステータコア間の検査を行う。このとき回路切替装置２２は、回路を切り替えることで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相をそれぞれ同電位にする。なお、ステータコアは接地されており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とは電位が異なる状態である。そして、Ｓ４において第２の電圧計１３により取得されたピーク電圧Ｖｓ、時間Ｔｓから決定された検査用ピーク電圧Ｖｔ２及び時間Ｔｔ２を用いて検査電圧波形を生成し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相と、ステータコアとの間に検査電圧波形を印加する。これにより、コイルとステータコアとの間の検査を行う。

検査が終了したら、検査済みの検査対象モータ３２を、未検査の他の検査対象モータ３２と入れ替えて、Ｓ１１〜Ｓ１５を繰り返し行う。これにより、量産ライン上の検査対象モータ３２について、コイルの相間、及びコイルとステータコア間に検査電圧波形を印加して、それぞれ検査を行うことができる。

これにより、検査電圧波形として用いる電圧波形について、あらかじめ第１の工程で測定されたサージ電圧のピーク電圧Ｖｓを用いて検査用ピーク電圧Ｖｔを定めるとともに、最大電圧の９０％Ｖｔ以上の状態が維持される時間Ｔｔを限定することができる。そのため、大出力の高電圧インバータ電源を使用することなく、低出力のパルス電源である電圧発生装置２１を使用した検査装置３を用いて、検査対象モータ３２のステータの検査を行うことができる。したがって、検査装置の低コスト化が可能となる。

また、第２の工程に用いた検査電圧波形を、第１の工程で測定したような実際に印加されるサージ波形に近づけることができる。そのため、検査対象モータ３２に過度な絶縁性を確保して占積率を低下させるようなことなく、最適な絶縁強度でモータを設計できるようになる。したがって、モータを高効率化すると共に、モータの小型化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、第１の工程では、時間Ｔｓをピーク電圧Ｖｓの９０％の電圧以上が維持される時間としたが、閾値は９０％に限定されるものではなく、ピーク電圧Ｖｓの８０％〜９５％の間で決定するのが望ましい。また第２の工程についても同様に、時間Ｔｔを検査用ピーク電圧Ｖｔの９０％の電圧以上が維持される時間としたが、閾値は９０％に限定されるものではなく、検査用ピーク電圧Ｖｔの８０％〜９５％の間で決定するのが望ましい。

また、第２の工程において検査を行う検査対象モータ３２は、組み立て後の検査対象モータ３２ではなくて良い。すなわち、組み立て後の検査対象モータ３２に変えて、コイルが配されたステータを配置して第２の工程を実施することができる。これにより、検査対象モータ３２として組み立てる前のステータの検査を行うことができる。

また、波形調整装置２３によって生成された減衰波形を検査電圧波形として用いるものとして記載したが、図７に示すような半波を出力するインパルス試験器等を用いて検査電圧波形を生成し、検査対象モータ３２の検査を行っても良い。この場合も、第１の工程により決定した検査用ピーク電圧Ｖｔ、ピーク時間Ｔｔを用いて検査電圧波形を決定することができる。

１検査システム
２サージ電圧測定装置
３検査装置
１１インバータ
１２第１の電圧計
１３第２の電圧計
２１電圧発生装置
２２回路切替装置
２３波形調整装置
２４放電検出器
３１サージ測定用モータ
３２検査対象モータ

Claims

インバータを用いてサージ測定用モータに電圧を印加し、
前記電圧の印加により前記サージ測定用モータに発生するサージ電圧波形を取得し、
前記サージ電圧波形のピーク電圧より所定の割合だけ低い電圧を閾値電圧として、前記閾値電圧より高電圧の状態が維持される時間を算出し、
前記サージ電圧波形の前記ピーク電圧より高電圧である検査用ピーク電圧を算出し、
前記検査用ピーク電圧より前記所定の割合だけ低い電圧を検査用閾値電圧として算出し、
前記検査用閾値電圧より高電圧の状態が前記算出された時間より長く維持され、かつ、検査用ピーク電圧をピーク電圧とする擬似サージ波形を生成し、
前記擬似サージ波形を検査対象モータに印加して検査を行い、放電が検出されない場合に前記検査対象モータの検査結果を合格とする、
インバータ駆動モータの検査方法。