WO2012147162A1 - インバータ駆動回転電機、絶縁検査方法および絶縁検査装置 - Google Patents

インバータ駆動回転電機、絶縁検査方法および絶縁検査装置 Download PDF

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inverter
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尾畑　功治
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials
    • G01R31/1263—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation
    • G01R31/1272—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation of cable, line or wire insulation, e.g. using partial discharge measurements
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    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Definitions

  • the present invention relates to an inverter-driven rotating electrical machine (particularly an inverter-driven rotating electrical machine having a rated voltage of 700 Vrms or less), an insulation inspection method and an insulation inspection device for the rotating electrical machine.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • a steep voltage inverter surge voltage
  • the cable and the rotating electrical machine have a surge impedance mismatch, which causes the rotation
  • the voltage jumps up to twice the inverter output voltage at the electric machine end.
  • an organic insulating material is used in a low-voltage rotating electrical machine of 700 Vrms or less. Since these organic insulating materials have poor resistance to partial discharge (Partial Discharge (PD)), when a rotating electrical machine is used under conditions where partial discharge occurs, dielectric breakdown may occur in a relatively short time. was there. For this reason, in conventional low voltage rotating electrical machines of 700 Vrms or less, an insulation design has been adopted so that partial discharge does not occur during operation.
  • PD Partial Discharge
  • the partial discharge starting voltage (Partial Discharge Inception Voltage (PDIV)) between the winding turns of the rotating electrical machine, between phases, and between the ground is higher than the voltage applied to each insulating part of the rotating electrical machine during operation.
  • the rotating electrical machine has been designed to be insulated so that partial discharge does not occur by increasing the insulation thickness.
  • a partial discharge does not occur at any insulation location between winding turns, between phases, and between grounds by applying a sine wave voltage or impulse voltage.
  • Non-Patent Document 2 is disclosed.
  • Patent Document 1 is disclosed as a partial discharge measurement method used at this time.
  • the inverter-driven rotating electrical machine is formed of the same insulated wire as the rotating electrical machine winding, and has an NV characteristic in which the number of impulse voltage charges until the dielectric breakdown is N at the voltage peak value V. N tt , and the number of times of applying the impulse voltage until the dielectric breakdown when applying the first impulse voltage simulating the voltage generated between the turns of the rotating electrical machine when the inverter surge voltage is applied
  • n pd is the frequency of occurrence of partial discharge per application of
  • the partial discharge occurrence frequency n pd (motor) between winding turns is given by the following formula (N required )
  • N required An inverter-driven rotating electrical machine that is set to satisfy A1).
  • the impulse voltage imposition number N required is required by the rotating electric machine, where n inv is the frequency of occurrence of the inverter surge voltage per unit time. It is preferable to set so as to satisfy the following equation (A2), where t inv is the operating time. N required ⁇ n inv ⁇ t inv (A2)
  • the rated voltage is set to 700 Vrms or less.
  • the insulation driving method for the inverter-driven rotating electrical machine is formed of the same insulated wire as the rotating electrical machine winding, and the number of impulse voltage charges until the dielectric breakdown is N at the voltage peak value V.
  • the step of measuring the number of times Ntt the step of applying the first impulse voltage to the insulating sample and measuring the occurrence frequency npd of the partial discharge generated per application, and the inverter surge voltage were simulated
  • the partial discharge occurrence frequency n pd (motor) satisfies the following expression (A1) with respect to the N voltage application count N required , the insulation performance of the rotating electrical machine is determined to be acceptable.
  • n pd (motor) ⁇ N tt ⁇ n pd / N required ...
  • the impulse voltage charge frequency N required is the frequency of occurrence of the inverter surge voltage per unit time as n inv It is preferable to set so as to satisfy the following expression (A2), where t inv is an operation time required for the electric machine. N required ⁇ n inv ⁇ t inv (A2)
  • an insulation inspection apparatus for an inverter-driven rotating electrical machine is generated between rotating electrical machine winding turns when an inverter surge voltage is applied to an insulating sample using the same insulated wire as the rotating electrical machine winding.
  • the frequency of impressing the impulse voltage until the insulation specimen breaks down which is measured when the first impulse voltage simulating the voltage is applied, is N tt, and the occurrence frequency n pd of the partial discharge generated per application Are stored, an impulse power source for applying a second impulse voltage simulating an inverter surge voltage to the rotating electrical machine, and a partial discharge between winding turns of the rotating electrical machine to which the second impulse voltage is applied a measuring unit for measuring the occurrence frequency n pd (motor), with respect to the impulse voltage division electrostatic number n required required of the rotating electric machine, partial discharge occurrence frequency n pd (motor) satisfies the following formula (A1) Come to, an insulating performance of the rotating electric machine as pass and determining adequacy determining process unit.
  • the inverter-driven rotating electrical machine insulation inspection device simulates the first impulse voltage that simulates the voltage generated between the rotating electrical machine winding turns when the inverter surge voltage is applied, and the inverter surge voltage.
  • An impulse power source that can selectively output one of the second impulse voltages, and an insulated wire that is the same as the rotating electrical machine winding, and the number of impulse voltage charges until dielectric breakdown at the voltage peak value V is A switching mechanism for switching and connecting either an insulating sample exhibiting NV characteristics of N or a rotating electrical machine to an impulse power source, and the number of impulse voltage charges obtained by applying a first impulse voltage to the insulating sample n tt and one insulating sample characteristic measuring section for measuring the frequency n pd of partial discharge generated per application of the second impulse voltage
  • the rotary electric machine is applied to the rotary electric machine characteristic measuring unit for measuring the partial discharge occurrence frequency n pd (motor) obtained for impulse voltage division electrostatic number N required required of the rotating electric machine, partial discharge occurrence frequency n a pass / fail determination processing unit that determines that the insulation performance of the rotating electrical machine is acceptable when pd (motor) satisfies the following expression (A1).
  • the impulse voltage charge frequency N required is defined as n inv as the frequency of occurrence of the inverter surge voltage per unit time. It is preferable to set so that the following expression (A2) is satisfied when the operating time required for the rotating electrical machine is t inv . N required ⁇ n inv ⁇ t inv (A2)
  • FIG. 4 is a flowchart showing an insulation inspection flow of the motor 3.
  • FIG. 4 is a diagram showing VN characteristics of a twisted-pair electric wire sample 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing n pd -V characteristics of a twisted pair electric wire sample 2;
  • FIG. 5 is a diagram showing N ⁇ n pd -V characteristics of a twisted pair electric wire sample 2;
  • FIG. 6 is a diagram showing n pd - ⁇ V characteristics of a motor 3.
  • FIG. 4 is a diagram showing VN characteristics of a twisted-pair electric wire sample 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing n pd -V characteristics of a twisted pair electric wire sample 2;
  • FIG. 5 is a diagram showing N ⁇ n pd -V characteristics of a twisted pair electric wire sample 2;
  • FIG. 6 is a diagram showing n pd - ⁇ V characteristics of a motor 3.
  • step S011 is a diagram showing n pd -V characteristics of a motor 3. It is a flowchart which shows the detailed process of step S011. It is a figure explaining a motor terminal voltage waveform simulation. It is a figure explaining a motor terminal voltage waveform measurement. It is a figure explaining the steep voltage change amount (DELTA) V (motor) . It is a figure which shows an inverter surge n- (DELTA) V characteristic. It is a figure which shows an inverter surge n * t inv -V characteristic. It is the figure which summarized the content of the test
  • partial discharge-resistant enameled wires (generally called corona-resistant enamel wires, inverter surge wires, etc.) that have a certain resistance against partial discharges and have an effect of extending the life of insulation It has been developed and has the potential to allow partial discharges. Further, even when a partial discharge-resistant enamel wire is not used, it is used for an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV), etc. that can be operated only for a relatively short time compared to a conventional general industrial low-voltage motor. In a motor for an automobile, partial discharge may be allowed to occur if a predetermined required life is satisfied.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • partial discharge may be allowed to occur if a predetermined required life is satisfied.
  • high-voltage rotating electrical machines with a rated voltage of 700 Vrms or higher have been used in an environment where partial discharge has conventionally occurred.
  • mica inorganic insulator
  • a high-pressure rotating machine insulation system using mica has a very long life even when partial discharge occurs.
  • the slope of the Vt characteristic is large, it is possible to design an insulation life with a large likelihood.
  • the likelihood can be increased, if the manufacturing process management such as temperature, humidity, and pressure is appropriately performed, the required life can be sufficiently satisfied even if the life characteristics of the product vary.
  • low-voltage rotating electrical machines do not use mica, so this likelihood design cannot be performed, the life characteristics of each manufactured product are accurately grasped, and defective products that do not satisfy the specified life characteristics are removed. Must. However, life tests (destructive tests) cannot be performed using actual products. In addition, as described above, the insulation design and inspection of low-voltage rotating electrical machines that allow partial discharges cannot be performed even when considering the insulation design and inspection tests of high-voltage rotating electrical machines that have allowed partial discharges until now. It was.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an insulation inspection apparatus according to the present invention.
  • the insulation inspection apparatus 1 includes an impulse power supply unit 11, a partial discharge measuring device 12, a wiring switching mechanism 13, a data collection storage unit 14, a pass / fail determination processing unit 15, a display unit 16, and an input unit 17.
  • 2 is a twisted pair electric wire sample.
  • Reference numeral 3 denotes a low-voltage rotating electrical machine for driving an inverter to be inspected, and will be simply referred to as a motor below.
  • the motor 3 includes a stator coil 5 that generates a rotating magnetic field, a stator 4 that houses the stator coil 5, and a rotor 6 that rotates with the rotating magnetic field.
  • a stator coil 5 that generates a rotating magnetic field
  • a stator 4 that houses the stator coil 5
  • a rotor 6 that rotates with the rotating magnetic field.
  • the rotor 6 and the stator 4 of the motor 3 are housed in a frame 7.
  • FIG. 1 shows the motor 3 with the rotor 6 inserted, since the object to be inspected is the stator coil 5, the test can be performed even when the rotor 6 is not inserted.
  • the impulse power supply 11 can selectively output an alternating impulse voltage 21 of bipolar polarity and an impulse voltage 31 simulating an inverter surge voltage.
  • the impulse power supply 11 is connected to the wiring switching mechanism 13 via the partial discharge measuring instrument 12.
  • the twisted pair electric wire sample 2 and the motor 3 are connected to the wiring switching mechanism 13.
  • the wiring switching mechanism 13 distributes the output wiring of the partial discharge measuring instrument 12 to the twisted pair electric wire sample 2 or the motor 3, and the connection is switched by the wiring switching mechanism 13.
  • the twisted-pair electric wire sample 2 is an element model (insulating sample) simulating the insulating portion between the winding turns of the motor 3, and in the example shown in FIG. 1, two enameled wires used for the motor winding are twisted together. in use. Moreover, you may use a parallel wound wire sample.
  • the magnitude of the test voltage applied to the sample (twisted-pair electric wire sample 2 or motor 3) by the impulse power source 11 and the partial discharge signal measured by the partial discharge measuring instrument 12 when the test voltage is applied are stored in the data collection storage unit 14.
  • the description of the partial discharge measuring method by the partial discharge measuring instrument 12 is omitted, but for example, known methods described in Non-Patent Documents 1 and 2 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-232517 are used.
  • the acceptance / rejection determination processing unit 15 performs acceptance / rejection determination on the insulation inspection of the motor 3 based on the data stored in the data collection storage unit 14. The pass / fail judgment method will be described later.
  • a liquid crystal display, a CRT, or the like is used for the display unit 16, and the pass / fail judgment result of the motor 3 insulation test is displayed.
  • FIG. 2 shows a test circuit when testing the twisted-pair electric wire sample 2
  • FIG. 3 shows a test circuit when testing the motor 3.
  • an alternating impulse voltage 21 of both polarities is applied to one of the two electric wires, and the other is grounded.
  • an inverter surge voltage is applied to a motor winding
  • a bipolar alternating impulse voltage having a narrow pulse width is generated between winding turns.
  • the impulse voltage 31 simulating the inverter surge voltage is applied to the phase to be tested among the three phases U, V, and W of the stator coil 5, and the other phase and the frame 7 are grounded. .
  • FIG. 4 shows an insulation inspection flow of the motor 3 using the insulation inspection apparatus 1.
  • step S001 it is determined whether or not the insulation between winding turns of the test motor 3 is used at or above the partial discharge start voltage (Partial Discharge Inception Voltage (PDIV)).
  • PDIV Partial Discharge Inception Voltage
  • step S002 a conventional motor partial discharge test and PD (partial discharge) free check are performed to confirm that there is no partial discharge. Since the inspection in step S002 is a conventional method, details are not described.
  • step S003 the VN characteristic and the n pd -V characteristic indicating the insulation characteristic of the insulated wire are measured using the twisted pair wire sample 2 which is a sample simulating the insulating portion between the winding turns of the motor 3.
  • FIG. 5 is a diagram showing the VN characteristic, and this VN characteristic is obtained as follows.
  • the alternating impulse voltage 21 of the polarity of the applied voltage V is repeatedly applied to the twisted pair electric wire sample 2, and the number N of impulse voltage charges until the sample (twisted pair electric wire sample 2) breaks down is measured.
  • V applied voltage
  • V ⁇ PDIV applied voltages
  • the total number of partial discharges N tt ⁇ applied voltage V tt (voltage peak value when impulse voltage ⁇ V simulating an inverter surge voltage) is applied. Since determination is performed using n pd (twist-pair) , the only necessary data is data relating to the applied voltage V tt (N tt , n pd (twist-pair) ). However, since it is not known from only one measured value whether or not the measured value represents an appropriate VN characteristic, a plurality of points of data are measured and confirmed to be appropriate.
  • V tt shown in FIG. 5 is a voltage peak value generated between winding turns when an impulse voltage ⁇ V simulating an inverter surge voltage is applied to the motor 3.
  • N tt indicates the number of times of impulse voltage application until dielectric breakdown occurs when the voltage V tt is applied to the twisted pair electric wire sample 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing n pd -V characteristics.
  • the n pd -V characteristic shows the number of partial discharges n pd (twist-pair) generated per one impulse voltage when an alternating impulse voltage 21 having both polarities of the applied voltage V is applied to the twisted pair electric wire sample 2. Obtained by measuring.
  • n pd (twist-pair) will be referred to as partial discharge occurrence frequency.
  • the applied voltage V is increased from 0 V to a predetermined voltage higher than V tt , and the partial discharge occurrence frequency n pd (twist-pair) generated at that time is measured. To do. As shown in FIG.
  • step S004 the N ⁇ n pd ⁇ V characteristic is obtained by multiplying the number N of impulse voltage charges until dielectric breakdown is multiplied by the partial discharge occurrence frequency n pd with the same voltage.
  • the points (V tt , N tt ⁇ n pd (twist-pair) ) on the N ⁇ n pd -V characteristic curve shown in FIG. 7 are the impulse voltage V tt when the dielectric breakdown occurs and the partial discharge until the dielectric breakdown occurs. Represents the total number N tt ⁇ n pd (twist-pair) .
  • the motor 3 is inspected using this N ⁇ n pd -V characteristic.
  • step S005 in order to test the motor 3, the wiring switching mechanism 3 is switched to a connection state as shown in FIG.
  • step S006 an impulse voltage ⁇ V simulating an inverter surge voltage is applied to the motor 3 to measure the n pd - ⁇ V characteristic related to the motor 3.
  • the number of partial discharges per impulse voltage is measured as the partial discharge occurrence frequency n pd (motor) of the motor 3 while changing the magnitude of the impulse voltage ⁇ V.
  • the frequency of occurrence is measured particularly in the vicinity of the inverter surge voltage ⁇ V (motor) that is expected to be applied to the motor 3 when the motor 3 is operated by the inverter.
  • step S007 the motor n pd -V characteristic (see FIG. 9) is calculated by converting the horizontal axis of FIG. 8 into the winding turn sharing voltage V using this voltage sharing ratio ⁇ (tr).
  • the voltage sharing ratio ⁇ (tr) is a value inherent to the motor winding, and its magnitude varies with the voltage rise time tr of the inverter surge voltage ⁇ V (motor) , and a value of 1 ⁇ (tr) ⁇ 1. It becomes.
  • step S008 the insulation inspection apparatus 1 displays on the display unit 16 a display that prompts the operator to input the number of required impulse voltage charges N required for the motor 3 or the motor life t inv .
  • step S009 it is determined whether the operator has input either the number of required impulse voltage charges N required or the motor life t inv .
  • the process proceeds to step S010, and when the motor life t inv is input, the process proceeds to step S011.
  • step S010 the insulation inspection apparatus 1 determines the voltage peak value between winding turns generated when the motor n pd -V characteristic shown in FIG. 9 and the predicted inverter surge voltage ⁇ V (motor) are applied to the motor 3.
  • the partial discharge occurrence frequency n pd (motor) at the time of V tt is obtained from V tt .
  • the dielectric breakdown condition of the twisted pair electric wire sample 2 is the total number of partial discharges N ⁇ n pd (twist-pair) until the dielectric breakdown, and the dielectric breakdown of the insulating portion between the winding turns of the motor 3 is the same.
  • the total number of partial discharges N ⁇ n pd (motor) is considered to be determined.
  • the inverter surge voltage ⁇ V (motor) in which the voltage peak value V tt is generated between the winding turns of the motor 3 the total number of partial discharges N tt ⁇ n pd (motor) becomes equal to N tt ⁇ n pd (twist-pair) Dielectric breakdown begins to occur in the insulation between winding turns.
  • step S010 If the partial discharge occurrence frequency n pd (motor) of the motor 3 satisfies the conditional expression (1), it is determined as yes in step S010.
  • the product of the impulse voltage charge number N required and the partial discharge occurrence frequency n pd (N required ⁇ n pd ) is included in the insulating material usable region (hatched portion) of the twisted pair electric wire sample 2. Therefore, it progresses to step S012 and displays on the display part 16 that the motor 3 is pass, for example.
  • the product of the impulse voltage charge number N and the partial discharge occurrence frequency n pd (N required ⁇ n pd ) is within the usable area of the insulation material of the twisted pair electric wire sample 2 (hatching) Part). In this case, it progresses to step S013 and displays on the display part 16 that the motor 3 is disqualified.
  • the impulse voltage division electrostatic number N required required for the motor 3 is obtained in advance achievements, the impulse voltage division electrostatic number N required by the user to input, the motor 3 as described above Insulation inspection can be performed.
  • the magnitude of the inverter surge voltage and the frequency of occurrence thereof vary depending on the combination of the inverter, cable, and motor and the installation conditions of the system.
  • step S008 the operator sets the motor life t inv required for the motor 3. input.
  • the process proceeds from step S009 to step S011, and a calculation process for obtaining the number of required impulse voltage charges N required for the motor 3 is performed.
  • FIG. 10 shows an example of detailed processing in step S011, and here, the number of required impulse voltage charges N required is calculated using a motor terminal voltage waveform simulation.
  • the inverter model is simulated by a switching element
  • the cable model is simulated by a distributed constant circuit or a ladder equivalent circuit
  • the motor is equivalent to a ladder. Simulate with a circuit.
  • step S0111 by calculating the motor terminal voltage waveform using the motor terminal voltage waveform simulation, the magnitude of the steep voltage change ⁇ V (motor) of the ground voltage waveform of the motor terminal (see FIG. 13) and the occurrence frequency n inv (Inverter surge n- ⁇ V characteristics: see FIG. 14).
  • the occurrence frequency n inv represents the number of times ⁇ V (motor) is acquired per unit time (1 second).
  • the calculation result is stored in the data collection storage unit 14 of FIG.
  • the inverter surge n- ⁇ V characteristic is obtained by the motor terminal voltage waveform simulation, but it may be obtained by actually measuring the motor terminal voltage waveform.
  • the motor terminal voltage waveform is measured by combining the prototyped inverter, cable, and motor. Then, based on the measurement result, an inverter surge n- ⁇ V characteristic as shown in FIG. 14 is obtained.
  • step S0112 of FIG. 10 based on the inverter surge n ⁇ V characteristic stored in the data collection storage unit 14 and the motor life t inv input by the user, the inverter surge n ⁇ t inv as shown in FIG. Calculate the -V characteristic.
  • the motor 3 needs to withstand a greater number of inverter surges than n ⁇ t inv calculated in step S0111. Therefore, the number of required impulse voltage charges N required for the motor 3 needs to satisfy the following equation (2). This corresponds to the hatched area in FIG. N required ⁇ n inv ⁇ t inv (2)
  • FIG. 16 summarizes the contents of inspection performed in the insulation inspection flow shown in FIG.
  • a breakdown test in which the impulse voltage 21 is repeatedly applied until dielectric breakdown occurs
  • a partial discharge test n pd (twist-pair) -V characteristic measurement
  • the motor 3 was subjected to only a partial discharge test (n pd (motor) -V characteristic measurement) which is a nondestructive test.
  • n pd (motor) -V characteristic measurement which is a nondestructive test.
  • the life of the motor 3 can be ensured without carrying out an electric charging life test (destructive test) using the motor 3 as a product.
  • the insulation inspection apparatus can appropriately determine the impulse voltage application frequency N required even in an inverter-driven rotating electrical machine system that has not been used in the past. It can be applied to a drive rotating electrical machine system.
  • Comparative Example 1 shows the life when a motor is designed and manufactured based only on the VN characteristic of the enameled wire without using the insulation inspection method for the inverter-driven low-voltage rotating electrical machine of the present invention. Further, Comparative Example 2 shows the life of a motor that has been subjected to insulation design, production, and inspection that does not allow partial discharge.
  • Comparative Example 2 a sample using a conventional insulation design and inspection method for a low-voltage rotating electrical machine that does not allow partial discharge does not generate a sample that breaks in a shorter time than the expected life.
  • the voltage that can be applied to the motor must be suppressed by 40% of the embodiment to 0.6 Vo-p, which can cope with the steep high voltage surge voltage of the inverter. could not.
  • the structure shown in FIGS. 5 to 7 regarding the twisted pair electric wire sample 2 is obtained by the insulation inspection apparatus 1, but these characteristics are obtained separately. And may be stored in the storage unit 4 in advance. In this case, only the motor 3 is connected to the insulation inspection apparatus 1, and it is only necessary to measure at least the n pd -V characteristic of the motor 3 as a measurement function. Further, by storing data (N tt , n pd (twist-pair) ) acquired for a plurality of applied voltages V, that is, characteristic curves as shown in FIGS. Multiple types of motors with different voltage specifications can be inspected.
  • the concept described in the above-described insulation inspection method can also be applied to a design method for an inverter-driven low-voltage rotating electrical machine. That is, an impulse voltage simulating the voltage generated between the rotating electrical machine windings when the inverter surge voltage is applied is applied to the twisted pair electrical wire sample 2 using the same insulated wire as the rotating electrical machine winding, and the twisted pair electrical wire sample 2 is The number of impulse voltage charges N tt until dielectric breakdown is measured, and the VN characteristics as shown in FIG. 5 are obtained. Similarly, the impulse voltage is applied, the partial discharge occurrence frequency n pd (twist-pair) generated per application is measured, and the n pd -V characteristic as shown in FIG. 6 is obtained.
  • the impulse voltage division electrostatic number N required required for the motor 3 the partial discharge occurrence frequency between the winding turns n pd (motor) the expression "n pd (motor) ⁇ N tt ⁇ n pd (twist- pair) / N required ”.
  • inverter-driven rotating electrical machine that allows partial discharge between winding turns, particularly a low-voltage rotating electrical machine of 700 Vrms or less.
  • a motor using a partial discharge resistant enameled wire having a certain resistance to partial discharge since an inspection method cannot be applied conventionally, the insulation design tends to have a certain margin.
  • the insulation inspection method of the present embodiment it is possible to design a motor that satisfies the required life while avoiding excessive insulation performance. Accordingly, it is possible to reduce the size of the motor.

Abstract

　インバータ駆動回転電機用絶縁検査方法では、絶縁試料(2)にインバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加して、絶縁試料(2)が絶縁破壊するまでのインパルス電圧課電回数Ｎt-tを計測する工程と、絶縁試料(2)に第１のインパルス電圧を印加して、１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdを計測する工程と、インバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧を回転電機(3)に印加して、１回の印加あたりに発生する巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する工程と、回転電機(3)に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、部分放電発生頻度ｎpd(motor)が式「ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired」を満足するときに、回転電機(3)の絶縁性能を合格と判定する。

Description

インバータ駆動回転電機、絶縁検査方法および絶縁検査装置
　本発明は、インバータ駆動される回転電機（特に、定格電圧７００Ｖrms以下のインバータ駆動回転電機）と、その回転電機の絶縁検査方法および絶縁検査装置に関する。
　近年、省エネルギー化の観点からインバータを用いた回転電機の可変速運転が盛んに行われている。しかし、インバータで回転電機を駆動した場合、回転電機の絶縁部で様々な問題が発生する事が報告されている（非特許文献１）。例えば、インバータ内部のスイッチング素子がＯＮ/ＯＦＦすることで発生する急峻電圧（インバータサージ電圧）がケーブルを伝播し回転電機端に到達すると、ケーブルと回転電機のサージインピーダンスの不整合が原因となり、回転電機端でインバータ出力電圧の２倍の大きさまで電圧が跳ね上がることが報告されている。
　また、急峻なインバータサージ電圧が回転電機内部に侵入すると、回転電機巻線の口出し側のコイルやその内部の巻線ターン間に大きな電圧が分担されることなどが報告されている。このため、インバータ駆動される回転電機では、これらのインバータサージ電圧に耐えられるように回転電機を絶縁設計するとともに、製作した回転電機が所定の絶縁耐力を有するかを検査する必要がある。
　ところで、一般に、７００Ｖrms以下の低圧回転電機では、有機系の絶縁材料が使用されている。これらの有機系絶縁材料は部分放電（Partial Discharge (PD)）への耐性が乏しいことから、部分放電が発生する条件下で回転電機を使用した場合には比較的短時間で絶縁破壊に至る恐れがあった。このため、従来７００Ｖrms以下の低圧回転電機では、運転中に部分放電が発生しないような絶縁設計が採用されてきた。
　具体的には、回転電機の巻線ターン間、相間、対地間の各絶縁部の部分放電開始電圧（Partial Discharge Inception Voltage (PDIV)）が運転時に回転電機の各絶縁部に加わる電圧よりも高くなるように絶縁厚さを厚くし、部分放電が発生しないように回転電機を絶縁設計してきた。また、そのように製作された回転電機に対する検査では、正弦波電圧あるいはインパルス電圧を印加し、巻線ターン間、相間、対地間絶縁のいずれの絶縁箇所でも部分放電が発生しないことを確認してきた。このような絶縁設計および検査試験方法としては、例えば非特許文献２が公開されている。また、この際使用する部分放電計測法には例えば特許文献１などが公開されている。
特開２００９－１１５５０５号公報
電気学会技術報告第７３９号，ｐ.１２～２０ ＩＥＣ６００３４－１８－４１
　近年、インバータのスイッチング素子の高速化とともに、インバータ出力電圧の立ち上がり時間trが短くなりつつある。そのため、インバータ駆動回転電機の巻線ターン間への電圧分担が大きくなり、巻線ターン間で部分放電が発生する可能性が生じている。しかしながら、上述のように低圧回転電機では部分放電が発生しないことを前提としてきたため、このような部分放電が発生する条件での絶縁設計や検査方法が存在しなかった。
　本発明の第１の態様によると、インバータ駆動回転電機は、回転電機巻線と同一の絶縁電線で形成され、電圧波高値Ｖにおいて絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数がＮのＮ－Ｖ特性を示す絶縁試料において、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加したときの絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数をＮt-t、および１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度をｎpdとしたとき、要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するように設定されているインバータ駆動回転電機。
　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
　本発明の第２の態様によると、第１の態様のインバータ駆動回転電機において、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、インバータサージ電圧の単位時間当たりの発生頻度をｎinvとし、回転電機に要求される運転時間をｔinvとしたときに、次式（Ａ２）を満足するように設定されることが好ましい。
　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（Ａ２）
　本発明の第３の態様によると、第１または２の態様のインバータ駆動回転電機において、定格電圧が７００Ｖｒｍｓ以下に設定されている。
　本発明の第４の態様によると、インバータ駆動回転電機用絶縁検査方法は、回転電機巻線と同一の絶縁電線で形成され、電圧波高値Ｖにおいて絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数がＮのＮ－Ｖ特性を示す絶縁試料に、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加して、該絶縁試料が絶縁破壊するまでのインパルス電圧課電回数Ｎt-tを計測する工程と、絶縁試料に第１のインパルス電圧を印加して、１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdを計測する工程と、インバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧を回転電機に印加して、１回の印加あたりに発生する巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する工程と、回転電機に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するときに、回転電機の絶縁性能を合格と判定する。
　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
　本発明の第５の態様によると、第４の態様のインバータ駆動回転電機用絶縁検査方法において、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、インバータサージ電圧の単位時間当たりの発生頻度をｎinvとし、回転電機に要求される運転時間をｔinvとしたときに、次式（Ａ２）を満足するように設定されるのが好ましい。
　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（Ａ２）
　本発明の第６の態様によると、インバータ駆動回転電機用絶縁検査装置は、回転電機巻線と同一の絶縁電線を用いた絶縁試料に、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加したときに計測される、絶縁試料が絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数をＮt-tと、１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdとが記憶されている記憶部と、インバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧を回転電機に印加するインパルス電源と、第２のインパルス電圧が印加された回転電機の巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する計測部と、回転電機に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するときに、回転電機の絶縁性能を合格と判定する合否判定処理部と、を備える。
　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
　本発明の第７の態様によると、インバータ駆動回転電機用絶縁検査装置は、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧、およびインバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧のいずれかを選択的に出力することができるインパルス電源と、回転電機巻線と同一の絶縁電線で形成され、電圧波高値Ｖにおいて絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数がＮのＮ－Ｖ特性を示す絶縁試料、または回転電機のいずれか一方を、インパルス電源に切り替え接続する切り替え機構と、第１のインパルス電圧を絶縁試料に印加して得られる、インパルス電圧課電回数Ｎt-tおよび１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdを計測する絶縁試料特性計測部と、第２のインパルス電圧を前記回転電機に印加して得られる部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する回転電機特性計測部と、回転電機に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するときに、回転電機の絶縁性能を合格と判定する合否判定処理部と、を備える。
　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
　本発明の第８の態様によると、第６または７の態様のインバータ駆動回転電機用絶縁検査装置において、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、インバータサージ電圧の単位時間当たりの発生頻度をｎinvとし、回転電機に要求される運転時間をｔinvとしたときに、次式（Ａ２）を満足するように設定されるのが好ましい。
　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（Ａ２）
　本発明によれば、適切な絶縁性能を有し、部分放電の発生を許容するインバータ駆動回転電機を提供することができる。
本発明による絶縁検査装置の一実施の形態を示す図である。 ツイストペア電線試料２を試験する際の試験回路を示す図である。 モータ３を試験する際の試験回路を示す図である。 モータ３の絶縁検査フローを示すフローチャートである。 ツイストペア電線試料２のＶ－Ｎ特性を示す図である。 ツイストペア電線試料２のｎpd－Ｖ特性を示す図である。 ツイストペア電線試料２のＮ・ｎpd－Ｖ特性を示す図である。 モータ３のｎpd－ΔＶ特性を示す図である。 モータ３のｎpd－Ｖ特性を示す図である。 ステップＳ０１１の詳細処理を示すフローチャートである。 モータ端子電圧波形シミュレーションを説明する図である。 モータ端子電圧波形測定を説明する図である。 急峻電圧変化量ΔＶ(motor) を説明する図である。 インバータサージｎ―ΔＶ特性を示す図である。 インバータサージｎ・ｔinv－Ｖ特性を示す図である。 絶縁検査フローで行われる検査内容をまとめた図である。 本実施の形態の絶縁検査方法を使って絶縁検査したモータ寿命を説明する図である。
　上述したように、近年、インバータのスイッチング素子の高速化とともに、インバータ出力電圧の立ち上がり時間trが短くなりつつあり、そのため、インバータ駆動回転電機の巻線ターン間への電圧分担が大きくなり、巻線ターン間で部分放電が発生する可能性が生じている。
　このような問題に対し、部分放電に対して一定の耐性を有し絶縁寿命の延命効果がある耐部分放電エナメル電線（一般に、耐コロナエナメル電線、耐インバータサージ電線などと称されている）が開発され、部分放電の発生を許容できる可能性が出てきている。また、耐部分放電エナメル電線を使用していない場合であっても、従来の一般産業用低圧モータに比べて比較的短時間しか運転されない電気自動車（ＥＶ），ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などに用いられる自動車用モータでは、所定の要求寿命を満足すれば部分放電の発生を許容できる可能性がある。
　このように、近年、低圧回転電機であっても、部分放電の発生条件下で運転するような状況が出てきた。しかしながら、これまで低圧回転電機では部分放電が発生しないことを前提としてきたため、このような部分放電が発生する条件での絶縁設計や検査方法が存在しなかった。
　一方、定格電圧７００Ｖrms以上の高圧回転電機では、従来から部分放電が発生する環境下で使用されてきた。高圧回転電機では古くから部分放電に対する耐性が高いマイカ（無機絶縁物）が絶縁材料に使用されてきた。一般に、マイカを使った高圧回転機絶縁システムは、部分放電発生下でも極めて長い寿命を有する。また、Ｖ－ｔ特性の傾きが大きいことから、大きな尤度を持たせた絶縁寿命設計が可能であった。さらに尤度を大きく取れることから、温度、湿度、圧力などの製造プロセス管理を適切に行えば、製品に寿命特性のばらつきがあったとしても十分に要求寿命を満足することができた。
　これに対し、低圧回転電機ではマイカを使用していないためこのような尤度設計ができず、製作した個々の製品の寿命特性を的確に把握し、所定の寿命特性を満足しない不良品は除去しなければならない。しかし、実際の製品を使って寿命試験（破壊試験）を行うことはできない。また、以上のように、これまで部分放電の発生を許容してきた高圧回転電機の絶縁設計や検査試験を考慮しても、部分放電の発生を許容する低圧回転電機の絶縁設計や検査ができなかった。
　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明による絶縁検査装置の一実施の形態を示す図である。絶縁検査装置１は、インパルス電源部１１、部分放電計測器１２、配線切り替え機構１３、データ収集記憶部１４、合否判定処理部１５、表示部１６、入力部１７を備えている。２はツイストペア電線試料である。３は検査対象であるインバータ駆動用の低圧回転電機であり、以下では単にモータと呼ぶことにする。
　モータ３は、回転磁界を作る固定子コイル５、固定子コイル５を収めた固定子４および回転磁界で回転する回転子６を備えている。なお、モータが誘導電動機の場合には回転子６には二次巻線が、モータが永久磁石同期電動機の場合には磁石が８の位置に挿入されている。モータ３の回転子６と固定子４はフレーム７に収められている。なお、図１では回転子６が挿入された状態のモータ３を示したが、検査する対象は固定子コイル５であることから、回転子６が挿入されていない状態でも試験することができる。
　インパルス電源１１は、両極性の交互インパルス電圧２１とインバータサージ電圧を模擬したインパルス電圧３１を選択的に出力することができる。インパルス電源１１は、部分放電計測器１２を介して配線切り替え機構１３に接続されている。ツイストペア電線試料２およびモータ３は、この配線切り替え機構１３に接続されている。配線切り替え機構１３は、部分放電計測器１２の出力配線をツイストペア電線試料２あるいはモータ３に振り分けるものであって、配線切り替え機構１３によって接続が切り替えられる。
　ツイストペア電線試料２はモータ３の巻線ターン間絶縁部を模擬した要素モデル（絶縁試料）であって、図１に示す例では、モータ巻線に用いられるエナメル電線を２本撚り合わせたものが使用されている。また、平行巻電線試料などを使用しても良い。
　インパルス電源１１で試料（ツイストペア電線試料２あるいはモータ３）に印加した試験電圧の大きさや、試験電圧を印加した際に部分放電計測器１２で計測される部分放電信号は、データ収集記憶部１４に記憶される。なお、部分放電計測器１２による部分放電の計測方法については説明を省略するが、例えば、非特許文献１，２や特開２００７－２３２５１７号公報等に記載されている周知の方法が用いられる。合否判定処理部１５は、データ収集記憶部１４に記憶された上記データに基づいて、モータ３の絶縁検査の合否判定を行う。合否判定方法については後述する。表示部１６には液晶ディスプレイやＣＲＴ等が用いられ、モータ３の絶縁検査の合否判定結果が表示される。
　上述したように、絶縁検査装置１では、配線切り替え機構１３を切り替えることによりツイストペア電線試料２の試験またはモータ３の試験を行うことができる。図２はツイストペア電線試料２を試験する際の試験回路を示し、図３はモータ３を試験する際の試験回路を示す。ツイストペア電線試料２の試験では、図２のように２本の電線の一方に両極性の交互インパルス電圧２１が印加され、他方は接地される。インバータサージ電圧がモータ巻線に印加されると、パルス幅の狭い両極性の交互インパルス電圧が巻線ターン間に発生することが知られている。一方、モータ３の試験では、固定子コイル５のＵ，Ｖ，Ｗの３相のうち、被試験相にインバータサージ電圧を模擬したインパルス電圧３１が印加され、他相およびフレーム７は接地される。
　図４に、絶縁検査装置１を使ったモータ３の絶縁検査フローを示す。ステップＳ００１では、供試モータ３の巻線ターン間絶縁を部分放電開始電圧（Partial Discharge Inception Voltage（PDIV））以上で使用するかどうかを判断する。モータ３をPDIV未満で使用する場合にはステップＳ００２へ進んで、従来通りのモータ部分放電試験とＰＤ（部分放電）フリーチェックを行い、部分放電の発生が無いことを確認する。ステップＳ００２の検査については従来の方法であるため詳細は記載しない。
　一方、モータ３の巻線ターン間絶縁をPDIV以上で使用する場合には、ステップＳ００３に進む。ステップＳ００３では、モータ３の巻線ターン間絶縁部を模擬した試料であるツイストペア電線試料２を用いて、絶縁電線の絶縁特性を示すＶ－Ｎ特性およびｎpd－Ｖ特性の測定を行う。
　図５はＶ－Ｎ特性を示す図であり、このＶ－Ｎ特性は次のようにして得られる。ツイストペア電線試料２に印加電圧Ｖの両極性の交互インパルス電圧２１を繰り返し印加し、試料（ツイストペア電線試料２）が絶縁破壊するまでのインパルス電圧課電回数Ｎを計測する。このような計測を複数の印加電圧Ｖ（Ｖ≧PDIV）に関して行うことで、図５に示すようなＶ－Ｎ特性曲線が得られる。図５の黒丸は計測されたデータを示している。
　なお、後述する合否判定においては（後述する式（１）を参照）、印加電圧Ｖt-t（インバータサージ電圧を模擬したインパルス電圧ΔＶが印加されたときの電圧波高値）における部分放電総数Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)を用いて判定を行っているので、必要なデータは印加電圧Ｖt-tに関するデータ（Ｎt-t、ｎpd(twist-pair)）だけである。しかし、一つの計測値だけでは、その計測値が適切なＶ－Ｎ特性を表しているか否か分からないので、複数点のデータを計測して適切であることを確認するようにしている。
　なお、図５に示すＶt-tは、モータ３にインバータサージ電圧を模擬したインパルス電圧ΔＶが印加されたときに巻線ターン間に発生する電圧波高値である。また、Ｎt-tは、ツイストペア電線試料２に電圧Ｖt-tを印加したときに、絶縁破壊が発生するまでのインパルス電圧課電回数を示している。
　図６はｎpd－Ｖ特性を示す図である。ｎpd－Ｖ特性は、印加電圧Ｖの両極性の交互インパルス電圧２１をツイストペア電線試料２に印加したときに、１回のインパルス電圧当たりに発生する部分放電の回数ｎpd(twist-pair)を計測することで得られる。以下では、ｎpd(twist-pair)を部分放電発生頻度と呼ぶことにする。例えば、両極性の交互インパルス電圧２１を繰り返し印加しつつ印加電圧Ｖを０ＶからＶt-tよりも大きな所定の電圧まで昇圧し、その際に発生する部分放電発生頻度ｎpd(twist-pair)を測定する。図６に示すように印加電圧Ｖが部分放電開始電圧PDIVを下回っているときは部分放電は発生しないが、PDIVを超えると部分放電が発生しだし、印加電圧が増加するにつれて部分放電発生頻度ｎpd(twist-pair)も増加する。
　印加電圧Ｖt-tにおけるツイストペア電線試料２の絶縁破壊は、単純にインパルス電圧課電回数Ｎt-tだけに依存しているわけではなく、印加電圧Ｖt-tにおける部分放電発生頻度ｎpd(twist-pair)も影響している。すなわち、絶縁破壊は、絶縁破壊するまでの部分放電の総数に依存していると考えられる。そのため、印加電圧Ｖt-tにおける部分放電発生頻度ｎpd(twist-pair)がより小さな絶縁試料を用いれば、印加電圧Ｖt-tにおけるインパルス電圧課電回数Ｎt-tはより大きくなる。
　そこで、ステップＳ００４では、絶縁破壊するまでのインパルス電圧課電回数Ｎと、部分放電発生頻度ｎpdとを同じ電圧で掛け合わせて、Ｎ・ｎpd－Ｖ特性を求める。図７に示すＮ・ｎpd－Ｖ特性曲線上の点（Ｖt-t、Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)）は、絶縁破壊したときのインパルス電圧Ｖt-tと、絶縁破壊するまでの部分放電の総数Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)を表している。点（Ｖt-t、Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)）より下側の点は部分放電の総数がＮt-t・ｎpd(twist-pair) よりも小さい。すなわち、Ｎ・ｎpd－Ｖ特性曲線よりも下側のハッチングを施した領域は絶縁破壊が発生しない領域、言い換えれば、ツイストペア電線試料２の絶縁材料使用可能領域を表している。そして、本実施の形態では、このＮ・ｎpd－Ｖ特性を利用してモータ３の検査を行うようにした。
　ステップＳ００５では、モータ３の試験を行うために、配線切り替え機構３を切り替えて図３に示すような接続状態とする。次いでステップＳ００６では、インバータサージ電圧を模擬したインパルス電圧ΔＶをモータ３に印加して、モータ３に関するｎpd－ΔＶ特性を測定する。例えば、インパルス電圧ΔＶの大きさを変化させながら、１回のインパルス電圧あたりの部分放電の回数をモータ３の部分放電発生頻度ｎpd(motor)として測定する。この測定のときには、インバータでモータ３を運転する際にモータ３に印加されると予測されるインバータサージ電圧ΔＶ(motor)付近において、特に電圧の刻みを細かくして発生頻度を測定する。
　インバータサージ電圧ΔＶ(motor)がモータ３に印加されたときにモータ巻線ターン間に分担される電圧Ｖは、電圧分担率α（tr）を用いてＶ＝α（tr）・ΔＶ(motor)のように表される。そこで、ステップＳ００７では、この電圧分担率α（tr）を使って、図８の横軸を巻線ターン間分担電圧Ｖに換算したモータｎpd－Ｖ特性（図９参照）を計算する。なお、電圧分担率α（tr）はモータ巻線に固有の値であり、その大きさはインバータサージ電圧ΔＶ(motor)の電圧立ち上がり時間trで変化し、１＜α（tr）≦１の値となる。
　ステップＳ００８では、絶縁検査装置１は、モータ３に必要とされるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredまたはモータ寿命ｔinvの入力をオペレータに促す表示を、表示部１６に表示する。ステップＳ００９では、オペレータによってインパルス電圧課電回数Ｎrequiredまたはモータ寿命ｔinvのいずれが入力されたかを判定する。そして、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredが入力された場合にはステップＳ０１０へ進み、モータ寿命ｔinvが入力された場合にはステップＳ０１１へ進む。
　先ず、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredが入力された場合について説明する。ステップＳ０１０では、絶縁検査装置１は、図９に示すモータｎpd－Ｖ特性と、予測されるインバータサージ電圧ΔＶ(motor)をモータ３に印加したときに発生する巻線ターン間の電圧波高値Ｖt-tとから、そのＶt-t時における部分放電発生頻度ｎpd(motor)を求める。そして、入力されたインパルス電圧課電回数Ｎrequiredとモータ３の部分放電発生頻度ｎpd(motor)とが、次式（１）に示す合否判定条件式を満足するか否かを判定する。
　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)／Ｎrequired　　…（１）
　上述したように、ツイストペア電線試料２の絶縁破壊の条件は絶縁破壊するまでの部分放電総数Ｎ・ｎpd(twist-pair)であり、モータ３の巻線ターン間絶縁部の絶縁破壊も同様に、部分放電総数Ｎ・ｎpd(motor)で決まるものと考えられる。モータ３の巻線ターン間に電圧波高値Ｖt-tが発生するインバータサージ電圧ΔＶ(motor)において、部分放電総数Ｎt-t・ｎpd(motor)がＮt-t・ｎpd(twist-pair)と等しくなると巻線ターン間絶縁部に絶縁破壊が発生し始める。そのため、モータ３にインパルス電圧課電回数Ｎrequiredが要求される場合には、部分放電総数に関する条件「Ｎrequired・ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)」を（すなわち式（１）を）満足する必要がある。
　このように、そして、図７に示すｎpd－Ｖ特性と、モータ３のｎpd－Ｖ特性と、要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredとから、モータ３の絶縁性能（合格・不合格）を評価することができる。
　モータ３の部分放電発生頻度ｎpd(motor)が条件式（１）を満足する場合には、ステップＳ０１０でｙｅｓと判定される。この場合、ツイストペア電線試料２の絶縁材料使用可能領域内（ハッチング部分）にインパルス電圧課電数Ｎrequiredと部分放電発生頻度ｎpdの積（Ｎrequired・ｎpd）が含まれる。そのため、ステップＳ０１２に進んでモータ３が合格であることを、例えば表示部１６に表示する。
　一方、条件式（１）を満足しない場合には、インパルス電圧課電数Ｎと部分放電発生頻度ｎpdの積（Ｎrequired・ｎpd）がツイストペア電線試料２の絶縁材料使用可能領域内（ハッチング部分）を超える。この場合には、ステップＳ０１３に進んでモータ３が不合格であることを表示部１６に表示する。
　ところで、モータ３に必要とされるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredが予め実績で得られている場合には、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredをユーザが入力することで、上述のようにモータ３の絶縁検査を行うことができる。しかし、インバータ駆動モータシステムでは、インバータ、ケーブル、モータの組み合わせやシステムの敷設条件に応じて、インバータサージ電圧の大きさやその発生頻度が変わることが知られている。
　そのため、実績がないインバータ駆動モータシステムに対しては、上述のようにインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに従来の実績値を使用して、モータ３の絶縁検査を行うことは妥当ではない。例えば、インバータスイッチング素子を高速化した場合には、従来の低速スイッチング素子を使ったインバータで得られているインパルス電圧課電回数Ｎrequiredの実績値を、そのまま使用することはできない。
　そこで、インパルス電圧課電回数Ｎrequiredの実績値が無い場合には、ステップＳ００８で入力を促す表示が表示部１６に表示されたならば、オペレータはモータ３に必要とされるモータ寿命ｔinvを入力する。モータ寿命ｔinvが入力されると、ステップＳ００９からステップＳ０１１へと進み、モータ３に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredを求める計算処理を行う。
　図１０は、ステップＳ０１１の詳細処理の一例を示したものであり、ここでは、モータ端子電圧波形シミュレーションを用いてインパルス電圧課電回数Ｎrequiredを計算する。モータ端子電圧波形をシミュレーションによって求める場合には、例えば、図１１に示すようにインバータモデルをスイッチング素子で模擬し、ケーブルモデルを分布定数回路やはしご型等価回路でそれぞれ模擬し、モータをはしご型等価回路で模擬する。
　ステップＳ０１１１では、モータ端子電圧波形シミュレーションを用いてモータ端子電圧波形を計算することにより、モータ端子の対地電圧波形の急峻電圧変化量ΔＶ(motor)の大きさ（図１３参照）と発生頻度ｎinvとの関係（インバータサージｎ―ΔＶ特性：図１４参照）を求める。この発生頻度ｎinvは単位時間（１秒）当たりにΔＶ(motor)が取得される回数を表す。計算結果は、図１のデータ収集記憶部１４に記憶される。
　なお、ここでは、をインバータサージｎ―ΔＶ特性をモータ端子電圧波形シミュレーションにより求めるようにしたが、モータ端子電圧波形を実測することによって取得するようにしても良い。モータ端子電圧波形を実測で求める場合には、図１２に示すように、試作したインバータ、ケーブル、モータを組み合わせてモータ端子電圧波形を測定する。そして、その測定結果に基づいて、図１４に示すようなインバータサージｎ―ΔＶ特性を求める。
　図１０のステップＳ０１１２では、データ収集記憶部１４に記憶されたインバータサージｎ―ΔＶ特性と、ユーザによって入力されたモータ寿命ｔinvとに基づいて、図１５に示すようなインバータサージｎ・ｔinv－Ｖ特性を計算する。モータ３としては、ステップＳ０１１１で計算されたｎ・ｔinvよりも多くの回数のインバータサージに耐える必要がある。そのため、モータ３に必要とされるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、次式（２）を満たす必要がある。これは、図１５のハッチングを施した領域に対応している。
　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（２）
　ステップＳ０１１３では、式（２）を満たすＮrequiredをモータ３に対して要求されるインパルス電圧課電回数として設定する。例えば、Ｎrequired＝ｎinv・ｔinvのように設定する。ステップＳ０１１３の処理が終了したならば、図４のステップＳ０１０へと進む。
　図１６は、図４に示した絶縁検査フローで行われる検査内容をまとめたものである。模擬試料であるツイストペア電線試料２に関しては、絶縁破壊を起こすまでインパルス電圧２１を繰り返し印加する破壊試験と、非破壊試験である部分放電試験（ｎpd(twist-pair)－Ｖ特性の測定）を行い、モータ３に対しては、非破壊試験である部分放電試験（ｎpd(motor)－Ｖ特性の測定）のみを行うようにした。そして、これらの部分放電試験の相関関係を利用し、モータ３に関する積Ｎrequired・ｎpd(motor)がツイストペア電線試料２の絶縁材料使用可能領域（ハッチング部分）に収まるかどうかを判断することで、製品であるモータ３を用いた課電寿命試験（破壊試験）を実施しなくても、モータ３の寿命を担保することが可能となった。
　さらに、ステップＳ０１１で説明したように、本実施の形態の絶縁検査装置では、従来実績が無いインバータ駆動回転電機システムにおいてもインパルス電圧課電回数Ｎrequiredを適切に求めることができるため、さまざまなインバータ駆動回転電機システムに適用することができる。
　本実施の形態の絶縁検査方法を使って絶縁検査したモータの寿命を、図１７の実施例に示す。また、本発明のインバータ駆動低圧回転電機の絶縁検査方法を使わずに、エナメル電線のＶ－Ｎ特性のみに基づいてモータを設計、製作した場合の寿命を比較例１に示す。さらに、部分放電の発生を許容しない絶縁設計、製作、検査を行ったモータの寿命を比較例２に示す。
　実施例に示すように、本発明の検査方法を使用した場合には、予定した寿命よりも短時間で破壊した試料は無かった。
　一方、比較例１ではエナメル電線のＶ－Ｎ特性のみに基づき、Ｎt-tが予定した寿命（Ｎrequired）よりも大きくなるように設計しているので、「ｎpd(motor)＞Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)／Ｎrequired」となるようなモータも存在することになる。しかし、本発明の検査方法を使用していないので、「ｎpd(motor)＞Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)／Ｎrequired」となるようなモータも検査を合格してしまい、不良品を見つけることができない。その結果、予定寿命よりも短時間で破壊する試料が発生した。
　また、比較例２に示すように、従来の部分放電の発生を許容しない低圧回転電機の絶縁設計、検査方法を使ったモータでは予定寿命より短時間で破壊する試料は発生しなかった。しかし、部分放電の発生を許容しないために、モータに印加できる電圧を実施例に対し４０％抑制して０．６Ｖo-pにしなければならず、インバータの急峻高電圧サージ電圧に対応することができなかった。
　なお、図４に示した絶縁検査においては、ツイストペア電線試料２に関する図５～図７に示す特性を絶縁検査装置１で取得するような構成としたが、これらの特性を別個に取得しておいて予め記憶部４に記憶させておくようにしても良い。この場合、絶縁検査装置１にはモータ３のみが接続され、計測機能としては少なくともモータ３のｎpd－Ｖ特性が計測できれば良いことになる。また、複数の印加電圧Ｖに対して取得されたデータ（Ｎt-t、ｎpd(twist-pair)）、すなわち図５～７に示すような特性曲線を記憶部４に記憶させておくことで、電圧仕様の異なる複数種類のモータを検査することができる。
　また、上述した絶縁検査方法で説明した考え方は、インバータ駆動低圧回転電機の設計方法にも適用することができる。すなわち、回転電機巻線と同一の絶縁電線を用いたツイストペア電線試料２に、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬したインパルス電圧を印加して、ツイストペア電線試料２が絶縁破壊するまでのインパルス電圧課電回数Ｎt-tを計測し、図５に示すようなＶ－Ｎ特性を求める。同様に、前記インパルス電圧を印加して、１回の印加あたりに発生する部分放電発生頻度ｎpd(twist-pair)を計測し、図６に示すようなｎpd－Ｖ特性を求める。そして、モータ３に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)が式「ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd(twist-pair)／Ｎrequired」を満足するように設定する。
　これにより、巻線ターン間で部分放電の発生を許容するインバータ駆動の回転電機を、特に７００Ｖrms以下の低圧回転電機を提供することができる。また、例えば、部分放電に対して一定の耐性を有する耐部分放電エナメル電線を用いたモータの場合、従来は検査方法は適用できないので、ある程度余裕を持った絶縁設計をする傾向となりやすい。しかしながら、本実施の形態の絶縁検査方法を用いれば、過剰な絶縁性能を避けつつ要求寿命を満足するモータを設計することができる。それによって、モータの小型化を図ることも可能となる。
　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

Claims (8)

  1. 　回転電機巻線と同一の絶縁電線で形成され、電圧波高値Ｖにおいて絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数がＮのＮ－Ｖ特性を示す絶縁試料において、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加したときの絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数をＮt-t、および１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度をｎpdとしたとき、
    　要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するように設定されているインバータ駆動回転電機。
    　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
  2. 　請求項１に記載のインバータ駆動回転電機において、
    　前記インパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、
    　前記インバータサージ電圧の単位時間当たりの発生頻度をｎinvとし、前記回転電機に要求される運転時間をｔinvとしたときに、次式（Ａ２）を満足するように設定されることを特徴とするインバータ駆動回転電機。
    　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（Ａ２）
  3. 　請求項１または２に記載のインバータ駆動回転電機において、
    　定格電圧が７００Ｖｒｍｓ以下に設定されていることを特徴とするインバータ駆動回転電機。
  4. 　回転電機巻線と同一の絶縁電線で形成され、電圧波高値Ｖにおいて絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数がＮのＮ－Ｖ特性を示す絶縁試料に、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加して、該絶縁試料が絶縁破壊するまでのインパルス電圧課電回数Ｎt-tを計測する工程と、
    　前記絶縁試料に前記第１のインパルス電圧を印加して、１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdを計測する工程と、
    　前記インバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧を回転電機に印加して、１回の印加あたりに発生する巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する工程と、
    　前記回転電機に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、前記部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するときに、前記回転電機の絶縁性能を合格と判定するインバータ駆動回転電機用絶縁検査方法。
    　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
  5. 　請求項４に記載のインバータ駆動回転電機用絶縁検査方法において、
    　前記インパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、
    　前記インバータサージ電圧の単位時間当たりの発生頻度をｎinvとし、前記回転電機に要求される運転時間をｔinvとしたときに、次式（Ａ２）を満足するように設定されることを特徴とするインバータ駆動回転電機用絶縁検査方法。
    　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（Ａ２）
  6. 　回転電機巻線と同一の絶縁電線を用いた絶縁試料に、インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧を印加したときに計測される、前記絶縁試料が絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数をＮt-tと、１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdとが記憶されている記憶部と、
    　前記インバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧を前記回転電機に印加するインパルス電源と、
    　前記第２のインパルス電圧が印加された前記回転電機の巻線ターン間の部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する計測部と、
    　前記回転電機に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、前記部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するときに、前記回転電機の絶縁性能を合格と判定する合否判定処理部と、を備えたインバータ駆動回転電機用絶縁検査装置。
    　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
  7. 　インバータサージ電圧印加時に回転電機巻線ターン間に発生する電圧を模擬した第１のインパルス電圧、および前記インバータサージ電圧を模擬した第２のインパルス電圧のいずれかを選択的に出力することができるインパルス電源と、
    　回転電機巻線と同一の絶縁電線で形成され、電圧波高値Ｖにおいて絶縁破壊までのインパルス電圧課電回数がＮのＮ－Ｖ特性を示す絶縁試料、または回転電機のいずれか一方を、前記インパルス電源に切り替え接続する切り替え機構と、
    　前記第１のインパルス電圧を前記絶縁試料に印加して得られる、前記インパルス電圧課電回数Ｎt-tおよび１回の印加あたりに発生する部分放電の発生頻度ｎpdを計測する絶縁試料特性計測部と、
    　前記第２のインパルス電圧を前記回転電機に印加して得られる前記部分放電発生頻度ｎpd(motor)を計測する回転電機特性計測部と、
    　前記回転電機に要求されるインパルス電圧課電回数Ｎrequiredに対して、前記部分放電発生頻度ｎpd(motor)が次式（Ａ１）を満足するときに、前記回転電機の絶縁性能を合格と判定する合否判定処理部と、を備えたインバータ駆動回転電機用絶縁検査装置。
    　　ｎpd(motor)≦Ｎt-t・ｎpd／Ｎrequired　　…（Ａ１）
  8. 　請求項６または７に記載のインバータ駆動回転電機用絶縁検査装置において、
    　前記インパルス電圧課電回数Ｎrequiredは、
    　前記インバータサージ電圧の単位時間当たりの発生頻度をｎinvとし、前記回転電機に要求される運転時間をｔinvとしたときに、次式（Ａ２）を満足するように設定されることを特徴とするインバータ駆動回転電機用絶縁検査装置。
    　　　Ｎrequired≧ｎinv・ｔinv　　…（Ａ２）
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