WO2012147163A1 - インバータ駆動回転電機、相間絶縁部分放電検査方法および相間絶縁部分放電検査装置 - Google Patents

インバータ駆動回転電機、相間絶縁部分放電検査方法および相間絶縁部分放電検査装置 Download PDF

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    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine driven by an inverter (in particular, an inverter-driven rotating electrical machine having a rated voltage of 700 Vrms or less), an interphase insulation partial discharge inspection method, and an interphase insulation partial discharge inspection apparatus.
  • an inverter in particular, an inverter-driven rotating electrical machine having a rated voltage of 700 Vrms or less
  • an interphase insulation partial discharge inspection method in particular, an interphase insulation partial discharge inspection method, and an interphase insulation partial discharge inspection apparatus.
  • 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)), there is a risk of dielectric breakdown in a relatively short time when a rotating electrical machine is used under conditions where partial discharge occurs. 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 does not generate a partial discharge even when an impulse voltage having a voltage rise time tr and a voltage peak V max satisfying the following equation (A1) is applied.
  • the surge propagation time ⁇ coil of one coil of the rotating electrical machine winding and the partial discharge start voltage PDIV between winding turns are set.
  • the impulse voltage is an oscillating voltage having an oscillating frequency f
  • the voltage rise time tr is set to satisfy the following expression (A2). It is preferable.
  • the impulse voltage is a damped oscillating voltage having an oscillating frequency f and a time constant K, and the oscillating frequency f satisfies the following equation (A3): to so configured is preferably is -1 / (2K ⁇ ln (( V test / V max) -1) ⁇ f ⁇ 1 / (2 ⁇ (L ⁇ C)) ... (A3)
  • the rated voltage is preferably set to 700 Vrms or less.
  • the interphase insulation partial discharge inspection method includes the steps of applying an impulse voltage having a voltage rise time tr that satisfies the following formula (A1) to the rotating electrical machine, and whether or not a partial discharge has occurred: And the step of determining that the interphase insulation performance of the rotating electrical machine is acceptable when the occurrence of partial discharge is not confirmed.
  • ⁇ coil is the surge propagation time of one coil of the rotating electrical machine winding
  • PDIV is the partial discharge start voltage between winding turns
  • V max is the peak of the partial discharge test voltage for interphase insulation.
  • the impulse voltage is an oscillating voltage having an oscillating frequency f, and the voltage rise time tr satisfies the following formula (A2): It is preferable that it is set to. tr ⁇ 1 / (4f) (A2)
  • the impulse voltage is a damped oscillating voltage having an oscillating frequency f and a time constant K, and the oscillating frequency f is expressed by the following equation (A3): Is preferably set so as to satisfy the above.
  • the interphase insulation partial discharge inspection apparatus applies an impulse power source for applying an impulse voltage having a voltage rise time tr satisfying the following equation (A1) to the rotating electrical machine, and applies the impulse voltage to the rotating electrical machine.
  • a measurement unit that measures the partial discharge that occurs when the measurement is performed, and a determination unit that determines that the interphase insulation performance is acceptable when the partial discharge is not measured by the measurement unit.
  • the impulse voltage is an oscillating voltage having an oscillating frequency f
  • the voltage rise time tr satisfies the following formula (A2): It is preferable that it is set to.
  • the impulse voltage is a damped oscillating voltage having an oscillating frequency f and a time constant K
  • the oscillating frequency f is expressed by the following equation (A3): Is preferably set so as to satisfy the above. -1 / (2K ⁇ ln (( V test / V max) -1) ⁇ f ⁇ 1 / (2 ⁇ (L ⁇ C)) ... (A3)
  • partial discharge-resistant enamel wires that have a certain resistance to partial discharge and have a life-span extension effect (generally called corona-enamel wires, inverter surge wires, etc.) 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. Thus, in recent years, there has been a possibility that even a low-pressure rotating electrical machine can be operated under the condition of partial discharge.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • a high-frequency impulse voltage is generally used when performing a partial discharge inspection for interphase insulation of an inverter-driven rotating electrical machine after connecting a neutral point.
  • a voltage is simultaneously applied between the winding turns, whether the generated partial discharge is generated between the winding turns that allow the generation of the partial discharge or the phase where the partial discharge should not occur.
  • a rotating electrical machine with high insulation reliability could not be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an insulation inspection apparatus for inspecting a rotating electrical machine by an interphase insulation partial discharge inspection method according to the present invention.
  • the insulation inspection apparatus 1 includes an impulse power supply unit 11, a partial discharge measuring instrument 12, a wiring switching mechanism 13, a data collection storage unit 14, a pass / fail determination processing unit 15, and a display unit 16.
  • Reference numeral 2 denotes an inverter-driven low-voltage rotating electrical machine to be inspected, which will be simply referred to as a motor below.
  • the motor 2 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 secondary winding is inserted into the rotor 6, and when the motor is a permanent magnet synchronous motor, a magnet is inserted at a position 8.
  • the rotor 6 and the stator 4 of the motor 2 are housed in a frame 7.
  • FIG. 1 shows the motor 2 with the rotor 6 inserted, since the object to be inspected is the stator coil 5, the inspection can be performed even when the rotor 6 is not inserted.
  • the impulse power supply 11 is connected to the wiring switching mechanism 13 via the partial discharge measuring instrument 12.
  • the motor 2 is connected to the wiring switching mechanism 13.
  • the wiring switching mechanism 13 distributes the output wiring of the partial discharge measuring instrument 12 into the three phases U, V, and W of the motor 2.
  • the data collection storage unit 14 records the magnitude of the test voltage applied to the motor 2 by the impulse power supply 11 and the partial discharge pulse signal measured by the partial discharge measuring instrument 12.
  • a partial discharge measurement method for example, a well-known method described in Non-Patent Documents 1 and 2 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-232517 is used.
  • the acceptance / rejection determination processing unit 15 determines that the partial discharge pulse signal is not generated at the specified test voltage, and determines that the partial discharge pulse signal has been generated.
  • the display unit 16 is a liquid crystal display or a CRT, and displays a pass / fail judgment result of the motor 2 insulation test.
  • Fig. 2 shows an example of a test circuit for motor phase insulation inspection.
  • an impulse voltage 21 is applied between the phases to be inspected.
  • the other phase and the motor frame 7 are set to a floating potential.
  • Fig. 3 shows the impulse voltage waveform used for the interphase insulation inspection of Fig. 1.
  • an impulse voltage that first rises at a voltage rise time tr and then oscillates damped is used.
  • the voltage applied between the rotating electrical machine winding turns can be suppressed by using such a voltage waveform.
  • FIG. 4 shows the winding turn-to-turn voltage Vcoil when the impulse voltage rise time tr is changed.
  • the winding turn voltage V coil is smaller than the partial discharge start voltage PDIV, and the occurrence of partial discharge between the motor winding turns can be suppressed. That is, by using the voltage rise time tr and the impulse voltage having the peak value V max included in the hatched region, it is possible to suppress the occurrence of partial discharge between the motor winding turns. Therefore, Tr and V max must satisfy the following formula (1).
  • V max ⁇ PDIV (motor-tt) PDIV / ( ⁇ coil / tr) (1)
  • the rise time tr of the impulse voltage may be lengthened.
  • FIG. 6 shows an impulse test voltage waveform when the rise time tr of the impulse voltage is increased in FIG.
  • the rise time tr of the impulse voltage has an upper limit.
  • the rise time tr needs to satisfy the following expression (3).
  • FIG. 7 shows an example of generation of a standing wave when a high frequency vibration voltage is applied to the motor winding.
  • Both the U phase and the V phase are composed of X coils.
  • the motor winding is represented by a distributed constant circuit in which an inductance 71 of the coil and a capacitance 72 between the coil and the core (ground) are connected.
  • Fig. 8 shows the test voltage waveform when the impulse voltage oscillates damped.
  • an impulse power source can instantaneously generate energy, but cannot permanently generate a vibration wave. That is, unless the energy is continuously supplied from the outside, the voltage peak value attenuates as shown in FIG. For this reason, if the frequency f of the damped vibration is too low, there arises a problem that the negative side peak voltage is lowered.
  • FIG. 9 shows the measurement result in the case of the above. Also shown in FIG. 9 are PDIVs of insulating materials used for motor winding turns, interphase, and ground insulation.
  • the partial discharge start voltage PDIV for interphase insulation is 3.6 kVp-p. This is twice as high as 1.8 kVo-p of the partial discharge start voltage PDIV of the insulating material used for the interphase insulation, which indicates that the partial discharge of the interphase insulation of the motor can be correctly measured.
  • the interphase insulation partial discharge start voltage PDIV is 2.3 kVp-p
  • the original interphase insulation partial discharge start voltage PDIV (1.8 kVo-p (3 It is measured lower than 6 kVp-p)).
  • FIG. 10 shows an example of a voltage waveform and a partial discharge signal waveform when a partial discharge of motor phase insulation is measured using a conventional steep impulse voltage.
  • the partial discharge pulse signal 91 is generated only at the steep voltage rising portion.
  • the polarity of the partial discharge pulse signal is reversed within the range of the steep voltage rise, the voltage between winding turns suddenly increases due to a steep voltage change, and then immediately decreases. The cause suggests the possibility of such a waveform. That is, there is a possibility that partial discharge has occurred between winding turns.
  • partial discharge is not generated between winding turns, It is possible to inspect the partial discharge characteristics of the interphase insulation by accurately applying a test voltage to the interphase insulation.

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Abstract

　相間絶縁部分放電検査装置は、式「tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）」を満足する電圧立ち上がり時間trのインパルス電圧を回転電機(2)に印加するインパルス電源(1)と、インパルス電圧を回転電機(2)に印加したときに発生する部分放電を計測する計測部(12)と、計測部(12)で部分放電が計測されない場合に相間絶縁性能合格と判定する判定部(15)と、を備える。ただし、τcoilは回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間、PDIVは巻線ターン間の部分放電開始電圧、Ｖmaxは相間絶縁の部分放電試験電圧のピークである。

Description

インバータ駆動回転電機、相間絶縁部分放電検査方法および相間絶縁部分放電検査装置
　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、その回転電機の相間絶縁部分放電検査方法および相間絶縁部分放電検査装置に関する。
　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。そのような場合であっても相間絶縁での部分放電の発生は許されないが、巻線ターン間の部分放電の影響を受けることなく相間絶縁の部分放電を適切に検査する方法がなかった。
　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、次式（Ａ１）を満足する電圧立ち上がり時間trおよび電圧ピークＶmaxを有するインパルス電圧が印加された場合でも部分放電が発生しないように、回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間τcoilおよび巻線ターン間の部分放電開始電圧PDIVが設定されている。
　　　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（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、インパルス電圧は振動周波数ｆを有する振動電圧であり、電圧立ち上がり時間trが次式（Ａ２）を満足するように設定されているのが好ましい。
　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（Ａ２）
　本発明の第３の態様によると、第２の態様のインバータ駆動回転電機において、インパルス電圧は振動周波数ｆおよび時定数Ｋを有する減衰振動電圧であり、振動周波数ｆは次式（Ａ３）を満足するように設定されていることが好ましい
　　　　-1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ≦1/(2√（L・C）)　　…（Ａ３）
　本発明の第４の態様によると、第１乃至３の態様のいずれか一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のが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、相間絶縁部分放電検査方法は、次式（Ａ１）を満足する電圧立ち上がり時間trのインパルス電圧を回転電機に印加する工程と、部分放電が発生したか否かを確認する工程と、部分放電の発生が確認されない場合に回転電機の相間絶縁性能を合格と判定する工程と、を有する。ただし、τcoilは回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間、PDIVは巻線ターン間の部分放電開始電圧、Ｖmaxは相間絶縁の部分放電試験電圧のピークである。
　　　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（Ａ１）
　本発明の第６の態様によると、第５の態様の相間絶縁部分放電検査方法において、インパルス電圧は振動周波数ｆを有する振動電圧であり、電圧立ち上がり時間trが次式（Ａ２）を満足するように設定されていることが好ましい。
　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（Ａ２）
　本発明の第７の態様によると、第６の態様の相間絶縁部分放電検査方法において、インパルス電圧は振動周波数ｆおよび時定数Ｋを有する減衰振動電圧であり、振動周波数ｆは次式（Ａ３）を満足するように設定されていることが好ましい。
　　　　-1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ≦1/(2√（L・C）)　　…（Ａ３）
　本発明の第８の態様によると、相間絶縁部分放電検査装置は、次式（Ａ１）を満足する電圧立ち上がり時間tr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、インパルス電圧を回転電機に印加したときに発生する部分放電を計測する計測部と、計測部で部分放電が計測されない場合に相間絶縁性能合格と判定する判定部と、を備える。ただし、τcoilは回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間、PDIVは巻線ターン間の部分放電開始電圧、Ｖmaxは相間絶縁の部分放電試験電圧のピークである。
　　　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（Ａ１）
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の相間絶縁部分放電検査装置において、インパルス電圧は振動周波数ｆを有する振動電圧であり、電圧立ち上がり時間trが次式（Ａ２）を満足するように設定されていることが好ましい。
　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（Ａ２）
　本発明の第１０の態様によると、第９の態様の相間絶縁部分放電検査装置において、インパルス電圧は振動周波数ｆおよび時定数Ｋを有する減衰振動電圧であり、振動周波数ｆは次式（Ａ３）を満足するように設定されていることが好ましい。
　　　　-1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ≦1/(2√（L・C）)　　…（Ａ３）
　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。
絶縁検査装置１を示す図である。 モータ相間絶縁検査時の検査回路の一例を示す図である。 相間絶縁検査時の印加電圧波形を示す図である。 インパルス電圧立ち上がり時間trに対する巻線ターン間分担電圧Ｖcoilの変化を示す図である。 巻線ターン間で部分放電（PD）が発生しない試験電圧Ｖmax必要条件を説明する図である。 電圧立ち上がり時間trが低速な場合を説明する図である。 回転電機巻線内部の定在波の発生条件を説明する図である。 インパルス電圧が減衰振動する場合の試験電圧波形を示す図である。 本発明と従来のインパルス電圧波形を用いた場合の相間絶縁PDIV測定値とモータ絶縁材料のPDIVを示す図である。 従来のインパルス電圧を回転電機に印加した際の部分放電測定例を示す図である。
　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できる可能性が出てきた。
　ところが、ひとたび部分放電の発生を許容すると、検査において、部分放電が発生しても良い絶縁部から発生した部分放電なのか、部分放電が発生してはならない絶縁部位から発生した部分放電なのかを区別しなければならなくなる。しかし、これまでは、低圧回転電機では巻線ターン間、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製品を絶縁検査してきたことから、従来の方法では部分放電の発生を許容する回転電機の絶縁検査を行うことができない。
　特に、インバータ駆動回転電機の相間絶縁の部分放電検査を中性点接続後にする場合には、一般に高周波のインパルス電圧が使用される。この際、巻線ターン間にも同時に電圧が印加されるため、発生した部分放電が部分放電の発生を許容できる巻線ターン間で発生したものなのか、あるいは部分放電が発生してはならない相間絶縁で発生したものなのか区別できないという問題が生じた。その結果、絶縁信頼性の高い回転電機を提供することができなかった。
　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、本発明による相間絶縁部分放電検査方法により回転電機を検査する絶縁検査装置の一例を示す図である。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を備えている。２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２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２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２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２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検査することができる。
　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。モータ２は配線切り替え機構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の出力配線をモータ２のＵ，Ｖ，Ｗの三相に振り分ける。データ収集記憶部１４には、インパルス電源１１でモータ２に印加した試験電圧の大きさと、部分放電計測器１２で計測した部分放電パルス信号を記録される。なお、部分放電の計測方法については、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では規定試験電圧において部分放電パルス信号が発生していなければ合格と判定し、部分放電パルス信号が発生していた場合には不合格と判定する。表示部１６は液晶ディスプレイあるいはＣＲＴであり、モータ２の絶縁検査の合否判定結果を表示する。
　図２にモータ相間絶縁検査時の試験回路の一例を示す。モータ２の固定子巻線のＵ，Ｖ，Ｗの３相のうち、検査対象とする相間にインパルス電圧２１を印加する。この際、他相およびモータフレーム７は浮動電位とする。
　図３に図１の相間絶縁検査に用いるインパルス電圧波形を示す。本発明では、図３に示すように、始めに電圧立ち上がり時間trで立ち上がり、その後、減衰振動するインパルス電圧を使用する。以下に説明するように、このような電圧波形を使用することで回転電機巻線ターン間に加わる電圧を抑制できる。また、回転電機巻線内部で高周波の定在波が発生し異常電圧が発生することを抑制することができる。
　図４にインパルス電圧の立ち上がり時間trを変化させたときの巻線ターン間電圧Ｖcoilを示す。モータ巻線に急峻な電圧立ち上がり時間のインパルス電圧を印加した場合の巻線ターン間に発生する電圧Ｖcoilを鋭意検討した結果、図４に示す式「Ｖcoil＝（τcoil／tr）ΔＶ」で表すことができることが明らかになった。ここで、τcoilはモータ巻線の１コイルのサージ伝播時間、trとΔＶはインパルス電圧の立ち上がり時間と急峻電圧変化量である。急峻電圧変化量ΔＶは、立ち上がり時間trの間の電圧変化量である。
　次に、巻線ターン間の部分放電開始電圧をPDIVとし、図４を使ってモータ巻線ターン間で部分放電（ＰＤ）を発生させないインパルス試験電圧の条件を求めると、その条件は図５の斜線を施した領域となる。
　図５において、境界を示す曲線は、巻線ターン間電圧Ｖcoil（＝（τcoil／tr）・ΔＶ）と部分放電開始電圧PDIVとが等しい場合を示している。ハッチングを施した領域では、巻線ターン間電圧Ｖcoilは部分放電開始電圧PDIVよりも小さく、モータ巻線ターン間での部分放電の発生を抑制することができる。すなわち、このハッチングした領域に含まれる電圧立ち上がり時間trと波高値Ｖmaxのインパルス電圧を使用すれば、モータ巻線ターン間での部分放電の発生を抑制することができる。よって、TrとＶmaxとは次式（１）を満足する必要がある。
　　Ｖmax＜PDIV(motor-t-t)＝PDIV／（τcoil／tr）　…（１）
　したがって、相間絶縁部分放電検査の際には、インパルス電圧のピークをＶmaxとした場合、次式（２）を満足する電圧立ち上がり時間trのインパルス電圧を作成して、それをモータに印加する。そうすることで、巻線ターン間で発生する部分放電を抑制しながら相間絶縁の部分放電試験ができる。すなわち、図１の合否判定処理部１５は、次式（２）を満足する電圧立ち上がり時間trのインパルス電圧を印加しても、部分放電が発生しないことを確認できた場合には、相間絶縁については合格であると判定する。
　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（２）
　式（２）によれば、巻線ターン間で発生する部分放電を抑制しながら相間絶縁の部分放電試験をするためには、インパルス電圧の立ち上がり時間trを長くすれば良い。図３においてインパルス電圧の立ち上がり時間trを長くした場合のインパルス試験電圧波形を、図６に示す。しかしながら、図６に示すようにインパルス電圧の立ち上がり時間trを長くすると、ステップ応答に伴うインパルス電圧振動が発生しなくなる。つまり、図６に示すような波形は現実的には作成することができない。このように、インパルス電圧の立ち上がり時間trには上限があり、インパルス電圧振動波の周波数をｆとすると、立ち上がり時間trは次式（３）を満足する必要がある。
　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（３）
　図７は、モータ巻線に高周波振動電圧をモータ巻線に印加した際の定在波の発生例を示したものである。Ｕ相およびＶ相のいずれもＸ個のコイルから成る。高周波振動電圧に対しては、モータ巻線は、コイルのインダクタンス７１と、コイルとコア（アース）間の静電容量７２とが連なった、分布定数回路で表される。本発明の創生に当たり、鋭意検討した結果、このような分布定数回路に高周波振動電圧を印加すると、内部で定在波が発生し異常電圧が発生する場合があることが明らかになった。
　通常、Ｕ－Ｖ間に電圧を印加した場合には、Ｕ相の口出し（高圧側）からＶ相（低圧側）に向かって電圧が直線状に分布する。しかし、高周波振動電圧の周波数が高いと、破線７３に示すようにＵ相とＶ相の中間部分の中性点Ｎ付近に定在波の腹ができ、異常電圧が発生することになる。
　ところが、実際のインバータ駆動時には、モータ巻線内部においてこのような電圧分布は発生しない。そのため、このような周波数の高周波振動電圧で相間絶縁の部分放電試験をした場合には、誤った検査結果となる。したがって、定在波が発生しない周波数のインパルス振動波を使用する必要がある。定在波が発生しないための条件は、モータ巻線の１相のコイル数をＸとした場合、次式（４）のようになる。
　　　　λ／２＞２Ｘ　　…（４）
　また、１コイルのインダクタンスをｌ，静電容量をcとした場合、振動の速度ｖは次式（５）を満足することから、周波数ｆに関して式（６）のような条件が得られる。
　　　　　　ｖ＝ｆ・λ＝1/√（l・c）      …（５）
　　　　　　ｆ＜1/（4Ｘ√(l・c)）　　…（６）
　ここで、Ｕ－Ｖ巻線の全体のインダクタンスをＬ，巻線－コア間の全体の静電容量をＣとすると、次式（７）、（８）が成り立つので、式（６）は次式（９）のように表される。すなわち、式（９）を満足することで定在波の発生を防止できる。したがって、本実施の形態においては、インパルス電圧振動波は式（９）を満足する必要があることが明らかになった。
          Ｌ＝２Ｘ・ｌ   …（７）
　　　　　Ｃ＝２Ｘ・c   …（８）
　  　　ｆ＜1/(２√（Ｌ・Ｃ）)      …（９）
　図８にインパルス電圧が減衰振動する場合の試験電圧波形を示す。一般に、インパルス電源は瞬間的にエネルギーを発生させることはできるが、永続的に振動波を発生させることができない。つまり、外部からエネルギーを供給し続けない限り、図８に示すように電圧波高値が減衰していく。そのため、減衰振動の周波数ｆが低すぎると、負極性側のピーク電圧が低下してしまう問題が発生する。
　Ｋを減衰時定数とすると、負極性側のピーク電圧は次式（１０）で与えられるので、正極性側からのpeak-to-peak電圧は次式（１１）のようになる。
　　　　Ｖmax ・exp(-(1/2f)/K)　    　　…（１０）
　　　　Ｖmax｛１＋exp(-(1/2f)/K)｝　…（１１）
　ところで、モータの相間絶縁には交流電圧が印加されることから、相間絶縁の検査では所定の大きさの交流電圧を印加しなければならない。そのため、交流電圧のpeak-to-peak電圧の大きさをＶtestとした場合、図８のインパルス電圧は次式（１２）を満足しなければならない。その結果、周波数ｆには次式（１３）で表されるような下限が存在することになる。
　　　Ｖmax｛１＋exp(-(1/2f)/K)｝≧Ｖtest　　…（１２）
　　　　-1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ　　…（１３）
　以上のように、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低圧回転電機の相間絶縁検査を行うための条件を明らかにした。モータの相間絶縁の部分放電開始電圧（PDIV）を計測を本実施の形態の電圧波形のインパルス電圧を用いて行った場合、および、図１０に示すような従来の急峻なインパルス電圧を用いて行った場合の、計測結果を図９に示す。また、モータ巻線ターン間、相間、対地絶縁に使用した絶縁材料のPDIVも図９に示した。
　本発明の実施例の場合、相間絶縁の部分放電開始電圧PDIVは３．６kVp-pとなっている。これは相間絶縁に使用した絶縁材料の部分放電開始電圧PDIVの１．８kVo-pの２倍であり、モータの相間絶縁の部分放電を正しく計測できていることを示している。
　一方、従来のインパルス電圧を使用した場合には、相間絶縁の部分放電開始電圧PDIVが２．３kVp-pとなっており、本来の相間絶縁の部分放電開始電圧PDIV（１．８kVo-p（３．６kVp-p））よりも低めに測定されている。従来例の電圧の正極性ピーク電圧は１．３kVo-pとなっており、これはターン間絶縁の部分放電開始電圧PDIV＝０．６５kVo-pの２倍である。このことから、従来例では相間絶縁の部分放電試験の際に巻線ターン間で部分放電が発生してしまった可能性が考えられる。このことは、以下のことからも裏付けられる。
　図１０は、従来の急峻なインパルス電圧を使用してモータ相間絶縁の部分放電を計測した際の電圧波形と部分放電信号波形の例を示す。この場合、急峻な電圧立ち上がり部分のみで部分放電パルス信号９１が発生している。また、急峻な電圧立ち上がり部分の範囲内で部分放電パルス信号の極性が反転していることから、急峻な電圧変化によって急激に分担電圧が上昇し、その後、即座に低下する巻線ターン間電圧が原因でこのような波形になっている可能性が示唆される。つまり、巻線ターン間で部分放電が発生してしまった可能性が考えられる。
　以上のように、本実施の形態の相間絶縁検査方法を用いることによって、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低圧回転電機において、巻線ターン間で部分放電を発生させず、かつ的確に相間絶縁に試験電圧を印加して相間絶縁の部分放電特性を検査できる。
　また、回転電機を設計する際に、式「tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）」を満足する電圧立ち上がり時間trおよび電圧ピークＶmaxを有するインパルス電圧が印加された場合でも、回転電機に部分放電が発生しないように、回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間τcoilおよび巻線ターン間の部分放電開始電圧PDIVを設定する。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。
　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 (10)

  1. 　次式（Ａ１）を満足する電圧立ち上がり時間trおよび電圧ピークＶmaxを有するインパルス電圧が印加された場合でも部分放電が発生しないように、回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間τcoilおよび巻線ターン間の部分放電開始電圧PDIVが設定されているインバータ駆動回転電機。
    　　　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（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は振動周波数ｆを有する振動電圧であり、
    　前記電圧立ち上がり時間trが次式（Ａ２）を満足するよう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。
    　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（Ａ２）
  3. 　請求項２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は振動周波数ｆおよび時定数Ｋを有する減衰振動電圧であり、
    　前記振動周波数ｆは次式（Ａ３）を満足するよう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。
    　-1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ≦1/(2√（L・C）)…（Ａ３）
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一項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。
  5. 　次式（Ａ１）を満足する電圧立ち上がり時間trのインパルス電圧を回転電機に印加する工程と、
    　部分放電が発生したか否かを確認する工程と、
    　部分放電の発生が確認されない場合に前記回転電機の相間絶縁性能を合格と判定する工程と、を有するインバータ駆動回転電機の相間絶縁部分放電検査方法。ただし、τcoilは回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間、PDIVは巻線ターン間の部分放電開始電圧、Ｖmaxは相間絶縁の部分放電試験電圧のピークである。
    　　　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（Ａ１）
  6. 　請求項５に記載のインバータ駆動回転電機の相間絶縁部分放電検査方法において、
    　前記インパルス電圧は振動周波数ｆを有する振動電圧であり、
    　前記電圧立ち上がり時間trが次式（Ａ２）を満足するよう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の相間絶縁部分放電検査方法。
    　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（Ａ２）
  7. 　請求項６に記載のインバータ駆動回転電機の相間絶縁部分放電検査方法において、
    　前記インパルス電圧は振動周波数ｆおよび時定数Ｋを有する減衰振動電圧であり、
    　前記振動周波数ｆは次式（Ａ３）を満足するよう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の相間絶縁部分放電検査方法。
      -1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ≦1/(2√（L・C）)…（Ａ３）
  8. 　次式（Ａ１）を満足する電圧立ち上がり時間tr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、
    　前記インパルス電圧を回転電機に印加したときに発生する部分放電を計測する計測部と、
    　前記計測部で部分放電が計測されない場合に相間絶縁性能合格と判定する判定部と、を備えたインバータ駆動回転電機の相間絶縁部分放電検査装置。ただし、τcoilは回転電機巻線の１コイルのサージ伝播時間、PDIVは巻線ターン間の部分放電開始電圧、Ｖmaxは相間絶縁の部分放電試験電圧のピークである。
    　　　　　tr＞（τcoil・Ｖmax）／（PDIV）　…（Ａ１）
  9. 　請求項８に記載のインバータ駆動回転電機の相間絶縁部分放電検査装置において、
    　前記インパルス電圧は振動周波数ｆを有する振動電圧であり、
    　前記電圧立ち上がり時間trが次式（Ａ２）を満足するよう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の相間絶縁部分放電検査装置。
    　　　tr≦1/(4ｆ)　 …（Ａ２）
  10. 　請求項９に記載のインバータ駆動回転電機の相間絶縁部分放電検査装置において、
    　前記インパルス電圧は振動周波数ｆおよび時定数Ｋを有する減衰振動電圧であり、
    　前記振動周波数ｆは次式（Ａ３）を満足するよう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の相間絶縁部分放電検査装置。
    　-1/(2Ｋ・ln((Ｖtest/Ｖmax)-1)≦ｆ≦1/(2√（L・C）)…（Ａ３）
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