WO2015011798A1

WO2015011798A1 - 界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法

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Publication number: WO2015011798A1
Application number: PCT/JP2013/070027
Authority: WO
Inventors: 賢一藤江; 勝也辻本; 浅井　孝公
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-01-29
Also published as: JPWO2015011798A1; EP3026809A1; EP3026809A4; EP3026809B1; JP6048993B2; US20160146890A1; US9709631B2

Abstract

　界磁巻線（４）と、電機子巻線（３）と、界磁巻線および電機子巻線に対する電力供給源である直流電源（２）とを有し、電動機または発電機として動作する回転電機に適用される界磁巻線方式回転電機の診断装置であって、直流電源の正極電位および負極電位とは異なる値として規定される断線故障判定電位を持つ内部電源回路（１１１）を有し、故障診断状態における界磁巻線を含む回路の電圧値の計測結果に基づいて、計測結果が断線故障判定電位を含む断線故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で断線が生じたと判定し、計測結果が正極電位を含む天絡故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で天絡故障が生じたと判定し、計測結果が負極電位を含む地絡故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で地絡故障が生じたと判定する。

Description

界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法

　本発明は、車両等に用いられる界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法に関するものである。

　従来の界磁巻線方式回転電機の診断装置としては、界磁巻線方式回転電機の故障診断中における界磁巻線の電圧を、直流電源の正極電圧をバイアス抵抗で分圧した診断用基準電位に維持するようにし、界磁巻線の測定電圧が、診断用基準電位から直流電源の正極電圧または負極電圧に変位することを検出した場合に、界磁駆動回路および界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障、地絡故障、および断線故障が発生していると判定するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許４２６３１９３号公報

　しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
　特許文献１の界磁巻線方式回転電機の診断装置では、故障を判定する際に比較される電位として、直流電源の正極電圧および負極電圧の２つだけを有している。このため、界磁回路の天絡故障、地絡故障、および断線故障のいずれかの発生を検出することはできるが、故障要因として天絡故障および地絡故障と、断線故障とを区別することができないという課題があった。

　また、塩水や塩泥水によるリーク電流が、界磁巻線と直流電源との間に存在する場合には、界磁巻線の電圧がリーク電流により変動して、直流電源の正極電圧または負極電圧に近くなり、天絡故障、地絡故障、または断線故障が発生したと誤検出してしまうという課題があった。

　このような誤検出は、特に、バイアス抵抗の抵抗値が、例えば、リーク抵抗値と比較して一桁以上大きく、リーク電流の影響を受けやすい場合に発生しやすい。また、直流電源の正極電圧または負極電圧と、上述の診断用基準電位との間の電位差に余裕がない場合にも顕著となる。

　また、逆に、バイアス抵抗の抵抗値を小さくしてリーク電流の影響を抑制しようとすると、バイアス抵抗の電流が大きくなって消費電力が増大してしまうという課題があった。更には、バイアス抵抗の焼損を防ぐためにバイアス抵抗の定格電力を大きくしなければならないという課題があった。

　このように、特許文献１の界磁巻線方式回転電機の診断装置では、バイアス抵抗の抵抗値の設定方法について具体的な言及がないため、リーク電流の影響による天絡故障および地絡故障の誤判定を抑制することができる回路構成方法、および、回路を構成する電子部品の抵抗値等の具体的な設定方法が必要とされていた。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、界磁駆動回路および界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障および地絡故障を、断線故障と区別して故障要因を判定でき、直流電源と界磁巻線との間にリーク電流が存在する場合でも、天絡故障および地絡故障の誤判定を抑制することができる界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法を得ることを目的とする。

　本発明に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置は、界磁巻線と、電機子巻線と、界磁巻線および電機子巻線に対する電力供給源である直流電源とを有し、電動機または発電機として動作する回転電機に適用される界磁巻線方式回転電機の診断装置であって、直流電源の正極電位および負極電位とは異なる値として規定される断線故障判定電位を持つ内部電源回路を有し、電機子巻線の相対回転運動による誘導電流が界磁巻線に流れていない故障診断状態において、内部電源回路を用いて界磁巻線に電流を流した際の界磁巻線を含む回路の電圧値を測定することで、界磁巻線を含む回路の故障診断を行う診断回路を備え、診断回路は、故障診断状態における界磁巻線を含む回路の電圧値の計測結果に基づいて、計測結果が断線故障判定電位を含む断線故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で断線が生じたと判定し、計測結果が正極電位を含む天絡故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で天絡故障が生じたと判定し、計測結果が負極電位を含む地絡故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で地絡故障が生じたと判定するものである。

　また、本発明に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法は、本発明に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置に用いられる界磁巻線方式回転電機の診断方法であって、故障診断状態において、診断回路において、故障診断状態における界磁巻線を含む回路の電圧値の計測結果に基づいて、計測結果が断線故障判定電位を含む断線故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で断線が生じたと判定するステップと、計測結果が正極電位を含む天絡故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で天絡故障が生じたと判定するステップと、計測結果が負極電位を含む地絡故障判定電圧範囲内にある場合には、回路で地絡故障が生じたと判定するステップとを有するものである。

　本発明によれば、故障を判定するための電位として、直流電源の正極電位および負極電位以外にも内部電源回路による断線故障判定電位を有することにより、界磁巻線の一部が断線した場合には、故障診断状態における界磁巻線の電圧が、断線故障判定電位に実質的に等しくなるようにしている。また、界磁巻線に微小定電流を流す定電流回路の定電流値と、界磁巻線に接続された抵抗の抵抗値を適切に設定している。この結果、界磁駆動回路および界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障および地絡故障を、断線故障と区別して故障要因を判定でき、直流電源と界磁巻線との間にリーク電流が存在する場合でも、天絡故障および地絡故障の誤判定を抑制することができる界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の第１の例示図である。本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の第２の例示図である。本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の第３の例示図である。本発明の実施の形態２に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の例示図である。本発明の実施の形態３に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の例示図である。本発明の実施の形態４に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の例示図である。本発明の実施の形態５に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法を示す第１のフローチャートである。本発明の実施の形態５に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法を示す第２のフローチャートである。本発明の実施の形態６に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置の構成の例示図である。

　以下、本発明における界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

　実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の第１の例示図である。

　図１に示す界磁巻線方式回転電機は、放電および充電が可能な直流電源２、電動機または発電機に用いられる電機子の電機子巻線３、磁場を介して電機子巻線３と相互作用する界磁の界磁巻線４、電機子巻線３を駆動する電機子電力変換回路５、および界磁巻線４を駆動する界磁駆動回路６とを備えて構成される。

　電機子電力変換回路５および界磁駆動回路６は、それぞれ直流電源２に並列に接続されている。また、界磁駆動回路６は、ＰＷＭスイッチング素子６２と還流素子６１とが直列に接続されて構成され、ＰＷＭスイッチング素子６２は、還流素子６１の正極側端部に接続されている。また、界磁巻線４は、還流素子６１に並列に接続されている。

　直流電源２は、放電および充電が可能であり、自身に並列に接続された電機子電力変換回路５および界磁駆動回路６に直流電力を供給している。また、直流電源２は、電機子電力変換回路５から供給される直流電力を充電することもできる。

　電機子電力変換回路５は、直流電源２による直流電力を交流変換して電機子巻線３を駆動するとともに、電機子巻線３の回転運動による交流起電力を直流変換して直流電源２に供給している。また、界磁駆動回路６は、直流電源２の直流電力をＰＷＭ制御して界磁巻線４を駆動している。

　また、図１に示す界磁巻線方式回転電機の診断装置１は、第１診断回路１１、第２診断回路１２、診断用スイッチング素子１３、電圧測定部１４、および、故障判定部１５を備えて構成される。

　第１診断回路１１は、界磁巻線４の正極側端部に接続されている。また、第２診断回路１２は、界磁巻線４の負極側端部に接続されている。第１診断回路１１および第２診断回路１２の具体的な構成とその機能については後述する。

　診断用スイッチング素子１３は、還流素子６１および界磁巻線４の負極側端部同士の接続をオンまたはオフする。この診断用スイッチング素子１３は、通常時はオンとなっており、界磁巻線方式回転電機の診断を開始する際にＰＷＭスイッチング素子６２とともにオフされる。

　電圧測定部１４は、直流電源２の負極電圧を基準とした界磁巻線４の正極側端部の電圧を測定している。また、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４の測定電圧を基に、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路の、天絡故障（Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｕｌｔまたは、Ｌｉｎｅ－ｔｏ－Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｕｌｔ）、地絡故障（Ｅａｒｔｈ　Ｆａｕｌｔ、Ｇｒｏｕｎｄ　Ｆａｕｌｔまたは、Ｌｉｎｅ－ｔｏ－Ｇｒｏｕｎｄ　Ｆａｕｌｔ）、および断線故障（Ｏｐｅｎ　Ｆａｕｌｔ）を判定する。

　ここで、天絡故障とは、直流電源２の正極と、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路との絶縁が極度に低下して、その間がアークまたは導体によって電気的に接続されることである。例えば、直流電源２の正極（電源ライン）に界磁回路の（負極側の）配線が短絡する場合等が挙げられる。

　また、地絡故障とは、直流電源２の負極と、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路との絶縁が極度に低下して、その間がアークまたは導体によって電気的に接続されることである。例えば、直流電源２の負極（接地ライン）に界磁回路の（正極側の）配線が短絡する場合等が挙げられる。

　天絡故障または地絡故障が発生すると、電圧測定部１４による電圧測定部１４による界磁巻線４の測定電圧が、直流電源２の正極電圧または負極電圧に実質的に等しくなる。ここで、実質的に等しいとは、直流電源２の正極電圧または負極電圧と、電圧測定部１４による測定電圧との電位差が電圧測定部１４の測定誤差を含めた一定幅の範囲内で等しくなることを意味する。

　また、断線故障とは、界磁巻線４の一部が断線することである。ところで、断線故障については、前述のように、従来の界磁巻線方式回転電機の診断装置１では、検出することはできるが、故障要因として天絡故障および地絡故障と区別することができないという課題があった。

　そこで、本発明の実施の形態１における界磁巻線方式回転電機の診断装置１は、図１に示す第１内部電源回路１１１を備えることにより、故障要因として天絡故障および地絡故障と、断線故障とを区別することができるようにしている。

　具体的には、図１に示す診断装置１の第１診断回路１１は、第１内部電源回路１１１、第１内部電源回路１１１から界磁巻線４に微小定電流を流す吐き出し型定電流回路１１２、および、界磁巻線４から第１内部電源回路１１１方向に電流が流れることを防止する第１ダイオード１１３を備えて構成される。

　また、図１に示す診断装置１の第２診断回路１２は、一端が界磁巻線４の負極側端部に接続されて、他端が直流電源２の負極に接続されたプルダウン抵抗１２０を備えて構成される。

　このように、故障を判定するための断線故障判定電位として、直流電源２の正極電位および負極電位以外にも第１内部電源回路１１１の正極電位を有することにより、界磁巻線４の一部が断線した場合には、故障診断状態における界磁巻線４の電圧が、断線故障判定電位である第１内部電源回路１１１の正極電圧に実質的に等しくなるようにして、故障要因として天絡故障および地絡故障と、断線故障とを区別できるようにしている。

　図１に示す直流電源２は、例えば、一般的に自動車用の電源として用いられる鉛蓄電池（バッテリ）、リチウムイオン電池、または、電気二重層コンデンサ等を用いて構成される。また、第１内部電源回路１１１は、例えば、ＤＣＤＣコンバータ、シリーズレギュレータ、または、定電圧ダイオード等を用いて構成される。また、吐き出し型定電流回路１１２は、例えば、定電流ダイオード、または、カレントミラー回路などのトランジスタを用いて構成される。

　界磁駆動回路６は、例えば、チャージポンプ回路、または、ブートストラップコンデンサ回路による駆動電源を使ったプッシュプル型のプリドライバ等を用いて構成される。また、ＰＷＭスイッチング素子６２、および診断用スイッチング素子１３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどのパワー半導体スイッチング素子を用いて構成される。

　還流素子６１は、例えば、ダイオードの他にも、ＰＷＭスイッチング素子６２と同様に、ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子を用いて構成される。ここで、ＭＯＳＦＥＴを使用する場合は、ＭＯＳＦＥＴ駆動回路を設けるとともに、還流中にＭＯＳＦＥＴをオンさせることで、還流素子６１の損失を低減することも可能である。

　電圧測定部１４は、例えば、トランジスタ、または、オペアンプ等を用いた差動増幅回路で構成される。また、故障判定部１５は、例えば、マイコンやＡＳＩＣのようなロジック回路あるいはコンパレータのような比較器等を用いて構成される。

　次に、界磁巻線４に微小定電流を流す吐き出し型定電流回路１１２の定電流値と、プルダウン抵抗１２０の抵抗値を適切に設定することにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障の誤判定を抑制することができる方法について説明する。

　まず、プルダウン抵抗１２０の抵抗値の設定方法について説明する。プルダウン抵抗１２０の抵抗値は、界磁巻線４の天絡故障、または、界磁駆動回路６において、上アームを構成するＰＷＭスイッチング素子６２の短絡故障によって、界磁巻線４の結線端部の電圧が直流電源２の正極電圧まで上昇し、大きな電流が流れても焼損しないように設定する必要がある。

　具体的には、直流電源２の正極電圧は直流電源２の充放電状態によって変動するので、例えば、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源２の正極電圧の変動範囲の最大値をＢａｔｔ（ＭＡＸ）とすると、プルダウン抵抗１２０の抵抗値Ｒｐｄは、下式（１）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｄ＞Ｂａｔｔ（ＭＡＸ）²／（Ｐ×α）　　（１）

　ここで、プルダウン抵抗１２０の定格電力をＰ、温度ディレーティングなどの安全係数をα（例えば、０．７、または、０．８）とした。

　加えて、上アームを構成するＰＷＭスイッチング素子６２がオフの状態においても、直流電源２の正極から界磁駆動回路６を経由して界磁巻線４へ流れるリーク電流（以下、第１リーク電流Ｉ１という）が存在するので、この第１リーク電流Ｉ１によってプルダウン抵抗１２０の正極側端部の電位が上昇し、界磁巻線４の故障検出のために流す微小電流が流れなくなる事象を回避する必要がある。

　従って、プルダウン抵抗１２０の抵抗値Ｒｐｄは、下式（２）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｄ＜（Ｖｃｃ－Ｖｆ）／Ｉ１　　（２）

　ここで、第１内部電源回路１１１の正極電圧をＶｃｃ、第１ダイオード１１３の順方向電圧降下をＶｆとした。

　次に、吐き出し型定電流回路１１２の定電流値の設定方法について説明する。界磁巻線４と直流電源２との間のリーク電流は、上述の第１リーク電流Ｉ１以外にも、界磁巻線４から直流電源２の負極へ流れるリーク電流（以下、第２リーク電流Ｉ２という）が存在するので、界磁巻線４の結線端部の電圧を、直流電源２の負極電圧と区別して判定するためには、界磁巻線４の結線端部の電圧と直流電源２の負極電圧との間には電位差が必要となる。

　従って、吐き出し型定電流回路１１２の定電流値Ｉｃｐは、下式（３）を満たす必要がある。
　　Ｉｃｐ≧ＶＬｇ／Ｒｐｄ＋ＶＬｇ／ＲＬｇ（＝Ｉ２）－Ｉ１　（３）

　ここで、想定されるリーク抵抗の最小値をＲＬｇ、地絡故障と区別して判定できる電位差をＶＬｇ、プルダウン抵抗１２０の抵抗値をＲｐｄとした。

　このように、吐き出し型定電流回路１１２の定電流値、およびプルダウン抵抗１２０の抵抗値を適切に設定することにより。直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障の誤判定を抑制することができる。また、プルダウン抵抗１２０の消費電力を抑制できる。

　次に、図２は、本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法を示すフローチャートである。以下、図２を用いて、故障判定部１５の動作について説明する。

　図２に示す界磁巻線方式回転電機の診断方法は、ＰＷＭスイッチング素子６２および診断用スイッチング素子１３がオフであり、かつ、電機子巻線３の相対回転運動による誘導電流が界磁巻線４に流れていない状態（以下、故障診断状態という）において実施される。

　故障判定部１５は、故障診断状態において、界磁巻線方式回転電機の制御部（図示せず）、または、界磁巻線方式回転電機の上位コントローラ（図示せず）から、故障診断の開始信号を受け取ったときに、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路の故障診断を開始する。

　まず、ステップＳ１００において、故障判定部１５は、電圧測定部１４が測定する界磁巻線４の結線端部の測定電圧を取得する。

　次に、ステップＳ１０１において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、直流電源２の正極電圧と実質的に等しいか否か（＝直流電源２の正極電位を含む天絡故障判定電圧範囲内か否か）を調べる。そして、等しい場合はステップＳ１０２へ進み、天絡故障と判定して故障診断を終了する。一方、等しくない場合はステップＳ１０３へ進む。

　次に、ステップＳ１０３において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、直流電源２の負極電圧と実質的に等しいか否か（＝直流電源２の負極電位を含む地絡故障判定電圧範囲内か否か）を調べる。そして、等しい場合はステップＳ１０４へ進み、地絡故障と判定して故障診断を終了する。一方、等しくない場合はステップＳ１０５へ進む。

　次に、ステップＳ１０５において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、断線故障を判定するための断線故障判定電位である第１内部電源回路１１１の正極電圧と実質的に等しいか否か（＝断線故障判定電位を含む断線故障判定電圧範囲内であるか否か）を調べる。そして、等しい場合はステップＳ１０６へ進み、断線故障と判定して故障診断を終了する。一方、等しくない場合はステップＳ１０７へ進む。

　次に、ステップＳ１０７において、故障判定部１５は、界磁駆動回路６および界磁巻線４を含む界磁回路には、天絡故障、地絡故障、または断線故障のいずれも発生していないと判定して故障診断を終了する。

　なお、直流電源２の正極電圧は直流電源２の充放電状態によって変動するので、図２に示す界磁巻線方式回転電機の診断方法において、天絡故障を正しく検出するためには、第１内部電源回路１１１の正極電圧は、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源２の正極電圧の電圧変動範囲の最小値よりも低く設定するようにする。

　あるいは、第１診断回路１１に定電圧部１１４を設けることにより、第１内部電源回路１１１の正極電圧が、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源２の正極電圧よりも高い場合でも、天絡故障を正しく検出できるようにすることが可能である。以下、この方法について説明する。

　図３は、本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の第２の例示図である。図３に示す第１診断回路１１は、図１と比較して、吐き出し型定電流回路１１２と第１ダイオード１１３との間に直列に挿入された定電圧部１１４を更に備えている。

　その他の構成は、図１と同じであり、図３に示す診断装置１の構成においても、図２に示すフローチャートに従うことで、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路を故障診断することができる。

　定電圧部１１４は、第１内部電源回路１１１の正極電圧と界磁巻線４の結線端部の電圧との電位差を拡大（または増幅）させるためのものである。定電圧部１１４は、例えば、第１内部電源回路１１１の正極側にカソード側が接続された定電圧ダイオードを用いて構成される。あるいは、定電圧部１１４は、ダイオードの順方向電圧降下を利用して、第１内部電源回路１１１の正極側にアノード側が接続された少なくとも１つ以上のダイオードを用いて構成することも可能である。

　図３に示すように、定電圧部１１４を、第１診断回路１１の第１内部電源回路１１１と界磁巻線４の間に挿入することにより、故障診断状態における界磁巻線４の結線端部の電圧を引き下げることができる。すなわち、定電圧部１１４を第１診断回路１１に挿入することは、第１内部電源回路１１１の正極電圧を、定電圧部１１４による電圧降下分だけ低く設定し直すことと回路的に等価である。

　従って、第１内部電源回路１１１の正極電圧が、直流電源２の正極電圧よりも高い場合でも、両者の正極電圧の電圧差よりも大きい電圧降下を有する定電圧部１１４を第１診断回路１１に挿入することにより、第１内部電源回路１１１の正極電圧を直流電源２の正極電圧よりも低く設定した回路を等価的に実現することができる。

　なお、図３に示す定電圧部１１４を設けた構成では、プルダウン抵抗１２０が満たすべき上式（２）は、定電圧部１１４による電圧降下をＶｚｄとして、下式（４）のように置き換えられる。
　　Ｒｐｄ＜（Ｖｃｃ－Ｖｆ－Ｖｚｄ）／Ｉ１　　（４）

　また、図４は、本発明の実施の形態１に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の第３の例示図である。図４に示す診断装置１は、図１と比較して、ＰＷＭスイッチング素子６２が、還流素子６１の正極側端部ではなく負極側端部に接続されている。また、診断用スイッチング素子１３が、還流素子６１と界磁巻線４との負極側端部同士ではなく正極側端部同士の接続をオンまたはオフしている。

　その他の構成は、図１と同じであり、図４に示す診断装置１の構成においても、図２に示すフローチャートに従うことで、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路を故障診断することができる。

　図４に示す構成では、還流素子６１がダイオードである場合には、上アームを構成する還流素子６１の駆動回路が不要となるので、直流電源２の正極から界磁駆動回路６を経由して界磁巻線４へ流れる第１リーク電流Ｉ１が発生しない。従って、上式（２）は考慮する必要がなく、プルダウン抵抗１２０の満たすべき条件は、上式（１）のみとなり、プルダウン抵抗１２０の満たすべき条件を緩和することができる。

　以上のように、実施の形態１によれば、故障を判定するための電位として、直流電源の正極電位および負極電位以外にも第１内部電源回路による断線故障判定電位を有することにより、界磁巻線の一部が断線した場合には、故障診断状態における界磁巻線の測定電圧が、断線故障判定電位に実質的に等しくなるようにしている。また、界磁巻線に微小定電流を流す吐き出し型定電流回路の定電流値と、界磁巻線の負極側端部に接続されたプルダウン抵抗の抵抗値を上式（１）～（４）のように適切に設定している。

　この結果、界磁駆動回路および界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障および地絡故障を、断線故障と区別して故障要因を判定でき、直流電源と界磁巻線との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障の誤判定を抑制することができる界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法を得ることができる。

　また、プルダウン抵抗の消費電力を抑制するとともに、天絡故障によって界磁巻線の結線端部の電圧が直流電源の正極電圧まで上昇した場合でも、プルダウン抵抗が焼損することがなく、二次故障を防止できる。

　また、第１内部電源回路の正極電圧を、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源の正極電圧の電圧変動範囲の最小値よりも低く設定することにより、天絡故障を正しく検出することができる。

　あるいは、図３に示すように、定電圧部を設けて、界磁巻線の結線端部の電圧を引き下げることにより、直流電源の正極電圧が第１内部電源回路の正極電圧の値より低い場合でも、天絡故障を正しく検出することができる。

　更に、図４に示すように、ＰＷＭスイッチング素子を、還流素子の負極側端部に接続するとともに、診断用スイッチング素子を、還流素子と界磁巻線との正極側端部同士の接続をオンまたはオフさせる構成を採用することもできる。このような構成を採用することで、還流素子がダイオードである場合には、上アームを構成する還流素子の駆動回路が不要となるので第１リーク電流Ｉ１が発生せず、プルダウン抵抗の満たすべき条件を緩和することができる。

　実施の形態２．
　先の実施の形態１では、診断装置１に吐き出し型定電流回路１１２を備え、吐き出し型定電流回路１１２の定電流を適切に設定することにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障の誤判定を抑制することができる方法について説明した。これに対して、本実施の形態２では、界磁巻線４にブラシの酸化皮膜による接触抵抗が存在する場合においても、吐き出し型定電流回路１１２の定電流値と、プルダウン抵抗１２０の抵抗値とを適切に設定することができる方法について説明する。

　界磁巻線４は、ブラシを介した電気接触であるため、界磁巻線４に流れる電流が小さい場合には、ブラシの酸化皮膜による接触抵抗が大きくなってしまう。従って、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合には、天絡故障および地絡故障の誤判定を抑制するために、先の実施の形態１において設定した吐き出し型定電流回路１１２およびプルダウン抵抗１２０が満たすべき条件式（１）～（４）を、界磁巻線４の接触抵抗を考慮して補正する必要がある。

　以下、図５を用いて、吐き出し型定電流回路１１２およびプルダウン抵抗１２０が満たすべき条件式を、界磁巻線４の接触抵抗を考慮して補正する方法を説明する。

　図５は、本発明の実施の形態２に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の例示図である。図５に示す診断装置１の第２診断回路１２は、図１と異なり、第２内部電源回路１２１と、界磁巻線４の負極側端部の電圧を第２内部電源回路１２１の正極電圧にプルダウンするプルダウン抵抗１２０とを備えて構成される。

　更に、図５に示す電圧測定部１４は、界磁巻線４の正極側端部ではなく、界磁巻線４の負極側端部の電圧を測定している。

　その他の構成は、図１と同じであり、図５に示す診断装置１の構成においても、図２に示すフローチャートに従うことで、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路を故障診断することができる。但し、図２のステップＳ１０５における断線故障判定電位は、第１内部電源回路１１１の正極電圧ではなく、第２内部電源回路１２１の正極電圧とする必要がある。

　図５において、電圧測定部１４を、界磁巻線４の正極側端部ではなく、界磁巻線４の負極側端部に接続させているのは、図１の構成では、界磁巻線４が接触抵抗を有する場合の地絡故障時において、界磁巻線４の正極側端部の電圧が、直流電源２の負極電圧と実質的に等しくならないため、地絡故障が検出できないという課題を解決するためである。

　図５に示すように、電圧測定部１４を、界磁巻線４の負極側端部に接続することにより、界磁巻線４が接触抵抗を有する場合でも地絡故障を検出できるようになる。しかしながら、代わりに、断線故障時における界磁巻線４の負極側端部の電圧が、断線故障判定電位である第１内部電源回路１１１の正極電圧に実質的に等しくならなくなるため、断線故障が検出できなくなってしまう。

　そこで、本実施の形態２における界磁巻線方式回転電機の診断装置１は、第２内部電源回路１２１とプルダウン抵抗１２０とを備えることにより、断線故障判定電位として第２内部電源回路１２１の正極電圧を有して、断線故障を検出できるようにしている。

　第２内部電源回路１２１は、第１内部電源回路１１１と同様に、例えば、ＤＣＤＣコンバータ、シリーズレギュレータ、または、定電圧ダイオード等を用いて構成される。また、第２内部電源回路１２１の正極電圧は、第１内部電源回路１１１の正極電圧に対して充分に小さく設定する。例えば、第２内部電源回路１２１の正極電圧は、第１内部電源回路１１１の正極電圧に対して１０分の１に設定する方法が考えられる。

　また、更に、第２内部電源回路１２１は、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源２の正極電圧の変動範囲の最大値が、界磁巻線４の結線端部に印加された場合において、プルダウン抵抗１２０に流れる電流量を吸い込むことができる電流容量が必要である。

　先の実施の形態１において設定した吐き出し型定電流回路１１２およびプルダウン抵抗１２０が満たすべき条件式（１）～（４）は、界磁巻線４が接触抵抗を有する場合には、それぞれ、下式（５）～（８）に置き換えられる。
　Ｒｐｄ＞（Ｂａｔｔ（ＭＡＸ）－Ｖｃｃｓ）²／（Ｐ×α）　　　（５）
　Ｒｐｄ＜（Ｖｃｃ－Ｖｆ－Ｖｃｃｓ）／Ｉ１－Ｒｂ　　　　　　　（６）
　Ｉｃｐ≧ＶＬｇ／ＲＬｇ＋（ＶＬｇ－Ｖｃｃｓ）／Ｒｐｄ－Ｉ１
　　　　　＋Ｒｂ（ＶＬｇ－Ｖｃｃｓ）／ＲＬｇ／Ｒｐｄ　　　　　（７）
　Ｒｐｄ＜（Ｖｃｃ－Ｖｆ－Ｖｃｃｓ－Ｖｚｄ）／Ｉ１－Ｒｂ　　　（８）
　ここで、Ｖｃｃｓは第２内部電源回路１２１の正極電圧、Ｒｂは想定されるブラシの酸化皮膜による接触抵抗値である。

　以上のように、実施の形態２によれば、第２診断回路を、第２内部電源回路と、界磁巻線の負極側端部の電圧を第２内部電源回路の正極電圧にプルダウンするプルダウン抵抗とを備えて構成し、電圧測定部は、界磁巻線の負極側端部の電圧を測定するようにしている。また、吐き出し型定電流回路の定電流値と、プルダウン抵抗の抵抗値とを適切に設定している。

　この結果、直流電源と界磁巻線との間にリーク電流が存在する場合で、かつ、界磁巻線にブラシの酸化皮膜による接触抵抗が存在する場合においても、天絡故障および地絡故障の誤判定を抑制することができる。

　実施の形態３．
　先の実施の形態１では、診断装置１に吐き出し型定電流回路１１２を備え、吐き出し型定電流回路１１２の定電流を適切に設定することにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障の誤判定を抑制することができる方法について説明した。これに対して、本実施の形態３では、吐き出し型定電流回路１１２の代わりに吸い込み型定電流回路１２２を備え、吸い込み型定電流回路１２２の定電流を適切に設定することにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、天絡故障の誤判定を抑制することができる方法について説明する。

　図６は、本発明の実施の形態３に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の例示図である。図６に示す診断装置１の第１診断回路１１は、図１と比較して、吐き出し型定電流回路１１２の代わりにプルアップ抵抗１１０を備えている。また、図６に示す診断装置１の第２診断回路１２は、図１と比較して、プルダウン抵抗１２０の代わりに吸い込み型定電流回路１２２を備えている。

　その他の構成は、図１と同じであり、図６に示す診断装置１の構成においても、図２に示すフローチャートに従うことで、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路を故障診断することができる。

　なお、図６では、吸い込み型定電流回路１２２を備える第２診断回路１２が、界磁巻線４の負極側端部に接続された例を示しているが、第２診断回路１２は、界磁巻線４の正極側端部にされていてもよい。この場合、第１診断回路１１は、界磁巻線４の負極側端部に接続される。

　吸い込み型定電流回路１２２は、図１に示した吐き出し型定電流回路１１２と同様に、例えば、定電流ダイオード、または、カレントミラー回路などのトランジスタを用いて構成される。

　まず、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値の設定方法について説明する。吸い込み型定電流回路１２２の定電流値としては、前述の吐き出し型定電流回路１１２と同様に、界磁巻線４から直流電源２の正極へ流れるリーク電流（以下、第３リーク電流Ｉ３という）が存在する場合に、界磁巻線４の結線端部の電圧と直流電源２の正極電圧とが区別して判定できるだけの電位差が必要となる。

　ここで、第３リーク電流Ｉ３の発生時における界磁巻線４の結線端部の電圧が、無故障時の界磁巻線４の結線端部の電圧よりも大きければ、第１内部電源回路１１１からの電流は流れないので、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値の設定が容易になる。

　従って、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値Ｉｃｄは、下式（９）を満たす必要がある。
　　Ｉｃｄ≦（Ｂａｔｔ（ＭＩＮ）－ＶＦＨＳ）／ＲＬｔ（＝Ｉ３）＋Ｉ１　　（９）

　ここで、故障診断状態において、無故障時の界磁巻線４の結線端部の電圧をＶＦＨＳ、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源２の電圧変動範囲の最小値をＢａｔｔ（ＭＩＮ）、第３リーク電流Ｉ３発生時に想定されるリーク抵抗の最小値をＲＬｔとした。

　また、上アームを構成するＰＷＭスイッチング素子６２がオフの状態においても、直流電源２の正極から界磁駆動回路６を経由して界磁巻線４へ流れる第１リーク電流Ｉ１が存在するので、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値は、少なくとも第１リーク電流Ｉ１よりも大きく設定する必要がある。

　そうでなければ、第１リーク電流Ｉ１がＰＷＭスイッチング素子６２のボディダイオードを通って直流電源２へ流れ出し、界磁巻線４の結線端部の電圧が直流電源２の正極電圧以上になるので、故障判定部１５は天絡故障であると誤判定してしまう。

　従って、直流電源２の正極電圧へのリーク時に必要な電位差ＶＬｔ、および想定されるリーク抵抗の最小値ＲＬｔから算出される定電流値に、第１リーク電流Ｉ１を加算することにより、定電流値Ｉｃｄが満たすべき条件は、下式（１０）のようになる。
　　Ｉｃｄ≧ＶＬｔ／ＲＬｔ＋Ｉ１　　（１０）

　次に、プルアップ抵抗１１０の抵抗値の設定方法について説明する。プルアップ抵抗１１０は、図３に示した定電圧部１１４と同様に、無故障時における界磁巻線４の結線端部の電圧を引き下げる役割がある。従って、プルアップ抵抗１１０の抵抗値Ｒｐｕは、下式（１１）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｕ≧（Ｖｃｃ－Ｖｆ－ＶＦＨＳ）／（Ｉｃｄ－Ｉ１）　　（１１）

　ここで、無故障時の界磁巻線４の結線端部の電圧をＶＦＨＳ、第１内部電源回路１１１の正極電圧をＶｃｃ、第１ダイオード１１３の順方向電圧降下をＶｆ、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値をＩｃｄとした。

　また、プルアップ抵抗１１０を流れる電流は、界磁巻線４の結線端部が地絡した場合において最も大きくなるので、プルアップ抵抗１１０の定格電力は、その電流に耐えられなければならない。

　従って、プルアップ抵抗１１０の抵抗値Ｒｐｕは、下式（１２）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｕ＞（Ｖｃｃ－Ｖｆ）²／（Ｐ×α）　　（１２）

　ここで、プルアップ抵抗１１０の定格電力をＰ、温度ディレーティングなどの安全係数をα（例えば、０．７、または、０．８）、第１内部電源回路１１１の正極電圧をＶｃｃ、第１ダイオード１１３の順方向電圧降下をＶｆとした。

　加えて、故障判定部１５が、地絡故障を誤判定しないようにするためには、プルアップ抵抗１１０の抵抗値は、上式（１１）および上式（１２）を満たすとともに、界磁巻線４から直流電源２の負極電圧へのリーク抵抗の想定される最小値に対して、下式（１３）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｕ≦（Ｖｃｃ－Ｖｆ－ＶＬｇ）／（Ｉｃｄ－Ｉ１＋ＶＬｇ／ＲＬｇ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１３）

　ここで、想定されるリーク抵抗の最小値をＲＬｇ、直流電源２の負極電圧へのリーク時に地絡誤判定を回避するために必要な電位差をＶＬｇ、第１内部電源回路１１１の正極電圧をＶｃｃ、第１ダイオード１１３の順方向電圧降下をＶｆ、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値をＩｃｄとした。

　以上のように、実施の形態３によれば、吐き出し型定電流回路の代わりに吸い込み型定電流回路を備え、吸い込み型定電流回路の定電流と、界磁巻線の正極側端部に接続されたプルアップ抵抗の抵抗値とを適切に設定するようにしている。

　この結果、界磁駆動回路および界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障および地絡故障を、断線故障と区別して故障要因を判定でき、直流電源と界磁巻線との間にリーク電流が存在する場合でも、天絡故障の誤判定を抑制することができる界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法を得ることができる。

　また、プルアップ抵抗の消費電力を抑制するとともに、地絡故障によって界磁巻線の結線端部の電圧が直流電源の負極電圧まで低下した場合でも、プルアップ抵抗が焼損することがなく、二次故障を防止できる。更に、直流電源の正極電圧が第１内部電源回路の正極電圧より低い場合でも、天絡故障を正しく検出できる。

　実施の形態４．
　先の実施の形態１では、診断装置１に吐き出し型定電流回路１１２を備え、吐き出し型定電流回路１１２の定電流を適切に設定することにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障の誤判定を抑制することができる方法について説明した。また、先の実施の形態３では、吐き出し型定電流回路１１２の代わりに吸い込み型定電流回路１２２を備え、吸い込み型定電流回路１２２の定電流を適切に設定することにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、天絡故障の誤判定を抑制することができる方法について説明した。これに対して、本実施の形態４では、診断装置１に吐き出し型定電流回路１１２と吸い込み型定電流回路１２２の両方を備えることにより、直流電源２と界磁巻線４との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障および天絡故障の誤判定を抑制することができる方法ついて説明する。

　図７は、本発明の実施の形態４に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の例示図である。図７に示す診断装置１の第２診断回路１２は、図１と比較して、プルダウン抵抗１２０と直流電源２の負極との間に直列に挿入された吸い込み型定電流回路１２２を更に備えている。

　その他の構成は、図１と同じであり、図７に示す診断装置１の構成においても、図２に示すフローチャートに従うことで、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路を故障診断することができる。

　図７に示す診断装置１の構成においても、吐き出し型定電流回路１１２の定電流値の設定値は、上式（３）をそのまま適用することができる。また、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値の設定値は、上式（１０）をそのまま適用することができる。

　この結果、界磁巻線４から直流電源２の負極へ流れる第２リーク電流Ｉ２、および界磁巻線４から直流電源２の正極へ流れる第３リーク電流Ｉ３が存在する場合でも、地絡故障および天絡故障の誤判定を抑制することができる。

　次に、プルダウン抵抗１２０は、図３に示した定電圧部１１４と同様に、無故障時における界磁巻線４の結線端部の電圧を引き上げる役割がある。

　すなわち、故障診断状態において、無故障時の界磁巻線４の結線端部の電圧をＶＦＨＳ、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値をＩｃｄとして、プルダウン抵抗１２０の抵抗値Ｒｐｄは、下式（１４）を満たす値となる。
　　Ｒｐｄ＞ＶＦＨＳ／Ｉｃｄ　　（１４）

　また、界磁巻線４から直流電源２の負極へ流れる第２リーク電流Ｉ２の発生時に、吸い込み型定電流回路１２２へ流れる電流を制限しないように、プルダウン抵抗１２０の抵抗値Ｒｐｄは、下式（１５）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｄ＜Ｂａｔｔ（ＭＩＮ）／Ｉｃｄ－ＲＬｔ　　（１５）

　ここで、界磁巻線方式回転電機が正常に動作する直流電源２の電圧変動範囲の最小値をＢａｔｔ（ＭＩＮ）、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値をＩｃｄ、第３リーク電流Ｉ３発生時に想定されるリーク抵抗の最小値をＲＬｔとした。

　更に、プルダウン抵抗１２０は、吸い込み型定電流回路１２２の定電流が流れ続けても焼損しないように抵抗値を設定する必要がある。具体的には、例えば、プルダウン抵抗１２０の定格電力をＰ、温度ディレーティングなどの安全係数をα（例えば、０．７、または、０．８）、吸い込み型定電流回路１２２の定電流値をＩｃｄとした場合、プルダウン抵抗１２０の抵抗値Ｒｐｄは、下式（１６）を満たす必要がある。
　　Ｒｐｄ＜Ｐ×α／Ｉｃｄ²　　（１６）

　以上のように、実施の形態４によれば、診断装置に吐き出し型定電流回路と吸い込み型定電流回路の両方を備え、吐き出し型定電流回路および吸い込み型定電流回路の定電流と、界磁巻線の結線端部に接続されたプルダウン抵抗の抵抗値を適切に設定するようにしている。

　この結果、界磁駆動回路および界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障および地絡故障を、断線故障と区別して故障要因を判定でき、直流電源と界磁巻線との間にリーク電流が存在する場合でも、地絡故障および天絡故障の誤判定を抑制することができる界磁巻線方式回転電機の診断装置および界磁巻線方式回転電機の診断方法を得ることができる。

　また、プルダウン抵抗の消費電力を抑制するとともに、界磁巻線の結線端部が直流電源の正極または負極に短絡した場合でも、プルダウン抵抗が焼損することがなく、二次故障を防止できる。更に、直流電源の正極電圧が第１内部電源回路の正極電圧より低い場合でも、天絡故障を正しく検出できる。

　実施の形態５．
　先の実施の形態１～４では、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路の、天絡故障、地絡故障、および、断線故障を診断する方法について説明した。これに対して、本実施の形態５では、更に、ＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１として用いられるＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子の駆動不能を診断する方法について説明する。

　図８Ａは、本発明の実施の形態５に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法を示す第１のフローチャートである。また、図８Ｂは、本発明の実施の形態５に係る界磁巻線方式回転電機の診断方法を示す第２のフローチャートである。

　ＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１の駆動不能としては、パワー半導体スイッチング素子がオンできない故障と、パワー半導体スイッチング素子がオフできない故障とが含まれる。

　本実施の形態５で説明するＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１の駆動不能の診断は、図２に示すフローチャートに従って界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路の故障が無いことを確認した後に実施する。以下、図８Ａおよび図８Ｂを用いて、故障判定部１５の動作について説明する。

　まず、図８ＡのステップＳ３００において、故障判定部１５は、界磁駆動回路６、または、例えば、チャージポンプ回路、あるいは、ブートストラップコンデンサ回路による駆動電源を使ったプッシュプル型のプリドライバ（図示せず）などを介して、ＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１として用いられるＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子のうち、直流電源２の負極に接続されている第２スイッチング素子を個別にオンさせる。そして、界磁巻線４の結線端部の電圧が安定するまでの時間待つ（以下、時間Ｔｍとする。）。時間Ｔｍの設定方法の詳細については、後述する。

　次に、ステップＳ３０１において、故障判定部１５は、電圧測定部１４が測定する界磁巻線４を含む回路の測定電圧を取得する。

　次に、ステップＳ３０２において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、直流電源２の負極電圧より実質的に高いか否かを調べる。そして、高い場合はステップＳ３０３へ進み、第２スイッチング素子のオン駆動不能が発生していると判定し、故障診断を終了する。一方、高くない場合は、ステップＳ３０４へ進む。

　次に、ステップＳ３０４において、故障判定部１５は、界磁駆動回路６あるいは、プリドライバなどを介して第２スイッチング素子をオフする。そして、界磁巻線４の結線端部の電圧が安定するまで時間Ｔｍを待ち、ステップＳ３０５へ進む。

　次に、ステップＳ３０５において、故障判定部１５は、電圧測定部１４が測定する界磁巻線４を含む回路の測定電圧を取得する。

　次に、ステップＳ３０６において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、直流電源２の負極電圧に実質的に等しいか否かを調べる。そして、等しい場合はステップＳ３０３へ進み、第２スイッチング素子のオフ駆動不能が発生していると判定し、故障診断を終了する。一方、等しくない場合は、図８ＢのステップＳ３０７へ進む。

　なお、還流素子６１がパワー半導体スイッチング素子であり、図１に示すように診断用スイッチング素子１３とともに直流電源２の負極電圧に接続されている場合は、第２スイッチング素子が複数存在することになる。このような場合には、診断用スイッチング素子１３と還流素子６１とを個別に診断するため、図８Ａに示す各ステップをそれぞれのスイッチング素子ついて個別に実行する。

　次に、図８ＢのステップＳ３０７において、故障判定部１５は、界磁駆動回路６あるいは、プリドライバなどを介して、ＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１として用いられるＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子のうち、直流電源２の正極に接続されている第１スイッチング素子を個別にオンさせる。そして、ステップＳ３００と同様に、界磁巻線４の結線端部の電圧が安定するまで時間Ｔｍを待つ。

　次に、ステップＳ３０８において、故障判定部１５は、電圧測定部１４が測定する界磁巻線４を含む回路の測定電圧を取得する。

　次に、ステップＳ３０９において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、直流電源２の正極電圧より実質的に低いか否かを調べる。そして、低い場合はステップＳ３１０へ進み、第１スイッチング素子のオン駆動不能が発生していると判定し、故障診断を終了する。一方、低くない場合は、ステップＳ３１１へ進む。

　次に、ステップＳ３１１において、故障判定部１５は、界磁駆動回路６あるいは、プリドライバなどを介して第１スイッチング素子をオフする。そして、界磁巻線４の結線端部の電圧が安定するまで時間Ｔｍを待ち、ステップＳ３１２へ進む。

　次に、ステップＳ３１２において、故障判定部１５は、電圧測定部１４が測定する界磁巻線４を含む回路の測定電圧を取得する。

　次に、ステップＳ３１３において、故障判定部１５は、電圧測定部１４による界磁巻線４を含む回路の測定電圧が、直流電源２の正極電圧に実質的に等しいか否かを調べる。そして、等しい場合はステップＳ３１０へ進み、第１スイッチング素子のオフ駆動不能が発生していると判定し、故障診断を終了する。一方、等しくない場合はステップＳ３１４へ進む。

　次に、ステップＳ３１４において、故障判定部１５は、ＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１等のパワー半導体スイッチング素子に駆動不能は無いと判定し、故障診断を終了する。

　なお、図８ＡのステップＳ３００、Ｓ３０４、および図８ＢのステップＳ３０７、Ｓ３１１における、界磁巻線４の結線端部の電圧が安定するまでの時間Ｔｍは、例えば、図６に示す構成において、直流電源２の負極電圧に接続されているＰＷＭスイッチング素子６２、または、診断用スイッチング素子１３などのパワー半導体スイッチング素子をオンさせた場合には、下式（１７）で規定する。
　　Ｔｍ≧－τ×ｌｎ（β）　　（１７）

　ここで、界磁巻線４のインダクタンスをＬｃｆ、プルアップ抵抗１１０の抵抗値をＲｐｕ、界磁巻線４のインダクタンスＬｃｆと抵抗値Ｒｐｕとで決まるＬＲ回路の時定数をτ、界磁巻線４の結線端部の電圧が安定したと判断できる係数として界磁巻線４の結線端部の電圧の直流電源２の負極電圧に対する割合をβとした。

　例えば、β＝０．０５とした場合、時間Ｔｍは時定数τの３倍ほど必要となる。なお、図６に示す構成において、直流電源２の負極電圧に接続されているＰＷＭスイッチング素子６２や、診断用スイッチング素子１３などのパワー半導体スイッチング素子をオンさせた場合、図８ＡのステップＳ３００およびステップＳ３０１において、界磁巻線４の結線端部の電圧が直流電源２の正極電圧に対し、６３．２％になるまでの時間を測定し、前述の時定数τと比較することで、界磁巻線４の短絡を調べることも可能である。

　すなわち、界磁巻線４の結線端部の電圧が直流電源２の正極電圧に対し、６３．２％になるまでの時間が前述の時定数τよりも充分に短い場合は、界磁巻線４が短絡していると判定する。

　なお、図８Ａおよび図８Ｂでは、直流電源２の正極に接続されている第１スイッチング素子と直流電源２の負極に接続されている第２スイッチング素子のうち、第２スイッチング素子の駆動不能の診断を先に実施している。

　特に、界磁駆動回路６などにおいて、ブートストラップコンデンサ回路による駆動電源を使ったプッシュプル型のプリドライバ（図示せず）を使用している場合は、直流電源２の負極電圧に接続されているパワー半導体スイッチング素子から先に故障判定処理を実施し、ブートストラップコンデンサを充電する必要がある。

　以上のように、実施の形態５によれば、界磁巻線および界磁駆動回路を含む界磁回路に、天絡故障、地絡故障、断線故障が無いことを確認した後、更に、ＰＷＭスイッチング素子や、診断用スイッチング素子、あるいは還流素子として用いられるＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子を個別にオンおよびオフし、界磁巻線の結線端部の測定電圧を調べている。

　この結果、ＰＷＭスイッチング素子、診断用スイッチング素子、あるいは還流素子として用いられるＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子の駆動不能を診断することができる。

　また、ＰＷＭスイッチング素子や、診断用スイッチング素子、あるいは還流素子として用いられるＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子を個別にオンおよびオフした後、界磁巻線の結線端部の電圧が安定するまで時間Ｔｍ待つようにしたので、界磁巻線の結線端部の電圧が電圧過渡期において駆動不能故障を誤判定することが防止できる。

　更に、直流電源の正極に接続されている第１スイッチング素子と、直流電源の負極に接続されている第２スイッチング素子のうち、第２スイッチング素子の駆動不能の診断を先に実施するようにしたので、界磁駆動回路等において、ブートストラップコンデンサ回路による駆動電源を使ったプッシュプル型のプリドライバを使用している場合は、ブートストラップコンデンサを充電でき、ブートストラップコンデンサの充電不足によってパワー半導体スイッチング素子がオンできない事象を回避することができる。

　なお、本実施の形態５で説明するＰＷＭスイッチング素子６２、診断用スイッチング素子１３、あるいは還流素子６１の駆動不能の診断方法は、先の実施の形態１～４における界磁巻線方式回転電機の診断装置１のいずれに対しても適用が可能である。

　実施の形態６．
　本実施の形態６では、第１診断回路１１および第２診断回路１２への電源の供給をオンまたはオフするスイッチをそれぞれ設けることにより、故障診断を行わない通常動作時において、界磁巻線方式回転電機の診断装置１の消費電力を抑制する方法について説明する。

　図９は、本発明の実施の形態２に係る界磁巻線方式回転電機の診断装置１の構成の例示図である。図９に示す診断装置１は、図１と比較して、第１診断回路１１への電源の供給をオンまたはオフする第１のスイッチ１１５を更に備えている。また、第２診断回路１２への電源の供給をオンまたはオフする第２のスイッチ１２５を更に備えている。

　その他の構成は、図１と同じであり、図９に示す診断装置１の構成においても、図２に示すフローチャートに従うことで、界磁巻線４および界磁駆動回路６を含む界磁回路を故障診断することができる。

　なお、図９では、第１のスイッチ１１５を、第１ダイオード１１３と界磁巻線４の正極側端部との間に設けた例を示しているが、第１のスイッチ１１５は、第１診断回路１１内において第１内部電源回路１１１の正極電圧と界磁巻線４の正極側端部との接続をオンまたはオフすることができれば、どこに設けてもよい。

　また、図９では、第２のスイッチ１２５を、プルダウン抵抗１２０と直流電源２の負極との間に設けた例を示しているが、第２のスイッチ１２５は、第２診断回路１２内において界磁巻線４の負極側端部と直流電源２の負極との接続をオンまたはオフすることができれば、どこに設けてもよい。

　また、図９では、図１の構成に、第１のスイッチ１１５および第２のスイッチ１２５を設けた例を示しているが、第１のスイッチ１１５および第２のスイッチ１２５は、図３～図７に示す構成に適用することも可能であり、この場合でも同様の効果が得られる。

　このように第１のスイッチ１１５および第２のスイッチ１２５を設け、故障診断を行わない界磁巻線方式回転電機の通常動作時においては、第１のスイッチ１１５および第２のスイッチ１２５をオフすることにより、第１診断回路１１および第２診断回路１２の消費電力を抑制することができる。なお、第１のスイッチ１１５および第２のスイッチ１２５は、例えば、トランジスタやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを用いて構成される。

　第１のスイッチ１１５および第２のスイッチ１２５は、具体的には、故障診断を開始する際に、診断用スイッチング素子１３をオフするタイミングに合わせてオンし、故障診断を終了する際に、診断用スイッチング素子１３をオンするタイミングに合わせてオフするようにすればよい。

　以上のように、実施の形態６によれば、第１診断回路内において前記第１内部電源回路の正極電圧と前記界磁巻線の正極側端部との接続をオンまたはオフする第１のスイッチと、第２診断回路内において前記界磁巻線の負極側端部と前記直流電源の負極との接続をオンまたはオフする第２のスイッチを備え、故障診断を行わない通常動作時にはオフするようにしている。この結果、故障診断を行わない通常動作時において、界磁巻線方式回転電機の診断装置の消費電力を抑制することができる。

　なお、実施の形態１～６において、直流電源２の正極電圧は直流電源２の充放電状態によって変動するので、直流電源２の正極電圧が、無故障時における界磁巻線４の結線端部の電圧以下の場合は、天絡故障の誤判定を避けるために、天絡故障の判定処理をしないようにする。

　このとき、直流電源２の正極電圧を取得する方法としては、例えば、電圧測定部１４と同様の回路を直流電源２の正極に追加する方法や、界磁巻線方式回転電機の診断装置１の制御部（図示せず）、あるいは、界磁巻線方式回転電機の診断装置１の上位コントローラ（図示せず）から通信で取得する方法が考えられる。

Claims

　界磁巻線と、電機子巻線と、前記界磁巻線および前記電機子巻線に対する電力供給源である直流電源とを有し、電動機または発電機として動作する回転電機に適用される界磁巻線方式回転電機の診断装置であって、
　前記直流電源の正極電位および負極電位とは異なる値として規定される断線故障判定電位を持つ内部電源回路を有し、前記電機子巻線の相対回転運動による誘導電流が前記界磁巻線に流れていない故障診断状態において、前記内部電源回路を用いて前記界磁巻線に電流を流した際の前記界磁巻線を含む回路の電圧値を測定することで、前記界磁巻線を含む回路の故障診断を行う診断回路を備え、
　前記診断回路は、前記故障診断状態における前記界磁巻線を含む回路の電圧値の計測結果に基づいて、
　　前記計測結果が前記断線故障判定電位を含む断線故障判定電圧範囲内にある場合には、前記回路で断線が生じたと判定し、
　　前記計測結果が前記正極電位を含む天絡故障判定電圧範囲内にある場合には、前記回路で天絡故障が生じたと判定し、
　　前記計測結果が前記負極電位を含む地絡故障判定電圧範囲内にある場合には、前記回路で地絡故障が生じたと判定する
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項１に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記界磁巻線は、前記直流電源に対してＰＷＭスイッチング素子と還流素子とが直列に接続されて構成された界磁駆動回路をＰＷＭ駆動することにより、前記還流素子に並列接続された状態で駆動制御されており、
　前記診断回路は、
　　前記界磁巻線の正極側端部に接続された第１診断回路と、
　　前記界磁巻線の負極側端部に接続された第２診断回路と、
　　前記還流素子および前記界磁巻線の正極側端部同士または負極側端部同士の接続のうち前記ＰＷＭスイッチング素子が接続されていない極側端部同士の接続をオンまたはオフする診断用スイッチング素子と、
　　前記直流電源の負極電圧を基準とした前記界磁巻線の正極側端部または負極側端部の電圧を測定する電圧測定部と、
　　前記電圧測定部による前記界磁巻線の測定電圧を基に、前記界磁駆動回路および前記界磁巻線を含む界磁回路の天絡故障、地絡故障、および断線故障を判定する故障判定部と、
　を備え、
　前記第１診断回路は、
　　第１内部電源回路と、
　　前記界磁巻線から前記第１内部電源回路方向に電流が流れることを防止する第１ダイオードと、
　　前記第１内部電源回路と前記第１ダイオードとの間に直列に挿入され、前記第１内部電源回路から前記界磁巻線へ定電流を流す吐き出し型定電流回路、または、プルアップ抵抗、のいずれか一つと、
　を備えて構成され、
　前記第２診断回路は、前記界磁巻線から前記直流電源の負極へ定電流を流す吸い込み型定電流回路、または、プルダウン抵抗、の少なくとも一つを備えて構成され、
　前記故障判定部は、前記ＰＷＭスイッチング素子および前記診断用スイッチング素子がオフであり、かつ、前記電機子巻線の相対回転運動による誘導電流が前記界磁巻線に流れていない状態である故障診断状態において、
　　前記電圧測定部による前記界磁巻線の測定電圧が、前記直流電源の正極電圧と実質的に等しい場合に前記天絡故障と判定し、
　　前記電圧測定部による前記界磁巻線の測定電圧が、前記直流電源の負極電圧と実質的に等しい場合に前記地絡故障と判定し、
　　前記電圧測定部による前記界磁巻線の測定電圧が、断線故障を判定するための予め定めた断線故障判定電位と実質的に等しい場合に前記断線故障と判定する
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記ＰＷＭスイッチング素子は、前記還流素子の正極側端部に接続され、
　前記プルダウン抵抗の抵抗値は、前記故障診断状態において、
　　前記第１内部電源回路の正極電圧と、
　　前記直流電源の正極から前記界磁駆動回路を経由して前記界磁巻線へ流れる第１リーク電流Ｉ１と、
　に基づいて設定され、
　前記プルアップ抵抗の抵抗値は、前記故障診断状態において、
　　前記第１内部電源回路の正極電圧と、
　　無故障時の前記界磁巻線の電圧と、
　　前記吸い込み型定電流回路の定電流値と、
　　前記直流電源の正極から前記界磁駆動回路を経由して前記界磁巻線へ流れる第１リーク電流Ｉ１と、
　に基づいて設定される
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２または３に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記ＰＷＭスイッチング素子は、前記還流素子の正極側端部に接続され、
　前記吐き出し型定電流回路の定電流値は、前記故障診断状態において、
　　前記プルダウン抵抗に流れる電流と、前記界磁巻線から前記直流電源の負極へ流れる第２リーク電流Ｉ２との和から、前記直流電源の正極から前記界磁駆動回路を経由して前記界磁巻線へ流れる第１リーク電流Ｉ１を減算した値、よりも大きく設定され、
　前記吸い込み型定電流回路の定電流値は、前記故障診断状態において、
　　前記直流電源の正極から前記界磁駆動回路を経由して前記界磁巻線へ流れる第１リーク電流Ｉ１の値、よりも大きく設定される
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から４のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第１診断回路は、前記吐き出し型定電流回路を備え、
　前記第２診断回路は、前記プルダウン抵抗を備え、前記プルダウン抵抗は、一端が前記界磁巻線の負極側端部に接続されて他端が前記直流電源の負極に接続され、
　前記電圧測定部は、前記界磁巻線の正極側端部の電圧を測定し、
　前記断線故障判定電位は、前記第１内部電源回路の正極電圧である
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項５に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第２診断回路は、前記吸い込み型定電流回路を更に備え、前記吸い込み型定電流回路は、前記プルダウン抵抗と前記直流電源の負極との間に直列に挿入されている
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から４のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第１診断回路は、前記吐き出し型定電流回路を備え、
　前記第２診断回路は、前記プルダウン抵抗を備え、第２内部電源回路を更に備え、前記プルダウン抵抗は、前記界磁巻線の負極側端部の電圧を前記第２内部電源回路の正極電圧にプルダウンし、
　前記電圧測定部は、前記界磁巻線の負極側端部の電圧を測定し、
　前記断線故障判定電位は、前記第２内部電源回路の正極電圧である
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から４のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第１診断回路は、前記プルアップ抵抗を備え、前記プルアップ抵抗は、前記第１内部電源回路と前記第１ダイオードとの間に直列に挿入され、
　前記第２診断回路は、前記吸い込み型定電流回路を備え、
　前記電圧測定部は、前記界磁巻線の正極側端部の電圧を測定し、
　前記断線故障判定電位は、前記第１内部電源回路の正極電圧である
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から８のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第１内部電源回路の正極電圧は、前記界磁巻線方式回転電機が正常に動作する前記直流電源の正極電圧の電圧変動範囲の最小値よりも低く設定されている
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から８のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第１診断回路は、前記吐き出し型定電流回路を備え、前記吐き出し型定電流回路と前記第１ダイオードとの間に直列に挿入された定電圧部を更に備え、
　前記定電圧部は、前記故障診断状態において、前記第１内部電源回路の正極電圧と前記界磁巻線の結線端部の電圧との電位差を拡大させることにより、前記第１内部電源回路の正極電圧が、前記界磁巻線方式回転電機が正常に動作する前記直流電源の正極電圧の電圧変動範囲の最小値よりも低く設定された回路を等価的に実現している
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項１０に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記定電圧部は、前記第１内部電源回路の正極側にカソード側が接続された定電圧ダイオードを用いて構成される
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項１０に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記定電圧部は、前記第１内部電源回路の正極側にアノード側が接続されたダイオードを用いて構成される
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から１２のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記第１診断回路は、前記第１診断回路内において前記第１内部電源回路の正極と前記界磁巻線の正極側端部との接続をオンまたはオフする第１のスイッチを更に備え、
　前記第２診断回路は、前記第２診断回路内において前記直流電源の負極と前記界磁巻線の負極側端部との接続をオンまたはオフする第２のスイッチを更に備え、
　前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチは、前記診断用スイッチング素子がオンの場合にはオフされ、前記診断用スイッチング素子がオフの場合にはオンされる
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から１３のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記故障判定部は、前記故障診断状態において、
　　前記直流電源の正極電圧が前記界磁巻線の結線端部の電圧以下である場合には、前記天絡故障の判定を行わない
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項２から１４のいずれか１項に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記故障判定部は、前記故障診断状態において、
　　前記ＰＷＭスイッチング素子および前記診断用スイッチング素子のうち、前記直流電源の負極に接続されているほうのスイッチング素子である第２スイッチング素子をオンしたときの、前記界磁巻線の前記測定電圧が前記直流電源の負極電圧よりも大きい場合、または、前記第２スイッチング素子をオフしたときの、前記界磁巻線の前記測定電圧が前記直流電源の負極電圧と実質的に等しい場合に、前記第２スイッチング素子が駆動不能であると判定し、
　　前記ＰＷＭスイッチング素子および前記診断用スイッチング素子のうち、前記直流電源の正極に接続されているほうのスイッチング素子である第１スイッチング素子をオンしたときの、前記界磁巻線の前記測定電圧が前記直流電源の正極電圧よりも小さい場合、または、前記第１スイッチング素子をオフしたときの、前記界磁巻線の前記測定電圧が前記直流電源の正極電位と実質的に等しい場合に、前記第１スイッチング素子が駆動不能であると判定する
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項１５に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置において、
　前記故障判定部は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子のうち、前記第２スイッチング素子の駆動不能の診断を先に実施する
　界磁巻線方式回転電機の診断装置。
　請求項１に記載の界磁巻線方式回転電機の診断装置に用いられる界磁巻線方式回転電機の診断方法であって、前記故障診断状態において、
　前記診断回路において、前記故障診断状態における前記界磁巻線を含む回路の電圧値の計測結果に基づいて、
　　前記計測結果が前記断線故障判定電位を含む断線故障判定電圧範囲内にある場合には、前記回路で断線が生じたと判定するステップと、
　　前記計測結果が前記正極電位を含む天絡故障判定電圧範囲内にある場合には、前記回路で天絡故障が生じたと判定するステップと、
　　前記計測結果が前記負極電位を含む地絡故障判定電圧範囲内にある場合には、前記回路で地絡故障が生じたと判定するステップと
　を有する界磁巻線方式回転電機の診断方法。