JP4726654B2 - インバータ駆動モータの絶縁評価方法及びその方法を利用した設計方法、検査方法、診断方法並びにそれらの装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ駆動モータの絶縁評価方法及びその方法を利用した設計方法、検査方法、診断方法並びにそれらの装置に関する。

近年、省エネルギー及び高効率化の観点から、インバータ電源を用いてモータを可変速運転することが盛んに行われている。ところで、インバータ電源からモータに印加される電圧はパルス電圧（以下、インバータパルス電圧という。）であるから、モータ絶縁材料の絶縁性能の評価はパルス電圧を考慮する必要がある。

しかし、正弦波に対するモータ絶縁材料の絶縁評価データ、設計方法、検査方法、診断方法は確立されているが、インバータパルス電圧に対する絶縁評価データ、設計方法、検査方法、診断方法は必ずしも確立されておらず、現在、様々な分野によって鋭意検討がなされている。例えば、非特許文献1に、インバータパルス電圧下における絶縁材料の部分放電特性の評価が紹介されている。

また、特許文献1には、従来から蓄積されてきた正弦波の絶縁寿命データをベースとして、インバータパルス電圧下の絶縁材料の寿命を推定する方法が提案されている。これによれば、インバータパルス電圧に伴う絶縁劣化は、パルス電圧の立ち上がり時間が最も重要な電圧パラメータであると考えている。また、インバータパルス電圧の立ち上がり時間は正弦波電圧に比べて短いため、部分放電開始電圧が増加し、部分放電開始電圧の増加分だけ正弦波に比べて絶縁物の寿命特性が高電圧側にシフトすると考えている。

電気学会技術報告第739号、p．22〜29，1999年8月 特開平９−８０００６号公報

しかし、インバータパルス電圧に対する絶縁性能を評価するにあたって、インバータパルス電圧の立ち上がり時間以外に、インバータパルス電圧の立下り時間、パルス幅、単極性／両極性、極性反転の有無、周波数などの種々の電圧パラメータが関係してくる。それにもかかわらず、従来の絶縁評価では、電圧パラメータが個々の検討毎に異なっているため、どの電圧パラメータが部分放電特性に影響しているのか必ずしも明確ではなく、かつ実際の製品にどのように適用してよいかも不明確であった。そのため、従来の測定結果を、必ずしも直ちにインバータ駆動モータの絶縁設計、検査、診断に反映することができなかった。

仮に、電圧パラメータの中からインバータパルス電圧に起因する絶縁劣化において、最も影響が大きいと考えられる電圧パラメータを１つもしくは複数仮定し、絶縁材料やモータの絶縁特性、とりわけ絶縁材料やモータの寿命を計測するとすれば、長期間の試験時間が必要となり、近年普及が著しいインバータ駆動モータの設計等に適用するのは困難である。

また、特許文献1の従来技術のように、インバータパルス電圧の立ち上がり時間で評価するとしても、実際のフィールドでは、同じ立ち上がり時間のインバータパルス電圧が印加された場合でも、絶縁破壊に至るモータと絶縁破壊に至らないモータとが存在する。したがって、必ずしもインバータパルス電圧の立ち上がり時間だけに着目してモータの絶縁寿命を評価することはできない。

これらのことから、少なくともインバータ駆動モータの場合、モータ端子で観測されるインバータパルス電圧に対する絶縁材料の寿命を評価するだけなく、モータ機器内部の電圧波形や絶縁特性を検討して、絶縁評価、設計、検査、診断を行う必要があることが考えられる。

そこで、本発明は、従来技術の状況に鑑み、インバータ駆動モータの絶縁評価方法を確立することを課題とする。

また、本発明は、その絶縁評価方法を利用した設計方法、検査方法、診断方法並びにそれらの装置を提供することを他の課題とする。

本発明の課題は、次の手段により解決することができる。

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

すなわち、モータに印加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、サージ電圧はモータ巻線を伝播する電圧波となる。この際、モータ巻線の巻き始めから巻き終わりまで伝播するときの伝播遅れが原因となり、同一巻線の巻線ターン間に大きなサージ電圧が分担される。モータ巻線に印加される電圧が正弦波の場合は、電圧の立ち上がり時間が巻線のサージ伝播時間に比し長いため、伝播遅れは発生せず、正弦波電圧は各巻線ターン間で均等に分担される。しかし、立ち上がりが急峻なサージ電圧の場合は、巻線の口出し側のターンにはサージ電圧波が到達していても、内部側ターンにはサージ電圧波が到達していない状態が発生し、巻線ターン間に大きな電圧が発生する。一般に、巻線ターン間の絶縁は巻線とコアを絶縁する対地絶縁などに比し１／１０程度の厚みであり、インバータ駆動モータでは、巻線ターン間の絶縁が最も厳しいことになる。また、インバータサージ電圧がモータ巻線に印加されたとき巻線ターン間に発生する電圧を計測したところ、巻線ターン間にはパルス幅の狭い両極性交互パルス電圧が発生している。

そこで、本発明は、巻線ターン間に発生するモータ巻線ターン間分担電圧のピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧として試料絶縁材の寿命時間ｔｐを計測し、ピーク電圧Ｖｍに対する寿命時間ｔｐの変化をその試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得することにより、インバータパルス電圧に対するモータ巻線ターン間の絶縁に使用される絶縁材の性能を評価することができる。

また、本発明の絶縁評価方法の他の態様として、インバータ駆動モータの巻線ターン間に発生するピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧とし、該試験電圧を試料絶縁材に課電して前記両極性交互パルス電圧の1サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｐを計測するとともに、前記ピーク電圧Ｖｍを有する周波数ｆｐの正弦波電圧を前記試料絶縁材に課電して該正弦波電圧の1サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｓと前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｓを計測し、前記両極性交互パルス電圧を前記試料絶縁材に課電したときの前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｐを、次式（１）により推定し、
ｔｐ＝（Ｎｓ／Ｎｐ）・ｔｓ （１）
該推定された前記寿命時間ｔｐと前記ピーク電圧Ｖｍとの関係を前記試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得し、取得した前記絶縁寿命特性に基づいて前記試料絶縁材の絶縁性能を評価することを特徴とする。

すなわち、絶縁破壊までの時間の計測では、低電圧領域では寿命が長くなり、絶縁破壊までの寿命時間の計測が長期にわたる場合がある。この点、同一の絶縁材試料に対する正弦波電圧の破壊までの寿命時間ｔｓは、パルス幅の狭いパルス電圧に比して比較的短いから、低電圧・長寿命領域では正弦波電圧の寿命時間ｔｓに基づいて、上記式（１）によりｔｐを推定することができる。上記式（１）は、言い換えれば、正弦波の試験電圧で計測した寿命時間ｔｓを（Ｎｓ／Ｎｐ）だけシフトさせて、両極性交互パルス電圧下における絶縁寿命特性を得ることを意味する。なお、正弦波電圧の寿命時間ｔｓのデータは、同一の絶縁材試料について、過去に計測したデータがあれば、その過去の計測データを用いることができる。

また、本発明の上記のいずれの絶縁評価方法においても、前記ピーク電圧Ｖｍと前記パルス幅ｔｗは、前記モータの端子における対地間サージ電圧の大きさΔＶと立ち上がり時間ｔｒ及び繰り返し周波数ｆｐをシミュレーション又はモータを用いた計測により求め、該求めた対地間サージ電圧の大きさΔＶと立ち上がり時間ｔｒを有するサージ電圧をモータ端子の対地間に印加したときのピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗをシミュレーション又はモータを用いた計測により求めることにより得ることができる。この場合において、前記対地間サージ電圧に代えて、前記モータの端子における相間サージ電圧を用いることができる。

また、本発明の絶縁評価方法において、前記モータの巻線ターン間に発生する電圧が振動波形の場合は、前記両極性交互パルス電圧として前記振動波形の周波数及び減衰時定数を反映した幅の狭い両極性交互パルス電圧を用いることが好ましい。また、本発明の絶縁評価方法において、前記試料絶縁材が初期から絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度を計測及び記録しておくことが望ましい。

以上述べたように、本発明の絶縁評価方法によれば、インバータサージ電圧が印加されたときにモータ巻線ターン間に発生する幅の狭い両極性繰り返し交互パルス電圧を用いて絶縁材料の部分放電特性、絶縁寿命特性を評価しているため、インバータ駆動モータの巻線ターン間の絶縁材料の正確な評価及び設計が可能となる。特に、幅の狭いパルス電圧下における部分放電発生頻度及び絶縁寿命時間に着目しているため、高精度のモータ巻線ターン間の絶縁寿命特性を得ることができる。

本発明のインバータ駆動モータの絶縁設計方法は、本発明の絶縁評価方法を応用して実現できる。まず、上記のいずれかのインバータ駆動モータの絶縁評価方法により取得された試料絶縁材の絶縁寿命特性を準備する。そして、設計対象のモータの巻線ターン間に発生する分担電圧のピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを設定し、設定したピーク電圧Ｖｍにおける寿命時間ｔｐを前記試料絶縁材の絶縁寿命特性（Ｖｍ−ｔｐ特性）に基づいて求め、求めた寿命時間ｔｐが製品に要求される寿命に比し長い場合には、その試料絶縁材を用いたモータの耐サージ電圧仕様と絶縁材の厚み、材質の設計仕様を決定する。そして、その設計仕様に従って製品を設計して、生産する。

また、本発明のインバータ駆動モータの絶縁検査方法は、本発明の絶縁評価方法を応用して実現できる。まず、上記のいずれかのインバータ駆動モータの絶縁評価方法により取得された試料絶縁材の絶縁寿命特性を準備する。具体的には、ピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧の１サイクルあたりのピーク電圧Ｖｍと部分放電発生頻度Ｎｐの関係データ、及びモータ巻線ターン間のピーク電圧Ｖｍと絶縁寿命時間ｔｐの関係データを準備し、これらの関係データのＶｍを、該電圧を対象モータの巻線ターン間に印加するのに必要な大きさΔＶのサージ電圧に変換して標準品モータの絶縁寿命特性として設定する。次いで、モータ端子における対地間サージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒ、周波数ｆｐのパルス電圧又は実際のインバータ電源のパルス電圧を検査対象に課電し、前記パルス電圧の１サージ電圧サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｘを計測する。そして、計測した部分放電発生頻度Ｎｘと前記標準品モータの絶縁寿命特性に基づいて大きさΔＶのサージ電圧を課電したときの絶縁寿命時間ｔｐと部分放電発生頻度Ｎｐを求めて、次式（２）により、検査対象の絶縁寿命時間ｔｘを求め、求めた絶縁寿命時間ｔｘと設定された要求寿命時間とを比較して検査対象の絶縁を検査する。

ｔｘ＝（Ｎｐ／Ｎｘ）・ｔｐ （２）
なお、検査対象製品の絶縁寿命特性は、標準品の絶縁寿命特性を（Ｎｐ／Ｎｘ）だけシフトして作成する。得られた検査対象製品の絶縁寿命特性（ΔＶ―ｔｘ）において、絶縁寿命時間ｔｘが要求寿命以上であれば合格とし出荷する。

一方、不良品となった場合には、インバータ駆動モータのモータ端サージ電圧の大きさΔＶを小さくするか、立ち上がり時間ｔｒを長くできるかどうかを検討し、可能であれば仕様を限定した上で合格として出荷する。また、モータ端サージ電圧が振動波形の場合には、その振動周波数、減衰時定数を反映したサージ電圧をモータに印加する。なお、モータ試験用のパルス電源の電圧立ち上がり時間が、実際にインバータでモータを駆動したときにモータ端で観測されるサージ電圧の立ち上がり時間と異なる場合には、モータ巻線ターン間に前記ピーク電圧Ｖｍを印加するのに必要なだけ、モータ試験用パルス電源のサージ電圧の大きさΔＶを高くあるいは低くする。

このように、本発明のインバータ駆動モータの絶縁検査方法によれば、検査対象の製品毎に部分放電発生頻度及び絶縁寿命特性を計測しているため、寿命が短い不良品の出荷を防止できる。さらに、不良品については絶縁破壊するまで課電し続けることで、製品の課電寿命推定精度を向上できるとともに、不良箇所を探索して特定し、材料及び生産工程における不良原因を排除することができる。

また、本発明のインバータ駆動モータの診断方法は、本発明の絶縁評価方法を応用して実現できる。まず、ピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を課電して得られた試料絶縁材が絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度の経時変化データと、絶縁寿命特性を準備し、Ｖｍを、該電圧を対象モータの巻線ターン間に印加するのに必要な大きさΔＶサージ電圧に変換し、これを標準品のモータの部分放電信号強度の経時変化データ及び絶縁寿命特性として設定する。

次に、診断対象のインバータ駆動モータの製品（以下、フィールド製品という。）について、絶縁破壊に至る前に機器を交換することを推奨するマージン時間ｘを決める。一方、標準品の部分放電信号強度の経時変化データにおいて、絶縁寿命ｔｐよりもｘ年前の部分放電信号強度を求め、これを製品交換の部分放電信号強度の閾値θthとする。そして、フィールド製品の部分放電を、常時もしくは定期的に計測し、これを部分放電信号強度の閾値θthと比較し、部分放電信号強度が閾値θthを超えた場合には、製品を新品に交換する。

このように、本発明のフィールド製品の診断方法によれば、巻線ターン間の絶縁材料の正確な評価で得た部分放電信号強度の経時変化に基づいて、絶縁劣化診断及び故障前部品交換を行うことができるため、フィールド製品の故障を未然に防ぐことができる。また、フィールド劣化品の劣化状況、及び継続して課電し絶縁破壊させたときの破壊箇所を観察して劣化原因を特定することにより、劣化に強いモータの材料、設計・生産技術を開発することができる。

本発明によれば、インバータ駆動モータの絶縁評価方法を確立することができる。

また、本発明の絶縁評価方法を利用したインバータ駆動モータの設計方法、検査方法、診断方法を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１に、本発明のインバータ駆動モータの巻線ターン間の絶縁評価方法、絶縁設計方法、生産、絶縁検査方法、保全診断方法の関連概念図を示す。図１に示すように、モータ製品の製造フローとしては、始めに材料の評価を行い、得られたデータを基に製品を設計して生産する。製作された製品はそれぞれ品質検査されて出荷される。出荷された製品は常時もしくは定期的に絶縁劣化の診断が行われ、絶縁破壊に至る劣化の兆候が認められた場合には故障前に製品あるいは製品の部品交換を行う。これらの製品フローの各段階において、絶縁材料や製品の絶縁評価が必要となる。

ここで、本発明の特徴に係るインバータ駆動モータの絶縁評価は、図２及び図３に示す評価方法及び装置により実施される。また、インバータ駆動モータの絶縁検査は、図７及び図８に示す検査方法及び装置により実施される。さらに、インバータ駆動モータの絶縁劣化診断と故障前部品交換は、図１６及び図１７に示す診断方法及び装置により実施される。各方法及び装置では、絶縁材料やプロセスの評価結果及び改良に必要なデータが測定される。

絶縁材料の評価段階では、絶縁寿命−電圧特性の測定、部分放電発生頻度−電圧特性の測定、初期から絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度の経時変化の測定が行われる。

また、絶縁検査の段階では、それぞれの製品の絶縁寿命−電圧特性の測定、不良品の実寿命測定と製品寿命推定精度の向上、製品絶縁破壊・不良箇所の探索、不良原因の特定が行われる。

また、保全及び診断の段階では、絶縁劣化診断及び故障前製品あるいは製品の部品交換に必要な評価が行われる。例えば、フィールド製品の部分放電劣化特性の測定、回収品の残存寿命の測定、データの蓄積、絶縁劣化し易い弱点箇所の探索と原因特定が行われる。これらの測定データは、再び製品製造フローにフィードバックされ、各段階で、あるいは段階間で連携を取りながら、絶縁材料、設計及び生産、検査、診断技術、製品品質の向上が行われる。以下、各段階の実施例について詳細に説明する。

図２及び図３を参照して、本発明のインバータ駆動モータの絶縁評価方法及び装置の一実施例を説明する。図２は、本発明の一実施例の絶縁評価装置の構成を示している。本実施例の絶縁評価装置は、試験電源部１と、部分放電計測部２と、データ計測記録装置３で構成される。評価対象の試料絶縁材４は、モータ巻き線ターン間の絶縁部を模擬した要素モデルが用いられる。例えば、巻き線に用いる絶縁電線を撚り合わせた要素モデル、あるいは、平行巻電線試料などが使用される。

試験電源部１は、ピーク電圧Vm、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐの両極性交互パルス電圧を発生するように構成されている。試験電源部１は、ピーク値で０〜１５ｋV以上のピーク電圧Ｖｍを発生できることが望ましい。また、パルス幅ｔｗは５μｓ以下であり、特に０．１〜１．０μｓの範囲では０．１μｓ以下の刻みでパルス幅ｔｗを常時もしくは電圧停止時に可変できることが望ましい。また、周波数ｆｐは、インバータ電源のスイッチング周波数によって決まる。

部分放電計測部２は、パルス電圧を試料絶縁材４に印加したときの部分放電発生頻度−電圧特性、及び継続して一定のパルス電圧を課電した際に試料が絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度と絶縁破壊に至るまでの絶縁寿命時間を計測するようになっている。

データ計測記録装置３は、コントロールライン５を介して試験電源部１のパルス電圧のピーク電圧Vm、パルス幅ｔｗ、周波数ｆｐを制御すると同時に、試験電圧に同期して部分放電計測部２から部分放電計測データを取り込んで記録するようになっている。また、計測データは、部分放電発生頻度−電圧特性、絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度、絶縁破壊までの絶縁寿命時間−電圧特性のグラフにプロットするようになっている。

図３に、本実施例の絶縁評価装置で実施する絶縁評価方法のフローチャートを示す。

（ステップＳ１）
ここで、モータがインバータ駆動されるときのモータ端子における対地間サージ電圧の大きさΔＶと、立ち上がり時間ｔｒと、繰り返し周波数ｆｐをシミュレーションもしくはモータを用いた計測によって求める。

（ステップＳ２）
ステップＳ１の処理が不可能な場合は、ステップＳ２の処理により、異相間のサージ電圧の大きさΔＶと、立ち上がり時間ｔｒと、繰り返し周波数ｆｐを求めて代用する。これは、インバータ電源とモータの接地インピーダンスが小さい場合には、対地間サージ電圧が相間サージ電圧とほぼ一致することを種々の検討によって得ており、そこで、ステップＳ１の処理が不可能な場合は、相間サージ電圧を対地間サージ電圧の代わりとして使用する。

（ステップＳ３）
ここで、求めた対地間サージ電圧がモータ巻線に印加された際のモータ巻線ターン間に発生する分担電圧のピーク電圧Vｍと、パルス幅ｔｗと、周波数ｆｐをシミュレーションもしくはモータを用いた計測によって求める。

また、得られたモータ巻線ターン間分担電圧のピーク電圧Ｖｍと、対地間サージ電圧の大きさΔＶとを用いて、後述の製品検査段階で用いる電圧分担率α（ｔｒ）を、次式（３）により求める。

α（ｔｒ）＝Ｖm／ΔＶ （３）
ただし、α（ｔｒ）：立ち上がり時間ｔｒのサージ電圧を印加したときのモータ巻線ターン間電圧分担率
Ｖｍ:モータ巻線ターン間分担電圧のピーク電圧
ΔＶ：対地間サージ電圧の大きさ
なお、巻線ターン間分担電圧のシミュレーションあるいは計測が困難な場合は、次のように簡易的に求めることができる。つまり、巻線ターン間分担電圧のピーク電圧Ｖｍについては、次式（４）により求める。

Ｖｍ＝ΔＶ・τ／ｔｒ （４）
ただし、τ：巻線ターン間分担電圧に伴う劣化を検討すべきモータ巻線部のサージ電圧伝播時間
また、パルス幅ｔｗについては、次式（５）により求める。

ｔｒ≦τの場合、 ｔｗ＝τ
ｔｒ＞τの場合、 ｔｗ＝ｔｒ （５）
ただし、τ：巻線ターン間分担電圧に伴う劣化を対象とするモータ巻線部分のサージ電圧伝播時間
ｔｒ：サージ電圧立ち上がり時間
なお、図２（ａ）のパルス電圧のパルス幅ｔｗを５μｓ以下、特に０．１〜１．０μｓの範囲では０．１μｓ以下の刻みで可変できるようにしている。その理由は、一般のモータのサージ電圧伝播時間τは、巻線ターン間の分担電圧に伴う劣化を検討すべきモータ巻線部では、種々の計測の結果、サージ電圧伝播時間τは多くとも５μｓであり、一般には０．１〜１．０μｓであったことによる。

（ステップＳ４）
ここにおいて、データ計測記録装置３は、試験電源部１を制御して、巻線ターン間分担電圧と同じピーク電圧Vm、パルス幅ｔｗ、繰り返し周波数ｆｐの両極性交互パルス電圧を作成して試料絶縁材４に課電する。

そして、データ計測記録装置３は、部分放電計測部２を制御して、両極性交互パルス電圧のピーク電圧Vmの１サージ電圧サイクルにおける部分放電発生頻度Ｎｐを計測して、図２（ｂ）に示すピーク電圧Vm―部分放電発生頻度Ｎｐの特性データを取得する。また、図示していない一般的な正弦波電源装置で発生したピーク電圧Vmの正弦波電圧の１電圧サイクルにおける部分放電発生頻度Ｎｓを計測して、ピーク電圧Vm−部分放電発生頻度Ｎｓの特性データを取得する。

（ステップＳ５）
ステップＳ４の部分放電特性の計測後、試料絶縁材４には継続して同じピーク電圧Vmのパルス電圧及び正弦波電圧を印加し、試料絶縁材４の絶縁が破壊するまで部分放電信号強度Ｖｐを計測するとともに、絶縁破壊に至るまでの絶縁寿命時間ｔｐ、ｔｓを計測する。

ステップＳ４、Ｓ５においては、ピーク電圧Ｖｍを変化させて計測する。なお、正弦波電圧に対する部分放電特性及び絶縁寿命時間について、すでに過去に計測したデータがあればこれを使用することができる。

また、ステップＳ５において、図２（ｃ）に示すように、ピーク電圧Ｖｍを一定としたときの、試料絶縁材４が初期から絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度Ｖｐの経時変化を計測及び記録する。

（ステップＳ６）
ステップＳ５における絶縁寿命時間ｔｐの計測の場合、低電圧・長寿命領域ではパルス電圧による絶縁破壊までの時間が長くなるから、実用的でない。そこで、このような低電圧領域では、比較的短時間に計測できる正弦波電圧による絶縁寿命時間ｔｓと、この電圧における部分放電発生頻度Ｎｓと、パルス電圧課電時の部分放電発生頻度Ｎｐを用いて、次式（６）により、絶縁寿命時間ｔｐを推定する。

ｔｐ＝（Nｓ／Np）・ｔｓ （６）
同様の計算を繰り返すことで、パルス電圧下の絶縁寿命特性を、正弦波電圧下の絶縁寿命特性を（Nｓ／Nｐ）だけシフトすることにより、図２（ｃ）に示す絶縁寿命時間ｔｐ、ｔｓとピーク電圧Ｖｍとの関係を求めることができる。このようにして、試料絶縁材４について、ピーク電圧Ｖｍに対する絶縁寿命時間ｔｐの変化を表す絶縁寿命特性を得ることができる。

（ステップＳ７〜Ｓ９）
ステップＳ６で得られたピーク電圧Ｖｍの両極性交互パルス電圧に対する試料絶縁材４の絶縁寿命特性に基づいて、設計対象のインバータ駆動モータの絶縁設計を行うことができる。すなわち、ステップＳ７において、試料絶縁材４の絶縁寿命特性に基づいて、実際のモータ駆動時の巻線ターン間分担電圧のピーク電圧Ｖｍにおける絶縁寿命時間ｔｐを求める。次いで、ステップＳ８において、求めた絶縁寿命時間ｔｐが、設計対象のモータの要求寿命に比べて長い場合には、ステップＳ９に進んで、モータの使用電圧や材料仕様などの設計データを決定し、製品の設計・生産工程に移行する。

（ステップＳ１０）
ステップＳ８の判断で、絶縁寿命時間ｔｐが要求寿命に比して短い場合には、ステップＳ１０に移行して、サージ電圧の大きさΔＶを小さくするか、立ち上がり時間ｔｒを緩やかにして巻線ターン間分担電圧のピーク電圧Ｖｍを低減する。あるいは、モータ巻線ターン間分担電圧が小さくなるように巻回数、巻線配列などのモータの巻線仕様を変更する。また、絶縁材料を放電劣化に強い材料に改良するか、絶縁厚みを厚くしたり、ワニス処理を施すなどして、絶縁寿命時間ｔｐを長くする。放電劣化に強い材料に関しては、具体的には有機絶縁体中に占める無機フィラーの量を増加するなどの改良が考えられる。以上のような改良を施した後、再度、材料評価を実施、検討する。

（試験電源部１の実施例）
図４に、図２の試験電源部１の第一例を示す。本例の試験電源部１は、直流電源４１の出力をパルススイッチ４２で＋側と−側を交互に切り替えて矩形波のパルス電圧を作成する。さらに、パルス電圧をハイパスフィルタ部４３で所定のパルス幅の両極性交互パルス電圧になるように波形整形して、出力端子４４から試料絶縁材４に出力する。パルススイッチ４２には、正負２個のスイッチ素子を使用し、出力パルス電圧が正負対称になるようにしている。なお、直流電源４１とパルススイッチ４２は破線で示したコントロールライン４５に接続されたデータ計測記録装置３よって制御される。図４では、直流電源４１を１つの電源で構成し−側を接地しているが、直流電源４１を＋と−の２つの直流電源で構成し、これらの直列接続部の中間点を接地しても同様の波形を得ることができる。

図５に、試験電源部１の第二例を示す。本例の試験電源部１は、直流電源５１の出力をパルススイッチ５２にてＯＮ／ＯＦＦして矩形波のパルス電圧を作成し、さらにハイパスフィルタ部５３で所定のパルス幅の両極性交互パルス電圧になるように波形整形し、出力端子５４から試料絶縁材４に出力する。本例のパルススイッチ５２は、スイッチ素子１個で構成される。しかし、本例では、パルススイッチの出力インピーダンス５５を１００Ω以下の低インピーダンスにしてあり、パルススイッチ５２のスイッチ素子が切れる際に負極性の急峻な電圧変化が生じるため、ハイパスフィルタ処理後には正負対称の出力パルス電圧が得られる。なお、直流電源５１とパルススイッチ５２は破線で示したコントロールライン５５に接続されたデータ計測記録装置３によって制御される。図５では直流電源５１は１つの電源で構成し−側を接地しているが、直流電源５１を＋と−の２つの直流電源で構成し、これらの直列接続部の中間点を接地しても同様の波形を得ることができる。

（部分放電計測部２の実施例）
図６に、部分放電計測部２の回路構成の一例を示す。図６の部分放電計測回路は、電圧計測用分圧器６１と、結合コンデンサ６２、試料接続端子６３、高周波電流プローブ６４、部分放電電流波形計測用のデジタルオシロスコープ６５で構成される。結合コンデンサ６２の静電容量は、試料接続端子６３に接続される試料絶縁材４の静電容量（図中、点線で示す。）に近づけるように調整される。高周波電流プローブ６４には電線貫通式の電磁結合型の電流センサが用いられている。特に、結合コンデンサ６２と試験電源部１の端子４４との接続線、及び試料接続端子６３と試験電源部１の端子４４との接続線を、互いに逆方向に高周波電流プローブ６４を貫通させている。これにより、パルス電圧に伴う充電電流をキャンセルし、試料絶縁材４で発生した部分放電電流のみを計測できるようにしている。パルス幅ｔｗの短いパルス電圧では、このように充電電流をキャンセルすることで高精度に部分放電を計測することができる。なお、高周波電流プローブには、クランプ式を用いることもできる。

部分放電を計測する高周波電流プローブ６４の周波数帯域は１MHz〜１GHｚ、少なくとも１０MHz〜１００MHｚである必要がある。なお、図では電流プローブに貫通させる結合コンデンサ６２と試料接続端子６３の接続線には低圧側の接続線を使用しているが、高圧側の接続線を使用してもよい。電流プローブ６４と分圧器６１で計測した部分放電電流強度Ｖｐ、発生頻度および印加電圧は、デジタルオシロスコープ６５にて計測及び記録される。また、コントロールライン６６に接続されたデータ計測記録装置３に記録される。ここで、デジタルオシロスコープ６５の帯域は、ＤＣ〜１ＧＨｚ以上、サンプリング速度は２ＧＳ／ｓ以上あることが望ましく、少なくとも帯域はＤＣ〜１００ＭＨｚ、サンプリング速度は２００ＭＳ／ｓある必要がある。なお、デジタルオシロスコープ６５は、同等の帯域、サンプリング速度、データ計測メモリ長を有するＡ／Ｄカードで代用することもできる。デジタルオシロスコープ６５もしくはデジタルオシロスコープ６５を制御するデータ計測記録装置３では、所定の波高値の電圧を試料に印加できなくなるか、放電にともなう電圧降下が０V近くに達するか、電流があらかじめ設定したリミット値を超えた場合に、試料絶縁材４の絶縁が破壊したと判断する。

ここで、本発明のインバータ駆動モータの絶縁評価方法の技術的な意義について、図１８に示す実測データに基づいて説明する。図１８は、モータ端子と対地間にインバータサージ電圧を課電し、巻線ターン間分担電圧を計測した例を示す。同図（ａ）の横軸は１μｓ／ｄｉｖの時間を示し、縦軸は電圧を示す。同図（ｂ）の横軸は５０μｓ／ｄｉｖの時間を示し、縦軸は電圧を示す。

同図（ｂ）に示す時間目盛が大きな場合の波形では、対地間サージ電圧の立ち上がり及び立下り部分において、巻線ターン間に正極性と負極性の両極性交互電圧が発生している。同図（b）の点線部を同図（ａ）の時間目盛が詳細な波形に拡大すると、モータ巻線の口出し側ターン１８１と内部側ターン１８２の間にサージ電圧の伝播時間遅れが認められ、この伝播時間遅れにともない巻線ターン間の分担電圧が発生している。巻線ターン間分担電圧のパルス幅は、約０．８μｓであり、電圧持続時間がきわめて短いことが判る。

図１９に、パルス電圧が空気に課電されたときの火花放電遅れのモデルを示す。一般に、空気に高電圧を印加した場合、空気は必ずしも直ちに火花放電（絶縁破壊）するわけではなく、一定の時間遅れを伴って火花放電に至る。この時間遅れを火花放電遅れ、あるいは火花遅れと呼び、この火花放電遅れは電極間に初期電子が偶然現れるまでの統計時間遅れと、電子が電界によって加速されながら、電子なだれを形成し、さらに電極からの二次電子放出や、ストリーマの形成によって火花放電が形成されるまでの形成時間遅れから構成される。ここで、火花放電遅れと電圧持続時間の関係を考察する。始めに、電圧印加時間が火花放電遅れに比し十分長い場合を考えると、例え電圧の立ち上がり時間が速くても、時間の経過とともに必ず放電に至る。一方、電圧の持続時間を短くし、電圧持続時間が火花放電遅れ未満になると、空気で火花放電が生じる前に電圧が低下してしまうため、火花放電が発生しない可能性（確率）が高くなる。同様のことが絶縁物中の空気にも発生し、パルス幅が狭い電圧では、絶縁物中の空気の放電（部分放電）が発生しない可能性（確率）が高くなり、絶縁物の劣化が抑制される可能性が高くなる。

これらのことから、少なくとも絶縁材料の部分放電劣化特性を支配する電圧パラメータは、従来考えられてきた電圧立ち上がり時間ではなく、電圧持続時間、すなわちパルス電圧ではパルス幅であると考えられる。なお、この火花放電遅れは、これまでの検討の結果、数μｓ〜ｍｓオーダーに亘っていることを知見した。

一方、図１８のモータ巻線ターン間に発生する分担電圧のパルス幅は１μｓ以下であり、火花放電遅れに比して十分短い。したがって、インバータ駆動時のモータ巻線ターン間では、従来の幅の広いパルス電圧や正弦波電圧に比し、部分放電が発生し絶縁劣化、破壊に至る可能性（確率）が低いと考えられる。なお、火花放電遅れは電圧が高くなると短くなることも、これまでの検討の結果、明らかになっている。本発明では、巻線ターン間の分担電圧を変化させて部分放電発生頻度を測定することで、このような火花放電遅れの電圧依存性も含めて評価している。

以上の考察から、インバータ駆動モータでは、早期故障の原因となる巻線ターン間の絶縁材料を評価する場合には、少なくとも、モータ巻線ターン間の分担電圧のパルス幅を考慮した電圧で検討しなければならないことが判る。

また、従来、パルス電圧の極性についても、単極性、両極性のデータが混在し議論されてきたが、少なくともモータ巻線ターン間の絶縁材料を評価する場合には、両極性の交互パルス電圧を課電して評価しなければならないことが判る。

さらに、従来のモータ巻線試験には、一般に市販されている立ち上がり時間のみが高速で立下りでは指数関数的に電圧低下する雷インパルス電圧、もしくは波尾に振動波形が重畳したインパルス電圧が使用されてきた。しかしながら、図１８を見ると、インバータパルス電圧では電圧の立ち上がり時間だけでなく、立ち下がり時間も高速であり、立ち上がりと立下り部分の両方に巻線ターン間分担電圧が発生している。したがって、モータ巻線ターン間にインバータ駆動時と同じ電圧を発生させ、モータ製品の検査や診断をする場合には、従来の立ち上がり時間のみが高速な電源で試験するのではなく、立ち上がり時間と立ち下がり時間がともに高速なパルス電圧を使用しなければならないことが判る。

以上説明したように、本発明のインバータ駆動モータの絶縁評価方法及び装置は、インバータ駆動モータの絶縁で最も厳しいのは、インバータパルス電圧がサージ電圧として作用する同一巻線の巻線ターン間であることに鑑み、しかも、立ち上がりが急峻なサージ電圧の伝播過程で各巻線ターン間に加わるサージ電圧の分担率が異なってくることに鑑みなされたものである。

そこで、本実施例は、巻線ターン間に発生するモータ巻線ターン間分担電圧のピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧として試料絶縁材の寿命時間ｔｐを計測し、ピーク電圧Ｖｍに対する寿命時間ｔｐの変化をその試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得することにより、インバータパルス電圧に対する絶縁材の性能を評価することができ、信頼性の高い絶縁評価方法を確立することができる。

図７及び図８を参照して、本発明のインバータ駆動モータの絶縁検査方法及び装置の一実施例を説明する。図７は、本実施例の絶縁検査方法が適用された製品絶縁寿命検査装置を示す。製品絶縁寿命検査装置は、試験電源部７１と、部分放電計測部７２と、これらの試験電源部７１と部分放電計測部７２を制御する機能を兼ね備えたデータ計測記録装置７３で構成される。検査対象の試料モータ７５には、個々の製品を使用する。試験電源部７１は、インバータ駆動時のモータ端子におけるサージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒを模擬したサージ電圧を発生する。サージ電圧の大きさΔＶには０〜１５ｋＶ以上の電圧を発生できることが望ましい。また、立ち上がり時間ｔｒは１μｓ以下であり、特に０．１〜１．０μｓの範囲内で０．１μｓ以下の刻みで常時もしくは電圧停止時に可変できることが望ましい。あるいは、立ち上がり時間ｔｒを固定した装置では、試験中のモータ巻線ターン間分担電圧が、インバータ駆動時の巻線ターン間分担電圧と同じになるように、次式（７）に示す換算式にて換算したサージ電圧にて試験する。

ΔＶ（試験装置）＝
ΔＶ（Inv）・α（ｔｒ（Inv））／α（ｔｒ（試験装置）） （７）
ただし、ΔＶ（試験装置）：試験装置のサージ電圧の大きさ
ΔＶ（Inv）：インバータ駆動モータのモータ端のサージ電圧の大きさ
α（ｔｒ（試験装置））：
試験装置のサージ電圧を印加したときのモータ巻線ターン間電圧分担率
α（ｔｒ（Inv））：
インバータ駆動モータのモータ端サージ電圧を印加したときのモータ
巻線ターン間電圧分担率
ｔｒ（試験装置）：試験装置のサージ電圧立ち上がり時間
ｔｒ（Inv）：
インバータ駆動モータのモータ端のサージ電圧立ち上がり時間
なお、サージ電圧の立ち下がり時間には、立ち上がり時間と同じ時間を採用することが望ましい。また、サージ電圧のパルス幅ｐｗには、製品に回転子を組み込み回転試験ができる状態では、１μｓ〜１０ｍｓの範囲を採用できる。しかし、回転子を組み込んでいない状態では、逆起電力が発生せず、モータ巻線に過大な電流が流れるため、パルス幅ｐｗには１μｓ〜１０μｓの範囲を採用することが望ましい。サージ電圧の波形の一例を、図７（ａ）に示す。

部分放電計測部７２は、サージ電圧を試料モータ７５に印加したときの部分放電発生頻度−モータ課電電圧特性を計測する。データ計測記録装置７３は、試験電源部７１のサージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒ、パルス幅ｐｗ、繰り返し周波数ｆｐを制御し、試験電源電圧に同期して部分放電計測データを部分放電計測部７２からコントロールライン７４を介して取り込み、データを記録する。得られたデータは、図７（ｂ）に示す部分放電発生頻度Ｎｐ、Ｎｘ−課電電圧特性のグラフにプロットされる。

図８に、本実施例の製品絶縁検査装置で実施する絶縁検査方法のフローチャートを示す。

（ステップＳ２１）
まず、試料モータ７５がインバータ駆動されるときのモータ端子の対地間サージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒ、繰り返し周波数ｆｐをシミュレーションもしくはモータを用いた計測によって求める。

（ステップＳ２２）
ステップＳ２１の処理が不可能な場合は、ステップＳ２２において、インバータ電源とモータの接地インピーダンスが小さい場合には、対地間サージ電圧が相間サージ電圧とほぼ一致することが種々の検討によって得られていることから、相間サージ電圧を対地間サージ電圧の代わりとして使用する。

（ステップＳ２３）
ステップＳ２１又はＳ２２で求めたサージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒ、繰り返し周波数ｆｐのサージ電圧を模擬した電圧、あるいは実際のインバータ電圧を個々の製品である試料モータ７５に課電し、１サージ電圧サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｘを求める。

（ステップＳ２４）
ステップ２３の処理と並行して、図２の絶縁材評価で得られたモータ巻線ターン間のピーク電圧Ｖｍと部分放電発生頻度Ｎｐのグラフ、及びピーク電圧Ｖｍと絶縁寿命時間Ｎｐにおけるピーク電圧Ｖｍを、次式（８）によって大きさΔＶのサージ電圧に変換し、これを標準品の絶縁寿命特性とする。

ΔＶ＝Ｖｍ／α（ｔｒ） （８）
ただし、ΔＶ：サージ電圧の大きさ
α（ｔｒ）：立ち上がり時間ｔｒのサージ電圧を印加したときのモータ巻
線ターン間電圧分担率
Ｖｍ:モータ巻線ターン間分担電圧のピーク電圧
（ステップＳ２５）
個々の製品の絶縁が破壊されるまでの絶縁寿命時間ｔｘは、個々の製品に大きさΔＶのサージ電圧を課電したときの部分放電発生頻度Ｎｘと、標準品に大きさΔＶのサージ電圧を課電したときの絶縁破壊までの時間ｔｐと部分放電発生頻度Ｎｐを用いて、次式（９）により求める。

ｔｘ＝（Ｎｐ／Ｎｘ）・ｔｐ （９）
異なるサージ電圧の大きさΔＶに対する部分放電発生頻度Ｎｘを用いて、同様にして標準品の絶縁寿命特性を（Ｎｐ／Ｎｘ）だけシフトすることで、個々の製品の絶縁寿命特性が作成できる。

（ステップＳ２６〜Ｓ３２）
ステップＳ２５で得られた絶縁寿命特性において、絶縁寿命時間ｔｘが製品の要求寿命以上であれば、ステップＳ２７に進んで合格とし出荷する。

一方、不良品となった場合には、ステップＳ２８に進んで、インバータ駆動モータのモータ端子のサージ電圧の大きさΔＶを小さくするか、電圧立ち上がり時間ｔｒを長くできるかどうかを検討する。この検討の結果が可能であれば、ステップＳ２９に進んで、仕様を限定した上で合格として出荷する。

ステップＳ２８で、さらに不合格になった製品については、ステップＳ３０からステップＳ３１に進み、絶縁破壊するまでサージ電圧を計測して課電し、絶縁破壊に至るまでの絶縁寿命時間、及び絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度を計測する。得られた絶縁寿命時間と、先の検査で予測した不良品の絶縁寿命特性を比較し、実測データと予測データの補正係数を導出して、予測方法を補正することにより、寿命予測精度を向上させる。

また、不良品の絶縁破壊までの部分放電信号強度の経時変化は、絶縁寿命時間ｔｘで規格化した上で、同じく絶縁寿命時間ｔｐで規格化した標準品の部分放電信号強度の経時変化と比較する。そして、それらに差があれば、補正計数を求めて標準品の部分放電信号強度の経時変化データを補正するとともに、部分放電信号強度の経時変化のばらつきを把握する。ステップＳ３１で絶縁破壊させた不良品については絶縁破壊箇所を探索し、絶縁材料もしくは生産方法のどこに原因があったか特定し、絶縁材料及び製品生産工程にフィードバックする。

（試験電源部７１の実施例）
図９に、製品絶縁寿命検査装置の試験電源部７１の第一例を示す。試験電源部７１は、直流電源９１、９２の出力をパルススイッチ９３で交互に切り替え、立ち上がり時間と立ち下がり時間が同じ正負対称な矩形波のパルス電圧を作成し、さらにこれを立ち上がり／立ち下がり時間調整部９４でサージ電圧の立ち上がり／立ち下がり時間が所定の値になるように調整し、一方の出力端子９５に出力する。すなわち、図９の回路では実際の２レベルインバータに近い正負対称なサージ電圧を出力することができる。他方の低圧側電圧の出力端子９６は、試料モータ７５の他相の巻線に接続され、他相の巻線の電位が変動しないようにすると同時に、モータ内に電荷を充／放電する働きをする。但し、パルススイッチ９３の電流容量が大きく、パルススイッチ９３を通してモータ内に蓄積した電荷を充／放電できるか、あるいはモータ巻線の静電容量が小さい場合には端子９６を設けたり、他相に接続する必要はない。直流電源９１、９２とパルススイッチ９３は破線で示したコントロールライン９７に接続されたデータ計測記録装置７３によって制御される。

図１０に、製品絶縁寿命検査装置の試験電源部７１の第二例を示す。試験電源部７１は、直流電源１０１、１０２の出力をパルススイッチ１０３でON／OFFして正負対称な矩形波のパルス電圧を作成し、さらにこれを立ち上がり／立ち下がり時間調整部１０４でサージ電圧の立ち上がり／立ち下がり時間が所定の値になるように調整、出力端子１０５に出力し、実際の２レベルインバータに近い正負対称なサージ電圧を出力することができる。本例のパルススイッチ１０３のスイッチ素子は１個のみである。しかし、本例では、パルススイッチ１０３の出力インピーダンス１０８が１００Ω以下の低インピーダンスにしてあり、パルススイッチ１０３が切れる際、矩形波に負極性の急峻な電圧変化が生じるため立ち上がりと立ち下がりの両方が急峻な矩形波電圧が得られる。他方の低圧側電圧の出力端子１０６は、モータの他相の巻線に接続され、他相の巻線の電位が変動しないようにすると同時に、モータ内に電荷を充／放電する働きをする。但し、第一例と同じく、パルススイッチ１０３の電流容量が大きいか、モータ巻線の静電容量が小さい場合には端子１０６を設けたり、他相に接続する必要はない。直流電源１０１、１０２とパルススイッチ１０３は破線で示したコントロールライン１０７に接続されたデータ計測記録装置７３によって制御される。

図１１に、製品絶縁寿命検査装置の試験電源部７１の第三例を示す。試験電源部７１は、直流電源１１１の出力をパルススイッチ１１３で交互に切り替えて立ち上がり時間と立ち下がり時間が同じ矩形波のパルス電圧を作成し、さらにこれを立ち上がり／立ち下がり時間調整部１１４でサージ電圧の立ち上がり／立ち下がり時間が所定の値になるように調整し、出力端子１１５に出力する。他方の低圧側電圧の出力端子１１６は、モータの他相の巻線に接続され、他相の巻線の電位が変動しないようにすると同時に、モータ内に電荷を充／放電する働きをする。直流電源１１１とパルススイッチ１１３は破線で示したコントロールライン１１７に接続されたデータ計測記録装置７３によって制御される。なお、本例では、直流電源が１つになった点を除けば、図９の第一例と同じ回路構成である。しかし、本例では、直流電源の一端が接地されているため、パルススイッチ１１３の少なくとも一方については、コントロールラインの信号をパルススイッチに適した信号に変換するドライバをアースに対して高電圧に浮かせる必要はなくなり、パルススイッチの内部絶縁構成が図９のパルススイッチに比し簡単になる。

図１２に、製品絶縁寿命検査装置の試験電源部７１の第四例を示す。試験電源部７１は、直流電源１２１の出力をパルススイッチ１２３でON／OFFして矩形波のパルス電圧を作成し、さらにこれを立ち上がり／立ち下がり時間調整部１２４でサージ電圧の立ち上がり／立ち下がり時間が所定の値になるように調整し、出力端子１２５に出力する。本例のパルススイッチ１０３のスイッチ素子は１個のみである。しかし、本例ではパルススイッチ１２３の出力インピーダンス１２８が１００Ω以下の低インピーダンスにしてあり、パルススイッチ１２３が切れる際、矩形波に負極性の急峻な電圧変化が生じるため、立ち上がりと立ち下がりの両方が急峻な矩形波電圧が得られる。他方の低圧側電圧の出力端子１２６は、モータの他相の巻線に接続され、他相の巻線の電位が変動しないようにすると同時に、モータ内に電荷を充／放電する働きをする。直流電源１２１とパルススイッチ１２３は破線で示したコントロールライン１２７に接続されたデータ計測記録装置よって制御される。

（部分放電計測回路７２の実施例）
図１３に、製品絶縁寿命検査装置の部分放電計測回路７２の一例を示す。部分放電計測回路７２は、電圧計測用分圧器１３１と、結合コンデンサ１３２と、高周波電流プローブ１３４と、部分放電電流波形計測用のデジタルオシロスコープ１３５と、三相巻線を有する試料の被試験相を切り替えるＵＶＷ切り替えスイッチユニット１３６で構成される。

結合コンデンサ１３２の静電容量は、試料モータ７５の対地間静電容量と同程度が望ましく、具体的には１０ｐＦ〜１０００ｐＦの間に設定される。高周波電流プローブ１３４には、結合コンデンサ１３２の２本の出力線を逆方向に貫通させ、試料の二相に課電したパルス電圧に伴う充電電流をキャンセルし、試料内部で発生した部分放電電流のみを計測できるようにしている。高周波電流プローブ１３４の周波数帯域は１ＭＨｚ〜１ＧＨｚ、少なくとも１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚあることが望ましい。ＵＶＷ切り替えスイッチユニット１３６の入力には、電流プローブに逆方向に貫通させた２本の高圧線と、試験電源７１から供給される低圧線が入力される。

一方、出力端子１３７は、試料のＵ、Ｖ、Ｗの３相巻線の各入力に接続され、試験時にはＵＶＷ切り替えスイッチユニット１３６は、コントロールライン１３８の制御信号によって、（Ｕ、Ｖ−Ｗ）、（Ｖ，Ｗ−Ｕ）、（Ｗ，Ｕ−Ｖ）のように、三相巻線を有する試料の二相を高圧、残りの一相を低圧にするように試験相を切り替える。

電流プローブ１３４と分圧器１３１で計測した部分放電電流強度、発生頻度及び印加電圧は、デジタルオシロスコープ１３５にて計測、記録されるとともに、コントロールライン１３８に接続されたデータ計測記録装置７３によって記録される。デジタルオシロスコープ１３５の帯域はＤＣ〜１ＧＨｚ以上、サンプリング速度は２ＧＳ／ｓ以上あることが望ましく、少なくともＤＣ〜１００ＭＨｚ、サンプリング速度は２００ＭＳ／ｓである必要がある。なお、デジタルオシロスコープ１３５は、同等の帯域、サンプリング速度、メモリ長を有するＡ／Ｄカードで代用することもできる。デジタルオシロスコープ１３５もしくはデジタルオシロスコープ１３５を制御するデータ計測記録装置７３では、所定の波高値の電圧が試料に印加されなくなるか、放電にともなう電圧降下が０V近くに達し、かつ、部分放電電流があらかじめ設定したリミット値を超えた場合に試料モータの絶縁が破壊したと判断する。

図１４に、ＵＶＷ自動切換えスイッチユニット１３６の回路構成例を示す。入力端子１４１には、高周波電流プローブに逆方向に貫通させた２本の高圧線と、低圧線の計３本の入力線が接続される。これらの端子は、スイッチユニット１４２の３つの各スイッチに供給される。スイッチユニット１４２の３つのスイッチの切り替え端子は、試料モータのＵ、Ｖ、Ｗ相にそれぞれ接続される。スイッチユニット１４２は、コントロールライン１４８の制御信号によって、Ｕ、Ｖ、Ｗ相を、高周波電流プローブに逆方向に貫通させた２本の高圧線と、低圧線の３ラインのいずれかに接続される。

以上では、回転子を組み込んでいない状態で製品モータを試験する装置構成を示した。しかし、回転子を組み込み製品モータの回転試験をできる状態では、実際のインバータ電源を試験電源に採用することができる。図７の製品絶縁寿命検査装置の試験電源及び部分放電計測部７６に、実際のインバータ電源を組み込んだ例を図１５に示す。インバータ電源１５１の出力には、電圧計測用分圧器１５２と部分放電計測用の高周波電流プローブ１５３が接続された後、Ｕ、Ｖ、Ｗ出力端子１５４に接続される。電流プローブ１５３と分圧器１５２で計測した部分放電電流強度、発生頻度及び印加電圧は、Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩユニット１５５に組み込まれたＡ／Ｄ変換ボード１５６にて計測、記録される。計測データはＩ／Ｏ信号変換部１５７に接続されたコントロールライン１５８を介してデータ計測記録装置７３に記録される。インバータ電源１５１及びＣｏｍｐａｃｔ ＰＣＩユニットはコントロールライン１５８を介して送られてくる「試験開始」、「データ送受信」、「試験終了」などのコマンドによって制御される。

試験中にインバータ電源１５１が所定の電圧を出力できなくなるか、過電流エラーを発生するか、分圧器１５２で計測した電圧波形において、所定の波高値の電圧が試料に印加できないか、放電にともなう電圧降下が０V近くに達するか、あるいは電流プローブ１５３にて、予め設定したリミット値を超える電流が検出された場合に、インバータ電源１５１、Ｃｏｍｐａｃｔ ＰＣＩユニット１５５、もしくはこれらを制御するデータ計測記録装置７３は、試料モータの絶縁が破壊したと判断する。

図１６及び図１７を参照して、本発明のインバータ駆動モータの診断方法及び装置の一実施例を説明する。図１６は、本実施例の診断方法が適用された診断装置を示す。本実施例の診断装置は、試験電源部１６１と、部分放電計測部１６２と、これらの試験電源部１６１と部分放電計測部１６２の制御機能を兼ね備えたデータ計測記録装置１６４で構成される。

診断対象の試料モータ１６３は、フィールドで絶縁劣化した製品モータとする。試験電源部１６１と部分放電計測部１６２で構成される試験電源・部分放電計測部１６５には、インバータ電源を使用した図１５の構成を採用することができ、実際のインバータ電圧波形下における部分放電信号をオンラインで常時計測することができる。また、試験電源・部分放電計測部１６５には、製品絶縁寿命検査装置の図９〜１４の試験電源部７１、部分放電計測部７２を使用することもできる。この場合、絶縁診断の際に、フィールドに試験装置を運搬し、試料モータ１６３に接続して診断するオフライン定期診断となる。いずれの場合についても、試験電源・部分放電計測部１６５の部分放電計測部１６２では部分放電信号強度の経時変化を計測する。データ計測記録装置１６４は、試験電源部１６１の電圧を制御するとともに、試験電源電圧に同期して部分放電信号強度の計測データを部分放電計測部１６２からコントロールライン１６６を介して取り込み記録する。得られた計測データは、部分放電信号強度−課電時間特性のグラフにプロットされる。

図１７に、本実施例の診断装置の診断フローを示す。

（ステップＳ４１）
ステップＳ４１においては、絶縁破壊又は故障前に製品を交換する閾値年数ｘを決める。例えば、自動車用モータの場合、車検期間が２年であるため、ｘには２年を選択することができる。

（ステップＳ４２、Ｓ４３）
ここで、標準品の部分放電信号強度の経時変化データにおいて、絶縁寿命ｔｐのｘ年前の部分放電信号強度を求めて、これを製品交換の部分放電信号強度の閾値θthとする。フィールド製品の部分放電は、図１６の装置によって常時もしくは定期的に計測し、これを部分放電信号強度の閾値θthと比較し、部分放電信号強度が閾値を超えた場合には、ステップＳ４３に進んで、製品を新品に交換するとともに、劣化品を回収する。

（ステップＳ４４）
回収した劣化品は、絶縁が破壊するまで継続してインバータサージ電圧を課電する。このとき、部分放電信号強度及び残存の絶縁寿命時間を計測し、絶縁寿命時間ｔｘで規格化した部分放電信号強度の経時変化において、信号強度のばらつきを把握するとともに、製品交換の部分放電信号強度の閾値を補正する。

（ステップＳ４５）
絶縁破壊させた劣化品について、絶縁破壊した劣化弱点箇所を探索し、劣化原因を特定する。

（ステップＳ４６）
ステップＳ４５で得られたデータを基に、次期製品では絶縁劣化箇所に電圧が加わらないようにモータ設計、絶縁構造設計を変更する。あるいは、絶縁劣化しやすい弱点箇所の絶縁を強化する。あるいは、絶縁劣化しやすい弱点箇所の製品製造時の検査を強化する。

本発明のインバータ駆動モータの巻線ターン間の絶縁評価方法、絶縁設計方法、生産、絶縁検査方法、保全診断方法の関連概念図を示す。 本発明のインバータ駆動モータの絶縁評価装置の一実施例の構成図を示す。 図２の絶縁評価装置で実施する絶縁評価方法のフローチャートを示す。 図２の試験電源部の具体的な構成の一例を示す図である。 図２の試験電源部の具体的な構成の他の例を示す図である。 図２の部分放電計測部の回路構成の一例を示す図である。 本発明のインバータ駆動モータの製品絶縁検査装置の一実施例の構成図を示す。 図７の製品絶縁寿命検査装置で実施する絶縁検査方法のフローチャートである。 図７の製品絶縁寿命検査装置の試験電源部の第一例の構成を示す図である。 図７の製品絶縁寿命検査装置の試験電源部の第二例の構成を示す図である。 図７の製品絶縁寿命検査装置の試験電源部の第三例の構成を示す図である。 図７の製品絶縁寿命検査装置の試験電源部の第四例の構成を示す図である。 図７の製品絶縁寿命検査装置の部分放電計測回路の一例を示す図である。 図７の製品絶縁寿命検査装置のＵＶＷ自動切換えスイッチユニットの回路構成例を示す図である。 図７の製品絶縁寿命検査装置の試験電源及び部分放電計測部に、実際のインバータ電源を組み込んだ例を示す図である。 本発明のインバータ駆動モータの診断装置の一実施例の構成図である。 図１６の診断装置の診断フローを示す図である。 本発明のインバータ駆動モータの巻線ターン間の絶縁評価方法等の効果を説明する実測データを示す図である。 パルス電圧が空気に課電されたときの火花放電遅れのモデルの説明図である。

符号の説明

１ 試験電源部
２ 部分放電計測部
３ データ計測記録装置
４ 試料絶縁材
５ コントロールライン

Claims (14)

1. インバータ駆動モータの巻線ターン間に発生するピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧とし、該試験電圧を試料絶縁材に課電して前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｐを計測し、前記ピーク電圧Ｖｍと前記寿命時間ｔｐとの関係を前記試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得し、取得した前記絶縁寿命特性に基づいて前記試料絶縁材の絶縁性能を評価するインバータ駆動モータ絶縁の評価方法。
2. インバータ駆動モータの巻線ターン間に発生するピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧とし、該試験電圧を試料絶縁材に課電して前記両極性交互パルス電圧の1サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｐを計測するとともに、前記ピーク電圧Ｖｍを有する周波数ｆｐの正弦波電圧を前記試料絶縁材に課電して該正弦波電圧の1サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｓと前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｓを計測し、前記両極性交互パルス電圧を前記試料絶縁材に課電したときの前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｐを、ｔｐ＝（Ｎｓ／Ｎｐ）・ｔｓにより推定し、該推定された前記寿命時間ｔｐと前記ピーク電圧Ｖｍとの関係を前記試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得し、取得した前記絶縁寿命特性に基づいて前記試料絶縁材の絶縁性能を評価することを特徴とするインバータ駆動モータの絶縁評価方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記モータの端子における対地間サージ電圧の大きさΔＶと立ち上がり時間ｔｒ及び繰り返し周波数ｆｐをシミュレーション又はモータを用いた計測により求め、該求めた対地間サージ電圧の大きさΔＶと立ち上がり時間ｔｒを有するサージ電圧をモータ端子の対地間に印加したときの前記ピーク電圧Ｖｍと前記パルス幅ｔｗをシミュレーション又はモータを用いた計測により求めることを特徴とするインバータ駆動モータの絶縁評価方法。
4. 請求項３において、
   前記対地間サージ電圧に代えて、前記モータの端子における相間サージ電圧を用いることを特徴とするインバータ駆動モータの絶縁評価方法。
5. 請求項１又は２において、
   前記モータの巻線ターン間に発生する電圧が振動波形の場合は、前記両極性交互パルス電圧として前記振動波形の周波数及び減衰時定数を反映した両極性交互パルス電圧を用いることを特徴とするインバータ駆動モータの絶縁評価方法。
6. 請求項１又は２において、
   前記試料絶縁材が初期から絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度を計測及び記録することを特徴とするインバータ駆動モータの絶縁評価方法。
7. インバータ駆動モータの巻線ターン間に発生するピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧として発生する試験電源部と、該試験電源部の試験電圧を試料絶縁材に課電して前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｐを計測する計測部と、該計測部により計測された前記ピーク電圧Ｖｍと前記寿命時間ｔｐとの関係を前記試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得するとともに、前記試験電源部と前記計測部を制御するデータ計測記録部とを備えてなるインバータ駆動モータの絶縁評価装置。
8. インバータ駆動モータの巻線ターン間に発生するピーク電圧Ｖｍとパルス幅ｔｗと周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を試験電圧として発生する試験電源部と、該試験電源部の試験電圧を試料絶縁材に課電して前記両極性交互パルス電圧の１サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｐを計測するとともに、前記ピーク電圧Ｖｍを有する周波数ｆｐの正弦波電圧を前記試料絶縁材に課電して該正弦波電圧の１サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｓと前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｓを計測する計測部と、前記両極性交互パルス電圧を前記試料絶縁材に課電したときの前記試料絶縁材が絶縁破壊するまでの寿命時間ｔｐを、ｔｐ＝（Ｎｓ／Ｎｐ）・ｔｓにより推定し、該推定された前記寿命時間ｔｐと前記ピーク電圧Ｖｍとの関係を前記試料絶縁材の絶縁寿命特性として取得するとともに、前記試験電源部と前記計測部を制御するデータ計測記録部とを備えてなるインバータ駆動モータの絶縁評価装置。
9. 請求項７又は８において、
   前記計測部は、前記試験電源部の出力端子にそれぞれ接続された試料接続端子及び結合コンデンサと、前記試料接続端子に接続される前記試料絶縁材に流れる電流を検出する貫通型又はクランプ型の電流センサとを備え、
   前記電流センサの貫通部又はクランプ部に、前記結合コンデンサと前記試験電源部の出力端子との接続線と、前記試料接続端子と前記試験電源部の出力端子との接続線が、互いに逆方向に貫通されてなることを特徴とするインバータ駆動モータの絶縁評価装置。
10. 請求項１乃至６のいずれかに記載のインバータ駆動モータの絶縁評価方法により取得された前記試料絶縁材の絶縁寿命特性に基づいて、モータの巻線ターン間の絶縁設計を行うインバータ駆動モータの絶縁設計方法。
11. 請求項１乃至６のいずれかに記載のインバータ駆動モータの絶縁評価方法により取得された前記試料絶縁材の絶縁寿命特性を準備し、
    設計対象のモータの巻線ターン間に発生する分担電圧のピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを設定し、設定したピーク電圧Ｖｍにおける寿命時間ｔｐを前記試料絶縁材の絶縁寿命特性（Ｖｍ−ｔｐ特性）に基づいて求め、求めた寿命時間ｔｐが製品に要求される寿命に比し長い場合には、その試料絶縁材を用いたモータの耐サージ電圧仕様と絶縁材の厚み、材質の設計仕様を決定するインバータ駆動モータの絶縁設計方法。
12. 請求項１乃至６のいずれかに記載のインバータ駆動モータの絶縁評価方法により取得されたピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧のピーク電圧Ｖｍと１サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｐの関係データ、及びモータ巻線ターン間のピーク電圧Ｖｍと絶縁寿命時間ｔｐの関係データを準備し、これらの関係データのＶｍを、該電圧を対象モータ巻線に印加するのに必要な大きさΔＶのサージ電圧に変換して標準品モータの絶縁寿命特性として設定し、モータ端子における対地間サージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒ、繰り返し周波数ｆｐを有するパルス電圧又は実際のインバータ電源のパルス電圧を検査対象に課電し、前記パルス電圧の１サージ電圧サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｘを計測し、該計測した部分放電発生頻度Ｎｘと前記標準品モータの絶縁寿命特性に基づいて大きさΔＶのサージ電圧を課電したときの絶縁寿命時間ｔｐと部分放電発生頻度Ｎｐを求めて、検査対象の絶縁寿命時間ｔｘを、ｔｘ＝（Ｎｐ／Ｎｘ）・ｔｐにより求め、求めた絶縁寿命時間ｔｘと設定された要求寿命時間とを比較して検査対象の絶縁を検査するインバータ駆動モータの絶縁検査方法。
13. モータ端子における対地間サージ電圧の大きさΔＶ、立ち上がり時間ｔｒ、繰り返し周波数ｆｐを有するパルス電圧又は実際のインバータ電源のパルス電圧を試験電圧として発生する試験電源部と、該試験電源部の試験電圧を検査対象のインバータ駆動モータに課電した際にパルス電圧の１サージ電圧サイクルあたりの部分放電発生頻度Ｎｘを計測する計測部と、該計測した部分放電発生頻度Ｎｘと前記インバータ駆動モータの標準品の絶縁寿命特性に基づいて大きさΔＶのサージ電圧を課電したときの絶縁寿命時間ｔｐと部分放電発生頻度Ｎｐを求めて、検査対象の絶縁寿命時間ｔｘをｔｘ＝（Ｎｐ／Ｎｘ）・ｔｐにより求め、求めた絶縁寿命時間ｔｘと設定された要求寿命時間とを比較して検査対象の絶縁を検査するデータ計測記録部を備え、
    前記インバータ駆動モータの標準品の絶縁寿命特性は、ピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を前記標準品のインバータ駆動モータの巻線ターン間絶縁材に課電し、１サイクルあたりのピーク電圧Ｖｍと部分放電発生頻度Ｎｐの関係データ、及びモータ巻線ターン間のピーク電圧Ｖｍと絶縁寿命時間ｔｐの関係データを予め計測し、該計測された関係データのＶｍを大きさΔＶのサージ電圧に変換して設定されてなるインバータ駆動モータの絶縁検査装置。
14. 請求項６に記載のインバータ駆動モータの絶縁評価方法により標準品のインバータ駆動モータの巻線ターン間絶縁材に、ピーク電圧Ｖｍ、パルス幅ｔｗ及び周波数ｆｐを有する両極性交互パルス電圧を課電し、絶縁破壊に至るまでの部分放電信号強度の経時変化データとモータ巻線ターン間のピーク電圧Ｖｍと絶縁寿命時間ｔｐの関係データを準備し、これらの関係データのＶｍを、該電圧を対象モータ巻線に印加するのに必要な大きさΔＶのサージ電圧に変換して標準品モータの絶縁寿命特性として設定し、診断対象のインバータ駆動モータについての絶縁破壊に至る前に機器を交換することを推奨するマージン時間ｘを決めるとともに、前記標準品モータの部分放電信号強度の経時変化データから絶縁寿命時間ｔｐよりもｘ年前の部分放電信号強度を求めて閾値θthを設定し、診断対象のインバータ駆動モータの部分放電を、常時もしくは定期的に計測し、計測された部分放電信号強度を前記閾値θthと比較して診断対象のインバータ駆動モータを診断することを特徴とするインバータ駆動モータの診断方法。

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