JP2012149971A - インバータ駆動回転電機の部分放電試験法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では回転電機の巻線ターン間にインバータ駆動時と同じ大きさの電圧を発生させて正しく巻線ターン間の部分放電を計測する方法を提供するとともに、これを用いて適切な品質を確保したインバータ駆動回転電機を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の目的は以下の方法によって実現できる。すなわち、回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に導電箔あるいは導電ゴムを設置し、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量を介して各部の対地電圧波形を計測し、この対地電圧波形の差分から、コイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を測定しながら部分放電計測する。また、測定した巻線ターン間電圧を基にインパルス電圧部分放電計測の試験電圧を決定する方法によって実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明の技術分野はインバータ駆動回転電機であり、特にインバータ駆動回転電機の部分放電計測法に関する。

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、回転電機の絶縁に関して様々な問題が発生する事が報告されている（例えば非特許文献１参照）。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サージ電圧が元の大きさの２倍まで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発生することなどが報告されている。このため、インバータ駆動用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インバータサージ絶縁耐力を有するか検査する必要がある。

インバータ駆動回転電機の絶縁検査方法の１つとして、インパルス電圧を用いた絶縁検査方法が行われている（特許文献１，非特許文献２，３）。この中で特に非特許文献２，３では、回転電機にインパルス電圧を印加して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電圧を発生させ、部分放電を計測している。この際、回転電機をインバータ駆動した際に回転電機に加わるインバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間のインパルス電圧を使用することが述べられている。

特開２０１０−８１９９号公報

電気学会技術報告第７３９号，ｐ.１２〜２０ ＩＥＣ６００３４−１８−４１ ＩＥＣ６００３４−１８−４２

しかしながら、実際には市販のインパルス電源の電圧立ち上がり時間は一定であり、常にさまざまなインバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間のインパルス電圧を作成し、回転電機に印加することが困難であった。また、大型回転電機では回転電機巻線とアース間には大きな静電容量（高周波に対しインピーダンスが小さくなる回路素子）が存在するため、無負荷で所定の電圧立ち上がり時間のインパルス電圧を発生できるインパルス電源を用意しても、回転電機を接続すると出力電圧の高周波成分が減衰し、回転電機には電圧立ち上がり時間が緩やかなインパルス電圧しか印加できない問題が発生した。

さらに、種々の検討の結果、インバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間のインパルス電圧を回転電機に印加しても、必ずしも回転電機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ることができず、巻線ターン間の部分放電試験が正しく行えない問題も発生した。つまり、従来、回転電機をブラックボックスとし、インバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間のインパルス電圧を印加すれば、回転電機内部でインバータ電圧と同じ電圧分布となっているものと仮定してきたが、実際には、高周波振動を伴う複雑なインバータ電圧波形と、三角波や矩形波型のインパルス電圧とでは電圧立下り部分の波形が異なるため、必ずしも同じ大きさの電圧を巻線ターン間に発生させることができず、不足電圧あるいは過剰電圧となり、インバータ駆動時と同じ電圧を発生させて巻線ターン間の部分放電を正しく計測できない問題が発生した。

このような問題を解決するため、回転電機巻線の絶縁を除去し、電圧分布測定用電極を直接、素線導体に接続し、電圧分布を測定しながら部分放電を測定することが考えられる。しかし、実際の出荷製品では絶縁を除去して電圧分布測定用電極を取り付けることができないため、現実的ではなかった。特にワニスを全含浸して製作する回転電機では、ワニスが細部まで含浸され強固に固着しているため、所定の箇所の絶縁だけを除去しようとしてもうまく除去できず、製品の絶縁部を損傷する問題があった。このような問題に対し少品種・大量生産される回転電機では、複数の回転電機のロットを抜き取り、電圧分布を測定して試験電圧を補正する対策を行うことができるが、大型回転電機のように多品種・少量生産の製品ではこのような方法を実施することができなかった。近年の解析技術の発達に基づき、複雑なインバータ電圧とインパルス電圧が印加された場合の電圧分布を比較し、これを基にインパルス電圧の大きさを補正することも考えられるが、解析の定数には設計図面を使用するため、実際の製品が設計図面どおりにできているかを検査する試験にこれを用いることは試験の本来の目的を逸脱する恐れがあった。

以上の問題を鑑み、本発明では回転電機の巻線ターン間にインバータ駆動時と同じ大きさの電圧を発生させて正しく巻線ターン間の部分放電を計測する方法を提供するとともに、これを用いて適切な品質を確保したインバータ駆動回転電機を提供することである。

本発明の目的は以下の方法によって実現できる。すなわち、回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に導電箔あるいは導電ゴムなどの電極を設置し、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ_xを介して各ターン導体部の対地電圧波形を計測し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を測定しながら部分放電を計測するインパルス部分放電試験法よって実現できる。

特に、この際、回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に電極を設置し、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ_xを介して各ターン導体部の対地電圧波形を計測し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を測定し、これを基に所定の巻線ターン間電圧となるインパルス試験電圧の大きさを決定して部分放電計測することにより、効率的にインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験を行うことができる。

さらに、以上のインパルス部分放電試験の際に、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に直列にコンデンサを接続し、この直列コンデンサに加わる対地電圧波形を測定し、別途計測した絶縁層の静電容量Ｃ_xと直列コンデンサの静電容量Ｃ_x′の比α_xから求めた分圧比を用いて巻線に発生する対地電圧波形に換算し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に加わる電圧を測定しながら部分放電を計測することで、浮遊容量など周囲の条件の影響を少なくすることができる。

特に、この際、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に直列にコンデンサを接続し、この直列コンデンサに加わる対地電圧波形を測定し、別途計測した絶縁層の静電容量Ｃ_xと直列コンデンサの静電容量Ｃ_x′の比α_xから求めた分圧比を用いて巻線に発生する対地電圧波形に換算し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に加わる電圧を測定し、これを基に所定の巻線ターン間電圧となるインパルス試験電圧の大きさを決定して部分放電計測することにより、効率的にインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験を行うことができる。

また、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に直列に接続するコンデンサに、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂・・Ｃ_nに対し一定の比率αとなる静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサを使用し、部分放電試験する際にこの静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサに発生する対地電圧波形の差分を求めてから、静電容量比αを基にコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を求め、これを測定しながら部分放電を計測することもできる。

特に、この際、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に直列に接続するコンデンサに、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂・・Ｃ_nに対し一定の比率αとなる静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサを使用し、部分放電試験する際にこの静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサに発生する対地電圧波形の差分を求めてから、静電容量比αを基にコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を求め、これを基に所定の巻線ターン間電圧となるインパルス試験電圧の大きさを決定して部分放電計測することにより、効率的にインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験を行うことができる。

なお、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に接続するコンデンサには、静電容量が電圧測定プローブの浮遊容量の１０倍以上であり、かつ、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層表面に電極を設置したときの部分放電開始電圧を（ＰＤＩＶ）としたとき、
Ｃ_x′＜（ＰＤＩＶ）・Ｃ_x／（Ｖ_imp−（ＰＤＩＶ））
の関係を満足するＣ_x′を用いることで電圧測定誤差の増加を抑制することができる。

本発明の適切な品質を確保したインバータ駆動回転電機は、以上のインパルス電圧部分放電試験法で巻線ターン間の部分放電試験を実施する回転電機の製造，検査工程によって実現することができる。

本発明の結果、回転電機の巻線ターン間にインバータ駆動時と同じ大きさの電圧を発生させて正しく巻線ターン間の部分放電を計測することができる。また、本方法によって適切な品質を確保したインバータ駆動回転電機を提供することができる。

実施例１のインパルス巻線ターン間部分放電計測方法および回転電機。 実施例１の回転電機のコイルエンド部。 コイルシリース接続部の断面図。 コイルターン導体部の断面図。 実施例１のインパルス巻線ターン間部分放電計測方法および回転電機の等価回路。 インバータ電圧波形発生装置。 インパルス電圧巻線ターン間部分放電計測方法のフロー。 第ｎ巻線ターン間規定試験電圧導出方法のフロー。 インバータ電圧印加時の巻線ターン間電圧。 回転電機を接続した際にのインパルス電圧波形および巻線ターン間電圧。 回転電機を接続した際にインバータと同じ電圧立ち上がり時間が実現できるインパルス電源を接続した際のインパルス電圧波形と巻線ターン間電圧。 実施例２の電極配置。 実施例３のコイル内巻線ターン間電圧分布測定方法。 Ｃ_x′の値を変化させたときの電圧計測誤差。 図３の箔電極と絶縁層の隙間の拡大図。 図４の箔電極と絶縁層の隙間の拡大図。

本発明の実施形態を、以下に図面を用いて説明する。

［実施例１］
図１に本発明の実施例１の構成を示す。測定対象となる回転電機１は、固定子２と回転子３から構成される。固定子２には固定子巻線４が配置されており、これに通電することで回転磁界を発生する。一方、回転子３はシャフト５に回転子コア１９が締結されている。回転電機が誘導電動機の場合には、これにかご型あるいは巻線型の回転子コイル６が挿入されている。また、同期電動機では回転子コイル６が界磁コイルとなっている。さらに、コイルを用いない永久磁石同期電動機の場合には、回転子コイル６の代わりに永久磁石が使用される。固定子２と回転子３はハウジング７に収められている。実施例１では、固定子巻線４の端部のコイル導体シリース部の表面にシリース絶縁部に対する金属箔電極９，ターン導体の絶縁層の表面にターン導体に対する金属箔電極８を設置し、さらにシリース絶縁の静電容量に対する直列コンデンサ１１，ターン導体の静電容量に対する直列コンデンサ１０を接続している。

測定対象となる回転電機１には、回転電機入力側の配線切り替え機構１５，金属箔電極側の配線切り替え機構１７を介してインピーダンスアナライザ１６が接続されており、回転電機巻線４のコイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層の静電容量を計測できるようにしている。また、測定対象となる回転電機１には、回転電機入力側の配線切り替え機構１５を介してインパルス試験電源１２と部分放電計測装置１３が接続されており、インパルス電圧を印加して部分放電を計測できるようにしている。さらに、測定対象となる回転電機１には、金属箔電極側の配線切り替え機構１７を介して電圧波形計測装置１８が接続されており、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量を介して各部の対地電圧波形を計測できるようにしている。この計測した電圧波形を電圧波形計測装置１８内部の図示しない演算処理機構で絶縁層の静電容量Ｃ_xと直列コンデンサの静電容量Ｃ_x′の比α_xから求めた分圧比によって実際に巻線に加わる対地電圧波形に換算し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に加わる電圧を測定し、インパルス電圧部分放電計測中に巻線ターン間に発生する電圧をモニタしながら部分放電計測することができる。また、測定した巻線ターン間電圧と印加したインパルス電圧の大きさの比率を基に、巻線ターン間に加わる電圧が所定の値になるようなインパルス試験電圧の大きさを決定し、インパルス試験電源１２に試験電圧の指令値を伝達する機構となっている。なお、回転電機に加わるインパルス試験電圧波形は、高電圧プローブ１４を介して電圧波形計測装置で計測される。

以上、図１では回転子３が組み込まれた回転電機１を例に回転電機のインパルス部分放電計測の実施例１の構成を示した。しかし、回転子３が無く固定子２のみの状態であっても本試験は実施できる。

図２に、図１の回転電機１の固定子巻線４端部を軸方向斜めから見た図を示す。ここでは、図１の回転子３は簡単のため図示していない。固定子２のコア２００には回転電機巻線を構成するコイル２０２を収めるスロット２０１が複数形成されており、ここに複数のコイルが収められている。複数のコイル同士は、コイルエンド部２０３において、シリース接続部２０４によってお互いに接続されている。このコイル導体シリース接続部には絶縁テープや絶縁シートが巻付けられており、外部と絶縁されている。実施例１では、このシリース絶縁層表面に回転電機口出し側第１コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０５，回転電機口出し側第２コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０７，回転電機口出し側第３コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０９が巻付けられている。また、金属箔電極とアース間には回転電機口出し側第１コイルのシリース接続部絶縁層上の直列コンデンサ２０６，回転電機口出し側第２コイルのシリース接続部絶縁層上の直列コンデンサ２０８，回転電機口出し側第回転電機口出し側第２コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極３コイルのシリース接続部絶縁層上の直列コンデンサ２１０が接続されている。一方、回転電機巻線のコイル、特に口出し側のコイルにはコイルのターン導体に正対する位置にターン導体に相対する金属箔電極２１１が設置され、これとアースの間にターン導体に相対する直列コンデンサ２１２が接続されている。

図３に、図２のコイルシリース部断面２１３部の構造を示す。実施例１では、１つのコイルの導体は素線２本から形成されており、これがシリース接続部では２組集まるため、コイル導体３０１は合計４本の素線から構成されている。素線の外周にはシリース接続部の絶縁層３０３が設置されている。さらにシリース接続部の絶縁層３０３の表面にはシリース接続部絶縁層に対する金属箔電極２０７が配置されている。この結果、コイル導体３０１と回転電機口出し側第２コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０７の間に絶縁層の静電容量３０２が形成される。さらに実施例１では先に述べたように、シリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０７とアース間に直列コンデンサ２０８が接続されている。

図４に、図２のコイル導体断面２１４部の構造を示す。実施例１の回転電機では、コイル導体は、素線導体４０１が２列，５段に配置されている。横方向に隣接する導体はコイルの外部で並列接続されており同電位となっている。一方、縦方向に隣接する導体はそれぞれがコイルのターンを形成し、実施例１のコイルでは５ターンを形成している。この素線導体４０１の外周にはターン絶縁４０２が巻かれており、急峻なインバータ電圧が回転電機に加わった際には、コイルのターン間を絶縁するターン絶縁部に大きな電圧が発生する。２本の素線導体からなるコイルの各ターン導体には、相対する位置にターン導体に相対する金属箔電極２１１が設置されており、コイル導体の外周を絶縁する外周絶縁４０３によって外周絶縁の静電容量４０４が形成されている。さらに実施例１では先に述べたように、ターン導体に相対する金属箔電極２１１とアース間にターン導体に相対する直列コンデンサ２１２がそれぞれ接続されている。

図５に、実施例１の回転電機の等価回路図を示す。実施例１では、直列に接続されたコイル５０５のコイル導体シリース部５０６およびその内部のコイルターン導体５０７の絶縁層の表面に金属箔電極を設置しており、各部ではコイル導体との間にコイルシリース接続部絶縁層の静電容量５０１（Ｃ₁〜Ｃ_n），コイルターン接続部絶縁層の静電容量５０３（Ｃ₁₂〜Ｃ₁₅）が形成されている。さらに、これらの静電容量に直列にコイルシリース接続部絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ５０２やコイルターン導体絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ５０４（Ｃ₁′〜Ｃ_n′）が接続されている。各部のコイルシリース接続部絶縁層の静電容量５０１あるいはコイルターン導体絶縁層の静電容量５０３を介してコイルシリース接続部絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ５０２あるいはコイルターン導体絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ５０４に電圧を分担させることで、インパルス試験電源１２でインパルス電圧を回転電機に印加した際に回転電機巻線の各部に発生する対地電圧波形を測定し、これを基に巻線ターン間に加わる電圧を常時あるいは一時的にモニタしながら、所定の電圧を巻線ターン間に発生させて、回転電機巻線ターン間の部分放電を部分放電計測装置１３で計測することができる。なお、印加したインパルス試験電圧は高電圧プローブ１４で同時に計測することができる。

以上、本発明の実施例１の機器構成を説明したが、次に試験手順をフローチャートで説明する。図７にインパルス部分放電試験のフローを示す。始めに、図１〜図５で説明した金属箔電極をコイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層の表面に設置する。
この際、金属箔電極と絶縁層表面の接触性をよくするため、外部からゴムなどの柔軟な物体で押さえることが望ましい。また、金属箔と絶縁層の間にはワセリンやグリースなど、後で容易に除去できるゲル状物質をはさむことで接触を良くすることもできる。さらに、金属箔を外部からゴムで押さえるのではなく、始めから導電ゴム電極を使用することもできる。このように電極を形成することができる場合には、フローのＳ７０４に進む。しかしながら、このような方法が困難な場合、あるいは、金属箔のエッジの電界集中が問題となる場合には、コイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層の表面に絶縁フィルムを巻き付け、これに導電塗料で電極パターンを描画する方法もできる。この場合、電極端部を拡散電極とすることで抵抗電界緩和させ電界集中を防止することができる。

次に、図１のインピーダンスアナライザ１６の接地側を回転電機入力側の配線切り替え機構１５を介して回転電機コイルのＵ，Ｖ，Ｗ三相の口出しのいずれかあるいは全てに接続し、一方、インピーダンスアナライザ１６の課電側を回転電機入力金属電極側の配線切り替え機構１７を介して各金属箔電極部に接続し、コイル導体シリース部およびコイルターン導体の各絶縁層の静電容量Ｃ_Xを計測する。その後、直列コンデンサＣ_X′を各部の金属箔電極とアースの間に接続する。この結果、計測した絶縁層の静電容量Ｃ_Xと直列コンデンサＣ_X′の静電容量比α_Xが求められる。次に、図１の回転電機入力側の配線切り替え機構１５でインピーダンスアナライザを回転電機から切り離し、回転電機のＵ，Ｖ，Ｗ三相のいずれかにインパルス試験電源１２の電圧出力を部分放電計測装置１３を介して接続する。なお、実施例１ではインパルス試験電源１２と回転電機１の間に直列に接続するタイプの部分放電計測装置１３を使用しており、かつ、部分放電計測装置１３内部での電圧降下は小さいため、インパルス試験電源１２の出力とほぼ同じ電圧を部分放電計測装置１３の出力を介して回転電機に印加できる。一方、金属箔電極側の配線切り替え機構１７で、回転電機巻線のコイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層各部の表面に設置した電極をインピーダンスアナライザから切り離し、電圧波形計測装置１８に図示しない電圧測定プローブを介して接続する。次に、インパルス電源からあるインパルス電圧を出力し、このインパルス電圧Ｖ_impの波形および、この際回転電機の回転電機巻線のコイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層各部の表面に設置した複数の電極の対地電圧Ｖ_n′，Ｖ_n+1′の波形を測定する。測定した電圧波形と先に求めた各電極部の容量分圧比α_n，α_n+1を使って各ターン導体の対地電圧波形を求め、さらにこの電圧波形の差分を電圧波形計測装置１８の内部演算機構で計算することで第ｎ巻線ターン間の電圧を導出する。
この第ｎ巻線ターン間の電圧が第ｎ巻線ターン間規定試験電圧Ｖ_nt-t(inv)と異なる場合には、導出した第ｎ巻線ターン間の電圧のピーク to ピーク電圧を課電したインパルス電圧のピーク電圧Ｖ_impで割ることで第ｎ巻線ターン間の電圧分担率を求める。このインパルス電圧分担率β_n(imp)で、試験仕様で定められた第ｎ巻線ターン間規定試験電圧Ｖ_nt-t(inv)を割ることによりインバータ駆動回転電機の巻線ターン間部分放電試験で必要となるインパルス試験電圧Ｖ_testを求めることができ、この電圧を使って対象回転電機の巻線ターン間の部分放電計測を行うことで、回転電機をインバータ駆動した際に巻線ターン間で発生する部分放電の有／無や発生状況を測定することができる。なお、試験が全て完了した後、コイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層各部の表面に設置した複数の電極は除去し、回転電機を出荷することができる。

図７では、予め第ｎ巻線ターン間規定試験電圧Ｖ_nt-t(inv)が試験仕様で決められている場合の試験フローを説明した。しかし、この第ｎ巻線ターン間規定試験電圧Ｖ_nt-t(inv)が与えられていない場合に、これを求める試験フローを、図８を用いて説明する。先に図７で説明したように、回転電機に電極を設置する工程（Ｓ８０１）から静電容量分圧比を求める工程（Ｓ８０６）までは同じであるため、説明を省略する。ここでは、インバータ電圧あるいはこれを模擬した電源を図１のインパルス試験電源１２および部分放電計測装置１３と置き換え、回転電機入力側の配線切り替え機構１５を介して回転電機コイルのＵ，Ｖ，Ｗ三相にインバータ電圧を印加する。インバータ電圧には、実際の高電圧インバータを使用しなくても、図６に示すように、低圧インバータ６０１とケーブル６０２の出力６０３を使用することで作成することができる。また、インバータ電圧を模擬した電源には低電圧の任意波形発生器を使用することができる。このインバータ電圧を印加したときのインバータ電圧Ｖ_invの波形および、この際回転電機の回転電機巻線のコイル導体シリース部およびコイルターン導体の絶縁層各部の表面に設置した複数の電極の対地電圧Ｖ_n′，Ｖ_n+1′の波形を測定する。測定した電圧波形と先に求めた各電極部の容量分圧比α_n，α_n+1を使って各部の導体の対地電圧波形を求め、さらにこの電圧波形の差分を電圧波形計測装置１８の内部演算機構で計算することで第ｎ巻線ターン間の電圧を導出する。さらに、導出した第ｎ巻線ターン間の電圧のピーク to ピーク電圧を課電したインバータ電圧のピーク電圧Ｖ_invで割ることで第ｎ巻線ターン間の電圧分担率β_n(inv)を求める。このインバータ電圧分担率β_n(inv)を、インバータ駆動したときに回転電機端に発生する対地電圧急峻電圧変化量ΔＶ_gにかけることで、第ｎ巻線ターン間規定試験電圧Ｖ_nt-t(inv)を求めることができる。なお、インバータ駆動したときに回転電機端に発生する対地電圧急峻電圧変化量ΔＶ_gは回転電機の発注仕様に記載されている場合にはこれを使用し、記載されていない場合には、インバータ駆動したときに回転電機端に発生する相間電圧の急峻電圧変化量ΔＶ_gでこれを代用することができる。

以上の方法によって、インバータ電圧波形とは異なるインパルス電圧波形を用いて、回転電機の巻線ターン間にインバータ駆動時と同等の適切な電圧を印加して正しく巻線ターン間の部分放電を計測ことができる。また、本方法を用いて適切な品質を確保したインバータ駆動回転電機を提供することができる。

以上の実施例１では、汎用性の観点から、図５に示すコイルシリース接続部絶縁層の静電容量５０１あるいはコイルターン導体部絶縁層の静電容量５０３の静電容量Ｃ_Xとコイルシリース接続部絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ５０２あるいはコイルターン導体部絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ５０３の静電容量Ｃ_X′の比率α_Xが任意の値をとる場合を例に説明した。しかしながら、この値が一定値α_constになるように各直列コンデンサの静電容量Ｃ_X′の値を調整することにより、各直列コンデンサで測定した対地電圧波形を直接差分演算し、これに（１＋α_const）をかけることで巻線ターン間に発生する電圧を求めることができる。このようにすることで、図７のＳ７０８や図８のＳ８０８での波形演算が簡単になり、リアルタイムで巻線ターン間に発生する電圧をモニタしながら部分放電計測を行うことができるようになる。

また、実施例１で用いる直列コンデンサの静電容量Ｃ_X′の値と電圧測定誤差の関係の例を図１４に示す。一般に、図１の電圧波形計測装置１８やこれに付属している電圧測定プローブには浮遊容量が存在する。このため、直列コンデンサの静電容量の値が小さいと絶縁層の静電容量Ｃ_Xと直列コンデンサの静電容量Ｃ_X′の比率α_Xが正確でなくなり電圧測定誤差が大きくなる。前述の非特許文献１，２の絶縁検査試験法では、電圧変動にともなう安全率を１割考慮していることを鑑みると、図１４で同様に電圧測定誤差が１割を超えないためには、Ｃ_X′の値を電圧測定プローブの１０倍以上にする必要がある。

一方、Ｃ_X′の値を大きくしていくと、コイル導体シリース部やコイルターン導体の絶縁層の内部や電極と絶縁層の間の空隙で部分放電が発生し、この部分放電によって測定電圧が変動して誤差が発散する問題が発生する。具体的には、図３のコイルシリース接続部の絶縁層３０３とコイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０７の間には微小な隙間が存在する。また、図４の外周絶縁４０３とターン導体に相対する金属箔電極２１１の間には微小な隙間が存在する。

この結果、それぞれ、図１５あるいは図１６に示すようにコイルシリース接続部絶縁層と金属箔の間の空隙１５０１あるいはターン導体部の絶縁層と金属箔の間の空隙１６０１が発生する。これらの空隙部分に高電圧が加わると空隙部分で瞬間的に空隙の短絡１５０２あるいは空隙の短絡１６０２（部分放電）が発生し、測定電圧が大きく変動する問題が発生する。このため、部分放電開始電圧を超える電圧がコイル導体３０１とシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０７との間，素線導体４０１とターン導体に相対する金属箔電極２１１との間に加わってはならない。この部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）は高電圧電源を回転機巻線に接続し、箔電極を接地し、高電圧電源の電圧を０Ｖから昇圧していき、部分放電測定器で部分放電が発生したときの電圧を測定することで計測できる。したがって、あらかじめ測定した（ＰＤＩＶ）を超える電圧がコイル導体３０１とシリース接続部絶縁層上の金属箔電極２０７との間，素線導体４０１とターン導体に相対する金属箔電極２１１との間に加わらないように直列コンデンサＣ_X′の上限値を決定する必要がある。この直列コンデンサＣ_X′の上限値は、（ＰＤＩＶ）・Ｃ_x／（Ｖ_imp−（ＰＤＩＶ））によって与えられる。以上のことから、直列コンデンサＣ_X′の有効範囲は図１４に示すような範囲となる。なお、絶縁層の部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ）がインパルス試験電圧Ｖ_impよりも高い場合には、試験電圧によってコイル導体シリース部やコイルターン導体の絶縁層の内部や電極と絶縁層の間の空隙で部分放電が発生しないため、図１４の上限は存在しない。

［実施例２］
実施例１では、図４に示すように、コイル絶縁層の同じ面に電極を設置した。しかしながら、コイル導体の２列の導体は同電位であるため、実施例２では、図１２に示すように、一方のコイル絶縁層に奇数段導体に対応する金属箔電極１２０１と奇数段導体に対応した金属箔電極への直列コンデンサ１２０５を設置し、反対側のコイル絶縁層にその他のコイルターン導体に相対する偶数段導体に対応する金属箔電極１２０２と偶数段導体に対応した金属箔電極への直列コンデンサ１２０６を設置した。このようにすることで、金属箔電極間の距離を大きくとることができ、金属箔電極間の誤接触や放電を防止することができる。

［実施例３］
実施例１では、図２に示すように、コイル導体シリース部とコイルターン導体の絶縁層の両方に金属箔電極を設置した。しかしながら、コイルの寸法が小さい場合には、コイルターン導体の絶縁層表面に金属箔電極を設置することが困難である。実施例３では、このような場合の対策をしたものである。すなわち、図２のコイル導体シリース部にのみ金属箔電極を取り付け、これによってコイルの巻き始めと巻き終わり間に発生するコイル分担電圧波形を求める。このコイルの巻き始めと巻き終わり間に発生するコイル分担電圧波形を図１３に示す任意波形発生器１３０１によって出力させ、この電圧を回転電機コイル１３０２に印加し、回転電機コイルの巻線ターンに設置した電圧分布測定電極１３０４によって電圧波形計測装置１３０３で巻線ターン間電圧を測定し、図７および図８の巻線ターン間電圧分担率β_n(imp)，β_n(inv)を求める。本方法ではコイルの絶縁層を除去して電圧分布測定電極１３０４によって直接コイルターン間の電圧を測定するが、回転電機とは別に、ただし回転電機と同じ製作工程で製作したコイルを使用し測定しているため、出荷製品を損傷することはない。

［比較例］
図９にインバータ電圧を回転電機に印加したときの対地電圧と、この結果発生する巻線ターン間電圧波形の例を示す。比較例１のインバータでは電圧立ち上がり時間ｔｒ＝０.２５μｓのインバータ電圧９０１が回転電機に加わっている。この電圧が回転電機巻線を伝播してインバータ電圧９０２が発生している。これらの電圧の差分であるインバータ電圧課電時の巻線ターン間電圧９０３が巻線ターン間に発生している。
回転電機端に加わる対地電圧の大きさに対し巻線ターン間には１３６％の電圧が発生している。

一方、この複雑なインバータ電圧波形と同じ電圧立ち上がり時間ｔｒ＝０.２５μｓのインパルス電圧を無負荷で発生できるインパルス電源を回転電機に接続して巻線ターン間の電圧を測定した結果を図１０に示す。回転電機に加わるインパルス電圧１００１の電圧立ち上がり時間ｔｒは０.３０μｓに変化している（ただし、ここでは負極性インパルス電源を使用している）。また、巻線間には印加した急峻電圧の９７％の電圧しか発生していない。このように、回転電機にインバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間の電圧を印加しようとしても、一般には電圧立ち上がり時間が変化してしまう問題が発生する。

次に、回転電機を接続してもｔｒ＝０.２５μｓのインパルス電圧を印加できるインパルス電源を探索し試験した。この結果を図１１に示す。このインパルス電源の出力波形は矩形波であった。図に示すように、回転電機には電圧立ち上がり時間ｔｒ＝０.２５μｓのインパルス電圧１１０１が印加できている。この電圧が回転電機巻線を伝播してインパルス電圧１１０２が発生している。この差分である電圧１１０３が巻線ターン間に発生している。ところが、インパルス電圧の電圧立ち上がり時間を回転電機端におけるインバータ電圧９０１と同じにしたにも関わらず、巻線ターン間には印加した急峻電圧に対し１６１％の電圧が発生しており、図１１の電源を使用した場合には、図９の場合よりも大きな電圧が巻線ターン間に発生している。つまり、回転電機をブラックボックスとみなし、外部からインバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間の電圧を印加するだけではインバータ駆動時に巻線ターン間に発生する電圧と同じ電圧を発生させ、正確に巻線ターン間の部分放電を測定できないことを示している。

以上の鋭意検討の結果、回転電機をブラックボックスとみなし、外部からインバータ電圧と同じ電圧立ち上がり時間の急峻電圧を印加する従来のインパルス電圧巻線ターン間部分放電計測では、インバータ駆動回転電機の巻線ターン間の部分放電を正確に測定することが困難である。また、この試験方法を含む製作工程ではインバータ駆動に適した回転電機を提供することが困難であった。

１ 回転電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 固定子巻線
５ シャフト
６ 回転子コイル
７ ハウジング
８ ターン導体に対する金属箔電極
９ シリース絶縁部に対する金属箔電極
１０ ターン導体の静電容量に対する直列コンデンサ
１１ シリース絶縁の静電容量に対する直列コンデンサ
１２ インパルス試験電源
１３ 部分放電計測装置
１４ 高電圧プローブ
１５ 回転電機入力側の配線切り替え機構
１６ インピーダンスアナライザ
１７ 金属箔電極側の配線切り替え機構
１８，１３０３ 電圧波形計測装置
１９ 回転子コア
２００ 固定子コア
２０１ スロット
２０２ コイル
２０３ コイルエンド部
２０４ シリース接続部
２０５ 回転電機口出し側第１コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極
２０６ 回転電機口出し側第１コイルのシリース接続部絶縁層の直列コンデンサ
２０７ 回転電機口出し側第２コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極
２０８ 回転電機口出し側第２コイルのシリース接続部絶縁層の直列コンデンサ
２０９ 回転電機口出し側第３コイルのシリース接続部絶縁層上の金属箔電極
２１０ 回転電機口出し側第３コイルのシリース接続部絶縁層の直列コンデンサ
２１１ ターン導体に相対する金属箔電極
２１２ ターン導体に相対する直列コンデンサ
２１３ コイルシリース部断面
２１４ コイル導体断面
３０１ コイル導体
３０２ 絶縁層の静電容量
３０３ シリース接続部の絶縁層
４０１ 素線導体
４０２ ターン絶縁
４０３ 外周絶縁
４０４ 外周絶縁の静電容量
５０１ コイルシリース接続部絶縁層の静電容量
５０２ コイルシリース接続部絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ
５０３ コイルターン導体部絶縁層の静電容量
５０４ コイルターン導体部絶縁層の静電容量に対する直列コンデンサ
６０１ 低圧インバータ
６０２ ケーブル
６０３ 出力
９０１ 回転電機端におけるインバータ電圧
９０２ 回転電機巻線を伝播したインバータ電圧
９０３ インバータ電圧課電時の巻線ターン間電圧
１００１ インパルス電圧
１００２ 回転電機巻線を伝播したインパルス電圧
１００３ インパルス電圧を印加したときの巻線ターン間電圧
１１０１ ｔｒ＝０.２５μｓのインパルス電圧
１１０２ 回転電機巻線を伝播したインパルス電圧
１１０３ ｔｒ＝０.２５μｓのｔｒ＝０.２５μｓのインパルス電圧を印加したときの巻線ターン間電圧
１２０１ 奇数段導体に対応する金属箔電極
１２０２ 偶数段導体に対応する金属箔電極
１２０５ 奇数段導体に対応した金属箔電極への直列コンデンサ
１２０６ 偶数段導体に対応した金属箔電極への直列コンデンサ
１３０１ 任意波形発生器
１３０２ 回転電機コイル
１３０４ 電圧分布測定電極
１５０１ コイルシリース接続部絶縁層と金属箔の間の空隙
１５０２，１６０２ 空隙の短絡
１６０１ ターン導体部の絶縁層と金属箔の間の空隙

Claims (8)

1. 回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に電極を設置し、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ_xを介して各ターン導体部の対地電圧波形を計測し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を測定しながら部分放電を計測することを特徴とするインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
2. 回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に電極を設置し、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ_xを介して各ターン導体部の対地電圧波形を計測し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を測定し、これを基に所定の巻線ターン間電圧となるインパルス試験電圧の大きさを決定して部分放電計測することを特徴とする請求項１のインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
3. コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に直列にコンデンサを接続し、この直列コンデンサに加わる対地電圧波形を測定し、別途計測した絶縁層の静電容量Ｃ_xと直列コンデンサの静電容量Ｃ_x′の比α_xから求めた分圧比を用いて巻線に加わる対地電圧波形に換算し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に加わる電圧を測定しながら部分放電を計測することを特徴とする請求項１のインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
4. コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に直列にコンデンサを接続し、この直列コンデンサに加わる対地電圧波形を測定し、別途計測した絶縁層の静電容量Ｃ_xと直列コンデンサの静電容量Ｃ_x′の比α_xから求めた分圧比を用いて巻線に加わる対地電圧波形に換算し、この対地電圧波形の差分からコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を測定し、これを基に所定の巻線ターン間電圧となるインパルス試験電圧の大きさを決定して部分放電計測することを特徴とする請求項２のインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
5. コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂・・Ｃ_nに対し一定の比率αとなる静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサを回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に設置した電極とアース間に接続し、部分放電試験する際にこの静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサに発生する対地電圧波形の差分と静電容量の一定比αからコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を求め、これを測定しながら部分放電を計測することを特徴とする請求項３のインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
6. コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量Ｃ₁，Ｃ₂・・Ｃ_nに対し一定の比率αとなる静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサを回転電機巻線のコイルの導体シリース接続部あるいはコイルのターン導体の絶縁層表面に設置した電極とアース間に接続し、部分放電試験する際にこの静電容量Ｃ₁′，Ｃ₂′・・Ｃ_n′のコンデンサに発生する対地電圧波形の差分と静電容量の一定比αからコイルおよびコイル内の巻線ターン間に発生する電圧を求め、これを基に所定の巻線ターン間電圧となるインパルス試験電圧の大きさを決定して部分放電計測することを特徴とする請求項４のインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
7. コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層の静電容量に対しアース間に接続するコンデンサの静電容量は、電圧測定プローブの浮遊容量の１０倍以上であり、かつ、コイル導体シリース部あるいはコイルターン導体の絶縁層表面に電極を設置したときの部分放電開始電圧を（ＰＤＩＶ）としたとき、
   Ｃ_x′＜（ＰＤＩＶ）・Ｃ_x／（Ｖ_imp−（ＰＤＩＶ））
   の関係を満足するＣ_x′を用いる請求項１〜６のインバータ駆動回転電機のインパルス部分放電試験法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のインパルス部分放電試験法を用いて製造した回転電機。

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