JP2021132480A

JP2021132480A - 電動機システム及び放電検出方法

Info

Publication number: JP2021132480A
Application number: JP2020027042A
Authority: JP
Inventors: 勇一郎吉武; Yuichiro Yoshitake; 悟天羽; Satoru Amo; 亮茂木; Akira Mogi; 新太郎武田; Shintaro Takeda; 敦大嶽; Atsushi Otake
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: JP7358271B2

Abstract

【課題】複雑な装置を使用しなくても放電検出をすることができる電動機システムを提供する。【解決手段】電動機システムは、課電部を有する電動機システムにおいて、課電部またはその近傍に放電検出材１を配置した。電動機システムにおいて、スイッチング素子、基板、冷却路、コンデンサを含んで構成される電力変換装置を有し、電力変換装置の課電部またはその近傍に放電検出材１を配置した。コイル、ステータコア、絶縁を含んで構成される回転電機を有し、回転電機の課電部またはその近傍に放電検出材１を配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機システムに関するもので、特に放電の検出に関する。

地球温暖化を抑止するため、全世界においてＣＯ_２排出規制が強化されつつあり、化石燃料を使用するエンジンの代替として、動力系統の電動化が盛んに進められている。その一方で、電動機システム（ここでは回転機、電力変換装置、バッテリーなどを含んだ装置群）に対してその出力密度は現行の２倍以上を要求されており、高電圧化への対応技術が求められている。

その一方で、絶縁システムの低コスト化が求められているが、そのためには絶縁特性における余剰な裕度を無くす必要がある。余剰な裕度を無くすためには、診断システムにより異常が発生した場合に検知できることが必要となる。

特許文献１には、「回転電機のコイルに流入する空気のオゾン濃度を検知する第１オゾン検知部と、コイルの周辺の空気又はコイルの周辺から流出する空気のオゾン濃度を検知する第２オゾン検知部と、第１オゾン検知部で検知した第１オゾン濃度と第２オゾン検知部で検知した第２オゾン濃度との差値に基づいて部分放電発生状況を監視する部分放電監視部と、を備えた回転電機の部分放電監視装置」が提案されている。

特許文献２には、「冷却機能を有するスイッチング素子モジュールは、外導体筒と、少なくとも一部が前記外導体筒の内側に位置し、前記外導体筒と共に電力を伝送する内導体筒と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、を備え、前記内導体筒は、前記外導体筒の開口から突出した突出部分を有し、前記第１スイッチング素子は前記外導体筒の外側面に設けられ、前記第２スイッチング素子は前記突出部分の外側面に設けられ、前記内導体筒の内側、前記突出部分の外側および前記外導体筒の外側に冷媒が流通すること」が記載されている。

特開２０１８−２００１７９号公報特開２０１４−１３５４１０号公報

特許文献１においては、回転電機の所定周期の定期点検時に外部に取り出して回収し、回収した第１オゾン検知部及び第２オゾン検知部を構成するオゾン吸収材を、窒素ガスで脱気して蓄積したオゾン濃度を測定し、測定結果を放電劣化監視部に出力する。すなわち、オゾン吸収剤を回収して診断し、オゾン濃度を検知が可能であるが、回収部、分析部からなりシステムが煩雑である上に、回転機の構造によっては回収部が取り付けられない可能性がある。

特許文献２は、輸送機器用の電力変換装置を対象としたものであり、冷却型スイッチング素子モジュールにおいて、導体の容量を増加し、かつインダクタンスを低減することでサージ電圧を抑制して、部分放電の発生を抑制する。本質的に、設計により放電発生を抑制するものであるが、突発的な異常により放電が発生した場合に検知できる機能を有するものではない。

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、複雑な装置を使用しなくても放電検出をすることができる電動機システム及び放電検出方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電動機システムは、課電部を有する電動機システムにおいて、課電部またはその近傍に放電検出材を配置したことが特徴である。

電動機システムにおいて、スイッチング素子、基板、冷却路、コンデンサを含んで構成される電力変換装置を有し、電力変換装置の課電部またはその近傍に放電検出材を配置した。コイル、ステータコア、絶縁を含んで構成される回転電機を有し、回転電機の課電部またはその近傍に放電検出材を配置した。

放電検出材は、オゾンガスと反応する材料である、ヨウ化カリウム、半導体薄膜、ＨＶＡ（ヒドロキシーメトキシフェニル酢酸）、ＨＰＰＡ（ヒドロキシフェニルプロピオン酸）、アセトアミドフェノールのいずれかであることが特徴である。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、複雑な装置を使用しなくても放電検出をすることができる。

第１実施形態に係る電力変換装置に対する放電検出を示す図である。第２実施形態に係る電力変換装置のバスバに対する放電検出を示す他の図である。第３実施形態に係る電力変換装置のバスバに対する放電検出を示すその他の図である。第４実施形態に係る回転電機に対する放電検出を示す図である。第５実施形態に係る回転電機に対する放電検出を示す他の図である。第６実施形態に係る回転電機に対する放電検出を示すその他の図である。電動機システムの概要を示す図である。

本発明の一実施形態の目的は、主に３００Ｖ以上の課電部を有する電気機器であって、その課電部付近に放電検出材を配置した電動機システムを供することにある。特に放電が発生しやすい部位を対象とするものであり、例えば、回転機であればコイルエンド部とする。電力変換装置であればバスバ、ワイヤーボンディングなどが該当する。

以下の実施形態では、主として定格電圧３００〜３０００Ｖにおける電動機システムの部分放電検出に関するものである。ただし、部分放電を生じうる機器全般に対して部分放電検出は適用できる。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置に対する放電検出を示す図である。パワーモジュールであるスイッチング素子１３、基板、冷却フィン１５（冷却路）、コンデンサ１６、バスバ１１などで構成される定格電圧３００Ｖ以上の電力変換装置において、部分放電が発生しやすい部位に放電検出機構もしくは放電検出材１を提供するものである。なお、パワーモジュールとは、複数のパワー半導体を組み合わせたものをいう。

図１に示すように、コンデンサ１６とスイッチング素子１３とはバスバ１１で接続されている。この場合に、例えば、放電が発生しやすいバスバ１１の表面、バスバ１１とスイッチング素子１３とを接続するリード線などに放電検出材１（斜線部分）を配置する。放電検出材１は、バスバ１１等に塗布しても吹き付けてもよい。

電力変換装置においては、往復電流のキャンセリングによりバスバ１１のインダクタンスを低減するために、バスバ１１間の絶縁距離を短くし、かつ、バスバ１１の表面積を広くしている。そのため、面積が大きいほど異物付着、剥離、ボイド、クラックなどによる絶縁不良が発生しやすくなり高い絶縁性を要求される。

放電検出材として、例えば、オゾンガスと反応する材料を適用する。これは、放電が発生した際に生じるオゾンガスを検知することで、間接的に放電を検出するものである。オゾンガスを検知する材料としては、例えば、ヨウ化カリウム、半導体薄膜、ＨＶＡ（ヒドロキシーメトキシフェニル酢酸）、ＨＰＰＡ（ヒドロキシフェニルプロピオン酸）、アセトアミドフェノールなどを適用することができるがオゾンガスと反応するものであれば前記に限定するものではない。

例えば、ヨウ化カリウムによるオゾン検出を以下の化学式で説明する。以下の化学式の通り、オゾンとヨウ化物イオンと水が反応することによりヨウ素が発生する。ヨウ素による着色によりオゾンが発生したことを検出することが可能である。
Ｏ_３＋２Ｉ⁻＋Ｈ_２Ｏ⇒Ｉ_２＋Ｏ_２＋２ＯＨ⁻
ヨウ化カリウムを含ませた樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を、バスバ１１等に塗装するとよい。実際には、気中の水分とオゾンとが反応し、樹脂部分が変色する。

半導体薄膜には、例えば、ガラス上ゲルマニウム薄膜がある。ゲルマニウム薄膜は、オゾンガスと反応すると変色する。
以上により、電力変換装置において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第２実施形態＞
図２は、第２実施形態に係る電力変換装置のバスバ１１に対する放電検出を示す他の図である。適宜図１を参照する。電力変換装置においては、コンデンサ１６とスイッチング素子１３の間のバスバ１１０などにおいてバスバ１１０間に絶縁材１１３を挟み、絶縁距離を短縮させることがある。これを一般的にラミネートバスバなどと称するが、ラミネートバスバにおける電気ストレスは他の部分より高く、異物付着などがあると部分放電が発生しやすくなる。

よって、ラミネートバスバの絶縁材１１３との接触面に放電検出材１を配置することにより、対向するバスバ１１１，１１２との間に生じる放電を検知することが有効であり、以上により、電力変換装置において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第３実施形態＞
図３は、第３実施形態に係る電力変換装置のバスバ１１に対する放電検出を示すその他の図である。適宜図１を参照する。高圧のマルチレベルインバータ（多重レベルインバータ）などにおいてはスイッチング素子１３を複数直列に配置して電圧が分圧される構造となり、スイッチング素子１３の間に電位差が生じる。

したがって、スイッチング素子１３間のバスバ１１とそれに隣接するバスバ（図示しない）の間で電気的ストレスが高くなる。異常時などにおいて、当該部での部分放電をいち早く検知するために、バスバ１１の表面に放電検出材１を配置する。
以上により、電力変換装置において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第４実施形態＞
図４は、第４実施形態に係る回転電機に対する放電検出を示す図である。回転電機とは、発電機や電動機のように，回転部分を有するものを回転電機（回転電気機械）という。
図４では、課電される固定子の概略図を示している。固定子はステータコア２３、コイル、絶縁紙などから構成され、コイルがコアに収まらない両端部をコイルエンド２１という。スロットライナ２４は、固定子スロット内に備えられ、コイルを固定子コアから電気的に隔離するものである。

コイルエンド２１において放電が発生しやすいため、コイルエンド２１の部分に放電検出材１を設ける。ただし、固定子に限らず、回転子にも課電される二次励磁機のコイルエンドにも本実施形態は適用可能である。

放電検出材としては、第１実施形態と同様にオゾンガスと反応する材料を適用できる。以上により、回転電機において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第５実施形態＞
図５は、第５実施形態に係る回転電機に対する放電検出を示す他の図である。図５では、電気が課電される固定子の概略図を示している。固定子は、前記したように、ステータコア２３、コイル、絶縁紙などから構成され、コイルがコアに収まらない両端部をコイルエンド２１という。

インバータなどの電力変換装置で駆動される回転機においては、このコイルエンド２１の口出し部にサージ電圧が印加されて電気的ストレスが高くなる。異常時などにおいて、当該部での部分放電をいち早く検知するために、口出し線２５の表面に放電検出材１を配置する。以上により、回転電機において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第６実施形態＞
図６は、第６実施形態に係る回転電機に対する放電検出を示すその他の図である。適宜図５を参照する。図６では、電気が課電される固定子の概略図を示している。固定子はステータコア２３、コイル、絶縁紙などから構成され、異なる相間（例えば、Ｕ相のコイルエンド２１Ｕ、Ｗ相のコイルエンド２１Ｗ）において、絶縁紙を設けることがある。この絶縁紙にはテフロン（登録商標）やアラミド紙などが適用される。

異相間においては、電気的なストレスが高くなる。異常時などにおいて、当該部での部分放電をいち早く検知するために、放電検出材１を塗布した絶縁材２を用いる。具体的には、異相間の絶縁紙の表面に放電検出材１を塗布する。
以上により、回転電機において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第７実施形態＞
第７実施形態では、放電検出材１として半導体薄膜を適用する。半導体薄膜においてはオゾンガスにより酸化し、抵抗が上がる。その抵抗の増加分を検知することで、オゾンガスの検知を可能とする。第７実施形態の半導体薄膜は、電力変換装置および回転電機の両者ともに適用可能なものである。

この場合は、抵抗の検出機構が必要となる。課電部に検出機構を配置するのは難しいため、この場合は、課電部近傍の電圧がかかっていない部位に配置する。

本実施形態は、これまで記載した第１実施形態から第５実施形態の構造に対して配置が可能である。例えば、回転電機の場合はコア端部のコイルエンド２１（図４参照）近傍などが該当する。電力変換装置においては、バスバ周辺のラミネート絶縁材やスイッチング素子の絶縁筐体などに配置する。
以上により、回転電機及び電力変換装置において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

＜第８実施形態＞
第８実施形態では、放電検出材１として蓄光材を適用する。これは、放電により発生する光を検出するものである。第８実施形態においては、電力変換装置および回転電機の両者ともに適用可能なものである。

蓄光材としては、シリコン、シリケートアルミネード混合系、アルカリ土類アルミン酸塩系、アルミン酸ストロンチウム（ＳｒＡｌ_２Ｏ_４）、ユーロピウムなどが適用されるが光を蓄えられるものであれば、前記に限定されるものではない。

蓄光材を用いる場合、放電検出の確認として以下の方式がある。連続運転性が高く、筐体が密閉されている機器に対しては、カメラを内蔵して常時監視することが考えられる。もしくは、カメラを内属するのではなくその筐体にガラス窓を設けて、カメラもしくは目視などにより確認することが可能である。

連続運転性が高くない機器においては、定期点検などで確認することが可能である。この場合、定格以上の電圧で前運転して通常以上の負荷を与えておく。その直後に、目視などにより光る部分を確認し、放電を検出することが可能である。

ただし、蓄光材における放電検出の確認方法は前記に限定するものではなく、放電光を確認できる手法であればその過程を問うものではない。
以上により、回転電機及び電力変換装置において、汎用性の高い部分放電検出が可能となる。

第１実施形態から第６実施形態において、放電検出材１の色変化をみる際は、第８実施形態と同様に、放電検出の確認として以下の方式がある。

連続運転性が高く、筐体が密閉されている機器に対しては、カメラを内蔵して常時監視することが考えられる。もしくは、カメラを内属するのではなくその筐体にガラス窓を設けて、カメラもしくは目視などにより確認することが可能である。連続運転性が高くない機器においては、定期点検などで確認することが可能である。目視などにより色変化部分を確認し、放電を検出することが可能である。

すなわち、課電部を有する電動機システムにおいて、課電部またはその近傍に放電検出材１を配置し、放電検出材１の変化を検出する放電検出方法が適用できる。

第１実施形態から第８実施形態で示した電動機システム２００の例を示す。
図７は、電動機システム２００の概要を示す図である。
電動機システム２００は、インバータ２０１（電力変換装置）と電動機２０２などを含んで構成されている。インバータ２０１で交流電力に変換され、この３相交流電力は電動機２０２に供給される。インバータ２０１は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｕ，２０３Ｖ，２０３Ｗ）で構成され、レグ２０３の両端はコンデンサ３０１に接続されている。レグ２０３Ｕの上側アームは、スイッチング素子２０４ＵＨと、還流用のダイオード素子２０５ＵＨとで構成される。また、レグ２０３Ｕの下側アームは、スイッチング素子２０４ＵＬと、還流用のダイオード素子２０５ＵＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｖの上側アームは、スイッチング素子２０４ＶＨと、還流用のダイオード素子２０５ＶＨとで構成される。また、レグ２０３Ｖの下側アームは、スイッチング素子２０４ＶＬと、還流用のダイオード素子２０５ＶＬとで構成される。また、レグ２０３Ｗの上側アームは、スイッチング素子２０４ＷＨと、還流用のダイオード素子２０５ＷＨとで構成される。また、レグ２０３Ｗの下側アームは、スイッチング素子２０４ＷＬと、還流用のダイオード素子２０５ＷＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＵＨ，２０４ＵＬ，２０４ＶＨ，２０４ＶＬ，２０４ＷＨ，２０４ＷＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるインバータゲート制御部３０２で制御される。

以上、電動機システムにおける各々の装置の出力密度を向上するために、高電圧化に寄与できる絶縁診断システムを供する必要がある。
本実施形態では、安価で汎用性の高い診断機能（検出機能）を有することで、絶縁信頼性に関与するマージンを適正化し、装置サイズを最適化するができる。

本実施形態では、印加される課電部を有する電気機器において、その課電部付近に放電検出材を配置した電動機システムを提案した。具体的には、コイルに課電される回転電機を対象として、課電部付近に放電検出材を配置した回転電機について説明した。また、電力変換装置内に、スイッチング素子、基板、リアクトル、冷却路、コンデンサを含んで構成する電力変換装置において、課電部付近に放電検出材を配置した電力変換装置について説明した。本実施形態では、特に適用する電圧レンジを設けるものではないが、定格電圧３００Ｖ〜３０００Ｖの有効な電気的な放電検出手法が存在しない電圧領域に特に有効なものである。前記に記載した放電検出材には、オゾン吸収剤、蓄光材、ガラス材などを適用する。

本実施形態の電動機システムは、出力密度を向上するために、その各々の装置内部に放電検出機構（放電検出材）を有することにより、部分放電などの異常が生じても全路破壊が発生する前にシステム停止を防止することが可能である。また、放電検出機構により絶縁信頼性に関するマージン設計を適正化することが可能になり、システムの小型化に寄与することが可能であり、大型化による機械的な故障を防止することが可能になる。

１放電検出材
２絶縁材
１１バスバ
１３スイッチング素子
１５冷却フィン
１６コンデンサ
２１コイルエンド
２３ステータコア
２４スロットライナ
２５口出し線
１１０，１１１，１１２バスバ
１１３絶縁材
２００電動機システム
２０１インバータ
２０２電動機
２０３レグ
３０１コンデンサ

Claims

課電部を有する電動機システムにおいて、
前記課電部またはその近傍に放電検出材を配置した電動機システム。
請求項１に記載の電動機システムにおいて、
スイッチング素子、基板、冷却路、コンデンサを含んで構成される電力変換装置を有し、前記電力変換装置の課電部またはその近傍に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
請求項１に記載の電動機システムにおいて、
ステータコア、コイル、絶縁紙を含んで構成される回転電機を有し、
前記回転電機の課電部またはその近傍に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機システムにおいて、
定格電圧３００Ｖ以上３０００Ｖ以下が印加される
ことを特徴とする電動機システム。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機システムにおいて、
前記放電検出材は、ヨウ化カリウム、半導体薄膜、ＨＶＡ（ヒドロキシーメトキシフェニル酢酸）、ＨＰＰＡ（ヒドロキシフェニルプロピオン酸）、アセトアミドフェノールのいずれかである
ことを特徴とする電動機システム。
請求項２に記載の電動機システムにおいて、
前記電力変換装置のコンデンサとスイッチング素子の間の往復バスバの間に設けられる絶縁物の表面に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
請求項２に記載の電動機システムにおいて、
多重レベルの前記電力変換装置のスイッチング素子間に設けられた課電部の表面に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
請求項３に記載の電動機システムにおいて、
前記回転電機のコイルエンドの課電部またはその近傍に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
請求項３に記載の電動機システムにおいて、
前記回転電機のコイルの口出し部またはその近傍に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
請求項３に記載の電動機システムにおいて、
前記回転電機の異相間の絶縁物の表面またはその近傍に前記放電検出材を配置した
ことを特徴とする電動機システム。
課電部を有する電動機システムにおいて、
前記課電部またはその近傍に放電検出材を配置し、
前記放電検出材の変化を検出する放電検出方法。