JP6018011B2 - 回転電機の絶縁検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等において電動機や発電機として使用される回転電機の絶縁不良を検査する絶縁検査装置に係り、特に製造ラインにおいて好適に採用される回転電機の絶縁検査装置に関する。

従来、ハイブリッド自動車の駆動などに用いられる小型・高出力を要求されるモータ（電動機）は、高電圧で駆動されるため、ステータコイルとステータコア間に高電位差が生じる。そのため、モータの製造時にステータコイルを構成する導体線の絶縁皮膜に破れやピンホールが存在すると、実駆動時にステータコアとステータコイルとの間で沿面放電が発生し、地絡事故に繋がる。

そこで、特許文献１には、回転電機における絶縁診断方法及び絶縁診断システムが開示されている。特許文献１に開示されている絶縁診断方法は、診断対象機器から発生する信号を計測し、計測された信号から最大振幅強度を示す周波数又は周波数帯域を検出する。そして、検出された最大振幅強度を示す周波数又は周波数帯域に基づいて、診断対象機器の絶縁欠落種別を判別するようにしている。

特開２０１１−２１５０６７号公報

ところで、上記特許文献１に開示された絶縁診断方法では、回転電機の体格や種類によって放電周波数（回転電機内共振）の特性が変わり、回転電機によっては他の放電周波数と重なってしまうことから、沿面放電を判別できない可能性がある。また、沿面放電のみを検査する場合、別の箇所で部分放電が発生してしまうため、放電によって、回転電機を劣化させてしまう可能性がある。さらに、回転電機毎に予め放電の周波数特性を取得しておく必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、絶縁皮膜へのダメージが少なく、絶縁皮膜の微少な欠陥も確実に検出し得るようにした回転電機の絶縁検査装置を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、ステータコア（２１）と前記ステータコアに巻装されたステータコイル（２２）とを有するステータ（２０）を備えた回転電機の絶縁不良を検査する絶縁検査装置であって、前記ステータコアに正極が接続されるとともに前記ステータコイルに負極が接続される直流電源（１２）と、前記ステータと前記直流電源の前記正極又は前記負極との間に設置されている電流制限抵抗（１１）と、前記直流電源から印加された電圧に基づいて沿面放電の発生を判定する沿面放電判定部（１４）とを備え、前記沿面放電判定部は、前記電流制限抵抗の両端の電圧波形ピーク値から沿面放電発生の有無を判定することを特徴とする。

本発明の絶縁検査装置では、直流電源からステータコアとステータコイル間に直流の電圧が印加されると、沿面放電判定部は、直流電源から印加された電圧に基づいて沿面放電発生の有無を判定する。このとき、沿面放電判定部が、沿面放電発生が有りと判定した場合には、絶縁皮膜に破れやピンホールなどの欠陥が存在していることが検出される。

本発明によれば、検査対象物に対して直流電圧を印加するようにしているため、交流電圧を印加する場合に比べて、放電時の絶縁皮膜に対するダメージを緩和することができる。即ち、回転電機にダメージを与えることなく、沿面放電発生の評価が可能である。この優れた効果は、本発明者等が行った後述の試験１によって確認されている。

また、本発明によれば、直流電源の正極がステータコアに接続され、直流電源の負極がステータコイルに接続されるため、逆に接続された場合に比べて、沿面放電開始電圧が低くなり、且つばらつきが小さくなる。そのため、絶縁皮膜の微少な欠陥も確実に検出することができる。この優れた効果は、本発明者等が行った後述の試験２によって確認されている。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものである。

実施形態１に係る回転電機の絶縁検査装置の回路図である。 実施形態１に係る回転電機の絶縁検査装置の動作を説明するためのフローチャートである。 試験１において実施形態１の絶縁検査装置により測定された波形を示す線図である。 試験１において比較例１の絶縁検査装置により測定された波形を示す線図である。 試験２における実施形態１（コイル：負極）と比較例２（コイル：正極）の沿面放電開始電圧の測定結果を示すグラフである。 他の実施形態に係る回転電機の絶縁検査装置の回路図である。

以下、本発明に係る回転電機の絶縁検査装置の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
本実施形態に係る回転電機の絶縁検査装置１０は、ステータコア２１と該ステータコア２１に巻装されたステータコイル２２とを有するステータ２０を備えた回転電機を検査対象として、絶縁不良を検査するものである。この絶縁検査装置１０は、図１に示すように、電流制限抵抗（１０ＭΩ）１１と、直流電源１２と、電流センサ１３と、沿面放電判定部１４と、制御部１５と、表示部１６と、を備えている。

この絶縁検査装置１０は、直流電源１２の正極側が、電流センサ１３を介してステータコア２１に接続され、直流電源１２の負極側が、電流制限抵抗１１を介してステータコイル２２に接続される。直流電源１２の正極側は、ＧＮＤに接地接続される。電流センサ１３は、ステータコア２１、ステータコイル２２及び直流電源１２により構成される回路上に設置されており、当該回路を流れる電流を検出して、検出信号を沿面放電判定部１４に入力する。直流電源１２は可変型であり、制御部１５によって直流電源１２からの印加電圧が制御可能とされている。

次に、この絶縁検査装置１０の動作について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。まず、Ｓ１において、直流電源１２からステータコア２１及びステータコイル２２間に印加し、制御部１５によって印加電圧を上昇させる。次のＳ２において、電流センサ１３から沿面放電判定部１４への出力の有無によって放電発生の有無を判定し、放電が発生しない場合には再びＳ１に戻り、これを繰り返す。

そして、Ｓ２において、電流センサ１３が、ステータコア２１、ステータコイル２２及び直流電源１２により構成される回路を流れる電流を検出した場合には、その検出信号が送られた沿面放電判定部１４は、放電が発生していると判定する。このとき、沿面放電判定部１４は、電流センサ１３が検出した電流のピーク値に基づいて、その放電が沿面放電であるか否かを判定する。

続くＳ３において、制御部１５は、沿面放電発生時の直流電源１２の印加電圧を読み取る。読み取られた印加電圧は、次のＳ４において制御部１５から表示部１６に出力され表示される。これにより、表示部１６に表示された放電発生電圧の高低は、絶縁抵抗の高低と対応するものであるので、表示された放電発生電圧により、絶縁抵抗の高低（良否）を判定することができる。

以上のように構成された本実施形態の絶縁検査装置１０によれば、ステータコア２１に正極が接続されステータコイル２２に負極が接続される直流電源１２と、直流電源１２から印加された電圧に基づいて沿面放電の発生を判定する沿面放電判定部１４と、を備えている。これにより、絶縁皮膜へのダメージが少なく、絶縁皮膜の微少な欠陥も確実に検出し得るようにした絶縁検査装置１０を得ることができる。

また、本実施形態では、ステータコア２１、ステータコイル２２及び直流電源１２により構成される回路を流れる電流値を測定する電流センサ１３が設けられ、沿面放電判定部１４は、電流センサ１３が測定した電流のピーク値から沿面放電の発生を判定するようにしている。この電流センサ１３により測定された電流信号は、ノイズが少ないので沿面放電の発生を容易に検知することができる。そのため、沿面放電判定部１４により、沿面放電の発生を確実に検知することができるので、より高い精度の絶縁検査を行うことができる。

また、本実施形態では、ステータコイル２２と直流電源１２の負極との間に電流制限抵抗１１が設置されている。この電流制限抵抗１１が設置されていることによって、放電発生時の絶縁皮膜に対するダメージを大幅に緩和することができる。

なお、電流制限抵抗１１の設置位置は、直流電源１２の正極側及び負極側のどちら側でもよいが、本実施形態にように、直流電源１２の負極側に設置されていれば、直流電源１２の設置側で使用できるので扱いが容易となり、且つ絶縁検査装置１０の組み易さにおいても有利となる。さらに、本実施形態の電流制限抵抗１１は、１０ＭΩのもが採用されているので、万一、人体が高圧部に触れた際の感電を問題のないレベルに抑制することができる。

〔試験１〕
上記実施形態１の絶縁検査装置１０の効果を確認するために試験を行った。図３は、この絶縁検査装置１０により測定した波形の例を示すものである。図３における３１は、絶縁皮膜に予め所定の傷（φ０．２ｍｍのピンホール）を付けた被測定物に直流電源１２から印加される電圧を示す。また、図３における３２は、電流センサ１３の検出値を示す。

実施形態１の絶縁検査装置１０では、ステータコア２１に正極を接続し、ステータコイル２２に負極を接続して直流電圧を印加するため、ＧＮＤに対してステータコイル２２の電位はマイナスとなる。図３において、直流電源１２の印加電圧を上昇（ステータコイル２２の電位を低下）させると、ある電圧でパルス電流が発生する。このパルス電流が沿面放電であり、予め閾値を決定することで、この電流値から放電の有無を判定することが可能となる。

基本的に、沿面放電は、金属間のアーク放電であるため放電量が大きく、放電箇所が炭化するなど、１度の放電であっても絶縁皮膜にダメージを与える。これは、不具合箇所を修正しようとした際に障害となる。実施形態１の絶縁検査装置１０は、ステータコイル２２と直流電源１２の負極との間に電流制限抵抗１１を設置しているため、放電時のダメージを大きく緩和することができる。

また、比較例１として、実施形態１の絶縁検査装置１０における直流電源１２に代えて交流電源を用いた絶縁検査装置（図示せず）を準備し、被測定物に交流電圧を印加した場合の波形を上記と同様に調べたところ、図４に示す結果が得られた。交流電圧を印加する際には、被測定物の静電容量に充電を繰り返すため、電流制限抵抗を設置すると被測定物に電圧を印加できなくなるため、電流制限抵抗を設置することができない。そのため、比較例１では、電流制限抵抗を設置せずに、絶縁皮膜に予め上記と同様の傷（φ０．２ｍｍのピンホール）を付けた被測定物の測定を行った。図４における３３は、絶縁皮膜に予め所定の傷を付けた被測定物に交流電源から印加される電圧を示す。

図４において、沿面放電が発生する前に微少な放電パルス３４が観測される。これは、傷部の沿面放電ではなく、正常な絶縁皮膜部で局所的に発生する部分放電である。基本的に、部分放電は、電圧が上昇する過程で発生するため、交流電圧を印加すると電圧が印加されるたびに繰り返し発生する。この部分放電は、微少電流ではあるものの、印加電圧を上昇させるほど放電量・放電数が増加するため、沿面放電を判定するような高い電圧を印加すると、絶縁皮膜にダメージを与えてしまう可能性がある。また、電流制限抵抗が無いため、沿面放電発生時のダメージを緩和することもできない。そのため、一般的に用いられる直流電圧による評価は適用することができない。

〔試験２〕
上記実施形態１の絶縁検査装置１０において、直流電源１２とステータコア２１及びステータコイル２とを接続する極性を変えて、沿面放電開始電圧を測定する試験を行ったところ、図５に示す結果が得られた。なお、比較例２として準備した絶縁検査装置（図示せず）は、ステータコア２１に対して、電流センサ１３を介して直流電源１２の負極側が接続され、ステータコイル２２に対して、電流制限抵抗１１を介して直流電源１２の正極側が接続されている。

図５から明らかなように、比較例２のように、ステータコイル２２側に正極を印加すると、沿面放電開始電圧が高く、ばらつきの範囲Ａが大きいことが解る。これに対して、実施形態１のように、ステータコイル２２側に負極を印加すると、比較例２に比べて、沿面放電開始電圧が低く、且つばらつきが小さいことが解る。これは、一般に放電の発生は、負極側からの方が電子放出（電離）が起き易いため、ピンホール部での電離も安定して発生するためと考えられる。このように、実施形態１では、ステータコイル２２側に負極を印加することで絶縁皮膜の微少な欠陥も確実に検出できることが明らかとなった。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態１に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、図６に示す変形例１の絶縁検査装置１０Ａのように、実施形態１で用いられていた電流センサ１３に代えて、電流制限抵抗１１の両端の電圧を電圧プローブ１７で測定するようにしてもよい。変形例１の場合には、電流制限抵抗１１の両端の電圧波形ピーク値から沿面放電発生の有無を判定することができる。

また、上記の実施形態１では、制御部１５により読み取られた、沿面放電発生時の直流電源１２の印加電圧は、表示部１６に出力され表示されるようにしていたが、これに代えて、その沿面放電発生時の直流電源１２の印加電圧が予め設定された閾値よりも高いか低いかに基づいて絶縁の良否を判定する判定部を設けるようにしてもよい。

１０，１０Ａ…絶縁検査装置、 １１…電流制限抵抗、 １２…直流電源、 １３…電流センサ、 １４…沿面放電判定部、 １５…制御部、 １６…表示部、 １７…電圧プローブ、 ２０…ステータ、 ２１…ステータコア、 ２２…ステータコイル。

Claims (3)

1. ステータコア（２１）と前記ステータコアに巻装されたステータコイル（２２）とを有するステータ（２０）を備えた回転電機の絶縁不良を検査する絶縁検査装置であって、
   前記ステータコアに正極が接続されるとともに前記ステータコイルに負極が接続される直流電源（１２）と、
   前記ステータと前記直流電源の前記正極又は前記負極との間に設置されている電流制限抵抗（１１）と、
   前記直流電源から印加された電圧に基づいて沿面放電の発生を判定する沿面放電判定部（１４）とを備え、
   前記沿面放電判定部は、前記電流制限抵抗の両端の電圧波形ピーク値から沿面放電発生の有無を判定することを特徴とする回転電機の絶縁検査装置。
2. 前記電流制限抵抗の両端の電圧波形は、前記ステータコア、前記ステータコイル及び前記直流電源により構成される回路を流れる電流に基づく電圧波形であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の絶縁検査装置。
3. 前記電流制限抵抗は、前記ステータコイルと前記直流電源の前記負極との間に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の絶縁検査装置。

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