JP6408229B2 - ステータ用コイルの傷検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、被覆電線を用いて、ステータ用のコイルを形成する巻線装置又は巻線されたコイルをステータコアに挿入するコイル挿入装置に適用されるステータ用コイルの傷検出装置に関する。

モータにおけるステータは、電磁石としてロータと磁気相互作用し、回転モーメントを発生させる部品である。ステータには、巻線装置やコイル挿入装置によって、被覆電線が巻かれたコイルが装着されている。ステータに被覆電線を巻線する際や、巻線されたコイルをステータコアに挿入する際に、被覆電線が巻線装置のノズルやコイル挿入装置の挿入治具と擦れ合って、絶縁被覆が傷つくと、モータ運転中に、傷のある隣接電線間で、もしくは、傷のある電線とステータコアの間で、局所的に短絡し、異常電流が流れて、モータが焼損する危険性がある。

従来、ステータ巻線の絶縁状態を検査する方法として、下記の技術が知られている。特許文献１には、真空容器内で、被覆電線を巻き終えたコイルに５００〜１５００Ｖのサージ電圧を印加し、コイルの絶縁不良部でグロー放電を発生させ、コイル端子電圧の振動波形を観測して、コイルの絶縁不良を検知する方法が開示されている。特許文献２には、被覆電線を巻き終えた巻線コイルと鉄芯の間に、８００〜１１００Ｖの電圧を印加し、コイルの絶縁不良部でコロナ放電を発生させ、コロナ測定器によってコイルの絶縁不良を検知する方法が開示されている。特許文献３には、コイル巻線装置に、被覆電線の傷を検知する電極を取付け、該電極と被覆電線の間に１００〜２０００Ｖ印加し、被覆電線の傷が前記電極を通過する際に生じるパルス状の放電電流を検出して、被覆電線の傷を検出する方法が開示されている。

特開２００４−３６１４１５号公報 特許２９７５０３９号公報 特開２００８−４２１４７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された方法では、放電現象を利用して絶縁状態を検査するため、検出部に１００〜２０００Ｖの高電圧を印加しなければならず、電気安全性を確保するためにコスト高となり、技術的にも下記の問題があった。

例えば、ステータ用コイルの直巻線装置では、ボビンから引き出された被覆電線は、複数箇所で、電線ガイド筒又は巻線ノズルより走行方向を変えられ、ステータの内歯に巻き付けられる。被覆電線は、走行方向が変わる場所で、ガイド筒や巻線ノズルと強く摩擦して擦れ合うことになり、被覆電線の絶縁被膜に傷が形成されることがある。

このため、直巻線装置においては、傷検出器は巻線ノズルよりも下流に置くことが望ましいが、ここに高電圧を印加する傷検出器を設置すると、機械運動が大きな制約を受けるうえ、安全上も好ましくなかった。

したがって、本発明の目的は、人体に影響のない低電圧で、被覆電線の傷を検出できるようにしたステータ用コイルの傷検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のステータ用コイルの傷検出装置は、被覆電線を用いて、ステータ用のコイルを形成する巻線装置又は巻線されたコイルをステータコアに挿入するコイル挿入装置に適用されるコイルの傷検出装置において、
電圧印加端子と、短絡電流検出端子と、前記電圧印加端子と前記短絡電流検出端子との間に電圧を印加して短絡電流を検出する短絡検出回路とを有し、
前記電圧印加端子は、前記巻線装置又は前記コイル挿入装置の、前記被覆電線に接触する部分に導通するように接続され、
前記短絡電流検出端子は、リレーを経由して、前記被覆電線の一部に接続され、
短絡検出回路は、前記電圧印加端子と前記短絡電流検出端子との間に２４Ｖ〜４８Ｖの電圧を印加する直流電源と、短絡電流を検出して所定の条件で警報信号を発生させる手段とを備えていることを特徴とする。

本発明のステータ用コイルの傷検出装置において、前記電圧印加端子はアース端子をなし、前記直流電源は、前記電圧印加端子の電位を基準にして前記短絡電流検出端子に２４〜４８Ｖの負電圧を印加することが好ましい。

また、前記傷検出装置の電圧印加端子は、前記直流電源のプラス端子に接続され、前記短絡電流検出端子は、前記傷検出装置の内部で、直列に接続された電流制限抵抗とフォトカプラーを経由して、前記直流電源のマイナス端子に接続され、前記電流制限抵抗と前記フォトカプラーの中点はフィルタ容量を経由して、前記直流電源のマイナス端子に接続されて、前記短絡検出回路が構成されていることが好ましい。

また、本発明のステータ用コイルの傷検出装置において、前記警報信号を発生させる手段は、前記フォトカプラーの出力側に設けられた、前記被覆電線の短絡によって発生する電圧パルスの発生回数を計数するカウンターと、前記電圧パルスの発生回数が、予め設定された許容回数を超えると、前記警報信号を発生する論理回路とを備えていることが好ましい。

また、本発明のステータ用コイルの傷検出装置の別の態様として、前記警報信号を発生させる手段は、前記被覆電線の短絡によって発生する電圧パルスの先頭の立ち上がりをトリガーにして、前記警報を発生する論理回路を備えていることが好ましい。

また、本発明のステータ用コイルの傷検出装置は、前記論理回路に接続された制御装置が、前記警報信号を受信したときには、前記リレーが開いて、前記短絡検出回路の電流経路を遮断し、同時に前記巻線装置又は前記コイル挿入装置の操作を停止することが好ましい。

また、本発明のステータ用コイルの傷検出装置は、前記巻線装置又は前記コイル挿入装置の操作が終了したときには、前記制御装置に操作終了信号が送られて、前記リレーが開いて、前記短絡検出回路の電流経路を遮断することが好ましい。

本発明によれば、ステータ用のコイルを形成する巻線装置又は巻線されたコイルをステータコアに挿入するコイル挿入装置の操作時において、人体に影響のない低電圧で、かつ、精度よく、被覆電線の傷を検出することができる。

ステータ用コイル巻線装置の傷検出装置に適用した本発明の一実施形態の回路構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例における巻線ノズルの断面構造を示す模式図である。 ステータ用コイル挿入装置の傷検出装置に適用した本発明の他の実施形態の回路構成を示すブロック図である。 ステータ用コイル巻線装置の傷検出装置に適用した本発明の更に他の実施形態の回路構成を示すブロック図である。

以下、図面に基づいて本発明によるステータ用コイルの傷検出装置の実施形態を説明する。図１，２には、本発明をステータ用コイルの巻線装置における傷検出装置に適用した一実施形態が示されている。図１において、１００は傷検出装置、３００は巻線装置、２００は巻線装置３００の制御装置を示している。

巻線装置３００は、巻線装置本体３０１と、該巻線装置本体３０１の上方に延出された電線ガイド筒３０２と、電線ガイド筒３０２上端に取付けられた巻線ノズル３０３とを有している。電線ガイド筒３０２の上端部外周には、ホルダー３０４を介して、ステータコアＳが保持されている。巻線装置本体３０１の外側には、複数のボビン３０７が配置され、各ボビン３０７から被覆電線Ｗが導出されて、巻線装置本体３０１内に導入され、更に、電線ガイド筒３０２の下端から同ガイド筒３０２内に導入されて、巻線ノズル３０３から導出されるようになっている。電線ガイド筒３０２は、図示しない駆動機構により、軸方向に往復スライドすると共に所定角度で往復揺動して、ステータコアＳの内歯の回りを周回し、内歯の回りに被覆電線Ｗを巻付けてコイルＣを形成するようになっている。

傷検出装置１００は、電圧印加端子１０２と、短絡電流検出端子１０１と、警報信号出力端子１０３と、リセット信号入力端子１０４を備える。傷検出装置１００の内部回路は、フォトカプラー１０５によって、短絡電流を検出するアナログ回路と、検出信号を処理するディジタル回路に分離されている。

傷検出装置１００において、短絡電流を検出するアナログ回路は、フォトカプラー１０５と、電流制限抵抗１０６と、フィルタ容量１０７と、直流電源１０８によって構成されている。

上記直流電源１０８は、入力と出力が電気的に絶縁された、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用することが好ましい。そして、短絡時のサージ電圧から保護するために、直流電源１０８の出力側のプラス端子とマイナス端子は、図１に示していないが、ツェナーダイオードと電流制限抵抗によって、電圧クランプされていることが好ましい。

上記電流制限抵抗１０６は、１．０ｋΩ〜３．３ｋΩであることが好ましい。印加電圧の上限値を４８Ｖとすると、電流値は７．３ｍＡ〜１４．０ｍＡに制限され、短絡時に電流制限抵抗１０６で消費される電力は、１．０Ｗより低く抑えられ、焼損を防ぐことができる。

上記フィルタ容量１０７は、２７０ｐF〜４７０ｐFであることが好ましい。時定数０．５μｓ〜１．０μｓのノイズを除去し、傷検出装置１００の誤動作を防止することができる。

上記フォトカプラー１０５の信号応答特性は、出力遅延時間が３．０μｓ以下であることが好ましい。

傷検出装置１００において、検出信号を演算処理するディジタル回路は、フォトカプラー１０５と、電流制限抵抗１０９と、ＮＡＮＤ回路１１０と、カウンター１１１と、論理回路１１２で構成されている。

制御装置２００は、警報信号入力端子２０１と、停止信号出力端子２０２及びリセット信号出力端子２０３を備え、コイルの巻取りが終了した時、もしくは被覆電線の傷を検出した時に、巻線装置３００を安全に停止させることができる。また、運転再開する時は、傷検出装置１００を初期状態にリセットすることができる。

次に、装置の相互接続について説明する。

傷検出装置１００の電圧印加端子１０２は、巻線装置３００の筐体アース端子３０５と共に、大地に接地されている。この実施形態では、直流電源１０８に、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いているため、入力側のマイナス端子を大地に接地し、出力側のプラス端子を大地に接地することによって、出力側のマイナス端子の電位を接地電位に対して、負電圧にすることができる。

傷検出装置１００の短絡電流検出端子１０１は、リレー３０８を経由して、ボビン３０７に巻かれた被覆電線Ｗの一端に接続されている。

傷検出装置１００の警報信号出力端子１０３は、制御装置２００の警報信号入力端子２０１に接続されている。制御装置２００の停止信号出力端子２０２は、巻線装置３００の停止信号入力端子３０６に接続されている。制御装置２００のリセット信号出力端子２０３は、傷検出装置１００のリセット信号入力端子１０４に接続されている。また、信号線は図示していないが、制御装置２００はリレー３０８を開閉することができる。

図２には、巻線装置３００の巻線ノズル３０３の拡大断面図が示されている。被覆電線Ｗが巻線ノズル３０３から導出されるとき、図２に示すように、被覆電線Ｗは、電線ガイド筒３０２内から９０°方向を変えて、水平方向に導出され、更に、ステータコアのスロットに沿って曲げられるため、その曲がり角部において、大きな摩擦抵抗がかかり、被覆電線Ｗが損傷することがある。被覆電線Ｗが損傷し、被覆電線Ｗの芯線が巻線ノズル３０３に直接接触すると、巻線ノズル３０３から被覆電線Ｗの芯線に短絡電流が流れる。仮に、被覆電線Ｗの最大線速度５ｍ／ｓに対し、長さ１ｍｍの傷が走行すると、１パルスあたりパルス幅２００μｓのパルス電流が流れる計算になる。そして、被覆電線Ｗの傷が、連続して巻線ノズル３０３を通過すると、短絡電流は繰り返しパルス波形になる。

次に、傷検出装置１００、制御装置２００及び巻線装置３００の動作について説明する。

巻線作業開始前に、制御装置２００のリセット信号によって、傷検出装置１００のカウンター１１１を初期化し、リレー３０８を閉じる。

直流電源１０８を起動し、短絡電流検出端子１０１と電圧印加端子１０２の間に電圧を印加する。傷検出装置の電圧印加端子１０２は大地に設置されているので、電流検出端子１０１は負電位になり、巻線装置本体３０１は筐体アース端子３０５を経由して大地に設置されているため、巻線装置本体３０１は大地と同電位になる。直流電源１０８によって短絡電流検出端子１０１に印加する電圧は、２４Ｖ〜４８Ｖであることが好ましい。電圧が２４Ｖよりも低いと傷検出感度が低下し、電圧が４８Ｖよりも高いと感電によって人体が影響を受ける可能性あるので、好ましくない。短絡電流検出端子１０１に負電圧を印加した時に、短絡電流検出端子１０１に電流が流れなければ、被覆電線Ｗに異常はないとして、巻線作業を開始することができる。

被覆電線Ｗの絶縁被覆に傷がなければ、被覆電線Ｗの芯線と巻線装置本体３０１は、良好に絶縁されており、フォトカプラー１０５の入力側に電流が流れないので、フォトカプラー１０５の出力側にも電流は流れない。よって、論理回路１１２は警報信号を出力しない。

巻線装置３００の運転中に巻線装置本体３０１に付属する治具（例えば、巻線ノズル３０３）と被覆電線Ｗが摩擦して被覆電線Ｗの絶縁被覆が損傷し、被覆電線Ｗの芯線が、巻線装置本体３０１と電気的に導通すると、巻線装置本体３０１から、被覆電線Ｗ、リレー３０８、短絡電流検出端子１０１、電流制限抵抗１０６、フォトカプラー１０５を経て、直流電源１０８のマイナス端子に短絡電流が流れる。この短絡電流は、過大にならないように、電流制限抵抗１０６によって制限され、フォトカプラー１０５と直流電源１０８は保護されている。

フォトカプラー１０５の入力側に電流が流れると、フォトカプラー１０５の出力側にも電流が流れ、ＮＡＮＤ回路１１０の入力電圧がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化し、ＮＡＮＤ回路１１０の出力はＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切替わる。カウンター１１１は、ＮＡＮＤ回路１１０の出力信号の立下りを検出して、信号のパルス数を計数し、４ビット信号を論理回路１１２に出力する。論理回路１１２には、許容パルス数がプリセットされており、許容回数を超えると論理回路１１２が警報信号を出力し、制御装置２００が該警報信号を受けて停止信号を出力し、該停止信号を受けて巻線装置３００が停止する。同時にリレー３０８が開き、被覆電線Ｗへの電圧印加経路も遮断される。

ＮＡＮＤ回路１１０の出力は、論理回路１１２に直接入力することもできる。この場合、論理回路１１２は先頭パルスの立ち上がりを検出して、警報を出力する。誤動作を防止するため、デジタルフィルタを用いて、予め設定された所定時間は、入力信号をマスクしてもよい。

本発明による傷検出装置１００を備えたステータ用コイル巻線装置３００は、正常運転時において、巻線装置本体３０１は大地にアースされ、接地電位に保持されている。一方、被覆電線Ｗの芯線は、被覆されているため、人体が直接触れる機会はない。被覆電線Ｗが傷つき、被覆電線Ｗと巻線装置本体３０１が短絡した場合、短絡検出回路の閉ループに電流が流れるが、高抵抗の電流制限抵抗１０６を挿入しているため、電流制限抵抗１０６よりも上流の巻線装置側は、ほぼ接地電位に保持されたままとなる。本発明による傷検出装置１００は、短絡電流検出端子１０１からボビン３０７に至るまでの電流経路上にリレー３０８を備え、傷を検出した時に出力される警報信号によって、リレー３０８が開いて、回路が緊急遮断され、被覆電線Ｗに電圧が印加されない、安全停止状態になる。よって、本発明による傷検出装置を備えたステータ用コイル巻線装置３００は、感電事故が起こらない、安全設計になっている。

そして、ステータ用コイル巻線装置３００の操作が終了したときには、前記制御装置２００に操作終了信号が送られて、前記リレー３０８が開いて、前記短絡検出回路の電流経路を遮断する。

次に、図３を参照して、本発明をコイル挿入装置の傷検出装置に適用した他の実施形態を説明する。

コイル挿入装置４００は、ステータコアＳの図示しない内歯に対応して環状に配列されたブレード４０２と、ブレード４０２の外側に配置されたウェッジガイド４０３とで構成されるコイル挿入治具４０１を有する。図示しない巻線装置により、予め巻線されたコイルＣは、ブレード４０２の所定の間隙に挿入されて保持されている。ブレード４０２の内側にはストリッパ４０４が配置され、駆動軸４０５を押し上げることにより、ストリッパ４０４を上昇させ、ブレード４０２に引き掛けられたコイルＣを、ステータコアＳのスロットの所定の間隙に挿入すると共に、ウェッジガイド４０３の間隙を通して、図示しないウェッジをステータコアＳのスロットの開口部内周に挿入するようになっている。

そして、傷検出装置１００の電圧印加端子１０２は、コイル挿入装置４００の筐体アース端子４０６と共に、大地に接地されている。また、傷検出装置１００の短絡電流検出端子１０１は、リレー３０８を経由して、挿入すべきコイルＣのリード線の端部に接続されている。制御装置２００の停止信号出力端子２０２は、コイル挿入装置４００の停止信号入力端子４０７に接続されている。また、信号線は図示していないが、制御装置２００はリレー３０８を開閉することができる。その他の構成は、前記実施形態と同様であるので、その説明を省略することにする。

この傷検出装置１００では、コイル挿入装置４００によるコイル挿入時に、例えばストリッパ４０４でブレード４０２の間隙を通してコイルＣをステータコアＳのスロットに挿入する際、コイルＣの被覆電線が損傷して傷が発生し、その傷がコイル挿入治具４０１等に接触してコイル挿入装置４００の本体と電気的に導通すると、コイル挿入装置４００の本体を通して、被覆電線Ｗ、リレー３０８、短絡電流検出端子１０１、電流制限抵抗１０６、フォトカプラー１０５を経て、直流電源１０８のマイナス端子に短絡電流が流れる。

その結果、前記実施形態と同様にして、論理回路１１２が警報信号を出力し、制御装置２００が該警報信号を受けて停止信号を出力し、該停止信号を受けてコイル挿入装置４００が停止する。同時にリレー３０８が開き、被覆電線Ｗへの電圧印加経路も遮断される。

なお、前記各実施形態では、直流電源１０８のプラス端子側を大地に接地し、マイナス端子側を、電流制限抵抗１０６と、フォトカプラー１０５とを介して、短絡電流検出端子１０１に接続したが、図４に示すように、直流電源１０８のマイナス端子側を大地に接地し、プラス端子側を、電流制限抵抗１０６と、フォトカプラー１０５とを介して、短絡電流検出端子１０１に接続してもよい。ただし、この場合には、短絡電流検出端子１０１がプラス電位をもつため、静電気により、被覆電線Ｗとの接続部等に、埃が付着しやすくなるというデメリットがある。
＜実施例＞
図１に示される本発明による傷検出装置を用いて、その傷検出感度を、ステータ用コイル巻線装置（三工機器製ＦＬＯＷ−０１）を用いて評価した。傷検出装置１００の直流電源１０８は和泉電気製のＤＣ−ＤＣコンバータ（ＰＳＲ−ＢＤ０３０４８−２４）を、フォトカプラー１０５は東芝製のＴＬＰ５２１−４を使用した。

実施例１では、ポリアミドイミド系樹脂で被覆した外径０．９０ｍｍの被覆電線を使用した。前記被覆電線は、重量換算２００ｋｇ相当が、ボビンに巻かれ、一端から他端までの電気抵抗は０．９７ｋΩになる。被覆電線は、あらかじめ、一箇所で、全周に亘って被覆を剥ぎ、人為的に傷を作りこんでいる。本実施例では、被膜が剥ぎ取られ、露出した芯材の長さを、傷長さと定義する。傷検出評価は、傷長さ１０ｍｍについて、各５回、実施した。なお、装置側では、電流制限抵抗１０６において１ｋΩ、２ｋΩ、３.３ｋΩの３水準と、直流電源１０８の印加電圧において、４８Ｖ、３６Ｖ、２４Ｖ、１２Ｖの４水準を組み合わせた、合計１２条件を評価した。この評価結果を表１に示す。表１中、○は、傷を検出したこと、×は、傷を検出しなかったことを表す。

表１に示されるように、印加電圧が１２Ｖでは、ほとんど傷が検出できず、２４Ｖ以上にすることによって、ある程度の精度で傷検出が可能となることがわかる。そして、印加電圧を４８Ｖにすることにより、ほぼ１００％の精度で傷が検出できることがわかる。

１００：傷検出装置
１０１：短絡電流検出端子
１０２：電圧印加端子
１０３：警報信号出力端子
１０４：リセット信号入力端子
１０５：フォトカプラー
１０６：電流制限抵抗
１０７：フィルタ容量
１０８：直流電源
１０９：電流制限抵抗
１１０：ＮＡＮＤ回路
１１１：カウンター
１１２：論理回路
２００：制御装置
２０１：警報信号入力端子
２０２：停止信号出力端子
２０３：リセット信号出力端子
３００：巻線装置
３０１：巻線装置本体
３０２：電線ガイド筒
３０３：巻線ノズル
３０４：ホルダー
３０５：筐体アース端子
３０６：停止信号入力端子
３０７：ボビン
３０８：リレー
４００：コイル挿入装置
４０１：コイル挿入治具
４０２：ブレード
４０３：ウェッジガイド
４０４：ストリッパ
４０５：駆動軸
４０６：筐体アース端子
４０７：停止信号入力端子
Ｃ：コイル
Ｓ：ステータコア
Ｗ：被覆電線

Claims (4)

1. ポリアミドイミド系樹脂で被覆した被覆電線を用いて、ステータ用のコイルを形成する巻線装置又は巻線されたコイルをステータコアに挿入するコイル挿入装置に適用されるコイルの傷検出装置において、
   電圧印加端子と、短絡電流検出端子と、前記電圧印加端子と前記短絡電流検出端子との間に電圧を印加して短絡電流を検出する短絡検出回路とを有し、
   前記電圧印加端子の一端は、前記巻線装置又は前記コイル挿入装置の、前記被覆電線に接触する部分に導通するように接続されると共にアース端子をなし、
   前記短絡電流検出端子の一端は、リレーを経由して、前記被覆電線の一部に接続され、
   短絡検出回路は、前記電圧印加端子と前記短絡電流検出端子との間に２４Ｖ〜４８Ｖの電圧を印加する直流電源と、短絡電流を検出して所定の条件で警報信号を発生させる手段とを備えており、
   前記電圧印加端子の他端は、前記直流電源のプラス端子に接続され、
   前記短絡電流検出端子の他端は、前記傷検出装置の内部で、直列に接続された電流制限抵抗とフォトカプラーを経由して、前記直流電源のマイナス端子に接続され、
   前記電流制限抵抗と前記フォトカプラーの中点はフィルタ容量を経由して、前記直流電源のマイナス端子に接続されて、前記短絡検出回路が構成されており、
   前記警報信号を発生させる手段は、前記フォトカプラーの出力側に設けられた、前記被覆電線の短絡によって発生する電圧パルスの発生回数を計数するカウンターと、前記電圧パルスの発生回数が、予め設定された許容回数を超えると、前記警報信号を発生する論理回路とを備えていることを特徴とするステータ用コイルの傷検出装置。
2. 前記警報信号を発生させる手段は、前記被覆電線の短絡によって発生する電圧パルスの先頭の立ち上がりをトリガーにして、前記警報を発生する論理回路を備えている請求項１に記載のステータ用コイルの傷検出装置。
3. 前記論理回路に接続された制御装置が、前記警報信号を受信したときには、前記リレーが開いて、前記短絡検出回路の電流経路を遮断し、
   同時に前記巻線装置又は前記コイル挿入装置の操作を停止する、
   請求項１又は２に記載のステータ用コイルの傷検出装置。
4. 前記巻線装置又は前記コイル挿入装置の操作が終了したときには、前記制御装置に操作終了信号が送られて、前記リレーが開いて、前記短絡検出回路の電流経路を遮断する請求３に記載のステータ用コイルの傷検出装置。