JP7107755B2

JP7107755B2 - コイル導線の相間絶縁検査方法

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Publication number: JP7107755B2
Application number: JP2018107656A
Authority: JP
Inventors: 真人白波瀬; 信吾長井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2022-07-27
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: JP2019211336A

Description

本発明は、三相電動機の直列接続された複数のコイルを形成しているコイル導線の相間絶縁を検査する方法に関する。

電動機は、ステータコア、特にステータコアの一部であるティースに導線が巻回されて形成されたステータコイルを有する。このコイルを形成している導線をコイル導線と記す。三相電動機においては、三相、つまりＵ相、Ｖ相、Ｗ相ごとにコイル導線が設けられ、異なる相のコイル同士が隣接して配置される。各コイル導線には異なる位相で電圧が印加され、この結果、隣接する異なる相のコイル間に電位差が生じる。このとき、コイル導線の絶縁が不完全であると、隣接するコイル間で放電が生じる。よって、絶縁処理が確実になされているかの検査、つまり相間絶縁検査を行う必要がある。

相間絶縁検査では、異なる２相のコイル導線間に電圧を印加し、２相の隣接コイル間の絶縁が確保されているかを確認する。各コイル導線の一端を接続して中性点を形成し、コイル全体が完成した後で絶縁検査をする場合、中性点に近い側のコイルの検査に必要な電圧を印加すると、中性点から遠い側のコイルには過大な電圧が印加され、逆に中性点コイルから遠い側のコイルに過大な電圧が印加されないようにすると、中性点に近い側のコイルには十分な電圧が印加されないという問題があった。下記特許文献１においては、各コイル導線の一端を接続して中性点を形成する前と後でそれぞれ検査を行う検査方法が開示されている。中性点を形成する前には、コイル導線に交流電圧を印加して中性点に近い側のコイルの絶縁検査を行い、中性点を形成した後では、パルス電圧を印加して中性点から遠い側のコイルの絶縁検査を行っている。この検査方法においては、中性点の形成前の検査を行う前に、コイル導線の中性点以外の部分の溶接および絶縁処理が済んでいる必要があり、中性点の形成前に溶接および絶縁処理する工程を設ける必要がある。

特開２０１２－１７２９８５号公報

中性点の形成の前後で絶縁検査を行う場合、２回の検査が必要である。また、中性点の形成（溶接）および絶縁処理する工程とは別に中性点以外の部分の溶接および絶縁処理する工程を生産ライン上に設ける必要があり、生産ラインの設備のコストが上昇する。中性点の形成後に各隣接コイルに過不足なく電圧を印加することができれば、検査が１回で済み、生産ラインの設備コストの上昇も抑制できる。

本発明は、１回の検査で、２相のコイル導線の各隣接コイル間に過不足なく電圧を印加することができる検査方法を提供することを目的とする。

本発明のコイル導線の相間絶縁検査方法は、２相のコイル導線の中性点とは反対側の端にパルス電圧を印加するステップと、パルス電圧の印加によって、２相のコイル導線の間に生じる放電を検知するステップと、を含む。そして、パルス電圧を印加するステップにおいては、２相のコイル導線同士の各隣接位置における相間電圧が、健全なコイル導線において放電が生じる電圧以下となり、さらに、当該電動機が実際に使用される際の電圧以上となるように、パルス電圧の上限値を定め、かつパルス電圧の立ち下がりを急峻にし、さらに立ち下がり最後に印加する電圧が逆極性となるアンダーシュート電圧を印加する。

本発明によれば、パルス電圧の立ち下がりを急峻にし、さらにアンダーシュート電圧を印加することでコイルに逆起電力が生じ、この逆起電力による電圧によってコイル導線の各隣接位置において、過不足なく必要な相間電圧を印加することができる。よって、１回の電圧印加によって２相間の絶縁検査ができる。

相間絶縁検査の対象となる電動機のコイル構成を示す模式図である。１周回配列のコイル列を示す模式図である。１周回配列のコイル列の場合の隣接コイル間ごとの相間電圧を示す図である。１周回配列のコイル列の場合の印加されるパルス電圧と相間電圧の時間変化を示す図である。２周回配列のコイル列を示す模式図である。２周回配列のコイル列の場合の隣接コイル間ごとの相間電圧を示す図である。２周回配列のコイル列の場合の印加されるパルス電圧と相間電圧の時間変化を示す図である。２周回配列のコイル列の場合であって、アンダーシュート電圧がないパルス電圧を印加したときの相間電圧を示す図である。２周回配列のコイル列の場合であって、アンダーシュート電圧が図６，７の場合に比して小さいパルス電圧を印加したときの相間電圧を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、三相電動機のコイル構成１０および相間絶縁検査のための構成を示す模式図である。コイル構成１０は、Ｕ相のコイル列１２Ｕ、Ｖ相のコイル列１２ＶおよびＷ相のコイル列１２Ｗを有する。Ｕ相のコイル列１２Ｕは、１６個のコイルＵ1～Ｕ16が直列に接続されて構成される。同様に、Ｖ相のコイル列１２ＶおよびＷ相のコイル列１２Ｗも、それぞれ１６個のコイルＶ1～Ｖ16，Ｗ1～Ｗ16が直列に接続されて構成される。各コイル列１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、コイル導線１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗから構成される。コイル導線１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗは、例えば、いくつかの部分に分けられ、これらの部分がコアに装着された後、互いに溶接されて、ステータコアのティースに巻回されたコイルＵ1～Ｕ16，Ｖ1～Ｖ16，Ｗ1～Ｗ16およびコイルが連なったコイル列１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗが形成される。三相のコイル導線１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗの一方の端は接続されており、この接続点が中性点Ｎである。三相のコイル導線１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗの他方の端を、入力端Ｕ，Ｖ，Ｗと記す。図１に示されるように、各コイルの番号は、入力端Ｕ，Ｖ，Ｗに近いコイルから順に付けられている。

図２には、Ｕ相コイル列１２Ｕに属する各コイルＵ1～Ｕ16のステータコア上の配置を示す図である。直列接続されたコイルＵ1～Ｕ16は、入力端Ｕの側からステータコアの周方向に沿って順に配列され、ステータコアを１周回って、中性点Ｎに至る。このような、コイルの配列を１周回配列と記す。Ｖ相コイル列１２ＶおよびＷ相コイル列１２Ｗについても同様に各コイルは１周回配列とされている。

各コイル導線１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗにおいて、最も中性点Ｎ側のコイルＵ16，Ｖ16，Ｗ16から中性点Ｎまでのコイル導線の長さは短い方が好ましく、このためにコイルＵ16，Ｖ16，Ｗ16はステータコア上で互いに隣接して配置される。他のコイルも中性点に最も近いコイルＵ16，Ｖ16，Ｗ16からコアの周に沿って順に配列されるため、コイルＵ15，Ｖ15，Ｗ15、コイルＵ14，Ｖ14，Ｗ14、・・・、コイルＵ1，Ｖ1，Ｗ1と、同一番号同士のコイルが隣接して配置される。

２相のコイル導線間の相間絶縁検査を行うために、電圧発生源１６が２相の一方の入力端に接続される。他方の入力端に、異なる相のコイル導線の間での放電（部分放電）を検出する部分放電検出器１８が接続される。部分放電検出器１８は、コイル導線を流れる電流の波形、高周波成分等に基づき部分放電を検出する。また、放電により周囲に放出される電磁波を検出する検出器により部分放電を検出してもよい。図１は、Ｕ相とＶ相の相間絶縁検査のための構成を示しており、Ｕ相入力端Ｕに電圧発生源１６が接続され、Ｖ相に部分放電検出器１８が接続されている。以下、Ｕ相とＶ相の相間絶縁検査について説明し、他の相については、同様であるので説明を省略する。

コイル導線同士の隣接する部分に発生する相間電圧は、コイル導線上の位置、つまり入力端Ｕ，Ｖからの距離により異なる。以下では、各コイルＵ1～Ｕ16，Ｖ1～Ｖ16の位置を相間電圧の評価における代表位置として、説明を行う。つまり、隣接コイル間の相間電圧とは、この隣接コイルを構成するコイルの位置におけるコイル導線間の相間電圧を意味する。

図３は、１周回配列のＵ相のコイルＵ1～Ｕ16とＶ相のコイルＶ1～Ｖ16の隣接コイル間Ｕ1-Ｖ1～Ｕ16-Ｖ16の相間電圧を示す図である。縦軸の相間電圧は、時間的に変化する相間電圧の最大値を示している。コイル導線の絶縁不良のために生じる放電は、異なる相の隣接するコイル間で発生する。よって、相間絶縁検査においては、隣接コイル間の電圧が必要な電圧となるように、電圧発生源１６によってコイル導線間に電圧を印加する。図３においては、入力端Ｕ，Ｖの相間電圧、つまり電圧発生源により印加される電圧が左端に示され、入力端Ｕ，Ｖに近い側の隣接コイルＵ1，Ｖ1から順に右に向けて相間電圧の値が示されている。

図３に示す電圧Ｖcrは、絶縁処理が想定どおりになされた状態、すなわちコイル導線が健全な状態における放電開始電圧である。相間絶縁検査において、各隣接コイル間に生じる電圧は、この電圧Ｖcr以下にされなければならない。この電圧Ｖcrを上限電圧Ｖcrと記す。また、破線で示す電圧Ｖstrは、この電動機を実際に運転したときに隣接コイル間に生じる電圧であり、この電圧を実機ストレス電圧Ｖstrと記す。相間絶縁検査のための相間電圧は、実機ストレス電圧Ｖstr以上、上限電圧Ｖcr未満であることが必要である。

図３に示すように、実機ストレス電圧Ｖstrは、概略的に右下がり、つまり中性点Ｎに向けて低下する傾向があるが、各コイル列１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗに印加される電圧が変動するために直線状には低下せず、中性点Ｎ側で盛り上がった部分が生じる。図３に示す例では、中性点Ｎ側の隣接コイル間Ｕ9-Ｖ9～Ｕ15-Ｖ15の相間電圧が、入力端Ｕ，Ｖ側の半分の隣接コイル間Ｕ1-Ｖ1～Ｕ8-Ｖ8の相間電圧を直線近似し外挿した値よりも高くなっている。

定常電圧を入力端Ｕ，Ｖ間に印加すると、各隣接コイル間の相間電圧は、図中に示す相間電圧Ｖtcのように、中性点Ｎに向けて直線状に低下する。入力端Ｕ，Ｖに最も近い隣接コイル間Ｕ1-Ｖ1の相間電圧が最大となり、この相間電圧は、上限電圧Ｖcr未満とする必要がある。この場合、中性点Ｎに近い側のいくつかの隣接コイル間Ｕ11-Ｖ11～Ｕ15-Ｖ15には、検査に必要な電圧、つまり実機ストレス電圧Ｖstr以上の電圧が発生しない。定常電圧によって、中性点Ｎ側の隣接コイル間Ｕ11-Ｖ11～Ｕ15-Ｖ15に実機ストレス電圧Ｖstr以上の電圧を発生させるために、図中に示す相間電圧Ｖtdを生じさせる電圧を入力端Ｕ，Ｖ間に印加すると、入力端Ｕ，Ｖ側の隣接コイル間Ｕ1-Ｖ1～Ｕ8-Ｖ8の相間電圧が上限電圧Ｖcrを超えてしまう。このように、定常電圧の印加による相間絶縁検査を１回で行うことは難しい。この実施形態の相間絶縁の検査方法においては、パルス電圧を入力端Ｕ，Ｖ間に印加して、実機ストレス電圧Ｖstr以上、上限電圧Ｖcr未満の相間電圧Ｖtを得ている。

図４は、電圧発生源１６によって印加されるパルス電圧Ｖt0（最大値ＶH[Ｖ]）と、このパルス電圧によって生じる相間電圧Ｖt4，Ｖt8，Ｖt12の時間変化を模式的に示す図である。Ｕ相コイル導線１４ＵとＶ相コイル導線１４Ｖの間にパルス電圧Ｖt0を印加すると、隣接コイル間に相間電圧Ｖt4，Ｖt8，Ｖt12が発生する。相間電圧Ｖt4は入力端Ｕ，Ｖ側の１つの隣接コイル間Ｕ4-Ｖ4の電圧を表し、相間電圧Ｖt8は中央付近の隣接コイル間Ｕ8-Ｖ8の電圧を表し、相間電圧Ｖt12は、中性点側の１つの隣接コイル間Ｕ12-Ｖ12の電圧を表す。この時間変化する相間電圧Ｖt4，Ｖt8，Ｖt12の最大値が図３に示されている。なお、図４において、他の隣接コイル間の電圧については、簡略化のために省略している。

パルス電圧Ｖt0の最後において、電圧を急峻に立ち下げ、さらに入力端Ｕ，Ｖの電圧の極性が逆転するようにアンダーシュート電圧Ｌを印加すると、中性点Ｎ側の相間電圧Ｖt12が一時的に上昇する（図中の符号Ａで示す部分）。この電圧上昇によって、図３に示すように、中性点Ｎ側の隣接コイル間Ｕ9-Ｖ9～Ｕ15-Ｖ15の相間電圧Ｖtが増大し、実機ストレス電圧Ｖstr以上の相間電圧を発生させることができる。パルス電圧Ｖt0の立ち下げ時間、アンダーシュートＬの電圧を変化させることで、電圧上昇を変化させることができ、検査対象となる電動機の実機ストレス電圧Ｖstrに合わせて、これらを調節する。

Ｕ相コイル導線１４ＵとＶ相コイル導線１４Ｖに上述のパルス電圧を印加し、部分放電を監視することで、１回の電圧印加でＵ相Ｖ相間の相間絶縁が検査できる。同様に、Ｖ相コイル導線１４ＶとＷ相コイル導線１４Ｗ間の検査、Ｗ相コイル導線１４ＷとＵ相コイル導線１４Ｕ間の検査を順次行う。中性点を形成した後の検査のみで全てのコイルの相間絶縁検査ができ、工程が簡略になる。

次に、異なるコイル配列を有する電動機について説明する。図５は、Ｕ相コイル列１２Ｕの各コイルＵ1～Ｕ16の配置の別例を示す図である。直列接続されたコイルＵ1～Ｕ16は、入力端Ｕの側からコアの周方向に沿って順に配列され、１周で太い線で表された半分のコイル、つまりコイルＵ1～Ｕ8が配列されている。細い線で表された残り半分のコイルＵ9～Ｕ16は、２周目において、１周目のコイルと同じ位置に順に配列される。このようなコイルの配列を２周回配列と記す。

２周回配列の場合、実機ストレス電圧Ｖstrは、図６に示すように、中性点Ｎ側と、入力端Ｕ，Ｖ側との２箇所で盛り上がりが形成される。図７に示すパルス電圧Ｖt0を入力端Ｕ，Ｖに印加することで、相間電圧Ｖtt，Ｖtbが中性点Ｎ、入力端Ｕ，Ｖ側で盛り上がり、実機ストレス電圧Ｖstr以上の相間電圧を発生することができる。相間電圧Ｖttは、正の値の最大値であり、相間電圧Ｖtbは負の値の絶対値の最大値を示している。パルス電圧Ｖt0は、この例では、ＶH[Ｖ]、１μ秒のパルス電圧印加した後、－０．７５ＶH[Ｖ]のアンダーシュート電圧Ｌを印加する電圧であり、立ち上がり時間、立ち下がり時間は、それぞれ０．１μ秒である。パルス電圧Ｖt0の立ち下がり時には、ＶH[Ｖ]から－０．７５ＶH[Ｖ]まで、１，７５ＶH[Ｖ]電圧が低下する。

図７に示すように、パルス電圧Ｖt0を入力端Ｕ，Ｖに印加すると、隣接コイル間Ｕ4-Ｖ4の相間電圧Ｖt4は、パルス電圧Ｖt0と同程度まで上昇する。この最大値が正側の最大値Ｖttとして図６に示されている。相間電圧Ｖt4は、正側で最大値Ｖttとなった後、急激に低下し、負側の絶対値の最大値Ｖtbまで低下する。この負側の最大値Ｖtbが図６に示されている。隣接コイルＵ12-Ｖ12の相間電圧Ｖt12は、パルス電圧Ｖt0が立ち下がるとき、立ち下がり前より上昇し、正側の最大値Ｖttに達する。その後、負側の絶対値の最大値Ｖtbまで低下する。この正側および負側の最大値Ｖtt，Ｖtbが図６に示されている。他の隣接コイルについても同様に正側および負側の最大値Ｖtt，Ｖtbが図６に示されている。隣接コイルの絶縁は、相間電圧が正負のどちらでも検査可能であるので、正側および負側の最大値Ｖtt，Ｖtbのいずれかが実機ストレス電圧Ｖstr以上となればよい。図６に示すように、正側および負側の最大値Ｖtt，Ｖtbのいずれか一方が、実機ストレス電圧Ｖstrを超えているので、相間絶縁検査が可能であることが理解できる。

入力端Ｕ，Ｖ側の隣接コイル間では、入力端Ｕ，Ｖから離れた隣接コイル間、例えば隣接コイル間Ｕ4-Ｖ4の相間電圧Ｖt4で示されるように、正側の最大値Ｖttがパルス電圧Ｖt0の最大値と同程度まで上昇している。これは、パルス電圧Ｖt0の立ち上がりを急峻にしたことによる効果である。したがって、パルス電圧Ｖt0の立ち上がりを急峻にすることで、入力端Ｕ，Ｖ側において、実機ストレス電圧Ｖstr以上の相間電圧を発生することができる。また、入力端Ｕ，Ｖ側の隣接コイルにおいて、負側の最大値Ｖtbも実機ストレス電圧Ｖstr以上となっている。これは、パルス電圧Ｖt0の立ち下げを急峻にし、さらにアンダーシュート電圧Ｌを印加したことによる効果である。

中性点Ｎ側の相間コイル間では、例えば隣接コイル間Ｕ12-Ｖ12の相間電圧Ｖt12で示されるように、パルス電圧Ｖt0の立ち下がり直後に正側の最大値Ｖttが立ち下がり以前に比べて上昇し、実機ストレス電圧Ｖstr以上となっている。これは、パルス電圧Ｖt0の立ち下がりを急峻にしたことによる効果である。

以上のことから、パルス電圧Ｖt0の立ち下がりを急峻にし、アンダーシュート電圧Ｌを印加することで、全ての隣接コイル間の相間電圧を実機ストレス電圧Ｖstr以上とすることができる。

図８，９は、図７に示すパルス電圧Ｖt0のアンダーシュート電圧を変えたときの隣接コイル間の相間電圧を示す図である。図８は、アンダーシュート電圧を印加しない場合、図９はアンダーシュート電圧を－０．２ＶH[Ｖ]とした場合を示す。入力端Ｕ，Ｖ側では、パルス電圧の立ち上がりを急峻としたことによる効果により、相間電圧の正側の最大値Ｖttが実機ストレス電圧Ｖstr以上となっている。一方、相間電圧の負側の最大値Ｖtbは、実機ストレス電圧Ｖstrに比べ大幅に小さい。

中性点Ｎ側では、パルス電圧の立ち下げを急峻にした効果により、正側の最大値Ｖttが実機ストレス電圧Ｖstr近くまで上昇している。アンダーシュート電圧を印加する（図９）ことで正側の最大値Ｖttがより上昇することが分かる。図９の場合、実機ストレス電圧Ｖstrに達していないが、電動機のコア形状、コイルの巻数、コイルの形状などが異なる電動機の場合には、アンダーシュート電圧が比較的小さい場合であっても、実機ストレス電圧Ｖstr以上の相間電圧を発生できることが考えられる。また、立ち下がりをより急峻にすることによっても実機ストレス電圧Ｖstr以上の相間電圧を発生できることが考えられる。したがって、パルス電圧の立ち上がりを急峻にすることで入力端Ｕ，Ｖ側の隣接コイル間の相間電圧を上昇させ、パルス電圧の立ち下がりを急峻にすること、またはこれに加えてアンダーシュート電圧を印加することで中性点Ｎ側の隣接コイル間の相間電圧を上昇させるようにすることができる。

１０コイル構成、１２ＵＵ相コイル列、１２ＶＶ相コイル列、１２ＷＷ相コイル列、１４ＵＵ相コイル導線、１４ＶＶ相コイル導線、１４ＷＷ相コイル導線、１６電圧発生源、１８部分放電検出器、Ｕ1～Ｕ16 Ｕ相コイル、Ｖ1～Ｖ16 Ｖ相コイル、Ｗ1～Ｗ16 Ｗ相コイル、ＵＵ相入力端、ＶＶ相入力端、ＷＷ相入力端、Ｖcr 上限電圧、Ｖstr 実機ストレス電圧、Ｖt0 パルス電圧、Ｖt 相間電圧Ｖtt、相間電圧の正側の最大値、Ｖtb 相間電圧の負側の最大値。

Claims

三相電動機の直列接続された複数のコイルを形成しているコイル導線の相間絶縁を検査する方法であって、
２相の前記コイル導線の中性点とは反対側の端にパルス電圧を印加するステップと、
前記パルス電圧の印加によって、前記２相のコイル導線の間に生じる放電を検知するステップと、
を含み、
前記パルス電圧は、前記２相のコイル導線同士の各隣接位置における相間電圧が、健全なコイル導線において放電が生じる電圧以下となり、さらに、当該電動機が実際に使用される際の電圧以上となるように、
(i)前記パルス電圧の上限値が定められ、
(ii)前記パルス電圧の立ち下がりが急峻にされ、
(iii)前記立ち下がり最後に印加する電圧が逆極性となるアンダーシュート電圧を印加する、
ものである、コイル導線の相間絶縁を検査する方法。