電動化の高電圧技術: モータとパワエレ回路基板の絶縁劣化、材料と計測・評価技術

今日、省エネ、脱炭素社会に向けて、最新のパワーエレクトロニクス技術を用いた幅広い産業分野のモータの電動化と電気自動車 (EV) の普及が急加速している。各モータのインバータ駆動化に伴い、インバータサージと呼ばれる立ち上がりの急峻なインパルス電圧によって内部に微小な放電が繰り返し発生するため、絶縁システムのトラブルを引き起こすことが危惧されている。また、同時にモータだけでなく、パワーモジュール、電子回路基板や各種付属部品についても絶縁耐圧の問題がクローズアップしている。今後、高電圧化、小型化、高周波化が進めば、部分放電がさらに発生し易くなり、トラブルが深刻化することが予想される。その対策技術として、サージで繰り返し発生する微小な部分放電の検知方法、信頼性の高い絶縁システムの評価法と寿命予測が必要となり、IEC国際規格においても継続審議されている。一方、高パワー密度化が進むEVの開発においては、過酷な使用環境条件下における電動モータの部分放電と絶縁劣化対策、さらには高性能なモータ巻線開発とその有効な評価方法が必要となってきている。 　モータの劣化損耗は高温下で発生するインパルス部分放電による電気的要因が主であるが、その発生メカニズムや検知の方法は、従来のAC電圧の場合と比べて大きく異なっており、十分に理解されていないのが現状である。その理由は、ナノ秒時間スケールの微少な部分放電現象の発生が様々な環境要因で複雑に変化するためである。 　本講演では、どのような条件で部分放電が発生し、それをどのような検知器と手順で正確にとらえることができるのか、モータ、パワーモジュール、基板などの絶縁評価試験法およびモータ巻線や基板材料への適応を目的に開発が進む高機能性ポリマー絶縁材料の開発状況について基礎から詳しく解説する。

1. はじめに
   1. インバータ駆動モータの絶縁評価技術の現状
   2. インバータサージによる部分放電と絶縁劣化とは何か?
   3. EVモータの高電圧化に向けた技術動向と絶縁トラブルの課題
   4. パワーモジュールの部分放電と絶縁対策の最新技術
   5. 高機能な絶縁材料開発技術と最新動向
2. 絶縁破壊の前駆現象であるインパルス部分放電現象とは何か?
   1. 様々な環境要因で変化する部分放電特性
   2. 部分放電によるモータ巻線の絶縁損傷
   3. 微少な部分放電がスタートする電圧予測
3. 繰り返しインパルスによる部分放電計測法
   1. 微弱な部分放電の計測の難しさの要因は何か?
   2. サージ電圧を模擬するインパルス電源と電圧波形
   3. 各部分放電センサ、閾値と感度の比較
   4. ばらつきの大きい計測データの見方
4. 実機モータを用いたインパルス絶縁評価試験の実例
   1. モータ、試験方法、電源と計測器
   2. IEC国際規格によるインパルス試験電圧波形の規定と各結線方法
   3. モータコイル内のインパルスサージ伝搬と非一様電圧分布
   4. 各電圧波形に対する部分放電開始電圧特性
   5. 各環境条件 (温度、湿度、気圧) による部分放電開始電圧の変化
   6. 各コイルの分担電圧と部分放電発生箇所の推定
   7. 部分放電フリー検証のポイント
5. EV用平角巻線と回路基板の性能評価試験の実例
   1. ナノコンポジット巻線の優れた耐サージ特性
   2. 低誘電率絶縁材料の高PDIV特性
   3. EV用高機能性平角線巻線の部分放電の温度特性結果
   4. 回路基板の部分放電計測方法と実験結果
6. まとめと今後の課題