xEVにおける部分放電絶縁とインパルス絶縁評価方法

モビリティ電動化のコア技術として、主機駆動モータの小型・軽量化、高効率化に向けた技術革新が進んでいる。最近のxEVパワートレインの開発のトレンドは、800Vアーキテクチャの高電圧化、SiCインバータを用いた高速スイッチング (高周波) 化、さらに高回転領域での高トルク化であり、そのためのモータ絶縁の強化と効率的な冷却、熱マネジメントが重要な技術である。EVモータの絶縁性能を左右するのがモータ固定子 (ステータ) の巻線 (マグネットワイヤ) 技術であり、高機能な平角線の開発が電線メーカーや樹脂メーカーが一体となって活発に実施されている。また、xEVへ適応が拡大する厚膜平角線の国際規格化に向けた活動も加速している。 　EVモータの巻線設計および開発において、各モータ構造の磁束分布、熱分布、パワー特性やリップルを含むトルク特性等はシミュレーションツールを用いた性能解析によって調べられている。しかし、EVモータの寿命は絶縁破壊の前駆現象であるインバータサージに起因する部分放電 (PD) 現象によって決まり、シミュレーションによって予測できない。そのため、モータのインパルス絶縁評価法として、精度の高いPD計測を実施し、複雑で微弱なPD発生の有無を見極めることが肝要である。インパルス電圧波形によるモータのPD計測方法は従来の交流電圧波形によるものと異なることに留意が必要である。 　本講演の会場において、パッチアンテナ付きインパルス試験機を用いたPD計測のデモ試験 (解説付き) を実施し、モータ巻線の部分放電特性、その発生機構と予測方法、PD計測データのばらつきの各要因、インパルスPD計測のIEC国際規格等について、高電圧絶縁・評価技術の基礎から応用まで分かり易く説明する。

1. 電動化モビリティの高電圧絶縁の技術動向
   1. 車載電装品の高電圧化の開発動向
      • バッテリー
      • バスバー
      • パワーモジュール
      • ステータ等
   2. EVモータ用マグネットワイヤ (巻線) の開発動向
2. 高電圧絶縁技術の基礎
   1. 絶縁破壊につながる部分放電 (PD) とは何か?
   2. 樹脂材料の特性と絶縁劣化メカニズム
   3. PD開始電圧 (PDIV) の予測方法
   4. モータの絶縁構造と弱点部位
   5. 交流試験とインパルス試験方法
   6. PD発生の周囲環境の依存性
      • 温度
      • 湿度
      • 気圧
3. 巻線・絶縁技術と絶縁評価方法
   1. EV用巻線に求められる特性
      • 耐油性
      • ピンホールレス等
   2. 巻線被膜層の高耐熱性樹脂材料
   3. ヘヤピン平角線と連続波巻平角線
   4. 押し出し線、厚膜AI線、ラッピング平角線 (横巻線)
   5. ナノコンポジット (耐サージ) 巻線
   6. 保護用ワニス
   7. 巻線の絶縁評価試験に関するIEC国際規格
4. 絶縁評価試験のためのPD計測とデータ収集・処理方法
   1. AC試験器とインパルス試験器
   2. 計測値のばらつきの要因
   3. インパルス電源、各種PDセンサー (パッチアンテナ他)
   4. センサー感度とノイズレベル、閾値設定、判定条件
   5. 繰り返しインパルス電圧の印加方法、データ収集と処理方法
   6. 恒温恒湿槽を使った測定方法と注意点
5. 巻線と駆動モータの絶縁評価試験の具体例
   1. 試験サンプル
      • 丸線 (ツイストペア)
      • 厚膜平角線
      • フィルム
      • ワニス
   2. 各試験サンプル、PDIV計測と寿命試験
   3. PDIV計測値の電圧波形依存性
   4. PDIV計測値の環境要因依存性
      • 温度
      • 湿度
      • 気圧
   5. PDIV計測値の周波数依存性
   6. 汎用線と耐サージ線の寿命試験
   7. 保護用ワニスの絶縁評価試験
   8. 実機産業用モータのインパルス絶縁評価試験
   9. ステータコイルにかかる分担電圧計測
   10. 各環境要因に対するPDIV特性
   11. 実機EV用モータのインパルス絶縁評価試験
   12. EV用モータのPD発生箇所の特定方法
6. まとめと今後の課題
7. 部分放電計測・インパルス巻線試験のデモ・解説付
8. 質疑応答