低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の...

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第96 12 低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の開発 Development of Layer Short Checker for Winding of Low-voltage Compact Motor Coil に大 される モータ に巻 コイル エナメル により,レヤー ショート れる巻 による するこ がある。こ よう モータ にレヤー ショート し, によるモータ につ がる がある。そこ モータコイルに した する した, モータコイル レヤーショート した。 インパルス し, いため, 対して ある いう つ。 キーワードモータ,レヤーショート,インパルス Summary Low-voltage compact motors are widely used in various electric machines. Coil windings of low-voltage compact motors are rarely layer shorted during the manufacturing process. Such motors with layer short are thermally troubled in prolonged operation. We have developed the Layer Short Checker for Winding of low-voltage compact motor using reverse electromotive force which appeares when DC current of winding is removed. The Layer Short Checker has equal detection performance of that of traditional impulse checker. In addition, it is safe because it dose not use high voltage circuit. Key wordsLow-voltage compact motor, Layer short, Impulse tester, Reverse electromotive force -26- *  システム 井  *   N. Inoue M. Aoki 1.まえがき クーラー, して大 モータが されている。これら モータ および して AC 耐圧, インパルス されているが, ACせて うこ きる モータ コロナ し, モータ を大きく するこ にした。モータ して に,レヤーショート れるエ ナメル巻 するこ がある。これ エナメル し, う巻 態に るこ をいう。こ よう モータを している ,レヤーショート し, によるモータ につ がる がある。 ,こ ヤーショートを するために,コイルに する したレヤーショート した ,そ につき する。 2.レヤーショート検出方法 モータ レヤーショート ,一 にインパルス れる されている。 Fig. 1 すようにコイルにインパルス 圧を印 し,そ ピーク 圧を した すれ ,コイル Vc[V] Fig. 2 (a)すように, コイル インダクタンス Lc[H] Cs[F] まる [Hz] るが, があるため,Fig. 2 (b)すよう る。ここ ,コイルにレヤーショート があった する ,それ Fig. 3 ように える きる。す わち,Fig. 3 (a) ように う巻 がショートしている ,そこに を囲む ループ され, Fig. 3 (b)すようにトランス

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Page 1: 低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の ...低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の開発 - 27 - 二次巻線をショートした場合と等価になる。このコイルに

三 菱 電 線 工 業 時 報 第96号 平成12年2月

低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の開発������������� ��������������������������

������� ������ ���������

要  約

家電製品などに大量に使用される低圧小型モータは,製造時に巻線コイルのエナメル被覆の損傷により,レヤーショートと呼ばれる巻線間の短絡による不良が希に発生することがある。このようなモータは使用中にレヤーショート部分が発熱し,焼損によるモータの故障につながる場合がある。そこで,低圧小型モータコイルに直流電

流を通電した後に発生する逆起電力を利用した,低圧小型モータコイルのレヤーショート試験器を開発した。本装置は従来のインパルス試験方法と同程度の不良検出特性を有し,内部に高電圧発生回路を持たないため,誤操作に

対しても安全であるという特長を持つ。キーワード:低圧小型モータ,レヤーショート,インパルス試験器,逆起電力

Summary

������� ������ ������ ��������������� ������������� ���������������������������� ������ �

����� ��� ����� ������������������ ��� ��������������������������� ������� ������ ����������

��������������� ������� �������������� ��������������������������������� ������ �����

��������������������������������� ��� ���������������������������������� ��� ��������������

� ��!� ��������������� ������ ��� ����� ����������������"� ������#���� ����� �������������

������� ���������

Key words:������� ������ �����#� �������#"����������#$����������������������

- 26 -

* 電力・電線事業部 電力情報システム部

井 上 修 和*  青 木   勝*

%�"���� ��&���

1.まえがき

冷蔵庫やクーラー,洗濯機などの家電製品用として大量の低圧小型モータが使用されている。これらのモータ製造

時には,半成および完成試験として回転,抵抗,&�耐圧,インパルス試験などが実施されているが,当社では,&�耐圧試験時に部分放電測定を併せて行うことのできる低圧

小型モータ用のコロナ試験器を開発し,絶縁不良モータの検出率を大きく向上することを可能にした。モータの不良

としては,絶縁不良以外に,レヤーショートと呼ばれるエナメル巻線間の短絡現象が希に発生することがある。これは巻線のエナメル被覆が製造時などに損傷し,隣り合う巻

線間が短絡状態になることをいう。このようなモータを長時間使用していると,レヤーショート部分が発熱し,焼損

によるモータの故障につながる場合がある。今回,このレヤーショートを検出するために,コイルに発生する逆起電力を利用したレヤーショート試験器を開発したので,その

原理,構成につき報告する。

2.レヤーショート検出方法

従来,低圧小型モータのレヤーショート検出には,一般

にインパルス試験器と呼ばれる装置が使用されている。������に示すようにコイルにインパルス電圧を印加し,そ

のピーク付近で電圧を除去したとすれば,コイル両端の電圧��'()の時間変化は理想的には������の* +に示すように,コイルのインダクタンス ��',)と,浮遊容量��'-)で決まる

共振周波数 ' , . )の連続発振波形となるが,

実際には回路損失があるため,������の*�+に示すような減衰振動波形となる。ここで,コイルにレヤーショート部分

があったとすると,それは等価的に������のように考えることができる。すなわち,������の* +のように隣り合う巻線がショートしている場合,そこには鉄心を囲む閉ループ

が形成され,結果的に������の*�+に示すようにトランスの

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低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の開発

- 27 -

二次巻線をショートした場合と等価になる。このコイルに電圧を印加し,除去すると,この閉ループに損失電流が流

れるため,コイル両端の電圧の減衰振動波形が変化する。その様子を ������に示す。波形の変化は,主に減衰時間の短縮となって現れる場合が多いが,それ以外にも,波形の

変歪などとなって現れることがある。今回,コイルへの電圧印加方法として,装置に高電圧回

路を用意するのではなく,コイル自身の逆起電力を利用した手法を検討した。これにより,装置内部に高電圧回路を用意する必要がなくなり,また,試験時以外には誤操作に

よっても高電圧が発生することがなく安全性が高い。また,逆起電力による発生電圧の大きさ自身も不良コイル検

出のパラメータとして利用できる。

3.装置の構成

逆起電力法により,減衰振動波形を発生させるためには,単純には������に示すようにコイルに直流電流を流し,

スイッチをオフにすればよい。このときにコイルに発生する電圧��は,

�����������������������………………………………………�

で与えられる。ここで,�は直流通電電流���,�は時間���である。�����はスイッチがオン状態からオフ状態に切り替わ

るまでの時間で決まるが,発生電圧がキロボルトオーダーになることと,開閉回数が多いことから,メタリックな接

点を持つリレーなどの使用は好ましくないため,可動部を持たない半導体スイッチの検討を行った。必要な条件は高耐圧であること,動作時間が速いこと,オン抵抗が小さい

ことである。これらは相反する要素で,一つの素子で,これらを満足するものは得られなかった。そこで,�チャン

ネル,エンハンスメント型の��� �を多段に直列接続し,かつ,その電圧分担を均等に保つための分圧器を併用した半導体スイッチを開発した。その回路構成を������に

示す。ソース-ドレイン間のオン抵抗��と� �のゲート電圧��の関係を�����に示す。図より,ゲート電圧が高く

Vc

インパルス電圧

Cs

鉄心

����� ����������������� ����������

インパルス試験によるレヤーショート試験法

コイル電圧

Vc

時間t

(a)

(b)0

(a)理想的な発振波形(b)実際の減衰振動波形

����� �� ��������������������������

コイル両端の電圧の時間変化

レヤーショート

トランス2次側�短絡と等価�

(a)レヤーショートしたコイル (b)等価回路

������ ����������������������������������

レヤーショート部分の等価回路

Vc

直流電源

Cs

通電電流 i

������ ����������������������� �����������������

逆起電力発生回路

������ ������������������������� ��������������

���

レヤーショートしたコイルでの波形変化

コイル電圧

Vc

時間t

(a)

(b)

0

(a)良品コイル(b)レヤーショートしたコイル

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三 菱 電 線 工 業 時 報 第96号 平成12年2月

- 28 -

なるにつれてオン抵抗が低下していくことがわかるが,実

測値によれば,ゲート電圧23(以上であれば,オン抵抗は4Ω弱に収束している。実際には-0 のオン抵抗を安定さ

せるため,ゲート電圧は35(一定とした。よって,26(程度の小型直流電源で,コイルに2&程度の電流を流すことができ,コイルの容量によっても異なるが,およそ数�(程度

の電圧を発生させることができる。この半導体スイッチの仕様を ������に示す。

装置全体の回路ブロック図を ������に示す。逆起電力により発生した電圧はコンデンサ分圧器から,最大サンプリング速度26����,分解能 27��の高速&8�変換器に取り込

VG

1MΩ

1MΩ

1MΩ

1MΩ

500kΩ

1MΩ

500kΩ

500kΩ

500kΩ

500kΩ

4700pF

4700pF

4700pF

4700pF

4700pF

入力ソース�

出力ドレイン

N-E type FET

N-E type FET

N-E type FET

N-E type FET

N-E type FET

������ ����������� ��������������������

多段半導体スイッチ回路

まれ,カラー液晶パネルに表示されるとともに,減衰振動

波形に対して,不良を判定するためのパラメータ計算がおこなわれる。

4.不良コイル検出のための波形処理

レヤーショート試験をおこなうときは,装置の測定用リード線にモータコイルを接続し,2秒間に26回程度の通

電オンオフをおこない,取り込んだデータを平均化する処理によって�8%比を向上させている。良不良は,減衰振動波形が正常品のコイルと比較して,どの程度の差であるか

をもって判定する。そのために以下の波形パラメータを自動計算させている。

� 面積差比試験コイルの減衰振動波形(テスト波形)と正常品の減

衰振動波形(マスタ波形)の面積の差であるが,各時間に

おける電圧の瞬時値を引き算して求める。すなわち,������

において,

面積差比= '9)………�

にて計算される。コイルにレヤーショートが発生している

と,損失成分が大きくなるため,マスタ波形に比較して,振

項  目

動作速度オン抵抗 $

��

耐  圧最大開閉電流

仕  様約 766��

4Ω以下

4�7�(��

:&

������ ������������� �� ��������

�� �������������

多段半導体スイッチの仕様

マスタ波形の面積

斜線部分の面積× 266

������ ����������� ��������������������

装置回路ブロック図

試験コイル

半導体スイッチ

直流電源

コンデンサ分圧器

スイッチング�用発振器�

A/D変換器�12bit,10Msps

ROM/RAM

制御用�CPU

キーボード

液晶表示器

トリガ回路

0

500

1000

1500

2000

2500

6 8 10 12 14 16 18

オン抵抗

RO

N [Ω

]

ゲート電圧VG [V]

入力ソース�電圧10V�

������ �!���������!������������������������

オン抵抗-ゲート電圧特性

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低圧小型モータコイル用レヤーショート試験器の開発

- 29 -

������� "��������������!������� ���� �

���

低圧小型モータコイルの外観

������ ��������������������������� �������

レヤーショート模擬試料での試験結果

短絡リード

2�7

2�;

2�3

2�<

7�;

7�3

7�<

;�3

;�<

3�<

面積差比*9+

=�2

7�:

=�2

;2�6

35�3

43�<

4=�7

<6�4

5<�=

55�=

判定結果

良良

不良不良

不良不良

不良

不良不良

面積差比*9+

4�7

3�2

=�7

;3�4

<3�3

43�3

4=�6

<<�6

57�<

5=�:

判定結果

良良

不良不良

不良不良

不良

不良不良

逆起電力方式 インパルス試験器

V1

V2

V3

V4

ゼロクロスシフト

マスタ波形

テスト波形

������ #��� �����������������������

減衰振動波形の波形パラメータ

動周期が短くなり,波高値の減衰も速くなる。これが面積差に反映される。

� ゼロクロスシフト試験コイルの減衰振動波形が電圧ゼロのラインを�回ク

ロスしたポイントをマスタ波形のものと比較する。すなわち,

ゼロクロスシフト= ��(マスタ波形の�回目のクロ

スポイント-テスト波形の�回目のクロスポイント)

回数�は選択可能である。������では �>3である。面積差比では判別が難しいわずかなインダクタンスの差が反映されるので,レヤーショート以外にも,巻数に過不足が

あるコイルを検出するのに適している。� 減衰率比

������において,減衰振動波形の各ピーク電圧�2~�

3よ

り次式にて減衰率を計算する。

減衰率= '9)………………�

減衰率比= '9)……�

� 発生電圧

試験コイルの減衰振動波形の第2ピークの電圧�2を正常

品のものと比較する。以上のパラメータを良品コイルのマ

スタ波形の波形パラメータと比較して良不良判定がおこなわれる。計算に用いるデータ点数や,判定に使用するパラメータの種類,判定しきい値などは任意に設定すること

ができる。また,良品コイルのマスタ波形は装置内の不揮発性メモリーに最大7<6種類まで保存できるため,多品種

のコイルを試験するときにも良品コイルを実際に用意する必要はない。試験時に何ボルトの直流電圧を加えると,何キロボルトの試験電圧が発生するかは,実際に良品コイ

ルで試験し,決定しておけばよい。良品コイルのマスタ波形をメモリーからロードしたときには,何ボルトで試験す

べきかが画面上に表示される。2 回の測定に必要な時間は約 7秒である。

5.不良コイル検出試験

実際にレヤーショートを起こしているサンプルを入手

するのは困難なので(すぐに解体,再組立されてしまうため),コイルの巻線から任意に <本のリード線を取り出し,

それぞれを短絡させてレヤーショートを模擬した。サンプルとしたのは,冷蔵庫などに用いられる単相の小型誘導モータ用ステータコイルである。その外観を�������に示

す。大きさは226��φ×23<���,重さ約 <�;��である。全リード線解放にてマスタ波形を記憶させ,その後各

リード線を順次短絡していったときの波形の変化より面積差比をパラメータとして測定し,従来のインパルス試験器を使っての測定結果と比較した。結果を ������に示す。

表より,逆起電力法による測定結果はインパルス試験器による結果とほぼ一致し,同等の検出性能を有することが

確認できた。短絡リード線の組み合わせにより,波形の変化が小さく,良品判定される組み合わせがあるが,試験で使用したコイルには主巻線と補助巻線があり,試験時に違

う方の巻線をショートしたものと考えられる。

マスタ波形の減衰率テスト波形の減衰率

× 266

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三 菱 電 線 工 業 時 報 第96号 平成12年2月

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������� "�����������������������������

レヤーショート試験器の外観

������� $��������%� ���������������

測定結果表示例

������ ��������������������������������

レヤーショート試験器の仕様項 目

方 式コイル最大通電電流

コイル最大印加電圧最大発生電圧

&8�変換周波数

&8�変換分解能プレトリガー

液晶表示

判定パラメータ

外部制御

試験時間最大記憶データ数

使用温度範囲

電 源寸 法

重 量

仕 様

逆起電力方式��7&

��25(

<�(

26#<#7�<#2�7<#6�=7=#6�;27<�,.

27��

76点

透過型��,カラー方式,5色;76× 736ドット

面積差比,ゼロクロスシフト,

減衰率比,発生電圧$�7;7�

約 7秒7<6セット

6~36?�

&�266(,<68=6,.,276�3;6�× 2::,× ;<6���

約23��

青木 勝(あおき まさる)電力・電線事業部 電力情報システム部 製造グルー

測定器の設計技術に関する業務に従事

井上修和(いのうえ のぶかず)電力・電線事業部 電力情報システム部 開発グルー

プ事故区間検出装置,劣化診断装置の開発に従事

電気学会,応用物理学会会員,工学博士

試作した装置の仕様を ������に,外観を�������に示す。結果はカラー表示されるので見やすく,自動測定に対しては$��7;7�インタフェースも備えている。各パラメータの

設定やマスタ波形のロードは,装置のテンキーボードから入力する。測定結果の画面表示例を�������に示す。マスタ

波形の減衰振動波形に対して,試験コイルでは振動周波数が変化し,面積差比とゼロクロスシフトに差が生じているのが確認できる。

6. む す び

被測定コイル自身に発生する逆起電力を利用した低圧

小型モータコイルのレヤーショート試験器の開発について報告した。本装置は従来のインパルス試験方法と同程度

の不良検出特性を有し,内部に高電圧発生回路を持たないため,誤操作に対しても安全であるという特長を持つ。今

後は,装置回路構成の簡略化により低価格化を目指すとともに,実試験により,その長期性能を確認していく予定である。