2/27 ＜電気の基礎から学ぶ電動化のための電気絶縁技術＞ モータ、インバータと車載部品の高電圧絶縁品質評価法、 関連のIEC国際規格と樹脂材料の高性能化

兵庫県立大学 名誉教授　永田 正義　氏

　世界の脱炭素戦略の中心がモビリティの「電動化」であり、現在、電動車（xEV）、空飛ぶクルマ、電動化航空機、電動化船舶などにおいて研究開発が活発に進められてている。
　xEV関連の主駆動系と車載電装部品において、高出力・トルク化、小型・軽量化、高機能化が技術革新のポイントである。例えば、高速充電のためのバッテリーの高電圧化だけでなく、EVモータも駆動電圧800V仕様に高電圧設計されている。これらの800Vアーキテクチャー採用により、EMC（サージ）、熱と電気的絶縁性能の問題がより厳しくなり、その対策のためのマネジメントと品質評価法が今最も必要とされている電動化技術である。
　小型軽量・高電圧化による各要素部品の温度の急上昇は絶縁性能を著しく低下させ、サージが重畳する高い繰り返しインパルス電圧によって部分放電や沿面放電が各絶縁弱点箇所で発生し易くなる。材料の熱劣化や絶縁破壊につながる部分放電発生のメカニズムを十分理解をした上で電動化に対応できる高機能な樹脂材料を開発することが重要である。

　一方、xEV用モータ等の性能を保証する電気絶縁評価法のIEC国際規格はまだ発効されておらず、産業用インバータ駆動モータにおける関連IEC規格を参考にするに留まっており、その規格の適用の妥当性については十分議論されていないのが現状である。

　本講演では、駆動モータ、平角巻線、スロットライナー、バスバー、パワーモジュールの基板材料と封止材、PCU等の回路基板、バッテリーパッケージ、等々の各構成部品に関する高電圧絶縁技術について、電気の基礎から徹底解説することで、基本原理から理解することでこれらのモビリティ搭載部品の高品質な絶縁設計と信頼性評価法を根源的に習得することを目的としている。

　また、関連の各IEC規格について紹介し、電動化モビリティ分野への適用性と課題点について解説する。本講演のトッピクスの一つはなかなかオープンにされない実機EV用ヘヤピンステータのインパルス絶縁評価試験の実例を紹介する。これにより、産業用モータとの相違点について理解できる。自社開発の高機能な樹脂素材をEV/HEVの構成部品に応用を検討している場合、その電気絶縁特性の精度の高い計測と評価は不可欠であり、是非、基礎から習得して頂きたい。

＜得られる知識、技術＞
・電動化モビリティ分野における樹脂材料の開発・応用と高電圧絶縁技術の最新動向
・電動化におけるの高電圧化、高周波化、熱対策に向けた高電圧絶縁の課題と対策
・モータ・材料等の電気的絶縁システムのIEC国際規格と課題点
・樹脂フィルム、パワーモジュール、電子回路基板の絶縁評価法
・EV用平角巻線の高温、高湿、低気圧下でのAC/インパルス絶縁評価法
・産業用インバータ駆動モータのIEC規格に準拠したインパルス絶縁評価法
・EV用ヘヤピンステータのAC/インパルス絶縁評価法と絶縁弱点箇所

＜プログラム＞
１．電動化モビリティの電気絶縁技術の最新動向
　1.1 EV/HEV駆動モータの小型軽量化、高電圧化に向けた技術動向
　1.2 電動化要素部品の信頼性設計・評価に向けた熱・絶縁技術動向
　1.3 高耐熱性、高熱伝導化に向けた高機能樹脂素材の開発動向

２．電気の基礎から学ぶ電動化に必須の高電圧絶縁技術
　2.1 誰も教えてくれない電磁気と電気回路
　　　（電流、電圧、パワー、電界、磁界、電磁波とは何か？）
　2,2 ACとパルス/インパルスはどう違う？
　2.3 樹脂材料を急速劣化させる熱の問題とは？ 
　2.4 絶縁破壊とは何か？　絶縁破壊電圧と放電開始電圧の違い？
　2.5 絶縁破壊につながる放電
　　　（部分放電、バリア放電、沿面放電、コロナ放電）とは何か？　
　2.6 高電圧化、高周波化すると部分放電(PD)が発生し易くなるのはなぜか？　
　2.7 周囲環境（温度、湿度、気圧、放射線）で大きく変化するPD発生メカニズム
　2.8 PDはどの箇所で発生し易いのか？
　　　絶縁の弱点部位(3重点、電界強度無限大付近)を重点対策
　2.9 これまでの交流試験とは異なる
　　　　　インパルス電圧波形による評価試験はなぜ必要か？
　2.10 樹脂材料の特性表の見方のポイント、
　　　　　熱的特性と電気的特性の計測方法とは？
　2.11 樹脂材料の複合的劣化メカニズムとは？
　2.12 ナノコンポジット材料の高い絶縁特性のメカニズムとは？
　2.13 パワーモジュール等の絶縁構造、
　　　　　熱抵抗の関係と熱・絶縁劣化メカニズム
　2.14 絶縁破壊電圧よりも微弱な部分放電が発生する
　　　　　電圧(PDIV)を正確に計測するには？
　2.15 熱劣化するとPDが発生し易くなる。
　　　　　PDIVの低下で劣化度合を予測できるのか？
　2.16 PD発生をどのように予測するのか？
　　　　―絶縁設計に必須知識―
　2.17 PD発生をどのように計測するのか？
　　　　―製品の品質保証に必須の計測技術―

３．IEC国際規格による電気絶縁評価方法
　3.1 インバータ駆動モータ（産業用）の関連IEC規格
　　　（IEC60034-18-41, IEC61934, IEC60034-27-5TS他）
　3.2 電気絶縁システムの熱耐久性、寿命を評価する規格
　　　（IEC61857）
　3.3 モータ巻線の寿命評価試験
　　　（IEC63263TS）
　3.4 駆動モータのPD-Freeの検証とインパルス試験電圧の決め方
　3.5 ヘアピンモータ（EV用）へのIEC国際規格の適応と課題
 
４．各電動車部品の部分放電計測とAC/インパルス絶縁評価法
　4.1 AC試験器とインパルス試験器との違い（市販の計測器紹介）
　4.2 電源（AC、インパルス）と各種計測センサーの選定
　4.3 実験装置、試験環境設定、計測方法、他
　4.4 データのばらつきの要因と対策
　4.5 印加電圧波形
　　　（立ち上がり時間、パルス幅、周波数）とPDIV特性との関連性
　4.6 計測値を左右するセンサー感度とノイズレベル、閾値設定
　4.7 インパルス電圧の印加方法、データ収集と処理方法の具体例
　4.8 恒温恒湿槽を使ったPDIVの温度湿度依存性の計測の具体例と注意点
 
５．実機インバータ駆動モータの絶縁評価試験の実例
　5.1 EV用平角巻線のPDIV計測と寿命試験 
　5.2 プリント回路基板の高周波絶縁評価試験
　5.3 産業用モータのIEC国際規格に準拠した絶縁評価試験
　5.4 （必見）EV用ヘヤピンステータのインパルス絶縁評価試験と絶縁弱点箇所

６．まとめ

　　□ 質疑応答 □

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