電気モーターの偏光指数測定は、現在では近代的な手法に取って代わられました。
電動機の試験については、絶縁システムの抵抗が経時的にどの程度改善（または劣化）するかを示す指標として、分極指数（PI）があります。
PIテストはモータの絶縁状態を評価する際の主要なテストと考えられてきましたが、そのプロセスは、モータの全体的な健康状態をより包括的に診断する新しいテスト方法と比較して時代遅れになっています。
この記事では、モータの絶縁システムについての実践的な理解、分極指数試験の基本的な理解、そして最新のモータ試験法がいかに短時間でより包括的な結果を提供するかを紹介します。
偏光インデックス（PI）
分極指数（PI）試験は、1800年代に開発された標準的な電動機試験方法で、電動機の巻線絶縁の健全性を判定しようとするものです。
PI試験は、1970年代以前に一般的に設置された地上壁絶縁（GWI）システムに関する情報を提供するが、最新のモーターにおける巻線絶縁の正確な状態を提供することはできない。
PI試験では、モーターの巻線に直流電圧（通常500V～1000V）を印加し、GWIシステムの電荷蓄積効果を測定します。
GWIシステムは、モーター巻線とモーターフレームとの間に自然な静電容量を形成するため、印加された直流電圧は、他のコンデンサと同様に電荷として蓄積されます。
コンデンサが完全に充電されると、電流は減少し、最終的に残るのは漏れ電流だけとなり、絶縁体がグランドに提供する抵抗の量を決定することになります。
新しいクリーンな絶縁システムにおいては、電子が蓄積されるため、分極電流は時間と共に対数的に減少する。 極性指数（PI）は、1分間隔と10分間隔で測定した絶縁抵抗（IRG）値の比率です。
PI＝10分IRG／1分IRG
1970年代以前に設置された絶縁システムでは、PI試験は誘電体材料の分極中に行われます。
グランドウォール断熱材（GWI）が劣化し始めると、化学変化を起こして誘電体材料が抵抗性、容量性ともに低下し、誘電率が低下して、断熱システムの電荷を蓄える能力が低下します。 これにより、分極電流は漏れ電流が支配的な範囲に近づくにつれ、より直線的になる。
しかし、1970年代以降の新しい絶縁システムでは、さまざまな理由で誘電体の全分極が1分以内に起こり、IRGの測定値は5,000メガオームを超えます。 算出されたPIは、地中壁表示の状態を示すものとして意味をなさない場合がある。
さらに、このテストでは巻線とモーターフレームの間に静電界が発生するため、巻線絶縁システムの状態を示す指標はほとんど得られません。 このような故障は、MCAによる位相角と電流の周波数特性を測定することで、最もよくわかります。
絶縁材料
電気モーターでは、電子の自由な流れに抵抗して、電流を目的の経路に導き、他の場所に逃がさないようにする材料が絶縁体です。
理論的には、絶縁体はすべての電流の流れを遮断するはずですが、どんなに優れた絶縁体でも、わずかな電流は通過してしまいます。 この余剰電流は一般に漏れ電流と呼ばれる。
一般的にモーターの寿命は20年と言われていますが、電気モーターが早期に故障する主な原因は、絶縁システムの故障です。
絶縁体の化学組成の変化により、絶縁体が導電性を帯びるようになると、絶縁体の劣化が始まります。 断熱材の化学組成は、使用状況やその他の損傷により経年変化します。 漏れ電流は抵抗となり、熱を発生させ、その結果、絶縁体の劣化をさらに加速させる。
注）ほとんどのエナメル線は、定格温度（105～240℃）で20,000時間の耐用年数を保証するように設計されています。
断熱システム
モーターなどのコイルを持つ電気機器には、2つの独立した絶縁方式があります。
- グランドウォール絶縁システムは、コイルとモータのフレームを分離し、巻線に供給される電圧がステータコアやモータのフレームの一部に漏れるのを防ぐ。 地中壁断熱システムの故障は地絡と呼ばれ、安全上の危険を生じさせます。
- 巻線絶縁システムは、コイル全体に電流を供給して固定子磁界を形成する導電線を囲むエナメル層のことです。 巻線絶縁システムの破壊は巻線ショートと呼ばれ、コイルの磁界を弱める。
図1：2分割断熱システム
絶縁耐力（IRG)
モーターで行われる最も一般的な電気試験は、絶縁抵抗対接地（IRG）試験または「スポット試験」です。
モータ巻線に直流電圧を印加し、モータフレームに対する接地壁の絶縁抵抗が最小となる点を測定する。
静電容量
静電容量（C）は、ファラッド単位で測定され、電荷を蓄えるシステムの能力として定義されます。 モータの静電容量を確定するには、式で求める。1ファラド＝クーロン（Q）単位の蓄積電荷量を電源電圧で割った値。
例例：印加電圧が12Vバッテリーで、コンデンサが0.04クーロンの電荷を蓄える場合、0.0033ファラッドまたは3.33mFの静電容量を持つことになる。 1クーロンの電荷は、約6.24×1018個の電子または陽子です。 3.33mFのコンデンサーは、フル充電すると約2.08×1016個の電子を蓄えることになる。
静電容量は、導電性板材の間に誘電体材料を挟むことで発生します。 モーターでは、アースウォール断熱システムがモーター巻線とモーターフレームとの間に自然な静電容量を形成します。 巻線導体が一方の板を、モーターフレームが他方の板を形成し、グランドウォール絶縁体を誘電体としています。
静電容量量に依存する。
- 測定されたプレートの表面積 – 静電容量は、プレートの面積に正比例します。
- プレート間の距離 – 静電容量は、プレート間の距離に反比例します。
- 誘電率 – 静電容量は、誘電率に正比例します。
対地静電容量（CTG）
のことです。
静電容量対地電荷量
(CTG）測定は、モーターの巻線とケーブルの清浄度を示すものです。
グランドウォール絶縁（GWI）と巻線絶縁システムは、アースに対して自然な静電容量を形成するため、モーターが新しくきれいな状態では、それぞれのモーターに固有のCTGが発生します。
モータ巻線やGWIが汚れたり、モータに水分が侵入したりすると、CTGは上昇します。 しかし、GWIや巻線の絶縁体が熱劣化すると、絶縁体の抵抗値が高くなり、容量が小さくなるため、CTGが低下する。
誘電体材料
誘電体とは、電気をあまり通さないが、静電界を支える物質のことである。 静電場では、電子が誘電体を透過せず、プラスとマイナスの分子が対になって双極子（距離を隔てた反対電荷の分子の対）を形成し、分極する（双極子のプラス側はマイナス電位に、マイナス電荷はマイナス電位に整列することになる）。
誘電率（K）
誘電率（K）は、誘電体が双極子を形成して電荷を蓄える能力を示す指標で、Kが1である真空との相対値である。
絶縁材料の誘電率は、その材料を形成する分子の化学的構成に依存する。
誘電体材料のKは、材料の密度、温度、含水率、静電界の周波数によって影響を受けます。
誘電損失
誘電体材料の重要な特性は、誘電損失と呼ばれる熱の形で最小限のエネルギーを放散しながら、静電場を支持する能力です。
誘電破壊
誘電体の電圧が高くなり、静電場が強くなりすぎると、誘電体が電気を通すようになり、絶縁破壊と呼ばれるようになります。 固体誘電体では、この絶縁破壊は永久に続く可能性があります。
絶縁破壊が起きると、誘電体の化学組成が変化し、誘電率が変化する。
コンデンサーの充電に使用する電流について
数十年前、電荷を蓄える絶縁システムの能力を評価するために、分極指数試験（PI）が導入されました。 コンデンサーの充電には、上記のように基本的に3種類の電流が存在するためです。
- 充電電流– プレートに蓄積される電流で、プレートの面積とプレート間の距離に依存する。 充電電流は通常、< 1分未満で終了します。 充電量は、絶縁体の状態にかかわらず同じになります。
- 分極電流– 誘電体材料を分極するために必要な電流、または誘電体材料を静電界に置くことによって生じる二重焦点を合わせるために必要な電流。 通常、分極指数試験が開発された1970年代以前のモーターに取り付けられていた絶縁システムでは、新しくきれいな絶縁システムの公称値は100数十メガオーム（106）の範囲であり、完了するまでに通常30分以上、場合によっては何時間も必要でした。 しかし、新しくてきれいな絶縁システム（1970年代以降）の公称値は、ギガ・オームからテラ・オーム（109、1012）になり、通常、充電電流が完全に終了する前に完全に分極する。
- 漏れ電流– 絶縁材を伝って流れ、熱を放散する電流。
充電電流
充電されていないコンデンサは、プラスとマイナスの電荷を同数ずつ共有するプレートを持っています。
充電されていないコンデンサのプレートに直流電源を印加すると、電池のマイナス側から電子が流れ、電池のマイナスポストに接続されているプレートに蓄積されます。
これにより、このプレート上に過剰な電子が発生する。
電子は、電池のプラスポストに接続されたプレートから流れ、マイナスプレートに蓄積された電子と入れ替わるように電池内に流れ込みます。 電流は、プラス板の電圧が電池のプラス側と同じになり、マイナス板の電圧が電池のマイナス側の電位になるまで流れ続けます。
電池からプレートに移動する電子の数は、プレートの面積とプレート間の距離によって異なります。
この電流は充電電流と呼ばれ、エネルギーを消費せず、コンデンサに蓄えられる。 この蓄積された電子が、プレート間に静電界を発生させる。
偏光電流
コンデンサーのプレート間に誘電体材料を配置することで、真空中のプレート間隔に比べ、コンデンサーの静電容量を増加させることができます。
誘電体材料を静電場中に置くと、新たに形成された双極子が分極し、双極子のマイナス端はプラス板に、双極子のプラス端はマイナス板に向かって整列します。 これを「偏光」といいます。
誘電体材料の誘電率が高いほど、多くの電子が必要となり、回路の静電容量が大きくなります。
リーク電流
誘電体の絶縁性を維持したまま流れるわずかな電流のことを実効抵抗といいます。 これは、材料が破壊せずに耐えられる最大電圧として定義される誘電率とは異なります。
絶縁材料が劣化すると、抵抗が大きくなり、容量が小さくなるため、漏れ電流が増加し、誘電率が低下します。 漏れ電流は熱を発生させ、誘電損失とみなされる。
散逸係数（Dissipation Factor
交流信号を用いて地中壁絶縁（GWI）システムを運動させる代替試験技術です。 GWIをテストするためにDC信号を使用する上で説明したように、3つの異なる電流が発生するが、測定器は時間以外に電流を区別することができない。 しかし、GWIをテストするためにAC信号を印加することで、蓄積される電流（充電電流、分極電流）と抵抗電流（漏れ電流）を分離することが可能です。
充電電流と分極電流はともに蓄積電流であり、1/2サイクルの逆回転で電圧に戻されるため、電流は電圧を90°リードするが、漏れ電流は放熱する抵抗電流であり、電流は印加電圧と同位相である。 散逸係数（DF）とは、簡単に言えば、容量性電流（IC）と抵抗性電流（IR）の比のことです。
DF =IC /IR
清潔な新品の断熱材では、通常、IRはICの < 5%です。断熱材が汚染されたり、熱的に劣化したりすると、ICが減少するか、IRが増加するかどちらかになります。 いずれの場合も、DFは増加します。
概要
1800年代には、分極指数試験はモーターの全体的な状態を判断する効果的な方法でした。 しかし、最近の断熱システムでは効果が薄れてきています。
PIテストは時間がかかり（15分以上）、故障が巻線にあるのかアース壁の絶縁にあるのかを判断できないが、以下のような最新技術では、故障が巻線にあるのかアース壁の絶縁にあるのかを判断できる。 モーター回路解析 (MCATM)3分以内に完了するテストで、接続の問題、ターン間、コイル間、位相間の巻線故障を非常に早い段階で特定します。
DF、CTG、IRGのような他の技術も、最小限の時間で完了する試験で、地上壁断熱システムの状態を提供する。
MCATM、DF、CTG、IRGなどの新技術を組み合わせることで、最新の電気モーター検査法は、モーター全体の絶縁システムをこれまでよりもはるかに包括的かつ徹底的に、迅速かつ簡単に評価することができます。
