驅動電機絕緣高頻高壓下的耐久性評價總結

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引言

當下全球范圍內能源的緊張、環(huán)境的惡化等使得各國對于低碳經濟的發(fā)展需求顯得日益迫切，新能源汽車兼顧節(jié)能與環(huán)保成為主要賽道之一。目前新能源汽車的主要痛點集中于用戶的續(xù)航焦慮，充電的快慢等方面。同等條件下， 800V高電壓平臺相對400V平臺具有充電快、減重、節(jié)省空間、降低功率損耗等優(yōu)點。典型的像保時捷Taycon Turbo S，其最大充電功率可達350kW，可以在22.5分鐘內把容量93.4kWh的動力電池從5%充到80%。因此，新能源汽車高壓化是技術趨勢之一。

新能源汽車驅動電機的供電方式如圖1，電池的直流電壓輸入到逆變器，逆變器將直流電壓轉換成交流電壓后輸入到驅動電機。SiC功率器件在耐壓、開關頻率、損耗等多維度的性能優(yōu)于硅基IGBT功率器件。因此，新能源汽車800V以上高電壓平臺的電機控制器將普遍采用SiC代替硅基IGBT。SiC功率器件更高的開關頻率和電壓對新能源汽車驅動電機的絕緣提出了更高的要求。原有的驅動電機絕緣存在不滿足要求的可能性，長時間的高頻、高壓將會使絕緣加速劣化并過早失效從而影響安全。為了保證驅動電機在高頻、高電壓下的可靠性，對其進行高頻高壓下的耐久性評價就顯得尤為必要。

圖1? 新能源汽車的部件和供電示意圖

測試對象

新能源汽車驅動電機屬于變頻電機，對于電壓型變頻器供電的電機絕緣結構主要分為Ⅰ型絕緣結構和Ⅱ型絕緣結構（圖2），其中在Ⅰ型絕緣結構在其運行壽命期間和規(guī)定的條件下不承受局部放電；Ⅱ型絕緣結構在整個運行壽命期間絕緣結構的任一部分承受局部放電。高電壓平臺下新能源汽車驅動電機繞組可能會存在局部放電的現象（II型絕緣結構），電壓耐久性主要針對II型絕緣結構及其所采用的絕緣材料。

圖2? I型和II型絕緣結構

高電壓平臺下新能源汽車驅動電機相關絕緣的高頻、高電壓耐久性測試的對象主要分為絕緣材料和絕緣結構兩部分（圖3），其中絕緣材料主要包括電磁線、絕緣紙等，絕緣結構則主要是新能源汽車驅動電機定子繞組及其模型線圈。

圖3? 定子繞組主要構成及耐久性測試對象

標準體系

新能源電動汽車中的驅動電機在實際服役過程中運行環(huán)境較嚴酷，且會受到發(fā)動機艙帶來的熱應力、整車運行振動等環(huán)境應力以及高電壓電應力的沖擊等。屬于I型時主要是以熱應力和環(huán)境應力影響壽命，屬于II型時主要是以熱應力、電應力和環(huán)境應力影響壽命。目前對絕緣材料及絕緣結構電壓耐久性相關檢測標準如圖4所示。其中團體標準T/CEEIA 415-2019 《新能源汽車驅動電機絕緣結構技術要求》綜合了現有的標準體系，主要適用于額定電壓為1kV及以下的新能源汽車用驅動電機，并規(guī)定了新能源汽車驅動電機絕緣結構的技術要求、試驗方法及檢驗規(guī)則。隨著新能源汽車驅動電機技術的快速迭代，T/CEEIA 415-2019目前已不能完全匹配現階段行業(yè)需求，全國旋轉電機標準化技術委員會已組建標準工作組并著手T/CEEIA 415的修訂工作。

圖4? 絕緣材料及絕緣結構的電壓耐久性相關檢測標準

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高頻、高壓耐久性評價

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4.1 絕緣材料

4.1.1 耐高頻沖擊試驗

試樣

對于電磁線，以漆包銅圓線或漆包銅扁線或薄膜繞包銅扁線作為試樣，按照如下所述制備試樣：

00001——漆包銅圓線：按GB/T 4074.7-2009中5.1.1的規(guī)定制備成“絞線對”形式；

00002——漆包銅扁線或薄膜繞包銅扁線：按GB/T 4074.7-2009中5.1.2的規(guī)定制備成“背靠背”形式。

對于絕緣紙或柔軟復合材料，將樣品裁剪成合適的大小，采用Φ6mm圓柱-平板電極或Φ6mm/Φ6mm圓柱電極進行測試。

試驗條件

耐高頻沖擊試驗儀波形參數見表1。在155 ℃的老化烘箱內，對電磁線試樣連續(xù)地進行試驗，老化烘箱應滿足GB/T 11026.4-2012的要求。

表1? 電磁線耐高頻沖擊試驗儀的波形參數

圖5 耐高頻沖擊電壓波形

U：電壓；t：時間；Up：峰值電壓；Ub：尖峰電壓；Ua：穩(wěn)態(tài)沖擊電壓；Upk-pk：峰峰電壓。

4.2 絕緣結構

在逆變器供電系統(tǒng)中，逆變器驅動產生的復雜電壓在Ⅱ型絕緣結構繞組的應力分布是不同的，表2列出了電機端電壓特性對Ⅱ型絕緣結構各部分老化的重要程度。通過對主絕緣、匝間絕緣等進行試驗，可以鑒定II型絕緣結構并給出沖擊電壓絕緣等級（IVIC）分級。一般對整個絕緣結構的匝間絕緣和主絕緣分別進行評估。相間絕緣可結合繞組設計確定是否需要評估。對于主絕緣，一般采用實際定子繞組或模型線圈進行加速電老化以確定電壽命曲線；對于匝間絕緣，一般使用具有平行導體的線對或者線圈試品以獲得壽命曲線。

表2? 逆變器供電電壓特性對Ⅱ型絕緣結構不同組分加速老化的影響

4.2.1 耐高頻沖擊試驗

在滿足若峰-峰電壓值及電壓周期數相同，沖擊電壓和正弦電壓下的老化速率相同以及電壓耐久性系數n，在1kHz以下與頻率無關兩個假設的前提下，常用的電壽命計算模型為：

L=k×U-n

其中：

n—電壓耐久性系數；

L—試樣的試驗壽命，單位為小時（h）；

U—施加周期性峰值電壓，單位為伏特（V）。

k—常數。

多數情況下，在指定的峰值電壓下，L2=L1*f1/f2可用于計算預期壽命，其中L2為頻率f2對應的壽命，單位為小時（h）；L1為頻率f1對應的壽命，單位為小時（h）；結合頻率和電壓有關的老化方程可以導出一般表達式：

Lf2,U2= Lf1,U1×(U1/U2)n×（f1/f2）

其中：

Lf2,U2—頻率f2和電壓U2對應的壽命，單位為小時（h）；

Lf1,U1—頻率f1和電壓U1對應的壽命，單位為小時（h）；

試驗證明，在不大于1kHz的正弦和沖擊電壓下使用該方法計算壽命是有效的，超過1kHz需要通過試驗測出頻率加速系數。對于多電平的情況，主絕緣電老化的主要因子是基頻峰-峰電壓和頻率。

具體試驗方法為通過提高試驗電壓或頻率建立主絕緣電壽命曲線。至少選擇3個電壓或頻率，并以絕緣發(fā)生擊穿時為試驗終點。每個試驗電壓下至少7個主絕緣樣品。在試驗過程中一般需要注意以下幾點：

避免引入在實際運行中不存在的失效機理；

通過提高試驗電壓或頻率建立主絕緣電壽命曲線；

如果使用工頻電壓（50Hz或60Hz），在最高電壓下的平均失效時間應為50h左右且最低電壓下的平均失效時間應大于5000h。

其中主絕緣鑒定試驗合格準則為：在同一頻率下對比待評和基準壽命曲線：

在相同的試驗電壓下，待評結構壽命曲線的90%置信上限超過基準主絕緣壽命曲線的90%置信上限；

在最低試驗電壓下，待評結構壽命曲線的90%置信下限大于或等于基準主絕緣壽命曲線的90%置信下限。且待評結構均值回歸線的斜率比基準絕緣結構壽命曲線的斜率陡（如待評結構的n值大于基準結構）。

4.2.2 匝間絕緣鑒定試驗

待評絕緣結構的試驗樣品應與線圈產品制造商的設計、材料和結構一致，匝間絕緣鑒定的試驗方法為：

將工頻試驗電壓1.5Uturn施加在試樣的兩個導體之間。如果未發(fā)生局部放電，無需進行鑒別試驗。如果局部放電存在，將進行電老化試驗；其中Uturn為峰-峰電壓，若Uturn未知，則Uturn=突變電壓/匝數。

在試品兩個導體之間施加重復沖擊電壓或正弦電壓直到出現電擊穿。建議電壓值至少為3個（4.5Uturn、4.0Uturn 、3.5Uturn），每個試驗電壓下最少需5個試驗樣品。

其中匝間絕緣鑒定試驗合格準則為：若1.5Uturn下5個測試樣品均未發(fā)生局部放電，則匝間絕緣不需要進行鑒別，即合格。若1.5Uturn下5個測試樣品中有發(fā)生局部放電，合格準則與上述主絕緣類似。

試驗能力

5.1 絕緣結構耐高頻沖擊電老化測試能力

最高試驗電壓峰峰值：20kV；

脈沖頻率：1kHz，2.5kHz，5kHz，10kHz，20kHz（在研）；

波形：雙極性對稱方波；

脈沖占空比：50%；

使用環(huán)境：可實現常溫~300℃溫度環(huán)境下熱、電聯合老化；

設備容量：

3kV，5kHz下最大可接電容量達2×105 pF；

3kV，10kHz下最大可接電容量5×104 pF；

3kV，20kHz下最大可接電容量2×105 pF（在研）；

檢測樣品：定子繞組，線圈等。

圖6? 絕緣結構耐高頻沖擊電老化測試設備

5.2 電磁線及絕緣材料耐電暈試驗能力

最高試驗電壓：5kV；

波形：雙極性對稱方波；

頻率：最高20kHz， 2~20kHz可調；

沖擊上升/下降時間：100ns；

使用環(huán)境：可實現常溫~300℃溫度環(huán)境下熱、電聯合老化；

設備容量：在3kV，20kHz下設備最大可接電容量150 pF；

檢測樣品：電磁線（圓線、扁線），柔軟復合材料，薄膜，絕緣紙等。

圖7? 絕緣材料耐高頻沖擊試驗儀設備

編輯：黃飛

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