高压电机及驱动（高压电机的绝缘要求）

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介绍

当前全球能源短缺和环境恶化，各国发展低碳经济的需求日益迫切。兼顾节能与环保的新能源汽车已成为主赛道之一。目前，新能源汽车的主要痛点集中在用户对续航和充电速度的焦虑。同等条件下，800V高压平台比400V平台具有充电更快、重量减轻、节省空间、功耗更低等优势。典型的例子就是保时捷Taycon Turbo S，其最大充电功率为350kW，可在22.5分钟内将93.4kWh的动力电池从5%充电到80%。因此，高压新能源汽车是技术趋势之一。

新能源汽车驱动电机的供电方式如图1所示，电池的直流电压输入到逆变器，逆变器将直流电压转换为交流电压后输入到驱动电机。 SiC功率器件在耐压、开关频率、损耗等多个维度上均比硅基IGBT功率器件具有更好的性能。因此，新能源汽车800V以上高压平台的电机控制器一般会采用SiC，而不是硅基IGBT。 SiC功率器件更高的开关频率和电压对新能源汽车驱动电机的绝缘提出了更高的要求。有可能是原驱动电机绝缘不符合要求。长期的高频、高压会加速绝缘的劣化，导致过早失效，从而影响安全。为了保证驱动电机在高频、高压下的可靠性，尤其需要评估其在高频、高压下的耐久性。

图1 新能源汽车零部件及电源图

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测试对象

新能源汽车驱动电机均为变频电机。电压型变频器供电的电机绝缘结构主要分为I型绝缘结构和II型绝缘结构（图2）。 II型绝缘结构在一定条件下不能承受局部放电；绝缘结构的任何部分在整个使用寿命期间都会承受局部放电。在高压平台下，新能源汽车驱动电机的绕组可能会发生局部放电（II型绝缘结构）。耐压性能主要集中在II型绝缘结构和所用绝缘材料上。

图2 I型和II型绝缘结构

高压平台下新能源汽车驱动电机相关绝缘高频高压耐久性测试的对象主要分为绝缘材料和绝缘结构两部分（图3）。绝缘材料主要包括电磁线、绝缘纸等，绝缘结构主要是新能源汽车驱动电机的定子绕组及其模型线圈。

图3 定子绕组主要部件及耐久性试验对象

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标准体系

新能源电动汽车驱动电机在实际使用过程中工作环境恶劣，会受到发动机舱热应力、车辆运行振动、高压电应力等环境应力的影响。当属于I型时，寿命主要受热应力和环境应力的影响。当属于II型时，寿命主要受热应力、电应力和环境应力的影响。现行绝缘材料及绝缘结构耐压相关检测标准如图4所示。其中团体标准T/CEEIA 415-2019《新能源汽车驱动电机绝缘结构技术要求》整合了现有标准体系主要适用于额定电压1kV及以下新能源汽车用驱动电机，规定了新能源汽车驱动电机绝缘结构的技术要求、试验方法和检验规则。随着新能源汽车驱动电机技术的快速迭代，T/CEEIA 415-2019已不再能够完全满足当前的行业需求。全国旋转电机标准化技术委员会成立标准工作组，启动T/CEEIA 415的修订工作。

图4 绝缘材料和绝缘结构耐压相关测试标准

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高频高压耐久性评价

4.1 绝缘材料

4.1.1 高频抗冲击试验

样本

对于电磁线，以漆包铜圆线或漆包铜扁线或覆膜铜扁线为试样，试样制备如下：

00001—— 漆包铜圆线：按GB/T 4074.7-2009中5.1.1的规定制成“双绞线”形式；

00002—— 漆包铜扁线或薄膜包铜扁线：按GB/T 4074.7-2009中5.1.2的规定制成“背靠背”形式。

对于绝缘纸或软质复合材料，将样品切成合适的尺寸，使用6mm圆柱扁电极或6mm/6mm圆柱电极进行测试。

测试条件

高频耐冲击测试仪的波形参数如表1所示。将电磁线样品放入155的老化箱中连续测试。老化箱应符合GB/T 11026.4-2012的要求。

表1 电磁线高频抗冲击测试仪波形参数

图5 高频冲击电压波形

U：电压； t：时间； Up：峰值电压； Ub：峰值电压； Ua：稳态冲击电压； Upk-pk：峰峰值电压。

4.2 绝缘结构

在逆变供电系统中，逆变驱动产生的复杂电压在II型绝缘结构的绕组中的应力分布是不同的。表2列出了电机端电压特性对II型绝缘结构各部分老化的重要性。通过测试主绝缘、匝间绝缘等，可以识别II型绝缘结构并给出冲击电压绝缘等级（IVIC）分级。一般对整个绝缘结构的匝间绝缘和主绝缘分别进行评价。相绝缘可以结合绕组设计进行评估，以确定是否需要评估。对于主绝缘，一般采用实际定子绕组或模型线圈进行加速电老化，以确定电寿命曲线；对于匝间绝缘，一般采用平行导体的线对或线圈样品来获取寿命曲线。

表2 逆变电源电压特性对II型绝缘结构不同部件加速老化的影响

4.2.1 高频抗冲击试验

在满足峰峰值电压值和电压周期数相同两个假设的前提下，冲击电压和正弦电压下的老化率相同，耐压系数n独立频率低于1kHz时，常用的电气寿命计算模型为：

L=kU-n

在：

n——耐压系数；

L——试样的试验寿命，单位为小时（h）；

U—施加周期性峰值电压，单位为伏特(V)。

k——常数。

大多数情况下，在指定的峰值电压下，可以用L2=L1*f1/f2来计算预期寿命，其中L2是频率f2对应的寿命，单位为小时（h）； L1为频率f1对应的寿命，单位为小时（h）；结合与频率和电压相关的老化方程可以得出通用表达式：

Lf2,U2=Lf1,U1(U1/U2)n(f1/f2)

在：

Lf2、U2——频率f2和电压U2对应的寿命，单位为小时（h）；

Lf1,U1——频率f1和电压U1对应的寿命，单位为小时（h）；

试验证明，用该方法计算正弦波和不大于1kHz脉冲电压下的寿命是有效的。如果频率超过1kHz，则需要通过实验测量频率加速系数。对于多电平情况，造成主绝缘电老化的主要因素是基波峰峰值电压和频率。

具体试验方法是通过提高试验电压或频率来建立主绝缘电气寿命曲线。选择至少3个电压或频率，并设定绝缘击穿发生时的测试终点。每个试验电压至少有7个主绝缘样品。在测试过程中，一般需要注意以下几点：

避免引入实际运行中不存在的故障机制；

通过提高试验电压或频率建立主绝缘电气寿命曲线；

若采用工频电压（50Hz或60Hz），最高电压下的平均故障时间应为50h左右，最低电压下的平均故障时间应大于5000h。

主绝缘鉴定试验的鉴定标准为： 将待评价寿命曲线与同频率基准寿命曲线进行比较：

相同试验电压下，待评价结构寿命曲线90%置信限超过基准主绝缘寿命曲线90%置信限；

在最低试验电压下，待评价结构寿命曲线的90%置信下限大于或等于基准主绝缘寿命曲线的90%置信下限。并且待评价结构的平均回归线的斜率比基准保温结构的寿命曲线的斜率更陡（例如待评价结构的n值大于基准结构的n值） 。

4.2.2 匝间绝缘鉴定试验

待评价的绝缘结构的试验样品应与线圈产品制造厂的设计、材料和结构一致。匝间绝缘合格的试验方法是：

在试样的两导体之间施加1.5U匝的工频试验电压。如果不发生局部放电，则不需要进行鉴定测试。如果存在局部放电，则进行电气老化测试；其中Uturn 是峰峰值电压。如果Uturn 未知，则Uturn=突变电压/匝数。

在测试样品的两个导体之间施加重复的脉冲电压或正弦电压，直至发生电击穿。建议至少有3个电压值（4.5Uturn、4.0Uturn、3.5Uturn），每个测试电压至少需要5个测试样品。

匝间绝缘合格试验的合格标准是：1.5U匝下5个试验样品均无局部放电发生，则匝间绝缘无需鉴定，即合格。如果5个测试样品在1.5Uturn下发生局部放电，则合格标准与上述主绝缘类似。

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测试能力

5.1 绝缘结构耐高频冲击电老化试验能力

最大测试电压峰峰值：20kV；

脉冲频率：1kHz、2.5kHz、5kHz、10kHz、20kHz（开发中）；

波形：双极对称方波；

脉冲占空比：50%；

使用环境：可在常温至300温度环境下实现热电联合老化；

设备容量：

3kV、5kHz时最大可连接电容为2105 pF；

3kV，10kHz时最大可连接电容5104 pF；

3kV，20kHz时最大可连接电容2105 pF（正在开发中）；

测试样品：定子绕组、线圈等。

图6 绝缘结构高频耐冲击电老化试验设备

5.2 电磁线及绝缘材料耐电晕试验能力

最大测试电压：5kV；

波形：双极对称方波；

频率：最高20kHz，2~20kHz可调；

冲击上升/下降时间：100ns；

使用环境：可在常温至300温度环境下实现热电联合老化；

设备容量：设备最大可连接电容在3kV、20kHz时为150pF；

测试样品：电磁线（圆线、扁线）、软质复合材料、薄膜、绝缘纸等。

图7 绝缘材料高频抗冲击测试仪设备

审稿人：李茜