中车时代电驱：乘用车用电机的绝缘系统应用及发展趋势

电机绝缘技术是指让电流根据设定的方向流动，电缆线是生活中常见的绝缘系统，采用单一供给的工程塑料实现绝缘，学术领域将绝缘材料称为电解质。

2023年12月15日，在第四届汽车电驱动及关键技术大会上，中车电驱绝缘高级专家赵安然介绍，电机绝缘结构在IEC标准下分为Ⅰ型结构和Ⅱ型结构。Ⅱ型结构主要在水轮发电、大电机中运用，全寿命周期需要承受局部放电。新能源汽车做的发卡绕组是Ⅰ型结构，在对地绝缘的设计上没有加入耐电晕老化设计。

赵安然指出，低成本、环保和阻燃是当前行业的一大趋势，其中成本是新能源汽车面临的最大问题。对此，中车通过提升800V绝缘的大幅余量、采用新型复合材料、进行工艺优化等方式解决相关问题。 

赵安然 | 中车时代电驱绝缘高级专家

以下为演讲内容整理：

绝缘技术及基础理论

电气绝缘技术是为电气、电子元器件/设备/装置简称电气系统建立匹配的“电气绝缘系统”,使电气系统导体内的电流、电荷或电信号在规定的工作/环境条件下都不外泄，而得以实现电气系统功能的技术。简单的讲，电机绝缘技术的作用是要让电按设计的方向流动，让电不要到处“乱跑”。 

图源：中车时代电驱

绝缘技术可理解为四个方面：第一，绝缘材料应用技术。就是选材以及引导供应商提供所需要的材料。第二，绝缘系统设计技术，包括绝缘场强计算技术、绝缘结构设计技术、绝缘系统测评技术。第三，可靠性评价技术，包括热因子、电因子和多阶段变化可靠性评价技术。第四，绝缘状态诊断技术。包括绝缘残余寿命预测技术和绝缘故障预警技术。 

电气绝缘系统是实现技术的载体，通常由一种或几种绝缘材料组成。比如主要有水泥、钢筋、砂石，水泥让绝缘处于一个整体性，相对固定的状态，钢筋等材料提供机械强度，砂石等材料可以让绝缘耐久、抗电。绝缘材料根据导电性的大小，材料可分为导电材料和非导电材料，而非导电材料中体电阻率大于108Ω·m且能够建立强电场阻止电流通过的材料就是绝缘材料。

电介质四个最关键的特性分别为电导、极化、损耗和极穿。第一，电导是指电介质中少量载流子在外电场作用下贯穿整个介质的现象(泄漏电流)。第二，电解质的极化指电介质中不自由电荷在电场作用下产生局部迁移形成感应偶极矩的现象，偶极矩涉及到在电极绝缘侧正弦电源下和高频电源下测到的表现不一样。第三，介质损耗指在交变电场下，电介质电导和极化的滞后效应在其内部引起的能量损耗。虽然在新能源汽车里体现不多，但是在高压电机领域要求很高。最后电解质击穿指电介质的外施场强升高至某一定值时，电介质由介电状态突变为完全导电状态的现象。 

物理理论基础中的量子力学概论，对绝缘系统最有帮助的是能带理论，它解释了什么是绝缘体、导体和半导体。另一个是气体击穿巴申曲线，巴申曲线阐述两个现象：一是气隙放电电压(U)与气压和气隙宽度的乘积(pd)有关，当p、d同时变，而pd不变时放电电压不变;二是在某一pd值下，气隙放电电压出现最低值。当空气pd在0.8mmHg·cm附近时，空气击穿电压为最低值(约为0.8kV)，按大气压计算d约为10微米。

空间电荷效应指在电场作用下，初始电子碰撞电离形成电子崩中的电子、离子和光子，光子可能引起其他分子电离，产生新的电子、离子和光子。它更多解释了在交变电场下产生局部放电形成电离，电离解释了一些电腐蚀理论。聚合物的树枝化击穿指一种局部击穿，这种局部击穿形成树枝状的放电破坏通道。电树枝产生过程是一种极其复杂的电腐蚀现象，对研究电老化发展过程有非常大的参考意义。 

乘用车驱动电机绝缘结构和发展趋势

电机绝缘结构类型分为Ⅰ型结构和Ⅱ型结构，Ⅰ型运行期间不承受局部放电，Ⅱ型结构中任意部位运行期间可承受局部放电。新能源汽车的发夹绕阻，从它的结构上来说还是传统的Ⅰ型结构，是因为它在绝缘上的设计没有加入对地的耐电老化设计，只是进行了线圈形态的变形。

图源：中车时代电驱

绕组分为两种类型，第一是圆线绕组，由于其产线投资较低、设计和生产灵活等优势，目前在AO和A00级车型中仍有较多应用，而且目前基本应用在600V以下中低压平台，浸漆工艺上大多采用滴漆和隧道炉(烘房)加热固化。圆线电机绝缘材料应用较为成熟，目前趋势是国产化和低成本化。第二是发卡绕组，也就是扁线电机。由于其槽满率高、效率高、生产自动化程度高等特点，已大量应用，扁线电机由于多采用同槽同相而去掉了层间绝缘纸，端部无相间绝缘纸，相对圆线，相间的绝缘主要依靠电磁线漆膜，三相引出结构也差异较大。目前对于800V高压平台，基本采用扁线电机。

目前电驱动系统的发展趋势对绝缘的高性能提出了要求，包括高耐温、高PDIV和耐电晕，还有耐油和大批量自动生产适应性。第一耐热方面，耐热220/240级漆包线已大量应用，绝缘系统耐热等级也逐渐由H级向C级探索。高功率密度化对绝缘材料的耐热等级和导热性能提出了更高的要求。第二是高pdiv和耐电晕性能方面，高压化导致电机绝缘老化机理复杂化，要求材料和系统具备更高的pdiv或耐电晕性能。主要源自高压SiC器件对绝缘的影响，绝缘老化应力包括热thermal、电electrical、环境ambient、机械mechanical，称为TEAM应力。当电场强度很高时，电应力更加突出。电应力体现为电腐蚀，衡量电腐蚀发生最大的指标就是PDIV。在固体绝缘中，局部放电会逐步发展为聚合物中的电树枝或裂纹，最终导致绝缘击穿。高压SiC器件最直观的影响因素，一是开关频率，二是dv/dt。开关频率指单位时间内冲击次数，dv/dt比较高，就会把毛刺电压或尖峰电压提升的很高。

第三耐油性能方面。传统绝缘材料(如NHN、部分绑扎绳和漆包线等)在电-热-油 (水) 复杂应用环境中存在分解、分层、溶胀破坏失效的风险，油冷电机为新型低成本耐油绝缘材料的开发和应用提供了机遇。第四是大批量自动生产适应性，某绝缘纸在产线自动插值验证时，由于挺度低，容易卡纸;各个电机厂家生产工艺和设备不一样，绝缘材料的选择也不尽相同。因此自动化批量生产对绝缘材料的机械性能提出更高的要求;绝缘材料应与各广家生产工艺、自动化设备相匹配。其他方面的趋势主要有低成本、环保和阻燃。

中车高压油冷绝缘系统解决方案和中车时代电气电驱产业简介

首先是电场分布优化设计，通过调整电磁方案，通过优化绕组分布进行计算，降低绕组间电应力。在不同开关频率下过电压和开关频率、噪声有关联关系，存在开关频率与电机阻抗之间的最优配合关系。

第二是高耐压绝缘设计技术。主要有两个创新性设计技术，第一是项技术为首创技术，命名为绕组表面绝缘连续叠厚技术，在对局部放电产生机理研究的过程中返现，对局部放电起始电压影响最大的不是本身绝缘材料的特性，而是取决于绝缘结构内部的微观气隙，通过这项技术可以将绝缘表面10微米左右的气隙全部消除掉，实现QP-2与普通NHN组成的电机定子的PDIV（有效值）由1000V提升到1500V。第二项技术为新材料设计技术，通过引用含云母的新型复合材料，让Ⅰ型绕组具有Ⅱ型绕组的特性，在绕组产生局部放电的实验条件下，可将耐电寿命由原来200小时提升到1000小时。以上电机绝缘系统的正向设计技术如果用在800V的绕组上有两个好处：一是在不增加成本的前提下大幅提升800V绝缘系统的冗余，提高绝缘系统在低气压、强电场的运行条件下的可靠性。二是如果从800V继续往上延伸做到900V甚至1000V，也可以提高定子绝缘系统的适用电压。

三是高压工艺重构和耐油材料筛选开发。包括构建新的适用于高压扁线电机的绝缘低损伤生产工艺体系；通过工艺改进，某定子PDIV提升了1000Vp；联合供应商开展材料级油液兼容性验证，形成油冷电机材料选用清单。

四是绝缘系统级验证，对于任何一款绝缘变动或者制造工艺变动，都会对其做老化实验验证其对可靠性的影响。

五是绝缘预警技术。电老化导致绝缘失效过程中，PD必然发生的现象，随着电腐蚀，绝缘有效厚度越来越少，PD频次和强度会产生明显变化，PD测试技术的进步，基本具备了在线测试的条件。

株洲中车时代电气股份有限公司，是中国中车旗下股份制企业，其前身及母公司--中车株洲电力机车研究所有限公司创立于1959年，是中国电气化铁路装备事业的开拓者和领先者，公司2005年9月成立，2006年12月在香港联合交易所上市2016年荣获第二届“中国质量奖”，公司是中国高铁“金名片”的核心动力支撑，是国内自主掌握核心技术并大批量应用的企业。

公司在多地拥有生产制造基地和研发中心，核心优势是乘用车电驱与高铁同技术平台，依托中国中车、株洲所的多元产业格局，打造了从器件、部件到驱动电机系统的完整产业链，是新能源电驱系统领域的全能选手。公司掌握核心技术，技术底蕴深厚,人才储备丰富，响应客户快节奏开发，可进行多种电机绝缘可靠性寿命评价试验，拥有先进试验平台和强大生产保供能力。可提供产品类型范围覆盖组件、部件、系统，技术拥有高安全性、高可靠性、高集成度、高功率密度的特点。形成了实现“量产一代，在研一代，预研一代”的研发节奏，为其电驱技术的迭代更新提供了保障，可以有效满足其客户的市场布局节奏。

（以上内容来自中车电驱绝缘高级专家赵安然于2023年12月14日-15日在2023第四届汽车电驱动及关键技术大会发表的《乘用车用电机的绝缘系统应用及发展趋势》主题演讲。）