高壓電機(jī)定子總成絕緣系統(tǒng)熱老化及局部放電研究

【摘 要】新能源汽車為解決高性能、極速快充等問題，高壓化成為解決市場(chǎng)痛點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。文章針對(duì)高壓電機(jī)定子總成絕緣系統(tǒng)的局部放電計(jì)算方法以及安全系數(shù)范圍展開深入研究，并對(duì)高壓電機(jī)定子總成在不同溫度下的快速熱老化進(jìn)行試驗(yàn)，且在試驗(yàn)后對(duì)其電氣性能進(jìn)行對(duì)比分析，為純電動(dòng)汽車高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)的開發(fā)與選型設(shè)計(jì)提供重要參考。

【關(guān)鍵詞】高壓電機(jī);定子總成;絕緣系統(tǒng);局部放電

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）11-0051-03

Research on Thermal Aging and Partial Discharge of Insulation System of

Stator Assembly of High Voltage Motor*

【Abstract】In order to solve the problems of high performance and fast charging of new energy vehicles，high voltage has become one of the key technical measures to solve the market pain points. In this paper，the calculation method of partial discharge and the range of safety factor of the insulation system of the stator assembly of the high voltage motor are deeply studied，and the rapid thermal aging of the stator assembly of the high voltage motor at different temperatures is tested，and the electrical performance is compared after the test. This provides an important reference for the development and selection design of the high voltage motor insulation system of pure electric vehicles.

【Key words】high voltage motor;stator assembly;insulation system;partial discharge

隨著新能源汽車行業(yè)邁入高速發(fā)展階段，大功率、小型化以及急速快充持續(xù)成為市場(chǎng)核心需求，開發(fā)油冷電機(jī)及高壓平臺(tái)已然成為電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)前，新能源汽車主流的高壓電壓范圍普遍在460～800Vdc，部分主機(jī)廠更是推出了900Vdc及以上的高壓平臺(tái)。

絕緣系統(tǒng)堪稱電機(jī)的“心臟”，軌道交通牽引電機(jī)運(yùn)行的可靠性在很大程度上取決于絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有37%的牽引電機(jī)失效是由絕緣故障引發(fā)。在油冷環(huán)境下，絕緣系統(tǒng)的油品兼容性以及老化后是否存在局部放電，成為評(píng)判油冷電機(jī)可靠性的重要指標(biāo)。

本研究對(duì)車載電驅(qū)驅(qū)動(dòng)總成的運(yùn)行條件展開調(diào)研，制定了電機(jī)絕緣系統(tǒng)主要絕緣結(jié)構(gòu)（I型絕緣），即漆包線、絕緣紙等在ATF油中的加速老化對(duì)比試驗(yàn)流程。同時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)后的局部放電測(cè)試和擊穿電壓檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)估驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性。

1 局部放電電壓計(jì)算

在電場(chǎng)作用下，絕緣系統(tǒng)中導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部擊穿，稱之為局部放電（Partial Discharge，PD）。在測(cè)試過程中，隨著測(cè)試電壓增加，發(fā)生局部放電的最低電壓稱之為局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage，PDIV）。

IEC 60034-18-41和IEC 60034-18-42中將電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣系統(tǒng)分成兩類：Ⅰ型，絕緣系統(tǒng)在預(yù)期壽命期間不承受局部放電（PD）;Ⅱ型，絕緣系統(tǒng)在預(yù)期壽命期間可能承受局部放電（PD）。本文主要針對(duì)I型絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證。額定電壓700V及以下電機(jī)可能既有Ⅰ型也有Ⅱ型繞組絕緣，額定電壓700V以上電機(jī)通常為Ⅱ型繞組絕緣。Ⅰ型繞組絕緣可采用散繞繞組及成型繞組，而Ⅱ型繞組絕緣采用成型繞組[3]，如圖1所示。

電控脈沖輸出電壓不會(huì)超過dc母線電壓Udc。該電壓取決于整流主電壓或制動(dòng)電壓等級(jí)或功率因素校正電壓。電控電流路徑簡(jiǎn)圖[4]如圖2所示。圖2中，1為整流器，2為PWM轉(zhuǎn)換器，3為AC輸入，4為三相繞組，LS和CS分別為系統(tǒng)電感和電容。

針對(duì)三相系統(tǒng)，可以指定一個(gè)中性點(diǎn)作為參考系。其計(jì)算公式為：

按多相系統(tǒng)計(jì)算的公式為：

式中：k——常數(shù);a——修正類型（a=1為半波修正，a=2為全波修正）;φ——相數(shù)。

目前測(cè)試系統(tǒng)主要是三相電驅(qū)系統(tǒng)，因此：

針對(duì)絕緣系統(tǒng)PDIV判斷標(biāo)準(zhǔn)，需考慮溫度、老化、油品以及局部安全系數(shù)等因素。PDIV試驗(yàn)電壓增強(qiáng)系數(shù)大致范圍見表1。針對(duì)本研究所用的永磁同步三相絕緣系統(tǒng)，選擇安全系數(shù)見表2。

得出PDIV判斷標(biāo)準(zhǔn)，900V平臺(tái)局部放電電壓需不低于2800V，公式為：

UPDIV=2.34×Up-p

2 定子總成快速熱老化試驗(yàn)

測(cè)試樣件是三相永磁同步電機(jī)定子總成（峰值功率320kW）。其中，試驗(yàn)室溫度為24.6～30.1℃，濕度為55%～75%RH。試驗(yàn)設(shè)備清單見表3。

被測(cè)樣件為6個(gè)定子總成，其中樣本1、3、5為PI繞組定子總成，樣本2、4、6為Peek繞組定子總成。測(cè)試樣本狀態(tài)如圖3所示。試驗(yàn)條件如下所述。

1）定子1、定子2：先摸底4h240℃，高溫240℃保持15h;恒溫恒濕25℃ 60%保持48h，4個(gè)循環(huán)一共207h。

2）定子3、定子4：高溫220℃保持60h;恒溫恒濕25℃ 60%保持48h，4個(gè)循環(huán)一共432h。

3）定子5、定子6：高溫200℃保持225h;恒溫恒濕25℃ 60%保持48h，4個(gè)循環(huán)一共1092h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 三相冷態(tài)直流電阻

試驗(yàn)前后定子三相直流電阻滿足要求，試驗(yàn)前后冷態(tài)直流電阻平均值對(duì)比如圖4所示。

3.2 溫度傳感器阻值

采用電阻計(jì)對(duì)測(cè)試后定子總成NTC傳感器進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)前后溫度傳感器阻值滿足要求，試驗(yàn)前后溫度傳感器阻值平均值對(duì)比如圖5所示。

3.3 絕緣電阻

試驗(yàn)分別對(duì)比了冷態(tài)及熱態(tài)環(huán)境下繞組對(duì)鐵芯絕緣電阻、繞組對(duì)溫度傳感器絕緣電阻。測(cè)試電壓1000V，冷態(tài)絕緣電阻滿足大于550MΩ要求，熱態(tài)絕緣電阻滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可見溫度越高，熱態(tài)絕緣電阻會(huì)成下降趨勢(shì)。試驗(yàn)前后平均值對(duì)比見表4～表7。

3.4 工頻耐電壓

試驗(yàn)分別對(duì)比了繞組對(duì)鐵芯工頻耐電壓、繞組對(duì)溫度傳感器工頻耐電壓，測(cè)試電壓1980V。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)小于15mA，結(jié)果均滿足要求。試驗(yàn)前后繞組對(duì)鐵芯工頻耐電壓平均值對(duì)比如圖6所示。

4 結(jié)束語

1）本文對(duì)高壓電機(jī)系統(tǒng)局部放電的原理以及分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明。依據(jù)IEC 60034-18-41所提供的安全系數(shù)范圍，結(jié)合電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選定了一套安全系數(shù)，進(jìn)而得出用于評(píng)判該方案的PDIV測(cè)試電壓值。

2）本文針對(duì)不同繞線定子總成，在不同溫度下，根據(jù)使用壽命換算出不同的老化時(shí)間，隨后開展熱老化快速驗(yàn)證，并且對(duì)試驗(yàn)前后定子總成的電氣性能及PDIV進(jìn)行了分析。該試驗(yàn)的條件及數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)高壓電機(jī)絕緣系統(tǒng)的選型具有重要參考價(jià)值。

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