來源：汽車材料網
摘要：伴隨著近年來電動汽車產業的興起，電動汽車驅動電機技術正在不斷發展。電動汽車驅動電機極力追求高速、高功率密度、輕量小型化、高可靠性，性能優異的絕緣材料是提升電動汽車驅動電機可靠性和高功率密度的重要基礎，是持續發展高頻高壓高溫內油冷驅動電機的技術支撐。本文著重介紹了電動汽車驅動電機用主要絕緣材料的現狀及其研發與評定研究進展，指出了未來電動汽車驅動電機用絕緣材料發展需攻克的一些關鍵技術。
關鍵詞：電動汽車；驅動電機；絕緣材料
引言
電動汽車，顧名思義就是主要採用電力驅動的汽車。如圖1 所示,電動汽車大致可以分為以下幾個主要部分：電池及管理系統（BMS）、驅動電機及控制系統、整車管理系統（VMS）、車身等。其中，驅動電機及控制系統是電動汽車的「心臟」，它由兩個主要裝置構成：驅動控制器——電能變換控制裝置，驅動電機——機電能量轉換裝置。
圖1 電動汽車主要部件
為了在有限的體積內，提升車輛的動力性、經濟性、可靠性，當下驅動電機不斷地朝著高速高效、高功率密度、輕量小型化、高可靠性方向發展。性能優異的絕緣材料是提升電動汽車驅動電機可靠性和高功率密度的重要基礎，是持續發展高頻、高壓、高溫內油冷驅動電機的技術支撐。據統計，工業生產上使用的三相異步電機故障約85%是由電機繞組損壞失效引起的[1]，而造成電機繞組損壞失效的一大主要原因是絕緣破壞，由此可見，絕緣材料及絕緣系統對電機的運行壽命、可靠性至關重要，單就電動汽車驅動電機而言，將直接影響到車輛安全駕駛及乘客人身安全。
電動汽車驅動電機運行工況惡劣、環境複雜、可靠性要求高，其運行特點：頻繁啟動、變速、爬坡；交變載荷、脈衝電壓、過載電流大；扭矩大、功率密度高、運行溫度高；路況多變、機械振動大；可靠性、安全性要求高。因此，除了要求傳統電機用絕緣材料應具有的電氣、機械、理化性能外，還對電動汽車驅動電機用絕緣材料和絕緣系統提出了更高的要求：應具有優異的耐電暈性能（因存在如圖2、3 所示的高頻脈衝電壓、電暈腐蝕）、優異的電氣絕緣性能（因額定電壓有所提升）、優異的機械性能尤其是高粘結強度（因存在強振動）、高的耐熱性（設計的耐熱等級為≥180）、高導熱（功率密度大，電機發熱嚴重）、耐ATF 油或水（採用內油冷及水冷散熱冷卻技術）、無滷阻燃（降低著火危險性）、耐高低溫衝擊（適應氣溫變化）等。因此，電動汽車的高速發展有力地促進驅動電機技術進步，既給先進絕緣材料及絕緣系統產品帶來重要發展機遇，又對絕緣材料行業提出嚴峻的挑戰。尤其是電動汽車驅動電機高頻高速、高溫內油冷的技術發展需求倒逼絕緣材料技術升級，迫使絕緣材料行業必須不斷的技術創新，迎接電動汽車驅動電機產業鏈的全球化發展趨勢，滿足未來驅動電機苛刻的絕緣技術要求。
圖2 脈衝電壓
圖3 電暈腐蝕
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電動汽車驅動電機用主要絕緣材料現狀
電動汽車驅動電機用絕緣材料主要有以下幾種。
（1）耐電暈漆包線
由於電動汽車驅動電機的運行特點，其安全性、可靠性要求非常苛刻，因而驅動電機用漆包線的性能及質量要求也特別嚴格；目前電動汽車驅動電機主要使用納米粒子改性的H 級及以上級耐電暈漆包圓線。該類漆包線的漆膜經歷了由三塗層到二塗層的發展過程，三塗層耐電暈漆包線顏色為土黃色，耐電暈壽命及漆膜附著力相對較差，而二塗層的耐電暈漆包線漆/線最早是美國Du Pont公司在2000年左右研發、製備的[2]，綜合性能優異。其塗層結構為：底塗層為納米粒子改性聚酯亞胺耐電暈塗層，面塗層為聚醯胺醯亞胺塗層，目前該塗層結構的耐電暈漆包線在電動汽車驅動電機領域有著廣泛應用。而內油冷型驅動電機，目前主要使用聚醯胺醯亞胺單塗層耐電暈漆包線，產品具有優異的耐電暈性能，耐ATF油、耐高溫性能等。漆包扁線比漆包圓線具有更高的槽利用率及功率密度，如圖4、5 所示，隨著電動汽車電機功率密度逐步提升，耐電暈漆包扁線將得到更廣泛的應用。然而，由於耐電暈漆包扁線4 個「R」角塗覆工藝性差，目前市面上耐電暈性能好，性能指標穩定的產品較少。少數企業的漆包扁線產品利用高附著性的聚醯胺醯亞胺結合無機納米粒子複合技術，可以實現行業最小的圓角（R）半徑0.3mm，溫度指數達到220。由多根獨立絕緣的導體絞合或編織而成的利茲線（Litz）線[3]具有柔軟性好，繞制尺寸小，繞組交流電阻小、電機效率高等特點，在電動汽車用高頻高速驅動電機領域將逐步得到應用。
圖4 傳統圓形導體定子槽形圖
圖5 矩形導體定子槽形
（2）絕緣浸漬樹脂
目前國內外電動汽車驅動電機定子絕緣處理所用的真空浸漬（VI）樹脂及真空壓力浸漬（VPI）樹脂主要採用微納米粒子改性技術，基體樹脂為高機械強度高耐熱的改性聚酯或聚酯亞胺，添加微納米無機粒子可提高浸漬樹脂的掛漆效率、耐熱性、耐電暈性等。該類浸漬樹脂具有高掛漆效率、高粘結力、高耐熱性（耐熱等級為180（即H 級）或200（即C 級））、耐電暈、耐ATF油等特性，其代表性產品有AXALTA E4030、巨峰JF-9956-3、太湖ET-90X、榮泰R-611-D 等。為了提高絕緣系統性能和生產效率，近年來，適應繞組通電加熱固化、紫外光固化、旋轉滴浸等新工藝的樹脂也逐步得到批量推廣使用。其中通電加熱工藝更為優異，工件從浸漬到樹脂凝膠僅需幾分鐘，整個處理過程約一個小時就可以完成，大大提高了能源利用率和生產效率。同時，還能精確控制掛漆量，固化時幾乎沒有流失，填充性好，不產生樹脂固化廢渣，減少了浪費和汙染,達成了最大程度的環保效果[4-5]。固化後的繞組線圈完全成為一個整體，導線之間幾乎沒有間隙，粘結強度高，散熱性能好。但通電加熱工藝設備目前主要依賴從德國和義大利進口，價格較高，這在一定程度上限制了該工藝的推廣應用。
（3）柔軟複合材料
目前國內外非內油冷電動汽車驅動電機的槽絕緣、槽楔、相間絕緣普遍採用由兩層聚芳醯胺纖維紙與一層聚醯亞胺薄膜通過耐高溫粘接膠製成的三層柔軟複合材料，具有優異的耐熱性（耐熱等級為180，即H 級）、力學強度高、電氣強度高、柔韌性好、成本相對低等特點，但耐電暈、耐ATF 油性能還需進一步提升。Du Pont公司近年來推出了雲母混抄的聚芳醯胺纖維紙Nomex 864，國內民士達、超美斯等公司也在全力研發含雲母的聚芳醯胺纖維紙，用含雲母的聚芳醯胺纖維紙與聚醯亞胺薄膜製備的柔軟複合材料，雖具有優異的耐電暈性能及局放特性，但在插槽過程中與常規的聚芳醯胺纖維紙/聚醯亞胺薄膜/聚芳醯胺纖維紙三層柔軟複合材料一樣易產生起毛現象，汙染生產工裝，甚至影響到汽車總成的清潔度。
內油冷型電動汽車驅動電機槽絕緣、槽楔、相間絕緣必須具有良好的耐油性，而現有的三層柔軟複合材料與ATF 油的相容性差，在變速箱的油環境中易產生分層現象；因此，電機設計人員普遍採用耐油性更好的單層厚型聚芳醯胺纖維紙；然而，單層厚型聚芳醯胺纖維紙的電氣強度與三層柔性複合材料相比有較大差距，必須增加材料設計厚度，由此影響電機繞組的槽滿率和熱傳導性能，同時其價格昂貴增加了電機的製造成本。跟三層柔軟複合材料一樣，在插槽過程中單層厚型聚芳醯胺纖維表面也易產生起毛現象，汙染工裝以及變速箱油，影響變速箱的清潔度。為此，上海新芮絕緣材料股份有限公司近年來研發了高溫反滲透軋光技術，改善了三層柔性複合材料表面的緻密性，解決了三層柔性複合材料耐油性差和插槽時表面起毛的問題，適用於各種新能源汽車電機，已經引起國內外各大新能源汽車電機廠商的關注並已在歐美多家汽車電機廠批量應用。
（4）高導熱灌封樹脂（膠）
部分商用電動汽車驅動電機採用定子繞組端部灌封工藝，所用的灌封樹脂（膠）要求具備以下特性：
1）固化前應具有較好的流動性，可滲透到繞組表面凹凸不平的縫隙中，灌封后工件外表面應光滑平整，使電機的旋轉部分在轉動時具有基本相同的轉動慣量．減小電機在轉速、轉向突然變化時由於機械應力突熱變化引起的振動，減小冷卻介質對電機旋轉部分產生的阻力。
2）對電機繞組應具有較強的粘接力，並具有較強的耐冷熱衝擊韌性和足夠高的機械強度。
3）應具有較高的導熱係數，以減小灌封膠內、外表面的溫差，一方面可將電機繞組運行時產生的熱量快速傳導到工件的外表面。另一方面可減小由於溫差引起的內應力。
4）具有良好的電絕緣性能和酎油性。
國內雖然有不少關於高導熱灌封樹脂（膠）的研究，但主要側重於電子元器件的灌封保護，適用於大尺寸電機定子繞組的高導熱灌封樹脂（膠）的研究尚處於起始階段。目前使用的高導熱環氧灌封樹脂（膠），導熱係數約為1W/mK，灌封后電機定子形成一個整體，散熱和定子模態剛度與阻尼性能有所提升，溫升和振動噪聲降低，防潮性、抗震性、耐電暈性能有所提升。但常規的導熱型環氧灌封樹脂（膠）存在粘度較高、流動性差、密度大，用在汽車驅動電機上尚存在灌封困難、增加汽車整車重量等問題。針對上述問題，現在市面上已經開發出幾款適用於新能源汽車驅動電機繞組灌封的產品（如太湖TH-908、榮泰381-E、ELANTAS C88/E89、利鼎LD-107A/B 等），該類產品具有較高的導熱性能（約1.0W/mK，個別已達2.0 W/mK），較低的熱膨脹係數（3.5×10-6/℃）以及較好的流動性（400 ～800 mPa·s /90℃），同時阻燃性能可達UL94 V-0 級。但是，受制於現有技術及工藝，這類樹脂的應用成本過高，灌膠設備價格昂貴，普及程度尚且不高。並且，汽車運行工況複雜，在長期運行過程中，可能會因機械振動等原因，出現樹脂開裂的情況，因此，還需進一步深入研究以提高綜合性能。
（5）引接線和絕緣軟套管
電動汽車驅動電機用引接線一般都選用耐高溫的矽橡膠擠出線，而選用的絕緣軟套管，系採用特種玻璃纖維編織坯管塗敷耐高溫矽橡膠烘培固化而成，具有優異的耐熱性（耐熱等級為180，即H 級）、耐4kV 以上的電壓、優異的機械強度特別是抗皺褶撕破力的特點。但內油冷型電動汽車驅動電機用軟套管還需要在高達150℃以上的ATF 油中進行老化周期考核，老化周期考核結束後，要求絕緣軟套管不應有表面塗層起皮脫落現象，目前常規的矽橡膠軟套管尚難以滿足該要求，需要與原材料供應商緊密合作以進一步提高玻纖紗的質量及矽橡膠的純度。
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國外電動汽車驅動電機用絕緣材料研究進展
在耐電暈漆包線漆/線方面，國外對二塗層結構的耐電暈漆包線漆/線開展研究相對較早，代表企業有美國Du Pont 公司(相關產業現已轉到AXALTA 公司)、德國ELANTAS 公司等，研製的耐電暈漆包圓線技術已成熟，在電動汽車驅動電機領域有著廣泛應用。日本日立研發的單塗層耐ATF 油、耐電暈漆包圓線，在內油冷型電動汽車驅動電機領域也有著廣泛的應用。另外，日本日立、住友等企業研發了耐電暈漆包扁線，已被廣泛應用於Hair-pin 發卡繞組電機。
在浸漬樹脂方面，AXALTA 公司採用雲母納米粒子改性技術，研發出高掛漆量聚酯亞胺浸漬樹脂，應用工藝為VPI 或VI，在電動汽車驅動電機定子絕緣浸漬處理領域應用較多。另外AXALTA 公司運用特殊的引發-阻聚體系研發出通電加熱-UV 固化聚酯亞胺浸漬樹脂等，在電動汽車驅動電機定子絕緣浸漬處理領域有著一定的應用。ELANTAS 公司還研發出環保型聚酯亞胺滴浸樹脂，在電動汽車驅動電機定子滴浸處理領域有著一定的應用。
在柔軟複合材料方面，仍以美國Du Pont 公司的產品為主。Nomex 464 聚芳醯胺纖維紙與聚醯亞胺薄膜複合製備的NHN 三層柔軟複合材料，廣泛應用於電動汽車驅動電機槽絕緣、相間絕緣、層間絕緣。另外，厚型Nomex 410 聚芳醯胺纖維紙在內油冷型驅動電機領域也有著比較廣泛的應用。採用聚芳醯胺纖維紙/聚苯硫醚薄膜/聚芳醯胺纖維紙複合，在內油冷型驅動電機領域已有一定的應用。目前還有少數日本企業在內油冷電動汽車驅動電機中採用了聚芳醯胺纖維紙/聚苯硫醚薄膜/聚芳醯胺纖維紙（NSN）三層柔軟複合材料，其中的聚苯硫醚薄膜具有高耐熱、耐化學藥品、高機械強度、電性能優良、難燃等特性，相比聚醯亞胺薄膜具有更優異的耐ATF 油性能。
在高導熱灌封樹脂（膠）方面，國外公司已研發出性能優異的高導熱環氧灌封樹脂體系，並在電動汽車驅動電機灌封領域得到應用，代表企業有漢高、貝格斯、信越、住友等。美國EpoxiesEtc 公司近期推出的一款阻燃導熱灌封膠，具有高導熱、低收縮和高絕緣的性能，導熱係數高達2.12 W/mK。
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國內電動汽車驅動電機用絕緣材料研究進展
針對電動汽車驅動電機用絕緣材料，國內近幾年也在加大力度開展重點研究，相關技術已有較大的突破，取得了一些較好的成果。
在耐電暈漆包線方面，國內二塗層耐電暈漆包圓線技術成果已經達到國外先進水平，在國內電動汽車驅動電機領域已有著廣泛應用。單塗層的耐ATF 油聚醯胺醯亞胺漆包圓線正處在小批量試生產階段。另外，蘇州巨峰公司採用納米技術成功製備出耐電暈漆包扁線漆，同時採用薄層、恆溫塗覆等工藝批量生產出耐電暈漆包扁線產品，產品具有漆膜附著力好、耐電暈性能優異的特性，但還未在國內市場上獲得廣泛應用。
Peano軌跡在加工平面零件時得到了良好的效果，但對於非球面零件的加工，Peano軌跡無法確保達到預期的加工結果。因此，文獻[42]在Peano軌跡(圖5(a))的基礎上提出了更適合於非球面零件加工的類Peano軌跡(圖5(b))，在對直徑為100 mm的非球面零件加工的實驗中，經過145 min的加工，使得面型誤差由PV=0.386 λ，RMS=0.056 λ收斂至PV=0.097 λ，RMS=0.011 λ(其中λ=632.8 nm)。
在柔軟複合材料方面，近10 年來，關鍵原材料聚芳醯胺纖維紙國內已有多家企業成功投產，用其製備的柔軟複合材料，已在常規工業電機領域得到廣泛應用，但由於國產聚芳醯胺纖維紙電氣強度、熱收縮率等指標相對於Du Pont 同類產品還有一定的差距，很多企業在生產電動汽車驅動電機用三層柔軟複合材料時仍首選Du Pont 公司的聚芳醯胺纖維紙。國產聚芳醯胺纖維紙正在加大研發投入，努力提升性能，以便在電動汽車驅動電機應用領域取得突破。
在高導熱灌封樹脂（膠）方面，國內已取得可喜的研究進展，目前投放市場的環氧樹脂體系高導熱灌封膠的導熱係數已達到1.2W/mK，導熱係數高達2.16 W/mK的電動汽車驅動電機用耐高溫高導熱阻燃灌封膠產品也已見報導，但使用工藝性還需進一步提升。
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國內電動汽車驅動電機絕緣系統可靠性和耐久性評定技術研究進展
當下國內外電動汽車電機驅動系統均存在很多問題[6]，其中一個比較突出的問題是驅動電機的可靠性和耐久性較低，而且缺乏可靠性和耐久性評價理論依據，無法通過設計和有限實驗獲知電動汽車驅動電機的壽命。為此，由桂林電器科學研究院有限公司投資成立的桂林賽盟檢測技術有限公司（機械工業電工材料產品質檢中心）承擔了桂林市重點科研開發課題——新能源汽車電機絕緣檢測技術研究，目前正在組織力量開展電動汽車用電機絕緣系統評定技術研究，並在以下幾個重點研究子項目上取得了可喜的進展：
1）絕緣材料/系統與ATF 油相容性評定試驗方法研究，著重解決以下技術問題：如何模擬電機實際運行工況開展試驗；如何選擇固體絕緣材料與ATF 油的配比；如何選擇相容性試驗的溫度及循環周期；如何選擇絕緣材料/系統和ATF 油的診斷性能。
2）絕緣材料/系統在ATF 油中運行的熱壽命評定試驗方法研究：絕緣材料/系統在ATF 油中的實際運行情況不同於在空氣中的運行情況，參考GB/T22578.1—2017、GB/T 22578.2—2017，在依據GB/T 11026 系列標準、GB/T 17948 系列標準、GB/T 20111 系列標準在空氣中對電動汽車驅動電機絕緣系統進行耐熱性評定結果的基礎上，設計在ATF 油中進行耐熱性試驗的方案，建立絕緣材料/系統在ATF 油中運行的熱壽命數學模型，預估實際工況下的耐熱性，以期解決在空氣中評定所得結果不能很好地表徵在變速箱油中運行的絕緣系統的耐熱性問題。
3）專用設備研製：完成了1 ～30 kV 高頻脈衝放電電源系統的研製，最高可實現輸出峰峰值≥20 kV，頻率≥10 kHz 的連續高壓方波脈衝，可以實現五路共同帶一個負載，最大負載可以達到5000 pF。如圖6、7 所示，負載5000 pF 時，上升沿時間小於2µs，上升沿速率dv/dt可以達到≥20 kV/µs，完全滿足絕緣材料/系統的耐重複脈衝電應力性能測試的需求。同時，本系統有五個獨立的高壓試驗單元，既可以實現五路共同帶一個負載進行試驗，也可以同時帶五個負載進行五路試驗，大幅提高了試驗效率。現正在設計開發模擬電機實際工況下的耐ATF 油壽命試驗設備。
4）標準制定：著手申報立項，制定評價絕緣材料與ATF 油相容性、熱老化壽命評定試驗方法的國家或行業標準，以形成一套完整的新能源汽車電機用絕緣材料/系統性能評價體系。
圖6 五路共同帶一個負載試驗圖
圖7 負載4000 pF 下脈衝電壓波形圖
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電動汽車驅動電機用絕緣材料發展趨勢
隨著SiC、GaN 等高頻、高壓、高功率電子器件在電動汽車驅動電機控制器中的應用，電動汽車驅動電機的額定電壓、頻率都將顯著升高。如圖8 所示，由於驅動電機控制器高壓、高頻PWM 調製對驅動電機繞組產生了過高的介電應力，導致驅動電機的絕緣材料/絕緣系統產生如圖9 所示的嚴重的局部放電及電暈腐蝕，加劇了絕緣材料/絕緣系統的介質損耗與發熱，加速了絕緣材料/絕緣系統的電熱老化。此外，隨著電動汽車驅動電機不斷地朝著高功率密度、高效率方向發展，採用Hair-pin發卡繞組或傳統Type II絕緣結構會越來越普遍，這無疑會導致電機繞組發熱加劇、溫升提高，從而加速絕緣材料/絕緣系統的熱老化。以上種種趨向都對電動汽車驅動電機用絕緣材料及絕緣系統提出了更高的技術要求，絕緣材料行業正面臨著前所未有的挑戰和發展機遇。
圖8 驅動電機繞組運行電壓波形
圖9 導體之間產生局部放電
為了應對挑戰，未來絕緣材料需要攻克的關鍵技術及瓶頸是： 耐電暈、高局部放電起始電壓（PDIV）漆包線製備技術，特別是耐電暈漆包扁線的塗制技術，突破「R」半徑處漆膜附著力偏低、應用工藝性不佳等問題；以製備出具有優異耐電暈性和高導熱係數的漆包扁線，滿足高頻、高壓碳化矽PWM 驅動電機用線需求。 耐電暈、高導熱絕緣浸漬樹脂製備技術，突破因浸漬樹脂粘度低，添加無機高導熱填料後易沉澱及滲透性不好等問題。 耐電暈、耐ATF 油、高導熱柔軟複合材料製備技術，突破因採用雲母等高導熱片狀無機填料進行改性導致聚芳醯胺纖維紙機械強度降低及應用工藝性不佳等問題。 高導熱、無滷阻燃灌封樹脂（膠）製備技術，突破添加無機高導熱填料後粘度偏大、抗開裂及應用工藝性不佳等問題。 耐電暈、高導熱絕緣系統設計及製造技術，解決材料之間的相容性問題；真正實現性能的疊加與互補，大幅提升電動汽車電機絕緣系統無局放、耐電暈、高導熱性能。
同時，需加快制定相關測試方法與評定標準。目前只有絕緣材料的耐電暈測試標準和絕緣系統的局部放電測試方法標準，尚缺乏絕緣系統的耐電暈、耐潤滑油測試方法標準以及局部放電的合格判定標準，尤其是目前國內外均缺乏針對電動汽車驅動電機絕緣材料/絕緣系統的測試與評定標準。電動汽車驅動電機行業現今正面臨成本、技術和市場的競爭，未來需要上下遊各相關方協同合作，共同推進基礎和應用需求研究，以加快制定結合絕緣材料生產及下遊電機用戶需求的專門的不同層級的技術標準，包括國家標準、行業標準與團體標準。
來源：期刊-《電器工業》;作者:馬林泉1 周成2 黃蘇融3 王文龍4