电动汽车绝缘(电动汽车驱动电机用绝缘材料现状与发展趋势)
摘要：伴随着近年来电动汽车产业的兴起，电动汽车驱动电机技术正在不断发展。电动汽车驱动电机极力追求高速、高功率密度、轻量小型化、高可靠性，性能优异的绝缘材料是提升电动汽车驱动电机可靠性和高功率密度的重要基础，是持续发展高频高压高温内油冷驱动电机的技术支撑。本文着重介绍了电动汽车驱动电机用主要绝缘材料的现状及其研发与评定研究进展，指出了未来电动汽车驱动电机用绝缘材料发展需攻克的一些关键技术。
关键词：电动汽车；驱动电机；绝缘材料
引言
电动汽车，顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车。如图1 所示,电动汽车大致可以分为以下几个主要部分：电池及管理系统（BMS）、驱动电机及控制系统、整车管理系统（VMS）、车身等。其中，驱动电机及控制系统是电动汽车的“心脏”，它由两个主要装置构成：驱动控制器——电能变换控制装置，驱动电机——机电能量转换装置。
图1 电动汽车主要部件
为了在有限的体积内，提升车辆的动力性、经济性、可靠性，当下驱动电机不断地朝着高速高效、高功率密度、轻量小型化、高可靠性方向发展。性能优异的绝缘材料是提升电动汽车驱动电机可靠性和高功率密度的重要基础，是持续发展高频、高压、高温内油冷驱动电机的技术支撑。据统计，工业生产上使用的三相异步电机故障约85%是由电机绕组损坏失效引起的，而造成电机绕组损坏失效的一大主要原因是绝缘破坏，由此可见，绝缘材料及绝缘系统对电机的运行寿命、可靠性至关重要，单就电动汽车驱动电机而言，将直接影响到车辆安全驾驶及乘客人身安全。
电动汽车驱动电机运行工况恶劣、环境复杂、可靠性要求高，其运行特点：
①频繁启动、变速、爬坡；
②交变载荷、脉冲电压、过载电流大；
③扭矩大、功率密度高、运行温度高；
④路况多变、机械振动大；
⑤可靠性、安全性要求高。
因此，除了要求传统电机用绝缘材料应具有的电气、机械、理化性能外，还对电动汽车驱动电机用绝缘材料和绝缘系统提出了更高的要求：应具有优异的耐电晕性能（因存在如图2、3 所示的高频脉冲电压、电晕腐蚀）、优异的电气绝缘性能（因额定电压有所提升）、优异的机械性能尤其是高粘结强度（因存在强振动）、高的耐热性（设计的耐热等级为≥180）、高导热（功率密度大，电机发热严重）、耐ATF 油或水（采用内油冷及水冷散热冷却技术）、无卤阻燃（降低着火危险性）、耐高低温冲击（适应气温变化）等。因此，电动汽车的高速发展有力地促进驱动电机技术进步，既给先进绝缘材料及绝缘系统产品带来重要发展机遇，又对绝缘材料行业提出严峻的挑战。尤其是电动汽车驱动电机高频高速、高温内油冷的技术发展需求倒逼绝缘材料技术升级，迫使绝缘材料行业必须不断的技术创新，迎接电动汽车驱动电机产业链的全球化发展趋势，满足未来驱动电机苛刻的绝缘技术要求。
图2 脉冲电压
图3 电晕腐蚀
1、电动汽车驱动电机用主要绝缘材料现状
电动汽车驱动电机用绝缘材料主要有以下几种。
（1）耐电晕漆包线
由于电动汽车驱动电机的运行特点，其安全性、可靠性要求非常苛刻，因而驱动电机用漆包线的性能及质量要求也特别严格；目前电动汽车驱动电机主要使用纳米粒子改性的H 级及以上级耐电晕漆包圆线。该类漆包线的漆膜经历了由三涂层到二涂层的发展过程，三涂层耐电晕漆包线颜色为土黄色，耐电晕寿命及漆膜附着力相对较差，而二涂层的耐电晕漆包线漆/线最早是美国Du Pont公司在2000年左右研发、制备的，综合性能优异。其涂层结构为：底涂层为纳米粒子改性聚酯亚胺耐电晕涂层，面涂层为聚酰胺酰亚胺涂层，目前该涂层结构的耐电晕漆包线在电动汽车驱动电机领域有着广泛应用。而内油冷型驱动电机，目前主要使用聚酰胺酰亚胺单涂层耐电晕漆包线，产品具有优异的耐电晕性能，耐ATF油、耐高温性能等。漆包扁线比漆包圆线具有更高的槽利用率及功率密度，如图4、5 所示，随着电动汽车电机功率密度逐步提升，耐电晕漆包扁线将得到更广泛的应用。然而，由于耐电晕漆包扁线4 个“R”角涂覆工艺性差，目前市面上耐电晕性能好，性能指标稳定的产品较少。少数企业的漆包扁线产品利用高附着性的聚酰胺酰亚胺结合无机纳米粒子复合技术，可以实现行业最小的圆角（R）半径0.3mm，温度指数达到220。由多根独立绝缘的导体绞合或编织而成的利兹线（Litz）线具有柔软性好，绕制尺寸小，绕组交流电阻小、电机效率高等特点，在电动汽车用高频高速驱动电机领域将逐步得到应用。
图4 传统圆形导体定子槽形图
图5 矩形导体定子槽形
（2）绝缘浸渍树脂
目前国内外电动汽车驱动电机定子绝缘处理所用的真空浸渍（VI）树脂及真空压力浸渍（VPI）树脂主要采用微纳米粒子改性技术，基体树脂为高机械强度高耐热的改性聚酯或聚酯亚胺，添加微纳米无机粒子可提高浸渍树脂的挂漆效率、耐热性、耐电晕性等。该类浸渍树脂具有高挂漆效率、高粘结力、高耐热性（耐热等级为180（即H 级）或200（即C 级））、耐电晕、耐ATF油等特性，其代表性产品有AXALTA E4030、巨峰JF-9956-3、太湖ET-90X、荣泰R-611-D 等。为了提高绝缘系统性能和生产效率，近年来，适应绕组通电加热固化、紫外光固化、旋转滴浸等新工艺的树脂也逐步得到批量推广使用。其中通电加热工艺更为优异，工件从浸渍到树脂凝胶仅需几分钟，整个处理过程约一个小时就可以完成，大大提高了能源利用率和生产效率。同时，还能精确控制挂漆量，固化时几乎没有流失，填充性好，不产生树脂固化废渣，减少了浪费和污染,达成了最大程度的环保效果。固化后的绕组线圈完全成为一个整体，导线之间几乎没有间隙，粘结强度高，散热性能好。但通电加热工艺设备目前主要依赖从德国和意大利进口，价格较高，这在一定程度上限制了该工艺的推广应用。
（3）柔软复合材料
目前国内外非内油冷电动汽车驱动电机的槽绝缘、槽楔、相间绝缘普遍采用由两层聚芳酰胺纤维纸与一层聚酰亚胺薄膜通过耐高温粘接胶制成的三层柔软复合材料，具有优异的耐热性（耐热等级为180，即H 级）、力学强度高、电气强度高、柔韧性好、成本相对低等特点，但耐电晕、耐ATF 油性能还需进一步提升。Du Pont公司近年来推出了云母混抄的聚芳酰胺纤维纸Nomex® 864，国内民士达、超美斯等公司也在全力研发含云母的聚芳酰胺纤维纸，用含云母的聚芳酰胺纤维纸与聚酰亚胺薄膜制备的柔软复合材料，虽具有优异的耐电晕性能及局放特性，但在插槽过程中与常规的聚芳酰胺纤维纸/聚酰亚胺薄膜/聚芳酰胺纤维纸三层柔软复合材料一样易产生起毛现象，污染生产工装，甚至影响到汽车总成的清洁度。
内油冷型电动汽车驱动电机槽绝缘、槽楔、相间绝缘必须具有良好的耐油性，而现有的三层柔软复合材料与ATF 油的相容性差，在变速箱的油环境中易产生分层现象；因此，电机设计人员普遍采用耐油性更好的单层厚型聚芳酰胺纤维纸；然而，单层厚型聚芳酰胺纤维纸的电气强度与三层柔性复合材料相比有较大差距，必须增加材料设计厚度，由此影响电机绕组的槽满率和热传导性能，同时其价格昂贵增加了电机的制造成本。跟三层柔软复合材料一样，在插槽过程中单层厚型聚芳酰胺纤维表面也易产生起毛现象，污染工装以及变速箱油，影响变速箱的清洁度。为此，上海新芮绝缘材料股份有限公司近年来研发了高温反渗透轧光技术，改善了三层柔性复合材料表面的致密性，解决了三层柔性复合材料耐油性差和插槽时表面起毛的问题，适用于各种新能源汽车电机，已经引起国内外各大新能源汽车电机厂商的关注并已在欧美多家汽车电机厂批量应用。
（4）高导热灌封树脂（胶）
部分商用电动汽车驱动电机采用定子绕组端部灌封工艺，所用的灌封树脂（胶）要求具备以下特性：
1）固化前应具有较好的流动性，可渗透到绕组表面凹凸不平的缝隙中，灌封后工件外表面应光滑平整，使电机的旋转部分在转动时具有基本相同的转动惯量．减小电机在转速、转向突然变化时由于机械应力突热变化引起的振动，减小冷却介质对电机旋转部分产生的阻力。
2）对电机绕组应具有较强的粘接力，并具有较强的耐冷热冲击韧性和足够高的机械强度。
3）应具有较高的导热系数，以减小灌封胶内、外表面的温差，一方面可将电机绕组运行时产生的热量快速传导到工件的外表面。另一方面可减小由于温差引起的内应力。
4）具有良好的电绝缘性能和酎油性。
国内虽然有不少关于高导热灌封树脂（胶）的研究，但主要侧重于电子元器件的灌封保护，适用于大尺寸电机定子绕组的高导热灌封树脂（胶）的研究尚处于起始阶段。目前使用的高导热环氧灌封树脂（胶），导热系数约为1W/mK，灌封后电机定子形成一个整体，散热和定子模态刚度与阻尼性能有所提升，温升和振动噪声降低，防潮性、抗震性、耐电晕性能有所提升。但常规的导热型环氧灌封树脂（胶）存在粘度较高、流动性差、密度大，用在汽车驱动电机上尚存在灌封困难、增加汽车整车重量等问题。针对上述问题，现在市面上已经开发出几款适用于新能源汽车驱动电机绕组灌封的产品（如太湖TH-908、荣泰381-E、ELANTAS C88/E89、利鼎LD-107A/B 等），该类产品具有较高的导热性能（约1.0W/mK，个别已达2.0 W/mK），较低的热膨胀系数（3.5×10-6/℃）以及较好的流动性（400 ～800 mPa·s /90℃），同时阻燃性能可达UL94 V-0 级。但是，受制于现有技术及工艺，这类树脂的应用成本过高，灌胶设备价格昂贵，普及程度尚且不高。并且，汽车运行工况复杂，在长期运行过程中，可能会因机械振动等原因，出现树脂开裂的情况，因此，还需进一步深入研究以提高综合性能。
（5）引接线和绝缘软套管
电动汽车驱动电机用引接线一般都选用耐高温的硅橡胶挤出线，而选用的绝缘软套管，系采用特种玻璃纤维编织坯管涂敷耐高温硅橡胶烘培固化而成，具有优异的耐热性（耐热等级为180，即H 级）、耐4kV 以上的电压、优异的机械强度特别是抗皱褶撕破力的特点。但内油冷型电动汽车驱动电机用软套管还需要在高达150℃以上的ATF 油中进行老化周期考核，老化周期考核结束后，要求绝缘软套管不应有表面涂层起皮脱落现象，目前常规的硅橡胶软套管尚难以满足该要求，需要与原材料供应商紧密合作以进一步提高玻纤纱的质量及硅橡胶的纯度。
2、国外电动汽车驱动电机用绝缘材料研究进展
在耐电晕漆包线漆/线方面，国外对二涂层结构的耐电晕漆包线漆/线开展研究相对较早，代表企业有美国Du Pont 公司(相关产业现已转到AXALTA 公司)、德国ELANTAS 公司等，研制的耐电晕漆包圆线技术已成熟，在电动汽车驱动电机领域有着广泛应用。日本日立研发的单涂层耐ATF 油、耐电晕漆包圆线，在内油冷型电动汽车驱动电机领域也有着广泛的应用。另外，日本日立、住友等企业研发了耐电晕漆包扁线，已被广泛应用于Hair-pin 发卡绕组电机。
在浸渍树脂方面，AXALTA 公司采用云母纳米粒子改性技术，研发出高挂漆量聚酯亚胺浸渍树脂，应用工艺为VPI 或VI，在电动汽车驱动电机定子绝缘浸渍处理领域应用较多。另外AXALTA 公司运用特殊的引发-阻聚体系研发出通电加热-UV 固化聚酯亚胺浸渍树脂等，在电动汽车驱动电机定子绝缘浸渍处理领域有着一定的应用。ELANTAS 公司还研发出环保型聚酯亚胺滴浸树脂，在电动汽车驱动电机定子滴浸处理领域有着一定的应用。
在柔软复合材料方面，仍以美国Du Pont 公司的产品为主。Nomex® 464 聚芳酰胺纤维纸与聚酰亚胺薄膜复合制备的NHN 三层柔软复合材料，广泛应用于电动汽车驱动电机槽绝缘、相间绝缘、层间绝缘。另外，厚型Nomex® 410 聚芳酰胺纤维纸在内油冷型驱动电机领域也有着比较广泛的应用。采用聚芳酰胺纤维纸/聚苯硫醚薄膜/聚芳酰胺纤维纸复合，在内油冷型驱动电机领域已有一定的应用。目前还有少数日本企业在内油冷电动汽车驱动电机中采用了聚芳酰胺纤维纸/聚苯硫醚薄膜/聚芳酰胺纤维纸（NSN）三层柔软复合材料，其中的聚苯硫醚薄膜具有高耐热、耐化学药品、高机械强度、电性能优良、难燃等特性，相比聚酰亚胺薄膜具有更优异的耐ATF 油性能。
在高导热灌封树脂（胶）方面，国外公司已研发出性能优异的高导热环氧灌封树脂体系，并在电动汽车驱动电机灌封领域得到应用，代表企业有汉高、贝格斯、信越、住友等。美国EpoxiesEtc 公司近期推出的一款阻燃导热灌封胶，具有高导热、低收缩和高绝缘的性能，导热系数高达2.12 W/mK。
3、国内电动汽车驱动电机用绝缘材料研究进展
针对电动汽车驱动电机用绝缘材料，国内近几年也在加大力度开展重点研究，相关技术已有较大的突破，取得了一些较好的成果。
在耐电晕漆包线方面，国内二涂层耐电晕漆包圆线技术成果已经达到国外先进水平，在国内电动汽车驱动电机领域已有着广泛应用。单涂层的耐ATF 油聚酰胺酰亚胺漆包圆线正处在小批量试生产阶段。另外，苏州巨峰公司采用纳米技术成功制备出耐电晕漆包扁线漆，同时采用薄层、恒温涂覆等工艺批量生产出耐电晕漆包扁线产品，产品具有漆膜附着力好、耐电晕性能优异的特性，但还未在国内市场上获得广泛应用。
Peano轨迹在加工平面零件时得到了良好的效果，但对于非球面零件的加工，Peano轨迹无法确保达到预期的加工结果。因此，文献[42] 在Peano轨迹(图5(a))的基础上提出了更适合于非球面零件加工的类Peano轨迹(图5(b))，在对直径为100 mm的非球面零件加工的实验中，经过145 min的加工，使得面型误差由PV=0.386 λ，RMS=0.056 λ收敛至PV=0.097 λ，RMS=0.011 λ(其中λ=632.8 nm)。
在柔软复合材料方面，近10 年来，关键原材料聚芳酰胺纤维纸国内已有多家企业成功投产，用其制备的柔软复合材料，已在常规工业电机领域得到广泛应用，但由于国产聚芳酰胺纤维纸电气强度、热收缩率等指标相对于Du Pont 同类产品还有一定的差距，很多企业在生产电动汽车驱动电机用三层柔软复合材料时仍首选Du Pont 公司的聚芳酰胺纤维纸。国产聚芳酰胺纤维纸正在加大研发投入，努力提升性能，以便在电动汽车驱动电机应用领域取得突破。
在高导热灌封树脂（胶）方面，国内已取得可喜的研究进展，目前投放市场的环氧树脂体系高导热灌封胶的导热系数已达到1.2W/mK，导热系数高达2.16 W/mK的电动汽车驱动电机用耐高温高导热阻燃灌封胶产品也已见报道，但使用工艺性还需进一步提升。
4、国内电动汽车驱动电机绝缘系统可靠性和耐久性评定技术研究进展
当下国内外电动汽车电机驱动系统均存在很多问题，其中一个比较突出的问题是驱动电机的可靠性和耐久性较低，而且缺乏可靠性和耐久性评价理论依据，无法通过设计和有限实验获知电动汽车驱动电机的寿命。为此，由桂林电器科学研究院有限公司投资成立的桂林赛盟检测技术有限公司（机械工业电工材料产品质检中心）承担了桂林市重点科研开发课题——新能源汽车电机绝缘检测技术研究，目前正在组织力量开展电动汽车用电机绝缘系统评定技术研究，并在以下几个重点研究子项目上取得了可喜的进展：
1）绝缘材料/系统与ATF 油相容性评定试验方法研究，着重解决以下技术问题：如何模拟电机实际运行工况开展试验；如何选择固体绝缘材料与ATF 油的配比；如何选择相容性试验的温度及循环周期；如何选择绝缘材料/系统和ATF 油的诊断性能。
2）绝缘材料/系统在ATF 油中运行的热寿命评定试验方法研究：绝缘材料/系统在ATF 油中的实际运行情况不同于在空气中的运行情况，参考GB/T22578.1—2017、GB/T 22578.2—2017，在依据GB/T 11026 系列标准、GB/T 17948 系列标准、GB/T 20111 系列标准在空气中对电动汽车驱动电机绝缘系统进行耐热性评定结果的基础上，设计在ATF 油中进行耐热性试验的方案，建立绝缘材料/系统在ATF 油中运行的热寿命数学模型，预估实际工况下的耐热性，以期解决在空气中评定所得结果不能很好地表征在变速箱油中运行的绝缘系统的耐热性问题。
3）专用设备研制：完成了1 ～30 kV 高频脉冲放电电源系统的研制，最高可实现输出峰峰值≥20 kV，频率≥10 kHz 的连续高压方波脉冲，可以实现五路共同带一个负载，最大负载可以达到5000 pF。如图6、7 所示，负载5000 pF 时，上升沿时间小于2µs，上升沿速率dv/dt可以达到≥20 kV/µs，完全满足绝缘材料/系统的耐重复脉冲电应力性能测试的需求。同时，本系统有五个独立的高压试验单元，既可以实现五路共同带一个负载进行试验，也可以同时带五个负载进行五路试验，大幅提高了试验效率。现正在设计开发模拟电机实际工况下的耐ATF 油寿命试验设备。
4）标准制定：着手申报立项，制定评价绝缘材料与ATF 油相容性、热老化寿命评定试验方法的国家或行业标准，以形成一套完整的新能源汽车电机用绝缘材料/系统性能评价体系。
图6 五路共同带一个负载试验图
图7 负载4000 pF 下脉冲电压波形图
5、电动汽车驱动电机用绝缘材料发展趋势
随着SiC、GaN 等高频、高压、高功率电子器件在电动汽车驱动电机控制器中的应用，电动汽车驱动电机的额定电压、频率都将显著升高。如图8 所示，由于驱动电机控制器高压、高频PWM 调制对驱动电机绕组产生了过高的介电应力，导致驱动电机的绝缘材料/绝缘系统产生如图9 所示的严重的局部放电及电晕腐蚀，加剧了绝缘材料/绝缘系统的介质损耗与发热，加速了绝缘材料/绝缘系统的电热老化。此外，随着电动汽车驱动电机不断地朝着高功率密度、高效率方向发展，采用Hair-pin发卡绕组或传统Type II绝缘结构会越来越普遍，这无疑会导致电机绕组发热加剧、温升提高，从而加速绝缘材料/绝缘系统的热老化。以上种种趋向都对电动汽车驱动电机用绝缘材料及绝缘系统提出了更高的技术要求，绝缘材料行业正面临着前所未有的挑战和发展机遇。
图8 驱动电机绕组运行电压波形
图9 导体之间产生局部放电
为了应对挑战，未来绝缘材料需要攻克的关键技术及瓶颈是：
① 耐电晕、高局部放电起始电压（PDIV）漆包线制备技术，特别是耐电晕漆包扁线的涂制技术，突破“R”半径处漆膜附着力偏低、应用工艺性不佳等问题；以制备出具有优异耐电晕性和高导热系数的漆包扁线，满足高频、高压碳化硅PWM 驱动电机用线需求。
② 耐电晕、高导热绝缘浸渍树脂制备技术，突破因浸渍树脂粘度低，添加无机高导热填料后易沉淀及渗透性不好等问题。
③ 耐电晕、耐ATF 油、高导热柔软复合材料制备技术，突破因采用云母等高导热片状无机填料进行改性导致聚芳酰胺纤维纸机械强度降低及应用工艺性不佳等问题。
④ 高导热、无卤阻燃灌封树脂（胶）制备技术，突破添加无机高导热填料后粘度偏大、抗开裂及应用工艺性不佳等问题。
⑤ 耐电晕、高导热绝缘系统设计及制造技术，解决材料之间的相容性问题；真正实现性能的叠加与互补，大幅提升电动汽车电机绝缘系统无局放、耐电晕、高导热性能。
同时，需加快制定相关测试方法与评定标准。目前只有绝缘材料的耐电晕测试标准和绝缘系统的局部放电测试方法标准，尚缺乏绝缘系统的耐电晕、耐润滑油测试方法标准以及局部放电的合格判定标准，尤其是目前国内外均缺乏针对电动汽车驱动电机绝缘材料/绝缘系统的测试与评定标准。电动汽车驱动电机行业现今正面临成本、技术和市场的竞争，未来需要上下游各相关方协同合作，共同推进基础和应用需求研究，以加快制定结合绝缘材料生产及下游电机用户需求的专门的不同层级的技术标准，包括国家标准、行业标准与团体标准。