冷却油对变频电机匝间绝缘电气性能影响研究

董 涵，王 鹏，马世金，顾洋豪，郭厚霖

（四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

作为动力来源，变频电机是驱动电动汽车的心脏。变频电机定子承受高频、快速变化的脉宽调制电压，在定子绕组分布电感、电容的作用下，绝缘系统易产生电压集中，当电压超过局部放电起始放电电压（partial discharge inception voltage,PDIV）时，绕组中会出现局部放电[1-2]。在脉冲极性快速翻转及表面电荷的作用下，放电强度可能达到同频率和幅值正弦电压的7倍以上[3]，从而加速绝缘老化，导致绝缘早期失效。同时，快速变化的脉宽调制电压和高频谐振加重了电机定子铜耗、磁滞损耗和涡流损耗，导致电机绕组温度升高加速绝缘热老化，也是引起电机绝缘早期失效的重要原因[4-5]。

驱动电动汽车的变频电机采用由有机绝缘和无机绝缘组成的低压散绕结构，部分绝缘结构无耐电晕能力，当局部放电存在时，电老化将使绝缘快速失效。因此，依据国际电工技术委员会(IEC)提出的IEC 60034-18-41标准[6]，电机运行前应在正弦和脉冲电压下测试绝缘系统的PDIV。具有低压散绕绕组结构的变频电机局部放电可能存在于匝间、相间及对地主绝缘。联合使用正弦及重复脉冲电压对3种情况的PDIV进行检测，将检测结果与电机的设计参数进行比较，在一定的安全裕度下，保证电机运行电压高于PDIV，以确保电机在整个服役期内没有局部放电出现[7]。另外，为进一步提升电动汽车绝缘可靠性，国内较多变频电机绝缘结构采用耐电晕（耐局部放电）材料，以确保在一定的放电存在时，变频电机仍可正常工作。可见，PDIV和耐电晕特性是评估变频电机绝缘系统电性能的最重要指标。

电机散热是提升电动汽车变频电机功率密度的关键技术。和水冷相比，油冷技术大幅提高了冷却效率。采用油冷替代传统水冷方式已在电动汽车中得到较多应用，成为电动汽车发展的重要方向。冷却油本身不导电、不导磁，可直接对绕组进行冷却。但油冷电机需要将油液直接通入电机内部，油液的物理和化学性能可能会对绝缘系统造成潜在影响。因此，在保证电机油冷散热的同时，必须考虑油冷环境对变频电机绝缘系统的影响[8]。

本文在电机冷却油环境下，研究散绕变频电机匝间绝缘PDIV和耐电晕特性的变化规律。首先在正弦电压下，实验研究匝间绝缘在油液和温度同时影响下的PDIV变化。然后，在重复脉冲电压下，研究绝缘表面涂抹冷却油液对绝缘耐电晕寿命的影响。通过对比有无油液时环境温度对PDIV及耐电晕寿命的影响，得出冷却油对电机性能的影响规律，并给出机理解释。

1 测试系统搭建

正弦电压下PDIV检测平台如图1所示。功率放大器产生50 Hz正弦电压，PDIV测试时通过调整功率放大器输入，得到连续可调的输出电压。使用意大利Techimp PDBaseⅡ局放分析仪采集放电并得到统计特性。同时采用采样率为16 GS/s、带宽为2 GHz的数字示波器记录单个放电信号的时频特性。

图1 正弦局部放电测试系统Fig.1 PD test system

测试试样由两根长度为16 cm、直径为1.5 mm的绝缘漆包线中心交叉60°组成[9]，模拟低压散绕绕组结构的变频电机匝间绝缘单点放电。试样固定于温湿度控制箱内，一端接功率放大器的高压输出，另一端接地[10]。为清除试样表面污秽和水分，试验前采用无水乙醇清洗试样，并置于155℃烘箱内烘干12 h。为避免随机因素对测试结果造成的分散性影响，每个条件下至少测试5个试样[11]。

采用双极性高压方波发生器输出重复方波电压，模拟变频电机高频脉冲环境并测试匝间绝缘的耐电晕寿命。脉冲电源输出方波的最大峰峰值为15 kV，上升时间可调。测试系统如图2所示，耐电晕寿命测试过程中，采用特高频天线结合频域滤波监测放电信号，并同时利用高压探头采集高压脉冲作为同步信号，用于分析局部放电发生时的同步相位。为确认放电点，采用紫外成像仪监测放电位置。

图2 高压脉冲耐电晕测试系统Fig.2 Corona resistance test system

为提升测试灵敏度，避免高频电力电子器件开断对测试结果造成干扰，试验前先在试样滴油条件下测量室温时正弦电压下的PDIV。

在一些电动汽车设计中，变速箱油液在实现其润滑作用的同时，还可以对变频电机内部绕组进行冷却，因此试验采用常用的自动变速箱油(automatic transmission fluid，ATF)滴加或涂沫在绝缘表面。然后，根据变频电机匝间绝缘的耐热等级（F级155 ℃），研究不同环境温度（30、60、90、120、155 ℃）下PDIV的变化规律。接着，使用幅值为4.5 kV、上升时间为80 ns、占空比为50%的双极性方波测试变频电机匝间绝缘的耐电晕寿命，同时采用特高频测试技术观察试样搭接点有无冷却油时高压方波下的放电统计特性，研究油液对电老化过程及最终绝缘寿命的影响。

2 试验结果及分析

2.1 正弦环境不同油量下的起始放电特性

当试样中无冷却油液时，多次测试表明，试样的PDIV约为1.8 kV。随着冷却油液的滴加，局部放电起始电压变化曲线如图3所示。从图3可知，随着油液的滴加，PDIV呈上升趋势。滴加0.01～0.05 mL油液时，PDIV变化并不明显，当试样全部浸入油液后，局部放电起始电压上升至13.5 kV。通过采集放电数据发现，与无油液环境相比，滴加油液后局部放电的相位未发生明显变化。

2.2 不同环境温度下的起始放电特性

图3 不同油液滴加量下的局部放电起始电压变化曲线Fig.3 The PDIV under different oil quantity

在试样搭接处滴加0.01 mL油液的条件下，测试环境温度对PDIV的影响，结果如图4所示。从图4可知，当试样间气隙受到油液影响时，PDIV较无油液条件有所上升[12]。但随着温度的升高，PDIV整体呈下降趋势，油液对PDIV的影响不再显著。

图4 不同温度条件下局部放电起始电压变化曲线Fig.4 The PDIV curve under different temperature

2.3 重复方波电压下的耐电晕寿命

在试样接触点周围涂抹冷却油液，使油液均匀附着在试样表面，模拟变频电机脉宽调制电应力，在频率为2 kHz、峰峰值为4.5 kV、上升时间为80 ns的双极性重复方波电压下，测试匝间绝缘的耐电晕寿命。并采用阿基米德平面螺旋天线，结合频域硬件滤波方法，记录高频方波电压下的局部放电。改变环境温度，记录油液条件下环境温度变化对放电统计特性及耐电晕寿命的影响。以上测试均与无冷却油环境进行对比，以研究油液对绝缘耐电晕寿命和放电统计特性的影响。在有、无油液环境下匝间绝缘的耐电晕寿命统计结果如图5所示。

从图5可以看出，温度较低时（＜120℃），匝间绝缘表面涂抹油液后的耐电晕寿命下降。当环境温度达到120℃以上时，绝缘表面存在的少量油液对耐电晕寿命无明显影响。图6为155℃下（F级绝缘）有、无油液时试样击穿后，使用光学显微镜观察得到的接触点放电腐蚀和击穿状态。从图6中可以看出，当绝缘表面涂抹有少量油液时，表面腐蚀程度较空气中放电更为集中，说明表面油液加入可能会改变放电过程对绝缘表面的电老化过程。

图5 不同环境温度下的耐电晕寿命Fig.5 Endurance under different temperatures

图6 搭接点表面腐蚀及击穿特性Fig.6 Characteristic of breakdown points

试验中同时发现，当绝缘材料表面涂抹较多冷却油，使放电点几乎浸入油中时，如果局部放电仍存在，此时试样耐电晕寿命达到无油液和少量油液的4倍以上。这是因为此时绝缘表面大部分被油覆盖，从而抑制了大部分放电发生。

2.4 不同温度下冷却油对放电统计特性的影响

在有、无油液条件下，环境温度为30℃和155℃时，试样的放电统计特性如图7所示。从图7可知，在重复方波电压下，温度变化对放电特性的影响显著。为便于分析不同温度环境下的放电特性，分别记录局部放电数据，不同试验记录1 000个周期，当温度从30℃至155℃变化时，放电数量及放电在上升沿和下降沿处的占比如表1所示。从表1可知，随着温度的升高，较多比例放电出现在上升沿和下降沿后20 μs内，且温度越高，放电出现的相位延迟越大。

图7 有无油液下典型PRPD图Fig.7 PRPD patterns with and without cooling oil

通过图7及表1总结得出：①较无油液情况下，油液的加入会使放电特性改变，放电相位延迟增大；②随着温度的升高，更多放电发生在上升沿和下降沿后，且幅值明显升高。

表1 放电特性随温度变化统计Tab.1 PD features at different temperatures

3 油液对绝缘性能影响机理分析

冷却油对变频电机匝间绝缘电性能的影响主要从两个方面分析：PDIV和耐电晕性能的变化，分别代表流注放电的起始以及放电对绝缘的电老化影响。

流注放电的产生需满足以下条件：①气隙内电场强度超过局部放电起始电场；②出现激发电子崩的初始电子[13-15]。根据巴申定律，放电位置应发生在试样接触点的外侧，与接触位置有一定距离[16]。因此，在放电腐蚀作用下，绝缘最终击穿点也应位于放电点附近。采用高精度显微镜记录的放电腐蚀和击穿试样如图8所示。

图8 试样击穿点状态Fig.8 The breakdown and erosion location

从图8可知，在漆包线接触点附近，自由电子行程达不到激发电子崩和流注放电条件，因此放电电老化腐蚀和最终击穿区域位于试样接触点外侧一定范围内。

3.1 油液及温度对PDIV的影响机理分析

匝间绝缘气隙中油液的加入会填充试样接触处的气隙，如图9所示，从而在气隙处不易发生放电，较大提升了PDIV，得到图3的结果，即室温下随着油滴的加入，PDIV呈逐渐升高的趋势。从图3中也注意到，当滴油量大于0.05 mL时，试样气隙外侧大部分已被油浸，因此较难出现放电，此时PDIV大幅升高。

图9 油液滴加后试样状态Fig.9 Sample condition after dropping oil

然而，随着温度的升高，绝缘气隙内的油液黏度下降，油液会沿绝缘材料表面扩散，改变绝缘气隙形状，交界处部分油滴失去填充作用，因此得到图4结果，即随着温度升高，PDIV逐渐降低。另外，在没有油滴填充条件下，温度升高有利于电子崩过程发射初始电子，更易满足流注放电的第2个条件，放电更易发生。

3.2 油液对局部放电特性及耐电晕寿命的影响

随着温度升高，放电发生后热老化作用加剧，绝缘的耐电晕寿命逐渐下降。本研究中在有油和无油条件下，随着温度的升高，匝间绝缘的耐电晕寿命都逐渐下降，这一变化趋势与其他研究结果一致[17-19]。

从图7可知，绝缘表面附着油液后，放电可能由单点放电变为点面放电，与无油状态相比，上升沿和下降沿后出现了更多放电。但随着温度升高，一方面油滴由于温度上升，黏度下降后发生扩散，更多绝缘暴露在空气中；另一方面，相对于油液环境影响，放电过程中环境温度对电老化起到更加重要的作用。

4 结论

在正弦和重复脉冲电压下，实验研究了冷却油环境对散绕电机匝间绝缘PDIV和耐电晕性能的影响规律，得到以下结论：

（1）室温环境下，较无油液环境，滴油及浸油环境，变频电机匝间绝缘的PDIV显著提高；油液环境下，温度升高时PDIV呈先上升后下降的趋势，但均高于无油条件下的PDIV。

（2）绝缘表面受少量油液污染情况下，油液对绝缘耐电晕寿命的影响受环境温度的影响较大，温度升高时表面油液对耐电晕寿命的影响作用减弱。

（3）冷却油在增加低压散绕电机绝缘绕组散热能力的同时，可显著提升PDIV，客观上提升了高频脉冲电压下变频电机绝缘的电性能。