高压电机定子总成绝缘系统热老化及局部放电研究

【摘 要】新能源汽车为解决高性能、极速快充等问题，高压化成为解决市场痛点的关键技术措施之一。文章针对高压电机定子总成绝缘系统的局部放电计算方法以及安全系数范围展开深入研究，并对高压电机定子总成在不同温度下的快速热老化进行试验，且在试验后对其电气性能进行对比分析，为纯电动汽车高压电机绝缘系统的开发与选型设计提供重要参考。

【关键词】高压电机;定子总成;绝缘系统;局部放电

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：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

随着新能源汽车行业迈入高速发展阶段，大功率、小型化以及急速快充持续成为市场核心需求，开发油冷电机及高压平台已然成为电驱动技术的发展方向。当前，新能源汽车主流的高压电压范围普遍在460～800Vdc，部分主机厂更是推出了900Vdc及以上的高压平台。

绝缘系统堪称电机的“心脏”，轨道交通牵引电机运行的可靠性在很大程度上取决于绝缘结构的绝缘性能。据统计，约有37%的牵引电机失效是由绝缘故障引发。在油冷环境下，绝缘系统的油品兼容性以及老化后是否存在局部放电，成为评判油冷电机可靠性的重要指标。

本研究对车载电驱驱动总成的运行条件展开调研，制定了电机绝缘系统主要绝缘结构（I型绝缘），即漆包线、绝缘纸等在ATF油中的加速老化对比试验流程。同时，进行试验后的局部放电测试和击穿电压检测，并对数据进行对比，以此评估驱动电机绝缘系统的可靠性。

1 局部放电电压计算

在电场作用下，绝缘系统中导体间绝缘介质内部发生的局部击穿，称之为局部放电（Partial Discharge，PD）。在测试过程中，随着测试电压增加，发生局部放电的最低电压称之为局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage，PDIV）。

IEC 60034-18-41和IEC 60034-18-42中将电压型变频器供电的旋转电机绝缘系统分成两类：Ⅰ型，绝缘系统在预期寿命期间不承受局部放电（PD）;Ⅱ型，绝缘系统在预期寿命期间可能承受局部放电（PD）。本文主要针对I型绝缘结构进行分析验证。额定电压700V及以下电机可能既有Ⅰ型也有Ⅱ型绕组绝缘，额定电压700V以上电机通常为Ⅱ型绕组绝缘。Ⅰ型绕组绝缘可采用散绕绕组及成型绕组，而Ⅱ型绕组绝缘采用成型绕组[3]，如图1所示。

电控脉冲输出电压不会超过dc母线电压Udc。该电压取决于整流主电压或制动电压等级或功率因素校正电压。电控电流路径简图[4]如图2所示。图2中，1为整流器，2为PWM转换器，3为AC输入，4为三相绕组，LS和CS分别为系统电感和电容。

针对三相系统，可以指定一个中性点作为参考系。其计算公式为：

按多相系统计算的公式为：

式中：k——常数;a——修正类型（a=1为半波修正，a=2为全波修正）;φ——相数。

目前测试系统主要是三相电驱系统，因此：

针对绝缘系统PDIV判断标准，需考虑温度、老化、油品以及局部安全系数等因素。PDIV试验电压增强系数大致范围见表1。针对本研究所用的永磁同步三相绝缘系统，选择安全系数见表2。

得出PDIV判断标准，900V平台局部放电电压需不低于2800V，公式为：

UPDIV=2.34×Up-p

2 定子总成快速热老化试验

测试样件是三相永磁同步电机定子总成（峰值功率320kW）。其中，试验室温度为24.6～30.1℃，湿度为55%～75%RH。试验设备清单见表3。

被测样件为6个定子总成，其中样本1、3、5为PI绕组定子总成，样本2、4、6为Peek绕组定子总成。测试样本状态如图3所示。试验条件如下所述。

1）定子1、定子2：先摸底4h240℃，高温240℃保持15h;恒温恒湿25℃ 60%保持48h，4个循环一共207h。

2）定子3、定子4：高温220℃保持60h;恒温恒湿25℃ 60%保持48h，4个循环一共432h。

3）定子5、定子6：高温200℃保持225h;恒温恒湿25℃ 60%保持48h，4个循环一共1092h。

3 试验结果

3.1 三相冷态直流电阻

试验前后定子三相直流电阻满足要求，试验前后冷态直流电阻平均值对比如图4所示。

3.2 温度传感器阻值

采用电阻计对测试后定子总成NTC传感器进行测试，试验前后温度传感器阻值满足要求，试验前后温度传感器阻值平均值对比如图5所示。

3.3 绝缘电阻

试验分别对比了冷态及热态环境下绕组对铁芯绝缘电阻、绕组对温度传感器绝缘电阻。测试电压1000V，冷态绝缘电阻满足大于550MΩ要求，热态绝缘电阻满足标准要求，可见温度越高，热态绝缘电阻会成下降趋势。试验前后平均值对比见表4～表7。

3.4 工频耐电压

试验分别对比了绕组对铁芯工频耐电压、绕组对温度传感器工频耐电压，测试电压1980V。测试标准小于15mA，结果均满足要求。试验前后绕组对铁芯工频耐电压平均值对比如图6所示。

4 结束语

1）本文对高压电机系统局部放电的原理以及分类进行了简要说明。依据IEC 60034-18-41所提供的安全系数范围，结合电机系统设计方案选定了一套安全系数，进而得出用于评判该方案的PDIV测试电压值。

2）本文针对不同绕线定子总成，在不同温度下，根据使用寿命换算出不同的老化时间，随后开展热老化快速验证，并且对试验前后定子总成的电气性能及PDIV进行了分析。该试验的条件及数据对后续高压电机绝缘系统的选型具有重要参考价值。

参考文献：

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[2] ZHANG J，MA J，HUANG X Y，et al. Optimal condition-based maintenance strategy under periodic inspections for traction motor insulations[J]. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering），2015，16（8）：597-606.

[3] 张生德，汪双灿，赵超. 电机绝缘系统在高频冲击下局部放电试验研究[J]. 电机与控制应用，2018，45（2）：103-104.

[4] IEC 60034-18-41，旋转电机 第18—41部分：电压转换器馈电的旋转电机用抗局部放电电气绝缘系统（I型）鉴定和质量控制试验[S].