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驱动电机主流绝缘材料应用现状

2022-08-27

众所周知,任何带电的设备或机器,怕就是漏电和短路。

所谓“外行看热闹,内行看门道”,绝缘结构和系统的门道,一直是各大主机厂内部不断探讨和研究的重点课题。

今天我们从头到尾来看看,新能源汽车驱动电机用的主要绝缘材料应用现状——


01绝缘系统

目前驱动电机的典型绝缘解决方案一般可分为主要绝缘和次要绝缘,如下图所示。

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主要绝缘对电机的安全运行至关重要,包括电磁线绝缘、槽绝缘、相间绝缘、槽楔绝缘、浸渍漆等;

次要绝缘主要起到辅助的绝缘效果,同时为线圈提供机械支持和保护,包括绝缘套管、绑绳、母线绝缘和焊点涂敷等。

02耐电晕漆包线

驱动电机越转越快、电驱系统功率密度越来越高,漆包线的性能和质量要求势必越来越严格。

目前,电动汽车驱动电机中,主要使用的是纳米粒子改性的H级(或以上级别)的耐电晕漆包线。

这种漆包线的漆膜从早期的三涂层,发展到后来的二涂层。由于三涂层的寿命短、漆膜附着力相对较差,逐渐跟不上要求。

2000年,杜邦开发了二涂层的耐电晕漆包线,底涂层为纳米粒子改性聚酯亚胺耐电晕涂层,面涂层为PAI涂层。

二涂层面世至今,已在驱动电机领域应用广泛。近年来随着油冷电机的崛起,PAI单涂层耐电晕漆包线凭借其耐ATF油、耐高温等性能,应用越来越广泛。

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耐电晕漆包扁铜线

而我们都知道,选用什么材料、什么技术,都是根据应用主体的技术不断变化的,没有哪种材料是万金油。

随着扁线技术的高速发展,更高的槽满率、功率密度让越来越多的OEM选择扁线电机。

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传统圆形导体定子槽型图
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矩形导体定子槽形

但耐电晕漆包扁线的4个“R”角涂覆工艺性差,当下应用中往往会出现耐电晕性能下降、性能不稳定等痛点问题。

此外,近部分商业应用正在使用挤出到漆包线的PEEK材料代替溶剂型浸涂。

03绝缘浸渍树脂

电机定子绝缘处理主要是采用真空浸渍树脂(VI)和真空压力浸渍树脂(VPI),一般来说基体树脂为高强度高耐热的改性聚酯或聚酯亚胺。

值得一提的是纳米粒子改性技术,通过添加纳米无机粒子,可以提高挂漆效率、耐热性和耐电晕性能。

说到现状,近几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,也进入人们视野。

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其中,通电加热工艺属于效率较高的新做法,从浸渍到树脂凝胶几乎只需要几分钟,整个处理过程大约1个小时左右就可以完成。而且可以精确控制挂漆量,填充性能好,不产生树脂固化废渣。

但是,通电加热这种工艺的主要设备现在还被德国、意大利的外企所掌控,进口的价格也比较高,目前还没有大规模在国内扩展。

04柔软复合材料

目前主流的非油冷驱动电机槽绝缘、槽楔、相间绝缘主要采用两层聚芳酰胺纤维纸(如Nomex)和一层PI薄膜复合,成为一种柔软的复合材料。

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这种绝缘材料具有H级耐热等级,且成本更低,所以得到了普遍应用。但其耐电晕和耐ATF油的性能稍差。

随着油冷电机的普及,这样不耐油的柔软材料开始力不从心,容易产生分层现象,从而降低绝缘性能。

这就带来了一个“恶性循环”:为了提升耐油性能,电机开发设计时会采用耐油性更好的单层厚型聚芳酰胺纤维纸;

但这种材料的电气性能比较差,为了提升绝缘性能,又必须增加材料设计厚度,增加厚度必然会影响功率密度,从而提升整个电机的制造成本。

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这还只是油冷电机,如果再加上当下时兴的800V电气系统的话,上面这些问题会越来越严重。



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