油冷電機用絕緣材料耐油可靠性研究

韋 晨， 孫 宇， 蔣 熙， 劉發遠， 王文龍， 武紅敏， 陳俞蕙

（1. 桂林賽盟檢測技術有限公司，廣西 桂林 541004；2. 桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引 言

隨著“雙碳”目標的提出，電動汽車得到迅猛發展，成為我國實現“碳達峰、碳中和”的重要支撐[1]。驅動電機作為電力驅動系統的核心，為電動汽車提供驅動動力，決定了電動汽車的綜合性能[2-3]。近年來，通過優化驅動電機的熱管理方式，集成油冷電驅系統以其結構緊湊、低成本、高效率已經成為各大電動汽車廠商主推的產品之一[4]。油冷電機主要的液體介質是自動變速箱油（automatic transmission fluid，ATF），由基礎潤滑油和各種添加劑組成，用于為系統降溫、防止變速箱內器件磨損、保證系統操作的順暢性等[5]。

電機絕緣是驅動系統的薄弱環節之一，絕大多數電機的損壞是由電機繞組的絕緣失效引起的[6-8]。浸漬樹脂、漆包線、槽絕緣作為電機繞組的三大主絕緣材料，其性能的優劣會直接影響汽車電機的運行和使用壽命[9-10]。在采用油冷電機技術的電驅系統設計中，驅動電機和ATF 高度集成在一起，對電機用絕緣材料的評估既需考慮傳統的熱、電、環境等因素，也要考慮材料與ATF 的兼容性。因此充分評估油冷電機絕緣材料與ATF 的兼容性是電驅系統設計開發的重要環節。目前業內對電機絕緣材料和ATF的研究多采用密閉的不銹鋼罐體[5,11]，而電動汽車驅動電機以及電機控制器為防止冷凝現象和呼吸效應，常用的技術手段是安裝防水透氣閥[12]。驅動電機運行過程中由于ATF 本身水分及工作環境“吸水”，油品可能受潮?；谏鲜鲈?，有必要以貼合電機運行工況的模式，探索油冷電機絕緣材料與ATF長時間接觸后的性能變化情況。

本研究在新能源電機用浸漬樹脂、漆包扁線和芳綸紙中各挑選兩款同類型產品，與ATF 開展高溫耐油試驗，并通過材料性能測試，判斷材料的可靠性和耐久性，以期為電機材料選型提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 主要試驗材料

主要試驗材料為浸漬樹脂（廠家A 和廠家B）、漆包扁線（廠家C 和廠家D）、芳綸紙（廠家E 和廠家F）、ATF。漆包扁線漆膜厚度約為0.08 mm，芳綸紙厚度為0.25 mm。

1.2 耐油試驗方法

ATF 中添加質量分數為0.2%±0.02%的去離子水，將固體材料浸泡于ATF 中，每種固體材料單獨放置于不銹鋼密封試驗罐中，密封罐罐蓋上安裝汽車電機用防水透氣閥，每12 h 向密封罐內添加0.08%去離子水。試驗選定溫度為150℃，試驗時間為500、1 000、1 500、2 000 h。

1.3 性能測試

采用擊穿儀（HT-20/5A 型，桂林電器科學研究院有限公司）對漆包扁線、絕緣紙進行擊穿電壓測試，升壓速度為0.5 kV/s；采用擊穿儀（HT-50 型，桂林電器科學研究院有限公司）對浸漬樹脂進行擊穿電壓測試，升壓速度為2.0 kV/s；采用數字局放儀（JFD-2010 型，上海杰智電工科技有限公司）對漆包扁線進行局部放電試驗，局放量達到100 pC 判定為局部放電起始峰值電壓；采用高頻脈沖試驗電源（HF3k-5型，桂林賽盟檢測技術有限公司）對漆包扁線進行耐電暈性能試驗，脈沖電壓峰峰值為3 kV，試驗頻率為20 kHz，脈沖上升時間為100 ns，試驗溫度為155℃；采用電子萬能試驗機（CMT-1503 型，珠海市三思泰捷電氣設備有限公司）對絕緣紙進行拉伸強度測試，位移速率為100 mm/min；采用數字高阻計（6517B 型，吉時利公司）測量浸漬樹脂的體積電阻率，直流電壓為500 V，電化時間1 min 后記錄試驗結果；采用電子萬能試驗機（AG-IC 型，島津公司）測量粘結強度，位移速率為10 mm/min。具體測試標準如表1所示。

表1 固體材料測試方法Tab.1 Solid material test methods

2 結果與討論

2.1 ATF含水量對試驗的影響

通過對相同固體絕緣材料和ATF 試樣分別在不加水、加水0.2%和加水0.5%三種條件下開展384 h耐油試驗，驗證ATF不同含水量對固體材料的影響，結果如表2 所示。從表2 可以看出，固體絕緣材料的性能受ATF 中水分影響較大。相同試驗條件下，隨著ATF 中水分增加，材料劣化加快，一方面是材料本體的水解，另一方面可能是高溫條件下，水和空氣促進ATF 的熱氧老化產生酸性物質[13]，從而加速材料水解。為了延長材料耐油試驗時間，降低水分的影響，本研究選用0.2%±0.02%含水量作為耐油試驗中ATF的含水量。

表2 ATF不同含水量下絕緣材料性能保持率Tab.2 Performance retention rate of insulation materials under different water content of ATF

2.2 防水透氣閥對ATF中含水量的影響

試驗用密封罐上安裝了防水透氣閥來平衡內外壓差，如圖1所示。隨著溫度的升高，罐體內部的水分會汽化為水蒸氣，增壓后的水蒸氣可能會通過透氣閥排至大氣中。因此我們對帶透氣閥的密封罐中ATF 在高溫環境下的含水量保持情況進行驗證，油品初始含水量為0.2%左右，依據GB/T 6324.8—2014，在150℃下每2 h 采用卡爾費休法測試油品含水量，得出水分含量隨時間的變化情況如表3所示。

圖1 密封罐上防水透氣閥示意圖Fig.1 Schematic diagram of waterproof and air permeable valve on sealed tank

表3 ATF中含水量隨時間變化情況Tab.3 Changes in water content of ATF with time

從表3 可以看出，裝有透氣閥的密封容器無法保證水分的穩定性，油品的含水量隨著時間的延長逐漸降低，所以需要定期添加水分以維持內部含水量。經驗證，以容積約為2 L 的密封罐為例，使試驗用ATF初始含水量為0.2%±0.02%，注入量為密封罐容積的75%，ATF 在帶透氣閥的密封罐中經150℃高溫處理12 h 后其含水量降至約0.12%，若每12 h加入0.08%的水分，則可使油品含水量保持在0.2%±0.02%，如表4所示。因此，在耐油試驗中每12 h向密封罐中添加0.08%去離子水以維持罐體內部水分含量。

表4 ATF中加水后含水量驗證結果Tab.4 Verification results of water content after adding water in ATF

2.3 固體絕緣材料性能分析

2.3.1 浸漬樹脂

（1）電氣強度耐油試驗不同時間后，浸漬樹脂A 和B 的電氣強度試驗結果如圖2 所示。從圖2 可以看出，耐油試驗2 000 h 后，樹脂A 的電氣強度由初始的23.8 kV/mm 升高到25.3 kV/mm，樹脂B 的電氣強度由初始的23.1 kV/mm 下降至22.1 kV/mm。兩款樹脂均為聚酯亞胺浸漬樹脂，具有高耐熱性、耐腐蝕性等優點，與ATF 表現出良好的兼容性，樹脂A 的耐油性優于樹脂B。

圖2 浸漬樹脂電氣強度Fig.2 Electric strength of impregnating resin

（2）體積電阻率

兩款浸漬樹脂的體積電阻率測試結果如圖3所示。從圖3 可以看出，耐油試驗2 000 h 后，樹脂A的體積電阻率由初始值7.8×1013Ω·m 降至3.6×1013Ω·m，性能保持率為46%；樹脂B 的體積電阻率由初始值6.3×1013Ω·m 降至1.8×1013Ω·m，性能保持率為29%。兩款浸漬樹脂體積電阻率在試驗中出現明顯波動，上升下降趨勢總體相近，可能由于體積電阻率的測試易受多方面因素影響，再現性低，不同周期測試無法保證測試環境及影響因素完全一致導致。但在1 000 h 后能看出二者變化趨勢的不同走向，樹脂A 仍有上升，樹脂B 出現明顯降幅，從體積電阻率性能保持情況來看，樹脂A 的耐油性優于樹脂B。

圖3 浸漬樹脂體積電阻率Fig.3 Volume resistivity of impregnating resin

（3）粘結強度

兩款浸漬樹脂的粘結強度試驗結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，耐油試驗2 000 h 后，樹脂A的粘結強度由初始的206 N 下降到136 N，樹脂B 的粘結強度由初始的241 N 下降到128 N。樹脂B 的初始粘結強度略高于樹脂A，耐油試驗2 000 h 后樹脂B 的粘結強度低于樹脂A，由此可見，樹脂A 粘結強度性能保持更好，表現出更優異的耐ATF 油性能。

圖4 浸漬樹脂粘結強度Fig.4 Bonding strength of impregnating resin

2.3.2 漆包扁線

（1）擊穿電壓

耐油試驗不同時間后，漆包扁線C 和D 的擊穿電壓測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，扁線C的初始擊穿電壓為12.8 kV，在試驗1 000 h 后擊穿電壓迅速降至2.4 kV，1 500 h 后漆膜出現開裂脫落現象（見圖6），已失去絕緣性能。扁線D 從初始到試驗2 000 h，擊穿電壓由13.1 kV降至10.5 kV，試驗1 000 h 時擊穿電壓略微升高，出現輕微波動，整體呈緩慢下降趨勢，2 000 h 后擊穿電壓保持在初始值的80%，體現出較好的耐油性能。

圖5 漆包扁線擊穿電壓Fig.5 Breakdown voltage of enameled rectangular wire

圖6 扁線C耐油測試1 500 h后漆膜開裂Fig.6 Enameled rectangular wire C cracks after 1 500 h of oil resistance test

（2）局部放電起始峰值電壓

兩款漆包扁線的局部放電起始峰值電壓測試結果如圖7 所示。從圖7 可以看出，與擊穿電壓測試結果類似，扁線C 在試驗1 000 h 后局部放電起始峰值電壓由初始的1.77 kV 下降到1.53 kV，試驗1 500 h 后無法進行試驗。扁線D 的局部放電起始峰值電壓呈逐漸下降趨勢，變化不大，基本維持在1.70～1.84 kV，性能保持率大于90%，體現出較好的耐油性。

圖7 漆包扁線局部放電起始峰值電壓Fig.7 Partial discharge inception peak voltage of enameled rectangular wire

（3）耐電暈性能

耐油試驗不同時間后漆包扁線的耐電暈性能測試結果如表5所示。從表5可以看出，扁線C在耐油試驗500 h 后耐電暈性能出現顯著升高，這是由于漆包線浸沒在ATF 中，其外部附著了一層油膜，提高了產生電暈的電壓值；但是在耐油試驗1 000 h后由于漆膜破壞耐電暈壽命迅速下降。而扁線D耐電暈性能優異，初始和耐油試驗后耐電暈壽命始終大于12 000 min。

表5 漆包扁線高溫耐試驗油后耐電暈性能Tab.5 Corona resistance of enameled rectangular wire after oil resistance test

2.3.3 芳綸紙

（1）擊穿電壓

耐油試驗不同時間后，芳綸紙E 和F 的擊穿電壓試驗結果如圖8 所示。從圖8 可以看出，兩款芳綸紙的初始擊穿電壓約為8 kV，耐油試驗500 h 后，二者擊穿電壓均出現明顯升高，這是由于芳綸紙浸泡于ATF 中吸油飽和后形成油紙絕緣系統，電氣性能得到顯著提升。試驗2 000 h 后兩款芳綸紙的擊穿電壓略微下降，芳綸紙E降幅更為明顯，但都維持在12 kV以上，二者均表現出較好的耐油性能。

圖8 芳綸紙擊穿電壓Fig.8 Breakdown voltage of aramid paper

（2）拉伸強度

兩款芳綸紙的拉伸強度如圖9 所示。從圖9 可以看出，芳綸紙E 縱向、芳綸紙E 橫向、芳綸紙F 縱向、芳綸紙F橫向拉伸強度初始值分別為28.5、16.1、32.5、12.2 N/mm，耐油試驗2 000 h后芳綸紙E縱向、芳綸紙E 橫向、芳綸紙F 縱向、芳綸紙F 橫向拉伸強度保持率分別為71.9%、76.4%、77.8%、65.4%。從拉伸強度保持率來看，兩款芳綸紙的耐油性能相當。

圖9 芳綸紙拉伸強度Fig.9 Tensile strength of aramid paper

（3）斷裂伸長率

兩款芳綸紙的斷裂伸長率測試結果如圖10 所示。從圖10可以看出，芳綸紙的斷裂伸長率在耐油試驗500 h 后均出現明顯降幅，500 h 后下降趨勢放緩，二者性能變化趨勢相當，最終芳綸紙E 縱向、芳綸紙E 橫向、芳綸紙F 縱向、芳綸紙F 橫向斷裂伸長率保持率分別為18.1%、19.3%、31.6%、27.7%，結合拉伸強度的結果來看，耐油試驗后，芳綸紙F的拉伸性能總體優于芳綸紙E。

圖10 芳綸紙斷裂伸長率Fig.10 Elongation at break of aramid paper

3 結 論

（1）浸漬樹脂、漆包扁線和芳綸紙受ATF 中水分含量影響較大，高溫條件下水和空氣促進ATF 熱氧老化產生的酸性物質會加速材料水解。

（2）兩款浸漬樹脂、漆包扁線D 和兩款芳綸紙與ATF油進行高溫試驗2 000 h后，表現出優異的耐油性能，材料性能較為可靠；漆包扁線C在耐油試驗1 500 h漆膜脫落開裂，性能劣化明顯，可靠性不佳。

（3）對所選材料進行2 000 h 的高溫耐油試驗后，通過對材料電氣性能和力學性能檢測分析，對比出同類型材料耐油性優劣，浸漬樹脂A 優于浸漬樹脂B，漆包扁線D 優于漆包扁線C，芳綸紙F 優于芳綸紙E，可為油冷電機用絕緣材料選型提供一定的參考。