前言
為了降低交通運輸行業對石油的依賴性、減少空氣汙染和二氧化碳排放，我國大力推廣新能源汽車，包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（EV）、燃料電池電動汽車（FCEV）。對於混合動力汽車和電動汽車，需要研發用於新的電力電子和電機技術，包括牽引電機、逆變器/變頻器、感測器、控制系統和其他介面電子裝置有關的技術。
本文介紹了新能源汽車電機絕緣的發展趨勢，以及相對應的絕緣解決方案。
新能源汽車油冷電機趨勢：油冷電機設計是將電機與變速箱整合在一起，用變速箱油被用來冷卻結構裡的電機或者發電機，可以節約空間，提高冷卻效率。油冷設計對絕緣系統帶來了新的挑戰。由於電機的絕緣材料會在高低溫條件下與ATF油(化學介質)長期接觸，所以油冷電機的絕緣評估既需考慮到傳統的熱、電、環境因素等，也要考慮材料及系統與變速箱油的相容性。如果絕緣材料和ATF油有相容性問題，會造成驅動電機的絕緣提前失效，進而導致電機故障。
分佈動力新能源汽車輪轂電機趨勢：輪轂電機驅動系統的佈置非常靈活, 它可以使電動汽車成為2個前輪驅動、2個後輪驅動或4輪驅動。從目前發展趨勢以及各種驅動技術的特點來看, 輪轂電機將是電動汽車的最終驅動形式, 也是現階段電動汽車研究的熱點和難點之一。
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新能源汽車油冷電機絕緣系統評估
目前在汽車電機行業內油冷電機絕緣系統可靠性測試還沒有相關指導方法，杜邦早在10年前就開始探索油冷電機的測試方法，並與國內外新能源電機客戶一起合作進行絕緣系統的耐油性測試。
圖1 油冷電機示意圖
目前新能源汽車電機的槽絕緣普遍採用的是聚芳醯胺纖維紙（Nomex®T410）和聚醯亞胺薄膜聚芳醯胺纖維紙柔軟複合材料（NHN）。本文分析了在油冷電機絕緣系統的評估方法，並評估了兩種槽絕緣 Nomex® T410和NHN在變速箱油中的相容性。
1）新能源汽車電機槽絕緣
杜邦Nomex®T410是聚芳醯胺纖維紙纖維，運用特殊的造紙工藝製作而成，採用的單層一體化結構。如圖2所示：
圖2 純紙的單層一體化結構
NHN是採用杜邦Nomex®464LAM紙與聚醯亞胺薄膜(PI)複合而成的三層結構，Nomex® 464LAM紙與聚醯亞胺膜用膠黏劑黏合。如圖3所示：
圖3 複合紙三層複合結構
2）新能源汽車用自動變速箱油
新的執行工況對變速箱油提出了新的要求，但是目前的新能源汽車（混動、純電動）仍舊採用的傳統潤滑油。傳統汽車的變速箱油工作溫度在100C左右，新能源汽車的變速箱工作溫度會在120C-130C以上。電機表面的區域性溫度甚至有可能超過180C， 遠高於變速箱油的正常工作溫度。高溫的出現會對變速箱油提出更高的要求，比如固體油品的氧化，熱穩定性。還有就是電機的高分子聚合物絕緣材料跟油的相容性，比如固液兩相的高溫熱穩定性，熱氧化，水解等問題。
目前變速箱油的成分是由基礎油，粘脂劑和新增劑組成，如圖4所示：
圖4 自動變速箱油成分
3）油相容性試驗測試方法
當前絕緣行業中主要有兩個標準來評估固體絕緣材料浸在液體中的老化效能：
IEEE C57.100-2011 “IEEE Standard Test Procedure for Thermal Evaluation of Liquid-Immersed Distribution and Power Transformers”
GB/T 22578.1-2017 電氣絕緣系統（EIS）液體和固體元件的熱評定 第一部分：通用要求
這兩個評估方法在油浸變壓器中被廣泛的採用，杜邦公司考慮到實際應用的情況，將這兩個標準的部分試驗方法引入到新能源電機行業作為評估絕緣材料與油相容性的指導方法。
具體測試方法是：首先將變速箱油倒入密封管中，然後將NHN和Nomex®T410，分別放入裝了變速箱油的密封罐中，最後將管子進行密封。分別在155°C 40小時, -40°C 8小時條件下老化處理，在各個迴圈後取出樣品分別進行測試，並評估效能下降情況，同時觀察材料有無出現表面分層或破損等現象。為了模擬車輛變速箱中會的潮氣工況，我們會在密封管里加入微量的水分。
4）油相容性試驗測試資料
根據上述的測試方法，杜邦實驗室測試了Nomex®T410與Nomex®464複合而成NHN，在ATF油的耐油表現：
測試樣品如表1所示：
產品0.25mmNHN0.25mmNomex®T410
厚度（mm）0.2580.260
ATF油: Dexron-VI
圖5 在油中老化的NHN
圖6 新增潮氣，在油中老化的NHN
NHN在ATF油中機械效能產生明顯的下降，三層複合結構出現了分層。
NHN產生分層的原因是因為NHN複合紙的膠水的耐油性差，與變速箱油發生溶脹反應。油分子進入膠層，造成NHN複合絕緣紙的分層。
圖7 經過8週期在油中老化的Nomex®T410
圖8 新增微量潮氣，在油中老化的Nomex®T410
Nomex®T410 在油裡表現出良好的相容性，這是因為聚芳醯胺材料本身具有非常良好的化學相容性，而且它是單層一體化的結構，所以無論是在油中機械效能，還是電氣效能，表現的都是非常穩定。
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杜邦電機解決方案
1、輪轂電機形式之一：集中式繞組
廣泛用於混合動力汽車/電動汽車牽引電動機的絕緣材料有兩種。第一種是用於“分散式繞組電動機”的絕緣紙，用於相地絕緣。另一種是用於“集中式繞組電機”的絕緣骨架，其有助於簡化自動製造過程，並形成緊湊的電機空間。圖9顯示了集中式繞組電機的骨架絕緣。
圖9 電機集中式繞組的骨架絕緣
圖10 傳統純注塑材料骨架絕緣容易受損
然而，針對電機骨架各個部件的不同要求，最佳化現有骨架設計並非易事。例如，骨架兩端的機械強度應足以應對線圈繞組。另一方面，骨架絕緣槽需要電阻和柔韌性，而不是高機械剛度。特別是，由於樹脂的熱效能和成型工藝問題，無法減小現有骨架絕緣的厚度。因此，成型部件的最小厚度約為500~600微米。圖10顯示了骨架在成型過程中失敗的情況，這通常是由於成型槽又薄又長，樹脂流動不暢造成的。
2）採用NOMEX®絕緣紙和HTN樹脂的新型絕緣骨架
圖11 杜邦超薄型混合式絕緣骨架
新型骨架絕緣材料包括NOMEX®絕緣紙和HTN高溫尼龍樹脂。HTN樹脂力學強度好，應用於絕緣骨架兩端能應對機械繞組壓力，並引導繞線過程。NOMEX®絕緣紙厚度為170~250mm，位於槽內。
這種新型骨架絕緣結構為混合動力汽車/電動汽車電機絕緣提供了最佳化解決方案。新型骨架絕緣的成型工藝與現有傳統骨架不同。首先，NOMEX®絕緣紙放在電機鐵芯的兩個槽內。然後將電機鐵芯的NOMEX®絕緣紙與HTN樹脂在成型模具中注塑。在成型過程中，NOMEX®絕緣紙和HTN樹脂注塑成為具有良好化學粘合強度的成型骨架。圖11顯示了新型骨架絕緣的概念。
3）杜邦電機解決方案的價值
① 使用NOMEX®絕緣紙，絕緣槽厚度降低
現有傳統骨架的絕緣槽材料最小厚度為600~800微米。相反，新型骨架絕緣的NOMEX®絕緣紙只有170~250微米厚，但效能不亞於混合動力汽車/電動汽車牽引電機的絕緣槽（見圖12）。
圖12 杜邦超薄絕緣骨架與現有骨架的絕緣厚度
② 全壽命週期下的高可靠性
新能源汽車電機絕緣系統的壽命對於電機原始裝置製造商來說是至關重要的。在對每種絕緣材料進行評估之後，在實車條件下進行總體系統測試。測試方法按照IEC 60034-18或UL1446執行。電機測試的子迴圈由幾個測試專案組成，如圖13所示。
圖13 電機絕緣可靠性測試方法
根據加速老化測試，杜邦超薄型的混合式絕緣骨架在區域性放電起始電壓，放電量以及絕緣阻值，都要優於傳統的純PPS（聚苯硫醚）注塑骨架。
4）採用電學友好規格HTN樹脂的電機聯結器和匯流排
玻纖增強尼龍具有優異的力學和耐溫效能，在電氣工業被廣泛用作電機接線端子和感測器等部件的絕緣材料。普通玻纖增強尼龍在製備過程中，不可避免的含有痕量的遊離態雜質離子。這些雜質離子在普通工況下，不會對應用產生明顯影響。然而，在諸如電機電控系統高溫高溼環境下，負載電壓會透過這些雜質離子在與尼龍接觸的金屬導體間形成電化學通路。這種長期的電化學作用會導致金屬導體的腐蝕。
如圖1所示，經過一段時間的使用之後，光澤的金屬表面出現氧化物以及腐蝕位點，縮短產品使用壽命，使產品過早失效甚至發生電危害和火災。電機電控系統高溫高溼環境下，負載電壓會透過這些雜質離子在與普通尼龍接觸的金屬導體間形成電化學通路。這種長期的電化學作用會導致金屬導體的腐蝕。如圖1所示，經過一段時間的使用之後，光澤的金屬表面出現氧化物以及腐蝕位點，縮短產品使用壽命，使產品過早失效甚至發生電危害和火災。
圖1 a和b分別腐蝕前後的金屬導體
雜質離子除了導致金屬腐蝕外，還會降低材料的電絕緣效能和相對漏電起痕指數。由圖2可以看出，高溫下普通尼龍66的體積電阻率會降至106 Ω∙cm甚至更低，意味著材料已經失去絕緣能力。相對於普通尼龍66，HTN高溫尼龍由於帶有芳香結構，具有更加優異的耐長期高溫熱老化效能、耐化效能和電絕緣效能。基於此樹脂，杜邦公司開發了低金屬腐蝕的電學友好規格HTN（EF規格），大大降低了材料內部雜質離子的含量，避免了金屬部件的電化學腐蝕。
圖2 不同材料體積電阻率隨溫度變化曲線
圖2資料顯示在160 oC時，電學友好規格高溫尼龍仍然具有1011Ω∙cm以上的體積電阻率，而普通高溫尼龍此時的體積電阻率降至108Ω∙cm左右。電學友好規格HTN具有600V相對漏電起痕指數，減少了爬電風險，非常有利於電機電控部件緊湊化和小型化的設計趨勢。材料的耐化效能使部件適合用於複雜的發動機倉環境，接觸冷卻油和傳動油等介質後不會造成效能明顯下降。電學友好規格高溫尼龍在各種效能上的優勢，使得其非常適合電機電控系統高功率、小型化和整合化的設計趨勢。圖3為採用此材料量產的電機高壓聯結器、線圈骨架和匯流排。
圖3 a和b分別為採用電學友好規格高溫尼龍製備的新能源電機高壓聯結器和匯流排
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結論
新能源汽車油冷電機用自動變速箱油為獨特冷卻方式，分析了自動變速箱油對對絕緣材料的相容性挑戰，並提出了油冷電機的槽絕緣的可靠性測試方案，透過測試驗證，得到了以下結論：
1）針對油冷電機的獨特工況，我們提出來相近接近這類電機的絕緣可靠性測試的方法。
2）ATF油會導致三層複合結構的NHN絕緣紙的機械效能產生嚴重下降的影響；因為相容性的因素，ATF油會造成複合紙分層，變脆等劣化問題。
3）Nomex® T410具有獨特的單層一體化結構，卓越的化學穩定性以及相容性，是極少數耐ATF油的絕緣片材。
另一方面，NOMEX®T410和PPA樹脂的混合動力汽車/電動汽車電機用新型絕緣骨架。新型絕緣骨架在熱衝擊試驗後仍保持良好的化學粘合強度。然後用新型絕緣骨架和現有絕緣骨架生產了不同的電機樣品，對電機效能和可靠性方面進行了對比測試。
測試結果顯示，採用新型絕緣骨架的電機比採用現有PPS骨架的電機的槽滿率和效率更高，並且它在惡劣條件下的可靠性更高。因此，新型絕緣骨架可以很好地應用於新能源汽車電機集中式繞組。
新型電學友好規格HTN解決了傳統尼龍高電壓下對導電線路的腐蝕問題，具有更高的高溫絕緣和耐爬電效能，非常適合新能源電機聯結器以及匯流排等應用。