我國“十四五”規(guī)劃的出臺以及“雙碳”目標(biāo)的提出在新能源汽車等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)，可再生清潔能源的發(fā)展已是大勢所趨。為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”計劃，我國在戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技、財政等方面相繼發(fā)布了一系列政策，大力推動新能源汽車等新能源行業(yè)的發(fā)展。隨著新能源汽車行業(yè)的大力發(fā)展，其可靠性將備受關(guān)注。電氣設(shè)備可靠性直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用壽命，以及運行安全性，因此新能源汽車的可靠性評定至關(guān)重要。

本文針對新能源汽車電機的特殊應(yīng)用場景及長期使用要求，推薦一種電機定子繞組的耐熱性評定方法，為其長期運行可靠性提供一定依據(jù)。熱老化試驗規(guī)程以一般可接受的事實為基礎(chǔ)，即材料熱老化隨溫度升高而加速，并且加速程度在化學(xué)反應(yīng)速率上通常遵循阿侖尼烏斯定律。基于這種關(guān)系，老化試驗結(jié)果可接受的外推可用來確定待評電氣絕緣結(jié)構(gòu)（EIS）的預(yù)期耐熱性能。加速耐熱試驗需要驗證與運行條件相同或者等效的老化機理。

本文提供的評定方法認為熱老化為主要的老化因子，其他關(guān)于復(fù)雜工況考慮均為診斷因子，其評定結(jié)果僅為新能源汽車電機定子繞組的熱壽命參考，不代表新能源汽車定子繞組的壽命（油品兼容性、環(huán)境可靠性、電壓耐久性等需根據(jù)需求補充評估），另根據(jù)實際工況需求，診斷因子可進行增加減少或增強、減弱等。

PART

1

理論依據(jù)

阿倫尼烏斯方程用以評定化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系。熱氧化分解過程可以用阿倫尼烏斯方程描述：

k(T)=Cexp[-Ead/(RT)]     （1）

對數(shù)形式如下：

ln [k(T)]=-Ead/(RT)+CA     （2）

式中：k(T)為轉(zhuǎn)化率反應(yīng)速率常數(shù)；Ead為活化能，單位為J/mol；T為絕對溫度，單位為K；R為氣體常數(shù)，單位為J/(mol·K)；C、CA為常數(shù)。

絕緣結(jié)構(gòu)熱壽命與熱力學(xué)溫度符合阿倫尼烏斯方程，可表示為（回歸線方程）

lgτ= A + B/T        （3）

式中：τ為熱壽命；A為常數(shù)；B為系數(shù)。

式(3)表明lgτ與1/T呈線性關(guān)系。對絕緣結(jié)構(gòu)進行不同溫度下的熱壽命評估，可以對評估結(jié)果進行阿倫尼烏斯坐標(biāo)（lgτ-1/T）的線性回歸分析，得到評估系統(tǒng)的熱壽命方程，并在回歸線上求出20 000 h對應(yīng)的溫度，得到溫度指數(shù)（Ti）或根據(jù)實際運行溫度推算長期運行壽命。絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱等級劃分如表1所示。

表1 絕緣結(jié)構(gòu)耐熱等級

PART

2

試品

試品可以是實際的定子繞組或模型線圈。模型線圈應(yīng)包含定子繞組的所有基本組成，應(yīng)采用正常生產(chǎn)工藝或準(zhǔn)備使用的工藝制造。每一個老化溫度下的線圈樣品數(shù)量應(yīng)不少于10個（定子繞組2個包含10個線圈樣品）。

PART

3

耐熱性評定試驗規(guī)程

?3.1 評定流程

在許多情況下按序進行的機械應(yīng)力試驗、溫度變化、潮濕暴露和介電試驗是評定熱降解以及由此引起新能源驅(qū)動電機絕緣結(jié)構(gòu)老化的最佳診斷試驗，其中在機械應(yīng)力施加的部位可產(chǎn)生裂紋。

在其他情況下，可增加環(huán)境診斷或介電診斷試驗，例如使用局部放電或者介質(zhì)損耗以檢查在每個熱老化分周期后絕緣狀態(tài)。

?3.2 質(zhì)量保證試驗

——外觀檢查；

——繞組對地冷態(tài)絕緣電阻，500VDC，1min（GB/T 18488.1）；

——繞組對地工頻耐壓試驗，試驗電壓見表2，持續(xù)時間1min（GB/T 18488.1）；

——匝間沖擊耐電壓試驗（GB/T 18488.1）；

表2 驅(qū)動電機繞組對地工頻耐壓限值

?3.3 初始診斷試驗

所有試品在第一個老化分周期之前，均應(yīng)進行所有分周期診斷試驗，以確定每個試樣是否能通過診斷試驗。

?3.4 熱老化分周期

熱老化應(yīng)至少在3個不同的老化溫度點進行。若在3個以上的溫度進行試驗，則可得到更精確的結(jié)果。選擇的老化溫度和各溫度的曝露持續(xù)時間應(yīng)使每組試品在5～10個試驗周期內(nèi)達到預(yù)期平均試驗壽命。表3給出了推薦的老化溫度和老化周期時間。

表3 推薦的老化溫度和老化分周期時間

為了使外推引起的誤差最小，最低試驗溫度與試驗結(jié)果外推的溫度之間不應(yīng)超過25K。最低老化溫度得到的平均試驗壽命應(yīng)不少于25%的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命，但不低于2500h(驅(qū)動電機定子設(shè)計壽命較短，因此低溫點要求低于常規(guī)5000h的要求)。另外，應(yīng)至少選擇兩個較高的老化溫度點，溫度間隔為20K或更大（當(dāng)用多于三個老化溫度點進行試驗時，可采取小于15K的溫差間隔），最高老化溫度得到的平均試驗壽命應(yīng)至少為100h，最高老化溫度應(yīng)至少比初始分解溫度低20K。

?3.5 診斷分周期

3.5.1 機械處理

每周期熱老化分周期結(jié)束后應(yīng)立即進行機械處理，驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器應(yīng)經(jīng)受X、Y、Z三個方向的隨機振動試驗，若無特殊規(guī)定，隨機振動的嚴(yán)酷度限值應(yīng)參照GB/T 28046.3-2011中4.1.2.4的規(guī)定，每個軸向持續(xù)1h。機械處理在不通電狀態(tài)下經(jīng)受試驗，試驗的檢測點一般定為試驗夾具與試驗臺的結(jié)合處。

3.5.2 溫度變化處理

機械處理診斷后應(yīng)立即按照GB/T 28046.4-2011中5.3.2的要求進行溫度變化處理，低溫點-45℃，高溫點155℃，每個溫度點保持1.5h，轉(zhuǎn)換時間30s（對于質(zhì)量大的試驗樣品，轉(zhuǎn)換時間可適當(dāng)放寬至10min以內(nèi)），每周期循環(huán)次數(shù)為1次。箱內(nèi)空氣的溫度穩(wěn)定時間應(yīng)不超過30min，溫度變化處理循環(huán)圖如圖1所示。

注：溫度點保持時間使試樣溫度均勻，本項目主要考核沖擊過程。

圖1 溫度變化處理循環(huán)圖

3.5.3 潮濕處理

在很多情況下，潮濕被認為是引起電氣絕緣性能變化的一個主要原因。在電應(yīng)力作用下潮濕可引起不同類型的絕緣失效。固體絕緣吸收潮氣可逐漸增加介質(zhì)損耗和降低絕緣電阻，并可改變電氣強度。對絕緣進行潮濕處理可增強電壓試驗時檢測絕緣裂縫和空隙的能力。通常在診斷分周期中進行潮濕試驗，試驗中每個試樣暴露于潮濕中且繞組應(yīng)有凝露。試驗期間試樣不施加電壓。

對絕緣表面進行可見潮氣的兩天試驗已得到廣泛的應(yīng)用，其條件比正常運行時的條件更嚴(yán)酷。經(jīng)驗證明，潮氣滲透繞組及絕緣電阻達到穩(wěn)定水平至少要有48h的暴露時間。若無特殊規(guī)定，在熱老化、機械應(yīng)力和其他條件處理要求之后，試品應(yīng)在比室溫高5K～10K，相對濕度95％~100％的環(huán)境里曝露48h，試樣表面應(yīng)有可見潮氣。

3.5.4 介電診斷

潮濕處理結(jié)束后，應(yīng)立即擦掉試樣表面的小水滴，在室溫下試樣仍潮濕時對試樣進行介電診斷（盡可能在30min內(nèi)完成）。在任何電壓檢查試驗中，異常水平的電流表明失效，局部發(fā)熱或冒煙也可表明失效。應(yīng)記錄微小的火花和表面火星，但不是失效。

  3.5.4.1 工頻耐壓試驗

試樣應(yīng)能承受表4規(guī)定的耐壓限值的工頻正弦耐電壓試驗，試驗部位包括相間及對地，耐壓持續(xù)時間10min。試驗過程應(yīng)無擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象，泄漏電流小于50mA，或符合相應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)要求。

表4 驅(qū)動電機繞組對地、相間工頻耐壓限值

3.5.4.2 匝間絕緣試驗

——定子繞組試樣應(yīng)能承受表5規(guī)定的匝間沖擊試驗，匝間沖擊試驗測得的參考試樣與被試試樣放電波形，應(yīng)為兩條無顯著差異的正常衰減振蕩波形，則判定試驗通過，否則試樣失效。

——模型線圈試樣應(yīng)進行110V，10min匝間工頻耐壓試驗，試驗過程應(yīng)無擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象，泄漏電流小于50mA，或符合相應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)要求。

表5 匝間沖擊試驗電壓限值

PART

4

數(shù)據(jù)處理

參考GB/T11026.3-2016。