油冷电机用绝缘材料耐油可靠性研究

韦 晨， 孙 宇， 蒋 熙， 刘发远， 王文龙， 武红敏， 陈俞蕙

（1. 桂林赛盟检测技术有限公司，广西 桂林 541004；2. 桂林电器科学研究院有限公司，广西 桂林 541004）

0 引 言

随着“双碳”目标的提出，电动汽车得到迅猛发展，成为我国实现“碳达峰、碳中和”的重要支撑[1]。驱动电机作为电力驱动系统的核心，为电动汽车提供驱动动力，决定了电动汽车的综合性能[2-3]。近年来，通过优化驱动电机的热管理方式，集成油冷电驱系统以其结构紧凑、低成本、高效率已经成为各大电动汽车厂商主推的产品之一[4]。油冷电机主要的液体介质是自动变速箱油（automatic transmission fluid，ATF），由基础润滑油和各种添加剂组成，用于为系统降温、防止变速箱内器件磨损、保证系统操作的顺畅性等[5]。

电机绝缘是驱动系统的薄弱环节之一，绝大多数电机的损坏是由电机绕组的绝缘失效引起的[6-8]。浸渍树脂、漆包线、槽绝缘作为电机绕组的三大主绝缘材料，其性能的优劣会直接影响汽车电机的运行和使用寿命[9-10]。在采用油冷电机技术的电驱系统设计中，驱动电机和ATF 高度集成在一起，对电机用绝缘材料的评估既需考虑传统的热、电、环境等因素，也要考虑材料与ATF 的兼容性。因此充分评估油冷电机绝缘材料与ATF 的兼容性是电驱系统设计开发的重要环节。目前业内对电机绝缘材料和ATF的研究多采用密闭的不锈钢罐体[5,11]，而电动汽车驱动电机以及电机控制器为防止冷凝现象和呼吸效应，常用的技术手段是安装防水透气阀[12]。驱动电机运行过程中由于ATF 本身水分及工作环境“吸水”，油品可能受潮。基于上述原因，有必要以贴合电机运行工况的模式，探索油冷电机绝缘材料与ATF长时间接触后的性能变化情况。

本研究在新能源电机用浸渍树脂、漆包扁线和芳纶纸中各挑选两款同类型产品，与ATF 开展高温耐油试验，并通过材料性能测试，判断材料的可靠性和耐久性，以期为电机材料选型提供一定的参考。

1 试 验

1.1 主要试验材料

主要试验材料为浸渍树脂（厂家A 和厂家B）、漆包扁线（厂家C 和厂家D）、芳纶纸（厂家E 和厂家F）、ATF。漆包扁线漆膜厚度约为0.08 mm，芳纶纸厚度为0.25 mm。

1.2 耐油试验方法

ATF 中添加质量分数为0.2%±0.02%的去离子水，将固体材料浸泡于ATF 中，每种固体材料单独放置于不锈钢密封试验罐中，密封罐罐盖上安装汽车电机用防水透气阀，每12 h 向密封罐内添加0.08%去离子水。试验选定温度为150℃，试验时间为500、1 000、1 500、2 000 h。

1.3 性能测试

采用击穿仪（HT-20/5A 型，桂林电器科学研究院有限公司）对漆包扁线、绝缘纸进行击穿电压测试，升压速度为0.5 kV/s；采用击穿仪（HT-50 型，桂林电器科学研究院有限公司）对浸渍树脂进行击穿电压测试，升压速度为2.0 kV/s；采用数字局放仪（JFD-2010 型，上海杰智电工科技有限公司）对漆包扁线进行局部放电试验，局放量达到100 pC 判定为局部放电起始峰值电压；采用高频脉冲试验电源（HF3k-5型，桂林赛盟检测技术有限公司）对漆包扁线进行耐电晕性能试验，脉冲电压峰峰值为3 kV，试验频率为20 kHz，脉冲上升时间为100 ns，试验温度为155℃；采用电子万能试验机（CMT-1503 型，珠海市三思泰捷电气设备有限公司）对绝缘纸进行拉伸强度测试，位移速率为100 mm/min；采用数字高阻计（6517B 型，吉时利公司）测量浸渍树脂的体积电阻率，直流电压为500 V，电化时间1 min 后记录试验结果；采用电子万能试验机（AG-IC 型，岛津公司）测量粘结强度，位移速率为10 mm/min。具体测试标准如表1所示。

表1 固体材料测试方法Tab.1 Solid material test methods

2 结果与讨论

2.1 ATF含水量对试验的影响

通过对相同固体绝缘材料和ATF 试样分别在不加水、加水0.2%和加水0.5%三种条件下开展384 h耐油试验，验证ATF不同含水量对固体材料的影响，结果如表2 所示。从表2 可以看出，固体绝缘材料的性能受ATF 中水分影响较大。相同试验条件下，随着ATF 中水分增加，材料劣化加快，一方面是材料本体的水解，另一方面可能是高温条件下，水和空气促进ATF 的热氧老化产生酸性物质[13]，从而加速材料水解。为了延长材料耐油试验时间，降低水分的影响，本研究选用0.2%±0.02%含水量作为耐油试验中ATF的含水量。

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

2.2 防水透气阀对ATF中含水量的影响

试验用密封罐上安装了防水透气阀来平衡内外压差，如图1所示。随着温度的升高，罐体内部的水分会汽化为水蒸气，增压后的水蒸气可能会通过透气阀排至大气中。因此我们对带透气阀的密封罐中ATF 在高温环境下的含水量保持情况进行验证，油品初始含水量为0.2%左右，依据GB/T 6324.8—2014，在150℃下每2 h 采用卡尔费休法测试油品含水量，得出水分含量随时间的变化情况如表3所示。

图1 密封罐上防水透气阀示意图Fig.1 Schematic diagram of waterproof and air permeable valve on sealed tank

表3 ATF中含水量随时间变化情况Tab.3 Changes in water content of ATF with time

从表3 可以看出，装有透气阀的密封容器无法保证水分的稳定性，油品的含水量随着时间的延长逐渐降低，所以需要定期添加水分以维持内部含水量。经验证，以容积约为2 L 的密封罐为例，使试验用ATF初始含水量为0.2%±0.02%，注入量为密封罐容积的75%，ATF 在带透气阀的密封罐中经150℃高温处理12 h 后其含水量降至约0.12%，若每12 h加入0.08%的水分，则可使油品含水量保持在0.2%±0.02%，如表4所示。因此，在耐油试验中每12 h向密封罐中添加0.08%去离子水以维持罐体内部水分含量。

表4 ATF中加水后含水量验证结果Tab.4 Verification results of water content after adding water in ATF

2.3 固体绝缘材料性能分析

2.3.1 浸渍树脂

（1）电气强度耐油试验不同时间后，浸渍树脂A 和B 的电气强度试验结果如图2 所示。从图2 可以看出，耐油试验2 000 h 后，树脂A 的电气强度由初始的23.8 kV/mm 升高到25.3 kV/mm，树脂B 的电气强度由初始的23.1 kV/mm 下降至22.1 kV/mm。两款树脂均为聚酯亚胺浸渍树脂，具有高耐热性、耐腐蚀性等优点，与ATF 表现出良好的兼容性，树脂A 的耐油性优于树脂B。

图2 浸渍树脂电气强度Fig.2 Electric strength of impregnating resin

（2）体积电阻率

两款浸渍树脂的体积电阻率测试结果如图3所示。从图3 可以看出，耐油试验2 000 h 后，树脂A的体积电阻率由初始值7.8×1013Ω·m 降至3.6×1013Ω·m，性能保持率为46%；树脂B 的体积电阻率由初始值6.3×1013Ω·m 降至1.8×1013Ω·m，性能保持率为29%。两款浸渍树脂体积电阻率在试验中出现明显波动，上升下降趋势总体相近，可能由于体积电阻率的测试易受多方面因素影响，再现性低，不同周期测试无法保证测试环境及影响因素完全一致导致。但在1 000 h 后能看出二者变化趋势的不同走向，树脂A 仍有上升，树脂B 出现明显降幅，从体积电阻率性能保持情况来看，树脂A 的耐油性优于树脂B。

图3 浸渍树脂体积电阻率Fig.3 Volume resistivity of impregnating resin

（3）粘结强度

两款浸渍树脂的粘结强度试验结果如图4 所示。从图4 可以看出，耐油试验2 000 h 后，树脂A的粘结强度由初始的206 N 下降到136 N，树脂B 的粘结强度由初始的241 N 下降到128 N。树脂B 的初始粘结强度略高于树脂A，耐油试验2 000 h 后树脂B 的粘结强度低于树脂A，由此可见，树脂A 粘结强度性能保持更好，表现出更优异的耐ATF 油性能。

图4 浸渍树脂粘结强度Fig.4 Bonding strength of impregnating resin

2.3.2 漆包扁线

（1）击穿电压

耐油试验不同时间后，漆包扁线C 和D 的击穿电压测试结果如图5所示。从图5可以看出，扁线C的初始击穿电压为12.8 kV，在试验1 000 h 后击穿电压迅速降至2.4 kV，1 500 h 后漆膜出现开裂脱落现象（见图6），已失去绝缘性能。扁线D 从初始到试验2 000 h，击穿电压由13.1 kV降至10.5 kV，试验1 000 h 时击穿电压略微升高，出现轻微波动，整体呈缓慢下降趋势，2 000 h 后击穿电压保持在初始值的80%，体现出较好的耐油性能。

图5 漆包扁线击穿电压Fig.5 Breakdown voltage of enameled rectangular wire

图6 扁线C耐油测试1 500 h后漆膜开裂Fig.6 Enameled rectangular wire C cracks after 1 500 h of oil resistance test

（2）局部放电起始峰值电压

两款漆包扁线的局部放电起始峰值电压测试结果如图7 所示。从图7 可以看出，与击穿电压测试结果类似，扁线C 在试验1 000 h 后局部放电起始峰值电压由初始的1.77 kV 下降到1.53 kV，试验1 500 h 后无法进行试验。扁线D 的局部放电起始峰值电压呈逐渐下降趋势，变化不大，基本维持在1.70～1.84 kV，性能保持率大于90%，体现出较好的耐油性。

图7 漆包扁线局部放电起始峰值电压Fig.7 Partial discharge inception peak voltage of enameled rectangular wire

（3）耐电晕性能

耐油试验不同时间后漆包扁线的耐电晕性能测试结果如表5所示。从表5可以看出，扁线C在耐油试验500 h 后耐电晕性能出现显著升高，这是由于漆包线浸没在ATF 中，其外部附着了一层油膜，提高了产生电晕的电压值；但是在耐油试验1 000 h后由于漆膜破坏耐电晕寿命迅速下降。而扁线D耐电晕性能优异，初始和耐油试验后耐电晕寿命始终大于12 000 min。

表5 漆包扁线高温耐试验油后耐电晕性能Tab.5 Corona resistance of enameled rectangular wire after oil resistance test

2.3.3 芳纶纸

（1）击穿电压

耐油试验不同时间后，芳纶纸E 和F 的击穿电压试验结果如图8 所示。从图8 可以看出，两款芳纶纸的初始击穿电压约为8 kV，耐油试验500 h 后，二者击穿电压均出现明显升高，这是由于芳纶纸浸泡于ATF 中吸油饱和后形成油纸绝缘系统，电气性能得到显著提升。试验2 000 h 后两款芳纶纸的击穿电压略微下降，芳纶纸E降幅更为明显，但都维持在12 kV以上，二者均表现出较好的耐油性能。

图8 芳纶纸击穿电压Fig.8 Breakdown voltage of aramid paper

（2）拉伸强度

两款芳纶纸的拉伸强度如图9 所示。从图9 可以看出，芳纶纸E 纵向、芳纶纸E 横向、芳纶纸F 纵向、芳纶纸F横向拉伸强度初始值分别为28.5、16.1、32.5、12.2 N/mm，耐油试验2 000 h后芳纶纸E纵向、芳纶纸E 横向、芳纶纸F 纵向、芳纶纸F 横向拉伸强度保持率分别为71.9%、76.4%、77.8%、65.4%。从拉伸强度保持率来看，两款芳纶纸的耐油性能相当。

图9 芳纶纸拉伸强度Fig.9 Tensile strength of aramid paper

（3）断裂伸长率

两款芳纶纸的断裂伸长率测试结果如图10 所示。从图10可以看出，芳纶纸的断裂伸长率在耐油试验500 h 后均出现明显降幅，500 h 后下降趋势放缓，二者性能变化趋势相当，最终芳纶纸E 纵向、芳纶纸E 横向、芳纶纸F 纵向、芳纶纸F 横向断裂伸长率保持率分别为18.1%、19.3%、31.6%、27.7%，结合拉伸强度的结果来看，耐油试验后，芳纶纸F的拉伸性能总体优于芳纶纸E。

图10 芳纶纸断裂伸长率Fig.10 Elongation at break of aramid paper

3 结 论

（1）浸渍树脂、漆包扁线和芳纶纸受ATF 中水分含量影响较大，高温条件下水和空气促进ATF 热氧老化产生的酸性物质会加速材料水解。

（2）两款浸渍树脂、漆包扁线D 和两款芳纶纸与ATF油进行高温试验2 000 h后，表现出优异的耐油性能，材料性能较为可靠；漆包扁线C在耐油试验1 500 h漆膜脱落开裂，性能劣化明显，可靠性不佳。

（3）对所选材料进行2 000 h 的高温耐油试验后，通过对材料电气性能和力学性能检测分析，对比出同类型材料耐油性优劣，浸渍树脂A 优于浸渍树脂B，漆包扁线D 优于漆包扁线C，芳纶纸F 优于芳纶纸E，可为油冷电机用绝缘材料选型提供一定的参考。