【阿元分享】油冷电机绝缘系统与变速箱油兼容性能探究

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  作为新能源汽车的“动力心脏”，驱动电机发挥了传统燃油车中的发动机的作用，对新能源汽车的加速度、爬坡能力、最高车速等动力性能具有关键性影响。2021年国家发布的节能与新能源汽车技术路线年新能源乘用车电机高比功率（7.0kW/kg）和高效率（电机系统超过80%的高效率区达95%）的发展趋势。近年来，通过优化驱动电机的热管理方式，例如采用油冷电机技术，相比于传统的风冷或水冷电机技术，可以大幅度的提高驱动电机的换热效率，以此来实现更高的驱动电机功率密度，降低电驱系统重量，最终助力于整车效率及性能的进一步提升。

  在采用油冷电机技术的电驱系统模块设计中，驱动电机是和变速箱高度集成在一起，变速箱油既作为润滑介质润滑保护变速箱中各个零部件，又作为冷却介质对驱动电机进行直接冷却散热。

  油冷电机的设计给整体电驱系统的可靠性带来了全新的挑战，尤其是对电机绝缘系统的耐油可靠性提出了更高的要求，因为电机在允许电压下不导电的材料会长时间与变速箱油接触工作，所以除了传统的电应力、热应力、机械应力等会对绝缘系统可靠性带来重要影响之外，变速箱油接触作为一种环境应力也会带来关键影响，如果绝缘材料与变速箱油存在兼容性问题，会导致电机绝缘性能直线下降，进而带来电机故障，甚至引发整车问题。因此，充分评估油冷电机绝缘系统与变速箱油品兼容性问题是油冷电机电驱系统设计开发中的重要环节。

  当前电驱行业中，主要参考一项2019年发布的团体标准《CEEIA 415-2019新能源汽车驱动电机绝缘结构技术方面的要求》进行油冷电机在允许电压下不导电的材料和变速箱油的兼容性评估测试，具体测试方法是：将目标在允许电压下不导电的材料和目标变速箱油装入密封罐中，其中，会在变速箱油中预先混合0.5%水分，然后将密封罐至于高低温冲击箱中进行8个周期的循环老化，每个周期老化条件为155℃ 40h和-45℃ 8h，老化结束后取出在允许电压下不导电的材料样品进行诊断测试，以其关键性能的变化程度来判定兼容性能的优劣。

  预先混合0.5%水分的条件设定初衷是，一方面加速老化过程，因为绝缘材料本体大多存在吸水及水解倾向性，另一方面模拟实际运行条件，因为变速箱不是完全密封状态，车辆实际运行中，在用变速箱油会存在一定含量的水分污染，水分来源方向较多，或是空气中水汽吸入，或是车辆涉水过程中少量渗水，长期正常运行工况下，在用变速箱油的水含量会处于动态波动状态。

  针对油冷电机绝缘系统与变速箱油兼容性评估，嘉实多已建立一套全面的针对油冷电机绝缘材料耐油性验证的测试能力（包括耐油老化及材料级别性能表征），可实现用户在不同评价维度的测试验证需求，助力客户建立油冷电驱电机在允许电压下不导电的材料选型库。同时，嘉实多对油冷电机绝缘系统和变速箱油兼容性问题机理也进行了深入研究，我们大家都认为影响最终兼容性结果的问题大多来自于两方面，一种原因是在允许电压下不导电的材料本体耐高温、耐水解性能，尤其是耐水解稳定性，不同结构（例如聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酯酰亚胺等）的绝缘材料具备不同程度的耐水解稳定性，在团标规定的兼容性测试条件下，材料易发生高温水解，引发结构破坏，进而造成绝缘性能下降。

  另一方面是变速箱油的影响，变速箱油会带来附加的负面影响，大多数表现在三个层面，其一是高温老化条件下油品自身的氧化，会产生酸性副产物，进而加速在允许电压下不导电的材料本体的水解过程，其二是油品配方中某些添加剂也面临水解稳定性的挑战，如果添加剂发生水解，同样也会产生酸性物质，进而加速绝缘材料本体的水解过程，其三是油品配方中发挥润滑保护变速箱作用的极性添加剂具有强化学活性，容易对绝缘材料，甚至铜材料造成腐蚀性影响。

  传统的自动变速箱油（ATF）是专为自动变速箱硬件结构而设计开发，在以上三个层面的附加负面影响上未作配方的优化设计，因此难以满足高标准的兼容性测试要求。基于此，嘉实多从配方设计层面入手，自主开发了全新的油冷电机电驱变速箱油技术平台，在提供优异的变速箱润滑保护性能的同时，还可表现出色的绝缘材料兼容性能，增强电机系统运行可靠性及延长寿命。

  我们选取一款典型的电磁线作为研究对象，分别将其与两种不同的变速箱油品（传统自动变速箱油和嘉实多E启护油冷电驱变速箱油）进行兼容性测试，测试后对电磁线样品的微观形貌和绝缘性能进行表征。

  我们对电磁线漆膜表面和内铜层表面分别进行了微观形貌表征。下图左侧对比了兼容性测试前后的电磁线漆膜表面的形貌变化，我们得知，与ATF测试后的电磁线样品表面漆膜变黑，且有少量开裂现象，扫描电镜（SEM）照片进一步显示，漆膜表面形貌更加粗糙，存在大量密集的细小孔洞，这与漆膜本体水解过程相关联。相比之下，与嘉实多E启护油冷电驱变速箱油测试后的电磁线样品表面漆膜外观无明显变化，色泽与初始样品相当，SEM照片显示漆膜表面存在少量孔洞，但是数量较少，呈现稀疏分布状态，说明嘉实多E启护油冷电驱变速箱油带来的附加影响更小，漆膜水解程度更弱，漆膜结构保持更完整。下图右侧对比了兼容性测试前后的电磁线内铜层表面的形貌变化，我们得知，与ATF测试后电磁线内铜层表面形貌粗糙，存在腐蚀现象，进一步的扫描电镜X射线能谱仪（SEM-EDS）表征结果为内铜层表面有硫（S）元素信号，说明ATF中含S添加剂渗透过漆膜，对内铜层造成了腐蚀影响。

  相比之下，与嘉实多E启护油冷电驱变速箱油测试后的电磁线内铜层表面十分光滑平整，无明显腐蚀现象，进一步的SEM-EDS表征结果为只有铜（Cu）元素信号，也印证了无铜腐蚀现象，说明嘉实多E启护油冷电驱变速箱油对铜材腐蚀保护性能出色，同时也间接说明其与漆膜材料的兼容性优异，帮助外层漆膜保持完整结构，保护内铜层。

  我们对电磁线的耐击穿电压性能进行了表征。下图总结了在不同测试条件下，与不同油品测试后电磁线的耐击穿电压的保持率。保持率越高，意味着兼容性能更优。在与同一种油品测试时，随着测试条件中水含量的增加（不加水、加0.2%水、加0.5%水），电磁线的保持率会显而易见地下降，说明材料本体的水解过程是影响兼容性结构的根本原因。在同等测试条件下，与嘉实多E启护油冷电驱变速箱油测试后的电磁线保持率始终要高于与ATF测试后的电磁线保持率，说明嘉实多E启护油冷电驱变速箱油带来的附加负面影响更低，展示出更出色的兼容性能。

  我们进一步拓展研究对象至扁线，如下图左侧所示，针对不一样的扁平绕组线，与嘉实多E启护油冷电驱变速箱油测试后，其外观与初始样品表现相当，其绝缘性能相较于与ATF测试后的样品均能保持更高的水平。除了单体材料之外，我们也选取一款典型的绝缘结构作为研究对象，综合评估了油液对整体绝缘系统的兼容性影响，如下图右侧所示，与嘉实多E启护油冷电驱变速箱油测试后，其外观表现优异，且能顺利通过标准耐电压实验。以上研究根据结果得出，从单体材料维度到绝缘系统维度，嘉实多全新设计的油冷电驱变速箱油技术平台，能够给大家提供更加出色的兼容性能，增强电机系统运行可靠性，延长电驱系统运行寿命。

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