前言

800V電驅(qū)動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)性的話題，對(duì)于電機(jī)而言，挑戰(zhàn)的方向主要圍繞高速、高壓、散熱，對(duì)于量產(chǎn)而言，小型化和低成本也是考量的一個(gè)方面。對(duì)于高壓部分而言，最直接的影響便是軸承電腐蝕和定子繞組耐壓能力。

問(wèn)題的來(lái)源

電驅(qū)系統(tǒng)采用PWM控制電路，實(shí)際工作中由于高壓電回路中存在雜散電感，而在二極管關(guān)閉的過(guò)程中，雜散電感因變化的電流會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即電壓振蕩。

下圖為下圖為典型的雙電極電壓（極性從正極到負(fù)極交替變化的電壓）沖擊圖

圖源：公眾號(hào)：調(diào)皮的JINX

參數(shù)解釋：

• Va：穩(wěn)態(tài)沖擊電壓，對(duì)應(yīng)直流電路電壓Vdc

• Vp：峰值電壓

• Vos：過(guò)沖電壓，即電壓振蕩，計(jì)算公式為Vos=L*di/dt

相比400V的硅基IGBT產(chǎn)品，800V產(chǎn)品不僅電壓平臺(tái)提升，處于效率考量通常會(huì)采用碳化硅基MOSFET。di/dt值更高，電壓振蕩幅度也更大。電壓振蕩幅度變大會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，軸承電腐蝕和繞組局部放電。

軸承電腐蝕

• 軸電流的形成

由于電機(jī)繞組中性點(diǎn)電壓在任意時(shí)刻都不為零，在PWM變頻供電時(shí)，定子繞組與殼體、定子繞組與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與定子鐵心以及軸承形成共模通路的等效電路，即共模電壓。共模電壓的值與電機(jī)母線電壓成正比，頻率受逆變器載波頻率影響。

來(lái)源：《基于PWM逆變器供電軸電流問(wèn)題的交流電機(jī)》

對(duì)于軸承而言，作為等效電路的一部分，等比例形成對(duì)地電壓。在軸承油膜完好的情況下，軸承對(duì)地電壓和電機(jī)共模電壓之比定義為BVR。隨著電壓平臺(tái)的提升，BVR也會(huì)不斷增大，即800V平臺(tái)BVR值高于400V平臺(tái)。

來(lái)源：《基于PWM逆變器供電軸電流問(wèn)題的交流電機(jī)》

另外，共模電壓產(chǎn)生軸對(duì)地電壓的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生高頻感應(yīng)軸電壓，進(jìn)而產(chǎn)生共模電流，生成共模磁通，通過(guò)共模磁通產(chǎn)生感應(yīng)軸電壓。共模電流的流經(jīng)路線為通過(guò)定子繞組進(jìn)入電機(jī)，流經(jīng)硅鋼片，通過(guò)電機(jī)外殼接地流出。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低或者長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)軸承溫度較高時(shí)，軸承潤(rùn)滑和絕緣性能不足或下降，加之800V電壓平臺(tái)的提升，便會(huì)擊穿軸承油膜，破壞其絕緣性，進(jìn)而在在軸承中會(huì)形成軸承電流。軸電流局部放電會(huì)產(chǎn)生高溫，破壞軸承表面平整度，俗稱軸承電腐蝕。軸承電腐蝕后會(huì)影響軸承正常運(yùn)行，產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)，最終使得軸承完全失效。

• 如何避免軸承電腐蝕

軸承電腐蝕形成的本質(zhì)是因?yàn)檩S承電壓的存在形成軸電流通過(guò)軸承，由于共模電壓的存在，因此軸電壓是無(wú)法避免的。因此規(guī)避軸承電腐蝕的的方式便主要有兩個(gè)方向，一是增加旁路電回路，軸電流通過(guò)旁路電回路，繞過(guò)軸承；二是采用電絕緣軸承。

華為曾在2021年4月申請(qǐng)用來(lái)解決電腐蝕難題的專利，基本原理為通過(guò)增加旁路電回路，避免電流流過(guò)軸承。

具體方案為通過(guò)在導(dǎo)電軸承的內(nèi)圈中穿設(shè)導(dǎo)電柱，并將導(dǎo)電柱的外側(cè)壁與導(dǎo)電軸承的內(nèi)圈過(guò)盈配合，導(dǎo)電柱另一端接地。實(shí)際運(yùn)行中軸電流直接通過(guò)導(dǎo)電柱接地，電流不通過(guò)軸承，從而避免軸承電腐蝕。該方案最大的難點(diǎn)在于導(dǎo)電柱與軸承配合連接。華為采用的思路與特斯拉相似，只是為了專利規(guī)避，采用不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

以舍弗勒為代表的軸承企業(yè)則推出電絕緣軸承來(lái)避免軸承電腐蝕。與傳統(tǒng)軸承相比，電絕緣軸承無(wú)論是在外圈還是內(nèi)圈均涂有絕緣涂層。涂層處理工藝為等離子噴涂工藝。下圖為不同類型的電絕緣軸承介紹。

圖源：舍弗勒

繞組局部放電

高電壓對(duì)電機(jī)繞組的絕緣性提出了更高的耐壓挑戰(zhàn)，處置不當(dāng)便會(huì)在絕緣局部區(qū)域達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)，尤其是帶電體的尖端附近，形成局部放電，強(qiáng)烈的局部放電會(huì)破壞繞組銅線的絕緣性能，造成短路，引發(fā)電機(jī)失效。為了準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)價(jià)繞組銅線的絕緣性能，常用PDIV（局部放電起始電壓）來(lái)作為評(píng)價(jià)參數(shù)。對(duì)于800V電機(jī)而言，銅線的PDIV要求甚至需要達(dá)到7KV。除PDIV外，外層絕緣漆還需滿足耐電暈的要求，電暈是由于導(dǎo)線表面的電壓強(qiáng)度很高，引起空氣電離而發(fā)生的放電現(xiàn)象。本質(zhì)也是抑制局部放電對(duì)漆膜的破壞。（下文我們將以PDIV為主要要求展開(kāi)研究）。

尤其是對(duì)于扁銅線繞組而言，下圖位置更容易出現(xiàn)局部放電，耐壓、耐電暈的要求更高

降低局部放電的手段大概有三個(gè)方向。一是降低電壓，二是減少銅線曲率半徑小的部分，三是提升銅線表面絕緣性能，即提升PDIV值和耐電暈性能。對(duì)于電機(jī)而言，方向一根本不可取，方向二只能部分優(yōu)化，無(wú)法針對(duì)性做重大改進(jìn)，因此方向三提升銅線的表面絕緣性能是重點(diǎn)研究方向。

繞組的PDIV值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行估算，公式如下

圖源：公眾號(hào)：調(diào)皮的JINX

其中：

• V：PDIV值(Vrms)

• T：絕緣材料厚度

• εr：材料相對(duì)介電常數(shù)

從公式可以看出，PDIV與絕緣材料厚度成正比，與材料相對(duì)介電常數(shù)成反比。因此提升繞組的PDIV值也從這兩個(gè)方向來(lái)展開(kāi)-增加絕緣漆厚度或者采用低介電常數(shù)的材料。為保證銅線利用效率的最大化，目前的技術(shù)方向?yàn)樵诒M量不增加漆膜厚度的情況下采用新型低介電常數(shù)的材料，此外在表面增加耐電暈涂層來(lái)避免降低局部放電帶來(lái)的危害。

 目前常用的絕緣漆材料有聚酰胺酰亞胺漆（PAI）、聚酰亞胺漆（PI）、聚酯亞胺漆（PEI）、聚醚醚酮（PEEK）。

由于PI材料介電常數(shù)較低，精達(dá)、金杯電工等企業(yè)采用的PI絕緣外加耐電暈漆膜的方案，也稱厚漆膜的方式實(shí)現(xiàn)。如精達(dá)股份采用的是PI+耐電暈P(A)I的方式提升PDIV和耐電暈性能。根據(jù)精達(dá)股份介紹，采用該種結(jié)構(gòu)的漆包扁線，雙邊漆膜厚度在320 μm左右，常溫PDIV可達(dá)2200Vp以上，同時(shí)耐電暈性能能達(dá)到100 小時(shí)以上。金杯電工同樣采用該方案，并且針對(duì)厚漆膜均勻性和附著性差的問(wèn)題，采用耐電暈PI薄膜燒結(jié)工藝。

厚漆膜的路線雖較為容易實(shí)現(xiàn)，但加工過(guò)程需要多道涂覆、烘烤，產(chǎn)品偏心度較大，尺寸一致性較差，后續(xù)加工漆膜開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而影響PDIV性能。PEEK材料具有耐高溫、耐腐蝕、較好的機(jī)械性能等特性，因此是漆膜薄化的主要應(yīng)用材料。國(guó)內(nèi)佳騰電業(yè)、日本古河電工采用的是PEEK線技術(shù)路線。與厚漆膜路線相比，PEEK材料采用擠出工藝（中間層仍選用PI或者PAI），均勻性和一致性更優(yōu)。

圖源：公眾號(hào)：調(diào)皮的JINX

電機(jī)企業(yè)中本田IMMD和采埃孚采用了PEEK技術(shù)路線。

但PEEK線的成本和后續(xù)加工難度目前均高于厚漆膜路線。當(dāng)前PEEK線的關(guān)鍵專利歸日本古河電氣所有。

關(guān)于未來(lái)，現(xiàn)在很難直接下定論厚漆膜和PEEK線的確定性。單從成本方面考量，厚漆膜路線更容易在平民車型上大量應(yīng)用，PEEK線則主要應(yīng)用在高溢價(jià)車型上。

總結(jié)

首先非常感謝“調(diào)皮的jinx”，幫我解答了很多疑問(wèn)。由于經(jīng)驗(yàn)有限，文中有不足之處還請(qǐng)諒解。高壓電機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，因?yàn)槌邏和?，高速、油冷也帶?lái)了新的挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)對(duì)高壓部分進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的研究，最終工程的量產(chǎn)落地還是需要行業(yè)內(nèi)企業(yè)共同的努力。