我國“十四五”規(guī)劃的出臺以及“雙碳”目標的提出在新能源汽車等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領域，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)結構、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，其可靠性將備受關注。電氣設備可靠性直接關系到產(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重要。

本文針對新能源汽車電機的特殊應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，即材料熱老化隨溫度升高而加速，并且加速程度在化學反應速率上通常遵循阿侖尼烏斯定律。基于這種關系，老化試驗結果可接受的外推可用來確定待評電氣絕緣結構（EIS）的預期耐熱性能。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，其他關于復雜工況考慮均為診斷因子，其評定結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。

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理論依據(jù)

阿倫尼烏斯方程用以評定化學反應速率與溫度之間的關系。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)為轉化率反應速率常數(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)。

絕緣結構熱壽命與熱力學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呈線性關系。對絕緣結構進行不同溫度下的熱壽命評估，可以對評估結果進行阿倫尼烏斯坐標（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。絕緣結構的耐熱等級劃分如表1所示。

表1 絕緣結構耐熱等級

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試品

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

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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動電機絕緣結構老化的最佳診斷試驗，其中在機械應力施加的部位可產(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損耗以檢查在每個熱老化分周期后絕緣狀態(tài)。

?3.2 質量保證試驗

——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果。選擇的老化溫度和各溫度的曝露持續(xù)時間應使每組試品在5～10個試驗周期內達到預期平均試驗壽命。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果外推的溫度之間不應超過25K。最低老化溫度得到的平均試驗壽命應不少于25%的絕緣結構設計壽命，但不低于2500h(驅動電機定子設計壽命較短，因此低溫點要求低于常規(guī)5000h的要求)。另外，應至少選擇兩個較高的老化溫度點，溫度間隔為20K或更大（當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至少為100h，最高老化溫度應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束后應立即進行機械處理，驅動電機及驅動電機控制器應經(jīng)受X、Y、Z三個方向的隨機振動試驗，若無特殊規(guī)定，隨機振動的嚴酷度限值應參照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合處。

3.5.2 溫度變化處理

機械處理診斷后應立即按照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，轉換時間30s（對于質量大的試驗樣品，轉換時間可適當放寬至10min以內），每周期循環(huán)次數(shù)為1次。箱內空氣的溫度穩(wěn)定時間應不超過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用，其條件比正常運行時的條件更嚴酷。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、機械應力和其他條件處理要求之后，試品應在比室溫高5K～10K，相對濕度95％~100％的環(huán)境里曝露48h，試樣表面應有可見潮氣。

3.5.4 介電診斷

潮濕處理結束后，應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。試驗過程應無擊穿、閃絡現(xiàn)象，泄漏電流小于50mA，或符合相應產(chǎn)品技術要求。

表4 驅動電機繞組對地、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。

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

表5 匝間沖擊試驗電壓限值

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數(shù)據(jù)處理

參考GB/T11026.3-2016。