民士达刘国栋:800V高压驱动电机用绝缘材料的解决方案

NE时代

阅读 871   更新于 2021-06-28 08:43:46

各位朋友、各位同仁:大家下午好!这两天的论坛我听下来,大家提到绝缘材料这方面得比较少。绝缘材料在电机整个设计当中使用量比较少,约占电机的成本3~5%,但是绝缘材料对于电机的运行安全又是非常重要的。我今天代表民士达给大家分享一下我们民士达在800伏高压驱动电机用绝缘材料的解决方案。主要四部分,第一部分新能源汽车行业发展现状。第二部分新能源汽车油冷驱动电机对绝缘材料的挑战。第三部分metastar®芳纶纸的解决方案。第四部分民士达公司的介绍。

新能源汽车行业发展环境

由于政策环境、能源环境提高到了国家战略的高度,最后一个是技术能源,新能源汽车从一开始推出到现在要求越来越严格,技术要求提高也越来越多。发展环境如图所示,各主机厂提出了禁售燃油车的时间。

个人理解,800伏的推出为了满足快速充电的发展需求,为了充电时间的缩短提出的800伏高压充电,但是同时整个汽车安全性能也要相应地进行提高,因此对于汽车电机电压发展趋势肯定要往高压化方向走的。

简单说一下油冷电机的优势。第一是冷却效率高,绝缘油可以直接进行绕组冷却。第二是绝缘性能好,因为油冷和水冷的区别是,水冷中的水路会产生影响磁场特性,油冷不会有这些问题。第四不宜相变,水的沸点比较低,零度以下容易凝固,但是油的话凝固点和沸点范围比较高。第四减小体积,减轻电机重量。

新能源汽车油冷驱动电机对绝缘材料的挑战

如图是2019年发布的标准《新能源汽车驱动电机绝缘结构技术要求》,里面提出的评估方案是ATF油:去离子水等于99.5:0.5,测试的温度循环是155度40小时,和零下45度8小时,一个周期48小时,循环周期8个周期,也就是16天的测试周期。先说一下ATF油对于绝缘结构的影响,不同厂家生产的ATF油里面有各种各样添加剂的存在,对于整个绝缘系统是一个挑战。像我们常用的绝缘材料像PET聚酯不耐油、复合材料中的胶水等不耐油。0.5%的水分很重要,0.5%的水分会在高温下引起高分子材料的水解,尤其是聚酰亚胺,图示有聚酰亚胺水解机理。

800伏的电压带来最大的挑战就是局部放电。整个电机绝缘系统的模型简化后,基本上从电磁线到定子铁芯,中间的绝缘包含了漆膜、绝缘纸、空气,主要这几部分。整个绝缘系统里面产生局部放电的原因,最主要的是气隙的存在和杂质的存在,这些都会成为产生局部放电很重要的原因。

局部放电的测试我们在做绝缘系统评估的时候,我们主要有两种:一种是正弦波下,一种是方波下进行局部放电测试,后面的数据会有对应的正弦和方波下的测试。

潜在风险有一个结论,第一耐油耐水解,选择的所有绝缘材料,包括绝缘纸、漆包线、绑扎绳、套管、绝缘漆等等,肯定要耐油、耐水解。第二局部放电,对于局部放电来说,局部放电就是介质不均匀系统或杂质都会造成绝缘放电产生。对于薄膜类的材料来说,无法避免百分之百消除气泡的存在。同时在后期浸渍绝缘漆的时候,薄膜很难被绝缘漆浸到内部,气泡无法消除,但是对于芳纶纸来说是可以的。第三热点温升,新能源电机都是通过IGBT供电,里面一定有谐波存在,就会造成绕组有一部分热点,热点会导致绝缘老化的存在。第四胶黏剂,我们选择绝缘材料如果选择了复合材料,胶黏剂肯定要选择耐油、耐水、耐高温的材料。

800伏绝缘系统承受的应力,这里大概列举了三个:热应力、电应力、环境应力。热应力,基本上在设计驱动电机的时候,温度选择180度以上的,绝缘材料筛选和结构设计上要做高温的绝缘系统;电应力,不再赘述,电压是往越来越高的方向发展;环境应力,汽车行驶的各个地方,不同气侯、环境等各种环境改变造成的影响。除此之外,还有振动、潮湿、介质相容性等等,绝缘系统是受综合应力的老化。

metastar®芳纶纸的解决方案

m e tastar®是民士达芳纶纸的注册商标,Nomex®是杜邦芳纶纸的注册商标,其中metastar®是由100%芳纶纤维组成。 芳纶纸的构成如图所示,上面两个是间位芳纶纤维,下面两个是对位芳纶纤维。 纤维有两种不同形态,短切纤维和沉析纤维,其中短切纤维可以提供芳纶纸的机械强度,沉析纤维可以提高芳纶纸的电气绝缘强度。 在电气绝缘领域主要用到的产品是间位芳纶纸,而对位芳纶纸主要用于航空航天和军工领域。 民士达与国外芳纶纸对比,几乎所有型号我们都可以覆盖。

质量稳定性,可以把它理解成一个指标参数的正负偏差。我们做了一个分析,质量稳定控制大概是国外品牌的2倍,也就是说民士达芳纶纸的质量稳定性是国外产品的2倍。同时我们也做过民士达芳纶纸和国外芳纶纸的分析试验对比。第一是红外光谱分析测试FT-IR,通过对比可以看出metastar®芳纶纸和国外芳纶纸具有相同的结构的。左下角是热重分析,随着温度的升高,质量会有一个下降,这里的温度下降主要有两段,第一段在100℃左右的时间,主要是芳纶纸含水率的水分蒸发,在415/416度左右芳纶纸会发生分解。如图所示,两种芳纶纸分解温度基本一致。民士达芳纶纸和国外芳纶纸测试出现不同的是元素分析EDS,从芳纶纸分子结构来看,芳纶纸只会含有碳、氢、氧、氮四种元素,但是国外芳纶纸含有金属元素,该元素在元素周期表里面和铅元素相临。

温度指数,metstar®芳纶纸UL测试认证的温度指数为210,根据阿仑尼乌斯方程计算实际温度指数为216,同时民士达芳纶纸也有220的绝缘系统。

其次是PDIV,我们对比了YT510W系列两款产品,一款厚度是0.22,另外一款厚度0.25,目前主要用在油冷电机当中做为槽绝缘。我们测试了浸渍绝缘漆前后的击穿电压和局部放电,击穿电压增加的比例大概有25~30%,PDIV也会有10%的增加。

如图是研究芳纶纸在方波和正弦波局部放电的数据,我们在四川大学实验室里做的测试。测试样品使用YT510-0.22W、0.25W和0.30W。目前在驱动电机应用中,主要是以0.22W和0.25W做为槽绝缘,0.30W是槽杆做为槽盖。局部放电Vp结果显示均在3kV以上。

耐油测试,使用产品为民士达芳纶纸和国外芳纶纸,做下来结果基本一致,都是没有起泡,没有开裂,其中国外芳纶纸颜色有些老化和颜色加深的现象。我们还对比了metastar® YT510和复合材料NHN,测试周期为2/4/8三个周期。结果显示芳纶纸基本上都是维持在非常稳定的水平。对于复合纸来说,在第二和第四周期接近于零,这是复合纸很大的缺点。

如图我这里列了几个分类,第一是对于ATF油冷驱动电机,推荐客户使用的是YT510W芳纶纯纸,对于水、风冷电机,180级可以选择复合纸YHY,200~220级也是使用YT510W芳纶纯纸,高电压绝缘减薄推荐使用的是metastar®YT518/568耐电晕绝缘减薄解决方案。另外对于高导热产品,民士达也在积极开发中,导热率可以做到0.3-0.5左右。对于集中式绕组我们推荐也是YT510W芳纶纯纸。

如图是民士达YT510-0.22W和国外芳纶纸0.22厚度做的数据对比图。橙色是民士达的芳纶纸,蓝色是一个国外品牌。在大多数性能上保持一致的,比如部分性能比国外的要好一点,也有部分性能国外的比我们好一点。在绝缘材料使用过程中会有一些应力要求比较高,针对这些应力我们会有所加强和调整。

对于民士达的芳纶纸,我们是全产业链,芳纶纸由民士达生产,芳纶纤维以及合成纤维的单体都是由我们总公司泰和新材提供。

公司介绍

烟台泰和新材料股份有限公司是我们的母公司,是一家成立30多年的国有企业。民士达是2009年成立,是国内最早把芳纶纸国产化的企业。泰和集团四大产品,第一是民士达的芳纶纸,第二是间位芳纶纤维,在防火服都有应用。第三是对位芳纶纤维,主要用于军工防弹领域、航空航天等,光缆增强领域也有应用。第四是氨纶,只要衣服有弹性,里面就会有氨纶纤维。

如图是我们产业链的保障,上面是间位芳纶纤维,下面是对位芳纶纤维。民士达造纸检测流程上可以实现全自动化,包括在线定量、厚度、缺陷以及金属异物检测等等。以上就是我今天的分享介绍,谢谢大家!

演讲嘉宾简介:刘国栋,烟台民士达特种纸业股份有限公司市场开发经理,主要负责新能源汽车领域的应用开发,曾任职于上海电器科学研究所(集团)有限公司、杜邦(中国)研发管理有限公司。有11年以上的绝缘行业工作经验,长期从事电气绝缘材料(EIM)和绝缘系统(EIS)的技术研究工作,负责项目涉及新能源汽车电机、风力(水力)发电机、核电、变压器以及电子(动力)电池等多个领域。对绝缘行业IEEE/IEC/ASTM/GB等系列标准有深入的研究并参与多个标准制修订。对于芳纶纸相关性能测试、寿命评估以及芳纶纸产品的开发应用具有丰富的经验。

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