電動汽車電機用絕緣材料與變速箱油相容性研究

鞏智利，李強軍，張曉晶，徐 陽

（1.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2.中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著石油資源的日益緊缺和生態環境壓力的不斷加大，與傳統能源汽車相比，更加綠色清潔、零排放的電動汽車正越來越引起人們的重視[1-2]。電控、電機、電池是電動汽車的三大核心部件，電機主要用于提供驅動動力等，對電動汽車的穩定運行及壽命起到關鍵作用[3-4]。

絕緣是電機的心臟，絕大多數電機的損壞是絕緣失效引起的[5]。性能優異的絕緣材料是提升電動汽車驅動電機可靠性和功率密度的重要基礎，是持續發展高頻、高壓、高溫內油冷驅動電機的技術支撐[6]。漆包線和浸漬樹脂是散繞電機的主絕緣材料，直接影響電機的性能和使用壽命[3,7]。橡膠材料與油脂的相容性差，會使橡膠收縮、磨損或變形，最終導致油泄漏事故，直接關系到汽車使用的安全性[8]。自動變速箱油（automatic transmission fluid，ATF）作為一種用于自動變速器的液體工作介質，由基礎油和各種添加劑按一定比例組成，用于保持排擋系統操作的順暢性，防止變速器、零部件磨損及腐蝕，為系統降溫等[9]。在油冷型電動車電機中，ATF與電機絕緣材料直接接觸，這就要求所選用的絕緣材料與ATF之間具有良好的相容性，即各自的功能不會由于化學或物理或兩者兼有的因素發生不利的相互影響[10]。

本文對油冷型電動汽車電機用耐電暈漆包圓線、耐電暈漆包扁線、浸漬樹脂及密封材料橡膠與ATF的相容性進行研究。通過試驗前后固體材料和ATF性能的變化，進行相容性分析，并確定相容性試驗條件及固液試驗比例。

1 試驗

1.1 主要試驗材料

耐電暈漆包圓線，型號為QP-2/220，漆膜厚度為0.087 mm，符合GB/T 6109.1—2008中二級漆膜厚度要求，銅陵精達里亞特種漆包線有限公司；耐電暈漆包扁線，型號為RWB-2/220，寬邊漆膜厚度為0.167 mm，窄邊漆膜厚度為0.156 mm，符合GB/T 7095.1—2008中二級漆膜厚度要求，銅陵精達里亞特種漆包線有限公司；浸漬樹脂，型號為ET90，蘇州太湖電工新材料股份有限公司；丙烯酸酯橡膠，型號為RS-A60，杜邦公司；自動變速箱油（ATF），型號為德士龍6，嘉實多公司。

1.2 相容性試驗方法

ATF中添加體積分數為0.5%的去離子水，固體材料浸泡于ATF中，漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂、橡膠材料表面積與ATF的比例分別為：300 cm2/800 mL、300 cm2/800 mL、1 300 cm2/800 mL、65 cm2/800 mL。每種固體材料單獨放置于不銹鋼密封試驗罐中，單獨準備ATF作為空白樣品。試驗選定溫度為155℃，試驗時間為336 h和672 h。

1.3 性能測試

漆包圓線、漆包扁線的擊穿電壓按照IEC 60851-5:2019測試；浸漬樹脂擊穿電壓和絕緣電阻率按照IEC 60455-2:2015測試；橡膠質量變化和體積變化按照ISO 1817:2015測試；橡膠硬度按照ISO 868:2003測試；橡膠拉伸強度和斷裂伸長率按照ISO 37:2017測試。

固體材料按照測試項目要求，測試前制備成特定形狀。漆包圓線制備成絞線對，漆包扁線制備成“U”形線圈，浸漬樹脂制備成直徑為10 cm、厚度為1 mm的漆餅，橡膠拉伸強度測試項目需制備成啞鈴型。

ATF酸值按照IEC 62021-1:2003測試；擊穿電壓按照IEC 60156:2018測試；電阻率和介質損耗因數按照IEC 60247:2004測試；運動黏度按照ISO 3104:2020測試，水分按照IEC 60814:1997測試。

2 結果與討論

2.1 漆包圓線性能分析

2.1.1 外觀

漆包圓線在高溫下試驗不同時間的外觀對比如圖1所示。從圖1可以看出，漆包圓線在高溫試驗后顏色變暗，漆膜沒有脫落，但漆膜附著力變差，在觸碰時容易起皮、脫落。

圖1 漆包圓線試驗前后對比Fig.1 Comparison of enamelled round wire before and after test

2.1.2 擊穿電壓

漆包圓線在試驗前、試驗336 h和試驗672 h后的擊穿電壓如圖2所示。

圖2 漆包圓線擊穿電壓Fig.2 Breakdown voltage of enamelled round wire

從圖2可以看出，漆包圓線的擊穿電壓從初始到試驗336 h后有明顯下降，但仍大于初始值的50%，依據T/CEEIA 415—2019《新能源汽車驅動電機絕緣結構技術要求》說明漆包圓線與ATF相容。從試驗336 h到試驗672 h，漆包圓線擊穿電壓維持穩定，符合相容性要求。整個試驗過程中，漆包圓線的擊穿電壓值符合IEC 60317-0-1:2013的限值要求。

2.2 漆包扁線性能分析

2.2.1 外觀

漆包扁線在高溫試驗不同時間段的外觀對比如圖3所示。從圖3可以看出，漆包扁線在高溫試驗后顏色變暗，試驗336 h后漆膜沒有脫落，但在試驗672 h后漆包扁線“U”形處漆膜有起翹、脫落現象。

圖3 漆包扁線試驗前后對比Fig.3 Comparison of enamelled rectangular wire before and after test

2.2.2 擊穿電壓

漆包扁線在試驗前、試驗336 h和試驗672 h后的擊穿電壓如圖4所示。從圖4可以看出，擊穿電壓從初始到試驗336 h后出現下降，但降幅小于漆包圓線，符合相容性要求。試驗過程中，漆包扁線擊穿電壓值符合IEC 60317-0-2:2020的限值要求。本試驗中選取的漆包圓線和漆包扁線涂層成分一致，均為單涂層聚酰胺酰亞胺，但漆包扁線的擊穿電壓降幅小于漆包圓線，二者的差別主要是圓線和扁線的工藝不同導致的。

圖4 漆包扁線擊穿電壓Fig.4 Breakdown voltage of enamelled rectangular wire

2.3 浸漬樹脂性能分析

2.3.1 外觀

浸漬樹脂在高溫下試驗不同時間的外觀對比如圖5所示。從圖5可以看出，浸漬樹脂在高溫試驗后顏色逐漸變暗，但外觀完整，沒有出現開裂、破碎的現象，從外觀看與ATF有良好的相容性。

圖5 浸漬樹脂試驗前后對比Fig.5 Comparison of impregnating resins before and after test

2.3.2 擊穿電壓

浸漬樹脂在試驗前、試驗336 h和試驗672 h后的擊穿電壓如圖6所示。從圖6可以看出，擊穿電壓從初始到試驗672 h后逐漸下降，但變化不大，變化區間為25.5～30.1 kV。該浸漬樹脂是由改性耐熱不飽和聚酯樹脂添加引發劑、阻聚劑和活性稀釋劑等制備而成，與ATF表現出良好的相容性。試驗過程中，浸漬樹脂擊穿電壓值符合T/CEEIA 415—2019的限值要求。

圖6 浸漬樹脂擊穿電壓Fig.6 Breakdown voltage of impregnating resins

2.3.3 體積電阻率

浸漬樹脂在試驗前、試驗336 h和試驗672 h后的體積電阻率如圖7所示。從圖7可以看出，體積電阻率從初始的223 TΩ·m急劇降低至試驗336 h后的34.6 TΩ·m；試驗672 h后降低至11.4 TΩ·m，降幅明顯。

圖7 浸漬樹脂體積電阻率Fig.7 Volume resistivity of impregnating risins

2.4 橡膠性能分析

2.4.1 質量和體積變化

丙烯酸酯橡膠在試驗336 h后和試驗672 h后的質量和體積變化如圖8所示。從圖8可以看出，從試驗336 h到672 h，丙烯酸酯橡膠的質量逐漸減小，體積逐漸縮小，體積縮小達到10%以上，已喪失密封功能。試驗中ATF添加體積分數為0.5%的去離子水，丙烯酸酯橡膠在高溫、高水分含量環境下發生一定程度的水解，導致橡膠質量減輕、體積縮小。

圖8 橡膠質量和體積變化Fig.8 Mass and volume change rate of acrylic rubber

2.4.2 硬度

丙烯酸酯橡膠在試驗前、試驗336 h后和試驗672 h后的硬度如圖9所示，圖中含有邵氏A型和D型兩組數據。從圖9可以看出，從初始到試驗672 h后，丙烯酸酯橡膠硬度逐漸增加，且增幅較大，無論用邵氏A型硬度計還是D型硬度計測試，硬度變化都大于30，可能是丙烯酸酯分解后，小分子發生了進一步的交聯反應，導致橡膠變硬。試驗中先用邵氏A型硬度計進行測量，在試驗336 h后，硬度值已大于90。鑒于邵氏A型硬度計的推薦測量范圍是20～90，又用邵氏D型硬度計進行了測試，測得硬度值在16.1～76.7。

圖9 橡膠硬度Fig.9 Hardness of acrylic rubber

2.4.3 拉伸強度和斷裂伸長率

橡膠在試驗前、試驗336 h后和試驗672 h后的拉伸強度和斷裂伸長率如表1所示。從表1可以看出，橡膠的拉伸強度從初始的9.5 MPa增大到試驗672 h后的29.2 MPa，增幅超過初始值的兩倍。斷裂伸長率初始時為232%，試驗336 h后急劇降低到3.8%；試驗672 h后橡膠變得又硬又脆，在拉伸過程中極易斷裂，無法測試斷裂伸長率。

表1 橡膠拉伸強度和斷裂伸長率Tab.1 Tensile strength and elongation at break of acrylic rubber

2.5 ATF性能分析

2.5.1 酸值、水分及電阻率

圖10分別為空白ATF和浸漬漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂及橡膠的ATF酸值、水分及不同溫度的電阻率變化情況。從圖10可以看出，空白ATF和與不同材料反應后的ATF酸值基本隨著試驗時間的延長而增大（漆包扁線試驗672 h的除外），且添加材料后的ATF酸值基本比相應試驗時間的空白ATF酸值大（橡膠試驗336 h的除外）。表明添加固體材料促進了ATF中酸類物質的生成。水分檢測結果發現除浸漬樹脂外，其他材料的水分基本在3 000 mg/kg以上，說明在整個試驗過程中，試驗罐體內的水分含量都維持在較高水平，水分的散失在可接受范圍內；浸漬樹脂吸收了添加的水分，導致ATF水分含量降低。電阻率在40℃和90℃的變化規律一致，添加不同材料后的ATF電阻率基本小于對應試驗時間空白樣品的電阻率（漆包圓線試驗336 h的除外）。

圖10 ATF酸值、水分和不同溫度下的電阻率Fig.10 Acidity,water content,and resistivity at different temperatures of ATF

2.5.2 運動黏度、擊穿電壓及介質損耗因數

圖11分別為空白ATF和浸漬漆包圓線、漆包扁線、浸漬樹脂及橡膠的ATF運動黏度、擊穿電壓及介質損耗因數變化情況。從圖11可以看出，ATF的運動黏度沒有隨時間和固體材料的變化而變化，運動黏度對試驗時間和固體材料的變化均不敏感。ATF擊穿電壓和介質損耗因數隨著試驗時間和固體材料的變化，沒有表現出特定規律。

圖11 ATF運動黏度、擊穿電壓和不同溫度下的介質損耗因數Fig.11 Kinematic viscosity,breakdown voltage,and dielectric dissipation factor at different temperatures of ATF

3 結論

（1）試驗中測試了漆包圓線和漆包扁線的擊穿電壓，浸漬樹脂的擊穿電壓和體積電阻率，所測漆包圓線、漆包扁線和浸漬樹脂性能與ATF的相容性良好。漆包圓線雖然在試驗336 h后的擊穿電壓有較大幅度的下降，但依然滿足IEC 60317-0-1:2013的限值要求。漆包扁線在試驗前后，擊穿電壓降幅較小，高于IEC 60317-0-2:2020的限值要求。浸漬樹脂在試驗過程中，外觀完整，沒有開裂、破碎，擊穿電壓略有下降，但高于T/CEEIA 415—2016限值；浸漬樹脂的體積電阻率隨著試驗時間的變化有明顯下降。

（2）試驗所用丙烯酸酯橡膠在ATF添加體積分數為0.5%的去離子水，155℃條件下與ATF不相容。試驗后，橡膠質量減輕，體積縮小、硬度變硬，拉伸強度增大、斷裂伸長率減小，性能劣化明顯，不滿足密封要求。

（3）隨著試驗時間的延長，ATF的酸值增加，添加了固體材料的ATF電阻率基本小于空白ATF電阻率。ATF的酸值和電阻率建議作為相容性試驗的表征參數。運動黏度在試驗前后無明顯變化。由于ATF組成復雜，且在試驗過程中添加了體積分數為0.5%的去離子水，擊穿電壓和介質損耗因數沒有明顯變化規律。