新能源汽車驅動電機用漆包銅扁線性能試驗研究綜述

王 祥,汪 林

(銅陵精達漆包線有限公司,銅陵 244000)

0 引 言

隨著新能源汽車的快速發展,汽車用電動機代替傳統發動機作為汽車動力驅動零部件,市場占有率快速提高,高性能車型甚至采用雙驅動電機,其滲透率也在逐步提高。 相對于漆包銅圓線[1]電機(簡稱圓線電機),漆包銅扁線電機(簡稱扁線電機,又稱發卡電機)具有較高的槽滿率;在相同功率下,扁線電機既能夠實現小型化,又能夠節約材料、降低成本;扁線結構緊湊,熱傳導效果更好,溫度性能更優,可使繞組溫升下降約15%。 因此,新能源汽車用電機多為扁線電機,繞組線多采用漆包銅扁線(簡稱扁線)。 扁線電機多為永磁同步電機,分為轉子和定子。 轉子多采用高磁能,形狀規則的燒結釹鐵硼磁鐵和電工鋼(硅鋼)組合;定子為扁線與硅鋼片組合。 定子生產工藝和扁線質量息息相關,扁線質量試驗直接影響定子生產合格率,是扁線生產制造的重要環節。 本工作通過查閱相關文獻資料和試驗標準,介紹了漆包銅扁線質量控制的重要試驗過程、原理和試驗分析。

1 機械性能

扁線機械性能試驗需要綜合考慮銅基體材料和漆膜材料的特性,以及組合性質,同時會涉及制成成品后在驅動電機定子組裝過程中的適用性。 新能源汽車驅動電機定子工藝流程圖見圖1。 認識定子工藝對理解扁線機械性能試驗過程具有重要指導意義,如發卡成型對圓棒彎曲、排發卡(Pin)對靜摩擦力、電氣性能對擊穿電壓等試驗性能的要求較高。

圖1 驅動電機定子工藝流程圖

扁線生產過程中各工序對扁線機械性能試驗結果起著至關重要的作用,如退火對扁線柔軟度、涂漆烘焙對漆膜附著性等試驗結果影響較大。 扁線生產工藝流程圖見圖2。

1.1 尺寸測量

GB/T 4074.2—2008《繞組線試驗方法 第2 部分:尺寸測量》[2]中介紹了脫去漆膜時應采取不損傷導體的方式,以及漆包銅扁線導體測量量具(千分尺和測徑儀)。

漆包線脫去漆膜的方式主要包括機械打磨法、激光法和化學脫漆法(堿溶液法)。 機械打磨法對導體有一定的損傷;激光法對成本和設備要求較高;實驗室常采用化學脫漆法,將待測試樣置于加熱的堿溶液中,經過一定時間后取出,浸水冷卻后進行測量。 堿溶液法脫除漆包線表面漆膜的原理是堿溶液對高分子樹脂進行堿性水解,降低了漆膜之間的結合力,從而使漆膜從銅基體上脫除。 目前,國內化學脫漆劑存在毒性大、污染嚴重等問題,研發綠色環保的水性脫漆劑是未來的發展趨勢。

導體測量時,在寬窄邊隨機取3 個位置分別測量,取其平均值。 千分尺測量增加了檢測人員的工作量,且測量結束后需要人工記錄數據,容易出錯;測徑儀是現代化工廠導體測量的首選方案,可以通過工控機實時采集數據,但需要定期對測徑儀進行人工校準。

偏心度(單邊漆膜厚度最大值與最小值之比)測量時,采用100 ～500 倍金相顯微設備對金相切片試樣橫截面進行標注,測量精度可達0.01 μm。 金相切片上可以標注導體尺寸,也可以直接測量漆膜厚度。 金相切片測量圖見圖3。

圖3 金相切片測量圖

用戶可以自定義測量點的數量和測量方式,計算機在采集、存儲測量值后,輸出偏心度測量報告。偏心度反映了涂漆成膜厚度的均勻程度。 涂漆偏心時,在漆膜最小厚度處,容易導致折彎開裂、漆膜耐壓水平降低。 目前,車用驅動電機行業扁線漆膜的偏心度一般控制在1.5 以內。

1.2 拉伸試驗

評定扁線成品的基本機械性能常用的試驗方法是拉伸試驗[3]。 試驗指標為斷裂伸長率和抗張強度[4-5];試驗方法是在伸長儀或拉力試驗機上,以(5±1) mm·s-1的速率將1 根自由測試長度為200 ～250 mm 的校直試樣拉伸至導體斷裂。

1)斷裂伸長率

斷裂伸長率體現扁線成品的塑性,也稱為柔軟度[6]。 測試3 個試樣,分別計算導體斷裂時的長度線性增量與自由測試長度之比,取其平均值作為斷裂伸長率,計算見公式(1)。

式中:δ為試樣的斷裂伸長率,%;l0為校直試樣自由測試長度,mm;l為試樣拉伸斷裂時的長度,mm。

根據GB/T 7095.1—2008《漆包銅扁繞組線 第1 部分:一般規定》[7],導體窄邊小于2.5 mm 時,最小斷裂伸長率為30%;導體窄邊在2.5 ～5.6 mm 范圍內時,最小斷裂伸長率為32%。

2)抗張強度

抗張強度為材料在拉伸試驗應力-應變曲線的強化階段時的強度極限。 測試3 個試樣,分別記錄斷裂時拉力測試值與原始截面積之比,取其平均值作為抗張強度,計算見公式(2)。

式中:σb為試樣的抗張強度,MPa;F為試樣拉斷時的拉力,N;a為導體窄邊長度,mm;b為導體寬邊長度,mm;r為導體圓角半徑,mm。

抗張強度易受溫度和拉伸速率的影響。 例如,在高聚物玻璃化溫度以下,且形變很小時,應力迅速上升,引起脆性斷裂;溫度逐漸升高時,在大應力作用下,分子鏈段的斷裂主要表現為脆性斷裂,但略帶韌性;當溫度接近玻璃化溫度,且應力較小時,鏈段仍能移動,產生強迫高彈形變。 此時,無定形高聚物鏈段有取向,可能部分結晶,在試樣中部出現細頸,斷裂時表現為韌性,如在高彈態、應力不大時便能產生高彈形變,故斷裂時表現為軟韌性。 因此,提高拉伸速率可增加斷裂強度。 扁線成品需要具有高伸長率、低抗張強度,從而利于定子生產過程中的校直、成型、扭轉等形變工藝。

在成品線的實際檢測評價、屈服特性衡量時,屈服強度常采用材料產生永久殘余塑性變形為原長0.2%時的應力,記作σ0.2。

1.3 回彈角

將1 根校直試樣彎折成30°,移除推力后成品線回彈的角度為回彈角(θ)。θ易受成品線導體材料性質、導體尺寸、漆膜材料性質、漆膜厚度等的影響。θ越小,成品線塑性越好;發卡端部在扭轉后對齊,激光焊接時焊接效果越好,有利于減小焊接電阻、降低電機溫升。 目前,GB/T 7095.1—2008 中要求θ最大不得超過5°。 絕緣漆在不同厚度下的回彈角與屈服強度(0.2%)的對應數據見表1。 表1 中,δa為窄邊漆膜厚度均值;δb為寬邊漆膜厚度均值;δr為導體圓角漆膜厚度均值。

表1 不同厚度下的回彈角與屈服強度(0.2%)的對應數據

目前,扁線回彈試驗設備多為手動機械式設備,讀取刻度盤上的回彈角時,設備狀態和試驗操作均會對試驗結果產生干擾。 市場上現有電動回彈設備的試驗結果存在不一致性,尚待研發出高精度的數顯回彈設備,以減少設備狀態和人為因素對試驗結果的影響。

1.4 柔韌性和附著性

柔韌性反映扁線經拉伸、卷繞、彎曲或扭絞等外力時,絕緣漆膜不發生開裂的能力。 測試漆膜柔韌性時,細線常采用伸長法;粗線適合用彎曲法(內緣漆膜壓縮,外緣漆膜伸長)。 扁線多為粗線,須進行圓棒彎曲試驗來評估扁線的柔韌性。

圓棒彎曲試驗過程:將1 根長約400 mm 的校直試樣在拋光圓棒上沿兩個方向各彎曲180°,形成伸長的S 形,圓棒彎曲直徑要求見表2。 U 形彎頭之間的直線部分應至少為150 mm,確保試樣不翹曲,彎頭平整。 彎曲后,用6 ～10 倍放大鏡檢查是否開裂。 優異的圓棒彎曲性能有助于扁線在折彎機上進行2D、3D 成型工序,然后將其折彎成發卡,且發卡扭轉處不出現裂痕。

表2 圓棒彎曲直徑

附著性反映了扁線受外力時,絕緣漆膜不脫離銅基體的能力。 在經剝離或扭絞后,漆膜起鼓,即使未完全脫離,也認為漆膜失去了附著性。

附著性試驗過程:將1 根長約300 mm 的校直試樣拉伸至產品標準規定的百分比。 在試樣有效測量長度的中間位置,切割絕緣1 圈直至導體,再進行拉伸,檢查并記錄試樣從切割點開始單向測量失去附著性的距離,記錄最大值。 附著性試驗又稱環切試驗。 GB/T 7095.1—2008 中附著性規定:成品線環切后拉伸15%,漆膜失去附著性距離小于1 倍的導體寬邊。 影響附著性的因素有銅基體表面屬性、漆種屬性、首道涂漆上漆量等。

1.5 摩擦因數試驗

摩擦因數測試參考IEC 60851-3:2013 中的方法,其中涉及的靜摩擦因數測試, 目前 GB/T 7095.1—2008 中尚未定義。 靜摩擦因數可以判斷扁線的排線和放線性能,同時靜摩擦因數試驗儀的結構較為簡單。

靜摩擦試驗過程:將4 根試樣校直后,分別安裝在滑塊和滑板上,選擇合適質量砝碼與滑塊一起置于滑板上(確保校直試樣表面互相接觸),固定滑板的一端,以(1±0.5)°·s-1的速率緩慢傾斜另一端,當滑塊開始下滑時,傾斜角的正切值即為靜摩擦因數。

2 電性能

2.1 介質損耗-溫度曲線

介質損耗-溫度曲線描述的是以漆膜為電介質時損耗角正切值隨溫度變化的曲線。 在曲線上,當損耗角正切值發生突變時,對應的溫度即為介損溫度。 介質損耗角正切值是電容器的基礎參數,電容器工作時消耗的有功功率與無功功率之比見公式(3)。

式中:PC為電容有功功率,W;QC為電容無功功率,var。

漆包線烘焙過程中,在漆液中溶劑蒸發、漆基交聯固化等物理化學變化發生后會形成漆膜。 漆膜樹脂分子烘焙狀態(交聯度)也稱為漆膜的固化程度。在不同溫度下,漆基高分子呈現玻璃態、高彈態和黏流態等3 種力學狀態。 不同狀態下漆基的物理性質,如比容、比熱、折光性、介電性能和力學性能等,均會急劇變化。

漆包線介損溫度測試:在漆包線外表面涂敷一層導電石墨,并將其置于可加熱的電橋內作為電極,與漆包線導體組成一個電容和電阻組合體,阻容組合體見圖4。

圖4 阻容組合體示意圖

通過電橋向漆包線漆膜施加交流1.0 V 的電壓(頻率為1 kHz),并將阻容組合體加熱升溫,通過測試儀設備記錄不同溫度下對應介損瞬時值。 采用升溫方式,當漆基高分子從玻璃態向高彈態轉變時,介電性能會發生突變,并在測試儀曲線上出現第一個拐點,對應的玻璃化溫度為Tg;繼續升溫,當高彈態向黏流態轉變時,會出現第二拐點,對應的流化溫度為Tf。 介質損耗溫度曲線見圖5。 記錄拐點處切線與溫度軸的交點,并將溫度向前推移,作為漆包線的固化溫度。

圖5 介質損耗-溫度曲線圖

2.2 局部放電試驗

車載充電機(OBC)將交流電轉化為500 V 的直流電后, 通常采用 DC-DC 模塊將其升壓至800 V。 某汽車企業采用復用定子電驅動線圈來優化OBC 結構。 但是,該設計會導致定子繞組線存在高壓漏電可能性。 因此,在生產汽車用扁線時要進行高壓局部放電測試[8]。 高壓局部放電量增大會導致升壓回路等效電阻增加,從而降低電能轉換效率。 此外,電荷在電場作用下做功會轉化為焦耳熱,導致電機發熱加劇,影響使用壽命,見公式(4)～公式(5)。

式中:dQ為瞬時焦耳熱,J;ui為瞬時電壓,kV;dq為視在電荷,pC。

式中:P為放電功率,W;qi為瞬時視在電荷,pC;Tref為參考時間間隔,ns。

局部放電測試用于檢測局部放電起始電壓(PDIV)和局部放電熄滅電壓(PDEV),以確認定子扁線的高壓介電性能是否符合扁線電機定子電性能測試的要求。 根據GB/T 4074.7—2009《繞組線試驗方法 第7 部分:測定漆包繞組線溫度指數的試驗方法》[9]中5.1.2 規定的方法,制備試樣并進行試驗,在升壓速率為100 V·s-1條件下,設定視在電荷量閾值為100 pC,以確定PDIV和PDEV。 試驗結果見圖6,其中Q閾值為電荷量閾值。

圖6 局部放電測試結果圖

為提高試驗結果的可靠性,建議進行3 次制樣試驗,取試驗結果的平均值作為最終結果,具體計算方法見公式(6)。

目前,扁線電機對PDIV的要求根據定子線圈實際工況來決定。 常溫下的PDIV建議按照2 倍的額定工作電壓來確定;高溫下則基于試驗溫度由供需雙方協定,一般取1.3 ～1.8 倍的額定工作電壓。

2.3 耐電暈試驗

GB/T 4074.21—2018《繞組線試驗方法 第21部分:耐高頻脈沖電壓性能》[10]中規定,在常壓空氣中,使用高頻脈沖電壓來測定繞組線的耐高頻脈沖電壓性能。 根據GB/T 4074.7—2009 中5.1.2 的規定制備試樣,為了確保同批試樣性能均勻,在進行耐高頻脈沖試驗之前,需要對所有試樣進行1 000 V的工頻交流耐壓試驗篩選,電壓持續時間為1 s。 只有通過工頻交流耐壓試驗篩選出合格的樣品后,才能進行耐高頻脈沖試驗。

為了模擬扁線電機的工作條件,高頻脈沖設備自帶電熱(鼓風) 干燥功能,試樣至少需要預熱15 min,溫度需要達到(155±3)℃;然后,施加頻率為(20±0.4)kHz、穩態沖擊電壓為±1 250 V(標稱絕緣厚度不大于0.210 mm)或±1 500 V(標稱絕緣厚度大于0.210 mm)的雙極性對稱性方波、占空比為50%、上升沿為100 ns 的高頻脈沖電壓。 需要測試5個試樣,記錄最小擊穿時間和中間值作為測試結果。

目前,一般要求耐電暈擊穿時間中間值不小于12 h(寬松);部分用戶要求更嚴格,要求大于70,72,75 h。 耐電暈性能與扁線漆膜的變頻層厚度和偏心度相關,而漆膜厚度的一致性取決于變頻漆的低誘電性能。

2.4 擊穿電壓

根據GB/T 7095.1—2008 中規定,1 級和2 級膜厚漆包銅扁線的最小擊穿電壓見表3。

表3 1 級和2 級膜厚漆包銅扁線的最小擊穿電壓V

結合GB/T 4074.5—2008《繞組線試驗方法 第5 部分:電性能》[11]中規定,漆包銅扁線的擊穿電壓測試宜用鋼珠法,其中鋼珠直徑不得大于2 mm。測試時,試樣應在直徑為25 mm 或50 mm 的圓棒上彎曲,并置于容器中,在周圍至少5 mm 處填充鋼珠以防止閃絡。 測試5 個試樣,分別記錄其擊穿電壓。其中,最多只有1 個試樣可超過最小擊穿電壓的50%,但至少4 個試樣在最小擊穿電壓以上。 型式試驗時,應進行高溫擊穿電壓試驗,具體試驗溫度由相關標準規定或供需雙方協定。

2.5 鹽水針孔

由于GB/T 7095.1—2008 中未定義鹽水針孔,對扁線的鹽水針孔試驗可以參照GB/T 4074.5—2008 進行。

鹽水針孔試驗過程:將1 根長為(5±0.2)m 的試樣彎曲成直徑為(300±100)mm 的圓環,然后將其置于(125±3)℃的空氣循環烘箱中處理10 min。在不彎曲、不拉伸的情況下,將試樣冷卻至室溫,然后浸入濃度為2 g·L-1的NaCl 溶液中,并加入適量濃度為30 g·L-1的酚酞乙醇溶液。 在試驗中,試樣導體和電解質溶液接入電氣回路,其開路直流輸入電壓為(12±2)V,以試樣為負極接入溶液中,施加電壓1 min。 此試驗結果中,不可有針孔出現(鹽水中會出現紅色流束)。 在實際測試中,扁線的鹽水針孔失效較少,此測試水平有待改進。

3 熱性能

3.1 熱沖擊

根據GB/T 4074.3—2008 中5.1.2 規定制備扁線試樣,并進行寬邊彎曲(圓棒直徑為6 倍的導體窄邊),最小熱沖擊溫度見表4。

表4 最小熱沖擊溫度

漆膜外側承受拉伸應力,內測承受擠壓應力,同時還要應對溫度的劇烈變化。 由于導體和漆膜線性膨脹系數不同,漆膜容易出現開裂。 耐熱沖擊測試[12]用于漆包線漆膜在機械應力作用和熱作用下的耐受能力試驗。

3.2 軟化擊穿

漆包線的軟化擊穿性能是指漆包線漆膜在機械力和高溫作用下塑性變軟的能力。 GB/T 7095.1—2008 對軟化擊穿試驗未作詳述,可參考GB/T 4074.6—2008 中規定的試驗方法。

軟化擊穿試驗過程:在升溫加熱狀態下,將試樣置于軟化擊穿試驗儀中心,在試樣漆膜上施加規定的砝碼;然后,將扁線試樣的一端刮去漆膜,并與試驗電極相連,通過大電流時,加熱至漆膜擊穿,軟化擊穿試驗儀記錄擊穿時的溫度即為軟化擊穿溫度。

扁線熱性能試驗與漆膜的厚度和絕緣漆的種類有關。 不同種類的絕緣漆生產出的不同熱級的扁線產品,軟化擊穿溫度也不相同。

3.3 溫度指數

扁線的溫度指數應按照GB/T 4074.7—2009中的規定,在未浸漬試樣上進行測試。 溫度指數是相對熱壽命的測量值,將絕緣材料熱壽命的阿倫尼烏斯指數模型轉化為線性模型,并設置高溫壽命加速測試點,采用最小二乘法確定線性模型的參數,從而推算出在20 000 h 下漆包銅扁線所對應的溫度。

目前,溫度指數試驗過程較為復雜。 高溫下耐電壓試驗的組數越多,試驗結果越精確,但會增加人工記錄與計算的工作量,且效率較低。 國內溫度指數試驗現普遍作為漆包線的型式試驗,亟需研發出配套試驗設備以提高試驗效率,并在漆包扁銅線生產廠家中推廣應用。

4 化學性能

GB/T 7095.1—2008 中對漆包銅扁線化學性能的要求包括耐溶劑和耐變壓器油。 耐溶劑測試是使用標準溶劑(體積配比為60% 石油溶劑-20% 二甲苯-10%丁醇)進行處理,然后采用硬度為H 的鉛筆進行測試,要求漆層不被刮破。 變壓器油對漆包銅扁線漆膜具有一定的溶脹和溶解力,因此耐變壓器油測試具有現實意義。

4.1 耐溶劑

將1 根長為150 mm 的漆包線校直試樣置于強迫通風的(130±3)℃烘箱中預處理(10±1)min。 隨后,將有效長度試樣浸入盛有標準溶劑的玻璃容器中,溶劑溫度為(60±3)℃,持續(30±3)min。 取出試樣后,應在30 s 內測試其表面硬度。 對于扁線,試驗應在其寬邊上進行,鉛筆應以(60±5)°斜置于漆包線表面,并以(5±0.5)N 的壓力沿漆包線表面緩慢推移。 進行3 次測試試驗,分別記錄漆膜被刮掉后露出導體的情況。

4.2 耐變壓器油

GB/T 7095.1—2008 中對扁線耐變壓器油的規定尚未定義,因此,試驗過程參考GB/T 4074.4—2008《繞組線試驗方法 第4 部分:化學性能》[13],記錄擊穿電壓和開裂情況。 對于非油式工作場合,如驅動電機定子繞組,可僅做型式試驗或不作要求。尚待規范修訂后,給出流程簡單、容易操作的耐變壓器油試驗,并在國內各漆包線生產廠家中推廣應用。

5 在線檢測

5.1 粒子針孔在線檢測

目前,扁線生產采用高壓漆膜連續性缺陷在線檢測方式。 對于粒子檢測,采用夾持式V 型槽電極對行線寬面和窄面分別施加電壓,行線粒子會彈開電極,通過電極位移量轉化為電壓,再通過設定電壓來對粒子進行閾值研判報警;對于針孔缺陷,可通過設定漏電流閾值研判報警。 通過靜態劃分行線,以定米數為單位視窗,各視窗獨立展示缺陷情況。 然而,當行線質量超過特定設置報警下線時,這種在線檢測方式對縱向粒子和密集性缺陷存在漏判的情況。

通過增加粒子寬度檢測,將電極彈開時間轉化為一定增益以放大粒子顯示電壓,可以更加真實地反映粒子大小,也可以增加動態視窗以發現密集性缺陷,并防止缺陷分在相鄰視窗。 但是,此類機械式在線檢測裝置需要定期校準靈敏度,并進行使用狀態確認。

5.2 線徑在線檢測

漆包線生產要求成軸成盤收線,在測量漆包線外徑時,通常只能在外層取線,并以樣本代替總體,這種基于統計的線徑測量存在局限性。 現有部分漆包線生產廠家采用激光測徑儀,在收線位置對整盤線外形尺寸等時間間隔采樣,并通過設置上下限來約束外形,一旦超出尺寸立即報警,并進行下線調整。

可以在現有基礎上改進,即在電腦(PC)端增加對線徑的采集數據,并進行統計過程控制(SPC)分析。 通過更新采樣數據,實時更新過程能力指數,動態地展現控制圖,并及時發出預警,指導生產人員做出線徑調整。

5.3 機器視覺在線檢測

基于機器視覺的圖像處理技術應用于漆包線外觀在線檢測,可彌補漆包線因連續生產不能停機而無法實時觀察的缺點,可提高生產過程中對漆包線表面質量的監控能力。 基于電荷耦合元件(CCD)相機的快速圖片抓拍功能,將圖片數據輸入神經網絡進行深度學習,可以對漆包線粒子、麻皮、氣泡等進行識別、分類、報警下線。 這種非接觸式無損檢測新技術更適用于漆包線表面外觀檢測領域,可以明顯改善漆包線產品的外觀質量。

6 結 論

新能源汽車的崛起與扁線電機的需求量遞增,將帶動漆包銅扁線行業的快速發展。 熟悉扁線試驗原理、過程和產品質量屬性,并利用試驗原理分析指導生產,可以提前調整扁線生產狀態,將其從介穩狀態轉變為穩態生產,從而提高產品質量。 扁線性能試驗是控制扁線生產質量的關鍵。 通過改善試驗條件、更新試驗設備和完善試驗標準,將會使國內漆包銅扁線的生產水平顯著提高。