油冷电机绝缘系统与变速箱油的兼容性评价

驱动电机作为新能源汽车的动力心脏，在传统燃料汽车中发挥着发动机的作用，对新能源汽车的加速度、爬坡能力、最高速度等动力性能有关键影响。2021年国家发布的节能新能源汽车技术路线图(2.0 2035年新能源乘用车电机高比功率(7)明确.0kW/kg）以及高效率(电机系统高效率区超过80%95%)的发展方向。近年来，通过优化驱动电机的热管理模式，如油冷电机技术，与传统的风冷或水冷电机技术相比，可以大大提高驱动电机的热交换效率，实现更高的驱动电机功率密度，降低驱动系统的重量，最终有助于进一步提高车辆的效率和性能。

在油冷电机技术的电动驱动系统设计中，驱动电机与变速箱高度集成。变速箱油不仅作为润滑介质润滑保护变速箱各部件，还作为冷却介质直接冷却和散热驱动电机。油冷电机的设计给整个电动驱动系统的可靠性带来了新的挑战，特别是对电机绝缘系统的耐油可靠性提出了更高的要求，因为电机绝缘材料长期接触变速箱油，所以除了传统的电应力、热应力、机械应力外，变速箱油接触作为环境应力也会带来关键影响，如果绝缘材料与变速箱油兼容，会导致电机绝缘性能下降，导致电机故障，甚至车辆问题。因此，油冷电机电动驱动系统设计开发中的重要环节是充分评价油冷电机绝缘系统与变速箱油产品的兼容性。

在目前的电驱行业中，主要参考2019年发布的团体标准《CEEIA 415-2019 新能源汽车驱动电机绝缘结构技术要求对油冷电机绝缘材料与变速箱油的兼容性进行评估和测试。具体测试方法是将目标绝缘材料和目标变速箱油放入密封罐中，其中0.5%的水将提前混合在变速箱油中，然后在高低温冲击箱中循环老化密封罐8个周期，每个周期老化条件为155℃ 40h和-45℃ 8h，老化后，取出绝缘材料样品进行诊断和测试，并根据其关键性能的变化程度来确定兼容性能的优缺点。提前混合0.5%水的初衷是一方面加速老化过程，因为绝缘材料本体大多有吸水和水解的倾向，另一方面模拟实际运行条件，因为变速箱不完全密封，在车辆实际运行中，变速箱油会有一定量的水污染，水源方向，或空气中的水蒸气吸入，或少量渗水，长期正常运行，变速箱油中的水含量将处于动态波动状态。

鉴于油冷电机绝缘系统与变速箱油的兼容性评价，嘉实多建立了一套全面的油冷电机绝缘材料耐油性验证测试能力（包括耐油老化和材料等级性能），可满足不同评价维度的测试验证需求，帮助客户建立油冷电驱动绝缘材料选择库。同时，嘉实多也深入研究了油冷电机绝缘系统和变速箱油的兼容性机制。我们认为，影响最终兼容性结果的原因主要来自两个方面。一方面，绝缘材料具有耐高温、耐水解性，特别是耐水解稳定性。不同结构（如聚酰亚胺、聚酰亚胺、聚酯酰亚胺等）的绝缘材料具有不同程度的耐水解稳定性，在团体标准规定的兼容性试验条件下，材料容易发生高温水解，造成结构破坏，进而降低绝缘性能。另一方面是变速器油的影响，变速器油会带来额外的负面影响，主要反映在三个层面，一是高温老化条件下的氧化，会产生酸性副产品，加速绝缘材料本体的水解过程，二是油配方中的一些添加剂也面临水解稳定性的挑战，如果添加剂水解，也会产生酸性物质，加速绝缘材料本体的水解过程，三是油品配方中润滑保护变速箱的极性添加剂具有强化学活性，容易对绝缘材料甚至铜材料产生腐蚀性影响。

传统的自动变速器油（ATF）它是专门为自动变速器硬件结构而设计和开发的，在上述三个层面的附加负面影响下没有配方的优化设计，难以满足高标准的兼容性测试要求。在此基础上，嘉实多从配方设计层面独立开发了一个新的油冷电动驱动变速箱油技术平台，不仅提供了优异的变速箱润滑保护性能，而且具有优异的绝缘材料兼容性，提高了电机系统的运行可靠性，延长了使用寿命。

我们选择了一条典型的电磁线作为研究对象，分别测试了它与两种不同的变速器油（传统的自动变速器油和嘉实多E启动油冷电驱动变速器油）的兼容性，测试后表示了电磁线样品的微观形状和绝缘性能。

●  微观形貌

我们分别对电磁线漆膜表面和内铜层表面进行了微观表征。图1比较了兼容性测试前后电磁线漆膜表面的形状变化，发现与ATF电磁线样品表面漆膜变黑，有少量开裂现象，扫描电镜（SEM）照片进一步显示，漆膜表面更粗糙，有大量密集的小孔，这与漆膜本体的水解过程有关。相比之下，电磁线样品表面漆膜的外观没有明显变化，颜色与初始样品相当，SEM照片显示漆膜表面有少量孔洞，但数量少，分布稀疏，表明嘉实多E启动油冷电驱动变速箱油附加影响小，漆膜水解弱，漆膜结构保持更完整。图2比较了电磁线内铜层表面兼容性测试前后的形状变化，发现与ATF试验后，电磁线内铜层表面粗糙，有腐蚀现象，进一步SEM-EDS表征结果表明有S元素信号ATF含S添加剂渗透漆膜，腐蚀内铜层。相比之下，与嘉实多E启动油冷电驱动变速箱油试验后的电磁线铜层表面光滑，无明显腐蚀，进一步SEM-EDS只显示表征结果Cu元素信号也证实了无铜腐蚀现象，表明嘉实多E启动油冷电驱动变速器油具有优异的铜腐蚀保护性能，间接表明其与漆膜材料的优异兼容性，帮助外漆膜保持完整的结构，保护内铜层。

●  绝缘性能

我们表示了电磁线的耐穿电压性能。图3总结了电磁线在不同试验条件下的耐击穿电压保持率。保持率越高，兼容性能越好。在同一种油的试验中，随着试验条件中水含量的增加(不加水、0.2%水、0.5%水)，电磁线的保持率会显著降低，说明材料本体的水解过程是影响兼容性结构的主要原因。在相同的试验条件下，与嘉实多E启动油冷电驱动变速箱油试验后的电磁线保持率始终高于ATF测试后的电磁线保持率表明，嘉实多E启动油冷电驱动变速箱油的附加负面影响较低，并表现出更好的兼容性。

我们进一步将研究对象扩展到扁平绕组线，如下图4所示a如所示，对于不同类型的扁平绕组线，经嘉实多E启动油冷电驱动变速箱油试验后，其外观相当于初始样品，其绝缘性能相对于ATF样品测试后可以保持更高的水平。除了单一材料外，我们还选择了典型的绝缘结构作为研究对象，综合评价了油对整个绝缘系统的兼容性，如图4所示b经嘉实多E启护油冷电驱动变速箱油试验，外观性能优异，能顺利通过标准耐电压试验。上述研究结果表明，嘉实多新设计的油冷电动驱动变速箱油技术平台可以提供更好的兼容性能，提高电机系统的运行可靠性，延长电动驱动系统的运行寿命。

嘉实多作为全球润滑技术的领导者，可以为客户在油冷电机电驱动系统开发中的绝缘系统设计开发和冷却油开发提供从油设计到技术验证的全套解决方案。同时，嘉实多也广泛参与国际国内行业标准的制定。嘉实多可以帮助客户建立独立的绝缘材料耐油性验证标准，帮助客户建立油冷电驱动绝缘材料选择库，甚至与客户探索绝缘系统寿命评估等可靠性问题。