哈工大学者给出SiC驱动下Hairpin绕组电机绝缘设计和安全分析的新方法

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针对碳化硅（SiC）逆变器高频高dv/dt脉冲激励下的Hairpin绕组高电应力容易造成绝缘损伤的问题，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院、博世（中国）投资有限公司亚太研发中心的研究人员鞠孝伟、程远、杨明亮、崔淑梅、刘新华，在2021年第24期《电工技术学报》上撰文，对一台电动汽车用Hairpin绕组永磁同步电机进行了绕组匝间绝缘的电压应力计算与安全分析，给出了一种判断绕组绝缘是否发生放电的方法。

随着新能源电动汽车的发展，电驱动系统功率密度需求不断增加，驱动电机朝着高速化、高频化、高压化方向发展。传统Si基器件的开关频率已经逼近其材料的本征极限。SiC等第三代宽禁带半导体器件将逐步应用在电驱动系统中，SiC器件高开关频率使得电机绕组中电流谐波更小，降低了谐波损耗，提高了电机的效率，高的母线电压使得电机高效区向高速区移动，更加适应驱动电机高效轻量化的发展需求。但是，相比Si器件，SiC器件的高压和快开关速度特点，使得电机绕组将长期暴露在更大的dv/dt脉冲电压作用下，直接威胁绕组绝缘安全。

目前，为了追求更高的功率密度，电动汽车驱动电机常采用Hairpin绕组，因为其槽满率较高，可以增加有效导体面积，提高电机低速区效率。但是在高频激励下，Hairpin绕组的交流损耗问题将更加严峻。涡流效应导致槽内损耗分布不均匀，进一步导致槽内温升分布的不均匀，容易使得绕组绝缘出现局部热点，增加绝缘热应力。

研究表明，靠近槽口部位会出现最高温升点。与此同时，较高的温升也将导致局部位置的绝缘初始放电电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）降低，在高dv/dt脉冲电压作用下，一旦绕组匝间绝缘承受的最大电压超过对应位置处绝缘的PDIV，就会发生局部放电。而且，高频dv/dt脉冲电压一般可达几MHz～几十MHz，电机绕组的分布参数将不可忽略，尤其是绕组和绕组间与绕组和铁心间的分布电容将使得绕组匝间电压分布不均匀。

针对该问题，现有研究多针对传统Si基逆变器，而关于SiC逆变器对绕组绝缘影响的研究很少，尤其是对Hairpin绕组匝间电压的研究尚未可见。可以预见，基于SiC逆变器的Hairpin绕组驱动电机将是下一代电动汽车电驱动系统的一种重要选择。因此，有必要针对其可靠性问题进行综合分析。

针对上述问题，哈尔滨工业大学等单位的研究人员在Hairpin绕组层间换位连接结构的基础上，建立了考虑双边导体耦合效应的Hairpin绕组的高频等效电路模型，实现了对绕组匝间电压应力的准确计算，进而分析了不同脉冲电压幅值、绝缘厚度和材料相对介电常数、绝缘气隙间距等对气隙电场分布的影响规律，为SiC驱动下的Hairpin绕组电机绝缘设计和安全分析提供了有效方法。

图1 Hairpin绕组电机3D结构示意图

他们首先提出考虑双导体边耦合效应的Hairpin绕组单匝线圈高频等效电路模型，提取电机绕组的高频分布参数，并基于场路耦合有限元方法建立Hairpin绕组的匝间电压计算模型；然后，得到SiC逆变器驱动下的绕组匝间绝缘电压应力，利用绕组匝间电压测试平台验证了模型与分析方法的正确性；最后，分析了不同匝间电压幅值、绝缘厚度、材料相对介电常数、匝间气隙长度等对气隙电场分布线的影响规律，以气隙电场分布线与Paschen曲线的关系为判据，给出了一种判断绕组绝缘是否发生放电的方法。

图2 匝间电压测试平台

研究人员最后得到以下结论：

1）本课题提出的Hairpin绕组的高频等效电路模型可准确估计匝间电压最大值及其发生位置，对于传统层间换位Hairpin绕组连接方式而言，其匝间电压最大值出现在各相入线端和出现端的首尾两匝线圈位置，需要在绝缘设计时加以注意。

2）随着SiC逆变器母线电压增加，气隙电场强度向上平移，当达到1 200V以上时，在现有绝缘条件下，匝间绝缘气隙电场线才会超过Paschen曲线。随着绝缘厚度增加，气隙电场线下移，逐渐远离Paschen曲线，但是会导致电机槽满率下降，不利于功率密度提升。此外，绝缘介电常数增加会使得气隙电场线上移，更加趋近Paschen曲线，增加了绝缘气隙放电风险。

3）对于Hairpin绕组电机，受到涡流效应的影响，靠近槽口的位置，绝缘工作温度较高，如果出线端布置在气隙侧，不仅会产生较大的绝缘电应力，同时还要承受较高的热应力，这对于绝缘是不利的。将出线端设置在槽底侧，可以避免匝间绝缘同时受到高电热应力的影响。

另外，研究人员指出，针对SiC高频、高dv/dt的激励特点，为了保证电驱动系统的安全可靠运行，研发更高PDIV的绝缘材料是必要的，同时考虑热-电耦合的低绝缘应力绕组设计也是下一步的研究重点。

本文编自2021年第24期《电工技术学报》，论文标题为“SiC逆变器高频脉冲电压对Hairpin绕组绝缘安全的影响分析”，作者为鞠孝伟、程远 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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