电动汽车驱动电机绕组绝缘寿命计算

1、电动汽车驱动电机绕组绝缘寿命计算驱动电机是电动汽车进行能量转换的核心装置，其绕组绝缘的寿命和可靠 性对电动汽车的安全稳定行驶具有重要影响，影响电机绕组绝缘寿命的主要因素 为电机端过电压应力的幅值和开关频率。本文基于电动汽车的一般性结构，建立 了电机端电压应力的MATLAB仿真分析模型，研究了不同参数对电动汽车驱动 电机端产生电压应力的影响，结合儿种不同的逆变策略，给出了绕组绝缘的寿命 计算方法，并进行了实例分析，利用本文的方法可对电动汽车驱动电机绕组绝缘 的寿命进行预测计算。标签：电动汽车；电机；绕组绝缘；寿命1引言绕组绝缘是电机可靠性中最薄弱环节之一，会极大地影响电机的可靠性 1-2。导致绕

2、组绝缘老化的主要因素是电应力，对电动车驱动电机绕组绝缘而言, 电应力的两个主要因素分别是电机端电压幅值和PWM的开关频率3-4,电动汽 车驱动电机绕组绝缘的寿命分析与工业牵引电机既有相同点，也有不同之处。相 同点为电老化对电动汽车驱动电机和工业牵引电机具有相同的作用机理和形式； 不同之处为电动汽车驱动电机具有特定的运行工况，导致其绕组绝缘的热应力和 工业牵引电机不同。本文针对电动汽车驱动电机的实际结构，研究PWM脉冲和逆变策略产生的 机端过电压幅值，并综合开关频率的影响，给出了更接近于电动汽车实际工况的 绕组绝缘电老化寿命模型，并基于电动汽车电机的运行工况，计算了绕组绝缘的 电气寿命。2绕组绝

3、缘的电压应力仿真2.1电动汽车驱动电机端过电压仿真分析电机端过电压的高低不仅和始端、终端反射系数有关，入射波在电缆中的传 播速度、电缆长度、PWM脉冲上升时间等因素也会对其产生极大影响5-7,且 上述因素也因电动汽车厂家、驱动电机功率、车型的不同而异，对所有的电动汽 车驱动电机逐一分析难度较大。我们可通过对某种车型的数据范围进行分析，针 对最恶劣的运行情况，给出其电机端过电压的极限值应更具有实际意义。PWM逆变器供电的电机驱动系统，开关器件的上升时间由其本身性质决定, 通常在儿十到数百个ns之间；此外，电机供电电缆形式多样，但一般长度不会 超过5m, PWM脉冲电缆中的传输速度一般在10020

4、0m/ps之间，电机端反 射系数一般在0.60.9之间，逆变器端反射系数一般取-18,假设母线电压为 100V,电机三相绕组Y型连接。利用上述给定的参数范围，建立电机电缆传输 波的Matlab仿真模型，对不同的参数情况进行仿真研充。仿真研究条件如下：电缆长度取5m； PWM脉冲上升时间取150ns：传输速 度取lOOm/ps； PWM脉冲幅值取100V；终端反射系数0.6-1；始端反射系数取 -1,结果如图1所不。图1不同电机端反射系数时的过电压由图1可以看出，不同的终端反射系数所产生的过电压率不同，随着终端反 射系数的减小，终端过电压呈下降趋势。终端反射系数越高，过电压脉冲衰减的 越慢，若终

5、端反射系数为1,相当于开路，过电压会在传输线上无衰减的往复传 输下去。PWM脉冲上升时间对过电压也有影响，下面对不同脉冲上升时间产生的端 电压进行仿真分析。取电缆长度为5m； PWM脉冲上升时间为50350ns；传输 速度为lOOm/ps： PWM脉冲幅值为100V；终端反射系数为0.8；始端反射系数 取-1,结果如图2所木。图2不同PWM脉冲上升率时的过电压由图2可以看出，当PWM脉冲上升时间小于150ns时，随着PWM脉冲上 升时间的减小，电机端过电压率呈减小趋势，并且振荡的峰值电压逐渐向后偏移, 但振荡周期基本不变。电缆长度或电磁波的传输速度发生变化时，也会对驱动电机端电压产生影 响。下

6、面对不同的电缆长度产生的端电压进行仿真研充，电缆长度取15m； PWM脉冲上升时间为150ns；传输速度为lOOm/监； PWM脉冲幅值为100V： 终端反射系数为0.8；始端反射系数取-1,结果如图3所示。图3不同电缆长度产生的过电压由图3可知，随电缆长度的减小，机端过电压呈减小趋势，振荡的峰值电压 逐渐向前偏移，振荡周期也呈现减小的趋势，这是因为不同的电缆长度导致PWM 脉冲的传输时间不一致，因此到达机端的电压叠加幅值不同。由于传输时间是电 磁波在电缆中的传输速度和电缆长度的函数，其它条件一定时，过电压的幅值取 决于反射波到达和上升时间之间的关系，若传输速度变化时，电机的过电压性质 和电缆

7、长度变化的趋势应该是类似的，在此不再赘述。鉴于以上分析，脉冲上升时间、反射系数和电缆长度等因素是决定电动汽车 驱动电机端过电压幅值的主要因素。在电机绕组绝缘可靠性分析或老化寿命计算 中，只要取上述各参数的极限值即可代表电动汽车驱动电机运行的最恶劣工况。2.2逆变策略对电机端电压的影响不同的逆变方式，为交流电机提供的电压有效值并不相同，存在着直流电压 利用率的问题，即直流母线电压和电机额定电压之间的匹配关系。本文对电压型 6阶梯波逆变器、SPWM、SVPWM逆变器的电压利用率进行了分析。在不同的 逆变策略下，电机绕组线电压基波幅值和直流母线电压的关系也不同，即直流母 线电压不能全部为电机所利用，

8、把线电压基波幅值和直流母线电压的之比定义为 电压利用率，可得直流电压利用率如表1所示。逆变策略不同，则直流电源利用率不同，对同一台交流电机而言，为保证其 额定输出功率，所需的最小母线电压不同。对额定电压不变的同一电机，若采用 上述三种逆变策略，方波逆变所需的直流母线电压最低，SPWM逆变所需的直 流母线电压最高；反之，相同的母线电压，若采用方波逆变器驱动，电机绕组的 线电压最高，这一点也会影响到绕组的电应力，在绕组绝缘寿命分析时应予以考 虑。3绕组绝缘电老化模型3.1电老化模型的建立国内外科研人员对绝缘电老化模型做了很多深入的研 究工作，得到的结论如下：PWM脉冲的频率和峰值是影响绝缘寿命的两

9、个主要 因素。这是因为，快速的开关频率会使绝缘材料疲劳程度加剧而导致快速老化， 电压峰值加剧了高频介电损耗，在绝缘部分产生局部高温而导致寿命下降。绝缘 老化模型和PWM脉冲频率满足逆慕律公式9-10o(1)式中：为考虑频率时绕组绝缘的寿命(h)；、为试验常数；为频率(Hz)o如果PWM逆变器施加于绕组绝缘的电压脉冲的幅值小于产生局部放电的 门限值，则电老化模型同样满足逆矗律关系Ho(2)式中：为电压峰值为时绕组绝缘的寿命(h);为电压峰值为时绕组绝缘 的寿命(h)；通过实验确定的系数。综合式(1) 、(2)的结果可得，在考虑电压和频率两个因素时12,绕组 绝缘的寿命可表述为：(3)式中：、分别

10、为在频率、电压峰值、下的绕组绝缘寿命(h)o在逆变策略和母线电压等参数均己知时，可用式(3)对绕组绝缘的电老化 寿命进行计算。此外，电机工作时热应力对绝缘的寿命也有很大的影响13,因 此需要考虑热应力对绝缘寿命的作用。假定 为额定电压、频率和温升下电机的 期望寿命为20000 (h),则在额定温升下，当额定频率为、额定电压峰值为 时,绝缘寿命的近似计算式可表示为:(4)利用式(4)可以对电动汽车驱动电机绕组绝缘的电气寿命进行计算。3.2算例分析基于上节的电动汽车驱动电机绕组绝缘的电老化模型，可对额定温升下绕组 绝缘的电气老化寿命进行实例预测分析。对于PWM逆变器驱动的电机而言，匝 间绝缘较重要

11、的应力类型为电机端的瞬时电压变化量，对于二电平电压逆变器来 说，电动汽车驱动电机端的瞬时电压变化量为母线电压和PWM波形导致的过冲 电压的和。假定电动汽车驱动电机绕组采用环氧基树脂或云母绝缘材料。电机设计的额定峰值电压 为311V,频率 为50Hz,采用二电平PWM逆变 器供电，依据电动汽车的电压标准，母线电压可能取值范围为144V、168V、192V 和216V,考虑到电压反射的情况，近似取电压极限过冲系数为0.5,则可得电机 端的瞬时电压变化量 的值，开关频率可能取值范围为120kHz,根据EEC发布 的相关标准，在无法得到相关系数的确切值时，近似取1,近似取10。在额定 温升下，不同的开

12、关频率和母线电压所对应的绕组绝缘估算寿命，如图4所示。图4不同电压、频率时的绝缘寿命在图4中所示的额定温度下，随着母线电压的升高，绕组绝缘寿命下降很快, 因为本例假定311V时绕组绝缘寿命为200001】，当电机端瞬时电压变化量的值超 过311V时，绝缘寿命会随着电压的升高以数量级的速度减小14：在同一母线 电压下，当开关频率增加不仅会导致绝缘间放电场强增加，也会致使单位时间内 的放电次数急剧增加，因而使绝缘寿命急剧减小。在选择电动驱动电机时，在满足汽车性能的前提下，减小母线电压和开关频 率的值，可以延长绕组绝缘的电寿命。4结论本文以PWM通过对电动汽车驱动电机的端电压应力的仿真模型，给出了

13、PWM开关频率、电压反射系数和电缆长度对电动汽车驱动电机端过电压幅值的 影响规律，考虑到不同的逆变策略，结合绕组绝缘老化模型给出了综合考虑端电 压幅值和开关频率作用下的的电动汽车驱动电机绕组绝缘寿命的计算方法。参考文献1周力任，吴广宁，罗杨，等.变频电机用电磁线击穿机制实验研究J.中 国电机工程学报.2009, 29 (30)： 104-109.V. I. J. Kokko. Ageing Due to Thermal Cycling by Start and Stop Cycles in Lifetime Estimation of Hydroelectric Generator Stato

14、r WindmgsC. IEEE Liteniational Electric Machines & Drives Conference, Niagara Falls, USA, 2011： 15-18.尹毅，肖登明，屠德民.空间电荷对脉冲电压下局部放电影响J.中国 电机工程学报.2002, 22 (1)： 43-48.周凯，吴广宁，雷克刚，等.脉冲电压下局部放电对聚酰亚胺膜寿命的影响J.材料科学与工程学报.2008,26 (3)： 361-364.E. L. Brancato, A pathway to Multifactoi AgingJ. IEEE Transactions on Ele

15、ctrical Insulation, 1993, 28 (5)： 820-825.W. Dakin, W. Thomas. Electrical Insulation Detenoiation Treated as a Chemical Rate PhenomenonJ. Transactions of the Aineiican Institute of Electrical Engmeers, 1948, 67 (1)： 113-122.E. Persson. Transient Effects in Application of PWM Liverters to Induction M

16、otors J. IEEE Transactions on hidustiy Applications, 1992, 28(5)： 1095-1101.8 A. H. Boimett. Analysis of the Impact of Pulse-width Modulated Inverter Voltage Waveforms on AC hiduction Motors J. IEEE Transactions on Industiy Applications, 1996, 32 (2)： 386-392.V. Divljakovic, J. Kline, D. Barta, et a

17、l. Agmg of Magnetic Wire in the Presence of Vanable Frequency, High Rise Time and Higli Vbltage PulsesC. IEEE 1994 Aimual Report Electiical Insulation and Dielectric Phenomena, Arlington, USA, 1994： 391-399.周凯，吴广宁，雷克刚，等.脉冲电压下局部放电对聚酰亚胺膜寿命 的影响J.材料科学与工程学报.2008, 26 (3)： 361-364.S. Gizybowski, S. Bandam.

18、 Effect of Frequency,Temperatuie, andVoltage on the Lifetmie Characteiistics of Magnet Wires under Pulse VbltagesC. 2004 IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Toulouse, Fiance, 2004： 876-879.H. Oiaee. A Qualitative Appioacli to Estmiate the Life Expectancy of Motor Lisulation Systems J. IEEE Transactions on Dielectrics and Electiical Insulation, 2000, 7 (6)： 790-796.F. Guastavmo, A. Dardano. Life Tests on Twisted Pans in Presence of Pailial Discharges： Influence of the