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隨著新能源電動汽車的發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)功率密度需求不斷增加，驅(qū)動電機(jī)朝著高速化、高頻化、高壓化方向發(fā)展。傳統(tǒng)Si基器件的開關(guān)頻率已經(jīng)逼近其材料的本征極限。SiC等第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件將逐步應(yīng)用在電驅(qū)動系統(tǒng)中，SiC器件高開關(guān)頻率使得電機(jī)繞組中電流諧波更小，降低了諧波損耗，提高了電機(jī)的效率，高的母線電壓使得電機(jī)高效區(qū)向高速區(qū)移動，更加適應(yīng)驅(qū)動電機(jī)高效輕量化的發(fā)展需求。但是，相比Si器件，SiC器件的高壓和快開關(guān)速度特點(diǎn)，使得電機(jī)繞組將長期暴露在更大的dv/dt脈沖電壓作用下，直接威脅繞組絕緣安全。

目前，為了追求更高的功率密度，電動汽車驅(qū)動電機(jī)常采用Hairpin繞組，因?yàn)槠洳蹪M率較高，可以增加有效導(dǎo)體面積，提高電機(jī)低速區(qū)效率。但是在高頻激勵下，Hairpin繞組的交流損耗問題將更加嚴(yán)峻。渦流效應(yīng)導(dǎo)致槽內(nèi)損耗分布不均勻，進(jìn)一步導(dǎo)致槽內(nèi)溫升分布的不均勻，容易使得繞組絕緣出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，增加絕緣熱應(yīng)力。

研究表明，靠近槽口部位會出現(xiàn)最高溫升點(diǎn)。與此同時，較高的溫升也將導(dǎo)致局部位置的絕緣初始放電電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）降低，在高dv/dt脈沖電壓作用下，一旦繞組匝間絕緣承受的最大電壓超過對應(yīng)位置處絕緣的PDIV，就會發(fā)生局部放電。而且，高頻dv/dt脈沖電壓一般可達(dá)幾MHz～幾十MHz，電機(jī)繞組的分布參數(shù)將不可忽略，尤其是繞組和繞組間與繞組和鐵心間的分布電容將使得繞組匝間電壓分布不均勻。

針對該問題，現(xiàn)有研究多針對傳統(tǒng)Si基逆變器，而關(guān)于SiC逆變器對繞組絕緣影響的研究很少，尤其是對Hairpin繞組匝間電壓的研究尚未可見?？梢灶A(yù)見，基于SiC逆變器的Hairpin繞組驅(qū)動電機(jī)將是下一代電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的一種重要選擇。因此，有必要針對其可靠性問題進(jìn)行綜合分析。

針對上述問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員在Hairpin繞組層間換位連接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了考慮雙邊導(dǎo)體耦合效應(yīng)的Hairpin繞組的高頻等效電路模型，實(shí)現(xiàn)了對繞組匝間電壓應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而分析了不同脈沖電壓幅值、絕緣厚度和材料相對介電常數(shù)、絕緣氣隙間距等對氣隙電場分布的影響規(guī)律，為SiC驅(qū)動下的Hairpin繞組電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)和安全分析提供了有效方法。

圖1 Hairpin繞組電機(jī)3D結(jié)構(gòu)示意圖

他們首先提出考慮雙導(dǎo)體邊耦合效應(yīng)的Hairpin繞組單匝線圈高頻等效電路模型，提取電機(jī)繞組的高頻分布參數(shù)，并基于場路耦合有限元方法建立Hairpin繞組的匝間電壓計(jì)算模型；然后，得到SiC逆變器驅(qū)動下的繞組匝間絕緣電壓應(yīng)力，利用繞組匝間電壓測試平臺驗(yàn)證了模型與分析方法的正確性；最后，分析了不同匝間電壓幅值、絕緣厚度、材料相對介電常數(shù)、匝間氣隙長度等對氣隙電場分布線的影響規(guī)律，以氣隙電場分布線與Paschen曲線的關(guān)系為判據(jù)，給出了一種判斷繞組絕緣是否發(fā)生放電的方法。

圖2 匝間電壓測試平臺

研究人員最后得到以下結(jié)論：

1）本課題提出的Hairpin繞組的高頻等效電路模型可準(zhǔn)確估計(jì)匝間電壓最大值及其發(fā)生位置，對于傳統(tǒng)層間換位Hairpin繞組連接方式而言，其匝間電壓最大值出現(xiàn)在各相入線端和出現(xiàn)端的首尾兩匝線圈位置，需要在絕緣設(shè)計(jì)時加以注意。

2）隨著SiC逆變器母線電壓增加，氣隙電場強(qiáng)度向上平移，當(dāng)達(dá)到1 200V以上時，在現(xiàn)有絕緣條件下，匝間絕緣氣隙電場線才會超過Paschen曲線。隨著絕緣厚度增加，氣隙電場線下移，逐漸遠(yuǎn)離Paschen曲線，但是會導(dǎo)致電機(jī)槽滿率下降，不利于功率密度提升。此外，絕緣介電常數(shù)增加會使得氣隙電場線上移，更加趨近Paschen曲線，增加了絕緣氣隙放電風(fēng)險(xiǎn)。

3）對于Hairpin繞組電機(jī)，受到渦流效應(yīng)的影響，靠近槽口的位置，絕緣工作溫度較高，如果出線端布置在氣隙側(cè)，不僅會產(chǎn)生較大的絕緣電應(yīng)力，同時還要承受較高的熱應(yīng)力，這對于絕緣是不利的。將出線端設(shè)置在槽底側(cè)，可以避免匝間絕緣同時受到高電熱應(yīng)力的影響。

另外，研究人員指出，針對SiC高頻、高dv/dt的激勵特點(diǎn)，為了保證電驅(qū)動系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，研發(fā)更高PDIV的絕緣材料是必要的，同時考慮熱-電耦合的低絕緣應(yīng)力繞組設(shè)計(jì)也是下一步的研究重點(diǎn)。

本文編自2021年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“SiC逆變器高頻脈沖電壓對Hairpin繞組絕緣安全的影響分析”，作者為鞠孝偉、程遠(yuǎn) 等。