前言

800V電驅動是一個系統性的話題，對于電機而言，挑戰的方向主要圍繞高速、壓、散熱，對于量產而言，小型化和低成本也是考量的一個方面。對于高壓部分而言，最直接的影響便是軸承電腐蝕和定子繞組耐壓能力。

問題的來源

電驅系統采用PWM控制電路，實際工作中由于高壓電回路中存在雜散電感，而在二極管關閉的過程中，雜散電感因變化的電流會產生感應電壓，即電壓振蕩。

下圖為下圖為典型的雙電極電壓（極性從正極到負極交替變化的電壓）沖擊圖

圖源：公眾號：調皮的JINX

參數解釋：

• Va：穩態沖擊電壓，對應直流電路電壓Vdc
• Vp：峰值電壓
• Vos：過沖電壓，即電壓振蕩，計算公式為Vos=L*di/dt

相比400V的硅基IGBT產品，800V產品不僅電壓平臺提升，處于效率考量通常會采用碳化硅基MOSFET。di/dt值更高，電壓振蕩幅度也更大。電壓振蕩幅度變大會帶來兩個問題，軸承電腐蝕和繞組局部放電。

軸承電腐蝕

• 軸電流的形成

由于電機繞組中性點電壓在任意時刻都不為零，在PWM變頻供電時，定子繞組與殼體、定子繞組與轉子、轉子與定子鐵心以及軸承形成共模通路的等效電路，即共模電壓。共模電壓的值與電機母線電壓成正比，頻率受逆變器載波頻率影響。

來源：《基于PWM逆變器供電軸電流問題的交流電機》

對于軸承而言，作為等效電路的一部分，等比例形成對地電壓。在軸承油膜完好的情況下，軸承對地電壓和電機共模電壓之比定義為BVR。隨著電壓平臺的提升，BVR也會不斷增大，即800V平臺BVR值高于400V平臺。

來源：《基于PWM逆變器供電軸電流問題的交流電機》

另外，共模電壓產生軸對地電壓的同時，還會產生高頻感應軸電壓，進而產生共模電流，生成共模磁通，通過共模磁通產生感應軸電壓。共模電流的流經路線為通過定子繞組進入電機，流經硅鋼片，通過電機外殼接地流出。

在電機轉速較低或者長時間運轉軸承溫度較高時，軸承潤滑和絕緣性能不足或下降，加之800V電壓平臺的提升，便會擊穿軸承油膜，破壞其絕緣性，進而在在軸承中會形成軸承電流。軸電流局部放電會產生高溫，破壞軸承表面平整度，俗稱軸承電腐蝕。軸承電腐蝕后會影響軸承正常運行，產生噪聲、振動，最終使得軸承完全失效。

• 如何避免軸承電腐蝕

軸承電腐蝕形成的本質是因為軸承電壓的存在形成軸電流通過軸承，由于共模電壓的存在，因此軸電壓是無法避免的。因此規避軸承電腐蝕的的方式便主要有兩個方向，一是增加旁路電回路，軸電流通過旁路電回路，繞過軸承；二是采用電絕緣軸承。

華為曾在2021年4月申請用來解決電腐蝕難題的專利，基本原理為通過增加旁路電回路，避免電流流過軸承。

具體方案為通過在導電軸承的內圈中穿設導電柱，并將導電柱的外側壁與導電軸承的內圈過盈配合，導電柱另一端接地。實際運行中軸電流直接通過導電柱接地，電流不通過軸承，從而避免軸承電腐蝕。該方案最大的難點在于導電柱與軸承配合連接。華為采用的思路與特斯拉相似，只是為了專利規避，采用不同結構設計。

以舍弗勒為代表的軸承企業則推出電絕緣軸承來避免軸承電腐蝕。與傳統軸承相比，電絕緣軸承無論是在外圈還是內圈均涂有絕緣涂層。涂層處理工藝為等離子噴涂工藝。下圖為不同類型的電絕緣軸承介紹。

圖源：舍弗勒

繞組局部放電

高電壓對電機繞組的絕緣性提出了更高的耐壓挑戰，處置不當便會在絕緣局部區域達到擊穿場強，尤其是帶電體的尖端附近，形成局部放電，強烈的局部放電會破壞繞組銅線的絕緣性能，造成短路，引發電機失效。為了準確測量和評價繞組銅線的絕緣性能，常用PDIV（局部放電起始電壓）來作為評價參數。對于800V電機而言，銅線的PDIV要求甚至需要達到7KV。除PDIV外，外層絕緣漆還需滿足耐電暈的要求，電暈是由于導線表面的電壓強度很高，引起空氣電離而發生的放電現象。本質也是抑制局部放電對漆膜的破壞。（下文我們將以PDIV為主要要求展開研究）。

尤其是對于扁銅線繞組而言，下圖位置更容易出現局部放電，耐壓、耐電暈的要求更高

 

降低局部放電的手段大概有三個方向。一是降低電壓，二是減少銅線曲率半徑小的部分，三是提升銅線表面絕緣性能，即提升PDIV值和耐電暈性能。對于電機而言，方向一根本不可取，方向二只能部分優化，無法針對性做重大改進，因此方向三提升銅線的表面絕緣性能是重點研究方向。

繞組的PDIV值可以根據經驗公式來進行估算，公式如下

圖源：公眾號：調皮的JINX

其中：

• V：PDIV值(Vrms)
• T：絕緣材料厚度
• εr：材料相對介電常數

從公式可以看出，PDIV與絕緣材料厚度成正比，與材料相對介電常數成反比。因此提升繞組的PDIV值也從這兩個方向來展開-增加絕緣漆厚度或者采用低介電常數的材料。為保證銅線利用效率的最大化，目前的技術方向為在盡量不增加漆膜厚度的情況下采用新型低介電常數的材料，此外在表面增加耐電暈涂層來避免降低局部放電帶來的危害。

 目前常用的絕緣漆材料有聚酰胺酰亞胺漆（PAI）、聚酰亞胺漆（PI）、聚酯亞胺漆（PEI）、聚醚醚酮（PEEK）。

由于PI材料介電常數較低，精達、金杯電工等企業采用的PI絕緣外加耐電暈漆膜的方案，也稱厚漆膜的方式實現。

如精達股份采用的是PI+耐電暈P(A)I的方式提升PDIV和耐電暈性能。根據精達股份介紹，采用該種結構的漆包扁線，雙邊漆膜厚度在320 μm左右，常溫PDIV可達2200Vp以上，同時耐電暈性能能達到100 小時以上。

金杯電工同樣采用該方案，并且針對厚漆膜均勻性和附著性差的問題，采用耐電暈PI薄膜燒結工藝。

厚漆膜的路線雖較為容易實現，但加工過程需要多道涂覆、烘烤，產品偏心度較大，尺寸一致性較差，后續加工漆膜開裂風險增加，進而影響PDIV性能。PEEK材料具有耐高溫、耐腐蝕、較好的機械性能等特性，因此是漆膜薄化的主要應用材料。國內佳騰電業、日本古河電工采用的是PEEK線技術路線。與厚漆膜路線相比，PEEK材料采用擠出工藝（中間層仍選用PI或者PAI），均勻性和一致性更優。

圖源：公眾號：調皮的JINX

電機企業中本田IMMD和采埃孚采用了PEEK技術路線。

但PEEK線的成本和后續加工難度目前均高于厚漆膜路線。當前PEEK線的關鍵專利歸日本古河電氣所有。

關于未來，現在很難直接下定論厚漆膜和PEEK線的確定性。單從成本方面考量，厚漆膜路線更容易在平民車型上大量應用，PEEK線則主要應用在高溢價車型上。

總結

首先非常感謝“調皮的jinx”，幫我解答了很多疑問。由于經驗有限，文中有不足之處還請諒解。高壓電機是一個系統的工程，因為除高壓外，高速、油冷也帶來了新的挑戰。本文重點對高壓部分進行了一些簡單的研究，最終工程的量產落地還是需要行業內企業共同的努力。