國產(chǎn)耐電暈聚酰亞胺薄膜在變頻牽引電機上的應(yīng)用研究

王文進(jìn)， 陳紅生， 梁西川， 薛長志

（中車株洲電機有限公司 電氣絕緣技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412000）

0 引 言

變頻牽引電機具有節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速方便等優(yōu)點，其安全性和可靠性直接影響動車的運行。變頻調(diào)速牽引電機受PWM逆變器控制，由于電機受到逆變器輸出的高頻、快速變化電壓的沖擊，其絕緣受到電應(yīng)力的影響，電機繞組易產(chǎn)生局部放電，從而加速變頻電機絕緣劣化，造成絕緣過早失效[1-4]。

為保障變頻牽引電機的長期穩(wěn)定運行，對絕緣結(jié)構(gòu)及材料提出了更高要求。美國杜邦公司于20世紀(jì)90年代開發(fā)出耐電暈聚酰亞胺薄膜（型號為Kapton@CR），日本鐘淵公司也于2005年左右開發(fā)了耐電暈聚酰亞胺薄膜產(chǎn)品（型號為Apical@CR），這兩款耐電暈聚酰亞胺薄膜（以下簡稱耐電暈薄膜）能大幅提高電機匝間絕緣的耐電暈放電能力，延長絕緣結(jié)構(gòu)老化壽命[5-6]，已被廣泛應(yīng)用于變頻牽引電機絕緣。但耐電暈薄膜作為變頻牽引電機匝間絕緣的關(guān)鍵材料，目前還沒實現(xiàn)批量國產(chǎn)化替代，長期以來仍依賴進(jìn)口。

為打破國外公司在高端聚酰亞胺薄膜領(lǐng)域的壟斷，國內(nèi)不少薄膜專業(yè)生產(chǎn)廠家和應(yīng)用企業(yè)以自主研發(fā)為使命，積極開展變頻牽引電機用耐電暈薄膜的國產(chǎn)化應(yīng)用研究工作，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了重大進(jìn)展[7-9]。中車株洲電機有限公司聯(lián)合中車內(nèi)部配套聚酰亞胺薄膜制造企業(yè)開展了耐電暈聚酰亞胺薄膜的國產(chǎn)化研究，并取得了成功[10]。本研究從耐電暈薄膜性能、電磁線性能、線圈成型工藝性等方面對比了國產(chǎn)耐電暈薄膜與同類進(jìn)口薄膜的綜合性能，為變頻牽引電機的批量應(yīng)用提供參考。

1 試 驗

1.1 耐電暈薄膜性能測試

耐電暈薄膜的常規(guī)性能按GB/T 13542.2—2009《電氣絕緣用聚酰亞胺薄膜》進(jìn)行檢測。薄膜的耐電暈性能按T/CEEIA 438—2020《電氣絕緣用聚酰亞胺薄膜技術(shù)要求》進(jìn)行檢測，測試條件：脈沖波形及極性為雙極性對稱方波，脈沖頻率為20 kHz，脈沖上升沿時間（負(fù)載）為100 ns，脈沖占空比為50%，脈沖電壓（UP-P）為2.0 kV，溫度為室溫。薄膜熱老化性能按GB/T 11026.1—2003《電氣絕緣材料 耐熱性第1部分 老化程序和試驗結(jié)果的評定》進(jìn)行檢測，選取中溫點280℃，對薄膜進(jìn)行1 000 h熱老化試驗，將薄膜的拉伸強度和電氣強度作為評價指標(biāo)。

1.2 耐電暈薄膜電磁線性能測試

委托電磁線生產(chǎn)廠家制備耐電暈薄膜電磁線，采用的耐電暈薄膜厚度為0.038 mm，薄膜疊包率為53%，電磁線的導(dǎo)體尺寸為2.5 mm×6.3 mm，標(biāo)稱的雙邊絕緣厚度為0.21 mm。

電磁線的常規(guī)性能按GB/T 4074—2008《繞組線試驗方法》要求進(jìn)行檢測。熱沖擊性能：將電磁線的窄邊彎曲，進(jìn)行10個周期的試驗，每個周期試驗包括在240℃的烘箱中烘焙2 h，取出試樣冷卻至室溫。

電磁線的耐電暈性能按GB/T 21707—2018《變頻調(diào)速專用三相異步電動機絕緣規(guī)范》進(jìn)行檢測，試樣示意圖見圖1。有間隙結(jié)構(gòu)試樣的距離為0.5 mm。測試條件：脈沖波形及極性為雙極性對稱方波，脈沖頻率為5 kHz，脈沖上升沿時間（負(fù)載）為100 ns，脈沖占空比為50%，脈沖電壓（UP-P）為6.0 kV，溫度為200℃。

圖1 電磁線耐電暈試樣Fig.1 Sample of magnet wire for corona-resistant test

電磁線的局部放電性能在重復(fù)方波電壓下測試，借助重復(fù)方波測試系統(tǒng)完成，試驗設(shè)備接線示意圖見圖2。

圖2 重復(fù)方波測試系統(tǒng)Fig.2 Repetitive square voltage test system

1.3 耐電暈薄膜電磁線應(yīng)用性能

將耐電暈薄膜電磁線繞梭、漲形，制得線圈如圖3所示。檢測線圈鼻部每匝電磁線的擊穿電壓，定量分析電磁線絕緣層的受損情況。

圖3 線圈模型Fig.3 Coil model

1.4 樣機驗證

按照電機產(chǎn)品正常工藝流程完成某型號電機的制備，在生產(chǎn)工序中進(jìn)行相對應(yīng)的絕緣性能檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐電暈薄膜性能

2.1.1 常規(guī)性能

國產(chǎn)耐電暈薄膜和進(jìn)口耐電暈薄膜的常規(guī)性能試驗結(jié)果見表1。

表1 耐電暈薄膜的常規(guī)性能Tab.1 General properties of corona-resistant films

從表1可以看出，國產(chǎn)耐電暈薄膜的耐電暈性能優(yōu)于進(jìn)口耐電暈薄膜，同時具備優(yōu)異的拉伸強度及斷裂伸長率。國產(chǎn)耐電暈薄膜的力學(xué)性能明顯優(yōu)于進(jìn)口耐電暈薄膜，原因與制備薄膜的亞胺化方式有關(guān)。國產(chǎn)耐電暈薄膜采用化學(xué)亞胺化法制備，而進(jìn)口耐電暈薄膜采用熱亞胺化法[11]。聚酰亞胺的兩種亞胺化路線如圖4所示，在熱亞胺化法中，加熱前期為聚酰胺酸的亞胺化和斷鏈反應(yīng)同步進(jìn)行，加熱后期為聚酰胺酸的亞胺化與端基重聚合（恢復(fù)分子量）同步進(jìn)行，不僅會導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)不均勻，而且還會因為“熱亞胺化動力學(xué)中斷”現(xiàn)象使得亞胺化程度受限。在化學(xué)亞胺化法中，首先是聚酰胺酸的羧酸基團(tuán)由于生成混合酸酐被封鎖，不會出現(xiàn)熱亞胺化過程中的分子量下降和平衡化，此外還能避免水解反應(yīng)，因此更利于獲得均勻一致的高分子聚合物，從而使薄膜具備優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖4 聚酰亞胺的兩種亞胺化路線Fig.4 Two imidization routes of polyimide

2.1.2 熱老化性能

國產(chǎn)耐電暈薄膜和進(jìn)口耐電暈薄膜熱老化過程中，拉伸強度和電氣強度變化分別如圖5和圖6所示。從圖5～6可以看出，兩款耐電暈薄膜的性能下降趨勢接近，表明兩者的耐熱性和熱穩(wěn)定性水平相當(dāng)，但在相同老化條件下，國產(chǎn)耐電暈薄膜的性能絕對值更高。

圖5 耐電暈薄膜的拉伸強度（縱向）Fig.5 Tensile strength (longitudinal) of corona-resistant films

圖6 耐電暈薄膜電磁線的電氣強度Fig.6 Electric strength of corona-resistant film magnet wire

2.2 電磁線性能

2.2.1 常規(guī)性能

耐電暈薄膜電磁線的常規(guī)性能見表2，從表2可以看出，國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線的拉伸附著性、擊穿電壓、熱沖擊性能與進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線水平相當(dāng)。

表2 耐電暈薄膜電磁線的常規(guī)性能Tab.2 General properties of corona-resistant film magnet wire

2.2.2 耐電暈性能

基于電機中線圈的電磁線相鄰兩匝間可能存在兩種不同結(jié)構(gòu)：槽內(nèi)直線部分的無間隙結(jié)構(gòu)和端部的有間隙結(jié)構(gòu)，對耐電暈薄膜電磁線開展無間隙結(jié)構(gòu)和有間隙結(jié)構(gòu)的耐電暈壽命分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 電磁線的耐電暈壽命Fig.7 Corona resistance life of magnet wire

從圖7可以看出，對于同一種耐電暈薄膜電磁線，有間隙結(jié)構(gòu)的耐電暈壽命均比無間隙結(jié)構(gòu)的高；對于相同結(jié)構(gòu)試樣，國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線的

耐電暈壽命均高于進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線，這與兩種薄膜的耐電暈性能趨勢一致。

2.2.3 局部放電性能

對比測試了10 kHz高頻下國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線和進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線的局部放電起始電壓（PDIV）值，試驗結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，在同等條件下，方波脈沖電源的上升沿時間越小，電磁線的PDIV會越低；同等條件下國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線的PDIV高于進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線。

圖8 電磁線在不同上升沿時間下的PDIV值Fig.8 PDIV values of magnet wire at different rising edge times

研究表明，變頻器與變頻電機的阻抗不匹配會導(dǎo)致電機端部產(chǎn)生過電壓，此過電壓在變頻電機的定子繞組中分布不均勻，當(dāng)過電壓大于局部放電起始電壓的時候，將可能出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，局部放電會使得變頻電機絕緣材料不斷破壞，從而導(dǎo)致絕緣失效[12-13]。

2.3 耐電暈薄膜電磁線應(yīng)用性能

考慮在線圈漲形過程中，線圈兩端鼻部的形變較大，絕緣層擠壓受力也較大，通過檢測線圈鼻部電磁線的擊穿電壓來定量分析絕緣層的受損情況。分別采用國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線和進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線制備相同線圈，對其鼻部位置的電磁線的擊穿電壓進(jìn)行檢測，試驗結(jié)果見表3，統(tǒng)計結(jié)果見圖9。從圖9可以看出，國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線試制的線圈鼻部擊穿電壓極差為1.7，低于進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線試制的線圈鼻部擊穿電壓極差2.7，表明國產(chǎn)耐電暈薄膜具備優(yōu)異的線圈成型工藝性，完全滿足牽引電機的應(yīng)用要求。

表3 線圈鼻部位置電磁線的擊穿電壓Tab.3 Breakdown voltage of the magnet wire at the coil nose position kV

圖9 線圈鼻部位置電磁線的擊穿電壓統(tǒng)計分析Fig.9 Statistical analysis of breakdown voltage of the magnet wire at the coil nose position

2.4 樣機驗證

樣機試驗結(jié)果見表4。從表4可以看出，采用國產(chǎn)進(jìn)口耐電暈薄膜和耐電暈薄膜制備的樣機均滿足各項性能指標(biāo)要求。

表4 樣機試驗結(jié)果Tab.4 Test results of motor

3 結(jié) 論

（1）國產(chǎn)耐電暈薄膜相比進(jìn)口耐電暈薄膜，具備更好的力學(xué)性能、耐電暈性能以及耐熱性能。

（2）國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線與進(jìn)口耐電暈薄膜電磁線的常規(guī)性能相當(dāng)，且具備更高的耐電暈壽命和PDIV值。

（3）國產(chǎn)耐電暈薄膜電磁線具備優(yōu)異的線圈成型工藝性，由其制備的樣機各項性能完全滿足指標(biāo)要求。