新能源汽车电机绝缘系统的可靠性验证与故障检测方法研究

引言：近年来，在节能环保、低碳出行理念的推动下，新能源汽车产业呈现跨越式发展。新能源汽车不断向高端化、智能化方向发展，推动了电驱动系统技术的快速迭代。其中，驱动电机作为新能源汽车三大核心部件之一，其性能和可靠性备受关注。电机绝缘系统作为电机的 " 心脏 "，对电机安全、高效运行至关重要。然而，电机长期处于高电压、大电流、高速运转状态，复杂多变的工况会加剧绝缘材料老化，引发绝缘失效。电机绝缘故障占新能源汽车总故障比例的 20% 以上，已成为制约行业发展的突出问题。开展新能源汽车电机绝缘系统可靠性研究，对于保障新能源汽车安全运行、提升行业竞争力具有重要意义。

一、新能源汽车电机绝缘系统可靠性研究的意义

（一）电机绝缘可靠性是新能源汽车安全运行的关键

新能源汽车以电驱动为主，驱动电机承担着将电能转换为机械能、驱动车辆行驶的重任。其中，电机绝缘系统包裹于电机定子绕组和转子绕组之间，起着电气隔离和抗电压的作用。一旦绝缘失效，极易引发匝间短路、相间短路、对地短路等事故，导致电机烧毁，甚至引发起火自燃等严重后果，直接威胁车辆和乘客的安全。因此，电机绝缘系统的完整性和可靠性，是新能源汽车安全运行的重要屏障。

（二）电机绝缘故障是新能源汽车常见故障类型

随着新能源汽车保有量持续攀升，电机故障问题凸显。有研究对某车企 10 万台新能源汽车进行大数据分析发现，电机故障占整车总故障数的23.5% ，是仅次于动力电池的第二大故障类型。其中，电机绝缘故障占电机故障总数的 62.7% ，高居首位。可见，电机绝缘问题已成为制约新能源汽车可靠性的瓶颈。随着新能源汽车向高电压平台发展，电机绝缘系统所面临的电应力不断加大，绝缘故障风险进一步提高。开展电机绝缘故障诊断，对及时发现和排除隐患，避免重大事故至关重要。

（三）开展电机绝缘可靠性研究是提高新能源汽车竞争力的需要

电机技术水平在很大程度上决定了新能源汽车的动力性、经济性和安全性，是国际汽车产业竞争的焦点。当前，国产新能源车用电机的功率密度、效率等性能指标与国际先进水平差距正在缩小，但在可靠性和一致性方面仍有不小差距。加强电机绝缘系统可靠性研究，掌握绝缘失效机理，完善故障诊断和健康管理技术，对保障电机高效安全运行、提升新能源汽车市场竞争力具有重要意义。可以说，谁在电机绝缘可靠性领域抢占先机，谁就能在未来新能源汽车产业竞争中掌握主动权。

二、新能源汽车电机绝缘系统失效机理分析

（一）电机绝缘系统组成及常见绝缘材料

新能源汽车驱动电机的绝缘系统主要包括定子绕组绝缘、转子绕组绝缘、槽楔绝缘、引线和引接线绝缘等。不同部位对绝缘材料的要求各不相同，需要根据实际工况和性能需求进行匹配设计。以定子绕组绝缘为例，通常采用多层结构，由 2-3 层绝缘带缠绕而成，绝缘带材料主要有云母带、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、芳纶纸等。此外，浸渍环氧树脂和纳米改性环氧树脂也是重要的绝缘材料。随着电机高电压、高功率密度方向发展，对绝缘材料的电气性能、机械强度、耐热等级提出了更高要求。正在研究的新型绝缘材料包括纳米复合材料、超支化聚合物等。

（二）电机绝缘系统的失效模式分析

电机绝缘失效主要表现为绝缘电阻下降、介质损耗增大、部分放电增强等。常见失效模式有：匝间短路：相邻绕组发生绝缘击穿，导致短路电流急剧增大，绕组发热烧毁；相间短路：不同相绕组之间绝缘遭到破坏，使电机丧失正常调速能力；铁芯接地：槽绝缘、相绝缘受损，引发绕组与铁芯短路，对地绝缘下降；端部放电：线圈端部电压应力集中，易引发沿面放电，导致绝缘表面炭化；槽楔脱落：槽楔松动脱落，使绕组松动，引起匝间摩擦放电，加速绝缘老化。

（三）电机绝缘系统的失效机理研究

电机绝缘系统失效是一个受电应力、热应力、机械应力、环境应力等多应力耦合作用的复杂过程。具体来说：电应力：高电压脉冲、浪涌等引起介质击穿，高频谐波加剧介质损耗和局部放电；热应力：电流热效应使绝缘材料加速老化，热胀冷缩导致界面应力集中；机械应力：高速运转产生的振动和冲击，引起匝间摩擦、槽楔松动等；环境应力：潮气侵入加速绝缘材质老化，油污悬浮物沉积恶化散热条件。

在多应力耦合作用下，绝缘材料会发生一系列物理化学变化，如高分子链断裂、交联、结晶等，导致绝缘性能持续恶化。尤其在高温条件下，绝缘材料会加速氧化、分解，产生水、二氧化碳等副产物，破坏材料致密性，引发局部放电，形成热电击穿通道。此外，在高速重载工况下，定子绕组会产生较大的电动力，引起绕组松动变形，加剧端部应力集中，导致槽楔松脱、绝缘磨损等。总之，在电－热－机械－环境的多场耦合作用下，绝缘材料由完整健康状态经亚健康、亚临界、临界，逐步走向失效。深入揭示电机绝缘系统的失效演化规律，对实现绝缘状态的早期预警和剩余寿命预测至关重要。

三、新能源汽车电机绝缘系统故障检测方法研究

绝缘电阻和介质损耗因数是评价绝缘性能的重要指标。利用阻抗谱技术，在不同频率下测试电机绝缘阻抗，可获得反映绝缘状态的 Cole-Cole圆弧曲线。通过观测 Cole-Cole 曲线的形状、位置等参数变化，可实现绝缘故障诊断。研究表明，随着绝缘老化程度加深，阻抗谱曲线逐渐右移，圆弧半径减小。国外某高校利用该方法对 200 台电机进行绝缘状态评估，准确率高达 95% 。但该方法易受温度、湿度等环境因素干扰，在线测试难度大。

（二）基于部分放电的绝缘故障检测

部分放电是评估高压电机绝缘的有效手段。当绝缘受到破坏时，在气隙或表面会产生放电信号。通过超声、高频等传感器采集放电信号，再进行模式识别、特征提取，可实现绝缘缺陷定位。华中科技大学研发了一套基于超宽带传感阵列的部分放电检测系统，实现了对电机槽部、端部等局部放电的精准诊断。西门子公司利用高频电流传感器实现了电机绝缘状态的在线评估。但部分放电信号易受噪声干扰，信号特征提取和缺陷类型识别有待进一步优化。

（三）基于电流信号的绝缘故障检测

电机电流信号蕴含丰富的绝缘状态信息。当绝缘发生层间短路、匝间短路时，会引起电流幅值突变、频谱畸变等。对电流信号进行时频域分析，可以诊断绝缘的早期退化。清华大学提出了一种基于经验模态分解和希尔伯特变换的电流信号处理方法，实现了电机匝间短路故障诊断。中国矿业大学利用小波包分析提取了绝缘故障暂态电流的奇异值特征，建立了电流模式数据库，准确率达 95% 以上。但电流信号易受负载波动影响，需要消除工频成分等背景噪声。

（四）基于振动和温度的绝缘故障检测

绝缘老化和放电会引起电机机械状态异常，可通过振动、声发射、红外等信号反映出来。利用加速度传感器采集电机壳体振动，通过多点测温获取定子温升，再进行信号特征提取和模式识别，可间接诊断绝缘故障。上海电机学院搭建了电机振动－热－电多信息融合诊断平台，实现了典型绝缘故障的识别，准确率超 90% 。江苏大学利用声发射技术，通过小波包能量谱和支持向量机建立了绝缘缺陷分类模型。但机械状态信号的传递路径复杂，故障敏感度和定位精度有待提高。

结语

综上所述，新能源汽车电机绝缘可靠性已成为制约行业发展的瓶颈问题。电机绝缘系统在多物理场耦合作用下，呈现出多模式、多阶段的失效特点，其退化机理尚不明确，状态监测和故障诊断方法有待进一步创新突破。未来，电机绝缘系统可靠性研究应着重在以下方面持续发力：多学科交叉研究绝缘材料失效机理，构建多应力耦合作用下的绝缘老化模型；创新绝缘状态传感检测技术，突破在线监测和实时诊断瓶颈；研究基于大数据和人工智能的绝缘故障诊断方法，实现从数据驱动向知识驱动的跨越。

参考文献

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