电机高频建模

高频绝缘诊断

摘要

传统新能源驱动电机主要考虑电磁、机械、热设计，而绝缘系统通常采用间接设计。随着平台电压升高、电机转速提升、第三代半导体器件的应用，正向绝缘设计变得日益重要。实现精确的绝缘设计对于节省开发的时间成本，提升电机整体性能有决定性作用。对于新能源航空电推进电驱平台，长电缆、低气压、潮湿环境、高功率密度、冷却困难等条件耦合作用下，正向绝缘设计成为一种刚需。目前作为绝缘正向设计核心的绝缘仿真建模目前在国内外都尚处于起步阶段，制约绝缘系统仿真建模的最大困难在于预测电机端部以及内部的电压分布于波形。为了解决此问题，高频建模应际而生，并可以根据客户需求以及建模精度可以分为三个层面：如图1中所展示的灰盒模型、Coil-based 模型以及针对扁平导线电机的白盒模型，通过三种高频建模分别可以实现在高频下：电机端部、绕组端、每根导线上的电压大小的预测。对于新能源主车厂、主机厂、电控制造商、材料供应商，高频仿真模型能够提供了多维度正向设计以及优化参考。

一、背景

随着新能源汽车和航空器的发展，高压化和高速化已成为高功率与高功率密度电机未来的发展方向。高压带来充电速率的提升，提高转速可以提高电机的功率和功率密度，或者保持同样的功率和性能，缩小电机的体积、质量和成本。然而，绝缘问题随着高压高速化逐渐成为了工程上的难题，高压高频电机开发的风险往往较大，周期较长。其中一些典型困难长包括：电缆和 SiC 高频半导体开关的应用导致严重的电压振荡现象。传统 IGBT 半导体开关速率较低，电机端口的电压振荡通常小于 10V/ns，而 SiC 等半导体器件开关频率快，这导致电压振荡幅度可能会高达 50V/ns。对于采用分布式推进的新能源汽车，飞行器，由于追求气动性能以及布局优化，不可避免地会使用长电缆来连接电机以及控制系统，此种情况下电压振荡幅度甚至可能达到稳定值得两倍，如图2中所示，电压振荡，严重影响绝缘系统寿命，如出现设计不合理极其容易出现绝缘击穿导致电机报废。

对于新能源电动航空，环境端例如：气压、湿度、温度等环境因素对于电机绝缘系统的安全性有极大挑战。如图3所示，局部放电起始电压PDIV 随着气压降低而显著降低，这意味着在高空中，绝缘层在同等电压下更容易发生失效。另一方面，绝缘系统还受到温度的显著影响，例如电机化以及失效。而为了解决电机散热问题而采用的各种冷却介质对于绝缘系统兼容性也存在较大影响，在绝缘设计时也需要综合考量。综上所述，散热不佳导致积热，会显著降低绝缘层的绝缘效果，导致绝缘系统绝缘系统在新能源汽车快速迭代以及航空电气化背景下，正向绝缘敏捷设计逐渐成为一种刚需，对于绝缘系统中的 TEMAC（即温度、电场应力、电磁、环境、冷却介质）等五大要素的综合设计与仿真建模变得格外重要。其中，打开绝缘正向设计的第一把钥匙在于精确预测电机端部、内部、甚至是没一根导线，在不同工作状况以及不同电机设计下的电压分布与波形。为了解决这个问题，现在的研发团队必须通过冗余设计和重复实验测量来解决绝缘问题。这将导致研发过程耗时长、投入高、工作量大、预期不稳、设计自由度小、可行性存疑等问题。这些问题严重阻碍了高功率与高功率密度电机的技术迭代和发展。因此，我们提出并开发了一套基于高频建模的数字化绝缘设计方案——即针对不同客户不同需求的灰盒、Collbased、白盒高频仿真建模。

二、高频仿真建模技术

（一）灰盒模型

针对变频器与电机之间的相互作用，世界上其他研究人员主要致力于感应电机或带表面安装磁铁的永磁同步电机的高频建模。其过程往往只保留定子线圈来进行高频建模，实际上低估了电机在实际运行中的电场压力，从而导致电机在运行中出现绝缘击穿，除此之外永磁电机中不同相在低频率范围内阻抗值有较大差异，相与相在低频范围内的差异增加了建模的困难程度。我们团队首创的灰盒建模方法直接对带有内部磁铁的永磁同步电机的建模，在克服复杂的建模过程后，作为回报，得到了极高精度预测的灰盒模型。灰盒模型基于阻抗频谱测量，简化电机内部结构，采用等效电路原理，考虑 d-q 轴不对称性，实现电机端部电压大小、波形的精确模拟计算。阻抗频谱测量原理如图5所示。目前可以实现: 频率上的精度误差：≤ 3%(1K hz-5M hz); 时域上最大电压精度误差：共模电压：≤ 5%; 差模电压：≤ 10%。

根据不同的客户群体，灰盒模型对于产品优化以及产品开发有如下意义：
1）针对电控开发商：灰盒模型可以根据不同电机设计提供端部过电压预测，对于电控厂商开发与优化滤波器有指导意义，通过电机电控优化
可以抑制电机产生过电压现象。

2）针对电驱动材料供应商：高频灰盒模型可以用于测量铁磁材料在高频下的等效磁导率，这对于高性能电机的设计有重要意义。

3）对于整车厂、主机厂、驱动制造商：灰盒模型可以用于验证电驱动系统匹配度，检查电机电控适配度，确定电机整体等效绝缘系统等效电容频谱。通过预测共模电压预测轴电压，为轴电压的检测与防护提供理论指导。从绝缘角度为定子线圈设计提供了参考：该模型还能预测了转子位置对电压震荡行为的影响，在其他条件如电压上升率和电缆长度一致的情况下，转子的位置变化，电压振荡过程中出现的最大电压峰值会有10% 以上差别。电机的绝缘检测是在电机在工况运行所对应的外部环境下，尽可能使用工况下对应的电压脉冲来对电机的绝缘系统进行加载。绝缘系统测试使用的电压脉冲如果估计高于实际工况出现的电压应力，则往往导致电机的绝缘系统过度设计。电机绝缘系统的过度设计会进一步
减小电机的效率和散热能力，最终降低电机的功率密度。采用灰盒模型，可以根据实际电驱系统的布局，包括电力电子器件的开关特性，电缆的布局和阻抗特性和电机的高频建模，来计算出电机实际工况下所承受的电压脉冲应力。这个计算出来的电压脉冲应力，可以为高功率与高功率密度电机的绝缘检测提供准确的依据。另外，如果这个电压脉冲应力高于被测试电机设计时所遵守的标准，则可以通过改变电机控制算法和电缆的布局来来减小电压脉冲应力。

4）对于航空而言，灰盒模型还可以用于电磁干扰预测以及防护设计。分析并优化飞机整机中驱动系统的布局与绝缘效果；根据灰盒模型的预测，可以确定电缆长度和电压变化率对电机终端最大电压峰值的影响，并进一步灵活调整电缆长度和电压上升率。在保证电机绝缘系统不出现局部放电的前提下，可以根据逆变器的布局、电机的相对位置、开关的频率和速率可以被进一步优化。

（二）Coil-based 模型
基于灰盒模型，适用于同代电机优化绝缘设计，无需很详细的几何参数，通过对两款相似的电机进行测量并建模，可快速验证绝缘优化的可行性。测量方式与灰盒模型介绍中的流程相同。目前可以实现: 频率上的精度误差：≤ 6%(1K hz-5M hz); 时域上最大电压精度误差：共模电压：≤ 5%; 差模电压：≤ 10%。Coil-based 模型在灰盒模型的基础上，对于电
机制造商进行特别优化，可以将绕组端电压大小、波形、分布进行精确预测，对于电机制造商对现有电机进行绝缘优化提供了仿真建模的方法，节省优化的时间和成本。

（三）白盒模型
在灰盒模型的基础上，针对使用扁平导线的电机，我们开发了更为精确的“白盒模型”，用于更精确的定量分析绝缘厚度。由于电压振荡沿着定子测导体并不是均匀分布的。因此，对于此类电机，能够确定定子测绕组电势分布的白盒模型十分重要。带有扁平导线的电机内部的每个导体的位置都是已知的，所以计算带有扁平导线的电机内部电势分布是理论
上可行的。到目前为止，学术界、工业界由于缺乏对电机内部电场应力的精确了解，绝缘层通常采取过度设计。而借助白盒模型可以减少绝缘厚度，进一步改善电动机的冷却，进一步提高功率密度，并且保证绝缘不发生失效，实现电机敏捷开发与迭代。原理上通过电路模型通过有限元参数化，确定电感、电阻、电容。白盒模型需要通过输入两类数据，在不借助电机样机测量的情况下完成建模：
1）电机几何参数（CAD），部分细节可以模糊化，但过度模糊的数据最终会影响精度;
2）电机材料参数：绝缘层的电容率、厚度、电阻率；铁磁材料 BH曲线、电容率、损耗角。

目前可以实现: 时域上最大电压精度误差：共模电压：≤ 5%; 差模电 差模电压：≤ 10%。高频白盒建模最重要的创新点在于：

1）从原理上验证了电机正向绝缘设计的可行性：电路模型通过有限元参数化，确定电感、电阻、电容，而不需借助电机样机测量。这对于电机设计而言，可以通过绝缘厚度设计来扩展电机设计中考虑的经典多物理域，进一步进行优化，减少电机设计时迭代的次数和时间。

2）解决了传统建模中高频铁磁材料等效磁导率无法测量的问题：使用有限元分析计算电机内部导线之间电感之前，通过引入了一个与频率有关的等效磁导率来模拟集肤效应和邻近效应。需要注意的是，电机内部硅钢片中的等效磁导率不仅取决于频率，而且还取决于硅钢片的几何形状。其他研究人员也试图解决这个问题。然而，他们只考虑了频率对磁导
率的影响，而没有考虑铁板的几何形状和实际加工过程的影响。铁磁材料的最大可测量的磁导率仅仅几千赫兹，而高频模型要求磁导率达到几百万赫兹。目前尚无其他学者开发出估计随频率变化的磁导率方法。在灰盒模型基础上，进一步的估计高频范围内的磁导率。这个通过灰盒模型计算出来的磁导率有效频率范围，高达至少五百万赫兹。最后，利用有限元计算，通过比较有限元分析得出的相电感和前面从剩余的灰盒模型推导出来的相电感，确定了五百万赫兹频率范围内的硅钢片的等效磁导率。

3）解决了最困难的相邻导线耦合作用问题：等效电路参数在基于整个电机的有限元结果下的拟合。该等效电路及其参数有一些基于物理规律的要求。首先，必须考虑随频率变化的互阻抗和自阻抗。很多文献通过使用 RL-梯形网络可以很好地解决随频率变化的自阻抗问题，这一方法可以在德国电机设计泰斗 Binder 教授和 Ponick 教授的许多有关高频建模的论文中找到。然而，随频率变化的互阻抗却没有得到很好的关注。因此需要创建一个电路结构，以满足宽频域范围内的自阻抗和互阻抗随着频率变化而变化的规律。值得注意的是，两根相邻导线的自阻抗和互阻抗并非完全独立变化的，这一点在甚至最新的相关文献中也没被有考虑到，例如 2021 年底出版在 IEEE industry applications 的标题为“Holistic
Modeling of High-Frequency Behavior of Inverter-Fed Machine Winding,Considering Mutual Couplings in Time Domain”的期刊论文。为了实现这一点，通过创造性的引入了互感，其在等效电路中的相对位置与连接方式在经过调试后找到了最合适的设置。

总结

高频建模是打开绝缘正向设计的第一把钥匙，通过绝缘仿真建模融合电机机械、电磁、热设计。对于综合考虑电机工况、控制策略、电磁兼容、绝缘材料的设计开发，绝缘系统的检测有重要工程意义，以高频建模为框架可以衍生出更多绝缘方向的研究与工程经验。

高频绝缘诊断

附件是正文里的标图。

高频绝缘诊断

真诚的期望汽车电机与风电电机相关从业者进行讨论。我们是亚琛工业大学电机所的。对高频电机绝缘有一定的研究成果。致力于用最低成本解决电机绝缘系统的局部放电问题；基于绝缘能够设计研发更低成本的更高性能的电机。尤其目前新能源汽车领域的800V SiC电机，有很好的绝缘解决方案。再此，真诚的合各位前辈探讨，并寻求合作机会。

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手动置顶。各位大佬，相关问题可以讨论啊。

17695961225

是扁线外部的包裹涂层材料改了吗

高频绝缘诊断

17695961225 发表于 2023-9-19 17:05
是扁线外部的包裹涂层材料改了吗

我们的技术就在于将扁线电机的扁线导体之间的电压震荡能够实际测得，那么就能对放电电压的峰尖系数能够实际了解，就能对相应区位的导线上的绝缘涂层做相应的涂抹。而不是简单的做绝缘涂抹，而是根据真实的，每根导线上的电压震荡做实际的绝缘层涂抹。

17695961225

高频绝缘诊断 发表于 2023-9-20 09:01
我们的技术就在于将扁线电机的扁线导体之间的电压震荡能够实际测得，那么就能对放电电压的峰尖系数能够实 ...

那就是都成型完毕之后，类似浸漆那种增强绝缘呗，还是说出厂时候已经针对薄弱点进行绝缘增强

高频绝缘诊断

17695961225 发表于 2023-9-20 09:10
那就是都成型完毕之后，类似浸漆那种增强绝缘呗，还是说出厂时候已经针对薄弱点进行绝缘增强

能加微信私聊么。不是技术出身。相关技术交流可以跟我们的博士讨论。903762475

高频绝缘诊断

高频绝缘诊断 发表于 2023-9-20 11:12
能加微信私聊么。不是技术出身。相关技术交流可以跟我们的博士讨论。903762475

是真诚的建议。也是为了更好的交流。相互促进。