新能源汽车驱动电机在实际运行中，经受高压、高速、高热等环境考验，驱动电机定子承受各类应力都较普通电机更为严酷。局部放电现象是导致驱动电动机定子绝缘故障和寿命缩减的主要原因之一^[1-2]，可通过定子槽中可靠的绝缘材料对驱动电机定子槽内局部放电的产生及发展进行有效抑制。直接油冷电机在使用过程中会在高低温条件下与自动变速箱润滑油(automatic transmission fluid，ATF)长期接触，且运行过程中电机定子的温度会随着工况的不同出现骤热/骤冷等现象^[3-4]。

作为驱动电机槽内最主要的绝缘材料，间位芳纶类纸不仅有高耐压强度和良好的机械性能，还有耐高温、耐酸碱和耐辐射的优良性能^[5-7]。已有研究表明，间位芳纶类绝缘纸产品，在实际工况温度范围内存在明显的老化现象，其化学结构、微观形貌、机械强度等参量均会因温度环境作用出现明显的劣化现象。而与成分复杂的ATF长期接触，势必会对绝缘材料与绝缘结构的可靠性产生影响^[8]。

本文主要根据目前市场需求，对槽绝缘材料进行油品兼容性评价试验，主要考察高/低温、温变、水分等影响因子，选取3种0.25 mm规格的间位芳纶类绝缘纸进行油品兼容性试验。通过对其试验前后的各项性能测试，分析不同周期油品兼容性评定下材料的劣化程度，验证相关标准用于绝缘材料可靠性筛选的试验是否可行。

1 油品兼容性试验

目前关于新能源驱动电机绝缘材料及结构的可靠性评价主要集中在长期耐热性、电压耐久性、油品兼容性以及环境可靠性等方面。行业中常用表 1所示的3种方法评定绝缘材料的油品兼容性。这些方法可对比采用水含量作为加速因子是否可增加绝缘材料在温度冲击环境以及ATF中的劣化失效。在初始ATF介质含水量相同的情况下，相较透气阀密封型温度冲击，采用上述密封型温度冲击，油品兼容性评定方法可以更迅速加快绝缘材料分解，更适用于加速评定^[9-10]。但针对油品兼容性试验对绝缘材料有何劣化影响及主要影响因素的研究较少。关于评定体系的含水量，T/CEEIA 415—2023^[11]在附录C中对密封条件下ATF中水含量的计算给出了可行性模型的推导和计算实例。2023版标准采用2 000×10^-6初始水含量，155 ℃时液相中实际水含量约为1 103×10^-6，符合电机运行可能出现的实际工况。

1.1 预处理

选取不同生产商提供的3种厚度为(0.25±0.005) mm的商业化间位芳纶类绝缘纸样品(A~C)与1种ATF样品组合，分别进行4周期和8周期油品兼容性试验，样品及其参数见表 2。

将裁剪好的绝缘纸进行4 h(105 ℃)烘干处理，分别放置于已进行清洗、烘干处理的密封管容器中再次干燥处理1 h((105±2) ℃)；配置ATF油及去离子水的混合液，两者体积比为99.8∶0.2(先测ATF油的初始含水量，加入适量的水并混合均匀使混合液体总含水量达到(2 000±100)×10^-6)。待装好待测样品的密封容器冷却至室温后，将混合液沿密封容器内壁缓缓注入密封容器并将容器完全密封(注入量为密封容器内尺寸高度的75%)。

1.2 温度冲击处理

在高温和低温试验箱中进行表 3所示的温度冲击试验(试验参考T/CEEIA 415^[11])。将装有A~C纸样品的2组密封容器分别进行4周期和8周期循环温冲处理，完成后进行性能表征。

1.3 性能表征

微观形貌表征采用扫描电子显微镜(SEM，SU8010型)表征间位芳纶纸样品的表面形貌。

机械性能表征拉伸强度与断裂伸长率采用万能试验机(CMT6104型)测试；边缘撕裂性采用万能试验机(CMT6104型)测试(测试方法按照：GB/T 5591.2)。

化学性能表征采用傅里叶红外光谱仪(FT-IR，Nicolet IS50型)分析间位芳纶纸试样元素与化学键变化。

电气性能表征击穿电压采用50 kV工频耐压试验仪(JTKZ-5&JTKC-5&YDT-50&CVD-50型)(测试方法按照：GB/T 3333，快速升压法)；介电常数、介质损耗用LCR数字电桥测试(测试方法按照：GB/T 3334)。

2 结果及分析 2.1 耐油试验对绝缘纸微观形貌影响分析

间位芳纶纸属于纤维复合纸基材料，由结晶区短切纤维(增强纤维，由连续长丝切成的高结晶、高模量短段纤维)和非晶区沉析纤维(黏结纤维，在高剪切作用下将芳纶树脂溶液加入凝固液中沉析而制得的低结晶度纤维)2种形态结构经范德华力作用结合，与液体的相互作用行为各不相同^[13]。

图 1为A~C纸样品在ATF油中经过4周期和8周期温度冲击前后的SEM图。观察可知，初始状态下A纸、B纸的短切纤维呈扁圆形，且表面整体较光滑，A纸的纤维分布更均匀致密。密度最低的C纸纤维相对分散且细度不均，部分结晶区与非晶区接触面处于不完整状态。经过4周期和8周期温度冲击后，间位芳纶纸试样的表面形貌均有一定程度改变。4周期后A纸基本无变化，由于毛细作用，B纸表面的短切纤维与沉析纤维结合处吸附大量ATF油，C纸表面大量缺陷被ATF油填补，形成油膜。8周期后A纸最表层非晶区沉析纤维脱落，表面逐渐出现分丝，伴随少许油品附着；B纸表面的部分沉析纤维发生龟裂，结晶区短切纤维逐渐对外暴露；C纸的劣化现象尤为明显，ATF油富集在表面，部分相邻纤维间连接中断，沉析纤维近乎脱离，短切纤维大面积暴露。

2.2 耐油试验对绝缘纸表面吸附性影响分析

纸基结构的内部孔隙使其具有优异的吸附特性，更容易让液体浸润和渗透，减少空隙和气泡。这可能是由于结晶区域包含紧密有序的间位芳纶分子，分子间存在强烈的非键合相互作用，因此该区域的液体吸附仅限于表面。非晶区域的分子间的相互作用较弱且存在更多的空隙，使老化产物伴随ATF更容易进入^[14-15]。对试验前后间位芳纶纸的质量变化进行记录，并推算出相应密度改变量，结果如表 4所示。结合微观形貌分析的结果可见，ATF的吸附量随试验周期增加而增加，其中，密度较低的C纸吸附质量最高，其次是B纸，而密度较高、较为致密的A纸其相对密度变化最不明显。同等厚度的间位芳纶绝缘纸材料，其密度与表面吸附性呈一定正相关，且与接触时间正相关。

2.3 耐油性试验对绝缘纸机械性能影响分析

分别对A~C纸样品耐油性试验前后的样品进行机械性能测试，结果如表 5所示。

3种绝缘纸机械性能均随耐油试验周期增加而降低，耐油性试验后拉伸强度性能保持率下降较低，伸长率与边缘撕裂性的性能保持率降幅较高。其中，A纸、B纸的拉伸强度劣化不明显(超过初始性能的80%)，伸长率和边缘撕裂性性能保持较差；密度最低的C纸各项机械强度均降低最甚，8周期后伸长率、边缘撕裂(纵向)低于初始性能的30%。结果表明油品兼容性试验对间位芳纶绝缘纸材料的机械性能劣化影响明显。对比文献[10]中采用相同实验方法不同体系含水量(5 000×10^-6)的某一间位芳纶纸试验结果，绝缘纸的机械性能变化趋势一致，通过8周期的力学性能变化对绝缘纸材料进行筛选更直观、准确。

2.4 耐油试验对绝缘纸化学性能影响分析

分别对A~C纸样品的初始及在ATF油中经过4周期和8周期温度冲击后的样品进行FT-IR表征(见图 2)。仔细对照芳纶纸的红外光谱几个变化明显的特征峰。C—H的伸缩振动出现在2 853~2 962 cm^-1；酰胺Ⅰ带CO弯曲振动、酰胺Ⅱ带C—N伸缩振动和CO非对称拉伸振动分别出现在1 640、1 530和1 412 cm^-1。与初始状态相比，耐油性试验后未出现新的吸收峰，说明在此期间，3种绝缘纸未出现化学变化；3种绝缘纸的C—H的振动均明显增强，绝缘纸表面电负性增强；仅绝缘纸C的酰胺键和CO键强度明显减弱，这可能是由于ATF和老化产物进入非晶区域，氢键的稳定构型受到一定程度破坏^[16]。

2.5 耐油试验对绝缘纸电气性能影响分析

图 3显示A~C纸在ATF油中经过4周期和8周期温度冲击前后击穿电压的试验结果。结合SEM表面形貌分析，绝缘纸的击穿电压性能经4周期试验后均大幅提高，其中A~C纸的性能保持率分别为164%、185%和253%；经8周期的耐油试验后，表面较为致密的A纸与B纸性能略微下降，其性能保持率分别为150%和178%，受损更严重的C纸，反而由于油品在表面成膜，击穿电压呈现上升趋势(高于267%的初始值)。对比文献[10]中采用相同实验方法(5 000×10^-6含水量)的某一间位芳纶纸，其击穿电压增长100%以上(4周期高于222.86%初始值、8周期高于234.29%初始值)。纸基材料多孔且疏松的结构会吸附部分润滑油，且吸附量受材料密度影响，同等厚度下，密度较低的绝缘纸具有更疏松的表面结构，利于ATF填充表面缺陷，进而导致绝缘纸材料介电击穿强度的增强。耐油性试验对于绝缘纸击穿电压性能的劣化不明显。

介电性能可以反映出绝缘材料发生在绝缘内部的介电现象。图 4、图 5分别为A~C 3种间位芳纶绝缘纸在耐油性试验前后的介电常数、介电损耗随频率的变化曲线。从图 4结果可知，绝缘纸的介电常数会随频率的提高而略微下降。A纸、B纸经耐油性试验后，介电常数较初始状态有些许提高，这可能是由于间位芳纶纸经耐油性实验后，ATF油在纸表面形成一层致密膜，改善了表面孔隙不均问题。

由图 5所示的介质损耗因数结果可知，耐油试验前后A纸、B纸的介电损耗因数均随着电场频率的提高而发生些微降低；试验后芳纶纸的介电损耗，在10² Hz时下降到初始性能值左右。C纸在经8周期耐油试验后，介质损耗随频率的增加先升高后降低，并在412 Hz处达到最高值0.656，结合其介电常数试验结果，在412 Hz时C纸介电常数性能大幅衰减至1.245(仅为原纸的25%)。这可能是由于：1)同等厚度下，密度较低的绝缘纸表面劣化受损较严重，界面极化损耗升高导致；2)随着耐油性试验时间增加，ATF中的水分在油纸绝缘系统中的扩散行为增强，空间电荷更深地渗入绝缘纸，导致电场畸变，造成绝缘结构缺陷^[17]。

3 结论

1) 本文通过对3种0.25 mm厚度的间位芳纶基绝缘纸初始以及油品兼容性试验后微观形貌、化学结构、电气特性及机械性能等测试，结果表明采用T/CEEIA 415标准进行油品兼容性试验后，8周期评定对绝缘材料劣化更明显，用于槽绝缘材料和绝缘结构油品兼容性加速评定的可靠性更高，该标准更适宜通过力学性能变化评定绝缘材料可靠性，电学性能变化不明显。

2) 间位芳纶材料的介电特性受耐油性试验影响较低；而随着高低温冲击处理次数增加，部分纸的介电性能发生大幅衰减，可能是ATF和老化产物进入非晶区域，间位芳纶纸分子结构中氢键的稳定构型受到一定程度破坏，影响酰胺键和CO键强度变化。

3) 一定程度上，绝缘纸的密度与绝缘性能相关。密度较低的材料受益于毛细作用会增强间位芳纶纸表面对ATF的吸引力，填充孔隙进而增强间位芳纶纸的击穿强度，但对机械性能增益效果有限。随着耐油性试验时间增加，ATF中的水分在油纸绝缘系统中的扩散行为增强，会造成绝缘的缺陷，并加剧机械强度衰减。提高纸基结构的致密性有利于绝缘可靠性和耐久性。