《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Next-generation electrical machine insulation systems: Materials, processing technologies, digitalization and circular-sustainability approaches – A critical review
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电气绝缘系统（EIS）是电机（EM）可靠性、效率和服务寿命的核心，然而它仍然是电机制造中可持续性最差的要素之一。本综述对EIS进行了分层分析，涵盖初级（漆包导体涂层）、次级（槽衬和电工钢涂层）和三级绝缘系统（浸渍和灌封）。每一层都从材料组成、湿法加工技术和加工
电气绝缘系统（EIS）是电机（EM）可靠性、效率和服务寿命的核心，然而它仍然是电机制造中可持续性最差的要素之一。本综述对EIS进行了分层分析，涵盖初级（漆包导体涂层）、次级（槽衬和电工钢涂层）和三级绝缘系统（浸渍和灌封）。每一层都从材料组成、湿法加工技术和加工参数及其对介电、机械和热性能的影响方面进行了检验。材料配方、浸渍和灌封方法以及工艺自动化的进步提高了可靠性和制造可扩展性，尽管通常以更高的能耗和环境影响为代价。识别失效机理和状态监测策略将材料与工艺选择置于实际运行应力下进行考量。本综述随后指出了通往可持续绝缘的新兴途径，包括干式绝缘架构、可回收和低挥发性有机化合物（VoC）树脂，以及用于先进绝缘沉积的增材制造。将生命周期评估、生态设计和循环经济原则整合起来，对于可持续材料选择、工艺设计和寿命终止管理至关重要。最终，本综述将可持续性定位为核心设计变量，与热等级和介电强度同等重要，并是迈向下一代资源高效型电机的关键步骤。
**2. 电机EIS基础**
**2.1 电气绝缘系统的多应力加载**
电气绝缘系统（EIS）同时承受热、电、环境及机械（TEAM）应力，这些应力共同驱动老化过程。热应力源于连续运行、局部热点及加热-冷却瞬态，常用阿伦尼乌斯型反应速率模型描述。电应力包括交流、直流及高频逆变器电压，以及高dv/dt瞬态，可能引发局部放电（PD）和电树枝。环境应力（如湿度、粉尘）可通过水解或表面侵蚀加速聚合物降解。机械应力来自振动、热膨胀系数不匹配，常导致裂纹和界面损伤。多物理场框架强调应力耦合效应，例如热老化使绝缘变脆，促进裂纹和空隙形成，进而提高局部电场强度和PD敏感性。
**2.2 电机热分类**
国际标准（如IEC、IEEE、ASTM、NEMA）提供热分类以确保绝缘材料（EIM）在运行条件下的可靠性。热等级基于阿伦尼乌斯关系，每升高10
°C，绝缘寿命约减半。标准热等级（A、E、B、F、H）定义了最大允许连续运行温度（如F级155
°C，H级180
°C）。通过加速热老化试验（如IEC 60034-18或IEEE 117）评估合规性，测试老化后的介电强度、热寿命和击穿电压。
**2.3 定子和转子绝缘**
定子绝缘系统包括匝间绝缘（漆包导体涂层）、槽绝缘（槽衬、槽楔、分隔器）和浸渍/灌封树脂。转子绝缘需满足电气隔离、热稳定性和机械强度，尤其在高速电机中。多物理场仿真强调优化转子绝缘设计以维持高速旋转下的平衡和稳定性。
**2.4 槽绝缘组件**
**2.4.1 槽衬绝缘材料**：槽衬（如Nomex、Kapton、PEEK）电气隔离导体与铁芯叠片，其厚度和热导率影响槽满率和散热。**2.4.2 槽楔、槽分隔器和相分隔器**：槽楔（如玻璃纤维增强环氧层压板）提供机械稳定性；分隔器（如介电纸或薄膜）引入相间绝缘。粉末涂层作为接地壁绝缘的替代方案，可提高击穿电压和热路径。**2.4.3 浸渍和灌封树脂**：浸渍树脂（如环氧、聚酯、聚酯酰亚胺、聚氨酯、硅酮）填充导体间空隙，提高介电强度、热管理和机械完整性。灌封化合物提供更高结构刚度和环境防护。**2.4.4 电工钢叠片绝缘**：层间绝缘涂层（如C3-C6级）抑制涡流，但降低面外热导率（约0.2 W/m·K）。自粘型涂层兼具绝缘和粘合功能。**2.4.5 转子绝缘**：转子绝缘需应对离心力、热梯度和电磁载荷，新兴方法包括粘合粉末绝缘层和陶瓷填充粘合剂。
**3. 电机中使用的电气绝缘材料**
**3.1 材料类别**
热塑性材料（如PEEK）具有热可逆性和可回收性，但高温能力有限。热固性材料（如环氧、聚酯酰亚胺（PEI）、聚酰亚胺（PI））通过不可逆固化形成交联网络，提供优异的热稳定性、机械强度和化学耐受性，但可回收性差。
**3.2 匝间绝缘**
漆包线绝缘（如PEI/PAI多层涂层、PEEK挤出涂层）是围绕导体的第一道介电屏障。纳米填充PEI/PAI提供成本效益高的性能提升，PEEK涂层可实现超过10%的槽满率提升。材料选择需权衡涂层厚度、介电强度、热等级和成本。
**3.3 槽绝缘**
**3.3.1 槽衬**：Nomex（芳族聚酰胺纸）提供机械韧性和化学相容性；Kapton（PI薄膜）具有优异热耐久性和介电强度；PEEK适用于高电压汽车驱动（>800V）。复合材料（如NKN）结合Nomex成型性和PI介电性能。**3.3.2 槽楔、槽分隔器和相分隔器**：通常使用玻璃纤维增强环氧层压板或槽衬材料的较厚版本，以维持介电间距。
**3.4 浸渍和灌封树脂**
环氧树脂因适应性和强电热性能成为基准，填充配方可达R级（>200
°C）。聚酯酰亚胺树脂（如Voltatex 4200）具有短凝胶时间和固化时间，适用于F-H级。聚氨酯树脂（如Conathane EN-21）提供机械韧性和环境耐久性。硅酮树脂（如DOWSIL TC-6020）具有柔韧性和热循环抗性，但介电强度较低。单组分和双组分配方在加工简便性与性能之间权衡。
**3.5 层间绝缘**
电工钢涂层（C3-C6级）需要在绝缘电阻、冲压性和腐蚀防护之间取得平衡。C3级适用于薄膜和可焊性；C4级提高抗氧化性；C5级提供高介电强度（如20-40μm时>200 Ω·cm
2）；C6级混合涂层结合绝缘和自粘功能。
**4. 湿法绝缘工艺及应用技术**
**4.1 湿法工艺在电机制造中的重要性**
湿法工艺（浸渍和灌封）确保高介电强度、减少PD、改善热传导、机械稳定振动和热循环。挑战包括空隙形成、树脂粘度控制和固化优化。趋势是低粘度（10-2000 mPa·s）、快速固化（1-4小时）和环保树脂。
**4.2 浸渍技术类型**
**4.2.1 滴浸**：简单、短周期，适用于中小型定/转子，但大槽满率设计可能难以完全渗透。**4.2.2 滚浸**：旋转部分浸入树脂，离心力和毛细作用促进均匀覆盖，但难以穿透高密度绕组。**4.2.3 真空浸渍（VPI/VI）**：VPI通过压力阶段驱动低粘度树脂深入导体，实现均匀渗透；VI仅依赖真空，成本较低但可能饱和不足。**4.2.4 立式浸渍**：重力辅助渗透，但可能产生树脂分布不均。**4.2.5 热浸及浸烘**：简单但劳动强度大，周期长，溶剂损失和环境影响大。
**4.3 灌封技术类型**
**4.3.1 浸涂**：成本低，适用于中小型组件，但高密度绕组可能渗透不足。**4.3.2 真空辅助点胶**：精确控制树脂体积和分布，真空辅助提取空气和湿气，减少空隙，提高PD抑制和热传导。可完全自动化，适合中高产量。
**4.4 浸渍和灌封工艺的挑战**
**4.4.1 绝缘系统间的材料相容性**：不同EIM（如漆包、树脂、槽衬、涂层）必须化学和热相容，否则导致粘附不良、分层或界面反应。**4.4.2 材料可加工性和可持续性**：低粘度树脂易于渗透但可能性能不足；添加填料可提升性能但增加流动性困难。热固性树脂固化能耗高，回收困难，溶剂型树脂引入VoC排放。法规（如REACH）塑造EIM选择。
**4.5 比较分析**
浸渍和灌封工艺在自动化、成本、质量和可持续性之间存在权衡，直接影响热性能。计算案例研究量化了树脂类型和浸渍/灌封效果对绕组传热的影响。
**4.6 固化和加热技术**
**4.6.1 热风对流**：设计灵活，但均匀加热困难，响应慢。**4.6.2 短波红外（SWIR）**：表面加热，快速凝胶，但穿透深度低。**4.6.3 感应加热**：在导体中产生涡流，快速体积加热，高能效，适用于自动化生产。**4.6.4 焦耳效应**：直接通过导体加热，精确控制，但局限于导电路径。
**5. EIS中的失效机理与测试方法**
**5.1 失效机理**
老化是最普遍的问题，由TEAM应力共同驱动。热老化通过氧化降解聚合物，电老化（PD、电树枝）在高dv/dt逆变器激励下加速，环境条件（湿度、低气压）改变PD行为，机械应力（振动、热循环）导致裂纹和分层。化学应力（如油、汽车传动液）可降解漆包涂层。EIS退化最好描述为多应力相互作用，需综合测试。
**5.2 测试**
**5.2.1 离线电测试**：包括介电击穿强度测试（IEC 60243）、高电位测试、浪涌测试、PD测试（PDIV/PDEV，IEC 60034-27）。**5.2.2 在线电测试**：PD检测、电流信号分析、红外热成像、阻抗谱等。新兴方法包括基于驱动系统信号（电流、转子位置、转速）的诊断，以及车载状态监测（OCM）框架。**5.2.3 热测试**：材料级、子组件级（motorette）和整机验证。加速老化数据通过阿伦尼乌斯模型外推。**5.2.4 对材料和制造的影响**：测试结果强调需要新材料、新工艺和数字化策略，如自动浸渍监控、AI故障检测和数字孪生（DTs）。
**6. 先进材料、制造与数字化**
**6.1 新兴绝缘材料与工艺**
导体涂层方面，PEEK和纳米填充漆包提升热导率和电/机械性能，混合陶瓷-硅基纳米涂层在>500
°C下保持绝缘。热导EIMs（如硼氮化物、氧化铝填料）用于槽衬、浸渍树脂和漆包。智能材料（自修复聚合物、相变材料（PCMs））可延长寿命和改善热管理。增材制造（AM）方面，选择性激光熔化（SLM）用于铁磁合金和导体，多材料AM（MM-AM）沉积绝缘层，3D丝网印刷用于薄涂层。热喷涂（等离子、HVOF）和物理气相沉积（PVD）沉积陶瓷层，提供高介电强度和热导率。
**6.2 数字化集成与工业4.0/5.0**
工业4.0技术（AI、ML、物联网、大数据）实现实时监控、数据驱动决策和自动化。工业5.0增加人本和可持续原则。在绝缘系统开发中，ML辅助热成像、机器视觉、机器人槽衬插入、实时树脂粘度监控等。数字孪生（DTs）结合传感器数据预测磨损和故障。挑战包括工业验证、成本效益和人才技能。
**6.3 技术集成案例研究**
PCM冷却导体和MM-AM绝缘示例展示了集成材料、工艺和系统设计的重要性。PCM降低瞬态绕组温度，MM-AM整合导体和绝缘功能，但受限于打印质量。
**7. 可持续性与寿命终止考量**
**7.1 监管压力**
欧盟REACH化学限制、欧洲绿色协议等将环境目标转化为材料选择约束。企业承诺2030-2050年可持续目标，法规要求85%车辆质量可回收或再利用。
**7.2 湿法工艺电机的回收**
湿法工艺依赖高度交联热固性聚合物，严重限制物理分离和材料回收。化学解聚和火法冶金路线有前景但需验证。设计可持续性（DfS）原则和干式架构是通向更可回收电机的途径。
**7.3 可持续绝缘概念及相关挑战**
可持续策略包括：回收材料（用于二次绝缘组件）、低环境影响树脂（生物基、低VoC）、干式绝缘架构（可膨胀槽衬、高性能聚合物漆包、粉末涂层）、工艺优化（固化调度、粘度控制、感应加热）。每种方法都有权衡，如生物基树脂热等级较低，粉末涂层需均匀覆盖。完全去除湿法工艺在安全关键领域（如航空）不可行。
**7.4 生命周期评估与循环经济策略**
生命周期评估（LCA）和循环经济（CE）框架提供系统级视角。EoL处理是主要障碍，聚合物和胶粘剂阻碍铜、钢、磁体分离。数字化工具（DTs、预测维护）可延长寿命并改善材料可追溯性。结合DfS、LCA和CE原则对高性能、低环境影响绝缘系统至关重要。
**8. 结论与未来展望**
关键见解包括：干式高性能绝缘架构（如PEEK、PPS）的发展；多准则可持续绝缘设计方法；数字孪生和AI用于智能制造；生命周期和循环性纳入绝缘设计。未来方向包括：代表性多应力寿命验证、可扩展干式绝缘技术、可持续可回收绝缘系统、绝缘去除和EoL回收技术、数字质量控制与预测过程模型、循环经济与生命周期评估。这些努力对实现高性能、可靠、可制造和环保的电机绝缘系统至关重要。
