航空航天电静液作动器（EHA）电机绝缘系统的热老化

《Processes》：Thermal Aging of Aerospace Electro-Hydrostatic Actuator (EHA) Motor Insulation Systems

　　

在整个服役周期中，电静液作动器（EHA）承受多物理场应力，包括耦合效应，如高温、剧烈温度变化和高频脉冲。这些应力不仅作用于机械结构，还持续劣化绝缘材料的介电性能和机械强度，长期累积可能导致绝缘性能下降。因此，绝缘系统能否在此类恶劣条件下保持稳定成为制约EHA可靠性的核心因素，其绝缘可靠性直接决定飞机作动系统的运行安全。针对航空航天EHA电机绝缘系统，本文旨在基于多维度介电参数的动态演化特征构建系统化的状态评估方法和寿命退化特征。研究人员对270 V I型航空航天EHA电机绝缘系统进行了加速热老化和热循环试验，并对等效电容（C_eq）、局部放电起始电压（PDIV）和泄漏电流（I）进行了多参数跟踪。结果表明，C_eq对早期绝缘损伤具有高敏感性；PDIV在老化过程中呈现非单调波动，结合帕邢定律，中期热膨胀导致气隙尺寸减小是其阶段性恢复的物理根源——验证了将PDIV作为电气安全边界的合理性；相比之下，泄漏电流表现出显著滞后性，在0.35–0.55 mA范围内保持稳定，直至急剧跳变标志着贯通性导电通道的形成，该跳变可作为最终失效判据。在此基础上，研究人员构建了分层评估框架：C_eq捕捉退化前兆，PDIV定义安全边界，泄漏电流作为最终失效指标。本研究完善了航空航天电机绝缘的多应力评估方法，为下一代多电飞机作动系统的可靠性评估和寿命预测提供了实验支持。

**论文解读：航空航天EHA电机绝缘系统热老化与多参数评估方法**

**研究背景、问题与意义**

随着多电飞机和全电飞机技术的持续发展，机载作动系统正朝着高功率密度、高效率、高可靠性和轻量化方向快速演进。电静液作动器（EHA）凭借其结构紧凑、响应快、控制精度高、易于系统集成等优势，成为下一代航空航天作动系统的重要发展方向。EHA系统的安全稳定运行高度依赖于其核心电机的可靠性，而电机的安全可靠性在很大程度上由其绝缘系统的健康状态决定。当前EHA研究主要集中于系统构型、数学建模、控制策略和性能优化，对EHA专用变频电机绝缘系统的研究相对不足。

与传统运行于正弦或直流电压下的电机不同，航空航天EHA电机在极端条件下运行，包括低气压、强烈热应力以及碳化硅逆变器引入的高频脉冲电压。其绝缘退化受到多应力耦合效应的显著影响。高频脉冲在EHA电机绕组内发生复杂的行波反射和折射，由于波阻抗不匹配，电机端部和线圈前几匝易发生电压叠加，导致局部电场严重畸变，极大增加局部放电（PD）起始风险。此外，高温航空环境与高开关频率导致的内部发热相结合，形成严重的热-电复合应力，加速绝缘聚合物的分子链断裂和氧化，使电机面临比传统电源更严重的加速老化和早期失效风险。根据IEC 60034-18-41定义，I型“无局部放电”绝缘系统指的是在服役期间预期不发生PD的系统，PD起始即视为寿命终止。因此，对于I型低压随机绕组逆变器馈电电机，核心设计目标是在整个寿命期内完全避免PD。然而，实际航空航天服役条件仍可能带来超出标称设计规格的PD风险，通常需保留一定设计裕度。在此情况下，仅依靠单一指标难以准确评估绝缘系统健康状态，建立由局部放电起始电压（PDIV）、电容和泄漏电流组成的多参数联合表征体系尤为重要。

现有研究[4–9]存在若干共性局限：多数聚焦于单个绝缘部件而非完整电机绝缘系统协同多结构相互作用；对同一完整电机样本同时跟踪多个介电参数（电容、PDIV、泄漏电流）的研究极少；稳态热老化与循环热应力对电气参数的对比效应尚未探索，特别是热膨胀系数（CTE）失配引起的热机械应力及其对完整电机绝缘介电响应的影响。本文基于上述背景，以270 V I型航空航天EHA电机为研究对象，构建综合测试系统，评估热老化和热循环，多周期跟踪泄漏电流、等效电容和PDIV，研究其在连续热应力和剧烈温度变化下的动态演化。创新点包括：第一，实现完整电机样本上电容、PDIV和泄漏电流的同时跟踪；第二，系统比较等温热老化和热循环，揭示各参数的不同响应模式，尤其是循环热机械应力加剧的振荡行为；第三，建立基于参数特定灵敏度的分层预警与评估框架，提供退化检测、安全边界定义和失效识别的定量判据。研究结果为航空航天EHA电机绝缘可靠性评估和寿命预测提供理论与实验支持。

**关键技术与方法**

研究人员使用270 V航空航天EHA专用变频电机作为样本，其定子采用三相绕组结构，绝缘系统包括铜导体（直径0.4 mm）的聚酰亚胺（PI）绝缘层、层间PI膜（厚0.05 mm）和槽内主绝缘PI膜（厚0.15 mm）。试验平台包括：高温箱（GW-240B，精度±1℃）和低温箱（DW-60W151EU1/-70）用于热老化和热循环；PDIV测试系统由高压功率放大器（TREK 30/20）、局部放电检测装置（PD-Base）、高频数字示波器和限流保护电路组成，采用工频正弦电压（依据IEC TS 60034-18-41）；泄漏电流测试使用HIOKI 3153自动耐压测试仪，测试电压1.5 kV AC/50 Hz，阈值15 mA；电容测试使用TH2828S精密LCR数字电桥，1 V/1 kHz，Cp-D模式。热老化温度点设为245℃、260℃和275℃，单周期时长分别为144 h、72 h和48 h；热循环遵循IEC 60068-2-14，高温保温后自然冷却至室温，再转移至低温箱冷却至?50℃并保温1.5 h。所有样本在试验前进行初始电气性能测试（T0）作为基线，并随机分组。

**主要研究结果**

**4.1 泄漏电流演化规律与物理模型**
EHA电机初始泄漏电流保持在极低水平（0.4–0.55 mA），即使在275℃/480 h极端热老化条件下也未出现跃升，归一化相对变化率控制在?25%至+10%之间。泄漏电流主要来源于体积电导和表面电导，其高度稳定表明当前测试范围内绝缘系统未出现显著导电通路，绝缘性能未受明显损伤。

**4.2 热老化下泄漏电流变化与分析**
初始热老化阶段（前250 h），部分样本泄漏电流显著下降（约20%），归因于高温促使PI中残留聚酰胺酸（PAA）进一步亚胺化，消除极性羧基（-COOH），减少可移动离子和界面电荷积累，同时改善浅陷阱输运能力。另一部分样本因初始亚胺化程度高、界面微裂纹抵消了结构优化效果，泄漏电流保持稳定或略有增加。整体未出现指数式急剧增长，确认PI绝缘处于热降解的“诱导阶段”。

**4.3 热循环下泄漏电流变化与分析**
热循环中泄漏电流总体趋势与热老化相似，但首周期后部分样本出现瞬态增加，这与快速升温引起的PI与金属电极热膨胀系数失配、界面微空隙产生以及极性基团取向极化未完全恢复有关。后续周期中，界面应力逐步释放、羧基持续消除，泄漏电流返回较低水平。所有样本均未出现指数式急剧增长，表明PI绝缘仍处于热降解诱导阶段。

**4.4 热老化下等效电容变化**
绕组对地等效电容（C_eq）随老化时间呈显著非线性衰减。以275℃组为例，首周期迅速下降约6.9–9.6%，随后衰减速率减慢并趋于稳定。早期快速下降主要归因于PI薄膜中残留的高极性溶剂（如NMP，介电常数32.0）和水分（介电常数约80）在高温下蒸发，导致材料整体极化能力降低，介电常数从高值恢复至本征值（约2.9）。这一过程是材料从含高极性杂质状态向纯PI转变的必然结果。

**4.5 热循环下等效电容变化**
热循环中电容同样呈现早期连续下降、后期逐渐稳定的趋势，但出现振荡行为。早期循环（T0→T5）中，热机械应力主导微空隙的累积传播，引入低介电常数气隙导致电容持续下降；特定循环数（如T3）时，降解产物暂时填充裂缝恢复介电连续性，引起电容反弹；后续循环中热应力再次排出填充物或导致裂缝扩展，电容再次下降。这种振荡现象源于热应力诱导的微裂纹动态演化与降解产物临时填充的竞争机制，与等温老化中由极性基团热分解主导的单调变化本质不同。

**4.6 热老化下主绝缘PDIV演化**
三个温度水平的数据显示，245℃组在中期（T4–T7周期）出现显著PDIV回升（约20%），260℃组回升幅度减弱（约3–9%），275℃组转变为振荡波动而无系统性回升。回升机制：铜导体与PI绝缘层界面存在微米级初始气隙，热膨胀导致PI层向内压缩，气隙尺寸减小。根据帕邢定律，气隙距离d减小使p·d乘积下降，放电工作点进入帕邢曲线左侧陡升区，击穿电压升高，从而宏观上观察到PDIV非线性回升。高温下（260℃、275℃），热降解加速，分子链断裂释放小分子产物，部分抵消气隙压缩效应，回升幅度减弱或转为振荡。整体PDIV保持在约±1 kV波动范围内，表明热膨胀引起的气隙几何优化仍占主导，不可逆主链断裂尚未成为主要机制。

**4.7 热循环下主绝缘PDIV演化**
245℃和260℃热循环组的PDIV增幅显著高于同温度热老化组，且样本间离散性随循环次数增大。这归因于周期性加热冷却阻止气隙几何完全恢复，不可逆变形累积。275℃组呈现周期性振荡特征，高温下氧化热降解速率增加，C–N、C–O键断裂释放CO、H₂O等小分子，形成的微米级孔隙局部抵消热膨胀引起的气隙减小效应，多机制异步耦合导致振荡而非单调演化。振荡持续而非单向衰减表明绝缘系统仍保持功能完整性，未进入加速劣化阶段。

**4.8 综合分析**
在连续热应力和热循环共同作用下，航空航天电机绝缘系统的老化演化呈现多机制耦合的动态图景。早期：残余PAA进一步亚胺化和极性溶剂蒸发消除大量载流子源，等效电容C_eq一致下降，表现出“热稳定效应”；泄漏电流方向不明确。中期：热膨胀压缩界面微气隙，PDIV非单调回升（245℃热老化组T5–T7周期回升约8–26%），可作为安全边界定义指标；热循环加剧PDIV分散和振荡。后期：245℃热老化组T7周期电容和泄漏电流同时回升至接近初始值，归因于降解产物填充界面微裂纹；260℃组在T6–T7周期出现相同现象；275℃组未出现，电容持续下降或振荡。等效电容在整个周期中呈单调下降趋势，可作为退化前兆；PDIV演化规律适合定义安全边界；泄漏电流的幅值跃升作为失效底线判据。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，等效电容的连续下降可作为退化前兆，PDIV的非单调回升用于定义安全边界，泄漏电流的稳定低值直至跃升作为最终失效判据。研究结论翻译如下：

本文对270 V EHA航空航天电机绝缘系统在245℃–275℃范围内进行了多应力加速热老化和热循环实验。通过对泄漏电流、等效电容和局部放电起始电压（PDIV）的多参数演化分析，得出以下主要结论：（1）阐明了绝缘退化早期等效电容的前兆表征规律。在固体绝缘热降解诱导阶段，等效电容在所有样本中呈现高度确定性的单调单向下降，全周期相对变化率ΔC_eq稳定在?5.5%至?17.7%之间。与处于低水平无序振荡状态的泄漏电流相比，等效电容的早期单调响应具有更高的信号确定性，可作为准确捕捉绝缘系统早期退化前兆和老化窗口的关键定量指标。（2）揭示了中期老化阶段局部放电起始电压（PDIV）的非单调演化机制。受导体与绝缘介质间热膨胀系数（CTE）差异引起的界面微气隙动态压缩影响，PDIV在中期老化阶段呈现阶段性非单调回升并保持在高水平。对于245℃热老化组，PDIV在T5–T7周期较初始值增加约8–26%。该行为符合帕邢定律描述的物理规律，表明在测试条件下绝缘系统在中期保持足够的放电电阻边界。基于此，PDIV可作为定义电气安全运行边界的潜在指标，但安全向失效过渡的直接实验验证仍有待建立。（3）识别了泄漏电流在整个老化过程中的演化特征。在本研究覆盖的大部分老化阶段，泄漏电流稳定在0.35–0.55 mA范围内，呈现非平稳振荡特征，无明显单调趋势。实验期间未观察到泄漏电流幅值急剧增大或指数增长，因为绝缘系统未达到完全失效。基于其在测试老化范围内的稳定行为以及泄漏电流急剧增大标志着绝缘接近寿命终止时贯通性导电通道形成的普遍认识，可以合理假设泄漏电流可作为识别灾难性绝缘失效的潜在底线判据。然而，该阈值行为需要超出本工作老化范围以外的直接实验验证。需要指出，本研究所有电气测量均在标准大气压和室温下进行。提出的多参数评估框架已在受控条件下得到验证，但其在低气压和PWM脉冲电压实际航空航天环境中的适用性需进一步研究。未来工作将扩展实验方法至低气压条件和PWM脉冲电压激励，旨在验证分层评估框架在更真实服役条件下的适用性，并建立航空航天EHA电机绝缘系统的综合多应力评估方法。