在SMM召开的2021中国稀土永磁产业市场应用发展论坛上，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院院长助理程远围绕车用 SiC 驱动扁线绕组电机的关键问题进行了全面剖析。主要围绕了SiC驱动电机扁线绕组绝缘问题、综合优化设计、轴承电蚀问题展开分析。
研究背景
SiC高开关频率低损耗特性有利于电机绕组谐波抑制，提升电机转速，进一步提高电驱动系统的功率密度和效率。
扁线（Hairpin）绕组以其高槽满率、低直流电阻、良好的冷却性能等优点在电动汽车电机中得到越来越多的应用。
高dv/dt脉冲电压下，绕组绝缘承受很大电应力，高频轴承电流加速轴承电烧蚀，绝缘和轴承安全问题需要在电机设计阶段就要充分考虑。然而，现有研究多针对SiC控制器的设计和控制展开，对于SiC高频高dv/dt激励对电机的影响研究很少。
关键问题一: SiC驱动电机扁线绕组绝缘问题
SiC驱动hairpin绕组绝缘问题产生机理
电机外部：PWM驱动产生电机端部过电压，SiC高频高压使得过电压程度加剧。
电机内部：高频寄生参数不可忽略，匝间电压分布不均匀程度加剧，首尾匝电压更高。
电机内部：存在热点，热电综合影响，使绝缘变得更加复杂。匝间电压承受较大热应力。同时，槽内绕组高交流损耗分布不均导致的局部高温升将增加绕组绝缘热应力。
SiC驱动电机绕组端部过电压
过电压将导致匝间电压存在超过初始放电电压（PDIV）的风险，需要在电机绝缘设计时加以考量。绕组端部过电压与SiC器件的上升时间、电缆长度、开关频率和电缆与电机的阻抗特性密切相关。
随着SiC器件上升时间减小和电缆长度的增加，过电压水平增加。
更高的开关频率条件下，开关电压前后沿时间更短，更容易发生双脉冲叠加现象，导致过电压幅值更大。
Hairpin绕组高频等效电路模型
电机内部电压分布及绕组绝缘安全设计，需要建立精确的考虑高频等效参数的电路模型。
提出Hairpin绕组的高频等效电路模型，考虑双边导体耦合效应，确定分布参数（分布电容、交流电阻和自互感），通过场路耦合仿真方法，仿真分析匝间电压。
匝间电压应力测量平台与实验验证
建立了Hairpin绕组匝间电压测试平台，对匝间电压进行测量，验证了所提出高频模型和仿真方法有效性。
仿真和实验结果都显示，最大匝间电压出现在首尾匝相邻部位，在进行层间换位连接时，易出现在同层线圈的出现和入线端；仿真与实验误差仅为1.3%，证明了仿真方法的准确性。
匝间电压应力抑制措施
层间换位hairpin绕组的低电压应力设计原则：通过合理的绕组连接方案，降低相邻导体间的绝缘电压。即将空间相邻导体在电气连接顺序上尽量相近。
关键问题二：SiC扁线电机的综合优化设计
扁线绕组交流损耗影响因素
Hairpin绕组导体截面积大，影响因素较多，从设计参数角度包括导体尺寸，导体的位置；以及从激励参数角度包括频率（f），电机工作点（Id，Iq）。
关键问题三：SiC电机的轴承电蚀问题
PWM逆变器产生的高频共模电压，激发电机内部高频寄生电容形成低阻抗耦合路径，流经轴承的耦合路径会在轴承内外圈油膜间累计电荷产生轴承电压，当轴承电压大于油膜击穿阈值时，产生击穿放电损害轴承。
SiC逆变器驱动下轴承电流的分类及耦合路径
对于中小功率电机，EDM放电型轴承电流对轴承的损伤最大；对于大功率电机，除EDM放电型轴承电流外，高频环路型轴承电流对轴承危害也表现明显；dv/dt 容性轴承电流会加速轴承润滑脂变质，降低轴承油膜击穿阈值，使得轴承更容易发生电蚀。
SiC逆变器驱动系统轴承电流仿真模型
轴承电流的预测模型可用于轴承电蚀危害评估和抑制措施效果评估。电机轴承电流仿真模型包括：逆变器（Si/SiC干扰源）→ 动力电缆（阻抗匹配、波反射）→ 电机高频寄生电容（分布/集总寄生参数模型和参数测量）→ 轴承电气模型（等效电路RC值的估计），SiC逆变器行为级仿真模型。
关键问题三：SiC电机的轴承电蚀问题
轴承电压Vb在每个电平的跳变时刻，由于高dv/dt的作用，都会产生dv/dt容性轴承电流ib,cap，而 ib,cap的振荡规律与Vb电平跳变后的尖峰振荡规律相同，这是由于油膜未击穿时，Vb在每次电平跳变的时都会对轴承的润滑油膜等效电容进行充电的结果。
当电机转速过低时（本调速系统中<300r/min），轴承润滑脂形成的油膜处于“欠稳定”状态，滚珠与内外圈之间出现多处金属接触，轴承电压很难建立。随着转速的升高，轴承油膜逐渐稳定，dv/dt容性轴承电流也趋于稳定。
未来展望
研究SiC高频脉冲电压激励下的扁线绕组绝缘放电问题，为绕组绝缘安全设计奠定基础。
研究SiC驱动系统轴承油膜电击穿影响因素，优化逆变器开关频率和开关速度。
提出SiC逆变器驱动系统轴承电流综合抑制方法和措施。
开发更加快速的SiC扁线电机优化设计方法，保证可靠工作。
