在设计、晶圆制造、封装测试等全产业链条接连实现新突破

集成电路：青岛制造“芯”动力

在指甲盖上“盖楼”，听起来不可思议，但却正是集成电路产业的“日常”。“蓝色巨人”IBM今年5月宣布研制出全球首款2nm制程芯片，就是在指甲盖大小的芯片上，集成了500亿个晶体管。说集成电路产业是高端制造业的“皇冠明珠”毫不为过。

今年以来，青岛在新兴产业领域最让人欣喜的变化，莫过于集成电路产业接二连三的新突破。在西海岸新区和即墨区，新引入的晶圆制造项目或正式投产，或加快建设，填补青岛乃至山东省产业空白；优势家电领域，龙头企业重启“芯片”布局，不断提升青岛芯片设计实力，个别细分领域甚至直逼“隐形冠军”；更有众多的芯片设计“新星”，正冉冉升起。

这不仅是青岛制造业“缺芯少面”历史的终结，也标志着一个以高端、精密为特征的全新制造业体系在青岛加速构建。

突破“造芯”

8月2日晚，一则青岛芯恩8英寸功率芯片投片成功的消息传爆网络。芯恩距离正式投产又近了一步，青岛在集成电路制造领域的产业布局又取得了一个关键性的进展。

众所周知，设计、制造和封装是集成电路产业的三大核心环节。制造，顾名思义就是将设计企业的“大楼”设计图，经过极其复杂的工艺，在一块指甲盖大小的半导体硅片上“雕刻”出来。很大程度上，正是集成电路制造技术的突飞猛进，才让全球电子信息产业得以在短短60多年时间里就经历了翻天覆地的变化。每隔18-24个月，同样面积的集成电路上可容纳的晶体管数量增加一倍。芯片越来越小、性能越来越高，这样的节律，直接催生了第四次工业革命的到来，进而改变着我们每个人的生活。

今年1月，位于即墨区的惠科半导体项目正式投产，率先实现了功率半导体器件的“青岛造”。

功率半导体器件有电力电子装置心脏之称，是电能转换和电路控制的核心器件，在高铁动力系统、汽车动力系统、消费及通讯电子系统等领域均有广泛应用。数据显示，我国半导体功率器件市场规模约占全球40%，但自给率仍较低，90%需求依赖进口满足，是国产替代的重要领域。作为青岛重点引进的集成电路制造项目，青岛惠科仅用9个月就实现了从项目主厂房施工到通线。投产以来产能爬坡顺利，计划明年底满产，届时有望成为国内最大的新型功率器件生产基地。

芯恩项目，则是青岛蓄力3年有余的“造芯”“大招”。这个由中芯国际创始人、有着“中国半导体之父”之称的张汝京一手带起来的项目，剑指当前最先进的12英寸晶圆的芯片制造，而8英寸产线只是第一步。

芯恩还在国内率先探索共享共有式集成电路制造模式，即由集成电路设计企业、封测企业、原材料供应企业、终端产品需求企业、设备制造企业共同联合投资打造一个集成电路制造企业，实现产业链上下游多环节、多领域企业协同一致、联合生产，企业产品互补、分担投资、共享资源、共担风险。

纷至沓来的封测项目也成为青岛突破“造芯”的最好注脚。位于即墨区的泰睿思微电子已于去年实现量产，与小米、OPPO、VIVO等知名品牌建立合作关系；位于西海岸新区的富士康高端封测项目，首台光刻工艺设备今年7月正式进厂，从土建打桩到机台搬入仅用12个月，创下业界纪录，计划10月试生产。

家电加速“芯”布局

捷报频传的可不只是一个个拔地而起的新建“造芯”项目。

相比晶圆制造，青岛在上游的芯片设计领域其实有着长久的积累。作为中国重要的家电生产基地，早在本世纪初，青岛家电企业就在芯片领域有所涉足。但囿于技术、人才等原因，并未在产业上形成规模。如今，“老兵”重新布局并快速出击。

8月底，海信旗下信芯微电子公司传出好消息，由公司研发的国内首颗8K超高清画质芯片已通过并完成验证测试阶段，待电视整机上市计划确定后即可量产出货。这是海信自2019年重整芯片业务以来全力推进的重点产品之一，目的是更好凸显海信8K产品在超高清画质上的差异化优势，提升产品竞争力。背后的逻辑与苹果要在产品上搭载自家的M1芯片类似。

进入智能化时代，芯片在电子产品中扮演的角色越来越重要，不仅事关产品性能好坏，更定义着企业定义产品的能力。“为什么特斯拉、小米还有很多造车新势力都要做芯片，不是说芯片一定能赚多少钱，而是只有自己做才能更好实现产品设计的功能。”一位专家在谈到青岛家电企业布局芯片时如是说。

数据显示，国内家电行业芯片市场规模约500亿元，本土化配套率仅5%。目前中国家电产品中大部分的芯片仍主要依赖进口，如空调中的MCU主控芯片，超过七成来自于瑞萨电子、英飞凌、TI（德州仪器）等外资品牌。为改变这一状况，美的、格力、TCL、长虹、格兰仕等均已在芯片上积极布局。

整合了原有信芯研发团队，此前收购的东芝电视芯片研发团队以及宏祐图像科技（上海）有限公司团队和业务后成立的信芯微，除电视画质芯片外，还布局了电视屏端驱动芯片（TV TCON）、MCU芯片、低功耗蓝牙芯片以及智能SOC芯片。其中，电视屏端驱动芯片已经覆盖了从高清到8K超高清全系，2020年出货量超4000万颗，累计出货已达1亿颗，全球占有率超过50%，稳居第一。

海尔则通过资本进行布局。近两年，先后投资紫光展锐、杭州国芯科技等企业。公开信息显示，紫光展锐是我国集成电路设计标杆企业，产品涵盖移动通信基带芯片、AIoT芯片、射频前端芯片等，是中国最大的泛连接芯片供应商之一；国芯科技则专注于数字电视及物联网人工智能领域的芯片设计和系统方案开发，是全球领先的机顶盒芯片供应商。

“新星”冉冉升起

除了备受关注的“大块头”，青岛一批中小集成电路企业也快速成长起来，逐步构筑起产业生态。

青岛佳恩半导体是一家专注于功率芯片的集成电路设计企业。9月下旬开始，公司创始人王丕龙每天必发的一条朋友圈就是人员招聘信息。应接不暇的订单以及业务拓展需求让公司不得不招募更多设计人员和应用技术人员，壮大各地团队。得益于近年来功率半导体的国产化替代浪潮，成立于2015年的佳恩迅速成长起来。2017年以来收入和利润每年涨幅都超过100%。

这也是青岛集成电路新生力量发展的缩影。近年来，全球数字化浪潮催生的巨大市场需求，叠加国产替代的国内产业背景以及政策利好，中小科技企业迎来了前所未有的发展机遇。青岛在物联网芯片、车载芯片、电源管理芯片、第三代半导体、集成电路关键设备等领域，聚集了一批企业。

核芯互联，在模拟信号链芯片领域实现多个型号的国产化替代突破，上半年完成亿元A轮融资，步入大规模量产阶段；宸芯科技，基于SDR的SoC芯片技术国内领先，产品广泛应用于车联网、专网通信、卫星通信、无人机等领域；大唐半导体，面向物联网、医疗与大健康、智能家居等行业，提供蓝牙芯片、第三代功率半导体、生命体征监测芯片等；已经登陆科创板的高测股份，针对第三代半导体研发了相应的切割设备和切割耗材……

天眼查数据显示，青岛目前有超过4000家经营范围含“芯片、集成电路、半导体”且状态为在业、存续、迁入、迁出的相关企业。十年间，青岛相关企业总量翻了三番。自2018年起，已连续三年增速高达32.5%。截至10月11日，以工商登记为准，青岛市今年前三季度新增相关企业已超1100家，较2020年同比增长54.3%。

公共服务平台的搭建和发展也为产业发展提供了支撑。中科院青岛EDA中心为集成电路设计企业提供设计、软件、知识产权、技术培训等公共服务，并通过组建人才培养创新联盟、举办集成电路创新创业设计大赛等形式，搭建招才引智平台；歌尔搭建的青岛先进封装技术公共服务平台，围绕半导体集成电路、MEMS传感器等领域，为企业、高校、科研院所及其合作伙伴提供从硬件方案设计、封装设计仿真、封装组装、测试包装、可靠性验证与失效分析等一站式服务和解决方案。

产业链日益完备，生态日益优化，青岛集成电路产业正开启新未来。更重要的是，拥有强劲“芯”动力的青岛制造，将打开更大的想象空间。（记者 孙欣）

变压器主体的主要材料包括磁路材料、电路材料、绝缘材料、结构材料等，其具体材料用途和类别有：

1. 硅钢片

在变压器中，对 硅钢性能的要求主要是：

①铁损低，这是硅钢片质量的最重要指标。各国都根据铁损值划分牌号，铁损愈低，牌号愈高。

②较强磁场下磁感应强度（磁感）高，这使电机和变压器的铁心体积与重量减小，节约硅钢片、铜线和绝缘材料等。

③表面光滑、平整和厚度均匀，可以提高铁心的填充系数。

④冲片性好，易于加工。

⑤表面绝缘膜的附着性和焊接性良好，能防蚀和改善冲片性。

⑥基本无磁时效。

硅钢片的分类及牌号定义

变压器通常采用冷轧取向硅钢片，以确保其空载的能效水平。冷轧取向硅钢片按照性能和加工方式，又可分为普通冷轧取向硅钢片、高导磁硅钢片（或高磁感硅钢片）、激光刻痕硅钢片。通常，将50Hz，800A交变磁场（峰值）下，铁心所达到的最小磁极化强度B800A=1.78T～1.85T的硅钢片称为普通硅钢片，记为“CGO”，而B800A=1.85T以上的硅钢片记为高导磁硅钢片（高磁感硅钢片），记为“Hi-B钢”，Hi-B钢其与常规硅钢片的主要区别在于：Hi-B钢的高斯方位织构度非常高，即在易磁化方向上的硅钢晶粒排列位向整齐度非常高，工业上采用二次再结晶过程制造含硅量为3%的硅钢片，Hi-B钢的晶粒位向与轧制方向的平均偏差为3°，而普通硅钢片为7°，从而使得Hi-B钢有更高的磁导率，通常其B800A可达到1.88T以上，提高了高斯方位织构度以及磁导率可降低铁损。Hi-B钢的另一个特点是钢片表面附有的玻璃膜和绝缘涂层的弹性张力为3~5N/mm2，较普通取向硅钢片的1~2 N/mm2更优，钢带表面的高张力层可减少磁畴宽度，减少异常涡流损耗。故Hi-B钢比常规取向硅钢片具有更低的铁损值。

激光刻痕硅钢片则是在Hi-B钢的基础上，通过激光束照射技术，使其表面产生微小的应变，进一步磁轴细化，实现更低的铁损。激光刻痕硅钢片不能进行退火处理，因为提高温度，则激光处理效果便会消失。

不同牌号的硅钢片其物理特性基本相当，密度基本都是7.65g/cm3。对于同种类硅钢片而言，其性能质量主要区别还是在硅的含量以及生产过程的工艺影响。

2. 非晶合金铁心

非晶合金材料是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用国际先进的超急冷技术将液态金属以106℃/S冷却速度直接冷却形成厚度0.02～0.03mm的固体薄带，在它还没来得及结晶时就已经固化。该合金材料与玻璃类似呈不规则原子排列，没有金属表征的晶体结构，它的基础元素为铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、硅（Si）、硼（B）、碳（C）等。其材料具有以下优点：

a) 非晶合金材料不存在晶体结构，是一种各向同性的软磁材料；磁化功率小，具有良好的温度稳定性。由于非晶合金为无取向材料，故可以采用直接缝，使制造铁心的工艺比较简单；

b) 不存在阻碍磁畴移动的结构缺陷，磁滞损耗要比硅钢片小；

c) 带材的厚度极薄，只有0.02～0.03㎜，是硅钢片的1/10左右。

d) 电阻率高，约为取向硅钢片的3倍；非晶合金材料的涡流损耗大大降低，因此单位损耗约为取向硅钢片的20％～30％；

e)退火温度低，约为取向硅钢片的1/2；

非晶合金铁心空载性能优越，采用非晶合金铁心制造的变压器其空载损耗较常规变压器下降70～80%，空载电流下降50%以上，节能效果突出，目前电网公司在国家节能减排降低网络线损的目的下，国家电网和南方电网从2012年开始均大力提高了非晶合金变压器的采购比例，目前基本上非晶合金配变采购占比已达50%以上。

非晶合金变压器也存在以下几个缺点：

1）饱和磁密低，非晶合金铁心的饱和磁密

图1 非晶合金变压器

通常在1.56T左右，较常规硅钢片1.9T的饱和磁密相差20%左右，故其变压器设计磁密也同样需要下降20%，非晶合金油变的设计磁密通常在1.35T以下，非晶合金干变的设计磁密通常在1.2T以下。

2）非晶合计铁心带材受应力影响敏感，其铁心带材受到应力后，空载性能容易劣化，故在结构上要特别注意，铁心应采用悬挂方式落在支撑框架和线圈上，整体仅承受自身重力，同时，装配过程中需特别注意，铁心不能受力，要减少敲打等方式。

3）磁致伸缩较常规硅钢片大10%左右，故其噪声较难控制，这也是限制非晶合金变压器广泛推广的主要原因之一，目前，南网和国网招标中均对非晶合金变压器的噪声提出了较高要求，分为敏感区和非敏感区，并有针对性的提出了声级要求，这就要求更进一步降低铁心设计磁密。

4）非晶合金带材较薄，厚度只有0.03mm，故无法向常规硅钢片那样做成叠片形式，只能制作成卷铁心形式，故其铁心结构常规变压器厂家无法自行加工，通常需整体外购，对应于卷铁心带材的矩形截面，非晶合金变压器的线圈通常也做成矩形结构；

5）国产化程度不够，目前主要还是进口日立金属的非晶合金带材为主，正在逐步实现国产化，国内已有安泰科技和青岛云路等具备非晶合金宽带（213mm、170mm和142mm），且其性能较进口带材在稳定性上还存在一定差距。

6）最大带长限制，前期非晶合金带材最大外周带长由于退火炉尺寸的限制，其长度也受到了较大限制，不过目前已基本解决，可制作最大外周带长10m的非晶合金铁心框，可用于制造及以下非晶合金干变和及以下非晶合金油变。

基于非晶合金变压器的优秀节能效果，再加上国家节能减排以及一系列政策的促进，非晶合金变压器市场占有率越来越大，并且，考虑到非晶合金带材（目前为26.5元/kg）价格是常规硅钢片(或)的两倍左右，与铜差距相对较小，再考虑到电网产品的质量和招标要求，故，非晶合金变压器通常采用铜导体。与常规硅钢片相比，非晶合金变压器成本主要差距如下：

1）由于采用卷铁心结构，故变压器铁心型式宜采用三相五柱结构，这样可以减少单框铁心重量，减低装配难度，三相五柱结构和三相三柱结构从成本上各有优劣，目前大部分厂家采用三相五柱结构。采购回来的单框铁心和组装如图2所示：

图2 采购的非晶合金带材单框原材料

图3 三相五柱非晶合金铁心组装示意图

2）由于心柱截面为矩形，故为了保持绝缘距离上的一致，高低压线圈也对应的制造成矩形结构。

3）由于铁心设计磁密较常规硅钢片变压器低约25%，且其铁心叠片系数大约在0.87左右，较常规硅钢片的0.97要低许多，故其设计截面积需要较常规硅钢片变压器要大25%以上，对应的其高低压线圈周长也要随之增加，同时，还需要考虑高低压线圈线匝长度的增加，若要保证线圈的负载损耗不发生变化，其导线截面积则需要对应的有所增加，故，非晶合金变压器的铜用量较常规变压器要多约20%。

3. 电路材料

概述

变压器内部电路主要由绕组（也称为线圈）构成，它与外界的电网直接相连，是变压器的核心组成部分，变压器的内部电路通常是由导线绕组而成，导线（电磁线）按材质分为铜导线和铝导线，按导线截面形状又分为圆导线、扁导线（又可分为单根线、组合线和换位导线）、箔式导体等，导线与导线之间覆盖不同类型的绝缘层，最终形成整体线圈。故，变压器电路的主要导体材料为铜和铝。

3.1 铜材和铝材的特性对比

铜和铝均是导电性能较好的金属材料，是制作变压器线圈的常用导体，其在物理性能上的差异如下表所示：

表1 铜铝物理性能对比

3.2 铜铝导线在变压器绕组中的性能对比

铜铝变压器的差异也是由材料的差异决定的，具体表现在以下几个方面：

1）铜导体的电阻率仅仅是铝导体的60%左右，为了达到相同的损耗和温升要求，所需使用的铝导体截面积要较铜导体大60%以上，所以相同容量和相同参数情况下，铝导体变压器体积通常要较铜导体变压器大，不过此时变压器的散热面积也有所增加，所以其对油温升较低；

2）铝的密度仅为铜的30%左右，所以铝导体配电变压器要较铜导体配电变压器要轻；

3）铝导体的熔点较铜导体低许多，所以其在短路电流的温升限值为250℃，较铜导体的350℃低，所以其设计电密要较铜导体低，变压器导线截面积要大，故体积也较铜导体变压器大；

4）铝导体硬度较低，故其表面毛刺较易消除，故制成变压器后，其由于毛刺产生的匝间或层间短路的概率减少；

5）由于铝导体的抗拉、抗压强度较低，机械强度差，故铝导体变压器承受短路能力不如铜导体变压器，在进行动稳定计算时，铝导体的应力应小于450kg/cm2，而铜导体的应力限值为/cm2，承受能力大幅提高；

6）铝导体与铜导体之间的焊接工艺较差，接头焊接质量不易保证，一定程度上影响了铝导体的可靠性。

7）铝导体的比热为铜导体的239%，但是考虑到二者密度和设计电密的差异，实际二者的热时间常数相差并不如比热差值体现的那么大，故对其制成干式变压器的短时过载能力影响并不大。

4. 绝缘材料

概述

变压器运行的可靠性和使用寿命却在很大程度上取决于其所使用的绝缘材料。绝缘材料又称电介质，是电阻系数高、导电能力低的物质。绝缘材料可用于隔离带电或不同电位的导体，使电流按一定方向流通。在变压器产品中，绝缘材料还起着散热、冷却、支撑、固定、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。绝缘材料在直流电压作用下，只有极微小的电流通过。它的电阻系数（指在空气中的体积电阻系数）比较高，一般在108~1020Ω·cm（导体的电阻系数是10-6~10-3Ω·cm， 半导体的电阻系数为10-3~108Ω·cm）。

绝缘材料对直流电流有非常大的阻力，由于它的电阻率很高，在直流电压作用下，除了有极微小的表面泄漏电流外，实际上几乎是不导电的；而对交流电流则有电容电流通过，也一般认为是不导电的。绝缘材料的电阻率越大，其绝缘性能也就越好。

绝缘材料在变压器中用以将导电部分彼此之间的导电部分对地（零电位）之间的绝缘隔离，用于各种支承件时，还应具有良好的力学性能。另外，绝缘材料还起到其它的作用，如散热冷却、固定、储能、灭弧、改善电位梯度、防潮、防霉和保护导体等作用。

通常情况下，绝缘材料分为三类：

1）气体绝缘材料：常温常压下，一般的干燥气体具有较好的绝缘性能，如空气、氮气、氢气、二氧化碳、六氟化硫等，其中，空气和六氟化硫在变压器中应用比较广泛；

2）液体绝缘材料：液体绝缘材料通常以油状存在，又称绝缘油。如矿物质油、植物油、合成酯等；

3）固态绝缘材料：如绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸、绝缘纸板、瓦楞纸板、电工塑料及薄膜、电工层压板（棒、管）、浇注成型的环氧树脂、电瓷、橡胶、云母制品等。

4.1 绝缘油

绝缘油其特点是电气强度高、闪电高、凝固点低，在氧、高温、强电场作用下性能温度，无毒、无腐蚀性，粘度小，流动性好等特点。其在变压器、油开关、电容器和电缆等电工产品中广泛使用，起绝缘、冷却、浸渍及填充作用，另外，在油开关中还起灭弧作用，在电容器中还起储能作用。

绝缘油在变压器中同时起绝缘和冷却的双重作用；

绝缘油目前通常分为以下几类：

1）矿物质油：如变压器油、开关油、电容器油、电缆油；

2）合成油：如十二烷基苯、硅油、合成酯等；

3）植物质油；

4.2 环氧树脂

环氧树脂是一种高分子化合物。树脂特点是一种固体、半固体或准固体有机材料，分子质量不确定(通常是较高)，承受应力时有流动倾向，通常有一个软化或熔化范围，且固体断面常呈现贝壳状，其具有以下基本特征：

1）分子链很长，每条链包含成百甚至上万个原子，彼此以共价键连；

2）长分子链由最小重复单元即链节组成，一个分子中的链节数称为聚合度；

3）大分子的分子间总力往往超过分子内原子间的化学键力，从而使高分子化合物出现一系列特性：例如没有气态聚合物、聚合物溶解过程很慢等，若分子间有交联，则该特点更为特出。

环氧树脂是指含有环氧官能团的低聚物，1891年开始出现环氧树脂，1947后美国、瑞士多个公司相继工业化合成成功双酚A环氧树脂。我国于1956年开始生产。

环氧材料的电气绝缘性能尤其突出，不加填料时，固化物的EB高于16MV/m，pV高于1011Ω·m，εr为3～4，工频下tanδ约0.002，因此，20%环氧树脂都用于电气电子绝缘，例如环氧浸渍漆作为B级绝缘漆，浸渍中小型电机定子绕组；环氧无溶剂漆用于大电机定子绕组的真空浸渍；层压制品(板、管、棒)用作电机的槽楔和垫块、高压开关操作杆；粘结剂用于高压电瓷套管的粘结；浇注料用于六氟化硫全封闭组合电器(GIS)中的盘形隔离绝缘子、互感器和高压陶瓷电容器等的部件。目前国内生产的环氧树脂或改性环氧树脂的牌号命名暂时仍不很统一。全球不同环氧树脂制造商的命名也各不相同，需要根据商标识别。

环氧树脂只是低聚物，固化后才能使用。固化剂能与环氧树脂反应，使树脂分子从线型结构交联成体型结构。促进剂/催化剂能降低反应活化能的助剂，能促进/调整浇注料凝胶反应历程。固化剂利用其所含的活泼氢与树脂中活泼的环氧基进行开环加成反应实现固化，活泼氢就是固化剂或促进剂中－NH2、－NH－、－C00H、－OH和－SH中的氢。常用的固化剂有胺类和酸酐两类。固化剂中有的需要促进剂/催化剂，有的需要高温条件，有的在低温下即可剧烈反应。固化剂的不同也会导致固化产物性能差异悬殊，对产品最终性能有重大影响。因此，在环氧树脂配方体系中设计和选择固化剂是十分重要的。

环氧绝缘用于干式变压器，是近40年的新发展。变压器线圈设计寿命要求达到30年，耐热等级达到F级，一般材料难以达到要求。

为此，要对对所用材料及其配方体系和工艺必须进行设计、优选、试验和验证，才能获得理想效果的话。在树脂绝缘干式变压器中，环氧树脂体系通过浇注或浸渍成型，再经过热固化形成线圈绝缘(即纵绝缘)，在干式变压器整个运行期间，环氧树脂绝缘要同时保证线圈的电气绝缘和机械强度，并通过热传导方式散发线圈内部的热量。

其最大弱点是树脂绝缘缺陷和损伤(一般在制造过程中产生缺陷，在运行过程中产生损伤)的不可恢复和不可修复性。因此，避免固体绝缘开裂、避免浇注缺陷、避免局部放电(即局放)就显得格外重要，并成为固体绝缘制造技术的关键，是制造商间相互竞争的焦点。

由于变压器运行中损耗带来的较高温升，使树脂绝缘长期在高温工作 (比如F级变压器，设计的最高工作温度一般在140℃左右)，而变压器在投运前和检修期间又可能处在低温(比如 -30℃)，而且，变压器随时会受到雷电高压冲击或短路时的巨大电动力冲击。树脂绝缘的线圈应能适应这些变化，并能抵御或承受极端高低温下的短路电动力冲击, 因此对环氧绝缘体系的热、机、电性能提出了极其苛刻的要求。

树脂浇注变压器的绝缘材料体系目前有两种，一种是“纯树脂浇注＋高填充率玻璃纤维增强”，另一种是“树脂石英粉浇注＋预浸玻璃网格局部加强”。

而绝缘体系(即习称绝缘结构)所包含的领域比绝缘材料体系更广，它指电气设备(或其独立部件)的绝缘整体，不仅包括绝缘材料及其组合方式，还应考虑绝缘与导体或磁体间的关系、与电场的关系、绝缘与周围环境(气体或液体及其状况、表面污秽、散热条件、机械力或辐射作用等)的关系等，它与电力系统运行参数间的适应性就是绝缘配合。干式变压器中气流和散热情况、绝缘受力情况等，都在绝缘体系要考虑的范围之中。

4.3绝缘纸

植物纤维纸分为木质纤维、棉纤维和麻纤维，其中最常用的为纯硫酸盐木浆纤维纸，其原料为木材，常用的是软木中的松杉科木材，如黄松、白松、红毛杉和红松等木材，主要成分为纤维素，是一种天然的高分子化合物。绝缘纸制造方法采用化学法，如硫酸盐法，该方法中蒸煮液主要成分为硫化钠（Na2S），硫化钠水解，生成硫化氢钠和氢氧化钠，硫化氢钠能和纤维素以外的木质素发生反应，将其溶于碱液中，该蒸煮液比较温和，故纤维素的分子量下降很少。变压器中常用的植物纤维素绝缘纸有：电力电缆纸，高压电缆纸和变压器匝间绝缘纸等。

1）电缆纸：电缆纸是由硫酸盐纸浆制造，牌号为DL08、DL12、DL17，厚度分别为0.08mm、0.12mm和0.17mm，成卷供应，电缆纸经变压器油浸渍后，其机械强度和电气强度均会有明显提高，如在空气中电力电缆纸电气强度为6～9×103kV/m，而干燥浸渍变压器油后其电气强度达到70～90×103kV/m，电缆纸在变压器的运行中有足够的热稳定性，通常用作缠绕绝缘和层间绝缘。电缆纸又包括高压电缆纸、低压电缆纸、高密度电缆纸及绝缘皱纹纸。高压电缆纸适用于110～330kV变压器、互感器，介质损耗角正切值低；低压电缆纸用于35kV及以下的电力电缆和变压器或其它电气产品的绝缘；绝缘皱纹纸是由电工绝缘纸经起皱加工而制成，沿其横向有皱纹，拉伸时被拉开，常用于油浸式变压器的绕包绝缘，如线圈出头、引线及静电屏蔽装置的绝缘包扎；高密度电缆纸，也是绝缘皱纹纸的一种，比一般的皱纹纸的电气强度要高100%～150%，机械强度高50%，电气强度高，耐油性能好，弹性好，便于拉伸，可替代漆布带用作引线以及导线连接和弯曲部位的绝缘。

2）电话纸：电话纸也是用硫酸盐纸浆制造，常用与电话电缆，它的机械强度较差，一般作为导线的匝绝缘、层绝缘或导体的覆盖绝缘。

3）电容器纸：电容器纸按使用要求分为A类和B类，A类电容器纸用于电子工业金属化纸介电电容器上。B类主要用作电力电容器的极间介质。电容器纸的特点是紧度大，厚度薄。一般电流互感器常采用电容器纸，变压器用得较少。

4）卷缠绝缘纸：卷缠绝缘纸用作上胶纸的底纸，上胶纸用来卷绕绝缘筒（管）和电容式套管，其特点是吸水高度高于电缆纸低于浸渍纸。上胶纸分为单面或双面涂胶（酚醛或环氧树脂），经低温固化而成，用上胶纸卷制纸筒或压制层压制品时再经加温加压时胶最后固化，卷筒一般用单面胶纸，压制胶纸板用双面胶纸。此外，还有菱格点胶纸（网格式点涂胶纸），用于油浸式箔绕线圈的层间绝缘，固化后即保证绝缘之间及绝缘与箔之间的粘合，增强了强度又有较好的透油性。

常规的变压器绝缘纸中应用较多的是电缆纸、皱纹纸和菱格点胶纸，用在变压器中作为匝间绝缘、层间绝缘、引线绑扎等，通常，各类绝缘纸价格相差并不会太大，大约均在20元/kg左右。

4.4 电工复合材料

电工薄膜和电工复合材料具有优良的介电性能，都属于薄片绝缘材料。电工薄膜有聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜，在变压器中也可用作导线绝缘、层间绝缘等。电工复合材料是由薄膜的一面或双面粘合纤维材料而制成的复合制品，在变压器中可用作层间绝缘，尤其是在干变的箔绕线圈中，低压线圈通常采用复合材料预浸树脂后作为层间绝缘。常用的复合材料有DMD、GHG等。

DMD全名为聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合材料，分为预浸树脂DMD和非预浸DMD，它是在一层聚酯薄膜（M）两侧粘贴聚酯纤维非织布（D）制成的三层柔软复合材料。DMD 具有优异的电绝缘性、耐热性和机械强度以及优异的浸渍性。非预浸DMD可用作油浸式变压器的层间绝缘，预浸DMD可用作F级干式变压器的低压箔绕线圈层间绝缘。其具体性能指标如下表所示：

表2 DMD性能参数

GHG全名为聚酰亚胺薄膜预浸H级树脂玻璃纤维柔软复合材料，它是在一层聚酰亚胺薄膜（H）两侧粘贴玻璃纤维布（G）制成的三层柔软复合材料。相较于DMD其具有较好的耐热性，可用于H级绝缘干式变压器的低压箔绕线圈层间绝缘。

NHN全名为聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料，是聚酰亚胺薄膜两面用H级粘合剂粘合聚芳酰胺纤维纸（Nomex）而成。NHN是目前最高档的薄层绝缘材料，具有优异的耐热性、较好的介电性能、较小的吸水性及优良的防潮性能。它属于H 级绝缘材料，可用于H级干式变压器的层间绝缘。其具体性能参数如下表所示：

表3 NHN性能参数

4.5 绝缘纸板

绝缘纸板是用纯硫酸盐木浆抄纸制成，可用于饼式绕组的油隙垫块、油隙撑条、隔板、纸板筒、瓦楞纸、铁轭绝缘、夹件绝缘和端绝缘绕组压板等，其常用厚度为1.0mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、6mm，绝缘纸板按密度分为低密度纸板、中密度纸板和高密度纸板，低密度纸通常称为T3软纸板，密度在0.75g/cm3～0.9g/cm3之间，强度较低，常用于折弯件或经润湿以后制作拉伸件，如成型角环、环状件和软纸筒等。低密度纸板吸油率高，成型性好，但力学性能较差；中密度板通常称为T1纸板，密度为0.95g/cm3～1.15g/cm3之间，用作撑条垫块等；高密度纸板通常称为T4硬纸板，密度为1.15g/cm3～1.3g/cm3，用作绝缘纸板筒、绝缘压板和端圈等。在高压线圈多层纸筒组成的油-板间隔结构中，也可用瓦楞纸板代替纸板撑条形成油隙，这样可以在保证绝缘性能的基础上节省材料。

4.6 聚丙烯薄膜

聚丙烯薄膜是由聚丙烯树脂（PP）挤出厚片，经定向拉伸而成，其特点是：1）密度小，可拉伸成0.06mm甚至更薄，其密度为0.89g/cm3～0.92g/cm3。2）具有较好的电气性能和化学稳定性，相对介电系数为2～2.2，击穿打压大于150MV/m；3）具有很好的机械性能，其抗张强度大于；4）可在125℃长期使用，属于E级绝缘；5）具有疏水性，防吸水的能力很强，可用于油浸式变压器的导线绝缘。

4.7 其它绝缘材料

变压器油、绝缘纸是油浸式变压器线圈的的主要绝缘材料，树脂、绝缘纸、复合材料是干式变压器线圈的主要绝缘材料，除了这些材料外，在变压器中还常用到以下一些绝缘材料：（层压木、层压板、绝缘漆、绝缘胶、棉布带、紧缩带、无纬带等

1）层压板：电工层压制品是由纸、布及木质单板作底材，浸（或涂）以不同的胶粘剂，经热压（或卷制）而制成的层状结构的绝缘材料。根据使用要求，层压制品可制成具有优良电气、机械性能和耐热、耐油、耐霉、耐电弧及耐电晕等特性的制品。层压制品主要包括层压板、层压木、层压管、棒、电容套管芯和其它特种型材等。层压制品的性能取决于底材和胶粘剂的性质及其成型工艺。层压板按照原材料和粘合剂的不同，分为绝缘层压板（纸板，用于油变）、酚醛层压纸板（通称电木板，纸板浸渍酚醛树脂，用于油变）、酚醛层压布板（棉布浸以酚醛树脂，常用于油变）、环氧玻璃布板（玻璃纤维布以环氧树脂为粘合剂，可用于F级干变或油变）、改性二苯醚玻璃布板（玻璃纤维布以改性二苯醚树脂为粘合剂，可用于H级干变）、双马来酰亚胺玻璃布板（玻璃纤维布以双马来酰亚胺树脂为粘合剂，可用于H级干变）。层压板通常具有较好的机械强度和绝缘性能，在变压器中常用作铁心夹件绝缘、外部支承件等。

2）绝缘筒（管）：变压器中的绝缘筒主要用于内外线圈间、线圈与铁心之间，用于线圈内衬骨架，导线直接绕制在绝缘筒上，同时，绝缘筒还可用于主绝缘，增加主绝缘油隙数量，增强绝缘。绝缘筒根据材料的不同，通产共分为酚醛纸筒（常用于油变）、环氧玻璃布筒（常用于油变或F级干变）、改性二苯醚玻璃布筒（常用于H级干变）、玻璃钢筒（常用于H级干变）、双马来酰亚胺玻璃布筒（常用于H级干变）等。

3）层压木：电工层压木选用优质的硬木，如白桦木、山毛榉等，经70℃～80℃两次蒸煮，去掉木材本身的木质酸和油脂后，切为1～3mm的单板，干燥后再涂以树脂胶黏剂，经预固化处理后，经反复组坯叠装而成，具有良好的绝缘强度和机械强度，在油变中可用作垫块、角环等的。

4）绑扎带：变压器用绑扎带有棉布带、紧缩带、网状半干无纬带、玻璃布带、聚酯带等，用于铁心、线圈的绑扎、收紧等。

5.材料结构和附件

在变压器中，还有结构材料和附件，结构材料主要起到变压器支承、磁路、电路加固、变压器绝缘液封装等功能，包括夹件、油箱、散热器、储油柜等，其主要材料为Q235钢材，对于油箱箱盖的出线套管位置常采用无磁钢以减少涡流，此外变压器器身内部有时也会在采用无磁钢或高牌号钢材。

变压器附件主要其性能监测和保护功能，干变中包括温控器、风机、互感器等，油变中包括气体继电器、温控器、压力释放阀、分接开关等，部分附件需求是由客户提出。

新能源汽车用电驱动系统总的技术发展趋势是更高的功率密度、更高的效率。高速化是一个有效的技术路线，主流的电动汽车都纷纷选择高转速的电机，以提高动力性能。

表格 1国外主流电驱动系统的最高转速

厂家

最高转速

峰值功率

prius 2004

50kw

prius 2010

60kw

三菱 I-MIEV

60kw

特斯拉

225kw

BMW –i3/i8

125kw

高速化虽然有很多优点，但是也给电机和控制带来很多困难。在电磁上最突出的困难包括如下几个：

· 如何既保证低速时的转矩，又实现高速时的效率，实现两头平衡；

· 如何克服稳定裕度下降控制难度增加的困难；

本文探讨的是从永磁同步电机的设计出发，如何解决问题的方法和思路，供大家参考。

下面这个公式清晰的描述了转速和电机参数的关系。

图表 1电机最高转速公式

通过对式分析可看出,提高永磁同步电机（PMSM）的弱磁最高转速有以下四种途径:

(1) 增大极限电压ulim(电压极限);

(2) 增大极限电流ilim(电流极限);

(3) 减小永磁磁链ψf（永磁磁链）;

(4)增大直轴电感Ld。

其中前两种方案势必要增大逆变器容量,从而使成本增加。我们需要考虑其他解决方案。

学徒级

减小永磁磁链

减小永磁磁链ψf，当然能提高工作转速，但如此电机的转矩系数降低，如下公式所描述的，为了获得同样的转矩，磁链小了，就需要增加更多的电流，这会导致控制器的电流压力过大，增加成本。因此这是一种简单有效但是有成本代价的方案。

增加直轴电感

比较理想的方法是增大直轴电感，电感大了，较小的直轴电流就能起到好的弱磁效果，因为容易把最高转速公式中的分母变小，从而获得更高的速度。增加电感的方式有很多，一般会在转子的结构上作文章，比如增加磁桥的厚度，或者把磁钢分段，增设中间磁桥，下图就是两种增加分段磁桥的方法，这些方法都能够有效增加直轴电感。

但问题没有那么简单， 因为增加了直轴电感也会有坏处的，若交轴电感没有增加，那么电机的凸极比会下降，电机的磁阻转矩比例会下降，转矩密度降低。而且增加Ld的措施会增加漏磁，减小永磁体的利用率，如下图所示。分段结构虽然虽然转速上去了，但漏磁系数增加了，平均转矩也下降了。因此增加直轴电感是一种简单有效学徒方法，它会带来很多副作用。

专家级

世界是复杂的，事情是多面的，学徒级手段只是单方向的解决问题，很快就会碰到天花板，因此需要辩证的看待问题，利用组合的优化策略，来弥补学徒级手段的不足，这就有了专家级的优化策略。

增加交轴电感（提高凸极率）

从下面的公式可以看出，永磁电机的转矩有两部分组成，一部分是永磁体提供的永磁转矩下降，另一部分是由于交、直轴电感差异引起的磁阻转矩。为了提高速度，直轴电感（Ld）增加，永磁磁链降低，会导致永磁转矩下降，有必要提高磁阻转矩，因此需要增加交轴电感（Lq），从而提高凸极率

怎么增加交轴电感呢，还是在转子结构上做文章。下面介绍一下Prius的电机经验，Prius第一代电机THS是采用一字结构（下图左下），最高转速。

第二代THSII型在转矩增加的基础上，转速不降反升，达到了，核心的原因就是采用了V字结构，这种结构凸极率更高，交直轴电感都高于一字结构。

在第三代产品中，他们对V字结构的研究渐入佳境，增设了V字底部的磁桥，这样做虽然会增加直轴电感，但会降低永磁磁链，怎么补偿呢？仔细分析后会发现：较第二代产品，他们V字的夹角（图中的θ）变小了，这样交轴磁路通道变宽，交轴电感大幅上升，如此磁阻转矩得以提高，磁阻转矩占60%以上（最大转矩工况），这样带来的效果，不但最高转速上去了，电机成本也大幅下降(有60%的转矩不是昂贵的磁钢提供的)。

降低饱和度

饱和度低了，不但能够同时提升交直轴电感，还提高凸极率。除了在转子结构外，优化定子齿槽面积比例，能够降低定子的饱和度，下面是一个专家研究在槽数不变的情况下，改变定子槽齿的宽度（齿槽比）比对饱和度的影响。

从电磁场云图中可以发现，随着齿的面积增加，磁场的饱和程度会降低，电机的凸极率会上升。

齿槽比过高会导致电机嵌线困难。需要改进工艺手段，获得更高的槽满率，二者相结合可以更有效的提高电机的弱磁扩速能力。

此外通过优化槽极比也能够提高凸极率，通过气隙和匝数的选择也可以，很多高手都做过论述，但总的基调就是增加直轴电感，增加凸级率。

大师级

人对世界的认识是无止境的，有些人总是看得更细、看得更全面。 因此称之为大师，在如何提高弱磁扩速能力问题上，他们有更深刻的见解，更丰富的手段。当更深入的时候，我们会发现两个同样的电机都能达到某个高速水平，但它们实现的难度是不一样的，实现的质量也是不一样的，如何衡量这种水平差异，我们需要建立更底层的指标体系。

正弦度

如果从控制器的角度出发，我们会发现有些电机难控制，有的电机好控制，在高速的时候，这种差异会更大，有些电机虽然也能达到高速，但对控制的参数的敏感度更高，控制的稳定裕度也会更低，极容易失稳，到底是什么在影响呢？其中一个是正弦性。

气隙磁密可以看成是基波和谐波的合成

完全意义上的正弦电机是不存在的，我们可以把电机理解成一台基波正弦电机和若干台谐波电机的组合。同时控制这么多电机是不现实的，正常的情况下，基波正弦电机的能力远大于其它谐波电机，控制器只需要控制好基波电机就可以了，这叫抓住主要矛盾。也就是说基波电机和谐波电机的能量比例越悬殊，控制就越简单。衡量这个比例的指标叫正弦性。 我们一般讲永磁气隙磁密的正弦性、电枢磁密的正弦性等等，正弦性越好，控制越简单，越容易实现高速。

可以通过许多手段来优化正弦性，比如采用偏心的转子结构，如上图所示，可以通过调整极弧系数和偏心距来实现。但在高速时，情况有所不同，因为电枢反应中有了很强的去磁成分，这个时候磁场主要是由永磁磁场和直轴磁场合成的，光永磁磁场的正弦性不足以保证合成磁场的正弦性，有些电机在这种工况下正弦性会极具恶化，导致谐波电机含量变高，只控制基波电机会导致控制困难，因此需要以弱磁状态下的合成磁场的正弦性作为优化设计目标。

线性度

这里的线性度，指的是交直轴电感的线性度。 控制工程师总是希望，电机的电感是常量，是不随电流变化而变化的，这样他们控制起来就很简单，他们把这种电感不怎么变化的电机叫线性电机。

交轴电感随电流变大而变小

但在现实世界中，这种电机是不存在的，存在的都是非线性的电机。就是电感参数会随

着电流的大小而变化，特别是内置式永磁同步电机，非线性是很强的，在弱磁状态下，电磁场是永磁磁场、直轴磁场、交轴磁场三者的合成，虽然直轴磁场总体上是去磁的，是退饱和化的，但那只是总体上而言的，在某些局部位置反而是会加剧饱和的，这就导致了电感不但呈现出对电流的非线性，在不同转子位置也会有差异。这种情况就比较复杂了，控制工程师处理这类问题就非常棘手，需要反复调整控制参数。线性度差的电机就不容易控制，因此考察在高速弱磁状态下：电感的线性度，可以衡量出这台电机的控制质量。优化电感线性度，就是考察设计者功力了，需要对永磁、直轴电枢、交轴电枢三种磁场的走向和特性都有深入的理解，没有应手的工具很难做到。软件就是这样的利器，他们提供了一种脚本，能够分离出三种磁场并单独观测，让你能够驾驭局部饱和随位置变化的规律。

抗退磁能力

前面两种手段都是从控制的角度来评判电机的高速能力，其实从电机本体出发，也存在能力的高下的，我们知道如果控制器没有电流限制，可以一直加弱磁电流，直到主磁场强度为0，这个时候在理论上是可以具备无限转速的，但这里有个问题，就是永磁体会退磁的。有些电机，当主磁场弱化到一半时就出现局部退磁了，有些电机则可以弱化更多，后者显然就具备了更高的弱磁能力。

为什么说直轴电流容易退磁，因为它的磁场方向是通过永磁体，而且和永磁体磁场方向相反。如下图所示，直轴磁场除了通过转子外圆侧的磁桥短路外，其它的全部打向永磁体。

因此直轴电枢反应会影响磁钢的工作点，有些局部位置会出现极小的磁密，磁密越低越容易退磁。好的电机设计，会在深弱磁状态，不出现局部退磁，在高速运行安全可靠。

永磁体磁场分布的不均匀性

如何优化永磁体的局部磁密？ 通常采用分流、导流、增加磁钢厚度、增加磁钢矫顽力等多种手段的组合使用。这里不详细展开，当然需要有一款有限元软件能够及时反馈出你做的手段的有效性。

总结

车用永磁同步电机的高速化是大势所趋，如何衡量和优化高速弱磁能力不但是控制研究的重点，也是电机本体设计的重点，好的设计目标不但是能否达到高速，还要求提高运行质量，包括控制的难易程度和本身的安全程度。本文只是介绍了别人常用的思路和手段，还有许多方法没有来得及介绍。但只要专注专研，人人都可以成为大师。

参考文献：

1.V 型永磁体分段转子结构的弱磁性能分析 陈尔奎

2.混合动力汽车驱动用永磁同步电机的研究 蒋大千

3主轴永磁同步电机电磁结构及“弱磁”问题的研究 尹华杰

转自：电机产品技术前哨-微信公众号