Analytische Ermittlung des Nutschlitzanteils der Wicklung-Rotor-Kapazität zur Vorausberechnung von Lagerspannungen in elektrischen Maschinen

Abstract

ZusammenfassungDie Anzahl umrichtergespeister Antriebe steigt aufgrund der guten Regelbarkeit des Motors bei mittlerweile geringen Anschaffungskosten. Infolge der diskreten Schaltzustände der Leistungstransistoren ist der Mittelwert der drei Ausgangsspannungen eines Zweipunkt-Wechselrichters eine von Null verschiedene Gleichtaktspannung, welche als Common-Mode-Spannung bezeichnet wird. Die Gleichtaktspannung wird durch den Umrichter in die Motorwicklung eingeprägt. Über die Wicklung-Rotor-Kapazität entsteht ein Abbild der Common-Mode-Spannung auf der Motorwelle, die auch an den Motorlagern anliegt und die Durchschlagsfestigkeit des Schmierfilms der Lager überschreiten und zu Durchschlägen führen kann, welche in der Beschädigung der Motorlager resultieren.Die Wicklung-Rotor-Kapazität setzt sich aus einem Nutschlitz- und einem Stirnraumanteil zusammen. In diesem Artikel wird eine analytische Bestimmung des Nutschlitzanteils der Wicklung-Rotor-Kapazität vorgestellt, welche neben der Geometrie des Nutschlitzes und der Geometrie des Luftspalts den Einfluss von Materialien mit unterschiedlichen Permittivitäten berücksichtigt. Die Ermittlung des Nutschlitzanteils der Wicklung-Rotor-Kapazität basiert auf der Berechnung des skalaren Potenzialfelds im Gebiet des Nutschlitzes und des Luftspalts.

Analytical Determination of the Slot and the End-Winding Portion of the Winding-to-Rotor Capacitance for the Prediction of Shaft Voltage in Electrical Machines

“…Again, the deviations between the potential amplitudes calculated in the presented stator slot model and those determined by means of FEM simulations are in the single-digit percentage range. The slot portions of the winding-to-rotor capacitance calculated, according to Reference [11], have a maximum deviation of about 11% compared to FEM results.…”

“…2 , 0 can be determined with the presented slot model. Afterwards, the slot portion of the winding-to-rotor capacitance C wr,ns,anal can be calculated in the air gap model, according to Reference [11]. Table 3 contains the analytically calculated and by means of FEM simulations determined potential amplitudes and the slot portions of the winding-to-rotor capacitance.…”

“…The assumption of a straight, non-curved rotor surface leads only to slight deviations from FEM simulations in the examined slot models. However, the air gap model presented in Reference [11] can be used to determine the influenced charge on the rotor under consideration of the radius of the stator and the rotor surface. Especially for small-bore radii or large air gap lengths, the radius of the surfaces cannot be neglected.…”

“…Therefore, correction functions are introduced in References [3,5]. In Reference [11], the electric field area between the stator winding and the rotor lamination in the active part of an electrical machine is divided into a slot area and an air-gap area. The field problem for each area is solved by the separation method taking into account the continuity and the boundary conditions.…”

“…The quotient of the rotor charge and the potential of the stator winding specified in the slot model corresponds to the slot portion of the winding-to-rotor capacitance. In the calculation rule presented in Reference [11], however, a constant slot width is assumed to solve the field area in the slot. Hence, the influence of a wedge area and a scattering space cannot be taken into account compared to the finite element method (FEM) simulations.…”