Analytische Ermittlung des Stirnraumanteils der Wicklung-Stator-Kapazität in elektrischen Maschinen zur Vorausberechnung des hochfrequenten Common-Mode-Stroms

Analytical determination of the winding-to-stator capacity for the prediction of high-frequency common mode current in electrical machines

Zusammenfassung

Beim Betrieb von schnellschaltenden Umrichtern treten in elektrischen Antrieben parasitäre, hochfrequente Effekte auf. Bei einem Zweipunkt-Wechselrichter ist der Mittelwert der drei Ausgangsspannungen aufgrund der diskreten Schaltzustände der Leistungstransitoren eine von Null verschiedene Gleichtaktspannung. Die Common-Mode-Spannung wird durch den Umrichter in die Motorwicklung eingeprägt und verursacht einen kapazitiven, hochfrequenten Common-Mode-Strom, der als Umladestrom der Kapazität zwischen Wicklung und Statorblechpaket und –gehäuse verstanden werden kann.

Die Wicklung-Stator-Kapazität setzt sich aus einem Nut- und einem Stirnraumanteil zusammen. In diesem Artikel wird eine analytische Bestimmung des Stirnraumanteils der Wicklung-Stator-Kapazität vorgestellt, welche neben der Stirnraumgeometrie den Einfluss von Materialien mit unterschiedlichen Permittivitäten berücksichtigt. Die Ermittlung des Stirnraumanteils der Wicklung-Stator-Kapazität basiert auf der Berechnung des skalaren Potenzialfelds unterhalb und oberhalb des Wicklungskopfs der Statorwicklung. Das vorgestellte Modell wird mit Hilfe von FEM-Simulationen für verschiedene Geometrien und Materialien validiert.

Abstract

Parasitic, high-frequency effects occur in electric drives during operation of fast-switching converters. In a two-point inverter, the mean value of the three output voltages is a non-zero common mode voltage due to the discrete switching states of the power transistors. The common-mode voltage is impressed into the motor winding by the inverter and causes a capacitive, high-frequency common-mode current, which can be understood as charging current of the capacity between winding and stator core plus stator housing.

The winding stator capacity is composed of a slot and an end-winding portion. In this article, an analytical determination of the end-winding portion of the winding stator capacity is presented, which, in addition to the end-winding geometry, takes into account the influence of materials with different permittivities. The determination of the end-winding portion of the winding stator capacity is based on the calculation of the scalar potential field in the area below and above the end-winding. The method is validated by means of FEM simulations for different geometries and materials.

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Stockbrügger, J.O., Ponick, B. Analytische Ermittlung des Stirnraumanteils der Wicklung-Stator-Kapazität in elektrischen Maschinen zur Vorausberechnung des hochfrequenten Common-Mode-Stroms. Elektrotech. Inftech. 137, 203–211 (2020). https://doi.org/10.1007/s00502-020-00803-y

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Schlüsselwörter

  • Wicklung-Stator-Kapazität
  • Wellenspannung
  • zirkulare Lagerströme
  • Traktionsantrieb

Keywords

  • winding-to-stator capacity
  • shaft voltage
  • circulating bearing currents
  • traction motor