Lebensdauerabschätzung von Wicklungsisolierstoffsystemen in SiC-betriebenen elektrischen Niederspannungsmaschinen

Zusammenfassung

Das Wicklungssystem von umrichtergespeisten elektrischen Maschinen ist besonderen elektrischen Belastungen ausgesetzt, welche aus dem Überschwingverhalten und der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Spannung resultieren. Durch kürzer werdende Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten ($\mathrm{d}u/\mathrm{d}t$), wie sie beim Einsatz von SiC-Umrichtern auftreten können, nimmt die Spannungsbelastung der Wicklung zu. Gleichzeitig werden in elektrischen Fahrzeugen immer höhere Zwischenkreisspannungen verwendet. Durch diese steigenden Anforderungen kann es auch in herkömmlichen Wicklungssystemen von Niederspannungsmaschinen zu Teilentladungen kommen, und das elektrische Isoliersystem kann innerhalb kurzer Zeit ausfallen. Es existieren zwei Möglichkeiten, diese Art von Frühausfällen zu vermeiden. Durch höhere Isolierschichtdicken einerseits bleibt die Wicklung auch bei höheren Spannungen teilentladungsfrei, allerdings reduziert sich dadurch der Kupferfüllfaktor. Eine andere Möglichkeit ist das Verwenden von Materialien, die Teilentladungen länger standhalten können. Um das Potential dieser teilentladungsresistenten Materialien abzuschätzen, werden in diesem Beitrag die Einflüsse der Umrichterspannung auf das Teilentladungsverhalten und die Lebensdauer der Isolierung identifiziert.

Abstract

The winding system of inverter-fed electrical machines is exposed to high electric loads resulting from the overshoot behavior and the finite propagation speed of the voltage. The electrical load on the winding increases as a result of shorter voltage slew rates ($\mathrm{d}u/\mathrm{d}t$) that occur due to SiC-converters. At the same time, increasing DC-link voltages are being used in electric vehicles. With these increased requirements, conventional winding systems of low voltage electrical machines are no longer free of partial discharge and can fail within a short time. There are two ways to avoid this type of failure. Due to thicker insulating layers, and thus a reduced slot space for the conductors, the winding is partial discharge-free at higher voltages. Another possibility is to use materials that can withstand partial discharges longer. In order to estimate the potential of these resistant materials, the influences of the inverter voltage on the partial discharge behavior and the life time of the insulation are identified below.