Analytische Ermittlung der Leiter-Leiter-Kapazität von Zweischichtwicklungen unter Berücksichtigung des Zwischenschiebers zur Vorausberechnung der Potenzialverteilung in der Ständerwicklung umrichtergespeister elektrischer Maschinen

Zusammenfassung

Die Anzahl umrichtergespeister elektrischer Maschinen nimmt aufgrund der guten Regelbarkeit des Motors und der mittlerweile niedrigen Anschaffungskosten zu. Die durch die Leistungshalbleiter an den Klemmen der elektrischen Maschine eingeprägten steilen Spannungsflanken führen zu einer ungleichmäßigen Potenzialverteilung entlang der Statorwicklung. Es entstehen Spannungsspitzen zwischen den Leitern, welche eine Belastung für die Isolierung darstellen. Die Spannungsverteilung kann mithilfe von Ersatzschaltbildern, welche die parasitären kapazitiven Kopplungen zwischen den Leitern berücksichtigen, modelliert werden. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für die analytische Bestimmung der Leiter-Leiter-Kapazität von Zweischicht-Runddrahtwicklungen unter Berücksichtigung des Zwischenschiebers vorgestellt, der neben der Geometrie und der Platzierung der Leiter ebenfalls den Einfluss von Materialien mit unterschiedlichen Permittivitäten berücksichtigt. Die Leiter werden mittels Linienladungen modelliert, die diskret innerhalb der als Elektroden aufgefassten Leiter angebracht werden. Die Gegenkapazitäten werden mithilfe der maxwellschen Kapazitätskoeffizienten bestimmt. Die Methode wird mit FEM-Simulationen für verschiedene Geometrien und Materialien validiert.

Abstract

The number of inverter-fed motors is increasing due to the good controllability of the motor and the low acquisition cost. The steep voltage slopes added to the winding terminals by the power semiconductors lead to an uneven distribution of the electric potential along the stator winding. Voltage peaks occur between the conductors which stress the insulation. The potential distribution can be modelled by means of equivalent circuit diagrams which take into account the parasitic capacitive coupling between the conductors. In this paper, a novel approach for the analytical determination of the turn-to-turn capacitances of a double-layer winding considering the intermediate slider is presented. Besides the geometry and the placement of the conductors, the influence of materials with different permittivities is also considered. The conductors are modelled by means of line charges which are discretely placed inside the electrodes, i.e., the conductors. The mutual capacitances are determined by means of Maxwell’s capacitance coefficients. The method is validated by FEM simulations for different geometries and materials.