Analytical determination of the turn-to-turn capacitances for the prediction of voltage peaks in a PWM-fed motor winding

The number of inverter-fed motors is increasing due to the good controllability of the motor and the meanwhile low acquisition costs. The steep voltage slopes of the converters lead to an uneven voltage distribution along the winding and thus to voltage peaks between the conductors, which stresses the insulation. The voltage distribution can be predicted by means of equivalent circuit diagrams, which take into account the capacitive coupling between the conductors. This paper presents a novel approach for an analytical determination of the turn-to-turn capacitances, which, in addition to the geometry and the placement of the conductors, considers the influence of materials with different permittivities.The conductors are simulated by means of line charges discretely placed inside the electrodes and receptor points attached to the conductor surfaces. The capacitances are determined by means of the Maxwell capacitance matrix. The method is validated by means of FEM simulations for different geometries and materials

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

Common-mode voltage, caused by a 2-level inverter, is a source of discharge currents in motor bearings. Due to the capacitive coupling, between the stator winding and the rotor, an image of the common-mode voltage is produced on the shaft—which can exceed the dielectric strength of the lubrication film of motor bearings. Accurate determination of the winding-to-rotor capacitance is necessary to predict the shaft voltage. This article proposes a novel analytical determination of the slot and the end-winding portion of the winding-to-rotor capacitance. The calculation rules, which are based on the method of image charges and the charge simulation method, take into account the continuity and the boundary conditions of the field areas. Results are validated by means of finite element method simulations. Notably, deviations are in the single-digit percentage range. Furthermore, the presented methods are simple to implement

Analytical determination of the end-winding portion of the winding-to-rotor capacitance for the prediction of bearing voltage in electrical machines

The number of inverter-fed motors is increasing due to the good controllability of the motor and the meanwhile low acquisition costs. As a result of the discrete switching states of the power transistors, the average of the three output voltages of a two-level inverter is a common mode voltage, which differs from zero. The common mode voltage is impressed into the motor winding by the inverter, and an image of the common mode voltage is produced across the bearings via the winding-to-rotor capacitance. The voltage applied to the motor bearings can exceed the dielectric strength of the lubricating film of the bearings and lead to discharge currents resulting in damage to the motor bearings. The winding-to-rotor capacitance is composed of a slot and an end-winding portion. In this article, an analytical determination of the end-winding portion of the winding-to-rotor capacitance is presented, which, in addition to the rotor geometry, considers the influence of materials with different permittivities. The method is validated by means of FEM simulations for different geometries and materials

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

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

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

The number of inverter-fed motors is increasing due to the good controllability of the motor and the cost, which by now is low. As a result of the discrete switching states of the power transistors, the average of the three output voltages of the inverter is a common mode voltage which differs from zero. This common mode voltage is impressed into the motor winding by the inverter. An image of the common mode voltage on the motor shaft is produced via the winding rotor capacitance. This voltage appears at the motor bearings and can exceed the dielectric strength of the lubricant film of the bearings causing discharge currents and damage to the motor bearings. The winding rotor capacity is composed of a slot as well as of an end-winding portion. In this article, an analytical determination of the slot portion of the winding rotor capacity is presented, which, in addition to the geometry of the slot and the geometry of the air gap, takes into account the influence of materials with different permittivities. The determination of the slot portion of the winding rotor capacity is based on the calculation of the scalar potential field in the area of the slot and in the area of the air gap.Die 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

Analytische Ermittlung des Nutschlitzanteils der Stator-Rotor-Kapazität zur Vorausberechnung und Reduzierung von Lagerspannungen in elektrischen Maschinen

Fast-switching inverters enable a low-loss and low-noise variable-speed operation of an electrical machine. The trend towards inverter-fed drives is further strengthened by falling costs. However, the steep voltage flanks generated by the switching of the power transistors and the inherent common mode voltage caused by the inverter lead to undesirable parasitic effects. The common mode voltage is impressed into the motor winding by the inverter. An image of the common mode voltage on the motor shaft is produced via the winding rotor capacitance. This voltage appears at the motor bearings and can exceed the dielectric strength of the lubricant film of the bearings causing discharge currents and damage to the motor bearings. To calculate the bearing voltage, it is necessary to determine the stator-to-rotor capacitance. The capacitive coupling between the stator and the rotor in the active part of the electric machine is modelled with the help of a cylindrical capacitor. The influence of the slot opening of the stator lamination can be taken into account using the Carter factor. In this article the influence of the permittivity of the material used in the slot openings is investigated by FEM simulations. An analytical determination of the stator-to-rotor capacitance is developed while taking into account the dielectric properties of the slot material.Schnellschaltende Zweipunkt-Wechselrichter ermöglichen einen verlust- und geräuscharmen drehzahlveränderbaren Betrieb einer elektrischen Maschine. Der Trend zu umrichtergespeisten Antrieben wird durch sinkende Anschaffungskosten zusätzlich verstärkt. Die durch das Schalten der Leistungstransistoren erzeugten steilen Spannungsflanken und die vom Umrichter verursachte inhärente Gleichtaktspannung führen jedoch zu unerwünschten parasitären Effekten. Die Gleichtaktspannung, auch als Common-Mode-Spannung bezeichnet, 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 EDM-Lichtbogenentladungen führen kann, welche in der Beschädigung der Motorlager resultieren. Für die Bestimmung der an den Motorlagern anliegenden Spannung ist die Ermittlung der Kapazität zwischen Statorblechpaket und Rotor erforderlich. Die kapazitive Kopplung zwischen dem Stator und dem Rotor im Aktivteil der elektrischen Maschine wird mithilfe eines Zylinderkondensators modelliert. Der Einfluss der Nutöffnung des Statorblechpakets kann mittels des Carter-Faktors berücksichtigt werden. In diesem Artikel wird durch FEM-Simulationen der Einfluss der Permittivität des im Nutschlitz eingesetzten Materials untersucht und eine analytische Bestimmung der Stator-Rotor-Kapazität unter Berücksichtigung der dielektrischen Eigenschaften des Nutschlitzmaterials erarbeitet

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

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.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

Erratum to: Analytische Ermittlung des Nutschlitzanteils der Stator-Rotor-Kapazität zur Vorausberechnung und Reduzierung von Lagerspannungen in elektrischen Maschinen

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

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