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

摘要

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.