Analytical determination of the slot portion of the stator-to-rotor capacitance for the prediction and reduction of bearing voltage in electrical machines
Analytische Ermittlung des Nutschlitzanteils der Stator-Rotor-Kapazität zur Vorausberechnung und Reduzierung von Lagerspannungen in elektrischen Maschinen
Creators: name: Stockbrügger, Jan Ole
name: Ponick, Bernd
Publisher: name: Wien [u.a.] : Springer
Year: 2020
Subjects: subject: bearing voltage
subject: EDM currents
subject: stator-to-rotor capacitance
subject: traction motor
subject: Stator-Rotor-Kapazität
subject: Lagerspannung
subject: EDM-Ströme
subject: Traktionsantrieb
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

description: 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.
description: 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.