With the increasing use of novel semiconductor technologies such as SiC and GaN in inverter-fed electrical machines, the switching losses of the power electronics can be reduced. However, this leads to steeper voltage gradients, resulting in a strongly nonlinear transient potential distribution along the winding of the electrical machine. As a result, the insulation system – especially the turn-to-turn insulation – is subjected to additional voltage stress. To carry out targeted dimensioning of the insulation system, it is necessary to calculate the transient potential distribution in advance. In the design of a hairpin winding, it is possible to influence the transient potential differences by employing a method called “shifting” within the winding scheme and thus to reduce the maximum potential differences that occur. On this basis, a targeted design of winding plans with hairpins can be achieved. Here, both the transient potential differences between the conductors within a slot of the stator core and the potential differences between the conductors of different phases in the end winding region of the machine are considered. Furthermore, the voltage differences between the conductors and the stator core are determined and compared for different variants. In this way, it is possible to reduce the amount of material used in the insulation system. Finally, an advantageous winding layout plan based on reduced potential differences is compared with a reference plan.
Mit dem zunehmenden Einsatz von neuen Halbleitertechnologien wie SiC und GaN bei umrichtergespeisten elektrischen Maschinen können die Schaltverluste der Leistungselektronik reduziert werden. Dies führt jedoch zu größeren Spannungsgradienten, woraus sich eine stark nichtlineare transiente Potenzialverteilung entlang der Wicklung der elektrischen Maschine ergibt. Resultierend wird das Isoliersystem – insbesondere die Windungsisolierung – einer zusätzlichen Beanspruchung ausgesetzt. Um eine gezielte Dimensionierung des Isoliersystems vornehmen zu können, ist es demnach erforderlich, die transiente Potenzialverteilung vorauszuberechnen. Im Entwurfsprozess einer Haarnadelwicklung ist es möglich, durch so genanntes „Shifting“ innerhalb des Wicklungsplans die transienten Potenzialdifferenzen zu beeinflussen und somit die maximal auftretenden Potenzialdifferenzen zu reduzieren. Auf dieser Basis kann ein gezieltes Design von Wicklungsplänen mit Hairpins erfolgen. Hierbei werden sowohl die transienten Potenzialdifferenzen zwischen den Leitern innerhalb einer Nut als auch zwischen den Leitern verschiedener Stränge im Endbereich der Maschine berücksichtigt. Außerdem wird das Potenzial zwischen den Leitern und dem Blechpaket identifiziert und für verschiedene Varianten verglichen. Auf diese Weise ist es möglich, den Materialeinsatz für das Isoliersystem zu reduzieren. In einem abschließenden Vergleich wird ein vorteilhafter Nutbelegungsplan auf Basis reduzierter Potenzialdifferenzen einem Referenzplan gegenübergestellt.
