Analytical determination of the winding-to-stator capacity for the prediction of high-frequency common mode current in electrical machines

Abstract

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.