Analytical determination of the slot portion of the winding rotor capacity for the prediction of bearing voltage in electrical machines

Abstract

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.