Modellierung der umrichterbedingten Spannungsverteilung und der parasitären Effekte in Elektromotoren mit Hairpin-Wicklung

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik entwickelt, die bereits in einem frühen Entwicklungsstadium die Vorhersage der transienten Spannungsverteilung sowie der hochfrequenten parasitären Effekte in elektrischen Maschinen mit Hairpin-Wicklung ermöglicht.

Die parasitären Effekte beziehen sich hierbei auf unerwünschte transiente Phänomene in der Maschine während des Umrichterbetriebs.
Diese resultieren primär aus der Pulsdauermodulation und werden durch die Gleichtaktspannung, die von den Halbleitern erzeugten Impulsen mit steilen Spannungsflanken sowie durch die Spannungsüberschwinger an den Maschinenklemmen verursacht, was wiederum eine unzulässige Beanspruchung für das Isoliermaterial darstellen kann.
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Zudem können durch die Gleichtaktspannung und hochfrequente Kopplungen innerhalb der Maschine parasitäre Ströme fließen, die zur Beschädigung der Motorlager und der angeschlossenen Last führen.

Die Vorausberechnung dieser Effekte stößt in der industriellen Forschung und Entwicklung zunehmend auf Interesse, da der Einsatz von schnellschaltenden Leistungshalbleitern sowie der Trend zu höheren Spannungsebenen die Auswirkungen des hochfrequenten Spannungsspektrums verstärken und eine komplexere Isolationskoordination erforderlich machen.

Das Ziel dieser Arbeit besteht, neben der Entwicklung einer zweckmäßigen und ausschließlich auf Material- und Designdaten basierenden Methode darin, die Auswirkungen auf funktionskritische Komponenten des Motordesigns, insbesondere auf das Isoliersystem und die Motorlager, zu analysieren.

Bevor gezielte Maßnahmen zur Verminderung parasitärer Effekte in Prototypenmotoren umgesetzt werden, wird das Modell durch verschiedene Messaufbauten validiert und die Maßnahmen simulativ untersucht sowie verifiziert.

Darüber hinaus ergeben sich aus der systematischen Anwendung der Methodik Auslegungsregeln zur Optimierung des Wicklungsdesigns, was die umfassende Anwendbarkeit und den Mehrwert des vorgestellten Modells in der Praxis unterstreicht.

This thesis develops a methodology that enables the prediction of the transient voltage distribution and high-frequency parasitic effects at an early stage of electric traction motor development.

The parasitic effects refer to undesirable transient phenomena in the machine during inverter operation. These are mainly caused by the common-mode voltage due to modulated pulse-width modulation, the impulses generated by the semiconductors with steep voltage gradients, and the voltage overshoots at the machine terminals, which can pose excessive stress on the insulation material.
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Additionally, the common-mode voltage and high-frequency couplings within a machine can cause parasitic currents that may damage the motors' bearings or the connected loads.

The precalculation of these effects is attracting increasing interest in industrial research and development, since the use of fast-switching power semiconductors and the trend towards higher voltage levels amplify the effects of the high-frequency voltage spectrum, resulting in additional electrical stress and necessitating more complex insulation coordination.

The objective of this work, besides developing a appropriate method, is to investigate the impacts on functionally critical components of the motor design, particularly the insulation system and the motor bearings, and to evaluate measures regarding parasitic effects. Thus, the approach relies solely on material and design data.

The model is initially validated through various measurement setups, allowing targeted measures to reduce parasitic effects to be analyzed and verified through simulation before implementation.

Moreover, the systematic application of the model leads to design rules for optimizing the winding design, highlighting the comprehensive applicability, and added value of the proposed modelling approach in practice.