DE102018128589A1 - Insulation system to reduce the insulation damage to the windings of an electric motor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem (1) zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Isolierung der Wicklungen eines Elektromotors, umfassend wenigstens einen Wickelzahn (10) gebildet aus einem Elektroblech mit einer Vielzahl von Wicklungsdrähten (W1, ..., Wn), die um den Wickelzahn (10) zu einer Spule (20) gewickelt sind, wobei auf der Oberfläche des Wickelzahns (10) eine Isolierung (11) aus einem Material (M1) aufgebracht ist, welches eine niedrige relative Permittivitätszahl εbesitzt, wodurch die Windungskapazität γ vergrößert wird.The invention relates to an insulation system (1) for reducing the insulation damage to the insulation of the windings of an electric motor, comprising at least one winding tooth (10) formed from an electrical sheet with a multiplicity of winding wires (W1, ..., Wn) which surround the winding tooth ( 10) are wound into a coil (20), an insulation (11) made of a material (M1) having a low relative permittivity number ε being applied to the surface of the winding tooth (10), which increases the winding capacity γ.

Description

Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Wicklungen eines Elektromotors.The invention relates to an insulation system for reducing the insulation damage to the windings of an electric motor.

Aufgrund der Spannungsbeaufschlagung und insbesondere wenn sehr kurze Spannungswellen, vor allem scharfe Spannungssprünge, die von Schaltvorgängen herrühren, in eine Wicklungsspule eines Elektromotors einfallen, so rufen diese eine kräftige, exponentiell gedämpfte Spannungsverteilung hervor und beanspruchen vorwiegend die Eingangswindungen der Spule auf Durchschlag von Windung zu Windung bzw. Lage zu Lage.Due to the application of voltage and especially when very short voltage waves, especially sharp voltage jumps, which result from switching operations, fall into a winding coil of an electric motor, these cause a strong, exponentially damped voltage distribution and primarily stress the input turns of the coil to breakdown from turn to turn or layer to layer.

Aufgrund der elektrischen Wicklungsbelastung, im Besonderen der Isolation, kann es in Folge zu Schäden kommen, wie zum Beispiel zum Abbrennen des Motors, zu Totalausfällen und dergleichen. Speziell durch hochfrequente Spannungsbeaufschlagung beispielsweise bei Umrichterbetrieb, treten solche Probleme der Isolationsbelastung auf.Due to the electrical load on the winding, in particular the insulation, damage can result, such as for example the motor burning down, total failures and the like. Such problems of insulation stress occur especially due to high-frequency voltage application, for example in converter operation.

Isolationsschäden sind jedoch um so gefährlicher, da sie erst nach Betriebseinsatz des Motors, z. B. durch aufliegenden Abrieb der Bürsten eines Kommutatormotors, zum Windungsschluß zwischen dadurch überbrückten Isolationsfehlstellen bzw. zum Körperschluß mit Motormasseteilen zu einem Motorausfall führen können. Dies bedeutet insbesondere bei sicherheitsrelevanten Motoren, z. B. bei Antriebsmotoren ein erhebliches Qualitäts- und Sicherheitsrisiko.Insulation damage is all the more dangerous, however, since it only occurs after the motor has been in operation, e.g. B. by resting abrasion of the brushes of a commutator motor, the short circuit between insulation bridges thereby bridged or the body connection with engine mass parts can lead to an engine failure. This means in particular for safety-relevant motors, e.g. B. in drive motors a considerable quality and safety risk.

Im Stand der Technik gibt es bereits diverse Verfahren die Isolierung und die Qualität von Wicklungen zu prüfen. Solche Verfahren zielen aber darauf ab, Isolationsfehler zu detektieren, die typischerweise bei üblichen Fertigungsverfahren erst bei Prüfung der fertiggewickelten Bauteile erkannt werden können oder deswegen überhaupt unentdeckt bleiben, weil die isolationsgeschädigten Stellen von unbeschädigten isolierten Spulendrahtteilen bedeckt werden und somit nicht zu einem direkten unmittelbaren Windungsschluß zwischen zufällig benachbarten Schadstellen führen.In the prior art, there are already various methods for checking the insulation and the quality of windings. However, such methods aim to detect insulation faults that typically can only be detected in conventional manufacturing processes when the finished components are inspected or remain undetected at all because the insulation-damaged areas are covered by undamaged, insulated coil wire parts and therefore do not lead to a direct direct turn between lead randomly adjacent damaged areas.

Zur Erfassung von elektrischen Fehlstellen in der Isolierung von kunststoffisolierten elektrischen Leitern ist es z. B aus der DE 38 33 165 A1 bekannt, ein Meßsignal einer elektrischen Prüfung, z. B. in Form einer Spannungsprüfung der Isolierung, und ein Meßsignal einer Oberflächenprüfung, z. B. in Form einer Durchmesserprüfung der Isolierung zu benutzen.To detect electrical defects in the insulation of plastic-insulated electrical conductors, it is e.g. B from the DE 38 33 165 A1 known a measurement signal of an electrical test, for. B. in the form of a voltage test of the insulation, and a measurement signal of a surface test, for. B. in the form of a diameter test of the insulation.

Zweckmäßiger wäre es jedoch, nicht Isolierungsfehler zu detektieren, sondern Maßnahmen vorzusehen, um die Schädigende Wirkung von Spannungsimpulsen, insbesondere hochfrequenten Spannungsimpulsen auf die Isolierung der Wicklungsdrähte zu reduzieren.However, it would be more appropriate not to detect insulation faults, but to take measures to reduce the damaging effect of voltage pulses, in particular high-frequency voltage pulses, on the insulation of the winding wires.

Bisher wurden die ersten Wicklungen einer Spule oft mit einem Isolierschlauch umgeben um auf diese Weise die Durchschlagsfestigkeit lokal zu verbessern. Nachteilig dabei ist, dass die herkömmlichen Isolierschläuche aus einem niederprimitiven Material (Gewebe) bestehen und somit nur durch eine absolut stärkere Isolierung dem Durchschlagen entgegen wirken.So far, the first windings of a coil have often been surrounded with an insulating tube in order to locally improve the dielectric strength. The disadvantage here is that the conventional insulating hoses are made of a low-primitive material (fabric) and therefore only counteract penetration through an absolutely stronger insulation.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Lösung vorzuschlagen, mit der eine Isolationsschädigung durch hochfrequente Spannungsimpulse reduziert werden kann und demnach die Standzeit und Lebensdauer einer Wicklung verlängert werden kann.The invention is therefore based on the object of overcoming the aforementioned disadvantages and proposing a solution with which insulation damage by high-frequency voltage pulses can be reduced and, accordingly, the service life and life of a winding can be extended.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the combination of features according to claim 1.

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass durch das Erhöhen der Wicklungskapazität insgesamt eine Homogeniesierung der Spannungsverteilung erzielt wird, indem die elektrische Isolierung des Wickelzahnes zum Eisen (Spulenkörper) mit einem Material kleiner Permittivität erfolgt und vorzugsweise gleichzeitig eine Erhöhung der Permittivität zwischen den Wicklungen durch Umpressen mit einer Masse hoher Permittivität vorgenommen wird. Im Ergebnis wird die Wicklungskapazität γ hierdurch erhöht.A basic idea of the invention is that by increasing the winding capacitance, overall a homogenization of the voltage distribution is achieved by electrically insulating the winding tooth from iron (coil former) with a material of low permittivity and preferably simultaneously increasing the permittivity between the windings by pressing is carried out with a mass of high permittivity. As a result, the winding capacity γ this increases.

Auf diese Weise kann der Spannungsabfall in den ersten Wicklungen reduziert und gezielt über eine Vielzahl von benachbarten Wicklungen verteilt werden.In this way, the voltage drop in the first windings can be reduced and distributed over a large number of adjacent windings.

Dicht gewickelte Spulen verhalten sich gegenüber hochfrequenten Spannungen und vor allem gegenüber scharfen Sprungwellen (Spannungsänderungen) im Wesentlichen so, als ob die einzelnen Windungen nicht miteinander leitend verbunden wären, sondern nur untereinander und gegen das Erdpotential kapazitiv verkettet wären. Der Stromverlauf richtet sich nicht mehr nach dem Verlauf der leitenden Bahnen, er erfolgt vielmehr im Wesentlichen quer zu den Windungen als sogenannter Verschiebungsstrom durch die Isolation der Leiter, die die Windungs- und Erdkapazität der Wicklung bildet, wie dies schematisch in der später gezeigten 2 gezeigt ist.Tightly wound coils behave towards high-frequency voltages and above all against sharp jump waves (voltage changes) essentially as if the individual windings were not conductively connected to one another, but rather were only capacitively linked to one another and to the earth potential. The current curve no longer depends on the course of the conductive tracks, but rather takes place essentially transversely to the windings as a so-called displacement current through the insulation of the conductors, which forms the winding and earth capacitance of the winding, as is shown schematically in that later 2nd is shown.

Spulen verhalten sich gegenüber Wechselspannungen geringer und mäßiger Frequenz genauso wie homogene Leitungen mit einem bestimmten Wellenwiderstand, während sie auf äußerst hohe Frequenzen, die oberhalb ihrer kritischen Frequenz liegen, wie Kondensator-Ketten mit einer bestimmten Kapazität ansprechen. Ferner wird zwischen jeder Wicklung zum Erdotential eine Kapazität C gebildet. In der ist ein Ersatzschaltbild einer solchen Kondensatorenkette mit einer Anzahl an Kondensatoren gezeigt, welche repräsentativ für jeweils die Kapazität zwischen zwei benachbarten Leiterschleifen einer Wicklung und dem Erdpotential dargestellt sind.Coils behave towards alternating voltages of low and moderate frequency just like homogeneous lines with a certain wave resistance, while they are extremely high Frequencies that are above their critical frequency, such as capacitor chains with a certain capacitance. Furthermore, a capacitance C is formed between each winding at earth potential. In the An equivalent circuit diagram of such a capacitor chain with a number of capacitors is shown, which are representative of the capacitance between two adjacent conductor loops of a winding and the ground potential.

Für einen Spannungsverlauf mit geringer Frequenz verläuft der Strom im Wesentlichen als Leitungsstrom in den Windungen. Im Falle höher werden Frequenzen ergibt sich zunehmend ein Verschiebungs- oder Kapazitätsstrom quer zu den Windungen durch die Isolierung.For a voltage curve with a low frequency, the current essentially runs as a line current in the windings. In the case of higher frequencies, there is an increasing displacement or capacitance current across the turns through the insulation.

Wenn sehr kurze Spannungswellen, vor allem scharfe Spannungssprünge, die von Schaltvorgängen herrühren, in eine Spule einfallen, so rufen sie eine kräftige, exponentiell gedämpfte Spannungsverteilung hervor, wie dieses in der Kurve der gezeigt ist. γ repräsentiert die Wicklungskapazität der Wicklungen.If very short voltage waves, especially sharp voltage jumps, which result from switching operations, fall into a coil, they produce a powerful, exponentially damped voltage distribution, like this in the curve of the is shown. γ represents the winding capacity of the windings.

Erfindungsgemäß wird ein Isolationssystem zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Isolierung der Wicklungen eines Elektromotors vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Wickelzahn (vorzugsweise eine Mehrzahl an Wicklezähnen) gebildet aus einem Elektroblech mit einer Vielzahl von Wicklungsdrähten, die um den jeweiligen Wickelzahn zu einer Spule gewickelt sind, wobei auf der Oberfläche des Wickelzahns eine Isolierung aus einem Material aufgebracht ist, welches eine niedrige relative Permittivitätszahl ε1 besitzt, wobei vorzugsweise zwischen die Wicklungsdrähte ferner ein isolierendes Material mit im Vergleich zur relative Permittivitätszahl ε1 hohen relativen Permittivitätszahl ε2 eingebracht ist, wodurch die Windungskapazität γ vergrößert wird.According to the invention, an insulation system for reducing the insulation damage to the insulation of the windings of an electric motor is proposed, comprising at least one winding tooth (preferably a plurality of winding teeth) formed from an electrical sheet with a multiplicity of winding wires which are wound around the respective winding tooth to form a coil, whereby on insulation of a material is applied to the surface of the winding tooth which has a low relative permittivity number ε 1 , an insulating material having a high relative permittivity number ε 2 compared to the relative permittivity number ε 1 being preferably introduced between the winding wires, as a result of which the winding capacity γ is enlarged.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dass das Material durch Umpressen mit einer Pressmasse zwischen die Wicklungsdrähte bzw. um die Wicklungen eingebracht wurde.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the material has been introduced between the winding wires or around the windings by pressing with a molding compound.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Pressmasse einen Bestandteil enthält dessen relative Permittivitätszahl ε größer als 103 ist.It is further advantageous if the molding compound contains a component whose relative permittivity ε is greater than 10 3 .

Besonders vorteilhaft ist eine Materialauswahl, bei der der Bestandteil ein Mischoxid von Barium und Titan, vorzugsweise Bariumtitanat ist, weiter vorzugsweise mit einer relativen Permittivitätszahl 8 zwischen 103 und 104.A material selection is particularly advantageous in which the component is a mixed oxide of barium and titanium, preferably barium titanate, more preferably with a relative permittivity number 8th between 10 3 and 10 4 .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Wicklungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen und einem wie zuvor beschriebenen Isolationssystem.Another aspect of the present invention relates to an electric motor with a winding arrangement consisting of a laminated winding body made of electrical sheets with winding teeth and an insulation system as described above.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ferner eine Wicklungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen und einem wie zuvor erläuterten Isolationssystem.Another aspect of the present invention further relates to a winding arrangement consisting of a laminated winding body made of electrical sheets with winding teeth and an insulation system as explained above.

Die Spannungswellen beanspruchen vorwiegend die Eingangswindungen der Spule auf Durchschlag von Windung zu Windung. Treffen jedoch periodische Wellenzüge mit sinusförmig verlaufender Spannung von unterkritischer Frequenz auf die Spule, die von Eigenschwingungen lokaler Schwingungskreise an irgendwelchen Stellen des Leitungsnetzes herrühren können, so laufen sie mit ihren Bergen und Tälern räumlich ungedämpft über die Windungen hinweg. Sie beanspruchen die Innenwindungen der Spule daher ebenso stark wie die Eingangswindungen. Die Windungsspannung dieser Wellen ist aber nur gering, so, dass die Isolation zwischen den Windungen von ihnen nicht erheblich beansprucht wird.The voltage waves predominantly stress the input turns of the coil to break through from turn to turn. However, if periodic wave trains with sinusoidal voltage of subcritical frequency hit the coil, which can result from natural vibrations of local oscillation circuits at any point in the line network, they run with their mountains and valleys undamped across the windings. They therefore stress the inner turns of the coil as much as the input turns. The winding voltage of these waves is only low, so that the insulation between the windings is not significantly stressed by them.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
  • 2 den Verschiebungsstrom durch die Isolation der Leiter, die die Windungs- und Erdkapazität der Wicklung bildet.
Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figure. It shows:
  • 1 is a schematic view of an embodiment of the present invention and
  • 2nd the displacement current through the insulation of the conductor, which forms the winding and earth capacitance of the winding.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Darstellung in der 1 näher beschrieben.In the following, the invention is illustrated on the basis of the 1 described in more detail.

In der 1 ist ein Ausschnitt, nämlich der Wickelzahn 10 einer Wicklungsanordnung eines Elektromotors schematisch dargestellt. Um den Wickelzahn 10, der aus einem Stapel an Elektroblechen gebildet ist, sind eine Vielzahl von Wicklungsdrähten W1, ..., Wn zu einer Spule 20 gewickelt.In the 1 is a section, namely the winding tooth 10th a winding arrangement of an electric motor is shown schematically. Around the winding tooth 10th , which is formed from a stack of electrical sheets, are a plurality of winding wires W1 , ..., Wn to a coil 20th wrapped.

Ferner ist ein spezifisch ausgebildetes Isolationssystem 1 vorgesehen, das infolge der gezielten Beeinflussung der Wicklungskapazität zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Isolierung der Wicklungen beiträgt.There is also a specifically designed insulation system 1 provided that contributes to reducing the insulation damage to the insulation of the windings due to the targeted influencing of the winding capacity.

Hierzu ist auf der Oberfläche des Wickelzahns 10 eine Isolierung 11 aus einem Material M1 aufgebracht, welches eine niedrige relative Permittivitätszahl ε1 besitzt, z. B. eine Permittivitätszahl ε1, die zwischen 1 und 20 liegt.This is done on the surface of the winding tooth 10th insulation 11 from one material M1 applied, which has a low relative permittivity ε 1 , z. B. a permittivity number ε 1 , which between 1 and 20th lies.

Ferner wurde zwischen die Wicklungsdrähte W1, ..., Wn ein isolierendes Material M2 mit im Vergleich zur relative Permittivitätszahl ε1 hohen relativen Permittivitätszahl ε2 eingebracht, nämlich durch Umpressen mit einer Pressmasse, die als Bestandteil ein Mischoxid von Barium und Titan, vorzugsweise Bariumtitanat enthält. Furthermore, between the winding wires W1 , ..., Wn an insulating material M2 with a high relative permittivity ε 2 compared to the relative permittivity ε 1 , namely by pressing with a molding compound which contains a mixed oxide of barium and titanium, preferably barium titanate.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So wäre es auch denkbar, durch das Ersetzen eines herkömmlichen Füllstoffes die Durchschlagfestigkeit der Wicklung zu erhöhen. Vorteilhaft wäre es ferner, Isolierschläuche aus einem hochpermittivem Material zu erstellen oder diesen als Füllstoff zu verwenden. Dann könnten auch solche Isolierschläuche um die Wickeldrähte verwendet werden.The embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different types. It would also be conceivable to increase the dielectric strength of the winding by replacing a conventional filler. It would also be advantageous to create insulating sleeves from a highly permeable material or to use them as fillers. Then such insulating sleeves could also be used around the winding wires.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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Claims (8)

Isolationssystem (1) zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Isolierung der Wicklungen eines Elektromotors, umfassend wenigstens einen Wickelzahn (10) gebildet aus einem Elektroblech mit einer Vielzahl von Wicklungsdrähten (W1, ..., Wn), die um den Wickelzahn (10) zu einer Spule (20) gewickelt sind, wobei auf der Oberfläche des Wickelzahns (10) eine Isolierung (11) aus einem Material (M1) aufgebracht ist, welches eine niedrige relative Permittivitätszahl ε1 besitzt, wodurch die Windungskapazität γ vergrößert wird.Insulation system (1) for reducing the insulation damage to the insulation of the windings of an electric motor, comprising at least one winding tooth (10) formed from an electrical sheet with a plurality of winding wires (W1, ..., Wn) which lead around the winding tooth (10) Coil (20) are wound, an insulation (11) made of a material (M1) having a low relative permittivity ε 1 being applied to the surface of the winding tooth (10), which increases the winding capacity γ. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Wicklungsdrähte (W1, ..., Wn) ein isolierendes Material (M2) mit im Vergleich zur relative Permittivitätszahl ε1 hohen relativen Permittivitätszahl ε2 eingebracht ist.Isolation system (1) according to Claim 1 , characterized in that between the winding wires (W1, ..., Wn) an insulating material (M2) with a high relative permittivity ε 2 compared to the relative permittivity number ε 1 is introduced. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (M2) durch Umpressen mit einer Pressmasse zwischen die Wicklungsdrähte (W1, ..., Wn) eingebracht wurde.Isolation system (1) according to Claim 2 , characterized in that the material (M2) was introduced between the winding wires (W1, ..., Wn) by pressing with a molding compound. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressmasse einen Bestandteil enthält dessen relative Permittivitätszahl ε größer als 103 ist.Isolation system (1) according to Claim 2 or 3rd , characterized in that the molding compound contains a component whose relative permittivity ε is greater than 10 3 . Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil ein Mischoxid von Barium und Titan, vorzugsweise Bariumtitanat ist.Isolation system (1) according to Claim 4 , characterized in that the component is a mixed oxide of barium and titanium, preferably barium titanate. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivitätszahl 8 zwischen 103 und 104 liegt.Isolation system (1) according to Claim 5 , characterized in that the relative permittivity 8 is between 10 3 and 10 4 . Elektromotor mit einer Wicklungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen (10) und einem Isolationssystem ausgebildet mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6.Electric motor with a winding arrangement consisting of a laminated winding body made of electrical sheets with winding teeth (10) and an insulation system with the features of one of the Claims 1 to 6 . Wicklungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen (10) und einem Isolationssystem ausgebildet mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6.Winding arrangement consisting of a laminated winding body made of electrical sheets with winding teeth (10) and an insulation system with the features of one of the Claims 1 to 6 .
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