EP3824527A1 - Isolationssystem zur reduzierung der isolierungsschädigung der wicklungen eines elektromotors - Google Patents

Isolationssystem zur reduzierung der isolierungsschädigung der wicklungen eines elektromotors

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EP3824527A1
EP3824527A1 EP19802155.2A EP19802155A EP3824527A1 EP 3824527 A1 EP3824527 A1 EP 3824527A1 EP 19802155 A EP19802155 A EP 19802155A EP 3824527 A1 EP3824527 A1 EP 3824527A1
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EP
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winding
insulation
windings
electric motor
relative permittivity
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Application number
EP19802155.2A
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Inventor
Ralph Wystup
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Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Original Assignee
Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/34—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation
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    • H02K3/345—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation between conductor and core, e.g. slot insulation

Definitions

  • Insulation system to reduce the insulation damage to the windings of an electric motor
  • the invention relates to an insulation system for reducing the insulation damage to the windings of an electric motor.
  • Insulation damage is all the more dangerous 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.
  • a measurement signal of an electrical test for. B. in the form of a voltage test of the insulation
  • a measurement signal of a surface test for. B. in the form of a diameter test of the insulation.
  • 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.
  • 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.
  • a basic idea of the invention is that by increasing the winding capacity, a homogenization of the voltage distribution is achieved overall by the electrical insulation of the winding tooth to the egg (bobbin) with a material of low permittivity and preferably at the same time an increase in the permittivity between the windings is carried out by pressing with a mass of high permittivity. As a result, the winding capacity g is increased.
  • the voltage drop in the first windings can be reduced and specifically distributed over a large number of adjacent windings.
  • Tightly wound coils behave towards high-frequency voltages and especially against sharp jump waves (voltage changes) essentially as if the individual turns were not conductively connected to each other, but only to each other and to the earth would be capacitively chained.
  • the current profile is no longer based on the profile 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 the figure shown later 2 is shown.
  • Coils behave to low and moderate frequency AC voltages just like homogeneous lines with a certain wave resistance, while they respond to extremely high frequencies above their critical frequency like capacitor chains with a certain capacitance. Furthermore, a capacitance C is formed between each winding at earth potential.
  • Figure 1 shows an equivalent circuit diagram of such a capacitor chain with a number of capacitors, which are representative of the capacitance between two adjacent conductor loops of a winding and the earth potential. 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.
  • an insulation system for reducing the insulation damage to the insulation of the windings of an electric motor comprising at least one winding tooth (preferably a plurality of winding teeth) formed from an electrical sheet with a large number of winding wires, which wind around the respective winding tooth to form a coil.
  • the material has been introduced between the winding wires or around the windings by pressing with a molding compound. It is further advantageous if the molding compound contains a component of which the relative permittivity number 8 is greater than 10 3 .
  • a material selection is particularly advantageous in which the component is a mixed oxide of barium and titanium, preferably barium titanate, further preferably with a relative permittivity number 8 between 10 3 and 10 4.
  • Another aspect of the present invention relates to an electric motor with a winding arrangement consisting of a laminated one Winding cores made of electrical sheets with winding teeth and an insulation system as described above.
  • 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.
  • the voltage waves predominantly stress the input turns of the coil to breakdown from turn to turn.
  • 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 over the winches. fertilize away. 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.
  • FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows the displacement current through the insulation of the conductors that the
  • FIG. 1 a section, namely the winding tooth 10 of a winding arrangement of an electric motor is shown schematically.
  • a plurality of winding wires W1,..., Wn are wound around the winding tooth 10, which is formed from a stack of electrical sheets, to form a coil 20.
  • a specifically designed insulation system 1 which contributes to reducing the insulation damage to the insulation of the windings due to the targeted influencing of the winding capacity.
  • an insulation 11 made of a material M1 is applied to the surface of the winding tooth 10, which has a low relative
  • an insulating was between the winding wires W1, ..., Wn Material M2 introduced in comparison with the relative permittivity number Ci high relative permittivity number C 2 , namely by pressing with a molding compound which contains a mixed oxide of barium and titanium, preferably barium titanate as a component.
  • 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.

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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 ε1 besitzt, wodurch die Windungskapazität γ vergrößert wird.

Description

Isolationssystem zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Wicklungen eines Elektromotors
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem zur Reduzierung der Isolierungs schädigung der Wicklungen eines Elektromotors.
Aufgrund der Spannungsbeaufschlagung und insbesondere wenn sehr kurze Spannungswellen, vor allem scharfe Spannungssprünge, die von Schaltvor- gangen 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. 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 sol- che Probleme der Isolationsbelastung auf.
Isolationsschäden sind jedoch um so gefährlicher, da sie erst nach Betriebs einsatz 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 sicherheitsrele vanten Motoren, z. B. bei Antriebsmotoren ein erhebliches Qualitäts- und Sicherheitsrisiko.
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 Fertigungs verfahren 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.
Zur Erfassung von elektrischen Fehlstellen in der Isolierung von kunststoff isolierten 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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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 Ei sen (Spulenkörper) mit einem Material kleiner Permittivität erfolgt und vorzugsweise gleichzeitig eine Erhöhung der Permittivität zwischen den Wick lungen durch Umpressen mit einer Masse hoher Permittivität vorgenommen wird. Im Ergebnis wird die Wicklungskapazität g hierdurch erhöht.
Auf diese Weise kann der Spannungsabfall in den ersten Wicklungen redu ziert und gezielt über eine Vielzahl von benachbarten Wicklungen verteilt werden.
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 Erdpo- tential 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 Iso lation der Leiter, die die Windungs- und Erdkapazität der Wicklung bildet, wie dies schematisch in der später gezeigten Fig. 2 gezeigt ist.
Spulen verhalten sich gegenüber Wechselspannungen geringer und mäßiger Frequenz genauso wie homogene Leitungen mit einem bestimmten Wellen widerstand, 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 Abbildung 1 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. 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.
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 Abbildung 1 gezeigt ist. g repräsentiert die Wicklungskapazität der Wicklungen.
Erfindungsgemäß wird ein Isolationssystem zur Reduzierung der Isolierungs- Schädigung 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 gewi- ekelt sind, wobei auf der Oberfläche des Wickelzahns eine Isolierung aus einem Material aufgebracht ist, welches eine niedrige relative Permittivitäts- zahl Si besitzt, wobei vorzugsweise zwischen die Wicklungsdrähte ferner ein isolierendes Material mit im Vergleich zur relative Permittivitätszahl £i hohen relativen Permittivitätszahl C2 eingebracht ist, wodurch die Windungskapazität Y vergrößert wird.
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. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Pressmasse einen Bestandteil enthält des sen relative Permittivitätszahl 8 größer als 103 ist.
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 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.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ferner eine Wick- lungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen und einem wie zuvor erläuterten Isolationssystem.
Die Spannungswellen beanspruchen vorwiegend die Eingangswindungen der Spule auf Durchschlag von Windung zu Windung. Treffen jedoch periodi sche 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 Win- düngen 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. 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 nä her dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vor- liegenden Erfindung und
Fig. 2 den Verschiebungsstrom durch die Isolation der Leiter, die die
Windungs- und Erdkapazität der Wicklung bildet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Darstellung in der Figur 1 näher beschrieben. In der Figur 1 ist ein Ausschnitt, nämlich der Wickelzahn 10 einer Wicklungs anordnung 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.
Ferner ist ein spezifisch ausgebildetes Isolationssystem 1 vorgesehen, das infolge der gezielten Beeinflussung der Wicklungskapazität zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Isolierung der Wicklungen beiträgt.
Hierzu ist auf der Oberfläche des Wickelzahns 10 eine Isolierung 11 aus einem Material M1 aufgebracht, welches eine niedrige relative
Permittivitätszahl 8i besitzt, z. B. eine Permittivitätszahl 8i, die zwischen 1 und 20 liegt.
Ferner wurde zwischen die Wicklungsdrähte W1 , ... , Wn ein isolierendes Material M2 mit im Vergleich zur relative Permittivitätszahl Ci hohen relativen Permittivitätszahl C2 eingebracht, nämlich durch Umpressen mit einer Pressmasse, die als Bestandteil ein Mischoxid von Barium und Titan, vorzugswei se Bariumtitanat enthält. 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 die sen als Füllstoff zu verwenden. Dann könnten auch solche Isolierschläuche um die Wickeldrähte verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Isolationssystem (1) zur Reduzierung der Isolierungsschädigung der Isolierung der Wicklungen eines Elektromotors, umfassend wenigs tens 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) aufge bracht ist, welches eine niedrige relative Permittivitätszahl 8i besitzt, wodurch die Windungskapazität y vergrößert wird. 2. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Wicklungsdrähte (W1 , ... , Wn) ein isolierendes Material (M2) mit im Vergleich zur relative Permittivitätszahl 8i hohen re lativen Permittivitätszahl 8 eingebracht ist.
3. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (M2) durch Umpressen mit einer Pressmasse zwi schen die Wicklungsdrähte (W1 , ... , Wn) eingebracht wurde.
4. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressmasse einen Bestandteil enthält dessen relative Permittivitätszahl e größer als 103 ist. 5. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil ein Mischoxid von Barium und Titan, vorzugswei se Bariumtitanat ist.
6. Isolationssystem (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Permittivitätszahl 8 zwischen 103 und 104 liegt. 7. Elektromotor mit einer Wicklungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen (10) und einem Isolationssystem ausgebildet mit den Merkmalen eines der An sprüche 1 bis 6.
8. Wicklungsanordnung bestehend aus einem geblechten Wickelkörper aus Elektroblechen mit Wickelzähnen (10) und einem Isolationssys- tem ausgebildet mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6.
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