PL246739B1

PL246739B1 - Winding front screen of an electric machine

Info

Publication number: PL246739B1
Application number: PL442265A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Jarek; Sebastian Berhausen
Original assignee: Sebastian Berhausen; Siec Badawcza Lukasiewicz Instytut Napedow I Masz Elektrycznych Komel
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2025-03-03
Also published as: PL442265A1

Abstract

Ekran (3) czół uzwojenia maszyny elektrycznej jest elastyczny, dwuwarstwowy i jest przyklejony do czół uzwojenia (2) od strony wirnika. Ekran (3) składa się z dielektrycznej taśmy pokrytej od strony zewnętrznej metalowa folią pomalowaną dielektrycznym elastycznym lakierem. Jeden koniec folii jest połączony przewodem uziemiającym do stojana (1). Folia korzystnie jest miedziana lub aluminiowa, a przewód jest miedzian. Folia korzystnie składa się z n współbieżnych przewodzących ścieżek na jednym końcu połączonych przewodem. Folia korzystnie ma kształt meandryczny i na jednym końcu jest połączona przewodem. Folia jest jednolita o grubości kilku mikrometrów i jest połączona z przewodem.The screen (3) of the winding ends of the electric machine is flexible, two-layer and is glued to the winding ends (2) on the rotor side. The screen (3) consists of a dielectric tape covered on the outside with a metal foil painted with a dielectric flexible varnish. One end of the foil is connected to the stator (1) by a grounding wire. The foil is preferably copper or aluminum, and the wire is copper. The foil preferably consists of n co-current conductive paths at one end connected by a wire. The foil preferably has a meander shape and is connected by a wire at one end. The foil is uniform with a thickness of several micrometers and is connected to the wire.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest ekran osłaniający czoła uzwojenia maszyn elektrycznych w szczególności maszyn zasilanych z falowników.The subject of the invention is a screen protecting the winding ends of electric machines, in particular machines powered by inverters.

W maszynach elektrycznych, jak w każdym innym urządzeniu, występuje szereg negatywnych zjawisk o charakterze destrukcyjnym. Jednym z takich zjawisk występujących w maszynach elektrycznych są napięcia i prądy łożyskowe. Napięcia łożyskowe występują w mniejszym lub większym stopniu prawie w każdej maszynie elektrycznej prądu przemiennego. W mniejszym stopniu w maszynach zasilanych napięciem sinusoidalnym, a w większym stopniu w maszynach zasilanych z falowników. Przy zasilaniu z falowników występuje niezerowe napięcie w punkcie neutralnym uzwojenia maszyny odniesionym do potencjału ziemi (przewodu ochronnego). Napięcie to, zwane napięciem niezrównoważenia, jest uśrednioną sumą wartości chwilowych napięć (asymetrycznych, prostokątnych przebiegów napięcia) na wyjściu falownika wynikających z komutacji zaworów energoelektronicznych. Szybkie zmiany napięcia w punkcie neutralnym uzwojenia stojana generują impulsy napięcia na pojemnościach między uzwojeniami i one determinują prądy łożyskowe. Uzwojenia stojana maszyny elektrycznej są odizolowane od pakietu blach stojana, podobnie i wirnik jest praktycznie odizolowany od pozostałych elementów konstrukcyjnych dzięki obecności filmu olejowego w łożyskach. W konsekwencji w silniku powstaje układ pojemności pomiędzy jego elementami konstrukcyjnymi. Elektrodami tych pojemności wewnętrznych są uzwojenia stojana oraz pakiet blach stojana i wirnika, a ich dielektrykami są m.in. izolacja żłobkowa, szczelina powietrzna oraz film olejowy w łożyskach. Z analizy schematu zastępczego wspomnianych pojemności wewnętrznych wynika, że napięcie występujące pomiędzy bieżniami łożyska można zmniejszyć ograniczając wartość pojemności występującej pomiędzy uzwojeniem stojana i wirnikiem. Pojemność ta występuje zarówno pomiędzy powierzchnią otwarcia żłóbków stojana i wirnikiem jak również pomiędzy połączeniami czołowymi uzwojenia stojana i wirnikiem.In electric machines, as in any other device, there are a number of negative phenomena of a destructive nature. One of such phenomena occurring in electric machines are bearing voltages and currents. Bearing voltages occur to a greater or lesser extent in almost every electric machine of alternating current. To a lesser extent in machines supplied with sinusoidal voltage, and to a greater extent in machines supplied from inverters. When supplied from inverters, there is a non-zero voltage at the neutral point of the machine winding referred to the earth potential (protective conductor). This voltage, called the unbalance voltage, is the averaged sum of the values of instantaneous voltages (asymmetric, rectangular voltage waveforms) at the inverter output resulting from the commutation of power electronic valves. Rapid voltage changes at the neutral point of the stator winding generate voltage pulses on the capacitances between the windings, and they determine the bearing currents. The stator windings of an electric machine are isolated from the stator sheet metal package, and the rotor is practically isolated from other structural elements due to the presence of an oil film in the bearings. As a result, a capacitance system is created in the engine between its structural elements. The electrodes of these internal capacitances are the stator windings and the stator and rotor sheet metal package, and their dielectrics are, among others, slot insulation, the air gap, and the oil film in the bearings. The analysis of the equivalent circuit of the aforementioned internal capacitances shows that the voltage occurring between the bearing raceways can be reduced by limiting the value of the capacitance occurring between the stator winding and the rotor. This capacitance occurs both between the opening surface of the stator slots and the rotor, as well as between the front connections of the stator winding and the rotor.

Znane są opisane w dostępnej literaturze sposoby ograniczania pojemności pomiędzy połączeniami czołowymi uzwojenia stojana i wirnikiem bazujące na zastosowaniu ekranów elektrostatycznych w tej przestrzeni. Przykładami są: Prevention of Harmful EDM Currents in InverterFed AC Machines by Use of Electrostatic Shields in the Stator Winding Overhang autorstwa O. Magdun, Y. Gemeinder, A. Binder oraz Shielding the End Windings to Reduce Bearing Currents autorstwa K. Vostrov, J. Pyrhonen, J. Ahola. W wymienionych pracach opisano korzystny wpływ ekranów połączeń czołowych w postaci drutów lub pełnej taśmy, jednakże nie przedstawiono rozwiązań technicznych konstrukcji tych ekranów, a w szczególności montażu i zabezpieczenia ekranu.There are known methods described in the available literature for reducing the capacitance between the end connections of the stator winding and the rotor based on the use of electrostatic shields in this space. Examples are: Prevention of Harmful EDM Currents in InverterFed AC Machines by Use of Electrostatic Shields in the Stator Winding Overhang by O. Magdun, Y. Gemeinder, A. Binder and Shielding the End Windings to Reduce Bearing Currents by K. Vostrov, J. Pyrhonen, J. Ahola. The above-mentioned works describe the beneficial effect of end connection shields in the form of wires or full tape, however, technical solutions for the construction of these shields, in particular the assembly and protection of the shield, are not presented.

Celowe jest opracowanie konstrukcji ekranu czół uzwojenia, który przejmuje ładunki elektryczne z powierzchni izolacyjnej czół uzwojenia i odprowadzi je do uziemionego stojana maszyny, a równocześnie minimalizuje prądy wirowe w przewodzącym metalowym ekranie.It is advisable to develop a winding end screen design that will take over electric charges from the insulating surface of the winding end and conduct them to the grounded stator of the machine, while at the same time minimizing eddy currents in the conductive metal screen.

Ekran czół uzwojenia maszyny elektrycznej według wynalazku jest elastyczny, dwuwarstwowy i jest przyklejony do czół uzwojenia od strony wirnika. Ekran składa się z dielektrycznej taśmy pokrytej od strony zewnętrznej metalową folią pomalowaną dielektrycznym elastycznym lakierem. Jeden koniec folii metalowej jest połączony przewodem uziemiającym do stojana. Folia korzystnie jest miedziana lub aluminiowa, a przewód uziemiający jest miedziany. Folia korzystnie składa się n współbieżnych przewodzących ścieżek, które na jednym końcu są połączone przewodem uziemiającym. Folia korzystnie ma kształt meandryczny i na jednym końcu jest połączona z przewodem uziemiającym. Folia jest jednolita o grubości kilku mikrometrów i jest połączona z przewodem uziemiającym.The winding end screen of the electrical machine according to the invention is flexible, two-layer and is glued to the winding end screens on the rotor side. The screen consists of a dielectric tape covered on the outside with a metal foil painted with a dielectric flexible varnish. One end of the metal foil is connected to the stator by a grounding conductor. The foil is preferably copper or aluminum, and the grounding conductor is copper. The foil preferably consists of n co-current conductive paths, which are connected at one end by a grounding conductor. The foil preferably has a meandering shape and is connected at one end to a grounding conductor. The foil is uniform with a thickness of several micrometers and is connected to the grounding conductor.

Wynalazek jest objaśniony na rysunkach na których przedstawiono: fig. 1 przekrój stojana maszyny elektrycznej z obustronnym ekranem na połączeniach czołowych uzwojenia, fig. 2 końce ekranu o n = 5 współbieżnych ścieżkach metalowych, fig. 3 rozwinięty ekran z współbieżnymi ścieżkami metalowymi n = 5 i z przewodem uziemiającym, fig. 4 rozwinięty ekran w kształcie meandrycznym z przewodem uziemiającym.The invention is explained in the drawings, which show: Fig. 1 a cross-section of the stator of an electric machine with a double-sided screen on the frontal connections of the winding, Fig. 2 the ends of the screen with n = 5 concurrent metal paths, Fig. 3 an unrolled screen with n = 5 concurrent metal paths and a grounding conductor, Fig. 4 an unrolled meander-shaped screen with a grounding conductor.

Ekran 3 czół uzwojenia 2 maszyny elektrycznej jest elastyczny, dwuwarstwowy i jest przyklejony do czół uzwojenia 2 od strony wirnika, jak na rysunku fig. 1. Ekran 3 składa się z dielektrycznej taśmy 3.1 przyklejonej do czół uzwojenia 2. Taśma 3.1 od strony zewnętrznej (od strony wirnika) jest pokryta metalową folią 3.2 pomalowaną dielektrycznym elastycznym lakierem. Na rysunku fig. 2 pokazano końcówki ekranu 3, na którym jest widoczna warstwowa konstrukcja ekranu. Warstwa, przyklejana do czół uzwojenia 2, jest taśmą dielektryczną 3.1. Warstwa zewnętrzna ekranu 3 jest folią metalową 3.2, korzystnie miedzianą lub aluminiową. Taśma dielektryczna 3.1 jest nośnikiem folii metalowej 3.2 i służy do przyklejenia ekranu 3 do czół uzwojenia 2. Jeden koniec folii 3.2 jest połączony przewodem 4 uziemiającym do jarzma stojana 1. Pole elektryczne wokół czół 2 jest wzbudzane przez napięcia w tych czołach 2. Pole to ekranuje folia metalowa 3.2. Folia 3.2 „zbiera” ładunki elektryczne i przewodem uziemiającym 4 odprowadza je do uziemionego stojana. Wokół czół jest także zmienne pole magnetyczne, które indukuje w folii 3.2 prądy wirowe generujące straty mocy. Straty mocy w folii 3.2 powinny być możliwie małe, uzyskuje się to w trzech wariantach rozwiązania:The screen 3 of the winding ends 2 of the electric machine is flexible, two-layer and is glued to the winding ends 2 from the rotor side, as in drawing fig. 1. The screen 3 consists of a dielectric tape 3.1 glued to the winding ends 2. The tape 3.1 is covered from the outside (from the rotor side) with a metal foil 3.2 painted with a dielectric flexible varnish. Drawing fig. 2 shows the ends of the screen 3, on which the layered construction of the screen is visible. The layer glued to the winding ends 2 is a dielectric tape 3.1. The outer layer of the screen 3 is a metal foil 3.2, preferably copper or aluminum. The dielectric tape 3.1 is a carrier of the metal foil 3.2 and is used to glue the screen 3 to the winding ends 2. One end of the foil 3.2 is connected by a grounding wire 4 to the stator yoke 1. The electric field around the ends 2 is induced by the voltages in these ends 2. This field is screened by the metal foil 3.2. The foil 3.2 "collects" electric charges and conducts them to the grounded stator via the grounding wire 4. There is also a variable magnetic field around the ends, which induces eddy currents in the foil 3.2, generating power losses. The power losses in the foil 3.2 should be as small as possible, which is achieved in three variants of the solution:

• folię 3.2, metodą wytrawiania, wykonuje się korzystnie w formie współbieżnych ścieżek, jak na rysunkach fig. 2 i fig. 3 na których pokazano n = 5 metalowych współbieżnych ścieżkach 3.2 na jednym końcu połączonych miedzianym przewodem uziemiającym 4, n może być inną liczbą, • folię 3.2 korzystnie wykonuje się, metodą wytrawienia, meandrycznie i na jednym końcu meandra jest połączona przewodem uziemiającym 4, na rysunku fig. 4 pokazano meandrę prostokątną, lecz może ona mieć inny kształt, • folia 3.2 może być także jednolita n = 1, lecz w tym rozwiązaniu korzystnie jest aby jej grubość wynosiła kilku mikrometrów, oczywiście folia jest połączona z przewodem 4 uziemiającym. Cienką warstwę folii 3.2 uzyskuje się np. metodą elektrolityczną lub inną metodą.• the foil 3.2 is advantageously made by etching in the form of co-current paths, as in drawings fig. 2 and fig. 3, which show n = 5 metal co-current paths 3.2 connected at one end with a copper grounding conductor 4, n may be a different number, • the foil 3.2 is advantageously made by etching in a meandering manner and connected at one end of the meander with a grounding conductor 4, drawing fig. 4 shows a rectangular meander, but it may have a different shape, • the foil 3.2 may also be uniform n = 1, but in this solution it is advantageous for its thickness to be several micrometers, of course the foil is connected to the grounding conductor 4. A thin layer of foil 3.2 is obtained, for example, by the electrolytic method or another method.

Ekran 3 czół uzwojenia 2, według przedstawionego rozwiązania, ma dwie warstwy: dielektryczną 3.1 i przewodzącą 3.2. Warstwa dielektryczna 3.1 jest warstwą, która umożliwia rozłożenie warstwy przewodzącej (metalowej) 3.2 wokół czół 2 i równocześnie izoluje warstwę przewodzącą 3.2 od czół 2. Budowa ekranu 3 jest prosta w realizacji. Ekran skutecznie przejmuje ładunki elektryczne z powierzchni izolacyjnej czół uzwojenia 2 i odprowadza je do uziemionego stojana 1 maszyny. Ładunki te nie przechodzą do wirnika tym samym zmniejszany jest prąd łożyskowy. Budowa ekranu 3 według wynalazku minimalizuje ryzyko występowania prądów wirowych w warstwie metalowej 3.2.The screen 3 of the winding ends 2, according to the presented solution, has two layers: dielectric 3.1 and conductive 3.2. The dielectric layer 3.1 is a layer that allows the conductive (metal) layer 3.2 to be distributed around the ends 2 and at the same time insulates the conductive layer 3.2 from the ends 2. The construction of the screen 3 is simple to implement. The screen effectively takes over electric charges from the insulating surface of the winding ends 2 and conducts them to the grounded stator 1 of the machine. These charges do not pass to the rotor, thus reducing the bearing current. The construction of the screen 3 according to the invention minimizes the risk of eddy currents in the metal layer 3.2.

Claims

Patent Claims

1. A screen for the winding ends of an electric machine, characterized in that a flexible two-layer screen (3) is glued to the winding ends (2) on the rotor side, which screen consists of a dielectric tape (3.1) covered on the outside with a metal foil (3.2) painted with a dielectric flexible varnish, wherein one end of the foil (3.2) is connected to the stator (1) by a grounding wire (4).

2. A screen according to claim 1, characterized in that the foil (3.2) is preferably made of copper or aluminum and the wire (4) is made of copper.

3. A screen according to claim 1 and 2, characterized in that the foil (3.2) preferably consists of n co-current conductive tracks connected at one end by a conductor (4).

4. A screen according to claim 1,2, characterized in that the foil (3.2) preferably has a meander shape and is connected to the conductor (4) at one end of the meander.

5. A screen according to claim 1 and 2, characterized in that the foil (3.2) is uniform, several micrometers thick and is connected to the conductor (4).