Auslegung der Windungsisolierung wechselrichtergespeister elektrischer Niederspannungsmaschinen anhand der Modellierung von Gasentladungsprozessen

Eine elektrische Maschine und ein Umrichter sind wesentliche Elemente eines drehzahlvariablen elektrischen Antriebs. Es ist abzusehen, dass sich die Spannung im Zwischenkreis der Umrichter zukünftiger Antriebsgenerationen erhöhen wird. Zudem kommen vermehrt schnellschaltende Halbleiter zum Einsatz. Diese verursachen ein Überschwingen der Spannung und damit eine zunehmende Belastung des Isoliersystems der elektrischen Maschine. Die Auslegung der Isolierung erfolgt nach dem Stand der Technik mithilfe von empirischen Faktoren, die mit der Zwischenkreisspannung multipliziert werden. Bei Niederspannungsmaschinen ist das Ziel dieser Auslegung, Teilentladungen in der Wicklung zu vermeiden, da diese die Lebensdauer der Isolierung auf wenige Stunden verkürzen. Teilentladungsfreiheit kann dabei durch hinreichend dicke Isolierschichten oder eine Verminderung der Betriebsspannung erreicht werden. Die Isolierschichtdicke sollte darum bei einer festgelegten Spannung so gering wie möglich sein. Die nach dem Stand der Technik verwendete Methodik zur Dimensionierung der Isolierung berücksichtigt weder die Wicklungstopologie, noch physikalische Hintergründe des Entladungsprozesses. Dies kann zu einer fehlerhaften Dimensionierung der Isolierung führen.In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht das Isoliersystem basierend auf der Beschreibung physikalischer Phänomene auszulegen. Dazu wird zum einen die Potentialverteilung in der Wicklung bei transienten Schaltvorgängen betrachtet. Zum Anderen werden Teilentladungen als Gasentladungsprozess beschrieben. Im Gegensatz zur Auslegung der Isolierung mit empirischen Faktoren ermöglicht dieses Verfahren, die Einflussfaktoren auf den Teilentladungsprozess und die Teilentladungseinsetzspannung zu berücksichtigen.