Voltage Stresses in Converter-Fed Electric Aviation Motors

Abstract

Vekselretterforsyning er essensiell for utviklingen mot mer kompakt og lettere komponenter for helelektrisk fly. Vekselrettere er imidlertid kjent for å forårsake skadelige effekter i lederisolasjonen på grunn av kort stigetid på pulsene. De steile pulsene inneholder høye harmoniske som fører til at spenningsfordelingen i viklingen kun blir bestemt av viklingens kapasitanser. Detter resulterer i en ujevn spenningsfordeling gjennom viklingen, som stresser de to første vindingene vesentlig. Denne masteroppgaven undersøker den kapasitive spenningsfordelingen i viklinger ved å bruke FEM og analytiske beregninger. To forskjellige viklingskonfigurasjoner er sett på: en enkel 4-turns vikling og en mer kompleks vikling på 8-turns. Den analytiske metoden tar for seg den ekvivalente koblingen av de to viklingene, hvor den initielle spenningsfordelingen er beregnet elektrostatisk. 3D modeller av viklingene er utviklet i FEM for å studere spenningsfordelingen ved bruk av transient elektromagnetisk bølge fysikk. Individuelle parameterstudier er gjort for å se hvordan parametere som isolasjonstykkelse, permittivitet og forskjellig jord påvirker den kapasitive spenningsfordelingen. Resultatene viser at spenningsfordelingen i FEM og analytisk har lignende resultater i begge viklingene. Parameterstudiene viser derimot en mer signifikant endring i det analytiske resultatet i forhold til FEM. Hvis kapasitansene mellom vindingene er større enn kapasitansene mellom vinding og jord, blir spenningsfordelingen jevnt fordelt. Spenningsfordelingen ble jevnere ved å redusere lederisolasjonstykkelsen og permittiviteten til hovedisolasjon. Lignende effekter ble vist ved å øke isolasjonstykkelsen på hovedisolasjonen og permittiviteten til lederisolasjon. Ytterligere undersøkelser er nødvendig for å foreslå en optimalisert isolasjonstykkelse som kan motstå spenningsstresset. Holdfastheten til isolasjonen må da beregnes med hensyn til både oversving grunnet kabel og kort stigningstiden, i tillegg til den ujevne spenningsfordelingen.

Inverter-fed drives (IFD) are vital in the transition towards more compact and lighter equipment in all-electric aircraft (AEA). However, IFD is known to cause detrimental effects within the turn insulation, due to short rise time. The high harmonic content of the inverter pulses causes the voltage distribution across turns to be determined by the capacitive coupling of the motor windings. This results in an unevenly distributed voltage, which stresses the first two turns substantially. This thesis examines the voltage distribution in windings subjected to short rise times by using analytical and finite element analysis. The thesis examines two different configurations: a simple 4-turn winding and a more complex 8-turn winding. The analytical method studies the equivalent capacitive circuits of the two configurations, where the initial voltage distribution is calculated, electrostatically. In FEM, 3D models of the two configurations are developed to examine the voltage distribution, which is based on transient electromagnetic waves physics. Individual parameter studies have been done to see how some essential parameters, such as insulation thickness, permittivity, and different grounding, affects the capacitive voltage distribution. The thesis shows that the FEM and analytical voltage distribution have correlating results in both configurations. How- ever, the parameter studies show a more significant change in the analytical result than FEM. If the capacitances between turns are larger than the turn-to-ground capacitances, the voltage distribution becomes evenly distributed. The voltage distribution became more even by decreasing the turn insulation thickness and mainwall permittivity. Similar effects were shown by increasing the mainwall insulation thickness and turn insulation permittivity. Further investigations are needed to propose the required insulation thickness to withstand the voltage stresses. The breakdown strength of the insulation has to be calculated by considering both the overshoot from the cable and rise time and the uneven voltage distribution.