用于在电动机的矩形波电压的情况下进行电压均衡的装置的制作方法

1.本发明涉及一种特别是在接线板电路中在矩形波电压的情况下进行电压均衡的装置，接线板电路连接在电动机的凹槽中的线路的杂乱绕组上游。


背景技术：

2.低压电机，即具有直至1000v电压的“direct-on-line(直接线上)”dol和/或690v电压的“variable speed drive(变速驱动)”vsd电机，配备有所谓的“无局部放电”绝缘系统，该绝缘系统对应于电机标准iec 60034-18-41。特别是，这是在导体上包括金属线涂料的绝缘，其例如以大约200μm的层厚度，又例如以多层结构，例如具有诸如聚酰胺酰亚胺(polyamidimid)pai的聚酰亚胺(polyimiden)。
3.如此涂覆的导体作为特别是所谓的“杂乱绕组(wilde wicklung)”、即无序绕组的形式的线缆插入电动机的凹槽中，在所谓的“杂乱绕组(wilde wicklung)”、即无序绕组中，第90个绕组的金属线可能与第1个绕组的金属线相邻。通常所谓的凹槽盒作为主绝缘位于凹槽中，凹槽盒默认为一种u形的折叠纸。这种纸通常具有载体，该载体在两面涂覆有绝缘涂层，特别是涂覆有具有包含增强纤维的复合材料的绝缘涂层。其例如是在市场上可以获得的nomex材料，这种材料例如也可以经由粘合层与纸凹槽的载体连接。该载体例如是塑料薄膜，例如是pet薄膜。薄膜的厚度例如处于200μm的范围内。
4.在制造电动机的制造过程中，首先将凹槽盒“射入”金属封装的凹槽中。之后以机械方式拉入预绕的导体金属线绕组。
5.在缠绕头的区域，各个相的绕组通过插入纸彼此隔开，这些纸通常具有与上面描述的凹槽盒相同的材料结构。
6.在形成缠绕头并且将其包扎之后，将缠绕头嵌入树脂基质中，以完成绝缘。在此，例如使用利用浸渍剂进行的浸渍、通过液态树脂的冷浸、热浸和/或滴加进行的pei以及随后的固化，浸渍剂主要包括液态树脂、例如环氧树脂、聚醚酰亚胺-pei树脂等。通过浸渍，至少部分地利用浸渍树脂来填充金属线之间的空间、凹槽盒前后的空间以及缠绕头中的几何间隙。浸渍树脂用于导体绕组的机械固定和散热，但是也用作绝缘的电介质。
7.在此，导体通过金属线涂料、浸渍、凹槽盒以及进一步的浸渍来绝缘。在此，在电气上，可以简化地将绝缘系统想象为具有不同的介电材料的电容器，其中，电场线总是被移入具有低ε(epsilon)的区域，在有疑问的情况下，这总是浸渍剂的空气填充的孔隙和/或未完全固化的树脂区域。
8.这种绝缘系统非常好地满足了电机的运行电压方面的要求，特别是击穿强度、绝缘电阻和损耗因数方面的要求。此外，这种系统可以以简单、成本低廉并且适合大批量制造的方式来生产。
9.然而，技术发展表明，这些电动机越来越多地利用转换器来运行和开关，其中，这导致了急剧的开关过程，这些开关过程在高达150ns的上升沿的情况下，产生具有明显更高的电压峰值的矩形波电压。因此，在绝缘方面，在开关过程中导致明显的电压过冲。
[0010]“转换器”特别地是交流转换器，其通过频率控制将正弦振荡转换为矩形波电压，在电气驱动技术的范围内，用于对诸如三相电机的电机进行直接供电和转速控制。
[0011]
矩形振荡表示在两个值之间来回切换并且在图表中在时间上具有矩形的变化过程的周期性信号。理想的矩形变化过程仅存在于理论上。实际上，边沿不能垂直地上升，因此无法进行无限陡峭的跳跃；替代地真正的跳跃由上升和下降时间来描述。尤其是，由于传输线路的容性和感性特性，矩形波信号通常具有下冲和过冲。下冲(unterschwingen)对于绝缘不重要，而过冲()可能形成电压峰值，电压峰值导致局部放电，进而导致绝缘分解。
[0012]
其原因是，在电气上，在过冲的情况下，通过例如1khz到1mhz的范围内的非常高的频率的叠加，产生尖锐的边沿。在图1中示出了在边沿区域中具有过冲的转换器的矩形波电压。
[0013]
在此，实线1示出了具有目标电压和矩形波电压的过冲的电压变化过程，其中，tr保持不变，然而，电压upk明显位于局部放电起始电压以上，但是虽然如此没有看到局部放电。
[0014]
矩形波电压例如以1000伏与0伏电压交替的方式变化，其中，将正弦振荡通过傅里叶变换叠加，从而形成矩形振荡。虚线2示出了正弦振荡的电压最大值。
[0015]
图2详细地示出了转换器的边缘区域中的过冲电压的变化过程。
[0016]
所描述和示出的过电压经常超过绝缘系统中的局部放电起始电压，例如线-线，其由于孔隙、空腔和材料变化、因此由于伴随的不同的ε而存在于薄弱点处，因此通过帕申最小值(paschen-minimum)导致局部放电开始。这些局部放电于是在转换器运行中持续点燃，并且由于嵌入的合成材料的逐渐腐蚀而进一步加剧，由此相对地在短时间内导致绝缘系统失效，因此导致电机故障。
[0017]
图3示出了对于上面描述的场景来说典型的矩形波电压的频率叠加。
[0018]
所产生的局部放电问题(例如在两个关键的金属线之间的缠绕头中)(由于杂乱绕组)表明金属线接触。如果超过其局部放电起始电压(其主要由于两个金属线的金属线绝缘、浸渍树脂、其硬化以及可能的填充有空气的孔而产生)，则产生局部放电。这些放电(在最坏的情况下在每一个转换器脉冲处)引起氧化，即引起浸渍树脂、可能也引起金属线涂料分解。
[0019]
由此可能导致通过击穿完全放电。然后，在杂乱绕组的相关的匝之间存在短路。其结果是，在这些位置处，温度由于短路电流而显著升高，直至相关的金属线“熔化”。由此，电机电流变得不对称，其结果是，绕组完全熔化，或者转换器也识别出不对称并且关闭。在这两种情况下电机都产生故障并且无法修复。
[0020]
虽然使得几乎100％地填充金属线/凹槽盒之间的空间的非常高质量的浸渍将解决该问题，但是这与明显更昂贵的浸渍剂和/或更复杂、因此更昂贵的浸渍工艺相关联。


技术实现要素：

[0021]
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种物美价廉的有效的保护，以防止电机和/或绝缘由于在电机借助转换器运行时由于过冲引起的局部放电而损坏。
[0022]
上述技术问题通过在说明书、附图和权利要求中公开的本发明的主题来解决。
[0023]
与此对应，本发明的主题是一种用于在电动机的矩形波电压的情况下进行电压均衡的装置，电动机具有接线板电路，其中，在接线板电路中，分别以进线和出线线路的形式存在相u、v和w，这些线路总计为至少6个线缆，并且在至少两个线缆之间设置有至少一个桥，桥连接至少6个线缆输入端和输出端中的两个或更多个，其中，桥是部分导电的，从而其电阻从阈值起显著下降，其中，部分导电基于垫料基质中的填料颗粒，填料颗粒从阈值起显著影响桥中的电阻的下降。
[0024]
本发明的一般发现是，通过桥接电动机的接线板电路的至少两个相，在借助转换器运行时，可以保护电动机免于在矩形波的情况下不可避免的局部放电的击穿，方式是，通过桥将形成的局部放电引导到地和/或接地线，由此局部放电不到达电动机本身，并且不对电动机本身产生负荷。因此可以使利用转换器运行的电动机的使用寿命增加很多倍。
[0025]
这特别是因为桥的复合材料在低电压下显示高电阻，但是在(例如在局部放电时产生的)高电压下(由于颗粒电阻的非线性特性而)显示低电阻，并且变得足够导电，以便在两个或更多个线缆之间形成电桥，电桥在局部放电命中绝缘和/或电机之前拦截并且引出局部放电的高电压。
[0026]
这里，“阈值”应当理解为表征相应的材料的值。其自然可以针对每一种材料和/或每一个应用的频率、电压和/或场强来单独定义，因为其与材料、其任务、载体和其它环境因素有关。
[0027]
桥例如包括载体，通常是绝缘基体，例如印刷电路板，其例如由纤维增强的塑料制成，特别是由环氧树脂和/或聚硅氧烷、由热塑性材料、例如聚醚醚酮(peek)、聚酰胺(pa)、聚乙烯(pe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)制成，但是也可以由木材、纸板、塑料、由陶瓷和/或皮革制成。
[0028]
在此，利用使用玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维和/或芳纶纤维来作为增强纤维。
[0029]
该基体本身可以是垫料基质的一部分和/或完全形成垫料基质。
[0030]
原则上，桥可以通过自己没有表面导电性的电绝缘基体的表面涂层和部分导电的涂料来提供，部分导电的涂料包含填料颗粒，填料颗粒赋予涂料和涂覆有涂料的表面所期望的依赖于电压的导电性。
[0031]
作为其替换，填料可以结合到可以在没有基体的情况下使用的塑料中，并且填料也可以结合到陶瓷基质中。这种部分导电的复合材料的应用的一个优选的形式是利用部分导电的涂料对基体的简单的涂覆(又例如通过喷涂)。
[0032]
涂料的垫料基质优选以聚合的方式硬化。为了形成复合材料，由复合材料形成桥，例如形成部分导电的涂料，垫料基质优选是有机基的，而不是陶瓷基的，例如是作为热固性树脂硬化的树脂或者是热固性树脂硬化的树脂混合物。在此，使用相应地选择性地具有或者没有溶剂的交联化合物、聚合物、例如环氧树脂、聚醚酰亚胺(pei)、聚硅氧烷、聚硅氮烷。
[0033]
代替垫料聚合物基质，也可以使用陶瓷烧结层，其可以用于机械地固定部分导电的填料颗粒，以形成复合材料，由复合材料形成桥。
[0034]
选择性地按照常见的方法，例如通过喷涂、刮涂、旋涂、浸涂和/或刷涂的层施加，将涂料施加到基体上。
[0035]
涂料的层厚度在20μm和1mm之间，优选在50μm和200μm之间，相应地也取决于所使用的应用。涂料厚度的下限是最大填料颗粒部分的颗粒尺寸。上限受涂料的机械稳定性影
响，并且受溶剂的蒸发(如果存在)、涂料的开裂以及类似参数的影响。
[0036]
一般来说，预计基体上的涂料涂层在个位数的范围内具有10μm到几毫米的厚度。例如，涂料可以以10μm至3mm、特别是15μm至2mm、特别优选20μm至1mm的范围内的厚度存在。
[0037]
填料可以是单模的(unimodal)，即存在于一个填料部分中，然而优选其包含多个填料部分，因此以双模或多模的形式存在。
[0038]
各个填料部分的材料、尺寸、形状、结构和表面特性可能不同。所有填料部分一起形成填料含量，其优选在渗滤阈值以上，然而根据填料颗粒的部分导电性，也可以在渗滤阈值以下。
[0039]
填料颗粒可以以实心和/或中空、涂覆、部分涂覆和/或未涂覆的形式存在。
[0040]
优选填料颗粒以嵌入聚合物基质中的形式存在。
[0041]
在此，优选聚合物基质与填料颗粒和可能的溶剂一起处理，使得其可以喷涂。
[0042]
填料含量通常不超过30％(体积)(体积百分比)，其中，在填料颗粒特性特别有利的情况下，在其压敏电阻特性方面，非常低的填料含量，例如低于1％(体积)，浓度低至0.5％(体积)，通过填料颗粒也可以产生涂料的足够的部分导电性。
[0043]
在最常见的陶瓷填料的情况下，例如在氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化铬、氧化锰、氧化钼、氧化铋和/或碳化硅的情况下，填料在涂料中通常在20％(体积)至30％(体积)的范围内存在。
[0044]
在载体颗粒、例如具有掺杂涂层的中空玻璃颗粒的情况下，在填料量明显更低的情况下，例如在0.5％(体积)至5％(体积)的范围内，特别是在1％(体积)至10％(体积)的范围内，在涂料中也可以产生期望的压敏电阻特性。
[0045]
作为各填料部分的颗粒的粒子的颗粒尺寸在500nm至50μm的范围内，特别是在2μm至20μm的范围内，颗粒是球形的、碎裂状的或者没有特殊的形状，从而制造商给出平均粒子尺寸，例如通过rem记录(rem-aufnahmen)来测量平均粒子尺寸。不同的颗粒尺寸部分的混合使得涂料的处理特性得到改善。
[0046]
其示例是：
[0047]
如下的3个尺寸部分：
[0048]
0.5μm、10μm以及50μm
[0049]
700nm、1μm以及14μm
[0050]
0.6μm、15μm以及47μm
[0051]
800nm、12μm以及45μm
[0052]
0.8μm、11μm以及43μm
[0053]
4个尺寸部分：
[0054]
800nm、8μm、17μm以及45μm，或者
[0055]
700nm、11μm、23μm以及40μm
[0056]
这些和类似的组合，特别是上面提到的尺寸范围内的组合，导致更低的加工粘度，即更好的加工性能和更低的渗滤阈值。
[0057]
关于材料：填料颗粒优选由陶瓷材料、特别是金属氧化物、金属碳化物、例如碳化硅和/或金属氮化物制成。
[0058]
例如，碳化硅和/或氧化锡以不同的颗粒尺寸部分(分数)存在。
[0059]
填料部分的不同之处可以在于，它们一方面包括涂覆的填料颗粒，另一方面包括未涂覆的填料颗粒。在此，未涂覆的填料颗粒优选被构造为是实心的，而涂覆的填料颗粒也可以是中空的，其于是用作形状因子。
[0060]
实心的、在某些情况下也涂覆的填料颗粒例如由金属氧化物、金属碳化物和/或金属氮化物制成，但是也可以由这些金属化合物的混合物形成和/或包含混合金属化合物。
[0061]
具有涂层的实心填料的示例是具有高宽高比的片状的填料，特别是尺寸为直径7μm、厚度300nm，其具有50nm厚的氧化锡(sno2)涂层，该涂层在其方面以锑掺杂的形式存在。
[0062]
混合金属化合物是混合的金属氧化物，例如锡酸盐和/或钛酸盐。但是也可以使用与氧化锡、氧化锌、氧化铁、氧化钛、氧化锰和氧化铋的混合物。原则上，在对填料颗粒的涂层进行掺杂时，特别是已知n型导电掺杂，然而在混合金属化合物的情况下，也可以在涂层中合理地使用p型掺杂。
[0063]
填料颗粒例如是具有锡、铬、钼、铁和锌的金属氧化物过渡金属化合物。优选填料颗粒与以下元素中的至少一种形成氧化物或碳化物，在某些情况下，多种元素也一起形成氧化物：锡、锌、铁、钼、铋、铅、铬、锰、镍、钴、钛、钒、铟、锆、钨、硅、锑、碲、锗。
[0064]
具有围成空腔(形成形状因子)的填料颗粒的填料部分例如由云母、玻璃、碳(例如碳纳米管(cnt))或其它陶瓷制成。其于是具有例如由氧化锡、氧化铋、氧化钛等金属氧化物制成和/或具有碳化硅的部分导电的涂层。
[0065]
部分导电的涂层可以同样地在实心的填料颗粒的情况下和在中空的填料颗粒的情况下存在。
[0066]
按照一个有利的实施方式，例如利用诸如卤素、假卤素(pseudohalogen)、特别是碘、锑、氟的元素，对填料颗粒的部分导电的涂层进行掺杂，特别是n型导电掺杂。
[0067]
掺杂量例如在至多5mol％的范围内、特别是在1mol％至3mol％。
[0068]
填料颗粒上的涂层例如以10nm至100nm之间、特别是15nm和80nm之间、特别是20nm和70nm之间的范围内的层厚度存在。
具体实施方式
[0069]
图4示例性地并且示意性地示出了本发明提出的装置的效果，所述装置用于在具有接线板电路的电动机的矩形波电压的情况下进行电压均衡。将该部分导电的装置插入接线板电路中，从而越过(在例如在局部放电的情况下形成的高电压下形成的)形成电桥的进行接触的装置，u、v和w相的开始和结束分别短路，并且每一相与地短路。
[0070]
在图4中可以看到形成u相的理想化的绕组4。两个端部uin和uout例如通过接线盒(未示出)中的线缆连接来实现。然后，通过电路技术，将用于进行电压均衡的装置3在uin和uout之间安装在接线盒中，从而在高压的情况下，在uout、uin和地之间存在电连接，然而在电机的电压正常的情况下，该电连接不显示导电性。
[0071]
图5详细示出了图4中的装置3的涂料和根据本发明的一个实施方式的用于进行电压均衡的装置的结构，特别是涂料内部的导电性的变化过程。
[0072]
可以看到形成涂料的垫料聚合物基质7，其中嵌入了填料部分5，填料部分5包括通常彼此相邻的许多单独的填料颗粒5。如已经提到的，填料5优选也以多个填料部分的形式存在，这里，在该图示中，各填料部分的填料颗粒的形状和尺寸将不同。然而，为了简单起
见，这里仅示出了由相同的填料颗粒5构成的一个填料颗粒部分5。
[0073]
还可以看到在高电压下形成的导电路径6，因为于是各个填料颗粒5的内部电阻ri和可能(但是不一定)彼此相邻的各个填料颗粒5之间的电阻rc急剧下降。选择填料颗粒5，使得它们在涂料7中产生压敏电阻特性，从而涂料7在电动机的正常工作电压下不导电，但是在阈值、例如根据涂料7而大小不同的阈值电压以上显示良好的导电性。然后，如图5所示，在用于进行电压减小的装置3的涂层7内部形成导电路径6。
[0074]
将高电压通过所形成的导电路径6引出，高电压不流过图4所示的理想化的绕组或者电动机。
[0075]
由此有效并且高效地保护电动机免于由于局部放电而损坏，否则这会在转换器运行的电动机中发生。
[0076]
图6、7和8详细示出了如何能够解释电阻由于在作为用于进行电压减小的装置3的一部分的涂料内部短暂地出现的高电压而下降。图5中的颗粒网络5的电阻主要由ri粒子和/或rc颗粒过渡电阻来决定，ri粒子和/或rc颗粒过渡电阻可以通过增加的电压和/或场强以及通过增加的频率来桥接。因此，随着电压和/或频率的增加，使得电阻明显减小。
[0077]
填料颗粒的颗粒网络的意义是由许多小的电容器和压敏电阻(变阻器)形成网络，这些电容器和压敏电阻(变阻器)由场强和频率控制。涂料层的这里，垫料聚合物基质仅仅是一种如烧结半导体陶瓷也示出的机械固定。
[0078]
通过在如图1至图3所示的转换器开关过程的范围内，以非常高的频率、即例如高于1khz的频率，同时在实际电压的倍数下，发生过冲，与对于具有较低的电压的低频部分相比，涂料由于压敏电阻效应(如图7所示)和与频率相关的电阻的影响(如图8所示)明显更导电。也就是说，因此，在图1至图3中示出的具有明显增加的频率的和更高的电压的过冲，通过在该范围内“低欧姆的”用于进行电压均衡的装置3部分或者完全被导出，因此减弱该量，使得不再达到临界的局部放电起始电压，因此针对由于转换器引起的局部放电产生保护。
[0079]
通过在材料、涂层、掺杂、填料颗粒尺寸分布和填料颗粒形状以及涂料中的填料颗粒质量浓度方面选择填料部分，可以设置室温下的直流电阻以及双对数图(doppel-logarithmische auftragung)中的“α”值、即u-i曲线图中的斜率，使得通过用于进行电压均衡的装置3不形成或者仅形成小的功率损耗和/或漏电流。例如，装置3的电阻在正常条件下比绕组中的导体、例如具有大约1欧姆的铜导体大30至40倍，
[0080]
本发明提供了一种用于进行电压均衡的装置3，其可以以非常低的成本制造，例如通过喷涂塑料基板来制造。该装置3可以与变形方案无关地作为印刷电路板集成在电动机的接线板或接线盒中。
[0081]
通过选择填料颗粒部分，可以无级地匹配于相应的运行电压和运行频率。
[0082]
这通过简单的涂料来实现，在该涂料中存在颗粒状的部分导电的网络，并且该涂料例如可以简单地进行喷涂。
[0083]
本发明第一次提供了一种简单的并且可以以可变的方式匹配于相应的电动机的用于进行电压均衡的装置，其中，通过将存在于一个或多个填料部分中的部分导电的填料颗粒嵌入基质中，来产生部分导电的桥，并且可以自由选择用于嵌入或不嵌入基体的聚合物和/或陶瓷基质，因此可以最佳地适应相应的要求曲线。