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The electromechanical excitation mechanism of film capacitors within highly integrated drivetrains

Herrnberger, Maximilian (2024)
The electromechanical excitation mechanism of film capacitors within highly integrated drivetrains.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028581
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

DC-link capacitors are used in highly integrated power electronics for electric drives. These capacitors compensate for harmonics caused by switching operations during the conversion. The harmonics depend on the switching strategy of the transistors within the converter and cause the DC-link capacitor within the power electronics to vibrate mechanically. This can cause high-frequency acoustic noise, which propagates via structure-borne and airborne sound paths and thus can be a source of interference within electric vehicles. In the acoustic investigation of electric drives, the existing literature is focused mainly on noises that arise due to varying Maxwell forces in the air gap field between the rotor and stator. However, for a comprehensive acoustic evaluation, the excitations from the power electronics must also be considered. This is particularly important for highly integrated drives in which the power electronics, the electric machine and the gearbox are integrated into a compact drive unit. Within the power electronics, the focus is on the DC-link capacitor since it is subjected to voltage ripples. In electric drives, polypropylene-based film capacitors are widely used, which usually consist of several capacitor windings embedded in epoxy resin. In this work, a model is presented for predicting the voltage-induced acoustic excitation of film capacitors. For this purpose, a sensor model known from the literature is first transferred to a plate capacitor to analytically derive the deformation in a single capacitor layer. In addition to the electrostatic attractive forces of the electrodes, this model also considers electromechanical couplings in the dielectric, which are described by the electrostrictive parameters. The analytically calculated deformation amplitudes can then be transferred to the geometry of a capacitor winding using finite element (FE) simulations. The application of FE models makes it possible to take into account the structural-dynamic properties of different capacitor geometries. Since film capacitor windings consist of several thousand layers, the FE models are simplified in a way that modal superposition can be applied as a model reduction method. The aim is to increase the numerical efficiency of the simulation and thus to simulate larger capacitor structures with reduced resource consumption. The resulting excitation model is then validated by measurements at both the winding and the capacitor level and can be used to predict the excitation of polypropylene-based capacitors. In addition, the resulting airborne sound radiation from capacitors is estimated based on the resulting surface velocity. Acoustic measurements on capacitor windings also show that the excitation amplitude depends on the polarity of the applied DC voltage. Accordingly, polarization effects in the dielectric must also be considered (especially for small voltages), which can be caused by the manufacturing process of the metallized capacitor films. Polarization is caused by both space charges in the dielectric and a boundary layer near the metallization and leads to an intrinsic electrical field that influences the acoustic excitation of the windings. This boundary layer is detected in the course of the work using high-resolution transmission electron microscopy. Furthermore, the acoustic influence of the polarization present in the capacitor winding can be used to determine a corresponding compensation voltage that is needed to cancel the internal polarization. The compensation voltage can be influenced externally either by voltage pulses or temperature loads, which will be investigated in further experiments. The stability of the compensation voltage over time is also analyzed, and various relaxation mechanisms are discussed. The behavior of the capacitor windings can be compared to the long-term stability of electrets. The present investigations are based on polypropylene capacitors but can essentially be transferred to other dielectrics by adjusting the characteristic values. The findings presented in this work enable a prediction of the excitation amplitudes of film capacitors. The model presented combines various excitation mechanisms and takes into account the polarization caused by the manufacturing process. The results provide a basis for considering DC-link capacitors in the electric drivetrain as a source of acoustic excitation.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Herrnberger, Maximilian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: The electromechanical excitation mechanism of film capacitors within highly integrated drivetrains
Sprache: Englisch
Referenten: Kupnik, Prof. Dr. Mario ; Bein, Prof. Dr. Thilo
Publikationsjahr: 21 November 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 1, xiv, 122 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 18 Dezember 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00028581
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28581
Kurzbeschreibung (Abstract):

DC-link capacitors are used in highly integrated power electronics for electric drives. These capacitors compensate for harmonics caused by switching operations during the conversion. The harmonics depend on the switching strategy of the transistors within the converter and cause the DC-link capacitor within the power electronics to vibrate mechanically. This can cause high-frequency acoustic noise, which propagates via structure-borne and airborne sound paths and thus can be a source of interference within electric vehicles. In the acoustic investigation of electric drives, the existing literature is focused mainly on noises that arise due to varying Maxwell forces in the air gap field between the rotor and stator. However, for a comprehensive acoustic evaluation, the excitations from the power electronics must also be considered. This is particularly important for highly integrated drives in which the power electronics, the electric machine and the gearbox are integrated into a compact drive unit. Within the power electronics, the focus is on the DC-link capacitor since it is subjected to voltage ripples. In electric drives, polypropylene-based film capacitors are widely used, which usually consist of several capacitor windings embedded in epoxy resin. In this work, a model is presented for predicting the voltage-induced acoustic excitation of film capacitors. For this purpose, a sensor model known from the literature is first transferred to a plate capacitor to analytically derive the deformation in a single capacitor layer. In addition to the electrostatic attractive forces of the electrodes, this model also considers electromechanical couplings in the dielectric, which are described by the electrostrictive parameters. The analytically calculated deformation amplitudes can then be transferred to the geometry of a capacitor winding using finite element (FE) simulations. The application of FE models makes it possible to take into account the structural-dynamic properties of different capacitor geometries. Since film capacitor windings consist of several thousand layers, the FE models are simplified in a way that modal superposition can be applied as a model reduction method. The aim is to increase the numerical efficiency of the simulation and thus to simulate larger capacitor structures with reduced resource consumption. The resulting excitation model is then validated by measurements at both the winding and the capacitor level and can be used to predict the excitation of polypropylene-based capacitors. In addition, the resulting airborne sound radiation from capacitors is estimated based on the resulting surface velocity. Acoustic measurements on capacitor windings also show that the excitation amplitude depends on the polarity of the applied DC voltage. Accordingly, polarization effects in the dielectric must also be considered (especially for small voltages), which can be caused by the manufacturing process of the metallized capacitor films. Polarization is caused by both space charges in the dielectric and a boundary layer near the metallization and leads to an intrinsic electrical field that influences the acoustic excitation of the windings. This boundary layer is detected in the course of the work using high-resolution transmission electron microscopy. Furthermore, the acoustic influence of the polarization present in the capacitor winding can be used to determine a corresponding compensation voltage that is needed to cancel the internal polarization. The compensation voltage can be influenced externally either by voltage pulses or temperature loads, which will be investigated in further experiments. The stability of the compensation voltage over time is also analyzed, and various relaxation mechanisms are discussed. The behavior of the capacitor windings can be compared to the long-term stability of electrets. The present investigations are based on polypropylene capacitors but can essentially be transferred to other dielectrics by adjusting the characteristic values. The findings presented in this work enable a prediction of the excitation amplitudes of film capacitors. The model presented combines various excitation mechanisms and takes into account the polarization caused by the manufacturing process. The results provide a basis for considering DC-link capacitors in the electric drivetrain as a source of acoustic excitation.

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In hochintegrierten Leistungselektroniken für elektrische Antriebe kommen Zwischenkreiskondensatoren zum Einsatz. Diese kompensieren Oberschwingungen, die durch Schaltvorgänge bei der Umrichtung hervorgerufen werden. Diese Oberschwingungen hängen von der Schaltstrategie der Transistoren im Umrichter ab und regen den Zwischenkreiskondensator innerhalb der Leistungselektronik zu mechanischen Vibrationen an. Dadurch können hochfrequente akustische Störgeräusche verursacht werden, die sich über Körperschall- und Luftschallpfade ausbreiten und in Elektrofahrzeugen eine Störquelle innerhalb des elektrischen Antriebs darstellen. Die bestehende Literatur konzentriert sich bei der akustischen Untersuchung von elektrischen Antrieben hauptsächlich auf Geräusche, die durch variierende Maxwell-Kräfte im Luftspaltfeld zwischen Rotor und Stator entstehen. Für eine umfassende akustische Betrachtung müssen jedoch auch Anregungen aus der Leistungselektronik berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere bei hochintegrierten Antrieben wichtig, bei denen die Leistungselektronik, die elektrische Maschine und das Getriebe in einer kompakten Antriebseinheit integriert sind. Innerhalb der Leistungselektronik steht hierbei der Zwischenkreiskondensator im Fokus, da dieser mit Spannungsrippeln beaufschlagt wird. In elektrischen Antrieben sind Folienkondensatoren auf Polypropylen-Basis weit verbreitet, die üblicherweise aus mehreren in Epoxidharz vergossenen Kondensatorwickeln bestehen. In dieser Arbeit wird ein Modell zur Vorhersage der spannungsinduzierten akustischen Anregung von Folienkondensatoren vorgestellt. Dazu lässt sich ein aus der Literatur bekanntes Sensormodell zunächst auf einen Plattenkondensator übertragen, um die Deformation in einer einzelnen Kondensatorschicht analytisch herzuleiten. Dieses Modell berücksichtigt neben den elektrostatischen Anziehungskräften der Elektroden auch elektromechanische Kopplungen im Dielektrikum, die auf Basis der elektrostriktiven Parameter beschrieben werden. Anschließend können die analytisch berechneten Deformationsamplituden mithilfe von Finite-Elemente (FE) Simulationen auf die Geometrie eines Kondensatorwickels übertragen werden. Die Verwendung eines FE-Modells ermöglicht es, die strukturdynamischen Eigenschaften verschiedener Kondensatorgeometrien zu berücksichtigen. Da Folienkondensatorwickel aus mehreren tausend Schichten bestehen, werden die FE-Modelle vereinfacht, sodass die modale Superposition als Modellreduktionsverfahren angewendet werden kann. Ziel ist es, die numerische Effizienz der Simulation zu erhöhen und somit größere Kondensatorstrukturen mit geringem Ressourcenverbrauch zu simulieren. Das resultierende Anregungsmodell wird im Anschluss durch Messungen sowohl auf Wickelebene als auch auf Kondensatorebene validiert und kann zur Vorhersage der Anregung von Polypropylen-basierten Kondensatoren eingesetzt werden. Zudem lässt sich die resultierende Luftschallabstrahlung von Kondensatoren auf Basis der Anregung abschätzen. Akustische Messungen an Kondensatorwickeln zeigen zudem, dass die Anregungsamplitude von der Polarität der angelegten Gleichspannung abhängig ist. Demnach müssen (insbesondere für kleine Spannungen) auch Polarisationseffekte im Dielektrikum berücksichtigt werden, die durch den Herstellungsprozess der metallisierten Kondensatorfolien verursacht werden können. Die Polarisation wird sowohl durch Raumladungen im Dielektrikum als auch durch eine Grenzschicht im Bereich der Metallisierung hervorgerufen und führt zu einem intrinsischen elektrischen Feld, das die akustische Anregung der Wickel beeinflusst. Diese Grenzschicht wird im Rahmen der Arbeit mittels hoch auflösender Transmissionselektronenmikroskopie nachgewiesen. Darüber hinaus kann der akustische Einfluss der im Kondensatorwickel vorhandenen Polarisation genutzt werden, um eine entsprechende Kompensationsspannung zu bestimmen, die zur Aufhebung der Polarisation benötigt wird. Diese Spannung kann entweder durch Spannungsimpulse oder Temperaturbelastungen extern beeinflusst werden, was in weiteren Experimenten untersucht wird. Die Stabilität der Kompensationsspannung über die Zeit wird ebenfalls analysiert, und verschiedene Relaxationsmechanismen werden diskutiert. Das Verhalten der Kondensatorwickel kann mit der Langzeitstabilität von Elektreten verglichen werden. Die vorliegenden Untersuchungen basieren auf Polypropylen-Kondensatoren, sind aber im Wesentlichen durch Anpassung der Kennwerte auch auf andere Dielektrika übertragbar. Die in der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine Vorhersage der Anregungsamplituden von Folienkondensatoren. Das vorgestellte Modell kombiniert verschiedene Anregungsmechanismen und berücksichtigt auch die durch den Herstellungsprozess verursachte Polarisation. Die Ergebnisse bilden eine Grundlage für die Berücksichtigung von Zwischenkreiskondensatoren im elektrischen Antriebsstrang als akustische Anregungsquelle.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-285812
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 21 Nov 2024 11:07
Letzte Änderung: 27 Nov 2024 08:45
PPN:
Referenten: Kupnik, Prof. Dr. Mario ; Bein, Prof. Dr. Thilo
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 Dezember 2023
Export:
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