Design and Implementation of a Helical Coil Manufacturing Tool and Evaluation of Impregnating Resin Bond Strength

Abstract

This thesis was conducted for the R&D Electrical department of ABB IEC LV Motors in Vaasa, with the primary objective of designing and developing a tool capable of producing helical coils in accordance with IEC 61033 specifications. These coils are used to evaluate the bonding strength between enamelled copper wire and resin, which is an essential factor in ensuring the mechanical integrity and performance of electric motors.

The literature in this work focuses on stator insulation in low-voltage electric motors, detailing the main structure and functions of the insulation systems. This part also highlights the role of the impregnation resins in providing mechanical strength, electrical reliability and thermal protection.

The tool was used to produce helical coils by manually winding enamelled copper wire around a mandrel. The coil creation was tested and refined to ensure that the coils met the dimensional and structural requirements of the IEC 61033 standard.

Two impregnation trials were performed to optimize the impregnation process. The first trial revealed challenges such as inconsistent dipping durations and imperfections during curing, leading to resin drippage and uneven surfaces. Improvements in the second trial, such as a removable dipping rack and stricter adherence to the time criteria, provided more reliable results. Different curing orientations, such as horizontal, vertical and hybrid were also explored to assess their impact.

Following the impregnation, bonding strength testing proceeded using a universal testing machine. The test procedures followed IEC 61033 specifications, measuring the force required to break the bond between the resin and wire.

The results confirmed that the tool effectively and consistently produces high-quality coils. Furthermore, the modified impregnation process yielded more reliable and uniform samples. Some originally planned features, such as the long-term aging of the samples, and the usage of winding tension, could not be fully implemented. Details for future plans regarding these improvements are presented in the discussion chapter of this thesis work.

Detta examensarbete utfördes för R&D elektriska avdelningen vid ABB IEC LV Motors i Vasa, med det primära målet att designa och utveckla ett verktyg som kan producera helikala spolar enligt IEC 61033-specifikationerna. Dessa spolar används för att utvärdera vidhäftningsstyrkan mellan emaljerad koppartråd och harts, vilket är en avgörande faktor för att säkerställa elektriska motorers mekaniska integritet och prestanda.

Litteraturgenomgången i detta arbete fokuserar på statorisolering i lågspänningsmotorer och beskriver isolationssystemets huvudsakliga struktur och funktioner. Avsnittet betonar även impregneringshartsernas roll när det gället att tillhandahålla mekanisk styrka, elektrisk tillförlitlighet och värmeskydd.

Verktyget användes för att producera spiralformade spolar genom manuell lindning av emaljerad koppartråd runt ett dorn. Tillverkningsprocessen testades och förbättrades för att säkerställa att spolarna uppfyller kraven för strukturen och dimensionerna som anges i IEC 61033 standarden.

Två impregneringsförsök genomfördes för att optimera impregneringsprocessen. Det första försöket tog fram utmaningar som otillräckliga doppningstider och brister under härdningen, vilket ledde till hartsdroppar samt ojämn hartsyta på spolarna. Förbättringarna i det andra försöket, såsom en avtagbar doppningsställning och striktare efterlevnad av tidskriterierna, gav mer tillförlitliga resultat. Olika härdningsorienteringar såsom horisontell, vertikal och hybrid, undersöktes också för att bedöma deras påverkan.

Efter impregneringen genomfördes vidhäftningstester med en universell provningsmaskin. Testförfarandena följde IEC 61033-specifikationerna och mätte den kraft som krävdes för att bryta vidhäftningen mellan hartset och tråden.

Resultaten bekräftade att verktyget effektivt och konsekvent producerar högkvalitativa spolar. Dessutom resulterade den modifierade impregneringsprocessen i mer tillförlitliga och enhetliga testexemplar. Vissa ursprungligen planerade funktioner, såsom långtidsåldring av spolarna och användning av lindningsspänning, kunde inte implementeras fullt. Förbättringsplaner för dessa aspekter presenteras i diskussionskapitlet i detta arbete.

Tämä opinnäytetyö toteutettiin ABB IEC LV Motors Vaasan tuotekehitysyksikölle. Ensisijaisena tavoitteena suunnitella ja kehittää työkalu, jolla voidaan valmistaa spiraalikeloja IEC 61033 - standardin mukaisesti. Tässä asiayhteydessä spiraalikeloja käytetään arvioimaan emaloidun kuparilangan ja hartsin välistä sidoslujuutta, mikä on tärkeä tekijä sähkömoottoreiden mekaanisen kestävyyden ja suorituskyvyn varmistamisessa.

Työn kirjallisuuskatsaus keskittyy pienjännitemoottoreiden staattorieristykseen ja kuvaa eristyksen pääasiallista rakennetta ja toimintoja. Osiossa korostetaan myös staattorihartsauksen roolia mekaanisen lujuuden, sähkökäytön luotettavuuden ja lämmönsuojan tarjoamisessa.

Työkalua käytettiin spiraalikelojen valmistamiseen kiertämällä emaloitua kuparilankaa tuurnan ympärille. Valmistusprosessia testattiin ja parannettiin sen varmistamiseksi, että käämit täyttävät IEC 61033 -standardin mukaiset dimensio- ja rakennevaatimukset.

Prosessin optimointia varten tehtiin kaksi hartsauskoetta. Ensimmäisessä kokeessa ilmeni haasteita, kuten näytteiden riittämättömät upotusajat ja haasteet kovetusvaiheessa, mikä johti testikappaleiden epätasaisiin hartsijäämiin ja hartsipintoihin. Toisessa kokeessa prosessia paranneltiin esimerkiksi irrotettavan upotuskehikon avulla, sekä tarkemman ajan mittauksen avulla. Parhaan lopputuloksen saavuttamiseksi testikappaleita kovetettiin hartsauksen jälkeen uunissa eri asennoissa, esimerkiksi vertikaalisesti ja horisontaalisesti. Hartsaustestien jälkeen testikappaleille suoritettiin standardin IEC 61033:n vaatimusten mukaiset sidoslujuustestit.

Tulokset vahvistivat, että työkalun avulla voidaan tuottaa tehokkaasti ja johdonmukaisesti korkealaatuisia spiraalikeloja. Lisäksi paranneltu hartsausprosessi johti luotettavampiin ja yhtenäisempiin testinäytteisiin. Alkuperäisestä suunnitelmasta poiketen vanhennuskokeita tai standardin vaatimaa käämintäjännityksen toteutusta näytteiden valmistuksessa ei ehditty toteuttamaan. Näitä osa-alueita käsitellään työn keskusteluosiossa.