The impregnation process of hairpin winding electric motors for automotive

In recent years the hairpin technology for electric motor windings is becoming predominant, especially in permanent magnet synchronous motors production. They offer a higher slot fill factor with respect to common stranded windings and the use of copper bars as conductors allows to design more powerful and more efficient electric motors. Hairpin windings need a resistant insulation system in order to ensure a suitable lifetime. Their use in propulsion applications is critical because they must face extreme situations, such as severe environmental conditions (very low and very high temperatures, a wide range of humidity), strong mechanical vibrations due to inhomogeneous road surfaces (bumps and holes), and the potential formation of partial discharges and short circuits. Electric windings are generally impregnated with liquid polymers to fix together metallic conductors and the external insulating paper made of polymeric fibers. In trickling impregnation processes, the resin is deposited on the stator and, then, it flows inside the slots, filling all the space that previously was empty. This space is very small and resembles a rectangular capillary between two parallel plates. In this thesis work, the phenomenon of resin penetration inside the slots is studied, and a suitable theoretical model able to create a solid theoretical base for new impregnation plant design is found. Characterization of two impregnation resins and some insulating papers by means of FT-IR, DSC, TGA, contact angle and rheometric tests is performed and, subsequently, experimental tests are carried out with a simplified system to emulate impregnation process. Experimental data and theoretical values are compared to find out whether a mathematical equation can be applied to design new plants. Finally, some considerations on the impregnation process and impregnation plants are given, and we provide some options on possible plant improvement and optimization.

Negli ultimi anni la tecnologia hairpin per la produzione di avvolgimenti per motori elettrici sta conoscendo un notevole sviluppo, specialmente per quanto riguarda i motori sincroni a magneti permanenti. Gli avvolgimenti hairpin permettono di riempire con maggiore efficacia le cavità degli statori rispetto ai normali avvolgimenti a filo e l’utilizzo di barre di rame consente la realizzazione di motori elettrici più potenti e considerevolmente più efficienti. Tali avvolgimenti richiedono una considerevole cura per quanto riguarda il loro isolamento per garantire una durabilità adatta. Infatti il loro impiego per la propulsione di mezzi di trasporto comporta numerose criticità quali condizioni ambientali severe (temperature molto alte e molto basse, ampi intervalli di umidità), forti vibrazioni a causa del manto stradale spesso sconnesso, e il potenziale sviluppo di scariche parziali e cortocircuiti. Per i motivi sopra elencati, normalmente gli avvolgimenti dei motori elettrici subiscono il processo di impregnazione con l’utilizzo di apposite resine per cementare tra loro i conduttori in rame e le carte isolanti composte da fibre polimeriche in cui essi sono avvolti. Nei processi di trickling le resine vengono depositate sullo statore in modo che possano penetrare nelle cavità statoriche per riempirle ipoteticamente al 100%. Gli spazi disponibili alla resina possono essere considerati come capillari rettangolari molto stretti e confinati tra lastre piane e idealmente parallele. In questa tesi si analizza il fenomeno di infiltrazione capillare della resina studiando un modello di impregnazione costruito sulla base delle conoscenze note in questo ambito. La finalità di questo studio è da un lato, quella di validare la teoria dello scorrimento di fluidi sulle superfici e all'interno di porosità, eventualmente apportando opportune modifiche al modello stesso e, dall'altro, applicare le conoscenze sull'influenza dei vari parametri che appaiono nel modello alla progettazione di impianti di impregnazione capaci di dare un prodotto di alta qualità e, nel contempo, elevare la produttività. Per fare questo, II inizialmente, sono state caratterizzate due resine impregnanti ed alcune carte isolanti attraverso misure FT-IR, DSC, TGA, angolo di contatto e test viscosimetrici. Si sono poi effettuati test di laboratorio utilizzando un setup capace di simulare in maniera semplificata, ma comunque efficace, il processo di impregnazione. Tali test sono stati ideati per poter visualizzare e studiare il comportamento probabile della resina durante l’applicazione sull’impianto. I risultati ottenuti dalle simulazioni sperimentali vengono confrontati con i valori ricavati dal modello teorico per verificare l’applicabilità di tale relazione alla progettazione di nuovi impianti per l’impregnazione di statori. Nella parte conclusiva della tesi, vengono riportate alcune considerazioni sul processo di impregnazione di avvolgimenti hairpin e più in generale sugli impianti e si propongono possibili miglioramenti e ottimizzazioni.