3D打印銅在電動汽車、電動摩托、牽引電機方面的案例

魔猴君  行業資訊   1569天前

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未來的驅動任務-無論是在工業領域還是交通領域-都對各個組件提出了很高的要求。電動機的經典制造工藝很快達到了極限。基于傳統的制造工藝，優化的幾何形狀通常是不可能的，結果是設計者在性能和效率上痛苦折衷。通過3D打印制造銅線圈解決了這個問題，而且電動機中較高的銅含量可減少損耗并改善繞組的熱耦合。

來源：Additive Drives

更隨形的繞組，更高的性能

市場上，德國Additive Drives公司通過3D打印增材制造電動機定子繞組，并有望顯著改善零件性能。電動機的最大輸出功率由于其預熱而受到限制，例如由于允許的繞組溫度而受到限制。通常有兩個提高功率限制的杠桿：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設計在這里起主要作用，因為它是主要的熱源。經典的圓線繞組有許多限制：銅導體，繞組工藝和槽口幾何形狀必須匹配。彼此纏繞的導體形成牢固的圖案。此外，圓形導線（經典的導體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳。結果是，每個凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導體橫截面可確保較大的電熱損耗。

德國Additive Drives公司通過3D打印實現了更高的自由度，通過基于粉末床的SLM選區金屬3D打印工藝，使得凹槽中的銅含量更大。從物理上講，這意味著匝的最大橫截面和較小的電阻。而通過3D打印所實現的可變的形狀還有利于散熱，因為每條電線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點。

 賽車引擎

l 帶3D打印電動機定子繞組的賽車引擎

帶3D打印電動機定子繞組的賽車引擎。來源：Additive Drives

幾何形狀完美匹配的線圈可最大程度地提高銅填充率

用于直流電壓800 VDC

從繞組到疊片鐵心的強制傳熱可防止熱點形成

可變導體厚度以減少電流位移

為獲得最佳性能而開發

帶3D打印電動機定子繞組的賽車引擎。來源：Additive Drives

 電動車馬達

l 適用于電動自行車的3D打印單線圈

3D打印電動自行車的銅線圈。來源：Additive Drives

特殊功能：電動機是軸流機（非常規電動機設計）

通過調整匝數來完美協調轉矩行為

可調整應用于不同類別的電動自行車

最大的靈活性，無需工具調整

3D打印電動自行車的銅線圈。來源：Additive Drives

牽引傳動

l 3D打印牽引電機的發夾式繞組

帶3D打印電動機定子繞組的賽車引擎。來源：Additive Drives

發夾繞組是電動機領域中的一項新技術，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳統的繞線電機更易于自動化，并且在汽車領域特別受歡迎，因為它可以大大縮短制造時間。3D打印極其用于快速的原型制造，能夠將測量結果實時反饋到仿真中，從而確保了所需的操作性能并提高了質量保證。

 Review

由于銅的導熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機內部難以操作。雖然當前選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術可以用于制造銅金屬粉末材料。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。

亞琛增材制造中心ACAM的研發成員之一Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光研究所推出了“SLM綠色”解決方案，當前的粉末床激光熔化技術所采用的激光器通常在光的紅外光譜范圍內運行，這就是為什么銅的低吸收率會發生，而且光的能量不能有效地熔化銅金屬。純銅從電子束熔融工藝中吸收80％的能量，而在紅外激光束中僅吸收2％的能量，激光成為銅金屬打印的突破點。

德國通快在2020年的TCT亞洲增材制造展會上特別展示了綠光銅3D打印技術。隨著激光器的發展，3D打印銅的應用走向了良性的發展趨勢，根據3D科學谷的市場觀察，在定子繞組的3D打印方面，由于節省了纏繞工具，通過3D打印可以經濟地生產多達500臺以下的小批量電動機定子繞組。更低的線束電阻，更少的損耗，更短的繞組頭，所有這些都增加了電動機的價值。

3D打印的電動機定子繞組目前可以承受的電流極限約為1兆瓦，不過對于商業化前景來說，目前專注于功率在100 kW左右的功率范圍更為合適，因為這在汽車牽引電機中很常見。

來源：3D科學谷