3D打印技術(shù)在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的前沿發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)

開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置需要很長(zhǎng)時(shí)間，通常長(zhǎng)達(dá)三年的時(shí)間。在此期間可能會(huì)產(chǎn)生新的要求：例如，不同的電源電壓，安裝空間的變化。大部分開(kāi)發(fā)過(guò)程可以通過(guò)仿真輔助完成，但是在硬件中進(jìn)行映射需要花費(fèi)時(shí)間。

最重要的是，電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)定子繞組的開(kāi)發(fā)通常是眾所周知的瓶頸，3D打印幾乎無(wú)需模具就可以避免這種開(kāi)發(fā)障礙。由于傳統(tǒng)的生產(chǎn)涉及復(fù)雜的彎曲和焊接過(guò)程，3D打印帶來(lái)的時(shí)間節(jié)省尤其是在所謂的發(fā)夾式繞組上得到了回報(bào)。

根據(jù)市場(chǎng)觀察，通常新繞組的等待時(shí)間有時(shí)為六個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間，最新的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)是將時(shí)間縮短到幾個(gè)星期。本期，一起了解3D打印在電動(dòng)機(jī)定子繞組方面的前沿發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)。

復(fù)雜的繞組，3D打印簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

根據(jù)百度百科，電機(jī)定子是發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)等電機(jī)的重要組成部分，定子是電動(dòng)機(jī)重要的部分。定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座三部分組成。定子的主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子的主要作用是在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中被磁力線(xiàn)切割進(jìn)而產(chǎn)生（輸出）電流。

我國(guó)目前電機(jī)配件配件市場(chǎng)分布東南沿海及長(zhǎng)江三角洲地區(qū)。定子繞組是指安裝在定子上的繞組，也就是繞在定子上面的銅線(xiàn) 。繞組是由多個(gè)線(xiàn)圈或線(xiàn)圈組構(gòu)成一相或整個(gè)電磁電路的統(tǒng)稱(chēng)。目前的交流電動(dòng)機(jī)定子絕大部分都是應(yīng)用分布式繞組。

根據(jù)不同機(jī)種、型號(hào)及線(xiàn)圈嵌繞的工藝條件，電動(dòng)機(jī)各自設(shè)計(jì)采用不同的繞組型式和規(guī)格。定子繞組根據(jù)電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)與繞組分布形成實(shí)際磁極數(shù)的關(guān)系，可分為顯極式與隱式兩種類(lèi)型。

根據(jù)市場(chǎng)觀察，市場(chǎng)上，德國(guó)Additive Drives公司通過(guò)3D打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組，并有望顯著改善零件性能。

電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率由于其預(yù)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(gè)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(shè)計(jì)在這里起主要作用，因?yàn)樗侵饕臒嵩础?/p>

經(jīng)典的圓線(xiàn)繞組有許多限制：銅導(dǎo)體，繞組工藝和槽口幾何形狀必須匹配。彼此纏繞的導(dǎo)體形成牢固的圖案。此外，圓形導(dǎo)線(xiàn)（經(jīng)典的導(dǎo)體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳。結(jié)果是，每個(gè)凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對(duì)較小的導(dǎo)體橫截面可確保較大的電熱損耗。

德國(guó)Additive Drives公司通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)了更高的自由度，通過(guò)基于粉末床的SLM選區(qū)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(guò)3D打印所實(shí)現(xiàn)的可變的形狀還有利于散熱，因?yàn)槊織l電線(xiàn)都與線(xiàn)圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒(méi)有熱點(diǎn)。

每個(gè)導(dǎo)體位于上下兩個(gè)導(dǎo)體之間的空間中。銅填充系數(shù)約為45％。通過(guò)選區(qū)激光熔化工藝制造，可以調(diào)整每一匝，以最佳方式利用可用的槽口面積。銅填充系數(shù)約為65％。

當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的是如何減少或避免銅的激光反射？

由于銅的導(dǎo)熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機(jī)內(nèi)部難以操作。雖然當(dāng)前選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)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(guò)程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問(wèn)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。

根據(jù)市場(chǎng)觀察，亞琛增材制造中心ACAM的研發(fā)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(dāng)前的粉末床激光熔化技術(shù)所采用的激光器通常在光的紅外光譜范圍內(nèi)運(yùn)行，這就是為什么銅的低吸收率會(huì)發(fā)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，而在紅色激光束中僅吸收2％的能量，激光成為銅金屬打印的突破點(diǎn)。

釋放3D打印銅應(yīng)用的潛力，一個(gè)特別重要的趨勢(shì)是用于焊接和銅材料 3D 打印等應(yīng)用的藍(lán)光直接二極管激光器的發(fā)展。2019 年，Laserline 推出了一款1 kW 的產(chǎn)品。藍(lán)色激光加工金屬的速度更快，效率更高，而這些金屬對(duì)大多數(shù)工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)生的 1 微米紅外輻射吸收能力較差。

島津公司（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，這種激光器可以在高亮度下產(chǎn)生 100 瓦的功率。這款產(chǎn)品是島津公司與日本大阪大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的，是日本國(guó)家項(xiàng)目的一部分。

BLUE IMPACT 激光器結(jié)合了日亞化學(xué)公司（日本）的許多氮化鎵（GaN）藍(lán)色激光二極管，自 2006 年以來(lái)效率提高了一倍，輸出功率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。

隨著激光器的發(fā)展，3D打印銅的應(yīng)用走向了良性的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)市場(chǎng)觀察，在定子繞組的3D打印方面，由于節(jié)省了纏繞工具，通過(guò)3D打印可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)多達(dá)500臺(tái)以下的小批量電動(dòng)機(jī)定子繞組。更低的線(xiàn)束電阻，更少的損耗，更短的繞組頭，所有這些都增加了電動(dòng)機(jī)的價(jià)值。

根據(jù)市場(chǎng)了解，3D打印的電動(dòng)機(jī)定子繞組目前可以承受的電流極限約為1兆瓦，不過(guò)對(duì)于商業(yè)化前景來(lái)說(shuō)，專(zhuān)注于功率在100 kW左右的功率范圍更為合適，因?yàn)檫@在汽車(chē)牽引電機(jī)中很常見(jiàn)。
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