3D打印，正在重塑电动汽车的电动机定子绕组

开发电动汽车的电动驱动装置需要很长时间，通常长达三年的时间。在此期间可能会产生新的要求：例如，不同的电源电压，安装空间的变化。大部分开发过程可以通过仿真辅助完成，但是在硬件中进行映射需要花费时间。

最重要的是，电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈，3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，3D打印带来的时间节省尤其是在所谓的发夹式绕组上得到了回报。

根据3D科学谷的市场观察，通常新绕组的等待时间有时为六个月或更长时间，最新的市场发展趋势是将时间缩短到几个星期。本期，3D科学谷与谷友一起了解3D打印在电动机定子绕组方面的前沿发展应用趋势。

复杂的绕组

3D打印简单实现

根据百度百科，电机定子是发电机和起动机等电机的重要组成部分，定子是电动机重要的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场，而转子的主要作用是在旋转磁场中被磁力线切割进而产生（输出）电流。

我国目前电机配件配件市场分布东南沿海及长江三角洲地区。定子绕组是指安装在定子上的绕组,也就是绕在定子上面的铜线 。绕组是由多个线圈或线圈组构成一相或整个电磁电路的统称。目前的交流电动机定子绝大部分都是应用分布式绕组。

根据不同机种、型号及线圈嵌绕的工艺条件，电动机各自设计采用不同的绕组型式和规格。定子绕组根据电动机的磁极数与绕组分布形成实际磁极数的关系，可分为显极式与隐式两种类型。

根据3D科学谷的市场观察，市场上，德国Additive Drives公司通过3D打印增材制造电动机定子绕组，并有望显着改善零件性能。

电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。

经典的圆线绕组有许多限制：铜导体，绕组工艺和槽口几何形状必须匹配。彼此缠绕的导体形成牢固的图案。此外，圆形导线（经典的导体形状）在几何形状上与梯形凹槽的配合不佳。结果是，每个凹槽都被铜填充了一半，从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。

德国Additive Drives公司通过3D打印实现了更高的自由度，通过基于粉末床的SLM选区金属3D打印工艺，使得凹槽中的铜含量更大。从物理上讲，这意味着匝的最大横截面和较小的电阻。而通过3D打印所实现的可变的形状还有利于散热，因为每条电线都与线圈的所谓叠片铁芯热接触，因此没有热点。

▲经典圆形导线绕组的横截面：每个导体位于上下两个导体之间的空间中。铜填充系数约为45％。

来源：德国Additive Drives

▲3D打印的单个线圈的横截面：通过选区激光熔化工艺制造，可以调整每一匝，以最佳方式利用可用的槽口面积。铜填充系数约为65％。

来源：德国Additive Drives

▲3D打印的电动机定子绕组

来源：德国Additive Drives

▲3D打印的电动机定子绕组的电动机截面

来源：德国Additive Drives

当然，这个过程中，最为关键的是如何减少或避免铜的激光反射？

由于铜的导热性和反射性极佳，这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。虽然当前选择性激光熔化（SLM）3D打印技术可以用于制造铜金属粉末材料。但是铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。

根据3D科学谷的市场观察，亚琛增材制造中心ACAM的研发成员之一Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所推出了“SLM绿色”解决方案，当前的粉末床激光熔化技术所采用的激光器通常在光的红外光谱范围内运行，这就是为什么铜的低吸收率会发生，而且光的能量不能有效地熔化铜金属。纯铜从电子束熔融工艺中吸收80％的能量，而在红色激光束中仅吸收2％的能量，激光成为铜金属打印的突破点。

释放3D打印铜应用的潜力，一个特别重要的趋势是用于焊接和铜材料 3D 打印等应用的蓝光直接二极管激光器的发展。2019 年，Laserline 推出了一款1 kW 的产品。蓝色激光加工金属的速度更快，效率更高，而这些金属对大多数工业激光系统产生的 1 微米红外辐射吸收能力较差。

岛津公司（日本）实现了其 BLUE IMPACT 蓝光冲击二极管激光器的商业化，这种激光器可以在高亮度下产生 100 瓦的功率。这款产品是岛津公司与日本大阪大学合作开发的，是日本国家项目的一部分。

BLUE IMPACT 激光器结合了日亚化学公司（日本）的许多氮化镓(GaN)蓝色激光二极管，自 2006 年以来效率提高了一倍，输出功率提高了一个数量级。岛津 450 纳米蓝色二极管激光器的一个关键应用是铜材料的 3D 打印。

随着激光器的发展，3D打印铜的应用走向了良性的发展趋势，根据3D科学谷的市场观察，在定子绕组的3D打印方面，由于节省了缠绕工具，通过3D打印可以经济地生产多达500台以下的小批量电动机定子绕组。更低的线束电阻，更少的损耗，更短的绕组头，所有这些都增加了电动机的价值。

根据3D科学谷的市场了解，3D打印的电动机定子绕组目前可以承受的电流极限约为1兆瓦，不过对于商业化前景来说，专注于功率在100 kW左右的功率范围更为合适，因为这在汽车牵引电机中很常见。

（3D科学谷）

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