3D打印，正在重塑電動汽車的電動機定子繞組
魔猴君 行業(yè)資訊 1616天前
開發(fā)電動汽車的電動驅(qū)動裝置需要很長時間，通常長達三年的時間。在此期間可能會產(chǎn)生新的要求：例如，不同的電源電壓，安裝空間的變化。大部分開發(fā)過程可以通過仿真輔助完成，但是在硬件中進行映射需要花費時間。最重要的是，電動汽車的電動機定子繞組的開發(fā)通常是眾所周知的瓶頸，3D打印幾乎無需模具就可以避免這種開發(fā)障礙。由于傳統(tǒng)的生產(chǎn)涉及復(fù)雜的彎曲和焊接過程，3D打印帶來的時間節(jié)省尤其是在所謂的發(fā)夾式繞組上得到了回報。 通常新繞組的等待時間有時為六個月或更長時間，最新的市場發(fā)展趨勢是將時間縮短到幾個星期。本期，一起了解3D打印在電動機定子繞組方面的前沿發(fā)展應(yīng)用趨勢。
復(fù)雜的繞組,3D打印簡單實現(xiàn)
根據(jù)百度百科，電機定子是發(fā)電機和起動機等電機的重要組成部分，定子是電動機重要的部分。定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成。定子的主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子的主要作用是在旋轉(zhuǎn)磁場中被磁力線切割進而產(chǎn)生（輸出）電流。我國目前電機配件配件市場分布東南沿海及長江三角洲地區(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 。繞組是由多個線圈或線圈組構(gòu)成一相或整個電磁電路的統(tǒng)稱。目前的交流電動機定子絕大部分都是應(yīng)用分布式繞組。
根據(jù)不同機種、型號及線圈嵌繞的工藝條件，電動機各自設(shè)計采用不同的繞組型式和規(guī)格。定子繞組根據(jù)電動機的磁極數(shù)與繞組分布形成實際磁極數(shù)的關(guān)系，可分為顯極式與隱式兩種類型。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(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)計在這里起主要作用，因為它是主要的熱源。
經(jīng)典的圓線繞組有許多限制：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（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，每個凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導(dǎo)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(xiàn)了更高的自由度，通過基于粉末床的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3D打印所實現(xiàn)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。
經(jīng)典圓形導(dǎo)線繞組的橫截面：每個導(dǎo)體位于上下兩個導(dǎo)體之間的空間中。銅填充系數(shù)約為45％。來源：德國Additive Drives
3D打印的單個線圈的橫截面：通過選區(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％。來源：德國Additive Drives
3D打印的電動機定子繞組。來源：德國Additive Drives
3D打印的電動機定子繞組的電動機截面。來源：德國Additive Drives
當然，這個過程中，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打印機內(nèi)部難以操作。雖然當前選擇性激光熔化（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(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)運行，這就是為什么銅的低吸收率會發(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。
釋放3D打印銅應(yīng)用的潛力，一個特別重要的趨勢是用于焊接和銅材料 3D 打印等應(yīng)用的藍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。藍色激光加工金屬的速度更快，效率更高，而這些金屬對大多數(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）實現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍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)合作開發(fā)的，是日本國家項目的一部分。
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)藍色激光二極管，自 2006 年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個數(shù)量級。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關(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，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在定子繞組的3D打印方面，由于節(jié)省了纏繞工具，通過3D打印可以經(jīng)濟地生產(chǎn)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(yè)化前景來說，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(xué)谷
