3D打印銅在電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托、牽引電機(jī)方面的案例

魔猴君  行業(yè)資訊   1599天前

點(diǎn)擊：魔猴3D打印銅合金物性表

未來的驅(qū)動(dòng)任務(wù)-無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域-都對各個(gè)組件提出了很高的要求。電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典制造工藝很快達(dá)到了極限?；趥鹘y(tǒng)的制造工藝，優(yōu)化的幾何形狀通常是不可能的，結(jié)果是設(shè)計(jì)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(gè)問題，而且電動(dòng)機(jī)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(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?。?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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)的可變的形狀還有利于散熱，因?yàn)槊織l電線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點(diǎn)。

 賽車引擎

l 帶3D打印電動(dòng)機(jī)定子繞組的賽車引擎

帶3D打印電動(dòng)機(jī)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(qiáng)制傳熱可防止熱點(diǎn)形成

可變導(dǎo)體厚度以減少電流位移

為獲得最佳性能而開發(fā)

帶3D打印電動(dòng)機(jī)定子繞組的賽車引擎。來源：Additive Drives

 電動(dòng)車馬達(dá)

l 適用于電動(dòng)自行車的3D打印單線圈

3D打印電動(dòng)自行車的銅線圈。來源：Additive Drives

特殊功能：電動(dòng)機(jī)是軸流機(jī)（非常規(guī)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)）

通過調(diào)整匝數(shù)來完美協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩行為

可調(diào)整應(yīng)用于不同類別的電動(dòng)自行車

最大的靈活性，無需工具調(diào)整

3D打印電動(dòng)自行車的銅線圈。來源：Additive Drives

牽引傳動(dòng)

l 3D打印牽引電機(jī)的發(fā)夾式繞組

帶3D打印電動(dòng)機(jī)定子繞組的賽車引擎。來源：Additive Drives

發(fā)夾繞組是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳統(tǒng)的繞線電機(jī)更易于自動(dòng)化，并且在汽車領(lǐng)域特別受歡迎，因?yàn)樗梢源蟠罂s短制造時(shí)間。3D打印極其用于快速的原型制造，能夠?qū)y量結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到仿真中，從而確保了所需的操作性能并提高了質(zhì)量保證。

 Review

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(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(diǎn)。

德國通快在2020年的TCT亞洲增材制造展會(huì)上特別展示了綠光銅3D打印技術(shù)。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(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。

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，不過對于商業(yè)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?yàn)檫@在汽車牽引電機(jī)中很常見。

來源：3D科學(xué)谷