未來的驅(qū)動任務(wù)-無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域-都對各個組件提出了很高的要求。電動機的經(jīng)典制造工藝很快達到了極限?；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

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，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。

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(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(guī)電動機設(shè)計）

- 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自行車

- 最大的靈活性，無需工具調(diào)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(fā)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(fā)夾繞組是電動機領(lǐng)域中的一項新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳統(tǒng)的繞線電機更易于自動化，并且在汽車領(lǐng)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?qū)y量結(jié)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(zhì)量保證。

3D科學(xué)谷

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。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，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。

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(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。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，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，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。