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3D列印,正在重塑電動汽車的電動機定子繞組

開發電動汽車的電動驅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。大部分開發過程可以通過仿真輔助完成,但是在硬體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通常是眾所周知的瓶頸,3D列印幾乎無需模具就可以避免這種開發障礙。由於傳統的生產涉及複雜的彎曲和焊接過程,3D列印帶來的時間節省尤其是在所謂的髮夾式繞組上得到了回報。

根據3D科學谷的市場觀察,通常新繞組的等待時間有時為六個月或更長時間,最新的市場發展趨勢是將時間縮短到幾個星期。本期,3D科學谷與谷友一起了解3D列印在電動機定子繞組方面的前沿發展應用趨勢。

複雜的繞組

3D列印簡單實現

根據百度百科,電機定子是發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生旋轉磁場,而轉子的主要作用是在旋轉磁場中被磁力線切割進而產生(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。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成一相或整個電磁電路的統稱。目前的交流電動機定子絕大部分都是應用分布式繞組。

根據不同機種、型號及線圈嵌繞的工藝條件,電動機各自設計採用不同的繞組型式和規格。定子繞組根據電動機的磁極數與繞組分布形成實際磁極數的關係,可分為顯極式與隱式兩種類型。

根據3D科學谷的市場觀察,市場上,德國Additive Drives公司通過3D列印增材製造電動機定子繞組,並有望顯著改善零件性能。

電動機的最大輸出功率由於其預熱而受到限制,例如由於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杆:首先,以相同的功率減少損耗,其次,改善散熱。繞組的設計在這裡起主要作用,因為它是主要的熱源。

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

德國Additive Drives公司通過3D列印實現了更高的自由度,通過基於粉末床的SLM選區金屬3D列印工藝,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列印所實現的可變的形狀還有利於散熱,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。

經典圓形導線繞組的橫截面:每個導體位於上下兩個導體之間的空間中。銅填充系數約為45%。

來源:德國Additive Drives

3D列印的單個線圈的橫截面:通過選區雷射熔化工藝製造,可以調整每一匝,以最佳方式利用可用的槽口面積。銅填充系數約為65%。

來源:德國Additive Drives

3D列印的電動機定子繞組

來源:德國Additive Drives

3D列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,最為關鍵的是如何減少或避免銅的雷射反射?

由於銅的導熱性和反射性極佳,這使得銅金屬在3D印表機內部難以操作。雖然當前選擇性雷射熔化(SLM)3D列印技術可以用於製造銅金屬粉末材料。但是銅金屬在雷射熔化的過程中,吸收率低,雷射難以持續熔化銅金屬粉末,從而導致成形效率低,冶金質量難以控制等問題。此外,銅的高延展性給去除多餘粉末這樣的後處理工作增加了難度。

釋放3D列印銅應用的潛力,一個特別重要的趨勢是用於焊接和銅材料 3D 列印等應用的藍光直接二極管雷射器的發展。2019 年,Laserline 推出了一款1 kW 的產品。藍色雷射加工金屬的速度更快,效率更高,而這些金屬對大多數工業雷射系統產生的 1 微米紅外異塵餘生吸收能力較差。

島津公司(日本)實現了其 BLUE IMPACT 藍光衝擊二極管雷射器的商業化,這種雷射器可以在高亮度下產生 100 瓦的功率。這款產品是島津公司與日本大阪大學合作開發的,是日本國家項目的一部分。

BLUE IMPACT 雷射器結合了日亞化學公司(日本)的許多氮化镓(GaN)藍色雷射二極管,自 2006 年以來效率提高了一倍,輸出功率提高了一個數量級。島津 450 納米藍色二極管雷射器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 列印。

隨著雷射器的發展,3D列印銅的應用走向了良性的發展趨勢,根據3D科學谷的市場觀察,在定子繞組的3D列印方面,由於節省了纏繞工具,通過3D列印可以經濟地生產多達500台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3D科學谷的市場了解,3D列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,不過對於商業化前景來說,專注於功率在100 kW左右的功率範圍更為合適,因為這在汽車牽引電機中很常見。

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- 更多關於銅金屬的3D列印,請參考3D科學谷發布的《銅金屬3D列印白皮書》,3D科學谷在《銅金屬3D列印白皮書1.0》中,對銅合金、純銅增材製造中所應用的3D列印技術,銅金屬3D列印存在的技術難點,銅金屬3D列印材料和工藝的發展情況,銅增材製造的應用前景,典型專利,及其供應鏈進行了分析。

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