洞察铜在3D打印电动汽车的电动机定子绕组的最新发展

根据3D科学谷的市场观察，从世界范围来看，推动3D打印用于新电力驱动的前沿研究正在形成多个发展趋势：一种趋势是福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点是铜金属；一种趋势是Fraunhofer IFAM或者是exone通过更为经济的打印方式所实现的新型电动机零件，其聚焦点是丝网打印或binder jetting粘结剂喷射3D打印；一种趋势是英国制造技术中心MTC 完全3D打印的电机，其聚焦点是产品重新设计；最后一种趋势是Connactive 项目或者保时捷与GKN所合作的项目，其聚焦点是新材料与新设计的结合。

▲3D打印铜电机绕组的技术逻辑

3D科学谷《铜金属3D打印白皮书第二版》

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铜的别有洞天

纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域，有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度，被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多，传统加工工艺已逐渐无法满足需求。3D打印技术具有可成形复杂结构零部件，材料利用率高，无需模具等优点，该技术在制备复杂功能集成的纯铜或铜合金散热器与热交换器、尾喷管、电机绕组等零部件方面具有巨大的应用潜力。

根据3D科学谷的市场观察，从世界范围来看，推动3D打印用于新电力驱动的前沿研究正在形成多个发展趋势：一种趋势是福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点是铜金属；一种趋势是Fraunhofer IFAM或者是exone通过更为经济的打印方式所实现的新型电动机零件，其聚焦点是丝网打印或binder jetting粘结剂喷射3D打印；一种趋势是英国制造技术中心MTC所致力的完全3D打印的电机，其聚焦点是产品重新设计；最后一种趋势是Connactive 项目或者保时捷与GKN所合作的项目，其聚焦点是新材料与新设计的结合。

根据3D科学谷的市场观察，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。本期，3D科学谷通过对铜在3D打印电动汽车的电动机定子绕组的最新发展，与谷友共同来感知3D打印如何成就电动汽车电驱动关键组件。

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。

让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。在这方面，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。

▲exone

其中，粘结剂喷射金属3D打印技术方面，ExOne与创新电机公司Maxxwell合作研发生产电机铜线圈绕组，改变一百多年来的电机线圈设计思路。传统工艺的铜丝或者铜片，在狭小的电机定子、转子空间内很难展现最优设计，3D打印将带来一定的改变。

▲ 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书第二版》

l商业化3D打印增材制造电动机定子绕组

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。

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。

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。

l 产业化3D打印增材制造电动机定子绕组

福特与蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院一起，在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaPiPro2，指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术，矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电机更易于自动化，并且在汽车领域特别受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。

3D打印适用于快速的原型制造，能够将测量结果实时反馈到仿真中，从而确保了所需的操作性能并提高了质量保证。HaPiPro2项目正在研究如何进一步开发该方法，以便在单个生产线上高效生产不同型号的电动机。