电机的增材制造3D打印+拓扑优化=下一代电机(1)
未来的驱动任务-无论是在工业领域还是交通领域-都对各个组件提出了很高的要求。基于传统的制造工艺，优化的几何形状通常是不可能的，结果是设计者在性能和效率上痛苦折衷，某种意义上电动机的经典制造工艺达到了极限。而另一方面，随着增材制造 (AM) 技术日趋成熟。尽管目前与传统生产方法相比速度较慢且可靠性较低，但增材制造系统在生产具有非常规拓扑优化（TO-Topology Optimization) 结构或小批量的零件时会大放异彩，这为电机的制造开辟了另外一条曲径通幽之路。
在增材制造电机方面，与无数其他研究团体一样，当前世界上的电机 (EM-electric motor) 研发团队已将大量精力转移到将 AM-增材制造 系统集成到 电机 生产周期中，以实施更强大、更高效的拓扑优化下一代电机。根据研究结果，3D打印-增材制造电机（EM）似乎只是时间问题。预测在未来几年内原型拓扑优化电机组件的3D打印将急剧增加，最有可能集中在3D打印机器绕组、热交换器和同步转子上。
在接下来的3D打印+拓扑优化=下一代电机这一主题系列文章中，3D科学谷将与谷友聚焦3D打印电机的当前应用与研究进展，本期谷.专栏聚焦话题为：电机的增材制造。
驱动电机零件与材料组成
© 3D科学谷
根据3D科学谷的市场了解，在3D打印电机的应用中，当前AM增材制造纯铜的成熟度最高，显示出与其他方式制造高纯度铜相当的特性。
走向成熟的铜的3D打印
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相比之下，当前AM增材制造永磁体的技术还处于不成熟的阶段：主要的局限性体现在功率密度低且磁化能力有限。目前3D打印软磁钢的技术成熟度介于前两者之间：一方面表现出与传统无取向钢相当的直流磁性，但另一方面——在交流应用中存在高涡流损耗。
1.1 电机
电机是现代社会传动系统的主力，电机有不同的型号和应用场景，几乎遍布于所有传统系统：从日常使用的小型（mW 或 W 规模）或中型家用机器（kW 规模），到用于更专业的工业、推进或发电目的的大型机器（MW 规模）。
电机
© 维基百科
其中，根据3D科学谷的了解，新能源汽车所用电机包括直流电机、感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。当前永磁同步电机系统正在成为新能源汽车的电机主流，这类电机具有高功率密度，宽调速范围等优势，未来新能源汽车用驱动用电机系统朝着永磁化、数字化和集成化的方向发展。
特斯拉电机解析
而电机不仅是新能源汽车驱动的“心脏”，通过机电转换，几乎可以产生地球上所有的电力。
拿欧盟来说，在 2019 年，太阳能仅占总发电量的 4.4%，所有其他能源都涉及机电转换（核能、风能、水力、地热和热电厂）。用于工业应用的电动机使用的能源占全球生产的总能源的 40% 以上：粗略估计安装了 50 亿个工业电动机，并且每年以 15% 的速度增长。
电机的应用市场
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由于电机被大量使用，庞大的电机研发团体正在不断地进一步开发电机 设计：这种研发受特定应用要求、技术进步或政治指令的驱动。拿欧盟来说，目前签署的欧盟指令规定，从 2021 年 7 月开始，所有标称功率为 0.75 至 1000 kW 的电动机必须达到 IE3 或更高的效率等级。构建满足这些新标准的电机 是一项具有挑战性的任务，因为机器效率增加 2%，从 92% 提高到 94%，这意味着机器能量损失会进一步降低 25%。
领先的五大电机（含3D打印技术）
可以说，新材料的开发及其通过下一代生产方法进行的工业集成对电机的整体性能产生了最显着的影响。材料定义了机器的实际限制，而其他研究领域（控制、设计、优化）——允许微调机器性能及其针对特定应用的实施。
越来越可靠的绝缘材料、更有效的电导体和磁导体、新的永磁合金以及具有成本效益的制造和加工方法，这些因素的配合使最终消费者可以获得更强大和更复杂的机器设计。
不幸的是，在电机材料方面还没有取得重大突，当前的材料表现出有限的电磁特性：磁性材料的饱和磁通密度和绕组材料的电导率在过去一个世纪中一直保持不变，有幸的是，在新型3D打印-增材制造方法中已经提出了解决电机发展停滞的可能解决方案。AM-增材制造可以从一个新的角度创造新的电机设计，尤其是将拓扑优化应用到电机的零件设计上。
拓扑优化及点阵建模软件
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1.2.电机的增材制造
结构部件的金属增材制造已经成熟，并被广泛用于生产高性能金属部件。目前，增材制造的单件成本仍然较高，例如，保时捷推出了其第一个完整的电气驱动外壳，新设计在重应力区域拥有两倍的机械强度，而重量仅为传统生的外壳重量的 60%。根据3D科学谷的《洞察保时捷3D打印驱动器外壳的产品生命周期逻辑》，3D打印-增材制造的所有优点都在这个发动机罩上得到了体现，点阵结构拓扑优化实现了减重，冷却流道也实现了功能集成，同时还省去了零部件的装配时间，且相比传统工艺生产的零件而言，该发动机罩的刚度也得到了提升，零件质量得到了提高。
根据3D科学谷，当然保时捷将3D打印电力驱动器外壳扩展到批量化的应用还需要克服一系列的难题，其中包括：通过信息管理系统来管理增材制造数据流；工艺可重复性、零件到零件的可重复性；成熟的认证和质量检测方法。可以说任何一个零件，要实现从0到1的3D打印，再实现从1到n的产业化生产，都需要经历一个不断突破的过程。
增材制造允许前所未有的设计自由度，也是促进电机设计的进一步发展的主要推动因素。传统上，电机由堆叠的薄层叠片构成：在提供减少涡流损耗的有效手段的同时，将实际的机器拓扑限制为相对简单的轴对称设计。这主要是由于在实现具有成本效益的机械芯组装和最终堆叠的机械完整性方面的实际考虑。
根据3D科学谷的市场了解，2021年5月，由福特、蒂森克虏伯、亚琛工业大学组成的工业联盟开始一项研究项目，以开发下一代电动汽车的灵活、可持续的生产工艺。
福特将与蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院（ACAM亚琛增材制造中心研发成员）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。新的电动机研究中心位于福特在科隆-尼尔的工厂。
根据3D科学谷，AM增材制造将在电机的设计中引入了全新的设计规则，因为增材制造的成本与批量大小以及产品设计的复杂性并不相关。这意味着电机的电磁和热优化有更多机会：因为磁通路径和导体可以根据设计要求进行三维形状，并且设计中集成了更有效的无源或有源热交换器。
电机绕组的增材制造
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值得注意的是，除了直接采取3D打印技术来制造电机零件，还可以采取3D打印铸造模具+铸造的方式来发挥3D打印成就更复杂设计的价值，在这方面，位于苏州的voxeljet-维捷与其合作伙伴可以提供电机从研发铸件到大批量生产的全套解决方案。通过基于3D打印的快速成型技术，可以提供最快3天实现从概念到铸件的交付。
根据3D科学谷，3D砂型打印的优点是能够设计高度复杂的零件，而无需从头准备昂贵的模具。另外，随着增材制造提供了独特的设计可能性，全新的设计应运而生。而对于3D打印的砂型应用来说，增材制造允许最终用户在制造生产模具之前彻底检查并广泛测试新设计的组件，这样可以节省大量的前期开模的时间和金钱。
3D打印电机砂型模具
© voxeljet
新兴的电机增材制造领域起源于 2013-2015 年，在机电系统的 3D 打印方面进行了首次实验和讨论，第一个金属增材制造的电机部件（同步转子）于 2016 年推出 。几年后（2018-2019）开始出现关于 AM 增材制造电机可行性的概述。
3D 打印电机的主要挑战与3D打印设备系统的当前限制和生产电机的技术要求有关。3D打印的电机零部件必须满足严格的公差要求，涉及电机的材料是用于绕组的导电抗磁材料，软铁磁材料等。
1.3.材料与进展
当前增材制造电磁材料包括软磁材料（磁通传导）、硬磁材料（磁通增强）和导电材料（磁通的产生），这些都与磁路有关。为了使增材制造材料成为电机结构的主流技术，3D打印材料必须至少具有与其商业应用相同或优越的性能。
© Elsevier
迄今为止，电机的研发使用最广泛的增材制造方法是激光粉末床熔化金属3D打印技术 (L-PBF)。这并不令人惊讶，因为当前L-PBF的技术与商业成熟度高。
金属3D打印技术成熟度
© AMPOWER
对于电机领域的AM增材制造导电材料，首选的研究材料是高纯度铜，这并不奇怪，因为铜导体是我们几乎可以在每个行业中遇到的黄金标准。此外，一些铝合金（主要是 AlSi10Mg）和铜合金（CuCrZr、CuNiSi、Cu10Zn、CuCr、CuSn0.3）也被应用于研究中，不过合金的代价是导电率稍低。
铜的3D打印难点
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钕基合金是研究最多的3D打印硬磁材料，NdFeB 基永磁合金 (PM) 备受关注，这可能是由于其高磁晶各向异性和镧系元素原子（例如 Sm、Nd）的异常高磁矩。这意味着即使在磁体中硬磁相的填充因子相对较低的情况下，也可以实现更高的功率密度。当然还有其他常见的硬磁材料，包括3D打印AlNiCo 和 SmCo 等研究。
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