【洞悉】传统+增材制造用于电力牵引驱动发夹式纯铜绕组头

|3DScienceValley· 2024/08/20

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在汽车领域，发夹技术是一种用于制造电机定子绕组的技术。这种技术通过使用形状像发夹的薄铜条来提高电机的功率密度和效率。然而，传统的发夹定子生产方式存在一些限制，比如需要高度复杂的生产机器和工具，以及在生产不同产品变体时的灵活性较低。

增材制造技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，提供了一种新的解决方案。这种技术允许直接在传统铜导体上打印发夹绕组，从而实现复杂的3D几何形状的无工具生产。这不仅可以减少对生产机器和工具的投资，还可以提高生产过程中的灵活性。

▲ 混合增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

突破

此前，根据《亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”在科隆与福特合作开设电动机研究基地》一文，福特与亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”(PEM) 系，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HaiPiPro²，指的是发夹技术，研究目标是开发灵活的制造发夹技术及生产概念。

通过亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”（PEM）系与福特在科隆的福特工厂合作的1,000 平方米的电动机研究场地，“HaPiPro2”项目中的众多知名工业合作伙伴一起对电动机的生产进行研究，通过科隆的福特工厂内的一条原型演示线，对电动机组件的不同变体进行性能和效率测试，这些测试数据对于延伸到生产领域的应用至关重要，最终推动福特德国的生产基地发展。

传统+增材制造

HaiPiPro²项目在电动机制造领域取得了一些创新性的进展。使用3D打印技术直接将铜绕组头打印到发夹定子上，不仅减少了传统制造过程中的多个步骤，还降低了成本和提高了生产效率。L-PBF技术的应用为电动机的制造带来了革命性的变化。

自动化设计配置器的使用进一步提高了设计的灵活性和生产效率，因为可以快速生成符合各种生产约束和边界条件的3D设计。这种技术的应用不仅加快了设计到生产的转换过程，还提高了对不同导线和定子配置的适应性。

发夹式技术在电力牵引机定子铜绕组中的使用，因其在产品方面的优势而受到许多原始设备制造商（OEM）和供应商的青睐。这种技术通过使用矩形导线横截面来增加铜填充系数，从而提高电机的性能和效率。与传统的圆线绕制定子相比，发夹式定子的生产过程具有更高的确定性。

传统的发夹式定子的生产过程包括12-15个单独的工艺步骤，这些步骤涉及从扁平铜线制成发夹形状，组装到定子叠片堆中，通过扭转工艺将发夹端部带到适当位置，进行接触过程和焊接，以及绝缘和树脂浸渍等。整个过程需要大量的机器和设备投资，从300万欧元到1000万欧元不等，具体取决于生产规模和自动化水平。

▲ 传统制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

尽管发夹式定子生产具有高效率，但其生产工艺链对不同导线和定子变体的灵活性较低。由于尺寸和几何形状的限制，以及生产过程中使用的工具，通常只能生产有限的定子产品变体。随着新电机和定子代代产品的开发周期越来越短，以及导线和定子叠片堆尺寸的变化，提高生产灵活性的需求日益增长，这通常需要对工具和生产线进行进一步投资。

根据《导电材料的增材制造及全篇总结 l 3D打印+拓扑优化=下一代电机》一文，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。

HaiPiPro²项目研究了变体灵活的产品和生产概念，增材制造（AM）技术，特别是粉末床激光熔融（L-PBF）技术，被视为一种潜在的技术替代方案。这种技术可以提供直接制造电铜导体的可能性，并通过算法设计等创新方法制造复杂三维结构的潜力，来减少电磁损耗或改善热管理。

项目组研究探讨了粉末床激光熔融（L-PBF）技术是否能够替代发夹定子生产中的传统工艺步骤，并通过无工具生产提高变形灵活性。研究的重点是使用纯铜材料直接在传统导体上打印发夹定子的整个绕组头，特别是扭转侧的绕组头。这种方法有望减少生产成本，提高生产效率，并增加对不同产品变体的适应性。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

通过这种创新的增材制造方法，可以期待在未来的电机制造中实现更高的灵活性和更低的生产成本，同时保持或提高电机的性能。

整合

为了在正在实施的生产工艺链整合了增材制造技术，了解到在保持现有生产流程稳定的同时寻求创新和改进，以逐步替代传统的电动机绕组头制造步骤，项目组使用粉末床激光熔融（L-PBF）技术在扭绞侧制造整个绕组头，通过增材制造，可以设计更复杂的绕组结构，同时减少材料浪费和生产时间。

▲ 传统+增材制造电机发夹
© 亚琛工业大学DAP研究所

了解到HaiPiPro²项目的一系列亮点：

设计：利用Rhinoceros3D®和Grasshopper®软件，实现了一个自动化的设计生成系统，该系统可以根据定义的边界条件和输入参数自动生成三维设计。
设计算法与配置器：设计人员通过实施设计算法，而不是直接建模，这些算法组合成一个整体的设计配置器，用于快速迭代和生成不同的产品变体。
逻辑运算：输入数据，生成满足粉末床激光熔融（L-PBF）工艺要求的加工参数数据。
边界条件和设计限制：在设计过程中，需要考虑内径、外径、最小间距、悬垂角等边界条件，以及增材制造工艺的设计指南。
绕组头高度与电磁损耗：设计时需要平衡绕组头的高度与电磁损耗，以实现低损耗的目标。
关键几何点 (KGP)：首先计算绕组头区域中单个发夹的关键几何点，同时考虑边界条件和设计限制。
极性阵列函数：根据所需的发夹数量，使用极性阵列函数复制单个发夹设计。
3D打印准备：将传统定子部件插入系统并对齐，附加支撑元件以保护绕组头并防止移位。
构建平台的调整：调整构建平台，确保发夹线圈的端面与粉末涂层平面或光学焦平面齐平。
粉末填充与曝光：填充粉末并对导体端部的位置进行目标/实际比较，使用低功率曝光和高分辨率同轴相机对准激光束。
打印数据的处理：通过处理数据减少或避免传统定子和额外生产的绕组头之间的偏差。

在这项研究中，研究人员面临了混合过程中的对齐问题，以及如何设计自动化方法来重新设计绕组头以适应限制和边界条件的挑战。通过将增材制造技术集成到发夹式定子的生产中，可以替代一些传统的工艺步骤、机器和工具，从而降低成本和提高生产效率。

此外，利用增材制造的设计潜力，可以进一步降低绕组头的高度，这有助于减少电机的损耗并节省铜材料的使用。这种方法已经在汽车行业的发夹式定子上进行了验证，并与传统生产的发夹式定子进行了比较，以评估混合定子的性能。

与传统绕组头相比，增材制造的绕组头可以减少轴向长度，降低电磁损耗，提高电机效率。可以看出PBF-LB/M工艺在特定应用场景下具有明显的优势，尤其是在需要高度定制化和小批量生产的情况下。同时，这种工艺也为电动机设计和制造领域带来了新的创新机会。

技术挑战包括增材制造的绕组头表面粗糙度较高，可能影响绝缘层的封装质量，需要额外的测试以确保绝缘层的可靠性。后续考虑对增材制造的绕组头表面进行后处理，如化学蚀刻，以提高表面质量。目前传统+粉末床激光熔融（L-PBF）技术在提高生产灵活性和降低设备投资成本方面具有优势，但生产率相对较低。进一步的研究将集中在提高设计配置器的自动化程度，以及研究表面粗糙度对绝缘工艺的影响。

总的来说，这项研究展示了增材制造技术在汽车电机定子生产中的潜力，特别是在提高生产效率、降低成本和提高电机性能方面。通过进一步的研究和开发，这种技术有望在未来的汽车制造中发挥更大的作用。

参考资料：

https://link.springer.com/article/10.1007/s00501-023-01420-w?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20240109&utm_content=10.1007%2Fs00501-023-01420-w