中/EN
中/EN
MTC的两名员工与布里斯托尔大学的一名讲师正在讨论各自在电气化方面的研究成果，他们所代表的组织并不在一起工作，至少现在还没有，其中两人甚至从未见过面。
受访者为MTC高级研究工程师Dan Walton、增材制造技术经理Hoda Amel和布里斯托尔大学电气工程高级讲师Nick Simpson，这两个组织也正在确定未来合作方式。多年来，他们一直独立探索增材制造技术如何改善电机和零件性能，在急需一个更有效电源被应用于各领域的时代，合作变得越发重要，双方正探索如何走到一起，汇集各自专业知识，深入研发，并最终将解决方案应用于工业。
“Nick在电气化方面具有惊人学术背景。”Walton 说道，“从2015年开始研究该问题，Nick的设计非常出色，但英国供应链在这方面相当有限。这很好的说明了Nick是如何使电气化增材制造技术成熟，并最终将其推向工业化，而这正适合MTC。MTC能让大规模生产的原始设备制造商对Nick的产品感兴趣，并开始改进机器，考虑采用Nick的产品。”
Nick一直在研究一套设计证明增材制造如何提高电机绕组性能。在电机绕组设计过程中，设计者通常密切关注磁和电载荷，它们共同创造扭矩、零件结构，并影响电机有效效率及其有效热性能，从而减轻交流损耗。去年，Simpson撰写了一篇论文，证明使用直接金属激光烧结技术生产电机绕组零件时，连续输出能力提高20%。此外，在运行扭矩-转速范围内的瞬时操作，也有显著性能改善，使该论文得出结论，增材制造及其拓扑优化能力在提高电机具体输出方面有巨大前景。
Simpson解释道：“如果在一个几乎完全由铜填充的矩形绕组槽，有效热性能非常高。如果用50%铜和50%绝缘材料，有效热性能就会变低，因此需要不断在产生的损耗和绕组的有效热性能之间保持平衡。现在，通过增材制造，可以选择一种特殊的损耗缓解策略，作为空间函数所创建的绕组拓扑结构。在最靠近转子的槽前面，会有更多交流损耗，因此，我们开发的设计工具允许使用与槽后面不同的绕组配置，改变拓扑并充分利用增材制造的几何自由度，这是传统工具不允许做的。”
Simpson等人做这项工作的意义在于，先进推进中心和航空航天技术公司等都要求电力系统在重量、可靠性、可维护性和效率方面取得重大进展。其中一个需求是提高电力系统功率密度，目标到2035年实现25千瓦/公斤，而现在只有2-5千瓦/公斤。
异形电机绕组CuCrZr。
为提高电机功率密度，需减少热量损失，提高提取热量的能力和电气绝缘材料的温度等级。Simpson建议，通过3D打印绕组，而不是以传统制造方法，可以实现不同的电气绝缘涂层，以提供更高的温度生存能力。同时，利用增材制造的几何自由度，冷却特性也可以集成到目前仅起结构作用而非功能作用的绕组零件中。
Simpson表示：“电机的末端绕组基本是浪费的，但它们必须存在，以保证继续电路。因此是否可以利用其通过延伸表面和创建散热结构来引入散热片，或直接将液体冷却纳入绕组，从而直接提取热量?”
Simpson并不是唯一一个在探索增材制造，将冷却能力集成到电子元件。在MTC, Amel和她的团队一直致力于为一个功率密集的电机外壳增材制造。利用粉末床熔融工艺使用高强度A20X铝合金，开发带有液体冷却通道的外壳，使电机在不过热的情况下产生更多功率，同时将尺寸和重量分别减少30%和10%。
A20X合金材料遵循MTC 2021-2022增材制造规划路线进行探索，其中高导电性铝与铜在增材制造技术中成熟度评估被列为电机开发工作中的重点。
“将重点放于比较增材制造技术中高导电性铝与铜的评估是因为与铜相比，铝重量更轻，是一种更可持续的导电材料。”Amel表示，“因此首选考察是否能从铝中获得与铜类似的导电性能。”
以铜作为金属3D打印材料是Simpson等人在这个研究领域起步时面临的巨大挑战之一。早在2015年，当铜还不是市场上可用的金属3D打印材料时，Simpson会因其替代金属材料性能只有铜的一半而感到沮丧。即使在近期，随着一系列3D打印设备品牌支持铜材料，英国产能就布里斯托尔大学而言也并不容易获得，他们通常将3D打印模型需求外包给汽车和航空领域的行业合作伙伴。不过近期，MTC订购了一台能加工铜的增材制造机器。这台机器将主要用于欧洲航天局项目，并支持其他研究工作。
Walton总结道：“将增材制造应用于电气化是一个巨大机遇。也许还需要几年时间，但我们应该开始把Nick和其他学术机构所做研究带到工业中，并开始看到在航空航天或高端汽车产品方面的一些变化。”
Simpson补充说：“这是涓涓细流般的技术。提高功率密度所需的三件事可以通过增材制造实现。因此，使用这些技术在性能改进方面可能出现阶梯式的进步，但要达到这个目标还有很长的路要走。希望在2035年取得重大进展。”
TCT亚洲展公众号