【科技最前沿】一文带你读懂“3D打印与增材制造”引领电机设计新空间科技最前沿

发布时间：2020-12-25 13:29:34 作者：本站编辑来源：本站原创

我有话说 | |

电机的设计是一个多维的复杂的过程，应该同时考虑电磁、热、机械、电的问题。3D打印与增材制造的引入可以逐步为此类复杂性打开设计空间。

本推文的目的是研究3D打印与增材制造在电机领域的作用。研究的重点有两个方面：

1）研究增材制造方法可以取代传统方法的诀窍；

2）探讨增材制造在构建电机方面可能带来的变化和效果。这篇文章的结构安排如下：首先讨论了增材制造铁芯的方法。进而研究了增材制造的电线/线圈/绕组及其绝缘的可行性。

讨论了如何通过增材制造计算在构建永磁机并使其磁化的新技术。同时讲述了由增材制造实现的先进热管理设计。最后是本文的结论。由于本次探讨的东西比较广泛，本次分上下两个部分和大家一起探讨。

面向增材制造的电机机遇与挑战

增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。近二十年来，3D打印与增材制造技术取得了快速的发展，“快速原型制造（Rapid Prototyping）”、“三维打印(3D Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，加热材料使之结合、直接制造零件的方法，称为高能束流快速制造，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。在航空航天工业的增材制造技术领域，金属、非金属或金属基复合材料的高能束流快速制造是当前发展最快的研究方向。如3D打印可以实现打印用户所设定的期望性能的多材料。这就意味着，可以通过单一部件，实现硬度、耐蚀性和环境适应性等在最需要呈现这一性能的区域呈现出来。这一工艺可以使得采用制造的多功能部件采用传统工艺不可能制造出来，也不可能采用单一材料制造出来。

随着人们对电气化的兴趣越来越大，并且混合动力和纯电动动力系统被更多的应用，电机设计面临着更苛刻性能指标的挑战，例如，高功率密度的要求和恶劣的环境考核因素。这为探索先进材料对电机性能的影响提供了明确的动力。本文概述了可用于构造电机的增材制造方法（“AM”），特别关注增材制造的铁芯、绕组、绝缘和永磁体，以及冷却系统。本文对多种多材料增材制造方法进行了详细的比较，展示了完全通过增材制造技术构建电机的可能性，而且还展示了其机械、电磁和热性能的潜在重大改进。

关键字—增材制造（AM），电机，永磁体电机，热管理，三维（3-D）打印

何谓“增材制造（AM）

增材制造（AM）是指通过沉积材料将三维（3-D）部件层层堆积起来，由于它能够制造出用传统方法很难或不可能制造的复杂零件，因此在更多应用领域获得采用。增材制造方法的主要类别包括以下三种：

图 1 增材制造制造方法

1）熔丝制造（FFF）/熔融沉积建模（FDM）：使用热塑材料的挤压方法。

2）立体光刻（SLA）：使用液体的光聚合方法。

3）选择性激光烧结/熔融（SLS / SLM）：使用金属粉末的粉末床熔融方法。

增材制造

尽管由于制造率低（0.01-1公斤/小时）和成本高（0.1-10美元/克），目前增材制造技术只用于小批量生产，但可以预见，基于其在材料供应和工艺质量方面的快速增长，其应用的深度和范围将成倍扩大。在过去的几年里，增材制造技术领域在以下两个方面取得了很大的进展。

材料

a）增加可以用增材制造的材料数量；b）复杂的结构可以用多种材料叠加制造，以减轻其重量；c）材料性能的可控性。

图 2 多材料打印示意图及实物图

工艺流程

a）除三种主要方法以外（挤出，光聚合和动力床熔融），研发了新型的制造技术；

b）每种方法的层厚更薄且分辨率更高。

表1对上述三种AM方法进行了简要比较。FFF/FDM和SLA可用于构建绝缘组件，而SLS/SLM通常用于制造导电零件。3-D打印机的价格从FFF/FDM、SLA到SLS/SLM不断攀升，而最大构建面积却在下降。在这三种方法中，SLA的准确性和生产率最高。应该注意的是，价格和准确性随着AM技术的发展而不断变化。

表1 AM三种主要方法的特征

电机增材制造技术

静电机

由塑料（定子，转子）和镍（镙丝销）制成的静电机中，用了光刻（SLA）3-D打印、铸造和注塑成型技术。与传统制造相比，SLA成功地解决了定子和转子的几何复杂性，从而降低了制造过程中所需要的成本和时间。为了降低成本和重量，仅选择在表面镀镍。但是，这种充液式静电机只适用于低速直驱应用。在制造主流电磁旋转机中，AM的潜力还没有得到最大限度的发挥。

非常规电机中的AM组件

非常规电机是指结构异常复杂的电机，如磁通调制机、横向磁通机和爪极机。这些机器要么具有复杂的机械结构，要么具有复杂的磁通路径。例如，通过3-D打印（SLM）构建了带有腔的铁磁通量调制环，可以降低铁损。还要报道指出，通过3-D打印（FFF/FAM）塑料定子箱，可用于固定两相横向磁通机的定子U型芯。

对于常规的电机，即径向磁通的电机，已经讨论了AM技术可以制造电机的不同组件，包括转子铁芯、定子铁芯、铜绕组。此外，也有文章讨论了更多用于电动飞机（MEA）上的AM电机，主要包括以下内容：

1）软磁材料的可用性和性能，如Co-Fe和6.5%Si钢。

2）AM开辟了拓扑优化的设计空间，制造限制少。因此，可以实现更高的电机性能。

3）其他潜在的好处包括连续的斜槽转子，非常规的磁通屏障设计，磁特性的控制。

4）转子铁芯：通过数值建模，研究了通过激光束熔化（LBM；层厚度：100μm；材料：M15钢）制成的内置式的永磁同步机，转子铁芯的机械性能和可靠性都会强于一般的永磁电机。

在制造同步磁阻机的多层转子铁芯时，AM也显示出其价值。一方面，AM可以同时制造转子的磁性和非磁性部件，以提高机械强度。另一方面，还可以支持复杂形状腔体的制造，从而在几乎没有制造约束的情况下实现真正的几何优化。

有论文已经报道了在SLM（机器型号：SLM125HL）中采用Fe-Co粉末（<63μm）。用上述材料和方法制造了一种优化的具有复杂腔体的磁阻机（6S/4P）转子，如图1所示，饱和磁感应强度可达到2.3T。

芬兰VTT技术研究中心研制的基于SLM的复杂腔体和高饱和磁通密度的开关磁阻电机Fe-Co转子

铜绕组

还有报道讨论了三维丝网印刷在开拓机械设计制造设计空间的可能性。并提到可以获得更高的可达到的扭矩密度、更高的工作温度、更高的效率、更小且更专用的电机设计。重点放在绕组设计上，主要观点包括3点：1）三相永磁机的丝网印刷气隙绕组；2）耐温材料，如陶瓷（粉末状）取代普通漆膜（搪瓷、合成树脂、蜡纸、聚合物等），以达到更高的工作温度；3）导线横截面的灵活性，可产生更高的槽填充系数以及更好的热性能（散热率高达200 W/mk）。

联合技术研究中心还推动了增材制造技术在大功率汽车牵引感应机的设计和制造中的应用。并进行了热分析和应力分析，以证明增材制造技术（强制风冷时为8 A/mm2；液体冷却时为> 20 A/mm2）对热性能的改善。此外，还研究了定制化的端部绕组几何形状，以减少端部绕组长度（减少50%）、体积和质量。同样，增材制造技术是实现此改进的关键技术。

另外，电动机的效率的提升重点就是铜绕组。德国公司Additive Drives处于这项创新的最前沿。在一个从事了十多年增材制造和电动机开发的工程师和科学家团队的带领下，Additive Drives将交通与汽车、工业和赛车领域的市场经验与专业知识相结合。提出了比较先进的解决方案。

其中之一涉及到与弗莱堡大学的Racetech Racing Team eV合作。在这种情况下（如上图左所示），在赛车发动机上使用了3D打印的单个线圈来获得最大的铜填充系数，这要归功于几何形状完美匹配的线圈。此处，从绕组到冲片铁芯的强制热传递可防止热点形成，因为可变的导体厚度可减小电流位移，从而获得最佳性能。在另一个项目中（如上图右显示），铜制3D打印发夹式绕组将一台电力牵引电动机原型的开发和生产所需时间减少到一个月。发夹式绕组是电动机领域中的一项新技术。扁线铜棒代替了绕制铜线。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。得益于极快的原型实现，Additive Drives可以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。几何设计和材料参数与传统制造是一致的，这为有意义的原型设计甚至未来的直接生产创造了条件。Additive Drives通过模块化驱动系统，为电动自行车制造商Binova实现了直接批量生产。Additive Drives使用3D打印的单个线圈（如下图所示）帮助Binova生产具有非常规电动机设计的电动自行车。为了实现产品个性化，批量达到1的电机通过调整匝数引入了完美的协调转矩行为。这反过来又促进了不同类型的电动自行车的发展：电动脚踏车、载货自行车、手动自行车，具有最大的灵活性，并且无需进行工具的调整。

铁芯

如今，非晶粒硅钢冲片广泛用于制造电机的铁芯，相比之下，增材制造的铁芯的潜在优点包括以下方面：

1）AM允许混合不同类型的金属粉末，这有助于以简单的方式制造合金，如Co-Fe。

2）铁芯可以由塑料和铁磁材料制成，这样可以大大降低成本/重量。

3）复杂的铁芯结构/设计可以通过增材制造技术实现，例如，连续斜槽，复杂的磁通路径和复杂的冷却通道。

4）可以有目的地控制材料微结构，引入所需的磁化方向。

片材层压3-D打印

可以采用以叠层物体制造（LOM）为基础的片材层压3-D打印来构建叠层铁芯。根据LOM的开创者Helisys公司介绍，纸、铜、钢板都可以用来进行打印。

图2显示了片材层压3-D打印的一些基本原理，主要的加工步骤如下：

1）将片状材料放置在切割床上并固定好。

2）使用热粘合涂层，通过施加压力和热量来粘合材料，该涂层可以在各层之间提供绝缘。

3）通过二氧化碳激光从薄板上切下每一层所需的形状。

图2 片材层压3D打印

LOM的优点是成本低，不需要后处理和支撑结构，在加工过程中不会发生变形或相变，并且可以制造大型零件。在构建电机铁芯方面，片材层压3-D打印的关注点包括以下几点：1）在材料利用率方面，3-D打印工艺等同于冷轧硅钢板的常规加工。2）没有规定最小的胶粘剂厚度，这对减少铁损以及堆积系数控制很重要。3）目前，受到铜和可用不锈钢类型的限制，给电机设计的选择也带来了局限。

软磁复合材料

有人提出了软磁复合材料（SMC）及相应的金属粉末加工，可用于构建结构复杂、具有三维磁通路径的电机铁芯。与传统的硅钢片及相应的冲孔、堆焊、铆接、焊接等工艺相比，基于SMC的铁芯的魅力在于：

1）降低了三维磁化方向上的涡流损耗，因为它的磁力各向同性的特性以及铁颗粒的涂层，这是各种电机拓扑结构所需要的，如横向磁通机、爪极永磁机和轴向磁通机等。

2）由于非常高的比电阻率，在高于500Hz电频率下，可获得更低的铁芯损耗。

3）利用成熟的粉末金属加工技术，可以制造出结构复杂的网状低成本零件。

4）采用压制、固化等材料加工方式，不会因制造工艺而导致磁性能/机械性能下降。

虽然SMC的机械强度和磁导率低于层压硅钢片，但经过多年的努力研发，基于SMC的制造和应用有了飞跃性的发展。

图3 Hoganas生产的带有SMC铁芯的轴向磁通永磁机

Hoganas公司开发了一系列电磁应用的SMC材料。在600-800MPa下，热处理温度为650°C时，抗张强度/屈服强度可达到15-25MPa。图3是Hoganas生产的带有SMC铁芯的轴向磁通永磁机。另外，人们一直在努力改善SMC的磁性能，特别是饱和磁化强度和磁导率。

实心铁心

如果涡流损耗较低或着转子的机械完整性很重要（尤其是在一些高速SPM转子中），那么可以通过LBM逐层建立实心铁芯，允许混合使用不同类型的金属粉末，如钴铁（Co-Fe，高饱和磁化）和镍铁（Ni-Fe，低铁损）。像其他AM零件一样，与传统的硅钢冲片相比，具有重量轻、结构复杂等优势。

然而，由于各层之间的粘结性是基于先前各层的重熔，所以成品合金在微观上是不对称且不均匀的。当在铁芯上施加剪切应力时，这涉及铁芯的机械强度和可靠性。采用简化的三维有限元分析方法，研究了增材制造转子铁芯的不均匀性和异质性的影响。研究表明，随着角速度的增加，与叠层芯材相比，粘结界面更容易受到损伤。

除机械性能外，与传统材料相比，可以潜在地改善增材制造材料的磁性能。有研究表明，通过SLM工艺可以在各向异性不锈钢中创造出晶体结构。可以通过激光器的功率和扫描路径有目的地控制晶体结构。使用SLM制造出完全致密的晶粒取向高硅钢形状。研究发现，通过增加激光束的能量，沿着构建方向的纤维组织可以改变为立方体组织。此外，还探索了退火，以进一步改善微观结构和磁性能。越来越多的证据和对这一领域的理解正在导致基于LBM的铁芯的广泛使用。

另一个重要因素是，目前LBM的分辨率还不足以构建高精度的铁芯。通常情况下，层厚可以低至0.02-0.038毫米，而x/y平面分辨率为0.3-0.4毫米。相比之下，激光切割机的分辨率可以达到0.025毫米甚至更低，典型的表面光洁度为0.003-0.006毫米。在LBM机床开发出高精度定位之前，这种权衡将一直存在。

铁磁螺旋或螺旋

有文献指出，铁磁螺旋（用于径向通流机）或螺旋（用于轴向通流机）形状可以通过LBM与铁磁材料颗粒形成。然后，通过喷涂、浸泡涂层或真空浸渍等方式在表面涂上绝缘材料。最后，将铁磁螺旋或螺旋压缩，形成最终的叠层铁芯。图4显示了涂覆和压缩的处理过程。

图4 基于LBM的铁磁螺旋的铁芯的AM：

（a）涂覆，（b）压缩。

这种方法的优点、主要特点及局限性包括以下几点：

1）由于所有的层压板都是相互连接的，所以可以减少甚至不需要层压板的夹持或连接。

2）它还可以使冷却通道、结构部件和其他构造特征同时进行集成和构建。

3）薄层上的绝缘厚度大约为10μm，20μm或更小。可获得的叠压系数约为97％或98％。

4）仍然需要进行后处理，包括涂覆和压缩。

E. 对比与讨论

表2 不同铁芯制造方法的比较

表2提供了本节讨论的四种不同制造方法在关键机械和电磁特性方面的简要比较。具体的材料有传统硅钢片以及SMC，而对于LOM基叠层铁芯以及SLM基实心铁芯的资料很少，仍需进一步研究和开发，现将主要观点总结如下：

1）对于二维磁通路径设计，由于其最佳的电磁性能，首选传统的硅钢片。

2）基于LOM的方法可以看作是传统叠层法和AM的结合，可以实现具有2D磁通路径的简单3D结构。

3）基于SMC的方法对于三维通量路径以及复杂的三维结构都是首选，尽管在机械强度和电磁性能上有所牺牲。

4）基于SLM的方法具有最高的机械强度以及热导率，但仅适用于涡流损耗没有重大影响的有限应用。

5）从材料的利用率来看，基于SMC的方法和基于SLM的方法是较好的选择。

虽然可以实现高密度（>99%）和低孔隙率（<1%），但是由于制造过程中的热流不均匀，因此增材制造的金属部件通常具有微观结构的各向异性。对于软磁材料，应在后处理过程中进行热处理（例如退火），以实现更均匀的晶粒结构。因此，可以大大提高增材制造的金属零件的导电性、磁性能和机械强度。此外，可以提高不饱和相对磁导率，同时可以减小磁滞回线面积。已经探索了具有不同温度和持续时间的详细热处理程序，以实现所需的磁性能和机械强度。有文章指出：在最终退火之前对Fe-Co-V软磁材料进行的低温预退火有助于改善磁性能并实现较大晶粒的均匀分布，各种SLM金属的疲劳性能也可以通过热处理来改善。

通常我们用三种方法可以改善增材制造的软磁材料的磁性能和铁损。

1）AM期间的最佳参数集，包括成型床温度，激光功率，扫描速度，方向等。这对于获得优化的合金成分至关重要。

2）使用狭缝、材料交替层或扫描模式来减少涡流损耗，这可以帮助限制软磁元件内部的涡流路径。

3）热处理，例如退火，可以帮助获得更均匀的晶粒结构。

表3总结了几种常用软磁材料的主要磁性能，以及获得这些性能的方法。通过扫描SLM电机的参数以及热处理工艺，可以获得最佳的磁导率、饱和磁通密度和最低的磁滞损耗。其中部分性能甚至可以与供应商提供的常规样品相媲美。

表3 增材制造的FE-CO、FE-SI和FE-NI软磁性材料的主要磁性能概述

绕组和绝缘系统

有一些AM工艺（研究层面上），直接将铜线集成在以聚合物为基础的AM工艺中，用于制造变压器线圈和电感传感器等。但是，将该技术用于制造电机定子槽内的线圈的尝试还很少。

光纤封装AM

光纤封装AM（FEAM）可以同时生产铜线和介质材料。图5显示了FEAM的概念，其中包括挤压可流动的介质材料和铺设纤维，这样就可以将纤维封装起来，形成双材料复合材料。

FEAM的优点包括：

1）将高导电线集成到电介质三维结构中；

2）不仅能够在零件表面，而且能够在零件内部按体积合并电线；

3）通过完全封装将电线与环境隔离；

4）有可能以简单的方式使用一台低成本的机器，以与标准的FDM相媲美的速度完成整个过程。

图5 FEAM概念

（a）FEAM喷头示意图；（b）热塑和铜线

用FEAM制造了变压器线圈、扬声器线圈、螺旋线圈，显示了将该工艺应用于电机线圈制造的潜力。

FEAM的主要挑战如下：

1）绝缘层的厚度应精确控制，以实现有效的绝缘以及较高的高的槽满率。到目前为止，在研究层面的成果中，几乎没有证据表明处理的准确性和一致性。

2）“纤维封装”本质上是FDM，而定子铁芯一般采用SLS或其他方法进行制造，这意味着将使用至少两种不同的工艺来实现定子电枢铁芯。

陶瓷粉基绝缘

由于陶瓷的熔点较高，通过传统的方法很难对其进行加工。相反，AM可以轻松制造多孔且致密的陶瓷形状。具体而言，可以通过以下AM技术来制造陶瓷体：

1）基于粉末和浆料的3-D打印和SLS；2）SLA；3）LOM；4）直接AM手段，例如直接墨写、 FFF/FDM等。

开姆尼茨理工大学的一个团队开发了完全增材制造的变压器和轴向磁通机的原型，其中陶瓷作为绝缘材料。如图6所示，铁芯，铜绕组和绝缘材料通过带有多个喷嘴的FFF制成。由于陶瓷的热稳定性突出，线圈可以承受300℃以上的高温。

图6 采用陶瓷绝缘的完全增材制造的变压器和轴向磁通机

（a）变压器；（b）轴向磁通机

下面总结了涉及最先进的增材制造陶瓷组件的挑战：

1）与广泛使用的AM金属相比，AM陶瓷仍未得到充分的发展，可用的粉末尺寸较少，粉末质量也较低，其分辨率仍不够好。

2）基于FDM的陶瓷体通常具有残留的微孔。对于与导热率以及局部放电有关的设计考虑，这会是一个重要的问题。

印刷电路绕组

印制电路绕组类似于印刷电路板，绕组是由不导电的基板印刷并封装的。这通常应用在无槽电机中。

ThinGap Motor Technologies设计并生产了多种无槽永磁无刷电机，其中的绕线电枢被精密加工的铜片取代。图7（a）是一个案例展示。其设计优点包括高导热性和高的铜填充系数。EmbedTec公司还制造了一个带有印刷电路绕组的轴向磁通永磁发电机，如图7（b）所示。

图7 印刷定子绕组的示例

（a）薄壁无铁电机；（b）AFPMA嵌入技术

一般来说，印制电路绕组可以预先设计线路，制造成本低。但是，印制电路绕组只适用于额定电流小的电机。

定制成型绕组和空心导体

1）定制成型绕组：AM为各种定制化的绕线设计打开了设计空间。如果没有AM，每个单独的设计都需要特殊的工具。

如图8所示，定子绕组的横截面是根据有限元分析中槽漏磁通路径的分布进行定制的。因此，可以解决众所周知的槽口附近绕组交流损耗大的问题。以往，此问题通常通过在铜排和插槽开口之间留有足够的空隙空间来解决，这就牺牲了槽满率。

图8 增材制造的异型绕组

（a）异型线圈；（b）定子组件

2）空心导体：对于高电压或高空应用，如航空航天的混合动力系统，绝缘厚度可能相当厚，这被认为是散热的主要挑战。与热管或冷却通道相结合的空心导体是此类应用的理想解决方案。

然而，在AM被引入这一领域之前，通过传统方法制造定制的空心导体可能是一个挑战。即使是AM，具有高导热性的纯铜也能反射激光束施加的热量。Trumpf公司最近展示了3-D打印的空心铜组件，它有可能被用于制造空心导体以及热交换器。这是通过使用绿色波长光谱的激光作为光束源实现的。图9所示为3-D打印的空心铜组件的部分样品。另一种很有前途的纯铜加工方法是选择性电子束熔炼（SEBM），需要精细处理才能获得致密且无裂纹的组件。与软磁材料相似，应对SLM，SLS或SEBM制造的铜或铝组件进行退火处理，以释放机械应力并提高其电导率。

图9 Trumpf公司生产的三维印刷铜组件

通过SLM技术使用铜粉打印出不同类型的热管、散热器、热交换器。在设计优化、复杂度以及功能上都可以期待巨大的发展。此外，热管有可能与绕组或转子铁芯集成，从而有效地改善电机的冷却能力。

表4对本节讨论的四种AM方法进行了简要比较。到目前为止，只有通过多喷嘴的FFF/FDM才能实现绕组和绝缘材料的同时加工。对于基于SLM/LBM的方法，仍然需要对印刷形状进行后处理（如涂覆和干燥），它使AM在简化方面的吸引力下降。在应用方面，现有文献中所讨论的所有示例都是针对额定功率相当低的小型变压器或电机，而在大功率电机上的应用还没有探讨。

表4 制造绕组和绝缘系统的不同方法的比较

磁铁和磁化

钕铁硼、铝镍钴和钐钴磁铁是高功率永磁同步电机的关键材料，应用非常广泛。上述永磁体的传统加工方法通常包括烧结、粘结、凝固铸造、热处理等，这降低了材料的利用率以及最终形状的性能。

相比之下，增材制造的永磁体可以显著减少加工量，实现复杂的几何形状，并最大限度地减少材料浪费。此外，AM还可以控制晶粒的纹理，以创造各向同性或各向异性的特性。因此，在不严重依赖稀土材料的情况下，可以实现更好的磁性能（高剩磁、矫顽力、温度稳定性等）。另一个潜在的好处是拥有复合磁体或不同类型磁体的混合。

基于SLM的磁铁

1）基于SLM的钕铁硼（NdFeB）：根据瑞士Baden-Daettwil的ABB公司研究中心的最近研究，密集网状的钕铁硼磁体可以通过SLM进行增材制造。为了避免严重的裂纹和孔隙形成，使用了一种具有球形形态的商粉末（MQP-S）。与传统的烧结磁体相比，印刷的Nd2Fe14B的晶粒尺寸更小，仅为1μm，因此具有良好的磁性。

研究还发现，激光参数，如激光速度和激光厚度，会对打印过程中可达到的最高能量产品产生重大影响。图10对三种制造方法进行了比较，即3D打印（SLM）、注塑磁铁（粘结）和火花等离子烧结。据称，基于SLM的NdFeB具有最高的能量，在20°C时峰值为45 kJ / m3（Hc = 695 KA/ m，Br = 0.59 T）。

图10 磁特性的比较

（a）BH曲线（第二象限）；（b）（BH）max与温度的关系

基于SLM的NdFeB的其他优点和问题总结如下：

1）可以获得复杂的磁体形状，使转子几何优化更加灵活，并为内部永磁电机打开了设计空间；2）增材制造的集成磁体和冷却通道可以潜在地减少对昂贵稀土材料（Dy）的热稳定性的依赖。

现在，NdFeB粉末的尺寸为35-100μm。可以预计，在不久的将来会有更小尺寸的粉末出现。美国宇航局格伦研究中心报道了纳米复合材料（<10nm）磁体，它很有希望进一步提高NdFeB磁体的磁性能。一旦这些材料能以粉末形式存在，便可以印刷大块磁铁。

2）基于SLM的Alnico：研究学者已经证明，可以使用高压气体雾化粉末和激光工程网成形系统（LENS）增材制造出网形Alnico磁体。增材制造的Alnico磁体的磁滞回线是正方形的，因此可以获得更高的剩磁和矫顽力。与烧结和铸造的Alnico磁体相比，LENS制成的Alnico磁体具有更高的矫顽力（高达2.03 kOe），剩磁（高达9 kG）和能量产品（高达6.0MGOe）。

基于FFF的磁铁

复合颗粒由各向同性的NdFeB粉末和聚酰胺（例如尼龙和环氧树脂）组成，可以混合、熔融并通过喷嘴以FFT形式构建所需的网状NdFeB。图11显示了制造NdFeB磁体一个例子。据橡树岭国家实验室和磁体应用公司介绍，其目标是回收利用废旧电脑硬盘驱动器中的NdFeB，并减少对进口材料的依赖。

图11 使用MQP各向同性粉末（65％）和Nylon-12（35％）的混合物制造网状粘结NdFeB磁体

材料测试结果表明，增材制造的粘结NdFeB磁体的磁性和机械性能与使用相同材料的注塑磁体相当。但是，磁性颗粒可能会从聚合物粘合剂中脱落，导致表面断裂。

Huber等人讨论了维也纳工业大学利用终端用户3D打印机增材制造的聚合物粘结NdFeB磁体。研究发现，与完全致密的NdFeB磁体相比，聚合物粘结磁体的密度损失了22%，剩磁损失了25%，矫顽力损失了4%。同时，由于使用聚合物，其工作温度也受到限制。然而，它可以通过混合挤压机以及改变作为印刷层函数的剩磁，来实现最佳的磁化强度。

冷喷涂AM

所谓的“冷喷涂增材制造”可以用来生产高密度的金属涂料，而不会出现热喷涂带来的问题。图12显示了冷喷头在圆筒内打印磁铁时的情况。加拿大国家研究委员会正在使用这种技术来制造磁铁。

1）在使用热敏材料的应用中，冷喷涂是有益的（在这种情况下，增材制造的磁体的特性可能与注塑或烧结磁体相似）。

2）冷喷涂产生的沉积物不含氧化物。

3）分辨率的光斑尺寸尚未给出，但根据最先进的冷喷涂技术，最小的光斑尺寸约为4.0毫米（2014年），比SLM制造的光斑尺寸大得多。

图12 使用冷喷涂AM制造的PM演示器

有研究团队还探讨了通过冷喷涂将SMC和PM沉积在转子上来构建永磁同步磁阻电动机的转子的可能性。由于具有更高的机械强度（抗拉强度为214 MPa），所提出的设计消除了转子中的桥接件和中心柱，因此非常适合高速，高功率因数的电机设计。

讨论与应用

需要注意的是，虽然上述案例研究中显示的AM磁体的潜在特性引起了人们的极大兴趣，但由于AM磁体和传统磁体之间没有进行全面的比较，因此还没有得出关于性能优点的可靠结论。

对于上述任何努力，网状磁体都需要通过外部脉冲场进行磁化。如果磁铁与其他部件一次性制作，也需要进行装配后的磁化，这在现有文献中还没有讨论过。

关于应用，建立了两个具有相同几何形状的直流电机原型。其中一个使用增材制造的70%NdFeB磁体，而另一个则采用传统的铁氧体磁体。带有3D打印磁体的直流电动机的反电动势斜率测量值为1.91 V / p.u，而铁氧体磁体直流电动机的反电动势斜率为2.07 V/p.u。有学者利用冷喷涂AM制造了一种复杂形状的转子，采用了NdFeB-Al复合材料和SMC粉末，因此完全不需要额外的装配步骤。永磁转子的磁性和机械强度验证了所提出方法的可行性。

先进的热管理

热管理系统的组成部分包括各种热交换器、冷却套、热管等。AM可用于构建具有孔隙、复杂通道/通道/管道和扩展表面的冷却结构。它还可以通过优化几何形状和最小化工具，来减少约束减轻重量和缩短交货时间。

增材制造的热交换器

如图13所示，是一种由电介质聚合物制成的3D打印出的直接缠绕式热交换器。带有内部冷却剂回流路径的增材制造的热交换器放置在两个线圈之间，用于直接散热。采用玻璃化转变温度为80℃的碳纤维增强尼龙，通过FDM制造了该热交换器。传热试验表明，绕组温升可降低44%。AM在制造过程中，通过改变材料的微观结构，可以提高特定方向的导热性。但是，为了容纳热交换器，降低了槽满率。另外，热交换器和绕组之间的不完美接触也会抵消该设计的优势。作为这项研究的补充，热交换器采用陶瓷制造（如图13（c）所示）。

图13 增材制造的热交换器

（a）两线圈间的热交换器；（b）CF-尼龙热交换器；

（c）陶瓷热交换器

图14 无源热导插入定子槽中以增强热传递（方法：SLM；材料：AlSi10Mg）

图14显示了通过SLM设计和制造的各种具有多孔结构的热导。将热导插入两个线圈侧之间的定子槽中，以增强散热能力。AM有助于显著降低导热管的重量，因此，仅增加3-4%的额外重量，输入功率处理能力增加了约40%。

Wrobel等人提出了一种增材制造的风冷热交换器，该热交换器与太阳能飞机的外转子推进电动机的定子集成在一起。图15显示了电机的定子组件，其中基于SLM的AlSi10Mg热交换器具有极高的活性表面积与体积比，同时重量也很轻。

图15 带集成式热交换器的定子组件(方法：SLM；材料：AlSi10Mg)

增材制造的热管

热管可以用来大大提高热管理系统的导热性。由SLM公司制造的烧结型铝热管已经研发出来。AM可以在灯芯中精心设计不同孔隙率、磁导率和孔径的多孔结构，从而有助于提高导热性。图16所示为具有多孔结构的热管槽灯芯。

图16 基于SLM的多孔热管槽灯芯

增材制造的冷却套管

AM可以极大地简化冷却通道和冷却套管的制造方式，降低了模具成本，并减少了液体泄漏。传统上，电机的冷却套管至少由两个独立的部件焊接而成的。为了降低制造的复杂度，通常对冷却套管内的冷却通道进行简化，如图17（a）所示。利用SLM，可以制造出具有优化内部螺旋通道的冷却套管，如图17（b）所示。最重要的是，可以大大提高冷却套管的机械完整性。它在汽车中的应用表明，冷却性能可提高37%，而有了螺旋形冷却通道后，重量减轻了16%。同时，AM还可以为制造各种路径复杂的冷却夹套打开大门，如环形、轴向、螺旋形、蛇形水管等。

图17 具有优化的螺旋冷却通道的增材制造的冷却套管

（a）典型的冷却套管；（b）AM冷却套管

除了机器设计外，在系统层面，AM还可以为电机和电力电子器件之间更紧密的集成打开大门，这也称为集成电机和驱动器（IMD）或集成模块化电机和驱动器（IMMD）

对于IMD/IMMD来说，提升功率系数的关键是要让电机和电力电子设备共享热管理系统。通常，这会使热设计相当复杂。

在IMD概念的背景下，AM带来的一些基本优势包括：

1）组件之间的理想接触：AM可以支持具有复杂形状的热交换器和冷却管，从而可以更好地安装在适应电机端部绕组和电力电子设备之间。

2）创新的直接冷却：对于航空航天应用，为了避免在低气压下的局部放电，绕组绝缘通常比海平面上的常规设计要厚得多。传统的冷却设计变得不那么有效。在这种情况下，在槽内增材制造的冷却通道可能非常有前途，冷却通道可以使用非导电材料来构建，如纤维增强的聚合物材料。

应用总结

1. 结构部件的AM：

需要指出的是，在电机结构件的增材制造方面也有很多尝试，包括定子外壳、端盖、转子轴、球轴承、绕组框架等。其动机主要有两个方面：重量轻和集成/简化制造。其中一个例子是通过基于挤压的AM制造的无刷直流电动机。为了减轻重量，定子外壳、绕组框架和转子结构部件均由塑料制成。橡树岭国家实验室报道了增材制造出的轴承保持架，它由多种材料制成，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（即ABS）、钛、316L和420不锈钢等。采用AM方法，如FDM、EBM和DMLS，可在短时间内快速进行原型设计并评估轴承的某些性能。

2. 技术成熟度：

图18对所讨论的AM方法在技术成熟度方面进行了总结。成熟度相对较高的AM方法被置于雷达图的中心位置。现在已经有一些方法是可用的，而其他方法则有望在将来变得更加成熟。当然，完全由增材制造的电机不太可能很快成为真正的产品。尽管如此，AM的可行性将在电机的更多组件中得到证明。某些特定的应用甚至可以接受AM目前一些不成熟的方面。