帕德博恩大学的直接制造研究中心 (DMRC) 在电机转子的增材制造研究取得了进展，通过设计空心轴、优化与磁通量相关的直径、填充轻量化结构来降低重量和质量惯性。 结果令人印象深刻：不带定子的外壳总重量减少了 45%，而转子的重量减少了 33%，惯性减少了 13%。

3D打印电机© DMRC

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或冷却结构。

电机的应用市场© 3D科学谷白皮书

 开启众多优势与机遇

帕德博恩大学直接制造研究中心 (DMRC) 旨在将增材工艺链建立为稳健的工业生产工艺，将增材制造工业化。从增材制造原材料的生产到生产和应用，整个增材价值链涵盖了各种规模的应用。

近年来，3D打印-增材制造为工业生产带来了众多优势和机遇。3D打印-增材制造在电动机的研发中有助于显著提高性能、效率和可靠性。

具有高功率密度的电机越来越多地用于工业和移动应用。然而，与此同时，它们需要高效的冷却系统来维持其稳定性。增材制造允许生产传统制造方法无法实现的复杂几何形状和结构，因此，可以制造具有更高性能的电机组件，尤其是在优化磁通量管理和散热方面。增材制造还有助于生产轻型结构和减轻重量，这在汽车行业和其他旨在提高能效的应用中尤为重要。此外，还3D打印可以加工传统方法无法加工的高性能软磁材料。

帕德博恩大学直接制造研究中心 (DMRC) 在电动机方面的研究主题包括新材料的开发、三维磁通引导、组件中轻量化结构的集成、创新电机外壳冷却系统的开发以及集成在电机中以冷却转子和永磁体的空气循环概念等主题。目前这些研究项目的各项进展令人鼓舞，显示了增材制造在电机生产中的巨大潜力。

聚焦革命性技术：增材制造的PMSM永磁同步电动机转子轴具有创新的轻量化和冷却结构。© DMRC

作为 AiF 项目 (FVA 882 I (IGF No. 20316 N)) 的一部分，DMRC的研究目标是通过增材制造使转子和永磁同步电机 (PMSM) 外壳中的创新轻型和冷却结构成为可能。目的是利用增材制造的优势来提高传统电机的性能和效率，这是未来电动汽车的创新解决方案。

 优化冷却

传统的蜗壳水冷被由正弦曲线重叠的独立通道组成的结构所取代。通过切换到圆周流，可以实现 75% 的压力损失减少。功能模型的绕组温度比相同电流的参考电机低，转子中使用自生空气循环来冷却永磁体，并使用改进形式的对角风扇产生体积流量。转子中被加热的空气被外壳端面上的水冷定子叶片冷却并返回到转子。

为了减轻重量，在外壳的端罩中使用了蜂窝结构，这可以在保持端罩刚性结构的同时显著节省材料。通过使用最小的壁厚与冷却结构相结合，还可以在整个圆周上产生一种夹层结构，既可以作为轻型结构，也可以作为冷却结构。

聚焦革命性技术：增材制造的PMSM永磁同步电动机转子轴具有创新的轻量化和冷却结构。© DMRC

 显著减轻重量

在设计冷却和轻量化结构时，DMRC注意确保它们不会对发动机性能产生任何负面影响。材料的选择和磁体之间冷却通道的形状都经过仔细确定，转子的磁性相关内半径设计也是如此仔细推敲。

增材制造工艺在减少电机外壳和转子的重量以及集成创新的冷却概念以进一步优化功率密度方面具有优势。与传统生产相比，还可以使用新材料实现进一步优化。根据3D科学谷《电机的增材制造 l 3D打印+拓扑优化=下一代电机》一文，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。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。

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DMRC取得的成果为进一步优化奠定了坚实的基础，以便在中期建立增材制造电机在工业化量产中的应用。随形冷却转子的设计与制造（包括将过程监控数据传输到云端计算）等未来发展将推动电动机部件制造取得重大进展。

总的来说，增材制造工艺将在不久的将来在电机部件的制造中发挥重要作用。