Ein hybrider Rotor mit Dual‑Mode und Doppelstator: synchrone und Vernier‑Maschine für variable Drehzahlanwendungen

Warum ein Waschmaschinenmotor wichtig ist

Im Inneren jeder automatischen Waschmaschine befindet sich ein Elektromotor, der schwere, nasse Wäsche bei niedriger Drehzahl sanft bewegen und anschließend die Trommel bei hoher Drehzahl zum Schleudern bringen muss. Beide Aufgaben effizient, leise und kostengünstig zu erfüllen, ist schwieriger, als es klingt. Dieser Artikel beschreibt eine neue Motorkonstruktion, die in einem kompakten Gehäuse zwischen einer kraftvollen „Wasch‑“Charakteristik und einer schnellen, energieeffizienten „Schleuder‑“Charakteristik umschalten kann – mit dem Potenzial für niedrigere Stromkosten und einen geringeren Bedarf an seltenen, teuren Materialien.

Zwei sehr unterschiedliche Aufgaben in einer Maschine

Waschmaschinen durchlaufen zwei Hauptphasen. Während des Waschgangs dreht sich die Trommel langsam, muss dabei aber hohes Drehmoment liefern, um wassergetränkte Wäsche zu bewegen. Beim Schleudern rotiert die Trommel sehr schnell, benötigt aber weniger Kraft und sehr hohe Effizienz, um Energieverschwendung und Überhitzung zu vermeiden. Heute entscheiden sich Hersteller meist für Induktionsmotoren, die günstig, aber weniger effizient sind, oder für Permanentmagnetmotoren, die effizient, aber auf teure Seltene‑Erden‑Magnete angewiesen sind und bei sehr niedrigen Drehzahlen Probleme haben können. Das neue Design zielt darauf ab, das Beste aus beiden Welten zu vereinen, dabei wartungsfreundlicher zu sein und weniger von knappen Materialien abhängig zu machen.

Ein Motor, zwei Hüllen und ein intelligenter Rotor

Die vorgeschlagene Maschine verwendet eine ungewöhnliche Anordnung: zwei stationäre Hüllen (Statoren), die einen einzelnen rotierenden Mittelring (Rotor) umschließen. Der äußere Stator arbeitet in einem „verzahnten“ Stil, der natürlicherweise hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl erzeugt und sich damit ideal für den Waschgang eignet. Der innere Stator funktioniert als klassischer hocheffizienter Synchronmotor, betrieben von Permanentmagneten an der Innenfläche des Rotors, ideal für den schnellen Schleudergang. Der Rotor trägt sowohl eine Reihe vieler feiner Zähne für die äußere Wechselwirkung als auch ein einfacheres Magnetmuster für die innere Wechselwirkung, sodass dasselbe rotierende Bauteil beide Betriebsarten bedienen kann, ohne die Hardware zu wechseln.

Bürstenlose Energieversorgung ohne zusätzliche Verschleißteile

Konventionelle Rotorwicklungsmaschinen benötigen gleitende elektrische Kontakte, sogenannte Bürsten und Schleifringe, um Strom in Wicklungen auf dem Rotor zu speisen. Diese Teile verschleißen, funkenspringen und erfordern Wartung. In diesem Entwurf beherbergt der äußere Stator zwei verschiedene Wicklungen: eine Haupt‑Drehstromwicklung, die das Drehmoment erzeugt, und eine kleinere Hilfswicklung, die ein spezielles niederfrequentes Magnetfeldmuster erzeugt. Wenn der Rotor durch dieses Feld läuft, induziert eine dedizierte Wicklung auf dem Rotor einen Wechselstrom, der sofort von einem winzigen Gleichrichter auf dem Rotor in Gleichstrom umgewandelt wird. Dieser Gleichstrom versorgt dann die Hauptfeldwicklung des Rotors – ganz ohne physische elektrische Kontakte. Effektiv lädt die Maschine ihre eigene Rotor‑Magnetisierung während des Betriebs drahtlos auf.

Den Motor auf Wasch‑ und Schleudergänge zuschneiden

Die Autoren simulieren das Verhalten des Motors in beiden Modi mit detaillierten Computermodellen. Im langsam drehenden Waschmodus erzeugt der äußere Vernier‑ähnliche Abschnitt nach Verfeinerung etwa 20 Newtonmeter Drehmoment, mehr als das Doppelte eines kürzlichen Referenzentwurfs, bei einer Effizienz von etwa 77 %. Ursprünglich war das Drehmoment recht ungleichmäßig, doch das Team reduzierte diese „Drehmoment‑Welligkeit“, indem es die Rotorzähne leicht schräg anlegte, wodurch nur ein geringer Anteil des mittleren Drehmoments geopfert wurde. Im schnellen Schleudermodus bei 1200 Umdrehungen pro Minute ist nur der innere Permanentmagnet‑Abschnitt aktiv. Hier liefert der Motor rund 5,9 Newtonmeter mit sehr gleichmäßiger Drehung und einer beeindruckenden Effizienz von etwa 95 %, deutlich höher als bei vergleichbaren reinen Vernier‑Maschinen in ähnlichem Geschwindigkeitsbereich.

Was das für Haushaltsgeräte bedeuten könnte

Durch die Kombination zweier Betriebsweisen in einer gemeinsamen Struktur kann dieser Dual‑Mode‑Doppelstator‑Motor während des Waschens als kraftvoller Niedrigdrehzahlarbeiter und beim Schleudern als sparsamer Hochgeschwindigkeitsläufer agieren. Er verwendet vergleichsweise wenig Permanentmagnetmaterial, vermeidet Bürsten und Schleifringe und erfüllt dennoch die anspruchsvollen Drehmoment‑ und Effizienzanforderungen moderner Waschmaschinen. Für Endnutzer könnte das leiseren Betrieb, geringeren Energieverbrauch und langlebigere Geräte bedeuten, während Hersteller die Flexibilität gewinnen, strenge Effizienzanforderungen zu erfüllen, ohne stark auf knappe magnetische Materialien angewiesen zu sein.

Zitation: Ali, S., Ali, Q., Munir, H.M. et al. A dual-mode dual-stator hybrid rotor synchronous and vernier machine for variable speed applications. Sci Rep 16, 10315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40821-y

Schlüsselwörter: Waschmaschinenmotor, variable Drehzahlsteuerung, bürstenloser Rotor, Vernier‑Maschine, energieeffiziente Haushaltsgeräte