Maszyna hybrydowa z podwójnym stojanem i dwoma trybami: synchroniczna i wernierowa dla zastosowań o zmiennej prędkości

Dlaczego silnik w pralce ma znaczenie

Ukryty wewnątrz każdej automatycznej pralki znajduje się silnik elektryczny, który musi delikatnie obracać ciężkie, mokre ubrania przy niskiej prędkości, a następnie rozkręcać bęben na wysokich obrotach, by wywirować wodę. Wykonywanie obu zadań efektywnie, cicho i tanio jest trudniejsze, niż się wydaje. W artykule opisano nowy typ silnika, który w jednej zwartej konstrukcji może przełączać się między mocnym „trybem prania” a szybkim, energooszczędnym „trybem wirowania”, obiecując niższe rachunki za energię i mniejsze zużycie drogich surowców.

Dwie bardzo różne prace w jednym urządzeniu

Pralki realizują dwa główne etapy pracy. Podczas cyklu prania bęben obraca się powoli, ale musi dostarczać duży moment obrotowy, aby poruszać przemoczoną odzież. W trakcie wirowania bęben obraca się bardzo szybko, potrzebując mniejszej siły i bardzo wysokiej sprawności, by nie marnować energii i nie przegrzewać się. Obecnie producenci zazwyczaj wybierają między tradycyjnymi silnikami indukcyjnymi, które są tanie, lecz mało wydajne, a silnikami z magnesami trwałymi, które są wydajne, ale zależą od drogich magnesów ziem rzadkich i mogą mieć problemy przy bardzo niskich prędkościach. Nowa konstrukcja ma na celu wykorzystanie zalet obu podejść, przy jednoczesnym ułatwieniu konserwacji i mniejszym uzależnieniu od rzadkich materiałów.

Jeden silnik, dwie obudowy i inteligentny wirnik

Proponowana maszyna wykorzystuje nietypowy układ: dwie nieruchome powłoki (stojany) otaczające pojedynczy obracający się pierścień środkowy (wirnik). Zewnętrzny stojan działa w stylu „przekładniowym”, naturalnie generując wysoki moment przy niskiej prędkości, co jest idealne do cyklu prania. Wewnętrzny stojan pracuje jak klasyczny synchroniczny silnik wysokiej sprawności napędzany magnesami trwałymi na wewnętrznej stronie wirnika, co jest optymalne do szybkiego trybu wirowania. Wirnik zawiera zarówno zestaw wielu drobnych zębów do interakcji z zewnętrznym stojanem, jak i prostszy wzór magnesów do oddziaływania z wewnętrznym stojanem, dzięki czemu ta sama część obrotowa może obsługiwać oba tryby bez zmiany elementów.

Moc bez szczotek i dodatkowych elementów eksploatacyjnych

Konwencjonalne maszyny z nawiniętym wirnikiem wymagają ślizgowych połączeń elektrycznych, zwanych szczotkami i pierścieniami ślizgowymi, aby zasilać cewki na wirniku. Elementy te ulegają zużyciu, iskrzą i wymagają konserwacji. W tej konstrukcji zewnętrzny stojan mieści dwa różne uzwojenia: jedno główne trójfazowe wytwarzające siłę napędową oraz mniejsze pomocnicze uzwojenie tworzące specjalny niskoczęstotliwościowy wzór magnetyczny. Gdy wirnik obraca się przez ten wzór, dedykowane uzwojenie na wirniku indukuje prąd przemienny, który jest natychmiast prostowany przez mały prostownik zamontowany bezpośrednio na wirniku. Ten prąd stały zasila następnie główne uzwojenie pola wirnika, wszystko bez fizycznego kontaktu elektrycznego. W efekcie maszyna „ładuje” własne magnesowanie wirnika bezprzewodowo podczas pracy.

Dopasowanie silnika do cykli prania i wirowania

Autorzy symulują zachowanie silnika w obu trybach za pomocą szczegółowych modeli komputerowych. W trybie prania przy niskich prędkościach zewnętrzna sekcja w stylu wernierowym po udoskonaleniach generuje około 20 niutonometrów momentu, ponad dwukrotnie więcej niż w niedawnym wzorcu odniesienia, ze sprawnością około 77%. Początkowo moment był dość nierówny, ale zespół zmniejszył tę „falistość momentu” przez lekkie skrzywienie zębów wirnika, poświęcając jedynie niewielką część średniego momentu. W trybie szybkiego wirowania przy 1200 obrotach na minutę załączona jest tylko wewnętrzna sekcja z magnesami trwałymi. W tym trybie silnik dostarcza około 5,9 niutonometra momentu przy bardzo płynnej rotacji i imponującej sprawności rzędu 95%, znacznie wyższej niż porównywalne maszyny wernierowe przy podobnych prędkościach.

Co to może oznaczać dla urządzeń domowych

Łącząc dwa tryby pracy w jednej wspólnej strukturze, ten silnik z podwójnym stojanem i dwoma trybami może zachowywać się jak silny, wolnoobrotowy ciężarowiec podczas prania i jak szczupły, szybkoobrotowy sprinter podczas wirowania. Wykorzystuje stosunkowo mało materiału magnetycznego, unika szczotek i pierścieni ślizgowych, a jednocześnie spełnia wymagające potrzeby momentu i sprawności nowoczesnych pralek. Dla użytkowników codziennych może to oznaczać cichszą pracę, niższe zużycie energii i trwalsze urządzenia, podczas gdy producenci zyskują elastyczność w osiąganiu surowych norm sprawności bez dużego polegania na rzadkich materiałach magnetycznych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: silnik do pralki, napęd o zmiennej prędkości, bezszczotkowy wirnik, maszyna wernierowa, energooszczędne urządzenia