Гибридный роторный синхронный и верньерный двигатель с двойным статором в двух режимах для приложений с переменной скоростью

Почему мотор стиральной машины важен

Внутри каждой автоматической стиральной машины скрыт электрический мотор, который должен осторожно проворачивать тяжёлую мокрую одежду на низкой скорости, а затем раскручивать барабан на высокой скорости, чтобы отжать воду. Делать обе эти задачи эффективно, тихо и недорого сложнее, чем кажется. В этой статье описан новый тип мотора, способный переключаться между мощным режимом «стирка» и быстрым, энергосберегающим режимом «отжим» в одном компактном корпусе, что обещает снижение счётов за электроэнергию и уменьшение использования редких дорогостоящих материалов.

Две совершенно разные задачи в одном устройстве

Стиральные машины проходят два основных этапа работы. В режиме стирки барабан вращается медленно, но должен развивать большое крутящee сопротивление, чтобы перемещать пропитанную водой одежду. В режиме отжима барабан вращается очень быстро, но требуется меньше усилий и очень высокая эффективность, чтобы не тратить электроэнергию впустую и не перегревать детали. Сегодня производители обычно выбирают между традиционными асинхронными моторами, которые дешёвые, но менее эффективны, и моторами с постоянными магнитами, которые эффективны, но зависят от дорогих редкоземельных магнитов и могут испытывать трудности на очень низких скоростях. Новая конструкция стремится объединить лучшие качества обоих типов, оставаясь при этом проще в обслуживании и менее зависимой от редких материалов.

Один мотор, две оболочки и умный ротор

Предложенная машина использует необычную компоновку: две неподвижные оболочки (статоры), окружающие один вращающийся средний кольцо (ротор). Внешний статор работает в «шестерёнчатом» стиле, который естественным образом даёт высокий крутящий момент на низкой скорости — идеально для режима стирки. Внутренний статор функционирует как классический высокоэффективный синхронный двигатель, управляемый постоянными магнитами на внутренней поверхности ротора, что подходит для быстрого режима отжима. Ротор несёт как множество тонких зубцов для внешнего взаимодействия, так и более простую магнитную структуру для внутреннего взаимодействия, так что одна и та же вращающаяся деталь может обслуживать оба режима без смены аппаратных компонентов.

Безщеточная передача энергии без изнашивающихся контактов

Обычные машины с возбуждением ротора требуют скользящих электрических контактов — щёток и контактных колец — для подачи тока в обмотки ротора. Эти детали изнашиваются, вызывают искрение и требуют обслуживания. В данной конструкции внешний статор содержит две разные обмотки: основную трёхфазную обмотку, создающую вращающий момент, и меньшую вспомогательную обмотку, формирующую специальный низкочастотный магнитный рисунок. По мере прохождения ротора через этот рисунок на выделенной обмотке ротора индуцируется переменный ток, который тут же выпрямляется небольшим выпрямителем, установленным прямо на роторе. Этот постоянный ток затем питает главную обмотку возбуждения ротора — без каких‑либо физически контактирующих электрических соединений. Фактически, машина «заряжает» магнитность своего ротора по беспроводной схеме во время работы.

Подгонка мотора под циклы стирки и отжима

Авторы моделируют поведение мотора в обоих режимах с помощью подробных компьютерных расчётов. В низкоскоростном режиме стирки внешняя верньерная секция после доработки даёт примерно 20 ньютон-метров крутящего момента, более чем вдвое превышая недавний эталонный дизайн, с эффективностью около 77 %. Первоначально крутящий момент был довольно «рваным», но команда уменьшила эту «пульсацию момента», слегка скошив зубцы ротора, пожертвовав лишь небольшим количеством среднего момента. В высокоскоростном режиме отжима при 1200 оборотах в минуту возбуждается только внутренняя секция с постоянными магнитами. В этом режиме мотор выдаёт около 5,9 ньютон-метра крутящего момента с очень плавным вращением и впечатляющей эффективностью примерно 95 %, что значительно выше, чем у сравнимых только верньерных машин на подобных скоростях.

Что это может означать для бытовой техники

Комбинируя два режима работы в общей конструкции, этот мотор с двумя режимами и двумя статорами может вести себя как мощный низкоскоростной работяга при стирке и как экономичный высокоскоростной спринтер при отжиме. Он использует относительно мало материала постоянных магнитов, избегает щёток и контактных колец и при этом отвечает строгим требованиям по крутящему моменту и эффективности для современных стиральных машин. Для обычных пользователей это может означать более тихую работу, меньший расход энергии и более долговечные устройства, а для производителей — гибкость в достижении жёстких стандартов эффективности без сильной зависимости от дефицитных магнитных материалов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: мотор стиральной машины, привод переменной скорости, безщеточный ротор, верньерный аппарат, энергоэффективная бытовая техника