Проектирование и анализ гибридного бесщеточного верньерного двигателя с двойным статором для прямого привода

Более умные двигатели для повседневных машин

От стиральных машин до промышленных роботов — многим современным устройствам требуются моторы, которые вращаются медленно, но при этом создают значительную силу. Вместо громоздких редукторов инженеры разрабатывают моторы, способные напрямую выдавать высокий крутящий момент на низких скоростях. В этой работе рассматривается новая конструкция двигателя, направленная на получение мощного, эффективного и надёжного привода с меньшим количеством движущихся частей и более низкими эксплуатационными затратами в долгосрочной перспективе.

Почему редукторы мешают

Традиционные системы прямого привода обходятся без передач, полагаясь на двигатели с постоянными магнитами, которые компактны, эффективны и мощны. Однако они часто требуют дорогих редкоземельных магнитов и могут испытывать трудности с тепловой нагрузкой и механическими усилиями на высокой скорости. Двигатели с возбуждением через обмотки, создающие магнитное поле катушками, а не магнитами, обходятся без редкоземельных материалов, но требуют щёток и скользящих контактных колец, которые изнашиваются и теряют энергию. Задача состоит в том, чтобы сочетать лучшие качества обоих подходов без их недостатков.

Двигатель с двумя оболочками и общим сердечником

Исследователи предлагают гибридный бесщеточный верньерный двигатель с двумя статорами, который оборачивает два неподвижных кольца, или статора, вокруг одного «сэндвич»-ротора. Внутренний статор несёт как стандартную трёхфазную обмотку, так и дополнительную однофазную обмотку, тогда как внешний статор содержит только трёхфазную обмотку. Сам ротор имеет две функциональные стороны: с одной стороны расположены обмотки, работающие как бесщеточный ротор с обмотками, а с другой — постоянные магниты. Тщательно разместив эти элементы и применив особую схему питания токов, можно получить сильное магнитное поле без щёток или колец скольжения и при этом использовать меньше магнитного материала на единицу крутящего момента, чем во многих традиционных конструкциях.

Как работает трюк с магнитной передачей

Внутри двигателя разные обмотки на внутреннем статоре создают в воздушном зазоре две магнитные структуры: одну с четырьмя полюсами и другую с двумя полюсами. Двухполюсная структура возбуждает небольшую обмотку возбуждения на роторе, которая затем питает большую полевую обмотку с большим числом полюсов. Одновременно внешний статор взаимодействует с кольцом магнитов на роторе. Вместе эти взаимодействия создают верньерный, или магнитный, эффект передачи: поле с малым числом полюсов на статорах взаимодействует с полем с большим числом полюсов на роторе. В результате получается двигатель, который вращается медленно, но способeн развивать высокий крутящий момент — подходящий для прямого привода барабана стиральной машины или конвейера.

Сравнение двух способов размещения магнитов

Команда изучила две версии этого двигателя с двойным статором, которые различаются только способом встраивания магнитов в ротор. В версии с магнитами, установленными на поверхности, магниты располагаются на внешней поверхности ротора, создавая гладкое и равномерное магнитное поле в воздушном зазоре. В внутренней версии магниты зарыты в толщу ротора, что даёт лучшую механическую прочность и помогает формировать поле для более плавной работы. С помощью детальных компьютерных моделирований обе конструкции были протестированы на низкой скорости стирки и на более высокой скорости отжима при одинаковых габаритах и ограничениях по материалам, чтобы честно сравнить их преимущества и компромиссы.

Что показали симуляции

Дизайн с поверхностно установленными магнитами выдал наибольший крутящий момент — около 44 ньютон-метров на низкой скорости и более 20 ньютон-метров на высокой, при этом КПД оставался выше 90 процентов. Это делает его привлекательным для тяжёлых задач, требующих сильного тягового усилия от компактного мотора. Конструкция с внутренними магнитами дала меньший крутящий момент — примерно 32 ньютон-метра на низкой скорости, но продемонстрировала заметное уменьшение пульсаций крутящего момента, особенно на высокой скорости, где вариации были сокращены почти на 89 процентов. Меньшие пульсации означают более плавное движение, меньше шума и вибрации — важные качества для точного оборудования и тихих бытовых приборов. Обе версии также более эффективно использовали магниты по сравнению с эталонной машиной за счёт добавочного крутящего момента от внутренней бесщеточной обмотки без увеличения массы магнитов.

Что это значит для будущих машин

Для неспециалистов главный вывод таков: этот гибридный мотор с двумя статорами может выступать как встроенный магнитный редуктор, производя мощный и плавный крутящий момент на низких скоростях без механических передач. Версия с поверхностными магнитами лучше подходит, когда приоритетом является максимальная тяговая сила, тогда как внутренняя версия жертвует частью крутящего момента ради более тихой и стабильной работы. Поскольку ротор возбуждается без щёток, потребность в обслуживании снижается, а разумное использование магнитов может уменьшить зависимость от дорогих редкоземельных материалов. Авторы отмечают, что в будущих работах всё ещё потребуется решать вопросы теплового режима и качества питания, но полученные результаты демонстрируют практический путь к более эффективным и надёжным двигателям прямого привода для повседневных машин.

Цитирование: Kumar, K., Akbar, G., Ahmed, S. et al. Design and analysis of dual-stator hybrid brushless vernier motor for direct-drive applications. Sci Rep 16, 15635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46998-6

Ключевые слова: мотор прямого привода, двигатель с постоянными магнитами, машина с двойным статором, бесщеточная возбуждение, плотность крутящего момента