En hybridrotorsynkron- och verniermaskin med dubbelstator i två lägen för tillämpningar med variabel hastighet

Varför en tvättmaskinsmotor spelar roll

Dold i varje automatisk tvättmaskin finns en elmotor som måste röra tunga, blöta kläder försiktigt vid låg hastighet och sedan snurra trumman snabbt för att centrifugera ut vattnet. Att göra båda uppgifterna effektivt, tyst och billigt är svårare än det låter. Denna artikel beskriver en ny typ av motor som kan växla mellan en kraftfull "tvätt"-personlighet och en snabb, energieffektiv "centrifug"-personlighet inom en enda kompakt konstruktion, vilket lovar lägre energikostnader och mindre beroende av sällsynta, kostsamma material.

Två mycket olika uppgifter i en maskin

Tvättmaskiner genomgår två huvudfaser. Under tvättcykeln roterar trumman långsamt men måste leverera högt vridmoment för att flytta vattenmättade textilier. Under centrifugeringscykeln roterar trumman mycket snabbt, men behöver mindre kraft och mycket hög effektivitet för att undvika energislöseri och överhettning. Idag väljer tillverkare oftast mellan traditionella induktionsmotorer, som är billiga men mindre effektiva, och permanentmagnetmotorer, som är effektiva men beror på dyra sällsynta jordartsmetaller och kan ha svårt vid mycket låga varvtal. Den nya konstruktionen syftar till att få det bästa av båda världar samtidigt som den blir lättare att underhålla och mindre beroende av sällsynta material.

En motor, två skal och en smart rotor

Den föreslagna maskinen använder en ovanlig uppbyggnad: två stationära skal (statorer) som omger en enda roterande mittcirkel (rotor). Den yttre statorn fungerar i en "växlad" stil som naturligt ger högt vridmoment vid låg hastighet, idealiskt för tvättcykeln. Den inre statorn fungerar som en klassisk högeffektiv synkronmotor driven av permanentmagneter på rotorns inre yta, idealisk för den snabba centrifugeringscykeln. Rotorn bär både en uppsättning många fina tänder för den yttre interaktionen och ett enklare magnetmönster för den inre interaktionen, så samma roterande del kan tjäna båda lägena utan att hårdvaran behöver bytas.

Borstlös kraft utan extra slitdelar

Konventionella maskiner med lindad rotor kräver glidande elektriska kontakter, kallade borstar och glidringar, för att mata ström till spolar på rotorn. Dessa delar slits, gnistrar och kräver underhåll. I denna konstruktion rymmer den yttre statorn två olika lindningar: en huvudlindning i trefas som ger drivkraften och en mindre hjälplindning som skapar ett särskilt lågfrevent magnetmönster. När rotorn passerar genom detta mönster plockar en dedikerad lindning på rotorn upp en växelström som omedelbart likriktas av en liten likriktare monterad på rotorn själv. Den likriktade strömmen matar sedan huvudrotorfältlindningen, allt utan några fysiska elektriska kontakter. I praktiken "laddar" maskinen sin egen rotormagnetisering trådlöst medan den körs.

Anpassning av motorn för tvätt- och centrifugcykler

Författarna simulerar motorns beteende i båda lägena med detaljerade datorbaserade modeller. I låghastighetsläget för tvätt producerar den yttre vernierliknande sektionen efter finslipning ungefär 20 newtonmeter vridmoment, mer än dubbelt så mycket som en nyligen publicerad referenskonstruktion, med en verkningsgrad på cirka 77 %. Initialt var vridmomentet ganska ojämnt, men teamet minskade denna "vridmomentrippel" genom att lätt skeva rotortänderna, på bekostnad av endast en liten minskning av medelvridmomentet. I höghastighetsläget vid 1200 varv per minut är endast den inre permanentmagnetsektionen aktiverad. Här levererar motorn omkring 5,9 newtonmeter vridmoment med mycket jämn rotation och en imponerande verkningsgrad på ungefär 95 %, långt högre än jämförbara enbart vernierbaserade maskiner vid liknande hastigheter.

Vad detta kan innebära för hushållsapparater

Genom att kombinera två driftstilar i en gemensam struktur kan denna dubbelgångs-dubbelstator-motor bete sig som en stark lågvarvig arbetshäst under tvätt och som en lätt högvarvig sprinter under centrifugering. Den använder relativt lite permanentmagnetmaterial, undviker borstar och glidringslösningar samt uppfyller ändå de krävande vridmoment- och effektivitetskraven för moderna tvättmaskiner. För vardagsanvändare kan det översättas till tystare drift, lägre energiförbrukning och mer hållbara apparater, medan tillverkare får flexibilitet att möta stränga energieffektivitetskrav utan att i hög grad förlita sig på knappa magnetiska material.

Citering: 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

Nyckelord: tvättmaskinsmotor, variabel varvtalsdrift, borttagningsfri rotor, verniermaskin, energieffektiva hushållsapparater