一种用于变速应用的双模双定子混合转子同步-韦尔尼尔电机

洗衣机电机为何重要

每台自动洗衣机内部都隐藏着一台电动机，它既要在低速时温和搅动沉重的湿衣物，又要在高速时甩干滚筒以挤出水分。要将这两项任务做到高效、安静且低成本，比想象中更难。本文介绍了一种新型电机，能在单一紧凑结构内在强力“洗涤”模式和高速且节能的“甩干”模式之间切换，承诺降低能耗并减少对稀有、昂贵材料的依赖。

一台机器中的两种截然不同工作

洗衣机有两个主要阶段。在洗涤循环中，滚筒低速旋转但必须提供较大的扭矩以移动浸水的衣物。在甩干循环中，滚筒高速旋转，但需要的力矩较小且要求极高的效率以避免浪费电能和过热。如今，制造商通常在传统感应电机（成本低但效率较低）和永磁电机（效率高但依赖昂贵稀土磁体且在极低速时表现欠佳）之间做出选择。新设计旨在汲取两者优点，同时便于维护并减少对稀有材料的依赖。

一台电机、两层定子与智能转子

所提出的机器采用了一种不寻常的布局：两个固定的外壳（定子）包围着一个单一旋转的中环（转子）。外层定子以“啮合”式工作，自然在低速时产生高扭矩，适合洗涤循环。内层定子则作为经典的高效率同步电机工作，由转子内侧面的永磁体驱动，适合高速甩干循环。转子同时携带用于外定子交互的许多细齿和用于内定子交互的较简单磁体布局，因此同一旋转部件可在不更换硬件的情况下服务于两种模式。

无刷供电，无需额外易损件

传统的绕线转子机器需要滑动电接触件，即电刷和滑环，将电流传入转子线圈。这些部件易磨损、产生火花并且需维护。在此设计中，外定子包含两组不同绕组：一组主三相绕组产生转矩，另一组辅助绕组产生特殊的低频磁场。当转子通过该磁场时，转子上的专用绕组感应出交流电，该交流电被安装在转子上的微型整流器立即整流为直流电。该直流电再为主转子场绕组供电，整个过程无需任何物理电接触。实际上，机器在运行期间以无线方式为自身转子磁场“充电”。

为洗涤和甩干周期量身定制

作者使用详细的计算机模型模拟了电机在两种工况下的表现。在低速洗涤模式中，外层韦尔尼尔结构在优化后产生约20牛·米的扭矩，是近期基准设计的两倍多，效率约为77%。最初扭矩存在明显波动，但团队通过略微错开转子齿来降低这种“扭矩脉动”，仅牺牲了少量平均扭矩。在每分钟1200转的高速甩干模式下，仅激励内层永磁部分，此时电机提供约5.9牛·米的扭矩，转动非常平稳，效率约为95%，远高于类似转速下仅有韦尔尼尔结构的机器。

对家用电器的潜在意义

通过在同一共享结构中结合两种运行方式，这种双模双定子电机在洗涤时可表现为强劲的低速劳动力，在甩干时则表现为高速高效的短跑手。它使用较少的永磁材料，避免了电刷和滑环，同时满足现代洗衣机对扭矩和效率的苛刻要求。对普通用户而言，这可能意味着运行更安静、耗电更少和更耐用的家电；对制造商而言，则提供了在不大量依赖稀缺磁性材料的情况下，满足严格能效标准的灵活性。

引用: 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

关键词: 洗衣机电机, 可变速驱动, 无刷转子, 韦尔尼尔电机, 节能家电