基于TRIZ理论的外转子电机结构设计

2020-12-19许文兰司扣华赵坤所

日用电器 2020年11期

许文兰周思司扣华赵坤所

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519100）

引言

传统电机结构是定子在外，转子在内，无法获得较大的驱动力，需要不断加大电机的外形结构来提高电机的驱动力，但会增加空间占有率。外转子电机凭借较大的转矩、结构紧凑、占用空间少等优点有效弥补了传统电机在这方面的缺点，迅速占领了一些对电机驱动力要求较高的市场。随着人们生活水平的提高，对各类电器的要求越来越高，对电器所用电机的要求也越来越高。对于外转子电机，除了大的转矩，还要较高的防护性。TRIZ创新方法解决理论提供了创新思路，它突破传统的惯性思维，通过一些问题模型、创新原理、解决模型等得到解决问题的方法。

1 TRIZ理论介绍

1.1 TRIZ来源与核心思想

TRIZ是苏联天才根里奇.阿奇舒勒和苏联的科学家一起，经过50多年对数以百万计的专利文献和自然科学知识进行研究、整理和归纳，最终建立起来的一套系统化的、实用的、解决发明问题的理论和方法体系[1]。TRIZ的核心思想是人们在解决问题时遇到的矛盾和解决办法是重复出现的；解决办法并不多，一般都可以学习掌握；其他领域的知识往往可以有效解决本领域的问题。

1.2 TRIZ理论解题思路

运用TRIZ理论解决问题有一套常规的解题思路，首先发现问题；接着运用因果链分析问题，找到产生问题的根本原因；通过最终理想解分析找到达到理想解的障碍；最后运用TRIZ理论工具消除障碍得到解决问题的方案。

2 TRIZ理论在外转子电机结构设计中的应用

2.1 问题与分析

首先是发现问题，经过市场调查发现目前市面上所用外转子电机的防护等级只能达到IP56，无法达到IP67，这严重限制了外转子电机的应用领域。

通过因果链分析，电机防护等级低会导致外界空气中的水和灰尘进入电机，导致磁瓦损坏、定子绕组短路、电路板短路、定子铁芯生锈等问题，破坏电机的磁路和电路，导致电机损坏。究其防护等级差的原因，主要是其特殊的运转结构，为了电机的运行，定转子机壳间需要间隙，间隙的存在也有利于电机的散热，电机热量来源主要有定子绕组与电路板同一空间集中散热、定子绕组焊点集中散热和电机运转的高转速、大转矩散热。因此导致电机防护等级差的四个根本原因：电机特殊运行结构无法密封、定子绕组与电路板同一空间集中散热，需散热、定子绕组排线焊点集中发热，需散热、转速高，转矩大，需散热。

通过最终理想解分析，得到达到理想解的障碍是电机转动不可没有间隙，这是电机本身的运转结构与特性决定的，解决思路便是消除间隙给电机带来的影响，既要不影响电机运转，同时也需要提升电机的防护等级。可在间隙处用吸水材料和防水材料，吸附或阻挡外界空气中的水和灰尘，同步改善电机其他结构，消除间隙散热的影响。

2.2 TRIZ工具及方案设计

2.2.1 技术矛盾分析与方案设计

技术矛盾[2]是指改善技术系统中某一特性、某一参数时，引起系统中另一特性或参数的恶化。其主要通过39个工程参数和40个创新原理组成的矛盾矩阵表，找到解决问题的方案，39个工程参数在横向和纵向排列开来，横向为改善的参数，纵向为恶化的参数，工程参数两两之间交叉有对应的创新原理序号，对应40个创新原理。针对实际的的问题，通过将实际问题转变成对应的工程参数，再将工程参数代入矛盾矩阵表，找到对应的创新原理，根据创新原理设计新方案。应用技术矛盾分析发现减小间隙可以提升防护等级，但是电机运转的通风量受到影响，转化成工程参数，减小间隙，两壳体间间隙减小，对防护等级来说起到改善作用，即改善了静止物体的面积，间隙减小，电机通风量受到影响，影响电机散热，即为恶化了物质的量，根据矛盾矩阵表，得到02、04、18、40四条创新原理。根据02抽取原理，将电路板从定子绕组空间抽取出来，外置安装，实现电路板和定子绕组的分离，解决两者位于同一空间的集中散热问题，具体方案设计如图1所示。在原本只有一个空间的定子机壳中间加一层隔板，变成两个空间，将电路板抽取出来，放入另一空间；根据04增加不对称原理，在定子机壳和转子机壳间隙部分设置不对称的沟槽迷宫，通过两者相互配合，外界空气中的水和灰尘沿着迷宫路径行进，最终排出，没有进入电机内部的入口，可以防止水和灰尘的进入。

2.2.2 物理矛盾分析与方案设计

图1 外置驱动

物理矛盾是针对系统中的某个参数提出两种不同的要求。物理矛盾解题模式是将待解决的问题转化成物理矛盾，物理矛盾通过分离原理得到创新原理，创新原理应用得到解决方案。应用物理矛盾分析，对间隙提出两种不同的要求，既要间隙大，又要间隙小。间隙小，防护等级高，散热差；间隙大，散热好，防护等级低。通过空间分离，将电机内部与外界环境分离，借助中介物原理，在定转子间隙处增加橡胶材质的物质作为中介物，通过该物质阻挡外界水、灰尘进入电机，成功将电机内部与外界环境分离，如图2所示。在定子机壳上用U形软骨架固定橡胶物，橡胶物的凸点与转子机壳接触，至此，间隙被橡胶物封住，但由于橡胶材质的特殊性，不影响电机的正常运转。通过整体与部分分离，将定子与过桥线焊点分离，解决焊点集中散热的问题，借助组合原理，为定子绕组过桥线焊点设立专门的通道，设计一种新型骨架，为过桥线焊点留出专门的绕线柱和过线槽，分散过桥线焊点，这种分离可以避免焊点集中散热。

2.2.3 物质-场分析与方案设计

物质-场分析[3]主要有三要素：物质、场、相互作用。通过物质与场之间相互作用建立问题模型，每个问题模型对应一个标准解，可将问题中的物质与场建立对应的模型，根据问题模型对应的标准解设计新方案。应用物质-场分析，根据绕组、水和磁场的问题模型，水对绕组有害，影响电机磁场，间隙的存在导致水会进入电机，破坏绕组，找到标准解2，如果已有对象无法按需改变，可通过添加物质，帮助系统实现功能，间隙的存在导致必然有水通过其进入电机，绕组会被水影响，绕组这个对象无法改变，可通过添加漆膜添加物，增强绕组的防水能力，消除磁场有害影响。根据电场与水、灰尘的问题模型，水和灰尘进入电机会影响电场，利用标准解法11，某个场对物质产生有害作用，可通过引入另外的物质，吸收有害作用。水、灰尘对电场有影响，反过来即电场对水和灰尘有害，可通过引入吸附材料，吸附水和灰尘，消除电场对水和灰尘的有害作用。根据定转子、电机形成的热场，定转子在运转在电机内部形成热场，热场不易控制，无法阻挡外界水、灰尘进入。利用标准解法16，用更加容易控制的场替代原来不易控制的场，或者叠加到不易控制的场上，解决定转子、电机和热场之间的问题模型，热场不易控制，通过添加液压、气压装置，用液压、气压场替代原来不易控制的热场，液压、气压场形成的强大气流阻断外部水和灰尘的介入。