基于TRIZ理論的外轉子電機結構設計

許文蘭 周 思 司扣華 趙坤所

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519100）

引言

傳統電機結構是定子在外，轉子在內，無法獲得較大的驅動力，需要不斷加大電機的外形結構來提高電機的驅動力，但會增加空間占有率。外轉子電機憑借較大的轉矩、結構緊湊、占用空間少等優點有效彌補了傳統電機在這方面的缺點，迅速占領了一些對電機驅動力要求較高的市場。隨著人們生活水平的提高，對各類電器的要求越來越高，對電器所用電機的要求也越來越高。對于外轉子電機，除了大的轉矩，還要較高的防護性。TRIZ創新方法解決理論提供了創新思路，它突破傳統的慣性思維，通過一些問題模型、創新原理、解決模型等得到解決問題的方法。

1 TRIZ理論介紹

1.1 TRIZ來源與核心思想

TRIZ是蘇聯天才根里奇.阿奇舒勒和蘇聯的科學家一起，經過50多年對數以百萬計的專利文獻和自然科學知識進行研究、整理和歸納，最終建立起來的一套系統化的、實用的、解決發明問題的理論和方法體系[1]。TRIZ的核心思想是人們在解決問題時遇到的矛盾和解決辦法是重復出現的；解決辦法并不多，一般都可以學習掌握；其他領域的知識往往可以有效解決本領域的問題。

1.2 TRIZ理論解題思路

運用TRIZ理論解決問題有一套常規的解題思路，首先發現問題；接著運用因果鏈分析問題，找到產生問題的根本原因；通過最終理想解分析找到達到理想解的障礙；最后運用TRIZ理論工具消除障礙得到解決問題的方案。

2 TRIZ理論在外轉子電機結構設計中的應用

2.1 問題與分析

首先是發現問題，經過市場調查發現目前市面上所用外轉子電機的防護等級只能達到IP56，無法達到IP67，這嚴重限制了外轉子電機的應用領域。

通過因果鏈分析，電機防護等級低會導致外界空氣中的水和灰塵進入電機，導致磁瓦損壞、定子繞組短路、電路板短路、定子鐵芯生銹等問題，破壞電機的磁路和電路，導致電機損壞。究其防護等級差的原因，主要是其特殊的運轉結構，為了電機的運行，定轉子機殼間需要間隙，間隙的存在也有利于電機的散熱，電機熱量來源主要有定子繞組與電路板同一空間集中散熱、定子繞組焊點集中散熱和電機運轉的高轉速、大轉矩散熱。因此導致電機防護等級差的四個根本原因：電機特殊運行結構無法密封、定子繞組與電路板同一空間集中散熱，需散熱、定子繞組排線焊點集中發熱，需散熱、轉速高，轉矩大，需散熱。

通過最終理想解分析，得到達到理想解的障礙是電機轉動不可沒有間隙，這是電機本身的運轉結構與特性決定的，解決思路便是消除間隙給電機帶來的影響，既要不影響電機運轉，同時也需要提升電機的防護等級。可在間隙處用吸水材料和防水材料，吸附或阻擋外界空氣中的水和灰塵，同步改善電機其他結構，消除間隙散熱的影響。

2.2 TRIZ工具及方案設計

2.2.1 技術矛盾分析與方案設計

技術矛盾[2]是指改善技術系統中某一特性、某一參數時，引起系統中另一特性或參數的惡化。其主要通過39個工程參數和40個創新原理組成的矛盾矩陣表，找到解決問題的方案，39個工程參數在橫向和縱向排列開來，橫向為改善的參數，縱向為惡化的參數，工程參數兩兩之間交叉有對應的創新原理序號，對應40個創新原理。針對實際的的問題，通過將實際問題轉變成對應的工程參數，再將工程參數代入矛盾矩陣表，找到對應的創新原理，根據創新原理設計新方案。應用技術矛盾分析發現減小間隙可以提升防護等級，但是電機運轉的通風量受到影響，轉化成工程參數，減小間隙，兩殼體間間隙減小，對防護等級來說起到改善作用，即改善了靜止物體的面積，間隙減小，電機通風量受到影響，影響電機散熱，即為惡化了物質的量，根據矛盾矩陣表，得到02、04、18、40四條創新原理。根據02抽取原理，將電路板從定子繞組空間抽取出來，外置安裝，實現電路板和定子繞組的分離，解決兩者位于同一空間的集中散熱問題，具體方案設計如圖1所示。在原本只有一個空間的定子機殼中間加一層隔板，變成兩個空間，將電路板抽取出來，放入另一空間；根據04增加不對稱原理，在定子機殼和轉子機殼間隙部分設置不對稱的溝槽迷宮，通過兩者相互配合，外界空氣中的水和灰塵沿著迷宮路徑行進，最終排出，沒有進入電機內部的入口，可以防止水和灰塵的進入。

2.2.2 物理矛盾分析與方案設計

圖1 外置驅動

物理矛盾是針對系統中的某個參數提出兩種不同的要求。物理矛盾解題模式是將待解決的問題轉化成物理矛盾，物理矛盾通過分離原理得到創新原理，創新原理應用得到解決方案。應用物理矛盾分析，對間隙提出兩種不同的要求，既要間隙大，又要間隙小。間隙小，防護等級高，散熱差；間隙大，散熱好，防護等級低。通過空間分離，將電機內部與外界環境分離，借助中介物原理，在定轉子間隙處增加橡膠材質的物質作為中介物，通過該物質阻擋外界水、灰塵進入電機，成功將電機內部與外界環境分離，如圖2所示。在定子機殼上用U形軟骨架固定橡膠物，橡膠物的凸點與轉子機殼接觸，至此，間隙被橡膠物封住，但由于橡膠材質的特殊性，不影響電機的正常運轉。通過整體與部分分離，將定子與過橋線焊點分離，解決焊點集中散熱的問題，借助組合原理，為定子繞組過橋線焊點設立專門的通道，設計一種新型骨架，為過橋線焊點留出專門的繞線柱和過線槽，分散過橋線焊點，這種分離可以避免焊點集中散熱。

2.2.3 物質-場分析與方案設計

物質-場分析[3]主要有三要素：物質、場、相互作用。通過物質與場之間相互作用建立問題模型，每個問題模型對應一個標準解，可將問題中的物質與場建立對應的模型，根據問題模型對應的標準解設計新方案。應用物質-場分析，根據繞組、水和磁場的問題模型，水對繞組有害，影響電機磁場，間隙的存在導致水會進入電機，破壞繞組，找到標準解2，如果已有對象無法按需改變，可通過添加物質，幫助系統實現功能，間隙的存在導致必然有水通過其進入電機，繞組會被水影響，繞組這個對象無法改變，可通過添加漆膜添加物，增強繞組的防水能力，消除磁場有害影響。根據電場與水、灰塵的問題模型，水和灰塵進入電機會影響電場，利用標準解法11，某個場對物質產生有害作用，可通過引入另外的物質，吸收有害作用。水、灰塵對電場有影響，反過來即電場對水和灰塵有害，可通過引入吸附材料，吸附水和灰塵，消除電場對水和灰塵的有害作用。根據定轉子、電機形成的熱場，定轉子在運轉在電機內部形成熱場，熱場不易控制，無法阻擋外界水、灰塵進入。利用標準解法16，用更加容易控制的場替代原來不易控制的場，或者疊加到不易控制的場上，解決定轉子、電機和熱場之間的問題模型，熱場不易控制，通過添加液壓、氣壓裝置，用液壓、氣壓場替代原來不易控制的熱場，液壓、氣壓場形成的強大氣流阻斷外部水和灰塵的介入。

圖2 U型密封圈及其密封結構

2.3 方案評估

通過一系列工具的應用，得到一些提升外轉子電機防護等級的方案，對方案進行理想度、技術難度、可靠性、經濟性等多個維度的評價，得出較為優秀的幾個方案進行實施。對方案實施遇到的問題，可以通過一定的手段進行解決，如果方案存在不可解決性的問題，則可通過TRIZ工具，重新得到一些新的解決方案。

3 結束語

本文應用TRIZ理論中的因果鏈分析、最終理想解分析、技術矛盾分析、物理矛盾分析和物質-場分析等工具，得到一種新型定子機殼結構、新型骨架結構和新型防水結構，有效改善外轉子電機的散熱與防水，得到一種新型外轉子電機結構，有效提升了外轉子電機的防護等級。