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)
傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)是定子在外,轉(zhuǎn)子在內(nèi),無法獲得較大的驅(qū)動力,需要不斷加大電機的外形結(jié)構(gòu)來提高電機的驅(qū)動力,但會增加空間占有率。外轉(zhuǎn)子電機憑借較大的轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少等優(yōu)點有效彌補了傳統(tǒng)電機在這方面的缺點,迅速占領(lǐng)了一些對電機驅(qū)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(zhuǎn)子電機,除了大的轉(zhuǎn)矩,還要較高的防護性。TRIZ創(chuàng)新方法解決理論提供了創(chuàng)新思路,它突破傳統(tǒng)的慣性思維,通過一些問題模型、創(chuàng)新原理、解決模型等得到解決問題的方法。
TRIZ是蘇聯(lián)天才根里奇.阿奇舒勒和蘇聯(lián)的科學家一起,經(jīng)過50多年對數(shù)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(tǒng)化的、實用的、解決發(fā)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(xiàn)的;解決辦法并不多,一般都可以學習掌握;其他領(lǐng)域的知識往往可以有效解決本領(lǐng)域的問題。
運用TRIZ理論解決問題有一套常規(guī)的解題思路,首先發(fā)現(xiàn)問題;接著運用因果鏈分析問題,找到產(chǎn)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。
首先是發(fā)現(xiàn)問題,經(jīng)過市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前市面上所用外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電機的應用領(lǐng)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(zhuǎn)結(jié)構(gòu),為了電機的運行,定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(fā)熱,需散熱、轉(zhuǎn)速高,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動不可沒有間隙,這是電機本身的運轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn),同時也需要提升電機的防護等級??稍陂g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(jié)構(gòu),消除間隙散熱的影響。
2.2.1 技術(shù)矛盾分析與方案設(shè)計
技術(shù)矛盾[2]是指改善技術(shù)系統(tǒng)中某一特性、某一參數(shù)時,引起系統(tǒng)中另一特性或參數(shù)的惡化。其主要通過39個工程參數(shù)和40個創(chuàng)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(shù)在橫向和縱向排列開來,橫向為改善的參數(shù),縱向為惡化的參數(shù),工程參數(shù)兩兩之間交叉有對應的創(chuàng)新原理序號,對應40個創(chuàng)新原理。針對實際的的問題,通過將實際問題轉(zhuǎn)變成對應的工程參數(shù),再將工程參數(shù)代入矛盾矩陣表,找到對應的創(chuàng)新原理,根據(jù)創(chuàng)新原理設(shè)計新方案。應用技術(shù)矛盾分析發(fā)現(xiàn)減小間隙可以提升防護等級,但是電機運轉(zhuǎn)的通風量受到影響,轉(zhuǎn)化成工程參數(shù),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(zhì)的量,根據(jù)矛盾矩陣表,得到02、04、18、40四條創(chuàng)新原理。根據(jù)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(xiàn)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(shè)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(jù)04增加不對稱原理,在定子機殼和轉(zhuǎn)子機殼間隙部分設(shè)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(nèi)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(shè)計
圖1 外置驅(qū)動
物理矛盾是針對系統(tǒng)中的某個參數(shù)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(zhuǎn)化成物理矛盾,物理矛盾通過分離原理得到創(chuàng)新原理,創(chuàng)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(nèi)部與外界環(huán)境分離,借助中介物原理,在定轉(zhuǎn)子間隙處增加橡膠材質(zhì)的物質(zhì)作為中介物,通過該物質(zhì)阻擋外界水、灰塵進入電機,成功將電機內(nèi)部與外界環(huán)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(zhuǎn)子機殼接觸,至此,間隙被橡膠物封住,但由于橡膠材質(zhì)的特殊性,不影響電機的正常運轉(zhuǎn)。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(shè)立專門的通道,設(shè)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(zhì)-場分析與方案設(shè)計
物質(zhì)-場分析[3]主要有三要素:物質(zhì)、場、相互作用。通過物質(zhì)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(zhì)與場建立對應的模型,根據(jù)問題模型對應的標準解設(shè)計新方案。應用物質(zhì)-場分析,根據(jù)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(zhì),幫助系統(tǒng)實現(xiàn)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(jù)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(zhì)產(chǎn)生有害作用,可通過引入另外的物質(zhì),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(jù)定轉(zhuǎn)子、電機形成的熱場,定轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)在電機內(nèi)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)
通過一系列工具的應用,得到一些提升外轉(zhuǎn)子電機防護等級的方案,對方案進行理想度、技術(shù)難度、可靠性、經(jīng)濟性等多個維度的評價,得出較為優(yōu)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。
本文應用TRIZ理論中的因果鏈分析、最終理想解分析、技術(shù)矛盾分析、物理矛盾分析和物質(zhì)-場分析等工具,得到一種新型定子機殼結(jié)構(gòu)、新型骨架結(jié)構(gòu)和新型防水結(jié)構(gòu),有效改善外轉(zhuǎn)子電機的散熱與防水,得到一種新型外轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu),有效提升了外轉(zhuǎn)子電機的防護等級。