基于TRIZ理論的外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(tǒng)電機(jī)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(dòng)力，需要不斷加大電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)來提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，但會(huì)增加空間占有率。外轉(zhuǎn)子電機(jī)憑借較大的轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間少等優(yōu)點(diǎn)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電機(jī)在這方面的缺點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了一些對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力要求較高的市場。隨著人們生活水平的提高，對(duì)各類電器的要求越來越高，對(duì)電器所用電機(jī)的要求也越來越高。對(duì)于外轉(zhuǎn)子電機(jī)，除了大的轉(zhuǎn)矩，還要較高的防護(hù)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。

1 TRIZ理論介紹

1.1 TRIZ來源與核心思想

TRIZ是蘇聯(lián)天才根里奇.阿奇舒勒和蘇聯(lián)的科學(xué)家一起，經(jīng)過50多年對(duì)數(shù)以百萬計(jì)的專利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識(shí)進(jìn)行研究、整理和歸納，最終建立起來的一套系統(tǒng)化的、實(shí)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?cè)诮鉀Q問題時(shí)遇到的矛盾和解決辦法是重復(fù)出現(xiàn)的；解決辦法并不多，一般都可以學(xué)習(xí)掌握；其他領(lǐng)域的知識(shí)往往可以有效解決本領(lǐng)域的問題。

1.2 TRIZ理論解題思路

運(yùn)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(yùn)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(dá)到理想解的障礙；最后運(yùn)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(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 問題與分析

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(jī)的防護(hù)等級(jí)只能達(dá)到IP56，無法達(dá)到IP67，這嚴(yán)重限制了外轉(zhuǎn)子電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

通過因果鏈分析，電機(jī)防護(hù)等級(jí)低會(huì)導(dǎo)致外界空氣中的水和灰塵進(jìn)入電機(jī)，導(dǎo)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(jī)的磁路和電路，導(dǎo)致電機(jī)損壞。究其防護(hù)等級(jí)差的原因，主要是其特殊的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，為了電機(jī)的運(yùn)行，定轉(zhuǎn)子機(jī)殼間需要間隙，間隙的存在也有利于電機(jī)的散熱，電機(jī)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(diǎn)集中散熱和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩散熱。因此導(dǎo)致電機(jī)防護(hù)等級(jí)差的四個(gè)根本原因：電機(jī)特殊運(yùn)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(diǎn)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(dá)到理想解的障礙是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不可沒有間隙，這是電機(jī)本身的運(yùn)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(jī)帶來的影響，既要不影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也需要提升電機(jī)的防護(hù)等級(jí)。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(jī)其他結(jié)構(gòu)，消除間隙散熱的影響。

2.2 TRIZ工具及方案設(shè)計(jì)

2.2.1 技術(shù)矛盾分析與方案設(shè)計(jì)

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(shí)，引起系統(tǒng)中另一特性或參數(shù)的惡化。其主要通過39個(gè)工程參數(shù)和40個(gè)創(chuàng)新原理組成的矛盾矩陣表，找到解決問題的方案，39個(gè)工程參數(shù)在橫向和縱向排列開來，橫向?yàn)楦纳频膮?shù)，縱向?yàn)閻夯膮?shù)，工程參數(shù)兩兩之間交叉有對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理序號(hào)，對(duì)應(yīng)40個(gè)創(chuàng)新原理。針對(duì)實(shí)際的的問題，通過將實(shí)際問題轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)，再將工程參數(shù)代入矛盾矩陣表，找到對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理，根據(jù)創(chuàng)新原理設(shè)計(jì)新方案。應(yīng)用技術(shù)矛盾分析發(fā)現(xiàn)減小間隙可以提升防護(hù)等級(jí)，但是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的通風(fēng)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(duì)防護(hù)等級(jí)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(jī)通風(fēng)量受到影響，影響電機(jī)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(shí)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(jì)如圖1所示。在原本只有一個(gè)空間的定子機(jī)殼中間加一層隔板，變成兩個(gè)空間，將電路板抽取出來，放入另一空間；根據(jù)04增加不對(duì)稱原理，在定子機(jī)殼和轉(zhuǎn)子機(jī)殼間隙部分設(shè)置不對(duì)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(jìn)，最終排出，沒有進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的入口，可以防止水和灰塵的進(jìn)入。

2.2.2 物理矛盾分析與方案設(shè)計(jì)

圖1 外置驅(qū)動(dòng)

物理矛盾是針對(duì)系統(tǒng)中的某個(gè)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(yīng)用得到解決方案。應(yīng)用物理矛盾分析，對(duì)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(hù)等級(jí)高，散熱差；間隙大，散熱好，防護(hù)等級(jí)低。通過空間分離，將電機(jī)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(jìn)入電機(jī)，成功將電機(jī)內(nèi)部與外界環(huán)境分離，如圖2所示。在定子機(jī)殼上用U形軟骨架固定橡膠物，橡膠物的凸點(diǎn)與轉(zhuǎn)子機(jī)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(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過整體與部分分離，將定子與過橋線焊點(diǎn)分離，解決焊點(diǎn)集中散熱的問題，借助組合原理，為定子繞組過橋線焊點(diǎn)設(shè)立專門的通道，設(shè)計(jì)一種新型骨架，為過橋線焊點(diǎn)留出專門的繞線柱和過線槽，分散過橋線焊點(diǎn)，這種分離可以避免焊點(diǎn)集中散熱。

2.2.3 物質(zhì)-場分析與方案設(shè)計(jì)

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(gè)問題模型對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，可將問題中的物質(zhì)與場建立對(duì)應(yīng)的模型，根據(jù)問題模型對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解設(shè)計(jì)新方案。應(yīng)用物質(zhì)-場分析，根據(jù)繞組、水和磁場的問題模型，水對(duì)繞組有害，影響電機(jī)磁場，間隙的存在導(dǎo)致水會(huì)進(jìn)入電機(jī)，破壞繞組，找到標(biāo)準(zhǔn)解2，如果已有對(duì)象無法按需改變，可通過添加物質(zhì)，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，間隙的存在導(dǎo)致必然有水通過其進(jìn)入電機(jī)，繞組會(huì)被水影響，繞組這個(gè)對(duì)象無法改變，可通過添加漆膜添加物，增強(qiáng)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(jìn)入電機(jī)會(huì)影響電場，利用標(biāo)準(zhǔn)解法11，某個(gè)場對(duì)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(duì)電場有影響，反過來即電場對(duì)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(duì)水和灰塵的有害作用。根據(jù)定轉(zhuǎn)子、電機(jī)形成的熱場，定轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)在電機(jī)內(nèi)部形成熱場，熱場不易控制，無法阻擋外界水、灰塵進(jìn)入。利用標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(qiáng)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)

2.3 方案評(píng)估

通過一系列工具的應(yīng)用，得到一些提升外轉(zhuǎn)子電機(jī)防護(hù)等級(jí)的方案，對(duì)方案進(jìn)行理想度、技術(shù)難度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)維度的評(píng)價(jià)，得出較為優(yōu)秀的幾個(gè)方案進(jìn)行實(shí)施。對(duì)方案實(shí)施遇到的問題，可以通過一定的手段進(jìn)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(jié)束語

本文應(yīng)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(jī)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(jī)的散熱與防水，得到一種新型外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，有效提升了外轉(zhuǎn)子電機(jī)的防護(hù)等級(jí)。