CN106451966A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机，包括：定子和多个转子部，所述定子和多个所述转子部中的任意两个均可相对旋转；切换机构，所述切换机构通过可选地固定所述定子和多个所述转子部中的至少两个的相对位置以选取多个所述转子部中的至少一个充当可相对所述定子旋转的转子。根据本发明实施例的电机，通过切换机构可选地固定定子和多个转子部中的至少两个，从而使得多个转子部中的至少一个充当为转子，进而实现转子极数和电机运行频率的控制调节，该电机的结构紧凑，占用空间小、工作范围广，具有高转矩、高功率密度等优点。

Description

电机

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，尤其涉及一种电机。

背景技术

随着科技的发展，电机的调速功能逐渐得到更多的重视。通常情况下，由于受到电网或者驱动系统母线电压的限制，电机在兼顾转矩特性的情况下调整工作转速，往往需要进行特殊的控制或结构设计。目前比较常用的方法是采用弱磁控制，但这种方法对电机的参数有着一定的限制，无法兼顾低速大转矩和高速低转矩的运行。

相关技术中，部分电机采用变极感应调速，例如变极感应电机，在固定的电网频率下，通过改变定子绕组的连接方式，达到转子鼠笼中感应出的转子极数变化从而调整电机转速。但是，上述的调速方式不适用于同步电机，并且需要改变定子绕组的连接方式，适用范围较小，结构较为复杂。另外，还有部分电机通过采用AlNiCo等低矫顽力永磁体构成记忆电机，进而通过绕组对转子永磁体的充磁方向度进行在线调整，以达到同步电机变极的目的，然而，这种调速方式采用的低矫顽力永磁体磁能级较低，造成了电机整体功率密度远低于传统永磁同步电机，从而使得电机的实际应用范围受到较多限制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种电机，该电机的结构紧凑、占用空间小、工作范围广，可以在不改变电机绕组连接的情况下实现转子极数和运行频率的受控调整，具有高转矩、高功率密度等优点。

根据本发明实施例的电机，包括：定子和多个转子部，所述定子和多个所述转子部中的任意两个均可相对旋转；切换机构，所述切换机构通过可选地固定所述定子和多个所述转子部中的至少两个的相对位置以选取多个所述转子部中的至少一个充当可相对所述定子旋转的转子。

根据本发明实施例的电机的结构紧凑、占用空间小、工作范围广，可以在不改变电机绕组连接的情况下实现转子极数和运行频率的受控调整，具有高转矩、高功率密度等优点。

另外，根据本发明实施例的电机还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述定子和多个所述转子部沿所述电机的径向间隔嵌套设置。

根据本发明的一个实施例，所述定子在所述电机的径向上位于所述多个转子部的外侧或内侧。

根据本发明的一个实施例，所述切换机构包括：定子固定环，所述定子固定环与所述定子的相对位置固定；多个转子固定环，多个所述转子固定环分别与多个所述转子部的相对位置固定；驱动部和同步器，所述同步器由所述驱动部驱动滑动，所述同步器通过可选地与所述定子固定环和多个所述转子固定环中的至少两个配合以固定所述定子和多个所述转子部中的至少两个的相对位置。

根据本发明的一个实施例，所述驱动部为通过电磁感应驱动所述同步器滑动的控制线圈。

根据本发明的一个实施例，所述同步器、所述定子固定环和多个所述转子固定环上分别设有卡齿，所述同步器上的卡齿可选地与所述定子固定环和多个所述转子固定环中的至少两个上的卡齿啮合。

根据本发明的一个实施例，所述定子包括：定子导磁铁芯；定子绕组，所述定子绕组绕制在所述定子导磁铁芯上。

根据本发明的一个实施例，所述多个转子部包括至少一个永磁式转子部和至少一个磁阻式转子部。

根据本发明的一个实施例，所述永磁式转子部包括：转子导磁铁芯；永磁体，所述永磁体设在所述转子导磁铁芯上。

根据本发明的一个实施例，所述磁阻式转子部包括：多个导磁铁芯；多个非导磁间隔块，多个所述导磁铁芯和多个所述非导磁间隔块沿所述电机的周向交替排列。

根据本发明的一个实施例，所述电机还包括控制器，所述控制器分别与所述定子和所述切换机构通讯。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电机的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的电机在第一运行状态时的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的电机在第一运行状态时的切换机构的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的电机在第二运行状态时的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的电机在第二运行状态时的切换机构的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的电机在第三运行状态时的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的电机在第三运行状态时的切换机构的结构示意图。

附图标记：

1000：电机；100：定子；200：转子部；300：切换机构；310：定子固定环；320：转子固定环；330：驱动部；340：同步器；350：卡齿。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图1-图7描述根据本发明实施例的电机1000。

根据本发明实施例的电机1000包括定子100、多个转子部200和切换机构300。具体而言，定子100和多个转子部200中的任意两个均可相对旋转，切换机构300通过可选地固定定子100和多个转子部200中的两个的相对位置以选取多个转子部200中的至少一个充当可相对定子100旋转的转子，以驱动负载。

换言之，电机1000主要由定子100、多个转子部200和切换机构300组成。定子100、转子部200和转子部200大致形成为圆筒形结构，且沿电机1000轴向方向同轴设置，并且定子100和多个转子部200中任意两个都可以相对旋转，也就是说，任一个转子部200可以相对于定子100和其余转子部200做旋转运动。

进一步地，切换机构300可以固定定子100与一个或多个转子部200之间的相对位置，电机1000运行时，与定子100的相对位置固定的转子部200固定不转，其余转子部200充当可旋转的转子。切换机构300也可以固定多个转子部200的相对位置，电机1000运行时，多个转子部200共同充当可旋转的转子。换言之，电机1000运行时，定子100是始终不转的，而每个转子部200均可以由切换机构300控制是否可旋转来充当转子。由此，如转子部200的数量为n，则可以形成2^n-1种运行状态，从而对应2^n-1种极对数，进而在不改变电机1000绕组连接的情况下，实现电机1000的变极变压运行，即实现对转子极数和电机1000运行频率的控制调节。

由此，当电机1000工作在低速大转矩区时，采用等效极对数较高的运行状态，输出转矩大，当电机1000工作在高速运行区间时，采用等效极对数较小的运行状态，在无需进行弱磁控制的状态下自然满足高速工作需求，且因为工作频率降低，效率大幅提升，从而有效地提高电机1000的转矩密度和高功率密度，增大电机1000的应用范围。

根据本发明实施例的电机1000，利用磁导调制效应，通过将定子100和多个转子部200设置为任意两个均可相对旋转，并且利用切换机构300可选地固定其中至少两个，从而使得多个转子部200中至少一个形成为可以相对与定子100转动的转子，进而在不改变电机1000绕组连接的情况下，实现转子极数和电机1000运行频率的控制调节，从而实现电机1000的最佳效率区间在低速大转矩区间和高速低转矩区间之间的切换，有效地提高电机1000的转矩密度和高功率密度，增大电机1000的应用范围。

由于无需进行弱磁控制和改变绕组连接，工作频率降低以大幅提高了系统效率，且大幅简化了控制电路的复杂程度。

该电机1000的结构紧凑，占用空间小、工作范围广，可以在不改变电机1000绕组连接的情况下实现转子极数和运行频率的受控调整，具有高转矩、高功率密度等优点，能够实现全工作范围高效运行，适用于负载频繁变化的场合，例如电动汽车、洗衣机、风力发电和航天航空等领域。

进一步地，根据本发明实施例的电机1000还包括控制器(图中未示出)，所述控制器分别与定子100和所述切换机构300通讯。所述控制器根据上位机所需的运行状态，判断此时对应的最佳工作极对数，进而控制切换机构300切换到对应的电机工作极对数。另外，根据一定选定的极对数，所述控制器驱动定子100产生旋转磁场，进而使得电机1000输出所需的转速和转矩、功率。

可选地，定子100和多个转子部200沿电机1000的径向间隔设置，定子100在电机1000的径向上可以位于多个转子部200的外侧或内侧，即定子100可以位于最外侧或最内侧。

例如，如图1所示，定子100和转子部200的截面分别大致形成为圆环形，并且定子100和多个转子部200沿电机1000的径向方向由外向内依次间隔开设置。

也就是说，定子100和多个转子部200形成同轴布置的多层圆环形结构，且定子100位于多个转子部200的外侧，任意相邻两者之间间隔开设置，从而避免任意相邻两者之间相对旋转时产生干涉，进而影响电机1000的正常工作。

在本发明的一些实施例中，如图3、图5和图7所述，切换机构300包括定子固定环310、多个转子固定环320、驱动部330和同步器340。定子固定环310与定子100的相对位置固定，多个转子固定环320分别与多个转子部200的相对位置固定，即一个转子固定环320与一个转子部200的相对位置固定。同步器340由驱动部330驱动滑动，所述同步器340在驱动部330的驱动下通过可选地与所述定子固定环310和多个所述转子固定环320中的至少两个配合，以固定定子100和多个转子部200中的至少两个的相对位置，进而选取多个转子部200中的至少一个作为转子旋转驱动负载。由此，根据本发明的电机1000可以通过切换机构300快速地实现对每个转子部200是否可旋转的控制，从而在不改变电机1000绕组连接的情况下，实现转子极数和电机1000运行频率的控制调节，提高电机1000输出的转矩和功率，增大电机1000的应用范围。

其中，驱动部330为通过电磁感应驱动同步器340滑动的控制线圈。通过将驱动部330设为可以通过电磁感应控制同步器340滑动的控制线圈，从而可以简化电机1000内部的布线，使得电机1000整体结构更加简单。

优选地，同步器340、定子固定环310和多个转子固定环320上分别设有卡齿350，所述同步器340上的卡齿350可选地与所述定子固定环310和多个所述转子固定环320中的至少两个上的卡齿350啮合，同时与同步器340啮合的固定环的相对位置固定，从而与固定环对应的定子100和/或转子部200的相对位置固定，进而实现固定定子100和多个转子部200中的至少两个的相对位置。

在本发明的一些具体实施例中，定子100包括定子导磁铁芯和定子绕组，定子绕组绕制在定子导磁铁芯上。

具体地，定子100主要由定子导磁铁芯和定子绕组组成，定子导磁铁芯由高导磁材料构成，高导磁材料可以是硅钢片、钴钢片、坡莫合金、SMC等材料。定子绕组绕制在定子导磁铁芯上，定子绕组可以是集中绕组，也可以是分布绕组，也就是说定子绕组的跨距可以是1或者其他整数，同时，定子绕组的相数可以单相或多相，从而使得定子绕组通过AC电流，产生磁场。值得说明的是，定子导磁铁芯的具体材料、定子绕组绕组形式，以及定子绕组的相数可以根据实际的设计需求做出适应性的选择，以保证电机1000的转矩和功率密度。

可选地，多个转子部200包括至少一个永磁式转子部和至少一个磁阻式转子部。

其中，永磁式转子部包括转子导磁铁芯和永磁体，永磁体设在转子导磁铁芯上。

具体地，永磁式转子部主要由转子导磁铁芯和永磁体组成，永磁体设在转子导磁铁芯上且沿转子导磁铁芯的周向方向均匀布置。转子导磁铁芯由高导磁材料构成，高导磁材料可以是硅钢片、钴钢片、坡莫合金、SMC等材料。永磁体主要由永磁材料构成，永磁材料可以是钕铁硼、铁氧体、铝镍钴、钐钴等材料。永磁体可以通过表面贴装(SPM)、内置式(IPM)、表面嵌装(Inset PM)等方式实现与转子导磁铁芯的结合，例如，在本发明的一个示例中，永磁体以相同极性相对的方式嵌入转子导磁铁芯，从而保证永磁式转子部的结构稳定，进而产生励磁磁场。

永磁体大致形成为长条状结构，多个长条状的永磁体以相同极性相对的方式沿周向方向间隔开嵌入转子导磁铁芯,且长条状的永磁体的长条边沿径向方向布置。当然，长条状永磁体的长条边也可以沿周向方向布置，同时，永磁体的形状也可以是弧形状，多个弧形结构的永磁体以相同极性相对的方式沿周向方向间隔开嵌入转子导磁铁芯,且弧形状的永磁体的弧形边沿周向方向布置。值得说明的是，本领域技术人员可以根据实际设计需求改变永磁体的数量、形状以及布置方式，以调整等效转子极对数和工作电频率，使得在输出机械转速相同时，可以通过切换电机1000的不同运行状态(如第一状态和第二状态)实现变极变压运行。

磁阻式转子部包括多个导磁铁芯和多个非导磁间隔块，多个导磁铁芯和多个非导磁间隔块沿电机1000的周向交替排列。

具体地，磁阻式转子部主要由多个导磁铁芯和多个非导磁间隔块组成，多个导磁铁芯和多个非导磁间隔块沿电机1000的周向交替间隔布置，导磁铁芯由高导磁材料构成，高导磁材料可以是硅钢片、钴钢片、坡莫合金、SMC等材料。非导磁间隔块由非导磁材料构成，非导磁材料可以是空气、塑料、高分子聚合物、非导磁金属等材料。

下面举例描述根据本发明具体实施例的电机1000的工作过程。

如图2-图6所示，电机1000包括定子100、两个转子部200和切换机构300。其中，定子100和两个转子部200沿电机1000的径向由外至内依次间隔设置。切换机构300包括定子固定环310、两个转子固定环320、驱动部330和同步器340，定子固定环310与定子100的相对位置固定，一个转子固定环320与一个转子部200的相对位置固定，另一个转子固定环320与另一个转子部200的相对位置固定。

如图2和图3所示，电机1000处于第一运行状态时，同步器340分别与定子固定环310和一个转子固定环320啮合，从而定子100和一个转子部200的相对位置固定，另一个转子部200，即位于中间的转子部200作为可旋转的转子。

如图4和图5所示，电机1000处于第二运行状态时，同步器340分别与定子固定环310和了另一个转子固定环320啮合，从而定子100和另一个转子部200的相对位置固定，一个转子部200，即位于最内侧的转子部200作为可旋转的转子。

如图6和图7所示，电机1000处于第三运行状态时，同步器340分别与两个转子固定环320啮合，从而两个转子部200的相对位置固定，即位于最内侧的转子部200和位于中间的转子部200共同作为可旋转的转子。

本领域的技术人员可以理解地是，上述切换机构300的具体结构仅是发明的一个示例，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的电机1000的切换机构300在不改变电机1000绕组连接的情况下，实现转子极数和电机1000运行频率的控制调节，从而实现电机1000的最佳效率区间在低速大转矩区间和高速低转矩区间之间的切换，有效地提高电机1000的转矩密度和高功率密度，增大电机1000的应用范围。该电机1000的结构紧凑，占用空间小、工作范围广，可以在不改变电机1000绕组连接的情况下实现转子极数和运行频率的受控调整，具有高转矩、高功率密度等优点。

根据本发明实施例的电机的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种电机，其特征在于，包括：

定子和多个转子部，所述定子和多个所述转子部中的任意两个均可相对旋转；

切换机构，所述切换机构通过可选地固定所述定子和多个所述转子部中的至少两个的相对位置以选取多个所述转子部中的至少一个充当可相对所述定子旋转的转子。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子和多个所述转子部沿所述电机的径向间隔嵌套设置。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述定子在所述电机的径向上位于所述多个转子部的外侧或内侧。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述切换机构包括：

定子固定环，所述定子固定环与所述定子的相对位置固定；

多个转子固定环，多个所述转子固定环分别与多个所述转子部的相对位置固定；

驱动部和同步器，所述同步器由所述驱动部驱动滑动，所述同步器通过可选地与所述定子固定环和多个所述转子固定环中的至少两个配合以固定所述定子和多个所述转子部中的至少两个的相对位置。

5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述驱动部为通过电磁感应驱动所述同步器滑动的控制线圈。

6.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述同步器、所述定子固定环和多个所述转子固定环上分别设有卡齿，所述同步器上的卡齿可选地与所述定子固定环和多个所述转子固定环中的至少两个上的卡齿啮合。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电机，其特征在于，所述定子包括：

定子导磁铁芯；

定子绕组，所述定子绕组绕制在所述定子导磁铁芯上。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的电机，其特征在于，所述多个转子部包括至少一个永磁式转子部和至少一个磁阻式转子部。

9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述永磁式转子部包括：

转子导磁铁芯；

永磁体，所述永磁体设在所述转子导磁铁芯上。

10.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述磁阻式转子部包括：

多个导磁铁芯；

多个非导磁间隔块，多个所述导磁铁芯和多个所述非导磁间隔块沿所述电机的周向交替排列。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的电机，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别与所述定子和所述切换机构通讯。