CN106451968B - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机，包括励磁定子、凸极转子部、励磁转子部、切换机构和电机轴，励磁定子、凸极转子部和励磁转子部中的任意两个均可相对旋转，切换机构通过可选地固定励磁定子、凸极转子部和励磁转子部中的两个的相对位置以选取凸极转子部和励磁转子部中的至少一个充当可相对励磁定子旋转的转子，电机轴由转子驱动旋转。根据本发明实施例的电机，通过切换机构可选地固定励磁定子、凸极转子部和励磁转子部中的两个，从而使得凸极转子部和励磁转子部中至少一个形成为转子，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，包括励磁定子、凸极转子部和励磁转子部，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁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励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部中的两个的相对位置以选取所述凸极转子部和所述励磁转子部中的至少一个充当可相对所述励磁定子旋转的转子；电机轴，所述电机轴由所述转子驱动旋转。

根据本发明实施例的电机，通过将励磁定子、凸极转子部和励磁转子部设置为任意两个均可相对旋转，并且利用切换机构可选地固定其中两个，从而使得凸极转子部和励磁转子部中至少一个形成为可以相对与励磁定子转动的转子，进而在不改变电机绕组连接的情况下，实现转子极数和电机运行频率的控制调节，从而实现电机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，有效地提高电机的转矩密度和高功率密度，增大电机的应用范围。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。

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，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部沿所述电机的径向由外至内依次间隔设置。

根据本发明的一个实施例，所述切换机构在第一状态和第二状态之间可切换，所述电机轴与所述凸极转子部和所述励磁转子部中的一个传动连接，所述切换机构处于所述第一状态时固定所述励磁定子与所述凸极转子部和所述励磁转子部中的另一个的相对位置，所述切换机构处于所述第二状态时固定所述电机轴与所述凸极转子部和所述励磁转子部中的所述另一个的相对位置。

根据本发明的一个实施例，所述切换机构包括：励磁定子固定环，所述励磁定子固定环与所述励磁定子的相对位置固定；凸极转子固定环，所述凸极转子固定环与所述凸极转子部的相对位置固定；励磁转子固定环，所述励磁转子固定环与所述励磁转子部的相对位置固定，所述电机轴与所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的一个传动连接；驱动部和滑动环，所述滑动环由所述驱动部驱动滑动，所述切换机构处于所述第一状态时，所述滑动环在所述驱动部的驱动下分别与所述励磁定子固定环以及所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的另一个配合，所述切换机构处于所述第二状态时，所述滑动环在所述驱动部的驱动下分别与所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环配合。

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滑动环滑动的控制线圈。

根据本发明的一个实施例，所述滑动环、所述励磁定子固定环、所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环上分别设有卡齿，所述切换机构处于所述第一状态时，所述滑动环上的卡齿分别与所述励磁定子固定环上的卡齿以及所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的所述另一个上的卡齿啮合，所述切换机构处于所述第二状态时，所述滑动环上的卡齿分别与所述凸极转子固定环上的卡齿和所述励磁转子固定环上的卡齿啮合。

根据本发明的一个实施例，所述电机还包括定子机壳，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部均设在所述定子机壳内，所述励磁定子与所述定子机壳传动连接；端盖，所述凸极转子部和所述电机轴分别与所述端盖传动连接，所述励磁定子固定环与所述定子机壳传动连接，所述凸极转子固定环与所述电机轴传动连接，所述励磁转子固定环与所述励磁转子部传动连接。

根据本发明的一个实施例，所述切换机构设在所述励磁转子部内。

根据本发明的一个实施例，所述定子机壳与所述电机轴之间、所述端盖与所述励磁转子部之间以及所述励磁转子部与所述定子机壳之间分别通过轴承配合。

根据本发明的一个实施例，所述电机还包括定子机壳，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部均设在所述定子机壳内，所述励磁定子与所述定子机壳传动连接；端盖，所述凸极转子部与所述端盖传动连接，所述电机轴与所述励磁转子部传动连接，所述励磁定子固定环与所述定子机壳传动连接，所述凸极转子固定环与所述凸极转子部传动连接，所述励磁转子固定环与所述电机轴传动连接。

根据本发明的一个实施例，所述切换机构设在所述励磁转子部外且临近所述励磁转子部的一端。

根据本发明的一个实施例，所述定子机壳与所述电机轴之间以及所述端盖与所述电机轴之间分别通过轴承配合。

根据本发明的一个实施例，所述励磁定子包括：定子导磁铁芯和定子绕组，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，所述励磁转子部包括：转子导磁铁芯和永磁体，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，所述凸极转子部包括：多个导磁铁芯和多个非导磁间隔块，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，所述励磁定子由交流电流驱动且产生的旋转磁场的极对数为p_s，所述励磁转子部产生的励磁磁场的极对数为p_f，所述导磁铁芯的数量为p_r，其中，p_r＝|p_s±p_f|。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的电机的局部结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的电机的切换机构处于第一状态时的剖视图；

图3是根据本发明一个实施例的电机的切换机构处于第二状态时的剖视图；

图4是根据本发明一个实施例的电机在不同状态下的反电动势比较图；

图5是根据本发明另一个实施例的电机的局部结构示意图；

图6是根据本发明另一个实施例的电机的切换机构处于第一状态时的剖视图；

图7是根据本发明另一个实施例的电机的切换机构处于第二状态时的剖视图；

图8是根据本发明另一个实施例的励磁转子部的极对数为4的电机的局部结构示意图；

图9是根据本发明另一个实施例的励磁转子部的极对数为4的电机的局部结构示意图；

图10是根据本发明另一个实施例的励磁转子部的极对数为4的电机的局部结构示意图。

附图标记：

1000：电机；

100：励磁定子；

101：定子导磁铁芯；

102：定子绕组；

103：定子机壳；

200：凸极转子部；

201：导磁铁芯；

202：非导磁间隔块；

203：端盖；

300：励磁转子部；

301：转子导磁铁芯；

302：永磁体；

401：电机轴；

402(403、404)：轴承；

500：切换机构；

501：驱动部；

503：滑动环；

505：励磁定子固定环；

507：励磁转子固定环；

509：凸极转子固定环。

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至图10具体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包括励磁定子100、凸极转子部200、励磁转子部300、切换机构500和电机轴401。具体而言，励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300中的任意两个均可相对旋转，切换机构500通过可选地固定励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300中的两个的相对位置以选取凸极转子部200和励磁转子部300中的至少一个充当可相对励磁定子100旋转的转子，电机轴401由转子驱动旋转。

换言之，电机1000主要由励磁定子100、凸极转子部200、励磁转子部300、切换机构500和电机轴401组成。励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300大致形成为圆筒形结构，且沿轴向方向(如图2所示上下方向)同轴设置，并且励磁定子100、凸极转子部200、励磁转子部300三者之间任意两个都可以相对旋转，也就是说，凸极转子部200可以相对于励磁定子100或励磁转子部300做旋转运动，同时，励磁转子部300也可以相对于凸极转子部200或励磁定子100做旋转运动。

进一步地，切换机构500可以固定励磁定子100与励磁转子部300(如图2所示)之间的相对位置，也可以固定励磁转子部300与凸极转子部200(如图3和图7所示)之间的相对位置，或者固定励磁定子100与凸极转子部200(如图6所示)之间的相对位置，从而使得凸极转子部200、凸极转子部200和励磁转子部300或者励磁转子部300可以分别相对于励磁定子100旋转，形成为可相对励磁定子100旋转并且驱动电机轴401的转子，电机1000在三同状态下的转子可以驱动电机轴401旋转，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，通过将励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300设置为任意两个均可相对旋转，并且利用切换机构500可选地固定其中两个，从而使得凸极转子部200和励磁转子部300中至少一个形成为可以相对与励磁定子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。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。

可选地，励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300沿电机1000的径向由外至内依次间隔设置。

具体地，如图1和图2所示，励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300的截面大致形成为圆环形，并且励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300沿电机1000的径向方向由外向内依次间隔开设置。

也就是说，励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300分别形成同轴布置的三层圆环形结构，且凸极转子部200位于励磁定子100的内侧并位于励磁转子部300的外侧，三者之间间隔开设置，从而避免任意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。

其中，切换机构500可以固定励磁定子100与励磁转子部300(如图2所示)之间的相对位置，从而使得凸极转子部200相对于励磁定子100与励磁转子部300旋转，形成为可相对励磁定子100旋转并且驱动电机轴401的转子；切换机构500也可以固定励磁转子部300与凸极转子部200(如图3和图7所示)之间的相对位置，从而使得凸极转子部200和励磁转子部300相对于励磁定子100旋转，形成为可相对励磁定子100旋转并且驱动电机轴401的转子；或者切换机构500可以固定励磁定子100与凸极转子部200(如图6所示)之间的相对位置，从而使得励磁转子部300可以分别相对于励磁定子100与凸极转子部200旋转，形成为可相对励磁定子100旋转并且驱动电机轴401的转子，电机1000在三种状态下的转子可以分别驱动电机轴401旋转，实现电机1000的三种工作状态的切换。

在本发明的一些实施例中，切换机构500在第一状态和第二状态之间可切换，电机轴401与凸极转子部200和励磁转子部300中的一个传动连接，切换机构500处于第一状态时固定励磁定子100与凸极转子部200和励磁转子部300中的另一个的相对位置，切换机构500处于第二状态时固定电机轴401与凸极转子部200和励磁转子部300中的另一个的相对位置。

具体地，如图2和图3所示，在本实施例中，电机轴401与凸极转子部200传动连接，也就是说，电机轴401与凸极转子部200可以同步运动或同步不运动，而切换机构500可以固定励磁定子100与励磁转子部300的相对位置，也可以固定电机轴401与励磁转子部300的相对位置。

当切换机构500处于第一状态(如图2所示位置)时，切换机构500固定连接励磁定子100与励磁转子部300的相对位置，使得励磁定子100与励磁转子部300同步不运动，凸极转子部200形成可相对于励磁定子100旋转的转子；当切换机构500处于第二状态(如图3所示位置)时，切换机构500固定连接凸极转子部200与励磁转子部300的相对位置，使得凸极转子部200与励磁转子部300可以随电机轴401同步运动或者不运动，凸极转子部200和励磁转子部300形成可相对于励磁定子100旋转的转子，从而通过切换机构500实现电机1000第一状态和第二状态之间的切换，进而实现对等效转子极对数和工作点频率的调节，从而实现电机1000的变极变压运行。

当然，本发明并不限于此，在本发明的另一些示例中，电机轴401与励磁转子部300传动连接，也就是说，电机轴401与励磁转子部300可以同步运动或同步不运动，而切换机构500可以固定励磁定子100与凸极转子部200的相对位置，也可以固定电机轴401与凸极转子部200的相对位置。

如图6和图7所示，电机轴401与励磁转子部300传动连接，也就是说，电机轴401与励磁转子部300可以同步运动或同步不运动，当切换机构500处于第一状态(如图6所示位置)时，切换机构500固定连接励磁定子100与凸极转子部200的相对位置，使得励磁定子100与凸极转子部200同步不运动，励磁转子部300形成可相对于励磁定子100旋转的转子；当切换机构500处于第二状态(如图7所示位置)时，切换机构500固定连接凸极转子部200与励磁转子部300的相对位置，使得凸极转子部200与励磁转子部300可以随电机轴401同步运动或者不运动，凸极转子部200和励磁转子部300形成可相对于励磁定子100旋转的转子，从而通过切换机构500实现电机1000第一状态和第二状态之间的切换，进而实现对等效转子极对数和工作点频率的调节，从而实现电机1000的变极变压运行。

其中，切换机构500包括励磁定子固定环505、凸极转子固定环509、励磁转子固定环507驱动部501和滑动环503，励磁定子固定环505与励磁定子100的相对位置固定，凸极转子固定环509与凸极转子部200的相对位置固定，励磁转子固定环507与励磁转子部300的相对位置固定，电机轴401与凸极转子固定环509和励磁转子固定环507中的一个传动连接，滑动环503由驱动部501驱动滑动，切换机构500处于第一状态时，滑动环503在驱动部501的驱动下分别与励磁定子固定环505以及凸极转子固定环509和励磁转子固定环507中的另一个配合，切换机构500处于第二状态时，滑动环503在驱动部501的驱动下分别与凸极转子固定环509和励磁转子固定环507配合。

参照图2、图3、图6和图7，切换机构500主要由励磁定子固定环505、凸极转子固定环509、励磁转子固定环507、驱动部501和滑动环503组成。励磁定子固定环505大致形成为圆筒形结构，励磁定子固定环505的下端与电机轴401可活动连接，励磁定子固定环505与励磁定子100的相对位置固定，即励磁定子固定环505与励磁定子100之间同步不运动，凸极转子固定环509与凸极转子部200的相对位置固定，凸极转子固定环509与凸极转子部200可以同步运动(如图2、图3和图6所示)，也可以同步不运动(如图6所示)，励磁转子固定环507与励磁转子部300的相对位置固定，即励磁转子固定环507与励磁转子部300可以同步运动(如图3、图6和图7所示)，也可同步不运动(如图2所示)。

进一步地，电机轴401可以与凸极转子固定环509传动连接(如图2和图3所示，二者之间同步运动)，也可以与励磁转子固定环507传动连接(如图6和图7所示，二者之间同步运动)。滑动环503邻近励磁定子固定环505、凸极转子固定环509、励磁转子固定环507设置，并且可以通过驱动部501驱动沿轴向方向(如图2所示上下方向)移动，从而实现电机1000的不同状态之间的切换，进而实现电机1000的变极变压运行。

可选地，凸极转子部200与电机轴401传动连接，当切换机构500处于第一状态(如图2所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与励磁定子固定环505配合，另一端与励磁转子固定环507配合，从而使得励磁定子100和励磁转子部300的相对位置固定(即同步不运动)，此时，凸极转子部200形成为相对励磁定子100旋转的转子。当切换机构500处于第二状态(如图3所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与凸极转子固定环509配合，另一端与励磁转子固定环507配合，从而使得凸极转子部200和励磁转子部300的相对位置固定(即同步运动)，此时，凸极转子部200和励磁转子部300形成为相对励磁定子100旋转的转子。

在本发明的另一些示例中，励磁转子部300与电机轴401传动连接，当切换机构500处于第一状态(如图6所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与励磁定子固定环505配合，另一端与凸极转子固定环509配合，从而使得励磁定子100和凸极转子部200的相对位置固定(即同步不运动)，此时，励磁转子部300形成为相对励磁定子100旋转的转子。当切换机构500处于第二状态(如图7所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与凸极转子固定环509配合，另一端与励磁转子固定环507配合，从而使得凸极转子部200和励磁转子部300的相对位置固定(即同步运动)，此时，凸极转子部200和励磁转子部300形成为相对励磁定子100旋转的转子。

由此，根据本发明的电机1000可以通过切换机构500快速地可以实现第一状态和第二状态之间的切换，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501为通过电磁感应驱动滑动环503滑动的控制线圈。通过将驱动部501设为可以通过电磁感应控制滑动环503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，滑动环503、励磁定子固定环505、凸极转子固定环509和励磁转子固定环507上分别设有卡齿，切换机构500处于第一状态时，滑动环503上的卡齿分别与励磁定子固定环505上的卡齿以及凸极转子固定环509和励磁转子固定环507中的另一个上的卡齿啮合，切换机构500处于第二状态时，滑动环503上的卡齿分别与凸极转子固定环509上的卡齿和励磁转子固定环507上的卡齿啮合。

如图2和图3所示，滑动环503大致形成为圆筒形结构，圆筒形结构的滑动环503的内壁和外壁上分别设有卡齿，凸极转子固定环509的外壁上设有卡齿，励磁转子固定环507的内壁上设有卡齿，滑动环503内壁上的卡齿能够与凸极转子固定环509和励磁定子固定环505的外壁上的卡齿啮合配合，滑动环503外壁上的卡齿能够与励磁转子固定环507内壁上的卡齿配合，从而利用卡齿间的配合作用，增强滑动环503与励磁定子固定环505、凸极转子固定环509和励磁转子固定环507之间的连接可靠性，保证电机1000的正常运转。

具体地，当切换机构500处于第一状态(如图2所示位置)时，滑动环503外壁上的卡齿与励磁转子固定环507内壁上的卡齿啮合，滑动环503内壁上的卡齿与励磁定子固定环505外壁上的卡齿啮合，从而保证励磁定子100与励磁转子部300的传动连接，励磁定子100与励磁转子部300同步不转动；当切换机构500处于第二状态(如图3所示位置)时，滑动环503内壁上的卡齿与凸极转子固定环509外壁上的卡齿啮合，滑动环503外壁上的卡齿与励磁转子固定环507内壁上的卡齿啮合，从而保证凸极转子部200与励磁转子部300的传动连接，凸极转子部200与励磁转子部300同步转动。

在本发明的另一些示例中，如图6和图7所示，滑动环503内壁上的卡齿能够与励磁转子固定环507和励磁定子固定环505的外壁上的卡齿啮合配合，滑动环503外壁上的卡齿能够与凸极转子固定环509内壁上的卡齿配合，从而利用卡齿间的配合作用，增强滑动环503与励磁定子固定环505、凸极转子固定环509和励磁转子固定环507之间的连接可靠性，保证电机1000的正常运转。

具体地，当切换机构500处于第一状态(如图6所示位置)时，滑动环503外壁上的卡齿与凸极转子固定环509内壁上的卡齿啮合，滑动环503内壁上的卡齿与励磁定子固定环505外壁上的卡齿啮合，从而保证励磁定子100与凸极转子部200的传动连接，励磁定子100与凸极转子部200同步不转动；当切换机构500处于第二状态(如图7所示位置)时，滑动环503内壁上的卡齿与励磁转子固定环507外壁上的卡齿啮合，滑动环503外壁上的卡齿与凸极转子固定环509内壁上的卡齿啮合，从而保证凸极转子部200与励磁转子部300的传动连接，凸极转子部200与励磁转子部300同步转动。

在本发明的一些实施例中，电机1000还包括定子机壳103和端盖203，具体而言，励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300均设在定子机壳103内，励磁定子100与定子机壳103传动连接，凸极转子部200和电机轴401分别与端盖203传动连接，励磁定子固定环505与定子机壳103传动连接，凸极转子固定环509与电机轴401传动连接，励磁转子固定环507与励磁转子部300传动连接。

参照图2和图3，定子机壳103大致形成为一端(如上端)敞开的圆筒状结构，励磁定子100、凸极转子部200和励磁定子100部沿定子机壳103的径向方向由外向内依次间隔开设在定子机壳103内且同轴设置，从而通过定子机壳103对电机1000内部元件进行保护，避免意外损伤。其中，励磁定子固定环505设在定子机壳103中部上端且与定子机壳103一体成型。同时，励磁定子100与定子机壳103之间、凸极转子部200和电机轴401分别与端盖203之间、励磁定子固定环505与定子机壳103传动之间、凸极转子固定环509与电机轴401之间以及励磁转子固定环507与励磁转子部300之间均采用传动连接，也就是说，励磁定子100与定子机壳103之间、凸极转子部200和电机轴401分别与端盖203之间、励磁定子固定环505与定子机壳103传动之间、凸极转子固定环509与电机轴401之间以及励磁转子固定环507与励磁转子部300之间分别同步运动或同步不运动，例如，在本实施例中，励磁定子100与定子机壳103之间无相对运动，定子机壳103处于固定状态，则励磁定子100也处于固定状态。

当切换机构500处于第一状态(如图2所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与励磁定子固定环505配合，另一端与励磁转子固定环507配合，从而使得励磁定子100和励磁转子部300的相对位置固定(即二者处于同步不运动)，此时，凸极转子部200形成为相对励磁定子100旋转的转子。当切换机构500处于第二状态(如图3所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与凸极转子固定环509配合，另一端与励磁转子固定环507配合，从而使得凸极转子部200和励磁转子部300的相对位置固定(即二者处于同步运动)，此时，凸极转子部200和励磁转子部300形成为相对励磁定子100旋转的转子。从而通过切换机构500实现电机1000第一状态和第二状态之间的切换，进而实现对等效转子极对数和工作点频率的调节，从而实现电机1000的变极变压运行。

进一步地，切换机构500设在励磁转子部300内。

参照图2和图3，切换机构500设在励磁转子部300与电机轴401之间，且邻近励磁转子部300的一端(内壁)，从而可以简化切换机构500的电路布线，增强切换机构500控制的可靠性。值得说明的是，切换机构500可以是电磁式的，也可以是机械式的，本领域技术人员可以根据实际的设计需求进行选择。

其中，定子机壳103与电机轴401之间、端盖203与励磁转子部300之间以及励磁转子部300与定子机壳103之间分别通过轴承(402、403、404)配合。

具体地，如图2和图3所示，定子机壳103与电机轴401之间、定子机壳103的励磁定子固定环505与励磁转子部300之间、端盖203与励磁转子部300之间通过轴承(402、403、404)配合保持相互之间的距离和旋转独立性。

在本发明的另一些实施例中，电机1000还包括定子机壳103和端盖203，励磁定子100、凸极转子部200和励磁转子部300均设在定子机壳103内，励磁定子100与定子机壳103传动连接，凸极转子部200与端盖203传动连接，电机轴401与励磁转子部300传动连接，励磁定子固定环505与定子机壳103传动连接，凸极转子固定环509与凸极转子部200传动连接，励磁转子固定环507与电机轴401传动连接。

具体地，如图6和图7所示，定子机壳103大致形成为一端(如上端)敞开的圆筒状结构，励磁定子100、凸极转子部200和励磁定子100部沿定子机壳103的径向方向由外向内依次间隔开设在定子机壳103内且同轴设置，从而通过定子机壳103对电机1000内部元件进行保护，避免意外损伤。其中，励磁定子固定环505设在定子机壳103中部上端且与定子机壳103一体成型。

同时，励磁定子100与定子机壳103之间、凸极转子部200与端盖203之间、电机轴401与励磁转子部300之间、励磁定子固定环505与定子机壳103之间、凸极转子固定环509与凸极转子部200之间以及励磁转子固定环507与电机轴401之间均采用传动连接，也就是说，励磁定子100与定子机壳103之间、凸极转子部200与端盖203之间、电机轴401与励磁转子部300之间、励磁定子固定环505与定子机壳103之间、凸极转子固定环509与凸极转子部200之间以及励磁转子固定环507与电机轴401之间分别同步运动或同步不运动，例如，在本实施例中，凸极转子固定环509与凸极转子部200之间无相对运动。

当切换机构500处于第一状态(如图6所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与励磁定子固定环505配合，另一端与凸极转子固定环509配合，从而使得励磁定子100和凸极转子部200的相对位置固定(即二者处于同步不运动)，此时，励磁转子部300形成为相对励磁定子100旋转的转子。当切换机构500处于第二状态(如图7所示位置)时，滑动环503在驱动部501驱动下，一端与凸极转子固定环509配合，另一端与励磁转子固定环507配合，从而使得凸极转子部200和励磁转子部300的相对位置固定(即二者处于同步运动)，此时，凸极转子部200和励磁转子部300形成为相对励磁定子100旋转的转子。从而通过切换机构500实现电机1000第一状态和第二状态之间的切换，进而实现对等效转子极对数和工作点频率的调节，从而实现电机1000的变极变压运行。

进一步地，切换机构500设在励磁转子部300外且临近励磁转子部300的一端。

参照图6和图7，切换机构500设在励磁转子部300外且邻近励磁转子部300的一端，从而可以简化切换机构500的电路布线，增强切换机构500控制的可靠性。值得说明的是，切换机构500可以是电磁式的，也可以是机械式的，本领域技术人员可以根据实际的设计需求进行选择。

其中，定子机壳103与电机轴401之间、端盖203与电机轴401之间分别通过轴承(403、402)配合。具体地，如图6和图7所示，定子机壳103与电机轴401之间、端盖203与电机轴401之间通过轴承(403、402)配合保持相互之间的距离和旋转独立性。

其中，励磁定子100包括定子导磁铁芯101和定子绕组102，定子绕组102绕制在定子导磁铁芯101上。

参照图1和图2，励磁定子100主要由定子导磁铁芯101和定子绕组102组成，定子导磁铁芯101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102绕制在定子导磁铁芯101上，定子绕组102可以是集中绕组(如图1所示)，也可以是分布绕组(如图5所示)，也就是说定子绕组102的跨距可以是1或者其他整数，同时，定子绕组102的相数可以单相或多相，从而使得定子绕组102通过AC电流，产生磁场。值得说明的是，定子导磁铁芯101的具体材料、定子绕组102绕组形式，以及定子绕组102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。

其中，励磁转子部300包括转子导磁铁芯301和永磁体302，永磁体302设在转子导磁铁芯301上。

具体地，如图1所示，励磁转子部300主要由转子导磁铁芯301和永磁体302组成，永磁体302设在转子导磁铁芯301上且沿转子导磁铁芯301的周向方向均匀布置。转子导磁铁芯301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302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302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301的结合，例如，在本发明的一个示例中，永磁体302以相同极性相对的方式嵌入转子导磁铁芯301，从而保证励磁转子部300的结构稳定，进而产生励磁磁场。

可选地，永磁体302大致形成为长条状结构，永磁体302的数量是24，多个长条状的永磁体302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301,且长条状的永磁体302的长条边沿径向方向布置(如图1和图5所示)。当然，永磁体302的数量也可以是8，长条状永磁体302的长条边沿周向方向布置(如图9所示)，同时，永磁体302的形状也可以是弧形状，多个弧形结构的永磁体302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301,且弧形状的永磁体302的弧形边沿周向方向布置(如图8和图10所示)。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302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。

凸极转子部200包括多个导磁铁芯201和多个非导磁间隔块202，多个导磁铁芯201和多个非导磁间隔块202沿电机1000的周向交替排列。

参照图1，凸极转子部200主要由多个导磁铁芯201和多个非导磁间隔块202组成，多个导磁铁芯201和多个非导磁间隔块202沿电机1000的周向交替间隔布置，导磁铁芯201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202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。

优选地，励磁定子100由交流电流驱动且产生的旋转磁场的极对数为p_s，励磁转子部300产生的励磁磁场的极对数为p_f，导磁铁芯201的数量为p_r，其中，p_r＝|p_s±p_f|。

具体地，励磁定子100通过交流电流驱动，并产生极对数为p_s的旋转磁场，励磁转子部300产生极对数为p_f的励磁磁场，导磁铁芯201的数量为p_r，同时，导磁铁芯201的数量等于旋转磁场的极对数和励磁磁场的极对数之和或者二者之差，从而保证电机1000在不同运行状态下能够正常运行。

下面参考图1-图10通过多个具体实施例对根据本发明实施例的电机进行详细描述。

实施例一

具体地，如图1至图3所示，本实施例的电机1000为三层结构，其中，励磁定子100设在最外层，为固定不旋转的部件，励磁定子100包含定子导磁铁芯101、定子绕组102，定子机壳103。定子导磁铁芯槽数Ns＝24，定子绕组102为三相集中绕组，线圈跨距为1，定子绕组102通入三相对称电流时，产生极对数ps＝8的励磁定子旋转磁场。凸极转子部200包含导磁铁芯201、非导磁间隔块202，并通过端盖203与电机轴401直接相连，导磁铁芯201的数量pr＝20。励磁转子部300包含转子导磁铁芯301、永磁体302，永磁体302以相同极性相对的方式嵌入转子导磁铁芯301中，使得励磁转子部300产生极对数pf＝12的励磁磁场。励磁定子100、励磁转子部300、凸极转子部200以及电机轴401之间通过轴承402、403、404保持相互之间的距离和旋转独立性。

切换机构500位于励磁转子部300的内部，且包含控制线圈501、滑动环503、励磁定子固定环505、凸极转子固定环509，励磁转子固定环507，滑动连接机构503为径向内外均有齿的齿圈，励磁转子固定环507为径向内侧有齿的齿圈，励磁定子固定环505和凸极转子固定环509为径向内侧有齿的齿圈。

图2显示了本实施例的电机1000的第一运行状态，在该状态下，滑动环503在控制线圈501产生的驱动下滑向电机非轴伸侧，将励磁定子固定环505以及励磁转子固定环507啮合在一起，在此状态下励磁转子部300成为固定部件与励磁定子100保持固定的相对位置，凸极转子部在此状态下作为该电机的唯一转动部件。本实施例在第一运行状态下电机等效运行转子极对数为凸极转子部200的个数pr＝20，电机在600rpm转速下的电频率为200Hz。

图3显示了本实施例的电机1000的第二运行状态，在该状态下，控制线圈501驱动滑动环503滑向电机的轴伸端，将励磁转子固定环507以及凸极转子固定环509啮合在一起，在此状态下励磁转子部300与凸极转子部200保持相对的固定位置，成为电机的转动部件，本实施例在的第二运行状态下，电机等效运行转子极对数为ps＝8，电机在600rpm转速下的电频率仅为80Hz。

本实施例的电机1000在第一、第二运行状态下，电机轴401的转速为600rpm时的空载绕组反电动势(back-EMF)对比如图4，从图中可以明显看出电机1000在两种工作状态下的极对数和端电压差异，电机在两种运行状态下的等效极对数和运行频率的比值为5:2。

实施例二

如图5至图7所示，本实施例的电机1000为三层环形结构，励磁定子100设在最外层，为固定不旋转的部件，励磁定子100包含定子导磁铁芯101、定子绕组102、定子机壳103。定子导磁铁芯槽数Ns＝24，定子绕组102为三相分布绕组，线圈跨距为5，定子绕组102通入三相对称电流时，产生极对数ps＝4的励磁定子旋转磁场。凸极转子部200包含导磁铁芯201、非导磁间隔块202，导磁铁芯201的数量pr＝16。励磁转子部300包含转子导磁铁芯301、永磁体302，永磁体302以相同极性相对的方式嵌入转子导磁铁芯301中，使得励磁转子部300产生极对数pf＝12的励磁磁场，励磁转子部300直接与电机轴401相连。励磁定子100、励磁转子部300、凸极转子部200以及电机轴401之间通过轴承402、403保持相互之间的距离和旋转独立性。

切换机构500在本实施例中位于电机端部，包含控制线圈501、滑动环503、励磁定子固定环505、凸极转子固定环509，励磁转子固定环507，滑动环503为径向内侧和外侧都有齿的齿圈，励磁定子固定环505和励磁转子固定环507为径向外侧有齿的齿圈，凸极转子固定环509为径向内侧有齿的齿圈。

图6显示了本实施例的电机1000的第三运行状态，在该状态下，滑动环503在控制线圈501产生的驱动下滑向电机非轴伸侧，将励磁定子固定环505以及凸极转子固定环509啮合在一起，在此状态下凸极转子部200成为固定部件与励磁定子100保持固定的相对位置，励磁转子部300在此状态下作为该电机的唯一转动部件。本实施例在第三运行状态下电机等效运行转子极对数为pf＝12，电机在600rpm转速下的电频率为120Hz。

图7显示了本实施例的电机1000的第二运行状态，在该状态下，控制线圈501驱动滑动环503滑向电机的轴伸端，将励磁转子固定环507以及凸极转子固定环509啮合在一起，在此状态下励磁转子部300与凸极转子部200保持相对的固定位置，成为电机的转动部件，本实施例在的第二运行状态下，电机等效运行转子极对数为ps＝4，电机在600rpm转速下的电频率仅为40Hz。

本实施例在本发明第三、第二运行状态下的等效极对数和运行频率的比值为3:1。上述的两个实施例的电机1000均具有两种工作状态，可以实现两种工作状态的自由切换，操作方便。

另，以pf＝4为例，本发明励磁转子部300除前述实施例描述外的一些其他典型实现形式如图8和图10所示，即励磁转子部300的永磁体302形成弧形。

本发明实施例的电机1000的切换机构500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 (16)

1.一种电机，其特征在于，包括：

励磁定子、凸极转子部和励磁转子部，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁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励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部中的两个的相对位置以选取所述凸极转子部和所述励磁转子部中的至少一个充当可相对所述励磁定子旋转的转子；

电机轴，所述电机轴由所述转子驱动旋转。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部沿所述电机的径向由外至内依次间隔设置。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述切换机构在第一状态和第二状态之间可切换，所述电机轴与所述凸极转子部和所述励磁转子部中的一个传动连接，

所述切换机构处于所述第一状态时固定所述励磁定子与所述凸极转子部和所述励磁转子部中的另一个的相对位置，

所述切换机构处于所述第二状态时固定所述电机轴与所述凸极转子部和所述励磁转子部中的所述另一个的相对位置。

4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，所述切换机构包括：

励磁定子固定环，所述励磁定子固定环与所述励磁定子的相对位置固定；

凸极转子固定环，所述凸极转子固定环与所述凸极转子部的相对位置固定；

励磁转子固定环，所述励磁转子固定环与所述励磁转子部的相对位置固定，所述电机轴与所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的一个传动连接；

驱动部和滑动环，所述滑动环由所述驱动部驱动滑动，

所述切换机构处于所述第一状态时，所述滑动环在所述驱动部的驱动下分别与所述励磁定子固定环以及所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的另一个配合，

所述切换机构处于所述第二状态时，所述滑动环在所述驱动部的驱动下分别与所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环配合。

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滑动环滑动的控制线圈。

6.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述滑动环、所述励磁定子固定环、所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环上分别设有卡齿，

所述切换机构处于所述第一状态时，所述滑动环上的卡齿分别与所述励磁定子固定环上的卡齿以及所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的所述另一个上的卡齿啮合，

所述切换机构处于所述第二状态时，所述滑动环上的卡齿分别与所述凸极转子固定环上的卡齿和所述励磁转子固定环上的卡齿啮合。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的电机，其特征在于，还包括：

定子机壳，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部均设在所述定子机壳内，所述励磁定子与所述定子机壳传动连接；

端盖，所述凸极转子部和所述电机轴分别与所述端盖传动连接，

所述励磁定子固定环与所述定子机壳传动连接，所述凸极转子固定环与所述电机轴传动连接，所述励磁转子固定环与所述励磁转子部传动连接。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述切换机构设在所述励磁转子部内。

9.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述定子机壳与所述电机轴之间、所述端盖与所述励磁转子部之间以及所述励磁转子部与所述定子机壳之间分别通过轴承配合。

10.根据权利要求4-6中任一项所述的电机，其特征在于，还包括：

定子机壳，所述励磁定子、所述凸极转子部和所述励磁转子部均设在所述定子机壳内，所述励磁定子与所述定子机壳传动连接；

端盖，所述凸极转子部与所述端盖传动连接，所述电机轴与所述励磁转子部传动连接，

所述励磁定子固定环与所述定子机壳传动连接，所述凸极转子固定环与所述凸极转子部传动连接，所述励磁转子固定环与所述电机轴传动连接。

11.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述切换机构设在所述励磁转子部外且临近所述励磁转子部的一端。

12.根据权利要求10所述的电机，其特征在于，所述定子机壳与所述电机轴之间以及所述端盖与所述电机轴之间分别通过轴承配合。

13.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述励磁定子包括：

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。

14.根据权利要求13所述的电机，其特征在于，所述励磁转子部包括：

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。

15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，所述凸极转子部包括：

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。

16.根据权利要求15所述的电机，其特征在于，所述励磁定子由交流电流驱动且产生的旋转磁场的极对数为p_s，所述励磁转子部产生的励磁磁场的极对数为p_f，所述凸极转子部的所述导磁铁芯的数量为p_r，其中，p_r＝|p_s±p_f|。