CN107623422B - 一种高可靠紧凑型三维磁通回路的电机及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高可靠紧凑型的三维磁通回路的电机及其应用，所述3维磁通回路的电机包括定子及转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面；所述定子环状定子导磁体和环形线圈，所述转子包括围绕电机轴均布的U型截面的转子导磁体和相邻转子导磁体之间夹设的转子永磁体，所述转子永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对；所述定子导磁体上设置有按照转子导磁体的角度错位对应的定子导磁体凸齿，定子导磁体凸齿和转子的间隔为气隙；本发明的电机可以应用作为电动机和角度传感器。本发明的技术方案的结构设计，构成了三维的磁通回路结构具有很高的能量密度，具有结构紧凑、低磁干扰、重量轻、可靠性高、便于安装定位的优点，应用前景广阔。

Description

一种高可靠紧凑型三维磁通回路的电机及其应用

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种高可靠紧凑型的三维磁通回路的电机及其应用。

背景技术

在一些特定的工作条件下，为满足力矩的需求条件，要求电机的轴向尺寸尽可能的小。这就需要电机有很高的能量密度的结构方式，而传统电机的结构方式无法满足此要求，且大部分电机轴向尺寸过大。传统电机的结构中，如：凸极电机的结构，由于存在绕组的端头，占去很多尺寸；横向磁通电机，绕组的端头没有了，但是采用的爪极，需要导磁材料为粉末合金，或者复杂的硅钢片拼接，抗震动能力差；还有径向磁通的电机，虽然能有所提高能量密度，但是抗震动能力更差。因此需要一种具有高可靠性有具有结构紧凑而且重量轻、体积小、可靠性高的电机，以满足特定工作条件的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是克服现有技术的不足，提供一种轴向尺寸小并且重量轻、高可靠性的紧凑型电机；本发明的目的之二是应用本发明电机的结构设计，提供一种重量轻、高可靠性的紧凑型的角度传感器。

本发明的方案之一是提供一种采用3维磁通回路的电机，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面；所述定子包括U型截面的环状定子导磁体，其U型凹面朝外，在所述定子导磁体U型凹面内设有环形线圈，所述定子导磁体凹面被所述环形线圈包裹；所述转子的U型凹面朝内，所述转子包括围绕电机轴均布的U型截面的转子导磁体，在相邻转子导磁体之间夹有U型截面的转子永磁体，所述转子永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对；所述定子导磁体上设置有按照转子导磁体的角度错位对应的定子导磁体凸齿，定子导磁体凸齿和转子的间隔为气隙。

本发明的方案之二是提供一种采用3维磁通回路的电机，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面；所述定子包括U型截面的定子导磁体和U型截面的定子永磁体，定子导磁体围绕电机轴均布，在相邻定子导磁体之间夹有定子永磁体，所述定子导磁体和永磁体的U型凹面朝外，在所述U型凹面内设有环形线圈，定子导磁体和定子永磁体共同被这个环形线圈包裹，所述永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对；所述转子的U型凹面朝内，所述转子包括U型截面转子导磁体，所述转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子的间隔为气隙。

本发明的方案之三是提供一种采用3维磁通回路的电机，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括围绕电机轴均布的U型截面定子导磁体，在相邻定子导磁体之间夹有U型截面去掉一侧的齿的定子永磁体，所述定子导磁体和永磁体的U型凹面朝外，在所述U型凹面内设有环形线圈，定子导磁体和定子永磁体共同被这个环形线圈包裹，所述永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对，在所述定子永磁体去掉齿的一侧的定子导磁体U型齿上绕着多个齿线圈，所有齿线圈绕线方向一致；所述转子的U型凹面朝内，所述转子包括U型截面转子导磁体，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子的间隔为气隙。

本发明的方案之四是提供一种采用3维磁通回路的电机，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括U型截面定子导磁体、绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体上的环形线圈、以及缠绕在定子导磁体齿上的齿线圈作为励磁线圈，定子导磁体上设置了定子导磁体凸齿，定子导磁体裹着这个环形线圈；所述转子包括U型截面转子导磁体，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。

本发明的方案之五是提供一种采用3维磁通回路的电机，包括转子及包围该转子的定子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述转子包括U型截面的环状转子导磁体，其U型凹面朝外；所述定子包括围绕电机轴均布的U型截面的定子导磁体，在相邻定子导磁体之间夹有U型截面的定子永磁体，所述定子永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对，在所述定子永磁体和定子导磁体U型凹面内设有环形线圈，所述定子导磁体凹面被所述环形线圈包裹；所述转子导磁体上设置有按照转子导磁体的角度错位对应的定子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子的间隔为气隙。

本发明的方案之六是提供一种采用三维磁通回路的电机的角度传感器，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括由多层硅钢片卷绕旋压而成的U型截面定子导磁体、绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体上的环形线圈作为激励线圈、以及缠绕在定子导磁体一侧齿上的齿线圈作为检测线圈，定子导磁体上设置了定子导磁体凸齿，定子导磁体裹着这个环形线圈，所有齿线圈绕线方向一致，所述转子包括U型截面转子导磁体，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。

本发明的技术方案的结构设计，构成了三维的磁通回路，这种三维磁通回路是具有很高的能量密度的结构方式，使得电机的结构紧凑，提供高能量输出，并降低磁干扰，此外，由于本发明的导磁体的结构设计，在所述导磁体上开设了凹槽，使得导磁体的重量减轻了，整个电机的重量也减轻了，并十分便于径向的安装定位。采用聚磁结构，提高了可用的磁场强度，独特的结构方式和材料选择减少了电机本身的漏磁，工作中对周围电磁相关的工作单元影响大大降低。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图只提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

具体实施方式

附图说明

图1是本发明的3维磁通回路的电机的实施例一的示意图；

图2是本发明实施例一的电机的构成部件分解示意图；

图3是本发明实施例一的电机结构部分解剖示意图；

图4是本发明实施例一的电机电角度0度、90度时磁力线示意图；

图5是本发明实施例一在两组齿气隙处电角度0时的磁密的状态；

图6是本发明实施例一在两组齿气隙处电角度90时的磁密的状态；

图7是发明实施例一环形线圈上的匝链磁通随旋转角度的变化曲线示意图；

图8是发明实施例一环形线圈短路状态下随旋转角度产生感应电流变化示意图；

图9是本发明实施例一的电机力矩随旋转角度的变化曲线示意图

图10是本发明实施例一的电机工作时的电机电流2A时力矩随角度的变化曲线示意图

图11是本发明实施例二的电机示意图；

图12是本发明实施例二的电机的构成部件分解结构示意图；

图13是本发明实施例三的电机示意图；

图14是本发明实施例三的一个具体实施方式电路连接图；

图15是本发明实施例四的电机示意图；

图16是本发明实施例四的一个具体实施方式电路连接图；

图17是本发明实施例五的电机结构示意图；

图18是本发明实施例五的一个具体实施方式电路连接图；

图19是本发明实施例六的电机结构示意图；

图20是本发明实施例六的电机的构成部件分解结构示意图；

附图标记

实施例一附图标记

11定子 111定子导磁体 112环形线圈 1111定子导磁体前凸齿

1112定子导磁体后凸齿 1113定子导磁体凹槽

12转子 121转子永磁体 122转子导磁体 1221转子N极导磁体 1222转子S极导磁体 1231前气隙 1232后气隙 124转子导磁体凹槽

实施例二附图标记

21定子 2110定子永磁体 211定子导磁体 2111定子N极导磁体 2112定子S极导磁体 212环形线圈 2113定子U型凹面

22转子221转子导磁体 2211转子导磁体前齿 2212转子导磁体后齿 2213转子导磁体凹面

实施例三附图标记

31定子 311定子导磁体 3110定子永磁体 312环形线圈 3121齿线圈31212余弦线圈 31211正弦线圈

32转子 33PWM控制单元

实施例四附图标记

41定子 411定子导磁体 412环形线圈 4121齿线圈 41211余弦线圈241212正弦线圈3 41213余弦线圈0 41214正弦线圈1 42转子 43控制单元

实施例五附图标记

51定子 511定子导磁体 512环形线圈 5121齿线圈 51211余弦线圈51212正弦线圈 52转子 53PWM控制单元

实施例六附图标记

61定子 611定子导磁体 6110定子永磁体 6111N极导磁体 6112S极导磁体 612环形线圈 6113U型凹面

62转子 621转子导磁体 6211转子导磁体前凸齿、6212转子导磁体后凸齿

实施例一

结合图1至图3所示，是本发明的实施例一的结构示意图，所示的是一种采用3维磁通回路的永磁电机，在本实施例中，永磁电机的结构为内定子外转子结构，如图1、图2和图3所示，包括定子11及包围该定子11的转子12，定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子11包括U型截面的环状定子导磁体111，其U型凹面朝外，在所述定子导磁体U型凹面内设有环形线圈112，所述定子导磁体111凹面被所述环形线圈112包裹；所述转子12包括围绕电机轴均布的U型截面的转子永磁体121和转子导磁体122，所述转子永磁体121周向充磁，夹在相邻的转子永磁体122中间，且相邻转子永磁体121的极性相对。由于相邻转子永磁体121的极性相对，可以起到聚磁的效果，并将转子导磁体分为N级导磁体1221和S极导磁体1222；所述定子导磁体111上设置有按照转子导磁体122的角度错位对应的定子导磁体前凸齿1111、定子导磁体后凸齿1112，凸齿间间隔有气隙，即前气隙1231、后气隙1232。通过转子导磁体122的自身结构设计，将磁场方向由周向改为径向。

在本实施例中，三维磁通回路的磁场方向是由本发明特有的结构设计所确定的，如图4所示，本实施例的所述外转子内定子的结构为采用聚磁结构的设计，通过对于永磁体并联布置，环形充磁，并使相邻永磁体的充磁方向相反，相同磁极通过磁导率很高的导磁体组成一个共同磁极，构成三维磁通结构。此结构设计给出的安装方式与现有技术的永磁体表面安装相比，很好地增大了磁感应强度。

进一步的，在本发明中一个具体的实施方式是，所述定子导磁体111采用多层硅钢片卷绕、旋压而成的U型截面的定子硅钢片导磁体，如图3中所示，所述定子导磁体111为多层硅钢片旋压卷绕成截面为U型的环状，再被切割，按照需要去除多余的部分，使其U型凹面相互对应配合，构成多层硅钢片定子导磁体和转子导磁体；绕着电机轴向缠绕在该定子硅钢片上的环形绕组112，环形线组112围绕电机轴绕在定子导磁体111的凹面内，该定子硅钢片111裹着这个环形绕组112，转子导磁体121为多层硅钢片旋压卷绕成截面为U型的环状，再按需求进行分割均布，使其U型凹面朝内。即如图1至3所示，所述转子12包括围绕电机轴均布的由多层硅钢片卷绕旋压而成截面U型的转子硅钢片导磁体122、123，以及夹在相邻转子硅钢片之间的永磁体121，并且相邻永磁体121极性相对。由于相邻转子永磁体121极性相对，可以起到聚磁的效果，并将转子导磁体122分为N级导磁体1221和S极导磁体1222；在本实施例中的外转子结构中，转子导磁体122通过本发明给出的结构设计，外转子永磁体通过和外转子导磁体接触，将磁场方向沿硅钢片改变为径向，因此基于自身结构而将磁场方向由周向改为径向。

通过仿真优化结果，在转子导磁体1221、1222上开设了凹槽124，在定子导磁体上也开设了凹槽1113，这样的设计一方面很好地降低了磁干扰，提高了电机的可靠性，同时也减轻了导磁体的重量，从而整个电机的重量也减轻了，使得电机结构紧凑轻便，并且由于具有的凹槽设计，更加便于径向的安装定位。

当电机的电角度为0度的时候，永磁体的磁力线，由转子上N极导磁体的U形截面，将磁场方向由垂直转子永磁体表面的方向引导为径向。磁通匝链上的磁通量最多，此时电机的磁通状态最稳定。

当电机的电角度为90度时，永磁体的磁力线，由转子上N极导磁体的U形截面，将磁场方向由垂直转子永磁体表面的方向引导为径向。磁通匝链上的磁通为零。

由于相邻转子永磁体121的极性相对，使得转子永磁体121和转子N极导磁体1221、转子S极导磁体1222之间的接触面积大于转子导磁体122和定子导磁体111之间导磁凸齿的接触面积，所以会产生聚磁的效果，本发明中所列电机的聚磁效果为2倍左右。在具体的实施方式中，转子导磁体采用多层硅钢片卷绕而成，可以减少涡流。由于转子导磁体的截面为U形，可以将磁场方向由垂直转子永磁体表面的方向引导为径向。

结合图4A所示，是该电机在电角度为0度时的磁力线示意图，此时，磁场从转子永磁体121的N极出发，通过转子N级导磁体1221由圆周方向改变为直径方向，所述磁场再通过前气隙1231经定子导磁体前侧的定子导磁体前凸齿1111到该定子导磁体相邻的另一侧的定子导磁体后凸齿1112，再通过后气隙1232最终回到转子12的S级导磁体1222上形成一个三维磁路，此时环形线圈112上的匝链磁通最大。结合图5，此时气隙上的磁密分布可以看出绝大多数磁场都通过气隙形成闭合回路，漏磁很小。

请结合图4B和4C，所示的是电机在电角度为90度时的磁力线示意图。在电角度为90度时，此时转子N极导磁体1221出发的磁场通过气隙经同一个定子导磁体凸齿再通过气隙最终回到转子S极导磁体1222，形成一个三维磁路,此时环形线圈上的匝链磁通最小，几乎没有。请结合图6可见，此时气隙上的磁密分布可以看出绝大多数磁场都通过气隙形成闭合回路，漏磁很小。

附图5所示的是，本发明实施例一在两组齿气隙处在电角度0时，气隙磁密、电角度、轴向尺寸的三维状态关系图；图6所示的是所示的是本发明实施例一在气隙中心处在电角度90时，气隙磁密、电角度、轴向尺寸的三维状态关系图。图5、图6体现了发电机工作时的磁密状态，在作为发电机时，转子每转过一个的角度，在通过定子相邻的两侧齿之间的磁通匝链上的磁通发生变化，绕组线圈上产生感应电动势。

图7是发明实施例一环形线圈上的匝链磁通随旋转角度的变化曲线示意图，水平轴为转子角度，垂直轴是感应电动势，图7表现了在电机工作时环形线圈112上的匝链磁通的变化状态，水平轴为转子角度，垂直轴是感应电动势，环形线圈112上的匝链磁通变化会在环形线圈112上产生感应电动势。在作为发电机时，转子每转过一个的角度，通过定子相邻的两侧齿之间的磁通发生变化，环形线圈112上匝链磁通的变化，在环形线圈112上产生感应电动势，结合图8所示，图8是本发明实施例一环形线闭合回路状态下随旋转角度产生感应电流变化示意图，环形线圈112在闭合回路下工作时产生感应电流，水平轴为转子角度，垂直轴是感应电动流。

本发明实施例一的一个具体实施方案，在作为电动机时，给定子环形线圈112提供交变电流，定子环形线圈112产生交变磁场。请再结合图4所示，由于定子导磁体111的截面为U型，可以将磁场方向引导为径向，此径向磁场按照交变电流的频率改变方向。由于环形线圈112产生的交变磁场的存在，由永磁体产生的绕阻匝链磁通发生变化，磁场向最容易通过的回路方向汇集，转子相对于定子发生转动，产生一个转动的力矩。

图9是本发明实施例一的电机力矩随旋转角度的变化曲线示意图，结合图9，为在此结构下模拟仿真出来的在电流为2A时电机转动过程中的力矩。

在作为发电机工作在制动状态下时，结合图9所示，电磁力矩、锁定力矩和涡流力矩这所有力矩的和为电机的输出力矩，由于锁定力矩的存在，电机锁定力矩的方向总是朝向电角度为0度的时候，由于此时环形线圈上的匝链磁通量最多，此时电机的磁通状态最稳定，可以作为制动作用。

本实施例的产品既可以做发电机，也可以做电动机。

图10是本发明实施例一的电机工作时的电机电流2A时力矩随角度的变化曲线示意图，该曲线图是代表本发明专利实施例具有所述的功能。

实施例二

附图11、12所示的本发明实施例二的结构示意图，一种采用3维磁通回路的电机，所述电机为永磁电机，包括定子21及包围该定子21的转子22，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子21包括围绕电机轴均布的U型截面定子导磁体211，在相邻定子导磁体之间夹有U型截面定子永磁体2110，所述定子导磁体211和永磁体2110的U型凹面朝外，在所述定子的U型凹面2113内设有环形线圈212，所述定子永磁体2110周向充磁，相邻永磁体极性相对，定子导磁体211和定子永磁体2110共同被这个环形线圈212包裹；所述转子22包括U型截面转子导磁体221，U型凹面朝内。由于所述定子永磁体2110为周向充磁，夹在相邻的定子导磁体211之间，并且相邻永磁体2110的磁性相对，使定子导磁体分为N极导磁体2111和S极导磁体2112。

一个具体的实施方式是，所述定子导磁体211和转子导磁体221由多层硅钢片卷绕，并且旋压成U型截面定子导磁体，转子导磁体221具有按照定子导磁体的角度错位相对的转子导磁体凸齿2211、2212。所述定子环形线圈212绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体211和定子永磁体2110上，定子导磁体211和定子永磁体2110共同裹着这个环形线圈。

同样，在本实施例中的定子磁导体和转子磁导体如前面实施例所述，优选的是由多层硅钢片通过卷绕、旋压加工成截面U型后，被去除多余部分而制成。

实施例三

附图13、14所示的本发明实施例三的结构示意图，一种采用3维磁通回路的电机，所述电机为永磁电机，包括定子31及包围该定子的转子32，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括围绕电机轴均布的U型截面定子导磁体311，在相邻定子导磁体311之间夹有U型截面定子永磁体3110去掉一侧的齿，所述定子导磁体311和永磁体3110的U型凹面朝外，在所述U型凹面内设有环形线圈312，所述定子永磁体3110周向充磁，相邻永磁体3110极性相对，定子导磁体311和定子永磁体3110共同被这个环形线圈312包裹，在所述定子永磁体3110去掉齿的一侧的定子导磁体311的U型齿上绕着多个齿线圈3121，所有齿线圈3121绕线方向一致；所述转子32包括U型截面转子导磁体，转子导磁体32上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。

在本实施例中的电机，可以应用于作为角度传感器，即本实施例的电机，在作为电机时同时拥有角度传感器的功能，在本实施例中，在定子导磁体凸齿上缠绕有齿线圈3121，所有齿线圈3121绕线方向一致，所有齿线圈3121都是独立的，在应用上，可以按照具体功能将齿线圈相连接为多组，如多组余弦线圈和正弦，例如，将间隔一个齿上的齿线圈3121相连接，使其连接为2组齿线圈，其定义为余弦线圈31212和正弦线圈31211，使环形线圈312、余弦线圈31212和正弦线圈31211共同接入PWM控制单元33，环形线圈312提供激励。

具体而言，当在作为电动机工作时，环形线圈312作为励磁绕组，齿线圈3121作为次级输出绕组，余弦线圈31212作为余弦相输出绕组，正弦线圈31211作为正弦相输出绕组。输入电压可以写成(1)式：

U₁(t)＝U_1msinωt

(1)

其中，U_1m为励磁电压的幅值，ω为励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，由于本发明的结构设计，使得所述交变磁通为3维磁通回路，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两组绕组输出相位差90°，因而两相输出电压如式(2)所示：

U_2Fs(t)＝U_2Fmsin(ωt+α_F)sinθ_F

U_2Fc(t)U_2fmsin(ωt+α_F)cosθ_F (2)

其中，U_2Fs为正弦相的输出电压，U_2Fc为余弦相的输出电压，U_2Fm为次级输出电压的幅值；α_F为励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ_F电机转子的转角。励磁电压和次级输出电压是同频率的，但存在着相位差。正弦相的输出电压和余弦相的输出电压在电的时间相位上是同相的，但幅值彼此随转角分别作正弦和余弦函数变化。通过检测环形线圈312上的电压变化，余弦线圈31212和正弦线圈31211上的电压变化，一定的解算算法，就能将电机的转子位置角和转速计算出来。

实施例四

附图15所示的本发明实施例四的结构示意图，一种采用3维磁通回路的电机，所述电机为电励磁电机，包括定子41及包围该定子的转子42，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，该定子41包括U型截面的定子导磁体411、绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体上的环形线圈412、以及缠绕在定子导磁体齿上的齿线圈4121作为励磁线圈，定子导磁体上设置了定子导磁体凸齿，定子导磁体411裹着这个环形线圈412，所有齿线圈4121绕线方向一致。所述转子42包括U型截面转子导磁体42，转子导磁体42上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。一个具体的实施方式是所述定子导磁体、转子导磁体是由多层硅钢片卷绕、旋压，进行切割而成的。

本实施例的产品可以应用作为电励磁电动机，在本实施例的电机结构设计中，具有缠绕在定子导磁体凸齿上的齿线圈4121，所有齿线圈4121绕线方向一致，所有齿线圈4121都是独立的，将这些独立设置的齿线圈4121每间隔一个齿上的齿线圈4121相连接，在应用中按照具体功能将其连接为多组，例如图16所示，将齿线圈4121连接为4组齿线圈，将该四组齿线圈定义为余弦线圈COS 0(41213)、正弦线圈SIN 1(41214)、余弦线圈COS 2(41211)和正弦线圈SIN 3(41212)，将环形线圈412、余弦线圈COS 0(41213)、正弦线圈SIN1(41214)、余弦线圈COS 2(41211)和正弦线圈SIN 3(41212)共同接入PWM控制单元43，将余弦线圈COS 0(41213)、正弦线圈SIN 1(41214)、余弦线圈COS 2(41211)和正弦线圈SIN 3(41212)作为励磁线圈，可以按照实际需求，通过控制单元43分别对于不同齿线圈组供电，在对应的4组定子导磁体411齿上产生磁场，通过转子导磁体形成磁通回路，再通过环形线圈作为控制线圈，磁场向最容易通过的回路方向汇集，形成3维磁通回路的磁场，使得转子相对于定子发生转动。

实施例五

附图17、18所示的本发明实施例五的结构示意图，本实施例是本发明的三维磁通回路电机的应用，是一种采用三维磁通回路的角度传感器，所述电机包括定子51及包围该定子的转子52，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，该定子包括U型截面定子导磁体511、绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体上的环形线圈512作为激励线圈，定子导磁体511上设置了定子导磁体凸齿，缠绕在定子导磁体511一侧凸齿上的齿线圈5121，所述齿线圈5121作为检测线圈，定子导磁体511裹着这个环形线圈512，所有齿线圈5121绕线方向一致。所述转子包括U型截面转子导磁体52，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。一个具体的实施方式是所述定子导磁体、转子导磁体由多层硅钢片卷绕、旋压，进行切割而成的。

本实施例的电机产品应用作为三维磁通回路的角度传感器时，在本实施例的电机设计中具有缠绕在定子导磁体凸齿上的齿线圈5121，所有齿线圈5121绕线方向一致，所有齿线圈5121都是独立的，将独立设置的齿线圈5121每间隔一个齿上的齿线圈相连接，连接为多组齿线圈，例如附图18所示，将齿线圈连接为2组齿线圈。定义为余弦线圈COS 0(51211)和正弦线圈SIN 1(51212)，将环形线圈512、余弦线圈51212和正弦线圈51211共同接入PWM控制单元53。

具体而言，环形线圈512作为励磁绕组，齿线圈5121作为次级输出绕组，余弦线圈51212作为余弦相输出绕组，正弦线圈51211作为正弦相输出绕组。输入电压可以写成(3)式：

U₁(t))＝U_1msinωt (3)

其中，U_1m为励磁电压的幅值，ω为励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的相邻的两组绕组输出相位差90°，因而两相输出电压满足如式(4)所示的公式：

其中，U_2Fs为正弦相的输出电压，U_2Fc为余弦相的输出电压，U_2Fm为次级输出电压的幅值；α_F为励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ_F电机转子的转角。励磁电压和次级输出电压是同频率的，但存在着相位差。正弦相的输出电压和余弦相的输出电压在电的时间相位上是同相的，但幅值彼此随转角分别作正弦和余弦函数变化。通过检测环形线圈512上的电压变化，余弦线圈51212和正弦线圈51211上的电压变化，再通过解算算法，就能将电机的转子位置角和转速计算出来。

实施例六

附图19、20所示的本发明实施例六的3维磁通回路的电机的结构示意图，该实施例是一种采用3维磁通回路的电机，所述电机为永磁电机，包括转子62及包围该转子62的定子61，所述转子与定子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子61包括围绕电机轴均布的U型截面定子导磁体611，在相邻定子导磁体之间夹有U型截面定子永磁体6110，所述定子导磁体611和永磁体6110的U型凹面朝内，在所述U型凹面6113内设有环形线圈612，所述定子永磁体6110周向充磁，相邻永磁体极性相对，定子导磁体611和定子永磁体6110共同包裹这个环形线圈612；所述转子62包括U型截面转子导磁体621。由于所述定子永磁体6110为周向充磁，夹在相邻的定子导磁体611之间，并且相邻永磁体6110的磁性相对，使定子导磁体分为N极导磁体6111和S极导磁体6112。

一个具体的实施方式是，所述定子导磁体611和转子导磁体621由多层硅钢片卷绕，并且旋压成U型截面定子导磁体，转子导磁体621具有按照定子导磁体的角度错位相对的转子导磁体凸齿6211、6212。所述定子环形线圈612绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体611和定子永磁体6110的凹面内，定子导磁体611和定子永磁体6110共同裹着这个环形线圈。

通过上面说明书的描述，可以看出本发明的结构设计巧妙、紧凑，通过对于电机的定子、转子的特别设计，在电机中构成三维磁通回路，在电机工作时，通过三维磁通回路的变化，提供高可靠性的电机及其应用，极大的提高了电机的输出效率和可靠性，具有广泛的应用前景。

Claims (15)

1.一种采用3维磁通回路的电机，其特征在于：包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括U型截面的定子导磁体和U型截面的定子永磁体，定子导磁体围绕电机轴均布，在相邻定子导磁体之间夹有定子永磁体，所述定子导磁体和永磁体的U型凹面朝外，在所述U型凹面内设有环形线圈，定子导磁体和定子永磁体共同被这个环形线圈包裹，所述定子永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对；所述转子的U型凹面朝内，所述转子包括U型截面转子导磁体，所述转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子的间隔为气隙。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述相邻永磁体的磁性相对，使定子子导磁体分为N极导磁体和S极导磁体。

3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述定子导磁体和转子导磁体是由多层硅钢片卷绕、旋压成截面U型后，被去除多余部分而制成。

4.一种采用3维磁通回路的电机，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括围绕电机轴均布的U型截面定子导磁体，在相邻定子导磁体之间夹有U型截面去掉一侧的齿的定子永磁体，所述定子导磁体和永磁体的U型凹面朝外，在所述U型凹面内设有环形线圈，定子导磁体和定子永磁体共同被这个环形线圈包裹，所述永磁体周向充磁，相邻永磁体极性相对，在所述定子永磁体去掉齿的一侧的定子导磁体U型齿上绕着多个齿线圈，所有齿线圈绕线方向一致；所述转子的U型凹面朝内，所述转子包括U型截面转子导磁体，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子的间隔为气隙。

5.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所有齿线圈都是独立的，在应用中按照具体功能连接为多组。

6.如权利要求4或5所述的电机，其特征在于，环形线圈为励磁绕组，齿线圈为次级输出绕组，所述齿线圈为余弦线圈和正弦线圈，通过励磁绕组的励磁电流产生交变磁通。

7.一种采用3维磁通回路的电机，包括定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括U型截面定子导磁体、定子导磁体上设置有定子导磁体凸齿，还包括绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体上的环形线圈、以及缠绕在定子导磁体凸齿上的齿线圈，所述齿线圈作为励磁线圈，定子导磁体裹着这个环形线圈；所述转子包括U型截面转子导磁体，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。

8.如权利要求7所述的电机，其特征在于，所述定子和转子是由多层硅钢片卷绕、旋压而成的U型截面后，被去除多余部分而制成。

9.如权利要求7或8所述的电机，其特征在于，所有缠绕在定子导磁体凸齿上的齿线圈绕线方向一致，所有齿线圈都是独立的，在应用中按照具体功能连接为多组，与控制单元连接。

10.如权利要求9所述的电机，其特征在于，在应用中通过控制单元分别对于不同齿线圈组供电，在对应的定子导磁体齿上产生磁场，通过转子导磁体形成3维磁通回路的磁场，所述环形线圈作为控制线圈，使得转子相对于定子发生转动。

11.一种采用三维磁通回路的电机，包括电机的定子及包围该定子的转子，所述定子与转子的截面为相互对应配合的U型截面，所述定子包括由多层硅钢片卷绕旋压而成的U型截面定子导磁体、绕着电机轴向缠绕在该定子导磁体上的环形线圈作为激励线圈、以及缠绕在定子导磁体一侧齿上的齿线圈作为检测线圈，定子导磁体上设置了定子导磁体凸齿，定子导磁体裹着这个环形线圈，所有齿线圈绕线方向一致，所述转子包括U型截面转子导磁体，转子导磁体上设置有按照定子导磁体的角度错位对应的转子导磁体凸齿，转子导磁体凸齿和定子导磁体凸齿的间隔为气隙。

12.如权利要求11所述的电机，其特征在于：所有齿线圈都是独立的，间隔一个齿上的齿线圈相连接，连接为多组齿线圈，与控制单元连接。

13.一种应用权利要求4、5、7、9、11或12之一的所述的电机的角度传感器，其特征在于，环形线圈作为励磁绕组，多组齿线圈分为余弦线圈和正弦线圈，作为次级输出绕组，相邻次级输出的两组绕组输出相位差90°。

14.如权利要求13所述的角度传感器，其特征在于，励磁绕组的输入电压公式为：U₁(t)＝U_1msinωt，其中U1m为励磁电压的幅值，ω为励磁电压的角频率；所述次级输出绕组中，相邻的次级输出绕组的输出相位差90°，两相输出电压满足公式：

其中，U_2Fs为正弦相的输出电压，U_2Fc为余弦相的输出电压，U_2Fm为次级输出电压的幅值；α_F为励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θ_F电机转子的转角。

15.如权利要求11所述的电机，其特征在于，所述定子导磁体和转子导磁体由多层硅钢片卷绕、旋压成截面U型截面后，被去除多余部分而制成。