电机的制作方法

本发明涉及，更具体地，涉及一种电机。

背景技术：

随着科技的发展，电机的调速功能也逐渐得到了更多的重视。通常由于电网或者驱动系统母线电压的限制，电机要想兼顾转矩特性的情况下大范围改变工作转速，就需要进行特殊的控制或者结构设计。相关技术中的电机采用弱磁控制以实现上述目的，然而这种方式对电机的参数有着一定的限制，无法兼顾低速大转矩工作区和高速低转矩的高效率运行。

技术实现要素：

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，该电机充分结合了变极电机高效率运行区间大范围调整的特点，具备高转矩、高功率密度的特点，适用于从家用电器、电动汽车、风力发电等需要高转矩直接驱动的场合。

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沿所述电机的径向由内至外依次间隔设置，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。

根据本发明实施例的电机，当电机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，电机的三种运行状态的等效转子极对数和工作电频率差异显著，实现了不改变电机绕组连接前提下的变极变压运行，拓宽了电机的转速工作范围，从而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。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，与相关技术中的相同整机体积的电机相比，可以输出更大的转矩和功率，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，所述切换机构在第一状态和第二状态之间可切换，所述凸极转子部和所述励磁转子部中的一个适于与负载传动连接，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励磁转子部与所述凸极转子部的相对位置。

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，所述凸极转子固定环和所述励磁转子固定环中的一个适于与所述负载传动连接；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，所述切换机构设在所述励磁定子外且临近所述励磁定子的一端。

根据本发明的一个实施例，还包括：外转子机壳，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外转子机壳内，所述励磁转子部与所述外转子机壳传动连接；内转子机壳，所述凸极转子部与所述内转子机壳传动连接且所述内转子机壳上传动连接有适于与所述负载传动连接的电机轴；定子机壳，所述励磁定子与所述定子机壳传动连接，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外转子机壳传动连接。

根据本发明的一个实施例，所述外转子机壳与所述电机轴之间以及所述定子机壳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，还包括：外转子机壳，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，所述励磁转子部与所述外转子机壳传动连接；内转子机壳，所述励磁定子上传动连接有固定支撑轴，所述凸极转子部和所述固定支撑轴分别与所述内转子机壳传动连接，所述励磁定子固定环与所固定支撑轴传动连接，所述凸极转子固定环与所述内转子机壳传动连接，所述励磁转子固定环与所述外转子机壳传动连接。

根据本发明的一个实施例，所述外转子机壳与所述固定支撑轴之间以及所述内转子机壳与所述固定支撑轴之间分别通过轴承配合。

根据本发明的一个实施例，所述固定支撑轴为横截面为环形的中空轴。

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；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；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；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是根据本发明实施例一的电机的半剖图；

图2是图1中所示的电机在切换机构处于第一状态时的结构示意图；

图3是图1中所示的电机在切换机构处于第二状态时的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的电机在两种工作状态下的极对数和端电压的对比曲线图；

图5是根据本发明实施例二的电机的半剖图；

图6是图5中所示的电机在切换机构处于第一状态时的结构示意图；

图7是图5中所示的电机在切换机构处于第二状态时的结构示意图；

图8是根据本发明一个实施例的电机的励磁转子部的结构示意图；

图9是根据本发明又一个实施例的电机的励磁转子部的结构示意图；

图10是根据本发明另一个实施例的电机的励磁转子部的结构示意图。

附图标记：

100：电机；

10：励磁定子；11：定子导磁铁芯；12：定子绕组；

20：凸极转子部；21：导磁铁芯；22：非导磁间隔块；

30：励磁转子部；31：转子导磁铁芯；32：永磁体；

41：电机轴；42：固定支撑轴；

50：切换机构；

51：励磁定子固定环；52：凸极转子固定环；53：励磁转子固定环；

541：驱动部；542：滑动环；

61：外转子机壳；62：内转子机壳；63：定子机壳；

70：轴承。

具体实施方式

相关技术中的电机采用弱磁控制以实现上述目的，然而这种方式对电机的参数有着一定的限制，无法兼顾低速大转矩工作区和高速低转矩的高效率运行。

针对上述问题，一方面再有相关技术中的变极感应电机工作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，但以上方法受限于感应电机应用不适用于同步电机，并且需要变更定子绕组连接，在直流变频电机发展的大趋势下已经十分落伍。

而另一方面，有学者提出可以通过采用AlNiCo等低矫顽力永磁体构成记忆电机，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，但上述方法采用的低矫顽力永磁体磁能级较低，容易造成电机的整体功率密度远低于传统永磁同步电机的问题。

为此，本发明提出一种电机，该电机充分结合了变极电机高效率运行区间大范围调整的特点，电机绕组在极数变化的过程中无需任何改变，具备高转矩、高功率密度的特点，适用于从家用电器、电动汽车、风力发电等需要高转矩直接驱动的场合。

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100。

根据本发明实施例的电机100包括励磁定子10、凸极转子部20、励磁转子部30和切换机构50。

具体而言，励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30沿电机100的径向由内至外依次间隔设置，励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30中的任意两个均可相对旋转，切换机构50通过可选地固定励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30中的两个的相对位置以选取凸极转子部20和励磁转子部30中的至少一个充当可相对励磁定子10旋转的转子。

换言之，电机100主要由励磁定子10、凸极转子部20、励磁转子部30、切换机构50组成。励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30大致形成为沿电机100的轴向（如图2所示左右方向）延伸的圆筒形结构，在电机100的径向上、凸极转子部20位于励磁定子10的外侧且位于励磁转子部30的内侧，励磁定子10、凸极转子部20、励磁转子部30同轴布置，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100的正常工作。再者，励磁定子10、凸极转子部20、励磁转子部30三者之间任意两个都可以相对旋转，也就是说，凸极转子部20可以相对于励磁定子10或励磁转子部30做旋转运动，同时，励磁转子部30也可以相对于凸极转子部20或励磁定子10做旋转运动。

进一步地，切换机构50可以固定励磁定子10与励磁转子部30之间的相对位置，从而使得凸极转子部20相对于励磁定子10与励磁转子部30旋转，形成为可相对励磁定子10旋转的转子；切换机构50也可以固定励磁转子部30与凸极转子部20之间的相对位置，从而使得凸极转子部20和励磁转子部30相对于励磁定子10旋转，形成为可相对励磁定子10旋转的转子；或者切换机构50可以固定励磁定子10与凸极转子部20之间的相对位置，从而使得励磁转子部30可以分别相对于励磁定子10与凸极转子部20旋转，形成为可相对励磁定子10旋转的转子，电机100在三种状态下的转子可以分别输出转矩，实现电机100的三种工作状态的切换，进而在不改变电机100绕组连接的情况下，实现电机100的变极变压运行，即实现对转子极数和电机100运行频率的控制调节。

由此，当电机100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100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，电机100的三种运行状态的等效转子极对数和工作电频率差异显著，实现了不改变电机100绕组连接前提下的变极变压运行，拓宽了电机100的转速工作范围，从而有效地提高电机100的转矩密度和高功率密度，增大电机100的应用范围。

根据本发明实施例的电机100，通过将励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30设置为任意两个均可相对旋转，并且利用切换机构50可选地固定其中两个，从而使得凸极转子部20和励磁转子部30中至少一个形成为可以相对于励磁定子10转动的转子，进而在不改变电机100绕组连接的情况下，实现转子极数和电机100运行频率的控制调节，从而实现电机100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100的转矩密度和高功率密度，增大电机100的应用范围。该电机100的结构紧凑，占用空间小、工作范围广，可以在不改变电机100绕组连接的情况下实现转子极数和运行频率的受控调整，与相关技术中的相同整机体积的电机100相比，可以输出更大的转矩和功率，具有高转矩、高功率密度等优点。

在本发明的一些实施例中，切换机构50在第一状态和第二状态之间可切换，凸极转子部20和励磁转子部30中的一个适于与负载传动连接，切换机构50处于第一状态时固定励磁定子10与凸极转子部20和励磁转子部30中的另一个的相对位置，切换机构50处于第二状态时固定励磁转子部30与凸极转子部20的相对位置。

具体地，如图2和图3所示，在本实施例中，负载与凸极转子部20传动连接，也就是说，负载与凸极转子部20可以同步运动或同步不运动，而切换机构50可以固定励磁定子10与励磁转子部30的相对位置，也可以固定凸极转子部20与励磁转子部30的相对位置。

如图2所示，当切换机构50处于第一状态时，切换机构50固定连接励磁定子10与励磁转子部30的相对位置，使得励磁定子10与励磁转子部30同步不运动，凸极转子部20形成可相对于励磁定子10旋转的转子；如图3所示，当切换机构50处于第二状态时，切换机构50固定连接凸极转子部20与励磁转子部30的相对位置，使得凸极转子部20与励磁转子部30可以同步运动或者不运动，凸极转子部20和励磁转子部30形成可相对于励磁定子10旋转的转子，从而通过切换机构50实现电机100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100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，负载与励磁转子部30传动连接，也就是说，负载与励磁转子部30可以同步运动或同步不运动，而切换机构50可以固定励磁定子10与凸极转子部20的相对位置，也可以固定励磁转子部30与凸极转子部20的相对位置。

如图6所示，当切换机构50处于第一状态时，切换机构50固定连接励磁定子10与凸极转子部20的相对位置，使得励磁定子10与凸极转子部20同步不运动，励磁转子部30形成可相对于励磁定子10旋转的转子；如图7所示，当切换机构50处于第二状态时，切换机构50固定连接凸极转子部20与励磁转子部30的相对位置，使得凸极转子部20与励磁转子部30可以带动负载同步运动或者不运动，凸极转子部20和励磁转子部30形成可相对于励磁定子10旋转的转子，从而通过切换机构50实现电机100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100的变极变压运行。

由此，当电机100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100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，电机100的两种运行状态的等效转子极对数和工作电频率差异显著，实现了不改变电机100绕组连接前提下的变极变压运行，拓宽了电机100的转速工作范围，从而有效地提高电机100的转矩密度和高功率密度，增大电机100的应用范围。

其中，切换机构50包括励磁定子固定环51、凸极转子固定环52、励磁转子固定环53、驱动部541和滑动环542。具体而言，励磁定子固定环51与励磁定子10的相对位置固定，凸极转子固定环52与凸极转子部20的相对位置固定，励磁转子固定环53与励磁转子部30的相对位置固定，凸极转子固定环52和励磁转子固定环53中的一个适于与负载传动连接，滑动环542由驱动部541驱动滑动，切换机构50处于第一状态时，滑动环542在驱动部541的驱动下分别与励磁定子固定环51以及凸极转子固定环52和励磁转子固定环53中的另一个配合，切换机构50处于第二状态时，滑动环542在驱动部541的驱动下分别与凸极转子固定环52和励磁转子固定环53配合。

参照图2、图3、图6和图7，切换机构50主要由励磁定子固定环51、凸极转子固定环52、励磁转子固定环53、驱动部541和滑动环542组成。励磁定子固定环51大致形成为圆筒形结构，励磁定子固定环51与励磁定子10的相对位置固定，即励磁定子固定环51与励磁定子10之间同步不运动，凸极转子固定环52与凸极转子部20的相对位置固定，凸极转子固定环52与凸极转子部20可以同步运动，也可以同步不运动；励磁转子固定环53与励磁转子部30的相对位置固定，即励磁转子固定环53与励磁转子部30可以同步运动，也可同步不运动。

可选地，如图2所示，凸极转子部20与负载传动连接，当切换机构50处于第一状态时，滑动环542在驱动部541驱动下，一端与励磁定子固定环51配合，另一端与励磁转子固定环53配合，从而使得励磁定子10和励磁转子部30的相对位置固定（即同步不运动），此时，凸极转子部20形成为相对励磁定子10旋转的转子。

如图3所示，当切换机构50处于第二状态时，滑动环542在驱动部541驱动下，一端与凸极转子固定环52配合，另一端与励磁转子固定环53配合，从而使得凸极转子部20和励磁转子部30的相对位置固定（即同步运动），此时，凸极转子部20和励磁转子部30形成为相对励磁定子10旋转的转子。

可选地，如图6所示，励磁转子部30与负载传动连接，当切换机构50处于第一状态时，滑动环542在驱动部541驱动下，一端与励磁定子固定环51配合，另一端与凸极转子固定环52配合，从而使得励磁定子10和凸极转子部20的相对位置固定（即同步不运动），此时，励磁转子部30形成为相对励磁定子10旋转的转子。如图7所示，当切换机构50处于第二状态时，滑动环542在驱动部541驱动下，一端与凸极转子固定环52配合，另一端与励磁转子固定环53配合，从而使得凸极转子部20和励磁转子部30的相对位置固定（即同步运动），此时，凸极转子部20和励磁转子部30形成为相对励磁定子10旋转的转子。

由此，根据本发明的电机100可以通过切换机构50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100绕组连接的情况下，实现转子极数和电机100运行频率的控制调节，提高电机100输出的转矩和功率，增大电机100的应用范围。

可选地，驱动部541为通过电磁感应驱动滑动环542滑动的控制线圈。通过将驱动部541设为可以通过电磁感应控制滑动环542滑动的控制线圈，从而可以简化电机100内部的布线，使得电机100整体结构更加简单。

优选地，滑动环542、励磁定子固定环51、凸极转子固定环52和励磁转子固定环53上分别设有卡齿，切换机构50处于第一状态时，滑动环542上的卡齿分别与励磁定子固定环51上的卡齿以及凸极转子固定环52和励磁转子固定环53中的另一个上的卡齿啮合，切换机构50处于第二状态时，滑动环542上的卡齿分别与凸极转子固定环52上的卡齿和励磁转子固定环53上的卡齿啮合。

如图2和图3所示，滑动环542大致形成为圆筒形结构，圆筒形结构的滑动环542的内壁和外壁上分别设有卡齿，凸极转子固定环52的外壁上设有卡齿，励磁转子固定环53的内壁上设有卡齿，滑动环542内壁上的卡齿能够与凸极转子固定环52和励磁定子固定环51的外壁上的卡齿啮合配合，滑动环542外壁上的卡齿能够与励磁转子固定环53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542与励磁定子固定环51、凸极转子固定环52和励磁转子固定环53之间的连接可靠性，保证电机100的正常运转。

具体地，如图2所示，当切换机构50处于第一状态时，滑动环542外壁上的卡齿与励磁转子固定环53内壁上的卡齿啮合，滑动环542内壁上的卡齿与励磁定子固定环51外壁上的卡齿啮合，从而保证励磁定子10与励磁转子部30的传动连接，励磁定子10与励磁转子部30同步不转动；如图3所示，当切换机构50处于第二状态时，滑动环542内壁上的卡齿与励磁定子固定环51外壁上的卡齿脱离，滑动环542外壁上的卡齿分别与凸极转子固定环52内壁上的卡齿和励磁转子固定环53内壁上的卡齿啮合，从而保证凸极转子部20与励磁转子部30的传动连接，凸极转子部20与励磁转子部30同步转动。

有利地，根据本发明的一个实施例，切换机构50设在励磁定子10外且邻近励磁定子10的一端。具体地，如图2所示，切换机构50设在励磁定子10的右侧，且与励磁定子10间隔开布置，有利于控制励磁转子部30与励磁定子10可选择地连接，实现电机100的不同工作状态的调换。

此外，电机100还包括：外转子机壳61、内转子机壳62和定子机壳63，励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30均设在外转子机壳61内，励磁转子部30与外转子机壳61传动连接，凸极转子部20与内转子机壳62传动连接且内转子机壳62上传动连接有适于与负载传动连接的电机轴41，励磁定子10与定子机壳63传动连接，励磁定子固定环51与定子机壳63传动连接，凸极转子固定环52与凸极转子部20传动连接，励磁转子固定环53与外转子机壳61传动连接。

参照图2和图3，外转子机壳61大致形成为一端（如图2所示的右端）敞开的圆筒状结构，励磁定子10、凸极转子部20和励磁定子10部沿定子机壳63的径向方向由内向外依次间隔开设在外转子机壳61内且同轴设置，从而通过外转子机壳61对电机100内部元件进行保护，避免意外损伤。其中，励磁转子固定环53设在外转子机壳61的一端（如图2所示的右端）且与外转子机壳61一体成型。

定子机壳63形成沿电机100的轴向延伸的环形结构，定子机壳63设在外转子机壳61内且定子机壳63的一端（如图2所示的右端）的外侧壁设有励磁定子固定环51以可选择地与驱动环传动连接，内转子机壳62形成沿电机100的轴向延伸的环形结构且在电机100的径向上、位于外转子机壳61与定子机壳63之间，内转子机壳62的一端（如图2所示的右端）与凸极转子固定环52相连。

在本实施例中，励磁定子10与定子机壳63之间无相对运动，定子机壳63处于固定状态，则励磁定子10也处于固定状态。

如图2所示，当切换机构50处于第一状态时，滑动环542在驱动部541驱动下，一端与励磁定子固定环51配合，另一端与励磁转子固定环53配合，从而使得励磁定子10和励磁转子部30的相对位置固定（即二者处于同步不运动），此时，凸极转子部20形成为相对励磁定子10旋转的转子。如图3所示，当切换机构50处于第二状态时，滑动环542在驱动部541驱动下、分别与凸极转子固定环52和励磁转子固定环53配合，从而使得凸极转子部20和励磁转子部30的相对位置固定（即二者处于同步运动），此时，凸极转子部20和励磁转子部30形成为相对励磁定子10旋转的转子。从而通过切换机构50实现电机100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100的变极变压运行。

参照图2和图3，电机轴41穿过定子机壳63内且与定子机壳63间隔开布置，内转子机壳62通过电机轴41与负载连接，切换机构50设在定子机壳63与内转子机壳62之间且邻近励磁转子部30的一端，从而可以简化切换机构50的电路布线，增强切换机构50控制的可靠性。值得说明的是，切换机构50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。

优选地，外转子机壳61与电机轴41之间以及定子机壳63与电机轴41之间分别通过轴承70配合。具体地，如图2和图3所示，定子机壳63与电机轴41之间、外转子机壳61与电机轴41之间通过轴承70配合保持相互之间的距离和旋转独立性，结构简单，不会形成运动干涉。

在本发明的另一些具体实施方式中，电机100还包括：外转子机壳61、内转子机壳62，励磁定子10、凸极转子部20和励磁转子部30均设在定子机壳63内，励磁转子部30与外转子机壳61传动连接，励磁定子10上传动连接有固定支撑轴42，凸极转子部20和固定支撑轴42分别与内转子机壳62传动连接，励磁定子固定环51与所固定支撑轴42传动连接，凸极转子固定环52与内转子机壳62传动连接，励磁转子固定环53与外转子机壳61传动连接。

具体地，如图6和图7所示，外转子机壳61大致形成为一端（如图6所示的左端）敞开的圆筒状结构，励磁定子10、凸极转子部20和励磁定子10部沿定子机壳63的径向方向由内向外依次间隔开设在外转子机壳61内且同轴设置，从而通过外转子机壳61对电机100内部元件进行保护，避免意外损伤。其中，励磁转子固定环53设在外转子机壳61的一端（如图6所示的左端）且与外转子机壳61一体成型。

同时，固定支撑轴42形成沿电机100的轴向延伸的环形结构，固定支撑轴42设在外转子机壳61内且固定支撑轴42的一端（如图6所示的左端）的外侧壁设有励磁定子固定环51以可选择地与驱动环传动连接，励磁定子10固设在在固定支撑轴42上；内转子机壳62形成沿电机100的轴向延伸的环形结构且在电机100的径向上、位于外转子机壳61与固定支撑轴42之间，内转子机壳62的一端（如图2所示的右端）与凸极转子固定环52相连。

如图6所示，当切换机构50处于第一状态时，滑动环542在驱动部541驱动下，一端与励磁定子固定环51配合，另一端与凸极转子固定环52配合，从而使得励磁定子10和凸极转子部20的相对位置固定（即二者处于同步不运动），此时，励磁转子部30形成为相对励磁定子10旋转的转子。如图7所示，当切换机构50处于第二状态时，滑动环542在驱动部541驱动下、分别与凸极转子固定环52和励磁转子固定环53配合，从而使得凸极转子部20和励磁转子部30的相对位置固定（即二者处于同步运动），此时，凸极转子部20和励磁转子部30形成为相对励磁定子10旋转的转子。从而通过切换机构50实现电机100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100的变极变压运行。

可选地，外转子机壳61与固定支撑轴42之间以及内转子机壳62与固定支撑轴42之间分别通过轴承70配合，从而保持外转子机壳61与固定支撑轴42之间以及内转子机壳62与固定支撑轴42之间的距离和旋转独立性。

其中，根据本发明的一个实施例，固定支撑轴42为横截面为环形的中空轴。即固定支撑轴42形成沿电机100的轴向延伸的空心轴，且电机100在工作时，固定支撑轴42相对静止不动，只起到支撑励磁定子10的作用，将固定支撑轴42做成空心轴，既可以减小电机100的重量，有利于实现电机100的轻量化，又可以降低材料成本，从而提升电机100的性价比。而在本实施例中，电机100在两种工作状态切换时，励磁转子部30均作为电机100的转子，外转子机壳61随励磁转子部30一起转动以输出转矩，负载与外转子机壳61相连。

可选地，励磁定子10包括定子导磁铁芯11和定子绕组12，定子绕组12绕制在定子导磁铁芯11上。

参照图1和图2，励磁定子10主要由定子导磁铁芯11和定子绕组12组成，定子导磁铁芯11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12绕制在定子导磁铁芯11上，定子绕组12可以是集中绕组（如图1所示），也可以是分布绕组（如图6所示），也就是说定子绕组12的跨距可以是1或者其他整数，同时，定子绕组12的相数可以单相或多相，从而使得定子绕组12通过AC电流，产生磁场。值得说明的是，定子导磁铁芯11的具体材料、定子绕组12绕组形式，以及定子绕组12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100的转矩和功率密度。

其中，励磁转子部30包括转子导磁铁芯31和永磁体32，永磁体32设在转子导磁铁芯31上。

换言之，励磁转子部30主要由转子导磁铁芯31和永磁体32组成，永磁体32设在转子导磁铁芯31上且沿转子导磁铁芯31的周向方向均匀布置。转子导磁铁芯31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32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32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31的结合，例如，在本发明的一个示例中，永磁体32以相同极性相对的方式嵌入转子导磁铁芯31，从而保证励磁转子部30的结构稳定，进而产生励磁磁场。

可选地，每个永磁体32大致形成为长条状结构，多个长条状的永磁体32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31。

如图8所示，在本实施例中，转子导磁铁芯31形成沿电机100的周向延伸的圆环形，转子导磁铁芯31上上设有多个间隔开布置的永磁体32，每个永磁体32嵌设在转子导磁铁芯31内，每个永磁体32形成长条状且永磁体32的长条边与转子导磁铁芯31的径向相互垂直。

如图8所示，在本实施例中，转子导磁铁芯31形成沿电机100的周向延伸的圆环形，转子导磁铁芯31上上设有多个间隔开布置的永磁体32，每个永磁体32的长度方向沿电机100的径向延伸，且每个永磁体32的长度尺寸等于转子导磁铁芯31在电机100的径向上的厚度。

如图10所示，在本实施例中，转子导磁铁芯31形成沿电机100的周向延伸的圆环形，转子导磁铁芯31上上设有多个间隔开布置的永磁体32，每个永磁体32形成沿转子导磁铁芯31的周向延伸的弧形块，且每个永磁体32邻近转子导磁铁芯31的内侧壁设置。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32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100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20包括多个导磁铁芯21和多个非导磁间隔块22，多个导磁铁芯21和多个非导磁间隔块22沿电机100的周向交替排列。

参照图1，凸极转子部20主要由多个导磁铁芯21和多个非导磁间隔块22组成，多个导磁铁芯21和多个非导磁间隔块22沿电机100的周向交替间隔布置，导磁铁芯21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22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。

有利地，根据本发明的一个实施例，励磁定子10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30产生的励磁磁场的极对数为p_f，导磁铁芯21的数量为p_r，其中，p_r=|p_s±p_f|。

具体地，励磁定子10通过交流电流驱动，并产生极对数为ps的旋转磁场，励磁转子部30产生极对数为pf的励磁磁场，导磁铁芯21的数量为pr，同时，导磁铁芯21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100在不同运行状态下能够正常运行。

下面结合多个实施例详细描述根据本发明实施例的变极变压外转子电机100。

该变极变压外转子电机100主要包含三层主要结构以及一个切换机构50，三层主要结构包含固定的励磁定子10、旋转状态可变的凸极转子部20、旋转状态可变的励磁转子部30，励磁定子10和励磁转子部30分别居于整个电机100三层主要结构的最内层和最外层，凸极转子部20位于整个电机100三层主要结构的中间层，且凸极转子部20分别与励磁定子10和励磁转子部30之间以空气间隙相隔离。

励磁定子10包含高导磁材料（包含但不限于硅钢片、钴钢片、坡莫合金、SMC等）构成的定子导磁铁芯11以及在其上的绕制的定子绕组12，定子绕组12可以是集中绕组或者分布绕组，即定子绕组12的跨距可以是1或者其他整数，定子绕组12的相数可以为单相或多相，定子导磁铁芯11的槽数为Ns，定子绕组12可由与绕组相数对应的多相AC电流驱动，产生的极对为ps的磁场。

励磁转子部30的励磁形式为永磁形式，永磁形式的励磁转子部30包含高导磁材料（包含但不限于硅钢片、钴钢片、坡莫合金、SMC等）构成的转子导磁铁芯31以及永磁材料（包含但不限于钕铁硼、铁氧体、铝镍钴、钐钴等）构成的永磁体32，转子导磁铁芯31和永磁体32的结合方式可以采用所有永磁电机100的转子形式，主要包含但不限于表面贴装（SPM）、内置式（IPM）、表面嵌装（Inset PM）等，产生的极对为pf的励磁磁场。

凸极转子部20包含高导磁材料（包含但不限于硅钢片、钴钢片、坡莫合金、SMC等）构成的导磁铁芯21以及非导磁材料（包含但不限于空气、塑料、高分子聚合物、非导磁金属等）构成的非导磁间隔块22，导磁铁芯21和间隔块交替间隔布置形成凸极转子部20，导磁铁芯21的数量为pr，其与ps以及pf的关系满足pr=|ps±pf|。

切换机构50可以为电磁式或机械式，其作用在于切换电机100旋转部件的组成形式于三种运行状态之间，第一运行状态下，励磁定子10和励磁转子部30固定不动以充当电机100的定子，凸极转子部20为旋转部件以充当电机100的转子，第一运行状态下的电机100的等效转子极数为pr，电机100的工作电频率为ωnpr，ωn为电机100输出轴的机械转速；第二运行状态下，励磁定子10固定不动，充当电机100的定子，励磁转子部30和凸极转子部20相连作为转动部件，充当电机100的转子，第二运行状态下电机100的等效转子极数为ps，电机100的工作电频率为ωnps；第三运行状态下，励磁定子10和凸极转子部20固定不动，充当电机100的定子，励磁转子部30为旋转部件，充当电机100的转子，第三运行状态下电机100的等效转子极数为pf，电机100的工作电频率为ωnpf。当电机100输出机械转速相同时，以上三种运行状态之间的等效转子极对数和工作电频率之比为ps:pr:pf，进而可以通过切换电机100的不同运行状态实现变极变压运行。

实施例一

如图1至图3所示，在本实施例中，励磁定子10在整个电机100三层主要结构的最内层，为固定不旋转的部件，励磁定子10包含定子导磁铁芯11、定子绕组12和定子机壳63。定子导磁铁芯11的齿槽的槽数Ns=12，定子绕组12为三相集中绕组，线圈跨距为1，定子绕组12通入三相对称电流时，产生极对数ps=4的励磁定子10旋转磁场。

凸极转子部20包含导磁铁芯21、非导磁间隔块22、内转子机壳62，内转子机壳62与电机轴41直接相连接，导磁铁芯21的数量pr=20。励磁转子部30包含转子导磁铁芯31、永磁体32和外转子机壳61，永磁体32以相同极性间隔排布的方式安装在转子导磁铁芯31的内侧，使得励磁转子部30产生极对数pf=16的励磁磁场。励磁定子10、励磁转子部30、凸极转子部20以及电机轴41之间通过轴承70保持相互之间的距离和旋转独立性。

切换机构50包含控制线圈、滑动环542，励磁定子固定环51、凸极转子固定环52、励磁转子固定环53，滑动环542为径向内外都有卡齿的齿圈，励磁定子固定环51为径向外侧有卡齿的齿圈，凸极转子固定环52和励磁转子固定环53为径向内侧有卡齿的齿圈。

如图2所示，电机100在第一运行状态下，滑动环542在控制线圈控制下、将励磁转子固定环53以及励磁定子固定环51啮合在一起，在此状态下励磁转子部30与励磁定子10保持固定的相对位置，作为电机100的定子，凸极转子部20作为电机100的转子，此状态下的电机100等效运行转子极对数为ps=20，电机100在600rpm转速下的电频率为200Hz。

如图3所示，电机100在第二运行状态，控制线圈驱动滑动环542解除对励磁转子固定环53以及励磁定子固定环51的连接，同时滑动环542啮合励磁转子固定环53和凸极转子固定环52，在此状态下、凸极转子部20将与励磁转子部30保持相对固定的位置，作为电机100的转子，而励磁定子10作为电机100的定子，此状态下的电机100等效运行转子极对数为ps=4，电机100在600rpm转速下的电频率为40Hz。

本实施例的电机100在第一、第二运行状态下、转轴转速为600rpm时的空载绕组反电动势（back-EMF）对比如图4，从图4中可以明显看出电机100在两种工作状态下的极对数和端电压差异，电机100在两种运行状态下的等效极对数和运行频率的比值为5:1。

本发明的第一实施例不包含本发明的第三运行状态。

实施例二

如图5至图7所示，在本实施例中，励磁定子10在整个电机100三层主要结构的最内层，为固定不旋转的部件，励磁定子10包含定子导磁铁芯11、定子绕组12、固定支撑轴42。定子导磁铁芯11的齿槽的槽数Ns=12，定子绕组12为三相分布绕组，线圈跨距为3，定子绕组12通入三相对称电流时，以产生极对数ps=2的励磁定子10旋转磁场，励磁定子10直接与固定支撑轴42连接，固定支撑轴42作为电机100的固定支撑部件。

凸极转子部20包含导磁铁芯21、非导磁间隔块22、内转子机壳62，导磁铁芯21的数量pr=18。励磁转子部30包含转子导磁铁芯31、永磁体32、外转子机壳61，永磁体32以相同极性间隔布置的方式安装在转子导磁铁芯31的径向内侧，使得励磁转子部30产生极对数pf=16的励磁磁场。转子导磁铁芯31与负载直接相连接，充当驱动输出部件。励磁定子10、励磁转子部30、凸极转子部20以及用于支撑电机100的固定支撑轴42之间通过轴承70保持相互之间的距离和旋转独立性。

切换机构50包含控制线圈、滑动环542、励磁定子固定环51、凸极转子固定环52、励磁转子固定环53，滑动环542为径向内侧外侧都有卡齿的齿圈，励磁定子固定环51为径向外侧有卡齿的齿圈，凸极转子固定环52和励磁转子固定环53为径向内侧有卡齿的齿圈。

如图6所示，电机100在第三运行状态下，滑动环542在控制线圈产生的驱动下向右平移，将励磁定子固定环51和凸极转子固定环52啮合在一起，使得励磁定子10和凸极转子部20连接成一体，作为电机100的定子，而励磁转子部30作为电机100的旋转部件，在此状态下的电机100的等效运行转子极对数为pf=16，电机100在600rpm转速下的电频率为160Hz。

如图7所示，电机100在第二运行状态下，滑动环542在控制线圈产生的驱动下向左平移，将励磁转子固定环53和凸极转子固定环52啮合在一起，使得励磁转子部30和凸极转子部20连接成一体，作为电机100的转子，而励磁定子10作为电机100的定子，在此状态下的电机100的等效运行转子极对数为ps=2，电机100在600rpm转速下的电频率为20Hz。

本实施例不包含本发明实施例一的第一运行状态，本实施例在第三、第二运行状态下的等效极对数和运行频率的比值为8:1。

由此，当电机100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100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，电机100的两种运行状态的等效转子极对数和工作电频率差异显著，实现了不改变电机100绕组连接前提下的变极变压运行，拓宽了电机100的转速工作范围，从而有效地提高电机100的转矩密度和高功率密度，增大电机100的应用范围。该电机100的结构紧凑，占用空间小、工作范围广，可以在不改变电机100绕组连接的情况下实现转子极数和运行频率的受控调整，与相关技术中的相同整机体积的电机100相比，可以输出更大的转矩和功率，具有高转矩、高功率密度等优点。

根据本发明实施例的电机100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”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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。