電機

隨着科技的發展，電機的調速功能也逐漸得到了更多的重視。通常由於電網或者驅動系統母線電壓的限制，電機要想兼顧轉矩特性的情況下大範圍改變工作轉速，就需要進行特殊的控制或者結構設計。相關技術中的電機採用弱磁控制以實現上述目的，然而這種方式對電機的參數有着一定的限制，無法兼顧低速大轉矩工作區和高速低轉矩的高效率運行。 ^[3] 

《電機》旨在至少在一定程度上解決相關技術中的上述技術問題之一。為此，該發明提出一種電機，該電機充分結合了變極電機高效率運行區間大範圍調整的特點，具備高轉矩、高功率密度的特點，適用於從家用電器、電動汽車、風力發電等需要高轉矩直接驅動的場合。 ^[3] 

《電機》包括：勵磁定子、凸極轉子部和勵磁轉子部，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部沿所述電機的徑向由內至外依次間隔設置，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的任意兩個均可相對旋轉；切換機構，所述切換機構通過可選地固定所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的兩個的相對位置以選取所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的至少一個充當可相對所述勵磁定子旋轉的轉子。

根據該發明實施例的電機，當電機工作在低速大轉矩區時，採用等效極對數較高的運行狀態，輸出轉矩大，當電機工作在高速運行區間時，採用等效極對數較小的運行狀態，在無需進行弱磁控制的狀態下自然滿足高速工作需求，且因為工作頻率降低，效率大幅提升，電機的三種運行狀態的等效轉子極對數和工作電頻率差異顯著，實現了不改變電機繞組連接前提下的變極變壓運行，拓寬了電機的轉速工作範圍，從而有效地提高電機的轉矩密度和高功率密度，增大電機的應用範圍。通過將勵磁定子、凸極轉子部和勵磁轉子部設置為任意兩個均可相對旋轉，並且利用切換機構可選地固定其中兩個，從而使得凸極轉子部和勵磁轉子部中至少一個形成為可以相對與勵磁定子轉動的轉子，進而在不改變電機繞組連接的情況下，實現轉子極數和電機運行頻率的控制調節，從而實現電機的最佳效率區間在低速大轉矩區間和高速低轉矩區間之間的切換，有效地提高電機的轉矩密度和高功率密度，增大電機的應用範圍。該電機的結構緊湊，佔用空間小、工作範圍廣，可以在不改變電機繞組連接的情況下實現轉子極數和運行頻率的受控調整，與相關技術中的相同整機體積的電機相比，可以輸出更大的轉矩和功率，具有高轉矩、高功率密度等優點。

另外，根據該發明實施例的電機，還可以具有如下附加的技術特徵：

根據該發明的一個實施例，所述切換機構在第一狀態和第二狀態之間可切換，所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的一個適於與負載傳動連接，所述切換機構處於所述第一狀態時固定所述勵磁定子與所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的另一個的相對位置，所述切換機構處於所述第二狀態時固定所述勵磁轉子部與所述凸極轉子部的相對位置。

根據該發明的一個實施例，所述切換機構包括：勵磁定子固定環，所述勵磁定子固定環與所述勵磁定子的相對位置固定；凸極轉子固定環，所述凸極轉子固定環與所述凸極轉子部的相對位置固定；勵磁轉子固定環，所述勵磁轉子固定環與所述勵磁轉子部的相對位置固定，所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環中的一個適於與所述負載傳動連接；驅動部和滑動環，所述滑動環由所述驅動部驅動滑動，所述切換機構處於所述第一狀態時，所述滑動環在所述驅動部的驅動下分別與所述勵磁定子固定環以及所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環中的另一個配合，所述切換機構處於所述第二狀態時，所述滑動環在所述驅動部的驅動下分別與所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環配合。

根據該發明的一個實施例，所述驅動部為通過電磁感應驅動所述滑動環滑動的控制線圈。

根據該發明的一個實施例，所述滑動環、所述勵磁定子固定環、所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環上分別設有卡齒，所述切換機構處於所述第一狀態時，所述滑動環上的卡齒分別與所述勵磁定子固定環上的卡齒以及所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環中的所述另一個上的卡齒齧合，所述切換機構處於所述第二狀態時，所述滑動環上的卡齒分別與所述凸極轉子固定環上的卡齒和所述勵磁轉子固定環上的卡齒齧合。

根據該發明的一個實施例，所述切換機構設在所述勵磁定子外且臨近所述勵磁定子的一端。

根據該發明的一個實施例，還包括：外轉子機殼，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部均設在所述外轉子機殼內，所述勵磁轉子部與所述外轉子機殼傳動連接；內轉子機殼，所述凸極轉子部與所述內轉子機殼傳動連接且所述內轉子機殼上傳動連接有適於與所述負載傳動連接的電機軸；定子機殼，所述勵磁定子與所述定子機殼傳動連接，所述勵磁定子固定環與所述定子機殼傳動連接，所述凸極轉子固定環與所述凸極轉子部傳動連接，所述勵磁轉子固定環與所述外轉子機殼傳動連接。

根據該發明的一個實施例，所述外轉子機殼與所述電機軸之間以及所述定子機殼與所述電機軸之間分別通過軸承配合。

根據該發明的一個實施例，還包括：外轉子機殼，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部均設在所述定子機殼內，所述勵磁轉子部與所述外轉子機殼傳動連接；內轉子機殼，所述勵磁定子上傳動連接有固定支撐軸，所述凸極轉子部和所述固定支撐軸分別與所述內轉子機殼傳動連接，所述勵磁定子固定環與所固定支撐軸傳動連接，所述凸極轉子固定環與所述內轉子機殼傳動連接，所述勵磁轉子固定環與所述外轉子機殼傳動連接。

根據該發明的一個實施例，所述外轉子機殼與所述固定支撐軸之間以及所述內轉子機殼與所述固定支撐軸之間分別通過軸承配合。

根據該發明的一個實施例，所述固定支撐軸為橫截面為環形的中空軸。

根據該發明的一個實施例，所述勵磁定子包括：定子導磁鐵芯；定子繞組，所述定子繞組繞制在所述定子導磁鐵芯上。

根據該發明的一個實施例，所述勵磁轉子部包括：轉子導磁鐵芯；永磁體，所述永磁體設在所述轉子導磁鐵芯上。

根據該發明的一個實施例，所述凸極轉子部包括：多個導磁鐵芯；多個非導磁間隔塊，多個所述導磁鐵芯和多個所述非導磁間隔塊沿所述電機的周向交替排列。

根據該發明的一個實施例，所述勵磁定子由交流電流驅動且產生的旋轉磁場的極對數為p_s，所述勵磁轉子部產生的勵磁磁場的極對數為p_f，所述導磁鐵芯的數量為p_r，其中，p_r=|p_s±p_f|。 ^[3] 

圖1是根據《電機》實施例一的電機的半剖圖；

圖2是圖1中所示的電機在切換機構處於第一狀態時的結構示意圖；

圖3是圖1中所示的電機在切換機構處於第二狀態時的結構示意圖；

圖4是根據該發明實施例的電機在兩種工作狀態下的極對數和端電壓的對比曲線圖；

圖5是根據該發明實施例二的電機的半剖圖；

圖6是圖5中所示的電機在切換機構處於第一狀態時的結構示意圖；

圖7是圖5中所示的電機在切換機構處於第二狀態時的結構示意圖；

圖8是根據該發明一個實施例的電機的勵磁轉子部的結構示意圖；

圖9是根據該發明又一個實施例的電機的勵磁轉子部的結構示意圖；

圖10是根據該發明另一個實施例的電機的勵磁轉子部的結構示意圖。

附圖標記：100：電機；10：勵磁定子；11：定子導磁鐵芯；12：定子繞組；20：凸極轉子部；21：導磁鐵芯；22：非導磁間隔塊；30：勵磁轉子部；31：轉子導磁鐵芯；32：永磁體；41：電機軸；42：固定支撐軸；50：切換機構；51：勵磁定子固定環；52：凸極轉子固定環；53：勵磁轉子固定環；541：驅動部；542：滑動環；61：外轉子機殼；62：內轉子機殼；63：定子機殼；70：軸承。 ^[3] 

《電機》涉及電機技術領域，更具體地，涉及一種電機。 ^[3] 

1.一種電機，其特徵在於，包括：勵磁定子、凸極轉子部和勵磁轉子部，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部沿所述電機的徑向由內至外依次間隔設置，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的任意兩個均可相對旋轉；切換機構，所述切換機構通過可選地固定所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的兩個的相對位置以選取所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的至少一個充當可相對所述勵磁定子旋轉的轉子。

2.根據權利要求1所述的電機，其特徵在於，所述切換機構在第一狀態和第二狀態之間可切換，所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的一個適於與負載傳動連接，所述切換機構處於所述第一狀態時固定所述勵磁定子與所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部中的另一個的相對位置，所述切換機構處於所述第二狀態時固定所述勵磁轉子部與所述凸極轉子部的相對位置。

3.根據權利要求2所述的電機，其特徵在於，所述切換機構包括：勵磁定子固定環，所述勵磁定子固定環與所述勵磁定子的相對位置固定；凸極轉子固定環，所述凸極轉子固定環與所述凸極轉子部的相對位置固定；勵磁轉子固定環，所述勵磁轉子固定環與所述勵磁轉子部的相對位置固定，所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環中的一個適於與所述負載傳動連接；驅動部和滑動環，所述滑動環由所述驅動部驅動滑動，所述切換機構處於所述第一狀態時，所述滑動環在所述驅動部的驅動下分別與所述勵磁定子固定環以及所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環中的另一個配合，所述切換機構處於所述第二狀態時，所述滑動環在所述驅動部的驅動下分別與所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環配合。

4.根據權利要求3所述的電機，其特徵在於，所述驅動部為通過電磁感應驅動所述滑動環滑動的控制線圈。

5.根據權利要求3所述的電機，其特徵在於，所述滑動環、所述勵磁定子固定環、所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環上分別設有卡齒，所述切換機構處於所述第一狀態時，所述滑動環上的卡齒分別與所述勵磁定子固定環上的卡齒以及所述凸極轉子固定環和所述勵磁轉子固定環中的所述另一個上的卡齒齧合，所述切換機構處於所述第二狀態時，所述滑動環上的卡齒分別與所述凸極轉子固定環上的卡齒和所述勵磁轉子固定環上的卡齒齧合。

6.根據權利要求3所述的電機，其特徵在於，所述切換機構設在所述勵磁定子外且臨近所述勵磁定子的一端。

7.根據權利要求3-6中任一項所述的電機，其特徵在於，還包括：外轉子機殼，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部均設在所述外轉子機殼內，所述勵磁轉子部與所述外轉子機殼傳動連接；內轉子機殼，所述凸極轉子部與所述內轉子機殼傳動連接且所述內轉子機殼上傳動連接有適於與所述負載傳動連接的電機軸；定子機殼，所述勵磁定子與所述定子機殼傳動連接，所述勵磁定子固定環與所述定子機殼傳動連接，所述凸極轉子固定環與所述凸極轉子部傳動連接，所述勵磁轉子固定環與所述外轉子機殼傳動連接。

8.根據權利要求7所述的電機，其特徵在於，所述外轉子機殼與所述電機軸之間以及所述定子機殼與所述電機軸之間分別通過軸承配合。

9.根據權利要求3-6中任一項所述的電機，其特徵在於，還包括：外轉子機殼，所述勵磁定子、所述凸極轉子部和所述勵磁轉子部均設在所述定子機殼內，所述勵磁轉子部與所述外轉子機殼傳動連接；內轉子機殼，所述勵磁定子上傳動連接有固定支撐軸，所述凸極轉子部和所述固定支撐軸分別與所述內轉子機殼傳動連接，所述勵磁定子固定環與所固定支撐軸傳動連接，所述凸極轉子固定環與所述內轉子機殼傳動連接，所述勵磁轉子固定環與所述外轉子機殼傳動連接。

10.根據權利要求9所述的電機，其特徵在於，所述外轉子機殼與所述固定支撐軸之間以及所述內轉子機殼與所述固定支撐軸之間分別通過軸承配合。

11.根據權利要求9所述的電機，其特徵在於，所述固定支撐軸為橫截面為環形的中空軸。

12.根據權利要求1所述的電機，其特徵在於，所述勵磁定子包括：定子導磁鐵芯；定子繞組，所述定子繞組繞制在所述定子導磁鐵芯上。

13.根據權利要求12所述的電機，其特徵在於，所述勵磁轉子部包括：轉子導磁鐵芯；永磁體，所述永磁體設在所述轉子導磁鐵芯上。

14.根據權利要求13所述的電機，其特徵在於，所述凸極轉子部包括：多個導磁鐵芯；多個非導磁間隔塊，多個所述導磁鐵芯和多個所述非導磁間隔塊沿所述電機的周向交替排列。

15.根據權利要求14所述的電機，其特徵在於，所述勵磁定子由交流電流驅動且產生的旋轉磁場的極對數為p_s，所述勵磁轉子部產生的勵磁磁場的極對數為p_f，所述導磁鐵芯的數量為p_r，其中，p_r＝|p_s±p_f|。 ^[3] 

相關技術中的電機採用弱磁控制以實現上述目的，然而這種方式對電機的參數有着一定的限制，無法兼顧低速大轉矩工作區和高速低轉矩的高效率運行。

針對上述問題，一方面再有相關技術中的變極感應電機工作在固定的電網頻率下，通過改變定子繞組的連接方式，達到轉子鼠籠中感應出的轉子極數變化從而調整電機轉速，但以上方法受限於感應電機應用不適用於同步電機，並且需要變更定子繞組連接，在直流變頻電機發展的大趨勢下已經十分落伍。

而另一方面，有學者提出可以通過採用AlNiCo等低矯頑力永磁體構成記憶電機，通過繞組對轉子永磁體的充磁方向度進行在線調整，以達到同步電機變極的目的，但上述方法採用的低矯頑力永磁體磁能級較低，容易造成電機的整體功率密度遠低於傳統永磁同步電機的問題。

為此，該發明提出一種電機，該電機充分結合了變極電機高效率運行區間大範圍調整的特點，電機繞組在極數變化的過程中無需任何改變，具備高轉矩、高功率密度的特點，適用於從家用電器、電動汽車、風力發電等需要高轉矩直接驅動的場合。

下面結合附圖1至圖10具體描述根據該發明實施例的電機100。

根據該發明實施例的電機100包括勵磁定子10、凸極轉子部20、勵磁轉子部30和切換機構50。

具體而言，勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30沿電機100的徑向由內至外依次間隔設置，勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30中的任意兩個均可相對旋轉，切換機構50通過可選地固定勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30中的兩個的相對位置以選取凸極轉子部20和勵磁轉子部30中的至少一個充當可相對勵磁定子10旋轉的轉子。

換言之，電機100主要由勵磁定子10、凸極轉子部20、勵磁轉子部30、切換機構50組成。勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30大致形成為沿電機100的軸向（如圖2所示左右方向）延伸的圓筒形結構，在電機100的徑向上、凸極轉子部20位於勵磁定子10的外側且位於勵磁轉子部30的內側，勵磁定子10、凸極轉子部20、勵磁轉子部30同軸佈置，三者之間間隔開設置，從而避免任意兩者之間相對旋轉時產生干涉，進而影響電機100的正常工作。再者，勵磁定子10、凸極轉子部20、勵磁轉子部30三者之間任意兩個都可以相對旋轉，也就是説，凸極轉子部20可以相對於勵磁定子10或勵磁轉子部30做旋轉運動，同時，勵磁轉子部30也可以相對於凸極轉子部20或勵磁定子10做旋轉運動。

進一步地，切換機構50可以固定勵磁定子10與勵磁轉子部30之間的相對位置，從而使得凸極轉子部20相對於勵磁定子10與勵磁轉子部30旋轉，形成為可相對勵磁定子10旋轉的轉子；切換機構50也可以固定勵磁轉子部30與凸極轉子部20之間的相對位置，從而使得凸極轉子部20和勵磁轉子部30相對於勵磁定子10旋轉，形成為可相對勵磁定子10旋轉的轉子；或者切換機構50可以固定勵磁定子10與凸極轉子部20之間的相對位置，從而使得勵磁轉子部30可以分別相對於勵磁定子10與凸極轉子部20旋轉，形成為可相對勵磁定子10旋轉的轉子，電機100在三種狀態下的轉子可以分別輸出轉矩，實現電機100的三種工作狀態的切換，進而在不改變電機100繞組連接的情況下，實現電機100的變極變壓運行，即實現對轉子極數和電機100運行頻率的控制調節。

由此，當電機100工作在低速大轉矩區時，採用等效極對數較高的運行狀態，輸出轉矩大，當電機100工作在高速運行區間時，採用等效極對數較小的運行狀態，在無需進行弱磁控制的狀態下自然滿足高速工作需求，且因為工作頻率降低，效率大幅提升，電機100的三種運行狀態的等效轉子極對數和工作電頻率差異顯著，實現了不改變電機100繞組連接前提下的變極變壓運行，拓寬了電機100的轉速工作範圍，從而有效地提高電機100的轉矩密度和高功率密度，增大電機100的應用範圍。

根據該發明實施例的電機100，通過將勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30設置為任意兩個均可相對旋轉，並且利用切換機構50可選地固定其中兩個，從而使得凸極轉子部20和勵磁轉子部30中至少一個形成為可以相對於勵磁定子10轉動的轉子，進而在不改變電機100繞組連接的情況下，實現轉子極數和電機100運行頻率的控制調節，從而實現電機100的最佳效率區間在低速大轉矩區間和高速低轉矩區間之間的切換，有效地提高電機100的轉矩密度和高功率密度，增大電機100的應用範圍。該電機100的結構緊湊，佔用空間小、工作範圍廣，可以在不改變電機100繞組連接的情況下實現轉子極數和運行頻率的受控調整，與相關技術中的相同整機體積的電機100相比，可以輸出更大的轉矩和功率，具有高轉矩、高功率密度等優點。

在該發明的一些實施例中，切換機構50在第一狀態和第二狀態之間可切換，凸極轉子部20和勵磁轉子部30中的一個適於與負載傳動連接，切換機構50處於第一狀態時固定勵磁定子10與凸極轉子部20和勵磁轉子部30中的另一個的相對位置，切換機構50處於第二狀態時固定勵磁轉子部30與凸極轉子部20的相對位置。

具體地，如圖2和圖3所示，在該實施例中，負載與凸極轉子部20傳動連接，也就是説，負載與凸極轉子部20可以同步運動或同步不運動，而切換機構50可以固定勵磁定子10與勵磁轉子部30的相對位置，也可以固定凸極轉子部20與勵磁轉子部30的相對位置。

如圖2所示，當切換機構50處於第一狀態時，切換機構50固定連接勵磁定子10與勵磁轉子部30的相對位置，使得勵磁定子10與勵磁轉子部30同步不運動，凸極轉子部20形成可相對於勵磁定子10旋轉的轉子；如圖3所示，當切換機構50處於第二狀態時，切換機構50固定連接凸極轉子部20與勵磁轉子部30的相對位置，使得凸極轉子部20與勵磁轉子部30可以同步運動或者不運動，凸極轉子部20和勵磁轉子部30形成可相對於勵磁定子10旋轉的轉子，從而通過切換機構50實現電機100第一狀態和第二狀態之間的切換，進而實現對等效轉子極對數和工作點頻率的調節，從而實現電機100的變極變壓運行。

當然，該發明並不限於此，在該發明的另一些示例中，負載與勵磁轉子部30傳動連接，也就是説，負載與勵磁轉子部30可以同步運動或同步不運動，而切換機構50可以固定勵磁定子10與凸極轉子部20的相對位置，也可以固定勵磁轉子部30與凸極轉子部20的相對位置。

如圖6所示，當切換機構50處於第一狀態時，切換機構50固定連接勵磁定子10與凸極轉子部20的相對位置，使得勵磁定子10與凸極轉子部20同步不運動，勵磁轉子部30形成可相對於勵磁定子10旋轉的轉子；如圖7所示，當切換機構50處於第二狀態時，切換機構50固定連接凸極轉子部20與勵磁轉子部30的相對位置，使得凸極轉子部20與勵磁轉子部30可以帶動負載同步運動或者不運動，凸極轉子部20和勵磁轉子部30形成可相對於勵磁定子10旋轉的轉子，從而通過切換機構50實現電機100第一狀態和第二狀態之間的切換，進而實現對等效轉子極對數和工作點頻率的調節，從而實現電機100的變極變壓運行。

由此，當電機100工作在低速大轉矩區時，採用等效極對數較高的運行狀態，輸出轉矩大，當電機100工作在高速運行區間時，採用等效極對數較小的運行狀態，在無需進行弱磁控制的狀態下自然滿足高速工作需求，且因為工作頻率降低，效率大幅提升，電機100的兩種運行狀態的等效轉子極對數和工作電頻率差異顯著，實現了不改變電機100繞組連接前提下的變極變壓運行，拓寬了電機100的轉速工作範圍，從而有效地提高電機100的轉矩密度和高功率密度，增大電機100的應用範圍。

其中，切換機構50包括勵磁定子固定環51、凸極轉子固定環52、勵磁轉子固定環53、驅動部541和滑動環542。具體而言，勵磁定子固定環51與勵磁定子10的相對位置固定，凸極轉子固定環52與凸極轉子部20的相對位置固定，勵磁轉子固定環53與勵磁轉子部30的相對位置固定，凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53中的一個適於與負載傳動連接，滑動環542由驅動部541驅動滑動，切換機構50處於第一狀態時，滑動環542在驅動部541的驅動下分別與勵磁定子固定環51以及凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53中的另一個配合，切換機構50處於第二狀態時，滑動環542在驅動部541的驅動下分別與凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53配合。

參照圖2、圖3、圖6和圖7，切換機構50主要由勵磁定子固定環51、凸極轉子固定環52、勵磁轉子固定環53、驅動部541和滑動環542組成。勵磁定子固定環51大致形成為圓筒形結構，勵磁定子固定環51與勵磁定子10的相對位置固定，即勵磁定子固定環51與勵磁定子10之間同步不運動，凸極轉子固定環52與凸極轉子部20的相對位置固定，凸極轉子固定環52與凸極轉子部20可以同步運動，也可以同步不運動；勵磁轉子固定環53與勵磁轉子部30的相對位置固定，即勵磁轉子固定環53與勵磁轉子部30可以同步運動，也可同步不運動。

可選地，如圖2所示，凸極轉子部20與負載傳動連接，當切換機構50處於第一狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下，一端與勵磁定子固定環51配合，另一端與勵磁轉子固定環53配合，從而使得勵磁定子10和勵磁轉子部30的相對位置固定（即同步不運動），此時，凸極轉子部20形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。

如圖3所示，當切換機構50處於第二狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下，一端與凸極轉子固定環52配合，另一端與勵磁轉子固定環53配合，從而使得凸極轉子部20和勵磁轉子部30的相對位置固定（即同步運動），此時，凸極轉子部20和勵磁轉子部30形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。

可選地，如圖6所示，勵磁轉子部30與負載傳動連接，當切換機構50處於第一狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下，一端與勵磁定子固定環51配合，另一端與凸極轉子固定環52配合，從而使得勵磁定子10和凸極轉子部20的相對位置固定（即同步不運動），此時，勵磁轉子部30形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。如圖7所示，當切換機構50處於第二狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下，一端與凸極轉子固定環52配合，另一端與勵磁轉子固定環53配合，從而使得凸極轉子部20和勵磁轉子部30的相對位置固定（即同步運動），此時，凸極轉子部20和勵磁轉子部30形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。

由此，根據該發明的電機100可以通過切換機構50快速地可以實現第一狀態和第二狀態之間的切換，從而在不改變電機100繞組連接的情況下，實現轉子極數和電機100運行頻率的控制調節，提高電機100輸出的轉矩和功率，增大電機100的應用範圍。

可選地，驅動部541為通過電磁感應驅動滑動環542滑動的控制線圈。通過將驅動部541設為可以通過電磁感應控制滑動環542滑動的控制線圈，從而可以簡化電機100內部的佈線，使得電機100整體結構更加簡單。

優選地，滑動環542、勵磁定子固定環51、凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53上分別設有卡齒，切換機構50處於第一狀態時，滑動環542上的卡齒分別與勵磁定子固定環51上的卡齒以及凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53中的另一個上的卡齒齧合，切換機構50處於第二狀態時，滑動環542上的卡齒分別與凸極轉子固定環52上的卡齒和勵磁轉子固定環53上的卡齒齧合。

如圖2和圖3所示，滑動環542大致形成為圓筒形結構，圓筒形結構的滑動環542的內壁和外壁上分別設有卡齒，凸極轉子固定環52的外壁上設有卡齒，勵磁轉子固定環53的內壁上設有卡齒，滑動環542內壁上的卡齒能夠與凸極轉子固定環52和勵磁定子固定環51的外壁上的卡齒齧合配合，滑動環542外壁上的卡齒能夠與勵磁轉子固定環53內壁上的卡齒配合，從而利用卡齒間的配合作用，增強滑動環542與勵磁定子固定環51、凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53之間的連接可靠性，保證電機100的正常運轉。

具體地，如圖2所示，當切換機構50處於第一狀態時，滑動環542外壁上的卡齒與勵磁轉子固定環53內壁上的卡齒齧合，滑動環542內壁上的卡齒與勵磁定子固定環51外壁上的卡齒齧合，從而保證勵磁定子10與勵磁轉子部30的傳動連接，勵磁定子10與勵磁轉子部30同步不轉動；如圖3所示，當切換機構50處於第二狀態時，滑動環542內壁上的卡齒與勵磁定子固定環51外壁上的卡齒脱離，滑動環542外壁上的卡齒分別與凸極轉子固定環52內壁上的卡齒和勵磁轉子固定環53內壁上的卡齒齧合，從而保證凸極轉子部20與勵磁轉子部30的傳動連接，凸極轉子部20與勵磁轉子部30同步轉動。

有利地，根據該發明的一個實施例，切換機構50設在勵磁定子10外且鄰近勵磁定子10的一端。具體地，如圖2所示，切換機構50設在勵磁定子10的右側，且與勵磁定子10間隔開佈置，有利於控制勵磁轉子部30與勵磁定子10可選擇地連接，實現電機100的不同工作狀態的調換。

此外，電機100還包括：外轉子機殼61、內轉子機殼62和定子機殼63，勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30均設在外轉子機殼61內，勵磁轉子部30與外轉子機殼61傳動連接，凸極轉子部20與內轉子機殼62傳動連接且內轉子機殼62上傳動連接有適於與負載傳動連接的電機軸41，勵磁定子10與定子機殼63傳動連接，勵磁定子固定環51與定子機殼63傳動連接，凸極轉子固定環52與凸極轉子部20傳動連接，勵磁轉子固定環53與外轉子機殼61傳動連接。

參照圖2和圖3，外轉子機殼61大致形成為一端（如圖2所示的右端）敞開的圓筒狀結構，勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁定子10部沿定子機殼63的徑向方向由內向外依次間隔開設在外轉子機殼61內且同軸設置，從而通過外轉子機殼61對電機100內部元件進行保護，避免意外損傷。其中，勵磁轉子固定環53設在外轉子機殼61的一端（如圖2所示的右端）且與外轉子機殼61一體成型。

定子機殼63形成沿電機100的軸向延伸的環形結構，定子機殼63設在外轉子機殼61內且定子機殼63的一端（如圖2所示的右端）的外側壁設有勵磁定子固定環51以可選擇地與驅動環傳動連接，內轉子機殼62形成沿電機100的軸向延伸的環形結構且在電機100的徑向上、位於外轉子機殼61與定子機殼63之間，內轉子機殼62的一端（如圖2所示的右端）與凸極轉子固定環52相連。

在該實施例中，勵磁定子10與定子機殼63之間無相對運動，定子機殼63處於固定狀態，則勵磁定子10也處於固定狀態。

如圖2所示，當切換機構50處於第一狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下，一端與勵磁定子固定環51配合，另一端與勵磁轉子固定環53配合，從而使得勵磁定子10和勵磁轉子部30的相對位置固定（即二者處於同步不運動），此時，凸極轉子部20形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。如圖3所示，當切換機構50處於第二狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下、分別與凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53配合，從而使得凸極轉子部20和勵磁轉子部30的相對位置固定（即二者處於同步運動），此時，凸極轉子部20和勵磁轉子部30形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。從而通過切換機構50實現電機100第一狀態和第二狀態之間的切換，進而實現對等效轉子極對數和工作點頻率的調節，從而實現電機100的變極變壓運行。

參照圖2和圖3，電機軸41穿過定子機殼63內且與定子機殼63間隔開佈置，內轉子機殼62通過電機軸41與負載連接，切換機構50設在定子機殼63與內轉子機殼62之間且鄰近勵磁轉子部30的一端，從而可以簡化切換機構50的電路佈線，增強切換機構50控制的可靠性。值得説明的是，切換機構50可以是電磁式的，也可以是機械式的，該領域技術人員可以根據實際的設計需求進行選擇。

優選地，外轉子機殼61與電機軸41之間以及定子機殼63與電機軸41之間分別通過軸承70配合。具體地，如圖2和圖3所示，定子機殼63與電機軸41之間、外轉子機殼61與電機軸41之間通過軸承70配合保持相互之間的距離和旋轉獨立性，結構簡單，不會形成運動干涉。

在該發明的另一些具體實施方式中，電機100還包括：外轉子機殼61、內轉子機殼62，勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁轉子部30均設在定子機殼63內，勵磁轉子部30與外轉子機殼61傳動連接，勵磁定子10上傳動連接有固定支撐軸42，凸極轉子部20和固定支撐軸42分別與內轉子機殼62傳動連接，勵磁定子固定環51與所固定支撐軸42傳動連接，凸極轉子固定環52與內轉子機殼62傳動連接，勵磁轉子固定環53與外轉子機殼61傳動連接。

具體地，如圖6和圖7所示，外轉子機殼61大致形成為一端（如圖6所示的左端）敞開的圓筒狀結構，勵磁定子10、凸極轉子部20和勵磁定子10部沿定子機殼63的徑向方向由內向外依次間隔開設在外轉子機殼61內且同軸設置，從而通過外轉子機殼61對電機100內部元件進行保護，避免意外損傷。其中，勵磁轉子固定環53設在外轉子機殼61的一端（如圖6所示的左端）且與外轉子機殼61一體成型。

同時，固定支撐軸42形成沿電機100的軸向延伸的環形結構，固定支撐軸42設在外轉子機殼61內且固定支撐軸42的一端（如圖6所示的左端）的外側壁設有勵磁定子固定環51以可選擇地與驅動環傳動連接，勵磁定子10固設在在固定支撐軸42上；內轉子機殼62形成沿電機100的軸向延伸的環形結構且在電機100的徑向上、位於外轉子機殼61與固定支撐軸42之間，內轉子機殼62的一端（如圖2所示的右端）與凸極轉子固定環52相連。

如圖6所示，當切換機構50處於第一狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下，一端與勵磁定子固定環51配合，另一端與凸極轉子固定環52配合，從而使得勵磁定子10和凸極轉子部20的相對位置固定（即二者處於同步不運動），此時，勵磁轉子部30形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。如圖7所示，當切換機構50處於第二狀態時，滑動環542在驅動部541驅動下、分別與凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53配合，從而使得凸極轉子部20和勵磁轉子部30的相對位置固定（即二者處於同步運動），此時，凸極轉子部20和勵磁轉子部30形成為相對勵磁定子10旋轉的轉子。從而通過切換機構50實現電機100第一狀態和第二狀態之間的切換，進而實現對等效轉子極對數和工作點頻率的調節，從而實現電機100的變極變壓運行。

可選地，外轉子機殼61與固定支撐軸42之間以及內轉子機殼62與固定支撐軸42之間分別通過軸承70配合，從而保持外轉子機殼61與固定支撐軸42之間以及內轉子機殼62與固定支撐軸42之間的距離和旋轉獨立性。

其中，根據該發明的一個實施例，固定支撐軸42為橫截面為環形的中空軸。即固定支撐軸42形成沿電機100的軸向延伸的空心軸，且電機100在工作時，固定支撐軸42相對靜止不動，只起到支撐勵磁定子10的作用，將固定支撐軸42做成空心軸，既可以減小電機100的重量，有利於實現電機100的輕量化，又可以降低材料成本，從而提升電機100的性價比。而在該實施例中，電機100在兩種工作狀態切換時，勵磁轉子部30均作為電機100的轉子，外轉子機殼61隨勵磁轉子部30一起轉動以輸出轉矩，負載與外轉子機殼61相連。

可選地，勵磁定子10包括定子導磁鐵芯11和定子繞組12，定子繞組12繞制在定子導磁鐵芯11上。

參照圖1和圖2，勵磁定子10主要由定子導磁鐵芯11和定子繞組12組成，定子導磁鐵芯11由高導磁材料構成，高導磁材料可以是硅鋼片、鈷鋼片、坡莫合金、SMC等材料。定子繞組12繞制在定子導磁鐵芯11上，定子繞組12可以是集中繞組（如圖1所示），也可以是分佈繞組（如圖6所示），也就是説定子繞組12的跨距可以是1或者其他整數，同時，定子繞組12的相數可以單相或多相，從而使得定子繞組12通過AC電流，產生磁場。值得説明的是，定子導磁鐵芯11的具體材料、定子繞組12繞組形式，以及定子繞組12的相數可以根據實際的設計需求做出適應性的選擇，以保證電機100的轉矩和功率密度。

其中，勵磁轉子部30包括轉子導磁鐵芯31和永磁體32，永磁體32設在轉子導磁鐵芯31上。

換言之，勵磁轉子部30主要由轉子導磁鐵芯31和永磁體32組成，永磁體32設在轉子導磁鐵芯31上且沿轉子導磁鐵芯31的周向方向均勻佈置。轉子導磁鐵芯31由高導磁材料構成，高導磁材料可以是硅鋼片、鈷鋼片、坡莫合金、SMC等材料。永磁體32主要由永磁材料構成，永磁材料可以是釹鐵硼、鐵氧體、鋁鎳鈷、釤鈷等材料。永磁體32可以通過表面貼裝（SPM）、內置式（IPM）、表面嵌裝（Inset PM）等方式實現與轉子導磁鐵芯31的結合，例如，在該發明的一個示例中，永磁體32以相同極性相對的方式嵌入轉子導磁鐵芯31，從而保證勵磁轉子部30的結構穩定，進而產生勵磁磁場。

可選地，每個永磁體32大致形成為長條狀結構，多個長條狀的永磁體32以相同極性相對的方式沿周向方向間隔開嵌入轉子導磁鐵芯31。

如圖8所示，在該實施例中，轉子導磁鐵芯31形成沿電機100的周向延伸的圓環形，轉子導磁鐵芯31上上設有多個間隔開佈置的永磁體32，每個永磁體32嵌設在轉子導磁鐵芯31內，每個永磁體32形成長條狀且永磁體32的長條邊與轉子導磁鐵芯31的徑向相互垂直。

如圖8所示，在該實施例中，轉子導磁鐵芯31形成沿電機100的周向延伸的圓環形，轉子導磁鐵芯31上上設有多個間隔開佈置的永磁體32，每個永磁體32的長度方向沿電機100的徑向延伸，且每個永磁體32的長度尺寸等於轉子導磁鐵芯31在電機100的徑向上的厚度。

如圖10所示，在該實施例中，轉子導磁鐵芯31形成沿電機100的周向延伸的圓環形，轉子導磁鐵芯31上上設有多個間隔開佈置的永磁體32，每個永磁體32形成沿轉子導磁鐵芯31的周向延伸的弧形塊，且每個永磁體32鄰近轉子導磁鐵芯31的內側壁設置。值得説明的是，該領域技術人員可以根據實際設計需求改變永磁體32的數量、形狀以及佈置方式，以調整等效轉子極對數和工作電頻率，使得在輸出機械轉速相同時，可以通過切換電機100的不同運行狀態（如第一狀態和第二狀態）實現變極變壓運行。

凸極轉子部20包括多個導磁鐵芯21和多個非導磁間隔塊22，多個導磁鐵芯21和多個非導磁間隔塊22沿電機100的周向交替排列。

參照圖1，凸極轉子部20主要由多個導磁鐵芯21和多個非導磁間隔塊22組成，多個導磁鐵芯21和多個非導磁間隔塊22沿電機100的周向交替間隔佈置，導磁鐵芯21由高導磁材料構成，高導磁材料可以是硅鋼片、鈷鋼片、坡莫合金、SMC等材料。非導磁間隔塊22由非導磁材料構成，非導磁材料可以是空氣、塑料、高分子聚合物、非導磁金屬等材料。

有利地，根據該發明的一個實施例，勵磁定子10由交流電流驅動且產生的旋轉磁場的極對數為p_s，勵磁轉子部30產生的勵磁磁場的極對數為p_f，導磁鐵芯21的數量為p_r，其中，p_r=|p_s±p_f|。

具體地，勵磁定子10通過交流電流驅動，併產生極對數為ps的旋轉磁場，勵磁轉子部30產生極對數為pf的勵磁磁場，導磁鐵芯21的數量為pr，同時，導磁鐵芯21的數量等於旋轉磁場的極對數和勵磁磁場的極對數之和或者二者之差，從而保證電機100在不同運行狀態下能夠正常運行。

下面結合多個實施例詳細描述根據該發明實施例的變極變壓外轉子電機100。

該變極變壓外轉子電機100主要包含三層主要結構以及一個切換機構50，三層主要結構包含固定的勵磁定子10、旋轉狀態可變的凸極轉子部20、旋轉狀態可變的勵磁轉子部30，勵磁定子10和勵磁轉子部30分別居於整個電機100三層主要結構的最內層和最外層，凸極轉子部20位於整個電機100三層主要結構的中間層，且凸極轉子部20分別與勵磁定子10和勵磁轉子部30之間以空氣間隙相隔離。

勵磁定子10包含高導磁材料（包含但不限於硅鋼片、鈷鋼片、坡莫合金、SMC等）構成的定子導磁鐵芯11以及在其上的繞制的定子繞組12，定子繞組12可以是集中繞組或者分佈繞組，即定子繞組12的跨距可以是1或者其他整數，定子繞組12的相數可以為單相或多相，定子導磁鐵芯11的槽數為Ns，定子繞組12可由與繞組相數對應的多相AC電流驅動，產生的極對為ps的磁場。

勵磁轉子部30的勵磁形式為永磁形式，永磁形式的勵磁轉子部30包含高導磁材料（包含但不限於硅鋼片、鈷鋼片、坡莫合金、SMC等）構成的轉子導磁鐵芯31以及永磁材料（包含但不限於釹鐵硼、鐵氧體、鋁鎳鈷、釤鈷等）構成的永磁體32，轉子導磁鐵芯31和永磁體32的結合方式可以採用所有永磁電機100的轉子形式，主要包含但不限於表面貼裝（SPM）、內置式（IPM）、表面嵌裝（Inset PM）等，產生的極對為pf的勵磁磁場。

凸極轉子部20包含高導磁材料（包含但不限於硅鋼片、鈷鋼片、坡莫合金、SMC等）構成的導磁鐵芯21以及非導磁材料（包含但不限於空氣、塑料、高分子聚合物、非導磁金屬等）構成的非導磁間隔塊22，導磁鐵芯21和間隔塊交替間隔佈置形成凸極轉子部20，導磁鐵芯21的數量為pr，其與ps以及pf的關係滿足pr=|ps±pf|。

切換機構50可以為電磁式或機械式，其作用在於切換電機100旋轉部件的組成形式於三種運行狀態之間，第一運行狀態下，勵磁定子10和勵磁轉子部30固定不動以充當電機100的定子，凸極轉子部20為旋轉部件以充當電機100的轉子，第一運行狀態下的電機100的等效轉子極數為pr，電機100的工作電頻率為ωnpr，ωn為電機100輸出軸的機械轉速；第二運行狀態下，勵磁定子10固定不動，充當電機100的定子，勵磁轉子部30和凸極轉子部20相連作為轉動部件，充當電機100的轉子，第二運行狀態下電機100的等效轉子極數為ps，電機100的工作電頻率為ωnps；第三運行狀態下，勵磁定子10和凸極轉子部20固定不動，充當電機100的定子，勵磁轉子部30為旋轉部件，充當電機100的轉子，第三運行狀態下電機100的等效轉子極數為pf，電機100的工作電頻率為ωnpf。當電機100輸出機械轉速相同時，以上三種運行狀態之間的等效轉子極對數和工作電頻率之比為ps:pr:pf，進而可以通過切換電機100的不同運行狀態實現變極變壓運行。 ^[3] 

如圖1至圖3所示，在該實施例中，勵磁定子10在整個電機100三層主要結構的最內層，為固定不旋轉的部件，勵磁定子10包含定子導磁鐵芯11、定子繞組12和定子機殼63。定子導磁鐵芯11的齒槽的槽數Ns=12，定子繞組12為三相集中繞組，線圈跨距為1，定子繞組12通入三相對稱電流時，產生極對數ps=4的勵磁定子10旋轉磁場。

凸極轉子部20包含導磁鐵芯21、非導磁間隔塊22、內轉子機殼62，內轉子機殼62與電機軸41直接相連接，導磁鐵芯21的數量pr=20。勵磁轉子部30包含轉子導磁鐵芯31、永磁體32和外轉子機殼61，永磁體32以相同極性間隔排布的方式安裝在轉子導磁鐵芯31的內側，使得勵磁轉子部30產生極對數pf=16的勵磁磁場。勵磁定子10、勵磁轉子部30、凸極轉子部20以及電機軸41之間通過軸承70保持相互之間的距離和旋轉獨立性。

切換機構50包含控制線圈、滑動環542，勵磁定子固定環51、凸極轉子固定環52、勵磁轉子固定環53，滑動環542為徑向內外都有卡齒的齒圈，勵磁定子固定環51為徑向外側有卡齒的齒圈，凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53為徑向內側有卡齒的齒圈。

如圖2所示，電機100在第一運行狀態下，滑動環542在控制線圈控制下、將勵磁轉子固定環53以及勵磁定子固定環51齧合在一起，在此狀態下勵磁轉子部30與勵磁定子10保持固定的相對位置，作為電機100的定子，凸極轉子部20作為電機100的轉子，此狀態下的電機100等效運行轉子極對數為ps=20，電機100在600轉每分轉速下的電頻率為200赫茲。

如圖3所示，電機100在第二運行狀態，控制線圈驅動滑動環542解除對勵磁轉子固定環53以及勵磁定子固定環51的連接，同時滑動環542齧合勵磁轉子固定環53和凸極轉子固定環52，在此狀態下、凸極轉子部20將與勵磁轉子部30保持相對固定的位置，作為電機100的轉子，而勵磁定子10作為電機100的定子，此狀態下的電機100等效運行轉子極對數為ps=4，電機100在600轉每分轉速下的電頻率為40赫茲。

該實施例的電機100在第一、第二運行狀態下、轉軸轉速為600轉每分時的空載繞組反電動勢（back-EMF）對比如圖4，從圖4中可以明顯看出電機100在兩種工作狀態下的極對數和端電壓差異，電機100在兩種運行狀態下的等效極對數和運行頻率的比值為5:1。

該發明的第一實施例不包含該發明的第三運行狀態。

如圖5至圖7所示，在該實施例中，勵磁定子10在整個電機100三層主要結構的最內層，為固定不旋轉的部件，勵磁定子10包含定子導磁鐵芯11、定子繞組12、固定支撐軸42。定子導磁鐵芯11的齒槽的槽數Ns=12，定子繞組12為三相分佈繞組，線圈跨距為3，定子繞組12通入三相對稱電流時，以產生極對數ps=2的勵磁定子10旋轉磁場，勵磁定子10直接與固定支撐軸42連接，固定支撐軸42作為電機100的固定支撐部件。

凸極轉子部20包含導磁鐵芯21、非導磁間隔塊22、內轉子機殼62，導磁鐵芯21的數量pr=18。勵磁轉子部30包含轉子導磁鐵芯31、永磁體32、外轉子機殼61，永磁體32以相同極性間隔佈置的方式安裝在轉子導磁鐵芯31的徑向內側，使得勵磁轉子部30產生極對數pf=16的勵磁磁場。轉子導磁鐵芯31與負載直接相連接，充當驅動輸出部件。勵磁定子10、勵磁轉子部30、凸極轉子部20以及用於支撐電機100的固定支撐軸42之間通過軸承70保持相互之間的距離和旋轉獨立性。

切換機構50包含控制線圈、滑動環542、勵磁定子固定環51、凸極轉子固定環52、勵磁轉子固定環53，滑動環542為徑向內側外側都有卡齒的齒圈，勵磁定子固定環51為徑向外側有卡齒的齒圈，凸極轉子固定環52和勵磁轉子固定環53為徑向內側有卡齒的齒圈。

如圖6所示，電機100在第三運行狀態下，滑動環542在控制線圈產生的驅動下向右平移，將勵磁定子固定環51和凸極轉子固定環52齧合在一起，使得勵磁定子10和凸極轉子部20連接成一體，作為電機100的定子，而勵磁轉子部30作為電機100的旋轉部件，在此狀態下的電機100的等效運行轉子極對數為pf=16，電機100在600轉每分轉速下的電頻率為160赫茲。

如圖7所示，電機100在第二運行狀態下，滑動環542在控制線圈產生的驅動下向左平移，將勵磁轉子固定環53和凸極轉子固定環52齧合在一起，使得勵磁轉子部30和凸極轉子部20連接成一體，作為電機100的轉子，而勵磁定子10作為電機100的定子，在此狀態下的電機100的等效運行轉子極對數為ps=2，電機100在600轉每分轉速下的電頻率為20赫茲。

該實施例不包含該發明實施例一的第一運行狀態，該實施例在第三、第二運行狀態下的等效極對數和運行頻率的比值為8:1。

由此，當電機100工作在低速大轉矩區時，採用等效極對數較高的運行狀態，輸出轉矩大，當電機100工作在高速運行區間時，採用等效極對數較小的運行狀態，在無需進行弱磁控制的狀態下自然滿足高速工作需求，且因為工作頻率降低，效率大幅提升，電機100的兩種運行狀態的等效轉子極對數和工作電頻率差異顯著，實現了不改變電機100繞組連接前提下的變極變壓運行，拓寬了電機100的轉速工作範圍，從而有效地提高電機100的轉矩密度和高功率密度，增大電機100的應用範圍。該電機100的結構緊湊，佔用空間小、工作範圍廣，可以在不改變電機100繞組連接的情況下實現轉子極數和運行頻率的受控調整，與相關技術中的相同整機體積的電機100相比，可以輸出更大的轉矩和功率，具有高轉矩、高功率密度等優點。 ^[3] 

2020年7月14日，《電機》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。 ^[1]