阅读说明：本技术 交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机 (Alternating composite excitation double-salient pole pair assembly and permanent magnet motor thereof ) 是由 林贵生 于 2018-07-10 设计创作，主要内容包括：一种交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机,交变复合励磁双凸极对组件由两个铁芯、四个励磁线圈和一块永磁体/永磁组合体构成,每个铁芯两端均设有凸极,四个励磁线圈分别安装在铁芯的四个凸极极臂上,永磁体/永磁组合体N/S磁极两端桥置于两个铁芯的中部,四个凸极中的两个异名端凸极耦合面匹配成一双N/S凸极对耦合面,另外两个异名端凸极耦合面匹配成另外一双S/N凸极对耦合面；永磁电机定子上布设有至少一相每相至少一副双U型、双V型、双C型、双[型、H型、X型或工字型交变复合励磁双凸极对组件,其转子上对应设置有适配的永磁组件环。本发明结构简单,功率密度超大、能效超高,实用性强、稳定可靠,可应用于各行各业,市场前景巨大。(An alternating composite excitation double-salient pole pair assembly and a permanent magnet motor thereof are disclosed, wherein the alternating composite excitation double-salient pole pair assembly is composed of two iron cores, four excitation coils and a permanent magnet/permanent magnet assembly, two ends of each iron core are respectively provided with a salient pole, the four excitation coils are respectively arranged on four salient pole arms of the iron core, two end bridges of an N/S magnetic pole of the permanent magnet/permanent magnet assembly are arranged in the middle parts of the two iron cores, two different name end salient pole coupling surfaces in the four salient poles are matched to form a double N/S salient pole pair coupling surface, and the other two different name end salient pole coupling surfaces are matched to form another double S/N salient pole pair coupling surface; at least one pair of double-U-shaped, double-V-shaped, double-C-shaped, double- [ shaped, H-shaped, X-shaped or I-shaped alternating composite excitation double-salient pole pair assemblies are distributed on each phase of the stator of the permanent magnet motor, and adaptive permanent magnet assembly rings are correspondingly arranged on the rotor of the permanent magnet motor. The invention has simple structure, super high power density, super high energy efficiency, strong practicability, stability and reliability, can be applied to various industries and has huge market prospect.)

交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁电磁铁技术、永磁电机(包含永磁发电机、永磁同步电动机、永磁步进电动 机和永磁磁阻电机等)、稀土永磁体应用技术、新型铁芯材料应用技术、磁电变换技术、磁路技 术，以及整流、逆变、信息传感和智能控制与驱动等技术领域，特别是一种交变复合励磁双凸极 对组件及其永磁电机。

背景技术

在人们熟悉的工农业生产和日常生活中经常看到各种各样的系统和设备需要动力做支撑，动 力装置是现代人类生活和工作的基础。随着节能减排、环境保护和绿色经济的逐步深度推进和发 展，创新新一代转矩密度和功率密度超大、能效超高的绿色动力装置，已上升到空前且十分重要 的地位，也是新时代对动力装置的发展要求。因此，发明一种交变复合励磁双凸极对组件及其永 磁电机，即顺应潮流也迫切需要。

发明内容

随着高性能稀土永磁和超级永磁材料的迅速发展，各种新型磁性材料(如新型硅钢电工材料、 稀土高导磁材料、非晶合金高导磁材料)和高温超导体材料的广泛应用，以及精密速度传感、磁 电/光电位置传感、磁电变换和电控驱动技术的快速发展，加速了各种永磁电机、非晶合金电机和 新型电机(包括发电机和电动机)的推广应用；同时，永磁磁路理论也与时俱进并得到了很大发 展，特别是磁路霍普金森定律(也叫磁路欧姆定律)、李氏拉推磁路定律等技术成果，都为研制 新型结构的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机奠定了物资基础和坚实的理论基础。

本发明主要基于以下物理学理论、实验结论及电机工作原理：

①磁力线互不相交，且总是闭合的。

②包括电磁铁和永磁铁的任何不同磁铁的两极之间：同性相互排斥，异性相互吸引；同极性 磁力线相互排斥，阻碍或阻抗对方磁力线经过同极性端通过本磁铁/磁体；异极性磁力线相互吸引， 吸引或拉拽对方磁力线经异极性端通过本磁铁/磁体。

③与永磁体两磁极并联的两条对称等效结构的非饱和磁路，因最小磁阻原理，永磁体产生的 磁力线一定是经过磁阻较小的磁路闭合。

④无论是永磁体的磁极，还是电磁铁的磁极，磁极之间均具有同性相互排斥、异性相互吸引 特性，磁极之间会因磁吸引力或磁排斥力产生永磁转矩。

⑤无论是电磁磁力线还是永磁磁力线，因磁阻最小或磁路最短原理，均会产生磁阻转矩。

⑥根据右手螺旋定则，通过改变励磁线圈电磁铁的励磁电流方向，达到改变励磁线圈两端的 N/S极性。

⑦在永磁电机的交变复合励磁之磁路中设置能量收集线圈，能量收集线圈在交变磁通的磁路 中获得感生电动势，其两端接驳到多功能智能控制驱动器中的电能收集处理单元，进行能量回收、 收集和处理，并加以回馈或利用，可提高永磁电机系统的节能减排水平及运行效能。

本发明具体内容和技术方案如下：

一种交变复合励磁双凸极对组件，其特征在于，它由两个铁芯、四个励磁线圈和一块永磁体/ 永磁组合体构成，每个铁芯两端均设有凸极，四个励磁线圈分别安装在铁芯的四个凸极极臂上， 一个铁芯两端凸极互为异名端，永磁体/永磁组合体的两端N/S磁极桥置于两个铁芯的腰部之间， 四个凸极中的其中两个异名端凸极耦合面匹配成一双N/S凸极对耦合面，另外两个异名端凸极耦 合面匹配成另一双S/N凸极对耦合面，铁芯有U形铁芯、V形铁芯、C形铁芯、[形铁芯和直条形 铁芯五种形状，铁芯有三种结构形式供选择即单导磁体、硅钢片/非晶合金带复合体或多段导磁材 质的组合体，两条铁芯以并排、交叉、背靠背、脸对脸或纵向错位横向并排结构形式构建成双U 型、双V型、双C型、双[型、H型、X型或工字型交变复合励磁双凸极对组件，永磁体/永磁组 合体或为单磁钢体、或为永磁组合体、或为永磁导磁复合体，或者为多副交变复合励磁双凸极对 组件共用的一体化永磁体。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件，其特征在于，在两个铁芯的四个凸极臂和作为桥臂 的永磁体之磁路中，选择其中至少一段磁路上适配安装能量收集线圈。

一种交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，定子上布设有至少一相每相至 少一副双U型、双V型、双C型、双[型、H型、X型或工字型交变复合励磁双凸极对组件，转子 上对应设置有适配的永磁组件环，定子上每副交变复合励磁双凸极对组件的两个N/S凸极对耦合 面，分别与转子上对应永磁组件环上的N/S极***错的永磁体耦合面呈定子转子气隙耦合结构， 永磁组件环有六种结构供选择组配定子上不同结构的交变复合励磁双凸极对组件，第一种永磁组 件环为双耦合面单永磁组件环结构，即一段非磁性材质的转子本体表面上贴置一个由偶数个永磁 体构成的永磁组件环，永磁体耦合面呈轴向磁场横向排列成圆环，相邻永磁体耦合面的磁极*** 错且等间距布设，第二种永磁组件环为单耦合面双永磁组件环结构，即一段转子表面设有背部磁 轭，背部磁轭上贴置两个独立的分别由相等偶数个永磁体构成的永磁组件环，永磁体耦合面呈径 向磁场竖向排列成两个圆环，同一个永磁组件环上的相邻永磁体耦合面呈磁极***错且等间距布 设，在两个永磁组件环上且轴向对应成一排或成一耦合对子的两个永磁体耦合面也呈极***错设 置，第三种永磁组件环为单耦合面单永磁组件环结构，即一段转子表面设有背部磁轭，背部磁轭上贴置一个由偶数个长条永磁体构成的永磁组件环，永磁体耦合面呈径向磁场竖向排列成圆筒环， 相邻永磁体耦合面的磁极***错且等间距布设，第四种永磁组件环为双耦合面单永磁续磁组件环 结构，在双耦合面单永磁组件环结构中的两个永磁体之间增设导磁体即成为双耦合面单永磁续磁 组件环结构，第五种永磁组件环为单耦合面双永磁续磁组件环结构，在单耦合面双永磁组件环结 构中的两个永磁体之间增设导磁体即成为单耦合面双永磁续磁组件环结构，第六种永磁组件环为 单耦合面单永磁续磁组件环结构，在单耦合面单永磁组件环结构中的两个长条永磁体之间增设长 条导磁体即成为单耦合面单永磁续磁组件环结构，定子转子结构有六种不同结构，用来构建不同 结构的永磁电机，其一是单段式或多段分相式圆筒外定子筒式永磁电机，其二是单段式或多段分 相式圆筒外转子筒式永磁电机，其三是单段式或多段分相式套筒转子套筒式永磁电机，其四是单 段式单盘转子盘式永磁电机，其五是单段式双盘转子盘式永磁电机，其六是圆筒外定子永磁电机 或圆筒外转子永磁电机的气隙展开伸长之结构的直线式往复永磁电机。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，属于单段式圆筒外定子 永磁电机、圆筒外转子永磁电机或单圆盘转子永磁电机，定子本体圆周上以轴对称地、按副依相 序均布设置适配的双U型、双V型、双C型或双[型交变复合励磁双凸极对组件，转子上设置适配 的永磁组件环，定子上交变复合励磁双凸极对组件的相数m与转子上永磁组件环的永磁体耦合面 极对数p，满足p＞2m或p＞4m、且k＝p/2m，其中m为整数、p为偶数、k不能为整数，定子上每 副交变复合励磁双凸极对组件的四个凸极分成两个凸极对，两对凸极对耦合面分别与转子上永磁 组件环中的两对N/S磁极交错的永磁体耦合面相适配，成为一副对称等效的双磁路气隙耦合凸极 总成，每个凸极对耦合面和永磁体耦合面所占旋转圆周弧长尺寸相等或一致，转子上永磁组件环 中的N/S永磁体耦合面与定子上交变复合励磁双凸极对组件中的N/S凸极对耦合面之布局以步进 模式和步距角θ＝360°/pm设置，每相交变复合励磁双凸极对组件的励磁线圈分别接驳到控制驱 动器或多功能智能控制驱动器中的励磁控制驱动单元相应I/O端子，一组永磁体耦合面与一相中 的凸极对耦合面中线对齐则该相励磁线圈即刻变流，完成“前拉后推”磁扭矩接力交接→旋转一 步距角→相邻下一相中的凸极对耦合面中线对齐、励磁线圈变流→……，周而复始，形成绝大部分时段所有凸极对的永磁扭矩和/或磁阻扭矩在旋转方向一致合力做功之结构。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，属于单段式套筒转子永 磁电机或双圆盘转子永磁电机，定子本体圆周上以轴对称地、按副依相序均布设置适配的H型、X 型或工字型交变复合励磁双凸极对组件，套筒式转子或盘式转子上分别适配设置永磁组件环，定 子上交变复合励磁双凸极对组件的相数m与转子上永磁组件环中的永磁体耦合面极对数p，满足p ＞2m、且k＝p/2m，其中m为整数、p为偶数、k不能为整数，与内外转子筒或左右转子盘上两对 N/S永磁体耦合面相适配的N/S凸极对构成的一副双磁路气隙耦合凸极总成，定子上每副交变复 合励磁双凸极对组件的四个凸极分成两个凸极对，两对凸极对耦合面分别与内外转子筒或左右转 子盘上两对N/S磁极交错的永磁体耦合面相适配，成为一副对称等效的双磁路气隙耦合凸极总成， 每个凸极对耦合面和永磁体耦合面所占旋转圆周弧长尺寸相等或一致，转子上永磁组件环中的 N/S永磁体耦合面与定子上交变复合励磁双凸极对组件中的N/S凸极对耦合面之布局以步进模式 和步距角θ＝360°/pm设置，每相交变复合励磁双凸极对组件的励磁线圈分别接驳到控制驱动器 或多功能智能控制驱动器中的励磁控制驱动单元相应I/O端子，一组永磁体耦合面与一相中的凸 极对耦合面中线对齐则该相励磁线圈即刻变流，完成“前拉后推”磁扭矩接力交接→旋转一步距角→相邻下一相中的凸极对耦合面中线对齐、励磁线圈变流→……，周而复始，形成绝大部分时 段所有凸极对的永磁扭矩和/或磁阻扭矩在旋转方向一致合力做功之结构。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，属于多段分相式圆筒外 定子永磁电机、圆筒外转子永磁电机或单圆盘转子永磁电机，定子和转子沿电机轴向按相数m分 段，每段的定子本体上放置同一相的双U型、双V型、双C型或双[型交变复合励磁双凸极对组件， 每段的转子上设置适配的永磁组件环，每段定子上的凸极对耦合面和转子上的永磁体耦合面具有 相同布局，相邻段的定子之间或者相邻段的转子之间错开1/m永磁体耦合面N/S极对距或错开一 个步距角设置，定子上每副交变复合励磁双凸极对组件的四个凸极分成两个凸极对，两对凸极对 耦合面分别与转子上永磁组件环中的两对N/S磁极交错的永磁体耦合面相适配，成为一副对称等 效的双磁路气隙耦合凸极总成，每段上的交变复合励磁双凸极对组件的励磁线圈分别接驳到控制 驱动器或多功能智能控制驱动器中的励磁控制驱动单元相应I/O端子，一组永磁体耦合面与一相 中的凸极对耦合面中线对齐则该相励磁线圈即刻变流，完成“前拉后推”磁扭矩接力交接→旋转 一步距角→相邻下一相中的凸极对耦合面中线对齐、励磁线圈变流→……，周而复始，形成绝大 部分时段所有凸极对的永磁扭矩和/或磁阻扭矩在旋转方向一致合力做功之结构。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，属于多段分相式套筒转 子永磁电机或双圆盘转子永磁电机，定、转子沿电机轴向按相数m分段，每段的定子本体上放置 同一相的H型、X型或工字型交变复合励磁双凸极对组件，对应段的内外两转子筒或左右两转子 盘上分别适配设置永磁组件环，每段定子上的凸极对耦合面和转子上的永磁体耦合面具有相同布 局，相邻段的定子之间或者相邻段的转子之间错开1/m永磁体耦合面N/S极对距或错开一个步距 角设置，定子上每副交变复合励磁双凸极对组件的四个凸极分成两个凸极对，两对凸极对耦合面 分别与转子上永磁组件环中的两对N/S磁极交错的永磁体耦合面相适配，成为一副对称等效的双 磁路气隙耦合凸极总成，每段上的交变复合励磁双凸极对组件的励磁线圈分别接驳到控制驱动器 或多功能智能控制驱动器中的励磁控制驱动单元相应I/O端子，一组永磁体耦合面与一相中的凸 极对耦合面中线对齐则该相励磁线圈即刻变流，完成“前拉后推”磁扭矩接力交接→旋转一步距 角→相邻下一相中的凸极对耦合面中线对齐、励磁线圈变流→……，周而复始，形成绝大部分时 段所有凸极对的永磁扭矩和/或磁阻扭矩在旋转方向一致合力做功之结构。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，转子上的永磁组件环中 的永磁体耦合面和定子上的凸极对耦合面以方形、平行四边形、扇形或或圆形呈适配的气隙耦合 结构，永磁组件环中永磁体之间或/和永磁体与续磁导磁体之间呈适配的直槽磁隔离或斜槽磁隔离 设置，永磁体耦合面和凸极对耦合面相对于电机轴心线有三种结构布设方式即轴向气隙磁场耦合、 径向气隙磁场耦合和斜向气隙磁场耦合结构适配选择，分别构建成单段式或多段式的外定子内转 子筒式、内定子外转子筒式、左定子右转子盘式、右定子左转子盘式、外定子内转子锥式或内定 子外转子锥筒式永磁电机，或者由上述筒式、盘式、锥式和锥筒式结构之中的至少两种结构适配 组合成组合式定转子结构或多层定转子套筒式结构的永磁电机，或制成单多复合段定子转子串级 结构的永磁电机。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，所述永磁电机中选择设 置有控制驱动器或多功能智能控制驱动器，控制驱动器由电机状态获取组件、嵌入式智能处理单 元和励磁线圈控制驱动单元构成，多功能智能控制驱动器由电机状态获取组件、嵌入式智能处理 单元、励磁线圈控制驱动单元、能量收集处理单元兼或储能单元构成，电机状态获取组件包括转 速传感器、位置/光电编码器、温度传感器、电压传感器、电流传感器和/或振动传感器及其变送 器，适配接驳到嵌入式智能处理单元的相应I/O端口，同一相中的能量收集线圈以同名端并联结构 和/或异名端首尾串联结构分别接驳到多功能智能控制驱动器相应的能量收集处理单元的I/O端。

如上所述的交变复合励磁双凸极对组件及其永磁电机，其特征在于，所述永磁电机中选择设 置有外壳、端盖、底座、风冷/水冷散热组件和/或接线端子盒。

附图说明

图1为实施例1一种单段式三相双C型交变复合励磁双凸极对组件外定子单永磁组件环内 转子筒式永磁电机的定转子结构t0时刻剖切示意图。

图1-1为图1中的转子顺时针方向旋转一个步距变流角θ之t1时刻的剖切示意图。

图1-2为图1中的转子顺时针方向旋转两个步距变流角θ之t2时刻的剖切示意图。

图2为图1之X-X面轴向剖切示意图。

图3为实施例2一种单段式三相双[型交变复合励磁双凸极对组件外定子双永磁组件环内 转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图4为图3之X-X面轴向剖切示意图。

图5为实施例3一种单段式三相双U型交变复合励磁双凸极对组件内定子双永磁续磁组件环 外转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图6为图5之X-X面轴向剖切示意图。

图7为实施例4一种单段式三相带能量收集线圈的双C型交变复合励磁双凸极对内定子单永 磁组件环外转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图8为图7之X-X面轴向剖切示意图。

图9为实施例5一种单段式三相双V型交变复合励磁双凸极对组件内定子双永磁组件环外转 子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图10为图9之X-X面径向剖切t0时刻示意图。

图11为图9之Y-Y面径向剖切t0时刻示意图。

图12为图9之Y-Y面径向剖切t1时刻示意图。

图13为实施例6一种单段式三相工字型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁组件环转子盘 式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图14为图13之X-X面径向剖切示意图。

图15为实施例7一种单段式三相工字型交变复合励磁双凸极对组件定子单永磁组件环转子盘 式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图16为图15之X-X面径向剖切示意图。

图17为实施例8一种单段式三相H型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁组件环转子套筒 式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图18为图17之X-X面径向剖切示意图。

图19为实施例9一种单段式三相H型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁组件环转子套筒 式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图20为实施例10一种单段式三相H型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁续磁组件环转 子套筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图

图21为实施例11一种三段串联式三相双C型交变复合励磁双凸极对组件外定子单永磁组件 环内转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。

图22为图21之A相X-X面径向剖切示意图。

图23为图21之B相Y-Y面径向剖切示意图。

图24为图21之C相Z-Z面径向剖切示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图1-1、图1-2和图2所示，它为一种单段式三相双C型交变复合励磁双凸极对组件 外定子单永磁组件环内转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。三副双C型交变复合励磁双 凸极对组件分别看作A相、B相和C相的双磁路气隙耦合凸极总成，对称均布在筒形无磁性外定 子本体(101)的内壁上，每副双C型双凸极对组件特征：两个C形铁芯a-a′和b-b′(104、106)， 一个铁芯a-a′两端各设有一个凸极(108)，其铁芯凸极臂a和a′(104)分别装有励磁线圈(105)， 另一个C型铁芯b-b′两端各设有凸极(109)，其铁芯凸极臂b和b′(106)也分别装有励磁线圈 (107)，两个C形铁芯a-a′和b-b′(104、106)腰部之间桥置一块N/S永磁体(120)。在无磁 性的内转子本体(111)的外圆表面上设置双耦合面单永磁(110)组件环结构，由十六块单体钕 铁硼永磁体(110)轴向磁场N/S磁极交错等间距轴对称布设，每个凸极对耦合面(108)和永磁 体(110)耦合面(112)的弧长尺寸一致，每副双凸极对组件中的一对凸极(108)之圆弧所辖间 距为偶数个(偶数个包括零个，本实施例为两个)永磁体耦合面(112)，转子上永磁体组件环的 一对永磁体耦合面极对所占夹角为45°、其极对数p＝8，定子上双凸极对组件的相数m＝3，则本 实施例的变流步距角(改变励磁电流步距角)θ＝360°/pm＝15°。另外，图中的转子轴(156) 和隔离支撑轴承(130)构成电机轴系。

工作机理：定子A相的两对铁芯凸极臂a和a′、b和b′，其上的四个凸极对耦合面(108、109) 中线(125)分别与转子永磁组件环中的永磁体耦合面(112、113)中线(126)对齐位置(127) 为t0时刻。

t0-(t0之前)时刻，定子A相中的四个励磁线圈(105、107)的凸极对耦合面(108、109) 的电磁极性与转子永磁组件环中的对应耦合的四个永磁体耦合面(112、113)的极性是交错相异 的，在永磁体(120)两侧各有一个电磁磁力线方向相反且两侧对称的C形电磁铁a-a′和b-b′， 其凸极对耦合面分别作用于转子上的永磁(110)组件环两侧的永磁体耦合面(112、113)，产生 永磁吸引力/拉力扭矩，其中一侧的C形电磁铁磁力线方向是凸极对耦合面(108)→铁芯凸极臂 a→铁芯凸极臂a′→凸极对耦合面(108)，其两端凸极对耦合面(108)分别通过定转子耦合气 隙(135)与对应的永磁体耦合面(112)因磁极性均相异而产生顺时针永磁吸引力/拉力扭矩；另 一侧的C形电磁铁磁力线方向是凸极对耦合面(109)→铁芯凸极臂b→铁芯凸极臂b′→凸极对耦 合面(109)，其两端凸极对耦合面(109)分别通过定转子耦合气隙(136)与对应的永磁体耦合 面(113)因磁极性还是相异的，也产生顺时针永磁吸引力/拉力扭矩。对于A相交变复合励磁组 件中永磁体(120)而言，还有另外两个对称的永磁磁路，永磁体(120)产生的磁力线会经过排斥力 较小或极性相吸的路径闭合，此时刻的永磁磁路是，永磁体(120)N极→铁芯凸极臂b→凸极对耦 合面(109)→耦合气隙(136)→永磁体(110)耦合面(113、112)→耦合气隙(135)→凸极 对耦合面(108)→铁芯凸极臂a→永磁体(120)S极，耦合面(109和113、108和112)之间因异 性相吸而产生顺时针永磁吸引力/拉力扭矩；耦合面(109和113、108和112)之间存在耦合气隙 因最小路径原理还有顺时针磁阻扭矩产生；A相上的产生的所有永磁扭矩以及磁阻扭矩合力驱使 转子保持顺时针旋转。

t0时刻，A相中所有励磁线圈(105、107)处于变流换向状态，其中的励磁电流为零，A相 中的永磁体(120)也因其磁路均处于耦合面中线对齐死区而不会产生磁扭矩；同时，一方面转子 在惯性作用下会保持顺时针旋转，另一方面，此时段的B相C相中的凸极对耦合面分别与转子上 的永磁体耦合面均不会中线对齐，B相C相产生的磁扭矩也会继续合力作用于转子顺时针旋转一 定角度。

t0+(t0之后)时段里，定子A相中励磁线圈(105、107)接通反向励磁电流，由原来励磁 凸极对耦合面(108、109)与中线对齐的永磁体耦合面(112、113)之间的磁极性均为相异状态， 迅速改变为同极性而产生排斥力/推力，并且随着转子旋转，励磁凸极对耦合面(108、109)又与 紧跟着相邻的极性相异的永磁体耦合面形成吸引力/拉力，即双C电磁铁的凸极对耦合面(108、 109)继续给转子上的永磁(110)组件环施加顺时针排斥力/推力扭矩(因旋转同极性之间的耦合 面积逐渐减小直至其相邻的异极性耦合面中线对齐而减至零)+紧跟着的极性相异的永磁(110) 耦合面产生吸引力/拉力扭矩(因旋转，相异磁极之间的耦合面积逐渐增大直至其耦合面中线对 齐)；在此时段里，对于A相交变复合励磁组件中永磁体(120)而言，它产生的磁力线会因本相中 凸极臂上的励磁线圈(105、107)电磁铁两端改变了磁极性受到凸极臂a和b相联端的同磁极性 排斥，永磁体(120)产生的磁力线会经过排斥力较小或极性相吸的路径闭合，驱使磁力线变换行走 另外一条经凸极臂a′和b′磁极性相异端的永磁磁路，并且随着转子持续顺时针旋转，紧跟着的相 邻极性相异的永磁体耦合面(108、109)也参与到永磁磁路中，即永磁体(120)N极→铁芯凸极臂 b′→凸极对耦合面(109)→耦合气隙(136)→产生排斥力/推力的永磁体(110)耦合面(113) 同极性部分(因旋转同极性之间的耦合面积逐渐减小直至其相邻的异极性耦合面中线对齐而减至 零)+产生吸引力/拉力的紧跟着的相邻异极性永磁体耦合面部分(因旋转相异磁极之间的耦合面 积由零逐渐增大直至其耦合面中线对齐)→永磁体(110)→产生排斥力/推力的永磁体(110)耦 合面(112)同极性部分+产生吸引力/拉力的紧跟着的相邻异极性永磁体耦合面部分→耦合气隙 (135)→凸极对耦合面(108)→铁芯凸极臂a′→永磁体(120)S极，也就是说，此时段里混合存 在着顺时针的永磁吸排斥力/推力扭矩+永磁吸引力/拉力扭矩；而且耦合面(109和113、108和 112)之间耦合气隙因最小路径原理还会产生顺时针磁阻扭矩；因此，A相上的产生的所有永磁扭 矩以及磁阻扭矩合力驱使转子保持顺时针旋转，直到旋转一个步距变流角θ，相邻下一相(B相) 中的凸极对耦合面与转子永磁体耦合面中线对齐，以此类推，A相、B相和C相重复上述t0-→t0 →t0+过程，控制驱动器中的位置传感器和励磁控制驱动单元实现“到位变流”，完成定子凸极 对耦合面与转子永磁体耦合面的“前拉后推”交接，转子即可循环往复，连续做功。

容易看出：在电机运行过程中，本实施例中的三相交变复合励磁双凸极对组件，除去变流交 接时刻的交变复合励磁双凸极对组件之外，三相十二个凸极对耦合面与转子永磁体耦合面之间均 分别产生与旋转方向一致的拉力扭矩和推力扭矩，驱动转子旋转做功，绝大多数时间均在合力做 功，从而大大提升了永磁电机的转矩密度、功率密度和运行效能；改变相序即可变换转子旋转方 向(顺时针/逆时针)。总之，当励磁线圈变流改变其两端磁极性时，均会驱使电磁磁力线和永磁 磁力线变更到另外的由异性磁极相吸的永磁体、铁芯凸极臂、凸极对耦合面、耦合气隙、转子永 磁体和/或续磁导磁体及背部磁轭进行组合所构建的相应磁路，产生永磁扭矩和/或磁阻扭矩，驱 动转子一起合力做功。

实施例2

如图3、图4所示，它为一种单段式三相双[型交变复合励磁双凸极对组件外定子双永磁组 件环内转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图，与实施例1不同之处在于，外定子上设置的 是三相双[型交变复合励磁双凸极对组件(204、205、208、220、206、207和209)，分别看作 A相、B相和C相之双磁路气隙耦合凸极总成，内转子本体(211)采用导磁材料兼做背部磁轭， 其外圆表面上设置单耦合面的双永磁组件环结构，每个永磁组件环由十六块径向磁场磁极交错等 间距布设的永磁体(212、213)构成，相当于实施例1中转子上布设的单永磁组件环中的永磁体 一块被破成两块，磁极交错分列对应贴置成双永磁组件环；每个凸极对(208、209)的气隙(235) 耦合面和永磁体(212、213)的气隙(235)耦合面均为径向气隙磁场耦合且耦合面(208、212、 209、213)所占弧长尺寸一致。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占夹角 为45°、其极对数p＝8，定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝15°。该实施例的工作原理与实施例 1基本相同，不同之处在于，背部磁轭作为定转子交变复合励磁回路的一部分，因磁阻最小或路 径最短原则还会同时产生磁阻扭矩，与其它磁扭矩一同合力做功。

实施例3

如图5、图6所示，一种单段式三相双U型交变复合励磁双凸极对组件内定子双永磁续磁组 件环外转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。三副双U型复合励磁双凸极对组件(304、305、 308、320、306、307和309)分别看作A相、B相和C相的双磁路气隙耦合凸极总成，对称均布 在筒形无磁性内定子本体(301)的外筒壁上，其中一个U形铁芯a-a′(306)两端各设有凸极(309)， 其凸极臂上分别安装励磁线圈(307)，另一个U形铁芯b-b′(304)两端设有凸极(308)，其 凸极臂上分别安装励磁线圈(305)，两个U形铁芯(304和306)腰部之间桥置一块N/S永磁体 (320)；在筒形外转子本体之背部磁轭内筒壁(311)设置单耦合面双永磁续磁组件环结构，每 个永磁组件环由十六块径向磁场N/S磁极交错布设的永磁体(312、313)和十六块导磁体(315) 以两两成对布设，永磁体(312、313)与导磁体(315)之间设置间隙，其轴向对应一排的两块永 磁体(312、313)的极性也呈交错设置；每个凸极(308、309)的气隙(335)耦合面和永磁体(312、 313)的气隙(335)耦合面均为径向气隙磁场耦合且耦合面(308、312、309、313)的尺寸一致， 一副双凸极对组件中的凸极对耦合面(308和309)之圆周间距为偶数个(偶数个包括零个，本例 为两个)永磁体耦合面(312、313)，一对凸极对的两个耦合面(308和309)分别与转子上不同 永磁体(312、313)径向磁极交错耦合面中线对齐时，另一对凸极对的两个耦合耦合面也分别与 相对应的另一组永磁体(312、313)的径向交错耦合面中线对齐。本实施例中，转子上永磁体组 件环的永磁体耦合面极对所占夹角为45°、其极对数p＝8，定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝15°。 另外，图中的转子轴(356)和定转子隔离支撑轴承(330)构成电机轴系，固定架(303)、带控 制驱动电缆孔(340)的定子支撑轴(302)为电机配件。

工作机理：定子A相的两对铁芯凸极臂a和a′、b和b′，其上的四个凸极对耦合面(308、309) 分别与转子永磁组件环中的永磁体耦合面(312、113)对齐位置为t0时刻。

t0-(t0之前)时刻，定子A相中的四个凸极对耦合面(308、309)的电磁极性与转子永磁 组件环中的对应耦合的四个永磁体(312、313)耦合面的极性是交错相异的，在永磁体(320)两 侧各有一个电磁磁力线方向相反且两侧对称的U形电磁铁a-a′和b-b′，其凸极对耦合面(308、 309)分别作用于转子上的永磁组件环两侧的永磁体耦合面(312、313)，产生永磁吸引力/拉力 扭矩，其中一侧的U形电磁铁磁力线方向是：凸极对耦合面(308)→铁芯凸极臂b→铁芯凸极臂 b′→凸极对耦合面(308)，其两端凸极对耦合面(308)分别通过定转子耦合气隙(336)与对应 的永磁体耦合面(312)因磁极性均相异而产生顺时针永磁吸引力/拉力扭矩；另一侧的U形电磁 铁磁力线方向是，凸极对耦合面(309)→铁芯凸极臂a′→铁芯凸极臂a→凸极对耦合面(309)， 其两端凸极对耦合面(309)分别通过定转子耦合气隙(335)与对应的永磁体耦合面(313)因磁 极性还是相异的，也产生顺时针永磁吸引力/拉力扭矩。对于A相交变复合励磁组件中永磁体(320) 而言，还有另外两个对称的永磁磁路，永磁体(320)产生的磁力线会经过排斥力较小或极性相吸的 路径闭合，此时刻是其中的一条永磁磁路，即永磁体(320)N极→铁芯凸极臂a→凸极对耦合面 (309)→耦合气隙(335)→永磁体(313)耦合面→背部磁轭(311)→永磁体(312)耦合面→ 耦合气隙(336)→凸极对耦合面(308)→铁芯凸极臂b→永磁体(320)S极，因气隙耦合之最小路 径原理和异性相吸原理，而产生顺时针永磁吸力/拉力，进而产生顺时针磁阻扭矩和永磁扭矩；此 时段，A相上产生的所有永磁扭矩及磁阻扭矩合力驱使转子顺时针旋转。

t0时刻，A相中所有励磁线圈(305、307)处于变流换向状态，其中的励磁电流为零，A相 中的永磁体(320)也因其磁路均处于耦合面中线对齐死区而不会产生磁扭矩；同时，一方面转子 在惯性作用下会保持顺时针旋转，另一方面，此时段的B相C相中的凸极对耦合面分别与转子上 的永磁体耦合面均不会中线对齐，B相C相产生的磁扭矩也会继续合力作用于转子顺时针旋转一 定角度。

t0+(t0之后)时段里，定子A相中励磁线圈(305、307)接通反向励磁电流，由原来励磁 凸极对耦合面(308、309)与中线对齐的永磁体(312、313)耦合面之间的磁极性均为相异状态， 迅速改变为同极性而产生排斥力/推力，并且随着转子旋转，励磁凸极对耦合面(308、309)又与 相邻的续磁导磁体(315)耦合面部分以及紧跟着相邻的极性相异的永磁体耦合面部分形成吸引力 /拉力，即双C电磁铁的凸极对耦合面(308、309)继续给转子上的永磁组件环施加顺时针排斥力 /推力扭矩(因旋转，同极性之间的耦合面积逐渐减小直至其相邻的续磁导磁体耦合面过渡转过而 减至零)+相邻的续磁导磁体耦合面(此部分在旋转过渡过程中产生顺时针磁阻扭矩和永磁扭矩) +紧跟着的相邻的极性相异的永磁体耦合面部分产生的吸引力/拉力扭矩(因旋转，相异磁极之间 的耦合面积由零逐渐增大直至其耦合面中线对齐之前t0-)；在此时段里，对于A相交变复合励 磁组件中永磁体(320)而言，它产生的磁力线会因本相中凸极臂上的励磁线圈(305、307)电磁铁 两端改变了磁极性受到凸极臂a和b相联端磁极同性的排斥，驱使磁力线变换到另外一条经过凸 极臂a′和b′极性相异端的永磁磁路，并且随着转子持续顺时针旋转，相邻的续磁导磁体(315) 及紧跟着相邻的极性相异的永磁体耦合面(309)也参与到永磁磁路中，即永磁体(320)N极→铁 芯凸极臂a′→凸极对耦合面(309)→耦合气隙(335)→相排斥的同极性永磁体耦合面(313) (此部分产生顺时针排斥力/推力而且因旋转同极性之间的耦合面积逐渐减小直至导磁体耦合面中线对齐而减至零)+相吸引的相邻的续磁导磁体耦合面(315)(此部分在旋转过渡过程中产生 顺时针磁阻和永磁扭矩)+相吸引的相邻紧跟着的异极性永磁体耦合面(此部分产生顺时针吸引 力/拉力而且因旋转相异磁极之间的耦合面积由零逐渐增大直至其耦合面中线对齐)→背部磁轭 (311)→另一侧永磁组件环的相排斥同极性永磁体耦合面(312)+相吸引的相邻的续磁导磁体 耦合面+相吸引的紧跟着相邻的异极性永磁体耦合面→耦合气隙(336)→凸极对耦合面(308) →铁芯凸极臂b′→永磁体(320)S极；因定转子之间存在气隙耦合和续磁结构，依据同性排斥异性 相吸原理及磁力线最小路径原理，还会产生另外的顺时针的永磁扭矩及磁阻扭矩，它们统统合力 使转子继续顺时针旋转，直到旋转一个步距变流角θ，相邻下一相(B相)中的凸极对耦合面与 转子永磁体耦合面中线对齐，以此类推，A相、B相和C相重复上述t0-→t0→t0+过程，控 制驱动器中的位置传感器和励磁控制驱动单元实现“到位变流”，完成定子凸极对耦合面与转子 永磁体耦合面的“前拉后推”交接，转子即可循环往复，连续做功。容易看出：在电机运行过程 中，本实施例中的三相交变复合励磁双凸极对组件绝大多数时间均在合力做功；改变相序即可变 换转子旋转方向(顺时针/逆时针)。

特别指出的是，本实施例中转子永磁组件环为单耦合面双永磁续磁组件环结构，即一个永磁 组件环中的两个极***错的永磁体(312或313)之间增加了续磁导磁体(315)，通过调整导磁 体的形状、间距大小和气隙大小，可以大大降低电机转矩波动，并可提高电机的运行平稳性。

实施例4

如图7、图8所示，一种单段式三相带能量收集线圈的双C型交变复合励磁双凸极对组件内 定子单永磁组件环外转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。该实施例的结构与实施例3的 不同之处在于，无磁性材料的外转子内壁上设置一圈由十六块轴向N/S极***错等节距布设构建 的双耦合面单永磁组件环结构，内定子上布设的与其相适配的三相双C型交变复合励磁双凸极对 组件(404、405、408、420、406、407和409)，分别看作A相、B相和C相的双磁路气隙耦合 凸极总成，在C型铁芯凸极臂(404、406)设置分别励磁线圈(405、407)和能量收集线圈(418、 419)。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占夹角为22.5°、其极对数p＝16， 定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝7.5°。其转子旋转的工作原理与实施例1基本相同，不同之处 在于，凸极臂(404、406)在励磁线圈改变其励磁电流过程中，各个凸极臂磁路中的电磁磁通和 永磁磁通均会发生相应变化，能量收集线圈(418、419)会感生电动势，从而收集交变复合励磁 磁通的能量，能量收集线圈(418、419)两端接驳于适配的多功能智能控制驱动器中的能量收集 处理单元进行处理并高效利用。

实施例5

如图9、图10、图11和图12所示，一种单段式三相双V型交变复合励磁双凸极对组件内定 子双永磁组件环外转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。该实施例的结构与实施例3的本 质不同之处在于，外转子的背部磁轭(511)内壁上的永磁组件环为单耦合面双永磁组件环结构， 每一环上三十二块径向磁场极***错的永磁体等距均布设置(512、513)，内定子上布设的与其 相适配的三相六副双V型交变复合励磁双凸极对组件(504、505、508、520、506、507和509)， 分别看作A--A′相、B--B′相和C--C′相中的两副双磁路气隙耦合凸极总成。转子上永磁体组件环 的永磁体耦合面极对所占夹角为22.5°、其极对数p＝16，定子上双凸极对组件的相数(或称为 定子相数)m＝3，则本实施例的变流步距角θ＝360°/pm＝7.5°。其工作机理类同于实施例1和 2，区别在于同相中的两副双V型交变复合励磁双凸极对组件中相应励磁线圈同时进行变流控制， 以完成“前拉后推”接力交接，即按相序A--A′相→B--B′相→C--C′相→A--A′相→B--B ′相→C--C′相→……变流控制，循环往复，转子顺时针旋转工作；同理，按相序A--A′相→ C--C′相→B--B′相→A--A′相→C--C′相→B--B′相→……变流控制，循环往复，转子逆 时针旋转工作。

实施例6

如图13、图14所示，一种单段式三相工字型交流复合励磁双凸极对组件定子双永磁组件环 转子盘式永磁电机结构的定转子结构剖切示意图。定子上布设三相工字型交变复合励磁双凸极对 组件(604、605、608、620、606、607和609)，分别看作A相、B相和C相的双磁路气隙耦合 凸极总成，两盘式转子(611)布设在定子(601)左右两侧，两盘式转子(611)的内侧各设置单 耦合面双永磁组件环结构，分别呈轴向磁场磁极交错的永磁体(612、613)等距布设，通过轴向 气隙(635)与定子上的三相工字型交变复合励磁双凸极对组件中的凸极对耦合面(608、609)相 耦合。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占夹角为45°、其极对数p＝8， 定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝15°。其工作机理类同于实施例1和2。

实施例7

如图15、图16所示，一种单段式三相工字型交变复合励磁双凸极对组件定子单永磁组件环 转子盘式永磁电机的定转子结构剖切示意图。与实施例6的主要区别在于，两盘式转子(711)的 内侧各设置单耦合面双永磁组件环结构，分别由径向磁场磁极交错的永磁体(712或713)以极性 交错等距布设，通过径向气隙(735)与定子上的三相工字型交变复合励磁双凸极对组件中的凸极 对耦合面(708或709)相耦合。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占夹角 为45°、其极对数p＝8，定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝15°。工作原理类同于实施例1和2。

实施例8

如图17、图18所示，一种单段式三相H型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁组件环转 子套筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。三相六副H型交变复合励磁双凸极对组件设置在套 筒定子(801)上，分别看作A--A′相、B--B′相和C--C′相中的两副双磁路气隙耦合凸极总成，内 外套筒转子(842、841)上均设置单耦合面双永磁组件环结构，分别由径向磁磁场磁极交错的永 磁体(812、813、814、815)以极***错等距布设，H型交变复合励磁双凸极对组件中的凸极对 耦合面(809、808)分别与永磁体(812、813、814、815)耦合面径向气隙(835)耦合。本实施 例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占夹角为45°、其极对数p＝8，定子相数m＝3， 则θ＝360°/pm＝15°。工作原理类同于实施例1和2。

实施例9

如图19所示，一种单段式三相H型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁组件环转子套筒式 永磁电机的定转子结构剖切示意图。本实施例与实施例8的不同在于，定子上的六副H型交变复 合励磁双凸极对组件中的铁芯共用一个圆环形一体化永磁体(922)，套筒转子(941、942)上各 设置单耦合面双永磁组件环结构，分别由径向永磁体(912、917)以磁极交错、等距间隔布设而 成。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占夹角为22.5°、其极对数p＝16， 定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝7.5°。工作原理类同于实施例1和2。

实施例10

如图20所示，一种单段式三相H型交变复合励磁双凸极对组件定子双永磁续磁组件环转子套 筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。本实施例与实施例8的不同在于，套筒转子(941、942) 上各设置单耦合面双永磁续磁组件环结构，分别由径向永磁体(912、916)和导磁体/续磁块(915、 917)以两两成对、磁极交错、等距间隔布设而成。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦 合面极对所占夹角为90°、其极对数p＝4，定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝30°。工作原理类 同于实施例1至3。

实施例11

如图21、图22、图23和图24所示，一种三段串联式三相双C型交变复合励磁双凸极对组件 外定子单永磁组件环内转子筒式永磁电机的定转子结构剖切示意图。每段定子上均布两副双C型 交变复合励磁双凸极对组件，三段定子圆周顺序错位一个步进角设置，三段定子共用一个同轴单 耦合面单永磁组件环结构的内转子。本实施例中，转子上永磁体组件环的永磁体耦合面极对所占 夹角为45°、其极对数p＝8，定子相数m＝3，则θ＝360°/pm＝15°。把每段上的所有布设的双 凸极对组件分别均看作A相、B相、和C相中的两副双磁路气隙耦合凸极总成。工作原理类参考 实施例1至3。

实施例12

一种单段式三相双[型交变复合励磁双凸极对组件外定子单永磁组件环(或者单永磁续磁组 件环)内转子筒式永磁电机。外定子上设置的是三相双[型交变复合励磁双凸极对组件，分别看 作A相、B相和C相的双磁路气隙耦合凸极总成，每副交变复合励磁双凸极对组件由两个[形铁 芯以纵向交错一个或奇数个凸极耦合面(或者永磁体导磁体体对子耦合面)的位移量并排布局结 构，即沿圆周交错一个或奇数个永磁体耦合面所占弧长(或者永磁体导磁体对子耦合面所占弧长) 位置且轴向并排构建而成；内转子本体采用导磁材料兼做背部磁轭，其外圆表面上设置单耦合面 单永磁组件环结构(或者单耦合面单永磁续磁组件环结构)，基于m、p匹配原则，选用十六条 长条状永磁体以径向磁场磁极交错等间距布设在转子外表面(或者对于永磁续磁组件环，在每个 永磁体之间再增设长条状导磁体即可，长条状导磁体的大小、布设间距及其气隙大小可调)，类 似于RM型步进电机的转子结构或PM型爪极步进电机的转子结构，每个凸极对耦合面和永磁体耦 合面均为径向气隙磁场且所占弧长尺寸一致。这里的[形铁芯选用三段两种材质组合体，其两头 的凸极臂采用硅钢片叠压复合制成，铁芯腰部采用纳米非晶合金带模压而成，使磁路特性设计的 更为合理。本实施例的工作机理与实施例1(或者实施例2)基本相同。

特别指出的还有以下三点：

其一，本说明书中引入一些类似于步进电机的一些概念，只是试图用传统技术特征便于描述 和理解本发明的工作机理和结构，并不代表本发明仅仅类似于步进电机技术领域，而是一种全新 的电机领域。另一方面，本发明创新的技术特征在于构建一种新型的交变复合励磁双凸极对组件， 并把交变复合励磁双凸极对组件看做是一副可方便独立布设的N/S极***变复合励磁的集成凸极 组件，用以替代传统电机中的定子绕组N/S凸极对，依照公知的传统永磁步进电机(PM型及其爪 极步进电机、RM型步进电机和HB型步进电机)的工作机理，进行定、转子上磁极对和凸极结构 进行结构布局即可给出各种各样的基于本发明内容的实施例，均应看做是本发明的保护范围，都 应受到本发明的权利约束和保护。有关传统单段式永磁电机和多段式永磁电机之定、转子结构布 局及其工作原理，可参阅电机领域的相关技术丛书，书中均有详细介绍，特别是：①《图解步进 电机和伺服电机的应用于维修》/杜增辉 孙克军著 2016年7月第一版 化学工业出版社出版；② 《步进电机应用技术》/[日]坂本正文著 ***译 2010年5月第一版 科学出版社出版。

其二，上述十二个实施例仅仅给出了本发明中的具有示范代表性结构的具体实施技术方案， 利用权利要求书中所述技术特征实施，可排列组合出很多种不同的实施例和产品技术方案。因此 只要未背离本发明技术方案的实质而作出的改变、修饰、替代、融合、各种技术特征的搭配组合 及简化的技术方案，都应受到本发明的权利约束和保护。

其三，说明：①本说明书和本案的权利要求书中多处使用了标点符号“/”，它代表“或者” 或“并列”的意思，即“A/B”表示有A或者有B两种情况，“A或/和B”表示既有A或者有B、 也有A和B三种情况；②本文中“至少一个”、“至少一种”、“至少一对”、“至少一副”等 表述用语，指的是既可以由一个、一种、一对、一副等相关特征构成，也可以由两个及两个以上、 两种及两种以上、两对及两对以上、两副及两副以上相关特征构成。