本发明涉及横向磁通电机技术领域，具体讲是一种结构简单，转矩密度及功率密度较高，易于实现弱磁调速，成本较低，且可以提高电机调速时的效率的双极性电励磁横向磁通同步电动机。
背景技术：
近年来，随着经济和社会的发展，各行各业对电动机的需求不断增长，而电动机使用数量的不断增长又造成能源消耗的增大，因此，提高电动机的效率成为电机研究制造的重要目标。
目前，提高电动机效率的途径主要是采用高性能永磁材料，但随着资源的枯竭，高性能永磁材料的价格不断上涨，致使永磁电机成本上升；同时由于采用永磁材料进行励磁，装配较困难，更重要的是永磁电机弱磁调速实现困难，致使电机性能和需要调速运行的场合效率降低。
另外，传统电机的线圈槽与铁芯齿处于同一个平面上，从而导致齿宽与槽宽存在不可调和的竞争关系，功率密度难以有效提高。为此，一种新结构的横向磁通电机被广大研究者所关注，它对提高转矩密度具有重要意义。该类型电动机线圈槽和铁芯齿在空间上相互垂直，因此可以实现比径向磁通电机更高的转矩密度，并且由于相间相互独立(所谓相间相互独立，是指一相运行时对其他相运行无影响，即不影响另外一相输入的电流、感应电动势等)，使得设计多相电机实现容错冗余运行变得较为方便。可以预见：横向磁通电机将在不同领域具有值得推广的应用前景，尤其是需要高转矩密度和高功率密度场合，例如电动汽车领域和家电领域。但是，值得一提的是：现有结构的横向磁通电机大多采用永磁励磁和单极性磁通，定子空间利用率低，齿槽转矩大、成本较高、调速困难等不足，限制了横向磁通电机在诸多领域的进一步应用，特别是需要调速的场合电机效率不高。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单，转矩密度及功率密度较高，齿槽转矩小，易于实现调速，成本较低，且可以提高电机调速时的效率的双极性电励磁横向磁通同步电动机。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的双极性电励磁横向磁通永磁同步电动机，它包括转子部分和定子部分，其中：
转子部分包括m个转子壳体及贴于转子壳体上的转子铁芯，每相转子单元包含p个转子铁芯和一个转子壳体，p个转子铁芯分为上、下两层，每层各为p/2个转子铁芯且均沿着圆周均匀分布，上层转子铁芯与下层转子铁芯沿圆周错开的角度为360°/p，p个转子铁芯和一个转子壳体组成一相转子单元，总共m个相同该单元沿转轴轴向排列成m相转子单元；
定子部分包括定子铁芯、励磁绕组、定子外壳及电枢绕组，每相定子单元包含p个定子铁芯，p个定子铁芯沿着圆周均匀分布，p个定子铁芯的开口部位均沿径向朝向转子，励磁绕组绕制在定子铁芯上、下两个铁芯齿上，定子铁芯上设有电枢槽，电枢绕组同时绕制在p个定子铁芯的电枢槽中，p个定子铁芯、2p个励磁绕组和一个电枢绕组组成一相定子单元，总共m个相同该单元沿轴向排列成m相定子，m相定子嵌放在定子外壳上，每个定子铁芯上、下两个相邻的铁芯齿上绕制的励磁绕组的励磁磁场方向相同，但沿圆周方向的两个相邻励磁绕组的励磁磁场方向相反。
本发明通过有限元分析与理论磁网络法计算，提出了双极性电励磁横向磁通同步电动机，该同步电动机的优点如下：
1、转子无绕组，而电枢绕组和励磁绕组采用集中整距绕组，位于定子上，结构相对简单。
2、本发明通过转子、定子、双层对称的转子铁芯、定子铁芯以及励磁绕组励磁方向的综合匹配，实现了电枢绕组磁通的双极性，其功率密度与转矩密度将是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，在同样功率和转矩值下，可以比单极性横向磁通电机体积小，成本较低。
3、由于铁芯齿和线圈槽截面解耦，因此相对传统电机来说，电机结构设计更加灵活，可以将铁芯磁密和电枢绕组电流密度同时设计得较大，使电机体积减小，成本降低。
4、由于采用电励磁，因此可以方便地实现弱磁调速，提高调速电机的运行效率
优选地，本发明所述的双极性电励磁横向磁通同步电动机，其中，各相转子单元之间沿轴向依次同方向错开的角度为360°/(p×m)，各相定子单元之间不错开角度，定子铁芯及定子铁芯上励磁方向相同的励磁绕组均对齐排列。
优选地，本发明所述的双极性电励磁横向磁通同步电动机，其中，转子铁芯的形状呈“C”形，转子铁芯齿部圆弧直径与转子铁芯的外径一样。
附图说明：
图1为本发明中定子部分和转子部分的立体结构示意图；
图2为本发明中转子部分的立体结构示意图；
图3为本发明定子部分的半剖结构示意图；
图4为本发明中励磁绕组绕制在定子铁芯上、下两个铁芯齿上时的结构示意图；
图5为定子铁芯的立体结构示意图；
图6为本发明中“C”形转子铁芯的立体结构示意图；
图7为本发明的一条双极性磁通路径形成示意图；
图8为本发明的另一条双极性磁通路径形成示意图。
具体实施例：
下面结合附图和具体实施例对本发明双极性电励磁横向磁通同步电动机作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明双极性电励磁横向磁通同步电动机为三相8极双极性电励磁横向磁通同步电动机，该同步电动机包括转子部分1和定子部分2。转子部分1包含三个相互独立的分开的转子壳体3-1、3-2、3-3以及24个贴于转子壳体外壁上的“C”形转子铁芯4，这些“C”形转子铁芯4分属A、B、C三相，每相有8个“C”形转子铁芯4和1个转子壳体，这8个“C”形转子铁芯4分为上、下两层，每层分别4个，每层中的“C”形转子铁芯4均沿圆周均匀分布，上层转子铁芯4与其相邻的下层转子铁芯4在圆周方向错开的角度为45°，如图2中的转子铁芯4-4与转子铁芯4-5错开的角度以及转子铁芯4-5与转子铁芯4-6错开的角度均为45，而同一层转子铁芯4中相邻“C”形转子铁芯4错开的角度为90，如图2中转子铁芯4-4与转子铁芯4-6错开的角度为90°。如图2所示，转子部分1总共有A、B、C三相，各相转子单元之间沿轴向以相同间隔依次同方向错开，其错开角度均为15°，如图2中转子铁芯4-2、4-3和4-5所示，即转子铁芯4-2与4-3错开的角度为15°，转子铁芯4-3与4-5错开的角度也为15°。
如图1和图3所示，定子部分2包括定子铁芯5、励磁绕组6、定子外壳7及电枢绕组8。每相定子单元包含8个定子铁芯5，这8个定子铁芯5沿着圆周均匀分布，每个定子铁芯5的开口部位9，如图1和图5所示，均沿径向朝向转子，而两个励磁绕组6分别绕制于每个定子铁芯5的上、下两个铁芯齿10上，如图4所示。如图5所示，铁芯齿10呈“h”形，上、下两个铁芯齿10呈反对称分布。各相定子单元之间不错开角度，如图3所示，5-1、5-2和5-3分别表示每相的一个定子铁芯5，定子铁芯5-1、5-2和5-3在同一个轴向上，而8-1、8-2、8-3表示三相电枢绕组8，每个定子铁芯5上、下两个铁芯齿10上绕制的励磁绕组6产生的磁场方向相同，但沿圆周方向分布的相邻励磁绕组6产生的磁场方向相反，如图3所示，励磁绕组6-1与6-3、6-2与6-4产生的磁场方向相反，而励磁绕组6-1与6-2、6-3与6-4产生的磁场方向相同。如图1所示，与转子部分1对应，定子部分2也为三相，8个定子铁芯、16个励磁绕组6和1个电枢绕组8构成一相单元，总共三个相同该单元沿轴向以相同间隔排列形成三相定子，它们沿轴向对齐排列，嵌放在定子外壳7上。
本发明中两条电励磁双极性磁通路径如图7和图8所示，在图7中，磁通依次沿着励磁绕组6-1通电后产生的磁场N极—空气隙12-1—转子铁芯4-1—空气隙12-2—定子铁芯5—励磁绕组6-1通电后产生的磁场S极，形成磁通回路13。在图8中，磁通依次沿着励磁绕组6-2通电后产生的磁场N极—空气隙14-2—转子铁芯4-2—空气隙14-1—定子铁芯5—励磁绕组6-2通电后产生的磁场S极，形成磁通回路15。由图7和图8可知，随着转子转动，定子所对的转子铁芯在4-1和4-2交替变换，从而使电枢槽16中电枢绕组8匝链的磁通呈现为双极性。
如图6所示，转子铁芯4的形状呈“C”形，且转子铁芯4齿部圆弧直径与转子铁芯4的外径一样。转子铁芯4可以采用粉末软磁复合材料压制而成，也可以采用硅钢片进行叠压切割成形。
如图5所示，定子铁芯5可以采用粉末软磁复合材料压制而成，也可以采用硅钢片进行叠压切割成形。
在图7情况下，如图5所示的定子铁芯的上铁芯齿上绕制的励磁绕组通电以产生磁场，而如图5所示的定子铁芯的下铁芯齿上绕制的励磁绕组可以不通电；在图8情况下，如图5所示的定子铁芯的下铁芯齿上绕制的励磁绕组通电以产生磁场，而如图5所示的定子铁芯的上铁芯齿上绕制的励磁绕组可以不通电。
本发明所提出的双极性电励磁横向磁通同步电动机通过等效磁网络法理论分析与有限元软件三维建模分析，它通过定子、转子、双层对称的转子铁芯和定子铁芯的综合匹配，实现了磁通的双极性，其功率密度是目前采用单极性横向磁通电机的两倍，功率密度较高，同时由于采用电励磁，因此可以方便地实现弱磁调速。
本发明的运行原理是：双极性电励磁横向磁通同步电动机工作时遵循“磁阻最小原理”即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁力线扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩，拖动电机产生旋转运动。具体来说，在电机相数m＝3时，在产生相应的励磁磁场后，假定本发明的第一相定子绕组中在通入正弦交变电流后，该相定子铁芯与转子“C”形转子铁芯对齐，那么在紧邻的下一相通入正弦交变电流后，由于三相转子单元依次错开15°，如此第二相定子绕组中通入正弦交变电流产生的磁通磁力线扭曲将形成磁阻性质的电磁转矩，它将拖动电机转子转动120°电角度，使第二相定子铁芯与转子“C”形转子铁芯对齐，同理第三相产生的电磁转矩将拖动转子旋转120°电角度，使第三相定子铁芯与转子“C”形转子铁芯对齐，如此依次按第一相→第二相→第三相→第一相…给三相绕组连续通电，就可以使电机的外转子产生连续的旋转运动。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。