永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱动系统的制作方法

专利名称：永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及永夂磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱动系统。
背景技术：
一般，永久磁铁式旋转电机大致分为两种类型。是在转子铁心的 外周粘贴了永久磁铁的表面磁铁型永久磁铁式旋转电机、与将永久磁 铁埋入转子铁心中的埋入型永久磁铁式旋转电机。作为可变速驱动用 电动机，应用埋入型永久磁铁式旋转电机。
使用图20，对以往的埋入型永久磁铁式旋转电机的结构进行说 明。在转子1的旋转铁心2的外周部，同样地设置有与极数相同数量 的长方形的空洞。图20是四极的转子1，设置有四个空洞并分别插入 了永久磁铁4。永久磁铁4是在转子1的半径方向、或者与永久磁铁 4的剖面的长方形中的和气隙面对向的边(在图20中长边)垂直的方 向上被磁化。永久磁铁4主要使用矫顽磁力高而不会由于负载电流减 磁的NdFeB永久磁铁等。转子铁心2是层叠打通了空洞的电磁钢板 而形成的。这样的转子1收容于定子20的内部。该定子20是通过将 电枢绕组21收容在形成于定子铁心22的内侧的狹缝中而构成的。而 且，定子20的内周面与转子1的外周面隔着气隙23对向。
作为这样的永久磁铁式旋转电机的公知例子，公知"埋入磁铁同 步电动机的设计与控制"、武田洋次等、ohm公司(非专利文献l)、 日本特开平07-336919号公报(专利文献l)。另外，作为可变速特 性优良且高输出的旋转电机，有永久磁铁式磁阻(reluctance)型电 动机。作为其公知例子，公知日本特开平11 -27913号公报(专利文 献2)、日本特开平11 - 136912号公报(专利文献3)。进而，在铝 镍钴磁铁的埋入永久磁铁电动机中，作为使铝镍钴磁铁的磁力变化的旋转电机，公知美国专利第6800977号公报(专利文献4)以及 Weschta ， "Schachung des Erregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronmaschine"， ETZ Archiv Vol.7， No3， pp" - 84 ( 1985年)(非专利文献2)中记载的例子。
在非专利文献2的旋转电机的情况下，在使用了铝镍钴磁铁的永 久磁铁电动机中，使铝镍钴磁铁的磁通量变化，但在该结构中虽然可 以使铝镍钴磁铁减磁，但难以磁化而返回原来的磁化状态。专利文献 4中记载的旋转电机是磁通集中型的埋入永久磁铁电动机，在永久磁 铁中使用铝镍钴磁铁。该旋转电机是非专利文献2中记栽的旋转电机 的变形例，与非专利文献2的旋转电机同样地施加磁场而使铝镍钴磁 铁的磁通量变化。但是，在专利文献4的旋转电机的情况下，由于是 简单的铝镍钴磁铁的电动机，所以无法得到充分的输出。另外，存在 如下问题在发生扭矩时由于负载电流而铝镍钴磁铁发生减磁，扭矩 由于由负载电流引起的减磁而降低。因此，在希望通过能量积小的铝 镍钴磁铁来得到充分的扭矩时，铝镍钴磁铁的磁化方向厚度变厚。在 永久磁铁变厚时，为了使该铝镍钴磁铁磁化而所需的电流大幅增加， 所以永久磁铁的磁化变得困难，而无法使永久磁铁的磁通量变化。
在永久磁铁式旋转电机中，由于总是恒定地发生永久磁铁的交链 磁通，所以由永久磁铁产生的感应电压与旋转速度成比例地变高。因 此，在从低速到高速的可变速旋转的情况下，在高速旋转中由永久磁 铁产生的感应电压(反电动势)变得极高。在由永久磁铁产生的感应 电压被施加给逆变器的电子部件而成为其耐压以上时，电子部件被绝 缘破坏。因此，考虑进行削减设计以使永久磁铁的磁通量成为耐压以 下，但在该情况下永久磁铁式旋转电机的低速域中的输出以及效率降 低。
在从低速到高速进行接近恒定输出的可变速运转的情况下，由于 永久磁铁的交链磁通恒定，所以在高速旋转域中旋转电机的电压达到 电源电压上限而流过输出所需的电流。其结果，在高速旋转域中输出 大幅降低，进而无法在直至高速旋转的宽范围进行可变速运转。最近，作为扩大可变速范围的方法，开始应用非专利文献l记栽 的弱磁通控制。电枢绕组的总交链磁通量包括由d轴电流产生的磁通 与由永久磁铁产生的磁通。在弱磁通控制中，由负的d轴电流发生磁 通，从而由于由负的d轴电流产生的磁通，使全部交链磁通量减少。 另外，即使在弱磁通控制中，高矫顽磁力的永久磁铁的磁特性(fill 特性) 的动作点也在可逆的范围中变化。
因此，永久磁铁为了不会
由于弱》兹通控制的减磁场不可逆地减磁而应用高矫顽磁力的NdFeB 磁铁。
在应用了弱磁通控制的运转中，由于由负的d轴电流产生的磁 通，交链》兹通减少，所以交链磁通的减少量造成相对电压上限值的电 压的余量。于是，由于可以增加成为扭矩分量的电流，所以高速域中 的输出增加。另外，可以使旋转速度上升电压余量的量，可变速运转 的范围被扩大。
但是，由于总是持续流过不对输出贡献的负的d轴电流，所以铜 损增加而效率恶化。进而，由负的d轴电流产生的减磁场产生高次谐 波磁通，由于高次谐波磁通等，电压增加，从而在通过弱磁通控制而 实现的电压降低中存在界限。由此，即使在埋入型永久磁铁式旋转电 机中应用了弱磁通控制，也难以实现基底速度的三倍以上的可变速运 转。进而，存在由于上述高次谐波磁通而4失损增加，在中/高速域中效 率大幅降低的问题。另外，还存在由于由高次谐波磁通产生的电磁力 而发生振动这样的问题。
在混合动力汽车用驱动电动机中应用了埋入型永久磁铁电动机 的情况下，在仅通过引擎驱动的状态下电动机连续旋转。在中/高速旋 转中由电动机的永久磁铁产生的感应电压上升，所以为了抑制在电源 电压以内，在弱磁通控制中持续流过负的d轴电流。在该状态下，电
动机发生损失，所以综合运转效率恶化。
在电车用驱动电动机中应用了埋入型永久磁铁电动机的情况下，
电车有惰性运转的状态，为了与上述同样地使由永久磁铁产生的感应 电压成为电源电压以下，在弱磁通控制中持续流过负的d轴电流。在该情况下，电动机发生损失，所以综合运转效率恶化。
在日本特开2006-280195号公报(专利文献5)中，记载了解 决上述问题的技术。在该专利文献5中，提供一种永久磁铁式旋转电 机，可以实现高输出、低速至高速的宽范围内的可变速运转，且提高 效率、提高可靠性，包括设置有绕组的定子；以及配置有磁通密度 由于由定子绕組的电流产生的磁场而不可逆地变化的程度的低矫顽 磁力的永久磁铁、与具有低矫顽磁力的两倍以上的矫顽磁力的高矫顽 磁力的永久磁铁的转子，在成为电源电压的最大电压以上的高速旋转 域中，通过由电流产生的磁通使低矫顽磁力的永久磁铁磁化而调整全 部交链磁通量，以使由低矫顽磁力的永久磁铁与高矫顽磁力的永久磁 铁产生的全部交链磁通减少。
专利文献1:日本特开平07 - 336919号7>才艮
专利文献2:日本特开平11 - 27913号公报
专利文献3:日本特开平11 - 136912号7>才艮
专利文献4:美国专利第6800977号公报
专利文献5:日本特开2006 - 280195号>5^才艮
非专利文献l:"埋入磁铁同步电动机的设计与控制"、武田洋次 等、ohm公司
非专利文献2: Weschta， "Schachung des Erregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronmaschine"， ETZ Archiv Vo1.7， No3， pp79 - 84 ( 1985年)

发明内容
本发明的目的在于，提供一种永久磁铁电动机驱动系统，在磁极
中配置了以往的低矫顽磁力永久磁《失与高矫顽磁力7JC久磁铁的永久
磁铁式旋转电机，进而，在流过q轴电流而发生扭矩时通过流过正的 d轴电流而可以实现进一步宽范围的可变速运转与高输出，另外，另 一目的在于，提供一种具有最适用于该永久磁铁电动机驱动系统的结 构的永久磁铁式旋转电机。本发明提供一种永久磁铁电动机驱动系统，其特征在于，具备 使用了永久磁铁的永久磁铁电动机；驱动上迷永久磁铁电动机的逆变 器；以及流过用于控制上述永久磁铁的磁通的磁化电流的磁化单元， 永久磁铁电动机使用形状或磁特性不同的两种以上的永久磁铁来形 成一个磁极，由多个上述磁极构成转子，上述磁化单元通过使上述永 久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流短时间流过而发生的磁场，在各 磁极中使至少 一 种永久磁铁>磁化而使永久磁铁的磁通量不可逆地变 化，进而通过使电枢绕组电流的电流相位变化而流过磁化电流。
在上述发明的永久磁铁电动机驱动系统中，其特征在于，上述磁 化单元通过使上述永久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流短时间流过 而发生的磁场，在各磁极中使至少 一种永久磁铁磁化而使永久磁铁的 磁通量不可逆地变化，在发生扭矩时使正的d轴电流流过电枢绕组。
本发明的其他特征是提供一种永久磁铁式旋转电机，使用形状或 磁特性不同的两种以上的永久磁铁来形成一 个磁极，由多个上述磁极 构成转子，在该转子的外周隔着气隙配置有电枢，其特征在于，构成 上述磁极的永久磁铁包括矫顽磁力与磁化方向厚度之积与其他永久 磁铁不同的永久磁铁。
根据本发明的永久磁铁电动机驱动系统，可以在低速至高速的宽 范围内实现可变速运转，另外，可以实现低速旋转域的高扭矩化、中 /高速旋转域中的高输出化、效率的提高、可靠性的提高、制造性的提 高、材料的削减、稀有材料的削减。
另夕卜，根据本发明的永久磁铁式旋转电机，可以提供最适合于上 述永久磁铁电动机驱动系统的永久磁铁式旋转电机。


图l是本发明的第一实施方式的永久磁铁式旋转电机的剖面图。 图2是在上述实施方式中转子的永久磁铁中采用的低矫顽磁力 的永久磁铁与高矫顽磁力的永久磁铁的磁特性的曲线图。
图3是在上述实施方式的转子中通过短时间通电的d轴电流使永久磁铁不可逆地磁化而设为增磁状态时的永久磁铁的磁通(交链磁通 最大)的说明图。图4是在上述实施方式的转子中由短时间通电的d轴电流产生的减磁》兹场的磁通的ijL明图。图5是在上述实施方式的转子中由短时间通电的d轴电流产生的 减磁磁场作用后(由于d轴电流产生的磁场消失后)的永久磁铁的磁 通(交链磁通最小)的说明图。图6是在上述实施方式的转子中由正的d轴电流产生的磁场与由 负载电流(q轴电流)产生的磁场的说明图。图7是本发明的第一实施方式的永久磁铁电动机驱动系统的框图。图8是可变磁通永久磁铁电动机的简易模型图。图9是上述实施方式的永夂磁铁式旋转电机的BH特性图。图10是示出上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统中的磁化请求生成部的内部结构的框图。图11是示出上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统中的可变磁通控制部的内部结构的框图。图12是上迷实施方式的永久磁铁电动机驱动系统的电动机控制的时序图。图13是本发明的第三实施方式的永久磁铁式旋转电机中的转子 的剖面与磁通的说明图。图14是在本发明的第四实施方式的永久磁铁式旋转电机中转子 中采样的矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁中应用的低矫 顽磁力的NdFeB磁铁与 一般的NdFeB磁铁的磁特性图。图15是本发明的第五实施方式的永久磁铁式旋转电机中的转子 的剖面与q轴磁通的说明图。图16是本发明的第六实施方式中的永久磁铁式旋转电机中的转 子的剖面图。图17是本发明的第七实施方式的永久磁铁式电动机驱动系统的ii框图。图18是示出上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统中的可变 磁通控制部的内部结构的框图。图19是上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统的电动机控制 的时序图。图20是以往的埋入型永久磁铁电动机的剖面图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下各 实施方式中，例示出了四极的永久磁铁式旋转电机，但即使是其他极 数也可以同样地应用。 (第一实施方式) (永久磁铁式旋转电机)使用图1~图6,对本发明的第一实施方式的永久磁铁式旋转电 机进行说明。图1示出本实施方式的永久磁铁式旋转电机的结构，是 在定子20的内部隔着气隙23对向地容纳了转子1的结构。另外，定 子20与以往例一样，与图20相同。如图1所示，本实施方式的永久磁铁式旋转电机中的转子1包括 转子铁心2、矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁3、矫顽磁 力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁4。转子铁心2是层叠硅钢板而 构成的，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁3采用铝镍钴磁 铁，在转子铁心2的径向剖面中埋入了四个。该矫顽磁力与磁化方向 厚度之积小的永久磁铁3也可以应用FeCrCo磁铁。矫顽磁力与磁化 方向厚度之积大的永久磁铁4采用NdFeB磁铁，在转子铁心2的径 向剖面中埋入了四个。由铝镍钴磁铁构成的永久磁铁3是沿着转子1的大致径向配置 的，其剖面是梯形形状。另外，永久磁铁3的磁化方向是大致圆周方 向，磁化方向的平均厚度(基于规格)在本实施方式中是6mm。由 NdFeB磁铁构成的永久磁铁4是在大致圆周方向上配置的，其剖面是长方形形状。另外，永久磁铁4的磁化方向是大致径向，磁化方向的 厚度在本实施方式中是2mm。图2示出本实施方式中应用的永久磁铁3用的铝镍钴(AlMCo )、 FeCrCo磁铁、永久磁铁4用的NdFeB磁铁的磁特性。铝镍钴磁铁的 矫顽磁力(磁通密度成为0的磁场)是60~120kA/m，成为NdFeB 磁铁的950kA/m的1/15 ~ 1/8。另外，FeCrCo磁铁的矫顽磁力大约是 60 kA/m，成为NdFeB磁铁的950kA/m的1/15。铝镍钴磁铁和FeCrCo 磁铁与NdFeB磁铁相比，其矫顽磁力更低。对本实施方式的旋转电机中的永久磁铁的磁化进行叙述。在d 轴磁回路上，关于NdFeB永久磁铁4，由d轴电流产生的磁通通过两 个NdFeB永久磁铁4 (相邻的相互异极的两个NdFeB永久磁铁4 ), 所以由d轴电流产生的磁场针对每一极作用于一个NdFeB永久磁铁 4。另一方面，关于铝镍钴永久磁铁3，由d轴电流产生的磁通通过位 于磁极间的一个铝镍钴永久磁铁3，所以由d轴电流产生的磁场针对 每一极作用于NdFeB永久磁铁4的1/2个。即，为了在一极的磁回路 上评价特性，将铝镍钴永久磁铁3的磁铁的厚度设为1/2来评价即可。在本实施方式中，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁3 应用矫顽磁力是120kA/m的铝镍钴磁铁。在本实施方式中，每一极的 铝镍钴磁铁的矫顽磁力与磁化方向厚度之积成为120kA/mx (6xl0' 3/2) m-360A。矫顽》兹力与磁化方向厚度之积大的7JC久磁铁4应用矫 顽磁力是1000 kA/m的NdFeB磁铁。在本实施方式中，每一极的 NdFeB磁铁的矫顽磁力与磁化方向厚度之积成为1000kA/mx ( 2xl(T 3)m = 2000A。在本实施方式中，NdFeB永久磁铁4的矫顽磁力与磁 化方向厚度之积大于铝镍钴永久磁铁3的5.6倍。如图1所示，低矫顽磁力的铝镍钴永久磁铁3埋入在转子铁心2 中，在铝镍钴永久磁铁3的两端部设置有空洞5。铝镍钴永久磁铁3 是沿着与成为磁极间的中心轴的q轴一致的转子1的半径方向配置 的。另外，铝镍钴永久磁铁3的易磁化方向是大致圆周方向，相对半 径成为垂直方向(在图1中与将铝镍钴永久磁铁3的梯形剖面二等分并通过旋转中心的线垂直)。高矫顽磁力的NdFeB永久磁铁4也被埋入在转子铁心2内，在 NdFeB永久磁铁4的两端部设置有空洞5。 NdFeB永久磁铁4是以通 过两个铝镍钴永久磁铁3在转子1的内周侧被夹住的方式在转子1的 大致圆周方向上配置的。NdFeB永久磁铁4的易磁化方向是相对转子 1的圆周方向大致垂直(在图1中相对NdFeB永久磁铁4的长方形剖 面的长边垂直)的方向。于是，转子铁心2的磁极铁心部7形成为被两个铝镍钴永久^F兹铁 3与一个NdFeB永久磁铁4包围。如图1与图3 图6所示，转子铁 心2的磁极铁心部7的中心轴方向成为d轴，磁极间的中心轴方向成 为q轴。因此，铝镍钴永久磁铁3是在成为磁极间的中心轴的q轴方 向上配置的，铝镍钴永久磁铁3的磁化方向相对q轴成为90°或卯° 方向。在相邻的铝镍钴永久磁铁3中，相向的磁极面是同极。另外，NdFeB永久磁铁4是在相对成为磁极铁心部7的中心轴 的d轴成为垂直的方向上配置的，其磁化方向相对d轴成为0°、或 180°方向。在相邻的NdFeB永久磁铁4中，磁极的朝向相互成为逆极 性。(永久磁铁电动机驱动系统)图7是用于将本发明的第一实施方式的永久磁铁式旋转电机作 为电动机而进行旋转驱动的永久磁铁电动机驱动系统100的控制框 图。在说明该图之前，对作为永久磁铁同步电动机(PM电动机)的 可变磁通电动机进行说明。图8示出可变磁通电动机101的概念。定 子侧与以往的电动机相同。在转子151侧作为永久磁铁，有磁性体的 磁通密度固定的固定磁铁FMG、与磁性体的磁通密度可变的可变磁 铁VMG。以往的PM电动机仅是前者的固定磁铁FMG，相对于此， 本可变磁通电动机l的特征在于，具备可变磁铁VMG。此处，对固定磁铁、可变磁铁进行说明。永久磁铁是指，在从外 部未流过电流等的状态下维持磁化的状态，但并不是任何条件下其磁 通密度都严密地不变化。即使是以往的PM电动机，也由于逆变器等而流过过大的电流，从而发生减磁或者逆向励磁。因此，永久磁4失是 指，其磁通量并非恒定不变，而是在接近通常的额定运转中的状态下 磁通密度几乎不会由于从逆变器等供给的电流而变化的磁铁。另一方 面，上述磁通密度可变的永久磁铁、即可变磁铁是指，即使在上述那 样的运转条件下磁通密度也根据逆变器等中流过的电流而变化。可以在依赖于磁性体的材质、结构的程度的范围内，设计这样的可变磁铁VMG。例如，最近的PM电动机使用残留磁通密度Br高的 钕(NdFeB)磁铁的情况较多。在该磁铁的情况下，由于残留磁通密 度Br高至1.2T左右，所以可以通过小的装置尺寸输出大的扭矩，对 要求电动机的高输出小型化的混合动力车(HEV)、电车是适用的。 在以往的PM电动机的情况下，不会由于通常的电流而减磁是必要条 件，但由于该钕磁铁(NdFeB)具有约1000kA/m的非常高的矫顽磁 力Hc，所以是用于PM电动机的最佳的磁性体。其原因为，为了用 于PM电动机，选定残留磁通密度大且矫顽磁力大的磁铁。此处，将残留磁通密度高、且矫顽磁力Hc小的铝镍钴AlNiCo(Hc = 60 ~ 120kA/m ) 、 FeCrCo磁铁(Hc =大约60kA/m )这样的 磁性体作为可变磁铁。对于通常的电流量(在通过逆变器驱动以往的 PM电动机时流过的程度的电流量这样的意思)，钕磁铁的磁通密度(磁通量)大致恒定，铝镍钴AlMCo磁铁等可变磁铁VMG的磁通 密度(磁通量)可变。严密而言，作为固定磁铁FMG的钕磁铁也用 于可逆区域中，所以磁通密度虽然在微小的范围内变动，但如果逆变 器电流消失则返回当初的值。另一方面，可变磁铁VMG还用于不可 逆区域，所以即使逆变器电流消失，也不成为当初的值。在图8中， 作为可变磁铁VMG的铝镍钴磁铁的磁通量也仅变动d轴方向的量， Q轴方向大致是O。图9例示出固定磁铁FMG与可变磁铁VMG的BH特性(磁通 密度-磁化特性)。另外，图IO通过正确的关系仅定量地示出了图9 的第二象限。在钕磁铁与铝镍钴磁铁的情况下，在它们的残留磁通密 度Brl、 Br2中没有有意的差，但对于矫顽磁力Hcl、 Hc2，相对钕磁15铁(NdFeB )的Hc2，铝镍钴磁铁(AlNiCo )的Hcl成为1/15 ~ 1/8， FeCrCo磁铁的Hcl成为1/15。
在以往的永久磁铁电动机驱动系统中，由逆变器的输出电流产生 的磁化区域与钕磁铁(NdFeB)的矫顽磁力相比足够小，可以用于其 磁化特性的可逆范围中。但是，可变磁铁由于如上所述其矫顽磁力小， 所以在逆变器的输出电流的范围中，可以在不可逆区域(即使使电流 成为0，也不返回施加电流前的磁通密度B)中利用，且可以使磁通 密度(磁通量)可变。
式(1)示出可变磁通电动机l的动作特性的等价简易模型。该 模型是将d轴设为磁铁磁通方向、将Q轴设为与d轴垂直的方向的 dq轴旋转坐标系上的模型。
<formula>formula see original document page 16</formula>式(1)
此处，Rl是绕组电阻，Ld是d轴电感，Lq是Q轴电感，①fix 是固定磁铁的磁通量，①var是可变磁铁的磁通量，ol是逆变器频率。
图7示出第 一实施方式的永久磁铁电动机驱动系统100的主电路 100A以及控制电路100B。主电路100A由直流电源103、将直流电力 变换为交流电力的逆变器104、通过该逆变器104的交流电力驱动的 可变磁通永久磁铁电动机101构成。而且，在主电路100A中，设置 有用于检测电动机电力的交流电流检测器102、用于检测电动机速度 的速度检测器18。
接下来，对控制电路100B进行说明。此处的输入是运转指令 Rui^与扭矩指令Tm*。运转指令生成部116将运转指令RuW与由保 护判定部117判断的保护信号PROT作为输入，生成输出运转状态标 志Rim。基本上，在输入了运转指令的情况下(Rim* = l)，使运转 状态标志Run成为运转状态(Run = l)，在运转指令指示了停止的 情况下(Run* = 0 )，使运转状态标志Run成为停止状态(Run = 0 )。进而，在保护检测的情况下(PROT - 1),即使是运转指令Run* = 1， 运转状态也成为4亭止状态Run = 0。
门指令生成部115输入运转状态标志Run,生成输出对逆变器 104中内在的开关元件的门指令Gst。在该门指令生成部115中，在 运转状态标志Run从停止(Run - 0 )改变为运转(Run = 1)的情况 下，立即设为门起动(Gst-1)，在运转状态标志Run从运转(Run =1)改变为停止(Rim-O)的情况下，在经过了规定时间之后，设 为门OFF ( Gst = 0 )。
磁通指令运算部112将运转状态标志Run与逆变器频率col、即
转子旋转频率(OR作为输入，例如如下式(2)那样生成并输出磁通
指令必*。即，在运转停止(Run-O)的情况下，使磁通指令€>*成
为最小①min，在运转状态(Run-l)且旋转频率o>R低于规定值的
情况下，将磁通指令0>*设为最大①max,并且，在速度高于规定值
的情况下，将磁通指令^*设为最小①min。 If(Run-0)
Else if (| ll<o>A)
Else
0*=Omin 式(2)
此处，①min是作为可变磁通电动机101可以取得的最小磁通量 (>0)，①max是作为可变磁通电动机101可以取得的最大磁通量， coA是规定的旋转频率。另外，对于f兹通量的€ min、 Omax的设定， 在后面的可变磁通控制部13中进行说明。
在电流基准运算部111中，将扭矩指令1111*与磁通指令0*作为 输入，如下式(3)、 (4)那样运算d轴电流基准IdR与Q轴电流 基准IqR。
WR=0 式(3)
IqR=Tm*/0)* 式(4 )
该式(3) 、 (4)是假设不使用电动机的磁阻扭矩，将电动机极数也设为0的运算式。既可以是存在d轴电感Ld与Q轴电感Lq的 差异AL的突极形电动机，也可以是没有差异的非突极形的电动^L。
但是，在考虑效率的最佳化和规定电流下的最大输出的情况下， 考虑磁阻扭矩的作法是有效的。在该情况下，例如如下式那样运算。
IqR - (—0*+V。*2 -4x(Ld_Lq)xK>Tm* )卢x(Ld一Lq)xK 戈(5) IdR-"IqR 式(6)
此处，K是d轴电流与Q轴电流的比率，因上迷的效率最佳化、 最大输出等以及用途而改变的值。为了实现最佳化取得函数形，作为 其自变量使用扭矩、速度等。另外，还可以通过简易的近似、表化来 使用。另外，式(5)的磁通指令€ *即使使用后述的磁通推测值€ 11， 也可以进行动作。
图IO示出磁化请求生成部129的详细结构。该图IO的模块是通 过控制微计算机针对每个规定时间进行控制的。磁通指令0*被输入 给上次值的保持部131，保持该值。上次值的保持部131的输出是在 上次存储的磁通指令与本次的磁通指令值。*一起被输入给变化 判定部30。在变化判定部130中，在两个输入存在变化的情况下输出 1，在没有变化的情况下输出0。即，仅在磁通指令0*变化的情况下 置1。代替磁通指令 *，而对于运转状态标志Run也具有上述同样 的电路，被输入给上次值的保持部133,保持该值。上次值的保持部 133的输出是在上次存储的运转状态标志Run，与本次的运转状态标 志Run —起被输入给变化判定部134。两个变化判定部130、 134的 输出被输入给逻辑和运算部(OR) 132，作为磁化请求标志FCr叫输 出它们的逻辑和。
磁化请求生成部129的输出即磁化请求标志FCreq在磁通指令 0*变化的情况、或运转状态标志Run变化的情况下成为磁化请求 (FCreq-1)，否则没有请求(FCreq = 0 )。另外，运转状态标志 Rim变化的状态是指，逆变器开始起动时、停止时、为保护而停止时 等。另外，此处使用了磁通指令 *，但也可以通过后述的可变磁通 控制部113的磁化电流指令值Im* (磁化电流表127的输出)的变化来生成磁化请求FCreq。
图11示出可变磁通控制部113的详细结构。可变磁通控制部113 输入磁通指令运算部112的输出即磁通指令0*，输出用于校正d轴 电流基准IdR的d轴磁化电流差分量AIdm*。通过以下运算处理，生 成该磁4匕电流差分量AIdm*。
为了使可变磁铁VMG磁化，按照图9的可变磁铁的BH特性， 求出规定的磁化电流指令1111*即可。特别地，磁化电流指令1加*的大 小被设定成图9中的Hlsat以上、即成为可变磁铁的磁化饱和区域。
由于直至磁化饱和区域为止流过磁化电流，所以应由磁通指令运 算部122设定的磁通量①min、 Omax被设定成对可变》兹铁的磁通(磁 通密度)是正或负的最大(饱和)值加上固定磁铁的量的值。如果将 可变磁铁VMG的磁通量的正的最大值设为①varmax(负的最大值的 绝对值与正的最大值相等)、将固定磁铁FMG的磁通量设为①fix, 则如下式。
Omin -Ofix - Ovarmax 式(7 )
①max =4>fix+<&varmax 式(8 )
将磁通指令0 *作为输入，通过存储有对应的磁化电流的磁化电 流表127，输出用于得到磁通指令0*的磁化电流指令Im*。
由于基本上，将磁铁的磁化方向设为d轴，所以磁化电流指令 Im"皮提供给d轴电流指令Id*。在本实施方式中，由于构成为用d 轴磁化电流指令差分AIdmA来校正来自电流基准运算部111的输出即 d轴电流基准IdR，而设为d轴电流指令IcF，所以由运算器126通 过下式求出d轴磁化电流指令AIdm*。
Mdm * =Im* - IdR 式(9 )
另外，还可以构成为在切换磁通时，对d轴电流指令IcP直接提 供磁化电流1111*。
另一方面，磁化请求标志FCreq在希望切换磁通的请求时，至 少瞬间将切换请求(FCreq-l)置位。为了使磁通可靠地可变，将磁 化请求标志FCreq输入给最小ON脉冲器128。在作为该输出的磁化
19完成标志(=1:磁化中、=0:磁化完成)具有在一旦输入了 ON(= 1)的情况下，在规定时间的期间不成为OFF ( =0)的功能。在超过 规定时间而输入是ON ( =1)的情况下，在其成为OFF的同时输出 也成为OFF。
向切换器123输入磁化完成标志，在磁化中(磁化完成标志=1) 的情况下输出减法器126的输出，在磁化完成(磁化完成标志-0) 的情况下输出0。
电压指令运算部110根据通过以上生成的dq轴电流指令Id*、 Iq*，生成包含电流控制器的dq轴电压指令Vd*、 Vq*，以流过与该 指令一致的电流。
然后，将电压指令运算部110的dq轴电压指令Vd*、 VqA通过 坐标变换部105变换为三相电压指令Vu*、 Vv*、 Vw*，根据该三相 电压指令，PWM电路106通过PWM生成门信号，对逆变器104进 行PWM控制。另外，坐标变换部107对电流检测器102的交流检测 电流Iu、 Iw进行两轴dq轴变换而变换成dq轴电流检测值Id、 Iq并 输入给电压指令运算部110。另外，伪微分器108根据速度检测器118 的信号求出逆变器频率col。另外，在电压指令运算部110、坐标变换 部105、 107、 PWM电路106中，采用以往同样的公知技术。
图12示出各信号的动作的时序图的一个例子。此处，保护信号 是未置位的状况(PROT = 0)，但通过运转状态标志Run的变化以 及磁通指令。*的变化而磁化请求标志被置位，将其保持规定时间宽 度的磁化完成标志被置位，仅在该磁化完成标志的期间，磁化电流指 令1111*具有值。
接下来，对这样构成的本实施方式的永久磁铁式旋转电机、及其 驱动系统的作用进行说明。每一极的磁化中所需的磁通势是通过磁化 中所需的磁场与每一极的永久磁铁的厚度之积估计的。铝镍钴磁铁的 永久磁铁3可以通过250kA/m的磁场励磁至100%附近。励磁磁场与 每一才及的磁4失的厚度之积成为250kA/mx (6x10 —3/2) m = 750A。
另 一方面，NdFeB磁4失的永久磁铁4可以通过1500 ~ 2500kA/m
20的磁场励磁至100%附近。励磁磁场与每一极的磁铁的厚度之积成为 1500 ~ 2500kA/mx ( 2xl03) m = 3000 ~ 5000A。即，铝镍钴永久磁纟失 3可以通过NdFeB永久磁铁4的大约1/4~1/6的磁场励磁。另外，如 果是使铝镍钴永久磁铁3励磁的程度的磁场，则NdFeB永久磁铁4 是可逆减磁状态，即使在励磁后NdFeB永久磁铁4也可以维持励磁 前的状态的磁通。
在本实施方式中，使通电时间是极短时间(0.1ms 10ms左右) 的脉冲性的电流流过定子20的电枢绕组21而形成磁场，使磁场作用 于铝镍钴永夂磁铁3。其中，通电时间根据旋转电机的绕组电感的大 小、电流波形而变化。将形成用于使永久磁铁磁化的磁场的脉冲电流 设为定子20的电枢绕组21的d轴电流分量。在将励》兹磁场^L为250 kA/m时，理想情况是充分的励磁磁场作用于铝镍钴永久磁铁3，在 NdFeB永久磁铁4中不会由于励磁而发生不可逆减磁。
图3示出使励磁磁场作用以使铝镍钴磁铁与NdFeB磁4失的磁通 在磁极以及气隙面中相加时的各永久磁铁的磁通。在图3中，由永久 磁铁3、 4产生的交链磁通增加而成为增磁状态。励磁磁场是使极短 时间的脉冲性的电流流过定子20的电枢绕组21而形成的。此时通电 的电流是d轴电流分量。脉冲电流立即成为O，励磁磁场消失，但铝 镍钴永久磁铁3不可逆地变化而在励磁方向上发生磁通B3。 B4是由 NdFeB永久磁铁4产生的磁通。另外，图3、图4、图5中的磁通分 布仅示出了一个极。
图4示出使交链磁通减少时的作用。对电枢绕组21通电负的d 轴电流而形成的磁场Bd发生与图3逆向的磁通。由电枢绕组21的负 的d轴电流生成的磁场Bd是从转子1的磁极中心相对铝镍钴永久磁 铁3和NdFeB永久磁铁4，与磁化方向逆向地作用的。与图3的磁化 方向逆向的磁场B3i、 B4i作用于各永久磁4失3、 4。由于铝镍钴永久 磁铁3的矫顽磁力与磁化方向厚度之积小，所以由于该逆磁场，铝镍 钴永久磁铁3的磁通不可逆地减少。另一方面，由于NdFeB永久磁 铁4的矫顽磁力与磁化方向厚度之积大，所以即使受到逆磁场，磁特性也是可逆范围，在由负的d轴电流而产生的励磁磁场Bd消失后的 磁化状态中没有变化且磁通量也不变化。因此，仅铝镍钴永久磁铁3 减磁，从而可以减少交链f兹通量。
在本实施方式中，通电更大的电流而通过强的逆磁场使铝镍钴永 久磁铁3的极性反转。其特征在于，通过使铝镍钴永久磁铁3的极性 反转，可以大幅减少交链磁通，特别地可以使交链磁通成为0。
一般由于铝镍钴磁铁的励磁磁场与每一极的永久磁铁的厚度之 积是NdFeB磁铁的大约1/4 ~ 1/6,所以可以仅使铝镍钴永久磁4失3 磁化的磁场作用。图5示出通过负的d轴电流磁化(励磁)后的状态。 NdFeB永久磁铁4的磁通B4与逆向地发生的铝镍钴永久磁铁3的磁 通B3相互4氐消，在各永久/f兹4失3、 4的磁通量B3、 B4相同的情况下 可以使气隙23的磁通大致成为0。此时，NdFeB永久磁铁4的磁通 B4相互抵消，并且可以构成与铝镍钴永久磁铁3的磁回路，所以大 部分的磁通分布于转子1内。通过这样的作用，可以使气隙磁通密度 的》兹通分布一样地成为0。
在从上述的交链磁通是0的状态增加交链磁通的情况下，在交链 磁通0中成为逆极性的铝镍钴永久磁铁3中，通过由d轴电流产生的 磁场，使铝镍钴永久磁铁3的磁通B3减少。由于此时铝镍钴永久磁 铁3成为逆极性，所以作用于铝镍钴永久磁铁3的磁场成为与图3所 示的铝镍钴永久磁铁3的原来的磁化方向相同的方向。即，成为与图 4所示的由d轴电流产生的磁场Bd相反的方向。在使交链磁通进一 步增加而返回原来的最大交链磁通的状态时，铝镍钴永久磁铁3再次 反转极性(返回原来的极性)而返回图3的状态。因此，在本实施方 式的永久磁铁式旋转电机的情况下，铝镍钴永久磁铁3可以在磁特性 上(作为与磁通密度和磁场相关的特性的B-H曲线)的第一象限至 第四象限的所有范围中动作。
与其相对，以往的永久磁铁式旋转电机中的永久^兹铁仅在第二象 限中动作。另外，以往的永久磁铁式旋转电机为了降低交链磁通，通 过电枢绕组21的负的d轴电流发生磁场，而使转子1的永久磁铁4的磁通抵消。但是，在埋入磁铁电动机中，基波交链磁通仅能够降低
至50%左右，并且高次谐波大幅增加，产生高次谐波电压与高次谐波 铁损而成为问题。因此，使交链磁通成为0是极其困难的，且假i殳即 使能够使基波成为0，高次谐波磁通也相反地成为非常大的值。与其 相对，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，由于在转子l中仅通 过永久磁铁3、 4的磁通而一样地减少，所以高次谐波磁通少，且损 失不会增加。
接下来，叙述铝镍钴永久磁铁3与NdFeB永久磁铁4的相互的 磁的影响。在图5的减磁状态下，NdFeB永久磁铁4的磁场作为偏磁 性的磁场而作用于铝镍钴永久磁铁3，由于负的d轴电流产生的磁场 与由NdFeB永久磁铁4产生的磁场作用于铝镍钴永久磁铁3而易于 磁化。另外，铝镍钴永久磁铁3的矫顽磁力与磁化方向厚度之积、与 NdFeB永久磁铁4的无负栽时的动作点中的磁场的强度与磁化方向厚 度之积相等、或者成为其以上，从而在交链磁通的增磁状态下，克服 NdFeB永久磁铁4的磁场，而发生磁通量。
以上，在本实施方式的旋转电机中，可以通过d轴电流使铝镍钴 永久磁铁3的交链磁通量从最大至0大幅变化，并且还可以使磁化方 向成为正逆方向这两个方向。在将NdFeB永久磁铁4的交链磁通B4 设为正向时，可以将铝镍钴永久磁铁3的交链磁通B3的范围调整为 从正向的最大值经过O直至逆向的最大值的宽范围。
因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，通过使用d轴电 流使铝镍钴永久磁铁3磁化，可以在宽范围内调整使铝镍钴永久磁铁 3与NdFeB永久磁铁4合起来的全部交链磁通量。在低速域中，铝镍 钴永久磁铁3通过d轴电流磁化，以与NdFeB永久磁铁4的交链磁 通的方向相同(上述图3示出的增磁状态)且成为最大值。此时，由 于由永久磁铁产生的扭矩成为最大，所以可以使旋转电机的扭矩以及 输出成为最大。另外，在中/高速域中，由于图4的由d轴电流产生的 磁场Bd，使铝镍钴永久磁铁3的磁通量不可逆地降低，而降低全部 交链磁通量。由此，由于旋转电机的电压降低，所以相对电源电压的
23上限值存在余量，可以进一步提高旋转速度(频率)。在显著提高最 高速度时(进一步扩大可变速范围、例如基底速度的三倍以上的可变
速运转的范围)，铝镍钴永久磁铁3与NdFeB永久磁铁4的交链磁 通逆向地磁化(铝镍钴永久磁铁3的磁通B3的朝向是图5的状态且 磁化最大)。7JC久磁铁3、 4的全部交链磁通成为NdFeB永久磁铁4 与铝镍钴永久磁铁3的交链磁通之差，可以设为最小。由于旋转电机 的电压也成为最小，所以可以将旋转速度(频率)提高至最高值。
由此，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及对其进行旋转 驱动的永久磁铁电动机驱动系统，可以实现高输出、从低速旋转至高 速旋转的宽范围的可变速运转。另外，根据本实施方式的永久磁铁式 旋转电机，由于仅在极短时间内流过使交链磁通变化时的励磁电流， 所以可以显著降低损失，成为宽运转范围且高效。
接下来，叙述在本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁 电动机驱动系统中，由发生扭矩时的负载电流(q轴电流)引起的永 久磁铁3、 4的减磁。在本实施方式的永久磁4失式旋转电机发生扭矩 时，通过在定子20的电枢绕组21中流过q轴电流，从而由于q轴电 流与永久磁铁3、 4的》兹通的磁作用而发生扭矩。此时，通过q轴电 流而发生磁场。因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，铝镍 钴永久磁铁3配置在q轴附近，以使其磁化方向成为与q轴方向垂直 的方向。由此，铝镍钴永久磁铁3的磁化方向与由q轴电流产生的磁 场理想地成为垂直的方向，而不易大幅受到由q轴电流产生的磁场的 影响。
但是，在为了最大扭矩状态、小型/高输出化而增大了电枢绕组 的安培匝数的旋转电机中，由作为负载电流的q轴电流产生的磁场非 常大。在转子中设置了矫顽磁力与厚度之积小的永久磁铁的情况下， 由该过大的q轴电流产生的磁场使位于q轴的永久磁铁不可逆地减 磁。即，在由于q轴电流而发生扭矩时，永久磁铁减磁而扭矩降低。
因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，在发生大的扭矩 时，使正的d轴电流重叠在q轴电流上而流过。图6示意地示出在发生扭矩时重叠了正的d轴电流时的磁场的作用。在图6中，B3i表示 由正的d轴电流产生的磁场，B5i表示由负载电流(q轴电流)产生 的磁场，B6表示矫顽磁力与磁化方向的厚度之积小的永久磁铁3的 磁化方向。由于将在扭矩大的范围中位于各磁极的两种永久磁铁3、 4 设为相互加强的方向，所以在该状态下正的d轴电流成为与永久磁纟失 3的磁化方向相同的方向。因此，如图6所示即使在永久磁铁3内正 的d轴电流产生的磁场B3i也以抵消由q轴电流产生的减磁场的方式 作用。因此，如果应用本实施方式，则即使使用了矫顽磁力与厚度之 积小的永久磁铁3，即使在发生大的扭矩的状态下，也可以抑制上述 永久磁铁3的不可逆减磁，可以抑制由负载电流的磁场B5i引起的扭 矩降低，可以发生大扭矩。
接下来，叙述永久磁铁3、 4的两端部中形成的空洞5的作用。 该空洞5緩和由永久磁铁3、 4产生的离心力作用于转子铁心2时的 向转子铁心2的应力集中与减磁场。通过设置图l所示那样的空洞5, 转子铁心2可以成为带有曲率的形状，应力被緩和。另外，由电流产 生的磁场集中于永久磁铁3、 4的角部而减磁场作用，有时角部不可 逆地减磁。但是，在本实施方式中，由于在永久磁铁3、 4的各端部 设置有空洞5，所以永久磁铁端部处的由于电流产生的减磁场被緩和。
接下来，叙述本实施方式中的转子1的结构性强度。在本实施方 式的转子1中，在转子铁心2内埋入铝镍钴永久磁铁3与NdFeB永 久磁铁4，在转子铁心2中固定了永久磁铁3、 4。为了可以进一步充 分承受高速旋转时的离心力，在磁极铁心部7的中央设置螺栓孔6， 通过螺栓将转子铁心2拧紧而可以固定到转子端部与轴上。
由此，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动 机驱动系统，得到如下效果。在将NdFeB永久磁铁4的交链磁通设 为正向时，可以在宽范围内调节，使铝镍钴永久磁铁3的交链磁通从 正向的最大值变化至0，进而可以将极性反转而变化至逆向的最大值。 这样，铝镍钴永久磁铁3在磁特性上可以在第 一象限至第四象限的所 有范围中动作。由此，在本实施方式中，通过使用d轴电流使铝镍钴永久》兹铁3》兹化，可以在宽范围内调整将铝镍钴永久磁铁3与NdFeB 磁铁4合起来的全部交链磁通量。进而，在永久磁铁的全部交链磁通 量的调整中，可以在宽范围内调整旋转电机的电压，并且，由于通过 极短时间的脉冲性的电流来进行励磁，所以无需总是使弱磁通电流持 续流过，可以大幅降低损失。另外，由于无需如以往那样进行弱磁通 控制，所以也不会发生由高次谐波磁通产生的高次谐波铁损。
以上，本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱 动系统可以实现高输出、从低速至高速的宽范围的可变速运转，在宽 的运转范围中是高效的。另外，关于由永久磁铁产生的感应电压，可 以使用d轴电流使铝镍钴永久磁铁3励/磁而减小永久磁铁3、 4的全 部交链磁通量，所以不会由于永久磁铁的感应电压而破损逆变器电子 部件，可靠性提高。另外，在旋转电机无负载且连续旋转的状态下， 通过使用负的d轴电流使铝镍钴永久磁铁3励磁，可以减小永久磁铁 3、 4的全部交链磁通量，由此，感应电压显著变低，几乎无需总是通 电用于降低感应电压的弱磁通电流，综合效率提高。特别在惰性运转 时间变长的通勤电车中搭载并驱动本实施方式的永久磁铁式旋转电 机时，综合运转效率大幅提高。
另外，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机 驱动系统中，构成为矫顽磁力与磁化方向厚度之积大的永久》兹4失4由 NdFeB磁铁构成，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁3由铝 镍钴磁铁构成，在最高旋转速度时，NdFeB永久磁铁4发生的反电动 势成为旋转电机的电源即逆变器电子部件的耐压以下。由此，具有以 下效果。即，由永久磁铁产生的反电动势与旋转速度成比例地变高。 由于总是持续流过d轴电流，该反电动势被抑制为逆变器电子部件的 耐压、电源电压以下。但是，在无法控制时，该反电动势变得过大而 破坏逆变器的电子部件等的绝缘。因此，在以往的永久磁铁式旋转电 机中，在设计时通过耐压来限制永久磁铁的反电动势，削减永久磁铁 的磁通量，电动机的低速域中的输出以及效率降低。但是，在本实施 方式的情况下，如果成为高速旋转时，则由于短时间的d轴电流而发生减磁方向的磁场，使永久磁铁不可逆地磁化而降低永久磁铁3、 4 的交链磁通，所以即使在高速旋转时无法控制，也不会发生过大的反 电动势。
另外，在产生了电枢绕组21等的电气短路的情况下，由于短路 电流，而铝镍钴永久磁4失3减磁或其极性反转，所以可以在NdFeB 永久磁铁4中在极性反转时使由永久磁铁3、4产生的交链磁通成为0。 因此，可以由旋转电机自身在瞬时减小短路电流。由此，可以防止由 短路电流引起的制动力、由短路电流引起的加热。
以上，本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱 动系统在低速旋转时发生高扭矩(高输出)，并且可以实现高输出、 从低速至高速的宽范围的可变速运转，可以在宽的运转范围中实现高 效运转。进而可以抑制高速旋转时的反电动势，可以提高包括逆变器 的驱动系统的可靠性。 (第二实施方式)
对本发明的第二实施方式的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁 电动机驱动系统进行说明。本实施方式的特征在于，相对图l所示的 永久磁铁式旋转电机101，利用图7所示的永久磁铁电动机驱动系统 通过由短时间的d轴电流产生的脉冲性的磁场使铝镍钴永久磁铁3不 可逆地磁化而使交链磁通量变化。
这样，在中速旋转域、高速旋转域中，通过负的d轴电流总是发 生磁通，从而可以通过由上述负的d轴电流产生的磁通，来调整包括 由负的d轴电流产生的磁通与由永久磁铁3、 4产生的磁通的交链磁 通。即，在中/高速域中，通过由短时间的d轴电流产生的脉冲性的磁 场，使铝镍钴永久磁铁3的磁通状态不可逆地变化，从而使交链磁通 量较大地变化，通过总是通电的负的d轴电流对交链磁通量进行微调 整。此时，由于总是通电的负的d轴电流进行微调整的交链磁通量少， 所以总是持续流过的负的d轴电流变少，不会发生大的损失。
由此，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机，可以在宽范围内 改变成为电压的基础的交链磁通量，并且可以进行微调整，而且可以
27高效地可变。
(第三实施方式)
使用图13，对本发明的第三实施方式的永久磁铁式旋转电机进 行说明。本实施方式的永久磁铁式旋转电机中的定子20的结构与图1 所示的第一实施方式的部分、图20所示的以往例的部分相同。
如图13所示，在本实施方式的转子l中，铝镍钴永久磁铁3在 q轴中在径向上配置于转子铁心2内，NdFeB永久磁铁4以在圆周方 向上相接的方式与d轴垂直地配置于旋转铁心2内。转子1构成为在 转子铁心2的内周侧嵌入铁的轴9。轴9成为将四面切削的形状，在 转子铁心2与轴9之间形成有空气层8。另外，轴9可以设为非磁性 材料。
由用于使永久磁铁磁化的电枢绕组21的电流产生的磁场作用于 铝镍钴永久磁铁3与NdFeB永久磁铁4，如图13的箭头B13、 B14 所示流过由电流产生的磁通。由于有上述空气层8，所以由电流产生 的不兹通不通过轴9而通过NdFeB永久磁4失4、 4间的内周侧的狭窄的 铁心部分。但是，由于该狭窄的铁心部分易于发生磁饱和，所以可以 减少在由电枢电流产生的磁场中生成的通过NdFeB永久磁铁4的磁通。
这样由希望磁化的铝镍钴永久磁铁3的电流产生的磁通增加，同 时由通过NdFeB永久磁铁4的电流产生的磁通减少，从而转子磁极 铁心部7以及定子铁心22的磁饱和被緩和。因此，可以减少用于使 铝镍钴永久磁铁3磁化的d轴电流。此处，在将轴9设为非磁性材料 时，漏入轴9的磁通也减少而通过NdFeB永久磁铁4的磁通进一步 减少，转子磁极铁心部7以及定子铁心22的磁饱和进一步被緩和。 (第四实施方式)
对本发明的第四实施方式进行说明。本实施方式的特征在于，在 第一~第三实施方式的永久磁铁式旋转电机中，作为转子1中的矫顽 磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁3，由Dy(镝)元素或Tb(铽) 元素少的NdFeB磁铁构成。Dy元素与Tb元素是为了提高NdFeB磁铁的高温时的耐减磁特性而添加的。永久磁铁在高温环境下受到减磁 场时，永久磁铁不可逆地减磁，所以使用上述添加物来抑制不可逆减 磁。
图14示出本实施方式中采用的永久磁铁3用的低矫顽磁力的 NdFeB磁铁的特性。相对于一般的NdFeB磁铁的矫顽磁力是950 kA/m，本实施方式中应用的NdFeB磁铁的矫顽磁力是400 kA/m。
在本实施方式中，为了使永久磁铁3的磁通不可逆地可变，可以 包括基于温度的不可逆减磁来控制。另外，如果Dy元素或Tb元素 变少，则矫顽磁力减少，可以通过少的d轴电流来使NdFeB磁铁磁 化。
另外，本实施方式的NdFeB磁铁的矫顽磁力变小，但残留磁通 密度变高。图14的磁特性所示那样的低矫顽磁力的NdFeB磁铁在 20。C矫顽磁力为大约400kA/m、残留磁通密度为1.45T。通过本实施 方式的低矫顽磁力的NdFeB磁铁，可以得到矫顽磁力与磁化方向厚 度之积小的永久磁铁，并且可以提高气隙磁通密度。
由此，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机，可以在永久磁铁 3中应用低矫顽磁力且高残留磁通密度的NdFeB磁铁，由NdFeB磁 铁产生的气隙磁通密度变高，得到高输出。另外，由于采用了几乎未 添加蕴藏量少的Dy元素、Tb元素的NdFeB磁4失，所以将来也可以 稳定地制造。
(第五实施方式)
使用图15，对本发明的第五实施方式的永久磁铁式旋转电机进 行说明。在本实施方式中，定子20的结构与图l所示的第一实施方 式的部分、图20所示的以往例的部分相同。
如图15所示，在本实施方式中，在转子1中，在其外周侧以成 为凸的方式将逆U字形状的NdFeB永久> 兹铁4埋入转子铁心2内， 逆U字的中心轴位于与d轴一致的位置。在q轴上在径向上在转子铁 心2内配置有铝镍钴永久磁铁3。通过将d轴作为中心轴并逆U字形 状地将NdFeB永久磁铁4配置在转子铁心2内，q轴方向的磁阻变大。即，由于逆U字形状的NdFeB永久f兹4失4妨碍由电枢电流产生的q 轴磁通，所以可以减小q轴电感。进而，如果使q轴电感小于d轴电 感，则在流过正的d轴电流时，可以发生正的磁阻扭矩。
由此，根据本实施方式，通过在大扭矩时提供正的d轴电流，可 以抑制矫顽磁力与厚度之积小的铝镍钴永久磁铁3的由于负载电流产 生的减磁，在通过永久磁铁的交链磁通与电流产生的磁铁扭矩中重 叠磁阻扭矩，所以可以发生高扭矩。
另外，根据本实施方式，通过在被两个铝镍钴永久磁铁3夹住的 区域中配置NdFeB永久磁铁4，可以减小磁极的面积。进而，通过使 NdFeB永久磁铁4成为逆U字状而妨碍q轴磁通的磁路那样地配置 该逆U字形状的NdFeB永久磁铁4，可以降低q轴电感，由此功率 因数也提高。
(第六实施方式)
使用图16，对本发明的第六实施方式进行说明。在本实施方式 中，定子20的结构与图l所示的第一实施方式的部分、图20所示的 以往例的部分相同。
如图16所示，本实施方式中的转子1在与成为磁极间的中心轴 的q轴一致的转子1的半径方向上在转子铁心2内配置有铝镍钴永久 磁铁3。而且，使铝镍钴永久磁铁3的除了端部的铁心的q轴附近的 气隙23侧的转子铁心比转子铁心2的最外周凹陷而成为凹陷形状。
接下来，叙述本实施方式的永久磁铁式旋转电机的作用。d轴方 向的电流的磁通(d轴磁通)横断铝镍钴永久磁铁3与NdFeB永久磁 铁4,永久磁铁的导磁率由于与空气的导磁率大致相等，所以d轴电 感变小。另一方面，使q轴方向的磁通沿着铝镍钴永久磁铁3与NdFeB 永久磁铁4的长度方向流过转子铁心2的磁极铁心部7。转子铁心2 的磁极铁心部7的导磁率由于是永久磁铁的大约1000 ~ 10000倍，所 以如果在q轴方向的转子铁心2中不形成凹陷形状10而使转子铁心2 的外径在圆周方向上成为均匀，则q轴电感变大。于是，为了通过电 流与磁通的磁作用而发生扭矩，流过q轴电流，但由于q轴电感大，
30所以由q轴电流产生的电压变大。即，由于q轴电感变大，而功率因 数恶化。另外，在流过正的d轴电流时，发生负的磁阻扭矩，由永久 磁铁的交链磁通和电流产生的磁铁扭矩与磁阻扭矩之和即总扭矩降 低。
与其相对在本实施方式中，铝镍钴永久磁铁3的某q轴附近的气 隙侧转子铁心由于设为比转子铁心2的最外周凹陷的凹陷形状10，所 以通过凹陷形状10的4失心部分的磁通减少。即，凹陷形状10的4失心 部分由于位于q轴方向，所以可以减小q轴电感，由此，可以提高功 率因数。另外，通过i殳置凹陷形状10, q轴电感减少，所以可以减少 在流过正的d轴电流时产生的负的磁阻扭矩。如果将凹陷形状10进 一步扩大而使q轴电感小于d轴电感，则在流过正的d轴电流时，发 生正的磁阻扭矩，可以增加磁铁扭矩与磁阻扭矩之和即总扭矩。进而， 由于通过凹陷形状10的铁心部分在铝镍钴永久磁铁3的端部附近气 隙长度等价地变长，所以铝镍钴永久磁铁3的端部附近的平均磁场变 低，由此，可以减小为了发生扭矩而所需的q轴电流对铝镍钴永久磁 铁3造成的减磁场的影响。
另外，在本实施方式中，在直到铝镍钴永久磁铁3的端部与转子 1的磁极铁心部7的中央为止之间，作为d轴中心的转子1的磁极铁 心部7的中央部成为转子1的最外周部分，可以设为随着从磁极铁心 部7的中央部到铝镍钴永久磁铁3的端部的外周侧铁心部分，从转子 1的轴中心到转子铁心外周为止的距离逐渐变短的形状(使铝镍钴永 久磁铁3的端部的外周侧铁心部的外径小于d轴中心的铁心外径)。 如果将转子l设为这样的形状，则可以与上述同样地减小q轴电感而 功率因数提高，还可以增加流过正的d轴电流时的总扭矩，进而由于 可以在转子1的全周平滑地增大外周的凹陷，所以可以降低磁通的高 次谐波分量，还可以降低扭矩脉动(torque ripple )、齿槽扭矩(cogging torque)。
另外，在本实施方式中，即使构成为代替设置凹陷形状10，而 在q轴附近的转子外周部分设置空洞，也可以减小q轴电感，而得到同样的作用、效果。
另外，在上述各实施方式中示出了四极的旋转电机，但在8极等 多极的永久磁铁式旋转电机中也可以应用本发明的技术思想。而且， 在该情况下，当然永久磁铁的配置位置、形状根据极数而稍微变化， 但也同样地得到作用、效果。
另外，在形成磁极的永久磁铁中，进行了根据矫顽磁力与磁化方 向的厚度之积来区分永久磁铁的定义。因此，磁极由相同种类的永久 磁铁形成，即使磁化方向厚度不同，也得到同样的作用、效果。 (第七实施方式)
使用图17~图19，对作为本发明的第七实施方式的永久磁铁电 动机驱动系统200进行说明。本实施方式的永久磁铁电动机驱动系统 代替上述第一实施方式的驱动系统，而应用于第一实施方式的永久磁 铁式旋转电机至第六实施方式的永久磁铁式旋转电机的驱动控制中。 另外，在图17中，对与图7所示的第一实施方式的驱动系统公共的 要素附加同一标号而示出。
本实施方式的可变磁通永久磁4失电动机驱动系统200的特征在 于，相对图1所示的第一实施方式，追加具备使用电压指令运算部110 输出的电压指令Vd、 Vq*、坐标变换部107输出的dq轴电流Id、 Iq、转子旋转角频率col来推测磁通①h，并输出给可变磁通控制部 113的磁通推测部109，并且可变磁通控制部113具备图18的结构。
磁通推测部109根据dq轴电压指令Vd*、 Vq*、 dq轴电流Id、
Iq、转子旋转角频率col (逆变器频率)，通过下式推测d轴磁通量。 0>h = (Vq牟一RlxIq — olxLdxId — Lqx dlq/dt)/ 1 式(10 )
磁通推测值①h与来自磁通指令运算部112的磁通指令0>*—起 被输入给可变磁通控制部113。
图18示出本实施方式中的可变磁通控制部113的详细结构。由 减法器119运算出磁通指令《 *与磁通推测值①h的偏差，该偏差被 输入给PI控制器120。另外，磁通指令€>*被输入给磁化电流基准运 算部121。磁化电流基准运算部121利用表或者应用函数式来估计磁
32化电流指令Im*，以磁化成与磁通指令€ *对应的磁通。其特性是根 据上述BH特性来估计的。在加法器122中，对磁化电流基准运算部 121的输出与PI控制部120的输出进行加法运算。
该加法器122成为磁化电流指令1加*。为了磁化，将该磁化电流 指令ImA作为d轴电流指令IW而提供。因此，在本实施方式的结构 上，由减法器126从磁化电流指令Iir^中减去d轴电流基准IdR，而 计算出d轴f兹化电流指令差分值AIdm*，以使1(1*与1111*一致。由此， 通过图17中的加法器114与d轴电流基准IdR进行加法运算，所以 d轴电流指令Idw与磁化电流1111*一致。
在可变磁通控制部113的切换器123中，根据后述的磁化完成标 志，选择两个输入，作为磁化电流指令Idn^选择并输出。在磁化完 成标志==0(磁化完成)的情况下，设为d轴磁化电流指令差分Aldm* =0。另外，在磁化完成标志-1 (磁化中)的情况下，将加法器122 的输出作为Aldn^而输出。
减法器119的输出即磁通指令0*与磁通推测值①h的偏差被输 入给》兹化完成判定部124。在该磁化完成判定部124中，例如在磁通 偏差的绝对值小于规定值a的情况下输出1，在大于规定值a的情况 下输出0。触发器(RS-FF) 125在向置位S的输入中输入磁化请求 标志FCreq，在复位R侧输入磁化完成判定部124的输出。该RS -FF125的输出是磁化完成标志，被输入给PI控制部120与切换器123。 如果该磁化完成标志是O,则磁化完成，如果是l，则表示是磁化中。
另外，磁通推测部109的输出即磁通推测值①h也被输入给电流 基准运算部111。在电流基准运算部111中，代替第一实施方式中的 运算式中的磁通指令①S而利用磁通推测值①h通过下式求出dq轴 电流基准IdR、 IqR。
通过以上结构，在本实施方式中，起到以下作用效果。在存在磁 化请求的情况下，磁化请求标志-1至少瞬间被置位。通过RS-FF
式(12)125被置位，成为磁化完成标志-1、即磁化中。切换器123将来自 PI控制器120以及磁化电流基准运算部121的输出作为磁化电流指令 1111*而输出。该磁化电流基准运算部121前馈地提供基于事先掌握的 BH特性的磁化电流，以磁化成磁通指令0*。由此，可以瞬间磁化到 指令值的附近，可以降低磁化中所需的时间，所以可以抑制不需要的 扭矩和损失的发生。另外，还可以使用预先实验性地求出的BH特性。 但是，如上所述，难以使磁通严密地与规定值一致。因此，在本 实施方式中，如图19所示，校正磁化电流Im*，以通过可变f兹通控 制部113中的PI控制器120的作用使磁通的偏差接近O。由此，最终 磁通指令0^与磁通推测值Oh(即，如果没有推测误差，则实际磁通) 一致。因此，磁化处理中的磁通量的反复的精度提高，可以提高扭矩 精度。
另外，在本实施方式中，如图19所示，在可变磁通控制部113 中的磁化完成判定部124中，在由于磁通偏差的绝对值成为规定值a 以内而事实上磁通一致并完成磁化时输出1， RS-FF125接收该复位 请求，使作为输出的磁化完成标志成为0。因此，可以根据磁通推测 值可靠地与作为其指令的磁通指令巾*一致来完成磁化处理。由此， 根据本实施方式，磁化处理中的磁通量的反复精度提高，可以期待扭 矩精度的提高。
另外，根据本实施方式，由于在dq轴电流基准IdR、 IqR的生 成中使用根据电压电流推测的磁通推测值①h，所以假设即使由于磁 化处理而在磁通量中产生偏差，也可以根据实际情况来校正dq轴电 流指令。于是，根据该指令流过dq轴电流，所以可以降低可变磁通 量的偏差带给扭矩的影响，扭矩精度提高。
另外，在本实施方式中，根据磁通推测值而构成，但在磁通推测 器中，包含Ld、 Lq等电机电感。虽然这些值根据磁饱和而变动，但 特别在可变磁通电机中磁饱和根据可变磁通量而大幅变动。因此，具 备将可变磁通的推测值作为输入，而输出电机电感的函数或表的作法 对磁通推测精度、甚至扭矩精度的提高是有益的。另外，即使如上所述进行了表化，但有时也难以高精度地掌握电 感的特性。在该情况下，代替推测磁通，而具备由霍尔元件等构成的
磁通检测器，并代替上述磁通推测值①h而使用所检测的实际磁通 ①r，从而进一步提高磁通推测精度、甚至扭矩精度。
权利要求
1.一种永久磁铁电动机驱动系统，其特征在于，具备使用了永久磁铁的永久磁铁电动机；驱动上述永久磁铁电动机的逆变器；以及流过用于控制上述永久磁铁的磁通的磁化电流的磁化单元，永久磁铁电动机使用形状或磁特性不同的两种以上的永久磁铁来形成一个磁极，由多个上述磁极构成转子，上述磁化单元通过使上述永久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流短时间流过而发生的磁场，在各磁极中使至少一种永久磁铁磁化而使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，进而通过使电枢绕组电流的电流相位变化而流过磁化电流。
2. 根据权利要求1所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特征在 于，上述磁化单元通过使上述永久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流 短时间流过而发生的磁场，在各磁极中使至少 一种永久磁铁磁化而使 永久磁铁的磁通量不可逆地变化，在发生扭矩时使正的d轴电流流过 电才区绕组。
3. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元通过使上述电枢绕组的d轴电流短时间流过而 发生的磁场，在各磁极中使至少 一种永久磁铁磁化而使永久磁铁的极 性反转。
4. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元通过使上述电枢绕组的d轴电流短时间流过而 发生的》兹场，在各磁极中使至少 一种永久磁铁磁化而使永久磁铁的磁 通量不可逆地变化，使由所有永久磁铁产生的电枢绕组的交链磁通量 成为大致零。
5. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元通过使上述电枢绕组的d轴电流短时间流过而 发生的磁通，使上述永久磁铁的一部分磁化、或使永久磁铁的极性反转，来控制永久磁铁的交链磁通量的增减。
6. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元通过使上述电枢绕组的d轴电流短时间流过而 发生的磁场，使矫顽磁力与磁化方向厚度之积比其他永久磁铁小的永 久磁铁的磁通量不可逆地变化，或者使上述永久磁铁的极性反转。
7. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元通过使电枢绕组的d轴电流短时间流过而发生 的磁场，使永久磁铁磁化而使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，或者 通过上述磁场使永久磁铁的极性反转，进而通过q轴电流控制扭矩。
8. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元在上述永久磁铁电动机在最大扭矩附近或额定 扭矩附近运转的情况下，使矫顽磁力与磁化方向厚度之积比其他小的 永久磁铁磁化，以使上述磁极的永久磁铁的交链磁通加强，在扭矩小 的轻负载时、或者中速旋转域与高速旋转域中运转的情况下，上述矫 顽磁力与磁化方向厚度之积比其他小的永久磁铁通过由电流产生的 磁场磁化而使交链磁通不可逆地减少、或通过上述磁场使上述永久磁 铁的极性反转。
9. 根据权利要求1或2所述的永久磁铁电动机驱动系统，其特 征在于，上述磁化单元通过使电枢绕组的d轴电流短时间流过而发生 的磁场，在各磁极中使至少 一种永久磁铁磁化而使永久磁铁的磁通量 不可逆地变化，进而在扭矩小的轻负载时、或者中速旋转域与高速旋 转域中，除了上述的永久磁铁的磁通的不可逆变化动作以外，还使负 的d轴电流流过电才区绕《且。
10. —种永久磁铁式旋转电机，使用形状或磁特性不同的两种以 上的永久磁铁来形成一个磁极，由多个上述磁极构成转子，在该转子 的外周隔着气隙配置有电枢，其特征在于，构成上述磁极的永久磁铁包括矫顽磁力与磁化方向厚度之积与 其他永久磁铁不同的永久磁铁。
11. 根据权利要求IO所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，永久磁铁的磁通变化或永久磁铁的极性反转的永久磁铁配置在来自 其他永久磁铁的偏磁性磁场所作用的位置。
12. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，在各磁极中对于矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁，磁化方向厚度之积大的永久磁铁的无负载时的动作点处的磁场的强 度与磁化方向厚度之积、或者成为其以上。
13. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，两种永久磁铁的磁化方向不同。
14. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，在构成各磁极的永久磁铁中，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小 的永久磁铁被配置在上述永久磁铁的磁化方向与q轴所成的角度大于 其他矫顽磁力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁的磁化方向与q轴所 成的角度的位置。
15. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，在构成各磁极的永久磁铁中，矫顽磁力与磁化方向厚度之积大 的永久磁铁被配置在永久磁铁的磁化方向大致成为d轴方向、或大致 成为半径方向的位置。
16. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，在构成磁极的永久磁铁中，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的 永久磁4失,皮配置在磁化方向成为与q轴大致垂直的方向、或大致成为 圆周方向的位置。
17. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，在磁极的与气隙对向的面中设置有铁心部，且设为以由矫顽磁 力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁、和矫顽磁力与磁化方向厚度之 积小的永久磁铁包围上述磁极的铁心部的方式配置的转子剖面形状。
18. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，在矫顽磁力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁中，在磁回路中 串联地配置的磁路的一部分设为通过永久磁4失的磁通大致达到磁饱和那样的剖面积。
19. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，作为矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁，采用在20。C 具有600kA/m以下的矫顽/f兹力的永久磁铁。
20. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁采用铝镍钴磁铁或 FrCrCo磁铁，矫顽磁力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁釆用稀土 类永久磁铁。
21. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁采用几乎不含有 Dy元素、Tb元素的稀土类永久磁铁。
22. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，转子铁心设为使成为转子的磁极中心轴的d轴方向的磁阻减小 而使成为磁极间的中心轴的q轴方向的磁阻增大的形状。
23. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，上述矫顽磁力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁配置成妨碍由 电枢绕組产生的q轴磁通。
24. 根据权利要求10或11所述的永久磁铁式旋转电机，其特征 在于，设为q轴附近的气隙侧转子外径比d轴附近的气隙侧转子外径 短的形状。
全文摘要
本发明提供一种永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱动系统。可以实现高速出、从低速至高速的宽范围内的可变速运转，在宽的运转范围中提高效率、提高可靠性，其中，将形状或磁特性不同的两种永久磁铁(3、4)埋入转子铁心(2)而形成一个磁极(7)，配置在磁极中的永久磁铁由矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁(3)和矫顽磁力与磁化方向厚度之积大的永久磁铁(4)构成，进而通过由短时间的电枢绕组(21)的电流生成的磁场，使上述矫顽磁力与磁化方向厚度之积小的永久磁铁不可逆地磁化，从而使全部交链磁通量变化，进而在大扭矩时流过正的d轴电流。
文档编号H02P27/04GK101636902SQ20078005231
公开日2010年1月27日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年3月26日
发明者堺和人, 结城和明 申请人:株式会社东芝