旋转电机和旋转电机的电流输入控制方法

旋转电机和旋转电机的电流输入控制方法
【专利摘要】一种旋转电机(100)，具备：定子(11)，其具有由于来自外部的旋转控制用的驱动电流的流通而产生磁通的电枢线圈(14)；以及转子(21)，其具有感应线圈(27)和励磁线圈(28)，在感应线圈(27)中，磁通从定子侧交链而产生感应电流，在励磁线圈(28)中，由于该感应电流(励磁电流)的流通而产生磁通，在上述旋转电机(100)中，在转子中的卷绕有励磁线圈的多个转子齿(22)的每一个转子齿(22)上，在靠近定子的一侧埋设有低矫顽力磁铁(51)，脉冲电流与电枢线圈中流通的驱动电流重叠而对低矫顽力磁铁进行充磁。
【专利说明】
旋转电机和旋转电机的电流输入控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及在转子侧配置有低矫顽力磁铁的旋转电机及其电流输入控制方法。
【背景技术】
[0002]旋转电机作为驱动源安装于各种驱动装置，例如已知为了搭载于电动汽车、混合动力车等而在转子侧埋入永久磁铁而利用磁铁转矩得到大输出(大转矩)的IPM电机(Inter1r Permanent Magnet Motor;内置永磁体电机)。
[0003 ]出于小型化、高输出化(高能量密度化)的要求，该IPM电机一般采用剩余磁通密度高、能够确保耐热性的钕磁铁。但是，钕磁铁由于添加了 Dy(镝)、Tb(铽)那样的昂贵的稀土类因而导致成本高，另外，将来也有可能不能稳定地确保供应。
[0004]因而，在近年的旋转电机中，提出了将低矫顽力磁铁埋入转子侧使其磁化至期望的磁力(所谓的充磁)，以此来取代昂贵的钕磁铁那样的永久磁铁(专利文献I)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:特开2008-43172号公报

【发明内容】

[0008]发明要解决的问题
[0009]然而，在该专利文献I所述那样的旋转电机的情况下，例如在车载的情况下，需要将利用逆变器将电池的直流电流转换为交流电流而得到的磁化电流输入到电枢线圈来使低矫顽力磁铁作为可变磁铁而充磁为规定磁力。因而，在搭载了这种旋转电机的情况下，需要从逆变器输出使低矫顽力磁铁磁化至饱和磁力以上所需的磁化电流。
[0010]因此，例如要想搭载这种旋转电机，需要使包含逆变器等的回路的耐电压、电流容量变得充分高，会有使各种电子设备变得大型化并且成本变高的缺点。
[0011]因此，本发明的目的在于，提供能够通过输入电流值较小的磁化电流来使设置于转子侧的低矫顽力磁铁充磁的旋转电机及其电流输入控制方法。
[0012]用于解决问题的方案
[0013]解决上述问题的旋转电机的发明的一个方式是一种旋转电机，具备:定子，其具有在驱动电流流过时产生磁通的电枢线圈；以及转子，其具有多个凸极，在上述凸极上卷绕有在励磁电流流过时产生磁通的励磁线圈，在上述旋转电机中，在上述转子中，在上述凸极的靠近上述定子的一侧配置有低矫顽力磁铁，将脉冲电流与上述电枢线圈中流通的上述驱动电流重叠而对上述低矫顽力磁铁进行充磁。
[0014]解决上述问题的旋转电机的电流输入控制方法的发明的一个方式是对上述旋转电机中的电枢线圈的电流输入控制方法，上述旋转电机具备:定子，其具有在驱动电流流过时产生磁通的电枢线圈；以及转子，其具有多个凸极，在上述凸极上卷绕有在励磁电流的流过时产生磁通的励磁线圈，在上述旋转电机的转子中，在上述凸极的靠近上述定子的一侧配置有低矫顽力磁铁，在将上述驱动电流提供给上述电枢线圈时，将脉冲电流与上述驱动电流重叠而使上述低矫顽力磁铁充磁。
[0015]发明效果
[0016]这样，根据本发明的一个方式，能够提供仅将电流值较小的脉冲电流作为磁化电流输入到电枢线圈就能够使设置于转子侧的低矫顽力磁铁充磁的旋转电机及其电流输入控制方法。
【附图说明】
[0017]图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的图，是表示其概略整体构成的径向截面图。
[0018]图2是将定子和转子的主要部分放大后的径向截面图。
[0019]图3是对电枢线圈供应驱动电流的简易回路构成图。
[0020]图4是表示将电枢线圈集中卷绕或分布卷绕，在经由间隙而交链的情况下随着旋转角而变化的磁通密度的坐标图。
[0021]图5是表示与图4所示的磁通重叠的高次空间谐波磁通的各次的磁通密度的坐标图。
[0022]图6是比较由电枢线圈的各相、感应线圈以及励磁线圈产生的磁通的坐标图。
[0023 ]图7是经由二极管连接感应线圈和励磁线圈的简易回路构成图。
[0024]图8是表示在仅以电枢线圈使低矫顽力磁铁充磁的情况下所需的脉冲电流的概念图。
[0025]图9是表示以具备电枢线圈和励磁线圈的结构使低矫顽力磁铁充磁的情况下所需的脉冲电流的概念图。
[0026]图10是表示对电枢线圈输入脉冲电流时产生的电流波形的波形图。
[0027]图11是说明低矫顽力磁铁的充磁时的控制处理的流程图。
[0028]图12是比较在各种结构中得到的转矩的坐标图。
[0029]图13是说明低矫顽力磁铁的退磁时的控制处理的流程图。
[0030]附图标记说明
[0031]11 定子
[0032]12定子齿
[0033]13定子槽
[0034]14电枢线圈
[0035]21 转子
[0036]22转子齿(凸极)
[0037]23转子槽
[0038]25辅极芯材(辅极)
[0039]27感应线圈(辅极)
[0040]28、281、282 励磁线圈[0041 ]29A、29B 二极管(整流元件)
[0042]51低矫顽力磁铁
[0043]51a磁极面
[0044]100旋转电机
[0045]101轴(旋转轴)
[0046]HO控制器(脉冲控制部)
[0047]IlOm 存储器
[0048]111车载电池
[0049]112逆变器
[0050]BF基波磁通
[0051]G 气隙
[0052]IF感应脉冲磁通
[0053]PF脉冲磁通
[0054]pf脉冲磁通(自感磁通)
[0055]RF反作用磁通(互感磁通)
[0056]WF充磁磁通
【具体实施方式】
[0057]下面，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。图1?图13是说明本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机及其电流输入控制方法的图。
[0058](旋转电机的构成)
[0059]在图1和图2中，旋转电机100具有无需从外部对转子21输入能量的结构，例如具有适于安装于混合动力汽车、电动汽车的性能。
[0060]旋转电机100具备:定子11，其形成为大致圆筒形状；以及转子21，其固定于作为驱动轴旋转的轴(旋转轴)101，收纳于定子11内，转子21装配于轴101，与轴101轴心一致且一体地旋转。
[0061]在定子11中，在周向上均等地配置有多根定子齿12，定子齿12在径向上延伸并形成为凸极形状，使其内周面12a侧隔着气隙G与后述的转子21的转子齿22的外周面22a靠近并相对。在定子齿12中，利用在相邻的侧面22b间形成的空间的定子槽13，将3相绕组的每一相分别单独地进行集中卷绕，从而形成电枢线圈14。
[0062]利用由控制器110所控制的逆变器112将图3所示的车载电池111内的直流电流转换为三相的交流电流，作为旋转控制用的驱动电流输入(供应)给电枢线圈14，从而，定子齿12作为产生使相对地收纳在内部(旋转轴侧)的转子21旋转的磁通的电磁铁发挥作用。在此，控制器110将统一控制车辆整体的控制程序存储在存储器IlOm内，依照各种参数执行控制程序，从而驱动旋转电机100旋转。
[0063]在转子21中，在周向上均等地配置有多根转子齿(凸极)22，转子齿22与定子齿12同样地在径向上延伸并形成为凸极形状。转子齿22形成为与定子齿12在全周方向上的根数不同，相对旋转时外周面22a与定子齿12的内周面12a适当地靠近并相对。
[0064]从而，旋转电机100能够通过对定子11的电枢线圈14通电而产生磁通，使该磁通从定子齿12的内周面12a向相对的转子齿22的外周面22a交链。在该旋转电机100中，利用使与定子齿12之间交链的磁通所通过的磁路最短的磁阻转矩(主旋转力)使转子21相对旋转。其结果是，旋转电机100能够从轴101将通电输入的电能作为机械能输出，轴101与在定子11内相对旋转的转子21 —体地旋转，它们的轴心一致。
[0065]这时，在旋转电机100中，在从定子齿12的内周面12a向转子齿22的外周面22a交链的磁通中重叠着高次空间谐波成分。因此，在转子21侧也能够利用从定子11侧交链的磁通的高次空间谐波成分的磁通密度的变化，在内置的线圈中产生感应电流，得到电磁力。
[0066]详细来说，若仅对定子11的电枢线圈14供应基本频率的驱动电力，则只是由于以该基本频率变动的主磁通而使转子21(转子齿22)旋转，因此，在转子21侧仅配置线圈，交链的磁通不会发生变化，不会产生感应电流。
[0067]而另一方面，磁通中重叠着高次空间谐波成分，该高次空间谐波成分以与基本频率不同的周期随时间变化，并且从外周面22a侧与转子齿22交链。因而，通过在转子齿22的外周面22a的附近设置线圈，基本频率的磁通中重叠的高次空间谐波成分能够无需来自外部电源的电力供应就高效地产生感应电流。其结果是，能够将导致铁损的高次空间谐波磁通作为用于自励磁的能量而回收。
[0068]因此，在本实施方式的旋转电机100中，在转子21侧，将在辅极芯材25上集中卷绕而成的感应线圈27整体收纳在转子齿22间的转子槽23内且并列配置于旋转方向，并且，集中卷绕而成且串联连接的励磁线圈28(281、282)在整个转子齿22中配置为I段。
[0069]辅极芯材25是使脚部(支撑部)35支撑于在转子齿22中相对的两侧面22b，以该脚部35连结支撑卷绕有感应线圈27的主体部31，并将主体部31定位保持在转子齿22的侧面22b间的转子槽23内。
[0070]辅极芯材25的主体部31与轴101平行地延伸，并且通过层叠电磁钢板而形成，电磁钢板成为能与转子21的转子齿22的两侧面22b相对地卷绕感应线圈27的板状。该辅极芯材25的主体部31以如下方式组装于转子21:在转子齿22间的转子槽23内，从轴心向转子21的径向外方延伸地卷绕有感应线圈27，使主体部31的径向外端部32的外端面32a与定子11的定子齿12的内周面12a相对。此外，该辅极芯材25的主体部31形成为外端部32的转子21的外周面侧比轴心侧厚，抑制卷绕的感应线圈27因旋转时的离心力而移位。在此，转子21的径向外方是指，在通过轴心的直线上从轴心朝向外周面的外侧的方向。
[0071]辅极芯材25的脚部35与轴101平行地延伸，通过层叠电磁钢板而形成。该辅极芯材25的脚部35形成为从主体部31的转子21的径向内端部31i朝向转子齿22的两侧面22b延伸的板状，以进行支撑。另外，该脚部35通过将前端部36嵌入到形成在转子齿22的两侧面22b的支撑槽39内来进行组装(连结)，支撑主体部31。从而，辅极芯材25通过将脚部35的前端部36从旋转轴向的端面侧嵌入到转子齿22的支撑槽39内并使其滑动来进行组装。在此，转子21的径向内方是指，在通过轴心的直线上从外周面朝向轴心侧的方向。
[0072]该辅极芯材25的脚部35通过层叠电磁钢板而形成，上述电磁钢板要确保足够支撑主体部31的强度，以尽可能窄的宽度形成，例如形成为以层叠的电磁钢板的2片的厚度以下的宽度在旋转轴向上延伸的形状。即，该脚部35形成为如下状态:为了尽可能限制通过主体部31和转子齿22之间的磁通量而设为截面积较小的板状，以使辅极芯材25作为与转子齿22独立的磁极(辅极)发挥作用的磁独立的形态进行支撑。
[0073]从而，在转子21中，通过辅极芯材25的脚部35的磁通量受到限制，想要通过的磁通线随即变密，因此，很容易磁饱和。通过这种结构，能够抑制辅极芯材25和转子齿22的磁耦合，能够使辅极芯材25以与转子齿22充分地磁独立的状态进行支撑。因此，能够避免与转子齿22和辅极芯材25分别交链的磁通相互干扰而降低感应电流、电磁力的产生效率，能够使转子21以大转矩高效率旋转。
[0074]另外，根据该结构，在转子21中，在使辅极芯材25支撑于转子齿22之前，能够将励磁线圈28的一部分或全部卷绕于该转子齿22的轴心侧内方或整个转子齿22，之后，能够使辅极芯材25的脚部35嵌入转子齿22的支撑槽39来进行支撑。
[0075]这时，只要在使辅极芯材25的脚部35支撑于转子齿22之前或支撑于转子齿22之后将感应线圈27卷绕于主体部31即可。另外，励磁线圈28以分为第I励磁线圈281和第2励磁线圈282的状态卷绕于转子齿22，第I励磁线圈281比辅极芯材25的脚部35靠径向内方，第2励磁线圈282比辅极芯材25的脚部35靠径向外方，该第1、第2励磁线圈281、282串联连接，构成励磁线圈28。
[0076]像这样由辅极芯材25的脚部35进行支撑，从而，在转子21中，能够使感应线圈27卷绕于辅极芯材25的主体部31，位于转子21的外周面侧。另外，由于是使辅极芯材25的脚部35嵌入转子齿22的支撑槽39内进行支撑的，因此，能够将励磁线圈28(第I励磁线圈281、第2励磁线圈282)卷绕于整个转子齿22而不被该辅极芯材25的脚部35妨碍。根据本发明所涉及的实施方式，通过这种构成，能够有效利用转子槽23内的空间，高效地在感应线圈27中产生感应电流，能够将该感应电流供应给励磁线圈28，有效地产生电磁力。
[0077]此外，在将励磁线圈28(第I励磁线圈281、第2励磁线圈282)以一道工序卷绕于整个转子齿22(径向内方和径向外方的两侧)时，只要以留出辅极芯材25的脚部35在转子槽23内滑动的空间的状态卷绕即可。另外，在使辅极芯材25支撑于转子齿22前后分别卷绕第I励磁线圈281、第2励磁线圈282时，只要在将第I励磁线圈281卷绕于该转子齿22的轴心侧内方(径向内方)之后、将感应线圈27卷绕于辅极芯材25的主体部31之前，或在该主体部31上卷绕有感应线圈27的状态下，将第2励磁线圈282卷绕于该转子齿22的外周侧外方(径向外方)即可。
[0078]并且，感应线圈27采用包括电磁钢(磁性体)的辅极芯材25，从而能够提高导磁率，使磁通高密度地交链。另外，感应线圈27位于在与定子齿12的内周面12a之间隔着极小的气隙G相对的磁路上，从而使更多的高次空间谐波磁通交链。通过进行磁场分析，严密地确认高次空间谐波磁路，以有效利用从定子齿12的内周面12a向转子齿22的外周面22a侧交链的磁通的3次空间谐波成分，从而，将该感应线圈27设置为能够高效地产生感应电流。此外，感应线圈27被配置为位于转子齿22之间，且在与励磁线圈28之间确保必要且足够的空隙。
[0079]这样，通过采用集中卷绕结构，感应线圈27、励磁线圈28无需跨多个槽在周向上形成绕组，能够在整体上小型化。另外，在感应线圈27中，能够降低I次侧的铜损损失，并且高效地产生由于低次的旋转坐标系中的3次空间谐波磁通的交链而产生的感应电流，增加可回收的损失能量。
[0080]另外，在感应线圈27中，与利用旋转坐标系中的2次空间谐波磁通相比，利用随时间发生的变化、振幅较大的旋转坐标系中的3次空间谐波磁通，从而能够有效地交链，产生感应电流，能够高效地进行回收。
[0081 ]这样，感应线圈27和励磁线圈28的磁通路径被分开而互不干扰，在与转子齿22的全长等同的长度(宽度)范围内形成绕组，从而有效利用其整体来产生磁通，因此，能够减少磁干扰并且高效地产生感应电流。从而，能够使转子齿22有效地作为电磁铁发挥作用，产生磁通。
[0082]并且，作为主要利用3f次空间谐波磁通(f=1、2、3...)的结构，旋转电机100被制作为转子21侧的凸极(转子齿22)的数量P:定子11侧的定子槽13的数量S为2:3的结构。例如，旋转坐标系中的3次空间谐波磁通的频率比输入到电枢线圈14的基本频率高，因而以短周期脉动。因此，在转子21中，与转子齿22间的感应线圈27交链的磁通强度发生变化，从而，能够高效率地产生感应电流，能够高效地回收基本频率的磁通中重叠的高次空间谐波成分的损失能量而进行旋转。
[0083]另外，像这样，作为决定转子21侧和定子11侧之间的相对磁作用的品质的结构，旋转电机100采用P/S = 2/3作为转子齿凸极数P和定子槽数S的比，是为了减小电磁振动，实现电磁噪声较小的旋转。
[0084]详细来说，在与上述同样地进行磁通密度分布的磁场分析时，可以看出，根据转子齿凸极数P与定子槽数S的比，在机械角度360度内的周向上磁通密度分布是分散的，因此，作用于定子11的电磁力分布也出现偏聚。
[0085]对此，在旋转电机100中，通过采用转子齿凸极数P/定子槽数S= 2/3的结构，能够使在机械角度360度的全周范围内成为均等的密度分布的磁通交链，能够使转子21在定子11内尚品质地旋转。
[0086]从而，旋转电机100能够利用高次空间谐波磁通进行旋转动作，因此，能够高效地回收损失能量，并且大幅地降低电磁振动，静音性良好地旋转。
[0087]在此，在旋转电机100中，是在采用转子齿凸极数P/定子槽数S= 2/3的结构的定子
11、转子21中分别配置将绕组线圈集中卷绕而成的电枢线圈14、感应线圈27以及励磁线圈28，但也能够设为分布卷绕来取代集中卷绕。然而，若在将电枢线圈14、感应线圈27以及励磁线圈28集中卷绕或分布卷绕的情况下对在定子齿12的内周面12a和转子齿22的外周面22a之间交链的磁通密度进行比较，则成为图4所示那样的磁通密度波形。
[0088]对该磁通密度波形进行电磁场分析可知，如图5所示，与分布卷绕的情况相比，集中卷绕的情况下所包含的在静止坐标系中为2次(在旋转坐标系中为3次)的空间谐波磁通更多。其结果是，在旋转电机100中，通过采用集中卷绕，能够使比分布卷绕的情况下更多的高次空间谐波磁通与感应线圈27交链，将感应电流(励磁电流)供应给励磁线圈28。
[0089]因而，如图6中示出磁通波形那样，当旋转电机100开始对定子11的电枢线圈14进行三相(U相、V相、胃相)的交流驱动电流的通电(供应)时，磁通以与输入到三相的电枢线圈14的每一相的交流驱动电流相应的波形发生变化，而在转子21的感应线圈27中产生与该电枢线圈14中的磁通的变化相应的高频磁通，从而产生感应电流。利用后述的二极管29A、29B(参照图7)对该感应电流进行整流并将其输入励磁线圈28，从而能够产生稳定的磁通，得到电磁力(磁铁转矩)。
[0090]这样，在旋转电机100中，能够使配置于转子21侧的q轴的感应线圈27高效地产生感应电流，将其作为励磁电流供应给配置于d轴的励磁线圈28，使转子齿22作为自励磁电磁铁发挥作用。从而，在旋转电机100中，能够得到辅助因向电枢线圈14供应电力而产生的主旋转力的辅助旋转力(电磁力)，使转子21高效率旋转。即，在该旋转电机100中，q轴的高次空间谐波磁通也能够用作励磁能量源，与不在q轴配置辅极的结构相比，能够增大互感系数，提高因自励磁而产生的磁铁转矩的密度。
[0091]并且，感应线圈27绕转子21的径向以集中卷绕的方式形成相同方向的绕组，排列在转子21的周向上且每隔I个串联连接的2个系统并联连接。另外，励磁线圈28(281、282)绕转子21的径向以集中卷绕的方式形成相邻彼此为相反方向的绕组，串联连接的励磁线圈281、282的两端部进一步在转子21的周向的外周侧和轴心侧串联连接。
[0092]S卩，励磁线圈28被设置为:在周向上相邻的每个转子齿22中，利用直流电而发挥作用的电磁铁的磁化方向交替变化。总之，励磁线圈28使转子齿22作为电磁铁发挥作用时的N极和S极交替地与定子齿12的内周面12a相对。
[0093]如图7所示，该励磁线圈28全部串联连接而得的两端部分别与并联连接的2个系统的感应线圈27列的两端部连接。另外，励磁线圈28的两端部中的一端经由二极管(整流元件)29A、29B与2个系统的感应线圈27列的两端部中的一端连接。即，励磁线圈28的按绕组的卷绕方向划分的线圈28A1?28An(n:极数/2)和线圈28B1?28Bn全部串联连接，以与该励磁线圈28A1?28Αη、28Β1?28Bn相对应的方式串联连接的2个系统的感应线圈27A1?27An、27B1?27Bn的两端部并联连接。
[0094]在使感应线圈27、励磁线圈28多极化的情况下，也是通过使其中的励磁线圈28全部串联来抑制二极管29A、29B的使用数量。连接该二极管29A、29B，使它们有180度相位差，形成使一方的感应电流反相而进行半波整流输出的中性点钳位式的半波整流回路(整流元件)。
[0095]从而，在旋转电机100中，使感应线圈27和励磁线圈28的磁干扰变得极少(使感应电流的减小变少)，使从定子齿12的内周面12a向转子齿22的外周面22a侧交链的磁通的高次空间谐波成分通过导磁率高的电磁钢的辅极芯材25，从而能够高效地产生感应电流并进行回收。另外，能够使在2个系统的感应线圈27列中产生的感应电流在被二极管29A、29B整流后合流，供应给串联连接的励磁线圈28。从而，在旋转电机100中，能够使励磁线圈28有效地自励磁，产生较大的磁通(电磁力)。
[0096]其结果是，旋转电机100能够利用分为励磁用和电磁铁用而独立的感应线圈27和励磁线圈28来避免相互干扰而相互削弱，并且使产生的磁通有效且平滑，将其利用，能够高效地将其作为能量回收并输出。此外，在旋转电机100中，励磁线圈28与转子齿22—起构成凸极，感应线圈27与辅极芯材25—起构成辅极。
[0097]这样，旋转电机100能够使配置于转子21侧的感应线圈27高效地产生感应电流，将该感应电流作为励磁电流供应(通电)给励磁线圈28，使转子齿22作为自励磁电磁铁发挥作用。从而，能够得到辅助因向电枢线圈14供应电力而产生的主旋转力的辅助旋转力(电磁力)，使转子21高效率旋转。此外，旋转电机100是将由感应线圈27产生的感应电流作为励磁电流在内部供应给励磁线圈28，但不限于此，在具备从外部电源供应励磁电流的回路的结构的情况下也能够应用本发明。
[0098]另外，例如在车辆开始行驶时等转子21低速旋转的情况下，会有与感应线圈27交链的磁通量的变化变小的情况，这时产生的感应电流也变小，而在本实施方式中的旋转电机100中，还会得到除了由励磁线圈28产生的电磁力以外的磁力，在低速行驶时，也能够有效地辅助由定子11的电枢线圈14产生的旋转力。
[0099]具体来说，如图1和图2所示，在旋转电机100中，在转子21的转子齿22的前端侧埋设有形成为板状的低矫顽力磁铁51，低矫顽力磁铁51在靠近定子11的定子齿12的内周面12a的位置与定子齿12的内周面12a相对。
[0100]低矫顽力磁铁51与转子齿22的外周面22a形成为大致相同的宽度，形成为在轴101的轴向上延伸的长条的板形，埋设于靠近转子齿22的外周面22a的位置，并且使平面状的磁极面51a的一面侧大面积地与定子齿12的内周面12a相对。在此，并不一定需要使低矫顽力磁铁51的宽度与转子齿22的宽度相等，只要根据其矫顽力性能、使磁通通过的磁阻等来进行调整即可。
[0101]该低矫顽力磁铁51埋设于转子齿22内，以磁极面51a侧为N极或S极，磁化方向与因励磁线圈28而形成的电磁铁一致，通过施加与该磁化方向平行的磁场，能够使其磁化至规定磁力(以下也称为充磁)。另外，也能够使低矫顽力磁铁51减小至规定磁力(以下也称为退磁)。此外，该低矫顽力磁铁51例如由廉价的铝镍钴磁铁或钴磁铁制成，只要根据耐热性等特性来进行选择即可，例如在设置于像车辆那样高温的环境的情况下，优选钴磁铁。
[0102]并且，该旋转电机100在将旋转控制用的驱动电流输入到定子11的电枢线圈14而产生的基波磁通BF(参照图8、图9)的基础上，使脉冲电流(磁化电流)与驱动电流重叠并将其输入该电枢线圈14，使朝向转子21侧的脉冲状的充磁磁通WF(参照图9)施加到(通过)低矫顽力磁铁51，使低矫顽力磁铁51充磁。
[0103]这时，如图8所示，需要使让低矫顽力磁铁51具备必要的磁力所需的磁场强度的脉冲状的脉冲磁通pf作为充磁磁通WF( 4pf)通过低矫顽力磁铁51。在只依靠仅由定子11的电枢线圈14产生的脉冲磁通pf使低矫顽力磁铁51充磁的情况下，需要将相当的电流值的脉冲电流与驱动电流重叠并输入到电枢线圈14。在这种情况下，包含逆变器112、未图示的连接电缆的电子设备为了对应对大容量电流的耐受性而大型化，成本变高。另外，若将大容量电流输入到电枢线圈14，有时候，使转子21旋转的转矩可能会产生脉动，也可能产生由于该转矩的脉动而引起的振动、噪声。
[0104]对此，在旋转电机100中，在埋设有低矫顽力磁铁51的转子齿22上配置有励磁线圈28。因此，如图9所示，当对定子11的电枢线圈14输入脉冲电流时，在转子21的励磁线圈28中产生朝向定子11侧的感应脉冲磁通(响应磁通HF，以妨碍由于该脉冲电流而在电枢线圈14中产生的脉冲磁通PF(<pf)通过。于是，由于在该励磁线圈28中产生的感应脉冲磁通IF而在该电枢线圈14中产生抵消电枢线圈14中的磁通变化的方向的反作用磁通(响应磁通)RF，因此，将该反作用磁通RF作为充磁磁通WF施加到(通过)低矫顽力磁铁51，直到充磁至磁饱和区域。
[0105]因此，在该旋转电机100中，作为使低矫顽力磁铁51充磁的充磁磁通WF，只要将比用于产生图8所示的脉冲磁通pf的脉冲电流的电流值小的脉冲电流输入到定子11的电枢线圈14，就能够产生图9所示的脉冲磁通PF。
[0106]S卩，在本实施方式的旋转电机100中，如图10所示，使比产生强力的脉冲磁通pf的脉冲电流PI的电流值小的脉冲电流PI与驱动电流重叠并将其输入到定子11的电枢线圈14，从而，能够因电枢线圈14的自感而产生磁场强度较小的脉冲磁通(自感磁通)PF，由于励磁线圈28中因互感而产生的感应电流IC而产生感应脉冲磁通IF。而且，能够由于与该感应脉冲磁通IF的相互作用(互感)而使电枢线圈14产生反作用磁通(互感磁通)RF ο该反作用磁通RF能够作为使较小的脉冲磁通PF的磁场强度大幅放大的充磁磁通WF而施加到低矫顽力磁铁51从而使其充磁。
[0107]在此，在本实施方式中，是以将一个脉冲电流作为低矫顽力磁铁51的磁化电流输入到电枢线圈14的情况为一例来进行说明的，但不限于此。例如，只要是脉冲电流输入到电枢线圈14的定时处于旋转控制、充磁控制所允许的范围内即可，也可以将其分为多个期间或使其长期间化。然而，由于脉冲电流的输入，会在电枢线圈14中产生铜损，因此，优选像本实施方式这样瞬间(短期间)地输入I次脉冲电流。
[0108](旋转电机100的电流输入控制方法)
[0109]因而，旋转电机1O利用车载电池111内的直流电流，经由控制器110所控制的逆变器112，将旋转控制用的驱动电流和脉冲电流输入到电枢线圈14。这时，控制器110执行用于使低矫顽力磁铁51充磁的存储器IlOm内的控制程序，从而执行利用逆变器112将车载电池111内的直流电流变为脉冲电流在最佳的定时施加到电枢线圈14的控制处理(电流输入控制方法)。即，控制器110构成脉冲控制部。
[0110]具体来说，如图11的流程图所示，控制器110例如在车辆开始行驶时等开始驱动转子21 (轴1I)旋转时，控制逆变器112，开始对定子11的电枢线圈14供应交流驱动电流。与此同时，控制器110执行低矫顽力磁铁51的充磁处理:依照用于使存储器IlOm内的低矫顽力磁铁51充磁的控制程序执行控制处理，从而，使与从逆变器112以单独的脉冲磁通pf进行充磁的情况相比电流值小的脉冲电流与交流驱动电流重叠，在最佳的定时将其输入到电枢线圈14(步骤 S11)。
[0111]当与驱动电流重叠的脉冲电流输入到电枢线圈14时，在电枢线圈14中产生与该脉冲电流的电流值相应的微小的脉冲磁通(自感磁通)PF，脉冲磁通PF与转子21的转子齿22交链(步骤S12)。当该脉冲磁通PF与转子齿22交链时，在转子21侧的励磁线圈28中产生感应脉冲磁通IF，感应脉冲磁通IF与定子11侧的定子齿12交链(步骤S13)。当该感应脉冲磁通IF与定子齿12交链时，在定子11侧的电枢线圈14中产生反作用磁通(互感磁通)RF，反作用磁通RF施加到低矫顽力磁铁51 (步骤S14)。
[0112]根据这种处理，通过调整输入到定子11的电枢线圈14的脉冲电流的方向、电流值以及输入定时，即使是由较小的电流值产生的脉冲磁通PF也能够放大为必要且足够的磁场强度的反作用磁通RF，从而对低矫顽力磁铁51进行充磁处理。即，能够通过将电流值较小的脉冲电流与驱动电流重叠来使低矫顽力磁铁51充磁至磁饱和区域且维持磁铁磁力。
[0113]因此，如图12所示，即使是在车辆开始行驶时那样的转子21低速旋转时，旋转电机100也能够将励磁线圈28作为电磁铁发挥作用时的电磁力(图中的点划线)强化到追加了低矫顽力磁铁51的磁铁磁力的情况下的磁力(图中的双点划线)。从而，旋转电机100能够利用成为转子21的旋转力的磁铁转矩进行辅助，与在转子中埋入钕磁铁的同步旋转电机的转矩(图中的虚线)等同地对轴101进行旋转驱动。
[0114]只要将该低矫顽力磁铁51充磁为具备励磁线圈28作为电磁铁发挥作用时所需的磁力即可。例如，也可以在不需要达到磁饱和区域的磁力时，调整为产生使其充磁为期望的磁力的反作用磁通RF所需的脉冲电流，供应给电枢线圈14。另外，由于实现期望的转矩的电流相位的超前角的不同，廉价的铝镍钴磁铁、钴磁铁有可能变为与磁铁反相位而产生非预期的退磁。因此，需要磁化至在反磁场的情况下不退磁的矫顽力。
[0115]另外，增加低矫顽力磁铁51的磁力强度，直到磁饱和区域后，转子21的旋转速度增加，在励磁线圈28中产生的电磁力上升，在这种情况下，为了将其调整为期望的磁铁转矩，可以考虑对励磁线圈28的电磁力执行弱磁控制。然而，弱磁控制是使用能量来降低磁力，因此也可以说是能量的浪费。
[0116]因此，当在励磁线圈28中产生的电磁力上升时，控制器110执行用于使低矫顽力磁铁51退磁为期望的磁力的存储器IlOm内的控制程序，以此来取代执行弱磁控$1」。从而，执行如下控制处理(电流输入控制方法):利用逆变器112使车载电池111内的直流电流变为脉冲电流在最佳的定时输入到电枢线圈14。
[0117]具体来说，如图13的流程图所示，与励磁线圈28的电磁力上升相应地，控制器110依照用于使存储器IlOm内的低矫顽力磁铁51退磁的控制程序执行控制处理。从而，执行低矫顽力磁铁51的退磁处理(步骤S21):在产生与充磁时相反的反作用磁通RF并使其施加到(通过)低矫顽力磁铁51的最佳的定时，从逆变器112使电流值较小的脉冲电流与交流驱动电流重叠并将其输入到电枢线圈14。
[0118]当供应与充磁时相反的电流值较小的脉冲电流时，在定子11的电枢线圈14中产生与该脉冲电流的电流值相应的与充磁时相反的微小的脉冲磁通PF，脉冲磁通PF与转子21的转子齿22交链(步骤S22)。当该脉冲磁通PF与转子齿22交链时，在转子21侧的励磁线圈28中产生与充磁时相反的感应脉冲磁通IF，感应脉冲磁通IF与定子11侧的定子齿12交链(步骤S23)。当该感应脉冲磁通IF与定子齿12交链时，在定子11侧的电枢线圈14中产生与充磁时相反的反作用磁通RF，反作用磁通RF施加到低矫顽力磁铁51 (步骤S24)。
[0119]根据这种处理，通过调整输入到定子11的电枢线圈14的脉冲电流的方向、电流值以及输入定时，即使是较小的电流值产生的脉冲磁通PF也能够产生必要且足够的磁场强度的反作用磁通RF，从而对低矫顽力磁铁51进行退磁处理。即，能够通过将与充磁时相反的电流值较小的脉冲电流与驱动电流重叠来使低矫顽力磁铁51从磁饱和区域退磁为期望的磁铁磁力。
[0120]这样，旋转电机100能够对磁力强度增加到磁饱和区域的低矫顽力磁铁51的磁铁磁力进行适当调整。即，本实施方式中的旋转电机100能够利用低矫顽力磁铁51的磁力适度地强化励磁线圈28作为电磁铁发挥作用时的磁力，利用磁铁转矩进行辅助，因此，能够对轴101从低速旋转起高效地以高转矩进行旋转驱动。
[0121 ]其结果是，与以仅由电枢线圈14产生的脉冲磁通pf进行充磁的情况相比，旋转电机100只要将微小的脉冲电流与驱动电流重叠地输入定子11的电枢线圈14，就能够使低矫顽力磁铁51充磁至磁饱和区域。从而，不需要使包含逆变器112的电子设备、回路配线大容量化。即，能够使包含逆变器112的电子设备、回路配线的装置的尺寸变小，因此，也能够实现电机的小型化。另外，能够抑制由于将电流值大的脉冲电流供应给定子11的电枢线圈14而产生的振动、噪声，能够使转子21稳定地旋转而对轴101进行旋转驱动。
[0122]这样，在本实施方式的旋转电机100中，在转子21侧的转子齿22内具备励磁线圈28，因此，通过对定子11侧的电枢线圈14供应脉冲电流，产生因自感而产生的脉冲磁通(自感磁通)PF，从而，能够产生因在转子21侧的励磁线圈28中发生作用的互感而产生的互感磁通。并且，能够在励磁线圈28侧产生响应于该脉冲磁通PF的感应脉冲磁通IF，在电枢线圈14侧产生响应于该感应脉冲磁通IF的反作用磁通RF，对配置于转子齿22内的低矫顽力磁铁51进行充磁。
[0123]因此，与以需要大电流的脉冲磁通pf来对低矫顽力磁铁51进行充磁的情况相比，能够仅以微小的脉冲电流(磁化电流)产生较大的反作用磁通RF来对低矫顽力磁铁51进行充磁。即，能够谋求旋转电机100的小型化、低成本化，并且高品质地驱动转子21(轴101)旋转。
[0124]在此，在本实施方式中，是以将感应线圈27配置于设置在转子槽23内的辅极芯材25的情况为一例来进行说明的，但不限于此。例如，也可以设为在转子齿22的靠近定子11的外周面22a侧配置感应线圈27并且在轴101(轴心)侧配置励磁线圈28的2段式结构。
[0125]而且，不限于像旋转电机100那样在径向上形成气隙G的径向间隙结构，也能应用于在旋转轴方向上形成间隙的轴向间隙结构。
[0126]另外，定子11、转子21不限于由电磁钢板的层叠结构形成，例如也可以采用如下的所谓SMC芯，S卩:对铁粉等具有磁性的颗粒的表面进行绝缘包覆处理而得到软磁性复合粉材(Soft Magnetic Composites)，对该软磁性复合粉材进一步进行铁粉压缩成型和热处理而制造出的压粉磁芯。该SMC芯容易成型，因此适于轴向间隙结构。
[0127]另外，感应电流的整流处理不限于二极管29A、29B，也可以安装其它半导体元件，例如开关元件。另外，也能够应用于将定子侧形成为所谓的爪极形状的旋转电机。
[0128]另外，旋转电机100不限于车载用，例如能够适当用作风力发电、工作机械等的驱动源。
[0129]虽然公开了本发明的实施方式，但很显然，本领域技术人员能够在不脱离本发明的范围的情况下进行变更。旨在将所有这样的修正以及等价物都包含于前面的权利要求。
【主权项】
1.一种旋转电机，具备: 定子，其具有在驱动电流流过时产生磁通的电枢线圈；以及 转子，其具有多个凸极，在上述凸极上卷绕有在励磁电流流过时产生磁通的励磁线圈， 上述旋转电机的特征在于， 在上述转子中，在上述凸极的靠近上述定子的一侧配置有低矫顽力磁铁， 在脉冲电流叠加到上述驱动电流时，上述低矫顽力磁铁被磁化至规定磁力。2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中， 上述转子具备感应线圈，上述感应线圈与上述电枢线圈产生的磁通交链， 上述感应线圈产生的感应电流作为励磁电流，在该励磁电流输入到上述励磁线圈时上述励磁线圈产生磁通。3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中， 上述低矫顽力磁铁被由脉冲磁通和响应磁通形成的磁场磁化并到达磁饱和区域，上述脉冲磁通是通过对上述电枢线圈输入上述脉冲电流产生的，上述响应磁通是由于上述脉冲磁通的变化在上述励磁线圈中产生的。4.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中， 具备脉冲控制部，上述脉冲控制部控制与上述驱动电流重叠的上述脉冲电流， 上述脉冲控制部以如下方式对上述脉冲电流进行调整:通过自感磁通和互感磁通使上述低矫顽力磁铁磁化至规定磁铁磁力，上述自感磁通是在上述电枢线圈中由上述脉冲电流通过自感产生的，上述互感磁通是在上述励磁线圈中由上述自感磁通通过互感产生的。5.根据权利要求4所述的旋转电机，其中， 上述脉冲控制部以如下方式对上述脉冲电流进行调整:通过上述自感磁通和上述互感磁通使上述低矫顽力磁铁的磁力减小至规定磁铁磁力。6.一种旋转电机的电流输入控制方法，是对上述旋转电机中的电枢线圈的电流输入控制方法，上述旋转电机具备: 定子，其具有在驱动电流流过时产生磁通的电枢线圈；以及转子，其具有多个凸极，在上述凸极上卷绕有在励磁电流流过时产生磁通的励磁线圈， 上述旋转电机的电流输入控制方法的特征在于， 在上述旋转电机的转子中，在上述凸极的靠近上述定子的一侧配置有低矫顽力磁铁， 在提供给上述电枢线圈上述驱动电流时，脉冲电流叠加到上述驱动电流使上述低矫顽力磁铁磁化至规定磁力。7.根据权利要求6所述的旋转电机的电流输入控制方法，其中， 以如下方式对上述脉冲电流进行调整:通过自感磁通和互感磁通使上述低矫顽力磁铁磁化至磁饱和区域，上述自感磁通是在上述电枢线圈中由上述脉冲电流通过自感产生的，上述互感磁通是在上述励磁线圈中由上述自感磁通通过互感产生的。
【文档编号】H02K1/24GK105939067SQ201610119331
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月2日
【发明人】青山真大
【申请人】铃木株式会社