CN101632221B - 电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

电动机(10)具有通过在励磁绕组(50)中流过励磁电流而形成的励磁极。升压变换器(120)对蓄电池(B)的输出电压进行电压变换，将其输出到电源线(107)和接地线(105)之间。励磁绕组(50)电连接在蓄电池(B)和电源线(107)之间的电流路径上，构成使得两端施加有通过开关元件(Q1)进行开关的电压。控制装置(100)对开关元件(Q1)和与励磁绕组(50)并联连接的开关元件(Q3)进行开关控制，由此控制励磁电流来调整转子和定子之间的磁通密度，并将蓄电池(B)的输出电压变换为基于电压指令值的电压。

Description

电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及电动机驱动装置，特别是涉及用于驱动可调整电枢绕组交链磁通量的电动机驱动装置。
背景技术
最近，作为考虑到环境的车辆，混合动力车辆(Hybrid Vehicle)和电动车辆(Electric Vehicle)受到人们的关注。所述混合动力车辆为除了以往的发动机以外，还将经由逆变器来通过直流电源进行驱动的马达作为动力源的车辆。即，通过驱动发动机来获得动力源，并且通过逆变器将来自直流电源的直流电压变换为交流电压并通过转换而来的交流电压使马达旋转来获得动力源。
另外，电动车辆是将直流电源、逆变器、以及通过逆变器驱动的马达作为动力源的车辆。
作为上述的混合动力车辆或电动车辆的驱动用马达，人们研究了转子(rotor)具有永磁铁并通过基于该永磁铁的磁极与在定子(stator)中产生的旋转磁场之间的磁力作用来旋转的永磁铁式马达、以及转子具有励磁绕组并通过在励磁绕组中流过励磁电流而在转子中产生的磁场的垂直于旋转轴的方向上的分量与在定子中产生的旋转磁场之间的磁力作用来旋转的励磁绕组式马达等。
例如，日本专利文献特开2004-229461号公报公开了如下充电控制装置，其包括：发电机，具有励磁用绕组和多相的发电用绕组；整流电路，与所述发电机的电压输出端子连接；励磁电流控制用开关元件，用于控制流向发电机的励磁用绕组的电流；连接切换装置，将整流电路的输出侧切换并连接在高压蓄电池和低压蓄电池的某一者上；以及控制单元，控制励磁电流控制用开关元件的开关并控制连接切换装置的切换，由此控制使得高压蓄电池和低压蓄电池充电为标准电压。
这里，一般而言，通过马达产生的转矩由从转子流向定子的磁通和流向定子绕组的电枢电流来决定，但永磁铁式马达中的转子和定子之间的磁通由使用的永磁铁决定，并以与转速无关的方式保持固定。因此，例如提出有如日本专利文献特开平5-304752号公报公开的那样地通过使设置在永磁铁和转子侧的励磁极双方产生磁通来可变地控制磁通量的电动车辆用交流电动机。
根据日本专利文献特开平5-304752号公报记载的电动车辆用交流电动机，将交流电动机作为在转子侧具有励磁极的同步电动机，在所述励磁极中嵌入永磁铁，并且该交流电动机设有励磁绕组。而且，通过永磁铁的磁通和根据需要进行励磁的励磁绕组的磁通来产生励磁磁通。
此外，人们研究了如下方式，即：在混合动力车辆或电动车辆中，通过升压变换器将来自直流电源的直流电压进行升压，并将升压的直流电压供应给驱动马达的逆变器。
例如，日本专利文献特开2005-143157号公报公开了如下车辆用马达控制装置，其包括：励磁绕组马达，设在车辆中而产生动力；蓄电池；升降压逆变器，设在蓄电池和励磁绕组马达之间；以及控制器，根据车辆的运转状态来进行励磁控制和升降压控制。
由此，通过逆变器、升降压部以及电容器来构成升降压逆变器。升降压逆变器进行从蓄电池至发动机起动用励磁绕组马达(起动用马达)的电力供应、以及从升降压部至起动用马达和后轮驱动用励磁绕组马达(后轮驱动用马达)的励磁绕组的电力供应。此时，通过控制器接通/断开励磁控制电路而进行针对励磁绕组的电力供应的控制。
但是，根据所述日本专利文献特开5-304752号公报记载的电动车辆用交流电动机，其需要用于对励磁绕组供应励磁电流的电源电路。在日本专利文献特开平5-304752号公报中，在电动机内部设有旋转变压器和整流器，从外部经由旋转变压器来供应励磁电流。因此，电动机一体的结构尺寸在相对于电动机主体的轴向上增大，从而难以小型化以及轻量化。
另外，所述日本专利文献特开2005-143157号公报记载的车辆用马达控制装置需要用于控制针对励磁绕组的电力供应的励磁控制电路，因而产生装置的结构尺寸增大以及成本上升的问题。从确保车辆的车厢内部空间的观点而言，上述问题是与要将正在逐渐增大的装置的结构尺寸小型化的要求相违背的。
因此，本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的是提供一种小型化并使电动机高输出化的电动机驱动装置。
发明内容
根据本发明，电动机驱动装置为具有励磁绕组并具有通过在励磁绕组中流过励磁电流而形成的励磁极的电动机的驱动装置。电动机驱动装置包括：电源；变换器，对电源的输出电压进行电压变换，并输出到第一、第二电源线之间；以及逆变器，接受第一、第二电源线之间的电压，将其变换为驱动控制电动机的电力。变换器包括电连接在励磁绕组和第二电源线之间的升压用开关元件。励磁绕组电连接在电源和第一电源线之间的电流路径上，被构成为使得两端被施加通过升压用开关元件进行开关的电压。电动机驱动装置还包括：励磁用开关元件，与励磁绕组并联连接；以及控制装置，对升压用开关元件和励磁用开关元件进行开关控制，由此控制励磁电流来调整转子和定子之间的磁通密度，并控制从变换器输出给第一电源线的升压电流而将电源的输出电压变换为基于电压指令值的电压。
根据上述的电动机驱动装置，由于作为变换器的构成元件的电抗器兼用为电动机的励磁绕组，因此能够不设置用于向励磁绕组供应电流的电源电路而进行电动机的励磁控制。由此，能够使驱动装置小型化。此外，通过设置与励磁绕组并联连接的励磁用开关元件，能够独立地控制通过升压开关元件和励磁用开关元件的开关控制而供应给励磁绕组的励磁电流和从变换器输出的升压电流。由此，在低转速的区域内通过强励磁控制而得到大的转矩，在高转速的区域内通过升压控制来实现高效率。其结果是，能够使驱动装置小型化并使电动机高输出化。
优选的是，控制装置包括：根据电动机的转速和所要求的转矩来设定励磁电流的目标值和升压电流的目标值；占空比计算单元，根据励磁电流以及升压电流的目标值来计算升压用开关元件和励磁用开关元件的占空比；以及控制信号生成单元，生成用于根据计算出的占空比来开关升压用开关元件和励磁用开关元件的开关控制信号。
更优选的是，控制信号生成单元生成开关控制信号，使得根据占空比来设定仅升压用开关元件接通的期间、升压用开关元件和励磁用开关元件断开的期间、以及仅励磁用开关元件(Q3)接通的期间。
根据上述的电动机驱动装置，能够通过调整升压用开关元件和励磁用开关元件的占空比来独立地控制升压电流和励磁电流。
优选的是，电动机驱动装置还包括旁路用开关元件，所述旁路用开关元件用于形成电流路径使得在电源和第一电源线之间旁通所励磁绕组。在电压指令值与电源的输出电压相等且励磁电流的目标值为预定值以下的情况下，占空比计算单元将旁路用开关元件的接通占空比设定为1。控制信号生成单元根据接通占空比来生成开关控制信号，使得旁路用开关元件(Q4)接通且升压用开关元件(Q1)和励磁用开关元件(Q3)断开。
根据上述的电动机驱动装置，在不需要升压动作和励磁控制的情况下，将旁路用开关元件接通，使电源和电源线不经由变换器而直接地连接，由此能够抑制发生在励磁绕组中的电力损失并提高能率。
优选的是，电动机被构成为能够产生车辆的驱动力。控制装置还包括：基于车辆的驾驶员的加速器操作来计算车辆的要求驱动力，并通过所计算出的车辆的要求驱动力来计算电动机所要求的转矩的单元；以及根据电动机的转速和电动机所要求的转矩来设定电压指令值的单元。在电动机的转速处在电压指令值与电源的输出电压相等的预定的转速区域内的情况下，占空比计算单元根据励磁电流的目标值来计算升压用开关元件和励磁用开关元件的占空比。控制信号生成单元生成开关控制信号，使得根据占空比来设置仅升压用开关元件接通的期间、升压用开关元件和励磁用开关元件断开的期间、以及仅励磁用开关元件接通的期间。
优选的是，在电动机的转速超过预定的转速区域的情况下，占空比计算单元根据励磁电流和升压电流的目标值来计算升压用开关元件和励磁用开关元件的占空比。
根据上述的电动机驱动装置，由于能够根据车辆的要求驱动力来独立地进行电动机的励磁控制和升压控制，因此在车辆的速度低的区域内通过强励磁控制得到大的转矩，车辆的速度高的区域内通过升压控制实现高效率。其结果是，能够使驱动装置小型化，并提高由于电动机的高输出化引起的车辆行驶性能的上升。
优选的是，电动机驱动装置还包括旁路用开关元件，所述旁路用开关元件用于形成电流路径使得在电源和第一电源线之间旁通励磁绕组。在电动机所要求的转矩下降至低于电动机能够输出的最大转矩的情况下，占空比计算单元将旁路用开关元件的接通占空比设定为1。控制信号生成单元根据接通占空比来生成开关控制信号，使得旁路用开关元件接通且升压用开关元件和励磁用开关元件断开。
根据上述的电动机驱动装置，在由于电动机要求的转矩相对小而不需要升压动作和励磁控制的情况下，通过抑制励磁绕组中产生的电力损失来提高能率，由此能够提高车辆的燃油经济性。
优选的是，电动机包括：旋转轴，能够进行旋转；转子铁芯，被固定设置在旋转轴上；磁铁，被设置在转子铁芯上使得在转子铁芯的径向上排列有不同磁性的一组磁极；定子铁芯，被形成为筒状；励磁轭铁，被设置在定子铁芯的外周上；以及励磁绕组，通过在励磁轭铁和转子铁芯之间形成磁路，能够控制转子铁芯和定子铁芯之间的磁通密度。
根据上述的电动驱动装置，在能够可变地控制绕组交链磁通的电动机中，能够紧凑地构成转子。
优选的是，转子铁芯包括：第一转子铁芯，该第一转子铁芯为筒状，并通过层叠多个钢板而形成；以及第二转子铁芯，被设置在第一转子铁芯的内周，并由一体成形的磁性材料构成。励磁轭铁由一体成形的磁性材料构成。
根据上述的电动机驱动装置，使第二转子铁芯和励磁轭铁的轴向的磁阻比第一转子铁芯的轴向的磁阻小，因此能够抑制使得磁能的损失小。
优选的是，转子铁芯还包括凸极部，所述凸极部被设置在第一转子铁芯的外表面上使得向径向外方突出。磁铁被设置在第一转子铁芯的外表面上的、与凸极部在周向上相邻的位置上。
根据上述的电动机驱动装置，由于能够使转子铁芯的外周面作为磁力线的输出区域和磁力线的进入区域来发挥作用，因此能够提高该外周面的利用效率。其结果是，能够紧凑地构成转子。
优选的是，磁铁包括第一磁铁和被设置在第一磁铁在周向上相邻的位置上的第二磁铁。第一磁铁和第二磁铁被设置成使得位于第一转子铁芯的外表面的部分的磁极彼此不同。
根据上述的电动机驱动装置，能够增加来自磁铁的磁通量，因此能够得到更大的转矩。
优选的是，磁铁包括以在周向上相邻的方式被设置在第一转子铁芯的外表面上的第一磁铁和第二磁铁。第一磁铁被形成为在所述转子铁芯的轴向上长于所述第二磁铁。第一转子铁芯包括凸极部，所述凸极部形成在第一磁铁之间的、在转子铁芯的轴向上与第二磁铁相邻的位置上，并被设置成向径向外方突出。
根据上述的电动机驱动装置，能够增加来自磁铁的磁通量，因此能够得到更大的转矩。
优选的是，磁铁被埋设在第一转子铁芯内。
根据上述的电动机驱动装置，能够有效地利用磁转矩(永磁铁与绕组之间的吸引排斥力)和磁阻转矩(使磁力线的弯曲成为直线的力)这二者。
优选的是，电动机包括：旋转轴，能够进行旋转；转子铁芯，被固定设置在旋转轴上；凸极部，被设置在转子铁芯的外表面上使得向径向外方突出；定子铁芯，被形成为筒状；励磁轭铁，被设置在定子铁心的外周；以及励磁绕组，通过在励磁轭铁和转子铁芯之间形成磁路，能够控制转子铁芯和定子铁芯之间的磁通密度。
根据上述的电动机驱动装置，在能够可变地控制电枢绕组交链磁通的电动机中，通过在转子铁芯上设置凸极部，能够抑制来自定子铁芯的磁通泄漏。其结果是，能够增加电枢绕组交链磁通来增大转矩。
优选的是，转子铁芯包括：第一转子铁芯，所述第一转子铁芯为筒状，并通过层叠多个钢板而形成；以及第二转子铁芯，被设置在第一转子铁芯的内周，由一体成形的磁性材料构成。励磁轭铁由一体成形的磁性材料构成。
根据上述的电动机驱动装置，由于使第二转子铁芯和励磁轭铁的轴向的磁阻比第一转子铁芯的轴向的磁阻小，因此能够抑制使得磁能的损失小。
优选的是，电动机包括：定子铁芯，被形成为筒状；励磁轭铁，被设置在定子铁芯的外周上；旋转轴，以能够旋转的方式被设置在定子铁芯的内周侧；第一转子铁芯和第二转子铁芯，以沿旋转轴的轴向相邻的方式被固定设置在旋转轴上；第一磁铁，被固定设置在位于第一转子铁芯和第二转子铁芯之间的旋转轴上，且一对磁极被配置在旋转轴的轴向上；第一凸极部，被设置使得在第一转子铁芯的外表面上使得向径向外方突出；第二磁铁，被设置在相对于第一凸极部在周向上相邻位置上；第二凸极部，被设置在第二转子铁芯的外表面上，使得向径向突出，且相对于第一凸极部在周向上错开；第三磁铁，被设置在相对于第二凸极部在周向上相邻的位置上；以及励磁绕组，通过在第一转子铁芯和第二转子铁芯的至少一者与励磁轭铁之间形成磁路，能够控制第一转子铁芯和第二转子铁芯的至少一者与定子铁芯之间的磁通密度。
更优选的是，第二磁铁和第三磁铁被设置成使得各自位于第一转子铁芯和第二转子铁芯的外表面上的部分的磁极彼此不同。
更优选的是，第一转子铁芯和第二转子铁芯各自具有通过层叠多个钢板而形成的筒状的外侧转子铁芯、和被设置在外侧转子铁芯的内周上并由一体成形的磁性材料构成的内侧转子铁芯，励磁轭铁由一体成形的磁性材料构成。
根据上述的电动机驱动装置，分别设置在第一转子铁芯和第二转子铁芯上的第二磁铁和第三磁铁限制来自第一磁铁的磁通的流动使得降低磁通泄漏。因此，来自该第一磁铁的磁通与通过励磁绕组产生的磁通共同作用，由此能够在低转速区域产生大的转矩。
根据本发明，在驱动能够进行电枢绕组交链磁通量的可变控制的电动机的驱动装置中，能够使驱动装置小型化并使电动机高输出化。
附图说明
图1是应用于本发明的实施方式的电动机驱动装置的电动机的侧剖面图；
图2是图1的II-II线的剖面图；
图3是供应有图1所示的励磁绕组的电流的状态下的电动机的侧剖面图；
图4是图3的IV-IV线剖面图；
图5是示出电动机的转矩和转速的关系的图；
图6是基于本发明的实施方式的电动器驱动装置的概要框图；
图7是用于说明基于控制装置的开关元件Q1～Q3的开关控制的图；
图8是开关控制的一个周期的励磁电流If和升压电流Ib的时序图；
图9是示出电动机的转矩和转速的关系的图；
图10是示出进行励磁控制和升压控制时的电动机的转矩和转速的关系的图；
图11是用于说明电动机的要求输出所属的动作区域和最优的控制模式的关系的图；
图12是用于说明控制装置的开关元件Q4的开关控制的图；
图13是用于说明基于控制装置的电动机的驱动控制的流程图；
图14是本发明的实施方式的变形例1的电动机的侧剖面图；
图15是图14的XV-XV线的剖面图；
图16是本发明的实施方式的变形例2的电动机的转子的立体图；
图17是图16的XVII-XVII线的剖面图；
图18是本发明的实施方式的变形例3的电动机的侧剖面图；
图19是图18所示的XIX-XIX线的剖面图；
图20是本发明的实施方式的变形例4的电动机的侧剖面图；
图21是图20所示的XXI-XXI线的剖面图；
图22是图20的XXII-XXII线的剖面图；
图23是转子的立体图；
图24是图20的XXIV-XXIV线的剖面图。
具体实施方式
以下，参考附图来详细地说明本发明的实施方式。对图中相同或相当部分标注相同标号，从而不进行重复说明。
(电动机的结构)
图1是应用在本发明的实施方式的电动机驱动装置上的电动机的侧剖面图，图2是图1的II-II线的剖面图。
参考图1以及图2，电动机10包括：旋转轴41；固定设置在旋转轴41上的转子(rotor)40；设在定子(stator)30的外周上的励磁轭铁21；以及励磁绕组50。
在转子40与定子30之间设有气隙GP，配置以使其在径向上略微分开。
转子40包括：固定设置在旋转轴41上的转子铁芯43；以及设在转子铁芯43的外表面上的磁铁44。
转子铁芯43包括：被形成为圆筒状的层叠转子铁芯43a；以及设在层叠转子铁芯43a的内周的压粉转子铁芯43b。压粉转子铁芯43b通过一体的磁性材料构成，具体地说，通过粉末成形磁性体(SMC：Soft MagneticComposites，软磁复合材料)构成。
层叠转子铁芯43a是通过在轴向上层叠多个电磁钢板而构成的，由于产生在所述电磁钢板之间的缝隙，使得轴向上的磁阻比径向和周向上的磁阻大。因此，在层叠转子铁芯43a的内部，来自磁铁的磁力线在轴向上不易流动而在径向和周向上容易流动。
与此相对，由于压粉转子铁芯43b通过粉末成形磁性体构成，因而轴向上的磁阻比层叠转子铁芯43a的轴向上的磁阻小。因此，在压粉转子铁芯43b的内部，磁力线在轴向上容易流动。
并且，如图2所示，在层叠转子铁芯43a的外表面上形成有多个转子齿(第一凸极部)45，转子齿45以隔有等间隔的方式设置并向径向的外方突出。
相邻的转子齿45之间设有磁铁44。转子齿45的外表面与磁铁44的外表面均位于以旋转轴41的中心轴线为中心的假想的同一圆周上。即，磁铁44被设置为在转子40的周向上与转子齿45相邻，并设置使得各外周面为同一个面。
磁铁44的N极(第一磁极)和S极(第二磁极)被配置为在转子40的径向上排列。在本实施方式中，磁铁44的N极朝向转子铁芯43的径向外方配置，并且磁铁44的S极朝向转子铁芯43的径向内方配置，但也可以按照相反的方式来配置。
定子30包括：中空圆筒状地形成的定子铁芯22；形成在定子铁芯22的内表面并朝向定子铁芯22的径向内方突出的多个定子齿(第二凸极部)23；以及绕在定子齿23上的绕组24。
定子齿23以在周向上隔有等间隔的方式形成。绕组24的一部分构成U相绕组，余下的一部分的绕组24构成V相绕组，其余的绕组24构成W相绕组。并且，U相绕组、V相绕组以及W相绕组的一端被形成为端子，并分别与未图示的逆变器的三相电线(U相电线、V相电线、W相电线)连接。此外，U相绕组、V相绕组、W相绕组的另一端共同连接于一点而作为中性点。
控制装置100(图6)当从设在电动机驱动装置的外部的ECU(Electrical Control Unit，电子控制单元)接受转矩指令值时，控制在电动机10的各相中流动的电流(马达驱动电流)使得输出由接受到的转矩指令值指定的转矩。受过控制的马达驱动电流经由三相电线供应给绕组24。
定子铁芯22通过层叠多个磁性钢板而形成，因而在磁性钢板之间形成有气隙。因此，定子铁芯22的径向和周向上的磁阻比轴向上的磁阻小。由此，进入定子铁芯22内的磁力线在定子铁芯22的周向和径向上容易流动，在轴向上不易流动。
如图1所示，励磁轭铁21包括：配置在从定子30和转子40的两端部起在轴向上分开的位置上的顶板部21a；形成在该顶板部21a的周缘部上的圆筒状的侧壁部21b；以及形成在顶板部21a上的圆筒状的突部21c。
顶板部21a的中央部形成有贯通孔21d，在贯通孔21d内经由轴承46插入有旋转轴41。侧壁部21b固定设置在定子铁芯22的外表面上。
励磁轭铁21通过一体的磁性材料构成，具体而言，其通过作为三维完全各向同性材料的粉末成形磁性体(SMC)构成。因此，励磁轭铁21的轴向上的磁阻比定子铁芯22的轴向上的磁阻小。
突部21c形成于顶板部21a的内表面，并朝向压粉转子铁芯43b的轴向端部突出。并且，突部21c的端部与压粉转子铁芯43b的端部在突部21c的端部与压粉转子铁芯43b的端部之间不隔断磁力线的限度内彼此接近。
因此，能够形成如下磁路(第一磁路)，即：从磁铁44的N极起经由气隙GP和定子铁芯22到达励磁轭铁21，在励磁轭铁21内的轴向上流动，并从突部21c进入压粉转子铁芯43b内，返回磁铁44的S极。
在该磁路中，抑制使得定子铁芯22的径向的磁阻小，并抑制使得励磁轭铁21内的磁阻小，还抑制使得压粉转子铁芯43b内的磁阻小，因此能够抑制使得磁能的损失小。
在图1所示的例子，中圆筒状的突部21c形成在励磁轭铁21上，但也可以设在压粉转子铁芯43b的端部上。
励磁绕组(winding)50绕在突部21c的外周面上。通过在该励磁绕组50中流过电流，能够使突部21c的端部侧例如具有N极的磁性，并使侧壁部21b具有S极的磁性。或者，能够使突部21c的端部侧具有S极的磁性，并使侧壁部21b具有N极的磁性。在本实施方式中，励磁绕组50设在励磁轭铁21的突部21c上，但不限于该位置，也可以设在励磁轭铁21上。这里，所谓励磁绕组50设在励磁轭铁21上不限于励磁绕组50与励磁轭铁21的表面相抵接的情况，也包括在能够控制励磁轭铁21内的磁力线的流动的限度内从励磁轭铁21的表面上分开的情况。
使用图3和图4来说明如上述那样构成的电动机10的动作。图3是在供应图1所示的励磁绕组50的电流的状态下的电动机10的侧剖面图，图4是图3的IV-IV线的剖面图。
参考图3，通过在励磁绕组50中流过电流来产生磁力线mt 4。该磁力线mt 4经过励磁轭铁21的顶板部21a，从侧壁部21b进入定子铁芯22内。然后，磁力线mt 4经由气隙GP进入转子铁芯43内，并在转子铁芯43内的轴向上前进。之后，磁力线mt 4从转子铁芯43的轴向端面起经由突部21c的端面而进入励磁轭铁21内。
通过产生上述磁路，使励磁轭铁21的突部21c带S极的磁性，励磁轭铁21的侧壁部21c带N极的磁性。
在图4中，在磁铁44的端部中，在转子40的旋转方向P前方侧的端部侧配置有定子齿23a，并且磁铁44的外主面的周向上的中央部是位于定子齿23a的端面的周向上的中央部的旋转方向上的后方侧。该定子齿23a的内径侧的端面为S极。
因此，从磁铁44的外主面流出的磁力线mt 1～mt 4以随着朝向径向外方而朝向旋转方向P的前方侧的方式倾斜，并到达定子齿23a的端面。如上所述，磁铁44和定子齿23a之间的磁力线mt 1～mt 3的磁路倾斜而变长，因此针对转子40施加应力使得磁路最短。即，磁铁44被朝向定子齿23a牵引。
相对于定子齿23a，在转子40的旋转方向P后方侧设有定子齿23b。该定子齿23b与磁铁44的中央部附近相对。定子齿23b的内径侧的端面为N极，从而与磁铁44相斥。
因此，从定子齿23a起进入定子铁芯22内的磁力线mt 1～mt 3在定子铁芯22内的周向上流动。此时，如上述那样在励磁绕组50中流过电流，由此侧壁部21b的内壁面形成N极。因此，来自磁铁44的磁力线mt1～mt 3当从定子齿23a的端面进入定子铁芯22内时，沿定子铁芯22的周向前进。即，抑制了如下情况，即：磁力线mt 1～mt 3在到达定子齿23a之后，在定子铁芯22内的径向上流动而到达励磁轭铁21。
并且，相对于定子齿23b，在转子40的旋转方向P后方侧设有定子齿23c，定子齿23c的内径侧的端面为N极。该定子齿23c与转子齿45a相对。
这里，由于与转子齿45a邻接的磁铁44的外表面为N极，因而从定子齿23c的端面朝向转子齿45a的磁力线mt 1～mt 3受到该磁铁44的N极的影响，从而以向旋转方向P后方倾斜的方式朝向转子齿45a流动。并且，转子齿45a被朝向定子齿23c良好地牵引使得该路径长度最短。
如上述那样形成如下磁路K1，即：磁力线mt 1～mt 3从磁铁44起经由气隙GP到达定子齿23a，并在定子铁芯22内的轴向上流动，之后从定子齿23c起经由气隙GP到达层叠转子铁芯43a内，并再次返回磁铁44。
另一方面，在未向励磁绕组50供应电流的状态下，形成如下磁路K2(未图示)，即：来自磁铁44的磁力线mt 1～mt 3的一部分(例如磁力线mt 3)到达定子齿23a之后，在定子铁芯22内的径向上流动而到达励磁轭铁21。然后，磁力线mt 3在励磁轭铁21的轴向上流动，从突部21c起进入压粉转子铁芯43b内，并再次返回磁铁44。
即，通过在励磁绕组50中流过电流，能够抑制从磁铁44发出的磁力线mt 1～mt 3经过磁路K2的情况，并控制使得磁力线mt 1～mt 3经过磁路K1。由此，能够增大由磁铁44产生的预定的磁通量中的经过对转矩的产生发挥重要作用的磁路K1的磁通量的比例，因而能够得到大的转矩。
此外，如图4所示，由励磁绕组50产生的磁力线mt 4是磁路K1的一部分，其在经过从定子齿23c到转子齿45a的路径之后到达压粉转子铁芯43b。因此，磁力线mt 4也有助于产生转矩。
如上所述，通过在励磁绕组50中流过电流而向电动机10实施“强励磁控制”。图5是示出电动机10的转矩和转速的关系的图。以下，将供应给励磁绕组50的电流称为“励磁电流”，并使用标号If标注该励磁电流。
在图5中，曲线k1示出了在没有对励磁绕组50供应电流的状态(励磁电池If＝0)下的电动机10的输出特性。另一方面，曲线k2示出了在对励磁绕组50供应电流的状态(励磁电流If≠0)下的电动机的输出特性。
如图5所示可知，在励磁绕组50中流过电流而对电动机10进行强励磁控制，由此在从低转速至高转速的广泛区域内转矩增大。特别是在低转速的区域内可得到大的转矩。
通过使在励磁绕组50中流动的电流的流向反向，能够对电动机10实施“弱励磁控制”。此时，通过在励磁绕组50中流过电流来减少经过磁路K1的磁通量的比例。
另外，根据本实施方式，在转子40的外周面中，磁铁44的表面作为发出磁力线的区域来发挥作用，转子齿45作为取得发出的磁力线的区域来发挥作用。并且，由于磁铁44和转子齿45在转子40的轴向上延伸，因此转子40的外周面通过磁铁44的表面和转子齿45的表面而构成。因此，能够使转子齿45的外周面的大致整个面作为磁力线的输出区域以及磁力线的进入区域来发挥作用，因而能够提高转子40的外周面的利用效率。其结果是，即使在小型的转子40中也能够进行需要的磁通量的输出输入，因此能够紧凑地构成转子40本身。
(电动机驱动装置的结构)
如上所述，根据本实施方式，通过流过励磁绕组50的励磁电流If来调整经过励磁电路K1的磁通量和励磁电路K2的磁通量，由此调整电枢绕组交链磁通量来进行电动机10的励磁控制。
但是，为了实现上述的励磁控制，需要新设置用于对励磁绕组50供应励磁电流If的电源电路。该电源电路的设置将关系到使电动机驱动装置大型化以及使装置成本上升的问题。
因此，如下所述，本实施方式的电动机驱动装置将电抗器兼用为励磁绕组50，该电抗器为用于将来自电源的电压变换为电动机10的驱动电压的电力转换装置的构成元件。
图6是基于本发明的实施方式的电动机驱动装置的概要框图。
参考图6，电动机驱动装置1000包括：蓄电池B；升压变换器120；逆变器140；电容器C2；电压传感器110、130；以及电流传感器240。
电动机10包括图1和图2所示的结构。即，电动机10包括：固定设置在旋转轴上的转子；设在转子的外周上的励磁轭铁；以及励磁绕组50。
在本实施方式中，电动机10为用于产生转矩的驱动马达，该转矩用于驱动混合动力车辆或电动车辆的驱动轮。另外，电动机10为具备通过发动机进行驱动的发电机的功能，并相对于发动机作为电动机来发挥作用、例如能够起动发动机的马达。
蓄电池B通过镍氢和锂离子等二次电池构成。在本实施方式中，说明了将通过二次电池构成的蓄电池B作为“直流电源”的结构，但也可以应用双电层电容器等蓄电装置来代替蓄电池B。电压传感器110检测从蓄电池B输出的直流电压VB，并将检测到的直流电压VB输出给控制装置100。
升压变换器120包括电抗器L1和进行开关控制的电力用半导体开关元件(以下，仅称为“开关元件”)Q1、Q2。
电抗器L1的一端与蓄电池B的电源线106连接，另一端连接在开关元件Q1和开关元件Q2的连接节点上。在本实施方式中，电抗器L1绕在电动机10的励磁轭铁21(图1)上。即，电抗器L1被施加有通过开关元件Q1、Q2来开关的电压，并构成电动机10的励磁绕组50。
开关元件Q1、Q2串联连接在电源线107与接地线105之间。通过来自控制装置100的开关控制信号SE1、SE2来控制开关元件Q1、Q2的开关。
在本发明的实施方式中，可以使用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型功率管)、电力用MOS(Metal OxideSemiconductor，半导体金属氧化物)晶体管、或电力用双极晶体管等来作为开关元件。相对于开关元件Q1、Q2配置有反并联二极管D1、D2。
平滑电容器C2连接在电源线107和接地线105之间。电压传感器130检测平滑电容器C2的两端的电压VH(相当于升压变换器120的升压后电压)，并将检测到的电压VH输出给控制装置100。
逆变器140的直流电压侧经由电源线107和接地线105与升压变换器120连接。
逆变器140包括并联设在电源线107和接地线105之间的U相支路150、V相支路160、W相支路170。各相支路包括串联连接在电源线107和接地线105之间的开关元件。例如，U相支路150包括开关元件Q5、Q6，V相支路160包括开关元件Q7、Q8，W相支路170包括开关元件Q9、Q10。另外，相对于开关元件Q5～Q10分别连接有反并联二极管D5～D10。开关元件Q5～Q10的开关通过来自控制装置100的开关控制信号PWMI来控制。
各相支路的中间点与电动机10的各相绕组的各相端连接。即，电动机10为三相同步马达，U、V、W相的三个绕组的一端共同连接于中性点。U相绕组的另一端与开关元件Q5、Q6的中间点连接，V相绕组的另一端与开关元件Q7、Q8的中间点连接，W相绕组的另一端与开关元件Q9、Q10的中间点连接。逆变器140通过响应于来自控制装置100的开关控制信号PWMI的开关元件Q5～Q10的开关控制(switching control)而在升压变换器120与电动机10之间进行双向的电力交换。
具体地说，逆变器140能够根据控制装置100的开关控制将从电源线107接受的直流电压变换为三相交流电压，并将该转换后的三相交流电压输出给电动机10。由此，电动机10被驱动使得产生指定的转矩。
另外，当搭载有电动机驱动装置1000的混合动力车辆或电动车辆进行再生制动时，逆变器140能够根据控制装置100的开关控制将电动机10发电而来的三相交流电压变换为直流电压，并将转换的直流电压输出给电源线107。
这里所谓的再生制动，包括：伴随着在存在基于驾驶混合动力车辆或电动车辆的驾驶员的足部制动操作的情况下的再生发电的制动；或者虽然没有进行足部制动的操作，但通过在行驶中关掉加速踏板来产生再生发电从而使车速减速(或中止加速)。
在电动机10中设有电流传感器240。如图6所示，由于三相电流Iu、Iv、Iw的瞬时值之和为零，因此将电流传感器240配置成检测两相的马达电流(例如，U相电流Iu和W相电流Iw)即可。电流传感器240所检测的马达电流Iu、Iw被输入到控制装置100。此外，控制装置100接受作为马达指令的电动机10的转矩指令值TR和马达转速MRN的输入。
在包括以上结构的电动机驱动装置1000中，升压变换器120被构成为具有在电源线106、107之间形成的电流路径上电连接的电抗器L1的斩波式电路。在电抗器L1的两端施加有通过开关元件Q1、Q2的接通/断开来进行开关的电压。
此外，通过将电抗器L1绕在电动机10的励磁轭铁21上来构成励磁绕组50(图1)。因此，通过在电抗器L1中流过电流来进行如上所述的电动机10的励磁控制。
通过如上述那样将升压变换器120的电抗器L1兼用为电动机10的励磁绕组50，由此励磁绕组50被供应有在电源线106、107之间流动的电流。因此，不需要新设用于对励磁绕组50供应电流的电源电路，因而能够防止电动机驱动装置1000大型化和装置成本的上升的情况。
但另一方面，在本结构中，当进行基于升压变换器120的升压动作时，由于励磁绕组50一直被电流驱动，因此必将进行电动机10的励磁控制。并且，此时的励磁电流的大小取决于基于升压变换器120的升压比，因此未必与上述的电枢交链磁通量的调整需要的电流值相一致。
即，在将电抗器L1兼用为励磁绕组50的结构中，存在不能彼此独立地执行电动机10的励磁控制和升压动作的控制(升压控制)的问题。其结果是，可能不能对电动机10进行驱动控制使得追随于根据车辆的运转状况来适当变化的针对电动机10的要求输出。
因此，如图6所示，本实施方式的电动机驱动装置还具有相对于电抗器L1并联连接的开关元件Q3和二极管D3。在该结构中，通过接通开关元件Q3，根据电抗器L1所储存的电力来形成电流路径使得的直流电流流过开关元件Q3和二极管D3。
在图6的结构中，升压变换器120的开关元件Q1对应于本发明的“升压用开关元件”，开关元件Q3对应于本发明的“励磁用开关元件”。
在本实施方式中，在电动机10的牵引动作时，控制装置100如下述那样同时对开关元件Q1、Q2进行开关控制，并执行开关元件Q3的开关控制。由此，能够彼此独立地执行升压变换器120的升压控制和电动机10的励磁控制。
(电动机驱动装置的控制构造)
通过电子控制单元(ECU)构成的控制装置100包括：微计算机、RAM(Ramdom Access Memory，随机存取存储器)、ROM(Read OnlyMemory，只读存储器)(均未图示)。控制装置100根据预定的程序处理来生成用于升压变换器120和逆变器140的开关控制的开关控制信号SE1、SE2(升压变换器120)以及PWMI(逆变器140)，使得电动机10根据从上级的电子控制单元(ECU)输入的马达指令来动作。即，控制装置100控制基于升压变换器120和逆变器140的电力转换动作。
此外，控制装置100生成用于与电抗器L1并联连接的开关元件Q3的开关控制的开关控制信号SE3使得对电动机10的励磁绕组50供应励磁电流If。即，控制装置100执行电动机10的励磁控制。
在本实施方式中，控制装置100根据电动机10的运转状态来设定升压变换器120的输出电流(以下，也称为升压电流)Ib的目标值(目标升压电流)Ib*，并设定励磁电流If的目标值(目标励磁电流)If*。并且，基于目标升压电流Ib*和目标励磁电流If*来设定开关元件Q1、Q3的占空比(接通期间比率)。以下，对开关元件Q1、Q3的占空比的设定动作进行说明。
图7是用于说明控制装置100的开关元件Q1～Q3的开关控制的图。将图中的模式(i)至模式(iii)作为控制的一个周期来进行所述开关控制。图8是开关控制的一个周期中的励磁电流If和升压电流Ib的时序图。
参考图7的模式(i)，最初接通开关元件Q1并断开开关元件Q2、Q3，由此，直流电流如图中箭头所示那样在通过蓄电池B、电抗器L1以及开关元件Q1构成的电路中从蓄电池B向开关元件Q1的方向上流动。在该期间内，在电抗器L1中储存电力。因此，如图8所示，在该期间(相当于期间T1)内，流过电抗器L1的电流(励磁电流)If增大。
接着，如模式(ii)所示，断开开关元件Q1，由此开关元件Q1～Q3全部断开。这样一来，根据储存在电抗器L1中的电力，直流电流(升压电流)Ib从电抗器L1经由二极管D2而流向电容器C2侧。
此时，如图8的期间T2所示，流过二极管D2的升压电流Ib逐渐减少。因此，流过电抗器L1的励磁电流If也将逐渐减少。
最后，参考模式(iii)，当接通开关元件Q3并断开开关元件Q1、Q2时，在通过电抗器L1、开关元件Q3以及二极管Q3构成的电路中，直流电流从电抗器L1向开关元件Q3的方向上流动。此时，如图8的期间T3所示，流过电抗器L1的励磁电流If随着储存在电抗器L1中的剩余电力减少而逐渐减少。另外，二极管D2未通电，升压电流Ib减少为0A。
此时，当通过储存在电容器C2中的电力供应到逆变器140从而电容器C2的电位下降时，图中点划线箭头所示的升压电流Ib从电抗器L1起经由二极管D2而流向电容器C2侧以便对该电位的下降进行补充。
重复上述的模式(i)～(iii)而使升压变换器120进行升压动作。并且，从升压变换器120输出将从期间T1至期间T3的升压电流Ib进行平均而来的电流(平均升压电流Ib_av)。即，平均升压电流Ib_av是通过将期间T2内的升压电流Ib除以一个控制周期(＝期间T1+期间T2+期间T3)的值。
此外，在电抗器L1中流过将期间T1至期间T3的各期间的励磁电流If平均而来的电流(平均励磁电流If_av)。并且，根据该平均励磁电流If_av来进行电动机10的励磁控制。
即，能够通过改变一个控制周期内的期间T1、期间T2、期间T3的比率来彼此独立地设定平均升压电流Ib_av和平均励磁电流If_av。因此，通过设定所述比率使得设定的升压电流目标值Ib*和励磁电流目标值If*与平均升压电流Ib_av和平均励磁电流If_av分别一致，从而能够彼此独立地控制升压控制和电动机10的励磁控制。
如上所述，根据本实施方式，通过控制升压变换器120的开关元件Q1以及与电抗器L1并联连接的开关元件Q3的占空比，能够彼此独立地设定从升压变换器120输出的升压电流Ib和供应给励磁绕组50的励磁电流If。
这样一来，在将升压变换器120的电抗器L1兼用为电动机10的励磁绕组的结构中，能够根据针对电动机10的要求输出来彼此独立地执行升压控制和电动机10的励磁控制。由此，在低速旋转区域中通过强励磁来得到大的转矩，并在高速旋转区域中通过升压控制来实现高效率。其结果是，能够抑制电动驱动装置1000的大型化以及成本的上升，还能够实现电动机10的高输出化。
(电动机驱动装置的应用例)
以下，对搭载有基于本实施方式的电动机驱动装置1000的电动车辆的控制方法进行说明。
针对电动机10的要求输出(转矩×转速)根据搭载有电动机驱动装置1000的电动车辆的运转状况而适当变化。因此，在电动机驱动装置1000中，根据要求输出来求得适合执行最优的电动机10的驱动控制的方式。
图9是示出了电动机10的转矩和转速的关系的图。
在图9中，曲线k3示出了当升压后的电压VH(相当于逆变器140的直流侧电压。以下，该直流电压也称为“系统电压”)与来自蓄电池B的直流电压VB相等时的电动机10的转矩与转速的关系。另一方面，曲线k4示出了当系统电压VH大于直流电压VB时(VH＝V2(＞VB))的电动机10的转矩与转速的关系。
如图9所示，可知通过提高系统电压VH，即通过使升压电流Ib增大，由此高速旋转区域的转矩将会变大。这是由于通过对系统电压VH进行可变控制使得根据电动机10的运转状态而与电动机10的感应电压大致相同，由此能够使电动机驱动装置1000产生的电力损失最小。
并且，通过使该图9所示的转矩与转速的关系与上述的图5的关系相叠合，能够将电动机10的转矩与转速的关系分为图10所示的三个动作区域(I)～(III)。
具体地说，图10的动作区域(I)是从低转速至高转速的旋转区域中电动机10的转矩相对小的区域。因此，在针对电动机10的要求输出(转矩×转速)属于动作区域(I)的情况下，不进行升压控制和电动机10的励磁控制，就能够使电动机10的输出与要求输出一致。即，动作区域(I)为升压区域和励磁控制均不需要的区域。
与此相对，图10的动作区域(II)为转速低且转矩相对大的区域。因此，在针对电动机10的要求输出属于动作区域(II)的情况下，如上所述，通过对电动机10进行强励磁控制，能够从电动机10输出基于要求输出的大的转矩。即，动作区域(II)为需要励磁控制而不需要升压控制的区域。
此外，图10的动作区域(III)为至高转速为止转速相对大的区域。在针对电动机10的要求输出属于动作区域(III)的情况下，通过进行升压控制和电动机10的励磁控制这二种控制，能够使电动机10的输出与要求输出一致。即，动作区域(III)为需要进行升压控制以及励磁控制的区域。
以上所述的动作区域(I)～(III)对应于从蓄电池B向电动机10进行电力供应来驱动电动机10的模式、即“牵引模式”。与此相对，图中的动作区域(IV)对应于将来自电动机10的电力在蓄电池B中再生的模式、即“再生模式”。
因此，在基于本实施方式的电动机驱动装置1000中，基于车辆所要求的驱动力来计算电动机10的要求输出(转矩×转速)，并基于图10所示的转矩与转速的关系来设定用于电动机10输出计算而来的要求输出的最优的控制模式。
详细地说，控制装置100的上级的电子控制元件(ECU)通过由于驾驶员的加速器操作而形成的加速踏板角度等来计算车辆所要求的驱动力，并根据该计算的要求驱动力来计算电动机10的要求输出(转矩×转速)。
接着，控制装置100将图10的转矩与转速的关系预先存储为设定表，当从上级的电子控制元件接受电动机10的要求输出时，通过参考该设定表，基于计算的电动机10的要求输出所属的动作区域的类别来设定最优的控制模式。
图11是用于说明电动机10的要求输出所属的动作区域与最优的控制模式的关系的图。
参考图11，当电动机10的要求输出属于图10的动作区域(I)时，设定不执行升压控制和励磁控制的控制模式。
与此相对，当电动机10的要求输出属于图10的动作区域(II)时，设定不执行升压控制而执行励磁控制的控制模式。
另外，当电动机10的要求输出属于图10的动作区域(III)时，设定执行升压控制和励磁控制的控制模式。
当电动机10的要求输出属于图10的动作区域(IV)时，即属于“再生模式”时，与上述的“牵引模式”不同，对开关元件Q2进行开关控制使得升压变换器120进行降压动作，开关元件Q3固定于断开(off)状态。
该情况下，在电抗器L1中励磁电流Lf向与升压动作时相反的反方向(朝向蓄电池B的方向)上流动，因此在电动机10中会进行弱励磁控制，但与“牵引模式”不同，这是由于其不涉及电动机10的输出不足的问题。
并且，当根据图11所示的关系来设定控制模式时，根据该设定的控制模式来进行开关元件Q1～Q3的开关控制。
详细地说，在图11中，在不执行升压控制而执行励磁控制的控制模式下，根据通过图7来说明的方法，将模式(i)至模式(iii)作为控制的一个周期而重复执行。
该情况下，设定开关元件Q1和开关元件Q3的占空比使得基于电动机10的要求输出而设定的目标励磁电流If*与平均励磁电流If_av一致。
并且，生成开关控制信号SE1～SE3使得根据占空比来设定仅开关元件Q1接通的期间、开关元件Q1～Q3全部断开的期间、以及仅开关元件Q3接通的期间。
在该控制模式下，由于目标升压电流Ib*小，因此一个控制周期中的开关元件Q1～Q3全部断开的期间比开关元件Q1、Q3的任一者接通的期间短。
另外，在执行升压控制和励磁控制的控制模式下，根据通过图7来说明的方法，将模式(i)至模式(iii)作为控制的一个周期而重复执行。
该情况下，设定开关元件Q1和开关元件Q3的占空比使得基于电动机10的要求输出而设定的目标升压电流Ib*和目标励磁电流If*与平均升压电流Ib_av和平均励磁电流If_av一致。
并且，生成开关控制信号SE1～SE3使得根据占空比来设定仅开关元件Q1接通的期间、开关元件Q1～Q3全部断开的期间、以及仅开关元件Q3接通的期间。
此外，在图11中，不执行升压控制以及励磁控制的控制模式仅在加入了图6所示的开关元件Q3的结构中，使励磁电流If一直流过电抗器L1，因此需要通过调整马达电枢电流的大小来进行转矩控制。该情况下，存在由于励磁电流If而在电抗器L1中产生电力损失的问题。
如图12所示，上述问题能够通过新设置用于使蓄电池B的正极与电源线107之间不经由升压变换器120而直接连接的开关元件Q4而消除。
图12是用于说明基于控制装置100的开关元件Q4的开关控制的图。在所述开关控制中，控制装置100生成开关控制信号SE4，由此在控制的一个周期内持续执行图中的模式(iv)。
参考模式(iv)，通过接通开关元件Q4而断开开关元件Q1～Q3，直流电流如图中箭头所示那样从蓄电池B经由开关元件Q4而流向电源线方向。因此，流过电抗器L1的励磁电流If为0A。
该情况下，由于没有向电抗器L1供应电流，因此励磁控制和升压控制均不执行。另外，电抗器L1中产生的电力损失被抑制为大致为零。即，通过设有开关元件Q4，能够降低基于电抗器L1的电力损失。其结果是，能够提高电动机驱动装置1000的能率，因而能够提高电动车辆的燃油经济性。
在图12的结构中，开关元件Q4对应于本发明的“旁路用开关元件”。
图13是用于说明基于控制装置100的电动机10的驱动控制的流程图。
参考图13，控制装置100取得转矩指令值TR和马达转速MRN来作为针对电动机10的要求输出(步骤S01)。该转矩指令值TR和马达转速MRN通过控制装置100的上级的电子控制元件(ECU)来基于驾驶员的加速器操作而打开的加速踏板角度等计算的车辆所要求的驱动力来计算。
接着，控制装置100将图10的转矩与转速的关系预先存储为设定表，通过参考该设定表，并基于转矩指令值TR和马达转速MRN所属的动作区域的类别来设定最优的控制模式(步骤S02)。
此外，控制装置100基于转矩指令值TR和马达转速MRN来计算目标升压电流Ib*和目标励磁电流If*(步骤S03)。并且，控制装置100基于通过步骤S02来设定的控制模式、目标升压电流Ib*、以及目标励磁电流If*来设定开关元件Q1～Q4的占空比(步骤S04)。
最后，控制装置100根据设定的占空比来生成用于开关元件Q1～Q4的开关元件控制的开关控制信号SE1～SE4。即，控制装置100进行电动机10的励磁控制，并控制升压变换器120的升压动作(步骤S05)。
如上所述，在搭载有根据本实施方式的电动机驱动装置的电动车辆中，能够在低速旋转区域(即，低车速区域)中得到大的转矩，并在高速旋转区域(即，高车速区域)中以高效率来驱动电动机。其结果是，能够使驱动装置小型化，并实现基于电动机高输出化的车辆行驶性能的上升。
(电动机10的变形例)
最后，对可应用在基于本实施方式的电动机驱动装置上的电动机10的变形例进行说明。对与所述图1、图2所示的结构相同的结构标注相同的标号，从而省略其说明。
在以下所示的变形例涉及的任一电动机中，励磁绕组均采用升压变换器的电抗器进行兼用的结构。并且，通过上述的方法来控制开关元件Q1～Q4的占空比，由此能够彼此独立地进行电动机的励磁控制和升压控制。
(变形例1)
图14是本发明的实施方式的变形例1的电动机11的侧剖面图，图15是图14的XV-XV线的剖面图。
如图15所示，磁铁44包括：磁铁(第一磁铁)44a；以及设在与该磁铁44a相邻的位置上的磁铁(第二磁铁)44b、44c。磁铁44b、44c设在磁铁44a的两端部上。
位于转子铁芯43的外表面侧的磁铁44a的磁极被配置为与位于转子铁芯43的外表面侧的磁铁44b、44c的磁极不同。这样一来，由于设有磁铁44b、44c，因此在磁铁44a的磁通中加入了磁铁44b、44c的磁通，从而磁铁44的总磁通量比仅设有磁铁44a的磁通量大。并且，磁铁44a、44b、44c在转子40的两端部之间延伸。因此，能够得到与上述的电动机10相同的作用/效果。此外，从磁铁44a的外表面流入将来自磁铁44a的磁通、来自磁铁44b的磁通、来自磁铁44c的磁通结合在一起的磁通，因此与仅通过磁铁44a构成磁铁44时相比，能够使得到的转矩增大。
另外，磁铁44b、44c强力吸引从定子30向转子40的磁力线，因此能够通过图15所示的绕组24的磁通来抑制从定子30向转子40的磁力线的路径的偏差。
(变形例2)
图16是本发明的实施方式的变形例2的电动机的转子40的立体图。
参考图16，在转子40的外表面上设有磁铁44d和磁铁44e。
朝向外方的磁铁44d的表面为N极。而且，与该表面相对的表面为S极。即，磁铁44d的N极与S极在径向上排列，该磁铁44d从转子40的一个端部向另一个端部上延伸。
磁铁44e的轴向上的长度比磁铁44d短，从转子40的一个端部延伸至转子40的轴向的中央部。并且，磁铁44e被设置为覆盖转子40的外表面中的位于磁铁44d之间的部分。
朝向外方的磁铁44e的表面为S极，与磁铁44d不同极性的磁极朝向外方。
因此，形成经过磁铁44e、形成在与该磁铁44e相邻的位置上的磁铁44d、定子(未图示)的磁路。经过该磁路的磁通包括来自磁铁44e的磁通和来自磁铁44d的磁通从而流过大的磁通量，因此能够得到大的转矩。
并且，在位于磁铁44d之间的转子40的外表面中，与磁铁44e在轴向上相邻的转子40的外表面形成有转子齿45。
图17是图16的XVII-XVII线的剖面图。如图17所示，转子齿45位于的部分是与所述图1、图2所示的电动机10相同的结构。
因此，在形成有转子齿45的区域内，能够得到与上述的电动机10相同的作用/效果。
(变形例3)
图18是本发明的实施方式的变形例3的电动机14的侧剖面图，图19是图18所示的XIX-XIX线的剖面图。
参考图18，电动机14包括：旋转轴41；固定设置在旋转轴41上的转子40；设在定子30的外周上的励磁轭铁21；以及励磁绕组50。
如图19所示，转子40包括两个转子齿45，转子齿45被配置为彼此相对。
优选的是，转子齿45位于的部分的压粉转子铁芯43b的径向上的厚度t1为位于转子齿45之间的部分的压粉转子齿43b的径向上的厚度t2的2倍以上。
这样一来，通过使转子齿45向径向突出，能够抑制磁通从定子铁芯22向位于转子铁芯43、45之间的转子铁芯43的表面漏出。由此，电枢绕组交链磁通增加，因此能够增大转矩。
设定转子齿的角度θ1使得当转子齿45的周向上的中心与一个定子齿23的周向上的中心在径向上重合时转子齿45的端部与其他的定子齿23的端部在径向上一致。例如，当定子齿的角度θ2为15deg的情况下，转子齿角度θ1为75deg左右。
一般而言，当转子齿角度θ1增大时转矩发生面积增大，因此转矩增大。但是，在图19中，当转子齿角度θ1大于75deg时，不相对的定子齿23位于转子齿45的周向端部附近，从而磁通漏向定子齿23而转矩减小。
另外，根据转矩发生面积以及转子铁芯22内与励磁轭铁21内的磁力饱和之间的关系来设定定子齿角度θ2。当增大定子齿角度θ2时，转矩发生面积增大，电机绕组交链磁通增大，另一方面，在励磁轭铁21内发生由于磁力饱和引起的转矩下降。
对如上述那样构成的电动机14的动作进行说明。在图18中，产生如下磁力线mt6，其通过向励磁绕组50供应电流，在从励磁轭铁21的突部21c进入压粉转子铁芯43b内后，从层叠转子铁芯43a的转子齿45进入定子铁芯22内，之后到达励磁轭铁21并再次返回突部21c。
在图19中，磁力线mt6从转子齿45起到达定子铁芯22，因此转子齿45的表面具有N极的极性。因此，本变形例3的电动机14与一般的永磁铁同步马达执行相同的动作。
并且，通过调整供应给励磁绕组50的电流量，能够调整生成的磁通量。由此，能够进行“弱励磁控制”和“强励磁控制”。
(变形例4)
图20是本发明的实施方式的变形例4的电动机15的侧剖面图，图21是图21所示的XXI-XXI线的剖面图。此外，图22是图21的XXII-XXII线的剖面图。
参考图20，本变形例15的电动机15包括：筒状地形成的定子30；设在定子30的外周并能够流过磁通的励磁轭铁21；配置在定子30内，以可旋转的方式设置的旋转轴41；固定设置在旋转轴41的外表面上的转子70；以及励磁绕组50A、50B。
参考图21，定子30包括：内周面形成有定子齿23的定子铁芯22；以及卷绕在定子铁芯22上的电枢绕组24。如图20、图21所示，转子70包括：固定设置在旋转轴41上的上侧转子43U；以及相对于上侧转子43U在旋转轴41的轴向上隔有间隔而固定设置在旋转轴41上的下侧转子43D。
上侧转子43U包括：固定设置在旋转轴41上，并且外周面形成有多个转子齿45U的转子铁芯71(第一转子铁芯)；以及设在转子齿45U之间的磁铁44A。
转子铁芯71包括：筒状的外侧转子铁芯42a；以及配置在外侧转子铁芯42a的内周，并固定设置在旋转轴41上的内侧转子铁芯42b。
外侧转子铁芯42a在轴向上层叠多个磁性钢板而构成，在层叠钢板间稍有间隙。内侧转子铁芯42b通过一体的磁性材料(例如，SMC)构成。因此，与外侧转子铁芯42a的轴向上的磁阻相比，内侧转子铁芯42b的轴向上的磁阻更小。
并且，转子齿45U以在外侧转子铁芯42a的外表面上在周向上隔有间隔的方式被形成多个。转子齿45U从外侧转子铁芯42a的轴向上的一端向另一端延伸。
磁铁44A设置在相对于转子齿45U在转子铁芯71的周向上相邻的位置上，并配置使得覆盖位于转子齿45U之间的转子铁芯71的外表面。
如图22所示，下侧转子43D包括：固定设置在旋转轴41上，并且外表面具有多个转子齿45D的转子铁芯(第二转子铁芯)72；以及设在转子齿45D上的磁铁44B。
转子铁芯72包括：筒状的外侧转子铁芯42c；以及配置在外侧转子铁芯42c的内周，并固定设置在旋转轴41上的内侧转子铁芯42d。
外侧转子铁芯42c在轴向上层叠多个磁性钢板而构成，在层叠钢板间稍有间隙。内侧转子铁芯42d通过压粉磁心构成。因此，与外侧转子铁芯42c的轴向上的磁阻相比，内侧转子铁芯42d的轴向上的磁阻更小。
并且，转子齿45D以在外侧转子铁芯42c的外表面上在周向上隔有间隔的方式被形成多个。转子齿45D从外侧转子铁芯42c的轴向上的一端向另一端延伸。
并且，转子齿45D设在相对于图21所示的转子齿45U在转子铁芯72的周向上错开的位置上。即，如果从旋转轴41的轴向上俯视，则转子齿45D配置为位于转子齿45U之间。
这里，在图21中，磁铁44A的外周的磁性为S极，磁铁44A的内周侧的磁性为N极。即，转子铁芯71的径向内方侧配置有S极，径向外方侧配置有N极。并且，如图22所示，磁铁44B的外周的磁性为N极，磁铁44B的内周侧的磁性为S极。即，转子铁芯72的径向内方侧配置有S极，径向外方侧配置有N极。如上述那样设置使得磁铁44A的外周的磁性与磁铁44B的外周的磁性不同。
图23是转子70的立体图。参考图23，转子齿45D相对于磁铁44A位于旋转轴41的轴向上，转子齿45U相对于磁铁44B位于旋转轴41的轴向上。如上所述，磁铁44A和磁铁44B被配置为在转子铁芯71的周向上彼此分开。
在图20中，励磁轭铁21从定子铁芯22的轴向上的一端向另一端延伸设置，并通过压粉磁心形成。励磁轭铁21包括向上侧转子43U和下侧转子43D突出的突出部51。突出部51向内侧转子铁芯42b、42d突出。励磁绕组50A、50B通过在突出部51上缠绕绕组而形成。
图24是图20的XXIV-XXIV线的剖面图。如该图24、图21所示，在位于转子铁芯71和转子铁芯72之间的旋转轴41的外表面上固定设置有环状的环形磁铁60。环形磁铁60的一对磁极被排列在旋转轴41的轴向上，转子铁芯71侧的端面为N极，转子铁芯72侧的端面为S极。
特别是，环形磁铁60的轴向上的端面与内侧转子铁芯42b、42d接触。另外，环形磁铁60的外径比外侧转子铁芯42a、42c的内径小。
在如上述那样构成的电动机15中，来自环形磁铁60的磁通首先在内侧转子铁芯42b内的轴向上前进。并且，在内侧转子铁芯42b的某个位置上位移成径向，并进入外侧转子铁芯42a内。接着，磁通在外侧转子铁芯42a内的周向和径向上前进，当到达转子齿45U时，经由气隙而进入被励磁为S磁极的定子齿23内。
并且，进入定子齿23内的磁通在定子铁芯22内向径向和周向上进行位移，并到达励磁轭铁21内。磁通在励磁轭铁21内向周向和轴向上进行位移，从而向下侧转子43D进行位移。
在下侧转子43D中，磁通从励磁轭铁21进入定子铁芯22内，并从对励磁为N磁极的定子齿23经由气隙而进入转子齿45U内。并且，磁通在内侧转子铁芯42d内向轴向上进行位移，返回环形磁铁60的S磁极。
此外，在本变形例中，设在上侧转子43U的表面上的磁铁44A包括以隔着旋转轴41相对的方式配置的一对磁铁。当来自上述的一对磁铁的磁通从各磁铁的径向内方侧的表面进入外侧转子铁芯42a内时，在外侧转子铁芯42a内向周向上进行位移，并从转子齿45U经由气隙而进入定子齿23内。
并且，进入定子齿23内的磁通在定子铁芯22内进行位移，并从定子齿23经由气隙而返回磁铁。
这里，来自环形磁铁60的磁通能够在外侧转子铁芯42a内流通的区域被来自磁铁44A的磁通限制在转子齿45U内。由此，能够抑制来自环形磁铁60的磁通从转子齿45U以外的区域向定子铁芯22流动，从而能够降低所谓的漏磁通。其结果是，能够提高施加在上侧转子43U上的旋转力。
同样地，设在下侧转子43D的表面上的磁铁44B包括以隔着旋转轴41相对的方式配置的一对磁铁。并且，通过来自该磁铁44B的磁通，将来自环形磁铁60的磁通能够从定子铁芯22进入外侧转子铁芯42c的区域限制在定子铁芯22与转子齿45D相对的区域内。由此，能够降低漏磁通，从而能够提高施加到下侧转子43D的旋转力。
并且，在进行本变形例4的电动机15的强励磁控制的情况下，励磁绕组50A、50B将被供应电流。此时，通过励磁绕组50A产生的磁通从励磁轭铁21的突出部51进入内侧转子铁芯42b，之后励磁绕组50A被供应电流使得形成从外侧转子铁芯42a经由气隙和定子铁芯22而到达励磁轭铁21的磁路。
另外，通过励磁绕组50B产生的磁通从励磁轭铁21的侧壁部进入定子铁芯22内，之后绕组50B被供应电流使得形成经由气隙从内侧转子铁芯42d的轴向端部进入励磁轭铁21的突出部51的磁路。
由此，来自励磁绕组50A的磁通与来自环形磁铁60的磁通同样地从转子齿45U到达定子齿23，因此与来自环形磁铁60的磁通共同作用从而使上侧转子43U向旋转方向上加速。
另外，来自励磁绕组50B的磁通与来自环形磁铁60的磁通同样地从定子齿23到达转子齿45D，因此与来自环形磁铁60的磁通共同作用从而使下侧转子43D向旋转方向上加速。
其结果是，即使当转子70的转速低时，也能够使转子70产生大的转矩。
在上述的电动机10及其变形例1、2、4中将磁铁设在转子的外表面上，但不限于此，也可以在转子中内置磁铁。即，本发明的电动机驱动装置不仅适用于SPM(Surface Permanent Magnet，表面式永磁型装置)，也能够适用于IPM(Interior Permanent Magnet，内置式永磁型装置)。在如上述那样构成的转子中，能够有效地利用磁转矩(永磁铁与绕组之间的吸引排斥力)和磁阻转矩(使磁力线的弯曲成为直线的力＝绕组吸引铁的力)的二者。
应认为本次公开的实施方式的所有点均仅为例示而不用于限制本发明。本发明的范围并非以上述的说明表示，而是通过权利要求书表示，意图在于包括与权利要求书同等意思以及范围内的所有的变更。
产业上的实用性
本发明可以应用在能够调整电枢绕组交链磁通量的电动机的驱动装置上。

Claims (18)

1.一种电动机驱动装置，是电动机(10)的驱动装置，包括励磁绕组(50)，并具有通过在所述励磁绕组(50)中流过励磁电流而形成的励磁极，所述电动机(10)的驱动装置包括：
电源(B)；
变换器(120)，对所述电源(B)的输出电压进行电压变换，并输出到第一、第二电源线之间；以及
逆变器(140)，接受第一、第二电源线之间的电压，并将其变换为驱动控制所述电动机(10)的电力；
所述变换器(120)包括电连接在所述励磁绕组(50)和所述第二电源线之间的升压用开关元件(Q1)，
所述励磁绕组(50)电连接在所述电源(B)和所述第一电源线之间的电流路径上，并被构成为使得两端被施加通过所述升压用开关元件(Q1)进行开关的电压，
所述电动机驱动装置还包括：
励磁用开关元件(Q3)，与所述励磁绕组(50)并联地连接；以及
控制装置(100)，对所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)进行开关控制，由此控制所述励磁电流来调整转子(40)和定子(30)之间的磁通密度，并控制从所述变换器(120)输出给所述第一电源线的升压电流，将所述电源(B)的输出电压变换为基于电压指令值的电压。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其中，
所述控制装置(100)包括：
目标电流设定单元，根据所述电动机(10)的转速和所要求的转矩来设定所述励磁电流的目标值和所述升压电流的目标值；
占空比计算单元，根据所述励磁电流以及所述升压电流的目标值来计算所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)的占空比；以及
控制信号生成单元，生成用于根据计算出的所述占空比来开关所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)的开关控制信号。
3.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其中，
所述控制信号生成单元生成所述开关控制信号，使得根据所述占空比来设定仅所述升压用开关元件(Q1)接通的期间、所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)断开的期间、以及仅所述励磁用开关元件(Q3)接通的期间。
4.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其中，
还包括旁路用开关元件(Q4)，所述旁路用开关元件(Q4)用于形成电流路径使得在所述电源(B)和所述第一电源线之间旁通所述励磁绕组(50)，
在所述电压指令值与所述电源(B)的输出电压相等且所述励磁电流的目标值为预定值以下的情况下，所述占空比计算单元将所述旁路用开关元件(Q4)的接通占空比设定为1，
所述控制信号生成单元根据所述接通占空比来生成所述开关控制信号，使得所述旁路用开关元件(Q4)接通且所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)断开。
5.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其中，
所述电动机(10)被构成为能够产生车辆的驱动力，
所述控制装置(100)还包括：
基于所述车辆的驾驶员的加速器操作来计算所述车辆的要求驱动力，并通过所计算出的所述车辆的要求驱动力来计算所述电动机(10)所要求的转矩的单元；以及
根据所述电动机(10)的转速和所述电动机(10)所要求的转矩来设定所述电压指令值的单元；
在所述电动机(10)的转速处在所述电压指令值与所述电源(B)的输出电压相等的预定的转速区域内的情况下，所述占空比计算单元根据所述励磁电流的目标值来计算所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)的占空比，
所述控制信号生成单元生成所述开关控制信号，使得根据所述占空比来设置仅所述升压用开关元件(Q1)接通的期间、所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)断开的期间、以及仅所述励磁用开关元件(Q3)接通的期间。
6.根据权利要求5所述的电动机驱动装置，其中，
在所述电动机(10)的转速超过所述预定的转速区域的情况下，所述占空比计算单元根据所述励磁电流和所述升压电流的目标值来计算所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)的占空比。
7.根据权利要求6所述的电动机驱动装置，其中，
还包括旁路用开关元件(Q4)，所述旁路用开关元件(Q4)用于形成电流路径使得在所述电源(B)和所述第一电源线之间旁通所述励磁绕组(50)，
在所述电动机(10)所要求的转矩下降至低于电动机(10)能够输出的最大转矩的情况下，所述占空比计算单元将所述旁路用开关元件(Q4)的接通占空比设定为1，
所述控制信号生成单元根据所述接通占空比来生成所述开关控制信号，使得所述旁路用开关元件(Q4)接通且所述升压用开关元件(Q1)和所述励磁用开关元件(Q3)断开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电动机驱动装置，其中，
所述电动机(10)包括：
旋转轴(41)，能够进行旋转；
转子铁芯(43)，被固定设置在所述旋转轴(41)上；
磁铁(44)，被设置在所述转子铁芯(43)上使得在所述转子铁芯(43)的径向上排列有不同磁性的一组磁极；
定子铁芯(22)，被形成为筒状；
励磁轭铁(21)，被设置在所述定子铁芯(22)的外周上；以及
励磁绕组(50)，通过在所述励磁轭铁(21)和所述转子铁芯(43)之间形成磁路，能够控制所述转子铁芯(43)和所述定子铁芯(22)之间的磁通密度。
9.根据权利要求8所述的电动机驱动装置，其中，
所述转子铁芯(43)包括：
第一转子铁芯(43a)，该第一转子铁芯(43a)为筒状，通过层叠多个钢板而形成；以及
第二转子铁芯(43b)，被设置在所述第一转子铁芯(43a)的内周，由一体成形的磁性材料构成；
并且，所述励磁轭铁(21)由一体成形的磁性材料构成。
10.根据权利要求9所述的电动机驱动装置，其中，
所述转子铁芯(43)还包括凸极部(45)，所述凸极部(45)被设置在所述第一转子铁芯(43a)的外表面上使得向径向外方突出，
所述磁铁(44)被设置在所述第一转子铁芯(43a)的外表面上的、与所述凸极部(45)在周向上相邻的位置上。
11.根据权利要求10所述的电动机驱动装置，其中，
所述磁铁(44)包括第一磁铁(44a)和被设置在与所述第一磁铁(44a)在周向上相邻的位置上的第二磁铁(44b、44c)，
所述第一磁铁(44a)和所述第二磁铁(44b、44c)被设置成使得位于所述第一转子铁芯(43a)的外表面的部分的磁极彼此不同。
12.根据权利要求9所述的电动机驱动装置，其中，
所述磁铁(44)包括：以在周向上相邻的方式被设置在所述第一转子铁芯(43a)的外表面上的第一磁铁(44d)和第二磁铁(44e)，
所述第一磁铁(44d)被形成为在所述转子铁芯(43)的轴向上长于所述第二磁铁(44e)，
所述第一转子铁芯(43a)包括凸极部(45)，所述凸极部(45)形成在所述第一磁铁(44d)之间的、在所述转子铁芯(43)的轴向上与所述第二磁铁(44e)相邻的位置上，并被设置成向所述径向外方突出。
13.根据权利要求9所述的电动机驱动装置，其中，
所述磁铁(44)被埋设在所述第一转子铁芯(43a)内。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的电动机驱动装置，其中，
所述电动机(10)包括：
旋转轴(41)，能够进行旋转；
转子铁芯(43)，被固定设置在所述旋转轴(41)上；
凸极部(45)，被设置在所述转子铁芯(43)的外表面上使得向径向外方突出；
定子铁芯(22)，被形成为筒状；
励磁轭铁(21)，被设置在所述定子铁芯(22)的外周；以及
励磁绕组(50)，通过在所述励磁轭铁(21)和所述转子铁芯(43)之间形成磁路，能够控制所述转子铁芯(43)和所述定子铁芯(22)之间的磁通密度。
15.根据权利要求14所述的电动机驱动装置，其中，
所述转子铁芯(43)包括：
第一转子铁芯(43a)，所述第一转子铁芯(43a)为筒状，通过层叠多个钢板而形成；以及
第二转子铁芯(43b)，被设置在所述第一转子铁芯(43a)的内周，由一体成形的磁性材料构成；
并且，所述励磁轭铁(21)由一体成形的磁性材料构成。
16.根据权利要求1至7中任一项所述的电动机驱动装置，其中，
所述电动机(10)包括：
定子铁芯(22)，被形成为筒状；
励磁轭铁(21)，被设置在所述定子铁芯(22)的外周上；
旋转轴(41)，以能够旋转的方式被设置在所述定子铁芯(22)的内周侧；
第一转子铁芯(71)和第二转子铁芯(72)，以沿所述旋转轴(41)的轴向相邻的方式被固定设置在所述旋转轴(41)上；
第一磁铁(60)，被固定设置在位于所述第一转子铁芯(71)和所述第二转子铁芯(72)之间的所述旋转轴(41)上，且一对磁极被配置在所述旋转轴(41)的轴向上；
第一凸极部(45U)，被设置在所述第一转子铁芯(71)的外表面上使得向径向外方突出；
第二磁铁(44A)，被设置在相对于所述第一凸极部(45U)在周向上相邻位置上；
第二凸极部(45D)，被设置在所述第二转子铁芯(72)的外表面上，使得向径向突出且相对于所述第一凸极部(45U)在周向上错开；
第三磁铁(44B)，被设置在相对于所述第二凸极部(45D)在周向上相邻的位置上；以及
励磁绕组(50A、50B)，通过在所述第一转子铁芯(71)和所述第二转子铁芯(72)的至少一者与所述励磁轭铁(21)之间形成磁路，能够控制所述第一转子铁芯(71)和所述第二转子铁芯(72)的至少一者与所述定子铁芯(22)之间的磁通密度。
17.根据权利要求16所述的电动机驱动装置，其中，
所述第二磁铁(44A)和所述第三磁铁(44B)被设置成使得各自位于所述第一转子铁芯(71)和所述第二转子铁芯(72)的外表面上的部分的磁极彼此不同。
18.根据权利要求17所述的电动机驱动装置，其中，
所述第一转子铁芯(71)和所述第二转子铁芯(72)各自具有：通过层叠多个钢板而形成的筒状的外侧转子铁芯(42a、42c)、和被设置在所述外侧转子铁芯(42a、42c)的内周上并由一体成形的磁性材料构成的内侧转子铁芯(42b、42d)，
所述励磁轭铁(21)由一体成形的磁性材料构成。
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