CN101946386A - 永久磁铁式旋转电机、永久磁铁式旋转电机的组装方法、永久磁铁式旋转电机的分解方法以及永久磁铁电动机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明以提供一种能够以高输出进行从低速到高速的大范围的可变速运转，能够在大的运转范围谋求效率提高、可靠性提高、制造性提高的永久磁铁式旋转电机为目的，以下为永久磁铁式旋转电机的特征，所述永久磁铁式旋转电机中，使用矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁(3)以及矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁(4)形成磁极，在第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在第二永久磁铁无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上，通过在磁极中电枢绕组的电流生成的磁场使第一永久磁铁磁化，据此，能够使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化。

Description

永久磁铁式旋转电机、永久磁铁式旋转电机的组装方法、永久磁铁式旋转电机的分解方法以及永久磁铁电动机驱动系统

技术领域

本发明涉及永久磁铁式旋转电机、永久磁铁式旋转电机的组装方法、永久磁铁式旋转电机的分解方法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成两种类型。分别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和将永久磁铁埋入转子铁心之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，埋入型永久磁铁式旋转电机合适。

使用图20，说明以往的埋入型永久磁铁式旋转电机的结构。在转子1的转子铁心2的外周部，均分地设置数量为极数的长方形的空洞。图20是四极的转子1，设置四个空洞，并分别将永久磁铁4插入。永久磁铁4在转子1的半径方向，或者在永久磁铁4的截面的长方形中与气隙面相向的边(图20中为长边)呈直角方向被磁化。为了不因负荷电流而消磁，永久磁铁4主要应用矫顽磁力高的NdFeB永久磁铁等。转子铁心2是将穿凿了空洞的电磁钢板叠层而形成。这样的转子1被收容在定子20的内部。该定子20通过将电枢绕组21收容在形成于定子铁心22的内侧的狭缝而构成。然后，定子20的内周面和转子1的外周面隔着气隙23相向。

作为这样的永久磁铁式旋转电机的公知例，已知《埋入磁铁同步电动机的设计和控制》、武田洋次等著、ォ一ム公司发行(非专利文献1)、日本特开平07-336919号公报(专利文献1)。另外，作为可变速特性优异、高输出的旋转电机，有永久磁铁式磁阻型电动机。作为其公知例，已知日本特开平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)。再有，作为通过AlNiCo磁铁的埋入永久磁铁电动机使AlNiCo磁铁的磁力变化的旋转电机，已知美国专利第6800977号公报(专利文献4)以及Weschta，“Schachung desErregerfelds bei einer dauermagneterregten Synchronmaschine”，ETZ Archiv Vol.7，No3，79～84页(1985年)(非专利文献2)中记载的旋转电机。

在为非专利文献2的旋转电机的情况下，虽然通过使用了AlNiCo磁铁和铁素体磁铁的永久磁铁电动机使AlNiCo磁铁的磁通量变化，但是，虽然该结构中，能够使AlNiCo磁铁消磁，然而难以使之磁化，返回到原来的磁化状态。专利文献4记载的旋转电机是磁通集中型的埋入永久磁铁电动机，永久磁铁使用AlNiCo磁铁。该旋转电机是非专利文献2记载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，使AlNiCo磁铁的磁通量变化。但是，在为专利文献4的旋转电机的情况下，由于是单纯的AlNiCo磁铁的电动机，所以，不能得到足够的输出。另外，在非专利文献2以及专利文献4的旋转电机中，产生扭矩时，存在因负荷电流而产生的AlNiCo磁铁的消磁，存在由于因负荷电流而产生的消磁，扭矩降低的问题。因此，若欲通过能量乘积小的AlNiCo磁铁得到足够的扭矩，则AlNiCo磁铁的磁化方向厚度变厚。若永久磁铁变厚，则为了磁化该AlNiCo磁铁所必须的电流大幅增加，因此，永久磁铁的磁化困难，不能使永久磁铁的磁通量变化。

在永久磁铁式旋转电机中，因为永久磁铁的交链磁通总是恒定地产生，所以，因永久磁铁而产生的感应电压与旋转速度成比例地升高。因此，在从低速到高速进行可变速运转的情况下，在高速旋转时，因永久磁铁而产生的感应电压(逆电压)极高。若因永久磁铁而产生的感应电压施加于逆变器的电子零件，并达到其耐电压以上，则电子零件绝缘破坏。因此，考虑了进行将永久磁铁的磁通量削减到耐电压以下的设计，但是，在该情况下，在永久磁铁式旋转电机的低速区域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，因为永久磁铁的交链磁通恒定，所以，在高速旋转区域，旋转电机的电压达到电源电压上限，没有流动输出所必须的电流。其结果为，在高速旋转区域，输出大幅降低，再有，不能进行直至高速旋转的大范围的可变速运转。

最近，作为扩大可变速范围的方法，开始应用非专利文献1中记载的那样的弱磁通控制。电枢绕组的总交链磁通量由因d轴电流而产生的磁通和因永久磁铁而产生的磁通构成。在弱磁通控制中，通过产生因负的d轴电流而产生的磁通，利用因该负的d轴电流而产生的磁通，使全部交链磁通量减少。另外，即使在弱磁通控制中，也是高矫顽磁力的永久磁铁的磁特性(B-H特性)的动作点在可逆的范围变化。因此，永久磁铁应用高矫顽磁力的NdFeB磁铁，以便不会因弱磁通控制的消磁场而不可逆地消磁。

在应用了弱磁通控制的运转中，因为因负的d轴电流而产生的磁通使得交链磁通减少，所以，交链磁通的减少量生成了电压相对于电压上限值的富余量。这样，因为能够增加成为扭矩成分的电流，所以，在高速区域的输出增加。另外，能够使旋转速度上升电压富余量，扩大了可变速运转的范围。

但是，由于无助于输出的负的d轴电流总是持续流动，所以，铜损增加，效率恶化。再有，因负的d轴电流而产生的消磁场产生了高谐波磁通，通过高谐波磁通等产生的电压的增加造成了因弱磁通控制产生的电压降低的界限。由于这些，即使将弱磁通控制应用到埋入型永久磁铁式旋转电机中，也难以进行基底速度的三倍以上的可变速运转。再有，由于上述的高谐波磁通，铁损增加，存在在中·高速区域效率大幅降低的问题。另外，还存在由于因高谐波磁通而产生的电磁力，产生振动的问题。

在将埋入型永久磁铁电动机应用于混合汽车用驱动电动机的情况下，在仅用发动机驱动的状态下，电动机随同旋转。由于在中·高速旋转中，因电动机的永久磁铁而产生的感应电压上升，因此，为了抑制在电源电压以内，而通过弱磁通控制，使负的d轴电流持续流动。因为在该状态下，电动机产生的仅仅是损失，所以，综合运转效率恶化。

另一方面，在将埋入型永久磁铁电动机应用于电动列车用驱动电动机的情况下，电动列车有惯性运转的状态，与上述同样，为使因永久磁铁而产生的感应电压在电源电压以下，而通过弱磁通控制，使负的d轴电流持续流动。该情况下，因为电动机产生的也仅仅是损失，所以，综合运转效率恶化。

日本特开2006-280195号公报(专利文献5)记载了解决这样的问题点的技术。该专利文献5中记载了下述技术，即，与能够以高输出进行从低速到高速的大范围的可变速运转，实现效率提高、可靠性提高的永久磁铁式旋转电机相关，由设置了绕组的定子和配置了通过由定子绕组的电流生成的磁场来使磁通密度不可逆地变化的程度的低矫顽磁力的永久磁铁以及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构成，通过因电流而产生的磁场使低矫顽磁力的永久磁铁磁化，调整全部交链磁通量，以便在电源电压的最大电压以上的高速旋转区域，减少因低矫顽磁力的永久磁铁和高矫顽磁力的永久磁铁而产生的全部交链磁通。

再有，作为永久磁铁式电动机，日本特开平07-336980号公报(专利文献6)中记载的无碳刷DC马达也被公知。该无碳刷DC马达做成以转子铁心具有小矫顽磁力的第一磁铁部和大矫顽磁力的第二磁铁部，通过对电枢绕组的通电，仅使小矫顽磁力的第一磁铁部的磁化方向反转，进行转子铁心的磁极的磁通量的削减的结构，不必在消磁过程中一直在电枢绕组流通逆磁场电流，即可降低磁通。

在为该以往的无碳刷DC马达的情况下，不清楚第一磁铁部、第二磁铁部采用的磁铁的种类，就磁特性而言，从其图7来看，数值不清楚，因此无法特定，但是，从两者的磁特性图表的形状来推测，可以看出小矫顽磁力的第一磁铁部是铁素体类永久磁铁，大矫顽磁力的第二磁铁部好象是NdFeB永久磁铁。但是，即使是在像这样采用了图7所示的磁特性的矫顽磁力大小不同的两种永久磁铁的情况下，在铁素体类永久磁铁的情况下，存在由于矫顽磁力小，容易被消磁，也会被因q轴扭矩电流而产生的磁场消磁，为了消磁所必须的电流大，不能产生足够的扭矩等问题点。

另一方面，若作为用于使矫顽磁力超过300kA/m那样的永久磁铁消磁的永久磁铁来采用，则存在有必要流动为使之消磁的大的电流，电源增大，该永久磁铁的周围的部件由于因消磁电流产生的磁场而磁饱和，不能使永久磁铁消磁的问题点。另外，就永久磁铁的残留磁通密度而言，若像铁素体类永久磁铁那样，残留磁通密度比0.6T小，则存在磁通量的变化幅度变小，输出变化幅度变小的问题点。

专利文献1：日本特开平07-336919号公报

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号公报

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号公报

专利文献6：日本特开平07-336980号公报

非专利文献1：《埋入磁铁同步电动机的设计和控制》、武田洋次等著、ォ一ム公司

非专利文献2：Weschta，“Schachung des Erregerfelds bei einerdauermagneterregten Synchronmaschine”，ETZ Archiv Vol.7，No3，79～84页(1985年)。

发明内容

本发明是为解决上述以往技术的课题而做出的发明，其目的是提供一种能够在从低速到高速的大范围进行可变速运转，能够使低速旋转区域的高扭矩化和中·高速旋转区域的高输出化、提高效率、提高可靠性、提高制造性、削减材料、削减稀缺材料的永久磁铁式旋转电机以及永久磁铁电动机驱动系统。

本发明还以提供一种能够利用上述永久磁铁式旋转电机的特性，轻易地进行组装、分解的永久磁铁式旋转电机的组装方法以及分解方法为目的。

本发明的一个特征如下，是一种永久磁铁式旋转电机，所述永久磁铁式旋转电机具有：将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组；上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上；上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上；并且，在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上；据此，通过利用在上述磁极，上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，能够使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化。

本发明的又一特征如下，是上述结构的永久磁铁式旋转电机的组装方法，所述永久磁铁式旋转电机的组装方法是在将上述转子插入上述定子的内侧进行组装时，做成以因上述第一永久磁铁而产生的磁通和因上述第二永久磁铁而产生磁通在上述磁极或磁空隙面互为反方向的方式附磁的状态，进行组装。

另外，本发明的又一特征如下，是上述结构的永久磁铁式旋转电机的分解方法，所述永久磁铁式旋转电机的分解方法是在将上述转子从上述定子的内侧拔出时，做成以因上述第一永久磁铁而产生的磁通和因上述第二永久磁铁而产生的磁通在上述磁极或磁空隙面互为反方向的方式附磁的状态来拔出。

再有，本发明的另一特征如下，是一种永久磁铁电动机驱动系统，所述永久磁铁电动机驱动系统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、流动着用于对上述永久磁铁的磁通进行控制的磁化电流的磁化构件；上述永久磁铁电动机具有将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组；上述磁化构件通过使上述永久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流短时间流动所产生的磁场，在各磁极使上述第一永久磁铁磁化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，再有，通过使在上述电枢绕组流动的电流的电流相位变化来使磁化电流流动；上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上；上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上；并且，在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上；将形成上述磁极的上述第一永久磁铁和第二永久磁铁以它们的磁通相加的方式配置以及磁化；通过上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，使基于永久磁铁的交链磁通不可逆地减少，另外，在减少后，使上述电枢绕组的电流所形成的磁场反方向地产生，使上述第一永久磁铁磁化，使交链磁通量不可逆地增加。

根据本发明，可以提供一种能够在从低速到高速的大范围进行可变速运转，并且谋求低速旋转区域的高扭矩化和中·高速旋转区域的高输出化、提高效率、提高可靠性、提高制造性、削减材料、削减稀缺材料的永久磁铁式旋转电机。

另外，根据本发明的永久磁铁式旋转电机的组装方法以及分解方法，在上述的永久磁铁式旋转电机中，通过在将转子插入定子的内侧进行组装时或从定子拔出转子时，做成以因第一永久磁铁而产生的磁通和因第二永久磁铁而产生的磁通在磁极或磁空隙面互为反方向的方式附磁的状态进行组装或分解，能够在转子由磁吸引力向定子侧吸附的力小的状态下进行组装或分解，组装作业、分解作业不必使用抵抗磁吸附力的大的夹具即可轻易地进行。

另外，根据本发明，可以提供一种以上述的永久磁铁式旋转电机为永久磁铁电动机，能够在从低速到高速的大范围进行可变速运转，并且，能够在低速旋转区域以高扭矩运转，在中·高速旋转区域高输出、高效率运转的永久磁铁电动机驱动系统。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的永久磁铁式旋转电机的剖视图。

图2是在上述实施方式中，转子的永久磁铁采用的低矫顽磁力的永久磁铁和高矫顽磁力的永久磁铁的磁特性的图表。

图3是在上述实施方式的转子中，在通过短时间通电的d轴电流将永久磁铁不可逆地磁化，成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，因短时间通电的d轴电流而产生的消磁磁场的磁通的说明图。

图5是在上述实施方式的转子中，因短时间通电的d轴电流而产生的消磁磁场发挥了作用后(因d轴电流而产生的磁场消灭后)的永久磁铁的磁通(交链磁通为最小)的说明图。

图6是在上述实施方式的转子中，因正的d轴电流而产生的磁场和因负荷电流(q轴电流)而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久磁铁式旋转电机的BH特性图。

图10是表示上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统中的磁化要求生成部的内部结构的框图。

图11是表示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是由上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统进行的电动机控制的时序图。

图13是本发明的第四实施方式的永久磁铁式旋转电机中的转子的截面和磁通的说明图。

图14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视图。

图15是本发明的第八实施方式的永久磁铁式旋转电机中的转子的剖视图。

图16是本发明的第九实施方式的永久磁铁式旋转电机的剖视图。

图17是本发明的第十一实施方式的永久磁铁电动机驱动系统的框图。

图18是表示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是由上述实施方式的永久磁铁电动机驱动系统进行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视图。

具体实施方式

下面，根据附图，详细说明本发明的实施方式。另外，在下述各实施方式中，举例表示了四极的永久磁铁式旋转电机，但是，其它的极数也可以同样应用。

[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是表示本实施方式的永久磁铁式旋转电机的构造，是在定子20的内部以隔着气隙23相向的方式收容了转子1的构造。另外，定子20与以往例相同，是与图20相同的定子。

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由转子铁心2、矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3、矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁4构成。转子铁心2通过叠层硅钢板而构成，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3是AlNiCo磁铁，在转子铁心2的径向截面埋入有四个。该第一永久磁铁3也可以应用FeCrCo磁铁。矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁4是NdFeB磁铁，在转子铁心2的径向截面埋入有四个。

由AlNiCo磁铁构成的第一永久磁铁3沿转子1的大致径向配置，其截面为梯形状。另外，第一永久磁铁3的磁化方向为大致圆周方向，磁化方向的平均厚度(虽根据规格而有所不同)在本实施方式中为6mm。NdFeB磁铁构成的第二永久磁铁4沿大致圆周方向配置，其截面为长方形状。另外，第二永久磁铁4的磁化方向为大致径向，磁化方向的厚度在本实施方式中为2mm。

图2是表示应用于本实施方式的第一永久磁铁3用的铝镍钴磁铁(AlNiCo磁铁)、FeCrCo磁铁、第二永久磁铁4用的NdFeB磁铁的磁特性。AlNiCo磁铁的矫顽磁力(磁通密度为0的磁场)是60～120kA/m，是NdFeB磁铁的矫顽磁力950kA/m的1/15～1/8。另外，FeCrCo磁铁的矫顽磁力为约60kA/m，是NdFeB磁铁的矫顽磁力950kA/m的1/15。AlNiCo磁铁和FeCrCo磁铁与NdFeB磁铁相比，为相当低的矫顽磁力。

另外，从通过施加外部磁场，磁通密度可逆地变化的可逆磁化区域向通过施加外部磁场，磁通密度不可逆地变化的不可逆磁化区域转移的转折点，即，急折点在第一永久磁铁3用的AlNiCo磁铁(AlNiCo)中处于0.6T以上的位置，在FeCrCo磁铁中处于0.8T以上的位置。然后，在为第二永久磁铁4用的NdFeB磁铁的情况下，在第二象限、第四象限看不到急折点，通过施加外部磁场，磁通密度在整个区域可逆地变化。

阐述本实施方式的旋转电机中的永久磁铁的磁化。在d轴磁回路上，就NdFeB永久磁铁4而言，由于因d轴电流而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，因d轴电流而产生的磁场在每一极作用于一个NdFeB永久磁铁4。另一方面，就AlNiCo永久磁铁3而言，由于因d轴电流而产生的磁通通过处于磁极间的一个AlNiCo永久磁铁3，所以，因d轴电流而产生的磁场在每一极作用于NdFeB永久磁铁4的1/2个的量。即，要在一极量的磁回路上评价特性，只要使AlNiCo永久磁铁3的磁铁的厚度为1/2来进行评价即可。

在本实施方式中，在矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3应用矫顽磁力为120kA/m的AlNiCo磁铁。在本实施方式中，每一极的AlNiCo磁铁的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积是120kA/m×(6×10^-3/2)m＝360A。在矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁4应用矫顽磁力为1000kA/m的NdFeB磁铁。在本实施方式中，每一极的NdFeB磁铁的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积是1000kA/m×(2×10^-3)m＝2000A。在本实施方式中，NdFeB永久磁铁4的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大到AlNiCo永久磁铁3的5.6倍。

如图1所示，低矫顽磁力的AlNiCo永久磁铁3被埋入转子铁心2中，在AlNiCo永久磁铁3的两端部设置空洞5。AlNiCo永久磁铁3沿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。另外，AlNiCo永久磁铁3的易磁化方向是大致圆周方向，相对于半径为直角方向(在图1中，与将AlNiCo永久磁铁3的梯形截面二等分，并通过旋转中心的线呈直角)方向。

高矫顽磁力的NdFeB永久磁铁4也被埋入转子铁心2内，在NdFeB永久磁铁4的两端部设置空洞5。NdFeB永久磁铁4以由两个AlNiCo永久磁铁3在转子1的内周侧夹持的方式，配置在转子1的大致圆周方向。NdFeB永久磁铁4的易磁化方向是相对于转子1的圆周方向大致直角(在图1中，相对于NdFeB永久磁铁4的长方形截面的长边呈直角)方向。

然后，转子铁心2的磁极铁心部7以由两个AlNiCo永久磁铁3和一个NdFeB永久磁铁4包围的方式形成。如图1和图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，AlNiCo永久磁铁3配置在成为磁极间的中心轴的q轴方向，AlNiCo永久磁铁3的磁化方向相对于q轴为90°或-90°方向。在相邻的AlNiCo永久磁铁3中，相互面对的磁极面为同极。

NdFeB永久磁铁4配置在相对于成为磁极铁心部7的中心轴的d轴呈直角的方向，其磁化方向相对于d轴为0°或180°的方向。在相邻的NdFeB永久磁铁4中，相互的磁极的朝向为逆极性。

(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是表示可变磁通电动机101的图像。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为固定的固定磁铁FMG和磁性体的磁通密度可变的可变磁铁VMG。相对于以往的PM电动机仅仅有前者的固定磁铁FMG，本可变磁通电动机1的特征是具备可变磁铁VMG。

这里，对固定磁铁、可变磁铁加以说明。永久磁铁是指在没有从外部流入电流等的状态下维持磁化了的状态的磁铁，并不是在任何条件下其磁通密度严密不变化。即使是以往的PM电动机，也存在由于通过逆变器等流过过大的电流而导致消磁的情况。因此，永久磁铁是指其磁通量不是恒定不变，而是在接近通常的额定运转过程中的状态下，通过从逆变器等供给的电流，磁通密度大概不变化的磁铁。另一方面，上述的磁通密度可变的永久磁铁，即，可变磁铁是指在上述那样的运转条件下，由于通过逆变器等能够流过的电流，磁通密度变化的磁铁。

这样的可变磁铁VMG能够在依赖于磁性体的材质、构造的某种程度的范围内设计。例如，最近的PM电动机大多使用残留磁通密度Br高的NdFeB磁铁(钕磁铁)。在为该磁铁的情况下，因为残留磁通密度Br高达1.2T左右，所以，能够通过小的装置尺寸输出大的扭矩，适合要求电动机的高输出小型化的混合汽车(HEV)、电气列车。在为以往的PM电动机的情况下，虽然不会因通常的电流而消磁是主要条件，但是，因为该NdFeB磁铁(钕磁铁)具有约1000kA/m的非常高的矫顽磁力Hc，所以，是最适合PM电动机用的磁性体。因为为了PM电动机用，选定残留磁通密度大，矫顽磁力大的磁铁。

这里，将残留磁通密度高，矫顽磁力Hc小的铝镍钴AlNiCo磁铁(Hc＝60～120kA/m)、FeCrCo磁铁(Hc＝约60kA/m)这样的磁性体作为可变磁铁。通过通常的电流量(表示用逆变器驱动以往的PM电动机时流过的程度的电流量)，NdFeB磁铁的磁通密度(磁通量)大致恒定，AlNiCo磁铁等可变磁铁VMG的磁通密度(磁通量)可变。严格来说，由于作为固定磁铁FMG的NdFeB磁铁也在可逆区域利用，所以，虽然磁通密度在微小范围变动，但是，若逆变器电流消失，则恢复到最初的值。另一方面，由于可变磁铁VMG利用到不可逆区域，所以，即使逆变器电流消失，也不会到最初的值。图8中，作为可变磁铁VMG的AlNiCo磁铁的磁通量也仅仅是d轴方向的量变动，q轴方向大致为0。

图9举例表示固定磁铁FMG和可变磁铁VMG的BH特性(磁通密度-磁化特性)。另外，图10是以正确关系定量地仅表示图9的第二象限的图。在为NdFeB磁铁和AlNiCo磁铁的情况下，虽然它们的残留磁通密度Br1、Br2没有显著差异，但是，就矫顽磁力Hc1、Hc2而言，相对于NdFeB磁铁的Hc2，AlNiCo磁铁的Hc1为1/15～1/8，FeCrCo磁铁的Hc1为1/15。

在以往的永久磁铁电动机驱动系统中，因逆变器的输出电流而产生的磁化区域与NdFeB磁铁的矫顽磁力相比非常小，在其磁化特性的可逆范围被利用。但是，可变磁铁由于矫顽磁力像上述那样小，所以，在逆变器的输出电流的范围内，能够在不可逆区域(即使使电流为0，也不会恢复到施加电流前的磁通密度B)利用，能够使磁通密度(磁通量)可变。

将可变磁通电动机1的动特性的等效简易模型表示为公式(1)。该模型是以d轴作为磁铁磁通方向，以q轴为与d轴正交的方向来给出的dq轴旋转坐标系上的模型。

[数1]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vd}\\ \mathrm{Vq}\end{array}\right]=\frac{d}{\mathrm{dt}}\×\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Ld}& 0\\ 0& \mathrm{Lq}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\\ \mathrm{Iq}\end{array}\right]$

$+\left[\begin{array}{cc}R1& -\mathrm{\ω}1\×\mathrm{Lq}\\ \mathrm{\ω}1\×\mathrm{Ld}& R1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\\ \mathrm{Iq}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ \mathrm{\ω}1\×(\mathrm{\Φfix}+\mathrm{\Φvar})\end{array}\right]...\left(1\right)$

这里，R1是绕组电阻，Ld是d轴感应系数，Lq是q轴感应系数，Φfix是固定磁铁的磁通量，Φvar是可变磁铁的磁通量，ω1是逆变器频率。

图7表示第一实施方式的永久磁铁电动机驱动系统100的主回路100A以及控制回路100B。主回路100A由直流电源103、将直流电力转换为交流电力的逆变器104、被该逆变器104的交流电力驱动的可变磁通永久磁铁电动机101构成。然后，在主回路100A设置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118。

接着，说明控制回路100B。这里的输入是运转指令Run^＊和扭矩指令Tm^＊。运转指令生成部116将运转指令Run^＊和由保护判定部117判断的保护信号PROT作为输入，生成输出运转状态标识Run。基本来说，在运转指令进入的情况下(Run^＊＝1)，使运转状态标识Run为运转状态(Run＝1)，在运转指令指示了停止的情况下(Run^＊＝0)，使运转状态标识Run为停止状态(Run＝0)。再有，在保护检测的情况下(PROT＝1)，即使运转指令Run^＊＝1，运转状态也是停止状态Run＝0。

门指令生成部115输入运转状态标识Run，生成并输出向逆变器104固有的开关元件的门指令Gst。在该门指令生成部115，以在运转状态标识Run从停止(Run＝0)向运转(Run＝1)改变的情况下，立即成为门起动(Gst＝1)，在运转状态标识Run从运转(Run＝1)向停止(Run＝0)改变的情况下，在经过规定时间后，为门关闭(Gst＝0)的方式发挥作用。

磁通指令演算部112将运转状态标识Run和逆变器频率ω1，即，转子旋转频率ωR作为输入，例如像下面公式(2)那样生成并输出磁通指令Φ^＊。即，在为运转停止(Run＝0)的情况下，使磁通指令Φ^＊为最小Φmin，在为运转状态(Run＝1)，且旋转频率ωR比规定值低的情况下，使磁通指令Φ^＊为最大Φmax，另外，在速度比规定值高的情况下，使磁通指令Φ^＊为最小Φmin。

[数2]

If(Run＝0)

Φ^＊＝Φmin

Else if(|ω1|＜ωA)

Φ^＊＝Φmax  ......(2)

Else

Φ^＊＝Φmin

这里，Φmin是作为可变磁通电动机101取得的最小磁通量(＞0)，Φmax是作为可变磁通电动机101取得的最大磁通量，ωA是规定的旋转频率。另外，后面，在可变磁通控制部113的部分说明磁通量的Φmin、Φmax的设定。

在电流基准演算部111，将扭矩指令Tm^＊和磁通指令Φ^＊作为输入，像下述公式(3)、(4)那样演算d轴电流基准IdR和q轴电流基准IqR。

[数3]

IdR＝0    ......(3)

IqR＝Tm^＊/Φ^＊    ......(4)

该公式(3)、(4)是假设没有使用电动机的磁阻扭矩的情况，使电动机极数也为0的演算式。可以是存在d轴感应系数Ld和q轴感应系数Lq的差异ΔL的突极形电动机，也可以是没有差异的非突极形的电动机。

但是，在考虑效率的最佳化、规定电流时的最大输出的情况下，有效的是考虑磁阻扭矩。该情况下，例如像下述公式那样演算。

[数4]

$\mathrm{IqR}=(-{\mathrm{\Φ}}^{*}+\sqrt{{\mathrm{\Φ}}^{*2}-4\×(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\×K\×{\mathrm{Tm}}^{*}})/2\×(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\×K...\left(5\right)$

IdR＝K×IqR    ......(6)

这里，K是d轴电流和q轴电流的比率，是根据上述的效率最佳化、最大输出等用途而变化的值。为了谋求最佳化，采用函数形式，作为其变元使用扭矩、速度等。另外，也可以简单的近似、表格化来使用。另外，公式(5)的磁通指令Φ^＊即使使用后述的磁通推定值Φh，也能够动作。

图10表示磁化要求生成部129的详细的结构。该图10的框由控制微电脑在每个规定时间进行控制。磁通指令Φ^＊被输入上次值的保持部131，其值被保持。上次值的保持部131的输出是上次存储的磁通指令Φ^＊，与本次的磁通指令值Φ^＊一起被输入变化判定部130。在变化判定部130中，在输入有两个变化的情况下输出1，在没有变化的情况下输出0。即，仅在磁通指令Φ^＊变化了的情况下，1成立。替代磁通指令Φ^＊，就运转状态标识Run而言，也具有上述同样的回路，被输入上次值的保持部133，其值被保持。上次值的保持部133的输出是上次存储的运转状态标识Run，与本次的运转状态标识Run一起被输入变化判定部134。两个变化判定部130、134的输出被输入逻辑和演算部(OR)132，这些逻辑和作为磁化要求标识FCreq被输出。

作为磁化要求生成部129的输出的磁化要求标识FCreq在磁通指令Φ^＊变化了的情况下，或在运转状态标识Run变化了的情况下，成为磁化要求(FCreq＝1)，除此之外为没有要求(FCreq＝0)。另外，运转状态标识Run变化的状态是指逆变器起动时、停止时、因保护而停止时等。另外，虽然这里使用了磁通指令Φ^＊，但是也可以通过后述的可变磁通控制部113的磁化电流指令Im^＊(磁化电流表格(電流テ一ブル)127的输出)的变化生成磁化要求FCreq。

图11表示可变磁通控制部113的详细的结构。可变磁通控制部113输入作为磁通指令演算部112的输出的磁通指令Φ^＊，输出对d轴电流基准IdR进行校正的d轴磁化电流差的量ΔIdm^＊。该磁化电流差的量ΔIdm^＊的生成通过下述的演算处理进行。

为了将可变磁铁VMG磁化，只要根据图9的可变磁铁的BH特性，求出规定的磁化电流指令Im^＊即可。特别是，磁化电流指令Im^＊的大小设定成图9中的H1sat以上，即，成为可变磁铁的磁化饱和区域。

为了使磁化电流一直流动到磁化饱和区域，应由磁通指令演算部112设定的磁通量Φmin、Φmax作为将固定磁铁的量加上可变磁铁的磁通(磁通密度)为正乃至负的最大(饱和)值后的值，进行设定。若设可变磁铁VMG的磁通量的正的最大值为Φvarmax(负的最大值的绝对值与正的最大值相等)，设固定磁铁FMG的磁通量为Φfix，则为下述公式。

[数5]

Φmin＝Φfix-Φvarmax  ......(7)

Φmax＝Φfix+Φvarmax  ......(8)

将磁通指令Φ^＊作为输入，通过存储了对应的磁化电流的磁化电流表格127，输出用于得到磁通指令Φ^＊的磁化电流指令Im^＊。

基本上，因为以磁铁的磁化方向为d轴，所以，磁化电流指令Im^＊提供给d轴电流指令Id^＊。在本实施方式中，因为做成将作为来自电流基准演算部111的输出的d轴电流基准IdR由d轴磁化电流指令差量ΔIdm^＊校正，作为d轴电流指令Id^＊的结构，所以，通过减算器126，由下述公式求出d轴磁化电流指令ΔIdm^＊。

[数6]

ΔIdm^＊＝Im^＊-IdR  ......(9)

另外，也可以做成在磁通切换时，直接向d轴电流指令Id^＊施加磁化电流Im^＊的结构。

另一方面，磁化要求标识FCreq在要求欲切换磁通时，至少瞬间切换要求(FCreq＝1)成立。为了切实地使磁通可变，将磁化要求标识FCreq向最小接通脉冲器128输入。作为该输出的磁化结束标识(＝1：正在磁化、＝0：磁化结束)具有在一旦输入了接通(＝1)的情况下，在规定的时间的期间不会接通(＝0)的功能。在超过规定时间，输入为接通(＝1)的情况下，在其成为断开的同时，输出也为断开。

磁化结束标识被输入切换器123，在为正在磁化(磁化结束标识＝1)的情况下进行减算器126的输出，在为磁化结束(磁化结束标识＝0)的情况下，输出0。

电压指令演算部110根据通过上述生成的dq轴电流指令Id^＊、Iq^＊，以使与该指令一致的电流流动的方式，生成包括电流控制器在内的dq轴电压指令Vd^＊、Vq^＊。

然后，通过坐标转换部105，将电压指令演算部110的dq轴电压指令Vd^＊、Vq^＊转换成三相电压指令Vu^＊、Vv^＊、Vw^＊，根据该三相电压指令，PWM回路106通过PWM生成门信号，对逆变器104进行PWM控制。另外，坐标转换部107对电流检测器102的交流检测电流Iu、Iw进行两轴dq轴转换，转换成dq轴电流检测值Id、Iq，向电压指令演算部110输入。另外，模拟微分器108根据速度检测器118的信号求出逆变器频率ω1。另外，电压指令演算部110、坐标转换部105、107、PWM回路106采用与以往同样的公知技术。

图12表示各信号的动作的时序图的一个例子。这里，虽然是保护信号没有成立的状况(PROT＝0)，但是，通过运转状态标识Run的变化以及磁通指令Φ^＊的变化，磁化要求标识成立，将其确保规定时间幅度的磁化结束标识成立，仅在该磁化结束标识的期间，磁化电流指令Im^＊具有值。

接着，说明这样构成的本实施方式的永久磁铁式旋转电机，还有其驱动系统的作用。每一极的磁化所需要的磁动势通过磁化所需要的磁场和每一极的永久磁铁的厚度的乘积来概算。AlNiCo磁铁的第一永久磁铁3能够通过250kA/m的磁场附磁到接近100％。附磁磁场和每一极的磁铁的厚度的乘积是250kA/m×(6×10^-3/2)m＝750A。

另一方面，NdFeB磁铁的第二永久磁铁4能够通过1500～2500kA/m的磁场附磁到接近100％。附磁磁场和每一极的磁铁的厚度的乘积是1500～2500kA/m×(2×10^-3)m＝3000～5000A。即，AlNiCo永久磁铁3能够通过NdFeB永久磁铁4的约1/4～1/6的磁场附磁。另外，若是对AlNiCo永久磁铁3附磁的程度的磁场，则NdFeB永久磁铁4为可逆消磁状态，即使在附磁后，NdFeB永久磁铁4也能够维持附磁前的状态的磁通。

在本实施方式中，在定子20的电枢绕组21上流动通电时间为极短时间(1ms～10ms左右)的脉冲式电流，形成磁场，使磁场作用于AlNiCo永久磁铁3。但是，通电时间根据旋转电机的绕组感应系数的大小、电流波形来变化。形成用于磁化永久磁铁的磁场的脉冲电流成为定子20的电枢绕组21的d轴电流成分。若使附磁磁场为250kA/m，则理想的是充分的附磁磁场作用于AlNiCo永久磁铁3，在NdFeB永久磁铁4上不存在因附磁而产生的不可逆消磁。

图3表示以AlNiCo永久磁铁3和NdFeb永久磁铁4的磁通在磁极以及气隙面相加的方式，使附磁磁场作用时的各永久磁铁的磁通。在图3中，因AlNiCo磁铁的第一永久磁铁3和NdFeB磁铁的第二永久磁铁4而产生的交链磁通增加，成为增磁状态。附磁磁场通过在定子20的电枢绕组21上流动极短时间的脉冲式电流而形成。此时，通电的电流成为d轴电流成分。虽然脉冲电流马上为0，附磁磁场消失，但是，AlNiCo磁铁的第一永久磁铁3不可逆地变化，在附磁方向产生磁通B3。B4是因NdFeB磁铁的第二永久磁铁4而产生的磁通。另外，图3、图4、图5中的磁通分布仅表示了一极。

在图4中是表示使交链磁通减少时的作用。在电枢绕组21上通电负的d轴电流而形成的磁场Bd产生与图3相反方向的磁通。由电枢绕组21的负的d轴电流所生成的磁场Bd从转子1的磁极中心开始，相对于AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4，作用在与磁化方向大致相反方向。在各永久磁铁3、4上作用有与图3的磁化方向相反方向的磁场B3i、B4i。AlNiCo永久磁铁3因为矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小，所以，通过该逆磁场，其AlNiCo永久磁铁3的磁通不可逆地减少。另一方面，NdFeB永久磁铁4因为矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大，所以，即使受到逆磁场，磁特性也在可逆范围，在因负的d轴电流而产生的附磁磁场Bd消失后的磁化状态没有变化，磁通量也不会改变。因此，仅AlNiCo永久磁铁3消磁，能够减少交链磁通量。

在本实施方式中，还通电大的电流，通过强的逆磁场，使AlNiCo永久磁铁3的极性反转。通过使AlNiCo永久磁铁3的极性反转，能够大幅减少交链磁通，特别是具有能够使交链磁通为0的特征。

一般，因为AlNiCo磁铁的附磁磁场和每一极的永久磁铁的厚度的乘积是NdFeB磁铁的约1/4～1/6，所以，使仅能够磁化AlNiCo永久磁铁3的磁场发挥作用。因负的d轴电流而磁化(附磁)后的状态表示在图5。在与NdFeB永久磁铁4的磁通B4的相反方向产生的AlNiCo永久磁铁3的磁通B3抵消，各永久磁铁3、4的磁通量B3、B4相同的情况下，能够使气隙23的磁通太致为0。此时，因为NdFeB永久磁铁4的磁通B4被抵消，同时，能够构成与AlNiCo永久磁铁3的磁回路，所以，大量的磁通分布在转子1内。通过这样的作用，气隙磁通密度的磁通分布能够一样地分布为0。

在从上述的交链磁通为0的状态增加交链磁通的情况下，在交链磁通是0时为逆极性的AlNiCo永久磁铁3中，通过因d轴电流而产生的磁场使AlNiCo永久磁铁3的磁通B3减少。此时，因为AlNiCo永久磁铁3磁通为逆极性，所以，作用于AlNiCo永久磁铁3的磁场为与图3所示的AlNiCo永久磁铁3的原来的磁化方向相同的方向。即，与图4所示的因d轴电流而产生的磁场Bd为相反方向。再有，在使交链磁通增加，恢复到原来的最大交链磁通的状态时，AlNiCo永久磁铁3再次反转极性(恢复到原来极性)恢复图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，AlNiCo永久磁铁3能够在磁特性上(作为与磁通密度和磁场相关的特性的B-H曲线)从第一象限到第四象限整个范围进行动作。

与此相对，以往的永久磁铁式旋转电机中的永久磁铁仅在第二象限动作。另外，以往的永久磁铁式旋转电机为了降低交链磁通，产生因电枢绕组21的负的d轴电流而产生的磁通，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，基波交链磁通只能降低到50％左右，另外，高谐波磁通增加很多，产生高谐波电压和高谐波铁损，成为了问题。因此，使交链磁通为0极其困难，假设即使能够使基波为0，高谐波磁通反之会成为相当大的值。与此相对，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，因为在转子1中仅通过永久磁铁3、4的磁通，能够一样地减少，所以，高谐波磁通少，没有损失的增加。

就永久磁铁的磁化而言，在本实施方式的旋转电机中，因d轴电流而产生的磁场对NdFeB永久磁铁4，作用两个永久磁铁的量(N极和S极的两个永久磁铁)，仅通过这点，作用于NdFeB永久磁铁4的磁场是作用于AlNiCo永久磁铁3的磁场的大约一半。因此，在本实施方式的旋转电机中，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3容易被因d轴电流而产生的磁场磁化。

NdFeB永久磁铁4的附磁磁场和磁铁的厚度的乘积是AlNiCo永久磁铁3的四倍，再有，在配置结构方面，作用于NdFeB永久磁铁4的因d轴电流而产生的磁场是AlNiCo永久磁铁3的1/2。因此，对NdFeB永久磁铁4附磁需要AlNiCo永久磁铁3的八倍的磁动势。即，若为对AlNiCo永久磁铁3附磁程度的磁场，则NdFeB永久磁铁4为可逆消磁状态，即使在附磁后，NdFeB永久磁铁4也能够维持附磁前的状态的磁通。

接着，阐述作为第一永久磁铁的AlNiCo永久磁铁3和作为第二永久磁铁的NdFeB永久磁铁4的相互的磁的影响。在图5的消磁状态下，NdFeB永久磁铁4的磁场作为偏置的磁场，对AlNiCo永久磁铁3起作用，因负的d轴电流而产生的磁场和因NdFeB永久磁铁4而产生的磁场作用于AlNiCo永久磁铁3，容易磁化。另外，AlNiCo永久磁铁3的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积与NdFeB永久磁铁4的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积相等，或在其以上，据此，在交链磁通的增磁状态下，克服NdFeB永久磁铁4的磁场，产生磁通量。

由于上述情况，在本实施方式的旋转电机中，通过d轴电流，能够使AlNiCo永久磁铁3的交链磁通量从最大到0很大程度地变化，另外，磁化方向也可以为正反方向这两方向。若使NdFeB永久磁铁4的交链磁通B4为正方向，则能够大范围地将AlNiCo永久磁铁3的交链磁通B3从正方向的最大值调整到0甚至反方向的最大值。

因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，通过由d轴电流使AlNiCo永久磁铁3磁化，可以大范围地调整将AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4相加的全部交链磁通量。在低速区域，AlNiCo永久磁铁3以在与NdFeB永久磁铁4的交链磁通相同的方向(上述的图3所示的增磁状态)为最大值的方式由d轴电流磁化。此时，因为因永久磁铁而产生的扭矩为最大，所以，旋转电机的扭矩以及输出可以达到最大。另外，在中·高速区域，通过因图4的d轴电流而产生的磁场Bd，使AlNiCo永久磁铁3的磁通量不可逆地降低，降低全部交链磁通量。据此，因为旋转电机的电压下降，所以，相对于电源电压的上限值能够产生富余，能够进一步提高旋转速度(频率)。在最高速度明显提高时(进一步扩大可变速范围，例如，在基底速度的三倍以上的可变速运转的范围)，AlNiCo永久磁铁3以成为与NdFeB永久磁铁4的交链磁通的相反方向的方式磁化(在AlNiCo永久磁铁3的磁通B3的朝向为图5的状态下，磁化最大)。永久磁铁3、4的全部交链磁通为NdFeB永久磁铁4和AlNiCo永久磁铁3的交链磁通的差，能够最小。因为旋转电机的电压也成为最小，所以，能够将旋转速度(频率)提高到最高值。

由于这些情况，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机以及旋转驱动它的永久磁铁电动机驱动系统，能够以高输出从低速旋转到高速旋转实现大范围的可变速运转。另外，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机，由于使交链磁通变化时的附磁电流仅极短时间流动，所以，可以明显降低损失，在大的运转范围为高效率。

接着，对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，因产生扭矩时的负荷电流(q轴电流)而产生的永久磁铁3、4的消磁进行阐述。在本实施方式的永久磁铁式旋转电机产生扭矩时，通过使q轴电流在定子20的电枢绕组21上流动，利用q轴电流和永久磁铁3、4的磁通的磁作用产生扭矩。此时，产生因q轴电流而产生的磁场。因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，AlNiCo永久磁铁3以其磁化方向为与q轴方向呈直角方向的方式配置在q轴附近。据此，AlNiCo永久磁铁3的磁化方向和因q轴电流而产生的磁场理想的是成为正交的方向，消除大幅受到因q轴电流而产生的磁场的影响的情况。

但是，在为了最大扭矩状态、小型·高输出化而增大电枢绕组的安培匝数的旋转电机中，由作为负荷电流的q轴电流产生的磁场相当大。在将矫顽磁力和厚度的乘积小的第一永久磁铁设置在转子上的情况下，因该过大的q轴电流而产生的磁场使处于q轴的永久磁铁不可逆消磁。即，在产生扭矩时，永久磁铁因q轴电流而消磁，扭矩降低。

因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，在产生大的扭矩时，使正的d轴电流与q轴电流重叠地流动。图6模式地表示产生扭矩时，使正的d轴电流重叠时的磁场的作用。图6中，B3i表示因正的d轴电流而产生的磁场，B5i表示因负荷电流(q轴电流)而产生的磁场，B6表示矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3的磁化方向。因为在扭矩大的范围中，处于各磁极的两种永久磁铁3、4为相加的方向，所以，在该状态下，正的d轴电流与永久磁铁3的磁化方向为相同的方向。因此，如图6所示，正的d轴电流生成的磁场B3i以在永久磁铁3内也将因q轴电流而产生的消磁场抵消的方式发挥作用。因此，若应用本实施方式，则即使使用矫顽磁力和厚度的乘积小的第一永久磁铁3，即使在产生大的扭矩的状态下，也能够抑制上述的永久磁铁3的不可逆消磁，能够抑制因负荷电流的磁场B5i造成的扭矩的降低，能够产生大扭矩。

接着，对在永久磁铁3、4的两端部形成的空洞5的作用进行阐述。该空洞5缓和因永久磁铁3、4而产生的离心力作用在了转子铁心2上时的向转子铁心2的应力集中和消磁场。通过设置图1所示那样的空洞5，转子铁心2能够做成带有曲率的形状，应力得到缓和。另外，存在因电流而产生的磁场集中在永久磁铁3、4的角部，消磁场发挥作用，角部不可逆消磁的情况。然而，在本实施方式中，因为在永久磁铁3、4的各端部设置了空洞5，所以，在永久磁铁端部的因电流而产生的消磁场得到缓和。

接着，对本实施方式的转子1的构造的强度进行阐述。本实施方式的转子1中，在转子铁心2内埋入AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4，通过转子铁心2固定永久磁铁3、4。再有，为了能够充分抵御高速旋转时的离心力，可以在磁极铁心部7的中央设置螺栓孔6，用螺栓紧固转子铁心2，固定在转子端版和轴上。

据此，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，得到下述的效果。若使NdFeB永久磁铁4的交链磁通为正方向，则能够使AlNiCo永久磁铁3的交链磁通从正方向的最大值到0变化，进而反转极性到反方向的最大值这样大范围地进行调整。这样，AlNiCo永久磁铁3在磁特性上看，能够在从第一象限到第四象限的整个范围动作。据此，在本实施方式中，通过由d轴电流使AlNiCo永久磁铁3磁化，可以大范围地调整将AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4相加的全部交链磁通量。再有，永久磁铁的全部交链磁通量的调整是能够在大范围调整旋转电机的电压，另外，因为附磁是通过极短时间的脉冲式电流来进行，所以，没有必要总是持续流动弱磁通电流，能够大幅降低损失。另外，因为没有必要像以往那样进行弱磁通控制，所以，因高谐波磁通而产生的高谐波铁损也不会发生。

由于上述情况，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，能够实现以高输出进行从低速到高速的大范围的可变速运转，在大的运转范围为高效率。另外，就因永久磁铁而产生的感应电压而言，因为通过d轴电流对AlNiCo永久磁铁3附磁，能够缩小永久磁铁3、4的全部交链磁通量，所以，不存在因永久磁铁的感应电压而产生的逆变器电子零件的破损，可靠性提高。另外，在旋转电机无负荷随同旋转的状态下，通过由负的d轴电流对AlNiCo永久磁铁3附磁，能够缩小永久磁铁3、4的全部交链磁通量，据此，感应电压明显降低，基本没有必要总是通电用于降低感应电压的弱磁通电流，综合效率提高。特别是若将本实施方式的永久磁铁式旋转电机搭载于惯性运转时间长的通勤电车进行驱动，则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，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁4为NdFeB磁铁，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3由AlNiCo磁铁构成，第二永久磁铁4的磁通密度Φ_PM2为转子1的旋转速度达到了最高旋转速度ω时的因第二永久磁铁4而产生的逆电压在作为该旋转电机的电源的逆变器电子零件的耐电压E以下的大小，即，Φ_PM2≤E/ω·N(这里，N为电枢绕组21的匝数)。据此，具有下述效果。即，因永久磁铁而产生的逆电压与旋转速度成比例地升高。通过总是持续流过d轴电流，该逆电压被抑制在逆变器电子零件的耐电压、电源电压以下。但是，在不能控制时，该逆电压过大，绝缘破坏逆变器的电子零件等。因此，在以往的永久磁铁式旋转电机中，在设计时由于耐电压限制了永久磁铁的逆电压，永久磁铁的磁通量被削减，电动机的低速区域的输出以及效率降低。但是，在本实施方式的情况下，因为若为高速旋转时，则通过短时间的d轴电流产生消磁方向的磁场，使永久磁铁不可逆地磁化，使永久磁铁3、4的交链磁通降低，所以，即使在高速旋转时不能控制，也不会产生过大的逆电压。

另外，在产生了电枢绕组21等的电短路的情况下，由于短路电流，AlNiCo永久磁铁3消磁或极性反转，因此，因永久磁铁3、4而产生的交链磁通中，在仅为因NdFeB永久磁铁4而产生的交链磁通或极性反转时为0。因此，短路电流在瞬间能够因旋转电机本身而减小。据此，能够防止因短路电流而产生的制动力、因短路电流而产生的加热。

由于上述情况，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能够在低速旋转时产生高扭矩(高输出)，另外，能够以高输出进行从低速到高速的大范围的可变速运转，能够在大的运转范围进行高效率运转。再有，能够抑制高速旋转时的逆电压，能够提高包括逆变器在内的驱动系统的可靠性。

[第二实施方式]

使用图1，说明本发明的第二实施方式。在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，AlNiCo磁铁的第一永久磁铁3为磁化方向厚度不恒定的形状，如图1所示，截面为梯形形状。

AlNiCo磁铁由于残留磁通密度高，矫顽磁力小，所以，在磁通密度低的区域，相对于磁场，磁通密度急剧变化。因此，为了仅通过磁场的强度来微调整磁通密度，磁场的强度的控制要求高的精度。因此，在本实施方式中，应用永久磁铁的附磁所需要的磁化力因永久磁铁的磁化方向厚度很大地变化的情况。本实施方式中，因为AlNiCo永久磁铁3为梯形形状，所以，磁化方向厚度为不恒定。因此，在使附磁磁场发挥作用时，能够改变在各厚度的永久磁铁部分产生的磁通量。即，可以使附磁磁场的强度很大地依赖于因永久磁铁的厚度带来的影响。据此，相对于因d轴电流而产生的磁场的磁通量的调整也变得容易，能够减少因外部条件变动造成的磁通量的不一致。

[第三实施方式]

说明本发明的第三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。本实施方式中，相对于图1所示的永久磁铁式旋转电机101，由图7所示的永久磁铁电动机驱动系统通过因短时间的d轴电流而产生的脉冲式磁场，不可逆地磁化AlNiCo永久磁铁3，使交链磁通量变化。再有，通过在中速旋转区域、高速旋转区域总是产生因负的d轴电流而产生的磁通，由因负的d轴电流而产生的磁通和因永久磁铁3、4而产生的磁通构成的交链磁通可以通过上述因负的d轴电流而产生的磁通来微调整。即，通过在中·高速区域，通过因短时间的d轴电流而产生的脉冲式磁场，使AlNiCo永久磁铁3的磁化状态不可逆地变化，能够使交链磁通量很大地变化，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，因为总是通电的负的d轴电流所微调整的交链磁通量很小，所以，总是持续流动的负的d轴电流很小，没有产生大的损失。

由于这些情况，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机，能够在大范围使成为电压的基本的交链磁通量变化，同时，进行微调整，而且，能够高效率地可变。

[第四实施方式]

使用图13，说明本发明的第四实施方式的永久磁铁式旋转电机。本实施方式中，定子20的构造与图1所示的第一实施方式的定子、图20所示的以往例的定子相同。

如图13所示，本实施方式中，在转子1，以向其外周侧凸的方式将倒U字形状的NdFeB永久磁铁4埋入转子铁心2内，作为倒U字的中心轴与d轴一致的位置。在q轴上，将AlNiCo永久磁铁3在径向配置在转子铁心2内。通过做成倒U字形状，在两个AlNiCo永久磁铁3所夹的区域，能够增大NdFeB永久磁铁4的磁极的面积。再有，因为做成倒U字状，以妨害q轴磁通的磁路Bq的方式配置倒U字形状的NdFeB永久磁铁4，所以，能够降低q轴感应系数。据此，能够提高功率因数。另外，使倒U字形状的NdFeB永久磁铁4的外周侧前端(中央部)和转子铁心2的外周(气隙面)的间隔Wp成为不会因AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4的磁通而大致磁饱和的程度。若该磁极铁心7的中央部的磁通密度最大也就是1.9T左右，则气隙的磁通分布不会扭曲，能够有效利用永久磁铁的磁通。

[第五实施方式]

使用图14，说明本发明的第五实施方式的永久磁铁式旋转电机。本实施方式的永久磁铁式旋转电机中的定子20的构造与图1所示的第一实施方式的定子、图20所示的以往例的定子相同。

如图14所示，在本实施方式的转子1中，AlNiCo磁铁的第一永久磁铁3在q轴，在径向配置在转子铁心2内，NdFeB磁铁的第二永久磁铁4以与圆周方向相切的方式，与d轴呈直角地配置在转子铁心2内。转子1是在转子铁心2的内周侧嵌入铁的轴9的结构。轴9是切掉了四面的形状，在转子铁心2和轴9之间形成空气层8。另外，轴9也可以是不锈钢那样的非磁性材料。

用于使永久磁铁磁化的因电枢绕组21的电流而产生的磁场作用于AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4，如图14的箭头B13、B14那样，因电流而产生的磁通流动。因为存在上述的空气层8，所以，因电流而产生的磁通没有通到轴9，而是欲通过NdFeB永久磁铁4、4间的内周侧的窄的铁心部分。但是，因为该窄的铁心部分容易磁饱和，所以，能够减少因电枢电流而产生的磁场所产生的通过NdFeB永久磁铁4的磁通。

因想要这样磁化的AlNiCo永久磁铁3的电流而产生的磁通增加，同时，因通过NdFeB永久磁铁4的电流而产生的磁通减少，据此，转子磁极铁心部7以及定子铁心22的磁饱和也得到缓和。因此，能够减少用于使AlNiCo永久磁铁3磁化的d轴电流。这里，若使轴9为非磁性材料，则向轴9泄漏的磁通也减少，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的磁饱和也进一步得到缓和。

[第六实施方式]

说明本发明的第六实施方式。本实施方式是在第一～五实施方式的永久磁铁式旋转电机中，作为转子1中的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁4，由Dy元素少的NdFeB磁铁构成。因为Dy元素少，所以，残留磁通密度高，在20℃时，能够得到1.3T以上的残留磁通密度。

以往的旋转电机若达到高速，则为了抑制因感应电压而导致的电压上升，进行由负的d轴电流而进行的弱磁通控制。此时，还存在过大的逆磁场作用于永久磁铁，永久磁铁不可逆消磁，输出大幅降低的情况。作为它的对策，即使是在NdFeB磁铁中，也应用矫顽磁力大的磁铁。虽然作为增大NdFeB磁铁的矫顽磁力的方法，是添加Dy元素，但是，永久磁铁的残留磁通密度因此而降低，旋转电机的输出也降低。另外，仅为了提高耐消磁，就增厚NdFeB磁铁的磁化方向厚度。

在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，使AlNiCo永久磁铁3不可逆地磁化，调整成为电压的交链磁通量。因此，不使用过大的逆磁场作用于NdFeB永久磁铁4上那样的弱磁通控制。虽然还存在使用用于微调整的弱控制的情况，但因为是很小的电流，所以，逆磁场也能够极小。据此，本实施方式的旋转电机能够应用在以往的旋转电机中因为消磁而不能使用的低矫顽磁力、高残留磁通密度的NdFeB磁铁，因NdFeB磁铁而产生的气隙磁通密度高，能够得到高输出。

例如，应用于以往的旋转电机的NdFe磁铁的特性是矫顽磁力Hcj＝2228kA/m，残留磁通密度Br＝1.23T，本发明中，应用于实施方式的NdFeB磁铁的特性为Hcj＝875kA/m，残留磁通密度Br＝1.45T。像这样能够应用矫顽磁力虽小，但磁通密度为1.17倍的磁铁，能够期待约1.17倍的高输出。

另外，在以往的旋转电机中，对输出没有贡献，是为了耐消磁而增加磁铁的厚度，但是，本实施方式的旋转电机因为消磁场小，所以，能够降低NdFeB磁铁的使用量。另外，因为能够应用基本不添加埋藏量少的Dy元素的NdFeB磁铁，所以，将来也能够稳定地制造。

[第七实施方式]

在本发明的第七实施方式的永久磁铁式旋转电机中，转子1中的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积大的第二永久磁铁4为NdFeB磁铁，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3由AlNiCo磁铁构成。然后，做成在最高旋转速度时，NdFeB永久磁铁4产生的逆电压在作为旋转电机的电源的逆变器电子零件的耐电压以下的结构。

因永久磁铁而产生的逆电压与旋转速度成比例地升高。该逆电压施加于逆变器的电子零件，若达到电子零件的耐电压以上，则电子零件绝缘破坏。因此，在以往的永久磁铁旋转电机中，在设计时由于耐电压限制了永久磁铁的逆电压，永久磁铁的磁通量被削减，在电动机的低速区域的输出以及效率低下。

在本实施方式中，若达到高速旋转时，则利用负的d轴电流，通过消磁方向的磁场，使永久磁铁不可逆地磁化，将AlNiCo永久磁铁3的磁通减小到0附近。因为能够使因AlNiCo永久磁铁3产生的逆电压大致为0，所以，只要使因不能调整磁通量的NdFeB永久磁铁4产生的逆电压在最高旋转速度时在耐电压以下即可。即，仅将NdFeB永久磁铁4的磁通量减小到达到耐电压以下。另一方面，在低速旋转时，因被磁化到最大的磁通量的AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4产生的交链磁通量能够增加。

再有，在实用方面，因为在最高速区域，AlNiCo永久磁铁3在与低速时的反方向被磁化，所以，总交链磁通量比只有NdFeB永久磁铁4的交链磁通小。即，在本实施方式的旋转电机中，高速时的逆电压比仅因NdFeB永久磁铁4产生的逆电压小，实质上，耐电压和允许最高转速产生足够的富余。

由于上述情况，本实施方式的旋转电机能够一面维持在低速旋转时的高输出和高效率，一面抑制高速旋转时的逆电压，能够提高包括逆变器在内的系统的可靠性。

[第八实施方式]

使用图15，说明本发明的第八实施方式的永久磁铁式旋转电机。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定子、图20所示的以往例的定子相同。

本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，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，将AlNiCo永久磁铁3配置在转子铁心内。然后，做成使除AlNiCo永久磁铁3的端部的铁心以外的q轴附近的气隙侧转子铁心2与转子铁心的最外周相比凹陷的形状10。

接着，阐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)横切AlNiCo永久磁铁3和NeFeB永久磁铁4，因为永久磁铁与空气的透磁率大致相等，所以，d轴感应系数减小。另一方面，q轴方向的磁通在转子铁心的磁极铁心7沿AlNiCo永久磁铁3和NeFeB永久磁铁4的长度方向流动。因为铁心的磁极铁心7的透磁率有永久磁铁的1000～10000倍，所以，若在q轴方向的转子铁心2上没有凹陷，转子铁心外径在圆周方向均匀，则q轴感应系数增大。这样，虽然为了通过电流和磁通的磁作用产生扭矩，使q轴电流流过，但是，因为q轴感应系数大，所以，由q轴电流产生的电压增大。即，由于q轴感应系数增大，导致功率因数恶化。

在本实施方式中，因为AlNiCo永久磁铁3具有的q轴附近的气隙侧转子铁心是与转子铁心2的最外周相比凹陷的铁心的形状10，所以，通过凹陷的铁心部分10的磁通减少。即，因为凹陷的铁心部分10处于q轴方向，所以，能够减小q轴感应系数。据此，能够提高功率因数。另外，因为通过凹陷的铁心部分10，在AlNiCo永久磁铁3的端部附近气隙长等效地增长，所以，AlNiCo永久磁铁3的端部附近的平均的磁场降低。据此，能够减小为了产生扭矩所需要的因q轴电流而产生的消磁场对AlNiCo永久磁铁3的影响。

另外，在AlNiCo永久磁铁3的端部和到转子的磁极铁心7的中央之间，成为d轴中心的转子的磁极铁心7的中央部成为转子的最外周部分，是随着从磁极铁心7的中央部到上述AlNiCo永久磁铁3的端部的外周侧铁心部分，从转子的轴中心到转子铁心外周的距离缩短的形状。

据此，根据本实施方式，能够减小q轴感应系数，能够抑制因q轴电流而产生的AlNiCo永久磁铁3的消磁。因为遍及全周，外周的凹陷平滑地增大，所以，能够降低磁通的高谐波成分，还能够降低扭矩脉动、齿槽扭矩。

[第九实施方式]

使用图16，说明作为本发明的第九实施方式的永久磁铁式旋转电机。图16表示本实施方式的永久磁铁式旋转电机的构造，是在定子20的内部以隔着气隙23相向的方式收容转子1的构造。定子20与以往例相同，是与图20相同的定子。另外，对与图1所示的第一实施方式的永久磁铁式旋转电机共通的要素标注共通的符号来表示，省略重复的说明。

如图16所示，本实施方式的永久磁铁式旋转电机相对于第一实施方式，在埋入到转子1的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3的结构上具有特征，该第一永久磁铁3由两种，即，配置在径向的外侧的永久磁铁3A和配置在径向的内侧的永久磁铁3B构成。永久磁铁3A具有相对于永久磁铁3B，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积稍大的磁特性。例如，永久磁铁3A为AlNiCo磁铁，永久磁铁3B使用FeCrCo磁铁。或者，虽然永久磁铁3A、3B均为AlNiCo磁铁，但磁特性像上述那样稍有不同，配置在外侧的永久磁铁3A具备与配置在内侧的永久磁铁3B相比矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积稍大的磁特性。另外，其它的结构还有驱动系统的结构均与第一实施方式相同。

在如第一实施方式所示，矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小的第一永久磁铁3由一种构成的情况下，由通常的旋转驱动用的磁场而产生的磁通Bs总是很强地作用于第一永久磁铁3的磁极侧的径向的外侧的肩部分(圆圈包围的部分S)，存在即使在没有流动磁化电流的状态下，也产生消磁的现象的情况。因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，做成下述结构，即，通过流动磁化电流来消磁或使磁化方向反转的第一永久磁铁3如图所示由两种永久磁铁3A、3B构成，主要通过磁化电流来消磁，或使磁化方向反转的永久磁铁主要是永久磁铁3B，为相对于旋转驱动时发挥作用的强磁场，使之具有消磁耐性而在该磁场很强地作用的部分S配置矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积比永久磁铁3A稍大一些的永久磁铁3B的结构。

据此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，与第一实施方式的永久磁铁式旋转电机相比为低速旋转时产生高扭矩(高输出)，另外，能够以高输出进行从低速到高速的大范围的可变速运转，发挥能够在宽的运转范围进行高效率运转的作用、效果。

另外，像上述实施方式那样，将第一永久磁铁做成由矫顽磁力不同的两种或其以上的多种永久磁铁分割的构造的结构并不局限于第一实施方式采用的第一永久磁铁3，在图13～图16所示的各个构造的永久磁铁式旋转电机中，也能够将它们的第一永久磁铁3做成与本实施方式同样的分割构造。

[第十实施方式]

本发明的第十实施方式的永久磁铁式旋转电机的特征在于，在上述第一～九实施方式的各个中，在将转子1插入定子来组装制造时，能够成为以因AlNiCo永久磁铁3而产生的磁通和因NdFeB永久磁铁4而产生的磁通在磁极铁心7或气隙面互为反方向的方式，使AlNiCo永久磁铁3磁化的状态。

在制造工序中，为了将附磁的转子1插入定子进行组装，而有必要在永久磁铁的磁吸引力方面要采取对策。本发明中，因为以AlNiCo永久磁铁3的磁通和NdFeB永久磁铁4的磁通互为反方向的方式磁化，所以，能够减少从转子1产生的永久磁铁的磁通量。因此，在转子和定子之间产生的磁吸引力减小，组装作业性提高。再有，若使由AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4产生的磁通量为0，则没有磁吸引力，将转子组装到定子的作业能够极其容易地进行。

另外，在上述第一～九实施方式的各个中，在为了修理检查而进行将转子1从定子拔出的分解时，希望成为以因AlNiCo永久磁铁3而产生的磁通和因NdFeB永久磁铁4而产生的磁通在磁极铁心7或气隙面互为反方向的方式，使AlNiCo永久磁铁3磁化的状态。分解时，若以AlNiCo永久磁铁3的磁通和NdFeB永久磁铁4的磁通互为反方向的方式磁化，则能够减小从转子1产生的永久磁铁的磁通量，能够减小在转子和定子之间产生的磁吸引力，组装作业性也提高。再有，若使由AlNiCo永久磁铁3和NdFeB永久磁铁4产生的磁通量为0，则没有磁吸引力，将转子从定子拔出的作业也极其容易。

另外还有，在上述各实施方式中表示了四极的旋转电机，但是，本发明也可以应用于八极等多极的旋转电机，该情况下，虽然通过与极数相应地对永久磁铁的配置位置、形状进行恰当地变更来对应，但是，可以与各实施方式同样地得到作用、效果。

另外，在形成磁极的永久磁铁中，以矫顽磁力和磁化方向的厚度的乘积作为区别永久磁铁的定义。因此，磁极用同种类的永久磁铁形成、以磁化方向厚度不同的方式形成都能够得到同样的作用和效果。

[第十一实施方式]

使用图17～图19，说明作为本发明的第十一实施方式的永久磁铁电动机驱动系统200。本实施方式的永久磁铁电动机驱动系统可以替代上述第一实施方式的驱动系统，应用于第一实施方式的永久磁铁式旋转电机乃至第九实施方式的永久磁铁式旋转电机的驱动控制。另外，图17中，对与图7所示的第一实施方式的永久磁铁电动机驱动系统共通的要素标注相同的符号来表示。

本实施方式的可变磁通永久磁铁电动机驱动系统200由主回路200A和控制回路200B构成，相对于图7所示的第一实施方式，其特征在于，在控制回路200B中追加性地具备磁通推定部109，该磁通推定部109使用电压指令演算部110输出的电压指令Vd^＊、Vq^＊和坐标转换部107输出的dq轴电流Id、Iq以及转子旋转角频率ω1来推定磁通Φh，向可变磁通控制部113输出，另外，可变磁通控制部113具备图19的结构。另外，主回路200A的结构与图7的主回路100A相同。

磁通推定部109根据dq轴电压指令Vd^＊、Vq^＊和dq轴电流Id、Iq以及转子旋转角频率ω1(逆变器频率)，通过下述公式推定d轴磁通量。

[数7]

Φh＝(Vq^＊-R1×Iq-ω1×Ld×Id-Lq×dIq/dt)/ω1    ...(10)

磁通推定值Φh与来自磁通指令演算部112的磁通指令Φ^＊一起被输入可变磁通控制部113。

图18表示本实施方式中的可变磁通控制部113的详细的结构。由减算器119演算磁通指令Φ^＊和磁通推定值Φh的偏差，该偏差被输入PI控制器120。另外，磁通指令Φ^＊被输入磁化电流基准演算部121。磁化电流基准演算部121利用表格计算磁化电流指令Im^＊，或按照函数式计算，以便磁化成与磁通指令Φ^＊相应的磁通。该特性根据上述的BH特性计算。在加算器122，加算磁化电流基准演算部121的输出和PI控制部120的输出。

该加算器122成为磁化电流指令Im^＊。为了磁化，将该磁化电流指令Im^＊作为d轴电流指令Id^＊给出。因此，在本实施方式的结构上，为了Id^＊和Im^＊一致，由减算器126从磁化电流指令Im^＊减算d轴电流基准IdR，算出d轴磁化电流指令差量值ΔIdm^＊。据此，由图18中的加算器114与d轴电流基准IdR进行加算，因此，d轴电流指令Id^＊与磁化电流Im^＊一致。

在可变磁通控制部113的切换器123中，根据后述的磁化结束标识，选择两个输入，作为磁化电流指令Idm^＊来选择并输出。在磁化结束标识＝0(磁化结束)的情况下，为d轴磁化电流指令差量ΔIdm^＊＝0。另外，在磁化结束标识＝1(正在磁化)的情况下，将加算器122的输出作为ΔIdm^＊来输出。

作为减算器119的输出的磁通指令Φ^＊和磁通推定值Φh的偏差向磁化结束判定部124输入。在该磁化结束判定部124中，例如在磁通偏差的绝对值比规定值α小的情况下，输出1，在比α大的情况下，输出0。触发器(RS-FF)125向对设定S的输入，输出磁化要求标识FCreq，向重新设定R侧输入磁化结束判定部124的输出。该RS-FF125的输出是磁化结束标识，被输入PI控制部120和切换器123。若该磁化结束标识为0，则表示磁化结束，若为1则表示正在磁化。

另外，作为磁通推定部109的输出的磁通推定值Φh也被输入电流基准演算部111。在电流基准演算部111中，替代第一实施方式的演算公式的磁通指令Φ^＊，通过磁通推定值Φh，按照下述公式求出dq轴电流基准IdR、IqR。

[数8]

$\mathrm{IqR}=(-\mathrm{\Φh}+\sqrt{{\mathrm{\Φh}}^2-4\×(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\×K\×{\mathrm{Tm}}^{*}})/2\×(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\×K...\left(11\right)$

IdR＝K×IqR  ......(12)

根据上述结构，本实施方式发挥下述的作用效果。在存在磁化要求的情况下，磁化要求标识＝1至少在瞬间成立。通过RS-FF125被设定，磁化结束标识＝1，即，正在磁化。切换器123将来自PI控制器120以及磁化电流基准演算部121的输出作为磁化电流指令Im^＊来输出。该磁化电流基准演算部121为了按照磁通指令Φ^＊被磁化，前馈性地给出以事先掌握的BH特性为基础的磁化电流。据此，能够瞬间磁化到指令值的附近，能够降低磁化所需要的时间，因此，能够抑制不需要的扭矩的产生、损失的产生。另外，BH特性可使用预先实验性地求出的特性。

但是，如上所述，难以严格地使磁通与规定值一致。因此，在本实施方式中，如图19所示，通过可变磁通控制部113中的PI控制器120的作用，逐渐对磁化电流Im^＊进行校正，以便磁通的偏差接近0。据此，最终磁通指令Φ^＊和磁通推定值Φh(即，若没有推定误差，则为实际磁通)一致。因此，磁化处理中的磁通量的重复的精度得到提高，能够提高扭矩精度。

另外，本实施方式中，如图19所示，在可变磁通控制部113的磁化结束判定部124中，通过磁通偏差的绝对值在规定值α以内，作为事实上磁通一致，磁化已经结束，使输出为1，RS-FF125接受该重新设定要求，使作为输出的磁化结束标识为0。因此，能够切实地根据磁通推定值与作为该指令的磁通指令Φ^＊一致的情况来结束磁化处理。据此，根据本实施方式，能够期待磁化处理中的磁通量的重复精度提高，扭矩精度提高。

另外，根据本实施方式，由于dq轴电流基准IdR、IqR的生成使用通过电压电流推定的磁通推定值Φh，所以，即使假设因磁化处理，磁通量产生不一致，也根据实际状态对dq轴电流指令进行校正。然后，因为与该指令相应地流动dq轴电流，所以，能够降低可变磁通量的不一致对扭矩的影响，扭矩精度得到提高。

另外，虽然本实施方式中，基于磁通推定值而构成，但是，磁通推定器含有Ld、Lq等马达感应系数。虽然这些值因磁饱和而变动，但是，尤其是在可变磁通马达中，磁饱和因可变磁通量大幅度地变动。因此，具备将可变磁通的推定值作为输入，并输出马达感应系数的函数或表格有益于磁通推定精度还有扭矩精度的提高。

另外，还存在即使像上述那样表格化，也难以高精度地掌握感应系数的特性的情况。该情况下，替代磁通的推定，具备由霍尔元件等构成的磁通检测器，通过替代上述的磁通推定值Φh，使用检测到的实际磁通Φr，能够进一步谋求磁通推定精度的提高还有扭矩精度的提高。

上面，对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明并不限定于上述实施方式，下述那样的永久磁铁式旋转电机、永久磁铁电动机驱动系统也为技术的范围。

(1)一种永久磁铁式旋转电机，所述永久磁铁式旋转电机具有：将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组；所述永久磁铁式旋转电机中，上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上；上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上，并且，在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上；据此，通过利用在上述磁极，上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，能够使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化；所述永久磁铁式旋转电机中，使上述第一永久磁铁的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积比上述第二永久磁铁的矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积小，并且在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上。

(2)在上述的永久磁铁式旋转电机中，使上述第一永久磁铁的磁化方向厚度比上述第二永久磁铁的磁化方向厚度大。

(3)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第一永久磁铁做成被上述电枢绕组的电流生成的磁场磁化，将极性反转的永久磁铁。

(4)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第一永久磁铁做成被在上述磁极中上述电枢绕组的电流生成的磁场磁化，其磁通量不可逆地变化，由所有的永久磁铁而产生的电枢绕组的交链磁通量变化到0的永久磁铁。

(5)在上述的永久磁铁式旋转电机中，以从上述第二永久磁铁使偏压磁场发挥作用的方式配置上述第一永久磁铁。

(6)在上述的永久磁铁式旋转电机中，使上述第一永久磁铁和第二永久磁铁的磁化方向不同。

(7)在上述的永久磁铁式旋转电机中，在上述磁极中，将上述第一永久磁铁配置在其磁化方向和q轴构成的角度比上述第二永久磁铁的磁化方向和q轴构成的角度大的位置。

(8)在上述的永久磁铁式旋转电机中，在上述磁极中，将上述第二永久磁铁配置在其磁化方向为d轴方向或半径方向的位置。

(9)在上述的永久磁铁式旋转电机中，在上述磁极中，将上述第一永久磁铁配置在其磁化方向为圆周方向的位置。

(10)在上述的永久磁铁式旋转电机中，在上述磁极中，将上述第二永久磁铁埋入上述转子铁心，该第二永久磁铁做成其中心部与端部相比接近上述磁空隙的形状。

(11)在上述的永久磁铁式旋转电机中，在上述磁极中，上述第二永久磁铁配置在从其中心部到上述转子铁心的磁空隙面的间隔，该第二永久磁铁的中心部附近的转子铁心没有因所有的永久磁铁的磁通而磁饱和的程度的位置。

(12)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将通过磁回路串联配置在上述第二永久磁铁上的磁路的一部分作为因该第二永久磁铁的磁通而大致磁饱和的截面积。

(13)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第二永久磁铁做成在20℃时具有1.3T以上的残留磁通密度的永久磁铁。

(14)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第二永久磁铁做成基本不含Dy元素的NdFeB类的永久磁铁。

(15)在上述的永久磁铁式旋转电机中，使上述第二永久磁铁的磁通密度Φ_PM2为上述转子的旋转速度达到了最高旋转速度ω时的因上述第二永久磁铁而产生的逆电压在作为该旋转电机的电源的逆变器电子零件的耐电压E以下的大小(Φ_PM2≤E/ω·N。这里，N为上述电枢绕组的匝数)。

(16)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述转子铁心做成上述转子的成为磁极中心轴的d轴方向的磁阻力小，成为磁极间的中心轴的q轴方向的磁阻力大的形状。

(17)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第一永久磁铁做成在上述磁空隙侧的端部磁阻力高的结构。

(18)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第一永久磁铁配置在q轴附近，做成使上述q轴附近的上述磁空隙侧的转子铁心部分与上述转子铁心的最外周相比凹陷的形状。

(19)在上述的永久磁铁式旋转电机中，将上述第一永久磁铁配置在q轴附近，做成以成为d轴中心的上述转子铁心的磁极的中央部为上述转子的最外周部分，使在上述转子铁心中从上述d轴中心的磁极中央部附近到上述q轴附近的部分或其一部分与该转子铁心的最外周相比凹陷的形状。

(20)在上述的永久磁铁式旋转电机中，由矫顽磁力不同的两种永久磁铁构成上述第一永久磁铁，将矫顽磁力大的永久磁铁配置在径向的外侧，将矫顽磁力小的永久磁铁配置在径向的内侧。

(21)一种永久磁铁式旋转电机驱动系统，所述永久磁铁电动机驱动系统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、流动着用于对上述永久磁铁的磁通进行控制的磁化电流的磁化构件；上述永久磁铁电动机具有将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组；上述磁化构件通过使上述永久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流短时间流动所产生的磁场，在各磁极使上述第一永久磁铁磁化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，再有，通过使在上述电枢绕组流动的电流的电流相位变化，来使磁化电流流动；其特征在于，上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上；从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上；上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上，并且，在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上；将形成上述磁极的上述第一永久磁铁和第二永久磁铁以它们的磁通相加的方式配置以及磁化，通过上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，使基于永久磁铁的交链磁通不可逆地减少，另外，在减少后，使上述电枢绕组的电流所形成的磁场反方向地产生，使上述第一永久磁铁磁化，使交链磁通量不可逆地增加；在该永久磁铁电动机驱动系统中，将形成上述磁极的上述第一永久磁铁和第二永久磁铁以它们的磁通相加的方式配置以及磁化，通过上述电枢绕组的电流生成的第一方向的磁场，使上述第一永久磁铁磁化，使其极性反转，另外，在反转后，在与上述第一方向相反的第二方向使上述电枢绕组的电流生成的磁场产生，进而，使上述第一永久磁铁的极性再次反转恢复原来的极性。

(22)在上述的永久磁铁电动机驱动系统中，通过因上述d轴电流而产生的磁场使上述第一永久磁铁磁化，使其磁通量不可逆地变化，或通过上述磁场使上述第一永久磁铁的极性反转，在流过将上述第一永久磁铁磁化的d轴电流的同时，通过q轴电流控制扭矩。

(23)在上述的永久磁铁电动机驱动系统中，具有下述动作，即，在运转时通过因上述d轴电流而产生的磁场使上述第一永久磁铁磁化，使其磁通量不可逆地变化的动作或使上述第一永久磁铁的极性反转的动作以及通过由上述d轴电流产生的磁通，使由电流和永久磁铁产生的电枢绕组的交链磁通量大致可逆地变化的动作。

(24)在上述的永久磁铁电动机驱动系统中，在最大扭矩时，以各磁极中的第一永久磁铁和第二永久磁铁的磁通相加的方式，使上述第一永久磁铁磁化，在扭矩小的轻负荷时，在中速旋转区域以及高速旋转区域，上述第一永久磁铁通过因电流而产生的磁场磁化，使其磁通减少或通过上述磁场使其极性反转。

Claims (4)

1.一种永久磁铁式旋转电机，所述永久磁铁式旋转电机具有：将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组，

上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上，

上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上，并且，

在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上，

据此，通过利用在上述磁极，上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，能够使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化。

2.一种永久磁铁式旋转电机的组装方法，所述永久磁铁式旋转电机具有：将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组，所述永久磁铁式旋转电机中，上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上，上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上，并且，在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上，据此，通过利用在上述磁极，上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，能够使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化，

在将上述转子插入上述定子的内侧进行组装时，做成以因上述第一永久磁铁而产生的磁通和因上述第二永久磁铁而产生的磁通在上述磁极或磁空隙面互为反方向的方式附磁的状态，进行组装。

3.一种永久磁铁式旋转电机的分解方法，所述永久磁铁式旋转电机具有：将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组，所述永久磁铁式旋转电机中，上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上，上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上，并且，在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上，据此，通过利用在上述磁极，上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，能够使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化，

在将上述转子从上述定子的内侧拔出时，做成以因上述第一永久磁铁而产生的磁通和因上述第二永久磁铁而产生的磁通在上述磁极或磁空隙面互为反方向的方式附磁的状态来拔出。

4.一种永久磁铁电动机驱动系统，所述永久磁铁电动机驱动系统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、流动着用于对上述永久磁铁的磁通进行控制的磁化电流的磁化构件，

上述永久磁铁电动机具有将不同的磁特性的第一永久磁铁和第二永久磁铁相对于其旋转中心对称地埋入转子铁心内的转子、以在其周围隔着磁空隙围绕上述转子的方式配置的定子以及形成在上述定子的面向上述磁空隙的内周部的电枢绕组，

上述磁化构件通过使上述永久磁铁电动机的电枢绕组的d轴电流短时间流动所产生的磁场，在各磁极使上述第一永久磁铁磁化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，再有，通过使在上述电枢绕组流动的电流的电流相位变化，来使磁化电流流动，

上述转子的第一永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力是100kA/m～300kA/m，残留磁通密度在0.6T以上，从磁滞特性的可逆磁化区域向不可逆磁化区域转移的急折点在0.6T以上，

上述转子的第二永久磁铁的磁特性为，矫顽磁力比上述第一永久磁铁大，残留磁通密度在0.6T以上，并且，

在上述第一永久磁铁中，其矫顽磁力和磁化方向厚度的乘积在上述第二永久磁铁的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的乘积以上，

将形成上述磁极的上述第一永久磁铁和第二永久磁铁以它们的磁通相加的方式配置以及磁化，

通过上述电枢绕组的电流所形成的磁场使上述第一永久磁铁磁化，使基于永久磁铁的交链磁通不可逆地减少，另外，在减少后，使上述电枢绕组的电流所形成的磁场反方向地产生，使上述第一永久磁铁磁化，使交链磁通量不可逆地增加。

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