CN102217170B - 永久磁铁式旋转电机 - Google Patents
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Abstract
可抑制减磁时和增磁时的磁化电流的增加，进行以高输出从低速到高速的广范围的可变速运转。转子1由转子铁芯2、可变磁力磁铁3、固定磁力磁铁4构成。使可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a在各磁铁的磁化方向重合，构成磁铁串。该磁铁串以磁化方向成为d轴方向的位置在转子铁芯2内配置。在可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a的磁铁串的两侧，将固定磁力磁铁4b、4b在磁化方向成为d轴方向的位置配置。在使可变磁力磁铁3的交链磁通减少的情况下，通过电枢绕组的电流，作用与可变磁力磁铁3的磁化方向相逆方向的磁场。在使可变磁力磁铁3的交链磁通增加的情况下，通过电枢绕组的电流，作用与磁铁磁化方向相同方向的磁场。
Description
技术领域
本发明涉及使用两种以上的永久磁铁，使其中的至少一个永久磁铁的磁通量不可逆地变化，可进行从低速到高速的广范围的可变速运转的永久磁铁式旋转电机。
背景技术
一般，永久磁铁式旋转电机大致分为两种类型。即在转子铁芯的外周贴附永久磁铁的表面磁铁型永久磁铁式旋转电机和在转子铁芯中埋入永久磁铁的埋入型永久磁铁式旋转电机。作为可变速驱动用马达，适用埋入型永久磁铁式旋转电机。
永久磁铁式旋转电机中，永久磁铁的交链磁通总是以一定的强度发生，因此，永久磁铁产生的感应电压与旋转速度成比例变高。因此，在从低速到高速地可变速运转的情况下，在高速旋转中永久磁铁产生的感应电压(反向电压)极高。若永久磁铁产生的感应电压被施加到逆变器的电子部件上而达到其耐压以上，则电子部件绝缘破坏。因此，考虑进行将永久磁铁的磁通量削减到耐压以下的设计，但是该场合，永久磁铁式旋转电机的低速域的输出及效率降低。
在从低速到高速进行接近额定输出的可变速运转的情况下，永久磁铁的交链磁通一定，因此，高速旋转域中旋转电机的电压达到电源电压上限，不流过输出所需要的电流。结果，高速旋转域中输出显著降低，而且无法在直到高速旋转的广范围进行可变速运转。
最近，作为扩大可变速范围的方法，开始采用非专利文献1所述的弱磁通控制。电枢绕组的总交链磁通量由d轴电流的磁通和永久磁铁的磁通组成。弱磁通控制中，通过发生负的d轴电流的磁通，由该负的d轴电流的磁通使全交链磁通量减少。另外，弱磁通控制中，也使高矫顽力的永久磁铁的磁气特性(B-H特性)的动作点在可逆的范围变化。因而，永久磁铁适用高矫顽力的NdFeB磁铁，使得不会因弱磁通控制的减磁场而不可逆地减磁。
在适用弱磁通控制的运转中，由负的d轴电流的磁通使交链磁通减少，因此交链磁通的减少量形成相对于电压上限值的电压的余裕。由于可增加成为转矩分量的电流，因此高速域的输出增加。另外，可使旋转速度上升与电压余裕相当的量，扩大可变速运转的范围。
但是，由于常时持续流过对输出无贡献的负的d轴电流，铜损增加，效率恶化。而且，负的d轴电流形成的减磁场产生高次谐波磁通，由高次谐波磁通等产生的电压的增加形成由弱磁通控制产生的电压降的界限。基于这些情况，即使在埋入型永久磁铁式旋转电机适用弱磁通控制，也难以进行基底速度的3倍以上的可变速运转。而且，由于前述的高次谐波磁通，铁损增加，在中、高速域存在效率显著降低的问题。另外，由于高次谐波磁通形成的电磁力也有发生振动的可能性。
在混合动力汽车用驱动电动机适用埋入型永久磁铁电动机的情况下，在仅仅由发动机驱动的状态下带动电动机运转。由于中、高速旋转中电动机的永久磁铁产生的感应电压上升，因此为了抑制在电源电压以内，通过弱磁通控制，持续流过负的d轴电流。该状态下，由于电动机只会发生损失，综合运转效率恶化。
在电车用驱动电动机适用埋入型永久磁铁电动机的情况下，电车是惰性运转的状态，与上述混合动力汽车用驱动电动机同样，为了使永久磁铁产生的感应电压在电源电压以下，通过弱磁通控制，持续流过负的d轴电流。该场合，由于电动机只会发生损失，综合运转效率恶化。
作为解决这样的问题的技术，专利文献1、专利文献2记载了如下技术：配置通过由定子绕组的电流形成的磁场不可逆地使磁通密度变化的程度的低矫顽力的永久磁铁(以下，称为可变磁力磁铁)和具有可变磁力磁铁的2倍以上的矫顽力的高矫顽力的永久磁铁(以下，称为固定磁力磁铁)，通过电流形成的磁场使可变磁力磁铁磁化，调节全交链磁通量，在成为电源电压的最大电压以上的高速旋转域中，使可变磁力磁铁和固定磁力磁铁形成的全交链磁通减少。
该专利文献1的永久磁铁式旋转电机具备图15记载的构成的转子1。即，转子1由转子铁芯2、八个可变磁力磁铁3及八个固定磁力磁铁4构成。转子铁芯2通过层叠硅钢板构成，可变磁力磁铁3是铝镍钴磁铁或FeCrCo磁铁，固定磁力磁铁4是NdFeB磁铁。
可变磁力磁铁3埋入转子铁芯2中，在可变磁力磁铁3的两端部设置第1空洞5。可变磁力磁铁3沿与成为磁极间的中心轴的q轴一致的转子的半径方向配置，相对于半径方向，在直角方向磁化。固定磁力磁铁4埋入转子铁芯2内，在固定磁力磁铁4的两端部设置第2空洞6。固定磁力磁铁4以通过两个可变磁力磁铁3夹持在转子1内周侧的方式，沿着转子1的大致圆周方向配置。固定磁力磁铁4相对于转子1的圆周方向，在大致直角方向磁化。
转子铁芯2的磁极部7以被两个可变磁力磁铁3和一个固定磁力磁铁4包围的方式形成。转子铁芯2的磁极部7的中心轴方向成为d轴，磁极间的中心轴方向成为q轴。在采用该转子1的专利文献1的永久磁铁式旋转电机中，定子绕组流过通电时间为极短时间(100μs～1ms程度)的脉冲电流而形成磁场，使磁场作用于可变磁力磁铁3。励磁磁场若设为250kA/m，则理想地，充分的励磁磁场作用于可变磁力磁铁3，对于固定磁力磁铁4，不会因励磁而不可逆减磁。
结果，专利文献1的永久磁铁式旋转电机中，通过转子1的d轴电流，可使可变磁力磁铁3的交链磁通量从最大大幅变化到0，磁化方向也可为正逆的两方向。即，若固定磁力磁铁4的交链磁通设为正方向，则可在广范围上将可变磁力磁铁3的交链磁通从正方向的最大值调节到0，进而调节到逆方向的最大值。从而，在专利文献1的转子中，通过由d轴电流对可变磁力磁铁3励磁，可以在广范围上调节可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4合成的全交链磁通量。
例如，低速域中，可变磁力磁铁3通过d轴电流磁化，在与固定磁力磁铁4的交链磁通的相同方向(初期状态)成为最大值，从而，永久磁铁形成的转矩成为最大值，因此，可使旋转电机的转矩及输出最大。中、高速域中，通过降低可变磁力磁铁3的磁通量，降低全交链磁通量，从而降低旋转电机的电压，因此，可对电源电压的上限值具有余裕，可进一步提高旋转速度(频率)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-280195号公报
专利文献2：日本特开2008-48514号公报
非专利文献
非专利文献1：埋入磁铁同步马达的设计和控制，武田洋次等合著，オ一ム社，2001年10月，ISBN：4-274-03567-0
发明内容
(发明要解决的问题)
具有上述的构成的专利文献1的永久磁铁式旋转电机，具有通过转子1的d轴电流可使可变磁力磁铁3的交链磁通量从最大到0地显著变化，并且磁化方向也可为正逆的两方向的优良特性。但是，在使可变磁力磁铁3增磁的情况下，需要大磁化电流，导致用于驱动电动机的逆变器的大型化。
特别是，在永久磁铁的特性上，与减磁的情况下相比，增磁的情况下要求大磁化电流，而专利文献1的永久磁铁式旋转电机是两种磁铁磁气并联配置的构成，因此，由于固定磁力磁铁4的交链磁通的影响，可变磁力磁铁3的增磁需要大的磁场。
图16(A)到(D)是说明该情况的示意图。专利文献1的永久磁铁式旋转电机中，如图16(A)，两个可变磁力磁铁3和一个固定磁力磁铁4以d轴为中心，配置为U字形。在电动机的通常的运转状态下，可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4的磁通方向朝向中心的磁极部7。在该状态下，若d轴电流脉冲地流过，发生减磁用的磁场，则其磁通如图16(B)，以从转子1的外周侧贯穿可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4的方式发生，从而，可变磁力磁铁3被减磁。此时，固定磁力磁铁4的矫顽力高，不会减磁。
在该减磁的情况下，如图16(B)，固定磁力磁铁4的磁通与d轴方向一样，从可变磁力磁铁3的内侧朝向外侧，与可变磁力磁铁3的当初的磁通方向相反地流过，因此，辅助d轴电流形成的磁场的减磁作用。因此，如图16(C)，可进行使可变磁力磁铁3的极性反转为止的减磁。
另一方面，在增磁的情况下，通过再次脉冲地施加d轴电流，如图16(D)所示，发生与图16(B)逆方向的磁场，通过构成该磁场的逆方向的磁通，使减磁的可变磁力磁铁3的交链磁通返回图16(A)的通常运转时的状态。但是，本来，与减磁比较，增磁用的能量必须更大，而且如图16(D)，固定磁力磁铁4的磁通在减磁方向叠加到可变磁力磁铁3，因此，需要能够生成只要超过它的大磁场的磁化电流。
这样，专利文献1的永久磁铁式旋转电机，磁气并联地配置两种磁铁，因此可以增大可变磁力磁铁3的减磁量，具有可使磁力的变化幅度增大到0～100％的优点，但是存在增磁时所需的磁化电流大的问题。
这样的问题不限于增磁时，在可变磁力磁铁3的减磁时也少量发生，期望出现可高效运用可变磁力磁铁3的磁通量的永久磁铁式旋转电机。
本发明鉴于解决上述课题而提出，其目的是提供：通过减少可变磁力磁铁的增磁时的磁化电流，无需逆变器的大型化，可进行在低速到高速的广范围的可变速运转，可实现低速旋转域的高转矩化和中、高速旋转域的高输出化、效率提高的永久磁铁式旋转电机。
(解决问题的方案)
本发明的永久磁铁式旋转电机，采用矫顽力与磁化方向厚度的积彼此不同的两种以上的永久磁铁，在转子铁芯内形成多个磁极而构成转子，在该转子的外周，隔着气隙配置由电枢铁芯和电枢绕组组成的定子，具有如下的特征。即，上述两种以上的永久磁铁中，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁小的永久磁铁定义为积小的永久磁铁，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁大的永久磁铁定义为积大的永久磁铁的情况下，在磁路上串联配置包含上述两种以上的永久磁铁的两个以上的永久磁铁，形成磁铁串，相对于该磁铁串，在磁路上并联配置上述积大的永久磁铁，通过上述电枢绕组的电流形成的磁场，在形成上述磁铁串的永久磁铁中，使上述积小的永久磁铁磁化，使构成磁极的永久磁铁的磁通量不可逆地变化。
本发明中，在转子的各磁极中，可在磁路上串并联配置两种以上的永久磁铁，也可以在多个磁极间，在磁路上串并联配置两种以上的永久磁铁。另外，也可以在各磁极设置磁气障壁或者短路线圈。
(发明的效果)
根据具有以上的构成的本发明，可以抑制矫顽力与磁化方向厚度的积小的永久磁铁的减磁时及增磁时的磁化电流的增加，因此可以实现旋转电机的效率化。
附图说明
图1是本发明的第1实施例中的转子和定子的截面图。
图2是磁铁的交链磁通为最大的状态的截面图。
图3是通过线圈电流发生使可变磁力磁铁的磁力减少的磁场的状态的截面图。
图4是通过电流的逆磁场使可变磁力磁铁的磁力减少的状态的截面图。
图5是通过电流的逆磁场使可变磁力磁铁在逆方向磁化，磁铁的交链磁通为最小的状态的截面图。
图6是通过线圈电流发生使极性反转的可变磁力磁铁的磁力减少的磁场的状态的截面图。
图7是通过电流的磁场使极性反转的可变磁力磁铁的磁力减少的状态的截面图。
图8是电流的逆磁场使可变磁力磁铁在逆方向磁化，磁铁的交链磁通为最大的状态的截面图。
图9是低矫顽力磁铁的动作点变化和代表性的磁铁的磁气特性的示图。
图10是第1实施例中的减磁时的状态的截面图。
图11是本发明中的磁气障壁和q轴磁通的关系的截面图。
图12是本发明中的短路线圈的作用的截面图。
图13是本发明的第2实施例的构成的示意图。
图14是本发明的第3实施例的构成的示意图。
图15是专利文献1所述的转子的截面图。
图16是专利文献1所述的转子的作用的示意图。
具体实施方式
以下，参照图1～12说明本发明的永久磁铁式型旋转电机的实施例。另外，以下的实施例的旋转电机说明了12极的情况，但是本发明也可同样适用其它极数。
(1.第1实施例)
(1-1.构成)
用图1说明本发明的第1实施例。
本发明的第1实施例的转子1由图1所示那样，转子铁芯2、矫顽力与磁化方向厚度的积小的永久磁铁3(以下，称为可变磁力磁铁)、矫顽力与磁化方向厚度的积大的永久磁铁(以下，称为固定磁力磁铁)4a、4b构成。这里，4a表示与可变磁力磁铁3在磁路上串联配置的一个固定磁力磁铁，4b表示与可变磁力磁铁3在磁路上并联配置的两个固定磁力磁铁。转子铁芯2由硅钢板层叠而构成，上述的可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a、4b埋入转子铁芯2内。
在可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a、4b的端部设置空洞5、6，使得通过转子铁芯2内的磁通在其厚度方向上通过可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a、4b的部分。转子铁芯2的磁极部7以被一个可变磁力磁铁3和三个固定磁力磁铁4a、4b、4b包围的方式形成。转子铁芯2的磁极部7的中心轴方向为d轴，磁极间的中心轴方向为q轴。
可变磁力磁铁3可使用铁素体磁铁或铝镍钴磁铁。固定磁力磁铁4a、4b设为NdFeB磁铁。本实施例中，作为一例，说明可变磁力磁铁3使用矫顽力280kA/m的铁素体磁铁，固定磁力磁铁4a、4b使用矫顽力1000kA/m的NdFeB磁铁的情况。
使可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a在各磁铁的磁化方向重合，构成一个磁铁。即，将可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a磁串联地重叠配置为相同磁化方向，形成磁铁串。该磁铁串以磁化方向成为d轴方向(这里是大致转子的半径方向)的位置在转子铁芯2内配置。另一方面，在可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a的磁铁串的两侧，将固定磁力磁铁4b、4b配置在磁化方向成为d轴方向的位置。该横向配置的固定磁力磁铁4b、4b相对于上述磁铁串在磁路上构成并联电路。即，在磁路上，相对于可变磁力磁铁3，串联配置固定磁力磁铁4a，并联配置固定磁力磁铁4b、4b。另外，在转子铁芯2的固定磁力磁铁4b、4b的外周部和内周部设置空洞9a、9b。其中，固定磁力磁铁4b、4b外周部的空洞9a沿固定磁力磁铁4b、4b的配置方向延伸，形成磁气障壁。
以包围在上述转子铁芯2内埋入的由可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a层叠形成的磁铁串和两侧的固定磁力磁铁4b、4b的方式，在其上侧(转子的外周侧)及下侧(转子的内周侧)设置短路线圈8。此时，短路线圈8使得固定磁力磁铁4b、4b的磁化方向成为中心轴。该短路线圈8由环状的导电性部件构成，以嵌入的方式安装在设置于转子铁芯2内的空洞5、6的边缘的部分。另外，也可以使高温熔融的导电性部件流入转子铁芯2的孔而铸造制作。该短路线圈8设置在除可变磁力磁铁3的其它固定磁力磁铁4b、4b的磁路部分。
该短路线圈8因对电枢绕组通电d轴电流时发生的磁通而发生短路电流。流过短路线圈8的短路电流优选以不可逆变化的永久磁铁3的磁化变化的程度的强度在1秒以内流过，然后在1秒以内衰减50％以上。另外，若将上述短路线圈8的电感值和电阻值设为流过可变磁力磁铁3的磁化变化的程度的短路电流的值，则效率良好。
在上述转子2的外周，隔着气隙设置定子10。该定子10具有电枢铁芯11和电枢绕组12。图中13是在电枢铁芯11的外周部设置的空洞。通过流过该电枢绕组12的磁化电流，在上述短路线圈8产生感应电流，通过该感应电流，形成贯通短路线圈8的磁通。另外，通过流过该电枢绕组12的磁化电流，可变磁力磁铁3的磁化方向不可逆地变化。
即，对于可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a对，永久磁铁式旋转电机运转时，由d轴电流形成的磁场使可变磁力磁铁3磁化，使该磁通量不可逆地变化。该场合，在流过磁化可变磁力磁铁3的d轴电流的同时，由q轴电流控制旋转电机的转矩。
另外，通过d轴电流产生的磁通，使由电流(q轴电流与d轴电流合成的全电流)和可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a、4b产生的电枢绕组的交链磁通量，即，由旋转电机的全电流在电枢绕组上产生的磁通和由转子侧的两种以上的永久磁铁4a、4b产生的磁通构成的电枢绕组全体的交链磁通量大致可逆地变化。
特别地，本实施例中，由瞬时的大d轴电流形成的磁场使可变磁力磁铁3不可逆变化。在该状态下，连续地流过几乎不产生不可逆减磁或者产生微小的不可逆减磁的范围的d轴电流并运转。此时的d轴电流起到使电流相位前进，调节端子电压的作用。
另外，由大d轴电流使可变磁力磁铁3的极性反转，进行促进电流相位的运转控制方法。这样，由d轴电流使可变磁力磁铁3的极性反转，因此，即使流过使端子电压降低的负的d轴电流，对可变磁力磁铁3来说，也不是减磁场，而成为增磁场。即，负的d轴电流不会使可变磁力磁铁3减磁，可调节端子电压的大小。
一般的磁铁马达中磁铁的极性不反转，因此若通过使电流相位前进而使d轴电流增加，则存在磁铁不可逆减磁的问题，而本实施例中，可使可变磁力磁铁3的极性反转而使相位前进。
(1-2.基本作用)
接着，说明第1实施例中的作用。
本实施例中，在定子的电枢绕组中流过通电时间为极短时间(0.1ms～100ms程度)的脉冲电流，形成磁场，使磁场作用于可变磁力磁铁3。形成用于磁化可变磁力磁铁3的磁场的脉冲电流设为定子的电枢绕组的d轴电流分量。
两种永久磁铁4a、4b的厚度若大致同等，则d轴电流的作用磁场导致的永久磁铁的磁化状态变化因矫顽力的大小而改变。即，作用磁场导致的永久磁铁的磁化状态变化由矫顽力的大小与永久磁铁的厚度的积概算。本实施例中，铁素体磁铁的矫顽力设为300kA/m，NdFeB磁铁的矫顽力设为1000kA/m。另外，磁化方向的磁铁厚度设为相同的5mm。磁化所需的磁动势由磁化所需的磁场与永久磁铁的厚度的积概算，因此，铁素体磁铁的90％的励磁磁场为约350kA/m，从而磁化所需的磁动势成为350kA/m×5×10-3＝1750A。另一方面，NdFeB磁铁的90％的励磁磁场为约1500kA/m，从而磁化所需的磁动势成为1500kA/m×5×10-3＝7500A。
可变磁力磁铁3即铁素体磁铁的磁力可变所需要的磁动势成为固定磁力磁铁4a、4b即NdFeB磁铁的约20％。从而，在可使铁素体磁铁的磁力可变的电流中，NdFeB磁铁的磁力可不变地维持。从而，若将这些磁铁串联组合构成磁铁串，则可将NdFeB磁铁的磁力维持基本量，通过使铁素体磁铁的磁力变化，可调节永久磁铁的全交链磁通量。
首先，将发生与磁铁的磁化方向逆方向的磁场的负的d轴电流脉冲地通入电枢绕组。若由负的d轴电流改变的磁铁内的磁场成为175kA/m，则铁素体磁铁的矫顽力为175kA/m，从而铁素体磁铁的磁力不可逆地显著降低。另一方面，NdFeB磁铁的矫顽力为1500kA/m，从而磁力不会不可逆地降低。结果，若脉冲的d轴电流成为0，则仅仅铁素体磁铁成为减磁状态，可减少全体的磁铁形成的交链磁通量。
接着，将发生与永久磁铁的磁化方向同方向的磁场的正的d轴电流通入电枢绕组。发生铁素体磁铁励磁所需要的磁场。若由正的d轴电流改变的磁铁内的磁场为350kA/m，则减磁的铁素体磁铁被励磁，发生最大的磁力。另一方面，NdFeB磁铁的矫顽力为1500kA/m，因此磁力不会不可逆地变化。结果，若脉冲的正的d轴电流成为0，则仅仅铁素体磁铁成为增磁状态，可增加全体的磁铁形成的交链磁通量。从而，可恢复原来的最大的交链磁通量。
如上所述，通过使d轴电流形成的瞬时磁场作用于铁素体磁铁和NdFeB磁铁，可使铁素体磁铁的磁力不可逆地变化而任意改变永久磁铁的全交链磁通量。
该场合，在永久磁铁式旋转电机的低速域的最大转矩时，以叠加磁极的永久磁铁的磁通的方式使可变磁力磁铁3磁化，在转矩小的轻负载时或中速旋转域和高速旋转域中，上述可变磁力磁铁3由电流形成的磁场磁化，使磁通减少。另外，在使磁极的磁铁不可逆变化而交链磁通设为最小的状态下，转子成为最高旋转速度时，将永久磁铁的感应电压设为旋转电机的电源即逆变器电子部件的耐压以下。
(1-3.串联配置的作用)
本实施例中，将两种磁铁磁气串联地配置而形成磁铁串，因此在可变磁力磁铁3的减磁及增磁时，具有与上述专利文献1的永久磁铁式旋转电机不同的作用。该点通过图2～8说明。
图2是获得减磁前的最大的交链磁通量的情况下的图。该场合，层叠的两种永久磁铁3、4a的磁化方向相同，因此，两方的永久磁铁3、4a的磁通叠加，获得最大的磁通量。
图3表示减磁时的状态，通过电枢绕组，从d轴方向将发生与两方的永久磁铁3、4a的磁化方向逆方向的磁场的负的d轴电流脉冲地通入电枢绕组。若由负的d轴电流改变的磁铁内的磁场为175kA/m，则可变磁力磁铁3(铁素体磁铁)的矫顽力为175kA/m，从而可变磁力磁铁3的磁力不可逆地显著降低。该场合，可变磁力磁铁3被施加来自与其层叠的固定磁力磁铁4a的磁场，其与用于减磁的从d轴方向施加的磁场抵消，因此，需要相应大小的磁化电流，但是，用于减磁的磁化电流比增磁时少即可，因此磁化电流的增加少。
图4表示由负的d轴电流使逆磁场的可变磁力磁铁3的磁力减少的状态。可变磁力磁铁3的磁力不可逆地显著降低，而固定磁力磁铁4a(NdFeB磁铁)的矫顽力为1500kA/m，磁力不会不可逆地降低。结果，若脉冲的d轴电流成为0，则仅仅可变磁力磁铁3成为减磁状态，可减少全体的磁铁形成的交链磁通量。
图5表示由负的d轴电流使逆磁场的可变磁力磁铁3的磁力在逆方向磁化(极性反转)，全体的磁铁形成的交链磁通成为最小的状态。负的d轴电流的大小若发生可变磁力磁铁3励磁所需要的350kA/m的磁场，则减磁的可变磁力磁铁3被励磁，发生磁力。该场合，两种永久磁铁3、4a的磁化方向相逆，因此两方的永久磁铁的磁通相减，磁通成为最小。
图6表示为了由负的d轴电流使极性反转的可变磁力磁铁3的磁力减少而发生磁场的状态。将发生固定磁力磁铁4a的磁化方向的磁场的正的d轴电流脉冲地通入电枢绕组。由正的d轴电流改变的磁铁内的磁场使极性反转的可变磁力磁铁3的磁力不可逆地显著降低。该场合，来自与可变磁力磁铁3层叠的固定磁力磁铁4a的磁场与磁化电流的磁场叠加(偏置的磁场从固定磁力磁铁4a作用于可变磁力磁铁3)，因此可变磁力磁铁3的减磁容易进行。
图7表示由正的d轴电流形成的磁场使极性反转的可变磁力磁铁3的磁力减少的状态。固定磁力磁铁4a形成的磁场也叠加到使可变磁力磁铁3的磁力不可逆地降低的正的d轴电流形成的磁场。因此，通常需要大磁化电流时，也可通过固定磁力磁铁4a的作用，抑制磁化电流的增大。
图8表示由正的d轴电流使可变磁力磁铁3在逆方向磁化(极性再度反转)，全体的磁铁形成的交链磁通成为最大的状态。层叠的两种永久磁铁3、4a的磁化方向相同，因此，两方的永久磁铁的磁通叠加，获得最大的磁通量。
(1-4.可变磁力磁铁的作用)
接着，说明可变磁力磁铁3的作用。图9是表示作为代表性磁铁的NdFeB磁铁、铁素体磁铁、铝镍钴磁铁、钐钴磁铁的磁气特性(矫顽力与磁通密度的关系)的曲线图。其中，本发明的固定磁力磁铁4可使用前述那样的NdFeB磁铁。另外，在本实施例中，从前述的「1-1.构成」到「1-3.串联配置的作用」的栏中，说明了使用铁素体磁铁3作为可变磁力磁铁3的情况，但是在本发明中，作为可变磁力磁铁3，如图9所示，不仅是前述的铁素体磁铁、铝镍钴磁铁，也可以使用钐钴磁铁。
可变磁力磁铁3即使是低矫顽力，在仅有可变磁力磁铁3的状态时也是高磁通密度，而在并联配置固定磁力磁铁4的状态下，通过其作用，可变磁力磁铁3的动作点降低，其磁通密度降低。与此相对地，在串联地层叠可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a的状态下，通过串联地层叠的固定磁力磁铁4a的作用，可变磁力磁铁3的磁铁的动作点上升，磁通密度上升。
即，低矫顽力且高磁通密度的磁铁即铝镍钴磁铁或钐钴磁铁的动作点在仅为可变磁力磁铁3的状态下处于高磁通密度侧(图9的A、B)，而在并联配置固定磁力磁铁4b、4b的状态下，降低到低磁通密度侧(图9的A′、B′)。但是，如本发明那样，在串联地层叠可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a的状态下，并联配置的固定磁力磁铁4b、4b与串联配置的固定磁力磁铁4a的磁场的朝向为逆方向，因此两者的磁场相抵消，可变磁力磁铁3的动作点向高磁通密度侧(图9的A”、B”)移动。
从该曲线图可明白，单独使用铝镍钴磁铁或者钐钴磁铁作为可变磁力磁铁3的情况下，磁通密度从动作点A、B点起下降，因此，必须由电枢绕组的d轴电流形成的磁场发生只要超过该矫顽力的磁力，需要大d轴电流。但是，如本实施例，通过并联配置的固定磁力磁铁4b、4b和串联配置的固定磁力磁铁4a，可变磁力磁铁3的动作点向图中A”移动，因此，只要稍微改变磁场的强度，其磁通密度就急剧降低。从而，通过电枢绕组的d轴电流，由逆磁场使可变磁力磁铁3的磁力减少的情况下，可以使其磁通密度的变化大，因此，通过小的d轴电流，可以使磁极内配置的永久磁铁全体形成的交链磁通量显著变化。
铁素体磁铁的矫顽力比铝镍钴磁铁大，因此，在使永久磁铁的交链磁通增加的方向使极性反转时所需的磁化电流大。但是，在本实施例中，通过串联配置的固定磁力磁铁的作用，可以以小的磁化电流使磁力反转。
这点与将图9所示的铁素体磁铁用作可变磁力磁铁3的情况同样，虽然没有铝镍钴磁铁、钐钴磁铁那样的急剧变化，但是与铁素体磁铁单独使用的情况比较，其动作点C”降低，因此，可以以小的d轴电流使磁通密度降低。
(1-5.磁气障壁的作用)
图10说明在固定磁力磁铁4a、4b的外周部设置的磁气障壁的作用。成为磁气障壁的空洞9a不设置在层叠可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a而成的磁铁串的外周部，仅设置在与该磁铁串并联配置的固定磁力磁铁4b、4b的外周部。固定磁力磁铁4b、4b具有磁气障壁，因此d轴电流形成的磁场变小。
另一方面，在层叠可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a而成的磁铁串的周围无磁气障壁，因此可提高d轴电流产生的磁场。从而，可使d轴电流形成的磁场A有效地作用于层叠可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a而成的磁铁串。另外，即使对于由d轴电流增加的磁通，也可以抑制穿过固定磁力磁铁4b、4b的磁通量的增加，因此，可缓和铁芯的磁饱和，并可降低用于使可变磁力磁铁3的磁化变化的d轴电流。
另外，如图11所示，q轴磁通B以横切转子铁芯2的磁极外周部的方式分布，但是由于具有成为磁气障壁的空洞9a，因此磁路截面积狭小，磁阻变高。从而，可以减小q轴电感，可以降低端子电压。
(1-6.短路线圈的作用)
接着，通过图12说明短路线圈8的作用。可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a、4b埋入转子铁芯2内，构成磁路，因此，上述d轴电流形成的磁场不仅作用于可变磁力磁铁3，还作用于固定磁力磁铁4a、4b。本来，上述d轴电流形成的磁场用于使可变磁力磁铁3的磁化变化。
因而，使上述d轴电流形成的磁场不作用于固定磁力磁铁4b、4b，而集中于可变磁力磁铁3即可。本实施例中，在固定磁力磁铁4b、4b的上侧(转子的外周侧)和下侧(转子的内周侧)配置短路线圈8。短路线圈以固定磁力磁铁4b、4b的磁化方向作为中心轴进行配置。若上述d轴电流形成的磁场作用于固定磁力磁铁4b、4b，则抵消上述磁场的感应电流流过短路线圈8。从而，在固定磁力磁铁4b、4b中，在上述d轴电流形成的磁场和短路电流形成的磁场几乎不产生磁场的增减。而且短路电流形成的磁场也作用于可变磁力磁铁3，成为与d轴电流形成的磁场相同的方向。
从而，使可变磁力磁铁3磁化的磁场加强，可由小的d轴电流使可变磁力磁铁3磁化。另外，由于短路线圈，固定磁力磁铁4b、4b不受上述d轴电流的影响，几乎不产生磁通的增加，因此，上述d轴电流形成的电枢铁芯11的磁饱和也可缓和。
另外，也可以在固定磁力磁铁4b、4b的下表面(转子的内周侧)，取代上述短路线圈8而设置导电性的板。导电性的板优选使用铜板或铝板。另外，导电性的板不限于在固定磁力磁铁4b、4b的下表面，也可以在上表面(转子的外周侧)配置，若在上表面设置，则具有可由电流高次谐波、槽高次谐波在导电性板中产生感应电流而降低上述高次谐波的优点。
在这样的构成中，若将磁化电流发生的磁场施加到导电性的板上，则在导电性的板的表面发生感应电流(涡流)，从而，发生与上述短路线圈8同样的磁场。通过该磁场，在固定磁力磁铁4b、4b中，在上述d轴电流形成的磁场和短路电流形成的磁场几乎不产生磁场的增减。而且短路电流形成的磁场也作用于可变磁力磁铁3，成为与d轴电流形成的磁场相同方向。同时，也发挥缓和电枢铁芯11的磁饱和的作用。
(1-7.气隙长度的作用)
在第1实施例中，如图1所示，配置了固定磁力磁铁4b、4b的附近的气隙长度L1构成为比配置了可变磁力磁铁3的附近的气隙长度L2更长。
在本实施例中，目的是使d轴电流形成的磁场作用于可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a，但是也产生漏磁场。因此，本实施例中使q轴附近的气隙长度L1比d轴附近的气隙长度L2大。即，气隙长度在配置了可变磁力磁铁3的附近变短，因此气隙部分的磁阻变小。
从而，用于磁化磁铁的d轴电流形成的磁场可集中到在d轴部配置的可变磁力磁铁3，可同时使高磁场作用，可以以小的d轴电流有效磁化可变磁力磁铁3。另外，由于可增大q轴侧的磁阻，因此，可降低旋转电机的电感，可提高力率。作为其它实施例，也可以在转子铁芯内设置增大q轴方向的磁阻的非磁性部分。
(1-8.效果)
具有以上的构成以及作用的本实施例中，可获得如下效果。(1)由于可抑制增磁时的磁化电流的增加，因此不需要用于驱动永久磁铁式旋转电机的逆变器的大型化，直接使用现状的逆变器，实现运转的效率化。
(2)通过利用d轴电流使可变磁力磁铁3不可逆地变化，可以在广范围调节固定磁力磁铁4a和固定磁力磁铁4b、4b合成的全交链磁通量。
(3)永久磁铁的全交链磁通量的调节可以在广范围调节旋转电机的电压，另外，励磁以极短时间的脉冲电流进行，因此，不必常时持续流过弱磁通电流，从而可显著降低损失。另外，不必如传统那样进行弱磁通控制，因此也不发生高次谐波磁通形成的高次谐波铁损。从而，本实施例的旋转电机可进行以高输出从低速到高速的广范围的可变速运转，在广运转范围中也可实现高效率。
(4)对于永久磁铁形成的感应电压，由负的d轴电流对可变磁力磁铁3励磁，可减小永久磁铁的全交链磁通量，因此，不会产生永久磁铁的感应电压导致的逆变器电子部件的破损，可靠性提高。
(5)在旋转电机无负载地带动的状态下，可由负的d轴电流对可变磁力磁铁3励磁而减小永久磁铁的全交链磁通量。从而，感应电压显著降低，几乎不再需要以用于降低感应电压的弱磁通电流进行常时通电，综合效率提高。特别是，若在惰性运转时间长的通勤电车中搭载本发明的旋转电机进行驱动，则综合运转效率显著提高。
(2.第2实施例)
用图13说明本发明的第2实施例。
本实施例如图13，在可变磁力磁铁3的两侧排列固定磁力磁铁4b、4b而构成转子的第1磁极。另一方面，与上述第1磁极邻接配置固定磁力磁铁4a，构成第2磁极。这些邻接的第1和第2磁极中的固定磁力磁铁4a、4b的极性以在转子的外周侧及内周侧分别形成不同极性的方式配置。
即，由在可变磁力磁铁3的两侧配置固定磁力磁铁4b、4b的第1磁极和在该第1磁极的两侧配置并用其极性不同于第1磁极的固定磁力磁铁4b、4b的固定磁力磁铁4a构成的第2磁极来形成转子的磁极。另外，在第1磁极内，可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4b、4b在磁路上并联配置，第1磁极的可变磁力磁铁3和在第2磁极配置的固定磁力磁铁4a在磁路上串联配置，形成磁铁串。
具有以上的构成的本实施例中，可变磁力磁铁3在转子的一个极内，不与固定磁力磁铁串联配置。但是，可变磁力磁铁3与邻接的极的固定磁力磁铁4a串联配置，受到该固定磁力磁铁4a的磁场的影响，因此，如上述第1实施例那样，可获得与层叠固定磁力磁铁4a时同样的效果。即，邻接的转子的极的固定磁力磁铁4a的磁场在可变磁力磁铁3内部，与相对于可变磁力磁铁3并联配置的固定磁力磁铁4b、4b的磁场成为逆方向，以相互抵消的方式作用。从而，使可变磁力磁铁3从不可逆减磁的状态增磁而返回原来的极性的情况下，可减小阻碍变化的邻接的固定磁力磁铁4b、4b形成的磁场，因此，可降低使可变磁力磁铁3的磁力变化时所需的磁化电流(d轴电流)。
(3.第3实施例)
用图14说明本发明的第3实施例。
本实施例如图14，在转子铁芯2内配置一个固定磁力磁铁4b，使其处于磁化方向成为d轴方向(这里是大致转子的半径方向)的位置(定子铁芯的中心部)。另一方面，在固定磁力磁铁4b的两侧，在磁化方向成为d轴方向的位置配置将可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a串联重叠而形成的磁铁串。在该两侧配置的可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a层叠而成的磁铁串相对于上述磁极中心部的固定磁力磁铁4b在磁路上构成并联电路。
另外，在可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a的端部设置空洞6，使得通过转子铁芯2内的磁通在其厚度方向通过可变磁力磁铁3及固定磁力磁铁4a的部分。
在具有以上的构成的本实施例中，除了与上述第1实施例同样的作用效果外，相对于磁极在左右配置由可变磁力磁铁3和固定磁力磁铁4a层叠而成的磁铁串，因此，可变磁力磁铁3的磁化可在左右的单侧各分2次进行。结果，阻碍可变磁力磁铁3的极性变化的固定磁力磁铁4b成为仅仅并联配置的一个。即，与配置两个固定磁力磁铁4b的上述第1实施例相比，可减小由阻碍可变磁力磁铁3的极性变化的固定磁力磁铁4b形成的磁场，因此，可降低使可变磁力磁铁3的磁力变化时所需的磁化电流(d轴电流)。
(4.其它实施例)
本发明不限于上述的各实施例，也包含如下的其它实施例。
(1)上述各实施例中表示了12极的旋转电机，但是本发明当然也可以适用于4极、8极、16极等的其它极数的旋转电机。当然地，根据极数稍微改变永久磁铁的配置位置、形状，可获得同样的作用和效果。
(2)在形成磁极的永久磁铁中，定义为按矫顽力与磁化方向厚度的积来区别永久磁铁。从而，磁极以相同材质的永久磁铁形成，即使磁化方向厚度形成为不同，也可以获得同样的作用和效果。
(3)在上述转子铁芯2中，为了构成磁气障壁而在固定磁力磁铁的外周侧设置的空洞的形状、位置，以及为了确定其磁路截面积而在固定磁力磁铁的内周侧设置的空洞的位置等，可以根据使用的永久磁铁的矫顽力、磁化电流产生的磁场的强度等进行适宜变更。
(4)在运转时，由极短时间的脉冲的d轴电流形成的磁场使永久磁铁磁化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，且，相对于全磁铁的感应电压，以使相位前进后的电流连续地通电，使电流和永久磁铁产生的电枢绕组的交链磁通量变化。
即，若由脉冲电流使永久磁铁的磁通量减少，进而使电流相位前进，则相对于磁铁磁通发生由逆方向的电流产生的磁通，因此将其抵消，可减少全交链磁通，降低端子电压。另外，使电流相位前进与流过负的d轴电流分量等效。
在这样的电流相位前进控制中，若使电流相位前进，则d轴电流流过，磁铁减磁，减少了一些磁通量。但是，由于通过脉冲电流显著地减磁，因此具有磁通量的降低在比率上小的优点。
(5)在上述各实施例中，说明了采用矫顽力与磁化方向厚度的积大和小的两种永久磁铁的情况，但是，本发明也包含采用矫顽力与磁化方向厚度的积不同的三种以上的永久磁铁的形态。例如，可考虑在磁路上串联配置矫顽力与磁化方向厚度的积不同的三种永久磁铁，相对于该磁铁串，在磁路上并联配置矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁大的永久磁铁的构成等，该场合也可以获得与上述各实施例同样的作用和效果。
(符号的说明)
1...转子
2...转子铁芯
3...可变磁力磁铁
4...固定磁力磁铁
5，6...永久磁铁端的空洞
7...磁极部
8...短路线圈
9a，9b...空洞
10...定子
11...电枢铁芯
12...电枢绕组
Claims (17)
1.一种永久磁铁式旋转电机，采用矫顽力与磁化方向厚度的积互异的两种以上的永久磁铁，在转子铁芯内形成多个磁极而构成转子，在该转子的外周，隔着气隙配置由电枢铁芯和电枢绕组组成的定子，其特征在于，
在上述两种以上的永久磁铁中，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁小的永久磁铁定义为积小的永久磁铁，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁大的永久磁铁定义为积大的永久磁铁的情况下，
在磁路上串联配置包含上述两种以上的永久磁铁的两个以上的永久磁铁，形成磁铁串，相对于该磁铁串，在磁路上并联配置上述积大的永久磁铁，
通过上述电枢绕组的电流形成的磁场，使在形成上述磁铁串的永久磁铁中的上述积小的永久磁铁磁化，使构成磁极的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，采用矫顽力与磁化方向厚度的积互异的两种以上的永久磁铁，在转子铁芯内形成多个磁极而构成转子，在该转子的外周，隔着气隙配置由电枢铁芯和电枢绕组组成的定子，其特征在于，
在上述两种以上的永久磁铁中，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁小的永久磁铁定义为积小的永久磁铁，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁大的永久磁铁定义为积大的永久磁铁的情况下，
构成上述多个磁极的各磁极构成为：在磁极的中心部，在磁路上串联配置包含上述两种以上的永久磁铁的两个以上的永久磁铁，形成磁铁串，在磁极的两方的极间部侧，相对于上述磁铁串，在磁路上分别并联配置上述积大的永久磁铁，
通过上述电枢绕组的电流形成的磁场，在各磁极中，在形成上述磁铁串的永久磁铁中，使上述积小的永久磁铁磁化，使构成磁极的永久磁铁的磁通量不可逆地变化。
3.一种永久磁铁式旋转电机，采用矫顽力与磁化方向厚度的积互异的两种以上的永久磁铁，在转子铁芯内形成多个磁极而构成转子，在该转子的外周，隔着气隙配置由电枢铁芯和电枢绕组组成的定子，其特征在于，
在上述两种以上的永久磁铁中，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁小的永久磁铁定义为积小的永久磁铁，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁大的永久磁铁定义为积大的永久磁铁的情况下，
上述多个磁极由极性不同的第1、第2磁极交互配置而形成，
上述第1磁极构成为：在磁极的中心部，配置上述积小的永久磁铁，在磁极的两方的极间部侧，相对于上述中心部的积小的永久磁铁，在磁路上分别并联配置上述积大的永久磁铁，
上述第2磁极采用上述积大的永久磁铁构成，该第2磁极的积大的永久磁铁与在上述第1磁极的中心部配置的积小的永久磁铁在磁路上串联配置，并且，与在上述第1磁极的极间部侧配置的积大的永久磁铁在磁路上并联配置，
通过上述电枢绕组的电流形成的磁场，使在上述第1磁极的中心部配置的积小的永久磁铁磁化，使构成磁极的永久磁铁的磁通量不可逆地变化。
4.一种永久磁铁式旋转电机，采用矫顽力与磁化方向厚度的积互异的两种以上的永久磁铁，在转子铁芯内形成多个磁极而构成转子，在该转子的外周，隔着气隙配置由电枢铁芯和电枢绕组组成的定子，其特征在于，
在上述两种以上的永久磁铁中，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁小的永久磁铁定义为积小的永久磁铁，将矫顽力与磁化方向厚度的积比其它永久磁铁大的永久磁铁定义为积大的永久磁铁的情况下，
构成上述多个磁极的各磁极构成为：在磁极的两方的极间部侧，在磁路上串联配置包含上述两种以上的永久磁铁的两个以上的永久磁铁，分别形成磁铁串，在磁极的中心部，相对于上述磁铁串，在磁路上并联配置上述积大的永久磁铁，
通过上述电枢绕组的电流形成的磁场，在各磁极中，在形成上述磁铁串的永久磁铁中，使上述积小的永久磁铁磁化，使构成磁极的永久磁铁的磁通量不可逆地变化。
5.根据权利要求1、2、4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
上述磁铁串由上述积小的永久磁铁和上述积大的永久磁铁的两种永久磁铁形成，该两种永久磁铁在转子的磁心内重叠配置。
6.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
相对于其它永久磁铁在磁路上并联配置的永久磁铁，相对于该其它永久磁铁，在大致一直线上配置或者V字状地配置。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在磁路上并联配置的永久磁铁由在磁极的侧面的大致q轴上配置的矫顽力与磁化方向厚度的积大的永久磁铁和在磁极的中央部配置的所述串联配置的两种以上的永久磁铁构成。
8.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在上述积大的永久磁铁的磁路中设置磁阻大的部分。
9.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在上述转子上设置短路线圈。
10.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
q轴方向的磁阻比除磁铁部的d轴方向的磁阻大。
11.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
q轴方向的气隙长度比d轴方向的气隙长度大。
12.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
通过上述电枢绕组的电流形成的规定方向的磁场，使上述积小的永久磁铁磁化，使永久磁铁形成的交链磁通不可逆地减少，
在该交链磁通减少后，通过在上述规定方向的逆方向发生由电流形成的磁场，使上述积小的永久磁铁磁化，使交链磁通量不可逆地增加。
13.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
由d轴电流形成的磁场使永久磁铁磁化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，在流过磁化永久磁铁的d轴电流的同时，由q轴电流控制转矩。
14.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在运转时，由d轴电流形成的磁场使永久磁铁磁化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，通过由d轴电流产生的磁通，使电流和由永久磁铁产生的电枢绕组的交链磁通量大致可逆地变化。
15.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在最大转矩时，使上述积小的永久磁铁磁化，以使永久磁铁的全交链磁通增大，在转矩小的轻负载时及中速旋转域和高速旋转域中，由电流形成的磁场使上述积小的永久磁铁磁化，使永久磁铁的全交链磁通减少。
16.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在使磁极的永久磁铁不可逆变化、交链磁通为最小的状态下，在转子达到最高旋转速度时，将永久磁铁形成的感应电压设为旋转电机的电源即逆变器电子部件的耐压以下。
17.根据权利要求1到4中的任一项所述的永久磁铁式旋转电机，其特征在于，
在将转子插入定子进行组装时，通过将上述积小的永久磁铁减磁或者使极性反转，从而设为使永久磁铁的交链磁通量减少的状态。
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