CN102593983A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明的永久磁铁式旋转电机的转子，以相对于转子铁心(2)的旋转中心，点对称地具有多个磁极，并且，在各个磁极中，设置矫顽磁力和磁化方向厚度的积小的永久磁铁(3)以及矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的永久磁铁(4)，再有，通过由电枢绕组(21)的电流生成的磁场使矫顽磁力和磁化方向厚度的积小的永久磁铁(3)不可逆地磁化，来使全部交链磁通量变化为特征，据此，能够高输出，进行大范围的可变速运转，同时，实现在大运转范围内高效率的旋转电机。

Description

旋转电机

本发明是申请人株式会社东芝提交的申请号为200780029854.0，申请日为2007年8月2日，发明名称为永久磁铁式旋转电机的转子的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及永久磁铁式旋转电机的转子。

背景技术

一般，永久磁铁式旋转电机粗略分为两种类型。是将永久磁铁粘贴在转子铁心的外周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中的埋入型永久磁铁式旋转电机。作为可变速驱动用马达，后者的埋入型永久磁铁式旋转电机合适。

作为此后者的埋入型永久磁铁式旋转电机，已知的是“《埋入磁铁同步马达的设计和控制》、武田洋次等、オ一ム公司出版的文献”(非专利文献1)，和特开平7-336919号公报(专利文献1)记载的埋入型永久磁铁式旋转电机。使用图9，说明这样的以往的埋入型永久磁铁马达的构成。在转子1的转子铁心2的内部并且是靠近外周的位置，相对于极数N，360°/N点对称地仅设置极数N的数量的长方形的空洞。图9是四极的转子1，在(360°/4＝)90°点对称的各个位置设置合计四个空洞，分别插入永久磁铁4。永久磁铁4在转子1的半径方向，或者和永久磁铁4的截面的长方形中与气隙面相对的边(在图9中长边)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。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收容在定子20的内部。该定子20是通过将电枢绕组21收容于在定子铁心22的内侧形成的狭槽中而构成。然后，定子20的内周面和转子1的外周面隔着气隙23相对。

另外，作为可变速特性优异的高输出的旋转电机，有在特开平11-27913号公报(专利文献2)、特开平11-136912号公报(专利文献3)中记载的永久磁铁式磁阻型旋转电机。在这样的永久磁铁式旋转电机中，因为在其构造特性上，永久磁铁的交链磁通总是固定地产生，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。因该永久磁铁而产生的感应电压虽然施加于逆变器的电子零件，但是，若该施加电压达到电子零件的耐电压以上，则零件绝缘破坏。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，若成为这样的设计，则在永久磁铁式旋转电机的低速区域的输出以及效率降低。

另一方面，在从低速到高速接近固定输出进行可变速运转的情况下，因为永久磁铁的交链磁通固定，所以，在高速旋转区域，旋转电机的电压达到电源电压上限，输出所必需的电流的流动消失。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，开始应用在上述非专利文献1中记载的那样的弱磁通控制。在永久磁铁式旋转电机的情况下，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。弱磁通控制着眼于这种情况，通过产生因负的d轴电流而产生的磁通，进行减少电枢绕组的总交链磁通量的控制。在该弱磁通控制中，高矫顽磁力的永久磁铁4其磁特性(B-H特性)的动作点在可逆的范围变化。因此，在永久磁铁中，应用具有高矫顽磁力特性的NdFeB磁铁，以便不会通过弱磁通控制的消磁场而不可逆地消磁。

因为在应用了弱磁通控制的运转中，通过因负的d轴电流而产生的磁通减少了交链磁通，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，能够使旋转速度仅上升电压富余量，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，铁损增加，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，也难以进行基底速度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，在中·高速区域效率大幅降低。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情况。

在将埋入型永久磁铁马达应用于混合汽车用驱动马达的情况下，在仅用发动机驱动的状态下，马达随同旋转。在中·高速旋转中，因马达的永久磁铁而产生的感应电压上升。因此，因为将感应电压的上升抑制在电源电压以内，所以，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，马达产生的仅仅是损失，所以，存在综合运转效率恶化的问题。

另一方面，在将埋入型永久磁铁马达应用于电车用驱动马达的情况下，电车是惰性运转的状态，与上述同样，因为永久磁铁而产生的感应电压在电源电压以下，所以，通过弱磁通控制，使负的d轴电流持续流动。于是因为在该状态下，马达产生的仅仅是损失，所以，存在综合运转效率恶化的问题。

专利文献1：特开平7-336919号公报

专利文献2：特开平11-27913号公报

专利文献3：特开平11-136912号公报

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、オ一ム公司出版

发明内容

本发明是为了解决上述的以往技术的课题而产生的发明，其目的是提供一种适合构成能够在从低速到高速的大范围进行可变速运转，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，谋求削减材料、削减稀有材料的永久磁铁式旋转电机的转子。

本发明的第一特征在于，是相对于转子铁心的旋转中心，点对称地具有多个磁极，并且，使用形状或者材料特性不同的多种永久磁铁，形成上述各个磁极，在上述各个磁极中，上述形状或者材料特性不同的多种永久磁铁中的至少一个是被电枢绕组的电流生成的磁场磁化，且该永久磁铁的磁通量不可逆地变化的永久磁铁式旋转电机的转子。

在上述的永久磁铁式旋转电机的转子中，可以采用上述多种永久磁铁中，被上述电枢绕组的电流生成的磁场磁化，磁通量不可逆地变化的永久磁铁是使基于形成上述各个磁极的所有的永久磁铁的电枢绕组的交链磁通量大致为0的永久磁铁。

本发明的其它的特征在于，是相对于转子铁心的旋转中心，点对称地具有多个磁极，并且，使用形状或者材料特性不同的多种永久磁铁，形成上述各个磁极，在上述各个磁极中，上述形状或者材料特性不同的多种永久磁铁中的至少一个是被电枢绕组的电流生成的磁场磁化，且该永久磁铁的极性反转的永久磁铁式旋转电机的转子。

根据本发明的永久磁铁式旋转电机的转子，通过将它组装在定子，可以实现能够在从低速到高速的大范围进行可变速运转，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，谋求削减材料、削减稀有材料的永久磁铁式旋转电机。

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是表示在上述实施方式中采用的低矫顽磁力的第一永久磁铁和高矫顽磁力的第二永久磁铁的磁特性的图表。

图3是表示在上述实施方式的转子中，通过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)的剖视图。

图4是表示在上述实施方式的转子中，因负的d轴电流而产生的消磁磁场的磁通的剖视图。

图5是表示在上述实施方式的转子中，因负的d轴电流而产生的消磁磁场发挥作用后的永久磁铁的磁通(交链磁通最小)的剖视图。

图6是本发明的第二实施方式的永久磁铁式旋转电机的转子的剖视图。

图7是本发明的第三实施方式的永久磁铁式旋转电机的转子的剖视图。

图8是本发明的第四实施方式的永久磁铁式旋转电机的转子的剖视图。

图9是以往的埋入型永久磁铁马达的剖视图。

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，虽然在以下的各实施方式中，举例表示了将永久磁铁四极埋入转子的永久磁铁式旋转电机，但也能同样应用于其它的极数。

(第一实施方式)

使用图1～图5，说明本发明的第一实施方式的永久磁铁式旋转电机。图1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相对的方式收容转子1的构造。另外，定子20能够采用可作为交流电动机而采用的一般的构造的定子。在本实施方式中，采用与图示那样的图9所示的以往例的定子20相同的定子。

本实施方式的转子1由转子铁心2、矫顽磁力和磁化方向厚度的积小的第一永久磁铁3以及矫顽磁力和磁化方向厚度的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，第一、第二永久磁铁3，4分别被埋入该转子铁心2内。矫顽磁力和磁化方向厚度的积小的第一永久磁铁3是铝镍钴磁铁，在转子铁心2的径方向截面埋入四个。FeCrCo磁铁也可以应用于该第一永久磁铁3。矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的第二永久磁铁4是NdFeB磁铁，在转子铁心2的径方向截面埋入四个。

第一永久磁铁3大致沿转子1的径方向配置，其截面为梯形的形状。另外，第一永久磁铁3的磁化方向是转子1的大致周方向，因为第一永久磁铁3在磁极间配置一个，所以，每一极的第一永久磁铁3的磁化方向厚度为实际尺寸的1/2。在本实施方式中，因为第一永久磁铁3的实际尺寸为6mm，所以，每一极的磁化方向厚度为3mm。第二永久磁铁4配置在转子1的大致周方向，其截面为长方形的形状。另外，第二永久磁铁4的磁化方向是转子1的大致径方向，磁化方向的厚度为2mm。

阐述本实施方式的永久磁铁的磁化。在d轴磁回路上，针对第二永久磁铁4，因为因d轴电流而产生的磁通通过两个第二永久磁铁4(相邻的相互异极的两个第二永久磁铁4)，所以，因d轴电流而产生的磁场在每一极作用于一个第二永久磁铁4。另一方面，针对第一永久磁铁3，因为因d轴电流而产生的磁通通过处于磁极间的一个第一永久磁铁3，所以，因d轴电流而产生的磁场在每一极作用于第二永久磁铁4的1/2个的量。因此，为了在一极量的磁回路上评价特性，而象上述那样，将第一永久磁铁3的磁化方向厚度作为实际尺寸的1/2来评价。

图2表示应用于本实施方式的永久磁铁式旋转电机的、第一永久磁铁3用的铝镍钴磁铁(AlNiCo)、FeCrCo磁铁或者第二永久磁铁4用的NdFeB磁铁的磁特性。铝镍钴磁铁的矫顽磁力(磁通密度为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。铝镍钴磁铁和FeCrCo磁铁与NdFeB磁铁相比，可知矫顽磁力相当低。

在本实施方式中，在矫顽磁力和磁化方向厚度的积小的第一永久磁铁3中，应用矫顽磁力为120kA/m的铝镍钴磁铁。在本实施方式中使用的第一永久磁铁3的铝镍钴磁铁的矫顽磁力和磁化方向厚度的积是120kA/m×3×10^-3＝360A。另外，在矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的第二永久磁铁4中，应用矫顽磁力为1000kA/m的NdFeB磁铁。在本实施方式中使用的第二永久磁铁4的NdFeB磁铁的矫顽磁力和磁化方向厚度的积是1000kA/m×2×10^-3＝2000A。据此，在本实施方式中，第二永久磁铁4的矫顽磁力和磁化方向厚度的积大到第一永久磁铁3的该积的5.6倍。

如图1所示，第一永久磁铁3被埋入转子铁心2中，在该第一永久磁铁3的两端部设置空洞5。再有，为了能够充分地承受高速旋转时的离心力，而在转子铁心2的磁极铁心部分7的中央设置螺栓用孔6。这是用于用螺栓紧固转子铁心2，固定于转子端板和轴上。

第一永久磁铁3沿与成为磁极间部分的中心轴的q轴一致的转子1的半径方向配置。另外，由铝镍钴磁铁构成的第一永久磁铁3的易磁化方向是转子1的大致周方向，相对于转子1的半径为直角(在图1中，与将第一永久磁铁3的梯形截面二等分，并通过旋转中心的线呈直角)方向。

由高矫顽磁力的NdFeB磁铁构成的第二永久磁铁4也被埋入转子铁心2内，在其两端部设置空洞5。第二永久磁铁4以由两个第一永久磁铁3在转子1的内周部侧夹持的方式，配置在转子1的大致周方向。该第二永久磁铁4的易磁化方向是相对于转子1的周方向大致直角(在图1中，相对于第二永久磁铁4的长方形截面的长边呈直角)方向。

然后，转子铁心2的磁极铁心部分7以由相邻接的两个第一永久磁铁3和一个第二永久磁铁4包围的方式形成。如图1和图3～图5所示，转子铁心2的磁极铁心部分7的中心轴方向成为d轴，磁极间部分的中心轴方向成为q轴。因此，第一永久磁铁3配置在成为磁极间部分的中心轴的q轴方向，其磁化方向为相对于q轴90°或者-90°方向。在相邻的第一永久磁铁3中，相互面对的磁极面使N极彼此或者S极彼此面对。另外，第二永久磁铁4配置在相对于成为磁极铁心部分7的中心轴的d轴呈直角方向，其磁化方向为相对于d轴0°或者180°的方向。在相邻的第二永久磁铁4中，相互的磁极的朝向为逆极性。

说明上述构成的本实施方式的永久磁铁式旋转电机的动作。通过磁化所需要的磁场和永久磁铁的厚度的积，概算出磁化所需要的磁动势。铝镍钴磁铁能够通过250kA/m的磁场附磁到接近100％。附磁磁场和磁铁的厚度的积是250kA/m×3×10^-3＝750A。另一方面，NdFeB磁铁能够通过1500kA/m的磁场附磁到接近100％。附磁磁场和磁铁的厚度的积是1500kA/m×2×10^-3＝3000A。因此，由铝镍钴磁铁构成的第一永久磁铁3能够通过由NdFeB磁铁构成的第二永久磁铁4的约1/4的磁场附磁。

在本实施方式中，在定子20的电枢绕组21上流通通电时间为极短时间(0.1ms～10ms左右)的脉冲式电流，形成磁场，使磁场作用于第一永久磁铁3。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第一永久磁铁3，在第二永久磁铁4上不会因附磁而不可逆消磁。

图3表示在以第一永久磁铁3和第二永久磁铁4的磁通通过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3、4的磁通B3、B4。在图3中，因第一、第二永久磁铁3、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上流通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，第一永久磁铁3不可逆地变化，在附磁方向产生磁通。另外，在图3、图4、图5中的磁通分布仅表示了一极。

在图4中表示使交链磁通减少时的作用。在定子20的电枢绕组21上通电负的d轴电流而形成的磁场产生与图3相反方向的磁通B3i、B4i。由定子20的电枢绕组21的负的d轴电流所生成的磁场从转子1的磁极中心开始，相对于第一永久磁铁3和第二永久磁铁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。第一永久磁铁3的铝镍钴磁铁因为矫顽磁力和磁化方向厚度的积小，所以，通过该逆磁场，其磁通不可逆地减少。另一方面，第二永久磁铁4的NdFeB磁铁因为矫顽磁力和磁化方向厚度的积大，所以，即使受到逆磁场，磁特性也在可逆范围，不会变化成因负的d轴电流而产生的附磁磁场消失后的磁化状态，磁通量也不会改变。因此，通过仅消磁第一永久磁铁3，就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，使第一永久磁铁3的极性反转。通过使第一永久磁铁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。

如上所述，因为铝镍钴磁铁的附磁磁场和磁铁的厚度的积是NdFeB磁铁的大约1/4，所以，使仅能够磁化第一永久磁铁3的铝镍钴磁铁的磁场发挥作用。因负的d轴电流而磁化(附磁)后的状态表示在图5。在与第二永久磁铁4的磁通B4的相反方向产生的第一永久磁铁3的磁通B3被抵消，各磁铁3、4的磁通量相同的情况下，能够使气隙磁通大致为0。此时，因为第二永久磁铁4的磁通被抵消，同时能够构成与第一永久磁铁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。

以往的旋转电机若产生因电枢绕组21的负的d轴电流而产生的磁通，使转子1的永久磁铁的磁通抵消，则合成的基波磁通能够降低到50％左右。但是，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。另外，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，因为本实施方式的永久磁铁式旋转电机在转子1中仅通过永久磁铁3、4就能够一样地减少磁通，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，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，因d轴电流而产生的磁场对第二永久磁铁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，作用于第二永久磁铁4的磁场是作用于第一永久磁铁3的磁场的大约一半。因此，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，矫顽磁力和磁化方向厚度的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。第二永久磁铁4其附磁磁场和磁铁的厚度的积是第一永久磁铁3的四倍，再有，在配置构成方面，作用于第二永久磁铁4的因d轴电流而产生的磁场是第一永久磁铁3的1/2。因此，对第二永久磁铁4附磁，需要第一永久磁铁3的八倍的磁动势。即，若为对第一永久磁铁3附磁程度的磁场，则第二永久磁铁4为可逆消磁状态，即使在附磁后，第二永久磁铁4也能够维持附磁前的状态的磁通。

阐述铝镍钴磁铁的第一永久磁铁3和NdFeB磁铁的第二永久磁铁4的相互的磁的影响。在图5的消磁状态中，第二永久磁铁4的磁场B4作为偏置的磁场，对第一永久磁铁3起作用，因负的d轴电流而产生的磁场和因第二永久磁铁4而产生的磁场B4作用于第一永久磁铁3容易磁化。另外，第一永久磁铁3的矫顽磁力和磁化方向厚度的积与第二永久磁铁4的无负荷时的动作点的磁场的强度和磁化方向厚度的积相等，或者在其以上，据此，在交链磁通的增磁状态中，克服第二永久磁铁4的磁场B4，产生磁通量。

由于上述情况，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，通过d轴电流，能够使第一永久磁铁3的交链磁通量B3从最大到0很大地变化，另外，磁化方向也可以为正反方向这两方向。即，若使第二永久磁铁4的交链磁通B4为正方向，则能够大范围地将第一永久磁铁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，根据本实施方式的永久磁铁式旋转电机，通过由d轴电流使第一永久磁铁3磁化，可以大范围地调整将第一永久磁铁3和第二永久磁铁4相加的全部交链磁通量(B3+B4)。

(1)在低速区域，第一永久磁铁3由d轴电流磁化，在与第二永久磁铁4的交链磁通相同的方向(图3所示的增磁状态)为最大值。因为因第一、第二永久磁铁3、4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。

(2)在中·高速区域，使第一永久磁铁3的磁通量B3降低(图5的消磁状态)，降低了全部交链磁通量。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)。

(3)在为了进一步扩大可变速范围，例如，达到基底速度的五倍以上的可变速运转的范围，而显著提高最高速度时，第一永久磁铁3以成为与第二永久磁铁4的交链磁通的相反方向的方式而磁化(在第一永久磁铁3的磁通B3的朝向为图5的状态下磁化最大)。第一、第二永久磁铁3、4的全部交链磁通为第二永久磁铁4和第一永久磁铁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。

这样一来，在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，能够实现在高输出从低速旋转到超高速旋转的大范围的可变速运转。在此基础上，因为在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，由于使交链磁通变化时的附磁电流仅流动极短时间，可以明显降低损失，因此，在大的运转范围能够成为高效率。

接着，对在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中扭矩电流的影响进行阐述。在旋转电机产生输出时，通过使q轴电流在定子20的电枢绕组21上流动，利用q轴电流和第一、第二永久磁铁3、4的磁通B3、B4的磁作用产生扭矩。此时，产生因q轴电流而产生的磁场。但是，由于第一永久磁铁3配置在q轴方向，磁化方向为与q轴方向呈直角方向，所以，第一永久磁铁3的磁化方向和因q轴电流而产生的磁场处于正交的方向，因此，因q轴电流而产生的磁场的影响微小。

接着，对在本实施方式的永久磁铁式旋转电机中，在第一、第二永久磁铁3、4各自的两端部设置的空洞5的作用进行阐述。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上时的应力向转子铁心2的集中和消磁场。通过象图1所示那样设置空洞5，转子铁心2能够作成带有曲率的形状，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，角部不可逆地消磁的情况。在本实施方式中，因为在永久磁铁3、4各自的端部设置了空洞5，所以，在永久磁铁3、4的端部因电流而产生的消磁场得到缓和。

接着，对本实施方式的永久磁铁式旋转电机中的转子1的构造的强度进行阐述。在转子铁心2内埋入第一永久磁铁3和第二永久磁铁4，通过转子铁心2，固定永久磁铁3、4。

通过上述的构成，本实施方式的永久磁铁式旋转电机发挥了下述的效果。若使NdFeB磁铁的第二永久磁铁4的交链磁通B4为正方向，则能够大范围地将铝镍钴磁铁的第一永久磁铁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，在本实施方式中，通过由d轴电流，使第一永久磁铁3磁化，可以大范围地调整将第一、第二永久磁铁3、4相加的全部交链磁通量。另外，通过能够大范围地调整第一、第二永久磁铁3、4的全部交链磁通量，还能够大范围地调整旋转电机的电压。另外，因为附磁是通过极端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，因为没有必要象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中，能够实现在高输出从低速到高速的大范围的可变速运转，在大的运转范围中还能够高效率。在此基础上，就因永久磁铁而产生的感应电压而言，因为通过d轴电流对第一永久磁铁3附磁，能够缩小第一、第二永久磁铁3、4的全部交链磁通量，所以，不存在因第一、第二永久磁铁3、4的感应电压而产生的逆变器电子零件的破损，可靠性提高。再有，在旋转电机无负荷随同旋转的状态下，通过负的d轴电流，对第一永久磁铁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。特别是在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。

再有，在本实施方式中，将第一永久磁铁3的形状作成使其截面为梯形形状。象这样，通过将第一永久磁铁3作成其磁化方向厚度为不一定的形状，具有下述那样的效果。因为在第一永久磁铁3中使用的铝镍钴磁铁其残留磁通密度高，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，而在其磁场的强度的控制方面要求高的精度。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，通过使第一永久磁铁3为截面梯形状，而使磁化方向厚度为不一定，据此，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永久磁铁的厚度的影响。据此，根据本实施方式，相对于因d轴电流而产生的磁场的磁通量的调整容易，能够减少因外部条件变动造成的磁通量的不一致。

另外，在本发明的永久磁铁式旋转电机中，能够通过因d轴电流而产生的磁场，不可逆地磁化第一永久磁铁3，使交链磁通量变化。再有，通过总是产生因负的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B3、B4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调整。即，通过使第一永久磁铁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，在此基础上，能够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，不会产生大的损失。据此，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，能够高效率可变。

(第二实施方式)

本发明的第二实施方式的永久磁铁式旋转电机是在图1所示的第一实施方式的永久磁铁式旋转电机中，其特征是，作为矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的第二永久磁铁4，采用Dy元素少的NdFeB磁铁。因此，其它的构成与图1所示的第一实施方式共通。

若Dy元素少，则永久磁铁的残留磁通密度高，在20℃时，能得到1.33T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，进行因负的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，永久磁铁不可逆地消磁，输出大幅降低的情况。作为它的对策，即使是在NdFeB磁铁中，也能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，就能够增厚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，使第一永久磁铁3的铝镍钴磁铁不可逆地磁化，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磁铁的第二永久磁铁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，本实施方式的永久磁铁式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，应用于本实施方式的NdFeB磁铁的特性Hcj＝875kA/m，残留磁通密度Br＝1.45T。象这样虽然矫顽磁力小，但是能够应用磁通密度为1.17倍的磁铁，能够期待大约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，本实施方式的永久磁铁式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。

(第三实施方式)

使用图6的转子1的构造图，说明本发明的第三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由图6所示的转子1和收容它的定子20构成。然后，定子20与其它的实施方式同样，是图1、图9所示的构成。另外，在图6中，对与图1所示的第一实施方式共通的要素标注相同的符号来表示。

如图6所示，本实施方式的转子1以向外周侧凸的方式，将倒U字形状的NdFeB磁铁的第二永久磁铁4埋入转子铁心2内。该第二永久磁铁4的倒U字的中心轴处于与d轴一致的位置。在q轴上，以沿着转子1的径方向的姿势，将铝镍钴磁铁的第一永久磁铁3配置在转子铁心2内。

通过将第二永久磁铁4作成倒U字形状，在两个第一永久磁铁3所夹的区域，能够增大该第二永久磁铁4的磁极的面积。再有，因为通过将第二永久磁铁4作成倒U字状，以妨害q轴磁通的磁路的方式配置倒U字形状的第二永久磁铁4，所以，能够降低q轴感应系数，据此，能够提高旋转电机的功率因数。另外，使倒U字形状的第二永久磁铁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成为通过第一永久磁铁3和第二永久磁铁4的磁通大致磁饱和的程度。若该磁极铁心部分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。

另外，在本实施方式中，也可以象第二实施方式那样，作为矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的第二永久磁铁3，采用Dy元素少的NdFeB磁铁，据此，能够实现更高的输出、轻型的旋转电机。

(第四实施方式)

使用图7的转子1的构造图，说明本发明的第四实施方式的永久磁铁式旋转电机。本实施方式的永久磁铁式旋转电机由图7所示的转子1和收容它的定子20构成。然后，定子20与其它的实施方式同样，是图1、图9所示的构成。另外，在图7中，对与图1所示的第一实施方式共通的要素标注相同的符号来表示。

如图7所示，本实施方式的转子1中，铝镍钴磁铁的第一永久磁铁3在q轴，在径方向配置在转子铁心2内，NdFeB磁铁的第二永久磁铁4以与周方向相切的方式，与d轴呈直角地配置在转子铁心2内。转子1在转子铁心2的内周侧嵌入铁的轴9。该轴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。

用于使永久磁铁磁化的因定子20的电枢绕组21的电流而产生的磁场作用于第一永久磁铁3和第二永久磁铁4，如图7的箭头那样，因电流而产生的磁通Bi3、Bi4流动。因这些电流而产生的磁通Bi3、Bi4因为存在空气层8，所以，没有通到轴9，而是欲通过第二永久磁铁4间的内周侧的窄的铁心部分。但是，因为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第二永久磁铁4的磁通Bi4。

据此，因想要磁化的第一永久磁铁3的电流而产生的磁通Bi3增加，同时，因通过第二永久磁铁4的电流所产生的磁通Bi4减少，磁极铁心部分7以及定子铁心22的磁饱和也得到缓和。因此，能够减少用于使第一永久磁铁3磁化的d轴电流。

另外，在本实施方式中，也可以与第二实施方式同样，作为矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的第二永久磁铁3，采用Dy元素少的NdFeB磁铁，据此，能够实现更高的输出、轻型的旋转电机。

(第五实施方式)

使用图8，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由图8所示的转子1和收容它的定子20构成。然后，定子20与其它的实施方式同样，是图1、图9所示的构成。另外，在图7中，对与图1所示的第一实施方式共通的要素标注相同的符号来表示。

如图8所示，本实施方式的转子1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，将铝镍钴磁铁的第一永久磁铁3配置在转子铁心2内。然后，使除去了第一永久磁铁3的端部的铁心的q轴附近的气隙侧的转子铁心部分与转子铁心2的最外周相比为凹陷，形成凹陷部10。

接着，说明上述构成的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)横切第一永久磁铁3和第二永久磁铁4，因为永久磁铁3、4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2的磁极铁心部分7沿第一永久磁铁3和第二永久磁铁4的长度方向流动。因为转子铁心2的磁极铁心部分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上没有凹陷部10，转子铁心2的外径在周方向均匀，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轴电流流动，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，功率因数恶化。

与此相对，在本实施方式的情况下，因为具有第一永久磁铁3的q轴附近的气隙侧转子铁心部分是与转子铁心2的最外周相比为凹陷，具有凹陷部10的形状，所以，通过凹陷部10的磁通减少。即，因为凹陷部10处于q轴方向，所以，能够减小q轴感应系数。据此，能够提高作为旋转电机的功率因数。另外，因为通过凹陷部10，在第一永久磁铁3的端部附近，气隙长等效地增长，所以，第一永久磁铁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第一永久磁铁3的影响。

另外，在第一永久磁铁3的端部和到转子铁心2的磁极铁心部分7的中央之间，成为d轴中心的磁极铁心部分7的中央部成为转子1的最外周部分，是随着从磁极铁心部分7的中央部到第一永久磁铁3的端部的外周侧铁心部分，从转子1的轴中心到转子铁心2外周的距离缩短的形状。据此，能够与上述同样，减小q轴感应系数，能够抑制因q轴电流而产生的第一永久磁铁3的消磁。再有，因为遍及转子1的全周，外周的凹陷部10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、变动扭矩。

另外，在本实施方式中，也可以与第二实施方式同样，作为矫顽磁力和磁化方向厚度的积大的第二永久磁铁4，采用Dy元素少的NdFeB磁铁，据此，能够实现更高的输出、轻型的旋转电机。

(变形例1)在上述第一～第五实施方式的各个中，在将转子1插入定子20来组装制造时，能够成为以因第一永久磁铁3而产生的磁通和因第二永久磁铁4而产生的磁通在磁极铁心部分7或者气隙面互为反方向的方式，使第一永久磁铁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20进行组装，而在永久磁铁的磁吸引力方面要采取对策。因此，象本例这样，通过以第一永久磁铁3的磁通和第二永久磁铁4的磁通互为反方向的方式磁化，能够减少从转子1产生的永久磁铁的磁通量。其结果为，在转子1和定子20之间产生的磁吸引力减小，组装作业性提高。再有，若使由第一永久磁铁3和第二永久磁铁4产生的磁通量为0，则没有磁吸引力，将转子1组装到定子20的作业能够极其容易。

(变形例2)在上述的各实施方式中，其构成为，矫顽磁力和磁化方向厚度的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积小的第一永久磁铁3为铝镍钴磁铁。这样，其构成为，在最高旋转速度时，使第二永久磁铁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。

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，在以往的永久磁铁式旋转电机中，存在有在设计时，通过耐电压，限制永久磁铁的逆电压，永久磁铁的磁通量被削减，在马达的低速区域的输出以及效率低下的问题。

因此，如本例2那样，若达到高速运转时，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，将第一永久磁铁3的磁通减小到0附近。因为能够使因第一永久磁铁3产生的逆电压大致为0，所以，只要将因不能调整磁通量的第二永久磁铁4而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磁铁的第二永久磁铁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第一永久磁铁3和第二永久磁铁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，铝镍钴磁铁的第一永久磁铁3在与低速时的反方向被磁化，所以，总交链磁通量比只有第二永久磁铁4的交链磁通小。即，在本例的永久磁铁式旋转电机中，高速时的逆电压比仅因第二永久磁铁4产生的逆电压小，实质上，耐电压和允许最高转速能够有足够的富余。据此，若为本例2的永久磁铁式旋转电机的构成，则能够一面维持在低速旋转时的高输出和高效率，一面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系统的可靠性。

(变形例3)在上述各实施方式中，对四极的永久磁铁式旋转电机进行了举例说明，但是，当然可以将本发明应用于八极等的多极的旋转电机中。虽然永久磁铁的配置位置、形状与极数相应地有些变化，但作用和效果能同样得到。

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积来作为区别永久磁铁的定义。因此，即使以同种的永久磁铁形成磁极，以不同的方式形成磁化方向厚度，也能够得到同样的作用和效果。

另外，在本发明中，定子20的构造并不限定于图1、图9所示的定子，也可以采用与一般的旋转电机同样的定子，不限于分布绕组型，也可以采用集中绕组型的定子。

Claims (1)

1.一种永久磁铁式旋转电机，其特征在于，相对于转子铁心的旋转中心，点对称地具有多个磁极，并且，由矫顽磁力和磁化方向厚度的积小的第一永久磁铁、和矫顽磁力和磁化方向厚度的积比上述第一永久磁铁大的第二永久磁铁这两种永久磁铁形成上述各磁极，

上述第一永久磁铁具有被流向设置在定子侧的电枢绕组的脉冲d轴电流生成的比上述第一永久磁铁的矫顽磁力和厚度的积大、比上述第二永久磁铁的矫顽磁力和厚度的积小的磁动势磁化，使该第一永久磁铁的磁通量不可逆地变化为任意的磁通量，且维持该变化了的磁通量的特性，

对上述第一永久磁铁附磁以便降低感应电压，且在该附磁状态下，通过由流向上述电枢绕组的d轴电流在上述第一永久磁铁的位置生成的比上述第一永久磁铁的矫顽磁力小的磁场，使由上述第一永久磁铁的磁场和上述第二永久磁铁的磁场形成的与上述定子的交链磁通弱磁，同时使上述转子铁心旋转。

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