CN104488171A - 可变磁动势旋转电机以及用于可变磁动势旋转电机的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机包括定子(3)以及转子(2)。所述转子(2)有至少一个布置在d轴磁路上的永磁体(4)。所述转子(2)包括磁间隙部分(12)，其位于布置在一磁极的d轴磁路上的永磁体(4)与具有不同极性的相邻磁体之间，使得d轴磁通量形成穿过所述永磁体(4)以外区域的d轴旁路(10,11)。所述d轴旁路(10,11)提供在d轴方向的磁阻，该磁阻设置成低于沿与d轴磁阻正交的q轴方向上的磁阻。

Description

可变磁动势旋转电机以及用于可变磁动势旋转电机的控制装置

技术领域

本发明一般涉及一种用在车辆电机等中的可变磁动势旋转电机，并且涉及一种用于可变磁动势旋转电机的控制装置。

背景技术

用于内置式永磁体电机(IPM电机)中的旋转电机的一个公知的示例被公开在2008-295138号日本公开专利申请中。此日本申请公开了在定子的q轴磁路上形成多个磁通屏障(具有低磁导率的层)、在d轴上提供磁路使得Ld>Lq(此处Ld是d轴电感，而Lq是q轴电感)、执行强磁场控制、以及限制永磁体中的退磁场以减小磁体体积。

然而，在这些旋转电机用在高旋转区域的情况下，弱磁场控制弱于通常的磁通弱化内置式永磁体(FW-IPM)，但仍然需要弱磁场控制，因此需要使用通过在Nd-Fe-B合金(其中Nd是钕，Fe是铁，并且B是硼)中添加Dy(镝)而获得的价格昂贵、高矫顽力的磁体。

从可变特性的观点来看，公开在专利文献2(2006-280195号日本公开专利申请)中的旋转电机已被提出。然而，高矫顽力磁体以及低矫顽力磁体必须在此旋转电机中组装在一起，并且在用于高矫顽力磁体的材料供应低的情况下，此电机不能容易采用。另外，已经出现的问题是，低矫顽力磁体在高载荷状态被不可逆地退磁，并且因此需要强磁场控制以保持磁化，但是在不是Ld>Lq的情况下，磁阻扭矩沿与磁体扭矩相反的方向发生，并且因此在高载荷区域效率下降。

发明内容

本公开提出的一个目的是提供一种可变磁动势旋转电机以及用于可变磁动势旋转电机的控制装置，其在不使用昂贵的高矫顽力磁体的情况下能够获得稳定的扭矩，并且其中，在高旋转速度区域中不需要弱磁场控制。

鉴于上述，提供了一种可变磁动势旋转电机，基本上包括电子以及转子。所述转子有至少一个布置在d轴磁路上的永磁体。所述转子包括磁间隙部分，位于布置在一磁极的d轴磁路上的永磁体与具有不同极性的相邻磁体之间，使得d轴磁通形成穿过所述永磁体以外区域的旁路。所述d轴旁路提供沿d轴方向的磁阻，该磁阻设定得低于沿与所述d轴磁阻垂直的q轴方向的磁阻。所述永磁体具有提供用于由等于或者小于供电逆变器产生的电枢反作用力的磁场完全磁化的矫顽力。所述永磁体具有取值为50％或者更小的、所述至少一个永磁体的周向长度相对于所述转子圆周上的单一磁极的长度的比值。所述磁间隙部分布置在q轴磁路上，所述磁间隙部分在所述q轴磁路方向上的径向宽度大于所述永磁体在磁化方向的尺寸。

采用此可变磁动势旋转电机，永磁体的矫顽力以及厚度如此规定，使得根据获自可流过缠绕于定子齿的定子绕组的最大电流电枢反作用力的最大值，磁化以及退磁是可能的。优选地，不穿过在d轴磁路上的永磁体的d轴旁路被提供，并且磁间隙部分设置于q轴磁路，从而获得Ld>Lq的特征。优选地，所述永磁体的极弧比是50％或者更小。从而在所述旋转电机被驱动的情况下，磁化状态能够被保持。所述可变磁动势旋转电机的特性是这样的即Ld>Lq，从而，在高旋转区域执行弱磁场操作的情况下，重新磁化是可能的，不必使用高矫顽力的材料，并且能够减少成本。

附图说明

现在参照附图，附图形成本原始公开的一部分：

图1是示意图，示出根据一示例性实施例的旋转电机的结构；

图2是示意图，示出根据所示的实施例的旋转电机的转子的主要部件；

图3是示意图，示出根据所示的实施例的旋转电机的转子的主要部件；

图4是示意图，示出在无载荷状态下根据所示的实施例的旋转电机的磁通的磁通流；

图5是示意图，示出当q轴电流流过定子绕组时，根据所示的实施例的旋转电机的磁通的磁通流；

图6是特性曲线图，示出q轴电流的值与定子绕组的链接磁通之间的关系；

图7是示意图，示出根据所示的实施例的旋转电机的转子的主要部件；

图8是示意图，示出在磁路连接部件设置于d轴磁路的情况下，根据所示的实施例的旋转电机的磁路的改变；

图9是示意图，示出根据所示的实施例的设置于旋转电机的定子铁芯的齿；

图10是特性曲线图，示出用在旋转电机中的永磁体的厚度与顽磁性之间的关系；

图11是特性曲线图，示出在成核型磁体用作永磁体的情况下，外部磁场与磁场强度之间的关系；

图12是特性曲线图，示出在销型磁体用作永磁体的情况下，外部磁场与磁场强度之间的关系；

图13是特性曲线图，示出在根据所示的实施例的旋转电机中旋转速度与用于各种磁化水平的扭矩之间的关系；

图14是示出根据本发明的实施例的旋转电机的控制装置的配置结构的框图；以及

图15是特性曲线图，示出在根据所示的实施例的旋转电机的控制装置中保持磁化状态的限制线。

具体实施方式

现在结合附图解释选定的实施例。根据本公开内容对于本领域技术人员明显的是，实施例的下述描述仅提供用于说明而非用于限制由所附的权利要求以及其等价物限定的本发明。

首先参见图1，图示出根据一个例示性实施例的旋转电机。所述旋转电机具有多个由定子铁芯2形成的槽1。所述旋转电机包括环形定子3以及转子6，此转子位于所述定子3的内圆周侧。所述旋转电机与所述定子3同轴，如图1所示。空气间隙作为所述定子3与所述转子6之间的间隙被形成。

所述定子3包括定子铁芯2以及多个(例如，36个)齿51，所述齿由所述定子铁芯2朝向内圆周侧突出。相邻齿51之间的空间形成所述槽1。定子绕组C缠绕在所述齿51上。所述定子铁芯2由例如叠层钢片形成。

所述转子6有转子铁芯5。所述转子铁芯5使用所谓的叠层钢片结构形成为管状，其中钢片被层叠在一起，所述钢片是有高磁导率的金属。六个永磁体4沿着圆周方向设置在所述转子铁芯5的、与所述定子3相对的圆周部分。所述永磁体以等间隔设置以便相邻的永磁体4具有彼此相反的极性。

间隙设置在转子铁芯5的相应部分，并且所述永磁体4配装就位在这些间隙内。在本实施例中，几何磁体中心7被定义为d轴，而与所述d轴成90°电角的位置8被定义为q轴(在本实施例中使用3对磁极，并且因此，所述位置呈30°机械角度)。

图2以及图3是示出所述转子6的主要组件的描述性视图。所述转子6的详细配置将参照图2以及图3在下文中描述。相对于所述转子6的外圆周部分的圆弧形成倒置弧形的内部磁间隙部分12形成在与之相邻的永磁体4与永磁体4a之间。“磁间隙部分”是由树脂、空气或者其他材料构成的区域，其相对磁导率接近于1。

外部磁间隙部分13，其外围部分沿所述转子6的外圆周部分的圆弧形成弧形，形成在所述内部磁间隙部分12的外周。所述内部磁间隙部分12与所述外部磁间隙部分13之间的空间是内侧d轴旁路10，而所述外部磁间隙部分13的外圆周部分是外侧d轴旁路11。所述内侧d轴旁路10形成倒置弧形，而所述外侧d轴旁路11形成圆弧形。

所述d轴磁路由穿过薄永磁体4的磁路9、磁路中不包括永磁体4的内侧d轴旁路10、以及外侧d轴旁路11形成。因此，d轴磁阻由所述磁路9、内侧d轴旁路10以及外侧d轴旁路11确定。所述内部磁间隙部分12设置在所述磁路9与所述内侧d轴旁路10之间，而所述外部磁间隙部分13设置在所述内侧d轴旁路10与所述外侧d轴旁路11之间，并且因此所述磁路9与所述内侧d轴旁路10之间以及所述内侧d轴旁路10与所述外侧d轴旁路11之间的磁通的泄漏受到限制。

矫顽力小到足以允许由等于或者小于可由系统逆变器产生的电枢反作用力(armature reaction)的磁场完全磁化的磁体用作放置在d轴磁路中的磁路9上的永磁体4。具体而言，矫顽力大约为100到200kA/m的Al-Ni-Co、Sm-Co、Fe-Cr-Co或者其他的磁性材料可被采用。然而，这些矫顽力根据逆变器系统以及磁路设计而不同。永磁体4的周向长度14设定为不超过所述转子6中的单一磁极的周向长度15的50％，如图3所示。例如，如在图3中可见，沿转子6的周向测量时，每个永磁体4的宽度不超过转子6中的单一磁极的长度(对应于图3的周向长度15)的50％。通过此结构，永磁体4布置成使得每个永磁体4具有大约为50％或者更小的比值，该比值为每个永磁体4的链接部分的周向长度相对于转子6的圆周上的单一磁极的长度的比值。所述链接部分是这样一个部分，其中每个永磁体4的磁通与所述定子3链接。

将影响q轴磁阻的所述内部磁间隙部分12的径向宽度17与所述外部磁间隙部分13的径向宽度18相加所得到的值设置成大于每个永磁体4的径向厚度16(即，永磁体在磁化方向上的尺寸)，此厚度等于在d轴上的磁间隙。根据此配置，在根据本实施例的旋转电机中，d轴磁阻小于q轴磁阻。换言之，d轴电感Ld与q轴电感Lq之间的关系被设置成Ld>Lq。

在根据本实施例的旋转电机中，不采用高成本永磁体，例如高矫顽力永磁体以及厚永磁体。采用薄的、低矫顽力磁体以便允许使用定子绕组以及系统电源控制来重新磁化。在普通电机需要磁通减弱控制的高旋转区域，磁力减小并且电压受到限制。在需要低旋转以及高扭矩的区域，执行重新磁化，并且在磁体中获得预期的磁通。

当在普通电机中使用低矫顽力磁体时，由于施加扭矩电流(q轴电流)时产生的电枢反作用力而导致退磁发生。为了解决这个问题，在本实施例中，所述磁间隙部分12以及13被设置于q轴，从而q轴磁阻增加，源自于q轴电流以及相对于永磁体4是抗磁的磁场得以减小，所述极弧比被限制为50％或者更小，所述永磁体4仅设置于电枢反作用力比较小的部位，并且所述电枢反作用力的影响被减小。

结果，在q轴施加时(在施加扭矩电流时)所述永磁体4的磁化状态扭矩得以维持，即使在使用低矫顽力的永磁体4的情况下。这样的情况有时会发生，其中在暂时需要大扭矩的情况下，大于额定电流的电流暂时流动，扭矩但在这种情况下，正的d轴电流(沿增加磁化的方向)也进行流动，从而可以产生扭矩同时避免了所述永磁体4的退磁。要点是，根据本实施例的定子3设置外侧d轴旁路11以及宽于所述外侧d轴旁路的内侧d轴旁路10，并且内部磁间隙部分12以及外部磁间隙部分13被设置在q轴磁路上，从而特性是Ld>Lq。

例如，文章“Principles And Fundamental Theory OfVariable-Magnetic-Force Memory Motors”(21^st Meeting of the Institute ofElectric Engineers of Japan)建议：在高载荷情况下，正的d轴电流流动并且磁化被维持，但是因为特性是Ld<Lq，当施加正的d轴电流时，磁阻扭矩沿与磁体扭矩相反的方向产生，并且最大扭矩被减小。

在本实施例中，特性呈现为Ld>Lq，与上述文章相反，并且因此可以获得与磁体扭矩方向相同的磁阻扭矩，并且组合扭矩得以增加。正的磁阻扭矩能够被获得，同时保持所述永磁体4的磁化，并且因此导致电机的效率增加。

换言之，在操作期间改变磁力的电机中特性是Ld<Lq的情况下，为了有效的利用磁体扭矩以及磁阻扭矩，矫顽力必须设置得比较高以便低矫顽力的永磁体4即使在施加负的d轴电流时也不退磁，这意味着控制磁化以及退磁所需的电流更大，并且能量损失增加。

相反，在根据本实施例的旋转电机中，所述关系呈现为Ld>Lq，并且因此获得沿增加磁化方向比正的d轴电流更积极的磁阻扭矩，所述永磁体4可以具有低矫顽力，并且对于磁化以及退磁所需的电流容量也可以低。换言之，不需使用价格昂贵的材料，并且能够获得稳定的特性。

因此，在根据本实施例的旋转电机中，q轴磁阻增加，获得Ld>Lq的特性，并且所述永磁体4的周向比(极弧比)是50％或者更小，从而成本降低，并且在磁体是容易获得的低矫顽力磁体时，磁化也能够在驱动状态下被保持。

当弱磁场操作在普通永磁电机中用于高旋转区域时，不容易提供稳定的功效并且有高矫顽力的Dy或者其他贵重材料被使用，使得永磁体4不被退磁。然而，在本实施例中，所述永磁体能够被重新磁化，并且因此有低矫顽力的永磁体4能够被使用。

，在暂时需要等于或者大于额定电流的扭矩的操作点，所述电枢反作用力相对于所述永磁体4增加，但滞后相位电流控制(在增加磁化的方向)被执行，从而磁化能够被维持，并且由于Ld>Lq的特性，正的磁阻扭矩被获得，并且因此与传统的可变磁动势电机相比，在高负载期间效率得以提高。

下文将描述由所述旋转电机产生的磁通。图4是描述性图，示出在没有施加电流的无载荷状态下所产生的磁通流。如图4所示，从所述永磁体4输出的磁通被分为：磁通19，其朝着所述定子3流动并且与定子绕组(在图中未示出)链接；以及磁通20，穿过内侧d轴旁路10泄漏至相邻磁体，相邻磁体位于左侧以及右侧并且有不同极性。换言之，在无载荷状态下所述转子6进行旋转的情况下，与不发生泄漏的情况(不设置内侧d轴旁路10的情况)相比，与所述定子3链接的磁通少，并且因此在所述定子3内发生的铁芯损耗减小。

图5是描述性图，示出q轴电流流向定子绕组时的磁通流。如图5所示，由于电枢反作用力22，从永磁体4输出的磁通21从定子3朝向旋转方向23倾斜。所述电枢反作用力22沿着阻碍磁体中的磁通向内侧d轴旁路10泄漏的方向发挥作用。流过连接至所述外侧d轴旁路11以及所述内侧d轴旁路10的旁路汇集部(bypass hub)24的磁通的量随着q轴电流增加而减小。

图6是示出q轴电流值与定子绕组的链接磁通之间的关系的特性图。水平轴示出q轴电流I_q(A)，而垂直轴示出链接磁通Ψd(Wb)。

当在本实施例中比较无载荷情况下以及额定载荷情况下的链接磁通时，可以发现通过施加q轴电流能够实现磁通30％的受控改变。换言之，在不需要大扭矩的低载荷区域，所述永磁体4的磁通是被自动限制的，并且定子铁芯损耗减小。在需要大扭矩的高载荷区域，所施加的q轴电流以及泄漏到内侧d轴旁路10的磁通受到限制，并且结果是与所述定子3链接的磁通增加，并且因此所需的扭矩能够被获得。永磁体4的磁化的状态此时不改变，并且因此仅通过控制q轴电流I_q，磁体中的磁通的链接的量能够变化大约30％。虽然磁体中的磁通的链接的量能够变化大约30％，但根据本公开明显的是，如果需要或者希望的话，磁体中的磁通的链接的量能够变化大约10％或更大。

从机械强度方面来看，在所述内侧d轴旁路10以及所述外侧d轴旁路11中产生的离心力由在两端的旁路汇集部24支撑。然而，所述旁路汇集部24被设置为具有较大的宽度以便在无载荷期间引起一定量的磁通泄漏，并且因此机械强度也得以提高。

本实施例中，在无载荷期间以及在低需求扭矩以及低载荷电流的区域中，磁体的磁通通过内侧d轴旁路10泄漏，并且因此与所述定子3链接的磁通减小。因此，铁芯损耗减小，并且效率提高。

所述外侧d轴旁路11被设置在所述转子6的空气间隙的附近，并且因此，随着载荷电流的增加，旁路汇集部24中的抗磁场增加，泄漏到d轴旁路10和11的磁体的磁通的量减少，并且与所述定子3链接的磁通增加。因此，在高扭矩旋转期间，足够量的磁体的磁通被获得。支撑作用于d轴旁路10和11的离心力所需的强度也得以获得。

如图7所示，在本实施例的两个d轴旁路10和11中，所述外侧d轴旁路11沿所述转子的外形的圆弧形状25设置，而所述内侧d轴旁路10沿d轴磁通线形状26设置，此d轴磁通线形状相对于所述转子的外形的圆弧基本上是倒弧形。如上述描述，内侧d轴旁路10用作用于控制所述永磁体4的磁通的量的泄漏路径并且用以减小d轴磁阻。另一方面，被布置在所述转子的前表面的外侧d轴旁路11影响扭矩脉动性能以及凸极比检测式无传感器控制的特性。

从定子3观察时，转子6上的d轴与q轴之间的磁导差异当外侧d轴旁路11的宽度增加时减小，并且因此使用此差异来估测磁极的位置的无传感器控制中的估测精度减小。因此，从提高磁极位置的估测精度观点来看，使所述外侧d轴旁路11的宽度尽可能的小是优选的。另一方面，从减小扭矩脉动的观点来看，减小磁导脉动是有效的，并且因此确保给定的旁路宽度是有用的。在根据本实施例的旋转电机的定子3中，所述宽度是这样的，使得减小的扭矩脉动以及用于无传感器控制的所需估测精度均得以获得。

因此，所述外侧d轴旁路11被设置在根据本实施例的旋转电机中，从而空气间隙部分处的磁通的波动能够被平滑，并且扭矩脉动能够减小同时确保Ld>Lq的特性。减小所述外侧d轴旁路11的宽度允许检测转子6的凸极性的类型的无传感器控制的性能降低受到限制，并且设置所述内侧d轴旁路10确保了Ld>Lq的特性以及磁体的磁通的泄漏特性。

在本实施例中，外部磁间隙部分13设置在转子6的外侧d轴旁路11与内侧d轴旁路10之间的空间，而内部磁间隙12被设置在内侧d轴旁路10与永磁体4之间的空间，如图7所示。这样的位置设置允许每个磁回路形成独立的磁路。如果假设用于连接磁路的区域如图8中附图标记27和28示出的那样进行设置，其中永磁体4的磁通从磁体的前表面折转穿过区域27、28到达磁体的后表面的泄漏磁通29将增加。所述泄漏磁通29不能够使用q轴电流进行控制，并且因此磁通很容易损失。本实施例的配置结构使得d轴旁路10和11以及磁路9仅在所述转子6的表面附近连接，并且因此，此种损失得以限制。

因此，大的外部磁间隙部分13出现在所述外侧d轴旁路11与形成倒弧形的内侧d轴旁路10之间，并且因此来自定子3的磁通不干扰包括永磁体4的d轴磁路。从而能够防止电枢反作用力影响磁化状态。由磁性材料引起的磁回路没有出现在穿过永磁体4的磁路9和与这些磁路相邻的d轴旁路10和11之间，并且因此从磁体的前表面折转至同一磁体后表面的泄漏磁通的量能够受到限制。

如图9所示，在本实施例中，形成在定子铁芯2上的齿51的宽度A与齿的远端部的宽度B的比值η(＝A/B)被设置在0.7≤η≤1.0的范围内。此种结构允许磁场强度的减小受到限制，即使在定子铁芯2是磁饱和的情况下。

换言之，在形成在定子铁芯2上的齿51的第一齿宽A与齿51的远端部分的第二齿宽B的比值η(＝A/B)是1的情况下(当齿51的的宽度从基底到远端为恒定时)，齿51上的磁通的密度分布基本上不变。配设定子绕组的部分中的磁通的密度相应于比值η的减小而增加。显著的问题不出现在其中磁通密度不是特别大的旋转电机中，但在根据本实施例的旋转电机中需要注意，根据本实施例的旋转电机的情况是：在操作期间，定子绕组用于磁化以及退磁。

尤其是，在磁化过程中，磁场必须予以施加直到在磁体内部形成永久磁场，但是定子铁芯2的磁导率相应于定子铁芯2的磁饱和而减小，并且因此预期的磁场强度不能获得。因此当在本实施例中使用定子绕组来磁化以及退磁永磁体4时，比值η被设置在0.7≤η≤1.0的范围内，从而磁场强度的减小受到限制。

在传统磁铁中，在电流穿过定子绕组以及执行磁化的情况下，必须施加大于通常额定电流的磁化场，并且因此配设绕组的部分容易饱和，此部分是所述齿51最窄的部分。当这些部分饱和时，磁导率减小，并且因此不能获得用于磁化所需的磁场，即使在施加大电流时。在这样的条件下，即齿51的远端部分的宽度大于配设绕组的部分，被齿51的远端捕获的磁通的量增加，并且配设绕组部分的饱和变得更加明显。在本实施例中，比值η被设置成0.7≤η≤1.0之间，从而所述齿51的磁饱和减少，并且所需的磁化场能够更容易的获得。

使用下文描述的方法确定本实施例中永磁体4的厚度以及矫顽力。具体而言，当缠绕在所述定子铁芯2的齿51上的定子绕组以及电源的最大电流值I的规格被确定时，使用这些条件确定执行磁化以及退磁所需的永磁体4的厚度以及矫顽力。

图10是特性图，示出所述永磁体4的厚度与永磁体4的矫顽力之间的关系。永磁体4的最小所需矫顽力以及厚度必须是这样的：无载荷旋转期间在脉动磁导中不发生退磁。所需的条件是在图10示出的图表中由附图标记30表示的曲线下方的那些。由附图标记30表示的曲线可由基于所述永磁体4的矫顽力(Hcj(kA/m))以及磁体厚度(tm(mm))的下述方程(1)给出。

Hcj＝-(1.05*tm)²+33.8*tm-359             (1)

对于永磁体4的最大允许矫顽力以及厚度的要求由图表中附图标记31表示的曲线上方的条件给出。由附图标记31表示的曲线可由下述方程(2)给出。

Hcj＝(-243/tm)-17                      (2)

因此，所述永磁体4的矫顽力(Hcj)与磁体厚度(tm)之间的关系优选地设定在由下述方程(3)给出的范围内。

-(1.05*tm)²+33.8*tm-359<Hcj<(-243/tm)-17      (3)

显然的是，等式3边界以外的设计也是可能的，但是在这种情况下需要更大的电流源，其导致成本增加。

如果定子上的线圈匝数的数量以及电流容量不受限制，那么不管所述永磁体4的矫顽力以及磁体厚度如何，磁化状态使用定子电流基本上都可以控制。然而，在偏离由等式(3)给出的范围情况下，需要极大的电流用于磁化，并且在载荷情况下保持磁化变得困难。在本实施例中，所述永磁体4的顽磁性与厚度16之间的关系满足等式(3)，从而逆变器容量能够被防止变得不必要的大。

本实施例的配置是这样的，销型磁体(pinning-type magnet)以及非成核型磁体用作永磁体4。图11是特性图，示出相应于成核型磁体(nucleation-typemagnet)的外部磁场与磁场强度之间的关系。如图11所示，在成核型磁体中用于完全磁化所需的磁场强度32大于矫顽力33，并且导致需要大的磁化电流。另一方面，图12是特性图，示出相应于销型磁体的外部磁场与磁场强度之间的关系。如图12所示，在销型磁体中用于完全磁化所需的磁场强度34处于与矫顽力35基本相同的低量值。局部磁滞回路特性也接近于线性，并且因此磁化状态能够容易地控制。

流动以对永磁体4进行磁化以及使之退磁的电流不同于产生扭矩的电流，并且从限制伴随磁化以及退磁的能量损耗的观点来看，所述电流应该尽可能短时间地流动(应该使电流以脉冲形式流动)。然而，当使电流以脉冲的形式流动时，在永磁体4中产生阻碍获得的磁化场的涡流。磁化以及退磁性能被阻碍，并且磁化分布也会变得不规则。需要更大的电流以克服这些反应并且执行磁化以及退磁，导致成本增加。

因此，使用拼合磁体是更优选的以便解决这些问题并减小由于用于磁化以及退磁的脉冲电流引起的永磁体内的涡流损耗。例如，使用其中绝缘粘合剂被用于粘合磁性粉末的粘合磁体(bond magnet)也是有效的。

因此，应该采用具有改变磁化状态所需的强度的磁场，但是磁化电流对机械输出没有帮助并且导致损失，并且因此电流流动的期间应该尽可能的短。另一方面，当电流流动时间被缩短时，在所述永磁体4中产生的涡流阻碍磁化场。因此，磁化是不足的，并且随区域而定，磁化状态可能是不规则的。因此，将永磁体4分体或者通过粘合增加磁阻能够限制磁体内涡流的产生并且使磁体容易磁化以及退磁。能量消耗也能够被限制。

在本实施例中定子绕组中的线圈匝数被如此设定，使得在设置于所述转子6的永磁体4被完全磁化并且不执行弱磁场控制的情况下，，在系统的目标转速下的感应电压超过系统的DC电压。

图13是特性图，示出当磁化水平是100％、80％、60％、40％以及20％时，旋转速度与扭矩之间的关系。如图13所示，在系统的目标转速是由附图标记36示出的那种的情况下，当永磁体处于100％的磁化状态时，由于感应电压超过系统电压，所需的扭矩不能够产生。

然而，在其中磁力能够改变的本实施例的旋转电机中，在100％磁力时，允许输出高达目标转速36的设计导致在低转速区域中扭矩的减小。为了提高在低转速区域中的扭矩，优选的设计是这样的，至少当处于或者低于目标转速(附图标记37)时，感应电压超过系统的DC电压。如图13所示，在这种情况下，系统能够被驱动同时改变磁化水平，从而低速扭矩以及高速旋转均能够获得，并且输出的范围可以增加。

因此，当线圈匝数如此设定使得在完全磁化状态下在高旋转区域感应电压不超过系统的DC电压时，低旋转区域中的最大扭矩受到限制。线圈匝数在磁化状态能够被改变的假设下予以设定，从而，低速以及高速旋转时的大扭矩均能够获得。

接下来将描述一种用于本发明的旋转电机的控制装置。图14是所述控制装置的框图。如图14所示，当接收到dq轴指令值id*、iq*时，计算这些指令值与dq轴电流值id、iq之间的偏差，并且所计算的偏差被提供至PI-dq电流控制器52。所述偏差被PI-dq电流控制器52矫正。在PI-dq电流控制器52中，基于矫正的偏差计算dq轴电压指令值Vd*、Vq*。

基于id指令值id*、iq指令值iq*以及电角速度ω，解耦控制部件61确定dq轴干扰电压指令值vd′以及vq′，并且把结果加至dq轴电压指令值Vd*、Vq*，从而矫正的dq轴电压指令值Vd、Vq被确定并且被输出至dq-3-相转换部件53。

基于dq轴电压指令值Vd、Vq以及电机的转子相角θ，所述dq-3-相转换部件53计算3-相电压指令值Vu、Vv、Vw。基于逆变器56的DC电压Vdc，由调制因数计算部件54确定调制因数mu、mv、mw。

三角波比较部件55将所述调制因数mu、mv、mw与三角波比较，从而产生PWM信号。所述PWM信号被输出至所述逆变器56。基于所述PWM信号，逆变器56控制包括上臂以及下臂的开关电路(在图中未示出)，从而三相交流电流信号由直流电压产生并且被输出至电机M。其中应用了根据本实施例的旋转电机的电机M从而能够被驱动以进行旋转。

电流传感器57设置于逆变器56的输出的U相以及W相。电流传感器57检测的电流iu以及iw被提供至3相dq转换部件58。分解器或者其他的旋转角传感器60被设置于电机M，并且其输出信号被提供至相位速度计算部件59。在所述相位速度计算部件59中，电机M的相位角θ被确定并且被输出至3相dq转换部件58以及dq3相转换部件53。所述电机M的旋转速度ω被计算，并且所计算的旋转速度ω被输出至磁通观测器40。

基于从逆变器56输出的U相、V相以及W相电流iu、iv以及iw以及电机M的相角θ，所述3相dq转换部件58计算dq轴电流值id、iq。此计算的结果被提供至磁通观测器40并且用于计算dq轴指令值id*和iq*的偏差。

基于由3相dq转换部件58确定的dq轴电流值id和iq以及由相位速度计算部件59确定的电机M的旋转速度ω，所述磁通观测器40计算磁化水平Ψa，并且将所计算的磁化水平Ψa输出至磁化保持控制部件41。所述磁化水平Ψa是与定子链接的磁体的磁通的总和。更具体地，所述磁通观测器40基于dq轴电流值id、iq以及旋转速度ω，利用包括发动机参数的预先获得的电机电压方程式，计算磁化水平Ψa，这是用于预测磁体温度的传统的公知技术(例如，参见2004-201425-A号日本未审查专利公开)。

基于扭矩指令值Tr*以及由磁通观测器40输出的磁化水平Ψa，磁化保持控制部件41输出dq轴指令值id*、iq*的组合以产生目标扭矩，如下文所解释的。根据本实施例的旋转电机使用低矫顽力永磁体4，并且因此配置是这样的，这些磁体的磁化状态根据操作点的需要被改变。如果允许磁化状态被保持的限制条件在这种情况下不是不断地确定，磁力(magnetic force)意外的改变将会发生，并且控制将不稳定。

因此，除了传统使用的电流矢量控制块之外，磁通观测器40以及磁化保持控制部件41也被设置在根据本实施例的旋转电机的控制装置中。所述磁通观测器40基于由电流传感器57检测的dq轴电流值id和iq、电机M的旋转速度ω以及电机M的参数估测磁体的磁通。基于磁体的磁通，所述磁化保持控制部件41控制dq轴电流值id、iq，以便磁化状态能够被保持。从而磁体的磁化状态能够被防止由于所需的驱动条件而意外地变化，并且能够实现稳定的控制。图14中示出的磁化保持控制部件41根据由id-iq平面中的线性表达式Iq<α×id+β(ψa)表示的控制定律运作的功能，如图15所示。

在例如磁化水平Ψa等于100％的情况下，q轴电流Iq被控制以便不超过磁化保持限制线42。在Ψa＝20％的情况下，Iq被控制以便不超过磁化保持限制线43。基本上，当磁化水平Ψa低时，所述磁化保持限制线在向上的方向上移动。

因此，磁化状态的限制线能够简单地控制。在其中操作点改变很大的使用条件下，磁化状态的改变能够在任何条件下予以控制而不需复杂的计算。

在本实施例中描述了有6个磁极的旋转电机，但是对于不同数量的磁极，旋转电机也能够采用相同的方式加以应用。

因此，虽然仅只选定的实施例被选择用于说明本发明，根据本公开内容对于本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以做出各种改变以及修改。不需要所有的优点同时存在于一特定的实施例中。有别于现有技术的每个独特特征，无论是单独或者与其他特征的组合，也应认为是申请人的进一步发明的单独说明，包括由此类特征体现的结构和/或功能概念。因此，根据本发明的实施例的上述描述仅用于说明，而非用于限制由所附权利要求书以及其等价物限定的本发明。

Claims (12)

1.一种可变磁动势旋转电机，包括：

环形定子，该环形定子包括绕在多个齿上的定子绕组；以及

呈圆形形状的转子，该转子与所述定子同心，并且所述转子包括至少一个布置在d轴磁路上的永磁体，

所述转子包括磁间隙部分，位于布置在一磁极的所述d轴磁路上的所述至少一个永磁体与具有不同极性的相邻磁体之间，使得d轴磁通形成穿过所述至少一个永磁体以外的区域的d轴旁路，并且所述d轴旁路提供沿d轴方向的磁阻，该磁阻设定得低于沿与所述d轴磁阻垂直的q轴方向的磁阻；

所述至少一个永磁体具有提供用于由等于或者小于供电逆变器产生的电枢反作用力的磁场完全磁化的矫顽力，并且所述至少一个永磁体具有取值为50％或者更小的、所述至少一个永磁体的周向长度相对于所述转子圆周上的单一磁极的长度的比值；以及

所述磁间隙部分布置在q轴磁路上，所述磁间隙部分在所述q轴磁路方向上的径向宽度大于所述至少一个永磁体在磁化方向的尺寸。

2.根据权利要求1所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述d轴旁路在于所述转子与所述定子之间限定环形间隙的空气间隙附近连接至所述d轴磁路，使得在电流不施加至所述定子绕组的无载荷状态，所述至少一个永磁体的10％或者更多的磁通通过所述d轴旁路泄漏至具有不同极性的所述相邻磁体。

3.根据权利要求1或2所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述d轴旁路由两个旁路形成，包括：

沿所述转子的外形的圆形设置的圆形d轴旁路；以及

倒置弧形d轴旁路，沿d轴磁通线的形状设置以便具有沿相对于所述转子的外形的弧形倒置的方向弯曲的弧形形状。

4.根据权利要求3所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述倒置弧形d轴旁路比所述圆形d轴旁路宽。

5.根据权利要求3或4所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述圆形d轴旁路以及倒置弧形d轴旁路均形成由所述磁间隙部分相互分隔开的独立的磁路；以及

在各d轴旁路中，与穿过所述至少一个永磁体的所述d轴磁路相邻的d轴旁路，除了在所述转子的前表面上的连接部分处之外，与穿过所述至少一个永磁体的所述d轴磁路磁性分隔开。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述定子的齿的结构构作成使得比值η(η＝A/B)满足关系0.7≤η≤1.0，式中，A表示用于卷绕定子绕组的构成主要磁路的第一齿部的宽度，而B表示与所述转子相邻的第二齿部的宽度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述至少一个永磁体的矫顽力(Hcj(kA/m))与所述至少一个永磁体的厚度(tm(mm))之间的关系设定在由下式给出的范围内：

-(1.05*tm)²+33.8*tm-359<Hcj<(-243/tm)-17；以及

用于磁化所需的最大电流幅值是2I或者更小，并且用于退磁所需的最大电流幅值是0.5I或者更小，其中I是当没有执行角度超前控制时在磁化状态不改变的情况下用于电流流动的最大电流值。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述至少一个永磁体包括销型磁体的特性。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述至少一个永磁体是拼合磁体或者粘合磁体，所述拼合磁体具有层叠设置并通过绝缘层接合的至少两个或者更多的磁体段，所述粘合磁体具有粘合磁性粉末的绝缘材料。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的可变磁动势旋转电机，其中

所述定子绕组的线圈匝数如此设定，使得在所述转子的至少一个永磁体被完全磁化并且执行磁通弱化控制以外的控制的情况下，在系统的目标旋转速度下的感应电压超过所述系统的DC电压。

11.一种用于控制根据权利要求1至10中任一项所述的可变磁动势旋转电机的控制装置，所述控制装置包括：

磁通观测器，用以基于提供至所述旋转电机的电压值或者电流值来估测所述至少一个永磁体的磁化状态；

磁化保持控制部件，用以基于有关磁化状态的信息以及预先设定的参数来矫正dq轴电流指令值与dq轴电流值之间的偏差；

电压指令值产生部件，用以基于由所述磁化保持控制部件矫正的偏差来产生电压指令值；

逆变器，用以基于PWM信号来驱动所述旋转电机，所述PWM信号基于所述电压指令值产生；以及

电流传感器，用以测量由所述逆变器输出的电流值。

12.根据权利要求11所述的可变磁动势旋转电机的控制装置，其中

所述磁化保持控制部件基于下列公式矫正q轴电流Iq：Iq<α×Id+β(ψa)，式中，Id代表d轴电流，而α和β代表磁化水平Ψa的的函数。