永磁式旋转电机的制作方法

专利名称：永磁式旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用两种以上的永久磁铁、使其中至少1个永久磁铁的磁通量不可逆 地变化、能够进行从低速到高速的大范围内的可变速旋转的永磁式旋转电机。特别涉及将 短路线圈或导电性的板配置在转子铁芯、以使得在使至少1个永久磁铁的磁通量不可逆地 变化时、不会因其他永久磁铁的影响而抑制上述至少1个磁铁的磁通量的变化的永磁式旋 转电机。
背景技术：
一般，永磁式旋转电机大体上划分有两种类型。是将永久磁铁粘贴在转子铁芯的 外周上的表面磁铁型永磁式旋转电机、和将永久磁铁4植入在转子铁芯2之中的植入型永 磁式旋转电机。作为可变速驱动用马达，植入型永磁式旋转电机是适合的。在永磁式旋转电机中，由于永久磁铁的交链磁通总是一定地产生，所以永久磁铁 的感应电压与旋转速度成比例地变高。因此，在从低速到高速可变速运转的情况下，在高速 旋转下，永久磁铁带来的感应电压(反电动势(逆起電圧))变得很高。如果永久磁铁带来 的感应电压被施加在变换器的电子部件上而成为其耐电压以上，则电子部件绝缘破坏。因 此，可以考虑进行削减永久磁铁的磁通量以使其成为耐电压以下的设计，但在此情况下，永 磁式旋转电机的低速域中的输出及效率低下。在从低速到高速进行接近于恒定输出的可变速运转的情况下，永久磁铁的交链磁 通是一定的，所以在高速旋转域中，旋转电机的电压达到电源电压上限，不再流过输出所需 要的电流。结果，在高速旋转域中，输出大幅下降，进而，不能大范围地可变速运转到高速旋 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所述那样的弱磁通控 制。电枢线圈的总交链磁通量包括d轴电流带来的磁通和永久磁铁带来的磁通。在弱磁通 控制中，通过产生负的d轴电流带来的磁通，由该负的d轴电流带来的磁通来使全交链磁通 量减少。此外，在弱磁通控制中，高保磁力的永久磁铁也是磁特性(B-H特性)的动作点在 可逆的范围中变化。因此，永久磁铁采用高保磁力的NdFeB磁铁，以使其不会由弱磁通控制 的去磁场不可逆地去磁。在采用弱磁通控制的运转中，由于通过负的d轴电流带来的磁通使交链磁通减 少，所以交链磁通的减少量形成相对于电压上限值的电压的富余量。并且，由于能够增加作 为转矩成分的电流，所以高速域中的输出增加。此外，能够使旋转速度上升电压富余量，扩 大可变速运转的范围。但是，由于总是使不对输出贡献的负的d轴电流持续流过，所以铜损增加而效率 恶化。进而，负的d轴电流带来的去磁场产生高谐波磁通，通过高谐波磁通等产生的电压的 增加形成弱磁通控制带来的电压降低的极限。因为这些，即使对植入型永磁式旋转电机使 用弱磁通控制，也难以进行基本速度的3倍以上的可变速运转。进而，有通过上述高谐波磁 通使铁损增加、在中、高速区域中效率大幅下降的问题。此外，还有可能通过高谐波磁通带来的电磁力产生振动。在将植入型永磁式旋转电机应用到复合动力汽车用驱动电动机中的情况下，在仅 通过发动机驱动的状态下，电动机被牵连。在中、高速旋转中，电动机的永久磁铁带来的感 应电压上升，所以为了抑制到电源电压以内，通过弱磁通控制使负的d轴电流持续流过。在 此状态下，电动机仅产生损失，所以综合运转效率恶化。在将植入型永磁式旋转电机应用到电车用驱动电动机中的情况下，电车有进行惰 性运转的状态，与上述同样，为了使永久磁铁带来的感应电压成为电源电压以下，通过弱磁 通控制使负的d轴电流持续流过。在此情况下，电动机仅产生损失，所以综合运转效率恶 化。作为解决这样的问题的技术，在专利文献1及专利文献2中，记载有以下的技术 配置在由定子线圈的电流形成的磁场作用下磁通密度不可逆地变化之程度的低保磁力的 永久磁铁、和具有低保磁力的永久磁铁的2倍以上的保磁力的高保磁力的永久磁铁，在为 电源电压的最大电压以上的高速旋转域中，通过电流带来的磁场使低保磁力的永久磁铁磁 化，以使低保磁力的永久磁铁与高保磁力的永久磁铁带来的全交链磁通减少，来调节全交 链磁通量。该专利文献1的永磁式旋转电机具备图9所述那样的结构的转子1。S卩，转子1包 括转子铁芯2、8个低保磁力永久磁铁3及8个高保磁力永久磁铁4。转子铁芯2将硅钢板 层叠而构成，低保磁力永久磁铁3是铝铁镍钴磁铁或i^eCrCo磁铁，高保磁力磁铁4是NdFeB 磁铁。低保磁力永久磁铁3被植入在转子铁芯2之中，在低保磁力永久磁铁3的两端部 设有第1空洞5。低保磁力永久磁铁3沿着与作为磁极间的中心轴的q轴一致的转子的半 径方向配置，沿相对于半径方向成直角方向被磁化。高保磁力永久磁铁4被植入在转子铁 芯2内，在高保磁力永久磁铁4的两端部设有第2空洞6。高保磁力永久磁铁4沿转子1的 大致周向配置，以使其在转子1的内周侧被两个低保磁力永久磁铁3夹着。高保磁力永久 磁铁4沿相对于转子1的周向大致成直角方向被磁化。转子铁芯2的磁极部7被形成为，使其被两个低保磁力永久磁铁3和1个高保磁 力永久磁铁4包围。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。在采用了该转子1的专利文献1的永磁式旋转电机中，在定子线圈中流过通电时间为 很短时间(100 μ s Ims左右)的脉冲性的电流而形成磁场，使磁场作用在低保磁力永久 磁铁3上。如果设起磁磁场为250kA/m，则理想的是在低保磁力永久磁铁3上作用足够的起 磁磁场、在高保磁力永久磁铁4上没有起磁带来的不可逆去磁。结果，在专利文献1的永磁式旋转电机中，通过转子1的d轴电流，能够使低保磁 力永久磁铁3的交链磁通量从最大到0较大地变化，此外磁化方向也能够为正反的两方向。 即，如果设高保磁力永久磁铁4的交链磁通为正方向，则能够将低保磁力永久磁铁3的交链 磁通从正方向的最大值到0、再到反方向的最大值大范围地调节。因而，在转子1中，通过将 低保磁力永久磁铁3用d轴电流起磁，能够大范围地调节合计了低保磁力永久磁铁3和高 保磁力永久磁铁4的全交链磁通量。例如，在低速域中，通过低保磁力永久磁铁3用d轴电流磁化而在与高保磁力永久 磁铁4的交链磁通相同方向(初始状态)成为最大值，永久磁铁带来的转矩成为最大值，所以能够使旋转电机的转矩及输出成为最大。在中、高速域中，通过使低保磁力永久磁铁3的 磁通量下降、降低全交链磁通量，旋转电机的电压下降，所以相对于电源电压的上限值形成 富余，能够进一步提高旋转速度(频率)。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

发明内容
具有上述那样的结构的专利文献1的永磁式旋转电机具有通过转子1的d轴电 流，能够使低保磁力永久磁铁3的交链磁通量从最大到0较大地变化、此外磁化方向也能够 为正反的两方向的良好的特性。另一方面，在使低保磁力永久磁铁3起磁的情况下需要较 大的磁化电流，导致用来驱动电动机的变换器的大型化。特别是，在永久磁铁的特性上，与去磁的情况相比，在起磁的情况下要求更大的磁 化电流，但专利文献1的永磁式旋转电机为将两种磁铁磁并联配置的结构，所以由于高保 磁力永久磁铁4的交链磁通的影响，在低保磁力永久磁铁3的起磁中需要较大的磁场。图10㈧到图10⑶是说明该情况的示意图。在专利文献1的永磁式旋转电机中， 如图10(A)所示，两个低保磁力永久磁铁3和1个高保磁力永久磁铁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，各永久磁铁3、4的磁通的方向朝向中心的磁极 部7的方向。在此状态下，如果脉冲性地流过d轴电流而产生去磁用的磁场，则该磁通如图 10(B)所示那样从转子1的外周侧贯通各永久磁铁3、4而产生，由此，低保磁力永久磁铁3 被去磁。此时，高保磁力永久磁铁4由于保磁力较高，所以不会被去磁。在该去磁的情况下，如图10 (C)所示，高保磁力永久磁铁4的磁通与d轴方向都从 低保磁力永久磁铁3的内侧朝向外侧，与低保磁力永久磁铁3的最初的磁通的方向相反地 流动，所以辅助d轴电流形成的磁场带来的去磁作用。因此，能够进行到使低保磁力永久磁 铁3的极性反转为止的去磁。另一方面，在起磁的情况下，通过再次脉冲性地施加d轴电流，如图10(D)所示，产 生与图10(B)相反方向的磁场，通过构成该磁场的反方向的磁通，使去磁后的低保磁力永 久磁铁3的交链磁通回到图10(A)的通常运转时的状态。但是，本来与去磁相比，用于起磁 的能量需要较大，并且如图10(D)所示，在低保磁力永久磁铁3上，沿去磁方向施加了高保 磁力永久磁铁4的磁通，所以需要能够生成超过它的较大的磁场的磁化电流。这样，专利文献1的永磁式旋转电机由于将两种磁铁磁并联地配置，所以具有能 够较大地取得低保磁力永久磁铁3的去磁量、使磁力的变化幅度0 100%那样变大的优 点，但是具有在起磁时需要的磁化电流较大的问题。本发明是为了解决上述问题而做出的，目的是提供一种通过使低保磁力永久磁铁 的起磁时的磁化电流减少，不需要变换器的大型化、能够在从低速到高速的大范围中进行 可变速运转、能够实现低速旋转域的高转矩化、和中、高速旋转域中的高输出化、可提高效 率的永磁式旋转电机。为了达到上述目的，本发明的永磁式旋转电机，使用保磁力与磁化方向厚度的乘 积与其他永久磁铁不同的两种以上的永久磁铁形成磁极，将该磁极在转子铁芯内配置多个 而构成转子，在该转子的外周上经由空气隙配置定子，在该定子上设置电枢铁芯和电枢线圈，通过该电枢线圈的电流形成的磁场使构成上述转子的磁极的永久磁铁的至少1个磁 化，使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，其特征在于，在除了上述不可逆地变化的永久磁铁 以外的其他永久磁铁的磁路部分设有短路线圈。在本发明中，也可以将上述短路线圈以除了上述不可逆地变化的永久磁铁以外的 其他永久磁铁的磁化方向为中心轴配置在上述其他永久磁铁的周围、或设置在除了上述转 子铁芯的上述不可逆地变化的磁铁以外、磁通泄露的磁路部分中。也可以代替上述短路线 圈而使用导电性的板。此外，以下都是本发明的一种形态使上述电枢线圈通电d轴电流，通过其磁通使 上述短路线圈或导电性的板产生短路电流；使上述短路线圈或导电性的板的电感值和电阻 值为流过不可逆变化的永久磁铁的磁化变化之程度的短路电流的值；上述短路线圈或导电 性的板是在1秒以内流过不可逆变化的永久磁铁的磁化变化之程度的短路电流、然后在1 秒以内使该短路电流衰减50 %以上的单元。进而，以下都是本发明的一种形态上述短路线圈或导电性的板相对于高速旋转 时的离心力由转子铁芯进行保持；在上述短路线圈或导电性的板中产生的短路电流是通过 将形成与使永久磁铁不可逆变化的方向相反方向的磁场的电流流到电枢线圈、然后将向使 永久磁铁不可逆变化的方向形成磁场的电流流到电枢线圈而生成的；或者，上述短路线圈 或导电性的板将在高温下熔化的导电性物质流入到转子的铁芯的孔中而铸造成的。发明的效果根据具有以上那样的结构的本发明，如果通过将使磁通量不可逆地变化的永久磁 铁起磁时的磁化电流产生磁场，则通过该产生的磁场，在短路线圈或导电性的板中流过感 应电流，对于使磁通量不可逆地变化的永久磁铁，通过由该感应电流产生的磁场作用起磁 方向的磁力。结果，上述磁化电流带来的磁场与该感应电流带来的磁场被相加，能够有效地 进行使磁通量不可逆地变化的永久磁铁的起磁。此外，通过短路线圈及导电性的板而产生的磁场不仅在转子中，在电枢铁芯中也 进行支配，以将由磁化电流产生的磁场抵消。结果，通过将电枢铁芯中的磁饱和缓和，能够 将较大的磁化电流带来的强磁场施加在使磁通量不可逆地变化的永久磁铁上，能够容易地 进行其起磁。这样，根据本发明，能够将使磁通量不可逆地变化的永久磁铁通过较少的磁化电 流有效地起磁，并且能够抑制电枢铁芯的磁饱和，所以能够不带来驱动用变换器的大型化 而实现永磁式旋转电机的高效化。


图1是在本发明的第1实施方式中、表示通过磁化电流开始了去磁的状态的转子 和定子的部分剖视图。图2是在本发明的第1实施方式中、表示磁力为最小的状态的转子的部分剖视图。图3是在本发明的第1实施方式中、表示开始流过磁化电流的瞬间的状态的转子 的部分剖视图。图4是在本发明的第1实施方式中、表示通过磁化电流产生的磁场而在短路线圈 中产生感应电流、产生了新的磁场的状态的转子的部分剖视图。
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图5是在本发明的第1实施方式中，表示磁化结束、使磁化电流为0的状态的转子 的部分剖视图。图6是表示本发明的第2实施方式的磁力的方向的转子的部分剖视图。图7是表示本发明的第3实施方式的磁力的方向的转子的部分剖视图。图8是表示本发明的第4实施方式的磁力的方向的转子的部分剖视图。图9是专利文献1中记载的转子的剖视图。图10是表示专利文献1中记载的转子的作用的示意图。
具体实施例方式以下，参照附图对有关本发明的永磁式旋转电机的实施方式进行说明。另外，各实 施方式的旋转电机都以12极的情况进行说明，但本发明如果是其他极数也同样能够适用。(1.第1实施方式)(1-1.结构)使用图1 图5对本发明的第1实施方式进行说明。另外，从简单化的观点出发， 在各图中，仅表示了 12极中的1极，但不言而喻，各极的结构是相同的。此外，在图1中表 示了转子和定子，但在图2以后省略了定子部分。本发明的第1实施方式的转子1如图1所示，包括转子铁芯2、保磁力与磁化方向 厚度的乘积较小的永久磁铁3、和保磁力与磁化方向厚度的乘积较大的永久磁铁4。转子铁 芯2将硅钢板层叠而构成，永久磁铁3、4植入在转子铁芯2内。在各永久磁铁3、4的端部 设有空洞5、6，以使通过转子铁芯2内的磁通沿其厚度方向通过永久磁铁3、4的部分。保磁力与磁化方向厚度的乘积较小的永久磁铁3可以考虑为铁素体磁铁3或铝铁 镍钴磁铁，在本实施方式中，对使用铁素体磁铁3的情况进行说明。保磁力与磁化方向厚度 的乘积较大的永久磁铁4使用NdFeB磁铁。该铁素体磁铁3的保磁力为280kA/m，NdFeB磁 铁4的保磁力为1000kA/m。铁素体磁铁3沿磁极间的q轴配置在转子铁芯2内，其磁化方 向是转子铁芯2的大致周向。NdFeB磁铁4配置在转子铁芯2内，以使其磁化方向为d轴方 向。设有短路线圈8，以使其包围植入在转子铁芯2内的NdFeB磁铁4。该短路线圈8 由环状的导电性部件构成，嵌入到设在转子铁芯2内的空洞5的边缘的部分中而安装。另 外，也可以使在高温下熔化的导电性物质流入到转子的铁芯的孔中铸造来制作。该短路线圈8是通过在对电枢线圈通电d轴电流的情况下产生的磁通而产生短路 电流的。因此，该短路线圈8设在除了上述“不可逆地变化的永久磁铁”(铁素体磁铁3)以 外的其他永久磁铁(NdFeB磁铁4)的磁路部分中。在此情况下，将沿NdFeB磁铁4中央部 分的磁化方向延伸的轴作为短路线圈8的中心轴，在NdFeB磁铁4的周围隔开间隔而设置 短路线圈8。短路线圈8优选的是，在1秒以内流过不可逆变化的永久磁铁3的磁化变化之程 度的短路电流、然后在1秒以内使该短路电流衰减50 %以上。此外，如果将短路线圈8的电 感值和电阻值设为流过使之不可逆变化的永久磁铁(铁素体磁铁幻的磁化变化之程度的 短路电流那样的值则效率较好。在转子铁芯2的外周上，经由空气隙设置定子10。该定子10具有电枢铁芯11和电枢线圈12。通过流到该电枢线圈12中的磁化电流，在短路线圈8中感应出感应电流，通 过该感应电流，形成贯通短路线圈8的磁通。此外，通过流到该电枢线圈12中的磁化电流， 铁素体磁铁3的磁化方向可逆地变化。即，对于永久磁铁3、4，在永磁式旋转电机的运转时，通过d轴电流带来的磁场使 永久磁铁3磁化而使永久磁铁3的磁通量不可逆地变化。在此情况下，在流过磁化永久磁 铁3的d轴电流的同时，通过q轴电流控制旋转电机的转矩。此外，通过由d轴电流产生的磁通，使由电流(将q轴电流和d轴电流合成后的全 电流)和永久磁铁3、4产生的电枢线圈的交链磁通量、即由通过旋转电机的全电流在电枢 线圈中产生的磁通、和由转子侧的两种以上的永久磁铁产生的磁通构成的电枢线圈整体的 交链磁通量大致可逆地变化。特别是，在本实施方式中，通过瞬间的较大的d轴电流带来的磁场使可变磁力用 永久磁铁3不可逆变化。在此状态下，连续地流过几乎不发生不可逆去磁、或者发生很小的 不可逆去磁的范围的d轴电流而运转。此时的d轴电流作用为，将电流相位提前而调节端 子电压。此外，进行通过较大的d轴电流使可变用磁铁3的极性反转、将电流相位提前的运 转控制方法。由于这样通过d轴电流使可变用磁铁3的极性反转，所以即使流过使端子电 压降低那样的负的d轴电流，对于可变用磁铁3也不是去磁场而是起磁场。即，通过负的d 轴电流，可变用磁铁3不会去磁，而能够调节端子电压的大小。在一般的磁铁马达中，由于磁铁的极性不反转，所以如果通过将电流相位提前而 使d轴电流增加，则有磁铁不可逆去磁的问题，但在本实施方式中，能够使可变用磁铁3的 极性反转而将相位提前。(1-2.去磁及起磁作用)接着，对本实施方式的作用进行说明。另外，在各图中，将由电枢线圈12及短路线 圈8产生的磁力的方向用箭头表示。在本实施方式中，在定子10的电枢线圈12中流过通电时间为0. Ims IOOms左右 的极短时间的脉冲性的电流而形成磁场，使磁场A作用在铁素体磁铁3上(参照图1)。设 形成用来将永久磁铁磁化的磁场A的脉冲电流是定子10的电枢线圈12的d轴电流成分。如果设两种永久磁铁的厚度大致相等，则d轴电流的作用磁场带来的永久磁铁的 磁化状态变化根据保磁力的大小而变化。将产生与永久磁铁的磁化方向相反方向的磁场的 负的d轴电流对电枢线圈12脉冲性地通电。如果设通过负的d轴电流而变化的磁铁内的 磁场A成为了 -280kA/m，则铁素体磁铁3的保磁力成为280kA/m，所以铁素体磁铁3的磁力 不可逆地大幅地下降。另一方面，由于NdFeB磁铁4的保磁力为1000kA/m，所以NdFeB磁铁4的磁力不会 不可逆地下降。结果，如果脉冲性的d轴电流成为0，则仅铁素体磁铁3成为去磁的状态，能 够将全部的磁铁带来的交链磁通量减少。进而，如果施加比_280kA/m大的反磁场，则铁素 体磁铁3向反方向磁化，极性反转。在此情况下，由于铁素体磁铁3的磁通与NdFeB磁铁4 的磁通相互抵消，所以永久磁铁的交链磁通量成为最小(参照图2)。另外，在此情况下，NdFeB磁铁4的磁力的方向如图1的B所示，成为从NdFeB磁 铁4朝向铁素体磁铁3的方向，由于与电枢线圈12带来的磁场的磁力的方向一致，所以在使铁素体磁铁3去磁的方向上作用较强的磁力。同时，在短路线圈8中，产生将电枢线圈12 的磁场A抵消的感应电流，通过该感应电流，产生具有用图1中箭头C表示的磁力的方向的 磁场。该短路线圈8带来的磁力C也作用为，使铁素体磁铁3的磁化方向朝向反方向。由 此，高效率地进行铁素体磁铁3的去磁及极性的反转。接着，说明使永久磁铁的全交链磁通增加而复原到最大的过程(起磁过程)。在去 磁完成的状态下，如图2所示，铁素体磁铁3的极性反转，将产生与反转后的磁化方向反方 向(图1所示的初始的磁化方向)的磁场的正的d轴电流通电到电枢线圈12中。反转后 的反极性的铁素体磁铁3的磁力随着磁场增加而减少，成为0。如果进一步使正的d轴电流 带来的磁场增加，则极性反转而在初始的磁性的方向上被磁化。如果施加作为大致完整的 起磁所需要的磁场的350kA/m，则铁素体磁铁3被起磁而产生大致最大的磁力(参照图3)。另外，d轴电流并不需要通过连续通电而增加，作为设为目标的磁力的电流，只要 流过瞬间性的脉冲电流就可以。另一方面，由于NdFeB磁铁4的保磁力为1000kA/m，所以即 使d轴电流带来的磁场作用，NdFeB磁铁4的磁力也不会不可逆地变化。结果，如果脉冲性 的正的d轴电流成为0，则仅铁素体磁铁3成为起磁的状态，能够将全部的磁铁带来的交链 磁通量增加。由此，能够恢复为原来的最大的交链磁通量(图5)。通过如以上那样使d轴电流带来的瞬间性的磁场作用在铁素体磁铁3和NdFeB磁 铁4上，能够使铁素体磁铁3的磁力不可逆地变化，使永久磁铁的全交链磁通量任意地变 化。(1-3.短路线圈的作用)接着，对短路线圈8的作用进行说明。由于铁素体磁铁3和NdFeB磁铁4被植入 在转子铁芯2内而构成磁回路，所以上述d轴电流带来的磁场不仅是铁素体磁铁3，也作用 在NdFeB磁铁4上。本来，d轴电流带来的磁场为了使铁素体磁铁3的磁化变化而进行。所 以，只要使d轴电流带来的磁场不作用在NdFeB磁铁4上、而集中在铁素体磁铁3上就可以。在本实施方式中，在NdFeB磁铁4的周围配置有短路线圈8。在此情况下，短路线 圈8以沿NdFeB磁铁4的磁化方向延伸的轴为中心轴而配置。在对图4所示那样的“不可 逆地变化的永久磁铁”3进行起磁方向的磁化的情况下，如果d轴电流带来的磁场A作用在 NdFeB磁铁4上，则抵消磁场A那样的感应电流流到短路线圈8中。因而，在NdFeB磁铁4 中，d轴电流带来的磁场A和短路电流带来的磁场C作用而两者相互抵消，所以几乎不发生 磁场的增减。进而，短路电流带来的磁场C还作用在铁素体磁铁3上，成为与d轴电流带来 的磁场A相同方向(图4)。因而，使铁素体磁铁3磁化的磁场A变强，能够通过较小的d轴电流将铁素体磁铁 3磁化。这一点并不限于图4所示的起磁方向，在图1的去磁方向上也是同样的。如在图1 中说明过的那样，如果通过去磁方向的磁化电流而产生与图4的起磁方向相反的磁场A，则 通过由该磁场A在短路线圈8中感应的感应电流产生磁场C，在将“不可逆地变化的永久磁 铁” 3贯通的部分中，该磁场C的方向与磁化电流带来的磁场A的方向一致，所以去磁方向 的磁化也能够有效地进行。此外，通过短路线圈8，NdFeB磁铁4不受上述d轴电流的影响，几乎不发生磁通的 增加，所以能够将d轴电流带来的电枢铁芯11的磁饱和也缓和。即，与本实施方式不同，在 电枢铁芯11中，凭借由d轴电流产生的磁场A通过在电枢线圈12间形成的磁路，有可能发生该通过部分的磁饱和。但是，在本实施方式中，短路线圈8的磁场C中的、通过电枢铁芯 11的磁路的部分向与d轴电流带来的磁场A相反方向作用，所以能够缓和电枢铁芯11的磁 路磁饱和。(1-4.效果)在本实施方式中，能够得到以下的效果。在本实施方式中，通过用d轴电流使铁素体磁铁3不可逆地变化，能够将合计了铁 素体磁铁3和NdFeB磁铁4的永久磁铁的全交链磁通量在大范围内调节。此外，通过流过 短路线圈8的感应电流，能够提高d轴电流带来的磁场向使磁力变化的磁铁(铁素体磁铁 3)的影响，所以能够用较小的d轴电流使铁素体磁铁3磁化。由此，还能够降低变换器的电容。通过短路线圈8，能够提高使永久磁铁磁化的磁场，所以作为“使磁通量不可逆地 变化的永久磁铁”，能够使用保磁力较大的永久磁铁。例如，在本发明中，能够使保磁力比铝 铁镍钴磁铁(保磁力120kA/m)大的铁素体磁铁W280kA/m)磁化而可改变磁力。结果，通过永久磁铁的全交链磁通量的调节，能够大范围地调节旋转电机的电压。 此外，由于通过极短时间的脉冲性的电流进行起磁，所以也不需要使弱磁通电流总是持续 流过，能够大幅地降低损失。此外，由于不需要如以往那样进行弱磁通控制，所以也不会发 生高谐波磁通带来的高谐波铁损。根据以上，本实施方式的旋转电机能够以高输出进行从低速到高速的大范围的可 变速运转，在较大的运转范围中也能够实现高效率。(2.第2实施方式)图6是表示本发明的第2实施方式的转子部分的剖视图。在该第2实施方式中， 短路线圈8的配置与第1实施方式不同。在本实施方式中，将沿除了上述不可逆地变化的 永久磁铁(铁素体磁铁幻以外的其他永久磁铁(NdFeB磁铁4)中央部分的磁化方向延伸 的轴作为短路线圈8的中心轴，在该“其他永久磁铁”(NdFeB磁铁4)的定子侧设有短路线 圈8。该短路线圈8与该其他永久磁铁(NdFeB磁铁4)隔开间隔地对置，植入在转子铁芯2 内。在这样的结构的第2实施方式中，也与上述第1实施方式同样，通过由磁化电流产 生的磁场在短路线圈8中感应出感应电流。并且，通过由该感应电流产生的磁场C、和由磁 化电流产生的磁场A，进行铁素体磁铁3的起磁方向的磁化。同时，通过短路线圈8的磁场 C，将在电枢铁芯11内产生的磁化电流带来的磁场A抵消，所以能够将电枢铁芯11的磁饱 和缓和。另外，第2实施方式是将在图6中用标号8表示的短路线圈配置在NdFeB磁铁4 的定子侧的实施方式，但短路线圈的位置并不限定于此，也可以如虚线图形和标号(8)表 示那样将短路线圈配置在NdFeB磁铁4的转子铁芯2中心侧。此外，如果将短路线圈代替 植入到NdFeB磁铁4的周围的转子铁芯2部分中、而卷绕到NdFeB磁铁4的外周侧或内周 侧的转子铁芯2部分上，也能够得到相同的效果。(3.第3实施方式)图7(a)是表示本发明的第3实施方式的转子部分的剖视图，图7 (b)是将图7(a) 所示的转子铁芯的一部分放大表示的部分放大图。该第3实施方式是在转子铁芯2的“不可逆地变化的永久磁铁”3以外的、磁通泄露的磁路部分中设有短路线圈的实施方式。在图 7中，作为一例，在转子铁芯2的“不可逆地变化的永久磁铁” 3设置部分的半径方向上，在 该永久磁铁3以外的、“磁通泄露的磁路部分”中设有短路线圈8a、8b。S卩，在转子铁芯2的 半径方向上，在设在“不可逆地变化的永久磁铁” 3的两端的空洞5与转子铁芯2的外面及 内面之间分别形成的铁芯的较窄的部分h、2b中，由于通过磁场A如图7(b)所示那样的泄 露磁通L通过，所以这些部分h、2b相当于“不可逆地变化的永久磁铁” 3以外的、“磁通泄 露的磁路部分”。所以，在该实施方式中，在这样的、“不可逆地变化的永久磁铁” 3以外的、 “磁通泄露的磁路部分” h、2b中，分别设有抵消通过各部分的泄露磁通L的小径的短路线 圈8a、8b。另外，由于转子铁芯2的外周侧的磁路部分加极窄，所以设在该磁路部分加中 的短路线圈8a是极小径的，所以在图7(a)中没有记载，而仅在图7 (b)的部分放大图中表 示。如该图7(b)所示，磁路部分加的小径的短路线圈8a以沿通过的泄露磁通L的方向延 伸的轴为中心轴而设置。部分2b的小径的短路线圈8b也同样地设置。在这样的结构的第3实施方式中，如果被通过磁化电流产生的磁场A感应而在短 路线圈8中流过感应电流，则在短路线圈8中，产生图7中用标号D表示的磁场。该磁场D 向与通过磁化电流产生的磁场A相反方向作用，所以这部分的磁饱和被缓和。结果，能够防 止因对旋转机的驱动有效的磁通的减少带来的输出下降。特别是，如图7所示，发生泄露磁通L的磁路部分2a、2b相对于“不可逆地变化的 永久磁铁”3作为磁回路而成为并联回路。因而，通过小径的短路线圈8a、8b产生以抵消泄 露磁通L的磁场D也作用在与泄露磁通部分磁连接的“不可逆地变化的永久磁铁”3上。该 磁场D与磁化电流带来的磁场的方向A是相同的，所以具有促进“不可逆地变化的永久磁 铁” 3的磁化的效果。(4.第4实施方式)图8是表示本发明的第4实施方式的转子部分的剖视图。在该第4实施方式中， 在NdFeB磁铁4的与图中下方侧(转子的内周侧)的表面对置的面、即与NdFeB磁铁4在 其磁化方向上对置的面上，代替上述短路线圈8而设有导电性的板9。作为导电性的板9，优选地使用铜板或铝板。此外，导电性的板9并不限于图7那 样的NdFeB磁铁4的图中下方侧(转子的内周侧)，也可以配置在图中上方侧(转子的外周 侧)。如果将导电性的板9设置在转子的外周侧，则通过电流高谐波及齿高谐波(7 π夂卜 高諧波)在导电性板中产生感应电流，具有能够降低上述高谐波的优点。在这样的结构的第4实施方式中，如果通过磁化电流产生的磁场施加在导电性的 板9上，则在导电性的板9的表面产生感应电流(涡电流)，由此，产生与短路线圈8同样的 磁场C。通过该磁场C，在铁素体磁铁3的起磁方向上施加磁力，有效地实施起磁。同时，还 发挥缓和电枢铁芯11的磁饱和的作用。(5.其他实施方式)本发明并不限定于上述各实施方式，还包含以下这样的其他实施方式。(1)在上述实施方式中，对12极的情况进行了说明，但不言而喻，对于不同极数的 旋转电机也同样能够采用本发明。当然根据极数而永久磁铁的配置位置、形状有些变化，能 够与上述实施方式同样得到作用和效果。(2)在本发明中，在形成磁极的永久磁铁中，通过保磁力与磁化方向的厚度的乘积
12来进行区别永久磁铁的定义。因而，即使将磁极用相同种类的永久磁铁形成、形成为使磁化 方向的厚度不同，也能够得到与上述实施方式同样的作用和效果。(3)还能够将上述第3实施方式与上述第1、第2、第4实施方式组合。(4)也可以在运转时通过极短时间的脉冲性的d轴电流带来的磁场使永久磁铁磁 化而使永久磁铁的磁通量不可逆地变化，并且使相对于对全部磁铁的感应电压提前了相位 的电流连续地通电，使通过电流和永久磁铁产生的电枢线圈的交链磁通量变化。S卩，如果通过脉冲电流使永久磁铁的磁通量减少、再将电流相位提前，则相对于磁 铁磁通发生由反方向的电流产生的磁通，所以将其抵消，能够将全交链磁通减少，能够使端 子电压下降。另外，将电流相位提前与流过负的d轴电流成分是等价的。在这样的电流相位提前控制中，如果将电流相位提前，则流过d轴电流，磁铁去磁 而磁通量减少一些。但是，由于通过脉冲电流较大地去磁，所以具有磁通量的下降在比率上 较小的优点。标号说明1 转子2转子铁芯3保磁力与磁化方向厚度的乘积较小的永久磁铁(铁素体磁铁)4保磁力与磁化方向厚度的乘积较大的永久磁铁(NdFeB磁铁)5、6永久磁铁端的空洞7磁极部8短路线圈9导电性的板10 定子11电枢铁芯12电枢线圈
权利要求
1.一种永磁式旋转电机，使用保磁力与磁化方向厚度的乘积与其他永久磁铁不同的两 种以上的永久磁铁形成磁极，将该磁极在转子铁芯内配置多个而构成转子，在该转子的外 周上经由空气隙配置定子，在该定子上设置电枢铁芯和电枢线圈，通过该电枢线圈的电流 形成的磁场使构成上述转子的磁极的永久磁铁的至少1个磁化，使永久磁铁的磁通量不可 逆地变化，其特征在于，在除了上述不可逆地变化的永久磁铁以外的其他永久磁铁的磁路部分设有短路线圈。
2.一种永磁式旋转电机，使用保磁力与磁化方向厚度的乘积与其他永久磁铁不同的两 种以上的永久磁铁形成磁极，将该磁极在转子铁芯内配置多个而构成转子，在该转子的外 周上经由空气隙配置定子，在该定子上设置电枢铁芯和电枢线圈，通过该电枢线圈的电流 形成的磁场使构成上述转子的磁极的永久磁铁的至少1个磁化，使永久磁铁的磁通量不可 逆地变化，其特征在于，以沿除了上述不可逆地变化的永久磁铁以外的其他永久磁铁的磁化方向延伸的轴为 中心轴，在该其他永久磁铁的周围设有短路线圈。
3.—种永磁式旋转电机，使用保磁力与磁化方向厚度的乘积与其他永久磁铁不同的两 种以上的永久磁铁形成磁极，将该磁极在转子铁芯内配置多个而构成转子，在该转子的外 周上经由空气隙配置定子，在该定子上设置电枢铁芯和电枢线圈，通过该电枢线圈的电流 形成的磁场使构成上述转子的磁极的永久磁铁的至少1个磁化，从而使永久磁铁的磁通量 不可逆地变化，其特征在于，在上述转子铁芯的除了上述不可逆地变化的永久磁铁以外的、磁通泄露的磁路部分中 设有短路线圈。
4.一种永磁式旋转电机，使用保磁力与磁化方向厚度的乘积与其他永久磁铁不同的两 种以上的永久磁铁形成磁极，将该磁极在转子铁芯内配置多个而构成转子，在该转子的外 周上经由空气隙配置定子，在该定子上设置电枢铁芯和电枢线圈，通过该电枢线圈的电流 形成的磁场使构成上述转子的磁极的永久磁铁的至少1个磁化，使永久磁铁的磁通量不可 逆地变化，其特征在于，在与除了上述不可逆地变化的永久磁铁以外的其他永久磁铁在其磁化方向上对置的 面上设有导电性的板。
5.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，使电枢线圈通电d轴电流，通过其磁通使上述短路线圈或导电性的板产生短路电流。
6.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，使上述短路线圈或导电性的板的电感值和电阻值为流过不可逆变化的永久磁铁的磁 化变化之程度的短路电流的值。
7.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，上述短路线圈或导电性的板是在1秒以内流过不可逆变化的永久磁铁的磁化变化之 程度的短路电流、然后在1秒以内使该短路电流衰减50%以上的单元。
8.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，上述短路线圈或导电性的板相对于高速旋转时的离心力由转子铁芯进行保持。
9.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，在上述短路线圈或导电性的板中产生的短路电流是通过将形成与使永久磁铁不可逆变化的方向相反方向的磁场的电流流到电枢线圈、然后将向使永久磁铁不可逆变化的方向 形成磁场的电流流到电枢线圈而生成的。
10.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，上述短路线圈或导电性的板将在高温下熔化的导电性物质流入到转子的铁芯的孔中 而铸造。
11.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，在将保磁力与磁化方向厚度的乘积较小的永久磁铁去磁到其极性反转的状态下，进行 将电流相位提前的运转。
12.如权利要求1 4中任一项所述的永磁式旋转电机，其特征在于，在运转时用极短时间的脉冲性的d轴电流带来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，并且使相对于全部磁铁的感应电压提前了相位的电流连续地通电， 从而使由电流和永久磁铁产生的电枢线圈的交链磁通量变化。
全文摘要
本发明的永磁式旋转电机，能够抑制去磁时及起磁时的磁化电流的增加、以高输出进行从低速到高速的大范围中的可变速运转。转子(1)包括转子铁芯(2)、保磁力与磁化方向厚度的乘积较小的永久磁铁(3)、和保磁力与磁化方向厚度的乘积较大的永久磁铁(4)。在使永久磁铁(3)的铰链磁通减少的情况下，通过电枢线圈的电流，使与永久磁铁(3)的磁化方向相反方向的磁场作用。在使永久磁铁(3)的交链磁通增加的情况下，通过电枢线圈的电流使与磁铁磁化方向相同方向的磁场作用。在除了永久磁铁(3)以外的其他永久磁铁(4)的磁路部分设有短路线圈(8)。通过由磁化电流产生的磁场，在短路线圈(8)中感应出感应电流，通过该感应电流在短路线圈(8)的周围产生磁场。通过由该磁场和磁化电流产生的磁场将永久磁铁(3)起磁。
文档编号H02K1/27GK102067412SQ20098012303
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年6月20日
发明者堺和人, 大坪洋辅, 德增正, 松冈佑将, 桥场丰, 高桥则雄 申请人:株式会社东芝