可變磁動勢旋轉電機以及用于可變磁動勢旋轉電機的控制裝置制造方法
【專利摘要】一種旋轉電機包括定子(3)以及轉子(2)。所述轉子(2)有至少一個布置在d軸磁路上的永磁體(4)。所述轉子(2)包括磁間隙部分(12)，其位于布置在一磁極的d軸磁路上的永磁體(4)與具有不同極性的相鄰磁體之間，使得d軸磁通量形成穿過所述永磁體(4)以外區(qū)域的d軸旁路(10,11)。所述d軸旁路(10,11)提供在d軸方向的磁阻，該磁阻設置成低于沿與d軸磁阻正交的q軸方向上的磁阻。
【專利說明】可變磁動勢旋轉電機以及用于可變磁動勢旋轉電機的控制
裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般涉及一種用在車輛電機等中的可變磁動勢旋轉電機，并且涉及一種用于可變磁動勢旋轉電機的控制裝置。

【背景技術】
[0002]用于內置式永磁體電機〈1？1電機)中的旋轉電機的一個公知的示例被公開在2008-295138號日本公開專利申請中。此日本申請公開了在定子的軸磁路上形成多個磁通屏障(具有低磁導率的層)、在(1軸上提供磁路使得1x1〉！^ (此處1x1是(1軸電感，而0是^軸電感)、執(zhí)行強磁場控制、以及限制永磁體中的退磁場以減小磁體體積。
[0003]然而，在這些旋轉電機用在高旋轉區(qū)域的情況下，弱磁場控制弱于通常的磁通弱化內置式永磁體(51-191)，但仍然需要弱磁場控制，因此需要使用通過在制-56-8合金(其中制是釹，？6是鐵，并且8是硼)中添加0“鏑)而獲得的價格昂貴、高矯頑力的磁體。
[0004]從可變特性的觀點來看，公開在專利文獻2(2006-280195號日本公開專利申請)中的旋轉電機已被提出。然而，高矯頑力磁體以及低矯頑力磁體必須在此旋轉電機中組裝在一起，并且在用于高矯頑力磁體的材料供應低的情況下，此電機不能容易采用。另外，已經出現(xiàn)的問題是，低矯頑力磁體在高載荷狀態(tài)被不可逆地退磁，并且因此需要強磁場控制以保持磁化，但是在不是1(1)1(1的情況下，磁阻扭矩沿與磁體扭矩相反的方向發(fā)生，并且因此在尚載荷區(qū)域效率下降。


【發(fā)明內容】

[0005]本公開提出的一個目的是提供一種可變磁動勢旋轉電機以及用于可變磁動勢旋轉電機的控制裝置，其在不使用昂貴的高矯頑力磁體的情況下能夠獲得穩(wěn)定的扭矩，并且其中，在高旋轉速度區(qū)域中不需要弱磁場控制。
[0006]鑒于上述，提供了一種可變磁動勢旋轉電機，基本上包括電子以及轉子。所述轉子有至少一個布置在(1軸磁路上的永磁體。所述轉子包括磁間隙部分，位于布置在一磁極的(1軸磁路上的永磁體與具有不同極性的相鄰磁體之間，使得(1軸磁通形成穿過所述永磁體以外區(qū)域的旁路。所述(1軸旁路提供沿(1軸方向的磁阻，該磁阻設定得低于沿與所述(1軸磁阻垂直的(1軸方向的磁阻。所述永磁體具有提供用于由等于或者小于供電逆變器產生的電樞反作用力的磁場完全磁化的矯頑力。所述永磁體具有取值為50%或者更小的、所述至少一個永磁體的周向長度相對于所述轉子圓周上的單一磁極的長度的比值。所述磁間隙部分布置在(1軸磁路上，所述磁間隙部分在所述(1軸磁路方向上的徑向寬度大于所述永磁體在磁化方向的尺寸。
[0007]采用此可變磁動勢旋轉電機，永磁體的矯頑力以及厚度如此規(guī)定，使得根據(jù)獲自可流過纏繞于定子齒的定子繞組的最大電流電樞反作用力的最大值，磁化以及退磁是可能的。優(yōu)選地，不穿過在(1軸磁路上的永磁體的(1軸旁路被提供，并且磁間隙部分設置于(1軸磁路，從而獲得1x1〉！^的特征。優(yōu)選地，所述永磁體的極弧比是50%或者更小。從而在所述旋轉電機被驅動的情況下，磁化狀態(tài)能夠被保持。所述可變磁動勢旋轉電機的特性是這樣的即1x1〉！^，從而，在高旋轉區(qū)域執(zhí)行弱磁場操作的情況下，重新磁化是可能的，不必使用高矯頑力的材料，并且能夠減少成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]現(xiàn)在參照附圖，附圖形成本原始公開的一部分:
[0009]圖1是示意圖，示出根據(jù)一示例性實施例的旋轉電機的結構；
[0010]圖2是示意圖，示出根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的轉子的主要部件；
[0011]圖3是示意圖，示出根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的轉子的主要部件；
[0012]圖4是示意圖，示出在無載荷狀態(tài)下根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的磁通的磁通流；
[0013]圖5是示意圖，示出當軸電流流過定子繞組時，根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的磁通的磁通流；
[0014]圖6是特性曲線圖，示出(1軸電流的值與定子繞組的鏈接磁通之間的關系；
[0015]圖7是示意圖，示出根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的轉子的主要部件；
[0016]圖8是示意圖，示出在磁路連接部件設置于(1軸磁路的情況下，根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的磁路的改變；
[0017]圖9是示意圖，示出根據(jù)所示的實施例的設置于旋轉電機的定子鐵芯的齒；
[0018]圖10是特性曲線圖，示出用在旋轉電機中的永磁體的厚度與頑磁性之間的關系；
[0019]圖11是特性曲線圖，示出在成核型磁體用作永磁體的情況下，外部磁場與磁場強度之間的關系；
[0020]圖12是特性曲線圖，示出在銷型磁體用作永磁體的情況下，外部磁場與磁場強度之間的關系；
[0021]圖13是特性曲線圖，示出在根據(jù)所示的實施例的旋轉電機中旋轉速度與用于各種磁化水平的扭矩之間的關系；
[0022]圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的旋轉電機的控制裝置的配置結構的框圖；以及
[0023]圖15是特性曲線圖，示出在根據(jù)所示的實施例的旋轉電機的控制裝置中保持磁化狀態(tài)的限制線。

【具體實施方式】
[0024]現(xiàn)在結合附圖解釋選定的實施例。根據(jù)本公開內容對于本領域技術人員明顯的是，實施例的下述描述僅提供用于說明而非用于限制由所附的權利要求以及其等價物限定的本發(fā)明。
[0025]首先參見圖1，圖示出根據(jù)一個例示性實施例的旋轉電機。所述旋轉電機具有多個由定子鐵芯2形成的槽1。所述旋轉電機包括環(huán)形定子3以及轉子6，此轉子位于所述定子3的內圓周側。所述旋轉電機與所述定子3同軸，如圖1所示?？諝忾g隙作為所述定子3與所述轉子6之間的間隙被形成。
[0026]所述定子3包括定子鐵芯2以及多個(例如，36個)齒51，所述齒由所述定子鐵芯2朝向內圓周側突出。相鄰齒51之間的空間形成所述槽1。定子繞組纏繞在所述齒51上。所述定子鐵芯2由例如疊層鋼片形成。
[0027]所述轉子6有轉子鐵芯5。所述轉子鐵芯5使用所謂的疊層鋼片結構形成為管狀，其中鋼片被層疊在一起，所述鋼片是有高磁導率的金屬。六個永磁體4沿著圓周方向設置在所述轉子鐵芯5的、與所述定子3相對的圓周部分。所述永磁體以等間隔設置以便相鄰的永磁體4具有彼此相反的極性。
[0028]間隙設置在轉子鐵芯5的相應部分，并且所述永磁體4配裝就位在這些間隙內。在本實施例中，幾何磁體中心7被定義為(1軸，而與所述(1軸成90°電角的位置8被定義為軸(在本實施例中使用3對磁極，并且因此，所述位置呈30。機械角度)。
[0029]圖2以及圖3是示出所述轉子6的主要組件的描述性視圖。所述轉子6的詳細配置將參照圖2以及圖3在下文中描述。相對于所述轉子6的外圓周部分的圓弧形成倒置弧形的內部磁間隙部分12形成在與之相鄰的永磁體4與永磁體如之間。“磁間隙部分”是由樹脂、空氣或者其他材料構成的區(qū)域，其相對磁導率接近于1。
[0030]外部磁間隙部分13，其外圍部分沿所述轉子6的外圓周部分的圓弧形成弧形，形成在所述內部磁間隙部分12的外周。所述內部磁間隙部分12與所述外部磁間隙部分13之間的空間是內側(1軸旁路10，而所述外部磁間隙部分13的外圓周部分是外側(1軸旁路11。所述內側(1軸旁路10形成倒置弧形，而所述外側(1軸旁路11形成圓弧形。
[0031〕 所述￠1軸磁路由穿過薄永磁體4的磁路9、磁路中不包括永磁體4的內側(1軸旁路10、以及外側(1軸旁路11形成。因此，(1軸磁阻由所述磁路9、內側(1軸旁路10以及外側(1軸旁路11確定。所述內部磁間隙部分12設置在所述磁路9與所述內側(1軸旁路10之間，而所述外部磁間隙部分13設置在所述內側(1軸旁路10與所述外側(1軸旁路11之間，并且因此所述磁路9與所述內側(1軸旁路10之間以及所述內側(1軸旁路10與所述外側(1軸旁路11之間的磁通的泄漏受到限制。
[0032]矯頑力小到足以允許由等于或者小于可由系統(tǒng)逆變器產生的電樞反作用力(￡11-11181:111-6 1-0801:1011)的磁場完全磁化的磁體用作放置在(1軸磁路中的磁路9上的永磁體4。具體而言，矯頑力大約為100到200“加的八1-附?0、&11-(?、^6-0-(?或者其他的磁性材料可被采用。然而，這些矯頑力根據(jù)逆變器系統(tǒng)以及磁路設計而不同。永磁體4的周向長度14設定為不超過所述轉子6中的單一磁極的周向長度15的50%，如圖3所示。例如，如在圖3中可見，沿轉子6的周向測量時，每個永磁體4的寬度不超過轉子6中的單一磁極的長度(對應于圖3的周向長度15)的50%。通過此結構，永磁體4布置成使得每個永磁體4具有大約為50%或者更小的比值，該比值為每個永磁體4的鏈接部分的周向長度相對于轉子6的圓周上的單一磁極的長度的比值。所述鏈接部分是這樣一個部分，其中每個永磁體4的磁通與所述定子3鏈接。
[0033]將影響軸磁阻的所述內部磁間隙部分12的徑向寬度17與所述外部磁間隙部分13的徑向寬度18相加所得到的值設置成大于每個永磁體4的徑向厚度16(即，永磁體在磁化方向上的尺寸)，此厚度等于在(1軸上的磁間隙。根據(jù)此配置，在根據(jù)本實施例的旋轉電機中，(1軸磁阻小于(1軸磁阻。換言之，(1軸電感1x1與(1軸電感4之間的關系被設置成
[0034]在根據(jù)本實施例的旋轉電機中，不采用高成本永磁體，例如高矯頑力永磁體以及厚永磁體。采用薄的、低矯頑力磁體以便允許使用定子繞組以及系統(tǒng)電源控制來重新磁化。在普通電機需要磁通減弱控制的高旋轉區(qū)域，磁力減小并且電壓受到限制。在需要低旋轉以及高扭矩的區(qū)域，執(zhí)行重新磁化，并且在磁體中獲得預期的磁通。
[0035]當在普通電機中使用低矯頑力磁體時，由于施加扭矩電流((1軸電流)時產生的電樞反作用力而導致退磁發(fā)生。為了解決這個問題，在本實施例中，所述磁間隙部分12以及13被設置于(1軸，從而(1軸磁阻增加，源自于(1軸電流以及相對于永磁體4是抗磁的磁場得以減小，所述極弧比被限制為50%或者更小，所述永磁體4僅設置于電樞反作用力比較小的部位，并且所述電樞反作用力的影響被減小。
[0036]結果，在軸施加時(在施加扭矩電流時)所述永磁體4的磁化狀態(tài)扭矩得以維持，即使在使用低矯頑力的永磁體4的情況下。這樣的情況有時會發(fā)生，其中在暫時需要大扭矩的情況下，大于額定電流的電流暫時流動，扭矩但在這種情況下，正的(1軸電流(沿增加磁化的方向)也進行流動，從而可以產生扭矩同時避免了所述永磁體4的退磁。要點是，根據(jù)本實施例的定子3設置外側(1軸旁路11以及寬于所述外側(1軸旁路的內側(1軸旁路10，并且內部磁間隙部分12以及外部磁間隙部分13被設置在(1軸磁路上，從而特性是
[0037]例如，文章“？1*111(311)168{{11(1111601*7 0？
1611101*7 10^01^3^(2151 166^111^ 0？七 116 1 = 8七 1 七11 七6 0？ 2160^1*10 211^111661*8 0？建議:在高載荷情況下，正的4軸電流流動并且磁化被維持，但是因為特性是當施加正的(1軸電流時，磁阻扭矩沿與磁體扭矩相反的方向產生，并且最大扭矩被減小。
[0038]在本實施例中，特性呈現(xiàn)為1x1〉！^，與上述文章相反，并且因此可以獲得與磁體扭矩方向相同的磁阻扭矩，并且組合扭矩得以增加。正的磁阻扭矩能夠被獲得，同時保持所述永磁體4的磁化，并且因此導致電機的效率增加。
[0039]換言之，在操作期間改變磁力的電機中特性是1^〈1^的情況下，為了有效的利用磁體扭矩以及磁阻扭矩，矯頑力必須設置得比較高以便低矯頑力的永磁體4即使在施加負的(1軸電流時也不退磁，這意味著控制磁化以及退磁所需的電流更大，并且能量損失增加。
[0040]相反，在根據(jù)本實施例的旋轉電機中，所述關系呈現(xiàn)為1(11(1,并且因此獲得沿增加磁化方向比正的(1軸電流更積極的磁阻扭矩，所述永磁體4可以具有低矯頑力，并且對于磁化以及退磁所需的電流容量也可以低。換言之，不需使用價格昂貴的材料，并且能夠獲得穩(wěn)定的特性。
[0041]因此，在根據(jù)本實施例的旋轉電機中，(1軸磁阻增加，獲得1(1)1(1的特性，并且所述永磁體4的周向比(極弧比)是50%或者更小，從而成本降低，并且在磁體是容易獲得的低矯頑力磁體時，磁化也能夠在驅動狀態(tài)下被保持。
[0042]當弱磁場操作在普通永磁電機中用于高旋轉區(qū)域時，不容易提供穩(wěn)定的功效并且有高矯頑力的或者其他貴重材料被使用，使得永磁體4不被退磁。然而，在本實施例中，所述永磁體能夠被重新磁化，并且因此有低矯頑力的永磁體4能夠被使用。
[0043]，在暫時需要等于或者大于額定電流的扭矩的操作點，所述電樞反作用力相對于所述永磁體4增加，但滯后相位電流控制(在增加磁化的方向)被執(zhí)行，從而磁化能夠被維持，并且由于1(1)1(1的特性，正的磁阻扭矩被獲得，并且因此與傳統(tǒng)的可變磁動勢電機相比，在高負載期間效率得以提高。
[0044]下文將描述由所述旋轉電機產生的磁通。圖4是描述性圖，示出在沒有施加電流的無載荷狀態(tài)下所產生的磁通流。如圖4所示，從所述永磁體4輸出的磁通被分為:磁通19，其朝著所述定子3流動并且與定子繞組(在圖中未示出)鏈接；以及磁通20，穿過內側(1軸旁路10泄漏至相鄰磁體，相鄰磁體位于左側以及右側并且有不同極性。換言之，在無載荷狀態(tài)下所述轉子6進行旋轉的情況下，與不發(fā)生泄漏的情況(不設置內側(1軸旁路10的情況)相比，與所述定子3鏈接的磁通少，并且因此在所述定子3內發(fā)生的鐵芯損耗減小。
[0045]圖5是描述性圖，示出(1軸電流流向定子繞組時的磁通流。如圖5所示，由于電樞反作用力22，從永磁體4輸出的磁通21從定子3朝向旋轉方向23傾斜。所述電樞反作用力22沿著阻礙磁體中的磁通向內側(1軸旁路10泄漏的方向發(fā)揮作用。流過連接至所述外偵4軸旁路11以及所述內側(1軸旁路10的旁路匯集部1111?) 24的磁通的量隨著(1軸電流增加而減小。
[0046]圖6是示出(1軸電流值與定子繞組的鏈接磁通之間的關系的特性圖。水平軸示出(1軸電流、⑷，而垂直軸示出鏈接磁通叫(^恥)。
[0047]當在本實施例中比較無載荷情況下以及額定載荷情況下的鏈接磁通時，可以發(fā)現(xiàn)通過施加(1軸電流能夠實現(xiàn)磁通30%的受控改變。換言之，在不需要大扭矩的低載荷區(qū)域，所述永磁體4的磁通是被自動限制的，并且定子鐵芯損耗減小。在需要大扭矩的高載荷區(qū)域，所施加的(1軸電流以及泄漏到內側(1軸旁路10的磁通受到限制，并且結果是與所述定子3鏈接的磁通增加，并且因此所需的扭矩能夠被獲得。永磁體4的磁化的狀態(tài)此時不改變，并且因此僅通過控制(1軸電流I。，磁體中的磁通的鏈接的量能夠變化大約30%。雖然磁體中的磁通的鏈接的量能夠變化大約30%，但根據(jù)本公開明顯的是，如果需要或者希望的話，磁體中的磁通的鏈接的量能夠變化大約10%或更大。
[0048]從機械強度方面來看，在所述內側(1軸旁路10以及所述外側(1軸旁路11中產生的離心力由在兩端的旁路匯集部24支撐。然而，所述旁路匯集部24被設置為具有較大的寬度以便在無載荷期間引起一定量的磁通泄漏，并且因此機械強度也得以提高。
[0049]本實施例中，在無載荷期間以及在低需求扭矩以及低載荷電流的區(qū)域中，磁體的磁通通過內側(1軸旁路10泄漏，并且因此與所述定子3鏈接的磁通減小。因此，鐵芯損耗減小，并且效率提尚。
[0050]所述外側(1軸旁路11被設置在所述轉子6的空氣間隙的附近，并且因此，隨著載荷電流的增加，旁路匯集部24中的抗磁場增加，泄漏到(1軸旁路10和11的磁體的磁通的量減少，并且與所述定子3鏈接的磁通增加。因此，在高扭矩旋轉期間，足夠量的磁體的磁通被獲得。支撐作用于(1軸旁路10和11的離心力所需的強度也得以獲得。
[0051]如圖7所示，在本實施例的兩個(1軸旁路10和11中，所述外側(1軸旁路11沿所述轉子的外形的圓弧形狀25設置，而所述內側(1軸旁路10沿(1軸磁通線形狀26設置，此(1軸磁通線形狀相對于所述轉子的外形的圓弧基本上是倒弧形。如上述描述，內側(1軸旁路10用作用于控制所述永磁體4的磁通的量的泄漏路徑并且用以減小(1軸磁阻。另一方面，被布置在所述轉子的前表面的外側(1軸旁路11影響扭矩脈動性能以及凸極比檢測式無傳感器控制的特性。
[0052]從定子3觀察時，轉子6上的(1軸與軸之間的磁導差異當外側(1軸旁路11的寬度增加時減小，并且因此使用此差異來估測磁極的位置的無傳感器控制中的估測精度減小。因此，從提高磁極位置的估測精度觀點來看，使所述外側(1軸旁路11的寬度盡可能的小是優(yōu)選的。另一方面，從減小扭矩脈動的觀點來看，減小磁導脈動是有效的，并且因此確保給定的旁路寬度是有用的。在根據(jù)本實施例的旋轉電機的定子3中，所述寬度是這樣的，使得減小的扭矩脈動以及用于無傳感器控制的所需估測精度均得以獲得。
[0053]因此，所述外側(1軸旁路11被設置在根據(jù)本實施例的旋轉電機中，從而空氣間隙部分處的磁通的波動能夠被平滑，并且扭矩脈動能夠減小同時確保1x1〉！^的特性。減小所述外側(1軸旁路11的寬度允許檢測轉子6的凸極性的類型的無傳感器控制的性能降低受到限制，并且設置所述內側(1軸旁路10確保了 1x01(1的特性以及磁體的磁通的泄漏特性。
[0054]在本實施例中，外部磁間隙部分13設置在轉子6的外側(1軸旁路11與內側(1軸旁路10之間的空間，而內部磁間隙12被設置在內側(1軸旁路10與永磁體4之間的空間，如圖7所示。這樣的位置設置允許每個磁回路形成獨立的磁路。如果假設用于連接磁路的區(qū)域如圖8中附圖標記27和28示出的那樣進行設置，其中永磁體4的磁通從磁體的前表面折轉穿過區(qū)域27、28到達磁體的后表面的泄漏磁通29將增加。所述泄漏磁通29不能夠使用(1軸電流進行控制，并且因此磁通很容易損失。本實施例的配置結構使得(1軸旁路10和11以及磁路9僅在所述轉子6的表面附近連接，并且因此，此種損失得以限制。
[0055]因此，大的外部磁間隙部分13出現(xiàn)在所述外側(1軸旁路11與形成倒弧形的內側(1軸旁路10之間，并且因此來自定子3的磁通不干擾包括永磁體4的(1軸磁路。從而能夠防止電樞反作用力影響磁化狀態(tài)。由磁性材料引起的磁回路沒有出現(xiàn)在穿過永磁體4的磁路9和與這些磁路相鄰的(1軸旁路10和11之間，并且因此從磁體的前表面折轉至同一磁體后表面的泄漏磁通的量能夠受到限制。
[0056]如圖9所示，在本實施例中，形成在定子鐵芯2上的齒51的寬度八與齒的遠端部的寬度8的比值II ( = ^/8)被設置在0.7彡II彡1.0的范圍內。此種結構允許磁場強度的減小受到限制，即使在定子鐵芯2是磁飽和的情況下。
[0057]換言之，在形成在定子鐵芯2上的齒51的第一齒寬4與齒51的遠端部分的第二齒寬8的比值II ( = ^/8)是1的情況下(當齒51的的寬度從基底到遠端為恒定時)，齒51上的磁通的密度分布基本上不變。配設定子繞組的部分中的磁通的密度相應于比值II的減小而增加。顯著的問題不出現(xiàn)在其中磁通密度不是特別大的旋轉電機中，但在根據(jù)本實施例的旋轉電機中需要注意，根據(jù)本實施例的旋轉電機的情況是:在操作期間，定子繞組用于磁化以及退磁。
[0058]尤其是，在磁化過程中，磁場必須予以施加直到在磁體內部形成永久磁場，但是定子鐵芯2的磁導率相應于定子鐵芯2的磁飽和而減小，并且因此預期的磁場強度不能獲得。因此當在本實施例中使用定子繞組來磁化以及退磁永磁體4時，比值II被設置在0.7 ^ II ^ 1.0的范圍內，從而磁場強度的減小受到限制。
[0059]在傳統(tǒng)磁鐵中，在電流穿過定子繞組以及執(zhí)行磁化的情況下，必須施加大于通常額定電流的磁化場，并且因此配設繞組的部分容易飽和，此部分是所述齒51最窄的部分。當這些部分飽和時，磁導率減小，并且因此不能獲得用于磁化所需的磁場，即使在施加大電流時。在這樣的條件下，即齒51的遠端部分的寬度大于配設繞組的部分，被齒51的遠端捕獲的磁通的量增加，并且配設繞組部分的飽和變得更加明顯。在本實施例中，比值II被設置成0.75 II ? 1.0之間，從而所述齒51的磁飽和減少，并且所需的磁化場能夠更容易的獲得。
[0060]使用下文描述的方法確定本實施例中永磁體4的厚度以及矯頑力。具體而言，當纏繞在所述定子鐵芯2的齒51上的定子繞組以及電源的最大電流值I的規(guī)格被確定時，使用這些條件確定執(zhí)行磁化以及退磁所需的永磁體4的厚度以及矯頑力。
[0061]圖10是特性圖，示出所述永磁體4的厚度與永磁體4的矯頑力之間的關系。永磁體4的最小所需矯頑力以及厚度必須是這樣的:無載荷旋轉期間在脈動磁導中不發(fā)生退磁。所需的條件是在圖10示出的圖表中由附圖標記30表示的曲線下方的那些。由附圖標記30表示的曲線可由基于所述永磁體4的矯頑力以及磁體厚度(飽(臟))的下述方程(1)給出。
[0062]= -(1.05^)^+33.8^-359(1)
[0063]對于永磁體4的最大允許矯頑力以及厚度的要求由圖表中附圖標記31表示的曲線上方的條件給出。由附圖標記31表示的曲線可由下述方程(2)給出。
[0064]= (-243/^)-17(2)
[0065]因此，所述永磁體4的矯頑力(此』)與磁體厚度(飽)之間的關系優(yōu)選地設定在由下述方程(3)給出的范圍內。
[0066]-(1.05^111)^+33.8氺飽-359〈此』〈(-243/飽)-17(3)
[0067]顯然的是，等式3邊界以外的設計也是可能的，但是在這種情況下需要更大的電流源，其導致成本增加。
[0068]如果定子上的線圈匝數(shù)的數(shù)量以及電流容量不受限制，那么不管所述永磁體4的矯頑力以及磁體厚度如何，磁化狀態(tài)使用定子電流基本上都可以控制。然而，在偏離由等式
(3)給出的范圍情況下，需要極大的電流用于磁化，并且在載荷情況下保持磁化變得困難。在本實施例中，所述永磁體4的頑磁性與厚度16之間的關系滿足等式(3)，從而逆變器容量能夠被防止變得不必要的大。
[0069]本實施例的配置是這樣的，銷型磁體(1)11111111847156以及非成核型磁體用作永磁體4。圖11是特性圖，示出相應于成核型磁體(1111016211:1011-1:71)6胍即的)的外部磁場與磁場強度之間的關系。如圖11所示，在成核型磁體中用于完全磁化所需的磁場強度32大于矯頑力33，并且導致需要大的磁化電流。另一方面，圖12是特性圖，示出相應于銷型磁體的外部磁場與磁場強度之間的關系。如圖12所示，在銷型磁體中用于完全磁化所需的磁場強度34處于與矯頑力35基本相同的低量值。局部磁滯回路特性也接近于線性，并且因此磁化狀態(tài)能夠容易地控制。
[0070]流動以對永磁體4進行磁化以及使之退磁的電流不同于產生扭矩的電流，并且從限制伴隨磁化以及退磁的能量損耗的觀點來看，所述電流應該盡可能短時間地流動(應該使電流以脈沖形式流動)。然而，當使電流以脈沖的形式流動時，在永磁體4中產生阻礙獲得的磁化場的渦流。磁化以及退磁性能被阻礙，并且磁化分布也會變得不規(guī)則。需要更大的電流以克服這些反應并且執(zhí)行磁化以及退磁，導致成本增加。
[0071]因此，使用拼合磁體是更優(yōu)選的以便解決這些問題并減小由于用于磁化以及退磁的脈沖電流引起的永磁體內的渦流損耗。例如，使用其中絕緣粘合劑被用于粘合磁性粉末的粘合磁體(13011(1也是有效的。
[0072]因此，應該采用具有改變磁化狀態(tài)所需的強度的磁場，但是磁化電流對機械輸出沒有幫助并且導致?lián)p失，并且因此電流流動的期間應該盡可能的短。另一方面，當電流流動時間被縮短時，在所述永磁體4中產生的渦流阻礙磁化場。因此，磁化是不足的，并且隨區(qū)域而定，磁化狀態(tài)可能是不規(guī)則的。因此，將永磁體4分體或者通過粘合增加磁阻能夠限制磁體內渦流的產生并且使磁體容易磁化以及退磁。能量消耗也能夠被限制。
[0073]在本實施例中定子繞組中的線圈匝數(shù)被如此設定，使得在設置于所述轉子6的永磁體4被完全磁化并且不執(zhí)行弱磁場控制的情況下，，在系統(tǒng)的目標轉速下的感應電壓超過系統(tǒng)的IX:電壓。
[0074]圖13是特性圖，示出當磁化水平是100%、80%、60%、40%以及20%時，旋轉速度與扭矩之間的關系。如圖13所示，在系統(tǒng)的目標轉速是由附圖標記36示出的那種的情況下，當永磁體處于100%的磁化狀態(tài)時，由于感應電壓超過系統(tǒng)電壓，所需的扭矩不能夠產生。
[0075]然而，在其中磁力能夠改變的本實施例的旋轉電機中，在100%磁力時，允許輸出高達目標轉速36的設計導致在低轉速區(qū)域中扭矩的減小。為了提高在低轉速區(qū)域中的扭矩，優(yōu)選的設計是這樣的，至少當處于或者低于目標轉速(附圖標記37)時，感應電壓超過系統(tǒng)的％電壓。如圖13所示，在這種情況下，系統(tǒng)能夠被驅動同時改變磁化水平，從而低速扭矩以及高速旋轉均能夠獲得，并且輸出的范圍可以增加。
[0076]因此，當線圈匝數(shù)如此設定使得在完全磁化狀態(tài)下在高旋轉區(qū)域感應電壓不超過系統(tǒng)的％電壓時，低旋轉區(qū)域中的最大扭矩受到限制。線圈匝數(shù)在磁化狀態(tài)能夠被改變的假設下予以設定，從而，低速以及高速旋轉時的大扭矩均能夠獲得。
[0077]接下來將描述一種用于本發(fā)明的旋轉電機的控制裝置。圖14是所述控制裝置的框圖。如圖14所示，當接收到如軸指令值1扣、1妒時，計算這些指令值與如軸電流值1(1、1(1之間的偏差，并且所計算的偏差被提供至？1-?電流控制器52。所述偏差被？1-?電流控制器52矯正。在？1-如電流控制器52中，基于矯正的偏差計算如軸電壓指令值乂扣、
[0078]基于1(1指令值指令值1妒以及電角速度^，解I禹控制部件61確定如軸干擾電壓指令值VI以及，并且把結果加至如軸電壓指令值乂扣^妒，從而矯正的如軸電壓指令值VI VI被確定并且被輸出至(1(1-3-相轉換部件53。
[0079]基于如軸電壓指令值VI VI以及電機的轉子相角0，所述(1(1-3-相轉換部件53計算3-相電壓指令值VI1、XV、VI基于逆變器56的IX:電壓VI，由調制因數(shù)計算部件54確定調制因數(shù)皿1、蕭、麗。
[0080]三角波比較部件55將所述調制因數(shù)皿1、蕭、麗與三角波比較，從而產生？麗信號。所述？麗信號被輸出至所述逆變器56。基于所述？麗信號，逆變器56控制包括上臂以及下臂的開關電路(在圖中未示出)，從而三相交流電流信號由直流電壓產生并且被輸出至電機1。其中應用了根據(jù)本實施例的旋轉電機的電機1從而能夠被驅動以進行旋轉。
[0081]電流傳感器57設置于逆變器56的輸出的I相以及I相。電流傳感器57檢測的電流111以及?被提供至3相(1(1轉換部件58。分解器或者其他的旋轉角傳感器60被設置于電機1，并且其輸出信號被提供至相位速度計算部件59。在所述相位速度計算部件59中，電機1的相位角9被確定并且被輸出至3相如轉換部件58以及(1(13相轉換部件53。所述電機1的旋轉速度0被計算，并且所計算的旋轉速度0被輸出至磁通觀測器40。
[0082]基于從逆變器56輸出的[相、V相以及評相電流111、IV以及“以及電機1的相角9，所述3相如轉換部件58計算如軸電流值1(1、1(1。此計算的結果被提供至磁通觀測器40并且用于計算如軸指令值1抽和1妒的偏差。
[0083]基于由3相如轉換部件58確定的如軸電流值1(1和1(1以及由相位速度計算部件59確定的電機1的旋轉速度0，所述磁通觀測器40計算磁化水平，并且將所計算的磁化水平^^輸出至磁化保持控制部件41。所述磁化水平是與定子鏈接的磁體的磁通的總和。更具體地，所述磁通觀測器40基于如軸電流值1(1、4以及旋轉速度0，利用包括發(fā)動機參數(shù)的預先獲得的電機電壓方程式，計算磁化水平這是用于預測磁體溫度的傳統(tǒng)的公知技術(例如，參見2004-201425-八號日本未審查專利公開)。
[0084]基于扭矩指令值I#以及由磁通觀測器40輸出的磁化水平，磁化保持控制部件41輸出如軸指令值1扣、1妒的組合以產生目標扭矩，如下文所解釋的。根據(jù)本實施例的旋轉電機使用低矯頑力永磁體4，并且因此配置是這樣的，這些磁體的磁化狀態(tài)根據(jù)操作點的需要被改變。如果允許磁化狀態(tài)被保持的限制條件在這種情況下不是不斷地確定，磁力(1112181161:10意外的改變將會發(fā)生，并且控制將不穩(wěn)定。
[0085]因此，除了傳統(tǒng)使用的電流矢量控制塊之外，磁通觀測器40以及磁化保持控制部件41也被設置在根據(jù)本實施例的旋轉電機的控制裝置中。所述磁通觀測器40基于由電流傳感器57檢測的如軸電流值1(1和4、電機1的旋轉速度0以及電機1的參數(shù)估測磁體的磁通。基于磁體的磁通，所述磁化保持控制部件41控制如軸電流值以便磁化狀態(tài)能夠被保持。從而磁體的磁化狀態(tài)能夠被防止由于所需的驅動條件而意外地變化，并且能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。圖14中示出的磁化保持控制部件41根據(jù)由1(1-4平面中的線性表達式X 1(1+0 (￠3)表示的控制定律運作的功能，如圖15所示。
[0086]在例如磁化水平等于100%的情況下，軸電流匕被控制以便不超過磁化保持限制線42。在= 20%的情況下，1(1被控制以便不超過磁化保持限制線43?；旧?，當磁化水平$￡1低時，所述磁化保持限制線在向上的方向上移動。
[0087]因此，磁化狀態(tài)的限制線能夠簡單地控制。在其中操作點改變很大的使用條件下，磁化狀態(tài)的改變能夠在任何條件下予以控制而不需復雜的計算。
[0088]在本實施例中描述了有6個磁極的旋轉電機，但是對于不同數(shù)量的磁極，旋轉電機也能夠采用相同的方式加以應用。
[0089]因此，雖然僅只選定的實施例被選擇用于說明本發(fā)明，根據(jù)本公開內容對于本領域的技術人員顯而易見的是，在不偏離由所附權利要求書限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種改變以及修改。不需要所有的優(yōu)點同時存在于一特定的實施例中。有別于現(xiàn)有技術的每個獨特特征，無論是單獨或者與其他特征的組合，也應認為是 申請人:的進一步發(fā)明的單獨說明，包括由此類特征體現(xiàn)的結構和/或功能概念。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例的上述描述僅用于說明，而非用于限制由所附權利要求書以及其等價物限定的本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種可變磁動勢旋轉電機，包括: 環(huán)形定子，該環(huán)形定子包括繞在多個齒上的定子繞組；以及 呈圓形形狀的轉子，該轉子與所述定子同心，并且所述轉子包括至少一個布置在d軸磁路上的永磁體， 所述轉子包括磁間隙部分，位于布置在一磁極的所述d軸磁路上的所述至少一個永磁體與具有不同極性的相鄰磁體之間，使得d軸磁通形成穿過所述至少一個永磁體以外的區(qū)域的d軸旁路，并且所述d軸旁路提供沿d軸方向的磁阻，該磁阻設定得低于沿與所述d軸磁阻垂直的q軸方向的磁阻； 所述至少一個永磁體具有提供用于由等于或者小于供電逆變器產生的電樞反作用力的磁場完全磁化的矯頑力，并且所述至少一個永磁體具有取值為50%或者更小的、所述至少一個永磁體的周向長度相對于所述轉子圓周上的單一磁極的長度的比值；以及 所述磁間隙部分布置在q軸磁路上，所述磁間隙部分在所述q軸磁路方向上的徑向寬度大于所述至少一個永磁體在磁化方向的尺寸。
2.根據(jù)權利要求1所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述d軸旁路在于所述轉子與所述定子之間限定環(huán)形間隙的空氣間隙附近連接至所述d軸磁路，使得在電流不施加至所述定子繞組的無載荷狀態(tài)，所述至少一個永磁體的10%或者更多的磁通通過所述d軸旁路泄漏至具有不同極性的所述相鄰磁體。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述d軸旁路由兩個旁路形成，包括: 沿所述轉子的外形的圓形設置的圓形d軸旁路；以及 倒置弧形d軸旁路，沿d軸磁通線的形狀設置以便具有沿相對于所述轉子的外形的弧形倒置的方向彎曲的弧形形狀。
4.根據(jù)權利要求3所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述倒置弧形d軸旁路比所述圓形d軸旁路寬。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述圓形d軸旁路以及倒置弧形d軸旁路均形成由所述磁間隙部分相互分隔開的獨立的磁路；以及 在各d軸旁路中，與穿過所述至少一個永磁體的所述d軸磁路相鄰的d軸旁路，除了在所述轉子的前表面上的連接部分處之外，與穿過所述至少一個永磁體的所述d軸磁路磁性分隔開。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述定子的齒的結構構作成使得比值n (n = Α/Β)滿足關系0.7彡η彡1.0，式中，A表示用于卷繞定子繞組的構成主要磁路的第一齒部的寬度，而B表示與所述轉子相鄰的第二齒部的寬度。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述至少一個永磁體的矯頑力(Hcj(kA/m))與所述至少一個永磁體的厚度(tm(mm))之間的關系設定在由下式給出的范圍內:
-(1.05*tm)2+33.8*tm-359〈Hcj〈(-243/tm)-17 ;以及 用于磁化所需的最大電流幅值是21或者更小，并且用于退磁所需的最大電流幅值是0.51或者更小，其中I是當沒有執(zhí)行角度超前控制時在磁化狀態(tài)不改變的情況下用于電流流動的最大電流值。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述至少一個永磁體包括銷型磁體的特性。
9.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述至少一個永磁體是拼合磁體或者粘合磁體，所述拼合磁體具有層疊設置并通過絕緣層接合的至少兩個或者更多的磁體段，所述粘合磁體具有粘合磁性粉末的絕緣材料。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的可變磁動勢旋轉電機，其中 所述定子繞組的線圈匝數(shù)如此設定，使得在所述轉子的至少一個永磁體被完全磁化并且執(zhí)行磁通弱化控制以外的控制的情況下，在系統(tǒng)的目標旋轉速度下的感應電壓超過所述系統(tǒng)的DC電壓。
11.一種用于控制根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的可變磁動勢旋轉電機的控制裝置，所述控制裝置包括: 磁通觀測器，用以基于提供至所述旋轉電機的電壓值或者電流值來估測所述至少一個永磁體的磁化狀態(tài)； 磁化保持控制部件，用以基于有關磁化狀態(tài)的信息以及預先設定的參數(shù)來矯正dq軸電流指令值與dq軸電流值之間的偏差； 電壓指令值產生部件，用以基于由所述磁化保持控制部件矯正的偏差來產生電壓指令值； 逆變器，用以基于PWM信號來驅動所述旋轉電機，所述PWM信號基于所述電壓指令值產生；以及 電流傳感器，用以測量由所述逆變器輸出的電流值。
12.根據(jù)權利要求11所述的可變磁動勢旋轉電機的控制裝置，其中 所述磁化保持控制部件基于下列公式矯正q軸電流Iq:1q< α X Id+β ( Φ a)，式中，Id代表d軸電流，而α和β代表磁化水平Wa的的函數(shù)。
【文檔編號】H02K1/27GK104488171SQ201280074258
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2012年6月26日 優(yōu)先權日:2012年6月26日
【發(fā)明者】加藤崇, 羅伯特.洛倫茨, 納提.利姆斯萬 申請人:日產自動車株式會社, 威斯康星校友研究基金會