[发明专利]可变磁通驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及具备具有可变磁铁的可变磁通电动机和驱动该可变磁通 电动机的变换器(inverter)的可变磁通驱动系统。

背景技术

代替现有的感应电动机(IM电动机)，还能够期待高效率、小型化 和低噪音化的永磁铁同步电动机(PM电动机)开始普及。例如，利用 PM电动机作为面向铁路车辆、电动汽车的驱动电动机。

IM电动机通过来自定子的励磁电流作出磁通自身，因此有因流过 励磁电流而产生损失的技术问题点。

另一方面，PM电动机是在转子上具备永磁铁，利用其磁通而输出 转矩的电动机，因此没有这样的IM电动机所具有的问题。但是，PM 电动机由于其永磁铁，而产生与转数对应的感应电压(逆启电压)。在 铁路车辆、汽车等旋转范围广的应用领域中，由于在最高转数时产生的 感应电压，对PM电动机进行驱动控制的变换器不(由于过电压)破坏 成为了条件。为了满足该条件，需要变换器的耐压充分高、或者相反必 须限制电动机所具备的永磁铁的磁通。前者也对电源侧有影响，大多选 择后者。如果将该情况下的磁通量与IM电动机的磁通量(在IM电动 机的情况下，通过励磁电流作出的间隙磁通量)比较，则也有成为1∶3 左右的情况。在该情况下，为了产生相同的转矩，在磁通量小的PM电 动机中，需要流过大的(转矩)电流。因此，在低速区域中，在IM电 动机和PM电动机中对输出同一转矩的电流进行比较的情况下，PM电 动机需要流过更大的电流。

因此，与IM电动机相比，驱动PM电动机的变换器的电流容量增 加。进而，由于一般在低速时，变换器内的开关元件的开关频率高，产 生的损失依存于电流值而增大，所以在PM电动机中在低速时会产生大 的损失和发热。

电车等也有期待通过走行风进行冷却的情况，如果在低速时产生大 的损失，则必须提高冷却能力，因此变换器装置变得大型化。另外，相 反，在感应电压高的情况下，进行弱磁场控制，但这时，由于重叠励磁 电流，从而效率低下。

这样，PM电动机具有因内置磁铁而产生的优点和缺点。作为电动 机，其优点大，也有降低损失和小型化的方面，但另一方面，在电车、 电动汽车等可变速控制的情况下，与现有的IM电动机相比，也存在效 率低的动作点。另外，对于变换器，电流容量增大，损失也增大，因此 装置大小变大。对于系统的效率自身，电动机侧成为支配性的，因此通 过适用PM电动机，综合效率改善，但另一方面，变换器的大小增加成 为系统的缺点，是不理想的。

在专利文献1中，记载了在低输出运转和高输出运转的任意一个 中，都使电动机和变换器高效率地运转，提高系统效率的电动汽车驱动 用交流电动机。该电动汽车驱动用交流电动机通过嵌入到励磁磁极中的 永磁铁所产生的磁通、根据需要由励磁线圈产生的磁通，作出励磁磁 通，与电动机输出对应地，将励磁磁通产生源切换到只有永磁铁、以及 永磁铁与励磁线圈双方，并且经由旋转变压器供给励磁电流。

因此，该电动汽车驱动用交流电动机与电动机输出对应地，例如在 低输出时可以只进行永磁铁的运转，因此提高了运转效率。另外，由于 可以提高电动机的低速区域中的电动机电压，所以能够降低电流，能够 减小电动机绕组的铜损失和变换器的产生损失而提高系统效率。特别 地，对于大多在低、中速度区域中运转的电动汽车来说，该效果大，能 够提高电流利用效率，延长一次充电的行驶距离。

进而，该电动汽车驱动用交流电动机不使永磁铁减磁，因此变换器 的控制变得简单，并且不产生异常过电压，能够谋求机器的保护。另 外，通过使旋转变压器进行高频动作，能够小型化，能够谋求电动机和 系统全体的小型轻量化。

专利文献1：特开平5-304752号公报

图25是表示永磁铁磁阻电动机驱动系统的一个例子的模块结构 图。该系统包括平滑电容器102、直流电源3、将直流电力变换为交流 电力的变换器4、由该变换器4的交流电力驱动的永磁铁磁阻电动机 1a。变换器4将来自直流电源3的直流电力变换为交流电力，供给永磁 铁磁阻电动机1a。

永磁铁磁阻电动机1a比感应电动机效率高，另外，具有小型且高 输出的优点。进而，能够进行广范围的可变速运转，因此永磁铁磁阻电 动机广泛地用于电动汽车、混合汽车中。