CN114514693A

CN114514693A - 开关磁阻马达及其控制方法

Info

Publication number: CN114514693A
Application number: CN202080070801.9A
Authority: CN
Inventors: 中村武恒; F·库库克
Original assignee: Kyoto University
Current assignee: Kyoto University
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-05-17
Also published as: JPWO2021070926A1; WO2021070926A1; EP4044423A1; EP4044423A4; US20230253903A1

Abstract

在开关磁阻马达(10)中，马达主体(30)包括具有多个转子凸极的转子(35)、具有多个定子凸极的定子(31)、缠绕于各相的定子凸极的各相的驱动绕组以及配置于定子磁轭的永久磁铁(40、41)。驱动电路(20)为了旋转驱动转子(35)而将驱动电流输出到各相的驱动绕组。脉冲电流输出电路(21)将时间比向各相的驱动绕组施加驱动电流的施加时间短的脉冲电流与驱动电流重叠地输出。

Description

开关磁阻马达及其控制方法

技术领域

本公开涉及开关磁阻马达及其控制方法。

背景技术

已知为了实现开关磁阻马达的功率因数以及效率的改善，除了设置于定子凸极的驱动绕组之外，还将永久磁铁设置于定子磁轭的手法。

例如，根据专利文献1(日本特开2018-174649号公报)所公开的手法，永久磁铁作为励磁单元发挥功能，经由磁路对定子凸极施加磁力。通过对永久磁铁所产生的磁通加上或者减去驱动绕组的电流所产生的磁通而进行吸引转子凸极的定子凸极的切换。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-174649号公报

发明内容

在上述文献的开关磁阻马达中，一般认为在转速以及负载转矩分别是某个所决定的值的情况下，能够通过选择与该值相应的磁力的永久磁铁来提高功率因数以及效率。然而，不清楚在转速以及负载转矩的值分别在宽的范围变化的情况下应如何使功率因数以及效率最佳化。

通常，马达所使用的磁铁是钕磁铁。钕磁铁的保持力高，所以在通常的使用状态下其磁力几乎不变化。因而，在将钕磁铁应用于上述结构的开关磁阻马达的情况下，只能在窄的动作范围使马达的功率因数以及效率最佳化。

本公开是考虑上述问题点而完成的。本公开的目的在于提供能够以对于宽的转速的范围以及宽的负载转矩的范围最佳的功率因数以及效率运转的开关磁阻马达。

一个实施方式的开关磁阻马达具备马达主体、驱动电路以及脉冲电流输出电路。马达主体包括具有多个转子凸极的转子、具有多个定子凸极和永久磁铁的定子以及缠绕于各相的定子凸极的各相的驱动绕组。驱动电路为了旋转驱动转子而将驱动电流输出到各相的驱动绕组。脉冲电流输出电路将时间比向各相的驱动绕组施加驱动电流的施加时间短的脉冲电流输出到任意一个相的驱动绕组。

根据上述实施方式，能够通过脉冲电流的施加使永久磁铁的残留磁通密度变化，所以能够提供能够以对于宽的转速的范围以及宽的负载转矩的范围最佳的功率因数以及效率运转的开关磁阻马达。

附图说明

图1是示出第1实施方式的开关磁阻马达的结构的一个例子的框图。

图2是用对称面截断图1的马达主体的情况下的剖面立体图。

图3是示出各种磁铁的B-H曲线的图。

图4是示出各半导体开关元件的开闭定时以及脉冲电流输出电路的输出定时的定时图。

图5是示出负载转矩、马达速度、各相的施加电流以及马达转矩的时间变化的图。

图6是在图5的例子中在B-H图上示出永久磁铁的磁化状态的变化的图。

图7是示出其它仿真例中各相的施加电流、永久磁铁的磁通密度、马达转矩的时间变化的图。

图8是示出第2实施方式的开关磁阻马达的结构的一个例子的框图。

图9是示出图1的开关磁阻马达中各半导体开关元件的开闭定时以及脉冲电流输出电路的输出定时的定时图。

图10是用于说明向设置于定子的永久磁铁的磁化的图。

图11是示出其它实施方式中的负载转矩、马达转矩以及各相的施加电流的时间变化的图。

(符号说明)

10：开关磁阻马达；20：驱动电路；21：脉冲电流输出电路；22：直流电源；30：马达主体；31：定子；32：定子凸极；33：定子磁轭；35：转子；36：转子凸极；38：驱动绕组；38a：A相绕组；38b：B相绕组；38c：C相绕组；40、41：永久磁铁；50：控制电路；D1～D6：二极管；Hc：外部磁场；N1～N6：连接节点；NN：负侧节点；NP：正侧节点；S1～S6：半导体开关元件；SW1：开关。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明各实施方式。以下，将具有6极的定子和4极的转子的所谓的6-4构造的开关磁阻马达举为例子而进行说明。但是，本公开的技术还能够应用于该构造以外的开关磁阻马达。此外，在以下的说明中，有时对相同或者相当的部分附加相同的参照符号，不重复其说明。

<第1实施方式>

[装置结构]

图1是示出第1实施方式的开关磁阻马达的结构的一个例子的框图。图2是用对称面截断图1的马达主体的情况下的剖面立体图。以下，参照图1以及图2，说明本实施方式的开关磁阻马达10的结构例。

开关磁阻马达10具备马达主体30、驱动电路20以及控制电路50。驱动电路20输出用于驱动马达主体30的励磁电流。控制电路50控制驱动电路20的动作。

(马达主体)

如图1以及图2所示，马达主体30包括绕旋转轴旋转的转子35、以包围转子35的方式配置的定子31以及驱动绕组38(38a、38b、38c)。

在所谓的6-4构造的情况下，转子35每隔90度而具备向定子31突出的4个转子凸极36。定子31具备环状的定子磁轭33、每隔60度而从定子磁轭33向转子35突出的6个定子凸极32。在对置的1对定子凸极32上缠绕有对应的相的驱动绕组38(A相绕组38a、B相绕组38b或者C相绕组38c)。

进而，马达主体30具备设置于定子磁轭33的1对永久磁铁40、41。在图1以及图2的情况下，永久磁铁40、41设置于从A相用的定子凸极32偏离90度的位置、即相互邻接的B相用的定子凸极32与C相用的定子凸极32的中间位置。永久磁铁40、41分别以夹持于定子磁轭33的第1部分与第2部分之间的方式配置。因而，定子磁轭33内的磁路通过永久磁铁40、41。

作为永久磁铁40、41，适合地使用铝镍钴(AlNiCo)磁铁以及铁铬钴磁铁等磁铁。这些磁铁的残留磁通密度与钕磁铁的残留磁通密度是相同程度，但保持力为钕磁铁的保持力的1/10左右以下。因而，通过使外部磁场变化，能够使磁力容易地变化。

图3是示出各种磁铁的B-H曲线的图。图3的横轴表示外部磁场Hc(单位：kA/m)，纵轴表示磁通密度Br(单位：T)。在图3中示出了钕(NdFeB)磁铁、钐钴(SmCo)磁铁以及铝镍钴(AlNiCo)磁铁的B-H曲线的一个例子。

如图3所示，铝镍钴磁铁具有与如钕磁铁以及钐钴磁铁那样的稀土类磁铁相同程度的强的磁力。铝镍钴磁铁的最大磁通密度为0.5～1.2T左右，与钕磁铁是相同程度。另一方面，铝镍钴磁铁的保持力为50～150KA/m左右，为稀土类磁铁的保持力的1/10左右以下。

虽然在图3中未示出，但铁铬钴磁铁的最大磁通密度为0.5～1.2T左右，与铝镍钴磁铁是相同程度。另外，铁铬钴磁铁的保持力为30～70KA/m左右，与铝镍钴磁铁是相同程度，或稍微小。

在本实施方式的开关磁阻马达10的马达主体30中，作为永久磁铁40、41，使用如铝镍钴磁铁以及铁铬钴磁铁那样的铸造磁铁。由此，具有与稀土类磁铁相同程度的强的磁力，还能够利用施加到驱动绕组38的脉冲电流使该磁力变化。

(驱动电路)

再次参照图1以及图2，驱动电路20是非对称半桥转换器。驱动电路20将从直流电源22输出的直流电压V变换为用于驱动马达主体30的三相的脉冲电压。

驱动电路20包括自灭弧型的半导体开关元件S1～S6、二极管D1～D6以及开关SW1。在图1中，作为半导体开关元件S1～S6的一个例子，使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。以下，说明它们的连接关系。关于开关SW1，也能够使用自灭弧型的半导体开关元件。

半导体开关元件S1连接于与A相绕组38a的一端连接的连接节点(node)N1与直流电源22的正侧节点NP之间。半导体开关元件S2连接于与A相绕组38a的另一端连接的连接节点N2与直流电源22的负侧节点NN之间。二极管D1以逆偏置方向连接于连接节点N2与直流电源22的正侧节点NP之间。二极管D2以逆偏置方向连接于连接节点N1与直流电源22的负侧节点NN之间。

同样地，半导体开关元件S3连接于与B相绕组38b的一端连接的连接节点N3与直流电源22的正侧节点NP之间。半导体开关元件S4连接于与B相绕组38b的另一端连接的连接节点N4与直流电源22的负侧节点NN之间。二极管D3以逆偏置方向连接于连接节点N4与直流电源22的正侧节点NP之间。二极管D4以逆偏置方向连接于连接节点N3与直流电源22的负侧节点NN之间。

同样地，半导体开关元件S5连接于与C相绕组38c的一端连接的连接节点N5与直流电源22的正侧节点NP之间。半导体开关元件S6连接于与C相绕组38c的另一端连接的连接节点N6与直流电源22的负侧节点NN之间。二极管D5以逆偏置方向连接于连接节点N6与直流电源22的正侧节点NP之间。二极管D6以逆偏置方向连接于连接节点N5与直流电源22的负侧节点NN之间。

驱动电路20还包括脉冲电流输出电路21。脉冲电流输出电路21为了利用外部磁场使永久磁铁40、41的磁化状态变化，在转子35不旋转驱动的程度的短时间的期间，对缠绕于定子31的绕组施加脉冲电流。在本实施方式中，不设置用于施加脉冲电流的特别的绕组，而对驱动绕组38中的至少1相的绕组施加脉冲电流。

在图1的情况下，脉冲电流输出电路21连接于A相用的连接节点N1、N2之间。在该情况下，开关SW1连接于连接节点N1与二极管D2的阴极之间或者连接节点N2与二极管D1的阳极之间。在使用于驱动转子35的驱动电流流到A相绕组38a的情况下，开关SW1被控制成导通状态。另一方面，在使脉冲电流从脉冲电流输出电路21流到A相绕组38a的情况下，开关SW1以及半导体开关元件S1、S2都被控制成关断状态。

具体而言，脉冲电流输出电路21具有与连接节点N1连接的输出端子T1和与连接节点N2连接的输出端子T2。在按照输出端子T1为正侧且输出端子T2为负侧的极性输出脉冲电流的情况下，在A相绕组38a中，流过方向与驱动转子35的驱动电流相同的电流。另一方面，在按照输出端子T1为负侧且输出端子T2为正侧的极性输出脉冲电流的情况下，在A相绕组38a中流过方向与驱动电流相反的电流。

永久磁铁40、41的磁力的大小能够根据从脉冲电流输出电路21施加的脉冲电流的大小以及施加时间来调整。关于施加脉冲电流的时间及其定时的详细内容将在后面叙述。

(控制电路)

控制电路50为了控制半导体开关元件S1～S6的开闭状态，输出栅极控制信号。控制电路50还控制开关SW1的开闭状态。进而，控制电路50控制从脉冲电流输出电路21输出的脉冲电流的大小以及定时。另外，在不从脉冲电流输出电路21输出脉冲电流时，控制电路50以使输出端子T1以及输出端子T2成为高阻抗状态或者开路状态的方式控制脉冲电流输出电路21。或者，在不从脉冲电流输出电路21输出脉冲电流时，控制电路50也可以关闭向脉冲电流输出电路21或者其输出驱动器的电源电压的供给。

在图1的例子中，控制电路50以计算机为基础而构成。即，控制电路50包括CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)51、存储器52以及接口(I/F)电路53。控制电路50也可以以ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)或者FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等电路为基础而构成。

具体而言，在图1的情况下，CPU51通过依照控制程序来执行命令，从而控制半导体开关元件S1～S6、脉冲电流输出电路21以及开关SW1。存储器52包括作为CPU51的主存储进行动作的RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)以及ROM(Read Only Memory，只读存储器)及用于保存上述控制程序的非易失性存储器以及辅助存储装置等。接口电路53包括驱动器电路等，将栅极控制信号输出到半导体开关元件S1～S6的栅极端子。进而，接口电路53输出用于控制脉冲电流输出电路21以及开关SW1的控制信号。

[动作方法]

接下来，说明上述结构的开关磁阻马达10的动作。首先，转子35的旋转驱动自身使用与以往同样的方法来进行。

例如，在控制电路50将A相用的半导体开关元件S1、S2这两方都控制成导通状态的情况下，电力被供给到A相绕组38a，实现A相用的定子凸极32的磁化以及消磁。同时，永久磁铁40、41的磁化状态也发生变化。

在无需对A相绕组38a供给电力时，控制电路50将半导体开关元件S1、S2中的任意半导体开关元件控制成关断状态。例如，在将半导体开关元件S1控制成关断状态的情况下，由于积蓄于A相绕组38a的磁能而电流经由半导体开关元件S2和二极管D2环流。相反，在将半导体开关元件S2控制成关断状态的情况下，由于积蓄于A相绕组38a的磁能而电流经由半导体开关元件S1和二极管D1环流。在任意的情况下，都没有来自直流电源22的电力供给。

在控制电路50将半导体开关元件S1、S2这两方都控制成关断状态的情况下，经由二极管D1、D2流过电流。由此，积蓄于A相绕组38a的磁能返回到直流电源22。对A相绕组38a的两端施加极性与电力供给时相反的电压，绕组电流逐渐减少。

在图1中，在向逆时针方向旋转驱动转子35的情况下，控制电路50使驱动电路20按照A相绕组38a、B相绕组38b、C相绕组38c的顺序供给电力。由此，生成磁通方向在电角度下每隔120度地变化的电磁场。在向顺时针方向旋转驱动转子35的情况下，控制电路50使驱动电路20按照A相绕组38a、C相绕组38c、B相绕组38b的顺序供给电力。

具体而言，在图1中示出了A相用的定子凸极32与转子凸极36处于对齐位置的情况。在向逆时针方向旋转驱动转子35的情况下，控制电路50在该定时将控制从对A相绕组38a供给电力的状态切换到对B相绕组38b供给电力的状态。相反，在向顺时针方向旋转驱动转子35的情况下，控制电路50在该定时将控制从对A相绕组38a供给电力的状态切换到对C相绕组38c供给电力的状态。

此外，在图1的例子中，说明使转子35向逆时针方向旋转，最初对A相绕组38a施加驱动电流的情况下的转子35的初始位置。在该情况下，转子35的任意的转子凸极36作为初始位置必须位于A相用的定子凸极32与B相用的定子凸极32之间。例如，转子35的任意的转子凸极36配置于从A相用的定子凸极32起40～45度的位置。在使转子35向顺时针方向旋转、最初对A相绕组38a施加驱动电流的情况下，转子35的任意的转子凸极36作为初始位置必须位于A相用的定子凸极32与C相用的定子凸极32之间。

接下来，说明脉冲电流输出电路21的动作。脉冲电流输出电路21在根据永久磁铁40、41的配置位置确定的特定相的定子凸极32与任意的转子凸极36处于对齐位置时，至少对缠绕于该特定相的定子凸极32的驱动绕组38供给脉冲电流。

具体而言，在图1以及图2所示的例子中，永久磁铁40、41设置于定子磁轭33中的相互邻接的B相用的定子凸极32与C相用的定子凸极32的中间位置。即，一对永久磁铁40、41相对于A相用的定子凸极32而设置于对称位置。在该情况下，在A相用的定子凸极32与任意的转子凸极36处于对齐位置时，在使半导体开关元件S1、S2成为关断的状态下从脉冲电流输出电路21对A相绕组38a供给脉冲电流。其结果，如图1所示形成经由A相用的定子凸极32、转子35、定子磁轭33以及永久磁铁40、41的磁路，所以能够效率良好地使永久磁铁40、41的磁力增加或者减少。

在此，当向与驱动电流相同的方向注入脉冲电流时，永久磁铁40、41的磁力增加，当向与驱动电流相反的方向注入脉冲电流时，永久磁铁40、41的磁力减少。具体而言，在图1所示的例子中，使脉冲电流输出电路21的输出端子T1以及输出端子T2成为高阻抗状态或者开路状态，使开关SW1成为导通状态。当在该状态下使半导体开关元件S1、S2这两方都成为导通状态，从而对A相绕组38a施加驱动电流时，在图1的箭头所示的方向上产生磁通MF。在该情况下，如图1所示，在永久磁铁40、41各自中磁通MF的上游侧被磁化成S极，磁通MF的下游侧被磁化成N极。

接下来，使半导体开关元件S1、S2这两方都成为关断状态，使开关SW1成为关断状态。当在该状态下按照输出端子T1为正侧且输出端子T2为负侧的极性从脉冲电流输出电路21输出脉冲电流时，向与驱动电流相同的方向流过脉冲电流。其结果，产生方向与图1的情况相同的磁通，所以能够使永久磁铁40、41的磁化量增加。相反，当使半导体开关元件S1、S2以及开关SW1都成为关断状态，按照输出端子T1为负侧且输出端子T2为正侧的极性从脉冲电流输出电路21输出脉冲电流时，向与驱动电流相反的方向流过脉冲电流。其结果，产生方向与图1的情况相反的磁通，所以能够使永久磁铁40、41的磁化量减少。

此外，当施加脉冲电流的定时与上述不同时，由于转矩纹波的产生而有可能会引起转子35振动，作为结果，有可能会妨碍马达的稳定的动作。

在转子35的通常的驱动状态下，驱动绕组38的电流磁场重叠于基于永久磁铁40、41的磁场(磁力提高效果)。如上所述，利用脉冲电流使永久磁铁40、41的磁力变化，从而能够使磁电路所生成的磁通MF大幅变化。其结果，能够将马达的输出转矩变更或者调整为与负载转矩的变动相应的适当的值。

来自脉冲电流输出电路21的电流脉冲的施加时间需要设定为转子35不旋转的程度的短的时间。因而，脉冲施加时间T_p需要设定成比电时间常数τ_e足够长，但比机械时间常数τ_m足够短。当脉冲施加时间T_p不比电时间常数τ_e足够长时，无法对A相绕组38a注入脉冲电流。另外，当脉冲施加时间T_p不比机械时间常数τ_m足够短时，有可能在马达输出中产生大的转矩纹波，或者引起转子35振动，妨碍马达的稳定的动作。

在此，关于电时间常数τ_e，如下式(1)所示使用马达主体30的各相的平均电感L和各相的驱动绕组38的电阻值R，用下式(1)给出。

τ_e＝L/R…(1)

关于机械时间常数τ_m，如下式(2)所示使用转子35的惯性转矩J和制动系数B，用下式(2)给出。

τ_m＝J/B…(2)

因而，脉冲施加时间T_p需要满足

τ_e＜＜T_p＜＜τ_m…(3)

表1示出机械时间常数τ_m以及电时间常数τ_e的具体的设计例。脉冲施加时间T_p例如被设定为比电时间常数τ_e的10倍大且比机械时间常数τ_m的十分之一小的值(在表1的例子中，约0.5秒～2秒)。

[表1]

常数名	数值例
		相电阻R	0.78Ω
相电感L(对齐位置)	最大：0.5H最小：0.03H
		相电感L(非对齐位置)	最大：0.032H最小：0.0066H
相电感L(10A时的平均值)	0.0349H
		惯性转矩J	0.00325kgm<sup>2</sup>
制动系数B	0.00156Nms/rad
		电时间常数τ<sub>e</sub>＝L/R	0.0349/0.78＝0.0447s
机械时间常数τ<sub>m</sub>＝J/B	0.00325/0.00156＝2.08s

[开关定时的具体例]

以下，参照图1以及图4，说明构成驱动电路20的各半导体开关元件S1～S6以及脉冲电流输出电路21的控制的具体例。将脉冲电流输出电路21的输出端子T1的极性设为正，将输出端子T2的极性设为负。在该情况下，开关SW1可以始终是导通状态。

图4是示出各半导体开关元件的开闭定时以及脉冲电流输出电路的输出定时的定时图。在图4的时刻t1，控制电路50将半导体开关元件S1、S2切换为导通状态。由此，驱动电流被施加到A相绕组38a。

在接下来的时刻t2，控制电路50将半导体开关元件S1、S2切换为关断状态，并且将半导体开关元件S3、S4切换为导通状态。由此，向A相绕组38a的驱动电流的施加结束，向B相绕组38b的驱动电流的施加开始。在时刻t2，A相绕组38a与转子35的任意转子凸极36大致处于对齐位置。在处于该对齐位置的时刻t2至时刻t3的期间，依照来自控制电路50的指令，脉冲电流输出电路21对A相绕组38a输出脉冲电流。其结果，脉冲电流重叠于驱动电流的残留电流而流到A相绕组38a，从而调整永久磁铁40、41的磁化。具体而言，当向与驱动电流的残留电流相同的方向使脉冲电流流过时，永久磁铁40、41的磁化量增加，当向与驱动电流的残留电流相反的方向使脉冲电流流过时，永久磁铁40、41的磁化量减少。此外，在脉冲电流注入到A相绕组38a时，控制电路50将半导体开关元件S1、S2控制成关断状态，且将开关SW控制成关断状态。此时，既可以将半导体开关元件S3、S4控制成导通状态，也可以控制成关断状态。

在接下来的时刻t4，控制电路50将半导体开关元件S3、S4切换为关断状态，并且将半导体开关元件S5、S6切换为导通状态。由此，驱动电流向B相绕组38b的施加结束，驱动电流向C相绕组38c的施加开始。

之后，同样地，在时刻t5，驱动电流的施加目的地从C相绕组38c切换到A相绕组38a。在时刻6，驱动电流的施加目的地从A相绕组38a切换到B相绕组38b。在时刻t7，驱动电流的施加目的地从B相绕组38b切换到C相绕组38c。在时刻t8，驱动电流的施加目的地从C相绕组38c切换到A相绕组38a。在时刻t9，驱动电流的施加目的地从A相绕组38a切换到B相绕组38b。

在时刻t9至时刻t10的期间，与时刻t2至时刻t3的期间同样地，脉冲电流输出电路21依照控制电路50的指令对A相绕组38a输出脉冲电流。其结果，脉冲电流重叠于驱动电流的残留电流而流到A相绕组38a，从而调整永久磁铁40、41的磁化。之后，在时刻t11，驱动电流的施加目的地从B相绕组38b切换到C相绕组38c。

[仿真例1]

以下，说明基于数值仿真的结果。首先，说明在对图1的永久磁铁40、41充分地进行磁化的状态下不使脉冲电流输出电路21进行动作的情况下的结果。作为永久磁铁40、41而使用了铝镍钴磁铁。

与不设置永久磁铁40、41的情况相比，输出在1200rpm的转速的情况下从约600W增加到约1200W。效率从约80％增加到约90％。功率因数在1200rpm的转速的情况下从0.35增加到0.55。确认了通过设置永久磁铁40、41，从而输出、效率以及功率因数都增加。

[仿真例2]

接下来，参照图5以及图6，说明将脉冲电流从脉冲电流输出电路21施加到驱动绕组38的情况下的数值仿真的结果。作为永久磁铁40、41而使用铝镍钴磁铁。铝镍钴磁铁的残留磁通密度在初始状态下设为0。

图5是示出负载转矩、马达速度、各相的施加电流以及马达转矩的时间变化的图。图6是在图5的例子中在B-H图上示出永久磁铁的磁化状态的变化的图。在图5中，分别表示半导体开关元件S1～S6的切换定时以及脉冲电流输出电路21的脉冲电流的输出定时的时刻t1～t11分别对应于图4的时刻t1～t11。

如图5所示，在时刻t2以及时刻t9，负载转矩增加，与其相应地使马达的输出转矩的平均值增加。因此，在时刻t2至时刻t3的期间和时刻t9至时刻t10的期间，脉冲电流从脉冲电流输出电路21输出到A相绕组38a。由此，使永久磁铁40、41的残留磁通密度增加。

此外，在图5以及图6的例子中，在相同的定时，脉冲电流还从其它脉冲电流输出电路(在图1中未图示)被施加到B相绕组38b。但是，A相用的定子凸极32与任意的转子凸极36处于对齐状态，所以永久磁铁40、41的磁力的变化主要通过脉冲电流向A相绕组38a的注入而产生。向B相绕组38b的电流注入只是针对永久磁铁40、41的磁力变化的支持。

如图6所示，通过时刻t2至时刻t3的最初的脉冲电流的注入，永久磁铁的磁化状态按照状态ST1、ST2、ST3的顺序变化。通过从时刻t9至时刻t10的接下来的脉冲电流的注入，永久磁铁的磁化状态进而按照状态ST4、ST5、ST6的顺序变化。这样，能够通过脉冲电流向A相绕组38a以及B相绕组38b的注入而使永久磁铁40、41的磁力变化。

在上述例子中，马达的平均转矩比负载转矩大。具体而言，负载转矩增加到2、5、8[Nm]，相对于此，马达的平均转矩如2.11、6.31、8.43[Nm]那样变化。根据其结果，从在使负载转矩增加时能否使马达转矩增加是马达的性能这点可知，通过本次施加脉冲电流，从而与负载转矩的增加相应地，马达转矩增加约10～20％。因而，通过施加预定值以上的脉冲宽度，从而马达转矩提高，进而实现效率提高。

此外，在上述的情况下，由于负载转矩与马达的平均转矩的能量差而马达速度增加。只要通过调整从脉冲电流输出电路21输出的脉冲电流的大小，从而使马达转矩的平均值与负载转矩一致，就能够以使马达速度几乎不变化的方式进行控制。

[仿真例3]

接下来，参照图7，说明与仿真例2的情况同样地，将脉冲电流从脉冲电流输出电路21施加到驱动绕组38的情况下的数值仿真的结果。将各相的驱动电流的大小设为10A，将马达的转速设为500[rpm]。另外，作为永久磁铁40、41而使用铝镍钴磁铁。

图7是示出其它仿真例中各相的施加电流、永久磁铁的磁通密度、马达转矩的时间变化的图。在图7中，在时刻t20、t21、t22、t23的各个时刻附近从脉冲电流输出电路21输出脉冲电流。

具体而言，在时刻t20附近以及时刻t21附近，脉冲电流输出电路21对A相绕组38a向与驱动电流的方向相同的方向施加脉冲电流。由此，永久磁铁40、41的磁通密度的平均值依次增加，马达转矩的平均值也依次增加。

在接下来的时刻t22附近，脉冲电流输出电路21对A相绕组38a向与驱动电流的方向相同的方向施加脉冲电流，同时，其它脉冲电流输出电路(在图1中未图示)对C相绕组38c向与驱动电流的方向相同的方向施加脉冲电流。由此，永久磁铁的40、41的磁通密度的平均值进一步增加，马达转矩的平均值也进一步增加。

在接下来的时刻t23附近，脉冲电流输出电路21对A相绕组38a向与驱动电流的方向相反的方向施加脉冲电流。由此，永久磁铁40、41的磁通密度的平均值减少，马达转矩的平均值也减少。这样，从脉冲电流输出电路21向与驱动电流的方向相反的方向将脉冲电流施加到驱动绕组38，从而能够使永久磁铁40、41的磁通密度减少，其结果，能够使马达转矩减少。

[第1实施方式的效果]

如以上那样，根据第1实施方式的开关磁阻马达，铝镍钴磁铁或者铁铬钴磁铁等保持力小的永久磁铁设置于定子磁轭。而且，在根据永久磁铁的配置位置确定的特定相的定子凸极32与任意的转子凸极36处于对齐位置定时，至少对该特定相的驱动绕组38施加脉冲电流。该脉冲电流的施加时间比各相的驱动电流的施加时间短，被限制为转子35不旋转的程度的时间。脉冲电流的大小比驱动电流的大小大。通过该脉冲电流的施加通过使永久磁铁的残留磁通密度变化，所以能够实现马达的输出以及效率的提高。

<第2实施方式>

第2实施方式的开关磁阻马达10具有与第1实施方式相同的永久磁铁40、41的配置，但在将脉冲电流施加到A相以外的相的驱动绕组38这点上与第1实施方式的情况不同。以下，参照图8～图10，详细地进行说明。

[装置结构]

图8所示的开关磁阻马达10的驱动电路20B在代替A相用的脉冲电流输出电路21以及开关SW1而设置有B相用的脉冲电流输出电路21B以及开关SW2、C相用的脉冲电流输出电路21C以及开关SW3这点上，与图1的开关磁阻马达10不同。此外，也可以构成为切换共用的脉冲电流输出电路21的输出目的地。

具体而言，B相用的脉冲电流输出电路21B具有与连接节点N3连接的输出端子T1B和与连接节点N4连接的输出端子T2B。开关SW2连接于连接节点N3与二极管D4的阴极之间或者连接节点N4与二极管D3的阳极之间。

脉冲电流输出电路21B在开关SW2以及半导体开关元件S3、S4都被控制成关断状态的状态下，对B相绕组38b输出脉冲电流。在按照输出端子T1B为正侧且输出端子T2B为负侧的极性从脉冲电流输出电路21B输出脉冲电流的情况下，对B相绕组38b向与驱动电流相同的方向施加脉冲电流。另一方面，在按照输出端子T1B为负侧且输出端子T2B为正侧的极性从脉冲电流输出电路21B输出脉冲电流的情况下，对B相绕组38b向与驱动电流相反的方向施加脉冲电流。

C相用的脉冲电流输出电路21C具有与连接节点N5连接的输出端子T1C和与连接节点N6连接的输出端子T2C。开关SW3连接于连接节点N5与二极管D6的阴极之间或者连接节点N6与二极管D5的阳极之间。

脉冲电流输出电路21C在开关SW3以及半导体开关元件S5、S6都被控制成关断状态的状态下，对C相绕组38c输出脉冲电流。在按照输出端子T1C为正侧且输出端子T2C为负侧的极性从脉冲电流输出电路21C输出脉冲电流的情况下，对C相绕组38c向与驱动电流相同的方向施加脉冲电流。另一方面，在按照输出端子T1C为负侧且输出端子T2C为正侧的极性从脉冲电流输出电路21C输出脉冲电流的情况下，对C相绕组38c向与驱动电流相反的方向施加脉冲电流。

控制电路50输出用于控制半导体开关元件S1～S6及上述开关SW2、SW3以及脉冲电流输出电路21B、21C的控制信号。图8的其它点与图1的情况相同，所以对相同或者相当的部分附加相同的参照符号，不重复说明。此外，关于马达主体30所示的磁通MF，将参照图10在后面叙述。

[各半导体开关元件的开闭定时以及脉冲电流的输出定时]

在图9的定时图中，驱动电流的施加定时与图4的定时图的情况相同。即，在时刻t30至时刻t31的期间，半导体开关元件S1、S2被控制成导通状态，从而对A相绕组38a施加驱动电流。在接下来的时刻t31至时刻t32的期间，半导体开关元件S3、S4被控制成导通状态，从而对B相绕组38b施加驱动电流。在接下来的时刻t32至时刻t34的期间，半导体开关元件S5、S6被控制成导通状态，从而对C相绕组38c施加驱动电流。以下同样地，在时刻t34至时刻t40的期间被施加驱动电流的驱动绕组38的相按照A相、B相、C相的顺序依次被切换。

脉冲电流输出电路21B在B相绕组38b与转子35的任意的转子凸极36大致处于对齐位置的时刻t32至时刻t33的期间以及时刻t40至t41的期间，将脉冲电流施加到B相绕组38b。在对B相绕组38b施加脉冲电流时，开关SW2以及半导体开关元件S3、S4都被控制成关断状态。在图9中，脉冲电流向与驱动电流相同的方向被施加到B相绕组38b。

脉冲电流输出电路21C在C相绕组38c与转子35的任意的转子凸极36大致处于对齐位置的时刻34至时刻t35的期间，将脉冲电流施加到C相绕组38c。在对C相绕组38c施加脉冲电流时，开关SW3以及半导体开关元件S5、S6都被控制成关断状态。在图9中，脉冲电流向与驱动电流相同的方向被输出到C相绕组38c。

如图9所示，为了提高永久磁铁40、41的磁化的均匀性，在对B相绕组38b施加脉冲电流之后，最好接着以相同的电流值对C相绕组38c施加脉冲电流。在任意的脉冲电流的施加的情况下，在永久磁铁40、41中产生的磁通MF的方向都相同。此外，在按照A相、C相、B相的顺序施加驱动电流的情况下，在对C相绕组38c施加脉冲电流之后，接着以相同的电流值对B相绕组38b施加脉冲电流。

[关于向永久磁铁的磁化]

图10是用于说明向设置于定子的永久磁铁的磁化的图。图10的(A)作为参考图而示出第1实施方式的情况下的磁通分布，图10的(B)示出图9的时刻t32至时刻t33的情况下的磁通分布，图10的(C)示出图9的时刻t34至时刻t35的情况下的磁通分布。

如图10的(A)所示，在第1实施方式的情况下，在A相绕组38a与转子35的任意的转子凸极大致处于对齐位置时，对A相绕组38a施加脉冲电流。在该情况下，与通过永久磁铁40、41的磁通MF的路径并行地，可能产生通过B相用的定子凸极、转子凸极以及C相用的定子凸极的磁通MF的迂回路径。在宽幅地设计转子凸极的情况下，通过迂回路径的磁通MF的比例变大，所以存在向永久磁铁40、41的磁化效率变低这样的问题。

如图10的(B)所示，在B相绕组38b与转子35的任意的转子凸极大致处于对齐位置时，对B相绕组38b施加脉冲电流。在该情况下，通过永久磁铁40、41的磁通MF的路径与通过转子凸极的磁通MF的迂回路径不并行。同样地，如图10的(C)所示，在C相绕组38c与转子35的任意的转子凸极大致处于对齐位置时，对C相绕组38c施加脉冲电流。在该情况下，通过永久磁铁40、41的磁通MF的路径与通过转子凸极的磁通MF的迂回路径不并行。

因而，当在B相用的定子凸极与C相用的定子凸极之间设置有永久磁铁40、41的情况下，对B相绕组38b以及C相绕组38c中的任意绕组施加脉冲电流，都不会产生磁通MF的迂回所引起的磁化效率的下降。也可以仅对B相绕组38b以及C相绕组38c的一方施加脉冲电流，但为了改善磁化的均匀性，最好在对B相绕组38b以及C相绕组38c的一方施加脉冲电流的情况下，接着以相同的电流值且按照如在永久磁铁40、41中产生同一方向的磁通MF那样的极性对另一方的驱动绕组38施加脉冲电流。

[第2实施方式的效果]

如以上那样，根据第2实施方式的开关磁阻马达，除了第1实施方式的效果之外，还能够防止磁通的迂回路径所引起的永久磁铁的磁化效率的下降。

<其它实施方式>

以下，参照图11，说明开关磁阻马达的其它控制例。图11是示出其它实施方式中的负载转矩、马达转矩以及各相的施加电流的时间变化的图。

如图11(A)所示，负载转矩恒定为10[Nm]。以使该负载转矩与图11(B)所示的马达转矩一致的方式，通过转矩控制方式来控制图11(C)所示的各相的电流。如图11(B)所示，在马达输出中未产生大的转矩纹波。

<各实施方式的变形例>

也可以代替上述6-4构造的马达主体，而使用由12极的定子和8极的转子构成的所谓的12-8构造的马达主体。在该情况下，各永久磁铁也设置于相互邻接的B相用的定子凸极32与C相用的定子凸极32的中间的位置的定子磁轭33。在该情况下，设置合计4个永久磁铁。来自脉冲电流输出电路21的脉冲电流的输出定时与在第1以及第2实施方式中说明的6-4构造的情况相同。更一般而言，在增加定子凸极以及转子凸极的数量的情况下，永久磁铁在能够利用一个方向的磁通流的定子磁轭内配置于在环状的定子磁轭的直径方向上对置的位置，只要合计的个数是偶数个，就能够配置于任意的位置。

本次公开的实施方式应被认为在所有的点是例示，而并不是限制性的。本发明的范围不是通过上述说明示出，而是通过权利要求书示出，意图包括与权利要求书等同的意义以及范围内的所有的变更。

Claims

1.一种开关磁阻马达，具备：

马达主体，包括具有多个转子凸极的转子、具有多个定子凸极的定子、缠绕于各相的所述定子凸极的各相的驱动绕组以及配置于定子磁轭的永久磁铁；

驱动电路，为了旋转驱动所述转子而将驱动电流输出到所述各相的驱动绕组；以及

脉冲电流输出电路，将时间比向所述各相的驱动绕组施加所述驱动电流的施加时间短的脉冲电流重叠于所述驱动电流而输出。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻马达，其中，

所述永久磁铁设置于相互邻接的第1相用的定子凸极与第2相用的定子凸极的中间位置，

所述脉冲电流输出电路在第3相用的定子凸极与任意的转子凸极处于对齐位置时，将所述脉冲电流输出到所述第3相用的驱动绕组。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻马达，其中，

所述脉冲电流输出电路在所述第1相用的定子凸极与任意的转子凸极处于对齐位置时，将所述脉冲电流输出到所述第1相用的驱动绕组。

4.根据权利要求3所述的开关磁阻马达，其中，

所述驱动电路按照所述第1相用的驱动绕组、所述第2相用的驱动绕组、第3相用的驱动绕组的顺序输出所述驱动电流，

所述脉冲电流输出电路在紧接着将所述脉冲电流输出到所述第1相用的驱动绕组之后，在所述第2相用的定子凸极与任意的转子凸极处于对齐位置时，将所述脉冲电流输出到所述第2相用的驱动绕组。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的开关磁阻马达，其中，

所述脉冲电流的施加时间比电时间常数大且比机械时间常数小，

所述电时间常数通过将所述马达主体的各相的平均电感除以所述各相的驱动绕组的电阻值而得到，

所述机械时间常数通过将所述转子的惯性转矩除以所述转子的制动系数而得到。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的开关磁阻马达，其中，

所述永久磁铁是铝镍钴磁铁或者铁铬钴磁铁。

7.一种开关磁阻马达的控制方法，所述开关磁阻马达包括具有多个转子凸极的转子、具有多个定子凸极的定子、缠绕于各相的所述定子凸极的各相的驱动绕组以及配置于定子磁轭的永久磁铁，其中，

所述控制方法具备：

为了旋转驱动所述转子而将驱动电流输出到所述各相的驱动绕组的步骤；以及

在第1相用的定子凸极与任意的转子凸极处于对齐位置时，将时间比向所述各相的驱动绕组施加所述驱动电流的施加时间短的脉冲电流输出到所述第1相用的驱动绕组的步骤。