CN103457375B - 永磁铁旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明的使用铁氧体磁铁实现高转矩密度和低转矩脉动的永磁铁旋转电机，其包括具备槽和定子凸极的定子；和转子，其与定子隔着空隙相对地配置，永磁铁被嵌入转子凸极的相互之间，永磁铁的径向截面具有矩形形状，短边方向被磁化，并且夹着一个转子磁极的相邻的两个永磁铁相互逆向地被磁化，定子凸极的与转子相对的前端具有与定子内半径相同的曲率半径的圆弧状的定子凸极平面部，转子凸极在与定子相对的前端具有与转子外半径相同的曲率半径的圆弧状的转子凸极平面部和在转子凸极平面部的周方向两端形成为比转子外半径小的曲率半径的圆弧状或平面的转子凸极倾斜部，使转子旋转时在空隙的中央部磁通密度的变化波形包含规定大小的三次谐波成分。

Description

永磁铁旋转电机

技术领域

本发明涉及永磁铁旋转电机。

背景技术

由于升降驱动卷扬机和电动助力转向系统所使用的旋转电机要求小型、轻量、低振动，因此使用高转矩密度、低转矩脉动的永磁铁同步电动机（PMSM）。这样的旋转电机的永磁铁采用具有高能量密度的钕磁铁。作为钕磁铁的主要原料的钕和用于提高上述磁铁的矫顽力的镝是稀土元素。由于近来稀土元素价格上涨，使用钕磁铁的永磁铁旋转电机的成本中的磁铁成本所占的比例增加，近年来，要求永磁铁旋转电机无稀土。于是，与钕磁铁相比稀土元素的含量更少的铁氧体磁铁再次受到关注。

铁氧体磁铁的磁力为钕磁铁的1/3程度。因此，将钕磁铁置换为铁氧体磁铁时，电机体型增大。这对于旋转电机的设置空间的限制严格的升降驱动卷扬机和电动助力转向系统而言是非常严重的问题。于是，当务之急是开发用铁氧体磁铁这样的低磁力的磁铁也能够实现高转矩密度、进而同时实现低转矩脉动的永磁铁旋转电机。

一般常用的永磁铁同步电动机（PMSM）的基本结构，有表面式（SPM）。该结构中，由于在转子的表面贴合永磁铁，不能使磁铁的表面积扩展到气隙的面积（转子与定子的相对面积）以上，难以使气隙中的磁通密度为磁铁的剩余磁通密度以上。从而，在这样的结构中，使用铁氧体这样的低磁力的永磁铁时，存在电机体型单纯地与磁力的降低量相应地增大的问题。

作为实现高转矩密度的旋转电机，在专利文献1公开的无刷DC电机的转子中，使磁铁部和磁性材料部交替地成为放射状地配置。即，专利文献1的永磁铁旋转电机（参照图3（b）），是以使转子的磁铁的磁化相对于径向朝向直角方向的方式，将磁铁放射状地配置的结构。通过这样配置磁铁，能够增大磁铁的表面积，所以能够增大转子与定子之间的气隙中的磁通密度。

如上所述，表面式转子和一般的嵌入式转子的情况下，气隙中的磁通密度不会超过磁铁的剩余磁通密度。然而，专利文献1所公开的永磁铁旋转电机的气隙中的磁通密度，通过使转子铁芯的长宽比适当化，能够超过磁铁的剩余磁通密度。由此，在使用铁氧体磁铁这样低磁力的磁铁的情况下，也能够实现与钕磁铁相同程度的转矩密度。

专利文献1的永磁铁旋转电机中，还由于转子具有逆凸极性，认为能够应用磁阻转矩实现高转矩密度（参照专利文献1的段落[0048]）。

专利文献1：日本特开2000-217286号公报

发明内容

专利文献1公开的永磁铁旋转电机中，为了应用磁阻转矩，使磁铁部与磁性材料部交替地放射状地配置。这样的永磁铁旋转电机中，转矩脉动与磁阻转矩的脉动成分叠加，转矩脉动增大。

为了解决上述课题，本发明的永磁铁旋转电机的特征为包括：具备S个槽和S个定子凸极的定子；和转子，其与定子隔着空隙相对地配置，N个永磁铁被嵌入N个转子凸极的相互之间，永磁铁，其径向的截面具有径向长的矩形形状，短边方向（周方向）被磁化，并且夹着一个转子磁极的相邻的两个永磁铁在周方向上相互逆向地被磁化，定子凸极的与转子相对的前端具有与定子内半径相同的曲率半径的圆弧形状的定子凸极平面部，转子凸极在与定子相对的前端具有与转子外半径相同的曲率半径的圆弧形状的转子凸极平面部；和在所述转子凸极平面部的周方向两端形成为比转子外半径小的曲率半径的圆弧形状或平面的转子凸极倾斜部，使得转子旋转时在空隙的中央部由永磁铁产生的磁通的磁通密度的变化波形包含规定大小的三次谐波成分。

根据本发明，能够提供使用铁氧体磁铁这样低磁力的磁铁，不应用磁阻转矩地同时实现高转矩密度和低转矩脉动的永磁铁旋转电机。

附图说明

图1是本发明的永磁铁旋转电机的一个实施方式的56极48槽的永磁铁旋转电机的1/8模型的半径方向的截面概要图。

图2是图1的永磁铁旋转电机的转子和定子的放大图。

图3（a）表示图1的永磁铁旋转电机的气隙中的磁通线，（b）表示使转子旋转两个极的量时的一个定子齿的气隙中的点a的磁通密度的变化。

图4是表示本发明的转子凸极的前端形状对转矩和转矩脉动造成的影响的图。（a）是磁场分析的结果。（b）是对（a）的结果进行总结的图。

图5是气隙的磁导（磁阻的倒数）波形。

图6是用于说明本发明的永磁铁旋转电机的结构的转子和定子的放大图。（a）表示定子的内径圆度不存在误差的情况下的图1的永磁铁旋转电机的转子和定子的放大图，（b）表示存在误差的情况下的图1的永磁铁旋转电机的转子和定子的放大图。

图7是将本发明的永磁铁旋转电机的结构应用于56极48槽（14极12槽反复4次）的永磁铁旋转电机的情况下的磁场分析的结果。（a）是1/8模型的半径方向的截面图。（b）是使转子旋转两个极的量时的气隙中的点b的磁通密度的变化。（c）是点b的磁通密度的高次成分。（d）是使转子旋转两个极的量时的齿槽转矩波形。（e）是对定子线圈通电使转子旋转两个极的量时的转矩波形。（f）是转矩脉动的高次成分。

图8是将本发明的永磁铁旋转电机的结构应用于40极48槽（10极12槽反复4次）的永磁铁旋转电机的情况下的磁场分析的结果。（a）～（f）与图7的情况相同，而（b）、（c）分别是气隙中的点c的磁通密度的变化和该磁通密度的高次成分。

图9是将本发明的永磁铁旋转电机的结构应用于32极48槽（2极3槽反复16次）的永磁铁旋转电机的情况下的磁场分析的结果。（a）是1/16模型的半径方向的截面图。（b）、（c）分别是气隙中的点d的磁通密度的变化和该磁通密度的高次成分。（d）～（f）与图7、8相同。

图10是将本发明的永磁铁旋转电机的结构应用于40极45槽（8极9槽反复5次）的永磁铁旋转电机的情况下的磁场分析的结果。（a）是1/5模型的半径方向的截面图。（b）、（c）分别是气隙中的点e的磁通密度的变化和该磁通密度的高次成分。（d）～（f）与图7～9相同。

图11是将本发明的永磁铁旋转电机的结构应用于50极45槽（10极9槽反复5次）的永磁铁旋转电机的情况下的磁场分析的结果。（a）～（f）与图7～10相同。

图12是56极48槽（14极12槽反复4次）的永磁铁旋转电机的现有的转子凸极的前端形状（图3（a）的L_C为0）的情况下的磁场分析的结果。（a）～（f）与图7～11相同。

图13是56极48槽（14极12槽反复4次）的永磁铁旋转电机的现有的转子凸极的前端形状（图3（a）的L_S为0）的情况下的磁场分析的结果。（a）～（f）与图7～12相同。

符号说明

1……永磁铁旋转电机

2……定子

3……转子

4……定子铁芯

41……定子核心

42……定子凸极

43……槽

5……定子绕组

6……永磁铁

7……转子铁芯

71……转子磁极

72……磁铁插入空间

8……气隙

9……非磁体

10……轴

具体实施方式

以下，参照图1～11说明用于实施本发明的方式。

首先，用图1～2说明本发明的永磁铁旋转电机的结构。

图1是本发明的永磁铁旋转电机的1/8模型的半径方向的截面概要图。图2是图1的转子和定子的放大图。

图1～2中，永磁铁旋转电机1由定子2和转子3构成。定子2具备定子铁芯4和定子绕组5。定子铁芯4由用冲压模具等冲压后的电磁钢板叠层构成。定子铁芯4由设置在外周部构成定子磁路的定子核心41和从定子核心41朝向定子内周放射状地按规定角度间距延伸设置的定子凸极（定子齿）42构成。如图1所示，由相邻的一对定子凸极42之间与定子核心41构成的空间为槽43，是收纳定子绕组5的空间。此处，在各定子凸极42上，如图1所示地在一个极上卷绕一个定子绕组5。

另一方面，转子3设置在轴10的周面上配置的非磁体9的周面上，与定子2隔着径向的气隙8配置在内周。如图1所示，永磁铁6和转子铁芯7分别朝向转子外周放射状地配置。转子铁芯7由用冲压模具等冲压后的电磁钢板叠层构成，如图所示，按每一极分离，沿着转子3的周方向按规定角度间距并列设置。转子铁芯7起到构成转子磁路的转子磁极71的作用。

如图所示，在相邻的一对转子磁极71与非磁体9构成的空间、即磁铁插入空间72中，收纳有永磁铁6。此时的永磁铁6的磁化相对于转子3的径向朝向直角方向，转子磁极71沿着转子的周方向按NSNS…这样交替地配置。

永磁铁6通过粘合剂等固定到磁铁插入空间72。非磁体9具有减小转子磁极71的内周一侧的泄漏磁通的效果。作用于转子铁芯7的转矩通过非磁体9被传导至轴10。

此外，也可以代替非磁体9改为设置空隙。该情况下，与轴10的轴方向端部相对地设置一对圆盘，在该圆盘上用螺栓连结转子铁芯7，将作用于转子铁芯7的转矩传导至轴10。

参照图2说明转子磁极71的前端形状。

图2所示的A-A’的线是以从旋转电机的旋转轴的中心到气隙8的径向中央的距离为半径的虚拟圆。转子磁极71的前端中央即磁极前端与虚拟圆的距离沿着转子3的周方向是一定的。以下，将该部分称为等宽间隙。转子磁极71的周方向两端与虚拟圆的距离大于磁极前端的中央与虚拟圆的距离。

图1的永磁铁旋转电机的磁极数和槽数的组合，为56极48槽（14极12槽反复4次）。

接着用图3～5，说明本发明的磁极前端形状的特征。

图3（a）是图1的气隙中的磁通线图，图3（b）是使转子旋转两个极的量时的气隙中的点a的磁通密度的变化。图4是表示本发明的磁极前端形状对转矩和转矩脉动造成的影响的图。图4（a）是用有限元分析进行的磁场分析的结果，图4（b）是对（a）的结果进行总结的图。图5是气隙的磁导（磁阻的倒数）波形。

减小齿槽转矩的方法之一是减少转子磁动势的高次谐波成分。

作为减少转子磁动势的高次谐波成分的方法，使转子的磁极前端带有弧度、即、使磁极前端的曲率小于转子的外周线的半径是有效的。然而，使转子的磁极的前端带有弧度时，转子与定子之间的等效间隙长度增大，交链磁通数减少，转矩降低。

于是，例如如图3（a）所示，本发明中，为转子3的磁极前端具备与转子外半径一致的曲率半径的圆弧部（长度L_C）且该圆弧部的两端具备倾斜部（长度L_S）的形状。该倾斜部可以由曲面形成，也可以由平面形成。以下说明的本发明的转子磁极71的形状中，使该倾斜部由比转子外半径大的曲率的圆弧形成。从而，图3（a）的长度L_S为从磁极71的前端的周方向端部起到倾斜部与圆弧部的边界为止的周方向的长度（周长）。使转子的磁极前端形状为与转子外半径一致的曲率半径的圆弧时，等效间隙长度减小，能够使交链磁通量增加，因而是有利的。设转子凸极41的前端的圆弧部的形状为与转子外半径一致的曲率半径的圆弧状，该圆弧部的长度L_C为L_C=k*(L_C+2*L_S)。此处，k为确定圆弧部的长度的系数，0≤k≤1。此外，尺寸（L_C、L_S）的测定困难的情况下，也可以改为使用从旋转轴中心位置起的各部分的张角（θ_C、θ_S）。

发明人等发现，通过如上所述地设定转子的凸极前端形状，能够达成要求的转矩，抑制转子磁动势的高次谐波成分。

图3（b）是使具有（a）所示的磁极前端形状的转子旋转两个极的量时的气隙中的点a的磁通密度的变化波形。图3（b）的波形与基本波（正弦波）相比，正侧和负侧的最大部分的波形形状被破坏。该波形形状是与正弦波相比，三次谐波成分被抑制在大约12%程度的波形。

接着用图4说明相对于上述k的转矩和转矩脉动的变化。对象模型为56极48槽的1/8模型。磁场分析中，以上述k作为变量，计算转矩和转矩脉动。根据图4（a），k越小，转矩和转矩脉动越小，k越大，转矩和转矩脉动越大。这是由于k越小，磁极前端越带有圆弧，是意料之中的结果。可知该模型中，k为0.5程度时，能够同时实现高转矩密度和低转矩脉动。

接着，对转子磁动势与齿槽转矩的一般的关系进行说明。此处，假设转子与定子之间的等效间隙长度充分小，气隙中的磁通密度只包含径向成分。由此，气隙中的磁通密度用转子磁动势与气隙的磁导的积表示。磁导的值为磁阻的倒数，如图5所示在槽开口部处减小。此处，根据转子磁动势和气隙的磁导计算气隙的磁通密度，根据气隙的磁通密度计算气隙的磁能，对磁能用转子的旋转角微分时能够求出齿槽转矩的函数式。

以下，表示8极12槽（2极3槽反复4次）、10极12槽、14极12槽、8极9槽、10极9槽的齿槽转矩的函数。此处，设θ为旋转方向的坐标，φ为转子的旋转角，p(θ)为气隙的磁导，m(θ)为转子磁动势，T_c(φ)为齿槽转矩。此外，气隙的磁导和转子的磁动势考虑低次侧的5项。

8极12槽

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=p_0+\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k\cos \left(12\mathrm{k\θ}\right)\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

$m\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k\cos \left(4k(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})\right)\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

$T_c\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂\mathrm{\φ}}\left\{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(p\left(\mathrm{\θ}\right)m\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^2\mathrm{d\θ}\right\}$

$\∝\{{m_3}^2+2m_1(m_5+m_7)+2m_3{m}_9\}\{{p_1}^2+{2p}_1{p}_3+2p_3{p}_5+2p_7(p_5+p_9)\}\sin \left(24\mathrm{\φ}\right)$

……（3）

其中，上式的齿槽转矩仅显示低次侧的1项。

10极12槽

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=p_0+\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k\cos \left(12\mathrm{k\θ}\right)\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

$m\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k\cos \left(5k(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})\right)\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

$T_c\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂\mathrm{\φ}}\left\{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(p\left(\mathrm{\θ}\right)m\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^2\mathrm{d\θ}\right\}\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

∝(m₅m₇+m₃m₉)p₀p₅sin(60φ)

14极12槽

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=p_0+\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k\cos \left(12\mathrm{k\θ}\right)\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

$m\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k\cos \left(7k(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})\right)\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

$T_c\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂\mathrm{\φ}}\left\{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(p\left(\mathrm{\θ}\right)m\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^2\mathrm{d\θ}\right\}\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

∝(m₅m₇+m₃m₉)p₀p₇sin(84φ)

8极9槽

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=p_0+\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k\cos \left(9\mathrm{k\θ}\right)\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

$m\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k\cos \left(4k(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})\right)\·\·\·\·\·\·\left(11\right)$

$T_c\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂\mathrm{\φ}}\left\{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(p\left(\mathrm{\θ}\right)m\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^2\mathrm{d\θ}\right\}\·\·\·\·\·\·\left(12\right)$

∝m₉ ²{p₃p₅+p₁(p₇+p₉)}sin(72φ)

10极9槽

$p\left(\mathrm{\θ}\right)=p_0+\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{p}_k\cos \left(9\mathrm{k\θ}\right)\·\·\·\·\·\·\left(13\right)$

$m\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{k=\mathrm{1,3,5},...}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k\cos \left(5k(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})\right)\·\·\·\·\·\·\left(14\right)$

$T_c\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂\mathrm{\φ}}\left\{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(p\left(\mathrm{\θ}\right)m\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^2\mathrm{d\θ}\right\}\·\·\·\·\·\·\left(15\right)$

∝m₉ ²(p₅ ²+2p₃p₇+2p₁p₉)sin(90φ)

根据式（1）～（3），可知关于8极12槽的齿槽转矩的旋转24次成分，气隙的磁导、转子磁动势均受到低次侧的全部5项的影响，具有复杂的依赖性。特别是齿槽转矩的旋转24次成分按转子磁动势的三次谐波成分（m₃）的平方增加，所以应用图3（a）所示的转子磁极前端为平坦部且该平坦部的两端为曲线状的倾斜部的磁极形状的情况下，在8极12槽的旋转电机中齿槽转矩增大。

与此相对，10极12槽、14极12槽的齿槽转矩，根据式（4）～（6）、式（7）～（9），为三次谐波成分（m₃）与九次谐波成分（m₉）的积，因此与8极12槽相比更难以受到三次谐波成分的影响。进而，8极9槽、10极9槽的齿槽转矩，根据式（10）～（12）、式（13）～（15），与10极12槽、14极12槽相比基本不受到三次谐波成分的影响。

根据以上所述，如果是磁极数与槽数的组合以8极9槽、10极9槽、10极12槽、14极12槽中的任一个反复m次（m>0）的永磁铁旋转电机，则因转子磁动势的三次谐波成分而产生的齿槽转矩，与2极3槽反复m次（m>0）相比，基本不产生。此外，通过使定子绕组为星形接线，不需要考虑循环电流，且不会对转矩脉动（进行通电使转子旋转两个极的量时以6的倍数变动的脉动）造成影响，所以能够同时实现高转矩密度和低转矩脉动。

然而，上述本发明的永磁铁旋转电机的磁极形状不仅限于使转子磁动势含有基本波比12%的三次谐波成分。图3（a）所示的转子和定子的形状中，因转子磁极的圆弧部的比例和其两端形成的倾斜部的曲线形状，图3（b）所示的磁通变化的波形发生变化。本发明中，能够成为抑制该三次谐波成分，且实现充分的旋转转矩的磁极形状的转子。

接着参照图6说明本发明的永磁铁旋转电机结构。图6（a）是定子的内径圆度不存在误差的永磁铁旋转电机。图6（b）是由于存在误差，因此气隙长度的一部分缩短位移d的永磁铁旋转电机。如图6所示，在本发明的永磁铁旋转电机的一个实施方式中，使定子凸极42的张角τ_t与转子3的磁极间距τ_p（=2π/磁极数）相等。由此，能够减小定子的内径圆度的误差对齿槽转矩造成的影响。即，通过使定子凸极42的张角τ_t与磁极间距τ_p（=2π/磁极数）相等，能够抑制因定子内面与转子凸极的间隙的误差而产生的齿槽转矩的变动。

此外，此时的旋转电机的磁极数与槽数的组合，设槽间距为τ_s（=2π/槽数）时，为由于τ_s>τ_t=τ_p因而磁极数>槽数的10极9槽、14极12槽中的任一个反复m次（m>0）的结构。

图7～11中，磁极数与槽数的组合为56极48槽（14极12槽反复4次）、40极48槽（10极12槽反复4次）、32极48槽（2极3槽反复16次）、40极45槽（8极9槽反复5次）、50极45槽（10极9槽反复5次）5种。作为计算的输入条件，永磁铁的剩余磁通密度为0.4T（相当于铁氧体磁铁）、一个定子绕组的磁动势为1000A、转子的转速为200rpm。定子和转子的内外径是固定的。进行计算直到转子旋转电角360度（相当于两个极）。

图7表示56极48槽（14极12槽反复4次）的磁场分析的结果。如图7（a）所示，根据旋转对称性用1/8模型进行计算。如图7（b）所示，在无负载状态下使转子旋转两个极的量时，气隙中的点b的磁通密度超过1T，为与钕磁铁相同程度的大小。气隙中的点b的磁通密度中，在本发明的图3所示的转子的磁极前端形状与图7的定子形状的组合下，气隙中的磁通密度的变化波形（图7（b））中，包含基本波比13%的三次谐波成分。图7（d）表示此时的齿槽转矩。齿槽转矩的数值是除以电机体积（=π×（定子外半径）²×累积厚度）后的值。累积厚度是定子、转子铁芯的轴方向的长度（不包括线圈端部）。齿槽转矩的最大值为约40Nm/m³。

图7（e）表示电流通电时的转矩。转矩密度是将平均转矩除以电机体积（=π×（定子外半径）²×累积厚度）后的值。转矩密度为大约61450Nm/m³。图7（f）表示转矩脉动的成分。转矩的振幅为2×振幅÷平均转矩×100，是p-p值。6次（其整数倍）中包含脉动转矩，12次（其整数倍）中包含齿槽转矩。各次数的振幅均为0.3%_p-p以下。可知本发明的永磁铁旋转电机能够抑制为足够应用于需要抑制为1.0%_p-p以下的升降卷扬机的脉动值。

图8表示40极48槽（10极12槽反复4次）的磁场分析的结果。如图8（a）所示，根据旋转对称性用1/8模型进行计算。气隙中的点c的磁通密度的变化波形（图8（b））中，包含基本波比12%的三次谐波成分。齿槽转矩的最大值为大约600Nm/m³。转矩密度为大约56000Nm/m³。转矩脉动最大为1.20%_p-p程度。6次（其整数倍）中包含脉动转矩，12次（其整数倍）中包含齿槽转矩。

图9表示32极48槽（2极3槽反复16次）的磁场分析的结果。如图9（a）所示，根据旋转对称性用1/16模型进行计算。气隙中的点d的磁通密度的变化波形（图9（b））中，包含基本波比8%的三次谐波成分。齿槽转矩的最大值为大约2500Nm/m³。转矩密度为大约48000Nm/m³。转矩脉动最大为12.8%_p-p程度。6次（其整数倍）中包含脉动转矩和齿槽转矩。

图10表示40极45槽（8极9槽反复5次）的磁场分析的结果。如图10（a）所示，根据旋转对称性用1/5模型进行计算。气隙中的点e的磁通密度的变化波形（图10（b））中，包含基本波比12%的三次谐波成分。齿槽转矩的最大值为大约150Nm/m³。转矩密度为大约55100Nm/m³。转矩脉动最大为0.43%_p-p程度。6次（其整数倍）中包含脉动转矩，18次（其整数倍）中包含齿槽转矩。

图11表示50极45槽（10极9槽反复5次）的磁场分析的结果。如图11（a）所示，根据旋转对称性用1/5模型进行计算。气隙中的点f的磁通密度的变化波形（图11（b））中，包含基本波比12%的三次谐波成分。齿槽转矩的最大值为大约150Nm/m³。转矩的平均值为大约58700Nm/m³。转矩脉动最大为0.70%_p-p程度。6次（其整数倍）中包含脉动转矩，18次（其整数倍）中包含齿槽转矩。

发明人根据以上各种磁极数和槽数的旋转电机中的磁场分析的结果以及发明人的经验，发现使转子凸极的前端形状为气隙中的磁通密度中包含12%前后的三次谐波成分、即8～14%的高次谐波成分的形状时，可以抑制转矩脉动且获得较大的转矩密度。从而，本发明的永磁铁旋转电机中，以这样使气隙中的磁通密度的三次谐波成分为12%前后的方式，确定转子凸极的磁极前端形状、即圆弧部（长度L_C）与倾斜部（长度L_S）的比例。

最后，使用作为比较例的图12、13，说明本发明的永磁铁旋转电机的转子凸极的前端形状的效果。图12是图3（a）的L_C为0的情况下的转子凸极的前端形状的56极48槽（14极12槽反复4次）的磁场分析的结果。图13是L_S为0的情况下的转子凸极的前端形状的56极48槽（14极12槽反复4次）的磁场分析的结果。如上所述，确定转子凸极的前端形状的参数k，为了能够同时实现高转矩密度和低转矩脉动，在图7中表示为k=0.5，而为了了解本发明的效果，图12中表示k=0.1的情况，图13中表示k=0.9的情况。

k=0.1的情况下，转子凸极的前端弧度更大，因此气隙中的点b的磁通密度的变化波形（图12（b））中，只含有基本波比3%程度的三次谐波成分。其结果，齿槽转矩的最大值为大约20Nm/m³，是图7（k=0.5）的一半程度。然而，转子与定子之间的等效间隙长度增大，交链磁通数减少，所以转矩密度为大约58600Nm/m³，比图7（k=0.5）降低了5%程度。此外，虽然齿槽转矩减小了，但由于转子凸极的前端的两端的突起变细，该突起引起磁饱和，由于该影响，转矩脉动最大为0.37%_p-p。

k=0.9的情况下，转子与定子之间的等效间隙长度减小，交链磁通数增加，因此转矩密度为大约62100Nm/m³，比图7（k=0.5）略微增加。然而，由于转子凸极的前端的圆弧宽度增加，气隙中的点b的磁通密度的变化波形（图13（b））中，包含基本波比21%的三次谐波成分。结果，齿槽转矩的最大值为大约500Nm/m³，转矩脉动最大为0.94%_p-p。

根据以上所述，通过采用10极12槽、14极12槽、8极9槽、10极9槽系列，使用本发明的转子的磁极形状与现有技术相比，能够维持转矩并且实现低转矩脉动。从而，根据本发明的永磁铁旋转电机的结构，使用铁氧体磁铁的情况下，通过将截面为径向上较长的矩形，在短边方向（周方向）上磁化，且夹着一个转子磁极相邻的两个所述永磁铁在周方向上相互逆向地磁化的永磁铁嵌入转子，能够实现高转矩，且通过本发明的永磁铁旋转电机的转子磁极形状的效果同时实现低转矩脉动。

以上说明为本发明的永磁铁旋转电机的一个实施方式例，本发明不限于该实施方式例。如果是本领域技术人员，则能够不损害本发明的特征地进行各种变形实施。

Claims (5)

1.一种永磁铁旋转电机，其特征在于，包括：

具备S个槽和S个定子凸极的定子；和

转子，其与所述定子隔着空隙相对地配置，N个永磁铁被嵌入N个转子凸极的相互之间，

所述永磁铁，其径向的截面具有径向长的矩形形状，作为短边方向的周方向被磁化，并且夹着一个转子磁极的相邻的两个所述永磁铁在周方向上相互逆向地被磁化，

所述定子凸极的与所述转子相对的前端具有与定子内半径相同的曲率半径的圆弧形状的定子凸极平面部，

所述转子凸极在与所述定子相对的前端具有与转子外半径相同的曲率半径的圆弧形状的转子凸极平面部；和在所述转子凸极平面部的周方向两端形成为比转子外半径小的曲率半径的圆弧形状或平面的转子凸极倾斜部，使得所述转子旋转时在所述空隙的中央部由所述永磁铁产生的磁通的磁通密度的变化波形包含规定大小的三次谐波成分，

所述三次谐波成分的所述规定的大小为8％～14％，在所述转子凸极的前端设定所述转子凸极平面部的周方向的宽度与所述转子凸极倾斜部的周方向的宽度的比，使得所述三次谐波成分的大小成为所述规定的大小。

2.如权利要求1所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

设在转子的磁极前端与转子外半径相同的曲率半径的圆弧部的长度为L_C，圆弧部的两端的倾斜部的长度为L_S时，L_C＝0.5*(L_C+2*L_S)。

3.如权利要求1或2所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述定子凸极的开口角与所述转子的磁极距相等。

4.如权利要求1或2所述的永磁铁旋转电机，其特征在于：

所述永磁铁为不含钕的铁氧体磁铁。

5.一种升降卷扬机，其特征在于：

搭载有权利要求1～4中任一项所述的永磁铁旋转电机。