JP2003047223A - 回転電機 - Google Patents

回転電機

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JP2003047223A
JP2003047223A JP2001235196A JP2001235196A JP2003047223A JP 2003047223 A JP2003047223 A JP 2003047223A JP 2001235196 A JP2001235196 A JP 2001235196A JP 2001235196 A JP2001235196 A JP 2001235196A JP 2003047223 A JP2003047223 A JP 2003047223A
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JP2001235196A
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English (en)
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Masahiro Takahashi
昌広 高橋
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Jidosha Denki Kogyo KK
Original Assignee
Jidosha Denki Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力低下を招くことなくコギングトルクの大
幅な減少を図れる回転電機を提供する。 【解決手段】 永久磁石よりなり、外周端面2aと、内
周端面2bとをもち、内周端面2bの端部にエッジ2b
1が形成されたマグネット2と、ティース3aの間にス
ロット3bがそれぞれ形成され、マグネット2の内周部
に回転可能に配置されたロータ3とを備え、マグネット
2のエッジ間角度をθとし、エッジ間角度θでのスロッ
トのかぶり量の自然数をnとし、スロット間角度をSと
し、スロットの開口部角度をθ1とし、巻線ピッチをP
cとして、θ=n×S+2×θ1/Pcまたは、θ=n
×S−2×θ1/Pcにより得られた値にエッジ間角度
が選ばれている回転電機1。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、永久磁石を用い
たマグネットの内周部に回転するロータをもつ回転電機
に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の回転電機としては、永久磁石を
用いたマグネットの内周部に、マグネットより生ずる磁
束中に鉄芯コアをもつロータが回転可能に配置されてい
るものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の回転電機におい
ては、異方性磁石より生ずる磁束の変化と、鉄芯コアに
設けられたスロットとにより、ロータに作用する吸引力
に、ロータの回転角度に対応した急激な変動が生じてコ
ギングトルクが発生する。このコギングトルクは、振動
や騒音の原因になったり、停止位置が固定化し、精密な
位置決めの障害になったり、回転トルク変動の増加にな
ったり、起動電流の増加を招いたりするという問題点が
あった。マグネットには、外周側に配置される外周端面
と、内周側に配置される内周端面とがあり、図13に示
されるように、内周端面の角度が外周端面の角度よりも
大きい場合、ロータが90度回る間に生ずるコギングト
ルクは、0.0164[N・m]であり、図14に示さ
れるように、内周端面の角度が外周端面の角度と等しい
場合、ロータが90度回る間に生ずるコギングトルク
は、0.0178[N・m]であった。上記の問題点を
解決するため、特許第2938267号に記載されるよ
うにして、永久磁石の両端での磁束密度分布の立ち上が
り及び立ち下がり領域の変極点位置を設定するようにし
たものもあるが、4極22スロットEPS用モータなど
には適用できずに、コギングトルクの大幅な減少を図れ
ないという欠点があった。
【0004】
【発明の目的】この発明は、出力低下を招くことなくコ
ギングトルクの大幅な減少を図れる回転電機を提供する
ことを目的としている。
【0005】
【発明の構成】
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に係
わる回転電機では、永久磁石よりなり、外周側に配置さ
れる外周端面と、内周側に配置される内周端面とをも
ち、内周端面の端部にエッジが形成されたマグネット
と、アーマチュアコイルが巻回されるティースの間にス
ロットがそれぞれ形成され、マグネットの内周部に回転
可能に配置されたロータとを備え、マグネットは、エッ
ジ間角度をθとし、エッジ間角度θでのスロットのかぶ
り量の自然数をnとし、スロット間角度をSとし、スロ
ットの開口部角度をθ1とし、巻線ピッチをPcとし
て、θ=n×S+2×θ1/Pcまたは、θ=n×S−
2×θ1/Pcにより得られた値にエッジ間角度が選ば
れている構成としたことを特徴としている。
【0007】この発明の請求項2に係る回転電機では、
永久磁石よりなり、外周側に配置される外周端面と、内
周側に配置される内周端面とをもち、内周端面の端部に
エッジが形成された4個のマグネットと、アーマチュア
コイルが巻回されるティースの間に22個のスロットが
それぞれ形成され、マグネットの内周部に回転可能に配
置されたロータとを備え、マグネットは、エッジ間角度
をθとし、エッジ間角度θでのスロットのかぶり量の自
然数をnとし、スロット間角度をSとし、スロットの開
口部角度をθ1とし、巻線ピッチをPcとし、外周端面
の角度が内周端面の角度よりも大きい場合、θ=n×S
−2×θ1/Pcにより得られた値にエッジ間角度が選
ばれている構成としたことを特徴としている。
【0008】この発明の請求項3に係る回転電機では、
マグネットは、外周端面の角度が内周端面の角度に等し
い場合、θ=n×S+2×θ1/Pcにより得られた値
にエッジ間角度が選ばれている構成としたことを特徴と
している。
【0009】この発明の請求項4に係る回転電機では、
永久磁石よりなり、外周側に配置される外周端面と、内
周側に配置される内周端面とをもち、内周端面の端部に
エッジが形成された2個のマグネットと、アーマチュア
コイルが巻回されるティースの間に12個のスロットが
それぞれ形成され、マグネットの内周部に回転可能に配
置されたロータとを備え、マグネットは、エッジ間角度
をθとし、エッジ間角度θでのスロットのかぶり量の自
然数をnとし、スロット間角度をSとし、スロットの開
口部角度をθ1とし、巻線ピッチをPcとし、外周端面
の角度が内周端面の角度よりも大きい場合、θ=n×S
−2×θ1/Pcにより得られた値にエッジ間角度が選
ばれている構成としたことを特徴としている。
【0010】この発明の請求項5に係る回転電機では、
マグネットは、外周端面の角度が内周端面の角度に等し
い場合、θ=n×S+2×θ1/Pcにより得られた値
にエッジ間角度が選ばれている構成としたことを特徴と
している。
【0011】
【発明の作用】回転電機において、マグネットのエッジ
間角度θの端部におけるマグネット変極点のうち、入口
側のマグネット変極点付近では、ロータの回転方向と逆
方向のコギングトルクが発生し、これとは逆に、出口側
のマグネット変極点付近では、ロータの回転方向と同方
向のコギングトルクが発生することが知られている。こ
の発明に係わる回転電機では、ロータのスロット位置
と、マグネットの変極点位置との間の位置関係に鑑み、
マグネットのエッジ間角度θが、エッジ間角度θでのス
ロットのかぶり量の自然数n、スロット間角度S、スロ
ットの開口部角度θ1、巻線ピッチPc、との関係から
設定されることによって、マグネットの入口側と出口側
とで相反する方向に発生するコギングトルクが同時的に
生まれることにより相殺し合うものとなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
【0013】
【実施例】図1ないし図4には、この発明に係わる回転
電機の第1実施例が示されている。図示される回転電機
1は、マグネット2、ロータ3、ヨーク4、コンミュテ
ータ5からなる。この場合、ロータ3は鉄芯のみが示さ
れ、アーマチュア軸、アーマチュアコイル、ブラシ等の
本発明の主要部とは直接関係のない部品については図示
されない。
【0014】第1実施例での回転電機1は、4極22ス
ロットの直流モータである。マグネット2は、永久磁石
よりなる。マグネット2の外周側には、ヨーク4の内周
面に当接される外周端面2aが形成されている。マグネ
ット2の内周側には、ロータ3の外側に非接触に配置さ
れる内周端面2bが形成されている。内周端面2bの端
部には、エッジ2b1,2b2がそれぞれ形成されてい
る。このとき、外周端面2aの角度θwは、内周端面2
bのエッジ2b1,2b1間の角度θよりも大きい(θ
<θw)。エッジ2b1,2b1は、面取り部2b2,
2b2と内周端面2bとの間に配置される。このマグネ
ット2では、エッジ2b1,2b1間の角度θの端部が
それぞれマグネット変極点となる。
【0015】ロータ3には、アーマチュアコイルが巻回
されるティース3aの間に22個のスロット3bがそれ
ぞれ形成されている。それぞれのスロット3b間の角度
Sは「360/22度」である。スロット3bの開口部角
度θ1は「4.544度」である。このとき、図2に示さ
れるように、コンミュテータ5と、スロット3bとに
は、第1のコンミュテータ片5a、第1のスロット3b
1、第6のスロット3b6、第2のコンミュテータ片5
b、第2のスロット3b2、第7のスロット3b7、第
3のコンミュテータ片5cの順に全節巻きでアーマチュ
アコイルが巻回されるため、巻線ピッチPcは「5」とな
る。そして、マグネット2のエッジ間角度θ内でスロッ
ト3bが重なり合っているスロットかぶり量の自然数n
は「4」となる。このとき、スロット3bの中心線をマグ
ネット2のマグネット変極点に一致させると、コギング
トルクのピーク値は、角度αだけずれた位置になる。つ
まり、マグネット2では、外周端面2aの角度θwが内
周端面2bのエッジ2b1,2b1間の角度θよりも大
きいので、コギングトルクが発生する位置間の角度が、
マグネット2の変極点間角度よりも大きくなる。入口側
と出口側のマグネット変極点付近で発生するコギングト
ルク間角度θtは、θt=n×s+2αとなる。
【0016】このような回転電機1では、ロータ3のス
ロット3bの位置と、マグネット2の変極点位置との間
の位置関係に鑑み、外周端面2aの角度θwが内周端面
2bの角度θよりも大きいため、マグネット2のエッジ
間角度θは、 θ=n×S−2×θ1/Pc により設定される。このとき、スロットかぶり量の自然
数n=4、スロット3b間角度S=360/22度、ス
ロット3bの開口部角度θ1=4.544度、巻線ピッ
チPc=5であるから、これらを代入すると、 θ=4×(360/22)−2×4.544/5=6
3.637[度] となり、内周端面2bのエッジ2b1,2b1間の角度
θが63.637度であるマグネット2が用いられる。
その結果、スロット3bの中心線とコギングトルク発生
位置とのずれ角度αが限りなく「0」に近づいたものと
なり、入口側と出口側のマグネット変極点付近で発生す
るコギングトルク間角度θtは、θt=n×sとなっ
て、マグネット2の入口側と出口側とで相反する方向に
発生するコギングトルクが同時的に生まれ、図3に示さ
れるロータ3が90度回る間においての、位相0度、1
6.4度、32.8度、49.2度、65.6度、90
度分のトータル、及び、図4に示されるロータ3が18
0度回る間にそれぞれ発生するコギングトルクは、0.
00219[N・m]となって、図13に示した従来の
ものと比較し、従来の値のほぼ13.3%にまで低減さ
れる。
【0017】図5ないし図7には、この発明に係わる回
転電機の第2実施例が示されている。この第2実施例の
回転電機1は、第1実施例と同様の4極22スロットの
直流モータであるが、マグネット2の形状のみが第1実
施例と異なる。すなわち、このマグネット2では、第1
実施例での面取り部2b2,2b2をもたず、外周端面
2aの角度θwが内周端面2bのエッジ2b1,2b1
間の角度θに略等しい(θ=θw)。ロータ3のスロッ
ト3b間の角度Sは「360/22度」である。スロット
3bの開口部角度θ1は「4.544度」である。図2と
同様にして、巻線ピッチPcは「5」となる。スロット3
bのかぶり量の自然数nは「4」となる。この場合のマグ
ネット2では、外周端面2aの角度θwが内周端面2b
のエッジ2b1,2b1間の角度θに略等しいので、コ
ギングトルクが発生する位置間の角度が、マグネット2
の変極点間角度よりも小さくなる。入口側と出口側のマ
グネット変極点付近で発生するコギングトルク間角度θ
tは、θt=n×s−2αとなる。
【0018】このような回転電機1では、外周端面2a
の角度θwが内周端面2bの角度θに略等しいため、マ
グネット2のエッジ間角度θは、 θ=n×S+2×θ1/Pc により設定される。このとき、スロットかぶり量の自然
数n=4、スロット3b間角度S=360/22度、ス
ロット3bの開口部角度θ1=4.544度、巻線ピッ
チPc=5であるから、これらを代入すると、 θ=4×(360/22)+2×4.544/5=6
7.272[度] となり、内周端面2bのエッジ2b1,2b1間の角度
θが67.272度であるマグネット2が用いられる。
その結果、スロット3bの中心線とコギングトルク発生
位置とのずれ角度αが限りなく「0」に近づいたものと
なり、入口側と出口側のマグネット変極点付近で発生す
るコギングトルク間角度θtは、θt=n×sとなっ
て、マグネット2の入口側と出口側とで相反する方向に
発生するコギングトルクが同時的に生まれ、図6に示さ
れるロータ3が90度回る間においての、位相0度、1
6.4度、32.8度、49.2度、65.6度、90
度分のトータル、及び、図7に示されるロータ3が18
0度回る間にそれぞれ発生するコギングトルクは、0.
00771[N・m]となって、図14に示した従来の
ものと比較し、従来の値のほぼ43.2%にまで低減さ
れる。
【0019】図8ないし図10には、この発明に係わる
回転電機の第3実施例が示されている。この第3実施例
の回転電機1は、2極12スロットの直流モータであ
る。第1実施例と同様に、マグネット2の外周端面2a
の角度θwは、内周端面2bのエッジ2b1,2b1間
の角度θよりも大きい(θ<θw)。ロータ3には、テ
ィース3aの間に12個のスロット3bがそれぞれ形成
されている。それぞれのスロット3b間の角度Sは「3
60/12度」である。スロット3bの開口部角度θ1
は「5.732度」である。この場合、図9に示されるよ
うに、アーマチュアコイルは短節巻で鉄芯に巻回されて
おり、巻線ピッチPcは「5」となる。スロットかぶり量
の自然数nは「5」となる。マグネット2では、外周端面
2aの角度θwが内周端面2bのエッジ2b1,2b1
間の角度θよりも大きいので、コギングトルクが発生す
る位置間の角度が、マグネット2の変極点間角度よりも
大きくなる。入口側と出口側のマグネット変極点付近で
発生するコギングトルク間角度θtは、θt=n×s+
2αとなる。
【0020】このような回転電機1では、外周端面2a
の角度θwが内周端面2bの角度θよりも大きいため、
マグネット2のエッジ間角度θは、 θ=n×S−2×θ1/Pc により設定される。このとき、スロットかぶり量の自然
数n=5、スロット3b間角度S=360/12度、ス
ロット3bの開口部角度θ1=5.732度、巻線ピッ
チPc=5であるから、これらを代入すると、 θ=5×(360/12)−2×5.732/5=14
7.71[度] となり、内周端面2bのエッジ2b1,2b1間の角度
θが147.71度であるマグネット2が用いられる。
その結果、スロット3bの中心線とコギングトルク発生
位置とのずれ角度αが限りなく「0」に近づいたものと
なり、入口側と出口側のマグネット変極点付近で発生す
るコギングトルク間角度θtは、θt=n×sとなっ
て、マグネット2の入口側と出口側とで相反する方向に
発生するコギングトルクが同時的に生まれ、図10に示
されるロータ3が180度回る間にそれぞれ発生するコ
ギングトルクは、0.0041[N・m]となって、従
来のものでの0.0161[N・m]と比較し、従来の
値のほぼ25.5%にまで低減される。
【0021】図11及び図12には、この発明に係わる
回転電機の第4実施例が示されている。この第4実施例
の回転電機1は、第3実施例と同様の2極12スロット
の直流モータであるが、マグネット2の形状のみが第3
実施例と異なる。すなわち、このマグネット2では、第
3実施例での面取り部2b2,2b2をもたず、外周端
面2aの角度θwが内周端面2bのエッジ2b1,2b
1間の角度θに略等しい(θ=θw)。ロータ3のスロ
ット3b間の角度Sは「360/12度」である。スロッ
ト3bの開口部角度θ1は「5.732度」である。図9
と同様にして、巻線ピッチPcは「5」となる。スロット
かぶり量の自然数nは「5」となる。マグネット2では、
外周端面2aの角度θwが内周端面2bのエッジ2b
1,2b1間の角度θに略等しいので、コギングトルク
が発生する位置間の角度が、マグネット2の変極点間角
度よりも小さくなる。入口側と出口側のマグネット変極
点付近で発生するコギングトルク間角度θtは、θt=
n×s−2αとなる。
【0022】このような回転電機1では、外周端面2a
の角度θwが内周端面2bの角度θに略等しいため、マ
グネット2のエッジ間角度θは、 θ=n×S+2×θ1/Pc により設定される。このとき、スロットかぶり量の自然
数n=5、スロット3b間角度S=360/12度、ス
ロット3bの開口部角度θ1=5.732度、巻線ピッ
チPc=5であるから、これらを代入すると、 θ=5×(360/12)+2×5.732/5=15
2.29[度] となり、内周端面2bのエッジ2b1,2b1間の角度
θが152.29度であるマグネット2が用いられる。
その結果、スロット3bの中心線とコギングトルク発生
位置とのずれ角度αが限りなく「0」に近づいたものと
なり、入口側と出口側のマグネット変極点付近で発生す
るコギングトルク間角度θtは、θt=n×sとなっ
て、マグネット2の入口側と出口側とで相反する方向に
発生するコギングトルクが同時的に生まれ、図12に示
されるロータ3が180度回る間にそれぞれ発生するコ
ギングトルクは、0.00532[N・m]となって、
従来のものでの0.0161[N・m]と比較し、従来
の値のほぼ33.1%にまで低減される。
【0023】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明に係
わる回転電機によれば、マグネットのエッジ間角度θ
が、エッジ間角度θでのスロットのかぶり量の自然数
n、スロット間角度S、スロットの開口部角度θ1、巻
線ピッチPc、との関係から設定されることによって、
マグネットの入口側と出口側とで相反する方向に発生す
るコギングトルクが同時的に生まれることにより相殺し
合うものとなる。よって、出力低下を招くことなくコギ
ングトルクの大幅な減少を図れ、その結果、振動や騒音
の低減、回転トルク変動の低減、精密な位置決め、起動
電流の減少が図れるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わる回転電機の第1実施例の一部
破断正面図である。
【図2】図1に示した回転電機においての巻線ピッチを
説明する模式図である。
【図3】図1に示した回転電機においてロータが90度
回転する間での位相毎のコギングトルクの特性図であ
る。
【図4】図1に示した回転電機においてロータが180
度回転する間で合成されたコギングトルクの特性図であ
る。
【図5】この発明に係わる回転電機の第2実施例の一部
破断正面図である。
【図6】図5に示した回転電機においてロータが90度
回転ずる間での位相毎のコギングトルクの特性図であ
る。
【図7】図5に示した回転電機においてロータが180
度回転する間で合成されたコギングトルクの特性図であ
る。
【図8】この発明に係わる回転電機の第3実施例の一部
破断正面図である。
【図9】図8に示した回転電機においての巻線ピッチを
説明する模式図である。
【図10】図8に示した回転電機においてロータが18
0度回転する間で合成されたコギングトルクの特性図で
ある。
【図11】この発明に係わる回転電機の第4実施例の一
部破断正面図である。
【図12】図11に示した回転電機においてロータが1
80度回転する間で合成されたコギングトルクの特性図
である。
【図13】第1実施例に対応した従来の回転電機におい
てロータが90度回転する間での位相毎のコギングトル
クの特性図である。
【図14】第2実施例に対応した従来の回転電機におい
てロータが90度回転する間での位相毎のコギングトル
クの特性図である。
【符号の説明】
1 回転電機 2 マグネット 2a 外周端面 2b 内周端面 2b1 エッジ 3 ロータ 3a ティース 3b スロット

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 永久磁石よりなり、外周側に配置される
    外周端面と、内周側に配置される内周端面とをもち、前
    記内周端面の端部にエッジが形成されたマグネットと、 アーマチュアコイルが巻回されるティースの間にスロッ
    トがそれぞれ形成され、前記マグネットの内周部に回転
    可能に配置されたロータとを備え、 前記マグネットは、エッジ間角度をθとし、エッジ間角
    度θでのスロットのかぶり量の自然数をnとし、スロッ
    ト間角度をSとし、スロットの開口部角度をθ1とし、
    巻線ピッチをPcとして、 θ=n×S+2×θ1/Pc または、 θ=n×S−2×θ1/Pc により得られた値にエッジ間角度が選ばれていることを
    特徴とする回転電機。
  2. 【請求項2】 永久磁石よりなり、外周側に配置される
    外周端面と、内周側に配置される内周端面とをもち、前
    記内周端面の端部にエッジが形成された4個のマグネッ
    トと、 アーマチュアコイルが巻回されるティースの間に22個
    のスロットがそれぞれ形成され、前記マグネットの内周
    部に回転可能に配置されたロータとを備え、 前記マグネットは、エッジ間角度をθとし、エッジ間角
    度θでのスロットのかぶり量の自然数をnとし、スロッ
    ト間角度をSとし、スロットの開口部角度をθ1とし、
    巻線ピッチをPcとし、前記外周端面の角度が前記内周
    端面の角度よりも大きい場合、 θ=n×S−2×θ1/Pc により得られた値にエッジ間角度が選ばれていることを
    特徴とする回転電機。
  3. 【請求項3】 永久磁石よりなり、外周側に配置される
    外周端面と、内周側に配置される内周端面とをもち、前
    記内周端面の端部にエッジが形成された4個のマグネッ
    トと、 アーマチュアコイルが巻回されるティースの間に22個
    のスロットがそれぞれ形成され、前記マグネットの内周
    部に回転可能に配置されたロータとを備え、 前記マグネットは、エッジ間角度をθとし、エッジ間角
    度θでのスロットのかぶり量の自然数をnとし、スロッ
    ト間角度をSとし、スロットの開口部角度をθ1とし、
    巻線ピッチをPcとし、前記外周端面の角度が前記内周
    端面の角度に等しい場合、 θ=n×S+2×θ1/Pc により得られた値にエッジ間角度が選ばれていることを
    特徴とする回転電機。
  4. 【請求項4】 永久磁石よりなり、外周側に配置される
    外周端面と、内周側に配置される内周端面とをもち、前
    記内周端面の端部にエッジが形成された2個のマグネッ
    トと、 アーマチュアコイルが巻回されるティースの間に12個
    のスロットがそれぞれ形成され、前記マグネットの内周
    部に回転可能に配置されたロータとを備え、 前記マグネットは、エッジ間角度をθとし、エッジ間角
    度θでのスロットのかぶり量の自然数をnとし、スロッ
    ト間角度をSとし、スロットの開口部角度をθ1とし、
    巻線ピッチをPcとし、前記外周端面の角度が前記内周
    端面の角度よりも大きい場合、 θ=n×S−2×θ1/Pc により得られた値にエッジ間角度が選ばれていることを
    特徴とする回転電機。
  5. 【請求項5】 永久磁石よりなり、外周側に配置される
    外周端面と、内周側に配置される内周端面とをもち、前
    記内周端面の端部にエッジが形成された2個のマグネッ
    トと、 アーマチュアコイルが巻回されるティースの間に12個
    のスロットがそれぞれ形成され、前記マグネットの内周
    部に回転可能に配置されたロータとを備え、 前記マグネットは、エッジ間角度をθとし、エッジ間角
    度θでのスロットのかぶり量の自然数をnとし、スロッ
    ト間角度をSとし、スロットの開口部角度をθ1とし、
    巻線ピッチをPcとし、前記外周端面の角度が前記内周
    端面の角度に等しい場合、 θ=n×S+2×θ1/Pc により得られた値にエッジ間角度が選ばれていることを
    特徴とする回転電機。
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