JP2005168208A - 回転電機のステータ構造 - Google Patents

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Yuji Goto
裕二 後藤
Yuki Nakajima
祐樹 中島
Masakazu Kobayashi
正和 小林
Jun Watanabe
純 渡辺
Takashi Kato
崇 加藤
Yukihiro Nishiyama
幸広 西山
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Abstract

【課題】分割コアの位置決めが簡単でかつ部品点数や組立工程を少なくでき、加工時間も掛からず、十分な抜熱および小型化を達成することができる回転電機のステータ構造を提供する。
【解決手段】複数の積層コア204を放射状に配置してなるステータ101と、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造において、軸方向に多数の柱状部材202をくし歯状に設けてなる円筒状のフレーム201を、その柱状部材が積層コアの外径側に位置するよう設置し、フレームの柱状部材間に積層コアの頭部205を固定してステータを構成する。
【選択図】図5

Description

本発明は、複数の積層コアを放射状に配置してなるステータと、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造に関するものである。
従来、円筒状のステータを挟み、内外周にアウターロータ及びインナーロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、アウターロータとインナーロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている(例えば、特許文献1参照)。この種の回転電機におけるステータ構造としては、円板状の固定部材間に、ステータティースにコイルを巻回して構成される分割コアを、円周方向に複数個配置し、樹脂モールドで固定した構造がとられていた。
特開2001−78408号公報
上述した従来の複軸多層構造を有する回転電機では、固定部材に対する複数の分割コアの位置決めが難しいとともに、位置決めのためのピン等の部材が必要となり、部品点数や組立工程が多くなり、その結果、コストが高くなるという問題があった。また、複数の積層コア間の軸方向長さを揃える必要があり、加工時間が掛かるという問題もあった。さらに、樹脂モールドでは十分な抜熱は困難であり、高出力化するためには回転電機が大型化するという問題もあった。
本発明の目的は上述した問題点を解消して、分割コアの位置決めが簡単でかつ部品点数や組立工程を少なくでき、加工時間も掛からず、十分な抜熱および小型化を達成することができる回転電機のステータ構造を提供しようとするものである。
本発明の回転電機のステータ構造は、複数の積層コアを放射状に配置してなるステータと、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造において、軸方向に多数の柱状部材をくし歯状に設けてなる円筒状のフレームを、その柱状部材が積層コアの外径側に位置するよう設置し、フレームの柱状部材間に積層コアの頭部を固定してステータを構成したことを特徴とするものである。
本発明の回転電機のステータ構造においては、軸方向に多数の柱状部材をくし歯状に設けてなる円筒状のフレームを、その柱状部材が積層コアの外径側に位置するよう設置し、フレームの柱状部材間に積層コアの頭部を固定してステータを構成しているので、積層コアの位置決めを簡単にすることができ、しかも、部品点数や組立工程を少なくでき、結果として、低コスト化を達成することができる。
なお、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、積層コアの内径側を何らかの手段で固定した状態で、積層コア間に位置するフレームの柱状部材を押圧するよう構成することができる。このように構成すれば、積層コアの円周方向の移動をより効果的に抑制することができる。
また、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、フレームの柱状部材を積層コアの外径側において同軸で二重に構成し、外側の柱状部材を積層コアの頭部の内側に設けた肩部における外側の部分に接するよう構成するとともに、内側の柱状部材を積層コアの頭部の内側に設けた肩部における内側の部分に接するよう構成することができる。このように構成すれば、巻き線を巻くティースの部分が内径側で開放状態であるため、積層コアの巻き線を積層コアをフレームに装着した後から配設可能となり、組立工程を簡略化できる。
さらに、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、フレームの柱状部材を積層コアの外径側と内径側とにおいて同軸で二重に構成し、外側の柱状部材を積層コアの頭部の内側に設けた肩部における外側の部分に接するよう構成するとともに、内側の柱状部材を積層コアの内径側に設けた肩部における内側の部分に接するよう構成することができる。このように構成すれば、積層コアの両端部を固定することとなるため、より大きなトルク反力を受けることができる。
さらにまた、本発明のステータ構造の好適例においては、フレームを構成する二重の柱状部材において、開放された外側の柱状部材の端部と内側の柱状部材の端部とを、絶縁体で接続した構造体とすることができる。このように構成すれば、電気的特性に優れ、より強固なステータ構造を得ることができる。
また、本発明のステータ構造の好適例においては、柱状部材の端部における中央部に凹部を設け、両端部の柱状部材の長さが中央部の柱状部材の長さよりも長く構成し、フレームに積層コアを配置した後、両端部の柱状部材を内側に折り曲げながらカシメることで積層コアを固定することができる。このように構成すれば、積層コアの軸方向の動きを規制することができる。
さらに、本発明のステータ構造の好適例においては、フレームの少なくとも積層コアとの接触部に、電気的絶縁コーティングが施されていること構成をとることができ、フレームの軸方向の一端にネジ部を設け、このネジ部を、樹脂成形時の金型への固定用、および、ステータのユニットケースへの固定用、に兼用することができ、フレームは、1枚のプレス鋼板から打ち抜かれた素材を深絞りして成形したもので構成することができる。いずれの場合も本発明のステータ構造をより好適に実施することができる。
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図1は本発明のステータ構造を備える回転電機の一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。なお、以下に説明する複軸多層モータはその基本的な構成を説明するためのものであり、本発明の特徴部分については、後に詳細に説明する。図1において、Eはエンジン、Mは複軸多層モータ、Gはラビニョウ型複合遊星歯車列、Dは駆動出力機構、1はモータカバー、2はモータケース、3はギヤハウジング、4はフロントカバーである。
前記エンジンEは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸5とラビニョウ型複合遊星歯車列Gの第2リングギヤR2とは、回転変動吸収ダンパー6及び多板クラッチ7を介して連結されている。
前記複軸多層モータMは、外観的には1つのモータであるが2つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータMは、前記モータケース2に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータSと、前記ステータSの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータSの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRに固定の第1モータ中空軸8は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Gの第1サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORに固定の第2モータ軸9は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Gの第2サンギヤS2に連結されている。
前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Gは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Gは、互いに噛み合う第1ピニオンP1と第2ピニオンP2を支持する共通キャリヤCと、第1ピニオンP1に噛み合う第1サンギヤS1と、第2ピニオンP2に噛み合う第2サンギヤS2と、第1ピニオンP1に噛み合う第1リングギヤR1と、第2ピニオンP2に噛み合う第2リングギヤR2との5つの回転要素を有して構成されている。前記第1リングギヤR1とギヤハウジング3との間には多板ブレーキ10が介装されている。前記共通キャリヤCには、出力ギヤ11が連結されている。
前記駆動出力機構Dは、出力ギヤ11と、第1カウンターギヤ12と、第2カウンターギヤ13と、ドライブギヤ14と、ディファレンシャル15と、ドライブシャフト16,16により構成されている。そして、出力ギヤ11からの出力回転及び出力トルクは、第1カウンターギヤ12→第2カウンターギヤ13→ドライブギヤ14→ディファレンシャル15を経過し、ドライブシャフト16,16から図外の駆動輪へ伝達される。
すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第2リングギヤR2とエンジン出力軸5を連結し、前記第1サンギヤS1と第1モータ中空軸8とを連結し、前記第2サンギヤS2と第2モータ軸9とを連結し、前記共通キャリヤCに出力ギヤ11を連結することにより構成されている。
図2は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明の対象となる複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明の積層コア構造を適用することができる。図2に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ101と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線O上にて回転自在に配置したインナーロータ102およびアウターロータ103とよりなる三重構造とし、これらをハウジング104内に収納して構成する。
ここにおけるインナーロータ102およびアウターロータ103はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア124,125を具え、これら積層コア124,125に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ102とアウターロータ103とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ102とアウターロータ103で同一であり、12個ずつであるが、インナーロータ102は2個の磁石で1極を成しているため、極対数としては3極対となり、アウターロータ103は1個の磁石で1極を成しているため、極対数としては6極対となる。
そしてハウジング104内へのインナーロータ102およびアウターロータ103の収納に当たっては、アウターロータ103は、積層コア125の外周にトルク伝達シェル105を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル105の両端をそれぞれベアリング107,108によりハウジング104に回転自在に支持し、トルク伝達シェル105をベアリング107の側でアウターロータシャフト109に結合する。
インナーロータ102は積層コア124の中心に、内部に上記アウターロータシャフト109を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト110を貫通して具え、これらインナーロータ102の積層コア124およびインナーロータシャフト110間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト110の中間部をベアリング112により、固定のステータブラケット113内に回転自在に支持し、一端部(図1では左端部)をベアリング114によりトルク伝達シェル105の対応端壁に回転自在に支持する。
ステータ101は、電磁鋼板をプレス成形して造ったI字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータティースを具える。個々のステータティースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図2に示す如く電磁コイル117を巻線し、これらコイル巻線済のステータティースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット113,118間に何らかの手段で挟持すると共に全体的に樹脂120でモールドすることにより一体化してステータ101を構成する。
本発明のステータ構造の特徴は、ステータティースからなる積層コアを固定する手段にある。この特徴については、後に詳細に説明する。
なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ148および回転センサ147が検出するインナーロータ102およびアウターロータ103の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ102,103用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ101の電磁コイル117に供給し、これにより両ロータ102,103用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ102,103を個別に回転駆動させることができる。
次に、上述した構成の複軸多層モータにおいて、複数の積層コアから構成されるステータ101として利用できる本発明のステータ構造について説明する。
図3〜図5はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造の一例を説明するための図である。図3(a)〜(c)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造に用いるフレームの一例を示す斜視図、側面図およびA−A線に沿った断面図である。図3(a)〜(c)に示すように、本発明の回転電機のステータ構造で用いる円筒状のフレーム201は、軸方向に多数の柱状部材202をくし歯状に設け、それら柱状部材202の一端をフレーム本体203で一体とした構成となっている。後ほど説明するように、本例において、柱状部材202の直径は積層コアの頭部が並ぶ位置の直径とほぼ同じ大きさとし、柱状部材202間の間隔は積層コアの頭部間に丁度はまり込む大きさとしている。ここで、円筒状のフレーム201はプレス成形したプレスフレームであることが好ましい。
図4はフレーム201を使用して積層コア204を固定する方法の一例を説明するための図である。図4に示すように、円筒状のフレーム201の柱状部材202を、積層コア204の外径側に位置させ、しかも、積層コア204の頭部205とこの頭部205の内径側に設けた肩部206との間にはまり込むよう構成することで、複数の積層コア204をその頭部で固定している。その後、必要に応じて、例えば治具207を積層子1204の内径側に挿入して積層コア204の内径側を固定した状態で、積層コア204間に位置するフレーム201の柱状部材202を押圧して、内側に向かって凹状になるよう成形する。これにより、柱状部材202は積層コア204の肩部206の外径側の面にならって凹状となり、より強固な積層コア204の固定が可能となる。
なお、図4に示すように、積層コア204の頭部205を柱状部材202より外側に露出させると、磁気効率を向上させることができ好ましい。また、本例及び以下に記載する例において、フレーム201の、少なくとも積層コア204との接触部には、電気的絶縁コーティングが施されていることが好ましい。
図5は図4に示す方法で積層コア204を固定してなるステータ101の一例を示す図である。図3〜図5に示す例では、軸方向に多数の柱状部材202をくし歯状に設けてなる円筒状のフレーム201を、その柱状部材202が積層コア204の外径側に位置するよう設置し、フレーム201の柱状部材202間に積層コア204の頭部205を固定してステータ101を構成しているので、積層コア204の位置決めを簡単にすることができ、しかも、部品点数や組立工程を少なくでき、結果として、低コスト化を達成することができる。また、コイル208を巻く積層コア204のティース209の部分が内径側で開放状態であるため、積層コア204のコイル208を積層コア204をフレーム202に装着した後から配設可能となり、組立工程をさらに簡略化できる。
図6〜図8はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造の他の例を説明するための図である。図6(a)、(b)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造に用いるフレームの他の例を示す断面図である。図6(a)、(b)に示すように、本例のフレーム201では、フレーム201の柱状部材202を、積層コア204の外径側に位置する箇所において同軸で二重、すなわち、外側の柱状部材202−1と内側の柱状部材202−2とから二重に構成している。
そして、図7に示すように、複数の積層コア204を固定するに際し、外側の柱状部材202−1を、積層コア204の頭部205の内側に設けた肩部206における外側の部分に接するよう構成する。また、内側の柱状部材202−2を、積層コア204の頭部205の内側に設けた肩部206における内側の部分に接するよう構成する。これにより、複数の積層コア204のそれぞれの頭部を、外側の柱状部材202−1と内側の柱状部材202−2とにより固定している。
図8は図7に示す方法で積層コア204を固定してなるステータ101の一例を示す図である。図6〜図8に示す例では、積層コア204の頭部205を外側の柱状部材202−1と内側の柱状部材202−2とにより固定しているため、上述した例と比べて積層コア204をより強固に固定できる。また、上述した例と同様に、コイル208を巻く積層コア204のティース209の部分が内径側で開放状態であるため、積層コア204のコイル208を積層コア204をフレーム202に装着した後から配設可能となり、組立工程をさらに簡略化できる。
図9〜図11はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。図9(a)、(b)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造に用いるフレームのさらに他の例を示す断面図である。図9(a)、(b)に示すように、本例のフレーム201では、フレーム201の柱状部材202を、積層コア204の外径側と内径側とにおいて同軸で二重、すなわち、外径側の柱状部材202−1と内径側の柱状部材202−2とから二重に構成している。
そして、図10に示すように、複数の積層コア204を固定するに際し、外径側の柱状部材202−1を積層コア204の頭部205の内側に設けた肩部206における外側の部分に接するよう構成する。また、内径側の柱状部材202−2を積層コア204の内径側に設けた肩部210における内側の部分に接するよう構成する。これにより、複数の積層コア204を、外径側の柱状部材202−1と内径側の202−2とにより固定している。
図11は図10に示す方法で積層コア204を固定してなるステータ101の一例を示す図である。図9〜図10に示す例では、上述した例と比べて外径側の柱状部材202−1と内径側の柱状部材202−2との間隔が大きいため、上述した例と比べてステータ101がより大きなトルク反力を受けることが出来る。
図12は本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。本例では、図9〜図11に示したように、積層コア204を外径側の柱状部材202−1と内径側の柱状部材202−2で固定した構造において、開放された外径側の柱状部材202−1の端部と内径側の柱状部材202−2の端部とを、円環形状の絶縁体211で接続して、ステータ101を構成している。このように構成すれば、電気的特性に優れ、より強固なステータ構造を得ることができる。
図13(a)〜(c)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。本例では、図13(a)に示すように、柱状部材202−1(ここでは外側の柱状部材202−1のみ示すが内側の柱状部材202−2も同じ構造である)の端部における中央部に凹部を設け、柱状部材202−1の端部における両側に形成された突出部212の長さが中央部の長さよりも長くなるようにして、フレーム201を構成する。そして、図13(b)に示すように、フレーム201に積層コア204を配置した後、図13(c)に示すように、端部の両側に設けた突出部212を内側に折り曲げながらカシメることで、積層コア204を固定する。このように構成すれば、積層コア204の軸方向の動きを規制することができる。
図14は本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。本例では、フレーム201の軸方向の一端に貫通孔からなるネジ部213を設け、このネジ部213を、樹脂成形時の金型への固定用、および、ステータのユニットケースへの固定用、に兼用する。固定に際しては、ネジ部213を介してボルト214とナット215を結合することにより、他の部材216に固定している。
図15(a)〜(c)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。図15(a)に示す例では、フレーム201を、1枚のプレス鋼板から打ち抜かれた素材を、深絞りして成形している。図15(b)に示す例では、フレーム201は、外周側のフレーム201−1と内周側のフレーム201−2とに分割されており、積層コア204をカシメた後、フレーム201−1と201−2との接合部217を溶接している。図15(c)に示す例では、積層コア204の肩部206にカシメ用の凹形状の溝部218が設けられており、この溝部218において柱状部材202をカシメる構造をとっている。いずれも本発明の好適例となる。
本発明の回転電機のステータ構造は、内外にロータを有し、ロータ間にステータを有する3層構造の回転電機において、分割コアの位置決めが簡単でかつ部品点数や組立工程を少なくでき、加工時間も掛からず、十分な抜熱および小型化を達成することが必要な用途に好適に使用することができる。
複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。 ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、本発明のステータ構造の対象となる複軸多層モータを示す縦断側面図である。 (a)〜(c)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造に用いるフレームの一例を示す斜視図、側面図およびA−A線に沿った断面図である。 フレームを使用して積層コアを固定する方法の一例を説明するための図である。 図4に示す方法で積層コアを固定してなるステータの一例を示す図である。 (a)、(b)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造に用いるフレームの一例を示す側面図およびA−A線に沿った断面図である。 フレームを使用して積層コアを固定する方法の一例を説明するための図である。 図7に示す方法で積層コアを固定してなるステータの一例を示す図である。 (a)、(b)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造に用いるフレームの一例を示す側面図およびA−A線に沿った断面図である。 フレームを使用して積層コアを固定する方法の一例を説明するための図である。 図10に示す方法で積層コアを固定してなるステータの一例を示す図である。 本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。 (a)〜(c)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。 本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。 (a)〜(c)はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。
符号の説明
101 ステータ
102 インナーロータ
103 アウターロータ
201、201−1、201−2 フレーム
202、202−1、202−2 柱状部材
203 フレーム本体
204 積層コア
205 頭部
206、210 肩部
207 治具
208 コイル
209 ティース
211 絶縁体
212 凸部
213 ネジ部
214 ボルト
215 ナット
216 部材
217 接合部
218 溝部

Claims (9)

  1. 複数の積層コアを放射状に配置してなるステータと、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造において、軸方向に多数の柱状部材をくし歯状に設けてなる円筒状のフレームを、その柱状部材が積層コアの外径側に位置するよう設置し、フレームの柱状部材間に積層コアの頭部を固定してステータを構成したことを特徴とする回転電機のステータ構造。
  2. 積層コアの内径側を何らかの手段で固定した状態で、積層コア間に位置するフレームの柱状部材を押圧することを特徴とする請求項1に記載の回転電機のステータ構造。
  3. フレームの柱状部材を積層コアの外径側において同軸で二重に構成し、外側の柱状部材を積層コアの頭部の内側に設けた肩部における外側の部分に接するよう構成するとともに、内側の柱状部材を積層コアの頭部の内側に設けた肩部における内側の部分に接するよう構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機のステータ構造。
  4. フレームの柱状部材を積層コアの外径側と内径側とにおいて同軸で二重に構成し、外側の柱状部材を積層コアの頭部の内側に設けた肩部における外側の部分に接するよう構成するとともに、内側の柱状部材を積層コアの内径側に設けた肩部における内側の部分に接するよう構成したことを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機のステータ構造。
  5. フレームを構成する二重の柱状部材において、開放された外側の柱状部材の端部と内側の柱状部材の端部とを、絶縁体で接続した構造体としたことを特徴とする請求項4に記載の回転電機のステータ構造。
  6. 柱状部材の端部における中央部に凹部を設け、両端部の柱状部材の長さが中央部の柱状部材の長さよりも長く構成し、フレームに積層コアを配置した後、両端部の柱状部材を内側に折り曲げながらカシメることで積層コアを固定することを特徴とする請求項11〜5のいずれか1項に記載の回転電機のステータ構造。
  7. フレームの少なくとも積層コアとの接触部に、電気的絶縁コーティングが施されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転電機のステータ構造。
  8. フレームの軸方向の一端にネジ部を設け、このネジ部を、樹脂成形時の金型への固定用、および、ステータのユニットケースへの固定用、に兼用することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の回転電機のステータ構造。
  9. フレームを、1枚のプレス鋼板から打ち抜かれた素材を深絞りして成形したもので構成したことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の回転電機のステータ構造。
JP2003404623A 2003-12-03 2003-12-03 回転電機のステータ構造 Pending JP2005168208A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011239626A (ja) * 2010-05-13 2011-11-24 Mitsubishi Electric Corp 回転電機
US10753031B2 (en) 2015-07-21 2020-08-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Washing machine motor and washing machine having same

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