JP2010193555A - 電動機 - Google Patents

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Masami Maruyama
将見 丸山
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Abstract

【課題】コストダウンと小型化を図り、きめ細かな回転速度制御を実現することで電動機特性を向上させた電動機を提供する。
【解決手段】検出マグネット8にはロータマグネット3と同じ着磁極数の位置検出用着磁部8aとそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部8bが設けられ、位置検出用着磁部8bの磁極変化が磁極位置検出部10により検出され、回転検出用着磁部8bの磁極変化がエンコーダ12により検出される。
【選択図】図3

Description

本発明は、ブラシレスモータを用いた電動機に関する。
駆動源として用いられる電動機のうちDCブラシレスモータにおいては、ロータマグネットの磁極位置を検出して励磁切り替え信号を生成するセンサ基板やセンサ用マグネットがシャフトに設けられる。また、電動機の速度制御を行なう速度制御信号を生成するため、磁気検出式若しくは光学検出式のエンコーダがシャフトに設けられる。
電動機の一例について図12乃至図16を参照して説明する。
図12(a)において、シャフト51は両端近傍を電動機ケース52に設けられた軸受部(例えばボールベアリング)53a,53bに回転可能に支持されている。軸受部53aは電動機ケース52の左端部に組み付けられ軸受け押え部材55により軸方向に抜け止めされている。軸受部53bは、軸受保持部材56に組み付けられ、該軸受保持部材56が電動機ケース52の右端部に組み付けられている。
シャフト51には、周方向にN・S極が交互に着磁されたロータマグネット54が一体に組み付けられている。シャフト51を支持する電動機ケース52の一端側(出力側)は軸受押え部材55が組み付けられ、他端側は軸受保持部材56及びカバー57が組み付けられている。
図12(b)において、シャフト51には、ヨーク58が圧入されており、該ヨーク58にはリング状のセンサマグネット59が一体に組み付けられている。センサマグネット59は、周方向にN・S極が交互に着磁されている。図14(a)乃至(c)において、ヨーク58は軸方向に内外周側に起立壁58a,58bが形成されており、センサマグネット59は外周側起立壁58bに沿って一体に組み付けられている(図14(c)参照)。
また、図12(b)において、軸受保持部材56のセンサマグネット59の対向面部(内壁面部)には、センサ基板60が組み付けられている。図14(d)に示すように、センサ基板60には、ホール素子、ホールIC等の磁極位置検出部61が設けられている。磁極位置検出部61によって、ロータ磁極位置を検出して図示しない駆動回路により励磁切り替え信号が生成される。
また、図12(b)において、シャフト51の軸端部には、速度検出マグネット62が組み付けられている。図15(a)〜(d)に示すように速度検出マグネット62は周方向にN・S極が交互に着磁されている。また、軸受保持部材56の外壁面部には、速度検出マグネット62の外周面に対向してエンコーダ63が配置されたエンコーダ基板64が組み付けられている。エンコーダ63に検出された速度信号により図示しない制御部により速度制御信号が生成される。図12(a)に示すように、上記速度検出マグネット62及びエンコーダ基板64は軸受保持部材56及びカバー57に覆われた空間部に設けられている。
図16(a)に示すように、軸受保持部材56の内壁面部側に設けられた磁極位置検出部61は軸方向に対向配置されたセンサマグネット59の磁束変化を検出し、図16(b)に示すように、軸受保持部材56の外壁面部側に設けられたエンコーダ63は径方向に対向配置された速度検出マグネット62の磁束変化を検出するようになっている。
また、図12(a)において、電動機ケース52内には、外周側より径方向内側に向かって突設されたステータ磁極にモータコイル65が巻き付けられたステータコア66が組み付けられている。ステータ磁極の極歯はロータマグネット54と対向するように配置されている。
図13において電動機ケース52に、シャフト51にロータマグネット54、センサマグネット59を支持するヨーク58、軸受部53bが組み付けられたロータが組み付けられ、シャフト51の一端側より軸受部53aが嵌め込まれ、軸受押え部材55がケース開口部へねじ止めされて組み付けられる。また、他端側にはエンコーダ基板64が設けられた軸受保持部材56がケース開口部へねじ止めされて組み付けられる。そして、軸受保持部材56の外側に延設されたシャフト51の軸端に速度検出マグネット62が組み付けられ、カバー57が軸受保持部材56の外壁面を覆うように組み付けられる。
尚、電動機は、メーカーがモータを販売し、ユーザーが用途に応じてモータの制御系を組み付けることが行なわれているため、予め磁気式エンコーダを組み付けるよりも光学式エンコーダを電動機に後付けされることが多い。磁気式エンコーダを用いたブラシレスモータは以下の通りである。
特開平07−59382号公報 特開平07−31116号公報
上述した電動機において、固定子側に磁極位置検出部61を設けたセンサ基板60、エンコーダ63を設けたエンコーダ基板64が設けられ、回転子側にシャフト51にロータマグネット54のほかにセンサ用マグネット59や速度検出マグネット62が設けられており、構造が複雑で、部品点数が多く、製造コストが高くなるとともに軸方向に大型化しやすい。
また、両側を軸受け押え部材55及び軸受保持部材56に閉止された電動機ケース52内において、シャフト51を支持する軸受部53a,53b間に、発熱体であるモータコイル65とセンサ基板60が収納されている。磁極位置検出部61に用いられる例えばホールICの耐熱温度は通常120℃であり高くても150℃までの高温にしか耐えられない。このため、特に高温領域に対して激しい温度変化を伴う過酷な使用環境向けの用途(例えば車両等のエンジン回り)では、磁極位置検出部61の使用可能な温度範囲を超えてしまい、電動機が使用できないおそれが生ずる。
また、センサ用マグネット59は、軸受部53bより径方向外側であるヨーク58の外周側起立壁58bに沿って一体に組み付けられており、マグネット径が軸受部53bの外径より大きくなるため、イナーシャが大きく、電動機の正逆回転切り替えを行なう際に、スムーズな回転切り替え動作が妨げられる。
更には、シャフトに設けられた同一の検出マグネットを用いて磁極位置の検出と電動機の回転速度検出を各々行なうとすれば、同じ着磁極数であるためエンコーダによる分解能の低下から出力精度が低下し、回転速度制御が粗くなって電動機特性が低下する。
また、同一の検出マグネットに異なる着磁磁極を形成するとすれば、着磁装置も複雑になり、製造コストも上昇する。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、コストダウンと小型化を図り、きめ細かな回転速度制御を実現することで電動機特性を向上させた電動機を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
シャフトにロータマグネットが組み付けられて軸受部に回転可能に軸支されたロータと、ステータ磁極にモータコイルが巻かれたステータと、前記ロータマグネットの磁極を検出する磁極位置検出手段と、前記ロータの回転速度を磁気的に検出する速度検出手段とを備えた電動機であって、前記軸受部より軸方向外側に延設された前記シャフトに検出マグネットが一体に組み付けられ、該検出マグネットにはロータマグネットと同じ着磁極数の位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部が設けられ、前記位置検出用着磁部の磁極変化が前記磁極位置検出手段により検出され、前記回転検出用着磁部の磁極変化が前記速度検出手段により検出されることを特徴とする。
また、前記検出マグネットは、磁性材がプレスされてリング状に一体成形され、着磁磁極数の異なる位置検出用着磁部と回転検出用着磁部が各々形成されていることを特徴とする。
また、前記検出マグネットは、磁性材がプレスされて外径の異なる段付リング状に一体成形され、着磁極数の異なる位置検出用着磁部と回転検出用着磁部が各々形成されていることを特徴とする。
また、前記検出マグネットは、位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部に対応するリング状マグネットがモールド樹脂によりインサート成形されていることを特徴とする。
また、前記検出マグネットは、位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部に対応するリング状マグネットが同心状に重ね合わされて若しくは同心状に嵌め込まれて一体に形成されている。
上述した電動機を用いれば、軸受部より軸方向外側に延設されたシャフトに検出マグネットが一体に組み付けられ、検出マグネットの磁極変化をその近傍に配置された磁極位置検出手段と速度検出手段とで各々検出されるので、部品点数の削減を図り構造を簡略化して製造コストが低減できるとともに、電動機を軸方向に小型化することができる。
また、電動機ケースに組み付けられて軸受部を保持する軸受保持部材の軸方向外側に検出マグネットが設けられているので、モータコイルから離れた位置に磁極位置検出手段を設けることができ、当該磁極位置検出手段の耐久温度内の使用環境となるため、過酷な使用環境向けの用途においても使用可能となる。
また、シャフトを支持する軸受部間より外側に検出マグネットを設けることで、軸受部外径より小径の検出マグネットを使用できるため、イナーシャを低減して回転切り替え性能を向上させることができる。
また、検出マグネットにはロータマグネットと同じ着磁極数の位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部が設けられ、位置検出用着磁部の磁極変化が磁極位置検出手段により検出され、回転検出用着磁部の磁極変化が速度検出手段により検出される。よって、速度検出手段として用いられるエンコーダによる分解能が向上しエンコーダ出力精度を向上させてきめ細かな回転速度制御が可能になり、電動機の特性が向上する。
また、検出マグネットは、磁性材がプレスされてリング状もしくは段付リング状に一体成形され、着磁磁極数の異なる位置検出用着磁部と回転検出用着磁部が形成されるので、検出マグネットの製造工程が簡略化できる。
また、検出マグネットは、位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部に対応するリング状マグネットがモールド樹脂によりインサート成形により一体成形されている、或いは位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部に対応するリング状マグネットが同心状に重ね合わされて若しくは同心状に嵌め込まれて一体に形成されていると、着磁装置により位置検出用と回転検出用のマグネットとに分けて着磁される着磁磁極の形成が容易になり組み立ても簡易となるため、製造コストを低減できる。
電動機の断面図である。 図1の軸端部の拡大図及びセンサ基板及びエンコーダ基板の説明図である。 検出マグネットの位置検出用着磁部と回転検出用着磁部の一例を示す正面図、断面図、左右側面図及び磁極位置検出部並びにエンコーダの配置を示す説明図である。 検出マグネットの位置検出用着磁部と回転検出用着磁部の他例を示す正面図、断面図、左右側面図及び磁極位置検出部並びにエンコーダの配置を示す説明図である。 他例に係る電動機の断面図である。 図5の軸端部の拡大図及びセンサ基板及びエンコーダ基板の説明図である。 検出マグネットの位置検出用着磁部と回転検出用着磁部の一例を示す正面図、断面図、左右側面図及び磁極位置検出部並びにエンコーダの配置を示す説明図である。 検出マグネットの位置検出用着磁部と回転検出用着磁部の他例を示す正面図、断面図、左右側面図及び磁極位置検出部並びにエンコーダの配置を示す説明図である。 検出マグネットの製造例を示す断面図である。 検出マグネットの他の製造例を示す断面図である。 検出マグネットの他の製造例を示す断面図である。 従来の電動機の断面図及び軸端部の部分拡大図である。 図12の電動機の組み立て構成を示す断面分解図である。 ヨークの断面図、左右側面図、センサマグネットの正面図、断面図、これらの組み付け状態の断面図、左右側面図、センサ基板の断面図、左側面図である。 速度検出マグネットの正面図、断面図、左右側面図である。 センサマグネットの検出方向及び速度検出マグネットの検出方向を示す説明図である。
以下、本発明に係る電動機の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、車載用のインナーロータ型DCブラシレスモータを用いて説明する。
図1乃至図3を参照して、電動機の概略構成について説明する。
ロータ1は、シャフト2にロータマグネット3が一体に組み付けられて回転可能に軸支されている。ロータマグネット3はシャフト2の中途部に一体に組み付けられ、両側に軸受部4a、4bにより回転可能に支持されている。
軸受部4aは筒状の電動機ケース5の左端側開口部に嵌め込まれ軸受押え部材6により軸方向に抜け止めされる。また、軸受部4bは予圧ばね4cを介して軸受保持部材7に組み付けられ(図2(a)参照)、該軸受保持部材7が電動機ケース5の右端側開口部に嵌め込まれている。
また、シャフト2の右端部は細径となって軸受保持部材7の外側まで延設されており、該延設部に検出マグネット8が一体に組み付けられている。
図2(a)において、軸受保持部材7の外壁面にはセンサ基板9が設けられている。図2(b)に示すようにリング状に形成されたセンサ基板9には、ホール素子、ホールIC等の磁極位置検出部10(磁極位置検出手段)が設けられている。磁極位置検出部10は、検出マグネット8の側面と軸方向に対向して設けられている。
また、図2(a)(c)において、軸受保持部材7の外壁面にはエンコーダ基板11が設けられており、該エンコーダ基板11にはエンコーダ12(速度検出手段)が設けられている。エンコーダ12は、検出マグネット8の周面と径方向に対向して設けられている。図1において、軸受保持部材7の外側は、カバー13に覆われている。
図1において、ステータ14は、電動機ケース5の内壁面にリング状のステータコア15が組み付けられており、径方向中心に向けて突設されたステータ磁極15aにモータコイル16が巻きつけられている。
図3(a)〜(d)において、リング状の検出マグネット8は、板厚方向中央部から左側がロータマグネット3と同じ着磁極数(図3(c)では4極)の位置検出用着磁部8aが設けられ、板厚方向中央部から右側が位置検出用着磁部8aより着磁極数が多い(図3(d)では10極)回転検出用着磁部8bが設けられている(図3(a)参照)。位置検出用着磁部8a及び回転検出用着磁部8bは、周方向にN・S交互に着磁されている。
位置検出用着磁部8aの磁極変化を軸方向に対向配置された磁極位置検出部10により検出され、図示しない制御部において励磁切り替え信号が生成されて駆動回路へ出力するようになっている。また、回転検出用着磁部8bの磁極変化を周方向に対向配置されたエンコーダ12により検出され、図示しない制御部において回転速度制御信号が生成されて駆動回路へ出力するようになっている(図3(a)(b)参照)。
上記構成によれば、軸受部4bより軸方向外側に延設されたシャフト2に検出マグネット8が一体に組み付けられ、検出マグネット8の磁極変化がその近傍に配置された磁極位置検出部10とエンコーダ12とで各々検出されるので、部品点数の削減を図り、構造が簡略化でき、製造コストが低減できるともに電動機を軸方向に小型化することができる。
また、電動機ケース5に組み付けられて軸受部4bを保持する軸受保持部材7の軸方向外側に検出マグネット8が設けられているので、モータコイル16から離れた位置に磁極位置検出部10を設けることができ、当該磁極位置検出部10の耐久温度内の使用環境となるため、過酷な使用環境向けの用途においても使用可能となる。
また、シャフト2を支持する軸受部4a,4b間より外側に検出マグネット8を設けることで、軸受部外径より小径の検出マグネット8を使用できるため、イナーシャを低減して回転切り替え性能を向上させることができる。
また、検出マグネット8にはロータマグネット3と同じ着磁極数の位置検出用着磁部8aとそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部8bが設けられているので、エンコーダ12による分解能が向上しエンコーダ出力精度を向上させてきめ細かな回転速度制御が可能になり電動機の特性が向上する。
検出マグネット8の他例について図4(a)〜図4(d)を参照して説明する。
検出マグネット8はリング状のベース部8eの板厚方向左端面にロータマグネット3と同じ着磁極数(図4(c)では4極)の位置検出用着磁部8aがリング状に形成されている。また、ベース部8eの外周面に位置検出用着磁部8aより着磁極数が多い(図4(d)では10極)回転検出用着磁部8bが設けられている(図4(a)参照)。位置検出用着磁部8a及び回転検出用着磁部8bは、周方向にN・S交互に着磁されている。この場合、検出マグネット8の着磁エリアがベース部8eの端面と周面とで異なっているため、着磁極も形成し易くなる。
次に、電動機の他例について図5乃至図7を参照して説明する。
電動機の構成は実施例1と同様であるので、同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとし、以下異なる点を中心に説明する。
図5に示すように、実施例1では、単一の検出マグネット8の磁極を異なる基板に設けられた磁極位置検出部10とエンコーダ12とで検出していたが、これらを同一のモータ基板17に設けてもよい。
図6(a)(b)において、シャフト2の右端部は軸受保持部材7より外側に延設されている。この軸受保持部材7の外壁面に、リング状のモータ基板17が設けられている。モータ基板17には、磁極位置検出部10のほかエンコーダ12も基板実装されている。軸方向に段付部が設けられたリング状の検出マグネット8は、大径部8cにロータマグネット3と同じ着磁極数(図7(d)では4極)の位置検出用着磁部8aが形成されている。また、小径部8dに位置検出用着磁部8aより着磁極数が多い(図7(c)では10極)回転検出用着磁部8bが設けられている(図7(a)参照)。図7(a)に示すように検出マグネット8の大径部8c,小径部8dは、周方向にN・S交互に着磁されている。大径部8cの軸方向における磁極変化を磁極位置検出部10により検出し、小径部8dの周方向における磁極変化をエンコーダ12によって検出するようになっている(図7(a)(b)参照)。
上記構成によれば、基板の数が減るので、部品点数の削減により製造コストを一層削減し、電動機を軸方向に小型化することができる。また、検出マグネット8の着磁は大径部8cと小径部8dに分けて行なえるので、着磁もし易くなる。
次に検出マグネット8の他例について図8(a)〜図8(d)を参照して説明する。検出マグネット8に設けられる位置検出用着磁部8aと回転検出用着磁部8bはリング状のベース部8eに同心状に形成されていてもよい。検出マグネット8は、図8(c)(d)に示すように検出マグネット8のベース部8eの外周側にはロータマグネット3と同じ着磁極数(図8(c)(d)では4極)の位置検出用着磁部8aが形成されている。また、内周側には位置検出用着磁部8aより着磁極数が多い(図8(c)(d)では10極)回転検出用着磁部8bが設けられている。図8(a)に示すように検出マグネット8の位置検出用着磁部8a,回転検出用着磁部8bは、周方向にN・S交互に着磁されている。位置検出用着磁部8aの軸方向における磁極変化を磁極位置検出部10により検出し、回転検出用着磁部8bの軸方向における磁極変化をエンコーダ12によって検出するようになっている(図8(a)(b)参照)。
次に着磁極数の異なる検出マグネットの製法について図9乃至図11を参照して説明する。
図9(a)(b)は、磁性材(フェライト磁石、サマリュウムコバルト、ネオジウム・鉄・ボロン等の希土類磁石)がプレスされてリング状もしくは段付リングに一体成形された検出マグネット8を示す。検出マグネット8は、図示しない着磁装置により着磁され、図5に示すロータマグネット3と同じ着磁磁極数を有する位置検出用着磁部8aとそれより着磁磁極数の多い回転検出用着磁部8bが各々形成される。
図10(a)乃至図10(f)において、検出マグネット8は、ロータマグネット3と同じ着磁極数を有する磁極位置検出マグネット18a、磁極位置検出マグネット18aより着磁極数が多い回転検出マグネット着磁部18bがモールド樹脂18eにインサート成形されて一体化されている。
図10(a)〜(c)はリング状に一体成形されたモールド樹脂18eの軸方向端面もしくは周面に或いはこれらの両方に磁極位置検出マグネット18a及び回転検出マグネット18bがインサート成形された態様を示す。
また、図10(d)〜(f)は、段付リングに一体成形されたモールド樹脂18eの大径部18cの外周若しくは軸方向端面と小径部18dの外周に磁極位置検出マグネット18a及び回転検出マグネット着磁部18bがインサート成形された態様を示す。
また、図11(a)乃至図11(c)において、検出マグネット8は、位置検出用着磁部である磁極位置検出マグネット18aそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部である回転検出マグネット18bが同心状に重ね合わされて若しくは同心状に嵌め込まれて一体に形成されている。
図11(a)は、同径の磁極位置検出マグネット18aと回転検出マグネット18bが対向する軸方向端面どうしが接着されて一体化されている。また、図11(b)は、小径の回転検出マグネット18bと大径の磁極位置検出マグネット18aを重ね合わせ、対向する軸方向端面どうしが接着されて一体化されている。
図11(c)は、小径の回転検出マグネット18bと大径の磁極位置検出マグネット18aを互いに嵌め合わせて、対向する外周面と内周面どうしが接着されて一体化されている。
以上のような構造とすることで、着磁装置により位置検出用と回転検出用のマグネットとに分けて行なわれる着磁が容易になり組み立ても簡易となるため、製造コストを低減できる。
なお、検出マグネット8の磁極検出方向は、アキシャル方向(軸方向)、ラジアル方向(径方向)のいずれか若しくはこれらの組み合わせでもよい。
上記実施例はインナーロータ型のDCブラシレスモータについて説明したが、アウターロータ型のDCブラシレスモータについても適用することができる。
1 ロータ
2 シャフト
3 ロータマグネット
4a,4b 軸受部
4c 予圧ばね
5 電動機ケース
6 軸受押え部材
7 軸受保持部材
8 検出マグネット
8a 磁極位置検出用着磁部
8b 回転検出用着磁部
8c,18c 大径部
8d,18d 小径部
8e ベース部
9 センサ基板
10 磁極位置検出部
11 エンコーダ基板
12 エンコーダ
13 カバー
14 ステータ
15 ステータコア
15a ステータ磁極
16 モータコイル
17 モータ基板
18a 磁極位置検出マグネット
18b 回転検出マグネット
18e モールド樹脂

Claims (5)

  1. シャフトにロータマグネットが組み付けられて軸受部に回転可能に軸支されたロータと、ステータ磁極にモータコイルが巻かれたステータと、前記ロータマグネットの磁極を検出する磁極位置検出手段と、前記ロータの回転速度を磁気的に検出する速度検出手段とを備えた電動機であって、
    前記軸受部より軸方向外側に延設された前記シャフトに検出マグネットが一体に組み付けられ、該検出マグネットにはロータマグネットと同じ着磁極数の位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部が設けられ、前記位置検出用着磁部の磁極変化が前記磁極位置検出手段により検出され、前記回転検出用着磁部の磁極変化が前記速度検出手段により検出されることを特徴とする電動機。
  2. 前記検出マグネットは、磁性材がプレスされてリング状に一体成形され、着磁磁極数の異なる位置検出用着磁部と回転検出用着磁部が各々形成されている請求項1記載の電動機。
  3. 前記検出マグネットは、磁性材がプレスされて外径の異なる段付リング状に一体成形され、着磁極数の異なる位置検出用着磁部と回転検出用着磁部が各々形成されている請求項1記載の電動機。
  4. 前記検出マグネットは、位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部に対応するリング状マグネットがモールド樹脂によりインサート成形されている請求項1記載の電動機。
  5. 前記検出マグネットは、位置検出用着磁部とそれより着磁極数が多い回転検出用着磁部に対応するリング状マグネットが同心状に重ね合わされて若しくは同心状に嵌め込まれて一体に形成されている請求項1記載の電動機。
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