JP2016046879A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】この発明は、組み立て装置の大型化を抑制できるとともに、コギングトルクを効果的に低減できる回転電機を得る。
【解決手段】周方向に隣り合うティースのティース先端突部間の周方向角度の最小値をφとし、ロータの軸心と直交し、かつ最大張り出し部を通る平面における、電線巻回部の最大張り出し部側の側面の延長線とティースの先端部内周面との交点A1と、最大張り出し部の周方向端部を通る第1半径線とティースの先端内周面との交点B1との間の周方向角度をθ1とし、ロータの軸心と直交し、かつ最小張り出し部を通る平面における、電線巻回部の最小張り出し部の側面の延長線とティースの先端部内周面との交点A2と、最小張り出し部の周方向端部を通る第2半径線とティースの先端内周面との交点B2との間の周方向角度をθ2としたときに、2×θ2<θ1<θ2+φが成立している。
【選択図】図2

Description

この発明は、例えば、電動機や発電機などの回転電機に関し、特にコギングトルクを低減させるステータコアの構造に関する。
従来の回転電機では、円筒体の周面を均等分した位置から径方向に複数のティースが突出し、各ティースの先端部から側方にティース先端突部が張り出され、ティースのうちティース先端突部と円筒体との間の電線巻回部に電線が巻回されていた(例えば、特許文献1参照)。そして、従来の回転電機では、円環状のステータコアをティース毎に周方向に複数のコアピースに分割し、かつ各コアピースを軸方向に複数のコアブロックに分割し、隣り合ったコアブロックの間でティースの電線巻回部をステータコアの軸方向に並べて、巻線の巻回作業を容易としていた。さらに、隣り合ったコアブロックの間で電線巻回部の側面からのティース先端突部の張り出し量を異ならして段スキューを形成し、コギングトルクを低減していた。
特開2007−60800号公報
従来の回転電機では、張り出し量が大きいティース先端突部の張り出し量L1が、張り出し量が小さいティース先端突部の張り出し量L2の約2倍の大きさになっていた。そこで、コアピースを軸方向から先に組み付けられたコアピースに組み付けて円環状のステータコアを組み立てる場合、隣り合うコアピースのティース先端突部が干渉し、コアピースを軸方向から組み付けることができなくなる。この場合、コアピースを径方向外方から先に組み付けられたコアピースに組み付けて円環状のステータコアを組み立てることになり、組み立て装置の大型化を招くという課題があった。
また、ティース先端突部の張り出し量L1,L2が、L1≒2×L2の関係を満足するように設定されているので、軸方向に配列されたコアブロックにおけるコギングトルクの位相差が適切な角度とならず、コギングトルクを効果的に低減できないという課題もあった。
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、分割コアの軸方向からの組付けを可能とし、組み立て装置の大型化を抑制できるとともに、コギングトルクを効果的に低減できる回転電機を得ることを目的とする。
この発明による回転電機は、それぞれ、電磁鋼板を積層して作製され、弧状のコアバック部と上記コアバック部の内周面から径方向内方に突出するティースを有する分割コアを、上記コアバック部の周方向の側面同士を突き合わせて周方向に配列して構成された円環状のステータコア、および上記ティースに巻回されたコイルを備えるステータと、上記ステータの内部に空隙を介して、同軸に配設されるロータと、を備えている。上記ティースは、上記コアバック部の内周面から一定の周方向幅で径方向内方に突出して軸方向に延びる電線巻回部と、上記電線巻回部の先端部から周方向両側に張り出した一対のティース先端突部と、を備え、上記一対のティース先端突部は、それぞれ、最大張り出し量の最大張り出し部と、最小張り出し量の最小張り出し部と、を有している。周方向に隣り合う上記ティースの相対する上記ティース先端突部間の周方向角度の最小値をφとし、上記ロータの軸心と直交し、かつ上記最大張り出し部を通る平面における、上記電線巻回部の上記最大張り出し部側の側面の延長線と上記ティースの先端部内周面との交点A1と、上記最大張り出し部の周方向端部を通る第1半径線と上記ティースの先端部内周面との交点B1との間の周方向角度をθ1とし、上記ロータの軸心と直交し、かつ上記最小張り出し部を通る平面における、上記電線巻回部の上記最小張り出し部の側面の延長線と上記ティースの先端部内周面との交点A2と、上記最小張り出し部の周方向端部を通る第2半径線と上記ティースの内周面との交点B2との間の周方向角度をθ2としたときに、2×θ2<θ1<θ2+φが成立している。
この発明によれば、φはスロット開口角度、θ1はティース先端突部の最大張り出し部の周方向角度、θ2はティース先端突部の最小張り出し部の周方向角度に相当している。そして、最大スキュー角度θ(=θ1−θ2)がスロット開口角度φより小さくなっているので、ステータコアの組み立て時に、ティース先端突部同士が干渉することなく、分割コアを軸方向から組み付けることができる。そこで、分割コアを径方向外方から組み付ける必要がなく、組み立て装置の小型化を図ることができる。
また、θ1>2×θ2が成立しているので、段スキューにより、コギングトルクの位相差を適切な角度に設定でき、コギングトルクを低減することができる。
この発明の実施の形態1に係る回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアを構成する分割コアを示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアの構成を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアの組み立て方法を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る回転電機におけるティース先端突部の張り出し量とコギングトルクとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態2に係る回転電機における分割コアを示す斜視図である。 この発明の実施の形態2に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。 この発明の実施の形態3に係る回転電機における分割コアを示す斜視図である。 この発明の実施の形態3に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。 この発明の実施の形態4に係る回転電機における分割コアを示す斜視図である。 この発明の実施の形態4に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。 この発明の実施の形態5に係る回転電機における分割コアを示す斜視図である。 この発明の実施の形態5に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。 この発明の実施の形態6に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。 この発明の実施の形態7に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。 この発明の実施の形態8に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。 この発明の実施の形態9に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。 この発明の実施の形態10に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。 この発明の実施の形態11に係る回転電機におけるロータを示す斜視図である。 この発明の実施の形態11に係る回転電機におけるロータコアを平面上に展開した状態を径方向外方から見た平面図である。 この発明の実施の形態11に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内から見た平面図である。 この発明の実施の形態11に係る回転電機を正回転および逆回転させたときのトルクリップルを測定した結果を示す図である。 この発明の実施の形態12に係る回転電機におけるロータコアを平面上に展開した状態を径方向外方から見た平面図である。 この発明の実施の形態12に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内から見た平面図である。 この発明の実施の形態13に係る回転電機におけるロータを示す斜視図である。 この発明の実施の形態13に係る回転電機におけるステータコアの磁束漏れを説明する模式図である。 この発明の実施の形態13に係る回転電機におけるインダクタンスとスロット開口幅との関係を示す図である。
以下、本発明による回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る回転電機を示す断面図、図2はこの発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアを構成する分割コアを示す斜視図、図3はこの発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアの構成を説明する要部断面図、図4はこの発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図、図5はこの発明の実施の形態1に係る回転電機におけるステータコアの組み立て方法を説明する斜視図、図6はこの発明の実施の形態1に係る回転電機におけるティース先端突部の張り出し量とコギングトルクとの関係を示す図である。
図1において、回転電機100は、円環状のステータ1と、ステータ1の内部に空隙を介して同軸に、かつ回転可能に配設されたロータ50と、を備えている。
ステータ1は、12個の分割コア3を周方向に配列して円環状に構成されたステータコア2と、ステータコア2に装着されたステータコイル10と、を備える。
分割コア3は、図2に示されるように、円弧状のコアバック部4と、コアバック部4の内周面から径方向内方に突出したティース5と、を備え、例えば電磁鋼板の薄板から打ち抜かれた略T字状のコア片を積層、一体化して作製される。そして、第1および第2ティース先端突部6a,6bが、ティース5の先端部から周方向両側に張り出している。第1および第2ティース先端突部6a,6bを含むティース5の先端部内周面は、シャフト51の軸心を中心とする円筒面の一部、すなわち円弧面となっている。第1および第2ティース先端突部6a,6bのコアバック部4側を向く面は、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し方向の先端に向かってコアバック部4から離れるように傾斜している。第1および第2ティース先端突部6a,6bの周方向を向く端面は、シャフト51の軸心を含む平面に接する平坦面となっている。第1および第2ティース先端突部6a,6bとコアバック部4との間が電線巻回部7になっている。電線巻回部7は、コアバック部4の内周面の周方向中央位置から一定の周方向幅で径方向内方に突出している。
ここで、分割コア3は、第1コアブロック8と第2コアブロック9とに軸方向に2等分割されている。また、第1および第2ティース先端突部6a,6bを含むティース5の先端部内周面の周方向幅は、軸方向に関して一定である。そして、第1コアブロック8では、第1ティース先端突部6aの張り出し量が第2ティース先端突部6bの張り出し量より大きくなっている。第2コアブロック9では、第2ティース先端突部6bの張り出し量が第1ティース先端突部6aの張り出し量より大きくなっている。このように、第1コアブロック8と第2コアブロック9では、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し量が、周方向で逆転している。そこで、分割コア3は、第1コアブロック8と第2コアブロック9との間で段スキューが形成されている。
なお、第1コアブロック8の第1ティース先端突部6aおよび第2コアブロック9の第2ティース先端突部6bが最大張り出し部となり、同じ張り出し量となっている。また、第1コアブロック8の第2ティース先端突部6bおよび第2コアブロック9の第1ティース先端突部6aが最小張り出し部となり、同じ張り出し量となっている。また、第1および第2コアブロック8,9における最小張り出し量に等しい張り出し部が周方向両側に張り出した中間コアブロックを、第1および第2コアブロック8,9との間に配置してもよい。
ステータコア2は、ティース5を径方向内方に向けて、コアバック部4の周方向の側面同士を突き合わせて、12個の分割コア3を周方向に配列、一体化して、円環状に構成されている。このように構成されたステータコア2では、コアバック部4が周方向に配列して環状のコアバックを構成し、12個のティース5が周方向に等角ピッチで配列されている。そして、ステータコイル10は、各分割コア3の電線巻回部7に電線を巻回して作製された集中巻コイル10aにより構成される。
ロータ50は、軸心位置に挿通されたシャフト51に固着されたロータコア52と、ロータコア52の外周面に固着されて周方向に等角ピッチで配列され、磁極を構成する永久磁石53と、を備えた表面磁石型ロータである。
このように構成された回転電機100は、8極12スロットのインナーロータ型の電動機、あるいは発電機として動作する。
つぎに、ステータコア2の構成について図3および図4を参照しつつ説明する。
まず、周方向に隣り合う分割コア3の相対するティース先端突部間の周方向角度の最小値をスロット開口角度φとする。ここでは、シャフト51(図示せず)の軸心と直交する平面において、分割コア3の第2ティース先端突部6bの周方向端部、すなわち張り出し方向の先端部とシャフト51の軸心とを結ぶ線分(半径線)と、隣の分割コア3の第1ティース先端突部6aの張り出し方向の先端部とシャフト51の軸心とを結ぶ線分との間の周方向角度が、スロット開口角度φとなる。シャフト51の軸心と直交する平面において、電線巻回部7の第1ティース先端突部6a側の周方向の側辺の延長線とティース5の先端部内周面との交点をA1、電線巻回部7の第2ティース先端突部6b側の周方向の側辺の延長線とティース5の先端部内周面との交点をA2とする。シャフト51の軸心と直交する平面において、ティース5の先端部内周面と、第1コアブロック8における第1ティース先端突部6aの張り出し方向の先端部とシャフト51の軸心とを通る線分との交点をB1、ティース5の先端部内周面と、第1コアブロック8における第2ティース先端突部6bの張り出し方向の先端部とシャフト51の軸心とを通る線分との交点をB2とする。隣り合う分割コア3のコアバック部4とティース5とに囲まれたスロットの周方向中心位置とシャフト51の軸心とを結ぶ線分が、スロット中心線11である。以下、ステータコア2の各部とシャフト51の軸心とを結ぶ線分を半径線とする。
シャフト51の軸心と直交する平面において、A1を通る半径線と、B1を通る半径線との間の周方向角度をθ1とする。同様に、A2を通る半径線と、B2を通る半径線との間の周方向角度をθ2とする。なお、θ1は第1コアブロック8における第1ティース先端突部6aの張り出し角度(最大張り出し量)に相当し、θ2は第1コアブロック8における第2ティース先端突部6bの張り出し角度(最小張り出し量)に相当する。また、θ1は第2コアブロック9における第2ティース先端突部6bの梁台紙角度(最大張り出し量)に相当し、θ2は第2コアブロック9における第1ティース先端突部6aの張り出し角度(最小張り出し量)に相当する。つまり、θ1は、第1および第2ティース先端突部6a,6bの最大張り出し量に相当し、θ2は、第1および第2ティース先端突部6a,6bの最小張り出し量に相当する。
この実施の形態1では、ステータコア2は、2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。
この実施の形態1によれば、ステータコア2がコアバック部4とティース5からなる略T状の12個の分割コア3に分割されており、分割コア3の電線巻回部7がスキューされていない。そこで、集中巻コイル10aの巻回作業の自動化が容易となる。
ここで、ステータ1の組み立て方法について図5を参照しつつ説明する。なお、図5では電線巻回部7に巻回された集中巻コイル10aが省略されている。また、位置決め用孔23が、分割コア3のコアバック部4のティース5の径方向外方の位置にコアバック部4を貫通するように形成されている。
位置決め用のピン25が、組み立て治具(図示せず)に同一円周上に等角ピッチで12本立てられている。そして、集中巻コイル(図示せず)が巻回された1番目の分割コア3が、把持されて、位置決め用孔23が1番目のピン25と同軸となるように位置合わせられ、ピン25の長さ方向、すなわち軸方向に移動される。これにより、1番目のピン25が位置決め用孔23内に挿入され、1番目の分割コア3が位置決めされて組み立て治具にセットされる。ついで、2番目の分割コア3が、把持されて、位置決め用孔23が2番目のピン25と同軸となるように位置合わせられ、軸方向に移動される。これにより、2番目のピン25が位置決め用孔23内に挿入され、2番目の分割コア3が位置決めされて組み立て治具にセットされる。
このとき、θ1,θ2が、θ1<θ2+φを満足している。つまり、分割コア3における第1および第2ティース先端突部6a,6bの周方向のずれ角度である最大スキュー角度θ(=θ1−θ2)が、スロット開口角度φより小さい。これにより、隣り合う分割コア3のコアバック部4の側面同士を突き合わせた際に、隣り合う第1ティース先端突部6aと第2ティース先端突部6bとの間に隙間が形成される。そこで、2番目の分割コア3は、第2ティース先端突部6bが1番目の分割コア3の第1ティース先端突部6aに干渉されることなく、コアバック部4の周方向の一方の側面を、先にセットされている1番目の分割コア3のコアバック部4の周方向の他方の側面上を摺動させつつ、軸方向に移動できる。そして、2番目の分割コア3は、コアバック部4の側面が1番目の分割コア3のコアバックの側面に接した状態で組み立て治具にセットされる。
そして、3番目、4番目・・・12番目の分割コア3が、順次、同様に組み立て治具にセットされ、12個の分割コア3が円環状に配列される。ついで、円環状に配列された12個の分割コア3が、例えば、円筒状のフレームに焼きばめにより収納、固着され、ステータ1が組み立てられる。
このように、実施の形態1によれば、θ1,θ2が、θ1<θ2+φを満足しており、分割コア3における第1および第2ティース先端突部6a,6bの周方向のずれ角度である最大スキュー角度θ(=θ1−θ2)が、スロット開口角度φより小さい。そこで、隣り合う分割コア3のコアバック部4の側面同士を突き合わせた際に、隣り合う第1ティース先端突部6aと第2ティース先端突部6bとの間に隙間が形成される。そこで、図5に示されるように、分割コア3のコアバック部4の周方向の一方の側面が、先に組み立て治具にセットされている分割コア3のコアバック部4の周方向の他方の側面上を摺動するように、分割コア3を軸方向に移動させることができる。このように、第1および第2ティース先端突部6a,6bが干渉することなく、分割コア3を軸方向から先に配設されている分割コア3に組み付けることができるので、分割コア3を径方向外方から先に配設されている分割コア3に組み付ける必要がなく、組み立て装置の小型化が図られる。
また、最大スキュー角度θがスロット開口角度φより小さいので、トルク出力に寄与しない隣り合うティース5間の漏れ磁束が低減し、大きなトルクを出力することができる。したがって、同じトルクを出力するために必要な電流値が低減し、回転電機100の温度の低減効果が見込まれる。
つぎに、回転電機100において、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し量を変えてコギングトルクを測定した結果を図6に示す。なお、図6では、横軸はθ1/θ2、縦軸はθ=θ2を満足する回転電機におけるコギングトルクで規格化したコギングトルクの値(コギングトルク比)である。
図6から、θ1/θ2が1より大きいと、コギングトルクが低減することがわかった。このことから、第1および第2コアブロック8,9において、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し量を逆転させて、周方向にスキューを設けたことで、コギングトルクを低減できることが確認された。
さらに、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し量を、2×θ2<θ1を満足するように設定することにより、第1および第2コアブロック8,9におけるコギングトルクの位相差を適切な角度に設定できるので、θ1≒2×θ2を満たす特許文献1に比べて、コギングトルクを低減できる。特に、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し量を、3×θ2<θ1<6×θ2を満足するように設定すれば、θ1≒2×θ2を満たす特許文献1に対して、40%以上コギングトルクを低減できることが確認された。この実施の形態1では、θ1、θ2およびφの角度を、θ1=4.5°、θ2=1°、φ=5°とすることで、コギングトルクを最小化することができる。すなわち、この実施の形態1におけるθ1、θ2およびφの最適な角度は、θ1=4.5°、θ2=1°、φ=5°となる。
このように、コギングトルクを効果的に低減する観点から、3×θ2<θ1<6×θ2を満足するようにステータコア2を作製することが望ましい。なお、他の実施の形態においても、コギングトルクを効果的に低減する観点から、3×θ2<θ1<6×θ2を満足するようにステータコアを作製することが望ましいことは、いうまでもないことである。
実施の形態2.
図7はこの発明の実施の形態2に係る回転電機における分割コアを示す斜視図、図8はこの発明の実施の形態2に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。
図7および図8において、分割コア3Aは、第1コアブロック13、第2コアブロック14および第3コアブロック15に軸方向に3分割され、コアバック部4と、ティース5Aと、を備えている。第1および第2ティース先端突部6a,6bが、ティース5Aの先端部から周方向両側に張り出している。第1および第2先端突部6a,6bを含むティース5Aの先端部内周面の周方向幅は、一定である。第1および第2コアブロック13,15は、同一形状に作製され、第1ティース先端突部6aの張り出し量が第2ティース先端突部6bの張り出し量より大きくなっている。第2コアブロック14では、第2ティース先端突部6bの張り出し量が第1ティース先端突部6aの張り出し量より大きくなっている。つまり、第1および第3コアブロック13,15の第1ティース先端突部6aおよび第2コアブロック14の第2ティース先端突部6bが、最大張り出し量(θ1)の最大張り出し部となる。また、第1および第3コアブロック13,15の第2ティース先端突部6bおよび第2コアブロック14の第1ティース先端突部6aが最小張り出し量(θ2)の最小張り出し部となる。さらに、第2コアブロック14の軸方向長さは、第1コアブロック13の軸方向長さの2倍となっている。なお、スロット開口角度φは、周方向に隣り合う分割コア3Aの相対する第1ティース先端突部6aと第2ティース先端突部6bと間の周方向角度である。
このように、第1コアブロック13と第2コアブロック14では、第1および第2ティース先端突部6a,6bの張り出し量が、周方向で逆転している。そこで、分割コア3Aは、最大スキュー角度θ(=θ1−θ2)の段スキューが形成されている。ステータコア2Aは、コアバック部4の周方向の側面同士を突き合わせて分割コア3Aを環状に配列して構成されている。そして、ステータコア2Aは、2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。
この実施の形態2では、ステータコア2Aが分割コア3Aに分割されている。分割コア3Aの電線巻回部7がスキューされていない。段スキューが分割コア3Aに形成され、ステータコア2Aが2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。したがって、この実施の形態2においても、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
この実施の形態2では、第1および第3コアブロック13,15が同一形状に作製され、第2コアブロック14の軸方向長さが第1および第3コアブロック13,15の軸方向長さの2倍となっている。そこで、ティース5Aの先端部内周面により構成される、ステータコア2Aのロータ50と対向するロータ対向面が、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面とロータ対向面との交差線に対して、線対称となっており、スラスト力は発生しない。
実施の形態3.
図9はこの発明の実施の形態3に係る回転電機における分割コアを示す斜視図、図10はこの発明の実施の形態3に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。
図9および図10において、分割コア3Bは、第1コアブロック16、第2コアブロック17および第3コアブロック18に軸方向に3等分割され、コアバック部4と、ティース5Bと、を備えている。第1および第2ティース先端突部6a,6bが、ティース5Bの先端部から周方向両側に張り出している。第1および第2ティース先端突部6a,6bを含むティース5Bの先端部内周面の周方向幅は、一定である。第1ティース先端突部6aの張り出し量が、第1コアブロック16、第2コアブロック17、第3コアブロック18の順にステップ状に小さくなっている。言い換えれば、第2ティース先端突部6bの張り出し量が、第1コアブロック16、第2コアブロック17、第3コアブロック18の順にステップ状に大きくなっている。そして、第1コアブロック16の第1ティース先端突部6aと第3コアブロック18の第2ティース先端突部3bが、最大張り出し量(θ1)の最大張り出し部となる。また、第1コアブロック16の第2ティース先端突部6bと第3コアブロック18の第1ティース先端突部3aが、最小張り出し量(θ2)の最小張り出し部となる。なお、スロット開口角度φは、周方向に隣り合う分割コア3Bの相対する第1ティース先端突部6aと第2ティース先端突部6bと間の周方向角度である。
このように、分割コア3Bは、第1コアブロック16と第3コアブロック18との間で、最大スキュー角度θ(=θ1−θ2)の段スキューが形成されている。さらに、第1コアブロック16と第2コアブロック17との間、および第2コアブロック17と第3コアブロック18との間で、段スキューが形成されている。そして、ステータコア2Bは、コアバック部4の周方向の側面同士を突き合わせて分割コア3Bを環状に配列して構成されている。そして、ステータコア2Bは、2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。
この実施の形態3では、ステータコア2Bが分割コア3Bに分割されている。分割コア3Bの電線巻回部7がスキューされていない。段スキューが分割コア3Bに形成され、ステータコア2Bが2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。したがって、この実施の形態3においても、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
この実施の形態3では、3段の段スキューが分割コア3Bに形成されているので、2段の段スキューよりも多くの周波数のコギングトルク成分を減少させることができる。
なお、上記実施の形態3では、分割コアを軸方向に3つのコアブロックに分割しているが、分割コアの軸方向の分割数は3つに限定されず、4つ以上でもよい。この場合、ティース先端突部の張り出し量を調整し、各コアブロックにおけるコギングトルクの位相差をコアブロック毎に設定できるので、段スキューの段数を多くすることにより、複数の周波数のコギングトルク成分を減少させることができる。
実施の形態4.
図11はこの発明の実施の形態4に係る回転電機における分割コアを示す斜視図、図12はこの発明の実施の形態4に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。
図11および図12において、分割コア3Cは、コアバック部4と、ティース5Cと、を備えている。第1および第2ティース先端突部6a,6bが、ティース5Cの先端部から周方向両側に張り出している。第1および第2ティース先端突部6a,6bを含むティース5Cの先端部内周面の周方向幅は、一定である。第1ティース先端突部6aの張り出し量は、軸方向一端から他端に向かって、分割コア3Cを構成するコア片毎に、一定の勾配で小さくなっている。第2ティース先端突部6bの張り出し量は、軸方向一端から他端に向かって、分割コア3Cを構成するコア片毎に、一定の勾配で大きくなっている。
そして、分割コア3Cの軸方向一端における第1ティース先端突部6aの張り出し量が、分割コア3Cの軸方向他端における第2ティース先端突部3bの張り出し量に等しく、最大張り出し量(θ1)となる。また、分割コア3Cの軸方向一端における第2ティース先端突部6bの張り出し量が、分割コア3Cの軸方向他端における第1ティース先端突部3aの張り出し量に等しく、最小張り出し量(θ2)となる。すなわち、第1ティース先端突部6aの軸方向一端部と第2ティース先端突部6bの軸方向他端部が最大張り出し部となり、第1ティース先端突部6aの軸方向他端部と第2ティース先端突部6bの軸方向一端部が最小張り出し部となる。なお、スロット開口角度φは、周方向に隣り合う分割コア3Cの相対する第1ティース先端突部6aと第2ティース先端突部6bと間の周方向角度である。
このように、分割コア3Cは、連続スキューが形成されている。そして、ステータコア2Cは、コアバック部4の周方向の側面同士を突き合わせて分割コア3Cを環状に配列して構成されている。そして、ステータコア2Cは、2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。
この実施の形態4では、ステータコア2Cが分割コア3Cに分割されている。分割コア3Cの電線巻回部7がスキューされていない。連続スキューが分割コア3Cに形成され、ステータコア2Cが2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。したがって、この実施の形態4においても、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
この実施の形態4では、連続スキューが分割コア3Cに形成されているので、連続スキューによって、コギングトルクの位相差が軸方向で連続的に変化し、実施の形態3に比べて、より多くの周波数のコギングトルク成分を減少させることができる。
実施の形態5.
図13はこの発明の実施の形態5に係る回転電機における分割コアを示す斜視図、図14はこの発明の実施の形態5に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。
図13および図14において、分割コア3Dは、コアバック部4と、ティース5Dと、を備えている。第1および第2ティース先端突部6a,6bが、ティース5Dの先端部から周方向両側に張り出している。第1および第2ティース先端突部6a,6bを含むティース5Dの先端部内周面の周方向幅は、一定である。第1ティース先端突部6aの張り出し量は、軸方向一端から中央に向かって、分割コア3Dを構成するコア片毎に、一定の勾配で小さくなり、軸方向中央位置で最小となり、軸方向中央から他端に向かって、分割コア3Dを構成するコア片毎に、一定の勾配で大きくなっている。第2ティース先端突部6bの張り出し量は、軸方向一端から中央に向かって、分割コア3Dを構成するコア片毎に、一定の勾配で大きくなり、軸方向中央位置で最大となり、軸方向中央から他端に向かって、分割コア3Dを構成するコア片毎に、一定の勾配で小さくなっている。
そして、分割コア3Dの軸方向両端における第1ティース先端突部6aの張り出し量が、分割コア3Dの軸方向中央における第2ティース先端突部3bの張り出し量に等しく、最大張り出し量(θ1)となる。また、分割コア3Dの軸方向両端における第2ティース先端突部6bの張り出し量が、分割コア3Dの軸方向中央における第1ティース先端突部3aの張り出し量に等しく、最小張り出し量(θ2)となる。すなわち、第1ティース先端突部6bの軸方向両端部と第2ティース先端突部6bの軸方向中央部が最大張り出し部となり、第1ティース先端突部6aの軸方向中央部と第2ティース先端突部6bの軸方向両端部が最小張り出し部となる。なお、スロット開口角度φは、周方向に隣り合う分割コア3Dの相対する第1ティース先端突部6aと第2ティース先端突部6bと間の周方向角度である。
このように、分割コア3Dは、連続スキューが形成されている。そして、ステータコア2Dは、コアバック部4の周方向の側面同士を突き合わせて分割コア3Dを環状に配列して構成されている。そして、ステータコア2Dは、2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。
この実施の形態5では、ステータコア2Dが分割コア3Dに分割されている。分割コア3Dの電線巻回部7がスキューされていない。連続スキューが分割コア3Dに形成され、ステータコア2Cが2×θ2<θ1<θ2+φを満足するように作製されている。したがって、この実施の形態5においても、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
この実施の形態5では、連続スキューが分割コア3Dに形成されているので、連続スキューによって、コギングトルクの位相差が軸方向で連続的に変化し、実施の形態5に比べて、より多くの周波数のコギングトルク成分を減少させることができる。
この実施の形態5では、ティース5Dの先端部内周面により構成される、ステータコア2Dのロータ50と対向するロータ対向面が、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面とロータ対向面との交差線に対して、線対称となっており、スラスト力は発生しない。
実施の形態6.
図15はこの発明の実施の形態6に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。
図15において、分割コア3Eは、コアバック部4Eと、ティース5と、を備えている。嵌合部19が、コアバック部4Eの周方向一側の側面の外径側を突出させて、形成されている。そして、被嵌合部20が、コアバック部4Eの周方向他側の側面の外径側を窪ませて、嵌合部19が嵌合可能な凹形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態6では、分割コア3Eを周方向に配列してステータコアを作製する際に、一の分割コア3Eの嵌合部19が隣の分割コア3Eの被嵌合部20に嵌合され、径方向の位置ずれが防止される。したがって、この実施の形態6によれば、ステータコアの内径の真円度が向上され、コギングトルクを低減することができる。
なお、上記実施の形態6では、上記実施の形態1の分割コア3に適用する場合について説明しているが、実施の形態2〜5の分割コアに適用しても、同様の効果が得られる。
実施の形態7.
図16はこの発明の実施の形態7に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。
図16において、分割コア3Fは、コアバック部4Fと、ティース5と、を備えている。嵌合部21が、コアバック部4Fの周方向一側の側面の径方向中央部を突出させて、形成されている。そして、被嵌合部22が、コアバック部4Fの周方向他側の側面の径方向中央部を窪ませて、嵌合部21が嵌合可能な凹形状に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態7では、分割コア3Fを周方向に配列してステータコアを作製する際に、一の分割コア3Fの嵌合部21が隣の分割コア3Fの被嵌合部22に嵌合され、径方向の位置ずれが防止される。したがって、この実施の形態7によれば、ステータコアの内径の真円度が向上され、コギングトルクを低減することができる。
なお、上記実施の形態7では、上記実施の形態1の分割コア3に適用する場合について説明しているが、実施の形態2〜5の分割コアに適用しても、同様の効果が得られる。
実施の形態8.
図17はこの発明の実施の形態8に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。
図17において、分割コア3Gは、コアバック部4Gと、ティース5と、を備えている。位置決め用孔23が、コアバック部4Gのティース5の径方向外方の位置に形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態8では、図5に示されるように、分割コア3Gを軸方向からステータコアの組み立て治具にセットする際に、組み立て治具に立設されたピン25が位置決め用孔23に挿入される。そこで、分割コア3Gが、径方向および周方向に関して、位置決めされて組み立て治具にセットされる。したがって、この実施の形態8によれば、分割コア3Gの位置決めが容易となり、ステータコアの組み立て性を向上することができる。
なお、上記実施の形態8では、上記実施の形態1の分割コア3に適用する場合について説明しているが、実施の形態2〜5の分割コアに適用しても、同様の効果が得られる。
実施の形態9.
図18はこの発明の実施の形態9に係る回転電機における分割コアを示す平面図である。
図18において、分割コア3Hは、コアバック部4Hと、ティース5と、を備えている。逃げ溝24が、位置決め用孔23とコアバック部4Hの径方向外方とを連通するように、コアバック部4Hに形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態8と同様に構成されている。
この実施の形態9では、逃げ溝24が位置決め用孔23とコアバック部4Hの径方向外方とを連通するようにコアバック部3Hに形成されているので、分割コア3Hを軸方向からステータコアの組み立て治具にセットする際に、位置決め用孔23とピン25との嵌め合い公差を小さくすることが可能となる。したがって、この実施の形態9によれば、位置決め用孔23とピン25との嵌め合いが良くなり、ステータコアの組み立て精度を向上することができる。さらに、電線を電線巻回部7に巻回する際に、逃げ溝24を利用して分割コア3Hを固定することができるので、ステータコアの組み立て性を向上することができる。
なお、上記実施の形態9では、上記実施の形態1の分割コア3に適用する場合について説明しているが、実施の形態2〜5の分割コアに適用しても、同様の効果が得られる。
実施の形態10.
図19はこの発明の実施の形態10に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内方から見た平面図である。
実施の形態10では、図19を用いて、実施の形態2によるステータにおけるトルクリップルの低減効果について説明する。ティース5Aの先端部内周面により構成される、ステータコア2Aのロータ50と対向するロータ対向面が、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面(中央面26)とロータ対向面との交差線に対して、線対称となっている。ここで、ロータ50の磁極中心27が図19中左側に進む場合を正回転、右側に進む場合を逆回転とする。
ロータ50が正回転した場合、始めに領域αの磁気飽和が大きくなるが、逆回転した場合は、領域βの磁気飽和が大きくなる。そして、正回転した場合の点C近傍の磁気飽和は、軸端部の磁束漏れの影響によって、逆回転した場合の点D近傍の磁気飽和よりも小さくなる。したがって、点C近傍と点D近傍の磁気飽和の差によって、正回転と逆回転とで、トルクリップルに差が生じる。
この実施の形態10では、スロット開口角度φが最大スキュー角度θよりも大きいので、第1および第2ティース先端突部6a,6bの磁気飽和が緩和され、正回転と逆回転とで、トルクリップルの差が減少する。
この実施の形態10では、ステータコアのロータ対向面が、中央面26とロータ対向面との交差線に対して、線対称となっているので、スラスト力が発生しない。
なお、実施の形態10では、実施の形態2によるステータを用いて説明したが、実施の形態1,3〜9によるステータを用いても、同様の効果が得られる。
実施の形態11.
図20はこの発明の実施の形態11に係る回転電機におけるロータを示す斜視図、図21はこの発明の実施の形態11に係る回転電機におけるロータコアを平面上に展開した状態を径方向外方から見た平面図、図22はこの発明の実施の形態11に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内から見た平面図である。
図20および図21において、ロータコア52Aが、第1ロータコア54と第2ロータコア55とに軸方向に2等分割されている。そして、永久磁石53が、第1および第2ロータコア54,55の外周面に等角ピッチで8つずつ配設されている。第1ロータコア54と第2ロータコア55は、永久磁石53の周方向位置が互いにずれるように、軸方向に同軸に配列され、シャフト51に固着されている。このように構成されたロータ50Aは、段スキューが形成され、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面(中央面28)が段スキューの切り換え部となる。
なお、他の構成は上記実施の形態2と同様に構成されている。
図22において、ロータ50Aの磁極中心27が左側に進む場合を正回転、右側に進む場合を逆回転とする。また、ロータ50Aの段スキューの切り換え部が中央面28に位置している。
ロータ50Aが正回転した場合、領域γ、領域δの順に磁気飽和が大きくなるが、逆回転した場合は、領域ε、領域ηの順に磁気飽和が大きくなる。ロータ50Aの段スキューの切り換え部に対向する点Gは、ロータ50Aの軸方向の漏れ磁束の影響で、磁気飽和しやすい。このため、正回転した場合の点G近傍の磁気飽和は、逆転した場合の点G又は点F近傍の磁気飽和と比較して、大きくなる。
このように、コギングトルクを低減するためにロータ50Aに形成した段スキューにより、第1および第2ティース先端突部6a,6bの磁気飽和が軸方向で変化し、正回転と逆回転とで、トルクリップルの差が大きくなる。この実施の形態11では、スロット開口角度φが最大スキュー角度θよりも大きいので、第1および第2ティース先端突部6a,6bの磁気飽和が緩和され、正回転と逆回転とで、トルクリップルの差が減少する。また、ロータ50Aに段スキューを形成することにより、コギングトルクが低減する。
ここで、実施の形態11による回転電機を正回転および逆回転させたときのトルクリップルを測定した結果を図23に示す。図23はこの発明の実施の形態11に係る回転電機を正回転および逆回転させたときのトルクリップルを測定した結果を示す図であり、図23の(a)は最大スキュー角度θがスロット開口角度φより小さい場合(実施の形態11)のトルクリップルを示し、図23の(b)は最大スキュー角度θがスロット開口角度φより大きい場合(比較例)のトルクリップルを示している。図23中、縦軸は正回転時のトルクリップで規格化したトルクリップルの値(トルクリップル比)である。
図23から、正回転と逆回転でのトルクリップルの差が、最大スキュー角度θがスロット開口角度φより小さい場合、最大スキュー角度θがスロット開口角度φより大きい場合に比べ、減少することがわかった。
なお、実施の形態11では、実施の形態2によるステータを用いて説明したが、実施の形態1,3〜9によるステータを用いても、同様の効果が得られる。
実施の形態12.
図24はこの発明の実施の形態12に係る回転電機におけるロータコアを平面上に展開した状態を径方向外方から見た平面図、図25はこの発明の実施の形態12に係る回転電機におけるステータコアを平面上に展開した状態を径方向内から見た平面図である。
図24において、ロータコア52Bが、第1ロータコア56、第2ロータコア57および第3ロータコア58に軸方向に3分割されている。そして、永久磁石53が、第1から第3ロータコア56,57,58の外周面に等角ピッチで8つずつ配設されている。第1および第3ロータコア56,58は同一形状に作製され、第2ロータコア57は第1および第2ロータコア56,58の軸方向長さの2倍の軸方向長さに作製されている。第1および第3ロータコア56,58は永久磁石53の周方向位置を一致させて、軸方向に同軸に配列されている。また、第1ロータコア56と第2ロータコア58は、永久磁石53の周方向位置が互いにずれるように、軸方向に同軸に配列されている。このように構成されたロータ50Bは、段スキューが形成されている。さらに、ロータ50Bのステータ2に対向するステータ対向面が、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面とステータ対向面との交差線に対して、線対称となっている。ステータ2のロータ50Bに対向するロータ対向面は、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面とロータ対向面との交差線に対して、非対称となっている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
つぎに、図25を用いて、実施の形態12によるトルクリップルの低減効果について説明する。ここで、ロータ50Bの磁極中心27が図25中左側に進む場合を正回転、右側に進む場合を逆回転とする。
ロータ50Bが正回転した場合、領域η、領域κの順に磁気飽和が大きくなるが、逆回転した場合は、領域λ、領域μの順に磁気飽和が大きくなる。ロータ50Aが正回転した場合の点I近傍の磁気飽和は、軸端部の磁束漏れの影響によって、逆回転した場合の点K近傍の磁気飽和よりも小さくなる。同様に、ロータ50Aが逆回転した場合の点L近傍の磁気飽和は、軸端部の磁束漏れの影響によって、正回転した場合の点J近傍の磁気飽和よりも小さくなる。
このように、第1および第2ティース先端突部6a,6bの軸端部と軸方向中央部との磁気飽和の差異によって、正回転と逆回転とで、トルクリップルの差が大きくなる。この実施の形態12では、スロット開口角度φが最大スキュー角度θよりも大きいので、第1および第2ティース先端突部6a,6bの磁気飽和が緩和され、正回転と逆回転とで、トルクリップルの差が減少する。また、ロータ50Bに段スキューを形成することにより、コギングトルクが低減する。
なお、実施の形態12では、実施の形態1によるステータを用いて説明したが、実施の形態2〜9によるステータを用いても、同様の効果が得られる。
実施の形態13.
図26はこの発明の実施の形態13に係る回転電機におけるロータを示す斜視図、図27はこの発明の実施の形態13に係る回転電機におけるステータコアの磁束漏れを説明する模式図であり、図27の(a)は最大スキュー角度θがスロット開口角度φより小さい場合を示し、図27の(b)は最大スキュー角度θがスロット開口角度φより大きい場合を示している。図28はこの発明の実施の形態13に係る回転電機におけるインダクタンスとスロット開口幅との関係を示す図であり、横軸はスロット開口幅、縦軸はスロット開口幅が3mmの時のd軸インダクタンスおよびq軸インダクタンスで規格化したd軸インダクタンスおよびq軸インダクタンスの値(Ldの比、Lqの比)である。なお、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンスである。
図26において、ロータコア52Cが、第1ロータコア60と第2ロータコア61とに軸方向に2等分割されている。そして、永久磁石53が、第1および第2ロータコア60,61の外周側に埋め込まれて、等角ピッチで8つずつ配設されている。第1ロータコア60と第2ロータコア61は、永久磁石53の周方向位置が互いにずれるように、軸方向に同軸に配列され、シャフト51に固着されている。このように構成されたロータ50Cは、段スキューが形成され、軸方向中央位置を通りシャフト51の軸心と直交する平面(中央面28)が段スキューの切り換え部となる。
なお、他の構成は上記実施の形態2と同様に構成されている。
このロータ50Cは、磁石埋め込み型ロータであり、表面磁石型ロータと異なり、d軸インダクタンスとq軸インダクタンスとに差があるので、エンコーダなどの磁極位置検出器を用いることなく、磁極位置を推定することができ、センサレス制御が可能となる。なお、d軸およびq軸インダクタンスの比ρ(=Lq/Ld)を突極比という。
ここで、図27に矢印で示されるように、最大スキュー角度θがスロット開口角度φより小さい場合、最大スキュー角度θがスロット開口角度φより大きい場合に比べ、隣り合う分割コア3Aの第1および第2ティース先端突部6a,6b間の漏れ磁束が減少する。また、図28から、スロット開口幅を大きくする時、d軸インダクタンスの減少率がq軸インダクタンスの減少率より大きいことがわかる。
この実施の形態13では、最大スキュー角度θがスロット開口角度φより小さい。言い換えれば、スロット開口角度φを大きくすることで、第1および第2ティース先端突部6a,6b間の漏れ磁束を減少させているが、d軸およびq軸インダクタンスも減少する。しかし、d軸インダクタンスの減少率がq軸インダクタンスの減少率より大きいので、突極比ρが大きくなり、センサレス性能が向上し、センサレス制御が容易となる。
なお、実施の形態13では、実施の形態2によるステータを用いて説明したが、実施の形態1,3〜9によるステータを用いても、同様の効果が得られる。
なお、上記各実施の形態では、8極12スロットの回転電機について説明しているが、極数およびスロット数は、8極12スロットに限定されないことは言うまでもないことである。また、上記各実施の形態では、ステータコアの分割数が12であるが、ステータコアの分割数も、スロット数に合わせて,適宜設定される。
1 ステータ、2,2A,2B,2C,2D ステータコア、3,3A,3B,3C,3D,3E,3F,3G,3H 分割コア、4,4E,4F,4G,4H コアバック部、5,5A,5B,5C,5D ティース、6a,6a,6a,6a,6a 第1ティース先端突部、6b,6b,6b,6b,6b 第2ティース先端突部、7 電線巻回部、10 ステータコイル、10a 集中巻コイル、19,21 嵌合部、20,22 被嵌合部、23 位置決め用孔、24 逃げ溝,50,50A,50B,50C ロータ、51 シャフト、52,52A,52B,52C ロータコア、53 永久磁石、100 回転電機。

Claims (9)

  1. それぞれ、電磁鋼板を積層して作製され、弧状のコアバック部と上記コアバック部の内周面から径方向内方に突出するティースを有する分割コアを、上記コアバック部の周方向の側面同士を突き合わせて周方向に配列して構成された円環状のステータコア、および上記ティースに巻回されたコイルを備えるステータと、
    上記ステータの内部に空隙を介して、同軸に配設されるロータと、を備えた回転電機において、
    上記ティースは、上記コアバック部の内周面から一定の周方向幅で径方向内方に突出して軸方向に延びる電線巻回部と、上記電線巻回部の先端部から周方向両側に張り出した一対のティース先端突部と、を備え、
    上記一対のティース先端突部は、それぞれ、最大張り出し量の最大張り出し部と、最小張り出し量の最小張り出し部と、を有し、
    周方向に隣り合う上記ティースの相対する上記ティース先端突部間の周方向角度の最小値をφとし、
    上記ロータの軸心と直交し、かつ上記最大張り出し部を通る平面における、上記電線巻回部の上記最大張り出し部側の側面の延長線と上記ティースの先端部内周面との交点A1と、上記最大張り出し部の周方向端部を通る第1半径線と上記ティースの先端部内周面との交点B1との間の周方向角度をθ1とし、
    上記ロータの軸心と直交し、かつ上記最小張り出し部を通る平面における、上記電線巻回部の上記最小張り出し部の側面の延長線と上記ティースの先端部内周面との交点A2と、上記最小張り出し部の周方向端部を通る第2半径線と上記ティースの内周面との交点B2との間の周方向角度をθ2としたときに、
    2×θ2<θ1<θ2+φが成立している回転電機。
  2. 3×θ2<θ1<6×θ2が成立している請求項1記載の回転電機。
  3. 隣り合う上記分割コアは、上記コアバック部の周方向側面同士が、嵌合部と被嵌合部との嵌合により連結されている請求項1又は請求項2記載の回転電機。
  4. 位置決め用孔23が、上記コアバック部を軸方向に貫通するように形成されている請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転電機。
  5. 逃げ溝が、上記位置決め用孔と上記コアバック部の径方向外方とを連通するように形成されている請求項4記載の回転電機。
  6. 上記分割コアの上記ティースの先端部内周面が、上記ロータの軸心と直交し、かつ上記分割コアの軸方向中央位置を通る平面と、上記ティースの先端部内周面との交差線に対して線対称である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転電機。
  7. 上記ロータは、段スキュー切り換え部が軸方向中央位置に設けられた段スキュー構造に構成されている請求項6記載の回転電機。
  8. 上記分割コアの上記ティースの先端部内周面が、上記ロータの軸心と直交し、かつ上記分割コアの軸方向中央位置を通る平面に対して非対称であり、
    上記ロータの上記ステータに対向するステータ対向面が、段スキュー構造に構成され、上記ロータの軸心と直交し、かつ上記分割コアの軸方向中央位置を通る平面と、上記ステータ対向面との交差線に対して線対称である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転電機。
  9. 上記ロータは、磁石埋め込み型ロータである請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の回転電機。
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