JP2016158403A - 電機子および回転電機 - Google Patents

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宏紀 立木
Hiroki Tachiki
宏紀 立木
橋本 昭
Akira Hashimoto
昭 橋本
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【課題】圧入力を緩和するとともに、磁気抵抗増加を抑制して起磁力の低下を防止できる電機子および回転電機を提供する。【解決手段】環状に形成されたバックヨーク部1と、バックヨーク部1の内周に環状に配置され、周方向Xに間隔を隔てて外周側Nが開口された開口部31を有する複数のスロット3を形成するとともにバックヨーク部1の内周面1Eに嵌合する複数のティース部2と、複数のスロット3に収納されるコイル4とを備えた電機子101において、複数のティース部2は、スロット3が形成されている周方向Xの両側にバックヨーク部1側に突出して形成される突起部20をそれぞれ有し、バックヨーク部1は、当該内周面1Eに中心方向に突出して形成されティース部2の突起部20間に嵌合する押圧部10を有し、突起部20は、押圧部10によりスロット3側に押圧されている。【選択図】図1

Description

この発明は、圧入力を緩和するとともに、磁気抵抗増加を抑制して起磁力の低下を防止することができる電機子および回転電機に関するものである。
近年、電動機または発電機などの回転電機は、低振動で、かつ、高出力な回転電機が求められている。低振動、かつ、高出力な回転電機を実現するための一例として、電機子のスロット開口幅を狭める方法がある。スロットの開口幅を狭めると、電機子の突極性を減らして振動を抑制するとともに、かつ磁束を発生させる面が増えるので等価的に電機子と回転子との間のギャップを縮めて、回転電機の出力を上げることができる。しかしながら、スロット開口幅は巻線を挿入する必要があるため、少なくともコイルの線径の2倍以上はあける必要があった。
このことを解決するために、例えば、特許文献1の回転電機においては、鉄心のティース先端のつば部を連結しティース部とバックヨーク部を分割した内外分割コアを用い、外周側からコイルを挿入して形成している。よって、このように形成された鉄心は、極数が少なく、かつ比較的ティースの数が少ない集中巻であるため、コイルを挿入した後にバックヨークをティースに圧入するとき大きな荷重がかからない。
しかしながら、このような回転電機を、多極の回転電機、または、分布巻に用いた回転電機に採用する場合、ティースの数が増え、圧入力が増加し、巨大なプレス機が必要になるという問題点があった。さらに、最悪の場合には製造することができないといった問題点があった。このことを解決するために、例えば、特許文献2に示すように、ティースに弾性変形部を設け、この圧入力を緩和する回転電機が提案されていた。
特開平11−55879号公報 特開2005−323429号公報
従来のような構成の電機子および回転電機では、弾性変形した部材が逃げるための空間が必要であり、その空間部での磁気抵抗増加により起磁力の低下が発生するという問題点があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、圧入力を緩和するとともに、磁気抵抗増加を抑制して起磁力の低下を防止する電機子および回転電機を提供することを目的とする。
この発明の電機子は、
環状に形成されたバックヨーク部と、
前記バックヨーク部の内周に環状に配置され、周方向に間隔を隔てて外周側が開口された複数のスロットを形成するとともに前記バックヨーク部の内周面に嵌合する複数のティース部と、
複数の前記スロットに収納されるコイルとを備えた電機子において、
複数の前記ティース部は、前記スロットが形成されている周方向の両側に前記バックヨーク部側に突出して形成される突起部をそれぞれ有し、
前記バックヨーク部は、当該内周面に中心方向に突出して形成され前記ティース部の前記突起部間に嵌合する押圧部を有し、
前記突起部は、前記押圧部により前記スロット側に押圧されている。
また、この発明の回転電機は、
上記示した電機子と、前記電機子の環状内に配設された回転子とを備えたものである。
この発明の電機子および回転電機によれば、
圧入力を緩和するとともに、磁気抵抗増加を抑制して起磁力の低下を防止できる。
この発明の実施の形態1における電機子の構成を示す斜視図である。 図1に示した電機子の構成を示す平面断面図である。 図1に示した電機子の構成を示す平面断面図である。 図1に示した電機子のティース部の構成を示す斜視図である。 図1に示した電機子のティース部の構成を示す平面図である。 図1に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す斜視図である。 図1に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す平面図である。 図1に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。 図1に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。 図1に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。 図1に示した電機子を用いた回転電機の構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態1における他の電機子の構成を示す平面断面図である。 図12に示した電機子の製造方法を説明するための平面断面図である。 この発明の実施の形態1における他の電機子の構成を示す平面断面図である。 この発明の実施の形態1における他の電機子の構成を示す平面断面図である。 この発明の実施の形態2における電機子の構成を示す斜視図である。 図16に示した電機子の構成を示す平面断面図である。 図16に示した電機子の構成を示す平面断面図である。 図16に示した電機子のティース部の構成を示す斜視図である。 図16に示した電機子のティース部の構成を示す平面図である。 図16に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す斜視図である。 図16に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す平面図である。 図16に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。 図16に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。 図16に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。 この発明の実施の形態2における他の電機子の構成を示す平面断面図である。
実施の形態1.
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1における電機子の構成を示す斜視図である。
図2は図1に示した電機子の構成を示す平面断面図である。
図3は図1に示した電機子のバックヨーク部を挿入する前の構成を示す平面断面図である。
図4は図1に示した電機子のティース部の構成を示す斜視図である。
図5は図1に示した電機子のティース部の構成を示す平面図である。
図6は図1に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す斜視図である。
図7は図1に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す平面図である。
図8から図10は図1に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。
図8はティース部にウェッジを挿入する前の状態を示す斜視図である。
図9はティース部にウェッジを挿入した後の状態を示す斜視図である。
図10はティース部にバックヨーク部を挿入する前の状態を示す斜視図である。
図11は図1に示した電機子を用いた回転電機の構成を示す側面図である。
図12はこの発明の実施の形態1における他の電機子の構成を示す平面断面図である。
図13は図12に示した電機子の製造方法を説明するための平面断面図である。
図14および図15はこの発明の実施の形態1における他の電機子の構成を示す平面断面図である。
図1において、環状にて形成される電機子101は、バックヨーク部1と、磁極を形成するための複数のティース部2と、複数のスロット3内に収納されたコイル4と、コイル4を保護するウェッジ5とを備えている。コイル4は、絶縁被覆された導体線を、2つの異なるスロット3に跨がるようにして複数回巻回して形成されている。
図4および図5において、複数のティース部2は、環状に配置され形成されている。各ティース部2は、複数の磁性体の鋼板21が積層されて形成されている。各ティース部2は、かしめ部22が形成されており、複数の鋼板21はこのかしめ部22において軸方向Yにかしめられ固定されている。
また、複数のティース部2は、中心側Mの周方向Xにおいてそれぞれ連結部23にて連結されている層(図5参照)と、周方向Xに連結部23を有しておらず分離して形成されている層(図2参照)とにて形成されている。このように周方向Xに連結されていないティース部2の層が存在しても、軸方向Yにおいてかしめ部22によってかしめられているため、連結部23を有するティース部2の層によって、複数のティース部2は図4に示すように環状に保持されている。
また、複数のティース部2の周方向Xの間には、外周側Nが開口した開口部31を有するスロット3がそれぞれ形成されている。そして、ティース部2の外周側Nの突出面2Eにおいて、スロット3が形成されている周方向Xの両側にバックヨーク部1側(外周側N)に突出して形成される突起部27がそれぞれ形成されている。そして、突起部27には、スロット3側の側面の軸方向Yに延在して開口する溝部24がそれぞれ形成されている。溝部24は、矩形形状にて形成されている。
図6および図7において、バックヨーク部1は、環状にて形成された複数の磁性体の鋼板11が積層されて形成されている。バックヨーク部1は、例えば、周方向Xの異なる位置に複数のかしめ部が形成され、積層方向すなわち軸方向Yにおいて、このかしめ部がかしめられ固定されている。また、バックヨーク部1の内周面1Eには、中心方向(中心側M)に突出する押圧部10が形成され、この押圧部10がティース部2の突起部27間に嵌合することとなる。さらに、バックヨーク部1の内周面1Eには、ティース部2のスロット3の開口部31を閉塞するための中心側Mに突出する凸部13が形成されている。よって、バックヨーク部1の内周面1Eにおいて、押圧部10と凸部13とが交互に形成されているものである。
図8において、ウェッジ5は、板状部材にて形成されている。板状部材は、例えばガラスエポキシなどの絶縁部材にて形成する場合、金属磁性粉末とナイロン等の樹脂を混合し、成型・硬化してできる磁性を帯びた磁性部材にて形成する場合などが考えられる。このように、ウェッジ5が絶縁部材にて形成されれば、より高い耐圧特性を得られる。また、ウェッジ5が磁性部材にて形成されれば、磁路として利用することができ、磁気飽和を抑制することができる。
また、ウェッジ5は、スロット3の開口部31側において、コイル4とバックヨーク部1との間に配設されている。そして、ウェッジ5の周方向Xの両端側5C、5Dは、溝部24に保持されている。よって、ウェッジ5の両端側5C、5Dの形状は、溝部24に挿入可能となるように、矩形形状にて形成される。よって、ウェッジ5の両端側の形状が簡素な形状となり、ウェッジ5の製造コストを下げることができる。そして、バックヨーク部1を嵌合するまでの間、スロット3からコイル4が飛び出すことをウェッジ5が防止する仮保持機構となるため、バックヨーク部1の挿入をスムーズに行うことができる。
図2において、コイル4とスロット3との間には絶縁シート部6が配設されている。この絶縁シート部6は、例えば、ポリフェニレンサルファイドまたはポリエチレンテレフタレート等の絶縁材にて形成されている。そして、絶縁シート部6は、スロット3の開口部31側において、オーバーラップするように形成されている。このように形成すれば、スロット3におけるコイル4のスペースを減少するものの、絶縁性能は向上する。そして、バックヨーク部1の内周面1Eと、ティース部2の外周側Nの突出面2Eとは当接して嵌合されている。
そして、バックヨーク部1の内周面1Eの押圧部10は、ティース部2の突出面2Eの突起部27間に嵌合する。これにより、ティース部2の突起部27は、押圧部10によりスロット3側に押圧される。また、バックヨーク部1の内周面1Eの凸部13は、スロット3の開口部31側に配設される。これにより、バックヨーク部1とティース部2とは、機械的に接続されるとともに、磁気的にも接続されることとなる。
図11において、回転電機100は、電機子101と、この電機子101の環状内に配設された回転子105とを備えている。そして、回転電機100は、一端側が閉塞するための底部102Aおよび円筒部102Bを有するフレーム102と、このフレーム102の他端側の開口を塞口する端板103とを有するハウジング110内に収納されている。電機子101は、フレーム102の円筒部102Bの内部に、嵌合状態にて固着されている。
また、回転子105は、フレーム102の底部102Aおよび端板103にそれぞれベアリング104を介して回転可能に支持された回転軸106に固着されて、電機子101の内周側に回転可能に配設されている。回転子105は、回転軸106に固着された回転子鉄心107と、回転子鉄心107の外周面側に埋設されて周方向に所定の間隔にて配列され、磁極を構成する複数の永久磁石108とを備えている、永久磁石式にて形成されている。
次に上記のように構成された実施の形態1の回転電機100の電機子101の製造方法について説明する。まず、図8に示すように、環状に配置された複数のティース部2間のスロット3に、絶縁シート部6を介して、コイル4を巻回して収納する。そして、ウェッジ5を軸方向Yの下側から、各スロット3の開口部31に形成されている溝部24にそれぞれ挿入する。
そして、ウェッジ5を各スロット3の開口部31側に挿入すると、図3および図9に示すように、スロット3の開口部31側の溝部24にウェッジ5の両端側5C、5Dが挿入されて配設される。この際、図3の点線にて囲まれた部分A1に示すように、ウェッジ5を軸方向Yから挿入するためには、溝部24とウェッジ5との間にある程度の隙間を備える必要がある。
次に、図10に示すように、全てのスロット3の開口部31側の溝部24にウェッジ5を挿入する。次に、バックヨーク部1をティース部2の下側から挿入する。そして、図1および図2に示すように、バックヨーク部1の内周面1Eの押圧部10は、ティース部2の突出面2Eの突起部27間に嵌合する。これにより、ティース部2の突起部27は、押圧部10によりスロット3側に押圧され、弾性変形する。また、バックヨーク部1の内周面1Eの凸部13は、スロット3の開口部31側に配設される。
バックヨーク部1がティース部2に嵌合した際には、押圧部10が突起部27をスロット3側、図2においては矢印Z側に押圧する。このとき、ウェッジ5と溝部24との隙間が突起部27の変形量により吸収され、図2の点線にて囲まれた部分A2に示すようなる。よって、本来ウェッジ5を挿入するために必要であったウェッジ5と溝部24との隙間を、圧入力を緩和するための突起部27の逃がし部分として利用することができる。そのため、無駄な空隙を電機子101に設ける必要がなく、磁気抵抗の増加を抑制することができる。そして、バックヨーク部1の内周面1Eに、各ティース部2の突出面2Eを当接して嵌合して電機子101が形成される。
尚、突起部27の形状は上記に示した場合に限られるものではなく、バックヨーク部1の押圧部10により、押圧され、弾性変形するような形状であれば、様々な形状が可能である。例えば、図13に示したように、突起部28の押圧部10に接する面を、ティース部2の中心線Qに対して電機子101の中心側Mに向かって末広がりになるような角度θにて形成する場合が考えられる。
この角度θは20〜30°程度が望ましい。このように形成すれば、図12のように、バックヨーク部1を挿入したときに、ティース部2の抜け防止の効果が増す。また、突起部28の外周側Nの頂部を円弧状にて形成する。このように形成することで、突起部28の押圧部10による変形時に、バックヨーク部1の内周面1Eとの緩衝を避け、スムーズな変形を促すことができる。
さらに、図14に示すように、押圧部10には、突起部28のスロット3側と相反する側面の根元側において、突起部28と離反するための切り欠き部10Aを形成する。このように形成することで、突起部28の変形量が少ない根元部分を逃がすことができ、圧入力をさらに緩和させることができる。
また、図15に示すように、ウェッジ5を備えない例も考えられる。その場合、ウェッジ5に備えることによる効果は奏しないものの、突起部27が押圧部10により矢印Z側に押圧され、変形するため、圧入力を緩和することができる。
上記のように構成された実施の形態1の電機子および回転電機は、ティース部に形成された突起部間に、バックヨーク部の押圧部が嵌合して、突起部をスロット側に押圧するため、バックヨーク部とティース部との間に発生する圧入力が緩和するとともに、磁気抵抗増加を抑制して起磁力の低下を防止する電機子および回転電機を得ることができる。
さらに、突起部に溝部を形成しているため、突起部の弾性変形に対する逃げが容易となる。
また、溝部にウェッジを挿入して形成する場合には、バックヨーク部を嵌合する際の弾性変形する突起部が、ウェッジ挿入時必要な溝部の隙間に逃げるため、新たに空間を設ける必要がなく、磁気抵抗の増加を抑制することができる。
また、押圧部に突起部と当接しない切り欠き部を備え、変形量の少ない突起部の根元部分は逃げておくことで、さらに圧入力を下げることができる。
また、溝部にウェッジが挿入されているため、バックヨーク部を挿入する際に、コイルがウェッジにより保護されており、コイルが損傷することが防止されている。さらに、ウェッジにより、絶縁シート部がスロットの開口において露出することが防止されているため、絶縁シート部により、バックヨーク部の内周面が損傷することが防止できる。
尚、上記実施の形態1においては回転子を永久磁石式にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、かご形回転子または巻線形回転子にて形成してもよい。また、このことは以下の実施の形態においても同様であるためその説明は適宜省略する。
実施の形態2.
図16はこの発明の実施の形態2における電機子の構成を示す斜視図である。
図17は図16に示した電機子の構成を示す平面断面図である。
図18は図16に示した電機子のバックヨーク部を挿入する前の構成を示す平面断面図である。
図19は図16に示した電機子のティース部の構成を示す斜視図である。
図20は図16に示した電機子のティース部の構成を示す平面図である。
図21は図16に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す斜視図である。
図22は図16に示した電機子のバックヨーク部の構成を示す平面図である。
図23から図25は図16に示した電機子の製造方法を示す斜視図である。
図23はティース部にウェッジを挿入する前の状態を示す斜視図である。
図24はティース部にウェッジを挿入した後の状態を示す斜視図である。
図25はティース部にバックヨーク部を挿入する前の状態を示す斜視図である。
図26はこの発明の実施の形態2における他の電機子の構成を示す平面断面図である。
図において、上記実施の形態1と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。図19および図20において、ティース部2の外周側Nの突出面2Eにおいて、スロット3が形成されている周方向Xの両側にバックヨーク部1側に突出して形成される突起部29がそれぞれ形成されている。そして、突起部29には、スロット3側の側面の軸方向Yに延在して開口する溝部25がそれぞれ形成されている。溝部25が、テーパ形状にて形成されている。
図17において、絶縁シート部6は、スロット3の開口部31側において突き合わせる配設するように形成されている。このように形成すれば、スロット3におけるコイル4のスペースを増やすことができ、組立性の向上、もしくは、導線を増やしてより高出力な回転電機を実現することができる。また、ウェッジ5の両端側5C、5Dは、テーパ形状に形成された溝部25に挿入可能とするために、テーパ形状にて形成されている。
図21および図22において、バックヨーク部1の内周面1Eには、ティース部2の突起部29間に嵌合する中心側Mに突出して形成される押圧部10が形成されている。但し、上記実施の形態1と異なり、バックヨーク部1の内周面1Eには、ティース部2のスロット3の開口部31を閉塞するための中心側Mに突出する凸部13が形成されていない。よって、バックヨーク部1の内周面1Eにおいて、押圧部10が周方向Xに間隔を隔てて複数個形成されているものである。そして、先に示したティース部2の突出面2Eが嵌合するように形成されている。
次に上記のように構成された実施の形態2の回転電機100の電機子101の製造方法は、上記実施の形態1と同様に、図23に示すように、環状に配置された複数のティース部2間のスロット3に、絶縁シート部6を介して、コイル4を巻回して収納する。そして、ウェッジ5を軸方向Yの下側から、各スロット3の開口部31に形成されている溝部24にそれぞれ挿入する。
そして、ウェッジ5を各スロット3の開口部31側に挿入すると、図18および図24に示すように、スロット3の開口部31側の溝部25にウェッジ5の両端側5C、5Dが挿入されて配設される。次に、図25に示すように、全てのスロット3の開口部31側の溝部25にウェッジ5を挿入する。この際、図18の点線にて囲まれた部分A3に示すように、ウェッジ5を軸方向Yから挿入するためには、スロット3の開口部31側、すなわちここでは、絶縁シート部6の外周側Nとウェッジ5との間、および溝部25の中心側M側面とウェッジ5との間、中心側Mにおいて、ある程度の隙間を備える必要がある。
次に、バックヨーク部1をティース部2の下側から挿入する。そして、図16および図17に示すように、バックヨーク部1の内周面1Eの押圧部10は、ティース部2の突出面2Eの突起部29間に嵌合する。これにより、ティース部2の突起部29は、押圧部10によりスロット3側に押圧され、弾性変形する。
すなわち、バックヨーク部1が嵌合した際には、押圧部10が突起部29をスロット3側、図17においては矢印Z側に押圧する。そして、テーパ形状に形成された溝部25内に配設されたウェッジ5は、中心側Mに移動する。よって、ウェッジ5と溝部24との隙間が突起部27の変形量により吸収され、図17の点線にて囲まれた部分A4に示すよう、ウェッジ5が中心側Mに移動して、図16の点線にて囲まれた部分A3に示した隙間が減少して形成される。
よって、本来ウェッジ5を挿入するために必要であったウェッジ5と溝部25との隙間を圧入力を緩和するための突起部29の逃がし部分として利用することができる。よって、無駄な空隙を電機子101に設ける必要がなく、磁気抵抗の増加を抑制することができる。そして、バックヨーク部1の内周面1Eに、各ティース部2の突出面2Eを当接して嵌合して電機子101が形成される。
また、図26に示すように、押圧部10には、突起部29のスロット3側と相反する側面の根元側において、突起部29と離反するための切り欠き部10Aを形成する。このように形成することで、突起部29の変形量が少ない根元部分を逃がすことができ、圧入力をさらに緩和させることができる。
上記のように構成された実施の形態2によれば、上記実施の形態1と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、突起部の溝部がテーパ形状にて形成されているため、電機子の周方向の製造バラつきを中心方向の隙間で吸収することができる。よって、精度に優れた設計を行うことができる。
尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 バックヨーク部、1E 内周面、10 押圧部、10A 切り欠き部、
11 鋼板、13 凸部、100 回転電機、101 電機子、105 回転子、
102A 底部、102B 円筒部、102 フレーム、103 端板、
110 ハウジング、104 ベアリング、106 回転軸、107 回転子鉄心、
108 永久磁石、2 ティース部、2E 突出面、21 鋼板、22 かしめ部、
23 連結部、24 溝部、25 溝部、27 突起部、28 突起部、29 突起部、3 スロット、31 開口部、4 コイル、5 ウェッジ、5C,5D 両端側、
6 絶縁シート部、A1 部分、A2 部分、Y 軸方向、X 周方向、M 中心側、
N 外周側、Q 中心線、θ 角度。

Claims (6)

  1. 環状に形成されたバックヨーク部と、
    前記バックヨーク部の内周に環状に配置され、周方向に間隔を隔てて外周側が開口された複数のスロットを形成するとともに前記バックヨーク部の内周面に嵌合する複数のティース部と、
    複数の前記スロットに収納されるコイルとを備えた電機子において、
    複数の前記ティース部は、前記スロットが形成されている周方向の両側に前記バックヨーク部側に突出して形成される突起部をそれぞれ有し、
    前記バックヨーク部は、当該内周面に中心方向に突出して形成され前記ティース部の前記突起部間に嵌合する押圧部を有し、
    前記突起部は、前記押圧部により前記スロット側に押圧されている電機子。
  2. 前記突起部は、前記スロット側の側面の軸方向に延在して開口する溝部が形成されている請求項1に記載の電機子。
  3. 複数の前記スロットの開口側において、前記コイルと前記バックヨーク部との間に配設されたウェッジを有し、
    前記ウェッジの周方向の両端側は、前記溝部に保持されている請求項2に記載の電機子。
  4. 前記突起部の前記溝部は、テーパ形状にて形成されている請求項2または請求項3に記載の電機子。
  5. 前記押圧部は、前記突起部の前記スロット側と相反する側面の根元側において前記突起部と離反する切り欠き部が形成されている請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電機子。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電機子と、前記電機子の環状内に配設された回転子とを備えた回転電機。
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