JP2017005785A - ステータ、モータおよびステータの製造方法 - Google Patents

ステータ、モータおよびステータの製造方法 Download PDF

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Masakazu Hashimoto
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Abstract

【課題】本発明に係るステータ、モータおよびステータの製造方法は、モータの効率の低下を抑制することができる。【解決手段】ステータ51は、積層された複数のステータ板56から構成されるステータコア53を備える。ステータコア53は、環状部54と、環状部54の内周面から径方向内側に突出し環状部54の周方向に配置される複数のティース55とを有する。ステータコア53は、複数のステータ板56をカシメによって互いに固定するカシメ固定部57と、複数のステータ板56を溶接によって互いに固定する溶接部58とを有する。溶接部58は、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なっている。【選択図】図4

Description

本発明は、ステータ、モータおよびステータの製造方法に関する。
従来、モータのステータとして、積層された複数の電磁鋼板から構成されるステータコアを備えるステータが用いられている。ステータコアは、環状部と、環状部の内周面から径方向内側に突出すると共に周方向に配置される複数のティースとを有する。ステータコアは、特許文献1(特開2010−35328号公報)に開示されているように、複数の電磁鋼板がカシメまたは溶接によって互いに固定されている。
しかし、ステータの組み立て工程における電磁鋼板のカシメおよび溶接は、ステータコアに発生する応力の原因となる。また、大型ステータの組み立て工程では、通常、積層された電磁鋼板が溶接によって固定される。この場合、電磁鋼板を積層する際に電磁鋼板の位置合わせを行うために、溶接前に電磁鋼板をカシメによって固定しておくことが好ましい。しかし、カシメおよび溶接の両方によって電磁鋼板を固定すると、ステータコアに発生する応力が大きくなりやすい。ステータコアに発生する応力が大きいほど、ステータコアの鉄損が大きくなる。鉄損が大きいステータコアがモータに用いられると、ステータコア内部の磁束の流れが妨げられて、モータの効率が低下するおそれがある。
本発明の目的は、モータの効率の低下を抑制することができるステータ、モータおよびステータの製造方法を提供することである。
本発明の第1観点に係るステータは、積層された複数のステータ板から構成されるステータコアを備える。ステータコアは、環状部と、環状部の内周面から径方向内側に突出し環状部の周方向に配置される複数のティースとを有する。ステータコアは、複数のステータ板をカシメによって互いに固定するカシメ固定部と、複数のステータ板を溶接によって互いに固定する溶接部とを有する。溶接部は、カシメ固定部の少なくとも一部と重なっている。
第1観点に係るステータでは、ステータコアの鉄損の原因となるカシメ固定部および溶接部は、互いに重なっている部分を有している。そのため、ステータの製造工程において、カシメおよび溶接の両方によって複数のステータ板を互いに固定しても、ステータコアの鉄損が抑えられる。従って、このステータをモータに用いることで、ステータコアの鉄損に起因するモータの効率の低下を抑制することができる。
本発明の第2観点に係るステータは、第1観点に係るステータであって、環状部は、第1外周面と、第1外周面から径方向外側に突出する第2外周面とを有する。溶接部は、第1外周面に形成される。
第2観点に係るステータでは、第2外周面は、ステータを固定するために他の部材と接触する面であり、第1外周面は、他の部材と接触しない面である。そのため、第1外周面に溶接部を形成することで、第2外周面を加工することなくステータを製造することができる。
本発明の第3観点に係るステータは、第1観点または第2観点に係るステータであって、カシメ固定部は、ステータ板の平面上に形成された一対の切り込み部の間の部分を片持ち状に凹ませた片持ち状カシメによって複数のステータ板を互いに固定する。
本発明の第4観点に係るステータは、第1観点または第2観点に係るステータであって、カシメ固定部は、ステータ板の平面上に形成された一対の切り込み部の間の部分をV字状に凹ませたV字状カシメによって複数のステータ板を互いに固定する。
本発明の第5観点に係るステータは、第1乃至第4観点のいずれか1つに係るステータであって、溶接部は、カシメ固定部の全体を包含する。
第5観点に係るステータでは、カシメ固定部は、溶接部に完全に含まれているので、ステータコアの鉄損の原因となるカシメ固定部および溶接部の範囲を抑えることができる。従って、このステータをモータに用いることで、ステータコアの鉄損に起因するモータの効率の低下を抑制することができる。
本発明の第6観点に係るモータは、第1乃至第5観点のいずれか1つに係るステータと、ステータの径方向内側に配置されるロータとを備える。
本発明の第7観点に係るステータの製造方法は、積層された複数のステータ板から構成されるステータコアを備えるステータの製造方法である。この製造方法は、複数のステータ板をカシメによって互いに固定しながら積層する積層工程と、積層工程で積層された複数のステータ板を溶接によって互いに固定する溶接工程とを備える。溶接工程では、積層工程においてカシメによって固定された部分の少なくとも一部が溶接される。
本発明に係るステータ、モータおよびステータの製造方法は、モータの効率の低下を抑制することができる。
第1実施形態のモータの平面図である。 図1のII−II線におけるモータの縦断面図である。 ステータコアの上面図である。 図3の拡大図である。 図4のV−V線におけるステータコアの縦断面図である。 第1実施形態の片持ち状カシメの形成方法を説明するための図である。 第1実施形態の片持ち状カシメの形成方法を説明するための図である。 第2実施形態のV字状カシメの形成方法を説明するための図である。 第2実施形態のV字状カシメの形成方法を説明するための図である。 変形例Aの片持ち状カシメの形成方法を説明するための図である。 変形例Aの片持ち状カシメの形成方法を説明するための図である。 変形例Cにおけるステータコアの上面図の拡大図である。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係るステータ51、ステータ51を備えるモータ16、および、ステータ51の製造方法について説明する。
(1)モータの構成
図1は、モータ16の平面図である。図2は、図1のII−II線におけるモータ16の縦断面図である。モータ16は、例えば、空気調和装置等の冷凍装置が備える圧縮機の動力源として用いられる。モータ16は、主として、ステータ51と、ロータ52とを備える。モータ16は、9個の集中巻きコイルを有する3相モータである。
ステータ51は、位置が固定されている部材である。例えば、冷凍装置の圧縮機に用いられるモータ16の場合、ステータ51は、圧縮機のケーシングの内周面に固定されている。ステータ51は、主として、ステータコア53と、一対のインシュレータ61とを備える。ステータコア53は、鉛直方向に延びる略円筒形状を有している。一対のインシュレータ61は、ステータコア53の鉛直方向の両端面に取り付けられている。ステータ51は、9個のコイル71を有している。
ロータ52は、ステータ51の径方向内側に配置され、回転軸を中心に回転する円筒形状の部材である。ステータ51とロータ52との間には、隙間が形成されている。ロータ52には、クランクシャフト17が取り付けられている。クランクシャフト17は、ロータ52の回転軸に沿って、ロータ52を鉛直方向に貫通する。
モータ16は、電力を利用してロータ52を回転軸周りに回転させることで、クランクシャフト17を介して外部の機構に動力を伝達する。例えば、冷凍装置の圧縮機に用いられるモータ16は、冷凍サイクルを循環する冷媒を圧縮するための圧縮機構に動力を伝達する。
(2)ステータコアの構成
ステータ51のステータコア53は、環状部54と、9個のティース55とを有する。図3は、ステータコア53の上面図である。図4は、図3の拡大図であり、9個のティース55のうちの一つ、および、その径方向外側の環状部54を示す。図5は、図4のV−V線におけるステータコア53の縦断面図である。
環状部54は、第1外周面54aと、第2外周面54bとを有する。第2外周面54bは、第1外周面54aから径方向外側に突出している面である。第2外周面54bは、第1外周面54aよりも径方向外側に位置し、ステータ51を固定するために用いられる面である。第1外周面54aは、ステータ51以外の部材と接触しない面である。例えば、冷凍装置の圧縮機に用いられるモータ16の場合、第2外周面54bは、圧縮機のケーシングの内周面と接触する面であり、第1外周面54aは、ケーシングの内周面と接触しない面である。
ティース55は、環状部54の内周面から径方向内側に突出する部分である。9個のティース55は、環状部54の周方向に沿って等間隔に配置されている。ティース55は、一対のインシュレータ61と共に巻線が巻かれることで、コイル71が形成される部分である。
ステータコア53は、ロータ52の回転軸方向に複数のステータ板56が積層された構成を有している。ステータ板56は、表面が薄い絶縁膜で被覆された、厚さ0.2mm〜0.5mmの電磁鋼板を打ち抜いて作られる。ステータ板56は、ステータコア53の環状部54およびティース55に相当する部分を有する。以降、ステータ板56の径方向および周方向は、それぞれ、環状部54の径方向および周方向とする。
複数のステータ板56は、カシメ固定部57および溶接部58によって互いに固定されている。カシメ固定部57は、複数のステータ板56がカシメによって互いに固定されている部分である。溶接部58は、複数のステータ板56が溶接によって互いに固定されている部分である。図4において、カシメ固定部57は、太線で囲まれた領域であり、溶接部58は、ハッチングされた領域である。図4および図5に示されるように、カシメ固定部57および溶接部58は、ステータコア53の第1外周面54aに形成されている。
カシメ固定部57は、ステータ板56に形成された片持ち状カシメ59によって、複数のステータ板56が互いに固定されている部分である。図6および図7は、片持ち状カシメ59の形成方法を説明するための図である。
片持ち状カシメ59は、ステータ板56の主表面56a上に形成された一対の切り込み部59aの間の部分を片持ち状に凹ませた部分である。片持ち状カシメ59を形成するためには、最初に、図6に示されるように、ステータ板56の外周面56bから径方向に沿って、互いに平行な一対の切り込み部59aを形成する。外周面56bは、ステータコア53の第1外周面54aとなる面である。次に、図7に示されるように、一対の切り込み部59aの間の片持ち部59bを、主表面56aと直交する方向に押し下げる。これにより、一対の切り込み部59aの間には、カシメ部59cが形成される。カシメ部59cは、他のステータ板56の片持ち部59bが嵌め込まれる部分である。図5に示されるように、鉛直方向において隣り合う2枚のステータ板56に関して、上方のステータ板56の片持ち部59bは、下方のステータ板56のカシメ部59cに嵌め込まれ、下方のステータ板56の片持ち部59bと接触する。これにより、複数のステータ板56が積層される。ただし、最も下方に位置するステータ板56では、一対の切り込み部59aが形成された後、片持ち部59bが切り落とされる。そのため、最も下方に位置するステータ板56は、カシメ部59cを有するが、片持ち部59bを有さない。
溶接部58は、第1外周面54aを加熱してステータ板56の一部を熔解させて、積層している複数のステータ板56同士を互いに接着させた部分である。図4に示されるように、溶接部58は、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なっている。溶接部58は、ステータコア53の第1外周面54aにおいて、各ステータ板56の片持ち状カシメ59が形成されている部分を加熱して形成される。
(3)ステータの製造方法
次に、ステータ51の製造方法について、ステータコア53の製造方法を中心に説明する。ステータコア53の製造方法は、主として、積層工程と溶接工程とから構成される。
最初に、積層工程において、複数のステータ板56を、各ステータ板56に形成された片持ち状カシメ59によって互いに固定しながら積層する。片持ち状カシメ59は、ステータ板56を重ね合わせる際に、ステータ板56間の位置合わせのために用いられる。すなわち、積層されるステータ板56の位置は、片持ち状カシメ59によって調整される。各ステータ板56の片持ち状カシメ59によって形成されたカシメ固定部57は、次の溶接工程においてステータ板56間の位置がずれることを防止する。
次に、溶接工程において、積層工程で積層された複数のステータ板56を溶接によって互いに固定する。具体的には、TIG溶接およびレーザー溶接等で、ステータコア53の第1外周面54aに形成されたカシメ固定部57の周辺の領域を熔解させて、積層されたステータ板56同士を接着させる。このように、溶接工程では、積層工程において片持ち状カシメ59によって形成されたカシメ固定部57の少なくとも一部が溶接される。カシメ固定部57は、ステータコア53の第1外周面54aに形成されるので、溶接部58も、第1外周面54aに形成される。そのため、ステータコア53の第2外周面54bを加工することなく、ステータコア53を製造することができる。
以上のように、積層工程および溶接工程を経て、ステータコア53が製造される。その後、ステータコア53の両端面には、一対のインシュレータ61が取り付けられる。そして、ステータコア53の各ティース55は、一対のインシュレータ61と共に巻線が巻き付けられてコイル71が形成され、ステータ51が製造される。
(4)ステータの特徴
ステータコア53において、積層された複数のステータ板56は、カシメ固定部57および溶接部58によって互いに固定されている。一般的に、複数のステータ板から構成されるステータコア、特に大型のステータコアは、複数のステータ板をカシメおよび溶接によって互いに固定して製造されるので、本実施形態のカシメ固定部57および溶接部58に相当する部分を有している。しかし、カシメ固定部57および溶接部58に相当する部分は、製造されたステータコアに発生する応力の原因となる。ステータコアに発生する応力は、ステータコアの鉄損の原因となる。そして、鉄損が大きいステータコアがモータに用いられると、モータ使用時にステータコア内部の磁束の流れが妨げられて、モータの効率が低下するおそれがある。
本実施形態のステータ51は、以下に説明するように、ステータコア53の鉄損を低減する効果を有している。ステータコア53の製造工程で形成されるカシメ固定部57および溶接部58は、ステータコア53の鉄損の原因となる。そのため、ステータコア53の鉄損を低減する観点からは、カシメ固定部57および溶接部58の数および範囲は小さいほど好ましい。しかし、ステータコア53の強度の観点からは、カシメ固定部57および溶接部58の数を減らすことは好ましくない。
本実施形態のステータコア53の製造工程では、積層工程において片持ち状カシメ59によって形成されたカシメ固定部57の少なくとも一部が溶接されて溶接部58が形成される。溶接工程後のステータコア53では、図4に示されるように、溶接部58は、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なっている。すなわち、溶接部58は、カシメ固定部57と連結している。
これにより、本実施形態のステータコア53では、カシメ固定部57と溶接部58とが互いに離れて形成されている場合と比較して、カシメ固定部57および溶接部58が占める範囲が小さい。ここで、9個のティース55のそれぞれの径方向外側にカシメ固定部57および溶接部58が形成されているステータコア53について考える。この場合、鉄損の原因となる箇所の数は、カシメ固定部57と溶接部58とが互いに離れて形成されている場合では18であり、カシメ固定部57と溶接部58とが連結している本実施形態の場合では9である。そのため、ステータコア53の製造工程において、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なるように溶接部58を形成することで、ステータコア53の鉄損の原因となる箇所の数を半分にすることができる。
また、ステータ51の製造工程では、積層されたステータ板56同士を溶接によって固定する前に、片持ち状カシメ59等のカシメによってステータ板56同士を固定しておくことが好ましい。これにより、ステータ板56を積層する際にステータ板56の位置合わせを正確に行うことができ、積層されたステータ板56同士を溶接する際にステータ板56の位置がずれることを防止することができる。ステータ板56の片持ち状カシメ59は、ステータコア53の鉄損の原因となるが、本実施形態では、溶接部58はカシメ固定部57と連結しているので、カシメおよび溶接の両方によってステータ板56を固定してもステータコア53の鉄損が抑えられる。
以上より、本実施形態では、ステータコア53の製造工程においてカシメ固定部57と溶接部58とを連結させることで、ステータコア53の鉄損が抑えられる。従って、本実施形態のステータ51をモータ16に用いることで、ステータコア53の鉄損に起因するモータ16の効率の低下を抑制することができる。
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係るステータについて説明する。本実施形態の基本的な構成、動作および特徴は、第1実施形態に係るステータと同一であるので、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
本実施形態では、ステータ板56は、第1実施形態とは異なるカシメ固定部57を有している。本実施形態は、カシメ固定部57以外の構成は、第1実施形態と共通である。カシメ固定部57は、ステータ板56に形成されたV字状カシメ159によって、複数のステータ板56が互いに固定されている部分である。図8および図9は、V字状カシメ159の形成方法を説明するための図である。
V字状カシメ159は、ステータ板56の主表面56a上に形成された一対の切り込み部159aの間の部分をV字状に凹ませた部分である。V字状カシメ159を形成するためには、最初に、図8に示されるように、ステータ板56の外周面56bの近傍において、周方向に沿って互いに平行な一対の切り込み部159aを形成する。次に、図9に示されるように、一対の切り込み部159aの間のV字部159bを、主表面56aと直交する方向に押し下げて、V字状に成形する。これにより、一対の切り込み部159aの間には、カシメ部159cが形成される。カシメ部159cは、他のステータ板56のV字部159bが嵌め込まれる部分である。鉛直方向において隣り合う2枚のステータ板56に関して、上方のステータ板56のV字部159bは、下方のステータ板56のカシメ部159cに嵌め込まれ、下方のステータ板56のV字部159bと接触する。これにより、複数のステータ板56が積層される。ただし、最も下方に位置するステータ板56では、一対の切り込み部159aが形成された後、V字部159bが切り落とされる。そのため、最も下方に位置するステータ板56は、カシメ部159cを有するが、V字部159bを有さない。
本実施形態では、第1実施形態と同様に、溶接部58は、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なるように形成される。溶接部58は、ステータコア53の第1外周面54aにおいて、各ステータ板56のV字状カシメ159が形成されている部分を加熱して形成される。
本実施形態では、第1実施形態と同様に、ステータコア53の製造工程において、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なるように溶接部58を形成することで、ステータコア53の鉄損が抑えられる。従って、本実施形態のステータ51をモータ16に用いることで、ステータコア53の鉄損に起因するモータ16の効率の低下を抑制することができる。
<変形例>
(1)変形例A
第1実施形態では、ステータコア53は、カシメ固定部57を有する。カシメ固定部57は、ステータ板56に形成された片持ち状カシメ59によって、複数のステータ板56が互いに固定されている部分である。
本変形例は、第1実施形態の片持ち状カシメ59の他の形態に関する。図10および図11は、本変形例の片持ち状カシメ259の形成方法を説明するための図である。片持ち状カシメ259を形成するためには、最初に、図10に示されるように、ステータ板56の外周面56bの近傍において、周方向に沿って互いに平行な一対の第1切り込み部259a1を形成する。また、一対の第1切り込み部259a1を接続する第2切り込み部259a2を形成する。第2切り込み部259a2は、一方の第1切り込み部259a1の端部と、他方の第1切り込み部259a1の端部とを接続する。次に、図11に示されるように、一対の第1切り込み部259a1および第2切り込み部259a2の間の片持ち部259bを、ステータ板56の主表面56aと直交する方向に押し下げる。これにより、一対の第1切り込み部259a1の間には、カシメ部259cが形成される。カシメ部259cは、他のステータ板56の片持ち部259bが嵌め込まれる部分である。第1実施形態と同様に、鉛直方向において隣り合う2枚のステータ板56に関して、上方のステータ板56の片持ち部259bは、下方のステータ板56のカシメ部259cに嵌め込まれ、下方のステータ板56の片持ち部259bと接触する。これにより、複数のステータ板56が積層される。ただし、最も下方に位置するステータ板56では、一対の第1切り込み部259a1および第2切り込み部259a2が形成された後、片持ち部259bが切り落とされる。そのため、最も下方に位置するステータ板56は、カシメ部259cを有するが、片持ち部259bを有さない。
(2)変形例B
第2実施形態では、ステータコア53は、カシメ固定部57を有する。カシメ固定部57は、ステータ板56に形成されたV字状カシメ159によって、複数のステータ板56が互いに固定されている部分である。V字状カシメ159は、ステータ板56の主表面56a上に形成された一対の切り込み部159aの間の部分をV字状に凹ませた部分である。
しかし、ステータ板56の主表面56a上に形成された一対の切り込み部159aの間の部分を、V字状以外の他の形状で凹ませたカシメによって、複数のステータ板56が互いに固定されてカシメ固定部57が形成されてもよい。例えば、一対の切り込み部159aの間の部分をU字状に凹ませたカシメによって、複数のステータ板56が互いに固定されてカシメ固定部57が形成されてもよい。
(3)変形例C
第1実施形態および第2実施形態では、溶接部58は、カシメ固定部57の少なくとも一部と重なっている。しかし、溶接部58は、カシメ固定部57の全体を包含してもよい。図12は、本変形例におけるステータコア53の上面図の拡大図である。
本変形例では、図12に示されるように、カシメ固定部57は、溶接部58に完全に含まれている。そのため、ステータコア53の鉄損の原因となる、カシメ固定部57および溶接部58の領域を小さくすることができる。従って、このステータコア53を備えるステータ51をモータ16に用いることで、ステータコア53の鉄損に起因するモータ16の効率の低下を抑制することができる。
本発明に係るステータ、モータおよびステータの製造方法は、モータの効率の低下を抑制することができる。
16 モータ
51 ステータ
52 ロータ
53 ステータコア
54 環状部
54a 第1外周面
54b 第2外周面
55 ティース
56 ステータ板
57 カシメ固定部
58 溶接部
59 片持ち状カシメ
59a 切り込み部
159 V字状カシメ
159a 切り込み部
特開2010−35328号公報

Claims (7)

  1. 環状部(54)と、前記環状部の内周面から径方向内側に突出し前記環状部の周方向に配置される複数のティース(55)とを有し、積層された複数のステータ板(56)から構成されるステータコア(53)を備え、
    前記ステータコアは、
    複数の前記ステータ板をカシメによって互いに固定するカシメ固定部(57)と、
    複数の前記ステータ板を溶接によって互いに固定する溶接部(58)と、
    を有し、
    前記溶接部は、前記カシメ固定部の少なくとも一部と重なっている、
    ステータ(51)。
  2. 前記環状部は、第1外周面(54a)と、前記第1外周面から径方向外側に突出する第2外周面(54b)とを有し、
    前記溶接部は、前記第1外周面に形成される、
    請求項1に記載のステータ。
  3. 前記カシメ固定部は、前記ステータ板の平面上に形成された一対の切り込み部(59a,259a)の間の部分を片持ち状に凹ませた片持ち状カシメ(59,259)によって複数の前記ステータ板を互いに固定する、
    請求項1または2に記載のステータ。
  4. 前記カシメ固定部は、前記ステータ板の平面上に形成された一対の切り込み部(159a)の間の部分をV字状に凹ませたV字状カシメ(159)によって複数の前記ステータ板を互いに固定する、
    請求項1または2に記載のステータ。
  5. 前記溶接部は、前記カシメ固定部の全体を包含する、
    請求項1から4のいずれか1項に記載のステータ。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載のステータと、
    前記ステータの径方向内側に配置されるロータ(52)と、
    を備えるモータ(16)。
  7. 積層された複数のステータ板(56)から構成されるステータコア(53)を備えるステータ(51)の製造方法であって、
    複数の前記ステータ板をカシメによって互いに固定しながら積層する積層工程と、
    前記積層工程で積層された複数の前記ステータ板を溶接によって互いに固定する溶接工程と、
    を備え、
    前記溶接工程では、前記積層工程においてカシメによって固定された部分の少なくとも一部が溶接される、
    ステータの製造方法。
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