JP2019047661A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】電流経路の高温部分の温度を確実に測定できる回転電機を提供する。【解決手段】回転電機(100)は、固定子巻線(142)を含む電流経路を備えた固定子(140)と、固定子に対して回転自在に取り付けられた回転子(130)と、を備える。電流経路は、固定子電流による単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が固定子巻線の有効コイル部分(142a)よりも大きな高発熱部分(210,220,230,240)を有し、高発熱部分に温度センサ(300)が取り付けられている。【選択図】図2

Description

本発明は、温度センサを備えた回転電機に関する。
特許文献1には、巻線の過熱防止のための温度センサが設置された2つの回転電機を備えた駆動装置が開示されている。第1の回転電機では、他の発熱体に隣接するコイルエンド部に温度センサを配置しており、第2の回転電機では、作動油のオイルレベル直下のコイルエンド部に温度センサを配置している。これらの配置により、各回転電機の最高温度を検知することができる。
特開2005−86882号公報
しかしながら、上述の従来技術は、回転電機が他の発熱体に隣接していない場合や、オイル冷却がなされていない場合には適用できない。また、オイル冷却の場合でも動作条件によってはオイルレベルは一定でないため、確実に巻線の中で最も高い温度を測定できるとは言い難い。そこで、より汎用性が高く、巻線の中で最も高い温度をより確実に測定できる回転電機を提供することが望まれる。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、固定子巻線(142)を含む電流経路を備えた固定子(140)と、前記固定子に対して回転自在に取り付けられた回転子(130)と、を備える回転電機(100)が提供される。前記電流経路は、固定子電流による単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が前記固定子巻線の有効コイル部分(142a)よりも大きな高発熱部分(210,220,230,240)を有し、前記高発熱部分に温度センサ(300)が取り付けられている。
この形態の回転電機によれば、高発熱部分は、固定子電流による単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が固定子巻線の有効コイル部分よりも大きく、この高発熱部分に温度センサが取り付けられているので、固定子巻線を含む電流経路の中で最も高い温度をより確実に測定できる。
回転電機の構成例を示す説明図。 第1実施形態において接続部材の高発熱部分に温度センサが設けられた例を示す斜視図。 第1実施形態における固定子巻線と高発熱部分の接続関係を示す結線図。 第2実施形態において接続部材の高発熱部分に温度センサが設けられた例を示す斜視図。 第2実施形態の接続部材と温度センサの分解斜視図。 温度センサ付きの接続部材の製作手順を示すフローチャート。 第3実施形態における固定子巻線と高発熱部分の接続関係を示す結線図。 第3実施形態における高発熱部分を示す斜視図。 第3実施形態における高発熱部分を含む固定子巻線を示す斜視図。 第3実施形態において固定子巻線の高発熱部分に温度センサが設けられた例を示す斜視図。 第4実施形態において固定子巻線の端部に設けられた高発熱部分の一例を示す斜視図。
A. 高発熱部分を有する接続部材の実施形態
図1に示すように、第1実施形態の回転電機100は、ケーシング110と、回転子130と、固定子140と、軸受け150とを備える。固定子140は、ケーシング110に収容されており、固定子コア141と固定子巻線142とを有する。回転子130は、固定子140の内側にギャップを介して設置されており、回転子コア131と、回転子コア131に固定された磁石132と、回転軸133とを有する。磁石132の個数は任意に設定可能である。磁石132は、回転子コア131の外側に露出してもよく、回転子コア131に埋め込まれてもよい。回転軸133は、ケーシング110の両端に設けられた軸受け150によって回転自在に支持されている。この例では、回転電機100はインナーロータ型であるが、アウターロータ型などの他の構造を採用してもよい。また、この例では回転電機100は磁石式回転電機であるが、スイッチトリラクタンスモータなどの回転子130に磁石を用いない回転電機であってもよい。
固定子巻線142は二相以上の多相の巻線であり、本実施形態では三相(例えばu相,v相,w相)の巻線として構成されている。固定子コア141への巻き付けは、集中巻でもよく、分布巻でもよい。固定子巻線142は、固定子コア141に設けられた有効コイル部分142aと、固定子コア141から外部に突出した位置に設けられたコイルエンド部分142bとを有する。
図2に示すコイルエンド部分142bの構成から理解できるように、固定子巻線142は、u相巻線142uと、v相巻線142vと、w相巻線142wとを含んでいる。本実施形態では、巻線142u,142v,143wのそれぞれは、複数の導線で構成されたパラ巻線である。図2の例では、2本の導線で1相分の巻線が構成されている。但し、各相の巻線を1本の導線で構成してもよい。u相巻線142uは、出力端142ueと、中性端142unとを有する。出力端142ueは、外部の駆動装置と結線される部分である。中性端142unは、回転電機100の内部で他の相の巻線142v,142wと結線される部分である。同様に、v相巻線142vは出力端142veと中性端142vnとを有し、w相巻線142wは出力端142weと中性端142wnとを有する。
u相巻線142uの中性端142unとv相巻線142vの中性端142vnは、接続部材210で互いに接続されている。同様に、v相巻線142vの中性端142vnとw相巻線142wの中性端142wnは、接続部材211で互いに接続されている。これらの接続部材210,211は、固定子巻線142と同じ導電材料(例えば銅)で形成されている。接続部材210,211を固定子巻線142の有効コイル部分142aと同じ導線を用いて構成すれば、特別な追加部品を必要とせずに簡易に接続部材210,211を形成できる。第1実施形態において、「接続部材」とは、異なる相の巻線同士を接続する部材を意味する。接続部材は、接続の容易性や温度センサ300の取り付けの容易性を考慮すると、コイルエンド部分142bに設けることが好ましい。
接続部材210には、接続部材210の温度を測定するための温度センサ300が取り付けられている。温度センサ300の配線310は、回転電機100の外部に取り出されている。後で詳述するように、温度センサ300が取り付けられている接続部材210は、固定子電流による単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が、固定子巻線142の有効コイル部分142a(図1)よりも大きな高発熱部分に相当する。具体的には、接続部材210は、固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも断面積が小さい。また、接続部材210は、固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも単位長さ当たりの電気抵抗値が大きく電流密度が高い高抵抗部分と考えることも可能である。なお、固定子巻線142がパラ巻線で構成されている場合には、「有効コイル部分142aの断面積及び電気抵抗値」は、パラ巻線を構成する複数の導線全体の断面積及び電気抵抗値として定義される。図2の例では、接続部材210は1本の導線で構成されているので、接続部材210の断面積は有効コイル部分142aの断面積の1/2であり、接続部材210の電流密度は有効コイル部分142aの電流密度の2倍である。
なお、「高発熱部分(例えば接続部材210)に温度センサ300を取り付ける」という表現の「取り付ける」という語句の意味は、温度センサ300を高発熱部分に直接的に取り付ける場合と、間接的に取り付ける場合とを含んでいる。また、温度センサ300を「直接的に取り付ける」という語句は、高発熱部分と温度センサ300の間に介在物が存在しない状態で取り付ける場合と、高発熱部分と温度センサ300の間に接着剤層を挟んだ状態で取り付ける場合とを含んでいる。一方、温度センサ300を「間接的に取り付ける」という語句は、高発熱部分と温度センサ300の間に接着剤層でない介在物(例えば金属板などの高熱伝導率部材)が存在する状態で取り付ける場合と、温度センサ300を高発熱部分に隣接する電流経路に取り付ける場合とを含んでいる。
図3の結線図に示すように、固定子巻線142は、接続部材210,211が中性点NPとなるスター結線として構成されている。各相の中性端142un,142vn,142wnは、中性点NPで互いに接続されている。ここでは、有効コイル部分142aの単位長さ当たりの電気抵抗値Ra[Ω/m]と、接続部材210の単位長さ当たりの電気抵抗値Rt[Ω/m]が描かれている。なお、温度センサ300が設けられていない接続部材211は、有効コイル部分142aと同じパラ巻線として構成しても良いので、図3ではその電気抵抗値の図示を省略している。
接続部材210の断面積が有効コイル部分142aの断面積のα倍(0<α<1)である場合には、それぞれの単位長さ当たりの電気抵抗値Rt,Ra[Ω/m]について次式が成立する。
Rt=Ra/α …(1)
固定子巻線142を流れる固定子電流をI[A]とし、接続部材210の単位当たりの発熱量をQt[W/m]とし、有効コイル部分142aの単位当たりの発熱量をQa[W/m]とすると、次式が成立する。
Qt=I2 Rt=I2 Ra/α …(2)
Qa=I2 Ra …(3)
Qt=Qa/α …(4)
また、接続部材210の単位当たりの熱容量をCt[J/Km]とし、有効コイル部分142aの単位当たりの熱容量をCa[J/Km]とすると、次式が成立する。
Ct=Ca・α …(5)
放熱を無視すれば、電流経路の単位長さ当たりの温度上昇ΔTは一般に次式で与えられる。
ΔT=(Q/C)Δt
=(I2 R/C)Δt …(6)
ここで、Qは単位長さ当たりの発熱量、Cは単位長さ当たりの熱容量、Rは単位長さ当たりの電気抵抗値、Iは固定子電流、Δtは時間である。発熱量Qと熱容量Cの一方又は両方が変化する場合には、(6)式の右辺は時間積分となる。
この(6)式から理解できるように、電流経路の単位長さ当たりの温度上昇ΔTは、固定子電流Iによる単位長さ当たりの発熱量Qを、単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)に比例する。また、単位長さ当たりの温度上昇ΔTは、単位長さ当たりの電気抵抗値Rを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(R/C)に比例すると考えることも可能である。温度センサ300が取り付けられる高発熱部分としての接続部材210は、(Q/C)値が、固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも大きな部分として構成されることが好ましい。
上記(6)式に(4)式及び(5)式を代入すると、接続部材210の温度上昇ΔTtと有効コイル部分142aの温度上昇ΔTaは、次式で与えられる。
ΔTt=(I2 Rt/Ct)Δt=(I2 Ra/Ca)/α2 …(7)
ΔTa=(I2 Ra/Ca)Δt …(8)
ΔTt=ΔTa/α2 …(9)
上記(9)式において断面積の比αは0<α<1なので、高発熱部分である接続部材210の温度上昇ΔTtは有効コイル部分142aの温度上昇ΔTaよりも大きい。なお、断面積の比αが小さいほど温度上昇ΔTtが大きくなるので、電流経路の最高温度を温度センサ300で測定するという意味では、断面積の比αは小さい方が好ましい。一方、断面積の比αが過度に小さくなると、温度上昇ΔTtが過度に大きくなって接続部材210が損傷する可能性がある。また、断面積の比αが1に近づくほど接続部材210と有効コイル部分142aの温度差が小さくなるので、電流経路の最高温度を温度センサ300で測定できなくなる可能性がある。これらの点を考慮すると、断面積の比αは、0.4以上0.9以下に設定することが好ましく、0.5以上0.8以下に設定することが更に好ましい。なお、(Q/C)値に関しては、接続部材210の高発熱部分における(Q/C)値が、有効コイル部分142aにおける(Q/C)値の1.2倍以上6.3倍以下であることが好ましく、1.6倍以上4倍以下であることが更に好ましい。
図4及び図5に示す第2実施形態では、固定子巻線142の中性点NP(図2,図3)において、異なる相の巻線を接続するための接続部材220に温度センサ300が取付けられている。ここで、接続部材220は、断面積が接続部材220の他の部分よりも小さな断面積減少部226を有している。この断面積減少部226は、固定子電流による単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも大きな高発熱部分に相当する。また、この断面積減少部226は、固定子巻線142の有効コイル部分142a(図1)よりも単位長さ当たりの電気抵抗値が大きく電流密度が高い部分である。断面積減少部226には、温度センサ300を挿入するための穴222が形成されている。温度センサ300は、この穴222の中に挿入されて樹脂224で封止されている。このような構造を採用すれば、温度センサ300と断面積減少部236の間の伝熱抵抗を小さくできるので、電流経路の最高温度をより正確に応答性良く検出できる。また、温度センサ300は、高発熱部分としての断面積減少部226の略中央の位置に設けることが好ましい。更に、温度センサ300と接続部材220との間に他の部材(断熱部材)を設けないようにすれば、温度測定の正確性と応答性を更に向上させることが可能である。以下では、温度センサ300が取り付けられた接続部材220を「温度検出部材サブアセンブリ」とも呼ぶ。
図6に示すように、図4及び図5に示した温度検出部材サブアセンブリを製作する際には、まず、工程S110で接続部材220を製作し、工程S120で温度センサ300を製作する。次に、工程S130において、接続部材220に温度センサ300を組み付ける。具体的には、接続部材220の穴222の中に温度センサ300を挿入し、穴222を樹脂224で封止する。次の工程S140で、接続部材220の両端部以外の部分に絶縁処理を行うと、温度検出部材サブアセンブリが完成する。
上述した第1実施形態及び第2実施形態では、温度センサ300を取り付ける高発熱部分は、接続部材210又は220に形成されている。このように、高発熱部分を有する接続部材を利用する場合には、例えば、接続部材を以下のいずれかの部分に設置することが可能である。
(1)スター結線の中性点NP(図3)
(2)バスバー(回転電機100の出力線)
(3)パラ巻線の場合の導線同士の接合箇所(図2)
これらの位置に高発熱部分を有する接続部材を設けるようにすれば、温度センサ300を高発熱部分に容易に取り付けることが可能である。なお、三相の巻線は、デルタ結線としてもよい。この場合にも、上記(2)と(3)の位置に接続部材を設置することができる。
バスバーは、「異なる相の巻線を接続する」ものには該当せず、巻線と巻線以外の導線との間を接続する接続部材である。この説明から理解できるように、本明細書において、「接続部材」とは、異なる相の巻線を電気的に接続する部材と、巻線と巻線以外の導線との間を電気的に接続する部材と、の両方を包含する意味で使用される。
高発熱部分を有する接続部材を利用する場合に、高発熱部分を形成する方法として、例えば以下のいずれかを採用可能である。
(A)固定子巻線142と同じ導電材料を用い、断面積を小さくする。
(B)固定子巻線142と異なる導電材料を用いる。具体的には、例えば以下のような導電材料を使用可能である。
i)固定子巻線142よりも電気抵抗率の大きな導電材料(例えばアルミニウムやニッケル)を用いる。
ii)単位長さ当たりの電気抵抗値Rを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(R/C)が固定子巻線142よりも大きな導電材料(例えば、金やタングステン)を用いる。
なお、温度検出の精度を高めるためには、高発熱部分と温度センサ300との間の伝熱抵抗を可能な限り小さくすることが好ましい。具体的には、高発熱部分と温度センサ300の接触面積を可能な限り大きくすることが好ましい。また、高発熱部分に温度センサ300が直接接触した状態で取り付けられていることが好ましい。
上述した第1実施形態及び第2実施形態では、固定子電流Iによる単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも大きな高発熱部分を有する接続部材210又は220を使用し、その高発熱部分に温度センサ300を取り付けているので、固定子巻線142を含む電流経路の中で最も高い温度を従来より確実に測定できる。特に、高発熱部分の構成として、固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも単位長さ当たりの電気抵抗値が大きく電流密度が高い構成を採用すれば、固定子巻線142を含む電流経路の中で最も高い温度を更に確実に測定できる点で好ましい。
B. 固定子巻線に設けられた高発熱部分の実施形態
以下に説明するように、他の実施形態では、温度センサ300を取り付ける高発熱部分を、固定子巻線142のうちの同一の相の巻線の途中に設けることも可能である。この場合にも、高発熱部分は、上述した第1実施形態及び第2実施形態で説明したものと同様の電気的/熱的特性を有することが好ましい。
図7に示す第3実施形態では、高発熱部分230が、同一の相の巻線142vの途中に設けられている。この構成においても、高発熱部分230に温度センサを設けることにより、固定子巻線142を含む電流経路の中で最も高い温度をより確実に測定できる。但し、温度センサの取付けの容易性を考慮すると、有効コイル部分142aよりも、コイルエンド部分142bに高発熱部分230を設けることが好ましい。
図8及び図9に示すように、高発熱部分230を同一の相の巻線142vの途中に設ける場合は、高発熱部分230は巻線142vの導線の断面積減少部として構成することが可能である。
図10に示すように、高発熱部分230には、温度センサ300が取り付けられる。温度センサ300は、高発熱部分230の略中央に取り付けられることが好ましい。こうすれば、高発熱部分230のうちで、最も温度が高い部分の温度を温度センサ300で測定することができる。また、温度センサ300は、高発熱部分230に直接接触した状態で取り付けられることが好ましく、両者の間に他の部材(熱絶縁材)が設けられていないことが好ましい。こうすれば、温度測定の正確性と応答性を向上させることが可能である。
図11に示すように、第4実施形態では、高発熱部分240は、同じ相の巻線142v同士の接合部として構成されている。この例では、高発熱部分240は、v相の巻線142v同士を溶接した溶接部として構成されている。この高発熱部分240は、その溶接深さDw(溶接部240の長さ)を小さくすることによって、有効コイル部分142aよりも単位長さ当たりの電気抵抗値が大きく電流密度が大きい部分となっている。また、この高発熱部分240は、固定子電流Iによる単位長さ当たりの発熱量Qを、単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が、固定子巻線142の有効コイル部分142aよりも大きな部分となっている。
図7〜図11に示したように、高発熱部分を固定子巻線142のうちの同一の相の巻線の途中に形成する場合には、高発熱部分は、有効コイル部分142aよりも断面積が小さい部分として形成されることが好ましい。これは、具体的には、例えば以下の方法で実現可能である。
(1)導線を細らせる(図8,図9)。
(2)導線に穴を開ける。
(3)導線同士の接合部の接合深さを小さくする(図11)。
(4)導線同士のかしめによる圧着面積を小さくする。
(5)巻線断面積を小さくする。例えばパラ巻線であれば、パラ巻線を構成する導線の本数を減らすことによって巻線断面積を小さく出来る。但し、各相の巻線間の不均衡が過度に大きくならない程度の許容範囲内で断面積を小さくすることが好ましい。
以上のように、高発熱部分を固定子巻線142のうちの同一の相の巻線の途中に形成した場合にも、その高発熱部分に温度センサ300を設けることによって、固定子巻線142を含む電流経路の中で最も高い温度を確実に測定できる。
本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能である。
100…回転電機、110…ケーシング、130…回転子、131…回転子コア、132…磁石、133…回転軸、140…固定子、141…固定子コア、142,142u,142v,142w…固定子巻線、142a…有効コイル部分、142b…コイルエンド部分、142un,142vn,142wn…中性端、142ue,142ve,142we…出力端、150…軸受け、210…接続部材(高発熱部分)、211…接続部材、220…接続部材(高発熱部分)、222…穴、224…樹脂、226…断面積減少部、230…高発熱部分、236…断面積減少部、240…溶接部(高発熱部分)、300…温度センサ、310…温度センサの配線

Claims (10)

  1. 固定子巻線(142)を含む電流経路を備えた固定子(140)と、前記固定子に対して回転自在に取り付けられた回転子(130)と、を備える回転電機(100)であって、
    前記電流経路は、固定子電流による単位長さ当たりの発熱量Qを単位長さ当たりの熱容量Cで除した値(Q/C)が前記固定子巻線の有効コイル部分(142a)よりも大きな高発熱部分(210,220,230,240)を有し、
    前記高発熱部分に温度センサ(300)が取り付けられている、回転電機。
  2. 請求項1に記載の回転電機において、
    前記高発熱部分は、前記固定子巻線の有効コイル部分よりも単位長さ当たりの電気抵抗値が大きく電流密度が高い部分である、回転電機。
  3. 請求項1又は2に記載の回転電機において、
    前記高発熱部分は、前記固定子巻線のコイルエンド部分(142b)に形成されている、回転電機。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転電機において、
    前記温度センサは、前記高発熱部分の略中央に取り付けられている、回転電機。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転電機において、
    前記高発熱部分(230,240)は、前記固定子巻線のうちの同一の相の巻線の途中に形成されている、回転電機。
  6. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の回転電機において、
    前記高発熱部分は、前記固定子巻線のうちの異なる相の巻線を電気的に接続する接続部材(210,220)に形成されている、回転電機。
  7. 請求項6又は7に記載の回転電機において、
    前記接続部材(220)は、前記温度センサを格納する穴(222)を有する、回転電機。
  8. 請求項7に記載の回転電機において、
    前記温度センサは、前記穴の中に樹脂(224)で封止されている、回転電機。
  9. 請求項7又は8に記載の回転電機において、
    前記温度センサは、前記接続部材に直接接触した状態で取り付けられている、回転電機。
  10. 請求項6〜9のいずれか一項に記載の回転電機において、
    前記固定子巻線はスター結線されており、前記高発熱部分は前記固定子巻線の中性点(NP)に設けられている、回転電機。
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