JP2020127322A - 回転機の固定子部及びそれを搭載する装置 - Google Patents

回転機の固定子部及びそれを搭載する装置 Download PDF

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幸弘 岡田
Yukihiro Okada
幸弘 岡田
祐一 吉川
Yuichi Yoshikawa
祐一 吉川
慶一郎 額田
Keiichiro Nukada
慶一郎 額田
元 宇賀治
Hajime Ukaji
元 宇賀治
猛 前川
Takeshi Maekawa
猛 前川
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Abstract

【課題】固定子を含む固定子部について、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、回転機の振動を抑制可能な回転機の固定子部を提供すること。【解決手段】回転機の固定子部3は、円筒形状体を含むヨーク部7aとヨーク部7aの内面から突出するティース部9とを含む固定子鉄心7と、固定子鉄心7の円筒外面7bに接する円筒内面1bとこの円筒内面1bに対して円筒外周に位置する円筒外周面12とを含む固定子鉄心外装体1aと、円筒外周面12から突出し且つ固定子鉄心7の円筒形状体における仮想中心軸7dのアキシャル方向11と同じ方向に柱状側面8aを有する複数の柱状凸部8と、固定子鉄心7の円筒形状体における仮想中心軸7dのアキシャル方向11と同じ向きに複数の柱状凸部8の各々を貫通する挿通孔2と、固定子鉄心外装体1aの円筒外周面12の周方向において、この円筒外周面12から突出する鍔部6と、を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、回転機に含まれる固定子部に関する。
近年、機器の静粛化が希求され、回転機等の部品の低騒音化の要求が顕著になってきた。例えば、特許文献1等には、固定子の外周部に凸部を設け、固定子を支持するフレームとの間に隙間を形成することで、固定子からフレームへの振動の伝達を低減することにより騒音を抑制する技術思想が記されている。しかし、固定子を支持するフレームとの間に隙間を形成することは、振動の伝播を緩和しているに過ぎず、回転機における振動の発生自体を抑制し得るものではない。
また、固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数との差が少ない場合や、固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とがほぼ等しい場合は、振動の伝達を抑制する等の工夫だけでは、回転機の静粛化は不十分であった。
また、静粛化を図るための技術としては、固定子フレーム、固定子枠体又は固定子収容環状体などと呼称される外装体と固定子とを、焼きばめ、と呼称される工法によって、外装体と固定子とを一体化すると共に剛性を高めて剛体化し、共振周波数を高める等の手法が知られている。しかしながら、焼きばめ、という工程の追加や、この工程に要する設備については、新規な投資が必要になる等の理由で、経営的観点の課題を招くものである。
特開2002−233103号公報
本発明は、回転機に関して、特に、固定子を含む固定子部について、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、固定子を含む固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能な回転機の固定子部を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、第1の発明は、円筒形状体を含むヨーク部と前記ヨーク部の内面から突出するティース部とを含む固定子鉄心と、前記固定子鉄心の円筒外面に接する円筒内面と前記円筒内面に対して円筒外周に位置する円筒外周面とを含む固定子鉄心外装体と、前記円筒外周面から突出し且つ前記固定子鉄心の円筒形状体における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ方向に柱状側面を有する複数の柱状凸部と、前記固定子鉄心の円筒形状体における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ向きに前記複数の柱状凸部の各々を貫通する挿通孔と、前記円筒外周面の周方向において前記円筒外周面から突出する鍔部と、を含む回転機の固定子部である。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記鍔部の一部分と前記複数の柱状凸部の各々とが交差する交差部を含み、更に、前記鍔部と前記交差部の各々とを含む環状体が、前記円筒外周面に位置する構成を含む、回転機の固定子部である。
また、第3の発明は、第1の発明において、前記固定子部が被固定子部に固定される場
合に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の前記円筒外周面に、前記鍔部が位置する構成を含み、更に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の寸法のうちの、前記固定子鉄心外装体における前記被固定子部の側である一方の端面から7割の寸法の位置から、前記固定子鉄心外装体における他方の端面までの範囲に、前記鍔部が位置する構成を含む回転機の固定子部である。
また、第4の発明は、第1の発明において、前記固定子部が被固定子部に固定される場合に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の前記円筒外周面に、前記鍔部が位置する構成を含み、更に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の寸法のうちの、前記固定子鉄心外装体における前記被固定子部の側である一方の端面から6割の寸法の位置から、前記固定子鉄心外装体における他方の端面までの範囲に、前記鍔部が位置する構成を含む回転機の固定子部である。
また、第5の発明は、第1の発明において、前記複数の柱状凸部の各々における前記仮想中心軸のアキシャル方向と同方向の寸法と、前記固定子鉄心外装体における前記筒状形状体の両端面間の寸法とが等しい構成を含む回転機の固定子部である。
また、第6の発明は、第1の発明において、前記固定子鉄心は、複数のセグメントコアを円環状に連結する構造を含む回転機の固定子部である。
また、第7の発明は、第1乃至第6の発明における回転機の固定子部を搭載する装置である。
本発明によれば、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、固定子を含む固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能であり、産業的価値の大なるものである。すなはち、固定子外装体の剛性を高めることによって、回転機の駆動周波数よりも、固定子部が有する固有の共振周波数をより高い周波数域へと移動させて、駆動時における固定子部にて生じる振動を抑制可能とするものである。
実施の形態1における固定子部の概要を示す斜視図 固定子部と被固定部との固定構造に関して第1例の概要を示す模式図 固定子部と被固定部との固定構造に関して第1例について有限要素法を用いて構造解析した結果を示す図 固定子部と被固定部との固定構造に関して第2例の概要を示す半断面斜視図 固定子部と被固定部との固定構造に関して第2例について有限要素法を用いて構造解析した結果を示す図 比較例における固定子の概要を示す斜視図 比較例における固定子部と被固定部との固定構造の概要を示す模式図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に記す実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態における固定子の概要を示す斜視図である。図2は、固定子部と被固定部との固定構造に関して第1例の概要を示す模式図である。図3は、固定子部と被固定部との固定構造に関して第1例について有限要素法を用いて構造解析した結果を示す
図である。図4は、固定子部と被固定部との固定構造に関して第2例の概要を示す半断面斜視図である。図5は、固定子部と被固定部との固定構造に関して第2例について有限要素法を用いて構造解析した結果を示す図である。なお、図1においては、仮想中心軸7d及びアキシャル方向11を図示している。
図1に示す本実施の形態における回転機の固定子部3は、円筒形状体を含むヨーク部7aとヨーク部7aの内面から突出するティース部9とを含む固定子鉄心7と、ティース部9の一部分を磁心とする固定子巻線(図示無し)と、固定子鉄心7の円筒外面7bに接する円筒内面1bとこの円筒内面1bに対して円筒外周に位置する円筒外周面12とを含む固定子鉄心外装体1aと、円筒外周面12から突出し且つ固定子鉄心7の円筒形状体における仮想中心軸7dのアキシャル方向11と同じ方向に柱状側面8aを有する複数の柱状凸部8と、固定子鉄心7の円筒形状体における仮想中心軸7dのアキシャル方向11と同じ向きに複数の柱状凸部8の各々を貫通する挿通孔2と、固定子鉄心外装体1aの円筒外周面12の周方向において、この円筒外周面12から突出する鍔部6と、を含む。そして、本実施の形態における回転機の固定子部3は、鍔部6の一部分と柱状凸部8の各々とが交差する交差部8cを含み、更に、鍔部6と交差部8cの各々とを含む環状体8bが、固定子鉄心外装体1aの円筒外周面12に位置する構成を含む。
なお、通例、固定子鉄心7と、この固定子鉄心7の筒内面へ突出するティース部9と、ティース部9の一部分を磁心とする固定子巻線(図示無し)と、とを含む構成を、固定子(以下では、固定子1と記す)と説明することが一般的である。本実施の形態にては、固定子鉄心外装体1aと、固定子1とを含む構成を、回転機の固定子部3と記すことから、本実施の形態における記述の統一性を図ることを旨に、固定子部3という標記を主に用いて記述する。
図2は、第1例として、固定子部と被固定部との固定構造に関する模式図である。具体的には、固定子部3と被固定部4と締結ボルト5とを含む固定構造の概要を示すものである。固定子部3を被固定部4へ固定するには、締結ボルト5を固定子部3の挿通孔2の一方の孔部から挿通して、この締結ボルト5を被固定部4へ螺合させることによって固定する。
このとき、固定子部3と被固定部4とが当接する固定子部3の側の端面と、固定子部3と被固定部4とが当接する被固定部4の側の当接面とによって、固定部10が構成される。なお、この固定部10を含む構成は、所謂、片持ち、と呼称されるものであり、振動し易い構造である。本実施の形態においては、上記の片持ち、と呼称される構成に加えて、固定子鉄心外装体1aの円筒外周面12から突出する鍔部6を有し、この鍔部6によって、固定子鉄心外装体1aの剛性が高められ、固定子部3としての全体構造において、円環状の共振の発生が抑制される。固定子部3の剛性を高めて剛体化することによって、固定子1を含む固定子部3の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能とするものである。
本実施の形態における固定子部3を含む回転機は、固定子部3に含む固定子1が具備するティース部9の先端と空隙を介して回転自在に支承される回転子(図示なし)を配置することによって構成される。ちなみに、回転機は、回転電機、電動機要素、電動機又はモータとも呼称される。
本実施の形態の有効性を確認するために、有限要素法を用いた構造解析を実施した。図3は、固定子部と被固定部との固定構造に関して、第1例について有限要素法を用いて構造解析した結果を示す図である。後述の説明に先立って、まず、仮想中心軸7dのアキシャル方向11と同方向における固定子鉄心外装体1aの寸法値を、固定子鉄心外装体1a
の長さ寸法(L)と定義する。また、この固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)は、本実施の形態における固定子鉄心外装体1aにおいて柱状凸部8を省いた外形形状は直円柱状であり、固定子鉄心外装体1aにおける両端面間の寸法値と等しい。
つぎに、図3に示すグラフについて、詳述する。図3に示すグラフは、固定子部3と被固定部4とが当接する固定部10から鍔部6の位置までの寸法値(m)を、上記の固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)の値で正規化した値(m/L)と、その寸法値(m)の位置に鍔部6を配置した場合における最も低い共振周波数(以下、一次共振周波数と呼ぶ)を算出した結果と、を交点とし、各交点間に曲線を描き視覚化したものである。なお、図3に示すグラフの横軸の値が0(零)である場合の固定子部3の構成は、鍔部6を具備しない構成を意味し、後述の比較例のケースに相当するものである。
図3に示すグラフに拠れば、鍔部6の配置する好適な箇所は、固定子鉄心外装体1aにおける一方の端面であり且つ固定部10が構成される端面の側を基点として、固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)の約7割(0.7)の位置から、固定子鉄心外装体1aにおける他方の端面までの範囲であることが判る。図3のグラフにおいては、鍔部6の配置箇所を、固定部10から隔てるほどに、一次共振周波数の周波数は大きな値へと変化する傾向があり、そして固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)の約7割(0.7)を超えると、一次共振周波数の値は、略一定の値を示す傾向があることが示される。
図3には、グラフの横軸の値として、0(零)、約0.12、約0.26、約0.4、約0.53、約0.67、約0.75、約0.82、約0.88、約0.95及び1.0の各値について、構造解析した結果が示されている。そして、一次共振周波数が高く且つ一定である範囲が、グラフの曲線の変化具合から、グラフの横軸の値として、約0.7以上であり、上限の値は、1.0である。なお、1.0が指し示す位置は、固定部10と接する固定子鉄心外装体1aの端面に対して他方側に位置する端面である。
図4は、第2例として、固定子部3と被固定部13との固定構造に関する模式図である。具体的には、固定子部3と被固定部13とを含む固定構造の概要を示すものである。なお、図4においては、締結ボルトの描画を省略し、図示は無い。さて、上述の第1例に対して、本第2例が相違する点は、被固定部13に収容穴部14を有する点である。そして、収容穴部14における収容穴部内壁面15と鍔部6の先端部である鍔部先端6aとが当接する構造を構成する。そして、固定子部3を被固定部13へ固定するには、締結ボルト(図示無し)を固定子部3の挿通孔2の一方の孔部から挿通して、この締結ボルト(図示無し)を被固定部13へ螺合させることによって固定する。
このとき、固定子部3の被固定部13に当接している片方側の端面と、被固定部13の側の当接面とで固定部10が構成されるが、この固定部10を含む構成は、所謂、片持ち、と呼称されるものであり、振動し易い構造である。本実施の形態においては、上記の片持ち、と呼称される構成に加えて、固定子鉄心外装体1aの円筒外周面12から突出する鍔部6を有し、この鍔部6によって、固定子鉄心外装体1aの剛性が高められ、固定子部3としての全体構造において、円環状の共振の発生が抑制される。すなはち、固定子部3の剛性を高めて剛体化することによって、固定子1を含む固定子部3の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能とするものである。
更に、第2例の固定構造においては、収容穴部14における収容穴部内壁面15と鍔部6の先端部である鍔部先端6aとが当接する構成によって、固定子部3と被固定部13との一体構成における剛体化も図られ、回転機の更なる低振動化が可能である。
上述の第1例と同様に、第2例の固定構造においても、有限要素法を用いた構造解析を
実施した。なお、本構造解析において、被固定部13は、境界条件として考慮した。上述のとおり、仮想中心軸7dのアキシャル方向11と同方向における固定子鉄心外装体1aの寸法値を、固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)と定義する。また、この固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)は、本実施の形態における固定子鉄心外装体1aにおいて柱状凸部8を省いた外形形状は直円柱状であり、固定子鉄心外装体1aにおける両端面間の寸法値と等しい。
つぎに、図5に示すグラフについて、詳述する。図5に示すグラフは、固定子部3と被固定部4とが当接する固定部10から鍔部6の位置までの寸法値(m)を、上記の固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)の値で正規化した値(m/L)と、その寸法値(m)の位置に鍔部6を配置した場合における最も低い共振周波数(以下、一次共振周波数と呼ぶ)を算出した結果と、を交点とし、隣接する交点間に曲線を描き視覚化したものである。なお、図5に示すグラフの横軸の値が0(零)である場合の固定子部3の構成は、鍔部6を具備しない構成を意味し、後述の比較例のケースに相当するものである。
図5に示すグラフに拠れば、鍔部6の配置する好適な箇所は、固定子鉄心外装体1aにおける一方の端面であり且つ固定部10が構成される端面の側を基点として、固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)の約6割(0.6)の位置から、固定子鉄心外装体1aにおける他方の端面までの範囲であることが判る。図3のグラフにおいては、鍔部6の配置箇所を、固定部10から隔てるほどに、一次共振周波数の周波数は大きな値へと変化する傾向があり、そして固定子鉄心外装体1aの長さ寸法(L)の約6割(0・6)を超えると、一次共振周波数の値は、略一定の値を示す傾向があることが示される。
なお、図5には、グラフの横軸の値として、0(零)、約0.12、約0.25、約0.37、約0.5、約0.62、約0.75、約0.88及び1.0の各値について、構造解析した結果が示されている。そして、一次共振周波数が高く且つ一定である範囲が、グラフの曲線の変化具合から、グラフの横軸の値として、約0.6以上であり、上限の値は、1.0である。なお、1.0が指し示す位置は、固定部10と接する固定子鉄心外装体1aの端面に対して位置する他方側の端面である。
上述のとおり、第1例及び第2例の固定構造の解析結果から、本実施の形態における固定子1を含む固定子部3の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能であることが、示される。
なお、本実施の形態における固定子鉄心7は、電磁鋼板を打ち抜き加工して得られる扇型のセグメントコアシートを複数積層して構成するセグメントコア7eを構成し、複数個のセグメントコア7eを円環状に配置し一体化して円環状の鉄心である固定子鉄心7を構成する。また、固定子鉄心7は、電磁鋼板を打ち抜き加工して得られる円環状の固定子コアシートを複数積層して構成する積層体でも良い。ちなみに、上記積層体の一体化を図るには、積層体の積層面に溶接を施す工法や、積層体の積層面に接着剤等を塗布する工法や、固定子コアシートの複数個所に一方面では凹み他方裏面側では凸状の膨らむ所謂「カラマセ」と呼称される突起を設けて、この凹みに対して凸状の膨らみを係合させることで固定子コアシート同士を一体化する等の工法が採用される。
そして、固定子1を固定子鉄心外装体1aへ収容して、固定子1に含む固定子鉄心7の外筒面に固定子鉄心外装体1aを固定(固接)する。この固定によって、固定子1と固定子鉄心外装体1aとは一体化されて固定子部3が構成される。なお、この固定についての具体的な構成及び方法は、特に限定しない。
なお、上記の実施の形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されず、適宜変更しても
良い。例えば、上記の実施の形態の構成の一部を公知の他の構成に置き換えてもよい。また上記の実施の形態で言及されていない構成は任意であり、例えば公知の構成を適宜選択して本発明と組み合わせても良い。
(比較例)
図6は、比較例における固定子部の概要を示す斜視図である。図6は、本比較例における固定子部3の概要を示す斜視図である。図7は、比較例における固定子部と被固定部との固定構造の概要を示す模式図である。本比較例の固定子部と上述の実施の形態1の固定子部との相違点は、実施の形態1における鍔部6を本比較例が有さない点である。図6に示す本比較例における回転機の固定子部103及び固定子101は、円筒形状体を含むヨーク部107aとヨーク部107aの内面から突出するティース部109とを含む固定子鉄心107と、ティース部109の一部分を磁心とする固定子巻線(図示無し)と、固定子鉄心107の円筒外面107bに接する円筒内面101bとこの円筒内面101bに対して円筒外周に位置する円筒外周面112とを含む固定子鉄心外装体101aと、円筒外周面112から突出し且つ固定子鉄心107の円筒形状体における仮想中心軸107dのアキシャル方向111と同じ方向に柱状側面108aを有する複数の柱状凸部108と、固定子鉄心107の円筒形状体における仮想中心軸107dのアキシャル方向111と同じ向きに複数の柱状凸部108の各々を貫通する挿通孔102と、を含む。
なお、本比較例における各構成要素は、各々相当する実施の形態1の各構成要素と同一の内容となるため、重複する記述等は割愛する。同様に、本比較例における固定子鉄心107及びセグメントコア107eを構成するセグメントコアシート等の各部構成は、実施の形態1における固定子鉄心7及びセグメントコア7eを構成するセグメントコアシート等の各部の構成と同一の内容となるため、重複する記述等は割愛する。
また、本比較例における固定子部と被固定部との固定構造は、図7の模式図にて示すとおりである。すなはち、固定子部103と被固定部104との固定構造は、固定子部103の挿通孔102の一方から締結ボルト105を挿通して被固定部104への螺合によって固定する。このとき、固定子部103の被固定部104に当接している片方側の端面と、被固定部104の側の当接面とで固定部110が構成されるが、この固定部110を含む構成は、所謂、片持ち、と呼称されるものである。更に、本比較例の場合には、この固定部10が円環構造であるため、振動し易く、上述のとおり、本発明においては、課題として認識されるものである。
円環構造の空間次数nの共振周波数fnは、例えば、式(1)として記す、Timoshenkoの式というものが良く知られている。
Figure 2020127322
式(1)において、Rは半径であり、Eは縦弾性係数であり、Iは断面二次モーメントであり、ρは単位周方向長さ当たりの質量である。式(1)によれば、円筒部の厚みを厚くすると、剛性は上がるものの質量も増加することとなり、共振周波数fnは大きくは変化しないことが解る。すなはち、図6に示すように外周形状が円筒形状である場合は、首振りモード(空間次数n=1)や楕円モード(空間次数n=2)といった円環状の共振が
生じ易く、この円環状の共振に対しては十分な剛性を得ることも難しいことが解る。
本発明は、例えば、被固定部に、耐熱性の低い樹脂部品や熱履歴による歪等が生じ易い歯車等を含み且つ回転機に含む固定子部を締結ボルトによって被固定部へ固定する構成に適用可能である。
1 固定子
1a 固定子鉄心外装体
1b 円筒内面
2 挿通孔
3 固定子部
4 被固定部
5 締結ボルト
6 鍔部
6a 鍔部先端
7 固定子鉄心
7a ヨーク部
7b 円筒外面
7d 仮想中心軸
7e セグメントコア
8 柱状凸部
8a 柱状側面
8b 環状体
8c 交差部
9 ティース部
10 固定部
11 アキシャル方向
12 円筒外周面
13 被固定部
14 収容穴部
15 収容穴部内壁面
101 固定子
101a 固定子鉄心外装体
101b 円筒内面
102 挿通孔
103 固定子部
104 被固定部
105 締結ボルト
107 固定子鉄心
107a ヨーク部
107b 円筒外面
107d 仮想中心軸
107e セグメントコア
108 柱状凸部
108a 柱状側面
109 ティース部
110 固定部
111 アキシャル方向
112 円筒外周面

Claims (7)

  1. 円筒形状体を含むヨーク部と前記ヨーク部の内面から突出するティース部とを含む固定子鉄心と、前記固定子鉄心の円筒外面に接する円筒内面と前記円筒内面に対して円筒外周に位置する円筒外周面とを含む固定子鉄心外装体と、前記円筒外周面から突出し且つ前記固定子鉄心の円筒形状体における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ方向に柱状側面を有する複数の柱状凸部と、前記固定子鉄心の円筒形状体における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ向きに前記複数の柱状凸部の各々を貫通する挿通孔と、前記円筒外周面の周方向において前記円筒外周面から突出する鍔部と、を含む回転機の固定子部。
  2. 前記鍔部の一部分と前記複数の柱状凸部の各々とが交差する交差部を含み、更に、前記鍔部と前記交差部の各々とを含む環状体が、前記円筒外周面に位置する構成を含む、請求項1記載の回転機の固定子部。
  3. 前記固定子部が被固定部に固定される場合に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の前記円筒外周面に、前記鍔部が位置する構成を含み、更に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の寸法のうちの、前記固定子鉄心外装体における前記被固定部の側である一方の端面から7割の寸法の位置から、前記固定子鉄心外装体における他方の端面までの範囲に、前記鍔部が位置する構成を含む請求項1記載の回転機の固定子部。
  4. 前記固定子部が被固定部に固定される場合に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の前記円筒外周面に、前記鍔部が位置する構成を含み、更に、前記固定子鉄心外装体における両端面間の寸法のうちの、前記固定子鉄心外装体における前記被固定部の側である一方の端面から6割の寸法の位置から、前記固定子鉄心外装体における他方の端面までの範囲に、前記鍔部が位置する構成を含む請求項1記載の回転機の固定子部。
  5. 前記複数の柱状凸部の各々における前記仮想中心軸のアキシャル方向と同方向の寸法と、前記固定子鉄心外装体における前記筒状形状体の両端面間の寸法とが等しい構成を含む請求項1に記載の回転機の固定子部。
  6. 前記固定子鉄心は、複数のセグメントコアを円環状に連結する構造を含む請求項1記載の回転機の固定子部。
  7. 請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5又は請求項6のいずれかに記載の回転機の固定子部を搭載する装置。
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