JP2022161445A - モータ - Google Patents

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Shunichiro Nakamura
信也 浦田
Shinya Urata
健二 平本
Kenji Hiramoto
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    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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Abstract

【課題】モータにおいて、モータの回転時の磁束密度の振れ幅を低減し、トルクリップルを低減することができる技術を提供する。【解決手段】モータは、複数のティースと、隣接するティースの間に配置されるコイルとを含むステータと、ロータコアと、ロータコアに配置される複数の永久磁石とを含むロータと、を備える。永久磁石は、ステータと対向するステータ対向面と、ステータ対向面の裏側に位置するロータコア対向面と、隣接する他の永久磁石のそれぞれと対向する第一側面および第二側面と、を備える。複数の永久磁石の少なくとも一部は、第一側面と、ロータコア対向面とがつながる第一角部と、第二側面と、ロータコア対向面とがつながる第二角部との少なくとも一方の角部が面取りされている。【選択図】図3

Description

本開示は、モータに関する。
運転時に発生するトルクリップルを低減するために、ロータ磁石におけるステータとのギャップ面側の中央部に凹部を形成することによって、磁束密度の分布の中央に凹みを形成するPMモータが開示されている(例えば、特許文献1)。
特開2006-352961号公報
モータでは、トルクリップルの低減が求められている。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本開示の一形態によれば、モータが提供される。このモータは、複数のティースと、隣接する前記ティースの間に配置されるコイルとを含むステータと、ロータコアと、前記ロータコアに配置される複数の永久磁石とを含むロータと、を備える。前記永久磁石は、前記ステータと対向するステータ対向面と、前記ステータ対向面の裏側に位置するロータコア対向面と、隣接する他の永久磁石のそれぞれと対向する第一側面および第二側面と、を備える。前記複数の永久磁石の少なくとも一部は、前記第一側面と、前記ロータコア対向面とがつながる第一角部と、前記第二側面と、前記ロータコア対向面とがつながる第二角部との少なくとも一方の角部が面取りされている。
この形態のモータによれば、モータの回転時のティース先端での磁束密度の振れ幅を低減し、トルクリップルを低減することができる。
(2)上記形態のモータにおいて、前記永久磁石は、ハルバッハ配列にしたがって配列された主磁石および副磁石を含んでよい。
この形態のモータによれば、ハルバッハ配列により特定の方向の磁束密度を大きくしつつ、トルクリップルを低減することができるモータを得ることができる。
(3)上記形態のモータにおいて、前記ロータが前記ステータの外周に配置されるアウターロータ型であってよい。この形態のモータによれば、トルクリップルを低減したアウターロータ型のモータを提供することができる。
本開示は、モータ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、回転電機、電動機、発電機、ならびにモータの製造方法などの形態で実現することができる。
モータの中心軸に沿った断面構造を示す説明図。 図1のII-II位置の断面図。 図2の一部の領域を拡大して示す説明図。 永久磁石の断面形状を拡大して示す説明図。 永久磁石のロータコア対向面を平面視で示す説明図。 第一主磁石の断面形状を拡大して示す説明図。 実験時の磁束密度の測定位置を示す説明図。 実験による磁束密度の振れ幅の測定結果を示すグラフ。 本実施形態のモータから生じるトルクリップルを実験的に求めた結果を示す説明図。
A.第1実施形態:
図1から図3を用いて、本開示の第1実施形態としてのモータ100の構成について説明する。図1は、モータ100の中心軸AXに沿った断面構造を示す説明図である。図2は、図1のII-II位置の断面図である。図2には、モータ100の中心軸AXに対する垂直断面が示されている。図3は、図2の一部の領域ARを拡大して示す説明図である。なお、技術の理解を容易にするために、図2のハッチングの図示は省略されている。
モータ100は、略円柱状のステータ70と、略円筒状のロータ50とを同軸上に備えたアウターロータ型の回転電機である。本実施形態では、モータ100は、さらに、ステータ極対数、ロータ極対数、ティース数が所定の比率で構成されたバーニアモータに含まれる。モータ100は、ステータ70が回転磁界を発生し、ロータ50と、ステータ70との磁気的相互作用によりロータ50が回転し、ロータ50に取り付けられたシャフト90が中心軸AX周りに回転する。
図1および図2に示すように、ステータ70は、ステータ70を固定するためのステータケース72と、ステータコア74と、コイル76と、を備えている。ステータコア74は、ステータ70の磁路として機能する。ステータコア74は、図3に示すように、略円筒状のステータヨーク742と、複数のティース744と、スロット746とを備えている。ステータヨーク742は、電磁鋼板などの板状の磁性部材を打ち抜いた板状部材を軸方向に複数積層することにより形成されている。
ティース744は、ステータヨーク742の外周面上に複数配置され、ロータ50の回転方向に沿って等間隔で配置されている。本実施形態では、ティース744の数は、相数3の倍数である12である。各ティース744は、ステータヨーク742の外周表面から径方向に向かって突出する形状を有している。本開示において、「径方向」とは、中心軸AXから離れる方向を意味する。本開示において、基準位置よりも中心軸AXに近い位置を「内側」とも呼び、基準位置よりも中心軸AXから離れる位置を「外側」とも呼ぶ。隣接するティース744の間には、スロット746が形成されており、スロット746にはコイル76が配置されている。
コイル76は、通電によりティース744に磁束を発生させる。本実施形態では、コイル76は、分布巻きによる巻き線で形成されている。コイル76は、例えば三相交流を用いる場合、U相-V相-W相の順に巻かれている。コイル76は、分布巻きに限らず、ティース744に対して巻線導体を複数巻き回す集中巻きで形成されていてもよい。
ロータ50は、図1から図3に示すように、ステータ70の外周に配置され、空隙57を介してステータ70と対向するように配置されている。ロータ50は、円筒状のロータコア54と、複数の永久磁石56と、ロータコア54およびシャフト90を固定するロータカップ52とを備えている。ロータ50の回転は、ロータカップ52を介してシャフト90に伝達される。ロータコア54は、いわゆるバックヨークであり、例えば、鋳鉄などの鋳物で形成されている。ロータコア54は、ロータ50の磁路として機能し、永久磁石56は、回転磁極として機能する。
永久磁石56は、例えば、ロータコア54の内周面に接着剤を用いて固定されている。永久磁石56は、例えば、希土類磁石を用いて形成することができる。本実施形態では、永久磁石56は、第一主磁石561と、第二主磁石562と、第一副磁石563と、第二副磁石564とを備えている。永久磁石56は、希土類磁石には限定されず、例えば、鉄を主成分とする合金あるいは酸化物などの種々の材料を用いて形成されてもよい。なお、複数の永久磁石56、ならび各磁石561~564は、互いに接していてもよく、互いに離間されていてもよい。
図4および図5を用いて、永久磁石56の詳細な構成について説明する。図4は、永久磁石56の断面形状を拡大して示す説明図である。図5は、永久磁石56のロータコア対向面を平面視で示す説明図である。本実施形態では、永久磁石56は、モータ100の回転方向に沿って、第一主磁石561と、第一副磁石563と、第二主磁石562と、第二副磁石564とがこの順に配列される、いわゆるハルバッハ配列にしたがって配置されている。第一主磁石561および第二主磁石562は、N極とS極との磁極が径方向に沿って配置される磁石である。より具体的には、第一主磁石561は、N極を外側とし、S極を内側となるように配置され、第二主磁石562は、N極を内側とし、S極を外側となるように配置されている。第一副磁石563および第二副磁石564は、N極とS極との磁極がロータ50の回転方向に沿って配置される磁石である。より具体的には、第一副磁石563は、N極が第一主磁石561と対向し、S極が第二主磁石562と対向するように配置され、第二副磁石564は、S極が第二主磁石562と対向し、N極が、第一主磁石561と対向するように配置されている。なお、本実施形態では、磁石561~564は、互いに接している例を示したが、互いに離間されていてもよい。
図4および図5に示すように、磁石561~564は、軸方向に沿って長尺な略直方体の外観形状を有している。より具体的には、第一主磁石561は、ステータ対向面BSと、ロータコア対向面TSと、正面EFと、背面EBと、第一側面E1と、第一側面E1の裏側に位置する第二側面E2と、を備えている。なお、図4および図5では、技術の理解を容易にするために、第一主磁石561のみに各面を示す符号が付されているが、他の磁石562~564においても同様である。
ステータ対向面BSと、ロータコア対向面TSとは、面方向が径方向と交差する面である。ステータ対向面BSは、空隙57を介してステータ70の外周面と対向する面であり、ステータ70の外周面に対応する曲面で形成されている。ロータコア対向面TSは、ステータ対向面BSの裏側に位置し、ロータコア54の内周面と対向する面であり、ロータコア54の内周面に対応する曲面で形成されている。正面EFと、背面EBとは、面方向が軸方向と交差する平面である。背面EBは、正面EFの裏側に位置する。正面EFおよび背面EBは、それぞれステータ対向面BSと、ロータコア対向面TSとを繋いでいる。第一側面E1および第二側面E2は、径方向と、軸方向とに平行する平面であり、背面EBと正面EFとを繋いでいる。第一側面E1と、第二側面E2とは互いに対向し、第二側面E2は、第一側面E1の裏側に位置している。第一主磁石561の第一側面E1は、隣接する永久磁石56の第二副磁石564と対向する面であり、第二側面E2は、隣接する第一主磁石561と対向する面である。なお、「隣接する永久磁石56」とは、複数の永久磁石56の配列順序において隣接することを意味し、第一側面E1および第二側面E2に接する永久磁石56と、第一側面E1および第二側面E2から離間する永久磁石56とを含む。
本実施形態では、図4および図5に示すように、磁石561~564のそれぞれに、さらに、2つの傾斜面SPが形成されている。傾斜面SPは、それぞれロータコア対向面TSの回転方向における両端辺と連続する平面である。傾斜面SPは、第一主磁石561の径方向の外側、すなわち、ロータコア54と対向する位置に形成されている。傾斜面SPは、ロータコア対向面TSの回転方向の両端の角を、各側面E1,E2に対して斜めに削る、いわゆる面取り(chamfering)によって形成することができる。
傾斜面SPは、図5に示すように、軸方向に沿って延在し、背面EBと正面EFとを繋いでいる。本実施形態では、傾斜面SPがロータコア対向面TSの回転方向における両端にのみ形成されている例を示したが、さらに、ロータコア対向面TSの軸方向における両端に、正面EFとロータコア対向面TSとを繋ぐ傾斜面と、背面EBとロータコア対向面TSとを繋ぐ傾斜面とが形成されてもよい。
図6を用いて、傾斜面SPの具体的な構成について説明する。図6は、第一主磁石561の断面形状を拡大して示す説明図である。なお、図6においては、傾斜面SPについて、第一主磁石561を例に説明するが、他の磁石562~564も同様の構成を有している。第一主磁石561が有する2つの傾斜面SPのうち、第一傾斜面SP1は、第一側面E1とロータコア対向面TSとを繋ぐ面であり、第二傾斜面SP2は、第二側面E2とロータコア対向面TSとを繋ぐ面である。第一傾斜面SP1および第二傾斜面SP2は、回転方向におけるロータコア対向面TSの両端の角がいわゆる面取りされることによって形成される。
図6には、第一角部C1と、第二角部C2と、領域V1と、領域V2とが模式的に示されている。第一角部C1は、第一側面E1と、ロータコア対向面TSとがつながる角であり、第二角部C2は、第二側面E2と、前記ロータコア対向面TSとがつながる角である。領域V1は、第一角部C1を含む領域であり、第一角部C1が面取りされることによって削られる領域である。領域V2は、第二角部C2を含む領域であり、第二角部C2が面取りされることによって削られる領域である。
図6に示すように、第一傾斜面SP1は、第一側面E1に対して予め定められた第一角度θ1で傾斜し、第二傾斜面SP2は、第二側面E2に対して予め定められた第二角度θ2で傾斜している。本実施形態では、第一傾斜面SP1は、領域V1をいわゆるC面取りで削ることによって形成される平面であり、第一角度θ1は、45度である。第二傾斜面SP2は、領域V2をC面取りで削ることによって形成される平面であり、第二角度θ2は、45度である。なお、領域V1の断面形状は、ロータコア対向面TSを平面とみなした場合に、第一角部C1における90度の内角と、略45度の2つの内角と、厚みT2に相当する長さの2辺とを有する略二等辺三角形に相当する。領域V2も同様である。
図6には、第一主磁石561の径方向の厚みT1,T3が示されている。厚みT1は、ステータ対向面BSからロータコア対向面TSまでの厚みであり、厚みT3は、第一側面E1の径方向の厚みである。第一側面E1の厚みT3は、C面取りによって削られる領域V1の厚みT2を厚みT1から除いた厚みに相当する。本実施形態では、厚みT3は、ステータ対向面BSからロータコア対向面TSまでの厚みT1の3分の2の厚みである。第二側面E2の構成は、第一側面E1の構成と同様であるので説明を省略する。なお、第一傾斜面SP1と、第二傾斜面SP2とは、それぞれ異なる構成とすることもできる。
図7から図9を用いて本実施形態のモータ100が奏する効果について説明する。本開示では、実験により、モータ100の回転によって発生する永久磁石56の周囲に発生する磁束密度の振れ幅と、トルクリップルとを評価した。「磁束密度の振れ幅」(単位:テスラ)とは、モータ100を所定の期間だけ回転させ、回転中に発生した磁束密度の最大値と、磁束密度の最小値との差分の値を意味する。磁束密度の振れ幅は、トルクリップルの要因となり、磁束密度の振れ幅が小さいほど、トルクリップルは小さくなると考えられる。
図7は、実験時の磁束密度の測定位置を示す説明図である。図7には、図2などと同様に、中心軸AXに対するモータ100の垂直断面が示されている。図7に測定位置M1~M12として示すように、本実験では、一般的なガウスメータをティース744の径方向先端面の両端に配置して磁束密度を測定した。測定箇所は、測定位置M1~M12までの12箇所であり、ステータ70が有する12のティース744のうち半数のティース744の先端面の両端を測定箇所とした。本実験では、例えば、数sec.などの予め定められた期間においてコイル76に所定の電力を供給して本実施形態のモータ100を回転させて、回転中の測定位置M1~M12での磁束密度を測定し、測定した磁束密度の測定結果を用いて磁束密度の振れ幅を算出した。
図8は、実験による磁束密度の振れ幅の測定結果を示すグラフである。図8の実線T1は、本実施形態のモータ100の磁束密度の振れ幅を示している。図8には、比較例として、傾斜面SPを備えない永久磁石を有するモータにおける磁束密度の振れ幅を同様の方法により測定した結果を破線TRで示した。図8に示すように、本実施形態のモータ100は、傾斜面SPを備えない永久磁石を備えるモータと比較して、測定位置M1~M12の略すべての測定位置で、磁束密度の振れ幅が小さくなる結果が得られた。この結果は、永久磁石56に形成された傾斜面SPが磁束密度の振れ幅の低減に寄与していることを示唆している。
図9は、本実施形態のモータ100から生じるトルクリップルを実験的に求めた結果を示す説明図である。トルクリップルは、モータ100を、例えば、数ミリsec.や数sec.などの所定の期間だけ回転させる間に発生したトルクの最大値と、トルクの最小値との差分を、当該期間中に発生したトルクの平均値で除算することによって算出した。図9には、比較例として、傾斜面SPを備えない永久磁石を有するモータから発生するトルクリップルを、本実施形態のモータ100と同様の条件により実験的に求めた結果を示した。図9に示すように、本実施形態のモータ100が発生させるトルクリップルは12.06%を示し、傾斜面SPを備えない永久磁石を有するモータが発生させるトルクリップルは、13.54%を示した。本実施形態のモータ100は、傾斜面SPを備えない永久磁石を有するモータと比較して、トルクリップルが低減していることが理解できる。この結果は、永久磁石56に形成された傾斜面SPがトルクリップルの低減に寄与していることを示唆している。
以上、説明したように、本実施形態のモータ100によれば、永久磁石56は、第一側面E1とロータコア対向面TSとを繋ぐ第一傾斜面SP1であって、第一側面E1に対して予め定められた第一角度θ1で傾斜する第一傾斜面SP1と、第二側面E2とロータコア対向面TSとを繋ぐ第二傾斜面SP2であって、第二側面E2に対して予め定められた第二角度θ2で傾斜する第二傾斜面SP2とを備えている。したがって、モータ100の回転時のティース744先端での磁束密度の振れ幅を低減し、トルクリップルを低減することができる。
本実施形態のモータ100によれば、永久磁石56は、ハルバッハ配列にしたがって配列された第一主磁石561、第一副磁石563、第二主磁石562、第二副磁石564を含んでいる。各磁石561~564のそれぞれには、2つの傾斜面SPが備えられている。したがって、ハルバッハ配列により特定の方向の磁束密度を大きくしつつ、トルクリップルを低減することができるモータ100を得ることができる。
本実施形態のモータ100は、ロータ50がステータ70の外周上に配置されるアウターロータ型のモータである。したがって、トルクリップルを低減したアウターロータ型のモータ100を提供することができる。
B.他の実施形態:
(B1)上記第1実施形態のモータ100は、一例としてのアウターロータ型の永久磁石同期モータを示したが、永久磁石を備える他の任意の同期モータや誘導モータであってもよく、インナーロータ型のモータであってもよい。インナーロータ型モータは、アウターロータ型モータとは、ロータ50と、ステータ70との配置関係が逆であり、ロータ50は、ステータ70の内周側に空隙57を介してステータ70に対向配置される。この場合において、永久磁石56の傾斜面SPは、ステータ対向面BSとは逆側、すなわち、モータ100の中心軸AXに近い位置となるロータコア対向面TSに配置される。また、モータ100は、ラジアルギャップ型に代えて、アキシャルギャップ型のモータであってもよい。モータ100は、電動機や発電機として構成されていてよい。
(B2)上記第1実施形態のモータ100では、傾斜面SPは、磁石561~564のすべてに形成されているが、磁石561~564のうち少なくともいずれか一つの磁石に形成されてよい。この場合であっても、実験結果によれば、傾斜面SPを備えないモータに対して、トルクリップルを0.2%程度、低減することができる。また、傾斜面SPは、各磁石561~564のロータコア対向面TSにおいて、回転方向における少なくともいずれか一方の角に形成されてよい。具体的には、上記第1実施形態では、第一傾斜面SP1は、第一角部C1を含む領域V1を面取りされて形成され、第二傾斜面SP2は、第二角部C2を含む領域V2を面取りされて形成されているが、いずれか一方の角部が面取りされることによって、第一傾斜面SP1と、第二傾斜面SP2とのいずれか一方の傾斜面SPのみが形成されていてもよい。また、モータ100は、ハルバッハ配列の永久磁石56には限らず、例えば、第一主磁石561および第二主磁石562のように、N極とS極との磁極が径方向沿って配置される永久磁石56のみを備えていてもよい。この場合には、傾斜面SPは、第一主磁石561と、第二主磁石562と双方の磁石に備えられていてもよく、第一主磁石561と、第二主磁石562とのうち少なくともいずれかの磁石のみに形成されていてもよく、各磁石561,562が有するロータコア対向面TSの少なくともいずれか一方の角部に形成されていてもよい。傾斜面SPは、平面には限らず、曲面であってもよい。傾斜面SPは、例えば、いわゆるR面取り(round)によって、角部に向かって凸状の曲面で形成されてもよく、凹状の曲面であってもよい。これらの形態のモータでも、傾斜面SPを備えないモータと比較して、トルクリップルを低減することができる。
(B3)上記第1実施形態では、第一角度θ1および第二角度θ2が45度である例を示した。これに対して、第一角度θ1および第二角度θ2は45度には限定されない。実験結果によれば、第一角度θ1および第二角度θ2が30度以上45度未満であっても、トルクリップルが12.06%よりも大きく、13.54%未満を示す実験結果が得られている。したがって、第一角度θ1および第二角度θ2の下限値は、30度や40度と設定されてもよい。この場合であっても、傾斜面SPを備えないモータよりもトルクリップルを低減させることができる。また、実験結果によれば、第一角度θ1および第二角度θ2が45度よりも大きく60度以下であっても、トルクリップルが12.06%よりも大きく、13.54%未満を示す実験結果が得られている。したがって、第一角度θ1および第二角度θ2の上限値は、60度や50度と設定されてもよい。この場合であっても、傾斜面SPを備えないモータよりもトルクリップルを低減させることができる。
(B4)上記第1実施形態では、第一側面E1の径方向の厚みT3が、ステータ対向面BSからロータコア対向面TSまでの厚みT1の3分の2の厚みである例を示した。厚みT3が厚みT1の6分の5の厚みであっても、トルクリップルが12.06%よりも大きく、13.54%未満を示す実験結果が得られている。したがって、厚みT3は、例えば、厚みT1の3分の2以上6分の5以下の範囲で設定されてもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
50…ロータ、52…ロータカップ、54…ロータコア、56…永久磁石、57…空隙、70…ステータ、72…ステータケース、74…ステータコア、76…コイル、90…シャフト、100…モータ、561…第一主磁石、562…第二主磁石、563…第一副磁石、564…第二副磁石、742…ステータヨーク、744…ティース、746…スロット、AX…中心軸、BS…ステータ対向面、C1…第一角部、C2…第二角部、E1…第一側面、E2…第二側面、EB…背面、EF…正面、M1~M12…測定位置、SP…傾斜面、SP1…第一傾斜面、SP2…第二傾斜面、TS…ロータコア対向面

Claims (3)

  1. モータであって、
    複数のティースと、隣接する前記ティースの間に配置されるコイルとを含むステータと、
    ロータコアと、前記ロータコアに配置される複数の永久磁石とを含むロータと、を備え、
    前記永久磁石は、
    前記ステータと対向するステータ対向面と、
    前記ステータ対向面の裏側に位置するロータコア対向面と、
    隣接する他の永久磁石のそれぞれと対向する第一側面および第二側面と、を備え、
    前記複数の永久磁石の少なくとも一部は、前記第一側面と、前記ロータコア対向面とがつながる第一角部と、前記第二側面と、前記ロータコア対向面とがつながる第二角部との少なくとも一方の角部が面取りされている、
    モータ。
  2. 請求項1に記載のモータであって、
    前記永久磁石は、ハルバッハ配列にしたがって配列された主磁石および副磁石を含む、
    モータ。
  3. 前記ロータが前記ステータの外周に配置されるアウターロータ型である、請求項1または請求項2に記載のモータ。
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