JP2023148145A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】駆動トルクを向上させるロータおよび回転電機を提供する。【解決手段】マグネット40は、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びる長方形状であり、ロータコア20は3つの辺で構成されマグネット40の周方向一方側と接触する第1フラックスバリア部51と、3つの辺で構成されマグネット40の周方向他方側と接触する第2フラックスバリア部52を有する。第1フラックスバリア部51は、マグネット40と接触する第1辺51aと、周方向に沿って延びる第2辺51bと、曲線を含み第1辺51aと第2辺51bとを結ぶ第3辺51cを有する。第2フラックスバリア部52は、マグネット40と接触する第4辺と、周方向に沿って延びる第5辺52bと、曲線を含み第4辺と第5辺52bとを結ぶ第6辺を有する。第1辺51aは、第4辺よりも長く、第2辺51bは、第5辺52bよりも短い。【選択図】図3

Description

本発明は、ロータおよび回転電機に関する。
ロータコアとロータコアに設けられた穴に配置された永久磁石とを備える回転電機が知られている。例えば、特許文献1にはトルクリプルを低減させるために、マグネットの両側に配置されたフラックスバリア部を磁極中心に対して周方向に非対称とすることが開示されている。
特開2016-208805号公報
フラックスバリア部が直線の組み合わせで構成されているため、磁束は直線が交差する角部を迂回して通ることになる。そのため、磁路長さが大きくなることで、磁気抵抗が大きくなりリラクタンストルクが低下するという問題が生じる。
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、駆動トルクを向上させるロータおよび回転電機を提供することを目的とする。
本発明のロータの一つの態様は、中心軸を中心として軸方向に延びる複数のマグネット挿入孔が設けられるロータコアと、複数の前記マグネット挿入孔の内部にそれぞれ収容された複数のマグネットと、を有し、前記マグネットは、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びる長方形状であり、前記ロータコアは、軸方向に見て、3つの辺で構成され前記マグネットの周方向一方側と接触する第1フラックスバリア部と、軸方向に見て、3つの辺で構成され前記マグネットの周方向他方側と接触する第2フラックスバリア部と、を有し、軸方向に見て、前記第1フラックスバリア部は、前記マグネットと接触する第1辺と、周方向に沿って延びる第2辺と、曲線を含み前記第1辺と前記第2辺とを結ぶ第3辺と、を有し、軸方向に見て、前記第2フラックスバリア部は、前記マグネットと接触する第4辺と、周方向に沿って延びる第5辺と、曲線を含み前記第4辺と前記第5辺とを結ぶ第6辺と、を有し、前記第1辺は、前記第4辺よりも長く、前記第2辺は、前記第5辺よりも短い。
本発明の回転電機の一つの態様は、上記のロータと、前記ロータの径方向外側に位置するステータと、を備える。
本発明の一つの態様によれば、回転電機において駆動トルクを向上させることができる。
図1は、本実施形態の回転電機を示す断面図である。 図2は、本実施形態の回転電機の一部を示す部分断面図であって、図1におけるII-II断面図である。 図3は、実施形態のロータの磁極部を示す断面図である。 図4は、第1フラックスバリア部と第2フラックスバリア部が対称構造の場合と非対称の場合のトルクを示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るロータおよび回転電機について説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。
各図に適宜示すZ軸方向は、正の側を「上側」とし、負の側を「下側」とする上下方向である。各図に適宜示す中心軸Jは、Z軸方向と平行であり、上下方向に延びる仮想線である。以下の説明においては、中心軸Jの軸方向、すなわち上下方向と平行な方向を単に「軸方向」と呼び、中心軸Jを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Jを中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。各図に適宜示す矢印θは、周方向を示している。矢印θは、上側から見て中心軸Jを中心として反時計回りの向きを向いている。以下の説明では、或る対象を基準として周方向のうち矢印θが向かう側、すなわち上側から見て反時計回りに進む側を「周方向一方側」と呼び、或る対象を基準として周方向のうち矢印θが向かう側と逆側、すなわち上側から見て時計回りに進む側を「周方向他方側」と呼ぶ。
なお、上下方向、上側、および下側とは、単に各部の配置関係等を説明するための名称であり、実際の配置関係等は、これらの名称で示される配置関係等以外の配置関係等であってもよい。
図1に示すように、回転電機1は、インナーロータ型の回転電機である。
本実施形態において回転電機1は、三相交流式の回転電機である。回転電機1は、例えば、三相交流の電源が供給されることで駆動される三相モータである。回転電機1は、ハウジング2と、ロータ10と、ステータ60と、ベアリングホルダ4と、ベアリング5a,5bと、を備える。
ハウジング2は、ロータ10、ステータ60、ベアリングホルダ4、およびベアリング5a,5bを内部に収容している。ハウジング2の底部は、ベアリング5bを保持している。ベアリングホルダ4は、ベアリング5aを保持している。ベアリング5a,5bは、例えば、ボールベアリングである。
ステータ60は、ロータ10の径方向外側に位置する。ステータ60は、ステータコア61と、インシュレータ64と、複数のコイル65と、を有する。ステータコア61は、コアバック62と、複数のティース63と、を有する。コアバック62は、後述するロータコア20の径方向外側に位置する。なお、以下の図2においては、インシュレータ64の図示を省略している。
図2に示すように、コアバック62は、ロータコア20を囲む環状である。コアバック62は、例えば、中心軸Jを中心とする円環状である。
複数のティース63は、コアバック62から径方向内側に延びている。複数のティース63は、周方向に間隔を空けて並んで配置されている。複数のティース63は、例えば、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置されている。ティース63は、例えば、48個設けられている。つまり、回転電機1のスロット67の数は、例えば、48である。
複数のコイル65は、ステータコア61に取り付けられている。図1に示すように、複数のコイル65は、例えば、インシュレータ64を介してティース63に取り付けられている。本実施形態においてコイル65は、分布巻きされている。つまり、各コイル65は、複数のティース63に跨って巻き回されている。本実施形態においてコイル65は、全節巻きされている。つまり、コイル65が差し込まれるステータ60のスロット同士の周方向ピッチが、ステータ60に三相交流電源が供給された際に生じる磁極の周方向ピッチと等しい。回転電機1の極数は、例えば、8である。つまり、回転電機1は、例えば、8極48スロットの回転電機である。このように、本実施形態の回転電機1においては、極数をNとしたとき、スロット数がN×6となる。
ロータ10は、中心軸Jを中心として回転可能である。図2に示すように、ロータ10は、シャフト11と、ロータコア20と、複数のマグネット40と、を有する。シャフト11は、中心軸Jを中心として軸方向に延びる円柱状である。図1に示すように、シャフト11は、ベアリング5a,5bによって中心軸J回りに回転可能に支持されている。
ロータコア20は、磁性体である。ロータコア20は、シャフト11の外周面に固定されている。ロータコア20は、ロータコア20を軸方向に貫通する貫通孔21を有する。図2に示すように、貫通孔21は、軸方向に見て、中心軸Jを中心とする円形状である。貫通孔21には、シャフト11が通されている。シャフト11は、例えば圧入等により、貫通孔21内に固定されている。図示は省略するが、ロータコア20は、例えば、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成されている。
ロータコア20は、複数のマグネット挿入孔30を有する。複数のマグネット挿入孔30は、例えば、ロータコア20を軸方向に貫通している。複数のマグネット挿入孔30の内部には、複数のマグネット40がそれぞれ挿入され収容されている。マグネット挿入孔30内におけるマグネット40の固定方法は、特に限定されない。
複数のマグネット40の種類は、特に限定されない。マグネット40は、例えば、ネオジム磁石であってもよいし、フェライト磁石であってもよい。複数のマグネット40は、極を構成する。本実施形態においてマグネット40は、周方向に間隔を空けて複数設けられている。マグネット挿入孔30とマグネット40とは、例えば、8つずつ設けられている。
ロータ10は、マグネット挿入孔30とマグネット40とを1つずつ含む磁極部70を複数有する。磁極部70は、例えば、8つ設けられている。複数の磁極部70は、例えば、周方向に沿って一周に亘って等間隔に配置されている。複数の磁極部70は、ロータコア20の外周面における磁極がN極の磁極部70Nと、ロータコア20の外周面における磁極がS極の磁極部70Sと、を複数ずつ含む。磁極部70Nと磁極部70Sとは、例えば、4つずつ設けられている。4つの磁極部70Nと4つの磁極部70Sとは、周方向に沿って交互に配置されている。各磁極部70の構成は、ロータコア20の外周面の磁極が異なる点および周方向位置が異なる点を除いて、同様の構成である。
マグネット挿入孔30は、例えば、軸方向に見て、径方向と直交する方向に略直線状に延びている。図3に示すように、マグネット挿入孔30は、例えば、軸方向に見て、d軸を構成する磁極中心線IL1と直交する方向に延びている。磁極中心線IL1は、磁極部70の周方向中心と中心軸Jとを通り、径方向に延びる仮想線である。
軸方向に見て、マグネット挿入孔30の周方向の中心には、例えば、磁極中心線IL1が通っている。つまり、マグネット挿入孔30の周方向中心の周方向位置は、例えば、磁極部70の周方向中心の周方向位置と一致している。マグネット挿入孔30の軸方向に見た形状は、例えば、磁極中心線IL1を中心とする線対称な形状である。マグネット挿入孔30は、ロータコア20の径方向外周縁部に位置する。
マグネット挿入孔30は、直線部30aと、一端部30bと、他端部30cと、を有する。直線部30aは、軸方向に見て、マグネット挿入孔30が延びる方向に直線状に延びている。直線部30aは、例えば、軸方向に見て長方形状である。一端部30bは、直線部30aの周方向一方側(+θ側)の端部に繋がっている。一端部30bは、マグネット挿入孔30の周方向一方側の端部である。他端部30cは、直線部30aの周方向他方側(-θ側)の端部に繋がっている。他端部30cは、マグネット挿入孔30の周方向他方側の端部である。
マグネット40は、マグネット挿入孔30の内部に収容されている。マグネット40は、軸方向に見てマグネット挿入孔30に沿って延びている。マグネット40は、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びている。マグネット40の軸方向に見た形状は、例えば、磁極中心線IL1に対して線対称な形状である。マグネット40は、例えば、軸方向に見て長方形状である。図示は省略するが、マグネット40は、例えば、直方体状である。図示は省略するが、マグネット40は、例えば、マグネット挿入孔30内の軸方向の全体に亘って設けられている。
軸方向に見て、マグネット40の延伸方向の両端部は、マグネット挿入孔30の延伸方向の両端部からそれぞれ離れて配置されている。軸方向に見て、マグネット40が延びる方向においてマグネット40の両側には、一端部30bと他端部30cとがそれぞれ隣接して配置されている。ここで、本実施形態において一端部30bは、第1フラックスバリア部51を構成している。他端部30cは、第2フラックスバリア部52を構成している。つまり、ロータコア20は、軸方向に見て、マグネット40が延びる方向においてマグネット40挟んで配置された第1フラックスバリア部51および第2フラックスバリア部52を有する。
第1フラックスバリア部51と第2フラックスバリア部52は、磁極中心線IL1に対して非線対称な形状である。第1フラックスバリア部51は、軸方向に見て、3つの辺で構成され、マグネット40の周方向一方側と接触する。第2フラックスバリア部52は、軸方向に見て、3つの辺で構成され、マグネット40の周方向他方側と接触する。以下では、第1フラックスバリア部51および第2フラックスバリア部52について、軸方向に見た形状を説明する。
第1フラックスバリア部51は、第1辺51aと、第2辺51bと、第3辺51cと、を有する。第1辺51aは、磁極中心線IL1と平行に延び、マグネット40の周方向一方側と接触する。第1辺51aにおける径方向外側の端部の位置は、マグネット40における径方向外側の端面の位置である。第1辺51aにおける径方向内側の端部の位置は、マグネット40における径方向内側の端面よりも径方向内側である。
第2辺51bは、周方向に沿って延びる。第2辺51bにおける周方向他方側の端部の位置は、マグネット40における径方向外側の端面の位置である。第2辺51bは、中心軸Jを中心とする円弧状である。
第3辺51cは、第2辺51bよりも径方向内側に位置し、第1辺51aと第2辺51bとを結ぶ。第3辺51cは、曲線を含む。第3辺51cは、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲する。第3辺51cを構成する曲線は、第3辺51cよりも径方向外側、且つ、磁極中心線IL1側に曲率中心を有する円弧形状である。第1辺51aと第3辺51cの交差部は、R面取りでフィレットされている。
第2フラックスバリア部52は、第4辺52aと、第5辺52bと、第6辺52cと、を有する。第4辺52aは、磁極中心線IL1と平行に延び、マグネット40の周方向他方側と接触する。第4辺52aにおける径方向外側の端部の位置は、マグネット40における径方向外側の端面の位置である。第4辺52aにおける径方向内側の端部の位置は、マグネット40における径方向内側の端面よりも径方向内側である。第4辺52aにおける径方向内側の端部の位置は、第1辺51aにおける径方向内側の端部の位置よりも径方向外側である。従って、第1辺51aは、第4辺52aよりも長い。
第5辺52bは、周方向に沿って延びる。第5辺52bにおける周方向一方側の端部の位置は、マグネット40における径方向外側の端面の位置である。第5辺52bは、中心軸Jを中心とする円弧状である。第5辺52bの周方向の寸法は、第2辺51bの周方向の寸法よりも長い。従って、第2辺51bは、第5辺52bよりも短い。
第6辺52cは、第5辺52bよりも径方向内側に位置し、第4辺52aと第5辺52bとを結ぶ。第6辺52cは、曲線を含む。第6辺52cは、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲する。第6辺52cを構成する曲線は、第6辺52cよりも径方向外側、且つ、磁極中心線IL1側に曲率中心を有する円弧形状である。第4辺52aと第6辺52cの交差部は、R面取りでフィレットされている。第5辺52bと第6辺52cの交差部は、R面取りでフィレットされている。
第1辺51aが第4辺52aよりも長く、第2辺51bが第5辺52bよりも短いことで、第4辺52aが第1辺51aよりも短く、第5辺52bが第2辺51bよりも長くなる。その結果、第2フラックスバリア部52の周方向他方側から第2フラックスバリア部52を迂回して磁極中心線IL1側に流れる磁束B2は、周方向一方側への成分を多く含む方向でステータ60に向かう。この結果、力行時に周方向一方側に回転するロータ10からの磁束B2がティース63に向かいやすくなり、駆動トルクを大きくできる。この場合、第2フラックスバリア部52は、周方向の最大寸法が径方向の最大寸法よりも長いことが好ましい。
第3辺51cが曲線を含み、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲することで、磁束B2は、第3辺51cが角部の一部となり角部を迂回する場合と比較して磁路長さを短くできる。この結果、磁気抵抗が小さくなりリラクタンストルクを大きくできる。従って、実施形態では駆動トルクを向上できる。
第2辺51bが第5辺52bよりも短いことで、第1フラックスバリア部51とq軸IL2との間における磁路を大きくでき磁気抵抗を小さくできる。このため、リラクタンストルクを発生させる磁束B1が流れを阻害されることなく通りやすくなる。そのため、磁束密度が増加して駆動トルクを大きくできる。第1辺51aが第4辺52aよりも長いことで、マグネット40における周方向一方側の端部からの磁束漏れを抑制できる。その結果、駆動トルクを向上できる。
第6辺52cが曲線を含み、径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう方向に湾曲することで、磁束B1は、第6辺52cが角部の一部となり角部を迂回する場合と比較して磁路長さを短くできる。この結果、磁気抵抗が小さくなりリラクタンストルクを大きくできる。従って、実施形態では駆動トルクを向上できる。
図4に示すように、第1フラックスバリア部51と第2フラックスバリア部52が上述した非対称構造を採る場合は、対称構造を採る場合と比較して、駆動トルクを約11.1%向上させることができる。
磁極部70Nにおいて、マグネット40の磁極のうち径方向外側に位置する磁極は、例えば、N極である。磁極部70Nにおいて、マグネット40の磁極のうち径方向内側に位置する磁極は、例えば、S極である。
図示は省略するが、磁極部70Sにおいては、磁極部70Nに対して、各マグネット40の磁極が反転して配置されている。つまり、磁極部70Sにおいて、マグネット40の磁極のうち径方向外側に位置する磁極は、例えば、S極である。磁極部70Sにおいて、マグネット40の磁極のうち径方向内側に位置する磁極は、例えば、N極である。
以上説明したように、本実施形態のロータ10および回転電機1では、周方向一方側に回転する際に、力行方向に特化して最大トルクを向上させることができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態で説明した第1フラックスバリア部51と第2フラックスバリア部52の軸方向に見た形状は一例であり、この構成に限定されない。第1辺51aと第4辺52aがマグネット40と接触し、第2辺51bと第5辺52bが周方向に沿って延び、第1辺51aと第2辺51bとを結ぶ第3辺51cおよび第4辺52aと第5辺52bとを結ぶ第6辺52cが曲線を含む構成であれば、他の形状であってもよい。
本発明が適用される回転電機は、モータに限られず、発電機であってもよい。この場合、回転電機は、三相交流式の発電機であってもよい。回転電機の用途は、特に限定されない。回転電機は、例えば、車両に搭載されてもよいし、車両以外の機器に搭載されてもよい。回転電機の極数およびスロット数は、特に限定されない。回転電機においてコイルはどのような巻き方で構成されていてもよい。以上、本明細書において説明した構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。
1…回転電機、 10…ロータ、 20…ロータコア、 30…マグネット挿入孔、 40…マグネット、 51…第1フラックスバリア部、 51a…第1辺、 51b…第2辺、 51c…第3辺、 52…第2フラックスバリア部、 52a…第4辺、 52b…第5辺、 52c…第6辺、 60…ステータ、 70、70N、70S…磁極部、 IL1…磁極中心線(d軸)、 IL2…q軸、 J…中心軸

Claims (5)

  1. 中心軸を中心として軸方向に延びる複数のマグネット挿入孔が設けられるロータコアと、
    複数の前記マグネット挿入孔の内部にそれぞれ収容された複数のマグネットと、
    を有し、
    前記マグネットは、軸方向に見て径方向と直交する方向に延びる長方形状であり、
    前記ロータコアは、
    軸方向に見て、3つの辺で構成され前記マグネットの周方向一方側と接触する第1フラックスバリア部と、
    軸方向に見て、3つの辺で構成され前記マグネットの周方向他方側と接触する第2フラックスバリア部と、
    を有し、
    軸方向に見て、前記第1フラックスバリア部は、
    前記マグネットと接触する第1辺と、
    周方向に沿って延びる第2辺と、
    曲線を含み前記第1辺と前記第2辺とを結ぶ第3辺と、
    を有し、
    軸方向に見て、前記第2フラックスバリア部は、
    前記マグネットと接触する第4辺と、
    周方向に沿って延びる第5辺と、
    曲線を含み前記第4辺と前記第5辺とを結ぶ第6辺と、
    を有し、
    前記第1辺は、前記第4辺よりも長く、
    前記第2辺は、前記第5辺よりも短い、ロータ。
  2. 前記第3辺は、前記第2辺よりも径方向内側に位置し、
    前記第6辺は、前記第5辺よりも径方向内側に位置する、
    請求項1に記載のロータ。
  3. 前記第3辺および前記第6辺は、それぞれ径方向内側に向かうにつれて磁極中心に向かう、
    請求項1または2に記載のロータ。
  4. 請求項1から3のいずれか一項に記載のロータと、
    前記ロータの径方向外側に位置するステータと、
    を備える、回転電機。
  5. 前記ロータは、周方向一方側に回転可能である、
    請求項4に記載の回転電機。
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