JP5293313B2 - ステータ用鉄心 - Google Patents

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Description

この発明は、分割積層コアを円周方向に複数個組み合わせて構成される回転電機のステータ用鉄心に関するものである。
従来の回転電機のステータ(固定子)用鉄心は、外側円弧部(以下ヨーク部と呼ぶ)と、この外側円弧部から内側に突出した連結巻心部及び内側円弧部(以下これら2つを併せてティース部と呼ぶ)とを薄鋼板より打ち抜いたコアシートを積層して分割鉄心を形成し、この分割鉄心のティース部に巻線を施した後、円周方向に複数個配列し、これらを組み合わせてステータを構成していた。
また、上記コアシートのヨーク部の円弧径より小さい円弧径を有する小外径コアシートを積層して支持鉄心部を形成し、この支持鉄心部を前記コアシートの積層体間に介装して分割鉄心の外周に円周方向の溝部を形成し、例えば弾性力を有するC字型の環状体をこの溝部に嵌合することにより、円周方向に分割された分割鉄心を一体化することが示されている。この方法によればティース部単位ごとに分割された分割鉄心相互を溶接することなく環状に連結固定するので、製作が簡単となるほか、分割鉄心を溶接しないので、ステータ鉄心の歪が小さく磁気的な悪影響も生じないという利点がある(例えば、特許文献1参照)。
特開平9−149566(2−3頁、図1−2)
上記方法では支持鉄心部の外周に形成された溝部に嵌合される環状体としてコアシートよりも透磁率が小さい材料を用いた場合にはこの溝部における磁気抵抗が高くなるため、ステータ鉄心中の円周方向に流れる磁束が鎖交する断面積が実質的に低減することになり、磁束総量が制限されてしまうこととなる。このため、回転電機のステータ、ロータ(回転子)間で作用する電磁力も小さくなり、回転電機の出力が低減するという問題があった。
また、上記方法のようにステータ用鉄心の外周部に溝部を有しないものと同等の出力を維持しようとすると、鉄心を大型化して磁束鎖交断面積が低減しないようにするか、コアシートの材料として高い透磁率を有するグレードの高い鋼板を使用して、磁束鎖交断面積が低減した分磁束密度を高めるかによらなければならず、いずれにせよコストアップするという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、円周方向に分割された分割鉄心から構成され、外周部に溝部が形成されこの溝部に環状体を嵌合することにより一体化されたステータ用鉄心であって、回転電機の出力を低減させることなく、かつ、低コストなステータ用鉄心を得ることを目的とする。
この発明に係るステータ用鉄心は、外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内径側に突出したティース部を有するコアシートが積層された分割鉄心を円周方向に一円状に組み合わせて形成され、外周に円周方向の溝部を有するステータ用鉄心本体部と、溝部に嵌合された環状体とを備えている。
また、環状体は環状片を積層して形成されコアシートと同じかそれ以上の透磁率を有する磁性体から成ることを特徴とする。
この発明に係るステータ用鉄心によると、ステータ用鉄心本体部の外周に形成された円周方向の溝部にコアシートと同じかそれより高い透磁率を有する磁性体でできた、環状片を積層して形成された環状体が嵌合されているため、製作が簡単であり、分割鉄心を溶接しないのでステータ鉄心の歪が小さく磁気的な悪影響も生じないという利点があることに加えて、このような溝部を有しないステータ用鉄心と比較して鉄心中の磁束鎖交面積が低減することがないため、磁束総量が制限されることがなく回転電機の出力が低下することもない。また、磁束鎖交断面積を確保するために鉄心を大型化する必要はなく、コアシートの材料として高透磁率を有するグレードの高い鋼板を使用する必要もないため、コストが高くなることもない。更に、環状体は環状片を積層して形成されているため、この部分をブロックで形成したものと比較すると環状体を鎖交する磁束による渦電流を低減することができ、この渦電流による発熱、すなわちステータ用鉄心の鉄損を低減することができるため、回転電機の効率を改善することができる。
本発明の実施の形態1によるステータ用鉄心の構造を示す図である。 本発明の実施の形態1による分割鉄心の構造を示す図である。 本発明の実施の形態1によるステータ用鉄心とフレームとの組立方法を示す図である。 本発明の実施の形態1による環状体の円周方向端面の構造を示す図である。 本発明の実施の形態1による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態1による複数の環状体を有するステータ用鉄心の構造を示す構成図である。 本発明の実施の形態2による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態2による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態3による分割鉄心と環状体の円周方向の位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態3による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態3による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態3による複数のV型溝、V型突起を備える環状体の構造を示す図である。 本発明の実施の形態4によるステータ用鉄心、及び環状体の構造を示す図である。
実施の形態1.
図1、2は本発明の実施の形態1によるステータ用鉄心1の構造を示すものであり、ステータ用鉄心1は、図1(a)に示すようにコアシート2を積層・固定してなる分割鉄心3を、ステータ用鉄心1の内部に配置されるロータ(図示せず)の回転軸周りに円環状となるように複数個配置し、隣り合う分割鉄心3同士を組み合わせることによりステータ用鉄心本体部4を構成している。
分割鉄心3の構造詳細を図2に示すが、分割鉄心3を構成するコアシート2は外周円弧状部を形成するヨーク部5とこのヨーク部5から内周側に突出するティース部6を備えており、ヨーク部5の円周方向の端面同士が接触することで、分割鉄心3同士が隣り合っている。
コアシート2とティース部6の形状は同一であるが、ヨーク部7の外径寸法がコアシート2よりも小さい形状を有する小外径コアシート8の積層体(支持鉄心部)を、コアシート2の積層体の間に介装させることにより、分割鉄心3の外周部には凹形状の溝部9が形成されている。
このような手順で積層された分割鉄心3のティース部6にコイル(図示せず)を巻線した後、全ての分割鉄心3を円環状に配置することにより、隣り合う溝部9同士には積層方向への段差がなく、ステータ用鉄心本体部4の外周全周を取り囲む溝部9が形成されることになる。
図1(b)に示すように、円周上の1ヶ所が切断された環状体10が全ての分割鉄心3を取り囲むように溝部9に配置されており、環状体10の円周方向端面同士を溶接や接着等により接合することにより、隣り合う分割鉄心3同士が円環状に連結され、ステータ用鉄心1を得ることができる。本実施の形態における環状体10の内径は小外径コアシート8の外径と等しく、環状体10の外径はコアシート2の外径と等しいため、溝部9にぴったりと嵌合させることができる。また、環状体10は円周上の1ヶ所が分断されているため、環状体10を弾性変形させて分断部を広げることにより容易に溝部9に装着することができる。尚、環状体10は後に説明する図8(a)のように円環形状のものが周上複数箇所において分断された10cのようなものであってもよい。
図3に示すようにフレーム11をコイル巻線がなされたステータ用鉄心1の外周側に焼嵌める、又は圧入することによりステータとして完成するが、環状体10を溶接により一円化する場合には溶接ビードが外径側に盛り上がってフレーム11を挿入することが困難となる。そこで、環状体10の分断部の外径側は図1(a)に示すようにテーパ形状となっており、分断部の突き合わせ溶接により溶接ビードが形成されても、フレーム11との嵌め合わせに支障がないようにしている。
さらに、図4に示すように環状体10の円周方向端面に突起12を設けておくと、アーク電流をこの突起に集中させて電流密度を大きくすることができるため、環状体10の円周方向端面同士を確実に溶着させることができると同時に、環状体10の全体に与える熱歪を小さくすることができるため、より好ましい。
環状体10は、図5(a)に示すようにコアシート2、及び小外径コアシート8の有する透磁率と同じか、それより高い透磁率を有する磁性体板を円環状に打ち抜いた環状片13を積層することにより形成されている。さらに図5(c)に示すように本実施の形態における環状片13は小外径コアシート8と同じ厚みを有しており、小外径コアシート8と環状片13の積層枚数は同数である。
以上のように本実施の形態のステータ用鉄心1によると、ステータ用鉄心本体部4の外周に形成された円周方向の溝部9に環状体10を嵌合させて分割鉄心3を一体化させているため、製作が簡単であり、分割鉄心3を溶接しないのでステータ用鉄心1の歪が小さく磁気的な悪影響も生じないという利点があることに加えて、環状体10はコアシート2、及び小外径コアシート8の有する透磁率と同じか、それより高い透磁率を有する磁性体でできており、このような溝部を有しないステータ用鉄心と比較してステータ用鉄心1中の磁束鎖交断面積が低減することがないため、磁束総量が制限されることがなく回転電機の出力が低下することもない。また、磁束鎖交断面積を確保するために鉄心を大型化する必要はなく、コアシートの材料として高透磁率を有するグレードの高い鋼板を使用する必要もないため、コストが高くなることもない。
また、環状体10は環状片13を積層して形成されているため、この部分をブロックで形成したものと比較すると環状体10を鎖交する磁束による渦電流を低減することができ、この渦電流による発熱、すなわちステータ用鉄心1の鉄損を低減することができるため、回転電機の効率を改善することができる。
ここで、環状片13の厚みの方が小外径コアシート8の厚みよりも厚かった場合には、図5(c)の矢印で示すように小外径コアシート8の積層体の外周面が環状片13により短絡されるため積層方向に流れる電流が流れ鉄損の増大を招くこととなるが、本実施の形態においては両者の厚みを等しくしているため上記のような電流を防ぐことができ、渦電流による鉄損を更に低減させることができる。
尚、ステータ用鉄心1の軸長が長い場合には、図6(a)に示すように小外径コアシート8の積層体(支持鉄心部)を軸方向に複数箇所に介装することにより、溝部9aを複数箇所設けることも可能である。このような軸長の長い鉄心の場合にはティース部6に巻線されるコイル(図示せず)の巻締りによる分割鉄心3aの変形が大きくなるが、図6(b)に示すように複数箇所に環状体10aを設けることによりこのような変形を抑制させることが可能であり、更に搬送時の外力を受けても変形されることのない頑健かつ高精度なステータ用鉄心1aを得ることができる。
実施の形態2.
図7、図8は本発明の実施の形態2によるステータ用鉄心1b、1cの構造を示すものであり、実施の形態1とは環状体10b、10cの形状が異なるのみであるため、その他の構成の説明は省略する。
本実施の形態における環状体10bは、薄肉部14bを介して複数の円弧部15bが連接され、ほぼ直線形状を有することを特徴とするものである。この環状体10bもコアシート2、及び小外径コアシート8の有する透磁率と同じか、それより高い透磁率を有する磁性体板を打ち抜いた環状片13bを積層することにより形成されている。この環状体10bは図7(b)に示すように円環状に配置された分割鉄心3bの外周部分を取り囲むように折り曲げながらリング形状にした後、環状体10bの円周方向端面同士を連結させて、ステータ用鉄心1bを得ることできる。
この環状体10bを構成するそれぞれの円弧部15bの内径は分割鉄心3bを構成する小半径コアシート8のヨーク部7外径と同じであり、また円弧部15bの外径はコアシート2のヨーク部5外径と同じであるため、薄肉部14bにおいて折り曲げて溝部9bに配置した際に円弧部15bの内径側が溝部9bの底部に当てはまり、円弧部15bの外径部分がステータ用鉄心1bよりはみ出ることがなく、溝部9bにぴったりと嵌合させることができる。
環状体10bは図8(a)に示すように円周方向に分割されるものであってもよい。図8(a)では3つの部分から構成される環状体10cを、円環状に配置された分割鉄心3cを取り囲むように溝部9cに配置した後、隣り合う環状体10cの円周方向端面同士を連結することで、図8(b)に示すような全ての分割鉄心3cが連結されたステータ用鉄心1cを得ることができる。環状体10cの連結手順については、1ヶ所の連結部分を残して1本の環状体10cを形成し、この環状体10cを溝部9cに装着した後で、残りの1ヶ所の連結を行うようなものであっても構わない。
以上のように本実施の形態のステータ用鉄心1b、1cによると、環状体10b、10cは薄肉部14b、14cを介して複数の円弧部15b、15cが連接された形状を有するため、ほぼ直線形状を有する鋼板材料から打ち抜いて環状片13b、13cを形成することが可能となる。従って環状片13b、13cを構成する各円弧部15b、15cの長手方向(円周方向)と鋼板の圧延方向とのなす角をほぼ一定とすることができる。
鋼板の透磁率は圧延方向が最大であり、圧延方向に垂直方向に最小となるような異方性を有しているが、圧延方向に対する角度を決めればその透磁率も定まることとなる。本実施の形態のステータ用鉄心1における環状体10b、10cの内部では、磁束はほぼ円周方向に沿って流れることになるため、このような磁束の向きに対する透磁率は溝部9b、9cの円周上に配置された各円弧部15b、15cにおいてほぼ均等とすることができる。
すなわち、ステータ用鉄心1b、1c内部の円周方向において透磁率は均等化され磁束密度も一定となるため、ロータ、ステータ間で作用する電磁力の円周方向のばらつきを抑えることができ、コギングトルクの小さいモータを得ることが可能となる。
実施の形態3.
図7に示されたような環状体10bの周上に薄肉部14bを有するものは、この薄肉部14bが強度的に弱い上に、円周方向に隙間を有している。環状体10b内を流れる円周方向磁束密度は、分割鉄心3bの隣接界面において最大、ティース部6の円周方向の2等分線上で最小となる分布を有しているが、薄肉部14bを分割鉄心3bの隣接界面に配置すると積層鉄心3bと環状体10bの強度的に弱い部分が円周上で重なる上に、円周方向の隙間が磁束の流れを大きく妨げることになるため、機械強度上、及び磁気特性上の両面から好ましくない。
従って薄肉部14bを分割鉄心3bの隣接界面に配置することを避けなければならず、隣接界面から離れた、コアシート2におけるティース部6付根の外周側に配置することが好ましく、理想的には図9に示すように薄肉部14bがティース部6の円周方向の2等分線上に配置するのが最も好ましい。
上記に述べたように分割鉄心3bに対する環状体10bの円周方向の位置を確実に決めるために改善を行ったのが、本実施の形態に示す環状体10dを用いたステータ用コア1dである。本実施の形態においては、図10に示すように小半径コアシート8のヨーク部7外周側にV型溝16を、環状体10dにはV型溝16に対応するV型突起17を各々形成することにより、これらが分割鉄心3d、すなわちステータ鉄心本体部4dに対する環状体10dの円周方向の位置決め構造となる。環状体10dを溝部9dに配置する際に、V型突起17をV型溝16に当て嵌めるように環状体10dを配置し、その後環状体10dの円周方向端面同士の連結を行っている。
図10においてはV型溝16とV型突起17を用いたものを示したが、環状体10dとステータ鉄心本体部4dとの円周方向の位置関係が定まるようなものであれば何でもよく、例えば半円形の溝に半円形の突起や角形溝に角形の突起などの組合せでも構わない。また、小半径コアシート8側に突起を、環状体10d側に溝を設けることによっても、互いの円周方向の位置関係を決めることができる。
図10においては、環状体と分割鉄心の半径方向の界面において半径方向に出っ張る突起と引っ込む溝を設けることにより互いの円周方向の位置関係を決めることとしたが、積層方向の界面において積層方向に出っ張る突起と引っ込む溝を設けることによっても可能であり、このような構成を図11に示す。本図において、コアシート2と小半径コアシート8との隣接部に配置されたコアシート2のヨーク部5外径側に、ヨーク部外周側から中心方向に伸びる切り欠き19を形成し、このコアシート2に隣接する環状体10eの環状片13eにはダボ18が形成されており、これらが分割鉄心3e、すなわちステータ鉄心本体部4eに対する環状体10eの円周方向の位置決め構造となる。コアシート2や環状片13eを打ち抜き成形する際に、切り欠き19やダボ18も同時にプレス機を用いて容易に成形することができる。溝部9eの外周部分よりダボ18を切り欠き19へスライドさせるように嵌合させることにより、環状体10eを溝部9eに円周方向の位置関係を決めつつ装着することができる。
図10においてV型溝16とV型突起17の替わりに角型溝と角形突起を組み合わせる場合には、角形突起の幅寸法(円周方向寸法)を角形溝の幅寸法より若干大きくしておき、角形突起を角形溝に圧入すれば、環状体10dの円周方向端面同士を連結させなくても隣接する分割鉄心3d同士を連結することができ、環状体10dの円周方向端面における溶接作業を省略することができる。
図11においてもダボ18の幅寸法を切り欠き19の幅寸法より若干大きくすることにより、上記と同様に環状体10eの円周方向端面における溶接作業を省略して分割鉄心3e同士を連結することができる。
なお、図10においてV型溝16とV型突起17は一対のみ設けておけば環状体10dの円周方向の位置関係を決めることができるが、図12に示すように複数対のV型溝16とV型突起17を設けることにより、更に精度良く環状体10dと分割鉄心3dとを円周方向に位置決めすることができ、形状精度の良好なステータ用鉄心1dを得ることができる。
図11において、複数対のダボ18と切り欠き19を設けた場合も同様である。
以上のように本実施の形態によれば、環状体10d、10eとステータ用鉄心本体部4d、4eとの円周方向の位置関係を定めることができ、環状体の薄肉部が分割鉄心の隣接界面に配置されるのを防ぐことができる。従って機械強度も高くすることができると同時に、環状体内部における磁気抵抗を下げることができ磁束総量が制限されるのを防ぐことができるため、ロータとステータ間の磁束密度を上昇させて更に高出力なモータを得ることが可能となる。
実施の形態4.
図13は本発明の実施の形態4によるステータ用鉄心1の構造を示すものであり、実施の形態1においては小外径コアシート8の積層体がコアシート2の積層体に介装されており溝部9が積層方向の中央部分に形成されていたが、本実施の形態においてはコアシート2の積層体が小外径コアシート8の積層体に介装されており、溝部9fが積層方向の両端部に形成されている点が異なっている。
実施の形態1においては、環状体10を溝部9に装着するために環状体10の1ヶ所を分断しておき、この部分を広げて溝部9に嵌めるようにしなければならなかったが、本実施の形態においては、溝部9fが積層方向の両端部に形成されているため、図13(c)に示すように環状体10fを積層方向から装着することが可能である。従って環状体10fは分断されていない円形状とすることができる。
環状体10fの一方の積層方向端面にはダボ18fが複数個形成され、コアシート2の積層体の端面にはダボ18fに対応する穴20が形成されており、ダボ18fを穴20にかしめることにより、環状体10fを溝部9fに装着し、分割鉄心3fを連結することができる。
上記に説明した点以外については、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
以上のように本実施の形態によれば、分断されていない円形状の環状体10fを積層方向から溝部10fに装着するだけで分割鉄心3fを連結することができ、実施の形態1のように環状体10の円周方向端面において溶接する必要がないため、組立作業の手間が省けるという利点がある。また、実施の形態1においては円周方向の分断箇所において磁気的な軸対象性がわずかに崩れていたが、本実施の形態においては完全に軸対象な構造とすることができるため、コギングトルクを極めて小さくできるという利点がある。
1、1a、1b、1c、1d、1e、1f ステータ用鉄心
2 コアシート
3、3a、3b、3c、3d、3e、3f 分割鉄心
4、4a、4d、4e ステータ用鉄心本体部
5 ヨーク部
6 ティース部
9、9a、9b、9c、9d、9e、9f 溝部
10、10b、10c、10d、10e、10f 環状体
13、13b、13c、13d、13e、13f 環状片
14b、14c 薄肉部
15b、15c 円弧部
16 V型溝
17 V型突起
18 ダボ
19 切り欠き

Claims (6)

  1. 外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内径側に突出したティース部を有するコアシートが積層された分割鉄心を円周方向に一円状に組み合わせて形成され、外周に円周方向の溝部を有するステータ用鉄心本体部と、
    前記コアシートと同じかそれ以上の透磁率を有する磁性体から成る環状片を積層して形成され、前記溝部に嵌合された環状体と、
    を備えたステータ用鉄心。
  2. 環状体は、薄肉部を介して複数の円弧部が連接された形状を有することを特徴とする請求項1に記載のステータ用鉄心。
  3. 環状体は、環状片の厚みがコアシートの厚みと等しいことを特徴とする
    請求項1に記載のステータ用鉄心。
  4. 環状体は、薄肉部がコアシートにおけるティース部付根の外周側に配置されていることを特徴とする請求項2に記載のステータ用鉄心。
  5. 環状体とステータ用鉄心本体部は、互いの円周方向の位置決め構造を備えていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のステータ用鉄心。
  6. ステータ用鉄心本体部は、積層方向の端部に溝部を有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のステータ用鉄心。
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