JP5462311B2 - 回転電機 - Google Patents

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この発明は、固定子に12個のティースを有し、回転子に10極ないし14極の磁石を有する10極12スロットまたは、14極12スロットタイプの回転電機に関し、特に、三相デルタ結線される複数コイルの結線構造に関するものである。
回転電機は、固定子と回転子から構成され、固定子は固定子鉄心に複数のコイルが巻回されている。回転電機が電動機(モータ)の場合は、このコイルに電流を流すことで発生する磁界により回転子が回転するものであり、発電機の場合は、回転子が回転することにより固定子のコイルに電流が流れることにより発電するものである。固定子鉄心に巻回されたコイルに電流を流す,または電流が流れるために、複数のコイルを直列,または並列に接続しなければならず、コイル端末の結線処理は、コイル数が多いほど回転電機を製造する上で、煩雑でスペースも要するものであった。
回転電機のコイル端末の結線構造に関する従来の技術としては、例えば、帯状導体を環状にした環状導電部材に一体化された複数の腕部を有し、同心円状にこの環状導電部材を複数配置し、環状導電部材を環状絶縁部材(ホルダ)に挿着した上で、固定子鉄心端部のコイル上で保持し、コイルから延出したコイル端末を前記環状導電部材の腕部に接続する構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−324883号公報(第3−4頁、図3−6)
特許文献1に示すような回転電機におけるコイル結線構造では、例えば、その図3〜図5に示すように、12スロット24コイル端末を有するタイプでは、4種類の同心円状の環状導電部材が必要であり、環状導電部材は環状をなすため寸法を長く要し、材料の使用量が増加し、それにより材料費の増大を招いていた。また絶縁樹脂で成形されたホルダには、4種類の環状導電部材を同心円状に収納する必要があるために、4個の環状溝を設けなければならず、形状が複雑化,大形化して製造コストが増大していた。また、4種類の環状導電部材を収納する際、組付け順序を決める必要があることから回転電機の組立が複雑化することと、更にコイルから延出したコイル端末部と接続するために設けられた環状導電部材の腕部が導電部材の上部を通過する構造となるため絶縁距離が短くなる等、工作上やスペース上の課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、省スペース化を図ると共に、安価な結線構造の回転電機を提供することを目的とする。
この発明に係る回転電機は、複数のティースを有する固定子鉄心と、ティースに巻回された複数のコイルと、コイルのコイル端末を接続する導電部材と、導電部材を保持する環状絶縁部材とを有し、導電部材によりコイルが3相デルタ結線される回転電機において、環状絶縁部材には、平面部の周方向の3箇所に、略均等に隙間を空け且つ径方向に見て1重の環状になるように配置された導電部材保持溝が形成されており、3相の各相に対応して同一置形状に形成された3個の導電部材のそれぞれが導電部材保持溝に装着され、
コイルから延出されたコイル端末の一部が他のティースの位置へ配置替えされて、3相の各相に対応するコイル端末が隣接するティース部に集約され、集約されたコイル端末は、対応する相の導電部材の腕部の複数箇所に接続されているものである。
この発明の回転電機によれば、環状絶縁部材には、平面部の周方向の3箇所に、略均等に隙間を空け且つ径方向に見て1重の環状になるように配置された導電部材保持溝が形成されており、3相の各相に対応して同一置形状に形成された3個の導電部材のそれぞれが導電部材保持溝に装着され、コイルから延出されたコイル端末の一部が他のティースの位置へ配置替えされて、3相の各相に対応するコイル端末が隣接するティース部に集約され、集約されたコイル端末は、対応する相の導電部材の腕部の複数箇所に接続されているので、導電部材の組み付け順序に関係なく組み付けることができるため、工作性が向上する。
また、接続範囲が短くなるため導電部材が小形化でき、材料使用量の低減に伴う材料費の低減を図ることができると共に、材料の歩留まりの向上を図ることができる。また小形化により導電部材の変形が抑制され、環状絶縁部材への組み付け性が向上する。
また、環状絶縁部材の構造が簡素化でき、材料使用量を低減することができる。
更に、導電性部材を1重の環状に構成することにより、導電性部材間の絶縁距離を容易に確保することが可能である。
この発明の実施の形態1による回転電機を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態1の回転電機に適用される、10極12スロット、又は14極12スロットタイプの固定子コイルの結線図である。 この発明の実施の形態1による回転電機のコイル巻線後の固定子鉄心及びコイル端部延出状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態1による回転電機の延出したコイル端末の配置替え後の状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態1による回転電機の環状絶縁部材を示す正面図である。 図3の状態へ環状絶縁部材を組み付け、コイル端末の配置替え後の状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態1による回転電機の導電部材を示す正面図である。 図6に図7の導電部材を組み付け、コイル端末と接続した後の状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態2による回転電機の延出したコイル端末の配置替え後の状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態2による回転電機の導電部材を示す正面図である。 この発明の実施の形態3による回転電機の環状絶縁部材に導電部材を組み付けた状態を示す正面図である。 図11の導電部材を示す正面図である。 この発明の実施の形態3による回転電機において、導電部材を組み付けてコイル端末と接続した後の状態を示す正面図である。 従来の回転電機による10極12スロットタイプの接続部材を示す正面図である。 従来の回転電機における第1、第2、第3の環状導電部材を示す正面図である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による回転電機の全体構成を示す側面断面図である。図1に基づき、先ず回転電機の全体の構造から説明する。各図において、回転電機の軸方向から見た図を正面図、その側方から見た図を側面図と呼ぶことにする。
なお、図1では、回転電機の一例としてブラシレスモータを示している。
回転電機1は、回転子2と固定子鉄心3がフレーム4に内蔵されている。回転子2は1
0極ないし14極の永久磁石5(詳細は図示せず)が規則正しく配置され、中心の回転軸部が、2つの軸受6,7で回転自在に支持されている。
一方、固定子鉄心3は、電磁鋼板を多数積層して構成され、周方向に12個のティース(図示せず)を有している。固定子鉄心3のティースにコイル巻枠となる絶縁樹脂製のインシュレータ8を介して、所定の巻き方法によりコイル9が巻回されて固定子部が構成されている。
さらに固定子鉄心3の軸方向の一端側に、コイル9の端部同士を接続する接続部材である、同一形状をした3個の導電部材10(詳細は後述する)が、絶縁性材料からなる環状絶縁部材11に保持されて配置されている。
コイル9の一方のコイル端末12は、インシュレータ8部より延出され、導電部材10から延びたフック形状をした腕部14と接続されている。また、導電部材10の一部から伸びた接続部15は、制御装置に接続されている。図示しないスイッチング素子を通じてコイル9に電流を供給することで、磁界を発生させ、回転子2を回転させる。
本願発明の回転電機は、固定子鉄心3のティースに巻回された複数のコイル9の端末12同士を接続する結線構造に特徴を有すものである。
そこで、以下に上述したブラシレスモータのコイル9とコイル端末12との結線部の具体例について説明する。
図2は、例えば、10極12スロットの12本のコイル9を使用したタイプの結線図であり、3相デルタ結線の場合を示している。各相はそれぞれU相,V相,W相と呼び、また、各相コイルも同様にU相コイル,V相コイル,W相コイルと呼ぶことにする。
図2に示す結線図のように、2直列・2並列で1相のコイルを構成し、これらがデルタ結線されている。この3相の各相コイルを、それぞれ後述の導電部材により接続してコイル結線処理を行うものである。
図3は、コイル巻線後の固定子鉄心とコイル端部をモータの軸方向に見た正面図である。12個の各コイル9からコイル端末が延出された状態を示している。この内、コイル端末12a〜12fは、配置替えを行う端末であるが、配置替えの説明をする前に、比較例として、背景技術で説明した特許文献1(以下従来技術と称す)の回転電機の場合の、コイル端末部の結線構造から説明する。
図14は、従来技術によるコイル端末部を接続する接続部材を示す正面図であり、図15は、図4の接続部材から、各相を抜き出して個別に示したものである。固定子は図2と同様に10極12スロットの12本のコイルを有するものとする。
図14に示すように、各相がそれぞれ環状導電部材20a,20b,20cを有する、3重の環状になっている。各環状導電部材20a,20b,20cは絶縁ホルダの環状溝に挿入され相間が絶縁されている。各環状導電部材20a,20b,20cに形成されたフック形状をした腕部において、各相のコイルから延出されたコイル端末部と接続されるようになっている。各コイルのコイル端末は、図3のような状態にあり、その位置で、各環状導電部材20a,20b,20cの腕部と接続される。
図15により各相の接続を説明する。U相は、(a)に示すように、第1の環状導電部材20aにより、腕部において、「W1−」,「W2−」,「U1+」,「U2+」の計4箇所のコイル端末と接続される。(図2の結線図も参照)
同様に、V相は、(b)に示すように、第2の環状導電部材20bにより、腕部において、「U1−」,「U2−」,「V1+」,「V2+」の計4箇所のコイル端末と接続され、W相は、(c)に示すように、第3の環状導電部材20cにより、腕部において、「V1−」,「V2−」,「W1+」,「W2+」の計4箇所のコイル端末と接続されている。なお、各環状導電部材20a〜20cは、図面に垂直方向に幅を持つ帯状導電部材を円形に曲げて形成されている。
このように従来技術では、絶縁ホルダ内に3個の環状導電部材20a〜20cが同心円状に挿着されて結線されていた。
次に、本実施のコイル端末部の結線構造を説明する。
図3のように、コイル端末12がコイル9から延出された状態から、その箇所ですぐに導電部材へ接続するのではなく、この状態からコイル端末12の配置替えを行い、その配置位置において導電部材と接続することで、コイル端末の接続箇所を集約化した点に本願発明の特徴を有するものである。以下、この点について説明する。
固定子鉄心3に巻回されるコイル9を、図2の結線図のように、2直列・2並列で1相を構成し、これらを3相デルタ結線する回転電機においては、コイル配置が図3に示す通り、反時計回りに「U1+」,「U1−」,「V1−」,「V1+」,「W1+」,「W1−」,「U2−」,「U2+」,「V2+」,「V2−」,「W2−」,「W2+」となる。ここで、+と−はティースへの巻回方向が逆であることを示しており、相が異なっていても+と−の符号が同じであれば巻き方向は同じである。
図2の結線図から分かるように、各相へ接続が必要なコイルは、U相は「U1+」,「W1−」,「U2+」,「W2−」であり、V相は「U1−」,「V1+」,「U2−」,「V2+」であり、またW相は「V1−」,「W1+」,「V2−」,「W2+」である。
図4は、コイル端末の配置替え後の状態を示す正面図である。図に示すように、「U1+」,「U1−」,「W1+」,「W1−」,「V2+」,「V2−」の計6箇所のコイル端末12a〜12fを延出し、次のように配置の入れ替えを行なっている。
(A)コイル端末「U1−」12bはコイル端末「W1+」12cと配置を替える。
(B)コイル端末「W1−」12dはコイル端末「V2+」12eと配置を替える。
(C)コイル端末「V2−」12fはコイル端末「U1+」12aと配置を替える。
組み替え後のコイル端末を、図4に示す3つのグループに分けて、各グループ毎に後述する導電部材で接続するようにしたものである。
図5は、実施の形態1の環状絶縁部材11を示す正面図である。環状絶縁部材11は、コイル端末配置替え部9a(図6参照)を保持するためのコイル保持溝11aが周方向の3箇所に設けられている。また、導電部材10を保持するための導電部材保持溝11bと導電部材固定穴11cが、導電部材10の配置箇所に合わせて周方向の3箇所に設けられており、更に、外周部にはインシュレータ8へ固定する固定部11dが設けられている。
なお、コイル保持溝11aは必ずしも設ける必要はなく、図4のように配置替えされた状態の上に、コイル保持溝11aのない環状絶縁部材11を重ねて配置するようにしても良い。
図6は、図5の環状絶縁部材11を組み付けてコイル端末の配置替えを行った後の状態を示す図である。配置替え後のコイル端末の配置は、各ティースの近傍に図示した符号のようになっている。コイル保持溝11aに沿ってコイル端末配置替え部9aが配線されている。
配置替えを行なったコイル端末は支点間距離が長く、且つ、コイル導体間距離が近くなるが、コイル保持溝11aを設けることで、振動等が加わった場合でもコイル導体の動きが規制されるため、被膜の磨耗によってショートが発生するのを抑制することができる。また、溝に規制されて、コイル端末配置替え部9aが固定子鉄心3の内径以下の位置に入ることがない。
図7は、コイル端末12を接続する導電部材10を示す正面図である。
導電部材10は、U相接続用の第1の導電部材10aと、V相接続用の第2の導電部材10bと、W相接続用の第3の導電部材10cの3個の導電部材を有している。なお、説明の中で、相の区別無く導電部材を指す時は、符号の添え字を省略する。
導電部材10は、コイル9と同等な材料、例えば銅材からなり、銅の薄板を図のように加工して形成している。すなわち、環状絶縁部材11の導電部材保持溝11bに組み付けられる保持部13と、環状絶縁部材11の導電部材固定穴11cに嵌合する固定部13aと、保持部13から90度曲げて形成され、コイル端末12と接続するためのフック形状をした4個の腕部14と、同様に保持部13に折り曲げて形成され、制御装置へ接続される接続部15とを有している。
本願の導電部材10は、3個の導電部材10a〜10cが制御装置への接続部15を含め同一形状であることに特徴を有している。3個の導電部材10を同一形状にしたことにより、1重の環状に配置でき、小形化できることから絶縁性環状部材への組付け性が向上し、更に導電性材料の使用量低減、材料の歩留まり向上、寸法精度の向上により部品の管理工数が減り、工作性が向上する。
図8は、図6の状態に、第1〜第3の3相分の導電部材10a〜10cを組み付け、コイル端末12と接続した後の状態を示す。U相の第1の導電部材10aのみ、腕部14に接続されるコイル端末12の相符号を示しているが、他相分は省略している。また、コイル端末配置替え部9aの図示も省略している。
コイル端末12の配置替えを行うことで、互いに接続されるコイル端末12が隣接する4ティース上に集約化できるため、結線を行う導電部材10の小型化が可能となり、その結果、材料使用量が低減でき、材料費の低減を図ることができる。
また、比較例で説明した従来技術では、各4箇所のコイル端末を接続するには、図14,15のように径の異なる3個の環状導電部材20a,20b,20cが必要であったが、本願の導電部材10は、同一円周上の周方向に配置できるため、組み付け順序に捉われることなく組付けが可能であり、また3個の導電部材10間の絶縁距離を容易にとることが可能となる。更に、環状絶縁部材11は、各相を隔てる環状の隔壁を必要とせず、構造が簡素化でき、材料使用量を低減することができる。
以上のように、実施の形態1の回転電機によれば、複数のティースを有する固定子鉄心と、ティースに巻回された複数のコイルと、コイルのコイル端末を接続する導電部材と、導電部材を保持する環状絶縁部材とを有し、導電部材によりコイルが3相デルタ結線される回転電機において、コイルから延出されたコイル端末の一部が他のティースの位置へ配置替えされて、3相の各相に対応するコイル端末が隣接するティース部に集約され、集約されたコイル端末は、環状絶縁部材の周方向の3箇所に保持された3個の導電部材の腕部の複数箇所に接続されているので、導電部材の組み付け順序に関係なく組み付けることができるため、工作性が向上する。
また、導電部材の小形化が可能であり、材料使用量の低減に伴う材料費の低減を図ることができると共に、小形化により導電部材の変形が抑制され、環状絶縁部材への組み付け性が向上する。
また、環状絶縁部材の構造が簡素化でき、材料使用量を低減することができる。
更に、導電部材間の絶縁距離を容易に確保することができる。
また、3個の導電部材は、同一形状に形成されているので、導電部材を共用化することで、管理工数が低減され、工作性の向上を図ることができる。
また、環状絶縁部材は、配置替えを行ったコイル端末のコイル導体を保持するコイル保持溝が設けられているので、コイル保持溝によりコイル導体の動きが規制されるため、被膜の摩耗によるショートの発生を抑制できる。
また、コイル保持溝に規制されて、入れ替えたコイル導体が固定子鉄心の内径より内側に入ることが無くなり、回転子組付時の干渉を防ぐことができる。
実施の形態2.
図9は、実施の形態2による回転電機の、コイル端末の配置替え後の状態を示す正面図である。回転電機の全体構造は、実施の形態1の図1と同等なので、図示及び説明は省略する。また、実施の形態1と同等部分は同一符号とする。なお、以下の説明において,煩雑になるのを避けるために、実施の形態1の部品と同機能を有する部品は、多少形状が異なっていても同符号で表示する。
本実施の形態では、実施の形態1の図4に示すコイル端末12の配置替えに対し、更にコイル端末「U2−」,「V1+」,「V1−」,「W2+」,「W2−」,「U2+」を隣接するティース上に配置替えを行ったものである。配置替え後のコイル端末の相符号は、図9に示すようになり、例えば、U相であれば、「U2+」と「W1−」、及び「W1−」と「U1+」がそれぞれ同じ位置になる。すなわち、それぞれの相毎に、隣接するティース部の2箇所に集約したものである。
図10は、図9のように配置したコイル端末12と接続する導電部材10を示す正面図である。導電部材10は、環状絶縁部材11の導電部材保持溝11bに組み付けるための保持部13と、コイル端末12と接続するための2個のフック形状を有する腕部14と、制御装置へ接続される接続部15とを備えている。実施の形態1と同様に、U相接続用の第1の導電部材10aと、V相接続用の第2の導電部材10bと、W相接続用の第3の導電部材10cの3個の導電部材10からなり、3個は同一形状である。各導電部材10の腕部14の一つのフック形状部にそれぞれ2本のコイル端末12が接続される。したがって、例えば第1の導電部材10aであれば、「U2+」,「W1−」と「W2−」,「U1+」のコイル端末12が両腕部14に接続される。
環状絶縁部材11の図示は省略しているが、コイル保持溝11aのルートと、導電部材保持溝11bの形状が異なる以外は,基本的に図5と同じである。
以上のように、実施の形態2の回転電機によれば、コイル端末の配置替えは、各相につき隣接するティース部の2箇所に集約されて行われており、各導電部材に設けた2個の腕部でコイル端末と接続されているので、実施の形態1と比較して、導電部材がより小形化でき、材料使用量の低減による材料費の低減を図ることができる。
また、コイル端末と導電部材の接続箇所が減少するため、工作性の向上を図ることができる。
実施の形態3.
図11は、実施の形態3による回転電機の、環状絶縁部材に導電部材を組み付けた状態を示す正面図であり、図12は図11の導電部材の正面図、図13は導電部材を組み付けてコイル端末と接続した後の状態を示す図である。回転電機の全体構造は、実施の形態1の図1と同等なので、図示及び説明は省略する。また、実施の形態1と同等部分は同一符号とする。
本実施の形態は、実施の形態1の変形例である。実施の形態1の図7で示した導電部材10の保持部13の板厚方向を、回転電機1の径方向に合わせたものであり、各構成部品の機能は同じである。
先ず、図12により本実施の形態の導電部材の形状を説明すると、導電部材10は、環状絶縁部材11に組み付けられる保持部13と、コイル端末12と接続するためのフック形状を有する4箇所の腕部14と、制御装置へ接続される接続部15とを有している。全体が薄板帯状の導電材料を折り曲げて形成されており、保持部13は、回転電機1の径方向に板厚方向を合わせて円弧状に形成されている。各相に対応した第1〜第3の3個の導
電部材10a〜10cは、同形状である。
環状絶縁部材11は、図11に示すように、導電部材10の保持部13を嵌め合わせて保持する導電部材保持溝11bが、保持部13の形状に合わせて、周方向に3箇所設けられており、また図示を省略しているが、図5と同様に、コイル保持溝11aも設けられている。但し、コイル保持溝は必ずしも設けなくても良い。第1〜第3の3個の導電部材10a〜10cが、導電部材保持溝11bに嵌め合わされて図11のような状態になる。
図13は、3個の導電部材10a〜10cを環状絶縁部材11に組み付けた図11を、インシュレータ8に取り付けてコイル端末12と接続した後の状態を示す。
本実施の形態の回転電機によれば、導電部材の保持部の板厚方向を回転電機の径方向に合わせ、円弧状に形成したので、実施の形態1と同様の効果に加え、実施の形態1より環状絶縁部材の形状が簡略化されるため、材料使用量を低減でき、省スペース化と低価格化を図ることができる。
以上までの説明において、回転電機としてモータを例に説明してきたが、これに限定するものではなく、発電機においても複数のコイルを有した3相デルタ結線構造であれば適用可能である。
また特に、小形で定コストを要求される、ステアリングに回転力を伝達する電動パワーステアリング装置用のモータに適用すれば、より効果を発揮することができる。
以上のように、実施の形態1〜3で説明した回転電機を、ステアリングに回転力を伝達する電動パワーステアリング装置用モータとしたものでは、低コストで工作性が向上し、省スペースで構成できる電動パワーステアリング装置用モータを提供することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることができる。
1 回転電機(モータ) 2 回転子
3 固定子鉄心 4 フレーム
5 永久磁石 6,7 軸受
8 インシュレータ 9 コイル
9a コイル端末配置替え部 10 導電部材
10a 第1の導電部材(U相接続) 10b 第2の導電部材(V相接続)
10c 第3の導電部材(W相接続) 11 環状絶縁部材
11a コイル保持溝 11b 導電部材保持溝
11c 導電部材固定穴 11d 固定部
12,12a〜12f コイル端末 13 保持部
13a 固定部 14 腕部
15 接続部。

Claims (4)

  1. 複数のティースを有する固定子鉄心と、前記ティースに巻回された複数のコイルと、前記コイルのコイル端末を接続する導電部材と、前記導電部材を保持する環状絶縁部材とを有し、前記導電部材により前記コイルが3相デルタ結線される回転電機において、
    前記環状絶縁部材には、平面部の周方向の3箇所に、略均等に隙間を空け且つ径方向に見て1重の環状になるように配置された導電部材保持溝が形成されており、
    3相の各相に対応して同一置形状に形成された3個の前記導電部材のそれぞれが、前記導電部材保持溝に装着され、
    前記コイルから延出された前記コイル端末の一部が他のティースの位置へ配置替えされて、3相の各相に対応する前記コイル端末が隣接するティース部に集約され、
    集約された前記コイル端末は、対応する相の前記導電部材の腕部の複数箇所に接続されていることを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1に記載の回転電機において、
    前記環状絶縁部材は、配置替えを行った前記コイル端末のコイル導体を保持するコイル保持溝が設けられていることを特徴とする回転電機。
  3. 請求項1または請求項2に記載の回転電機において、
    前記コイル端末の前記配置替えは、前記各相につき隣接する前記ティース部の2箇所に集約されて行われており、前記導電部材のそれぞれに設けた2個の前記腕部で前記コイル端末と接続されることを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の回転電機において、
    前記回転電機は、ステアリングに回転力を伝達する電動パワーステアリング装置用モータであることを特徴とする回転電機。
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