JP5733155B2 - 永久磁石式回転電機の回転子、及び永久磁石式回転電機 - Google Patents

永久磁石式回転電機の回転子、及び永久磁石式回転電機 Download PDF

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Description

本発明は、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと該ロータコアに対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する永久磁石式回転電機の回転子、及びこれを備えた永久磁石式回転電機に関する。
永久磁石式回転電機の回転子は、一般に、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと該ロータコアに対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とからなる。そして、ロータコアの軸方向の両端には、該ロータコアを軸方向から挟持する一対のエンドプレートが配設されている。これにより、複数の磁性鋼板を一体化させておくと共に、永久磁石を軸方向から保持することができる(特許文献1、2、3)。
かかる回転子を備える永久磁石式回転電機は、回転子の外周に配された固定子のコイルに通電して、回転子を回転させる。このとき、回転子は、鉄損等によって発熱し、その温度が上昇することがある。特に、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される永久磁石式回転電機においては、駆動電力の電圧が高く、回転子が温度上昇しやすい。
なお、特許文献3には、ロータコアにスリットを設けて回転子の冷却効率を高める旨が記載されている。
特開2010−142038号公報 特開平6−86488号公報 特開2008−187778号公報
しかしながら、引用文献3に記載の回転子は、スリットを、永久磁石の外側であって、ロータコアの外周端部付近に設けている。それゆえ、回転子の外周部付近の冷却効率を向上させることはできても、回転子の内周部からの放熱を効率的に行うことはできない。つまり、回転子の内部にこもった熱を放出することが困難となる。それゆえ、永久磁石式回転電機の高出力化に伴って顕著となるロータコア及び永久磁石の温度上昇を抑制することが困難となる。
また、引用文献3に記載の回転子は、エンドプレートが、ロータコアにおける永久磁石の配置部分からその内側の領域のほぼ全面を覆うように設けられている。それゆえ、エンドプレートの重量が大きくなり、回転子の重量が大きくなってしまう。つまり、回転子のイナーシャが大きくなり、永久磁石式回転電機の応答性の低下を招くおそれがある。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、放熱性に優れると共に軽量化が容易な永久磁石式回転電機の回転子、及びこれを備えた永久磁石式回転電機を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと、該ロータコアに対して回転軸の軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する、永久磁石式回転電機の回転子であって、
上記ロータコアは、上記永久磁石よりも内周側において軸方向に開口した軸方向孔を有し、
該軸方向孔は、上記ロータコアにおける上記永久磁石を収容する磁石収容孔と連続して形成されていると共に、該磁石収容孔から内周側に延びるように形成されており、
上記ロータコアの軸方向の両端には、該ロータコアを軸方向から挟持する一対のエンドプレートが配設されており、
該エンドプレートは、上記永久磁石の少なくとも一部を覆うと共に上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されており、
上記エンドプレートは環状であり、該エンドプレートの内周側において、上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されており、
上記エンドプレートの外周端縁は、上記ロータコアの外周輪郭よりも内側に配され、上記エンドプレートの内周端縁は、上記軸方向孔の内周側端部よりも外側に配されていることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子にある(請求項1)。
本発明の他の態様は、上記回転子と、該回転子の外周に配された固定子とを備えてなることを特徴とする永久磁石式回転電機にある(請求項)。
上記永久磁石式回転電機の回転子においては、エンドプレートが、上記永久磁石の少なくとも一部を覆うと共に上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されている。これにより、エンドプレートによって永久磁石を軸方向から確実に押さえつつ、エンドプレートが軸方向孔を塞がないようにすることができる。
そして、軸方向孔は、ロータコアにおける永久磁石よりも内周側に形成されている。そのため、軸方向孔を通じて回転子を内側から放熱しやすく、回転子の温度上昇を効果的に抑制することができる。
つまり、ロータコアにおける永久磁石よりも内周側に軸方向孔が形成されており、この軸方向孔を塞がないようにエンドプレートが配設されている。それゆえ、軸方向孔に空気を通すことができ、この流通する空気を介して回転子の熱を内部から放出することができる。それゆえ、回転子の放熱を効率的に行うことができる。
また、エンドプレートは、上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されている。つまり、永久磁石の配設位置よりも内周側の部位において、エンドプレートの存在しない部位を設けることとなる。その分だけ、エンドプレートの重量を小さくすることができ、回転子の軽量化を図ることができる。つまり、回転子のイナーシャを小さくすることができ、永久磁石式回転電機の応答性を向上させることができる。
以上のごとく、本発明によれば、放熱性に優れると共に軽量化が容易な永久磁石式回転電機の回転子、及びこれを備えた永久磁石式回転電機を提供することができる。
実施例1における、永久磁石式回転電機の断面図。 実施例1における、回転子の断面図。 図2のA−A線矢視断面図。 実施例1における、回転子の部分拡大断面図。 実施例1における、回転子の部分拡大平面図。 参考例1における、回転子の断面図。 参考例1における、回転子の部分拡大平面図。 図7のB−B線矢視断面図。 参考例2における、回転子の部分拡大平面図。 図9のC−C線矢視断面図。 参考例3における、回転子の断面図。
上記永久磁石式回転電機の回転子において、上記ロータコアの軸方向の両端に配された上記エンドプレートのそれぞれは、一体形成されていてもよいし、複数に分割されて形成されていてもよい。
また、上記軸方向孔は、開口部の全体がエンドプレートから露出していることが好ましいが、一部のみ露出していてもよい。また、上記ロータコアに複数の上記軸方向孔が形成されている場合において、そのすべての軸方向孔の開口部がエンドプレートから露出していることが好ましいが、一部の軸方向孔の開口部が露出している状態であってもよい。
また、上記エンドプレートは環状であり、該エンドプレートの内周側において、上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されている。これにより、エンドプレートの重量をさらに小さくすることができ、回転子の更なる軽量化を図ることができる。
また、上記軸方向孔は、上記ロータコアを軸方向に貫通していることが好ましい(請求項)。この場合には、上記軸方向孔を、一方の開口部から他方の開口部へ空気が流れるため、回転子の放熱性を向上させることができる。
また、上記軸方向孔は、上記ロータコアにおける上記永久磁石を収容する磁石収容孔と連続して形成されている。これにより、軸方向孔を流通する空気が上記永久磁石に接触することとなるため、永久磁石を効率的に冷却することができ、永久磁石の温度上昇を効果的に抑制することができる。これにより、永久磁石の磁力の低下をより確実に防ぎ、永久磁石式回転電機の出力低下を確実に防ぐことができる。
また、上記エンドプレートは、上記永久磁石の全体を覆っていてもよい(請求項)。この場合には、上記エンドプレートによって上記永久磁石を、軸方向に、より確実に保持することができる。
また、上記エンドプレートは非磁性体からなることが好ましい(請求項)。この場合には、永久磁石が発生させる磁束が回転子から軸方向へ漏れることを抑制することができる。これにより、永久磁石式回転電機の出力効率を向上させることができる。
また、上記エンドプレートの材質として非磁性体金属を用いた場合には、樹脂等を用いる場合に比べ、厚みを小さくしてもエンドプレートの充分な剛性を得やすく、その分、回転体の軽量化を図ることができる。さらには、非磁性体金属からなるエンドプレートを介して放熱することもでき、回転体の放熱性をより向上させることができる。
(実施例1)
実施例にかかる永久磁石式回転電機の回転子、及びこれを備えた永久磁石式回転電機について、図1〜図5を用いて説明する。
本例の永久磁石式回転電機10は、図1に示すごとく、回転子1とその外周に配された固定子100とを備えてなる。
そして、図2、図3に示すごとく、回転子1は、複数の磁性鋼板20を積層してなるロータコア2と該ロータコア2に対して軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石3とを有する。
ロータコア2は、永久磁石3よりも内周側において軸方向に開口した軸方向孔24を有する。本例において、軸方向孔24は、ロータコア2を軸方向に貫通している。
ロータコア2の軸方向の両端には、ロータコア2を軸方向から挟持する一対のエンドプレート4が配設されている。
図4、図5に示すごとく、エンドプレート4は、永久磁石3の少なくとも一部を覆うと共に軸方向孔24の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されている。
図2に示すごとく、複数の永久磁石3は、回転子1の外周部付近において、周方向に並んで配設されている。ロータコア2の周方向に互いの内周側端部31を近接させて配置された一対の永久磁石3同士は、ロータコア2の外周へ向かうにつれて互いに離れるように配置されている。
ロータコア2は、永久磁石3を挿入配置する磁石収容孔21を備えると共に、該磁石収容孔21は外周へ開放している。
図4に示すごとく、磁性鋼板20(ロータコア2)は、互いに周方向に近接するとともに縁部に連通する一対の磁石収容孔21における内周側端部212の間に形成されたブリッジ部22と、該ブリッジ部22よりも外周側の部分であって一対の磁石収容孔21の間に形成された半島部23とを有する。
各永久磁石3は、軸方向から見た形状が略長方形であり、その長辺部分の面が磁極面となっている。そして、隣り合う一対の永久磁石3によって一つの磁極を構成するように配置されている。つまり、互いの内周側端部31を近接させて配置された一対の永久磁石3同士は、同じ磁極(N極又はS極)の磁極面を外周側に向けて配置してある。この対の永久磁石3(磁石対30)が、図2に示すごとく、ロータコア2の周方向に複数対、配置されている。また、複数の磁石対30は、外周側の磁極が交互にN極とS極となるように配置されている。また、これら複数の磁石対30は、等間隔で周状に配列されている。
かかる回転子1における永久磁石3の配置に対応する配置で、ロータコア2には磁石収容孔21が形成されている。
なお、ロータコア2の中央部には、出力軸を貫通させる軸孔25が形成されている。
図2、図4に示すごとく、ロータコア2に設けられた磁石収容孔21は、磁石収容孔21と外周縁とを連通する連通部211を備える。この連通部211が形成されていることによって、永久磁石3から出る磁束がロータコア2内において永久磁石3の周囲を回って短絡すること(磁束漏洩)を防ぐことができる。
また、軸方向孔24は、磁石収容孔21と連続して形成されている。具体的には、軸方向孔24は、磁石収容孔21の内周側端部212における内周側の角部に形成されている。すなわち、磁石収容孔21に永久磁石3を配置したとき、永久磁石3の内周側端部31における内周側の角部(内周側角部312)に面するように、軸方向孔24が形成されることとなる。
そして、図3、図5に示すごとく、エンドプレート4は、永久磁石3の大部分を軸方向から覆うと共に、軸方向孔24の開口部を一部露出させた状態で、ロータコア2の軸方向両端部に配置されている。すなわち、エンドプレート4は、図2、図5に示すごとく、円環状に形成されており、その外周端縁41を永久磁石3の外周側角部311付近に配置し、内周端縁42を永久磁石3の内周側角部312付近に配置している。そして、この内周端縁42の内周側において、軸方向孔24の開口部の一部が露出している。
本例において、エンドプレート4は、外周端縁41を永久磁石3の外周側角部311よりも内周側に配し、内周端縁42を永久磁石3の内周側角部312よりも外周側に配している。
また、エンドプレート4は非磁性体からなり、例えば、アルミニウム、ステンレス、真鍮等の金属板を用いることができる。
また、積層された複数の磁性鋼板20を軸方向の両端から挟持した一対のエンドプレート4は、例えば図5に示すようにリベット11等によって、軸方向にかしめられている。すなわち、回転子1は、軸方向の両端に配された一対のエンドプレート4と複数の磁性鋼板20を軸方向に貫通させた複数のリベット11によって、一体化することができる。この場合、リベット11は、ロータコア2における半島部23に配置することが好ましい。この場合には、磁性鋼板20のなかでも最も変形しやすい半島部23の反りによるロータコア2の軸方向寸法の拡大を効果的に防ぐことができる。
なお、図1〜4においてはリベットを省略した。また、ロータコア2へのエンドプレート4の固定手段は、特にリベットに限定されるものではない。
本例の永久磁石式回転電機10は、図1に示すごとく、上記のような構成の回転子1を、環状に形成された固定子100の内側に配置してなる。
固定子100は、環状のステータコア101と、該ステータコア101の内周に複数配列されたティース102間のスロットに施されたコイル103とを備えている。
なお、本例の永久磁石式回転電機10は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記回転子1においては、エンドプレート4が、永久磁石3の少なくとも一部を覆うと共に軸方向孔24の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されている。これにより、エンドプレート4によって永久磁石3を軸方向から確実に押さえつつ、エンドプレート4が軸方向孔24を塞がないようにすることができる。
そして、軸方向孔24は、ロータコア2における永久磁石3よりも内周側に形成されている。そのため、軸方向孔24を通じて回転子1を内側から放熱しやすく、回転子1の温度上昇を効果的に抑制することができる。
つまり、ロータコア2における永久磁石3よりも内周側に軸方向孔24が形成されており、この軸方向孔24を塞がないようにエンドプレート4が配設されている。それゆえ、軸方向孔24に空気を通すことができ、この流通する空気を介して回転子1の熱を内部から放出することができる。それゆえ、回転子1の放熱を効率的に行うことができる。
また、エンドプレート4は、軸方向孔24の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されている。つまり、永久磁石3の配設位置よりも内周側の部位において、エンドプレート4の存在しない部位を設けることとなる。その分だけ、エンドプレートの重量を小さくすることができ、回転子1の軽量化を図ることができる。つまり、回転子1のイナーシャを小さくすることができ、永久磁石式回転電機10の応答性を向上させることができる。
また、軸方向孔24は、ロータコア2を軸方向に貫通しているため、軸方向孔24を、一方の開口部から他方の開口部へ空気が流れるため、回転子1の放熱性を向上させることができる。
また、軸方向孔24は、ロータコア2における磁石収容孔21と連続して形成されている。それゆえ、軸方向孔24を流通する空気が永久磁石3に接触することとなるため、永久磁石3を効率的に冷却することができ、永久磁石3の温度上昇を効果的に抑制することができる。これにより、永久磁石3の磁力の低下をより確実に防ぎ、永久磁石式回転電機10の出力低下を確実に防ぐことができる。
また、エンドプレート4は非磁性体からなるため、永久磁石3が発生させる磁束が回転子1から軸方向へ漏れることを抑制することができる。これにより、永久磁石式回転電機10の出力効率を向上させることができる。
また、エンドプレート4の材質として非磁性体金属を用いているため、樹脂等を用いる場合に比べ、厚みを小さくしてもエンドプレート4の充分な剛性を得やすく、その分、回転体1の軽量化を図ることができる。さらには、非磁性体金属からなるエンドプレート4を介して放熱することもでき、回転体1の放熱性をより向上させることができる。
以上のごとく、本例によれば、放熱性に優れると共に軽量化が容易な永久磁石式回転電機の回転子、及びこれを備えた永久磁石式回転電機を提供することができる。
参考例1
本例は、図6〜図8に示すごとく、周方向に分割された複数の分割プレート40によって、エンドプレート4を構成した例である。
つまり、本例の回転子1は、その軸方向の両端に配置されたエンドプレート4のそれぞれを、複数の分割プレート40によって構成してある。そして、複数の分割プレート40は、実施例1(図2)において示した円環状のエンドプレート4を周方向に分割したような形状を有する。すなわち、各分割プレート40は、外周端縁41と内周端縁42とを、回転子1の回転中心軸を中心とした円の一部である円弧形状としている。
各分割プレート40は、隣り合う一対の永久磁石3であって、互いに一つの磁石対30を構成する一対の永久磁石3を一度に軸方向から覆うように配されている。そして、分割プレート40は、永久磁石3を、部分的に覆うように配されている。
また、図7に示すごとく、各分割プレート40は、回転子1の軸方向の反対側に配されたエンドプレート4の分割プレート40と共に、ロータコア2に対して、リベット11によって固定されている。リベット11は、一対の分割プレート40とその間のロータコア2とを貫通すると共に、一対の分割プレート40を軸方向の外側からかしめている。また、リベット11は、ロータコア2の半島部23、すなわち、磁石対30を構成する一対の永久磁石3とロータコア2の外周端縁との間の部分において、ロータコア2を軸方向に貫通している。この位置にリベット11を配置することによって、一対の磁石収容孔の内周側端部212の間に形成されたブリッジ部22における磁性鋼板20の反りを防いでいる。
また、図8に示すごとく、分割プレート40の周方向の両端には、軸方向へ折り曲げられた屈曲部43が形成されており、該屈曲部43は、磁石収容孔21の連通部211において、永久磁石3の側面に係止されている。これにより、分割プレート40が、ロータコア2に対して、リベット11を中心とした回転方向へ位置ずれすることを防ぐことができる。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合には、エンドプレート4の体積を小さくすることができ、その重量を小さくすることができる。これにより、回転子1の一層の軽量化を図ることができる。つまり、回転子1のイナーシャを一層小さくすることができ、永久磁石式回転電機10の応答性をより向上させることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
参考例2
本例は、図9、図10に示すごとく、エンドプレート4を構成する各分割プレート40が、永久磁石3の形状に沿った輪郭を一部に有する例である。
すなわち、本例においても、各分割プレート40は、互いに一つの磁石対30を構成する一対の永久磁石3を一度に軸方向から覆うように配されている。そして、分割プレート40は、ロータコア2の磁石収容孔21に収容された永久磁石3を覆う磁石押え部44を2つ備えている。また、分割プレート40は、2つの磁石押え部44を繋ぐように両者の間に形成された連結部45を有する。磁石押え部44は、軸方向から永久磁石3の全面を覆うように配されている。
ただし、磁石押え部44は、永久磁石3の内周側角部312に面して形成された軸方向孔24の開口部を露出させるように配置されている。
また、参考例1と同様に、分割プレート40は、回転子1の軸方向の反対側に配されたエンドプレート4の分割プレート40と共に、図9に示すごとく、ロータコア2に対して、リベット11によって固定されている。リベット11は、分割プレート40における連結部45においてかしめられている。
リベット11は、一対の分割プレート40とその間のロータコア2とを貫通すると共に、一対の分割プレート40を軸方向の外側からかしめている。また、リベット11は、ロータコア2の半島部23において、ロータコア2を軸方向に貫通している。
また、図10に示すごとく、分割プレート40は、一対の磁石押え部44と連結部45との間に、厚み方向の段差を有する。そして、永久磁石3は、軸方向の端面が、ロータコア2の端面よりも若干軸方向の内側に配されている。つまり、磁石収容孔21の開口部において、永久磁石3の端面を底面とする凹部214が形成されている。この凹部214に、磁石押え部44が配置されている。このように、分割プレート40が上記段差を有することにより、磁石押え部44が、上記凹部214に配され、永久磁石3を軸方向から押さえることができる。また、これにより、分割プレート40が、ロータコア2に対して、リベット11を中心とした回転方向へ位置ずれすることを防ぐことができる。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合には、エンドプレート4の体積を小さくするとともに、永久磁石3のほぼ全面を軸方向から押さえることができる。それゆえ、エンドプレート4の重量を小さくしつつ、ロータコア2からの永久磁石3の飛び出しを確実に防ぐことができる。つまり、永久磁石3を押さえる機能を高めつつ、回転子1の重量を充分に小さくすることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
参考例3
本例は、図11に示すごとく、磁石収容孔21とは独立して形成された軸方向孔24を、円環状のエンドプレート4の内周側に配置した回転子1の例である。
すなわち、ロータコア2は、磁石収容孔21を形成した部分よりも径方向内側の部分に、複数の軸方向孔24を設けてなる。複数の軸方向孔24は、周状に並んで形成されている。
また、エンドプレート4は、実施例1と同様に、永久磁石3を軸方向から覆うように、円環状に配設されている。そして、この円環状のエンドプレート4の内周端縁42よりも内側であって、軸孔25の外側において、複数の軸方向孔24が形成されている。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合には、軸方向孔24の開口部を塞がないようにしつつ永久磁石3を軸方向から覆うようにエンドプレート4を配置することが容易となる。それゆえ、軸方向孔24の開口部を充分に露出させつつ、永久磁石3を充分な面積で軸方向から押さえることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
上記実施例以外にも、例えば実施例1と参考例3とを組み合わせた実施形態など、種々の実施形態が考えられる。
1 回転子
10 永久磁石式回転電機
2 ロータ
20 磁性鋼板
24 軸方向孔
3 永久磁石
4 エンドプレート

Claims (5)

  1. 複数の磁性鋼板を積層してなるロータコアと、該ロータコアに対して回転軸の軸方向に埋め込まれた複数の永久磁石とを有する、永久磁石式回転電機の回転子であって、
    上記ロータコアは、上記永久磁石よりも内周側において軸方向に開口した軸方向孔を有し、
    該軸方向孔は、上記ロータコアにおける上記永久磁石を収容する磁石収容孔と連続して形成されていると共に、該磁石収容孔から内周側に延びるように形成されており、
    上記ロータコアの軸方向の両端には、該ロータコアを軸方向から挟持する一対のエンドプレートが配設されており、
    該エンドプレートは、上記永久磁石の少なくとも一部を覆うと共に上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されており、
    上記エンドプレートは環状であり、該エンドプレートの内周側において、上記軸方向孔の開口部の少なくとも一部を露出させるように配置されており、
    上記エンドプレートの外周端縁は、上記ロータコアの外周輪郭よりも内側に配され、上記エンドプレートの内周端縁は、上記軸方向孔の内周側端部よりも外側に配されていることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
  2. 請求項1に記載の永久磁石式回転電機の回転子において、上記軸方向孔は、上記ロータコアを軸方向に貫通していることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
  3. 請求項1又は2に記載の永久磁石式回転電機の回転子において、上記エンドプレートは、上記永久磁石の全体を覆っていることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機の回転子において、上記エンドプレートは非磁性体からなることを特徴とする永久磁石式回転電機の回転子。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の永久磁石式回転電機の回転子と、該回転子の外周に配された固定子とを備えてなることを特徴とする永久磁石式回転電機
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