JP6175350B2 - モータ - Google Patents

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Description

本発明は、ケース内にステータとロータとを収容するモータに関する。
従来、モータに使用されるロータとして、周方向に複数の爪状磁極をそれぞれ有して組み合わされるロータコアを備え、それらの間に界磁磁石を配置して各爪状磁極を交互に異なる磁極に機能させる所謂永久磁石界磁のランデル型構造のロータが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、ランデル型構造のロータにおいては、爪状磁極と界磁磁石との間に配置され径方向に磁化されてその間の漏れ磁束を抑えるための補助磁石(背面磁石)と、周方向に隣り合う爪状磁極の間に配置され周方向に磁化されてその間の漏れ磁束を抑えるための補助磁石(極間磁石)とを備えたものがある(例えば特許文献2参照)。このようなモータは、有底筒状のヨークハウジングとこのヨークハウジングの一端に設けられるエンドフレームとを有するケース内に、前記ロータと前記ステータとが収容されている。
実開平5−43749号公報 特開2012−115085号公報
ところで、上記のようなモータでは、整流磁石を用いることで磁束の整流作用を図って漏れ磁束を抑えているが、整流磁石の位置によってはディテントトルクを悪化させる虞がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、整流磁石の配置の適正化を図ってディテントトルクを増加させることができるモータを提供することにある。
上記課題を解決するモータは、ステータコア及び巻線を有するステータと、それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第1及び第2ロータコアと、前記コアベース同士の軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、第1ロータコアの前記爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2ロータコアの前記爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石とを有するロータとを、有底筒状で磁性体のヨークハウジング及び該ヨークハウジングの開口部を閉塞する蓋部を有するケース内に収容するモータであって、前記第1及び第2ロータコアの前記爪状磁極の背面に生じる隙間に該隙間の径方向長さよりも短い背面磁石が複数配置されるものであり、前記第1ロータコアのコアベースが軸方向において前記第2ロータコアのコアベースよりも前記ヨークハウジング側に配置されるとき前記第1ロータコアの爪状磁極側に前記背面磁石を近接配置させるとともに前記第2ロータコアの反爪状磁極側に前記背面磁石を近接配置させる。
この構成によれば、軸方向においてヨークハウジング側に配置される第1ロータコア(コアベース)側における磁気抵抗が低下することで、図5に示すようにディテントトルクの増加を図ることが可能となる。
上記モータにおいて、前記第1ロータコアの爪状磁極と前記第2ロータコアの爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石を備えるものであり、前記極間磁石は、径方向内側に位置する前記第1及び第2ロータコアのコアベースと離間する態様で径方向外側に配置することが好ましい。
この構成によれば、ディテントトルクに悪影響のある爪状磁極間の径方向内側における漏れ磁束が低減し、図6に示すようにディテントトルクが向上する。
本発明のモータによれば、整流磁石の配置の適正化を図ってディテントトルクの増加させることができる。
第1実施形態におけるモータの断面図である。 同上におけるモータの平面図である。 同上におけるロータの斜視図である。 同上におけるロータの断面図である。 背面磁石の配置変更によるディテントトルクの差異について説明するためのグラフである。 極間磁石の配置変更によるディテントトルクの差異について説明するための説明図である。 第2実施形態におけるロータの断面図である。
(第1実施形態)
以下、モータの第1実施形態について説明する。
図1に示すように、モータとしてのブラシレスモータ11のモータケース12は、略有底円筒状に形成されたヨークハウジング13と、このヨークハウジング13のフロント側(図1中、左側)の開口部を閉塞する蓋部としてのエンドプレート14とを有している。前記ヨークハウジング13は例えば磁性体の鉄で構成される。また、前記エンドプレート14は例えば非磁性体の樹脂材料で構成される。
図1に示すように、ヨークハウジング13の内周面にはステータ16が固定されている。ステータ16は、径方向内側に延びる複数のティース17aを有するステータコア17と、ステータコア17のティース17aにインシュレータ19を介して巻回される巻線20とを備えている。ステータ16は、外部の制御回路Sから巻線20に駆動電流が供給されることで回転磁界を発生する。
図2に示すようにステータコア17は、計12個のティース17aを有している。従って、ティース17a間に形成されるスロット17bの数も12個とされている。
図2に示すようにティース17aは、巻回部18aと、巻回部18aの径方向内側の端部から周方向両側に突出する突出部18bとを備える。巻回部18aは、U相、V相、W相の巻線20が集中巻にて巻回されている。
図1に示すように、ブラシレスモータ11のロータ21は回転軸22を有し、ステータ16の内側に配置されている。回転軸22は非磁性体の金属シャフトであって、ヨークハウジング13の底部13a及びエンドプレート14に支持された軸受23,24により回転可能に支持されている。
図3及び図4に示すように、ロータ21は、前記回転軸22が圧入されることで互いの軸方向の間隔が保持されつつ回転軸22に固定される2つのロータコア31,32と、各ロータコア31,32の軸方向の間に介在される界磁磁石としての環状磁石33を備える。更に、ロータ21は、背面磁石34,35と、極間磁石36,37とを備える。
図3及び図4に示すように、ロータコア31は、略円板状のコアベース31aの外周部に、等間隔に複数(本実施形態では4つ)の爪状磁極31bが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出して形成されている。詳しくは、爪状磁極31bは、コアベース31aの外周部から径方向外側に突出した突出部31cと、該突出部31cの先端に設けられ軸方向に延びる爪部31dとを有する。突出部31cは、軸方向から見て扇形状に形成されている。爪部31dは、軸直交方向断面が扇形状に形成されている。
図3及び図4に示すように、ロータコア32は、ロータコア31と同形状であって、略円板状のコアベース32aの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極32bが径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出して形成されている。詳しくは、爪状磁極32bは、コアベース32aの外周部から径方向外側に突出した突出部32cと、該突出部32cの先端に設けられ軸方向に延びる爪部32dとを有する。突出部32cは、ロータコア31の突出部31cと同様に、軸方向から見て扇形状に形成されている。爪部32dは、軸直交方向断面が扇形状に形成されている。また、一方のロータコア32の爪部32dは、他方のロータコア31の爪部31dよりも軸方向に長い構成とされる。
そして、各ロータコア31,32は、その中央孔に回転軸22が圧入されるとともに、各コアベース31a,32aの軸方向の外側(相反する側)の距離が予め設定された距離となるように回転軸22に対して圧入固定される。この際、ロータコア32は、爪状磁極32bが周方向に隣り合う他方のロータコア31の爪状磁極31b間に配置されるようにして、且つコアベース31aとコアベース32aとの軸方向の間に環状磁石33が配置(挟持)されるようにしてロータコア31に対して組み付けられている。
環状磁石33は、フェライト磁石やネオジム磁石等の磁石であって、中央孔が形成された円環状に形成され、ロータコア31の爪状磁極31bを第1の磁極(本実施形態ではN極)として機能させ、ロータコア32の爪状磁極32bを第2の磁極(本実施形態ではS極)として機能させるように、軸方向に磁化されている。即ち、本実施形態のロータ21は、界磁磁石としての環状磁石33を用いた所謂ランデル型構造のロータである。ロータ21は、N極となる4つの爪状磁極31bと、S極となる4つの爪状磁極32bとが周方向に交互に配置されており、極数が8極(極対数が4個)となる。すなわち、本実施形態では、ロータ21の極数が「8」に設定され、ステータ16のティース17aの数が「12」に設定されている。
図3及び図4に示すように、ロータコア31の各爪状磁極31bの背面31e(径方向内側の面)とロータコア32のコアベース32aの外周面32fとの間の隙間S1には、この隙間S1の径方向長さよりも短い背面磁石34が配置されている。この背面磁石34は、爪状磁極31b側となるように、背面31eと径方向において当接し、ロータコア32の外周面32fと径方向において離間されている。背面磁石34は、その軸直交方向断面が略扇形状とされ、爪状磁極31bの背面31eに当接する側が爪状磁極31bと同極のN極に、ロータコア32のコアベース32aの外周面32fと対向する側がコアベース32aと同極のS極となるように磁化されている。
図3及び図4に示すように、ロータコア32の各爪状磁極32bの背面32eとロータコア31のコアベース31aの外周面31fとの間の隙間S2には、この隙間S2の径方向長さよりも短い背面磁石35が配置されている。この背面磁石34は、反爪状磁極32b側となるように、ロータコア31の外周面31fと径方向において当接し、ロータコア32の背面32eと径方向において離間されている。背面磁石35は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、爪状磁極32bの背面32eと対向する側がS極に、ロータコア31のコアベース31aの外周面31fに当接する側がN極となるように磁化されている。背面磁石34,35としては、例えばフェライト磁石を用いることができる。
図2及び図3に示すように、爪状磁極31bと爪状磁極32bとの周方向の間には、極間磁石36,37が配置されている。極間磁石36,37は、径方向において各ロータコア31,32の外周面31f,32fと離間するように径方向外側に配置されている。なお、極間磁石36,37は、その径方向長さが前記爪状磁極31bと爪状磁極32bとの間の隙間S3の径方向長さ(ロータコア31の外周面31f,32fから爪状磁極31b,32b先端までの長さと略等しい長さ)よりも短い構成とされる。
上記のように構成されたロータ21は、一方のロータコア32のコアベース32aが、他方のロータコア31のコアベース31aよりも軸方向においてヨークハウジング13側(底部13a側)に配置される。ちなみに、ロータコア32が第1ロータコアに相当し、ロータコア31が第2ロータコアに相当する。
また、図1に示すように、ロータ21には、略円板状のマグネット固定部材41を介してセンサ磁石42が設けられている。詳しくは、マグネット固定部材41は、中央にボス部41aが形成された円板部41bと、この円板部41bの外縁から筒状に延びる筒部41cとを有し、該筒部41cの内周面及び円板部41bの表面に当接するように環状のセンサ磁石42が固着されている。そして、マグネット固定部材41は、ロータコア31と近い側で、そのボス部41aが回転軸22に外嵌されて固定されている。
そして、エンドプレート14において、センサ磁石42と軸方向に対向する位置には磁気センサとしてのホールIC43が設けられている。ホールIC43は、センサ磁石42に基づくN極とS極の磁界を感知するとそれぞれHレベルの検出信号とLレベルの検出信号とを前記制御回路Sに出力する。
次に、上記のように構成されたブラシレスモータ11の作用について説明する。
制御回路Sから巻線20に3相の駆動電流が供給されると、ステータ16にて回転磁界が発生され、ロータ21が回転駆動される。この際、ホールIC43と対向するセンサ磁石42が回転することで、ホールIC43から出力される検出信号のレベルがロータ21の回転角度(位置)に応じて切り替わり、その検出信号に基づいて制御回路Sから巻線20に最適なタイミングで切り替わる3相の駆動電流が供給される。これにより、良好に回転磁界が発生され、ロータ21が良好に連続して回転駆動される。
また、本実施形態のロータ21は、軸方向においてヨークハウジング13側に位置するロータコア32の爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置させ、軸方向において反ヨークハウジング13側に位置するロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置される。
ここで、背面磁石34,35の配置変更によるディテントトルクの差異について図5を用いて説明する。
図5では、爪状磁極31b,32bの背面31e,32eと外周面32f,31fとの間の隙間S1,S2を埋めるように各背面磁石34,35を配置した場合を基準Tb1としてディテントトルクの変化を示している。
例えば、図5において「Th1」として示す例では、ロータコア31の爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置させ、ロータコア32の反爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置する例である。このような構成とすると、基準Tb1のディテントトルクと比較して、ディテントトルクが約0.9%低下することとなる。
また、図5において「Tj1」として示す例は、ロータコア32の爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置させ、ロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置する、本実施形態の構成である。このような構成とすることで、基準Tb1のディテントトルクと比較して、ディテントトルクが約2.3%増加することとなる。
すなわち、本実施形態のように、ロータコア32の爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置させ、ロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置することでディテントトルクが向上されている。
また、本実施形態のロータ21は、その極間磁石36,37が径方向において各ロータコア31,32の外周面31f,32fと離間するように径方向外側に配置されている。
ここで、極間磁石36,37の配置変更によるディテントトルクの差異について図6を用いて説明する。
図6では、爪状磁極31b,32b間の周方向隙間S3を埋めるように各極間磁石36,37を配置した場合を基準Tb2としてディテントトルクの変化を示している。つまり、極間磁石36,37の径方向長さを周方向隙間S3の径方向長さと略同一とし、各ロータコア31,32の外周面31f,32fと極間磁石36,37とを径方向に当接配置した状態を基準Tb2としている。
例えば、図6において「Th2」として示す例は、極間磁石36,37の径方向長さを周方向隙間S3の径方向長さよりも短い構成とし、各ロータコア31,32の外周面31f,32fと極間磁石36,37を径方向において当接するように径方向内側に配置して径方向外側においては爪状磁極31b,32b間が空隙とした例である。このような構成とすると、基準Tb2のディテントトルクと比較して、ディテントトルクが約5.0%低下することとなる。
また、図6において「Tj2」として示す例は、極間磁石36,37の径方向長さを周方向隙間S3の径方向長さよりも短い構成とし、極間磁石36,37が径方向において各ロータコア31,32の外周面31f,32fと離間するように径方向外側に配置する、本実施形態の構成である。このような構成とすることで、基準Tb2のディテントトルクと比較して、ディテントトルクが約5.1%増加することとなる。
すなわち、本実施形態のように、極間磁石36,37が径方向において各ロータコア31,32の外周面31f,32fと離間するように径方向外側に配置することでディテントトルクに悪影響のある爪状磁極間の径方向内側における漏れ磁束が低減し、トルクに寄与する磁束が増加するため、ディテントトルクが向上されている。
次に、本実施形態の効果を記載する。
(1)ロータコア32の爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置させ、ロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置することで、軸方向においてヨークハウジング13側に配置されるロータコア32(コアベース32a)側における磁気抵抗が低下する。これにより、図5に示すようにディテントトルクの増加を図ることが可能となる。
(2)ディテントトルクに悪影響のある爪状磁極間の径方向内側における漏れ磁束が低減し、図6に示すようにディテントトルクが向上する。
(第2実施形態)
次に、モータの第2実施形態について説明する。
本実施形態のモータ11は、第1実施形態と比較してロータ21の構成が異なるものであり、モータケース12並びにステータ16については同じ構成である。このため、主にロータ21の変更点について説明し、その他の構成については同じ符号を付して説明の一部又は全部を割愛する。
本実施形態のモータ11のロータ21は、一対のロータコア31,32を有する。なお、本実施形態では、ロータコア32(コアベース32a)が軸方向においてヨークハウジング13側に位置し、ロータコア31(コアベース31a)が軸方向において反ヨークハウジング13側に位置する。
図7に示すように、ロータコア31の各爪状磁極31bの背面31e(径方向内側の面)とロータコア32のコアベース32aの外周面32fとの間の隙間S1には、該隙間S1の径方向長さよりも短い背面磁石34が配置されている。この背面磁石34は、反爪状磁極31b側となるように、爪状磁極31bの背面31eと径方向において離間し、ロータコア32の外周面32fと径方向において当接している。背面磁石34は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、爪状磁極31bの背面31eと対向する側がN極に、ロータコア31のコアベース31aの外周面31fに当接する側がS極となるように磁化されている。
また、ロータコア32の各爪状磁極32bの背面32eとロータコア31のコアベース31aの外周面31fとの間の隙間S2には、該隙間S2の径方向長さよりも短い背面磁石35が配置されている。この背面磁石35は、反爪状磁極32b側となるように、ロータコア31の外周面31fと径方向において当接し、ロータコア32の背面32eと径方向において離間されている。背面磁石35は、その軸直交方向断面が扇形状とされ、爪状磁極32bの背面32eと対向する側がS極に、ロータコア31のコアベース31aの外周面31fに当接する側がN極となるように磁化されている。
次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態のモータ11では、第1実施形態同様に、制御回路Sから巻線20に3相の駆動電流が供給されると、ステータ16にて回転磁界が発生され、ロータ21が回転駆動される。この際、ホールIC43と対向するセンサ磁石42が回転することで、ホールIC43から出力される検出信号のレベルがロータ21の回転角度(位置)に応じて切り替わり、その検出信号に基づいて制御回路Sから巻線20に最適なタイミングで切り替わる3相の駆動電流が供給される。これにより、良好に回転磁界が発生され、ロータ21が良好に連続して回転駆動される。
また、本実施形態のロータ21は、軸方向においてヨークハウジング13側に位置するロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置させ、軸方向において反ヨークハウジング13側に位置するロータコア32の反爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置される。
ここで、背面磁石34,35の配置変更によるディテントトルクの差異について図5を用いて説明する。
図5では、爪状磁極31b,32bの背面31e,32eと外周面32f,31fとの間の隙間S1,S2を埋めるように各背面磁石34,35を配置した場合を基準Tb1としてディテントトルクの変化を示している。
例えば、図5において「Th3」として示す例では、ロータコア31の爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置させ、ロータコア32の爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置する例である。このような構成とすると、基準Tb1のディテントトルクと比較して、ディテントトルクが約0.4%低下することとなる。
また、図5において「Tj3」として示す例は、ロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置させ、ロータコア32の反爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置する、本実施形態の構成である。このような構成とすることで、基準Tb1のディテントトルクと比較して、ディテントトルクが約2.3%増加することとなる。
すなわち、本実施形態のように、ロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置させ、ロータコア32の反爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置することでディテントトルクが向上されている。
次に、本実施形態の効果を記載する。
(3)ロータコア32の反爪状磁極32b側に背面磁石35を近接配置させ、ロータコア31の反爪状磁極31b側に背面磁石34を近接配置することで、軸方向においてヨークハウジング13側に配置されるロータコア32(コアベース32a)側における磁気抵抗が低下する。これにより、図5に示すようにディテントトルクの増加を図ることが可能となる。
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、ロータ21の極数が「8」に設定され、ステータ16のティース17aの数が「12」に設定されたブラシレスモータに具体化したが、ロータ21の極数やステータ16のティース17aの数は変更してもよい。
・上記実施形態では、ロータ21に、背面磁石34,35と極間磁石36,37とを設ける構成としたが、これに限らない。例えば背面磁石のみを設ける構成を採用してもよい。
・上記実施形態では、ステータ16のティース17aに巻線20を巻装する構成としたが、これに限らない。例えば、周方向に複数の爪状磁極をそれぞれ有して組み合わされるステータコアを備え、それらの間に巻線を配置して各爪状磁極を交互に異なる磁極に機能させる構成を採用してもよい。
・上記各実施形態では、エンドプレート14を樹脂材料で構成したが、これに限らない。例えば、エンドプレート14をアルミニウムやステンレス鋼(SUS)等の非磁性体材料を採用してもよい。また、エンドプレート14とロータ21との軸方向における距離が、ヨークハウジング13(底部13a)とロータとの軸方向に置ける距離よりも長いという条件を満たせば、エンドプレート14として磁性体材料を用いてもよい。
・上記実施形態並びに各変形例は適宜組み合わせてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
(付記1) ステータコア及び巻線を有するステータと、
それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第1及び第2ロータコアと、前記コアベース同士の軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、第1ロータコアの前記爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2ロータコアの前記爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石とを有するロータとを、
有底筒状で磁性体のヨークハウジング及び該ヨークハウジングの開口部を閉塞する蓋部を有するケース内に収容するモータであって、
前記第1ロータコアの爪状磁極と前記第2ロータコアの爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石を備えるものであり、
前記極間磁石は、径方向内側に位置する前記第1及び第2ロータコアのコアベースと離間する態様で径方向外側に配置することを特徴とするモータ。
これにより、ディテントトルクに悪影響のある爪状磁極間の径方向内側寄りにおける漏れ磁束が低減し、図6に示すようにディテントトルクが向上する。
11…モータ、13…ヨークハウジング、16…ステータ、17…ステータコア、20…巻線、21…ロータ、31a,32a…コアベース、31b,32b…爪状磁極、31e,32e…背面、34,35…背面磁石、36,37…極間磁石、S1,S2,S3…隙間。

Claims (2)

  1. ステータコア及び巻線を有するステータと、
    それぞれ略円板状のコアベースの外周部に、等間隔に複数の爪状磁極が径方向外側に突出されるとともに軸方向に延出形成され、互いのコアベースが対向されつつ爪状磁極が周方向に交互に配置された第1及び第2ロータコアと、前記コアベース同士の軸方向の間に配置され、前記軸方向に磁化されることで、第1ロータコアの前記爪状磁極を第1の磁極として機能させ、前記第2ロータコアの前記爪状磁極を第2の磁極として機能させる界磁磁石とを有するロータとを、
    有底筒状で磁性体のヨークハウジング及び該ヨークハウジングの開口部を閉塞する蓋部を有するケース内に収容するモータであって、
    前記第1及び第2ロータコアの前記爪状磁極の背面に生じる隙間に該隙間の径方向長さよりも短い背面磁石が複数配置されるものであり、
    前記第1ロータコアのコアベースが軸方向において前記第2ロータコアのコアベースよりも前記ヨークハウジング側に配置されるとき前記第1ロータコアの爪状磁極側に前記背面磁石を近接配置させるとともに前記第2ロータコアの反爪状磁極側に前記背面磁石を近接配置させることを特徴とするモータ。
  2. 請求項1に記載のモータにおいて、
    前記第1ロータコアの爪状磁極と前記第2ロータコアの爪状磁極との間において周方向に生じる隙間に配置された極間磁石を備えるものであり、
    前記極間磁石は、径方向内側に位置する前記第1及び第2ロータコアのコアベースと離間する態様で径方向外側に配置することを特徴とするモータ。
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