JP6596827B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、ロータおよびステータを備える回転電機に関するものである。
従来、この種の回転電機(すなわち、電動機、発電機)として、例えば特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1に記載された回転電機は、所謂アウターロータ式電動機であり、ヨークの円筒部の内周側に永久磁石が固定されたアウターロータと、鉄心にコイルが巻装されたステータとを備え、ステータが発生する電磁力によりアウターロータを回転させるようになっている。
特開2013−176202号公報
アウターロータ式電動機は、ステータが発生する電磁力の周波数とアウターロータの共振周波数が一致したときに、共振が励起されて騒音となることが知られている。
ここで、ステータが発生する電磁力(すなわち加振力)の分布は、楕円形(すなわち、円環2次モード)である。
また、アウターロータのヨークは、偏心や電磁力分布の歪み発生を防止するため、出来るだけ精度良く軸対称に作られている。そして、軸対称のヨークを有するアウターロータは、回転方向のどの位置でも振動の腹になるため、腹と節の位置が固定されない楕円形の共振モード(すなわち、円環2次モード)となり、電磁力は100%振動に変換され、アウターロータ共振に起因する騒音が極めて大きくなるという問題があった。
さらに、アウターロータ式電動機において、ステータ共振に起因する騒音も発生する。さらにまた、アウターロータ式発電機、インナーロータ式回転電機、ロータにコイルが巻装されステータに永久磁石が固定された形式の回転電機においても、ロータやステータの共振に起因する騒音が極めて大きくなるという問題が発生する。
本発明は上記点に鑑みて、回転電機におけるロータの共振による騒音を低減することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ータ(6)のヨーク円筒部における回転電機回転方向の少なくとも一箇所に、電磁力が変換された振動の節として、残部とは剛性が異なる異剛性部(612b)を備え、異剛性部は、ヨーク円筒部のうち、ヨーク円筒部の内周側に当該ヨーク円筒部の厚みを残す状態で切欠部(612a)が形成されることで構成されていることを特徴とする。
これによると、ロータの共振モードとして、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれた2つの円環2次モードが、2つの共振周波数において現れる。このように、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれることにより、各々の共振周波数において電磁力の一部は振動に変換されなくなるため、ロータの共振による騒音を低減することができる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第1実施形態に係る回転電機の正面断面図である。 図1の回転電機におけるヨークのA矢視図である。 図1のステータが発生する電磁力の分布を示す図である。 (a)は従来の回転電機におけるステータの電磁力がヨークに伝達される際の伝達関数、(b)は第1実施形態に係る回転電機におけるステータの電磁力がヨークに伝達される際の伝達関数である。 図1の回転電機におけるアウターロータの振動応答レベルと周波数との関係を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る回転電機におけるステータを示す図である。 本発明の第3実施形態に係る回転電機におけるアウターロータのヨークを示す図である。 本発明の第4実施形態に係る回転電機におけるアウターロータのヨークを示す図である。 本発明の第5実施形態に係る回転電機におけるアウターロータを示す図である。 図9のアウターロータの素材を形成する工程を示す図である。 本発明の第6実施形態に係る回転電機の正面断面図である。 図11のステータのC−C断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1、図2に示すように、本実施形態の回転電機は、アウターロータ式電動機であり、円筒部を有するベース1の内周側に第1軸受け2が装着され、ベース1に嵌合された円筒状の軸受けホルダ3の内周側に第2軸受け4が装着されている。そして、第1軸受け2および第2軸受け4により、回転軸5が回転自在に支持されている。
回転軸5には、アウターロータ6が圧入固定されている。このアウターロータ6は、金属製のヨーク61と、ヨーク61の内周側に固定された永久磁石62とからなる。
ヨーク61は、中心部に回転軸5が圧入されるとともに回転軸直交方向に延びる円盤状のヨーク板部611と、このヨーク板部611の外縁部から回転軸方向に延びる円筒状のヨーク円筒部612とを備え、有底円筒状になっている。
また、ヨーク円筒部612の内周側には、ヨーク円筒部612の周方向(換言すると、回転電機回転方向)に沿って90°間隔の等ピッチで、半円状の切欠部612aが4個形成されている。そして、ヨーク円筒部612における切欠部612aが形成された部位の剛性は、切欠部612aが形成されていない部位の剛性よりも低くなっている。
以下、ヨーク円筒部612における切欠部612aが形成された部位を、低剛性部612bという。この低剛性部612bは、回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置されている。なお、低剛性部612bは、本発明の異剛性部に相当する。
ベース1の円筒部の外周側には、鉄心71にコイル72を巻装したステータ7が固定されている。また、ステータ7は、ヨーク円筒部612の内側に配置されている。
このように構成されたアウターロータ式電動機は、コイル72に電力が供給されるとステータ7が電磁力を発生し(図3参照)、回転する電磁力を受けて回転軸5およびアウターロータ6が回転する。なお、図3の横軸θは、ステータ7における周方向角度(すなわち、周方向位置)である。
ここで、従来のアウターロータ式電動機のように、ヨークの剛性が回転電機回転方向に沿って均一である場合は、ヨークにおける回転電機回転方向のどの位置でも振動の腹になるため、図4(a)に示すように、ステータの電磁力がヨークに伝達される際の伝達関数は、ヨークにおける周方向角度θ(すなわち、周方向位置)にかかわらず一定になる。
一方、本実施形態においては、低剛性部612bは振動の節になるため、ステータ7の電磁力がヨーク61に伝達される際の伝達関数は、図4(b)に示すように、ヨーク61における周方向角度θ(すなわち、周方向位置)の変化に伴って変動する。
また、図5に示すように、本実施形態のように低剛性部612bを回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置した場合、アウターロータ6の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に45°ずれた2つの円環2次モードとなり、その円環2次モードは2つの共振周波数において現れる。
このように、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれる(すなわち、腹と節の位置が固定された楕円形の重根にする)ことにより、各々の共振周波数において電磁力の一部は振動に変換されなくなるため、アウターロータ6の共振による騒音が低減される。
因みに、低剛性部612bが回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置され、且つアウターロータ6における2つの共振周波数の差が37Hzとなるアウターロータ式電動機(以下、本実施形態電動機という)と、低剛性部612bがなくアウターロータの共振周波数が1つである従来のアウターロータ式電動機とについて、騒音を測定したところ、本実施形態電動機の騒音レベルは、従来のアウターロータ式電動機の騒音レベルよりも2.8dB(A)下がった。
また、本実施形態では、複数の低剛性部612bのうち任意の低剛性部612bに対し、他の低剛性部612bのうちの1つが回転電機回転方向に沿って180°ずれた位置に配置されているため、アウターロータ6の回転方向の重量バランスがとれ、アンバランスによる振動や騒音が防止される。
また、本実施形態のように、低剛性部612bを回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置した場合、アウターロータ6における2つの共振周波数の差を、最大限に大きくすることができる。
なお、本実施形態においては、低剛性部612bを4個設けたが、低剛性部612bは1個でもよい。この場合でも、アウターロータ6の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれた2つの円環2次モードとなるため、アウターロータ6の共振による騒音が低減される。
また、本実施形態においては、ヨーク円筒部612の内周側に切欠部612aを形成したが、ヨーク円筒部612の外周側に切欠部612aを形成してもよい。
また、本実施形態においては、低剛性部612bを回転電機回転方向に沿って90°間隔の等ピッチで4個設けたが、90°間隔に配置した4個の低剛性部612bの位置とは異なる位置に、さらに低剛性部612bを形成してもよい。
ただし、この場合、さらに形成する低剛性部612bの数は、90°間隔に配置した低剛性部612bの数(すなわち4個)と異ならせる。
換言すると、低剛性部612bのうち任意の低剛性部の位置を点A(1)とし、点A1を基点として回転電機回転方向に沿って45°ピッチの位置を点A(2)〜点A(8)としたとき、点A(2n−1)(ただし、n=1、2、3、4)に設けられた低剛性部の数と、点A(2n)に設けられた低剛性部の数を、異ならせる。このようにすれば、アウターロータ6の2つの共振周波数を、確実に異ならせることができる。
なお、本実施形態では、半円状の切欠部612aを設けたが、切欠部612aは、三角形状(すなわち、楔状)や四角形状でもよい。
また、本実施形態では、切欠部612aを形成して低剛性部612bを設けたが、切欠部612aの代わりに、ヨーク円筒部612から径方向に突出する突起部を形成してもよい。この場合、ヨーク円筒部612における突起部が形成された部位の剛性は、突起部が形成されていない部位の剛性よりも高くなる。そして、突起部が形成された高剛性部は、本発明の異剛性部に相当する。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。以下、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図6は、アウターロータ式電動機におけるステータ7を、回転軸方向に沿って見たときの図である。
図6に示すように、ステータ7は、コイル72が巻装された12個の鉄心71を備えている。鉄心71は、回転電機回転方向に沿って30°間隔の等ピッチで配置されている。
そして、12個の鉄心71のうち4個の鉄心71には、その外周部に半円状の切欠部711が形成されている。この切欠部711が形成された鉄心71の剛性は、切欠部711が形成されていない鉄心71の剛性よりも低くなっている。
以下、切欠部711が形成された鉄心を低剛性鉄心71aという。この低剛性鉄心71aは、回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置されている。なお、低剛性鉄心71aは、本発明の異剛性部に相当する。
本実施形態のように、低剛性鉄心71aを回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置した場合、ステータ7の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に45°ずれた2つの円環2次モードとなり、その円環2次モードは2つの共振周波数において現れる。したがって、ステータ7の共振による騒音が低減される。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。以下、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図7は、アウターロータ式電動機におけるアウターロータ6のヨーク61を、回転軸方向に沿って見たときの図である。
図7に示すように、ヨーク円筒部612は、ヨーク板部611と同密度の材料よりなる円弧状の第1ヨーク円弧部612cと、ヨーク板部611および第1ヨーク円弧部612cとは密度の異なる材料よりなる円弧状の第2ヨーク円弧部612dとを備えている。
そして、第1ヨーク円弧部612cと第2ヨーク円弧部612dを、回転電機回転方向に沿って交互に90°間隔の等ピッチでそれぞれ4個配置することにより、円筒状のヨーク円筒部612を形成している。なお、図7では、第2ヨーク円弧部612dの範囲を明瞭にするために、便宜的に第2ヨーク円弧部612dの部位を綾目模様で示している。
ここで、ヨーク円筒部612における回転電機回転方向の所定範囲毎の重量を所定範囲重量とした場合、第2ヨーク円弧部612dを含む部位の所定範囲重量と、第2ヨーク円弧部612dを含まない部位の所定範囲重量は、異なるものになる。なお、第2ヨーク円弧部612dを含む部位は、本発明の異重量部に相当する。
本実施形態のように、第2ヨーク円弧部612dを回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置した場合、アウターロータ6の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に45°ずれた2つの円環2次モードとなり、その円環2次モードは2つの共振周波数において現れる。したがって、アウターロータ6の共振による騒音が低減される。
(第4実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。以下、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図8は、アウターロータ式電動機におけるアウターロータ6のヨーク61を、回転軸方向に沿って見たときの図である。
図8に示すように、ヨーク円筒部612の外周側には、回転電機回転方向に沿って90°間隔の等ピッチで、金属または樹脂よりなる薄板状の板部材613が4個接合されている。
ここで、ヨーク円筒部612における回転電機回転方向の所定範囲毎の重量を所定範囲重量とした場合、板部材613を含む部位の所定範囲重量と、板部材613を含まない部位の所定範囲重量は、異なるものになる。なお、板部材613を含む部位は、本発明の異重量部に相当する。
また、ヨーク円筒部612における板部材613が接合された部位の剛性は、板部材613が接合されていない部位の剛性よりも高くなる。したがって、ヨーク円筒部612における板部材613が接合された部位は、本発明の異剛性部に相当する。
本実施形態のように、板部材613を回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置した場合、アウターロータ6の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に45°ずれた2つの円環2次モードとなり、その円環2次モードは2つの共振周波数において現れる。したがって、アウターロータ6の共振による騒音が低減される。
(第5実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。以下、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態の回転電機はアウターロータ式電動機であり、図9(a)は、アウターロータ式電動機におけるアウターロータ6のヨーク61の正面断面図、図9(b)は、図9(a)のB矢視図である。
本実施形態のヨーク61は、以下のようにして形成される。まず、図10(a)に示すように、材質が異なる直方体状の2種類の金属素材X、Yを用意する。第1金属素材Xと第2金属素材Yは、いずれも等方性材料であるが、強度や弾性係数等が異なっている。続いて、図10(b)に示すように、第1金属素材Xと第2金属素材Yを交互に積層して接合した後、図10(c)に示すように、円盤状に打ち出す。そして、円盤状の素材を絞り加工して、図9に示すような有底円筒状のヨーク61を形成する。なお、図9、図10では、第1金属素材Xと第2金属素材Yを明瞭に区別するために、便宜的に第2金属素材Yを綾目模様で示している。
このようにして形成されたヨーク61は、ヨーク61に対してその径方向に力を作用させた場合、力を作用させる位置によって剛性が異なる。したがって、アウターロータ6の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向にずれた2つの円環2次モードとなり、その円環2次モードは2つの共振周波数において現れる。したがって、アウターロータ6の共振による騒音が低減される。
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態について説明する。以下、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図11、図12に示すように、本実施形態の回転電機は、インナーロータ式電動機であり、回転軸5に永久磁石のインナーロータ9が圧入固定され、鉄心81にコイル82を巻装した円筒状のステータ8がインナーロータ9を囲むようにして配置されている。
鉄心81の内周側には、回転電機回転方向に沿って複数のスロット811が形成されている。また、鉄心81の外周側には、回転電機回転方向に沿って90°間隔の等ピッチで、半円状の切欠部812が4個形成されている。そして、鉄心81における切欠部812が形成された部位の剛性は、切欠部812が形成されていない部位の剛性よりも低くなっている。
以下、鉄心81における切欠部812が形成された部位を、低剛性部813という。この低剛性部813は、回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置されている。なお、低剛性部813は、本発明の異剛性部に相当する。
このように構成されたインナーロータ式電動機は、コイル82に電力が供給されるとステータ8が電磁力を発生し、その電磁力を受けて回転軸5およびインナーロータ9が回転する。
本実施形態のように、低剛性部813を回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置した場合、ステータ8の共振モードは、腹と節の位置が固定され且つ互いに腹と節の位置が回転電機回転方向に45°ずれた2つの円環2次モードとなり、その円環2次モードは2つの共振周波数において現れる。したがって、ステータ8の共振による騒音が低減される。
(他の実施形態)
なお、共振による騒音の低減効果の観点からは、円環2次の共振モードの場合、異剛性部または異重量部を2個または4個設けることが望ましく、円環3次の共振モードの場合、異剛性部または異重量部を3個または6個設けることが望ましい。換言すると、円環m次の共振モードに対し、異剛性部または異重量部をm個または2m個設けることが望ましい。
また、異剛性部または異重量部は回転電機回転方向に沿って等ピッチに配置することで最大の騒音低減効果が得られるが、ロータのヨーク円筒部612またはステータの鉄心71、81を、回転電機回転方向に沿って等ピッチに2m個の領域に仮想的に分割し、分割された各仮想領域の適宜位置にそれぞれ一箇所ずつ異剛性部または異重量部を設けても、換言すると、異剛性部または異重量部を回転電機回転方向に沿って不等ピッチに配置しても、騒音低減効果が得られる。
また、磁極数が10で且つスロット数が12の回転電機は、円環2次の共振モードを誘発しやすいため、本発明は、磁極数が10で且つスロット数が12の回転電機に好適である。
また、上記各実施形態では、アウターロータ式電動機またはインナーロータ式電動機を示したが、本発明は、アウターロータ式発電機、インナーロータ式回転電機、ロータにコイルが巻装されステータに永久磁石が固定された形式の回転電機にも適用することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。
また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
6 アウターロータ
7 ステータ
8 ステータ
9 インナーロータ
61 ヨーク
62 永久磁石
71 鉄心
72 コイル
612 ヨーク円筒部
71a 低剛性鉄心(異剛性部)
813 低剛性部(異剛性部)
612b 低剛性部(異剛性部)

Claims (9)

  1. ータ(6)のヨーク円筒部における回転電機回転方向の少なくとも一箇所に、電磁力が変換された振動の節として、残部とは剛性が異なる異剛性部(612b)を備え、
    前記異剛性部は、前記ヨーク円筒部のうち、前記ヨーク円筒部の内周側に当該ヨーク円筒部の厚みを残す状態で切欠部(612a)が形成されることで構成されていることを特徴とする回転電機。
  2. 円環m次の共振モードに対し、前記異剛性部をm個または2m個備えることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記ロータのヨーク円筒部を回転電機回転方向に沿って等ピッチに2m個の領域に仮想的に分割し、分割された各仮想領域の適宜位置にそれぞれ一箇所ずつ前記異剛性部を備えることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
  4. 前記異剛性部を複数備え、
    複数の前記異剛性部のうち任意の異剛性部に対し、他の異剛性部のうちの1つが、回転電機回転方向に沿って180°ずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の回転電機。
  5. 前記異剛性部を複数備え、
    複数の前記異剛性部は、回転電機回転方向に沿って等ピッチに配置され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つに記載の回転電機。
  6. 前記異剛性部を複数備え、
    複数の前記異剛性部のうち任意の異剛性部の位置を点A(1)とし、前記点A(1)を基点として回転電機回転方向に沿って45°ピッチの位置を点A(2)〜点A(8)としたとき、
    点A(2n−1)(ただし、n=1、2、3、4)に設けられた異剛性部の数と点A(2n)に設けられた異剛性部の数が異なることを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機。
  7. 前記異剛性部は、回転電機回転方向に沿って等ピッチに4個配置されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の回転電機。
  8. 前記ロータは、ヨーク(61)におけるヨーク円筒部(612)の内周側に永久磁石(62)が固定されており、
    テータ(7)は、前記ロータの内側に配置され、鉄心(71)にコイル(72)が巻装されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の回転電機。
  9. 前記ロータの磁極数が10であり、前記ロータのスロット数が12であることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の回転電機。
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