JPH09135545A - 電気モ−タ - Google Patents

電気モ−タ

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JPH09135545A
JPH09135545A JP28866595A JP28866595A JPH09135545A JP H09135545 A JPH09135545 A JP H09135545A JP 28866595 A JP28866595 A JP 28866595A JP 28866595 A JP28866595 A JP 28866595A JP H09135545 A JPH09135545 A JP H09135545A
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JP
Japan
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core
teeth
electric motor
electric
slot
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Application number
JP28866595A
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English (en)
Inventor
Keisuke Fujisaki
崎 敬 介 藤
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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  • Induction Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型で高出力な、局所発熱を抑制した電気モ−
タの提供。 【解決手段】リング状あるいはリニア状のコアを使用
し、該コアには複数のスロットを備え、上記スロットと
コア背面の間に電気コイルを胴巻きした。回転磁界又は
リニア移動磁界を発生する様に電気コイル間を結線し、
3相交流電圧を印加する。ステ−タコアのスロット間の
歯,スロット底、コア背面には複数のスリットを設け、
渦電流による発熱を抑制した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動磁界発生用の
電気コイルを備える電気モ−タに関する。
【0002】
【従来の技術】移動磁界発生用の電気コイルを備える電
気モ−タは各種周知であり、例えば各種電動機(回転
機),リニアモ−タ等がある。
【0003】例えば同期電動機においては、図9の
(a)に示す一例のように円筒状固定子鉄心に多相巻線
を配置してなる電機子と、円筒状鉄心及び永久磁石、あ
るいは界磁巻線等を持つ磁極(電磁石)からなる回転子
で構成され、固定子に位相差のある交流電圧を供給して
回転磁界を作ることにより、回転子を該回転磁界と同期
して回転させるものである。図9の(b)に永久磁石
と、かご型短絡回路を回転子に用いた一例を示す。
【0004】同様に、誘導電動機においては、図10の
(a)に一例を示すように、円筒状固定子鉄心の内側に
多相巻線を配置してなる電機子と、円筒状鉄心及びその
外側に設けた、かご型導体による短絡回路よりなる回転
子で構成され、電機子に位相差のある交流電圧を供給し
て回転磁界を作ることにより、回転子短絡回路中に発生
する渦電流との間に生じる電磁力を利用して回転子を誘
導回転させるものである。図10の(b)には、回転子
に組込むための、ケ−ジ状(かご型)に導体を組んでな
る短絡回路の一例を示す。
【0005】これら誘導電動機、あるいは同期電動機に
おいては特に、固定子と回転子との間の間隔(ギャッ
プ)を狭くする必要があることから、その回転磁界を作
るための電機子は、図10の(c)のように、円形に打
抜いた薄珪素鋼板を積層してなるコアに溝(スロット)
を設け、この溝(スロット)にコイルを嵌め込んで溝間
の歯の数個をコイルが周回する構成(以下「コイル巻
き」と言う)が使用されている。この様にコイル巻きに
すると、図9の(a),図10の(a)からも解るよう
に、コイルエンド(ロ−タ軸に沿う方向でステ−タコア
から突出する部分)がモ−タ軸方向に突出ししかもロ−
タの回転方向にも数スロットピッチ分延びるので、電動
機のモ−タ軸方向幅は必然的に大きくなる。
【0006】ところで、固定子と回転子間の間隔が大き
い構成の電動機の場合には、磁極数が少ない方が有利で
あるが、この場合にはポ−ルピッチ(ロ−タの回転方向
の磁極ピッチ)を長くする必要があり、従ってコイルエ
ンドもロ−タの回転方向に長くなり、他のコイルエンド
との重なりを生ずるので、電動機の軸長が更に長くな
る。このような場合において、幅の狭い形状の電動機を
必要とする場合には、従来の「コイル巻き」方式の固定
子を使用して対応することは困難であった。
【0007】リニアモ−タにおいても同様にコイル巻き
方式が採用されており、リニアモ−タが発生する移動磁
界の移動方向(モ−タの長手軸方向)と直交する幅方向
にコイルエンドが突出し、リニアモ−タが広幅となって
いる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述のコイル巻きのコ
イルエンドは電気モ−タの幅を大きくし、しかもステ−
タ端面部におけるコイルエンドの集積配列を複雑にして
いる。本発明は幅を小さくしうる電気モ−タを提供する
ことを第1の目的とする。この目的を達成するために本
発明では、コアの歯間のスロットに電気コイルの一辺を
挿入し該コイルを、コアの歯間部を周回する「胴巻き」
とする。
【0009】ところで、「胴巻き」コイルを使用すると
電磁石の幅を狭くすることが出来るので電気モ−タの小
型化が可能となるが、電気コイルが発生する磁束が、ス
ロット歯端部、スロット底部、及びコア端縁部に集中
し、各部の温度上昇を招く。これは、電気コイルを胴巻
きにすることにより、コイルが薄板積層体でなる電磁石
コアの板平面に平行となる部分において、コイルに流れ
る電流により該平面と平行な方向に交番磁束が発生し、
この磁束により誘起される渦電流が該平板面に生じる
が、コア端縁部に沿う渦電流値は磁束集中により高くな
るので、これが比較的高い発熱をもたらすからである。
【0010】温度が高くなる程電磁石コアの磁気特性が
劣化するので、電磁石としての駆動力が低下する。また
電気コイルの温度上昇により抵抗値が増え、電力損失が
増加する。更に「胴巻き」コイルとすることにより電磁
石の力率が低下する。
【0011】本発明は、局所発熱を抑制することを第2
の目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明の第1態様の電気モ−タ(図1)は、z軸を
中心とするリング状であって、リングの内側にリング中
心に向けて放射状に突出しリングに沿って所定ピッチで
分布する複数の歯(ST1〜24)を有し外側は実質状滑らか
な円周をなす多数の磁性体薄板をz軸が延びる方向に積
層したコア(2)、および、それぞれが前記歯の間のスロ
ット(SL1〜24)に挿入され、コアを胴巻きした複数個の
電気コイル(C1〜24)、を含むステ−タ(1);および、ロ
−タ(3);を備える。なお、理解を容易にするためにカ
ッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の記
号を、参考までに付記した。
【0013】これによれば、胴巻きであるので、コイル
エンドの、回転軸に沿う方向の突出長が短く、他コイル
のコイルエンドの重なりがなく、ステ−タ端面部におけ
るコイルエンドの配列が簡単で、電気モ−タの幅が小さ
くなる。リニアモ−タにした場合も同様である。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施例は、前記
コアの歯(ST1〜24)の頂面より元部に延びる歯端スリッ
ト(TS1〜24),歯間のスロット(SL1〜24)の底面より歯間
のコア内部に延びるスロット底スリット(BS1〜24)およ
び歯の裏側の背面よりコア内部に延びる背面スリット(O
S1〜24)を更に備える。これによれば、スリットにより
コアに誘起する渦電流が遮断され、渦電流による発熱が
低減し、スリット部の温度上昇が抑制される。
【0015】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【0016】
【実施例】
−第1実施例− 図1に本発明の第1実施例の横断面を示し、図2に図1
のA−A線拡大断面を示す。ステ−タコア2はリング状
(環状)をなし、多数の磁性体薄板をモ−タ軸方向と直
交する方向に積層した積層体である。この固定子コア2
のリング内側には放射状に複数のコイル溝、すなわちス
ロットSL1〜24がある。スロットとスロット間の凸
部であるスロット歯ST1〜24がリング中心(ロ−タ
3の中心)に向って突出している。各スロットSL1〜
24には、電気コイルC1〜24の一辺が挿入されてい
る。電気コイルC1〜24はスロット部でリング状コア
2の幹部(歯のない部分)を周回している。すなわちス
テ−タコア2に対し「胴巻き」されている。したがって
電気コイルのコイルエンドは、コア中心(ロ−タ3の回
転中心)から外方に向かう半径方向に延び、周方向の引
き廻し(延び)を有しない。その結果、隣り合う電気コ
イルのコイルエンドの重なりや交叉はない。したがっ
て、モ−タ軸と直交する方向のコア2に対する各電気コ
イルのコイルエンド突出長は、コイル積層厚プラス曲率
半径である。
【0017】上述のように、リング状ステ−タコア2に
電気コイルCL1〜24を胴巻する構成であるので、コ
ア2の歯ST1〜24の磁束密度が高く、更にはコイル
エンドがコア端面(モ−タ軸に直交する面)に近いので
コイルエンドの電流が発生する磁界による該端面直下の
周方向の渦電流成分が強くなり、これにより固定子コア
2のスロット底部SB1〜24、コア外周面の、特にエ
ッジ部での温度上昇が大きくなる。そこで本実施例にお
いてはステ−タコア2に複数のスリットを入れ、当該部
分での渦電流を遮断し発熱を抑制するようにした。
【0018】すなわちスロット歯の先端部から放射方向
に延びる方向、すなわち該渦電流を遮断する方向に歯端
スリットTS1〜24を刻んでいる。これにより歯ST
1〜24の温度上昇が低減する。更にスロット底から放
射方向に延びるスロット底面スリットBS1〜24、お
よび固定子コア2aのスロット歯の頂面に対向する背面
からリング中心(回転子3の中心)に近付く方向に延び
る背面スリットOS1〜24をコア2に切込んでいる。
これにより、コア2のスロット底および背面(外周面:
特にエッジ部)の温度上昇が低減する。なお、磁束はコ
ア2の表面エッジ部に集中する傾向があり、該部位での
温度上昇が大きいので、上述の各スリットは、いずれも
エッジ部のみとしている。
【0019】コア2に電気コイルC1〜24を胴巻きし
たステ−タ1の内側には、ロ−タ3がある。ロ−タ3
は、円柱状に薄電磁鋼板を積層したコア2及びそのコア
を取り囲むようにしてケ−ジ状(鳥かご状)の導体(銅
棒)短絡回路3aが組付けられている。短絡回路3a
は、複数個の銅棒3aB1〜12の両端に1対の銅リン
グを、銅棒を挟むように固着したものであり、銅棒3a
B1〜12は、コア2のスロットに圧入されて、コア2
の歯頂面と共に、円筒面をなし、ステ−タ1の歯頂面と
対向する。
【0020】ステ−タ1の電気コイルC1〜24に交流
を通電してステ−タ1内部に回転磁界を生じさせると、
ロ−タ3の導体短絡回路3aの銅棒3aB1〜12を磁
束が切ることになるので、短絡回路3aに、隣り合う2
本の銅棒とそれらの端部の銅リングで閉じられた導体ル
−プに電流が誘起され、この電流と回転磁界との間で電
磁力が生じ、磁界の回転する方向にロ−タ3が回転す
る。この実施例は、所謂誘導型電動機(かご型)であ
る。
【0021】この電気モ−タは、電気コイルC1〜24
がコア2に胴巻きされているので、コイルエンドが小さ
く、ステ−タ端面よりの突出が小さいので、ロ−タ軸方
向の幅が小さい。また、図1に示す歯端スリットTS1
〜24,スロット底スリットBS1〜24および背面ス
リットOS1〜24の部位で、スリットが延びる方向の
磁束の出入りが多い。すなわち磁束密度が高い。したが
って、該方向の磁束を周回する渦電流が強く、これによ
り発熱が多いが、この実施例では各スリットが渦電流を
遮断するので、局所的な高温度上昇が抑制される。
【0022】−第1実施例の変形例− 図3に、第1実施例の電気モ−タのロ−タ3を、永久磁
石として同期型モ−タとした変形例を示し、図4に、図
3のA−A線断面を示す。この例ではロ−タ3は、薄電
磁鋼板を円柱状に積層したロ−タコア2と、そのコアを
取り囲む、2極に分極した円筒状の永久磁石3bで構成
されている。コア2および永久磁石3bは、一体に固着
して回転軸4に固着されている。ステ−タ1の構造は、
上述の第1実施例と同一である。この変形例では、ステ
−タ1により回転磁界を生じさせると、回転子の永久磁
石3bの磁極と回転磁界との間で磁力(吸引力または反
発力)を生じ、磁界の回転する方向にロ−タ3も回転す
る。この電気モ−タは、所謂同期型電動機である。
【0023】次に、上述の第1実施例および変形例に共
通の、ステ−タ1に回転磁界を発生させる機構について
説明する。図5に、リング状を成し回転磁界を発生する
ステ−タ1のコイル結線を示す。ステ−タ1の各々の電
気コイルC1〜24は所望の回転磁界を形成するように
相互に結線され、通電手段に接続されている。電気コイ
ルC1〜24は実線で示すように結線されるので、これ
らは4個毎、6組のコイルグル−プ41,42,43,
44,45及び46に区分され3相2極の電磁石を形成
しており、各コイルグル−プ41,42,43,44,
45及び46は、それぞれ+U相、−V相、+W相、−
U相、+V相、−W相を形成する。図6(a)には各コ
イル間の電気接続を示し、図6(b)には相順(回転磁
界)を示す。「+U」は電気コイルに3相交流のU相の
正相通電(そのままの通電)を、「−U」はU相の逆相
通電(U相より180度の位相差通電)を表わし、電気
コイル「+U」にはその巻始め端にU相が印加されるの
に対し、電気コイル「−U」にはその巻終り端にU相が
印加されることを意味する。+V/−V,+W/−Wに
おいても同様である。このように接続されたコイルに3
相交流電源PSのU相,V相及びW相が接続され励磁さ
れる結果、ステ−タ1内側においては+U→−W→+V
→−U→+W→−Vと60度毎に回転する磁界が発生
し、誘導型モ−タ(図1)の場合には、回転子短絡回路
3aにこの回転磁界に伴う渦電流を発生せしめロ−タ3
に回転駆動力を与え、同期型モ−タ(図3)の場合に
は、ロ−タ3の永久磁石3b間との磁力によりロ−タ3
に同期回転力を与える。
【0024】図7に3相交流電源PSの構成を示す。3
相交流電源21から供給される交流電力は、サイリスタ
ブリッジ22によって整流され、インダクタンス25お
よびコンデンサ26によって平滑される。従って、コン
デンサ26の端子間には直流電圧が現われる。コンデン
サ26の端子間に現われる電圧は、サイリスタブリッジ
22がトリガされる位相に応じて変化する。
【0025】位相角算出器24に印加される電圧指令値
Vdcは、コンデンサ26の端子間に現われる直流電圧
の調整に利用される。位相角算出器24は、電圧指令値
Vdcに対応するトリガ位相角αを算出する。ゲ−トド
ライバ23は、位相角算出器24が出力するトリガ位相
角αでサイリスタブリッジ22の各々のサイリスタをト
リガするように、それぞれのゲ−ト端子に印加するトリ
ガ信号を生成する。即ち、各々のサイリスタがスイッチ
ングする交流波形のゼロクロス点をそれぞれ検出し、ゼ
ロクロス点を検出してから位相角αに相当する時間が経
過した時に、トリガ信号を生成する。トランジスタブリ
ッジ27は、コンデンサ26の端子間に現われる直流電
圧をスイッチングし、三相交流電圧U,V,Wを生成す
る。トランジスタブリッジ27のスイッチングを制御す
る信号は、比較器29によって生成され、ゲ−トドライ
バ28を介して各トランジスタのベ−ス端子に印加され
る。
【0026】比較器29の入力端子には、信号発生器F
REFの出力と三角波発生器30の出力が接続されてい
る。信号発生器FREFは、周波数F,例えば50Hz
の正弦波の三相交流電圧U1,V1,W1を出力する。
U1とV1およびV1とW1は、それぞれ120度の位
相差を有している。
【0027】信号発生器FREFの発信周波数Fは可変
であり,モ−タの起動、回転速度調整等必要に応じて周
波数を変更する。三角波発生器30は、繰り返し周波数
が3KHzの三角波信号を出力する。比較器29は、6
個のアナログ比較器を内蔵しており、三相交流電圧U
1,V1,W1の正の半波及び負の半波の電圧を、それ
ぞれ独立したアナログ比較器で三角波発生器30が出力
する三角波の電圧と比較し、それらの比較結果を6つの
二値信号として出力する。これらの二値信号が、ゲ−ト
ドライバ28を介して、トランジスタブリッジ27に印
加され、トランジスタブリッジ27の出力に三相交流電
圧U,V,Wが現われる。
【0028】−第2実施例− 図8の(a)に、本発明の第2実施例の縦断面を示す。
この実施例では、コア10には6個のスロット(SL1
〜SL6)があり、各スロットには電磁石コア10をコ
イル導体で巻回する様にして電気コイルC1〜C6が挿
入されている。このコイルは所謂「胴巻コイル」方式で
あり、電気コイルC1〜C6が発生する磁界と直交する
コア10の一部には渦電流が流れ、コア電気抵抗による
ジュ−ル熱により発熱する。すなわち長時間に及ぶリニ
アモ−タの使用によりコア10のスロット歯部ST1〜
5、スロット底部SB1〜6、コア背面(スロット歯部
と対向するコア背端縁部)での発熱が大きい。そこで本
実施例においては図8の(a)に示す位置でコア10に
複数のスリットを入れ、当該部分での渦電流を遮断し発
熱を抑制するようにした。各スロットの底面には底面ス
リットBS1〜BS6、スロットとスロットの間の突出
部(スロット歯)には歯端スリットTS1〜TS5及び
スロットに対向したコアの背面には背面スリットOS1
〜OS5が、それぞれ設けられている。
【0029】コア10に対向して導体3Lがある。この
導体3Lは、磁性体板に梯子状の導体(銅棒)短絡回路
が組付けられている。該短絡回路は、複数個の銅棒3a
B1〜12の両端に1対の銅バ−を、銅棒を挟むように
固着したものであり、銅棒3aB1〜12は、磁性体板
のスロットに圧入されて、磁性体板の歯頂面と共に、実
質上同一平面をなし、コア10の歯頂面と対向する。
【0030】コア10に巻回した電気コイルC1〜6
に、例えば図7に示す三相交流電源のの出力電圧を印加
して、移動磁界を生じさせると、導体3Lの導体短絡回
路の銅棒3aB1〜12を磁束が切ることになるので、
短絡回路に、隣り合う2本の銅棒とそれらの端部の銅バ
−で閉じられた導体ル−プに電流が誘起され、この電流
と移動磁界との間で電磁力が生じ、導体3Lが固定であ
るとコア10が磁界の移動する方向と逆方向に移動す
る。コア10が固定であると導体3Lが磁界の移動する
方向に移動する。
【0031】このリニアモ−タは、電気コイルC1〜6
がコア10に胴巻きされているので、コイルエンドが小
さく、コア側面よりの突出が小さいので、紙面と垂直な
方向xの幅が小さい。また、図8(a)に示す歯端スリ
ットTS1〜5,スロット底スリットBS1〜6および
背面スリットOS1〜5の部位で、スリットが延びる方
向の磁束の出入りが多い。すなわち磁束密度が高い。し
たがって、該方向の磁束を周回する渦電流が強く、これ
により発熱が多いが、この実施例では各スリットが渦電
流を遮断するので、局所的な高温度上昇が抑制される。
【0032】−第2実施例の変形例− 図8の(b)に、第2実施例のリニアモ−タの導体3L
を、永久磁石板と磁性体板の積層体3Lとして同期型リ
ニアモ−タとした変形例を示す。コア10およびそれに
巻回された電気コイルC1〜6の構造は、上述の第2実
施例と同一である。この変形例では、電気コイルC1〜
6により移動磁界を生じさせると、コア10の歯に生ず
る磁界と積層体3Lの永久磁石の磁極との間で磁力(吸
引力または反発力)を生じ、積層体3Lが固定であると
コア10が磁界の移動する方向と逆方向に移動する。コ
ア10が固定であると積層体3Lが磁界の移動する方向
に移動する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例の横断面図である。
【図2】 図1のA−A線断面図である。
【図3】 第1実施例の変形例の横断面図である。
【図4】 図3のA−A線断面図である。
【図5】 第1実施例およびその変形例の電気コイルC
1〜C24の、電源に対する結線を示すブロック図であ
る。
【図6】 (a)は図5に示す結線の相接続関係を示す
電気回路図、(b)は相順を示すベクトル図である。
【図7】 図5に示す3相交流電源PSの構成を示す電
気回路図である。
【図8】 (a)は本発明の第2実施例の縦断面図であ
り、(b)は第2実施例の変形例の縦断面図である。
【図9】 (a)は従来の同期型電気モ−タの部分断面
図であり、(b)は従来の同期型電気モ−タの1つのロ
−タの正面図である。
【図10】 (a)は従来の誘導型電気モ−タの、一部
を切欠した斜視図、(b)は、従来の誘導型電気モ−タ
の導体短絡回路の斜視図、(c)はステ−タコアのスロ
ットを示す正面図である。
【符号の説明】
1:ステ−タ 2:ステ−タ・コ
ア(鉄心) 2b:回転子コア 3:ロ−タ 3a:かご型短絡回路 3aB1〜12:
銅棒 3b:ロ−タ・永久磁石 3C:ロ−タ・コ
ア 3L:導体 4:モ−タ軸 10:電磁石コア 21:三相交流電
源 22:サイリスタブリッジ 23,28:ゲ−
トドライバ 24:位相角算出器 25:インダクタ 26:コンデンサ 27:トランジス
タブリッジ 29:比較器 30:三角波発生
器 41〜46:コイルグル−プ BS1〜BS24:底面スリット C1〜24:電気
コイル FREF:信号発生器 OS1〜24:背
面スリット PS:3相交流電源装置 SB1〜24:ス
ロット底 SL1〜24:スロット ST1〜24:ス
ロット歯 TS1〜24:歯端スリット

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】z軸を中心とするリング状であって、リン
    グの内側にリング中心に向けて放射状に突出しリングに
    沿って所定ピッチで分布する複数の歯を有し外側は実質
    状滑らかな円周をなす多数の磁性体薄板をz軸が延びる
    方向に積層したコア、および、それぞれが前記歯の間の
    スロットに挿入され、コアを胴巻きした複数個の電気コ
    イル、を含むステ−タ;および、 ロ−タ;を備える、回転式の電気モ−タ。
  2. 【請求項2】ロ−タは、前記ステ−タの内空間にあって
    z軸が延びる方向に延び円筒状に分布する複数個の導電
    体、および、これらの導電体の端部のそれぞれを接続し
    た短絡導体、を含む;請求項1記載の電気モ−タ。
  3. 【請求項3】ロ−タは、円筒状に分布する磁極を有する
    永久磁石を含む;請求項1記載の電気モ−タ。
  4. 【請求項4】y方向に延びる略直方体状であって、z方
    向に突出しx方向に延びy方向に所定ピッチで分布する
    複数個の歯を有する、多数の磁性体薄板をx方向に積層
    したコア、および、それぞれが前記歯の間のスロットに
    挿入され、コアを胴巻きした複数個の電気コイル、を含
    む移動磁界発生器;および、 前記歯の頂面に対向しy方向に分布する導電体;を備え
    る、リニア駆動用の電気モ−タ。
  5. 【請求項5】y方向に延びる略直方体状であって、z方
    向に突出しx方向に延びy方向に所定ピッチで分布する
    複数個の歯を有する、多数の磁性体薄板をx方向に積層
    したコア、および、それぞれが前記歯の間のスロットに
    挿入され、コアを胴巻きした複数個の電気コイル、を含
    む移動磁界発生器;および、 前記歯の頂面に対向しy方向に磁極が分布する永久磁
    石;を備える、リニア駆動用の電気モ−タ。
  6. 【請求項6】前記コアの歯の頂面より元部に延びる歯端
    スリット;を更に備える請求項1,請求項2,請求項
    3,請求項4又は請求項5記載の電気モ−タ。
  7. 【請求項7】前記コアの歯間のスロットの底面より歯間
    のコア内部に延びるスロット底スリット;を更に備える
    請求項1,請求項2,請求項3,請求項4,請求項5又
    は請求項6記載の電気モ−タ。
  8. 【請求項8】前記コアの、歯の裏側の背面よりコア内部
    に延びる背面スリット;を更に備える請求項1,請求項
    2,請求項3,請求項4,請求項5,請求項6又は請求
    項7記載の電気モ−タ。
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