JPWO2021095149A1 - ロータ、回転電機及びロータの製造方法 - Google Patents

ロータ、回転電機及びロータの製造方法 Download PDF

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大輝 守屋
孝教 小松
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Abstract

ロータ(1b)は、貫通穴(3a)が形成された筒状であり、d軸とq軸との対を複数備えたロータコア(4)と、貫通穴(3a)に挿入されたシャフト(2)とを備え、ロータコア(4)は、q軸の方向の磁束を妨げるフラックスバリア(4b)と、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから他の一つへの磁路(4a)とが各々複数設けられており、ロータコア(4)の内周面(3b)と、シャフト(2)の外周面(2a)との各々は、回転中心軸の軸方向に伸びる平面部(3b1,2a1)を有し、回転中心軸に垂直な断面において、フラックスバリア(4b)は、貫通穴(3a)側が凸となるように湾曲しており、かつ、最も内周側のフラックスバリア(4b1)の湾曲の頂点(4f)は、平面部(3b1)の法線ベクトル(5)に平行で平面部(3b1)の端部(3c)を通る二つの線分(3d)と平面部(3b1)とに囲まれた領域内に位置している。

Description

本発明は、リラクタンスモータのロータ、このロータを備えた回転電機及びロータの製造方法に関する。
産業用途の電動機は、高効率化及び高出力化が求められている。このため、産業用途の電動機には、原理的にロータに電流が流れず高効率であるリラクタンスモータが用いられることが多くなっている。リラクタンスモータは、ステータコイルに電流を流すことにより生じる磁束によって、ロータにリラクタンストルクを発生させて回転力を得る。リラクタンスモータのロータを構成するロータコアは、電磁鋼板を積層して筒状に構成される。リラクタンスモータのロータコアは、リラクタンストルクを増大させて電気的性能を向上させるために、突極性を持たせた特徴的な形状をとる。具体的には、特許文献1に開示される電動機のように、リラクタンスモータのロータコアは、q軸方向の磁束を妨げるように、隣接する二つのd軸のうちの一方から他方への磁路とフラックスバリアとを交互に設ける構造をとる。
特許第5944594号公報
しかしながら、特許文献1に開示される電動機は、ロータコアからシャフトへのトルク伝達については考慮されていない。ロータコアとシャフトとの結合には、焼きばめ又は圧入といったしまりばめを行って面圧を利用して固定する方法が一般的に用いられているが、しまりばめを行う場合には、ロータコアの強度的観点から、ロータコアの内周部において磁極間を結ぶ環状部分であるバックヨークは、シャフトの径方向における寸法を大きくする必要がある。以下、シャフトの径方向におけるバックヨークの寸法をバックヨークの幅とする。また、シャフトの径方向におけるフラックスバリアの寸法をフラックスバリアの幅とする。バックヨークを幅広にすると、最も内径側のフラックスバリアの幅が狭くなってしまい、リラクタンストルク向上の妨げになる。
シャフトとロータコアとを締結部材を用いて締結する場合、バックヨークを幅広にする必要がないため、バックヨークを幅広にすることに起因してリラクタンストルクが低下することを避けることはできるが、部品点数及び加工工数が増大することにより、コストの増大と生産性の低下とが問題となる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品点数及び加工工数の増大を抑えつつ、リラクタンストルクの低下を抑制したロータを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回転中心軸に沿った貫通穴が形成された筒状であり、径方向のうち磁束が通りやすいd軸と、径方向のうち磁束が通りにくいq軸との対を複数備えたロータコアと、貫通穴に挿入されたシャフトとを備える。ロータコアは、q軸の方向の磁束を妨げるフラックスバリアと、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁路とが各々複数設けられている。ロータコアの内周面と、シャフトの外周面との各々は、回転中心軸の軸方向に伸びて互いに面接触する平面である平面部を有する。回転中心軸に垂直な断面において、フラックスバリアは、貫通穴側が凸となるように湾曲しており、かつ、回転中心軸に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリアの湾曲の頂点は、ロータコアの外周側を向くロータコアの平面部の法線ベクトルに平行でロータコアの平面部の端部を通る二つの線分とロータコアの平面部とに囲まれた領域内に位置している。
本発明に係るロータは、部品点数及び加工工数の増大を抑えつつ、リラクタンストルクの低下を抑制できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1に係る電動機の縦断面図 実施の形態1に係る電動機のロータの回転中心軸に垂直な断面を示す断面図 実施の形態1に係る電動機のロータの部分拡大図 本発明の実施の形態2に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図 実施の形態2の第1の変形例に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図 実施の形態2の第2の変形例に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図 本発明の実施の形態3に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図 本発明の実施の形態4に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図 本発明の実施の形態5に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図 本発明の実施の形態6に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図
以下に、本発明の実施の形態に係るロータ、回転電機及びロータの製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電動機の縦断面図である。なお、図1に示す縦断面は、ロータ1bの回転中心軸100を含む断面である。回転電機である電動機1aは、ハウジング10bと、ステータ9と、ロータ1bとを有する。ロータ1bは、貫通穴3aが形成された筒状のロータコア4と、貫通穴3aに挿入されたシャフト2とを有する。ステータ9は、ステータコア7と、シャフト2の周方向に互いに間隔を空けてステータコア7に配置された複数のコイル8とを有する。ステータ9は、ハウジング10bの内部の空間10aに配置されている。ロータ1bは、ロータコア4の径方向においてステータ9の内周側に配置されている。
ステータコア7は、板材を積層して形成される。ステータコア7の材料とする薄板は、例えば電磁鋼板の薄板である。電動機1aを組み立てた状態において、ステータコア7を構成する薄板の積層方向は、シャフト2の軸方向と同じ方向である。複数のコイル8の各々は、電動機1aの外部に設置された不図示の動力源に動力線81で接続されている。電動機1aは、ステータ9のコイル8に電流を流すことにより生じる磁束によってロータコア4にリラクタンストルクを発生させ、回転力を得るリラクタンスモータである。動力線81を介して複数のコイル8の各々に電流が流れると、ロータ1bが回転する。ロータ1bはリラクタンスモータのロータである。
図2は、実施の形態1に係る電動機のロータの回転中心軸に垂直な断面を示す断面図である。一般的に、電気的性能の向上を目的としてリラクタンストルクをより多く得るため、ロータコア4に磁束が通過しやすい方向をd軸方向とし、ロータコア4に磁束が通過しにくい方向をq軸方向とした場合、ロータコア4は、q軸方向の磁束の通過を妨げるように、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁路4aとフラックスバリア4bとを交互に複数設けた特徴的な形状をとる。回転中心軸100に垂直なロータ1bの断面において、隣接するq軸の方向は、d軸同士がなす角度の二等分線の方向である。磁気的には、q軸は、d軸と直交する。磁路4a及びフラックスバリア4bは、貫通穴3a側が凸となるように湾曲している。フラックスバリア4bの湾曲の頂点は、q軸の軸上に存在している。回転中心軸100と垂直な断面において、複数のフラックスバリア4bのうちロータコアの径方向で最も内周側のフラックスバリア4b1と貫通穴3aとの間の部分をバックヨーク4eという。
ロータコア4は、環状の薄板を積層した積層体で形成される。ロータコア4の材料となる環状の薄板は、薄鋼板である電磁鋼板をプレス加工機で打ち抜くことにより作成することができる。電動機1aを組み立てた状態において、ロータコア4を構成する薄板の積層方向は、回転中心軸100の軸方向と同じ方向である。
シャフト2の外周面2aは平面部2a1を有し、ロータコア4の内周面3bは平面部3b1を有する。実施の形態1においては、外周面2aが平面部2a1を一つ有し、内周面3bが平面部3b1を一つ有するため、回転中心軸100に垂直な断面におけるシャフト2及び貫通穴3aの輪郭は、いわゆるDカット形状である。
ロータ1bは、外周面2aと内周面3bとに平面部2a1,3b1が設けられているため、平面部2a1,3b1の法線方向の成分を持つ力によりロータコア4の回転力を機械的にシャフト2に伝達することが可能となっている。したがって、実施の形態1に係るロータ1bは、ロータコア4とシャフト2との間の静止摩擦力を低減しても、ロータコア4の回転力をシャフト2に伝達できる。
実施の形態1に係るロータ1bにおいて、シャフト2は、しめしろが存在しないすきまばめ、又は軽圧入の中間ばめで貫通穴3aにはめ合わされて、ロータコア4に固定される。すきまばめの場合は、ロータコア4に面圧がかからないため、ロータコア4に応力は発生しない。また、軽圧入の場合は、しまりばめの場合よりもしめしろが小さくなることによりロータコア4に加わる面圧が低下し、ロータコア4に生じる応力も低減される。
図3は、実施の形態1に係る電動機のロータの部分拡大図である。平面部2a1,3b1が設けられない場合には、シャフト2とロータコア4との静止摩擦力を確保するために、バックヨーク4eをフラックスバリア4bに張り出させてバックヨーク4eを太くする必要がある。バックヨーク4eをフラックスバリア4bに張り出させてバックヨーク4eを太くすると、フラックスバリア幅が縮小し、q軸同士に流れる磁束が増大する。これにより、d軸とq軸との磁気抵抗差が減少し、リラクランストルクの低減を招く。すなわち、バックヨーク4eをフラックスバリア4bに張り出させてバックヨーク4eを太くすると、バックヨーク4eがフラックスバリア4bに張り出す部分には、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束6に対し、磁路長さの増大を招く磁束6aが発生し、リラクタンストルクの向上の妨げとなる。実施の形態1に係る回転電機は、回転中心軸100に垂直な断面において、最も内周側のフラックスバリア4b1の湾曲の頂点4fは、平面部3b1の端部3cを通りロータコア4の外周側を向く法線ベクトル5に平行な二つの線分3dと平面部3b1とに囲まれた領域内に位置している。このため、平面部3b1が設けられない場合と比較すると、バックヨーク4eは回転中心軸100側に拡大される。つまり、実施の形態1に係るロータ1bは、バックヨーク4eをフラックスバリア4b1に張り出させることなくバックヨーク4eが拡幅されている。したがって、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束6に対し、磁路長さの増大を招く磁束6aが発生して磁気抵抗が増大することを抑制し、リラクタンストルクの低下を抑制することが可能となる。
このように、実施の形態1に係るロータ1bは、外周面2aと内周面3bとに平面部2a1,3b1が設けられているため、ロータコア4とシャフト2との静止摩擦力を低減しても、ロータコア4の回転力をシャフト2に伝達できる。また、実施の形態1に係る回転電機は、回転中心軸100に垂直な断面において、最も内周側のフラックスバリア4b1の湾曲の頂点4fは、平面部3b1の端部3cを通りロータコア4の外周側を向く法線ベクトル5に平行な二つの線分3dと平面部3b1とに囲まれた領域内に位置しているため、バックヨーク4eをフラックスバリア4b1に張り出させることなくバックヨーク4eが拡幅される。したがって、実施の形態1に係るロータ1bは、平面部3b1が設けられない場合と比較してリラクタンストルクが向上する。
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1が四つあり、四つずつの平面部2a1,3b1の各々がそれぞれ面接触し、回転中心軸100と直交する断面において四角形を形成している。
ロータ1bの極数Pに対して、シャフト2の外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1の数をNとした場合に、N=Pの関係である。図4においては、外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1の数N=4であり、ロータ1bの極数P=4である。
図5は、実施の形態2の第1の変形例に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。外周面2aの平面部2a1は四つであり、平面部2a1同士の角部に面取り部2a2が設けられている。また、ロータコア4の内周面3bの平面部3b1は四つであり、平面部3b1同士を接続する接続部3b2が設けられている。面取り部2a2及び接続部3b2は、回転中心軸100の軸方向に伸びる平面であり、互いに面接触する。実施の形態2の第1の変形例に係るロータ1bは、シャフト2に面取り部2a2が設けられているため、二つの平面部2a1がなす稜部に応力が集中することを抑制し、長寿命化を図ることができる。
図6は、実施の形態2の第2の変形例に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1が六つあり、六つずつの平面部2a1,3b1の各々がそれぞれ面接触し、回転中心軸100と直交する断面において六角形を形成している。
ロータ1bの極数Pに対して、外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1の数をNとした場合に、N=Pの関係である。図6においては、外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1の数N=6であり、ロータ1bの極数P=6である。
実施の形態2の第2の変形例に係るロータ1bは、平面部2a1が四つである第1の変形例に係るロータ1bと比較すると、二つの平面部2a1がなす稜部の角度がより大きくなる。このため、実施の形態2の第2の変形例に係るロータ1bは、二つの平面部2a1がなす稜部に応力が集中することを抑制する効果がより高くなり、長寿命化を図ることができる。
実施の形態2に係る電動機1aは、外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1が複数あり、複数の平面部2a1,3b1の各々がそれぞれ面接触し、回転中心軸100と直交する断面において多角形を形成している。そして、ロータコア4の外周部のd軸に対応する各位置に形成される磁極の数は、ロータコア4の平面部3b1の数と同数である。これにより、実施の形態2に係る電動機1aは、実施の形態1に係る電動機1aと比較して、ロータ1bの駆動及び停止によりシャフト2及びロータコア4へ加わる負荷を低減でき、長寿命化が可能となる。また、平面部3b1がロータコア4の磁路4a及びフラックスバリア4bに対向するため、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束の磁気抵抗が増大することを抑制し、リラクタンストルクの低下を抑制することが可能となる。
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。ロータ1bの極数Pに対して、外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1の数をNとした場合に、N=1/2Pの関係である。図6においては、外周面2aの平面部2a1及び内周面3bの平面部3b1の数N=2であり、ロータ1bの極数P=4である。実施の形態3に係るロータ1bにおいて、ロータコア4の外周部のd軸に対応する各位置に形成される磁極の数は、ロータコア4の平面部3b1の数の2倍である。
実施の形態3に係る電動機1aは、実施の形態1に係る電動機1aと比較して、ロータ1bの駆動及び停止によりシャフト2及びロータコア4へ加わる負荷を低減でき、長寿命化が可能となる。また、平面部3b1がロータコア4の磁路4a及びフラックスバリア4bに対向するため、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束の磁気抵抗が増大することを抑制し、リラクタンストルクの低下を抑制することが可能となる。
実施の形態4.
図8は、本発明の実施の形態4に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。実施の形態4に係るロータ1bにおいて、ロータコア4は、環状の板材を回転中心軸100の軸方向に積層した積層体であり、平面部3b1の外周側の領域において、複数の板材がかしめられて互いに接続されている。すなわち、実施の形態4に係るロータ1bは、ロータコア4が平面部3b1の外周側にかしめ部4cを備える。
かしめ部4cは、一般的にロータコア4を打ち抜いた状態であるため、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束を妨げ、リラクタンストルクの低下を招く。実施の形態4に係る電動機1aは、バックヨーク4eをフラックスバリア4b1に張り出させることなくバックヨーク4eが回転中心軸100側に拡幅されており、かしめ部4cを設けても、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束が阻害されにくいため、リラクタンストルクの低下を抑制することができる。
実施の形態5.
図9は、本発明の実施の形態5に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。実施の形態5において、ロータコア4に設けたフラックスバリア4bのうち、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1とd軸との最短距離L1と、ロータコア4に設けたフラックスバリア4bのうち、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1と内周面3bの平面部3b1との最短距離L2との関係が、L1≦L2である。すなわち、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1とd軸との最短距離L1は、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1と平面部3b1との最短距離L2以下である。
実施の形態5に係る電動機1aは、実施の形態1に係る電動機1aと同様に磁気特性の悪化を抑制しつつ、ロータ1bの駆動停止によりロータコア4へ加わる応力を低減でき、更なる長寿命化が可能となる。なお、ロータコア4がL1≦L2を満たすことにより、実施の形態4に示したかしめ部4cを設けた場合でも、ロータコア4の強度が低下することを抑制できる。
実施の形態6.
図10は、本発明の実施の形態6に係るロータの回転中心軸と直交する断面を示す断面図である。ロータコア4に設けたフラックスバリア4bのうち、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1とd軸との最短距離L1と、ロータコア4に設けたフラックスバリア4bのうち、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1と内周面3bとの最短距離L3との関係が、L1≧L3である。すなわち、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1とd軸との最短距離L1は、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1と内周面3bとの最短距離L3以上である。
実施の形態6に係る電動機1aは、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1にバックヨーク4eが張り出さず、回転中心軸100に垂直な断面において最も内周側のフラックスバリア4b1の幅が狭くならないため、周方向において隣接する二つのd軸のうちの一つから二つのd軸のうちの他の一つへの磁束の磁気抵抗が増大することを抑制し、リラクタンストルクの低下を抑制することが可能となる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1a 電動機、1b ロータ、2 シャフト、2a 外周面、2a1,3b1 平面部、2a2 面取り部、3a 貫通穴、3b 内周面、3b2 接続部、3c 端部、3d 線分、4 ロータコア、4a 磁路、4b,4b1 フラックスバリア、4c かしめ部、4e バックヨーク、4f 頂点、5 法線ベクトル、6,6a 磁束、7 ステータコア、8 コイル、9 ステータ、10a 空間、10b ハウジング、81 動力線、100 回転中心軸。

Claims (9)

  1. 回転中心軸に沿った貫通穴が形成された筒状であり、径方向のうち磁束が通りやすいd軸と、径方向のうち磁束が通りにくいq軸との対を複数備えたロータコアと、
    前記貫通穴に挿入されたシャフトとを備え、
    前記ロータコアは、前記q軸の方向の磁束を妨げるフラックスバリアと、周方向において隣接する二つの前記d軸のうちの一つから前記二つのd軸のうちの他の一つへの磁路とが各々複数設けられており、
    前記ロータコアの内周面と、前記シャフトの外周面との各々は、前記回転中心軸の軸方向に伸びて互いに面接触する平面である平面部を有し、
    前記回転中心軸に垂直な断面において、前記フラックスバリアは、前記貫通穴側が凸となるように湾曲しており、かつ、前記回転中心軸に垂直な断面において最も内周側の前記フラックスバリアの湾曲の頂点は、前記ロータコアの外周側を向く前記ロータコアの前記平面部の法線ベクトルに平行で前記ロータコアの前記平面部の端部を通る二つの線分と前記ロータコアの前記平面部とに囲まれた領域内に位置していることを特徴とするロータ。
  2. 前記回転中心軸に垂直な断面における前記貫通穴及び前記シャフトの断面形状は、多角形状であることを特徴とする請求項1に記載のロータ。
  3. 前記ロータコアの外周部の前記d軸に対応する各位置に形成される磁極の数は、前記ロータコアの前記平面部の数の2倍であることを特徴とする請求項1又は2に記載のロータ。
  4. 前記ロータコアの外周部の前記d軸に対応する各位置に形成される磁極の数は、前記ロータコアの前記平面部の数と同数であることを特徴とする請求項1又は2に記載のロータ。
  5. 前記ロータコアは、環状の板材を前記軸方向に積層した積層体であり、前記ロータコアの前記平面部の外周側の領域において、複数の前記板材がかしめられて互いに接続されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のロータ。
  6. 前記回転中心軸に垂直な断面において最も内周側の前記フラックスバリアと前記d軸との最短距離は、前記回転中心軸に垂直な断面において最も内周側の前記フラックスバリアと前記ロータコアの前記平面部との距離以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のロータ。
  7. 前記回転中心軸に垂直な断面において最も内周側の前記フラックスバリアと前記d軸との最短距離は、前記回転中心軸に垂直な断面において最も内周側の前記フラックスバリアと前記ロータコアの内周面との最短距離以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のロータ。
  8. 請求項1から7のいずれか1項に記載のロータを備えたことを特徴とする回転電機。
  9. 請求項1から7のいずれか1項に記載のロータの製造方法であって、前記シャフトをしまりばめ又はすきまばめで前記貫通穴にはめ合わせることを特徴とするロータの製造方法。
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