JP6551685B2 - 回転電機のロータ - Google Patents

回転電機のロータ

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Description

本発明は、回転電機のロータに関するものである。
電気自動車やハイブリッド車両の駆動用モータとして、永久磁石型リラクタンスモータが利用されている。永久磁石型リラクタンスモータの一種として、ロータの内部に永久磁石を埋め込んだIPM(Interior Permanent Magnet)モータが知られている。IPMモータでは、ロータの内周部と外周部との間に永久磁石を埋め込んでいる。
IPMモータのロータが回転するとき、永久磁石に遠心力が作用する。この遠心力により、ロータの外周部に過大な応力が作用する。そこで、ロータの周方向に永久磁石を分割し、隣り合う永久磁石の間にリブを設ける。このリブにより、ロータの外周部と内周部とを連結することで、外周部に作用する応力を緩和している。
特開2003−32926号公報
IPMモータでは、ロータの外周部に作用する応力のさらなる緩和が求められている。この点、永久磁石をさらに分割してリブの本数を増加させれば、応力のさらなる緩和が可能である。しかし、永久磁石の分割により永久磁石量が減少するので、IPMモータの出力トルクが低下する。すなわちIPMモータでは、ロータに作用する応力の緩和と、出力トルクの確保との両立が課題になっている。
そこで本発明は、回転電機の出力トルクを大きく低下させることなく、ロータに作用する応力を緩和することが可能な、回転電機のロータの提供を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の態様を採用した。
本発明における回転電機(例えば、実施形態における回転電機1)のロータ(例えば、実施形態におけるロータ5)は、ロータコア(例えば、実施形態におけるロータコア10)と、前記ロータコアに内蔵され、前記ロータコアの回転軸に沿って延びる複数の永久磁石(例えば、実施形態における複数の永久磁石18)と、を備え、前記複数の永久磁石は、前記回転軸の方向から見て、前記ロータコアの径方向の外側に向かって開口する弧状に並んで配置され、前記複数の永久磁石は、相互に隣り合う第1永久磁石(例えば、実施形態における第1永久磁石22m)と第2永久磁石(例えば、実施形態における第2永久磁石24m)とを有し、前記ロータコアは、前記第1永久磁石と前記第2永久磁石との間に配置されるリブ(例えば、実施形態におけるリブ23)を有し、前記リブは、前記弧の外側における外側端部(例えば、実施形態における外側端部23b)の幅が、前記弧の内側における内側端部(例えば、実施形態における内側端部23a)の幅より広い。
この構成によれば、リブの外側端部の幅が内側端部の幅に等しい場合と比べて、回転電機の出力トルクを大きく低下させることがない。しかも、回転時のロータに作用する応力を大幅に低減できる。したがって、回転電機の出力トルクを大きく低下させることなく、ロータに作用する応力を緩和することが可能な、回転電機のロータを提供できる。
前記第1永久磁石は、前記第2永久磁石より、前記ロータコアの径方向の外側に配置され、前記弧の中心点と前記リブの前記内側端部の幅方向の中点(例えば、実施形態における内側縁点63a)とを通る直線(例えば、実施形態における補助直線60)に対して、前記リブの前記外側端部における前記第1永久磁石側の第1外側端点(例えば、実施形態における第1外側端点62b)から前記直線までの距離が、前記リブの前記内側端部における前記第1永久磁石側の第1内側端点(例えば、実施形態における第1内側端点62a)から前記直線までの距離より大きい。
この構成によれば、第1外側端点から直線までの距離が、第1内側端点から直線までの距離に等しい場合と比べて、回転電機の出力トルクを大きく低下させることがない。しかも、回転時のロータに作用する応力を大幅に低減できる。したがって、回転電機の出力トルクを大きく低下させることなく、ロータに作用する応力を緩和することが可能な、回転電機のロータを提供できる。
前記複数の永久磁石は、ボンド磁石である。
この構成によれば、複数の永久磁石を任意の形状に形成できる。そのため、ロータコアに複数の永久磁石を効率良くレイアウトして、永久磁石量を増やすことができる。これにより、回転電機の出力トルクの低下を抑制できる。また、複数の永久磁石を簡単かつ低コストに形成できる。
本発明によれば、回転電機の出力トルクを大きく低下させることなく、ロータに作用する応力を緩和することが可能な、回転電機のロータを提供できる。
回転電機の正面図である。 実施形態における回転電機のロータの部分拡大図である。 実施形態(実施例)のロータにおけるリブの説明図である。 比較例1のロータにおけるリブの説明図である。 比較例2のロータにおけるリブの説明図である。 実施例および比較例の出力トルクを示すグラフである。 リブの外側端部の幅と応力との関係を示すグラフである。 実施形態の第1変形例のロータにおけるリブの説明図である。 実施形態の第2変形例のロータにおけるリブの説明図である。
以下、本発明における回転電機のロータの一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図1は、回転電機の正面図である。図1に示すように、回転電機(モータ)1は、円環状のステータ2と、ステータ2の内側に配置されるロータ5とを備えている。
ロータ5は、ロータコア10と、複数の永久磁石18とを備えている。以下には、ロータコア10の回転軸方向、径方向および周方向をそれぞれ「軸方向」、「径方向」および「周方向」と呼ぶ。
ロータコア10は、複数の電磁鋼板を積層して形成されている。ロータコア10は、径方向の内側に配置される内周部12と、径方向の外側に配置される外周部16と、内周部12と外周部16とを連結する連結部14と、を備えている。
ロータコア10の内周部12は、円筒状に形成されている。内周部12の内側には、シャフト6が圧入等により固定される。
ロータコア10の外周部16は、円筒状に形成されている。外周部16には、後述する複数の永久磁石18が埋め込まれている。
ロータコア10の連結部14は、軸方向から見て網状に形成されている。連結部14は、第1連結部材14aおよび第2連結部材14bを備えている。第1連結部材14aおよび第2連結部材14bは、薄板状に形成されている。第1連結部材14aは、径方向の外側に延びるに従って、周方向の一方側(例えば時計回り)に延びている。第2連結部材14bは、径方向の外側に延びるに従って、周方向の他方側(例えば反時計回り)に延びている。
図2は、実施形態における回転電機のロータの部分拡大図である。
複数の永久磁石18は、ロータコア10の外周部16に内蔵されている。複数の永久磁石18は、磁石列(第1磁石列20、第2磁石列30、第3磁石列40および第4磁石列50)を備えている。磁石列は、軸方向から見て、径方向の外側に向かって開口する弧状に形成されている。第1磁石列20、第2磁石列30および第3磁石列40は、U字の円弧状に形成され、中心点が同じ(同心)である。第4磁石列50は、V字の弧状に形成されている。磁石列は、複数の直線を連結した多角弧状に形成されていてもよい。この場合、磁石列内で隣り合う永久磁石は、相互の外周面が180°未満の角度をなすように配置される。
磁石列には、複数の永久磁石が並んで配置されている。第1磁石列20には、第1永久磁石22m、第2永久磁石24mおよび第3永久磁石26mが並んで配置されている。第1永久磁石22mおよび第3永久磁石26mは、第2永久磁石24mよりも、ロータコア10の径方向の外側に配置されている。複数の永久磁石18に含まれる他の磁石列についても、第1磁石列20と同様に形成されている。
第1永久磁石22mは、ロータコア10の第1スリット22sに形成されている。第1スリット22sは、ロータコア10を軸方向に貫通している。第1永久磁石22mは、第1スリット22sにボンド磁石を充填して形成されている。ボンド磁石は、磁粉と樹脂とを混合した材料で形成されている。ボンド磁石を採用することで、任意形状の第1永久磁石22mを簡単かつ低コストで形成できる。複数の永久磁石18に含まれる他の永久磁石についても、第1永久磁石22mと同様に形成されている。第1永久磁石22mと第2永久磁石24mとの間には、リブ23が配置されている。
(リブ)
図3は、実施形態(実施例)のロータにおけるリブの説明図であり、図2のP部における拡大図である。本願におけるリブ23は、以下のように定義される部分である。弧状に形成された第1磁石列20の内側縁線20aの上に内側縁点63aを取る。弧状に形成された第1磁石列20の外側縁線20bの上に外側縁点63bを取る。内側縁点63aと外側縁点63bとを結ぶ基準直線63を引く。基準直線63から第1永久磁石22m側に離れた位置に第1直線62を設定する。基準直線63から第2永久磁石24m側に離れた位置に第2直線64を設定する。そして、第1直線62、内側縁線20a、第2直線64および外側縁線20bで囲まれた領域を、リブ23と定義する。
円弧状に形成された第1磁石列20では、リブ23を以下のように定義してもよい。円弧状に形成された第1磁石列20の内側縁線20aの上に内側縁点63aを取る。第1磁石列20の円弧の中心点(不図示)と、内側縁点63aとを通る補助直線60を引く。補助直線60から第1永久磁石22m側に離れた位置に第1直線62を設定する。補助直線60から第2永久磁石24m側に離れた位置に第2直線64を設定する。そして、第1直線62、内側縁線20a、第2直線64および外側縁線20bで囲まれた領域を、リブ23と定義してもよい。なお、前述した外側縁点63bは、外側縁線20bと補助直線60との交点に位置している。そのため、基準直線63は補助直線60に一致している。
なお、第1直線62と内側縁線20aとの交点を第1内側端点62aとする。第2直線64と内側縁線20aとの交点を第2内側端点64aとする。このとき、第1内側端点62aと第2内側端点64aとの間における内側縁線20aが、リブ23の内側端部23aである。また、第1直線62と外側縁線20bとの交点を第1外側端点62bとする。第2直線64と外側縁線20bとの交点を第2外側端点64bとする。このとき、第1外側端点62bと第2外側端点64bとの間における外側縁線20bが、リブ23の外側端部23bである。
前述したリブ23の定義において、内側縁点63aから第1内側端点62aまでの距離と、内側縁点63aから第2内側端点64aまでの距離とが等しくなるように、第1直線62および第2直線64を設定してもよい。この場合、内側縁点63aは、リブ23の内側端部23aの幅方向の中点である。また補助直線60は、第1磁石列20の円弧の中心点と、リブ23の内側端部23aの幅方向の中点とを通る直線である。
リブ23は、ロータコア10の一部である。リブ23は、ロータコア10に形成された第1スリット22sと第2スリット24sとの間に配置されている。すなわちリブ23は、第1スリット22sに形成された第1永久磁石22mと、第2スリット24sに形成された第2永久磁石24mとの間に配置されている。第1永久磁石22mは、内側縁線20aと外側縁線20bとの間であって、第1直線62を挟んでリブ23とは反対側の領域に配置されている。ただし、第1直線62と内側縁線20aとの角部、および第1直線62と外側縁線20bとの角部において、第1永久磁石22mに丸面取りが施されている。第2永久磁石24mについても同様である。
本実施形態のリブ23は、弧の外側における外側端部23bの幅が、弧の内側における内側端部23aの幅より広い。すなわち、第1外側端点62bと第2外側端点64bとの間における外側縁線20bの長さが、第1内側端点62aと第2内側端点64aとの間における内側縁線20aの長さより長い。特に本実施形態では、第1外側端点62bから補助直線60までの距離b2が、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2より大きい。この場合、第1外側端点62bと外側縁点63bとの間における外側縁線20bの長さが、第1内側端点62aと内側縁点63aとの間における内側縁線20aの長さより長い。なお、第2外側端点64bから補助直線60までの距離b4は、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4に等しい。また、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2は、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4に等しい。
実施形態における回転電機のロータにつき、出力トルクおよび回転時に生じる応力についてシミュレーションを行った。シミュレーションは、前述した実施形態に対応する実施例に加えて、比較例1および比較例2について行った。
実施例として、実施例b、実施例cおよび実施例dの3種類を設定した。実施例bから実施例dにかけて、リブ23の外側端部23bの長さが順に大きくなる。
図4は、比較例1のロータにおけるリブの説明図であり、図2のP部に相当する部分における拡大図である。図4に示す比較例1のリブ123は、基準直線63と第1直線62とが平行であり、基準直線63と第2直線64とが平行である。また、基準直線63と第1直線62との距離と、基準直線63と第2直線64との距離とが同一である。そのため、リブ123の内側端部23aの幅は、外側端部23bの幅に等しい。すなわち、リブ123の第1外側端点62bから補助直線60までの距離b2は、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2に等しい。なお、第2外側端点64bから補助直線60までの距離b4は、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4に等しい。
比較例1として、比較例1A、比較例1B、比較例1Cおよび比較例1Dの4種類を設定した。比較例1Aから比較例1Dにかけて、リブ123の幅(内側端部23aおよび外側端部23bの幅)が順に大きくなる。ここで、比較例1Aにおけるリブ123の内側端部23aの幅は、実施例b〜dにおけるリブ23の内側端部23aの幅に等しい。
図5は、比較例2のロータにおけるリブの説明図である。前述した図2に示す実施例(および比較例1)では、第1磁石列20を3個の永久磁石で形成していた。また第2磁石列30および第3磁石列40についても3個の永久磁石で形成していた。これに対して、図5に示す比較例2では、第1磁石列220を7個の永久磁石で形成している。また第2磁石列230を5個の永久磁石で、第3磁石列240を4個の永久磁石で形成している。これに伴って比較例2では、実施例に比べてリブ223の本数が多くなっている。リブ223の形状は、比較例1Aと同様である。
図6は、実施例および比較例の出力トルクを示すグラフである。実施例および比較例のロータを含む回転電機を同じ電力で駆動したときに、回転電機が出力するトルクの大きさをシミュレーションした。
比較例1Aでは大きな出力トルクが得られた。これに対して比較例2では、出力トルクが極めて小さくなった。比較例2では、比較例1Aよりリブ223の本数が多いため、比較例1より永久磁石量が少ない。そのため比較例2では、比較例1に比べて出力トルクが小さくなったと考えられる。
実施例b,dの場合、出力トルクは比較例1Aより少し低下するが、比較例2ほどの低下はなかった。実施例b,dでは、比較例1Aよりリブ23の外側端部23bの幅が大きいため、比較例1Aより永久磁石量が少ない。そのため実施例b,dでは、出力トルクが比較例1Aより少し低下したと考えられる。ただし実施例b,dでは、比較例2より永久磁石量が十分に多いため、比較例2ほど出力トルクは低下しなかったと考えられる。
図6のシミュレーション結果から、実施例では比較例1と比べて回転電機の出力トルクが大きく低下しないことが判明した。
図7は、リブの外側端部の幅と応力との関係を示すグラフである。ロータを回転させたとき、永久磁石に作用する遠心力により、ロータの外周部に大きな力が作用する。その際、外周部を支持するリブに生じる応力の大きさをシミュレーションした。
比較例1では、比較例1Aから比較例1Dにかけて応力は小さくなった。比較例1Aから比較例1Dにかけてリブ123の幅が大きくなるほど、リブ123の断面積が大きくなるため、応力が小さくなったと考えられる。
比較例2(図5参照)では、応力が極めて小さくなった。リブ223の本数が多いほど、リブ223の断面積が大きくなるため、応力が極めて小さくなったと考えられる。
実施例では、実施例bから実施例dにかけて応力は小さくなった。前述したように、実施例b〜dにおけるリブ23の内側端部23aの幅は、比較例1Aにおけるリブ123の内側端部23aの幅に等しい。実施例b〜dは、比較例1Aに対してリブ23の外側端部23bの幅のみを広くしたものであるが、比較例1Aに比べて応力が著しく低下している。しかも実施例dでは、比較例1Dに比べて応力が小さくなった。実施例dにおけるリブ23の外側端部23bの幅は比較例1Dと同一であるが、実施例dにおけるリブ23の内側端部23aの幅は比較例1Dより狭い(比較例1Aに等しい)。すなわち、実施例dは比較例1Dに比べてリブ23の内側端部23aの幅が狭いにもかかわらず、実施例dは比較例1Dに比べて応力が小さくなることがわかった。
図7に示すシミュレーション結果から、実施例では比較例1と比べて、回転時のロータに作用する応力を大幅に低減できることが判明した。
以上に詳述したように、本実施形態における回転電機1のロータ5は、ロータコア10と、複数の永久磁石18とを備える。複数の永久磁石18は、ロータコア10に内蔵され、ロータコア10の回転軸に沿って延びる。複数の永久磁石18は、回転軸の方向から見て、ロータコア10の径方向の外側に向かって開口する円弧状に並んで配置される。複数の永久磁石18は、相互に隣り合う第1永久磁石22mと第2永久磁石24mとを有している。ロータコア10は、第1永久磁石22mと前記第2永久磁石24mとの間に配置されるリブ23を有する。リブ23は、円弧の外側における外側端部23bの幅が、円弧の内側における内側端部23aの幅より広い。
この構成(実施例)では、リブ23の外側端部23bの幅が内側端部23aの幅に等しい場合(比較例1)と比べて、回転電機1の出力トルクを大きく低下させることがない。しかも、実施例では比較例1と比べて、回転時のロータ5に作用する応力を大幅に低減できる。したがって、回転電機1の出力トルクを大きく低下させることなく、ロータ5に作用する応力を緩和することが可能な、回転電機1のロータ5を提供できる。
また第1永久磁石22mは、第2永久磁石24mより、ロータコア10の径方向の外側に配置される。円弧の中心点とリブ23の内側端部23aの幅方向の中点63aとを通る補助直線60を想定する。リブ23の外側端部23bにおける第1永久磁石22m側の第1外側端点62bから補助直線60までの距離が、リブ23の内側端部23aにおける第1永久磁石22m側の第1内側端点62aから補助直線60までの距離より大きい。
この構成(実施例)では、第1外側端点62bから補助直線60までの距離が、第1内側端点62aから補助直線60までの距離に等しい場合(比較例1)と比べて、回転電機1の出力トルクを大きく低下させることがない。しかも、実施例では比較例1と比べて、回転時のロータ5に作用する応力を大幅に低減できる。したがって、回転電機1の出力トルクを大きく低下させることなく、ロータ5に作用する応力を緩和することが可能な、回転電機1のロータ5を提供できる。
また複数の永久磁石18は、ボンド磁石である。
この構成によれば、複数の永久磁石18を任意の形状に形成できる。そのため、ロータコア10に複数の永久磁石18を効率良くレイアウトして、永久磁石量を増やすことができる。これにより、回転電機1の出力トルクの低下を抑制できる。また、複数の永久磁石18を簡単かつ低コストに形成できる。
なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態の構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
(第1変形例)
図8は、実施形態の第1変形例のロータにおけるリブの説明図である。第1変形例のリブ623は、実施形態のリブ23と同様に、外側端部23bの幅が内側端部23aの幅より広い。ただし第1変形例のリブ623は、実施形態のリブ23とは異なり、第1外側端点62bから補助直線60までの距離b2が、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2に等しい。また第1変形例のリブ623は、実施形態のリブ23とは異なり、第2外側端点64bから補助直線60までの距離b4が、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4より大きい。この場合、第2外側端点64bと外側縁点63bとの間における外側縁線20bの長さが、第2内側端点64aと内側縁点63aとの間における内側縁線20aの長さより長い。なお、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2は、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4に等しい。この第1変形例においても、前述した実施形態と同様の効果が得られる。
(第2変形例)
図9は、実施形態の第2変形例のロータにおけるリブの説明図である。第2変形例のリブ723は、実施形態のリブ23と同様に、外側端部23bの幅が内側端部23aの幅より広い。また第2変形例のリブ623は、実施形態のリブ23と同様に、第1外側端点62bから補助直線60までの距離b2が、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2より大きい。さらに第1変形例のリブ623は、第1変形例のリブ623と同様に、第2外側端点64bから補助直線60までの距離b4が、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4より大きい。なお、第1内側端点62aから補助直線60までの距離a2は、第2内側端点64aから補助直線60までの距離a4に等しい。この第2変形例においても、前述した実施形態と同様の効果が得られる。
1…回転電機、5…ロータ、10…ロータコア、18…複数の永久磁石、22m…第1永久磁石、23,623,723…リブ、23a…内側端部、23b…外側端部、24m…第2永久磁石、60…補助直線(直線)、62a…第1内側端点、62b…第1外側端点、63a…内側縁点(中点)。

Claims (3)

  1. ロータコアと、
    前記ロータコアに内蔵され、前記ロータコアの回転軸に沿って延びる複数の永久磁石と、を備え、
    前記複数の永久磁石は、前記回転軸の方向から見て、前記ロータコアの径方向の外側に向かって開口する弧状に並んで配置され、
    前記複数の永久磁石は、相互に隣り合う第1永久磁石と第2永久磁石とを有し、
    前記第1永久磁石および前記第2永久磁石は、ボンド磁石であり、前記ロータコアの前記回転軸に沿って延びるスリット内に隙間なく配置され、
    前記ロータコアは、前記第1永久磁石と前記第2永久磁石との間に配置されるリブを有し、
    前記第1永久磁石および前記第2永久磁石は、前記リブ側の角部に丸面取りを有し、
    前記第1永久磁石は、前記第2永久磁石より、前記ロータコアの径方向の外側に配置され、
    前記第1永久磁石は、前記弧の外側の前記丸面取りの曲率半径が前記弧の内側の前記丸面取りの曲率半径より大きく、
    前記第2永久磁石は、前記弧の内側の前記丸面取りの曲率半径が前記弧の外側の前記丸面取りの曲率半径より大きく、
    前記リブは、前記弧の外側における外側端部の幅が、前記弧の内側における内側端部の幅より広い、
    回転電機のロータ。
  2. 前記第1永久磁石は、前記第2永久磁石より、前記ロータコアの径方向の外側に配置され、
    前記弧の中心点と前記リブの前記内側端部の幅方向の中点とを通る直線に対して、前記リブの前記外側端部における前記第1永久磁石側の第1外側端点から前記直線までの距離が、前記リブの前記内側端部における前記第1永久磁石側の第1内側端点から前記直線までの距離より大きい、
    請求項1に記載の回転電機のロータ。
  3. 前記第1永久磁石は、前記第2永久磁石より、前記ロータコアの径方向の外側に配置され、
    前記弧の中心点と前記リブの前記内側端部の幅方向の中点とを通る直線に対して、前記リブの前記外側端部における前記第1永久磁石側の第1外側端点から前記直線までの距離が、前記リブの前記外側端部における前記第2永久磁石側の第2外側端点から前記直線までの距離より大きい、
    請求項1または2に記載の回転電機のロータ。
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