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JP2007202363A - 回転電機 - Google Patents

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JP2007202363A
JP2007202363A JP2006020561A JP2006020561A JP2007202363A JP 2007202363 A JP2007202363 A JP 2007202363A JP 2006020561 A JP2006020561 A JP 2006020561A JP 2006020561 A JP2006020561 A JP 2006020561A JP 2007202363 A JP2007202363 A JP 2007202363A
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Yuichi Shibukawa
祐一 渋川
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が増加しないようにして、運転範囲を拡大しロータの高回転化を可能にすると共に、磁石保持部を大型化することなくロータ回転時の磁石の保持強度を確保することができる回転電機を提供する。
【解決手段】ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されてアキシャル方向にエアギャップを有する回転電機において、ロータ10の径方向に沿って磁束が通るように、ロータ10のエアギャップaに面するロータ径方向内側と外側に、ロータ周方向に沿って複数の磁石12a,12bを配置すると共に、ロータ径方向外側に配置する磁石量をロータ径方向内側に配置する磁石量より少なくした。ロータ径方向外側に配置する各磁石12bのロータ回転軸方向長さを、ロータ径方向内側に配置する各磁石12aのロータ回転軸方向長さより短くした。
【選択図】図1

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、アキシャルギャップ型構造の回転電機に関する。
従来、アキシャルギャップ型の回転電機である「フラット回転機」(特許文献1参照)が知られている。
この「フラット回転機」は、極性を異にして順に8n個の永久磁石を固着した円板状の磁石装着盤を空隙を隔てて少なくとも2枚配設すると共に、空隙を隔てて配設された当該2枚の磁石装着盤の各永久磁石が異なる極性で相対向して、ブラケットに回転自在に軸支されたシャフトに固着されてなるロータと、略三角形状に巻線されたコイルが9n個円周上に円形に配置された、上記磁石装着盤の空隙に配設される円板状のステータコイル板とを備えて構成されている。
これにより、ステータコイルの数が9n、ロータの磁極数が8nのフラット回転機を実現している。
特開平11−187635号公報
ところで、従来のアキシャルギャップ型のモータにおいては、ロータのエアギャップ面側に磁石を置き過ぎると、ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が増加する傾向にあるため、ロータの回転速度が制限されてしまい運転範囲が狭くなってしまう。その上、磁石への発生応力が大きいことから、ロータ回転時の磁石の保持強度を確保するための磁石保持部の大型化が避けられなかった。
この発明の目的は、ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が増加しないようにして、運転範囲を拡大しロータの高回転化を可能にすると共に、磁石保持部を大型化することなくロータ回転時の磁石の保持強度を確保することができる回転電機を提供することである。
上記目的を達成するため、この発明に係る回転電機は、ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されてアキシャル方向にエアギャップを有する回転電機において、前記ロータの径方向に沿って磁束が通るように、前記ロータの前記エアギャップに面するロータ径方向内側と外側に、ロータ周方向に沿って複数の磁石を配置すると共に、ロータ径方向外側に配置する磁石量をロータ径方向内側に配置する磁石量より少なくしている。
この発明によれば、ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されてアキシャル方向にエアギャップを有する回転電機は、ロータの径方向に沿って磁束が通るように、ロータのエアギャップに面するロータ径方向内側と外側に、ロータ周方向に沿って複数の磁石が配置されており、ロータ径方向外側に配置する磁石量は、ロータ径方向内側に配置する磁石量より少なくなっている。
このため、ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が増加しないようにして、運転範囲を拡大しロータの高回転化を可能にすると共に、磁石保持部を大型化することなくロータ回転時の磁石の保持強度を確保することができる。
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
(第1実施の形態)
図1は、この発明の第1実施の形態に係る回転電機の概略構成を示す部分説明図である。図1に示すように、回転電機は、2個のロータ10と1個のステータ11が、アキシャル(ロータ回転軸10a)方向に対向して配置された、2ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造を有しており、アキシャル方向にエアギャップaを設けている。
円盤状に形成された各ロータ10のエアギャップ側面には、複数組の磁石(永久磁石)12がロータ周方向に沿って略等間隔離間して配置されており、各磁石12は、ロータ径方向内側に配置された磁石12aとロータ径方向外側に配置された磁石12bの2個一組からなる。磁石12aと磁石12bは、ロータ回転軸方向長さが異なる、即ち、磁石12bのロータ回転軸方向長さが、磁石12aのロータ回転軸方向長さより短い他は、略同一形状を有して、同一半径方向上に配置されている。各磁石12は、ロータ径方向内側と外側で、及びステータ11を挟んだ対向同士で、それぞれ極性が異なる。
つまり、ロータ径方向外側に配置された磁石12bは、ロータ径方向内側に配置された磁石12aより小さいので、ロータ径方向外側に配置された磁石全体の質量は、ロータ径方向内側に配置された磁石全体の質量より小さくなる。このため、ロータ回転時に磁石12にかかる遠心力が低減し遠心力による磁石12への発生応力が低減するので、ロータの回転速度が制限されず、運転範囲が狭くなることがない。なお、ロータ径方向外側に配置する磁石の質量を0、即ち、ロータ径方向外側には磁石を配置しなくても良い。
また、ロータ回転時の遠心力による磁石12への発生応力が低減するので、従来、磁石12を保持するためにロータ外周縁部に設けていた保持部分(図1、破線h参照)を設けなくても良いので、磁石保持部を大型化することなくロータ回転時の磁石12の保持強度を十分確保することができ、その上、ロータ全体を小型化することが可能になる。つまり、磁石12には遠心力が作用するが、遠心力は回転が高い程、ロータ径方向外側になる程大きくなるため、これらの場合には、遠心力でロータが破壊しないように、ロータ外周縁に十分な強度を有する磁石保持部材を設ける必要があり、当然、ロータ全体の大型化が避けられない。
これらの磁石12に対応して、ステータ11には、ステータ径方向内側と外側の2個一組からなる複数のコイル13が、ステータ周方向に略等間隔離間して配置されている。コイル13は、ステータ11の両エアギャップ側面を貫通するステータコア11aにコイル巻線を巻回して形成される。
従って、この回転電機には、磁束が、ロータ径方向内側に配置した磁石12aとロータ径方向外側に配置した磁石12bを結ぶ、各ロータ10のロータ径方向を通ると共に、両磁石12a,12bを結ぶ、ロータ回転軸方向に沿ってステータ径方向内側と外側でステータコア11aを通る、磁路Rが形成される。
このように、ロータ10の径方向に沿って磁束が通るように、ロータ10のエアギャップaに面するロータ径方向内側と外側に磁石を配置すると共に、ロータ径方向外側に配置する磁石12bの質量をロータ径方向内側に配置する磁石12aの質量より少なくしている。このため、ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が低減するので、運転範囲が拡大しロータの高回転化を可能にすると共に、ロータ回転時の磁石の保持強度を確保しつつ、ロータ全体の小型化が可能になる。
なお、ロータ径方向外側に配置する磁石の質量を減らす方法として、例えば、ロータ径方向外側の磁石12を、IPM(Interior Permanent Magnet)構造化すると共にV型に配置しても良い。
(第2実施の形態)
図2は、この発明の第2実施の形態に係る回転電機の概略構成を示す部分説明図である。図2に示すように、この実施の形態においては、各ロータ10のエアギャップaの広さを、ロータ径方向内側と外側で異ならせて、即ち、磁石12bを配置したロータ径方向外側のエアギャップa2を、磁石12aを配置したロータ径方向内側のエアギャップa1より広く形成している。その他の構成及び作用は、第1実施の形態の回転電機(図1参照)と同様である。
このように、ロータ10の振れを考慮すると、ロータ径方向内側と外側でエアギャップaの広さを変化させることにより、トータルエアギャップを小さくすることができるので、ロータの回転トルクが向上する。
(第3実施の形態)
図3は、この発明の第3実施の形態に係る回転電機のロータを示し、(a)は平面説明図、(b)は(a)のB−B線に沿う断面説明図、(c)は(a)のC−B線に沿う断面説明図である。図3に示すように、この実施の形態においては、ロータ径方向内側に配置した各磁石12aとロータ径方向外側に配置した各磁石12bは、ロータ周方向長さが異なる、即ち、磁石12bのロータ周方向長さを、磁石12aのロータ周方向長さより短く形成している((a)参照)。その他の構成及び作用は、第1実施の形態の回転電機(図1参照)と同様である。
つまり、ロータ径方向外側に配置した磁石12bは、ロータ径方向内側に配置した磁石12aより短いので、ロータ径方向外側に配置された磁石全体の質量は、ロータ径方向内側に配置された磁石全体の質量より小さくなる。
磁石12aと磁石12bは、アルミニウム等の非磁性材料からなる円盤状の非磁性ケース14に形成された、円盤周縁の外向きフランジ14aの厚さの非磁性部15に、埋設されている((b),(c)参照)。埋設された各磁石12a及び各磁石12bは、非磁性ケース14との間に磁性体ヨーク(バックヨーク)16を介在させると共に、非磁性部15から端面を露出させている((b),(c)参照)。各磁石12aと各磁石12bは、円盤中央のロータ回転軸10aの周囲に同心円状に配置されており、各磁石12bは、各磁石12aの端部延長位置との間に十分な離間、即ち、各磁石12bの間に、非磁性部15による十分な隣接間隙を有している((a),(c)参照)。
このように、ロータ径方向外側に配置する磁石12bの長さをロータ径方向内側に配置する磁石12aの長さより短くすることにより、磁石12bの質量を磁石12aの質量より少なくしているため、ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が低減するので、運転範囲が拡大しロータの高回転化を可能にすると共に、磁石保持部を大型化することなくロータ回転時の磁石の保持強度を確保することができる。
図4は、図3のロータの他の例を示す、図3(c)と同様の断面説明図である。図4に示すように、埋設された各磁石12a及び各磁石12bと非磁性ケース14との間に介在させた磁性体ヨーク16を、ロータ周方向に連続して形成しても良い。つまり、各磁石12bの間の隣接間隙を埋める非磁性部15の、非磁性ケース14との間にも磁性体ヨーク16が配置されている。
(第4実施の形態)
図5は、この発明の第4実施の形態に係る回転電機のロータを示し、(a)は平面説明図、(b)は(a)のB−B線に沿う断面説明図、(c)は(a)のC−B線に沿う断面説明図である。図5に示すように、この実施の形態においては、第3実施の形態における、ロータ径方向外側に配置する磁石12bの長さをロータ径方向内側に配置する磁石12aの長さより短くしたことにより生じた、各磁石12bの端部(ロータ周方向端部)と各磁石12aの端部延長上との間に、磁性体を配置している((a)参照)。その他の構成及び作用は、第3実施の形態の回転電機(図3参照)と同様である。
つまり、ロータ径方向外側に配置した磁石12bの端部に、磁石12bをロータ径方向内側に配置した磁石12aの端部延長上まで延長したように、磁性体ヨーク16を磁石配置面まで突出形成する。これにより、リラクタンストルクによるロータ回転トルクの向上が可能になる。
図6は、図5のロータの他の例を示し、(a)は図5(a)と同様の断面説明図、(b)は図3(b)と同様の断面説明図、(c)は図3(c)と同様の断面説明図である。図6に示すように、磁石12bの端部に突出形成した磁性体ヨーク16を、ロータ周方向に連続して形成しても良い。つまり、各磁石12bの間の隣接間隙にも磁性体ヨーク16が配置されている。これにより、リラクタンストルクによるロータ回転トルクの向上が可能になる。
(第5実施の形態)
図7は、この発明の第5実施の形態に係る回転電機のロータを示し、(a)は平面説明図、(b)は(a)のB−B線に沿う断面説明図、(c)は(a)のC−B線に沿う断面説明図である。図7に示すように、この実施の形態においては、第4実施の形態における、ロータの径方向外側に配置する各磁石12bを、ロータ平面においてロータ周方向に略45°ずらして配置し、d軸方向のインダクタンス(Ld)をq軸方向のインダクタンス(Lq)より大きく(Ld>Lq)して強め界磁にしている((a)参照)。その他の構成及び作用は、第4実施の形態の回転電機(図5参照)と同様である。
これにより、強め界磁によるロータ回転トルクの向上が可能になる。
図8は、図7のロータの他の例を示す、図7(c)と同様の断面説明図である。図8に示すように、埋設された各磁石12a及び各磁石12bと非磁性ケース14との間に介在させた磁性体ヨーク16を、ロータ周方向に連続して形成しても良い。つまり、各磁石12bの間の隣接間隙を埋める非磁性部15の、非磁性ケース14との間にも磁性体ヨーク16が配置されている。
この発明に係る回転電機にあっては、上述した実施の形態に示すロータとステータの構成の他、磁束がロータ径方向を通る磁路を形成すると共に、ロータ径方向内側よりロータ径方向外側の方が配置される磁石の質量が少ない、種々のロータとステータの構成が考えられる。
図9は、この発明に係るアキシャルギャップ構成を有するロータとステータの他の構成例を示し、(a)は構成例1の部分説明図、(b)は構成例2の部分説明図である。図10は、この発明に係るアキシャルギャップ構成及びラジアルギャップ構成を有するロータとステータの構成例を示し、(a)は構成例1の部分説明図、(b)は構成例2の部分説明図である。
図9に示すように、2個のロータ10と1個のステータ11が、アキシャル方向に対向して配置され、アキシャル方向にエアギャップaを設けた、2ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造(図1参照)において、2個のロータ10を、ロータ回転軸20aに沿って接続し一体化したロータ20としても良い((a)参照)。
これに対応して、ステータ11を、ステータ径方向外側にのみコイル13を配置してロータ20の接続柱部20bの外側に位置させる円環状に形成したステータ21とする。そして、ロータ20は、ロータ10のロータ径方向内側に配置された磁石12aのみを有するものとする。
従って、この回転電機には、磁束が、各磁石12aからステータコア21aに向かってロータ20のロータ径方向を通ると共に、ロータ回転軸方向に沿って接続柱部20bとステータコア21aを通る、磁路Rが形成される((a)参照)。
また、2個のロータ10と1個のステータ11が、アキシャル(ロータ回転軸10a)方向に対向して配置され、アキシャル方向にエアギャップaを設けた、2ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造(図1参照)において、ステータ11を、コイル巻線の巻回方向を変えたステータ22としても良い((b)参照)。つまり、ステータ22は、コイル巻線をロータ回転軸方向に沿ってステータコア22aに巻回して形成したコイル23を有する。
これに対応して、各ロータ10は、ロータ径方向内側に配置された磁石12aのみを有するものとし、対向配置された両磁石12aは、同一極性とする。
従って、この回転電機には、磁束が、一方の磁石12aから一方のロータ10のロータ径方向とステータコア22aのステータ径方向を通ると共に、ロータ回転軸方向に沿って、一方の磁石12aを経てステータコア22aのステータ径方向内外側を通る、磁路R1と、他方の磁石12aから他方のロータ10のロータ径方向とステータコア22aのステータ径方向を通ると共に、ロータ回転軸方向に沿って、他方の磁石12aを経てステータコア22aのステータ径方向内外側を通る、磁路R2とが形成される((b)参照)。
図10に示すように、1個のロータ24と1個のステータ25が、アキシャル(ロータ回転軸24a)方向に対向して配置され、アキシャル方向にエアギャップaを、ラジアル方向にエアギャップbを、それぞれ設けた、1ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造としても良い。
つまり、2ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造(図1参照)において、ロータを1個として、そのロータ24の外周部24bを、ステータ25の外周側に突出させて外向きフランジ状に形成し、ロータ24は、ロータ径方向内側に配置された磁石12aのみを有すると共に、この磁石12aに対応するようにコイル26を装着したステータ25とする。コイル26は、コイル巻線をロータ回転軸方向に沿って、ステータ25の外縁部に位置するステータコア25aに巻回して形成される。
これにより、ロータ24のロータ径方向外側にラジアル方向のエアギャップを形成して、ロータ径方向外側のエアギャップがラジアル方向エアギャップbとなり、ロータ径方向内側に配置する磁石12aがアキシャル方向エアギャップaに面して配置される。
従って、この回転電機には、磁束が、磁石12aを経て、ロータ24のロータ径方向とステータコア25aのステータ径方向を通ると共に、ロータ回転軸方向に沿って外周部24bとステータコア25aを通る、磁路Rが形成される((a)参照)。
また、2個のロータを一体化して形成したロータ27と1個のステータ28が、アキシャル(ロータ回転軸27a)方向に対向して配置され、アキシャル方向にエアギャップaを、ラジアル方向にエアギャップbを、それぞれ設けた、1ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造としても良い。
つまり、2ロータ1ステータのアキシャルギャップ型構造(図1参照)において、2個のロータ10を、ロータ回転軸方向で接続し一体化したロータ27とすると共に、ロータ径方向内側に配置された磁石12aを、ラジアル方向エアギャップbに面して配置し((b)参照)、ロータ27の接続柱部27bの外側に位置させる円環状に形成したステータ28とする。ステータ28には、磁石12aに対応するようにコイル29が装着されており、コイル29は、コイル巻線をロータ回転軸方向に沿って、ステータ28の外縁部に位置するステータコア28aに巻回して形成される。
これにより、ロータ27のロータ径方向内側にラジアル方向のエアギャップを形成して、ロータ径方向内側に配置する磁石12aがラジアル方向エアギャップbに面して配置され、ロータ径方向外側のエアギャップがアキシャル方向エアギャップaとなる。
従って、この回転電機には、磁束が、磁石12aを経て、ロータ27のロータ回転軸方向一方側のロータ径方向とステータコア28aのステータ径方向を通ると共に、ロータ回転軸方向に沿って接続柱部27bとステータコア28aを通る、磁路R1と、磁石12aを経て、ロータ27のロータ回転軸方向他方側のロータ径方向とステータコア28aのステータ径方向を通ると共に、ロータ回転軸方向に沿って接続柱部27bとステータコア28aを通る、磁路R2とが形成される((b)参照)。
このように、この発明によれば、ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されてアキシャル方向にエアギャップを有する回転電機は、ロータの径方向に沿って磁束が通るように、ロータのエアギャップに面するロータ径方向内側と外側に、ロータ周方向に沿って複数の磁石が配置されており、ロータ径方向外側に配置する磁石量は、ロータ径方向内側に配置する磁石量より少なくなっているので、ロータ回転時の遠心力による磁石への発生応力が増加しないようにして、運転範囲を拡大しロータの高回転化を可能にすると共に、磁石保持部を大型化することなくロータ回転時の磁石の保持強度を確保することができる。
この発明の第1実施の形態に係る回転電機の概略構成を示す部分説明図である。 この発明の第2実施の形態に係る回転電機の概略構成を示す部分説明図である。 この発明の第3実施の形態に係る回転電機のロータを示し、(a)は平面説明図、(b)は(a)のB−B線に沿う断面説明図、(c)は(a)のC−B線に沿う断面説明図である。 図3のロータの他の例を示す、図3(c)と同様の断面説明図である。 この発明の第4実施の形態に係る回転電機のロータを示し、(a)は平面説明図、(b)は(a)のB−B線に沿う断面説明図、(c)は(a)のC−B線に沿う断面説明図である。 図5のロータの他の例を示し、(a)は図5(a)と同様の断面説明図、(b)は図3(b)と同様の断面説明図、(c)は図3(c)と同様の断面説明図である。 この発明の第5実施の形態に係る回転電機のロータを示し、(a)は平面説明図、(b)は(a)のB−B線に沿う断面説明図、(c)は(a)のC−B線に沿う断面説明図である。 図7のロータの他の例を示す、図7(c)と同様の断面説明図である。 この発明に係るアキシャルギャップ構成を有するロータとステータの他の構成例を示し、(a)は構成例1の部分説明図、(b)は構成例2の部分説明図である。 この発明に係るアキシャルギャップ構成及びラジアルギャップ構成を有するロータとステータの構成例を示し、(a)は構成例1の部分説明図、(b)は構成例2の部分説明図である。
符号の説明
10,20,24,27 ロータ
10a,20a,24a,27a ロータ回転軸
11,21,22,25,28 ステータ
11a,21a,22a,25a,28a ステータコア
12,12a,12b 磁石
13,23,26,29 コイル
14 非磁性ケース
14a 外向きフランジ
15 非磁性部
16 磁性体ヨーク
20b,27b 接続柱部
24b 外周部
a,a1,a2,b エアギャップ
R,R1,R2 磁路

Claims (11)

  1. ロータとステータがアキシャル方向に対向配置されてアキシャル方向にエアギャップを有する回転電機において、
    前記ロータの径方向に沿って磁束が通るように、前記ロータの前記エアギャップに面するロータ径方向内側と外側に、ロータ周方向に沿って複数の磁石を配置すると共に、ロータ径方向外側に配置する磁石量をロータ径方向内側に配置する磁石量より少なくしたことを特徴とする回転電機。
  2. 前記ロータ径方向外側に配置する各磁石のロータ回転軸方向長さを、前記ロータ径方向内側に配置する各磁石のロータ回転軸方向長さより短くしたことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記エアギャップは、前記ロータ径方向外側が前記ロータ径方向内側より広いことを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機。
  4. 前記ロータ径方向外側に配置された各磁石のロータ周方向長さは、前記各磁石の前記ロータ径方向内側に配置された各磁石のロータ周方向長さより短いことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  5. 前記各磁石のバックヨークは、ロータ周方向に連続していることを特徴とする請求項4に記載の回転電機。
  6. 前記ロータ径方向外側に配置された各磁石のロータ周方向端には、磁性体が配置されていることを特徴とする請求項4または5に記載の回転電機。
  7. 前記磁性体は、ロータ周方向に連続していることを特徴とする請求項6に記載の回転電機。
  8. 前記磁石を、d軸方向のインダクタンスをq軸方向のインダクタンスより大きくして強め界磁にするように配置したことを特徴とする請求項6または7に記載の回転電機。
  9. 前記ロータ径方向内側に配置する磁石量を0にしたことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  10. 前記ロータのロータ径方向外側にラジアル方向のエアギャップを形成して、前記ロータ径方向外側のエアギャップをラジアル方向エアギャップとし、前記ロータ径方向内側に配置する磁石をアキシャル方向エアギャップに面して配置したことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の回転電機。
  11. 前記ロータのロータ径方向内側にラジアル方向のエアギャップを形成して、前記ロータ径方向内側に配置する磁石をラジアル方向エアギャップに面して配置し、前記ロータ径方向外側のエアギャップをアキシャル方向エアギャップとしたことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の回転電機。
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Cited By (6)

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