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JP5386265B2 - 回転電機および車両 - Google Patents

回転電機および車両 Download PDF

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Description

本発明は、ステータコイルに平角線を使用した回転電機と、その回転電機を装備した車両に関する。
一般家電用、一般産業機器用、車両補機駆動用および車両駆動主機用の回転電機では小型高出力化が望まれているが、小型高出力化を行うにあたり回転電機の温度上昇が大きな問題になる。温度の上昇の原因は回転電機の損失による発熱であり、損失を小さくすることが必要になる。回転電機の損失にはステータコイルに通電することによって発生する銅損があり、銅損を抑えるには回転電機のステータコイルの高密度巻線化が必要である。
ステータコイルの巻線には断面が円形のいわゆる丸線からなる巻線と、断面が略長方形のいわゆる平角線からなる巻線とがある。ステータコイルの高密度巻線を実現するためには、巻乱れを防ぎ、隙間なくスロット内にコイルを配置し、占積率を高めることが有効である。占積率を高める一般的な高密度巻線の方法としては、丸線を俵状に整列巻線する方法があり、整列巻線を実現するために、特許文献1に開示されているように、ボビンとコイルが接する面にコイルの線径に合せた溝を設け、コイルの丸線を溝に配設して巻乱れを防ぐ方法がある。しかし、丸線は俵上に整列巻線を行っても隙間が生じるので占積率が低い。
そこで、ステータコイルの高密度巻線を実現するために、ステータコイルを丸線から平角線に代え、隙間なく整列巻線することによって丸線よりも占積率を高くし、高密度巻線を実現することができる。
特許4076837号公報 特開2008−148470号公報
しかしながら、平角線を整列巻した場合には、丸線のように線と線の間の凹凸が極端に小さいため、コイルが滑りやすく巻乱れを起こしやすい。また、平角線を保持するような溝をボビン側面に設けた場合、ボビン肉厚は溝の谷底に来る部分の厚みが最も薄くなるため、山の頂点は谷底との段差の分どうして高くなり、その結果、ボビンが厚くなってスロット内部の樹脂製ボビンの占める割合が多くなり、導体を大きくできなくなる。そこで、ステータコイルに平角線を用いて巻乱れなく整列巻線を行う必要がある。
巻乱れを防ぎながら巻線を行う方法としては、特許文献2に開示されているように、1巻ごとの巻線作業時に巻線機に取付けられた冶具でコイルの位置を強制しながら巻線する方法がある。しかし、この方法では巻線機が複雑になり、1ターンごと巻線位置の強制が必要なため、作業時間が長くなって量産に適さない。
(1) 請求項1の発明は、ロータと、ステータコイルに平角線を用いたステータとを有する回転電機において、ステータコイルは、ステータコアのティース部に絶縁性ボビンを介して巻回されており、絶縁性ボビンの角部にのみ溝を設けるに際して、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の長辺が接する場合には、絶縁性ボビンの角部にのみ平角線の断面の長辺の長さを幅とする溝を、平角線を巻回したステータコイルの一段置きに設け、また、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の短辺が接する場合には、絶縁性ボビンの角部にのみ平角線の断面の短辺の長さを幅とする溝を、平角線を巻回したステータコイルの一段置きに設ける。
(2) 請求項2の発明は、請求項1に記載の回転電機において、溝の最大深さを、平角線の断面角R部の半径より大きく、かつ、平角線の断面の長辺の長さから平角線の断面角R部の半径を差し引いた値よりも小さくする。
(3) 請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載の回転電機において、ステータコアのティース部側面で、ステータコイルの各層における段の移動を行う。
(4) 請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転電機を備えた車両である。
本発明によれば、作業性を損なうことなくステータコイルの占積率を向上でき、絶縁性ボビンに簡単な形状を付加するだけで平角線を用いたステータコイルの高密度整列巻線を可能にすることができる。
一実施の形態の回転電機の全体構成を示す断面図 一実施の形態の回転電機の構成を示す斜視図 一実施の形態の回転電機のステータ構成を示す正面図 一実施の形態の回転電機に用いるステータティースコアおよび樹脂製ボビンの構成を示す斜視図 一実施の形態の回転電機に用いるステータティースコアおよび樹脂製ボビンの角R部を示す断面図 一実施の形態の回転電機に用いるステータティースコアおよび樹脂製ボビンの拡大図 一実施の形態の回転電機のステータにおいて、樹脂製ボビンに平角線からなるステータコイルを1ターン巻いた状態の拡大図 一実施の形態の回転電機のステータにおいて、樹脂製ボビンに平角線からなるステータコイルを2ターン巻いた状態の拡大図 一実施の形態の回転電機のステータにおいて、樹脂製ボビンに平角線からなるステータコイルを1層分巻いた状態の拡大図 一実施の形態の回転電機のステータにおいて、樹脂製ボビンに巻いた平角線からなるステータコイルの1層目の段移動(a)および2層目の段移動(b)をコイルエンドで行ったときの正面図 一実施の形態の回転電機のステータにおいて、樹脂製ボビンに巻いた平角線からなるステータコイルの1層目の段移動(a)および2層目の段移動(b)をステータティースコア側面で行ったときの正面図 一実施の形態の回転電機のステータティースコアに平角線からなるステータコイルを巻線した状態の斜視図 一実施の形態の回転電機のステータティースコアに平角線からなるステータコイルを巻線した状態のコイルエンドの正面図(a)および断面図(b) 一実施の形態の回転電機のステータティースコアに平角線からなるステータコイルを巻線した状態のステータティースコア側面の正面図(a)および断面図(b) 一実施の形態の回転電機のステータティースコアの角R部の断面図 一実施の形態の回転電機を搭載する車両の第1の構成を示すブロック図 一実施の形態の回転電機を搭載する車両の第2の構成を示すブロック図 一実施の形態の回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンENG、回転電機RM、変速機TMの第1の配置例を示すブロック図 一実施の形態の回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンENG、回転電機RM、変速機TMの第2の配置例を示すブロック図
以下、図1〜図15を用いて一実施形態の回転電機の構成を説明する。図1は、一実施の形態の回転電機RMの全体構成を示す断面図である。この一実施の形態では、ハイブリッド自動車駆動用の回転電機RMを例に挙げて説明するが、本発明の回転電機はハイブリッド自動車駆動用に限定されるものではない。回転電機RMは、エンジンと変速機の間もしくは変速機の中に搭載され、小型高出力が要求される。このため、温度上昇が問題になり、発熱の原因である回転電機の損失を低減する必要がある。
回転電機RMは、永久磁石内蔵型の3相同期モータである。ステータコイルに大電流の3相交流が供給されると電動機として動作する。また、回転電機RMがエンジンによって駆動されると発電機として動作し、3相交流の発電電力を出力する。一実施の形態の回転電機RMは、回転軸方向の厚さが外径よりも小さな扁平型の回転電機である。
回転電機RMはロータ10、ステータ20およびハウジング50を備え、ロータ10はステータ20の内周側に隙間を介して配置されている。ロータ10はシャフト12に固定され、シャフト12の両端は軸受14A、14Bにより回転可能に支持されている。ステータ20の外周はハウジング50の内周に固定され、ハウジング50の外周はケース130の内周側に固定されている。
図2は一実施形態の回転電機の構成を示す斜視図、図3は一実施形態の回転電機の構成を示す正面図である。図2および図3において、図1と同様な機器には同一の符号を付して説明する。図2に示すように、回転電機RMはロータ10、ステータ20およびハウジング50を備えている。ロータ10は、ロータコアに永久磁石が挿入された多極構造となっている。ステータ20のステータティースコアには、それぞれU相ステータコイル、V相ステータコイルおよびW相ステータコイルが集中巻きで巻回されている。各ステータコイルはそれぞれ複数個ある。この一実施の形態では各相のステータコイルが8個づつある。
電源接続用端子29U,29V,29Wは各相ステータコイルに電力を供給するための端子であり、電力変換装置に接続される。電力変換装置で変換された3相交流が、電源接続用端子29U,29V,29Wに供給される。また、電源接続用端子29U,29V,29Wから出力する3相交流が電力変換装置に供給され、直流に変換される。電源接続用端子29U,29V,29Wと各ステータコイルの間には、電源接続用端子29U,29V,29Wから各ステータコイルに電力を供給するための配電部27が設けられている。
配電部27は、U相結線リング27Uと、V相結線リング27Vと、W相結線リング27Wと、中性点結線リング27Nと、ホルダ27Hとからなる。これらの結線リング27U、27V、27W、27Nは、それぞれ銅線を円弧状に曲げたものである。また、ホルダ27Hはリング状であり、樹脂製である。ホルダ27Hには、U相結線リング27U、V相結線リング27V、W相結線リング27Wおよび中性点結線リング27Nを挿入可能な溝が予め形成されている。結線リング27U、27V、27W、27Nはホルダ27Hの溝に挿入され、保持されている。
U相結線リング27Uには8個のU相ステータコイルの一方の端部が接続され、V相結線リング27Vには8個のV相ステータコイルの一方の端部が接続され、W相結線リング27Wには8個のW相ステータコイルの一方の端部が接続される。また、中性点結線リング27Nには8個のU相ステータコイルの他方の端部と、8個のV相ステータコイルの他方の端部と、8個のW相ステータコイルの他方の端部とが接続される。
電源接続用端子29UはU相結線リング27Uに接続される。同様に、電源接続用端子29VはV相結線リング27Vに接続され、電源接続用端子29WはW相結線リング27Wに接続される。電源接続用端子29U,29V,29Wに入力した電力は、配電部27によりステータコイルに供給される。上述したように、回転電機RMは、エンジンと変速機の間もしくは変速機の中に搭載されるため、小型高出力が要求される。このため、温度上昇が問題になり、車両の主動力として使用される回転電機RMのステータコイルでの発熱を最小限に抑える必要がある。
一般に、ステータコアは、円環状のリング部と、このリング部から内径方向に突出したティース部とからなる。一実施の形態のステータコアは、図3に示すようにリング部とティース部とが一体に形成され、円周方向にティース部の数と等しい数で分割された複数のステータティースコアから構成されている。すなわち、一実施の形態のステータコアは、24個のステータティースコア22A、22B、22C、・・・、22V、22W、22Xから構成される。各ステータティースコアは、電磁鋼板を回転電機の軸方向に積層して形成される。
例えば、一つのステータティースコア22Aについて見ると、円弧部と、この円弧部の中央から突出したティース部とからなり、側面方向から見ると、T字形状をしている。隣接する24個の円弧部をつなぐとリングが形成される。各ステータティースコア22A、22B、22C、・・・、22V、22W、22Xにはそれぞれ、ステータコイル24A、24B、24C、・・・、24V、24W、24Xが集中巻きで巻回されている。
図4に分割されたステータティースコア22Aの拡大図を示す。なお、ここではステータティースコア22Aについて説明するが、他のステータティースコア22B〜22Xについても同様である。ステータティースコア22Aには軸方向で2分割された樹脂製ボビン26Aが取付けられている。樹脂製ボビン26Aの四隅の角部には、図5の断面図および図6の拡大図に示すような平角線からなるステータコイルの巻乱れを防ぐ溝26Zが設けられている。ここで、巻乱れを防ぐ溝26Zの最大深さをhbとする。最大深さhbをどの程度にするかについては後述する。
樹脂製ボビン26Aが取付けられたステータティースコア22Aに平角線からなるステータコイル24Aの1ターン目24A1を巻いた状態を図7に示す。図から明らかなように、平角線からなるステータコイル24Aは、樹脂製ボビン26Aの角R部で巻き乱れを防ぐ溝26Zに嵌り固定されている。なお、図7では、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の長辺が接する場合に、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の長辺の長さを幅とする溝を、平角線を巻回したステータコイルの一段置きに設けた例を示すが、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の短辺が接する場合には、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の短辺の長さを幅とする溝を、平角線を巻回したステータコイルの一段置きに設ける。
さらに、平角線からなるステータコイル24Aの2ターン目24A2を巻いた状態を図8に示す。平角線からなるステータコイル24Aの2ターン目24A2は、平角線からなるステータコイル24Aの1ターン目24A1の上に乗り位置が決まる。さらに巻線を進め1層分巻線を行うと図9に示すようになり、溝に嵌るコイルとコイルどうしに挟まれるコイルが交互に並び、平角線からなるステータコイル24Aの巻き乱れを防止することが可能になり、巻線の角部には溝が形成される。この溝は樹脂製ボビン26Aの角R部に設けられた巻乱れを防ぐ溝26Zと同様の効果がある。
平角線からなるステータコイル24Aの1層内における段の移動においては、図10(a)に示すように通常の丸線と同様にコイルエンドで移動させる方法が考えられる。2層目以降においても、図10(b)に示すように片側もしくは両側で移動させることが可能である。また、ステータティースコアの幅が十分に広くない場合には、図11(a)、(b)に示すようにステータティースコア側面で移動させることも可能である。つまり、平角線からなるステータコイル24Aの1層内における段の移動は、図11(a)に示すようにステータティースコア側面で移動させ、2層目以降も図11(b)に示すようにステータティースコア側面で移動させる。
図12は、一実施の形態の回転電機のステータティースコアに平角線からなるステータコイルを巻線した状態の斜視図である。また、図13は、一実施の形態の回転電機のステータティースコアに平角線からなるステータコイルを巻線した状態のコイルエンドの正面図(a)および断面図(b)である。さらに、図14は、一実施の形態の回転電機のステータティースコアに平角線からなるステータコイルを巻線した状態のステータティースコア側面の正面図(a)および断面図(b)である。
図15は、一実施の形態の回転電機のステータティースコアの角R部の断面図である。なお、ここではステータティースコア22Aについて説明するが、他のステータティースコア22B〜22Xについても同様である。図5において上述したように、樹脂製ボビン26Aの四隅の角部には、平角線からなるステーターコイル24Aの巻乱れを防ぐための溝26Zが設けられており、その最大深さはhbである。この最大深さhbは、平角線の断面の角R部の半径Rcより大きく、平角線の断面の短辺の幅Wcから平角線の断面の角R部の半径Rcを差し引いた値(Wc−Rc)よりも小さくするのが望ましい。
Rc<hb<(Wc−Rc) ・・・(1)
これにより、平角線の断面の矩形形状の大きさがどのように変わっても、1層目では平角線の断面の短辺が溝26Zの側面に当接し、2層目以降では平角線の断面の短辺どうしが当接することになり、巻乱れを確実に防止できる。
次に、図16および図17を用いて、一実施の形態の回転電機RMを搭載する車両の構成について説明する。図16、図17はハイブリッド自動車を前提としたパワートレインを示している。図16は一実施形態の回転電機RMを搭載する車両の第1の構成を示すブロック図であり、図17は一実施形態の回転電機RMを搭載する車両の第2の構成を示すブロック図である。
図16に示す第1の構成は、四輪駆動のハイブリッド自動車のパワートレインである。前輪側の主動力として、エンジンENGと回転電機RMを有する。エンジンENGと回転電機RMが発生する動力は、変速機TMにより変速され、前輪側駆動輪FWに伝達される。一方、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機RM’と後輪側駆動輪RWが機械的に接続され、回転電機RM’で発生する動力が後輪側駆動輪RWに直接伝達される。
回転電機RMは、エンジンENGの始動を行うとともに、車両の走行状態に応じて、走行駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生とを切り換える。回転電機RMの駆動と発電の動作は車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置PCにより制御される。回転電機RMの駆動に必要な電力は、電力変換装置PCを介してバッテリBAから供給される。また、回転電機RMが発電動作のときは、電力変換装置PCを介してバッテリBAに電気エネルギーが充電される。
ここで、エンジンENGとともに前輪の駆動源となる回転電機RMは、エンジンENGと変速機TMの間に配置されており、図1〜図15にて説明した構成を有するものである。後輪側の動力源である回転電機RM’としては、前輪側の回転電機RMと同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。なお、図16に示す第1の構成において、後輪駆動側回転電機RM’を取付けずに後輪を駆動輪としなければ、前輪駆動ハイブリッド自動車の構成となる。
図17は後輪駆動のハイブリッド自動車のパワートレインを示す。前輪FW側に主動力としてエンジンENGと回転電機RMを有し、エンジンENGと回転電機RMが発生する動力を変速機TMを用いて変速し、後輪側駆動輪RWに動力を伝える。
回転電機RMは、エンジンENGの始動を行うとともに、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生とを切り換える。回転電機RMの駆動と発電の動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置PCにより制御される。回転電機RMの駆動に必要な電力は、電力変換装置PCを介してバッテリBAから供給される。また、回転電機RMが発電動作のときは、電力変換装置PCを介してバッテリBAに電気エネルギーが充電される。
ここで、エンジンENGとともに後輪の駆動源となる回転電機RMは、エンジンENGと変速機TMの間に配置されており、図1〜図15にて説明した構成を有するものである。なお、通常の自動車のように、変速機の出力部から前輪に動力を伝達する機構を追加することによって、四輪駆動車の構成となる。
次に、図18および図19により、一実施の形態の回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンENG、回転電機RM、変速機TMの配置について説明する。
図18は、一実施形態の回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンENG、回転電機RM、変速機TMの第1の配置例を示すブロック図である。図19は、一実施形態の回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンENG、回転電機RM、変速機TMの第2の配置例を示すブロック図である。ハイブリッド自動車におけるエンジンENG、回転電機RM、変速機TMの配置は大きく分けて2通りある。
まず図18に示す第1の配置例では、エンジンENG、回転電機RM、変速機TMのそれぞれが独立して構成され、エンジンENGと変速機TMの間に回転電機RMが機械的に接続されている構成であり、変速機TMの出力が駆動輪WHに伝達される。一方、図19に示す第2の配置例では、エンジンENG、変速機TMが独立して構成され、機械的に接続されており、変速機TMの内部に回転電機RMが搭載され、変速機TMと回転電機RMが機械的に接続されている。そして、変速機TMの出力が駆動輪WHに伝達される。以上の構成において、駆動輪WHの動力源である回転電機RMは、図1〜図15にて説明した構成を有するものである。
上述した実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、ロータと、ステータコイルに平角線を用いたステータとを有する回転電機において、ステータコイルはステータコアのティース部に絶縁性ボビンを介して巻回されており、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の長辺が接する場合には、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の長辺の長さを幅とする溝を、平角線を巻回したステータコイルの一段置きに設け、また、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の短辺が接する場合には、絶縁性ボビンの角部に平角線の断面の短辺の長さを幅とする溝を、平角線を巻回したステータコイルの一段置きに設けたので、滑りやすく巻乱れを起こしやすい平角線を用いたステータコイルの巻乱れを防止でき、作業性を損なうことなくステータコイルの占積率を向上でき、絶縁性ボビンに簡単な形状を付加するだけで平角線を用いたステータコイルの高密度整列巻線を可能にすることができる。
また、一実施の形態によれば、溝の最大深さを、平角線の断面角R部の半径より大きく、かつ、平角線の断面の長辺の長さから平角線の断面角R部の半径を差し引いた値よりも小さくしたので、平角線の断面の矩形形状の大きさがどのように変わっても、1層目では平角線の断面の短辺が溝の側面に当接し、2層目以降では平角線の断面の短辺どうしが当接することになり、巻乱れを確実に防止できる。
さらに、一実施の形態によれば、ステータコアのティース部側面で、ステータコイルの各層における段の移動を行うようにしたので、ステータコアのティース部の幅が狭く、コイルエンド部におけるステータコイルの各層における段の移動が困難な場合でも、平角線を用いてステータコイルの高密度整列巻線を可能にできる。
なお、一実施の形態の回転電機は、上述したハイブリッド自動車はもちろんのこと、一般の電気自動車や自動車の補機駆動にも用いることができ、車両の過酷な走行環境下において信頼性の高い駆動源を提供することができる。
なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。
10;ロータ、20;ステータ、22A〜22X;ステータティースコア、24A〜24X;ステータコイル、26A;ボビン、26Z;溝、RM;回転電機

Claims (4)

  1. ロータと、ステータコイルに平角線を用いたステータとを有する回転電機において、
    前記ステータコイルは、ステータコアのティース部に絶縁性ボビンを介して巻回されており、
    前記絶縁性ボビンの角部にのみ溝を設けるに際して、前記絶縁性ボビンの角部に前記平角線の断面の長辺が接する場合には、前記絶縁性ボビンの角部にのみ前記平角線の断面の長辺の長さを幅とする溝を、前記平角線を巻回した前記ステータコイルの一段置きに設け、また、前記絶縁性ボビンの角部に前記平角線の断面の短辺が接する場合には、前記絶縁性ボビンの角部にのみ前記平角線の断面の短辺の長さを幅とする溝を、前記平角線を巻回した前記ステータコイルの一段置きに設けたことを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1に記載の回転電機において、
    前記溝の最大深さを、前記平角線の断面角R部の半径より大きく、かつ、前記平角線の断面の長辺の長さから前記平角線の断面角R部の半径を差し引いた値よりも小さくすることを特徴とする回転電機。
  3. 請求項1または請求項2に記載の回転電機において、
    前記ステータコアのティース部側面で、前記ステータコイルの各層における段の移動を行うことを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転電機を備えたことを特徴とする車両。
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