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JP2018170814A - 回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機 Download PDF

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JP2018170814A JP2017064164A JP2017064164A JP2018170814A JP 2018170814 A JP2018170814 A JP 2018170814A JP 2017064164 A JP2017064164 A JP 2017064164A JP 2017064164 A JP2017064164 A JP 2017064164A JP 2018170814 A JP2018170814 A JP 2018170814A
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松延 豊
Yutaka Matsunobu
豊 松延
太祐 池田
Tasuke Ikeda
太祐 池田
孝行 小泉
Takayuki Koizumi
孝行 小泉
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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Abstract

【課題】絶縁紙のずれを防止し絶縁性の優れた回転電機の固定子を提供する。【解決手段】回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機は、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記スロットに設けられた複数のセグメント導体に構成される固定子コイルと、を備え、前記複数のセグメント導体は各々の前記スロットに正の偶数であるN本収納され、前記固定子コイルは各々の前記セグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、前記導体端部は軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、N列の環状列を構成し、前記固定子鉄心は前記セグメント導体の前記スロットへの挿入方向と打ち抜き方向が逆方向である第1積層鋼板と、前記セグメント導体の前記スロットへの挿入方向と打ち抜き方向が同方向である第2積層鋼板とを有し、前記第1積層鋼板と前記第2積層鋼板とのバリが背中合わせに配置されている。【選択図】図7

Description

本発明は、回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機に関する。
昨今の地球温暖化に対し、回転電機は小型高出力が求められている。このような回転電機として、例えば内周側に開口する多数のスロットを備えた固定子鉄心を有し、各スロットに複数の略U字形状のセグメント導体を挿入する事で占積率を向上させて冷却性能を向上させることにより高出力化を図ったものが知られている。
そして、略U字形状セグメント導体のスロットへの挿入方向と固定子鉄心の積層鋼板の打ち抜き方向を逆方向とする事により、絶縁紙のずれを防止し、絶縁破壊を防止した車輌用交流発電機の固定子がある(例えば、特許文献1参照)。
特許第3478183号
特許文献1に記載れた技術は、主に空冷で低電圧(12VDC)の車輌用交流発電機を対象としているため、最大電流値は100A以下程度であり、細いコイルで十分である。
一方、電気自動車やハイブリッド電気自動車に用いられる回転電機においては、最大電流が300A〜500Aと大きく、コイルは太くなる。太いセグメント導体をコア挿入後に波巻形状に曲げる場合、絶縁紙を反挿入方向へ押すことになるため、コイルを挿入する挿入方向だけでなく、反挿入方向の絶縁紙のずれも防止する必要がある。
上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機の固定子及びそれを用いた回転電機は、複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、前記スロットに設けられた複数のセグメント導体に構成される固定子コイルと、を備え、前記複数のセグメント導体は、各々の前記スロットに正の偶数であるN本収納され、前記固定子コイルは、各々の前記セグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、N列の環状列を構成し、前記固定子鉄心は、前記セグメント導体の前記スロットへの挿入方向と打ち抜き方向が逆方向である第1積層鋼板と、前記セグメント導体の前記スロットへの挿入方向と打ち抜き方向が同方向である第2積層鋼板とを有し、前記第1積層鋼板と前記第2積層鋼板とのバリが背中合わせに配置されている。
本発明によれば、絶縁性の優れた回転電機の固定子を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本実施形態に係る固定子20を備える回転電機10を示す断面図である。 本実施形態に係る固定子20の斜視図である。 固定子コイル60の巻線方法を説明する概念図である。 図3の接続作業をセグメント導体28が環状となるまで繰り返し、一相分(例としてU相)のU相コイル40を形成したときの斜視図である。 回転電機10の固定子20の導体端部28E近傍の部分拡大図である。 固定子20の反溶接側コイルエンド61の部分斜視図である。 本実施形態に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。 他の実施形態(第2実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。 他の実施形態(第3実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。 他の実施形態(第4実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。 他の実施形態(第5実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。 本実施形態による回転電機を搭載する車両の構成を示すブロック図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリット自動車に用いられる電動機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向(半径方向)を指す。「内周側」は径方向内側(内径側)を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側(外径側)を指す。
図1は、本実施形態に係る固定子20を備える回転電機10を示す断面図である。回転電機10は、ハウジング50と、固定子20と、固定子鉄心21と、固定子コイル60と、回転子11とから構成される。
ハウジング50の内周側には、固定子20が固定されている。固定子20の内周側には、回転子11が回転可能に支持されている。ハウジング50は、炭素鋼など鉄系材料の切削により、または、鋳鋼やアルミニウム合金の鋳造により、または、プレス加工によって円筒状に成形した、回転電機10の外被を構成している。ハウジング50は、枠体或いはフレームとも称されている。
ハウジング50の外周側には、液冷ジャケット130が固定されている。液冷ジャケット130の内周壁とハウジング50の外周壁とで、油などの液状の冷媒RFの冷媒通路153が構成され、この冷媒通路153は液漏れしないように形成されている。液冷ジャケット130は、軸受144及び軸受145を収納しており、軸受ブラケットとも称されている。
直接液体冷却の場合、冷媒RFは、冷媒通路153を通り、冷媒出口154及び冷媒出口155から固定子20へ向けて流出し、固定子20を冷却する。
固定子20は、固定子鉄心21と、固定子コイル60とによって構成されている。固定子鉄心21は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。固定子コイル60は、固定子鉄心21の内周部に多数個設けられているスロット15に巻回されている。固定子コイル60からの発熱は、固定子鉄心21を介して、液冷ジャケット130に伝熱され、液冷ジャケット130内を流通する冷媒RFにより、放熱される。
回転子11は、回転子鉄心12と、回転軸13とから構成されている。回転子鉄心12は、珪素鋼板の薄板が積層されて作られている。回転軸13は、回転子鉄心12の中心に固定されている。回転軸13は、液冷ジャケット130に取り付けられた軸受144及び軸受145により回転自在に保持されており、固定子20内の所定の位置で、固定子20に対向した位置で回転する。また、回転子11には、永久磁石18と、エンドリング(図示せず)が設けられている。
回転電機10の組立は、予め、固定子20をハウジング50の内側に挿入してハウジング50の内周壁に取付けておき、その後、固定子20内に回転子11を挿入する。次に、回転軸13に軸受144,145が嵌合するようにして液冷ジャケット130に組み付ける。
図2乃至図4を用いて、本実施例による回転電機10に用いる固定子20の要部の詳細構成について説明する。図2は、本実施形態に係る固定子20の斜視図である。図3は、固定子コイル60の巻線方法を説明する概念図である。図4は、図3の接続作業をセグメント導体28が環状となるまで繰り返し、一相分(例としてU相)のU相コイル40を形成したときの斜視図である。
図2に示されるように、固定子20は、固定子鉄心21と、固定子鉄心21の内周部に周方向に多数個設けられているスロット15に巻回された固定子コイル60と、から構成されている。固定子コイル60は、断面が略矩形形状の導体を使用しスロット内の占積率を向上させ、回転電機10の効率が向上させる。本実施形態に係る固定子コイル60は、銅線により構成される。
固定子鉄心21には、内径側に開口部21Sを形成するスロット15が周方向に例えば72個形成されている。そして、スロットライナー302が各スロット15に配設され、固定子鉄心21と固定子コイル60との電気的に絶縁している。
スロットライナー302は、固定子コイル60を包装するようにその断面がB字形状やS字形状に成形されている。
図3の上図に示されるように、固定子コイル60は、断面が略矩形のエナメル等で絶縁された複数のセグメント導体28により構成される。セグメント導体28は、反溶接側コイルエンド頂点28Cを折り返し点とする様な、略U字形状となるように成型される。このとき、反溶接側コイルエンド頂点28Cは略U字形状において導体の向きを折り返す形状であればよい。すなわち、図3の上図に示されるような、径方向から見たときに反溶接側コイルエンド頂点28Cと導体斜行部28Fとが略三角形をなすような形状に限らない。例えば、反溶接側コイルエンド頂点28Cの一部において、セグメント導体28が固定子鉄心21の端面と略平行になるような形状(径方向から見たとき反溶接側コイルエンド頂点28Cと導体斜行部28Fとが略台形をなすような形状)であっても良い。
図3の中央図に示されるように、セグメント導体28を、軸方向からをスロット15に差し込む。所定のスロット数分だけ離れたところに差し込まれた別のセグメント導体28と導体端部28Eにおいて接続される。セグメント導体28の接続は、例えば溶接により為される。
このとき、セグメント導体28には、スロット15に挿入される部位である導体直線部28Sと、接続相手のセグメント導体28の導体端部28Eへ向かって傾斜する部位である導体斜行部28Dとが形成される。本実施形態においては、導体斜行部28Dや導体端部28Eは、曲げ加工により形成される。
図3の下図に示されるように、スロット15内には2、4、6・・・(2の倍数)本のセグメント導体28が挿入される。1つスロット15に4本のセグメント導体D1ないしD4が挿入された例であるが、断面が略矩形の導体のため、スロット15内の占積率を向上させることが出来、回転電機10の効率が向上する。レイヤー28R1ないし28R4にはセグメント導体D1ないしD4がそれぞれ配置される。
図4に示されるように、一相分のU相コイル40は、導体端部28Eが軸方向の一方側に集まるように構成される。U相コイル40は、導体端部28Eの集まる溶接側コイルエンド62と、導体端部28Eとは反対側の反溶接側コイルエンド61とを形成する。U相コイル40には、一端にU相のターミナル42U、他端に中性線41が形成される。V相コイルやW相コイルについても同様である。
図5を用いて、回転電機10に用いる固定子20の溶接部(溶接側コイルエンド62)の詳細構成について説明する。図5は、回転電機10の固定子20の導体端部28E近傍の部分拡大図である。
セグメント導体28間の絶縁のために、絶縁紙300が環状に配置される。導体端部28Eに形成された溶接部を絶縁するために、絶縁紙301が環状に配置される。
絶縁紙300及び絶縁紙301が配置された後、複数のセグメント導体28の全体を樹脂部材で覆って絶縁を強化する。もしくは、複数のセグメント導体28の全体又は一部に第1の樹脂部材(例えばポリエステルやエポキシ液体ワニス)を滴下し、硬化させる。溶接部の絶縁の強化のため、溶接部近傍には第2の樹脂部材(例えばエポキシ系粉体ワニス)で覆っても良い。
図6を用いて、固定子20の反溶接側コイルエンド61の詳細構成について説明する。図6は、固定子20の反溶接側コイルエンド61の部分斜視図である。セグメント導体28間の絶縁のため、絶縁紙301が環状に配置される。
図7は、本実施形態に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。
固定子鉄心21は、コイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向71が逆方向の積層鋼板21Aと、コイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向72が逆方向の積層鋼板21Bとからなる。各々の積層鋼板21A及び21Bはバリの尖った部分が背中合わせとなるように配置される。つまり、積層鋼板21Aの最下層のバリと積層鋼板21Bの最上層のバリが潰しあわない様に配置される。
本構成によれば、セグメント導体28をスロット15内に挿入した際に、コイル挿入方向70と積層鋼板21Aの打ち抜き方向71(バリの方向)が逆の為、絶縁紙302のずれが防止される。
また、セグメント導体28を挿入した後に、導体斜行部28Dと導体端部28Eを構成するために、セグメント導体28を曲げる際に、コイル挿入方向70とは逆の方向(例えば打ち抜き方向71)に絶縁紙302がずれる可能性が有る。しかし、コイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向72が同方向の積層鋼板21Bを配置する事により、絶縁紙302のずれを防止することが出来る。図7に示される積層鋼板21Aと積層鋼板21Bの積厚が略等しい例である。なお、板厚公差や製造公差の範囲内で、積層鋼板21Bの方が積層鋼板21Aよりも積厚が大きい場合も含む。
図8は、他の実施形態(第2実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。
第2実施例に係る固定子鉄心21は、図7に示した実施形態と同様に固定子鉄心21はコイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向71が逆方向の積層鋼板21Aと、積層鋼板の打ち抜き方向72が同方向の積層鋼板21Bからなり、各々の積層鋼板21A及び積層鋼板21Bはバリの尖った部分が背中合わせ(つまり、潰しあわない様)に配置されている。
ここで、セグメント導体28の挿入時に絶縁紙302がずれる可能性と、セグメント導体28を曲げる際に絶縁紙302がずれる可能性はどちらが高いかは難しい問題であるが、ずれる変位量で考えるとセグメント導体28の挿入時に絶縁紙302がずれる変位量の方が大きい事は明らかである。よって、コイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向71が逆方向の積層鋼板21Aの積厚は同方向の積層鋼板21Bの積厚より大きい方が望ましい。
積層鋼板のコア積は段積みされるのが普通である。つまり、積層鋼板を何枚か積み合わせた後に、所定角度回転して次の積作業を行い、鋼板のロール方向の板厚偏差による、コア積厚偏差を改善することが目的である。
図8に示されるように、積層鋼板21Aと積層鋼板21Aと積層鋼板21Bの3段積の場合で、コイル挿入方向70から2段までが逆方向の積層鋼板21A、3段目は同方向の積層鋼板21Bで構成している。
本構成によれば、セグメント導体28を曲げる際に絶縁紙302がずれる事を防ぎつつ、セグメント導体28の挿入時の絶縁紙のずれ防止効果を実施例1よりも大きくできる。積層鋼板21Aと21Bの積厚の比は2:1となるが、板厚公差や製造公差の範囲内で2:1の比からずれた場合も含む。
図9は、他の実施形態(第3実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。
図8の3段積の例に対し、4段積の実施例である。コイル挿入方向70から3段までが逆方向の積層鋼板21A、4段目は同方向の積層鋼板21Bで構成している。本構成によれば、セグメント導体28を曲げる際に絶縁紙302がずれる事を防ぎつつ、セグメント導体28の挿入時の絶縁紙302のずれ防止効果を第1実施例及び第2実施例よりも大きくできる。積層鋼板21Aと積層鋼板21Bの積厚の比は3:1となるが、板厚公差や製造公差の範囲内で3:1の比からずれた場合も含む。
ここで、積層鋼板21Bの必要枚数としては、モータ出力・ステータ体格・コイルの太さや曲げ角度等で変化するが、最低限は1〜2枚である。反挿入側の積厚部より外側にバリが出ていることが重要であり、そのバリにコイルを曲げる際に絶縁紙302を押してひっかけることで、絶縁紙302のずれを防止できる効果が有る。また、本実施形態には、積層鋼板21Aや積層鋼板21BにVカシメ等の積層鋼板を固定する役割を付加する事も含まれる。
図10は、他の実施形態(第4実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。コイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向71が逆方向に形成される積層鋼板21Cを備える。この積層鋼板21Cは、Vカシメ22が形成されている。一方、コイル挿入方向70と積層鋼板の打ち抜き方向72を形成する積層鋼板21Dを備え、この積層鋼板21Dは、Vカシメ22の突出が部軸方向に飛び出ないようにするための穴23を形成する。そして、この積層鋼板21Cと積層鋼板21Dは、バリの尖った部分が背中合わせ(潰しあわない様)に配置されている。
図11は、他の実施形態(第5実施例)に係るセグメント導体28の挿入方向と固定子鉄心21のスロット15内の構成を示す断面図である。
図9と同じ4段積の実施例であるが、コイル挿入方向70から1段目が逆方向の積層鋼板21A、2段目が同方向の積層鋼板21B、3段目が逆方向の積層鋼板21A、4段目が同方向の積層鋼板21Bで構成している。本構成の積層鋼板21Aと積層鋼板21Bの割合は、実施例1と同じであり、実施例1とほぼ同じ効果が得られる。実施例1の変形例である。
上記の各実施例のいずれも、固定子鉄心12の軸方向端面においてはバリが軸方向外側(固定子鉄心の外部の方向)を向くように配置される。すなわち、固定子鉄心12の軸方向端面において、軸方向外側にバリが飛び出ているように配置される。また、図10を用いて説明した実施例4において、穴23が配置された積層鋼板21Dは軸方向端面に配置され、Vカシメ22の軸方向への飛び出しを防止している。
本構成により、セグメント導体28を曲げる際に絶縁紙302がずれる事を防ぎつつ、セグメント導体28の挿入時の絶縁紙302のずれを防止出来る。電気自動車やハイブリッド電気自動車に求められる太いセグメント導体をコア挿入後に波巻形状に曲げる場合でも、コイルを挿入する挿入方向だけでなく、反挿入方向の絶縁紙のずれも防止できる回転電機を得られるものとなる。
以上においては、永久磁石式の回転電機において説明を行ったが、本発明の特徴は固定子のコイル巻線に関するものであるため、回転子は永久磁石式でなく、インダクション式や、シンクロナスリラクタンス、爪磁極式等にも適用可能である。また、巻線方式においては波巻方式であるが、同様の特徴を持つ巻線方式であれば、適用可能である。次に、内転型で説明を行っているが、外転型でも同様に適用可能である。
図12を用いて、本実施例による回転電機10を搭載する車両の構成について説明する。図12は、四輪駆動を前提とした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、エンジンと回転電機10を有する。エンジンと回転電機10の発生する動力は、変速機により変速され、前輪側駆動輪に動力を伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機10と後輪側駆動輪を機械的に接続され、動力が伝達される。
回転電機10は、エンジンの始動を行い、また、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を切り換える。回転電機10の駆動,発電動作は、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により制御される。回転電機10の駆動に必要な電力は、電力変換装置を介してバッテリから供給される。また、回転電機10が発電動作のときは、電力変換装置を介してバッテリに電気エネルギーが充電される。
ここで、前輪側の動力源である回転電機10は、エンジンと変速機の間に配置されており、図1〜図10にて説明した構成を有するものである。後輪側の駆動力源である回転電機10としては、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、四輪駆動式以外のハイブリッド方式においても勿論適用可能である。
以上で説明したように、本発明によれば、小型高出力であるにも関わらず、絶縁紙のずれが防止され、絶縁性が優れた回転電機の固定子を提供することができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
10…回転電機、11…回転子、12…回転子鉄心、13…回転軸、15…スロット、18…永久磁石、20…固定子、21…固定子鉄心、21A…積層鋼板、21B…積層鋼板、21C…積層鋼板、21D…積層鋼板、21S…開口部、22…Vカシメ、23…Vカシメ穴、28…セグメント導体、28C…反溶接側コイルエンド頂点、28D…導体斜行部、28E…導体端部、28F…導体斜行部、28S…導体直線部、40…U相コイル、41…中性線、42U…ターミナル、50…ハウジング、60…固定子コイル、61…反溶接側コイルエンド、62…溶接側コイルエンド、70…コイル挿入方向、71…打ち抜き方向、72…打ち抜き方向、130…液冷ジャケット、144…軸受、145…軸受、153…冷媒通路、154…冷媒出口、155…冷媒出口、300…絶縁紙、301…絶縁紙、302…スロットライナー、RF…冷媒

Claims (7)

  1. 複数のスロットが設けられた固定子鉄心と、
    前記スロットに設けられた複数のセグメント導体に構成される固定子コイルと、を備え、
    前記複数のセグメント導体は、各々の前記スロットに正の偶数であるN本収納され、
    前記固定子コイルは、各々の前記セグメント導体の導体端部に設けられた溶接部を介して、複数の前記セグメント導体が接続されて構成され、
    前記導体端部は、軸方向一方のコイルエンドで周方向に環状に配列され、N列の環状列を構成し、
    前記固定子鉄心は、前記セグメント導体の前記スロットへの挿入方向と打ち抜き方向が逆方向である第1積層鋼板と、前記セグメント導体の前記スロットへの挿入方向と打ち抜き方向が同方向である第2積層鋼板とを有し、
    前記第1積層鋼板と前記第2積層鋼板とのバリが背中合わせに配置されている回転電機の固定子。
  2. 請求項1に記載の回転電機の固定子において、
    前記第1積層鋼板の方が前記第2積層鋼板よりも積厚が等しいか、もしくは大きい回転電機の固定子。
  3. 請求項1に記載の回転電機の固定子において、
    前記第1積層鋼板の積厚と前記第2積層鋼板の積厚がほぼ等しい回転電機の固定子。
  4. 請求項1に記載の回転電機の固定子において、
    前記第1積層鋼板の積厚と前記第2積層鋼板の積厚の比がほぼ2:1である回転電機の固定子。
  5. 請求項1に記載の回転電機の固定子において、
    前記第1積層鋼板の積厚と前記第2積層鋼板の積厚の比がほぼ3:1である回転電機の固定子。
  6. 請求項1ないし5に記載のいずれかの回転電機の固定子において、
    前記第1の積層鋼板が、Vカシメの突起部を有し、
    複数の前記第2の積層鋼板のうち少なくとも1枚が、Vカシメの前記突起部を収納するための穴を形成する回転電機の固定子。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一つに記載の回転電機の固定子を備えた回転電機。
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