JP2010178600A - Rotating electrical machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機、発電機といった回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine such as an electric motor and a generator.
回転電機のステータコアは複数枚の電磁鋼板を積層して形成される(特許文献1)。そのような電磁鋼板として、磁化容易軸が特定の方向性を有していない無方向性電磁鋼板や、磁化容易軸が一方向に揃っている一方向性電磁鋼板、或いは、直角方向に磁化容易軸を有する二方向性電磁鋼板等が用いられる。 A stator core of a rotating electrical machine is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel sheets (Patent Document 1). As such an electrical steel sheet, a non-oriented electrical steel sheet in which the easy magnetization axis does not have a specific direction, a unidirectional electrical steel sheet in which easy magnetization axes are aligned in one direction, or easy magnetization in a perpendicular direction A bi-directional electrical steel sheet having an axis is used.
ステータコアは、円筒状のヨーク部と、ヨーク部からロータの径方向内方に突出するティース部とを有する構造である。このため、ヨーク部については周方向に、ティース部については突出方向に磁気特性が良好であることが、鉄損低減、モータ効率の点で好ましいことが知られている。このため、ティース部、ヨーク部を分割してそれぞれを一方向性電磁鋼板から構成した分割コア方式のステータコアが提案されている。 The stator core has a structure having a cylindrical yoke portion and a teeth portion protruding inward in the radial direction of the rotor from the yoke portion. For this reason, it is known that good magnetic characteristics in the circumferential direction for the yoke part and in the protruding direction for the tooth part are preferable in terms of iron loss reduction and motor efficiency. For this reason, a split core type stator core has been proposed in which the tooth portion and the yoke portion are divided and each made of a unidirectional electrical steel sheet.
また、電磁鋼板の磁化容易軸の方向以外に着目したものとして、特許文献2には、ティース部に、その突出方向の引張応力を付与するものが提案されている。特許文献2に開示されたステータコアは、ティース部の側面において、ティース部先端とヨーク部との間に介在するセラミック板を配置したものである。そして、電磁鋼板の熱収縮を利用して、セラミック板によりティース部に引張応力を付与することで、ティース部の突出方向の磁気特性向上を狙ったものである。 Further, Patent Document 2 proposes that a tensile stress in the protruding direction is applied to the teeth portion as a focus on the direction other than the direction of the easy magnetization axis of the electromagnetic steel sheet. In the stator core disclosed in Patent Document 2, a ceramic plate interposed between the tip of the tooth portion and the yoke portion is disposed on the side surface of the tooth portion. And it aims at the improvement of the magnetic characteristic of the protrusion direction of a teeth part by giving a tensile stress to a teeth part with a ceramic board using the thermal contraction of an electromagnetic steel plate.
しかし、特許文献2のようにティース部先端とヨーク部との間にセラミック板を介在させることによってティース部に引張応力を付与する構造の場合、セラミック板の一方端部がティース部の根元近傍のヨーク部に強く当接し、ヨーク部に局所的な径方向の圧縮応力を集中的に与えてしまう虞がある。ティース部の根元周辺は、ティース部からヨーク部に向かう多くの磁束が通る部位であり、ここに圧縮応力が集中的に作用すると鉄損が増大する。 However, in the case of a structure in which tensile stress is applied to the teeth portion by interposing a ceramic plate between the tip of the teeth portion and the yoke portion as in Patent Document 2, one end portion of the ceramic plate is near the root of the teeth portion. There is a risk that the yoke portion is in strong contact with the yoke portion, and local radial compressive stress is concentrated on the yoke portion. The vicinity of the root of the tooth portion is a portion through which a large amount of magnetic flux from the tooth portion toward the yoke portion passes, and iron stress increases when compressive stress acts intensively here.
本発明の目的は、ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することにある。 An object of the present invention is to improve the magnetic characteristics of the tooth portion and reduce iron loss.
本発明によれば、ロータと、円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、を備えた回転電機において、前記ティース部に圧接して、前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を付加する応力付加部材を設けたことを特徴とする回転電機が提供される。 According to the present invention, there is provided a rotor, a cylindrical yoke portion, and a plurality of teeth portions protruding inward in the radial direction of the rotor from the yoke portion and provided in the circumferential direction of the yoke portion. And a stator core formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates in the axial direction of the rotor, and compressive stress in a direction perpendicular to the protruding direction of the tooth portion is applied in pressure contact with the tooth portion. There is provided a rotating electrical machine provided with a stress applying member.
この回転電機では、前記応力付加部材が前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を前記ティース部に付加することで、前記ティース部の突出方向の磁気特性が向上する。よって、ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。 In this rotating electrical machine, the stress applying member applies a compressive stress in a direction orthogonal to the protruding direction of the tooth portion to the tooth portion, thereby improving the magnetic characteristics in the protruding direction of the tooth portion. Therefore, the magnetic characteristics of the teeth portion can be improved and the iron loss can be reduced.
本発明においては、前記ティース部に巻き回されたコイルを備え、前記応力付加部材は、前記ティース部の根元部分と先端部分との間の部分において、前記根元部分と前記先端部分とからそれぞれ離間して前記ティース部に圧接し、前記コイルは、前記応力付加部材を介して前記ティース部に巻き回された部分と、前記応力付加部材が前記ティース部に圧接していない部分において前記応力付加部材を介さずに前記ティース部に巻き回された部分と、を有していてもよい。この構成によれば、前記応力付加部材と前記ヨーク部又は前記先端部分との間のスペースをコイルの配設スペースとして利用して、コイルの巻き量を確保できる。 In the present invention, the coil includes a coil wound around the tooth portion, and the stress applying member is separated from the root portion and the tip portion at a portion between the root portion and the tip portion of the tooth portion. The coil is pressed against the teeth portion, and the coil is wound around the tooth portion via the stress applying member and the stress applying member at a portion where the stress applying member is not pressed against the tooth portion. And a portion wound around the teeth portion without being interposed therebetween. According to this configuration, the coil winding amount can be secured by using the space between the stress applying member and the yoke portion or the tip portion as the coil arrangement space.
また、本発明においては、前記応力付加部材は、前記ティース部毎に設けられ、前記ティース部を囲む筒体であり、前記筒体は、互いに接合されて前記筒体を構成する複数の分割体からなってもよい。この構成によれば、前記筒体により前記ティース部に圧縮応力を付加できる。 In the present invention, the stress applying member is a cylindrical body that is provided for each tooth portion and surrounds the tooth portion, and the cylindrical body is joined to each other to constitute the cylindrical body. It may consist of. According to this configuration, compressive stress can be applied to the teeth portion by the cylindrical body.
また、本発明においては、前記応力付加部材は、前記ティース部間に介在し、前記ロータの軸方向と平行な方向の開口部を有する筒体であってもよい。この構成によれば、コイルの配設スペースを確保しつつ、前記筒体により前記ティース部に圧縮応力を付加できる。 In the present invention, the stress applying member may be a cylindrical body that is interposed between the tooth portions and has an opening in a direction parallel to the axial direction of the rotor. According to this configuration, it is possible to apply compressive stress to the teeth portion by the cylindrical body while securing a space for arranging the coil.
また、本発明においては、前記応力付加部材は、前記ティース部毎に設けられ、前記ティース部に巻き回された帯体であってもよい。この構成によれば、前記帯体により前記ティース部に圧縮応力を付加できる。 In the present invention, the stress applying member may be a belt provided for each tooth portion and wound around the tooth portion. According to this configuration, compressive stress can be applied to the teeth portion by the band.
以上述べた通り、本発明によれば、ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。 As described above, according to the present invention, the magnetic characteristics of the tooth portion can be improved and the iron loss can be reduced.
<第1実施形態>
図1(a)は本発明の第1実施形態に係る回転電機Aの断面図、図1(b)は図1(a)の線X−Xに沿う回転電機Aの断面図である。回転電機Aは、電動機又は発電機であって、ロータ10と、ステータコア20と、コイル30と、ケース40と、応力付加部材50と、を備える。ロータ10は、ロータ軸11とロータ軸の周囲に配設された複数個の永久磁石(不図示)と、を備える。以下、軸方向、周方向、径方向と言うときは、特に断らない限り、ロータ10の軸方向(軸方向と平行な方向を含む)、周方向、径方向を指すものとする。
<First Embodiment>
FIG. 1A is a cross-sectional view of the rotating electrical machine A according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the rotating electrical machine A along the line XX of FIG. The rotating electrical machine A is an electric motor or a generator, and includes a
ステータコア20は、ロータ10と同心円筒状のヨーク部22と、ヨーク部22から径方向内方に突出し、ヨーク部22の周方向に等間隔で複数(本実施形態では8つ)設けられたティース部21と、を備え、各ティース部21にはコイル30が巻き回されている。ステータコア20は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板23の積層体である。図2(a)は電磁鋼板23の斜視図であり、ティース部21を構成する部分とヨーク部22を構成する部分とが一体に形成されている。
The
本実施形態では、周方向には1つの電磁鋼板23を軸方向に積層してステータコア20を形成したが、ティース部、ヨーク部を分割してそれぞれを一方向性電磁鋼板から構成した分割コア方式のステータコアでもよい。
In the present embodiment, the
図1(a)及び(b)を参照して、ケース40は例えばアルミ合金等の金属製であり、ステータコア20が挿入される筒状体をなしている。図1(a)及び(b)においては、ステータコア20の軸方向の両端部が開放されているが、各端部にはロータ軸11を軸支する端部部材(不図示)が設けられる。端部部材はケース40と別体でケース40に固定することで構成できるが、端部部材の一方はケース40と一体であってもよい。
Referring to FIGS. 1A and 1B,
応力付加部材50は、各ティース部毎に設けられ、ティース部21に圧接して、ティース部21の突出方向と直交する方向の圧縮応力をティース部21に付加する。応力付加部材50の材料は非磁性材料であり、例えば、アルミ合金やオースナイト系SUS等の非磁性金属材料を用いることができる。
The
図2(b)はティース部21に設けられた応力付加部材50の斜視図である。本実施形態の場合、応力付加部材50は、ティース部21の周方向の各側面に圧接する一対の壁部50aと、ティース部21の軸方向の各側面に圧接する一対の壁部50bと、から構成され、ティース部21を囲む方形の筒体である。
FIG. 2B is a perspective view of the
本実施形態の場合、ティース部21の先端部分21aが、他の部分よりも幅広となっているため、応力付加部材50は互いに接合されて筒体を構成する複数の分割体から構成されている。図3(a)及び(b)は応力付加部材50の構成例を示す分解斜視図である。これらの構成例は、いずれも、応力付加部材50を2分割構造としたものであるが、3分割以上であってもよい。尤も、組み立て時の利便性を考慮すると2分割構造が望ましい。
In the case of this embodiment, since the front-end | tip
図3(a)の例は、応力付加部材50を周方向に2分割した分割体51と52とから構成したものである。また、図3(b)の例は、応力付加部材50を軸方向に2分割した分割体53と54とから構成したものである。図3(b)の例の場合、各ティース部21に応じて周方向に環状に分割体53、54を配し、分割体53及び分割体54毎に一体化してもよい。図3(c)は、全ての分割体54を一体化した構成例を示す図であり、リング状の部材と各分割体54を一体的に構成することで、全分割体54を一体化したものである。
The example of Fig.3 (a) is comprised from the
分割体同士の接合方法としては、溶接のほか、機械的な係合であってもよく、強固に接合できればどのような接合でもよい。溶接等の場合、図3(a)の例のように周方向に2分割した構成の方が、溶接作業がやり易いという利点がある。 As a method for joining the divided bodies, mechanical engagement may be used in addition to welding, and any joining may be used as long as it can be firmly joined. In the case of welding or the like, the configuration divided into two in the circumferential direction as in the example of FIG.
図4(a)は分割体51、52の接合構造を示す断面図であり、機械的な係合構造の例を示す。分割体53、54の接合にも同種構造を用いることもできる。図4(a)の例では、分割体51、52の各接合端面において、分割体51には突起部51aを設け、分割体52には突起部51aが嵌合する溝52aを形成したものである。この突起部51a及び溝52aは接合端面の長手方向に線状に形成することができる。突起部51aと溝52aとを嵌合すると、溝52aが押し広げられて若干塑性変形する場合があるが、応力付加部材50にはコイル30が巻かれるので該変形は解消される。
FIG. 4A is a cross-sectional view showing the joining structure of the divided
応力付加部材50を設けると、ティース部21間のスペースが小さくなり、コイル30の配設スペースが応力付加部材50を設けない場合よりも小さくなる。本実施形態では、応力付加部材50が、ティース部21の根元部分と先端部分21aとの間の部分において、先端部分と根元部分とからそれぞれ離間してティース部21に圧接するように応力付加部材50の径方向の幅を設定している。そして、先端部分21a側と根元部分側においてはコイル30をティース部21に直接巻くようにしている。
When the
図4(b)はコイル30の配設状態を示す図であり、特に、応力付加部材50の周囲においては、個々のコイル巻き線31の配置を詳細に示した図である。同図に示すように、応力付加部材50がティース部21に圧接した領域R2においてはコイル巻き線31は応力付加部材50を介してティース部21に巻きまわされ、応力付加部材50がティース部21に圧接していない、根元部分側の領域R1及び先端部分21a側の領域R3においてはコイル巻き線31は応力付加部材50を介さずに直接ティース部21に巻きまわされている。このように領域R1、R3をコイル30の配設スペースとして利用して、コイル30の巻き量を確保できる。
FIG. 4B is a diagram showing the arrangement state of the
なお、コイル巻き線31とステータコア20との間は絶縁されるようにシート等が設けられることはいうまでもない。また、応力付加部材50を、ティース部21の根元部分と先端部分21aとから離間させることは、ティース部21の根元周辺において応力付加部材50がヨーク部22に圧縮応力を付与してしまうことを確実に回避できるという効果もある。
Needless to say, a sheet or the like is provided between the coil winding 31 and the
係る構成からなる回転電機Aでは、応力付加部材50がティース部21の突出方向と直交する方向の圧縮応力をティース部21に与えることで、ティース部21の突出方向、つまり、磁束が流れる方向の磁気特性が向上し、その鉄損を低減することができる。図5(a)は応力付加部材50によりティース部21に付加される圧縮応力の説明図である。
In the rotating electrical machine A having such a configuration, the
電磁鋼板は、圧縮応力を受けるとその圧縮方向と直交する方向の磁気特性が向上するという性質がある。これは圧縮応力を受けるとその圧縮方向と直交する方向に磁区が向き易くなるためと考えられる。本実施形態の場合、図5(a)に示すように、ティース部21に対して応力付加部材50によって、矢印d2で示す周方向の圧縮応力と矢印d3で示す軸方向の圧縮応力が付加される。このため、矢印d1で示すティース部21の突出方向の磁気特性が向上することになる。本実施形態では応力付加部材50が、矢印d2で示す周方向の圧縮応力と矢印d3で示す軸方向の圧縮応力とを付加するが、周方向又は軸方向のいずれか一方向の圧縮応力を付加するようにしてもよい。
When subjected to compressive stress, the electrical steel sheet has a property that magnetic properties in a direction perpendicular to the compression direction are improved. This is considered to be because when a compressive stress is applied, the magnetic domains are easily oriented in a direction perpendicular to the compression direction. In the case of this embodiment, as shown in FIG. 5A, the
応力は材料の熱膨張、熱収縮を利用した残留応力で付加することができる。例えば、応力付加部材50を加熱して熱膨張させた状態でティース部21に装着し、常温に戻すことで応力が付加されるようにする。このとき、応力付加部材50の常温での寸法により圧縮応力を制御できる。図5(b)は応力付加部材50の寸法を示す説明図である。壁部50a間の常温での幅W1をティース部21の周方向の幅よりも短くしておくことで、図5(a)において矢印d2で示す周方向の圧縮応力をティース部21に付加でき、寸法差の度合いにより圧縮応力の大きさを変えることができる。同様に、壁部50b間の常温での幅W2をティース部21の軸方向の幅よりも短くしておくことで、図5(a)において矢印d3で示す軸方向の圧縮応力をティース部21に付加でき、寸法差の度合いにより圧縮応力の大きさを変えることができる。
The stress can be applied as a residual stress utilizing thermal expansion and contraction of the material. For example, the
<第2実施形態>
上記第1実施形態では、先端部分21aを除き、ティース部21の周方向の幅を均一としたが、根元部分から先端部分21aに向かうに従って周方向の幅を狭くしてもよい。このようにすることで、上記第1実施形態の構成よりもコイル30の配設スペースを拡大できる。この場合、応力付加部材50の壁部50aもティース部21の形状に倣ったものとする。
<Second Embodiment>
In the said 1st Embodiment, except for the front-end | tip
図5(c)は、本発明の第2実施形態におけるティース部21'、応力付加部材50'の説明図である。ティース部21'は、その根元部分の周方向の幅がW11であって、先端部分21a'側の周方向の幅がW12(<W11)であり、根元部分から先端部分21a'に向かうに従って周方向の幅が狭くなっている。
FIG.5 (c) is explanatory drawing of teeth part 21 'and stress application member 50' in 2nd Embodiment of this invention. The
応力付加部材50'は、ティース部21の周方向の各側面に圧接する一対の壁部50a'がティース部21'の形状に倣ったものとなっており、壁部50a'間の幅がティース部21'の根元部分側で大きく、先端部分21a'側で小さくなっている。
The
本実施形態の場合、ティース部21'の先端部分21a'側の周方向の幅が狭くなっているため、相対的に先端部分21a'側で磁気特性がよい方が望ましい。一方、圧縮応力の付与による磁気特性の向上は、ある範囲で圧縮応力の大きさに比例する。そこで、応力付加部材50'による圧縮応力が、図5(c)の矢印の長さで示すように、根元部分側で相対的に小さく、先端部分21a'側で相対的に大きいことが好ましい。圧縮応力の大きさは、上記の通り、常温時の応力付加部材50'の寸法で制御でき、ティース部21'の周方向の幅と壁部50a'の幅との常温での寸法差を、根元部分側で相対的に小さく、先端部分21a'側で相対的に大きくすればよい。
In the case of the present embodiment, since the circumferential width on the
<第3実施形態>
上記第1実施形態では、応力付加部材をティース部21を囲む筒体で構成したが、ティース部21間に介在する部材で構成してもよい。図6(a)は本発明の第3実施形態における応力付加部材150の説明図、図6(b)は応力付加部材150の斜視図である。
<Third Embodiment>
In the said 1st Embodiment, although the stress addition member was comprised with the cylinder surrounding the
応力付加部材150は軸方向の開口部151を有する筒体であり、各ティース部21間に配設されている。開口部151はコイル30を巻きまわすための空間である。なお、上記第1実施形態の図4(b)の構成のように、ティース部21の根元部分側、先端部分側に、応力付加部材150が圧接していないスペースを設けた場合は、開口部151に加えて該スペースもコイル30を巻きまわすスペースとして利用でき、この場合は図4(b)の領域R1、R3のようにティース部21に直接コイル30を巻きまわすことができる。また、本実施形態と上記第2実施形態とを組み合わせることも可能である。
The
応力付加部材150は、ティース部21の周方向の側面に圧接する一対の壁部150aを備え、この壁部150a間の常温での幅を、互いに隣接するティース部21の周方向の側面間の幅よりも大きくすることで、ティース部21に対して周方向の圧縮応力を付加できる。応力付加部材150は、ティース部21間に圧入して設けることができる。また、ステータコア20を加熱して熱膨張させ、熱膨張しているときに応力付加部材150をティース部21間に配置し、ステータコア20が常温に戻って収縮することを利用して圧縮応力を付加するようにしてもよい。
The
また、壁部150aの径方向の幅Waを、ティース部21の根元部分から先端部分21aまでの幅Wtよりも大きくすることで、ティース部21に対してその突出方向の引張応力も付加できる。これによりティース部21の突出方向の磁気特性を更に向上できる。この場合、ヨーク部22に対して圧縮応力が働くが、本実施形態の場合、壁部150bがヨーク部22の内周面に倣って形成されて面で接触している。このため、ティース部21の根元近傍に局所的名圧縮応力が集中的に作用することを回避でき、ヨーク部22に対する径方向の圧縮応力の集中による鉄損の増大を抑制できる。
Moreover, the tensile stress of the protrusion direction can also be added with respect to the
応力付加部材150は、各ティース部21間の配設スペースに応じて周方向に環状に配置し、図3(c)の構成例のように、全応力付加部材150を一体化してもよい。
The
<第4実施形態>
上記第1及び第3実施形態では応力付加部材を筒体で構成したが、ティース部21毎に設けられ、ティース部21に巻き回された帯体であってもよい。図7は本発明の第4実施形態における応力付加部材250の説明図である。応力付加部材250は、一本の帯体であり、この帯体にテンションをかけながらティース部21に複数周回巻きつけて設けられている。そして、巻きつけ時の帯体のテンションの度合いに応じた圧縮応力をティース部21に付加する。応力付加部材250は、例えば、50μm乃至100μmの帯状金属箔であって、オースナイト系SUS等の非磁性金属箔である。
<Fourth embodiment>
In the first and third embodiments, the stress applying member is formed of a cylindrical body, but may be a belt provided for each
なお、上記第1実施形態の図4(b)の構成のように、ティース部21の根元部分側、先端部分側に、応力付加部材250が圧接していないスペースを設けた場合は、該スペースもコイル30を巻きまわすスペースとして利用でき、この場合は図4(b)の領域R1、R3のようにティース部21に直接コイル30を巻きまわすことができる。また、本実施形態と上記第2実施形態とを組み合わせることも可能である。ティース部の根元部分側と先端部分側とで圧縮応力に差をつける場合、部位によって巻きつけ時のテンションを変えるか、或いは、1つのティース部21に対して2本以上の帯体を巻きつけ、各帯体毎に巻きつけ時のテンションを変えることができる。
In addition, when the space which the
A 回転電機
10 ロータ
20 ステータコア
21 ティース部
22 ヨーク部
23 電磁鋼板
40 ケース
50、150、250 応力付加部材
A Rotating
Claims (5)
円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、
を備えた回転電機において、
前記ティース部に圧接して、前記ティース部の突出方向と直交する方向の圧縮応力を付加する応力付加部材を設けたことを特徴とする回転電機。 A rotor,
A cylindrical yoke portion, and a plurality of teeth portions protruding inward in the radial direction of the rotor from the yoke portion and provided in the circumferential direction of the yoke portion, and a plurality of electromagnetic steel plates are arranged in the axial direction of the rotor A stator core formed by laminating to,
In a rotating electrical machine with
A rotating electrical machine comprising a stress applying member that presses against the tooth portion and applies a compressive stress in a direction orthogonal to a protruding direction of the tooth portion.
前記応力付加部材は、前記ティース部の根元部分と先端部分との間の部分において、前記根元部分と前記先端部分とからそれぞれ離間して前記ティース部に圧接し、
前記コイルは、
前記応力付加部材を介して前記ティース部に巻き回された部分と、
前記応力付加部材が前記ティース部に圧接していない部分において前記応力付加部材を介さずに前記ティース部に巻き回された部分と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 Comprising a coil wound around the teeth portion;
The stress applying member is in pressure contact with the teeth portion at a portion between the root portion and the tip portion of the tooth portion, being separated from the root portion and the tip portion, respectively.
The coil is
A portion wound around the teeth portion via the stress applying member;
A portion wound around the teeth portion without the stress applying member in a portion where the stress applying member is not pressed against the teeth portion;
The rotating electrical machine according to claim 1, comprising:
前記筒体は、互いに接合されて前記筒体を構成する複数の分割体からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機。 The stress applying member is provided for each tooth portion, and is a cylindrical body surrounding the tooth portion,
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the cylindrical body is composed of a plurality of divided bodies that are joined together to form the cylindrical body.
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