JP2019026912A - 圧粉磁心用粉末および圧粉磁心 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減を両立し、低鉄損な圧粉磁心用粉末および圧粉磁心を提供する。
【解決手段】圧粉磁心用粉末は、粒径分布曲線Cにおいて、2つの極大値Rv1、Rv2を有する。このため、第2粒径Dv2および第2極大値Rv2が調整されることで、比較的大きい結晶粒径Dの個数比率Rvを大きくできる。これにより、粒界が大きくなり、磁区と磁区との境界である磁壁が移動しやすくなる。このため、ヒステリシス損が低減される。また、第1粒径Dv1および第1極大値Rv1が調整されることで、メジアン径D50を小さくできる。これにより、渦電流損が低減される。したがって、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減を両立し、低鉄損にできる。
【選択図】図3

Description

本開示は、圧粉磁心用粉末および圧粉磁心に関する。
従来、モータまたは点火コイル等に用いられる圧粉磁心が知られている。特許文献1に記載されているように、圧粉磁心に用いられる材料として、結晶粒径分布を求めたときに、70%以上の結晶粒径が50μm以上である鉄基粉末が知られている。
特開2008−063652号公報
一般に、圧粉磁心の電磁変換特性の損失である鉄損は、磁束密度−磁場カーブの面積に相当するヒステリシス損と磁場変化に対する電磁誘導で発生する起電力に伴う誘導電流のジュール損失である渦電流損との和で表される。特許文献1の構成では、比較的大きな結晶粒径の比率を大きくすることによって、ヒステリシス損を低減している。
ヒステリシス損は、結晶粒径が大きいほど、低減する。一方で、粉末のメジアン径が小さいほど、渦電流損は、低減する。特許文献1の構成のように、結晶粒径を大きくするとメジアン径が大きくなり、渦電流損は、増加する。粉末の粒径設計において、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減の両立は、困難である。
本開示の目的は、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減を両立し、低鉄損な圧粉磁心用粉末および圧粉磁心を提供することにある。
本開示は、圧粉磁心に用いられる圧粉磁心用粉末(1)である。
複数の結晶粒(2)を備え、結晶粒の各結晶粒径(D)および結晶粒径が測定された結晶粒の個数に対する各結晶粒径における結晶粒の個数の割合である個数比率(Rv)でプロットしたときに、少なくとも2つの極大値(Rv1、Rv2)を有する。
比較的大きい極大値が調整されることで、比較的大きい結晶粒径の個数比率が大きくなる。このため、ヒステリシス損が低減される。また、比較的小さい極大値が調整されることで、圧粉磁心用粉末のメジアン径が小さくなる。このため、渦電流損が低減される。したがって、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減を両立し、低鉄損にできる。
また、本開示は、圧粉磁心に用いられる圧粉磁心用粉末(1)である。
複数の結晶粒(2)を備え、測定された結晶粒の個数に対して、結晶粒径(D)が50μm以上である結晶粒の個数の割合が5−35%である。
さらに、本開示は、上記圧粉磁心用粉末により形成された圧粉磁心として提供される。
上記圧粉磁心用粉末と同様の効果を奏する。
本実施形態の圧粉磁心用粉末の模式図。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒径の測定を説明するためのフローチャート。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒の画像解析を説明するための模式図。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末の粒径分布曲線を示す図。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末の鉄損を示す図。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒径の逆数とヒステリシス損とを表す関係図。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末の第2極大値と鉄損とを表す関係図。 第1実施形態の圧粉磁心用粉末のメジアン径と渦電流損とを表す関係図。 第2実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒径の測定を説明するためのフローチャート。 第2実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒径の逆数とヒステリシス損とを表す関係図。 第2実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒径の逆数とヒステリシス損とを表す関係図。 第3実施形態の圧粉磁心用粉末の個数分布曲線を示す図。 第3実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒径の逆数とヒステリシス損とを表す関係図。 第3実施形態の圧粉磁心用粉末の結晶粒と鉄損とを表す関係図。
以下、圧粉磁心用粉末および圧粉磁心の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態の説明において、実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明する。本実施形態という場合、複数の実施形態を包括する。
本実施形態の圧粉磁心用粉末は、圧粉磁心の製造に用いられる。この圧粉磁心は、モータのロータもしくはステータ等のコア、リアクトルまたは点火コイルに用いられる。
(第1実施形態)
図1に示すように、圧粉磁心用粉末1は、強磁性体または軟磁性体の金属粉末であり、複数の結晶粒2を備え、結晶粒2の集合体である。
圧粉磁心用粉末1は、例えば、純鉄粒子、鉄基合金粒子またはアモルファス粒子等である。鉄基合金粒子は、例えば、Fe−Al合金、Fe−Si合金、センダストまたはパーマロイ等である。結晶粒2の粒径を結晶粒径D[μm]とする。粒径が測定された結晶粒2の個数に対する各結晶粒径Dにおける結晶粒2の個数の割合を個数比率Rv[%]とする。
結晶粒2は、第1粒子21および第2粒子22を有する。
第1粒子21および第2粒子22は、アトマイズ法、機械的粉砕、還元法等により準備される。アトマイズ法としては、例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、ガス水アトマイズ法である。第1粒子21および第2粒子22は、篩を用いて、粒径が調整される粉末である。
第1粒子21は、目開き90μm以上、かつ、180μm以下である篩を通過可能である。なお、目開きは、篩の網目の大きさまたは密度を表す基準の1つであり、網目の1つあたりの空間における天地幅または左右幅を表す。
第2粒子22は、目開き212μm以上、かつ、250μm以下である篩を通過可能である。圧粉磁心用粉末1の全重量に対する第2粒子22の重量の割合を第2粒子重量比W2とする。第2粒子重量比W2が20%以上50%以下となるように、第1粒子21と第2粒子22とが混合され、圧粉磁心用粉末1は調整される。
調整された圧粉磁心用粉末1が金型に充填される。充填された圧粉磁心用粉末1は、密度が所定値となるように、プレス成形される。所定値は、任意に設定されており、鉄損、ヒステリシス損および渦電流損が測定されやすいように、設定されている。プレス成形された圧粉磁心用粉末1は、ひずみを除去するため、所定の温度および所定の時間、真空で焼鈍される。焼鈍された圧粉磁心用粉末1の結晶粒径Dが金属顕微鏡により測定される。結晶粒径Dの測定後、圧粉磁心用粉末1の鉄損、ヒステリシス損および渦電流損が測定される。
図2のフローチャートを参照して、結晶粒径Dの測定について説明する。フローチャート中で、「S」は、ステップを意味する。
ステップ101において、目開き90μm以上、かつ、180μm以下である篩を用いて、第1粒子21が作製される。
ステップ102において、目開き212μm以上、かつ、250μm以下である篩を用いて、第2粒子22が作製される。
ステップ103において、第2粒子重量比W2が20%以上50%以下となるように、第1粒子21と第2粒子22とが混合され、圧粉磁心用粉末1は、調整される。
ステップ104において、調整された圧粉磁心用粉末1は、金型に充填され、プレス成形される。
ステップ105において、プレス成形された圧粉磁心用粉末1は、焼鈍される。
ステップ106において、圧粉磁心用粉末1は、樹脂に埋め込められる。
ステップ107において、圧粉磁心用粉末1の断面が露出するように、圧粉磁心用粉末1を埋め込んだ樹脂が切断される。
ステップ108において、露出している圧粉磁心用粉末1の断面を鏡面研磨する。
ステップ109において、鏡面研磨した断面をエッチングする。
ステップ110において、光学顕微鏡を用いて、エッチングされた断面を倍率100−400倍で観察する。また、光学顕微鏡を用いて、エッチングされた断面の複数箇所を撮影する。第1実施形態では、5から10箇所が撮影されている。撮影された複数の画像の中に、樹脂に埋められている圧粉磁心用粉末1の結晶粒2が100個以上観察される。
ステップ111において、撮影した写真から対象となる結晶粒2を画像解析する。画像解析では、画像処理プログラムが用いられる。
図3に示すように、画像解析では、1枚の画像に対して、複数の平行線Pが所定の間隔で引かれる。図中において、結晶粒2を明確にするため、結晶粒2を誇張して記載している。また、図中において、紙面の左右方向に延びるように、5本の平行線Pが引かれている。結晶粒2同士の界面または端面である粒界3と平行線Pとの距離を交点間距離Liとする。
1つの結晶粒2の粒界3と平行線Pと交わる数に応じて、交点間距離Liが測定される。測定した交点間距離Liの平均した値を結晶粒径Dとする。なお、1つの結晶粒2において、粒界3と平行線Pとが交わらないとき、その結晶粒2の結晶粒径Dは測定除外とする。図中において、交点を明確にするため、交点を黒丸で記載している。測定した結晶粒径Dから個数比率Rvが演算される。各結晶粒径Dと個数比率Rvとがプロットされ、プロットした点を結んだ曲線である粒径分布曲線Cが描かれる。
図4に示すように、圧粉磁心用粉末1は、粒径分布曲線Cに、少なくとも2つの極大値を有する。図中において、紙面に対して左右方向に延びる軸を結晶粒径Dの軸とし、紙面に対して上下方向に延びる軸を個数比率Rvとして、粒径分布曲線Cが記載されている。第1実施形態では、2つの極大値を有する。すなわち、粒径分布曲線Cは、2山を有する。極大値とは、粒径分布曲線Cにおいて、接線の傾きがゼロとなる点であり、結晶粒径Dの増加に伴い、接線の傾きの符号がプラスからマイナスに変化する変わり目である。なお、本明細書中では、「ゼロ」とは、常識的な誤差範囲を含むものとする。
一方の極大値を第1極大値Rv1[%]とする。他方の極大値を第2極大値Rv2[%]とする。第1極大値Rv1に対応する結晶粒径Dを第1粒径Dv1[μm]とする。第2極大値に対応する結晶粒径Dを第2粒径Dv2[μm]とする。第2粒径Dv2は、第1粒径Dv1よりも大きい。
圧粉磁心用粉末1は、第2粒径Dv2が50μm以上であり、第2極大値Rv2が5−35%となるように、調整されている。
圧粉磁心用粉末1は、メジアン径D50[μm]が30μm以下となるように、調整されている。なお、メジアン径D50は、個数比率Rvが50%であるときの結晶粒径Dである。
圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心を形成し、その圧粉磁心を用いたモータの損失測定をJIS_C_4034−2−1に基づいて測定した。ヒステリシス損は、周波数に比例し、渦電流損は、周波数の2乗に比例する。このため、各周波数の鉄損および周波数の関係から鉄損をヒステリシス損と渦電流とに分離できる。特許文献1に記載されるような70%以上の結晶粒径が50μm以上である圧粉磁心用粉末を用いた圧粉磁心を比較例とする。本実施形態の圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心の鉄損と比較例の鉄損とを比較した。
圧粉磁心用粉末の結晶粒径が大きいほど、粒界の界面が大きくなる。このとき、スピンが同じ方向を向いた領域を表す磁区と磁区との境界である磁壁が移動しやすくなり、ヒステリシス損は、低減する。一方で、圧粉磁心用粉末の結晶粒径が大きいほど、粒内の面積が増加するため、粒内の渦電流が大きくなる。このため、渦電流損は、増加する。特許文献1の構成では、圧粉磁心用粉末の結晶粒径が大きくなるため、渦電流損は、増加する。従来では、粉末の粒径設計において、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減の両立は、困難であった。そこで、本実施形態の圧粉磁心用粉末1は、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減を両立し、低鉄損にする。
(効果)
[1]図5に示すように、圧粉磁心用粉末1は、比較例と比較して鉄損が約48%低減されている。このうち、ヒステリシス損は、約43%低減されており、渦電流損は、5%低減されている。
圧粉磁心用粉末1は、粒径分布曲線Cにおいて、少なくとも2つの極大値を有する。第2粒径Dv2および第2極大値Rv2が調整されることで、比較的大きい結晶粒径Dの個数比率Rvを大きくできる。これにより、粒界3の界面が大きくなり、磁壁が移動しやすくなる。このため、ヒステリシス損が低減される。また、第1粒径Dv1および第1極大値Rv1が調整されることで、メジアン径D50を小さくできる。これにより、渦電流損が低減される。したがって、ヒステリシス損の低減および渦電流損の低減を両立し、低鉄損にできる。
[2]第2極大値Rv2を一定にして、第2粒径Dv2を変更して、圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心のヒステリシス損を測定した。図中に、第2粒径Dv2の逆数とヒステリシス損とがプロットされている。
図6に示すように、第2粒径Dv2の逆数が小さくなるに伴い、すなわち、第2粒径Dv2が大きくなるに伴い、ヒステリシス損が低減する。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて検討すると、第2粒径Dv2の逆数が0.02以下、すなわち、第2粒径Dv2が50μm以上であるとき、ヒステリシス損が許容値以下となる。
[3]第2粒径Dv2を一定にして、第2極大値Rv2を変更して、圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心の鉄損を測定した。図中に、第2極大値Rv2と鉄損とがプロットされている。
図7に示すように、第2極大値Rv2が大きくなるに伴い、すなわち、比較的大きい結晶粒径Dの個数比率Rvが大きくなるに伴い、ヒステリシス損が低減する。このため、鉄損が低減する。第2極大値Rv2が20%のときに、鉄損が最小となる。さらに、第2極大値Rv2が大きくなると、メジアン径D50が大きくなり、渦電流損が増大する。このため、鉄損が増大する。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて検討すると、第2極大値Rv2が5−35%であるとき、鉄損が許容値以下となる。
[4]第2粒径Dv2および第2極大値Rv2を一定にして、圧粉磁心用粉末1のメジアン径D50を変更して、圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心の渦電流損を測定した。
図8に示すように、圧粉磁心用粉末1のメジアン径D50を小さくするに伴い、渦電流損が小さくなる。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて検討すると、圧粉磁心用粉末1のメジアン径D50が30μm以下であるとき、渦電流損が許容値以下となる。
[5]第2粒子重量比W2が20%以上50%以下となるように、第1粒子21と第2粒子22とが混合されている。これにより、圧粉磁心用粉末1の粒径分布曲線Cにおいて、第2粒径Dv2および第2極大値Rv2の調整がしやすくなる。
(第2実施形態)
第2実施形態では、結晶粒径の測定が異なる点を除いて、第1実施形態と同様である。
粒径測定は、測定方法により、バラツキが生じることがある。第2実施形態では、光を用いて、圧粉磁心用粉末1が測定されている。
圧粉磁心用粉末1の各結晶粒径Dは、JIS_Z_8825に基づいて、測定される。
図9のフローチャートを参照して、結晶粒径Dの測定について説明する。
ステップ201−203は、第1実施形態のステップ101−103と同様である。
ステップ204において、レーザ等の光を用いた回折法により、圧粉磁心用粉末1における結晶粒2の結晶粒径Dが測定される。結晶粒2に光が通過したとき、光が散乱する。散乱した光の角度が大きいほど、結晶粒径Dは小さくなる。散乱した光の角度を測定および解析することで、結晶粒径Dが測定される。第2実施形態では、光により測定された結晶粒径Dを用いて、粒径分布曲線Cが描かれる。
第2実施形態においても、第1実施形態の[1]と同様の効果を奏する。
[6]第2極大値Rv2を一定にして、第2粒径Dv2を変更して、第2実施形態の圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心のヒステリシス損を測定した。
図10に示すように、第2粒径Dv2の逆数が小さくなるに伴い、すなわち、第2粒径Dv2が大きくなるに伴い、ヒステリシス損が低減する。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて検討すると、第2粒径Dv2の逆数が0.0047以下、すなわち、第2粒径Dv2が212μm以上であるとき、ヒステリシス損が許容値以下となる。また、第2実施形態においても、第2極大値Rv2が5−35%であるとき、鉄損が許容値以下となる。
[7]第2粒径Dv2および第2極大値Rv2を一定にして、第2実施形態の圧粉磁心用粉末1のメジアン径D50を変更して、圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心の渦電流損を測定した。
図11に示すように、圧粉磁心用粉末1のメジアン径D50を小さくするに伴い、渦電流損が低減する。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて検討すると、圧粉磁心用粉末1のメジアン径D50が180μm以下であるとき、渦電流損が許容値以下となる。
(第3実施形態)
第3実施形態では、圧粉磁心用粉末の粒径分布曲線が異なる点を除いて、第1実施形態と同様である。
図12に示すように、第3実施形態の圧粉磁心用粉末1は、粒径が測定された結晶粒2の個数に対して、結晶粒径Dが50μm以上である結晶粒2の個数の割合が5−35%に調整されている。図中において、紙面に対して左右方向に延びる軸を結晶粒径Dの軸とし、紙面に対して上下方向に延びる軸を結晶粒2の個数Nとして、個数分布曲線C_Nが記載されている。また、図中において、結晶粒径Dの軸と個数分布曲線C_Nとで区画される面積である全面積Sが結晶粒2の全個数に相当する。
結晶粒径Dの軸と個数分布曲線C_Nとに交わり、個数Nの軸に平行な直線を区画線Lとする。区画線Lと結晶粒径Dの軸との交点の値を交点値Di[μm]とする。区画線Lと結晶粒径Dの軸と個数分布曲線C_Nとで区画される面積を部分面積Spとする。部分面積Spは、結晶粒径Dが交点値Di以上の結晶粒2の個数に相当する。交点値Diが50μm以上、全面積Sに対する部分面積Spの割合Sp/S[%]が5−35%となるように、第3実施形態の圧粉磁心用粉末1は、調整されている。
第3実施形態においても、第1実施形態の[1]と同様の効果を奏する。
[8]部分面積Spを一定にして、交点値Diを変更して、第3実施形態の圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心のヒステリシス損を測定した。図中に、交点値Diの逆数とヒステリシス損とがプロットされている。
図13に示すように、交点値Diの逆数が小さくなるに伴い、すなわち、交点値Diが大きくなるに伴い、ヒステリシス損が低減する。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて、検討すると、交点値Diの逆数が0.02以下、すなわち、交点値Diが50μm以上であるとき、ヒステリシス損が許容値以下となる。
[9]50μm以上で交点値Diを一定にして、割合Sp/Sを変更して、第3実施形態の圧粉磁心用粉末1を用いた圧粉磁心のヒステリシス損を測定した。図中に、割合Sp/Sと鉄損とプロットされている。
図14に示すように、割合Sp/Sが大きくなるに伴い、比較的大きい結晶粒径Dの個数比率Rvが大きくなる。これにより、ヒステリシス損が低減する。このため、鉄損が低減する。さらに、割合Sp/Sが大きくなると、メジアン径D50が大きくなり、渦電流損が増大する。このため、鉄損が増大する。本実施形態に用いられる圧粉磁心用粉末1に関する特性に基づいて検討すると、割合Sp/Sが5−35%であるとき、鉄損が許容値以下となる。
(他の実施形態)
[i]結晶粒径Dは、以下のように、画像解析で測定してもよい。画像解析では、結晶粒の断面の重心が求められる。この重心を通るように、結晶粒2の断面上に直線が引かれる。この直線と結晶粒2の断面の外縁との交点間距離Liが測定される。これを2度刻みに180点測定し、測定結果を平均したものを結晶粒径Dとする。
結晶粒径Dを測定するための結晶粒2の個数は、少なくとも50個である。結晶粒径Dを測定するための結晶粒2の個数は、できるだけ多い方がよい。結晶粒径Dを測定するための結晶粒2の個数は、60個以上であってもよく、または、70個以上であってもよい。結晶粒径Dの測定では、圧粉磁心用粉末1の粒径分布を考慮したときに、極端にバラツキが生じないように、結晶粒2が選択される。
[ii]圧粉磁心用粉末の結晶粒径Dの測定方法は、遠心沈降法または電気的検知体法であってもよい。
[iii]圧粉磁心用粉末に、フェライト等を用いて絶縁性を有する膜が成膜されてもよい。圧粉磁心用粉末に、絶縁被膜が成膜されることによって、渦電流損がさらに低減されやすくなる。
[iv]極大値の数は、2つに限定されず、2つ以上あればよい。極大値の数が多いほど、ヒステリシス損および渦電流損が両立しやすくなる。
以上、本開示はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
1 ・・・圧粉磁心用粉末、
2 ・・・結晶粒、
D ・・・結晶粒径、
Rv ・・・個数比率、
Rv1 ・・・第1極大値、
Rv2 ・・・第2極大値。

Claims (8)

  1. 圧粉磁心に用いられる圧粉磁心用粉末(1)であって、
    複数の結晶粒(2)を備え、
    前記結晶粒の各結晶粒径(D)および前記結晶粒径が測定された前記結晶粒の個数に対する各結晶粒径における前記結晶粒の個数の割合である個数比率(Rv)でプロットしたときに、少なくとも2つの極大値(Rv1、Rv2)を有する圧粉磁心用粉末。
  2. 前記圧粉磁心用粉末の断面を用いて測定された前記結晶粒の各結晶粒径および前記個数比率をプロットしたときに、2つの極大値(Rv1、Rv2)を有し、
    一方の極大値を第1極大値(Rv1)とし、他方の極大値を第2極大値(Rv2)とすると、
    前記第1極大値に対応する結晶粒径(Dv1)は、前記第2極大値に対応する結晶粒径(Dv2)よりも小さく、
    前記第2極大値に対応する結晶粒径が50μm以上であり、前記第2極大値が5−35%である請求項1に記載の圧粉磁心用粉末。
  3. 前記圧粉磁心用粉末の断面を用いて測定されたメジアン径(D50)が30μm以下である請求項1または2に記載の圧粉磁心用粉末。
  4. 光を用いて測定された前記結晶粒の各結晶粒径および前記個数比率をプロットしたときに、2つの極大値(Rv1、Rv2)を有し、
    一方の極大値を第1極大値(Rv1)とし、他方の極大値を第2極大値(Rv2)とすると、
    前記第1極大値に対応する結晶粒径(Dv1)は、前記第2極大値に対応する結晶粒径(Dv2)よりも小さく、
    前記第2極大値に対応する結晶粒径が212μm以上であり、前記第2極大値が5−35%である請求項1に記載の圧粉磁心用粉末。
  5. 光を用いて測定されたメジアン径(D50)が180μm以下である請求項1または4に記載の圧粉磁心用粉末。
  6. 目開き90μm以上、かつ、180μm以下である篩を通過可能な第1粒子(21)と、
    目開き212μm以上、かつ、250μm以下である篩を通過可能な第2粒子(22)と、
    を備え、
    前記圧粉磁心用粉末の重量に対する前記第2粒子の重量比は、20%以上、50%以下である請求項1から5のいずれか一項に記載の圧粉磁心用粉末。
  7. 圧粉磁心に用いられる圧粉磁心用粉末(1)であって、
    複数の結晶粒(2)を備え、
    測定された結晶粒の個数に対して、結晶粒径(D)が50μm以上である前記結晶粒の個数の割合が5−35%である圧粉磁心用粉末。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載の圧粉磁心用粉末で形成されている圧粉磁心。
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