JP2022504367A - コイル歯モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022504367000001
本発明は、コイル歯モジュールおよびその製造方法に関する。既製コイルに金属粉末が充填され、続いてこの粉末がプレスされて歯を形成することによって、歯がコイルに直接当接するコイル歯モジュールが作成される。

Description

本出願は、コイル歯モジュールの製造方法、およびその方法を用いて製造されるコイル歯モジュールに関する。
巻線コイルは電気機械に使用されている。多数の用途において、コイルは利用可能な設置空間を最適に充填していない。このため、重量または設置空間に対して、電気機械の出力またはトルク密度は低くなっている。コイルによって規定される、長手方向に沿った内側輪郭の様々な断面を有する鋳造コイル、型巻コイル、またはプリントコイルを使用することで、充填率が向上し、上述の欠点が改善される。
電気機械の効率を改善するため、コイルが歯の上に置かれるかまたは巻き付けられる。歯は、シート層または積層スタックまたは軟磁性複合材料(以下、SMC)で作るか、あるいはそれで構成することができる。コイルを取り付けることが可能になるようにコイルを歯に取り付けるため、寸法を減寸する必要がある。コイルと歯とが接触するのは理想的ではない。
本出願は、上述の欠点を減少させる、コイル歯モジュールおよびその製造方法を提示する。
目的は、請求項1に記載の方法によって、また請求項10に記載のコイル歯モジュールによって達成される。更なる実施形態を、従属請求項および記載する例示的実施形態から導き出すことができる。
本発明の方法によれば、既製コイルがプレス型に挿入される。プレス型は、例えば、その底面でコイルを支持することができる。既製コイルは、巻回を用いて、コイルがその周りに延在する内側輪郭を規定する。内側輪郭は、コイルの下側開口部から長手方向に沿ってコイルの上側開口部まで延在する。既製コイルは、好ましくは、EP 2 387 135 A2に示されているような例示的な形状を有する、ヘリカルコイルである。既製コイルは、好ましくは、印刷方法、鋳造方法、または型巻方法を用いて、らせん形状にされている。
コイルがプレス型内に配置された後、コイルの内側輪郭に金属粉末が、好ましくはSMC粉末が充填される。このプロセスで、内側輪郭は好ましくは完全に充填される。
充填プロセスが完了した後、金属粉末は、プレス型を用いて、例えばプランジャを使用して押し固められ、歯の形に形成される。そのようにして製造されたコイル歯モジュールは、内側輪郭に粉末が充填されているため、本質的にコイルと粉末との間に空洞が残っていないので、コイルと歯との間に非常に大きい接触面を有する。粉末が押し固められて歯が形成されると、歯はコイルに直接当接する。歯自体は高密度であり、また同時に、コイルの内側形状と緊密に熱的および磁気的に結合している。
プレスプロセスにより、粉末粒子が空洞に押し込まれ、高圧によって圧縮されるので、好ましくは、コイルの内部空間にある全ての空洞が埋められ、バルク粉末が圧縮される。プレス中に存在する数百メガパスカルの圧力により、粒子がプレスされて固体を形成するような形で、粒子間に形状嵌めが生じる。
上述のコイル歯モジュールの歯とコイルとの間の接触が、従来のコイル歯モジュールと比較して良好であることにより、コイルと歯との間の熱接触が改善され、コイル歯モジュールの磁気特性が改善される。これにより、コイルの熱放散が改善され、コイル歯モジュールの透磁率が向上する。従来的に製造されたコイル歯モジュールとは対照的に、ポッティング化合物を用いてコイルと歯との間の空洞を封止する必要はない(また潜在的に不可能である)。
方法の一実施形態では、更に、充填中またはプレス前に、例えばプレス型を振動または振とうさせることによって、金属粉末を励起して流動させてもよい。このようにして、バルク粉末がコイルの内部空間においてより良好に分配されるので、個々のコイル巻回の間の隙間が埋まる。
プレス型は、プレス工具の構成要素として設計することができる。第1の実施形態では、プレス型の底部は、下側開口部を含むコイルの表面(以下、下側表面)を少なくとも支持する。プレス工具のプランジャを使用して、コイルは、金属粉末が充填された後、上側開口部を含むコイルの表面(上側表面)、つまり下側表面とは反対側に位置するコイルの上側表面から、圧縮またはプレスされる。
底部に加えて、プレス型は、内部空間を区切る1つまたは複数の側壁も備えることができ、その内部空間には、製造されるコイル歯モジュールの、外表面によって区切られるコイルの外側輪郭が嵌合し、外側輪郭は好ましくは内部空間に当接する。プレス工具の側壁は、コイルが変形するのを防ぐか、あるいはコイルの内部空間に配設されたバルク粉末を圧縮またはプレスする間、コイルが外側に押されるのを防ぐ。このようにして、粉末粒子は、コイルの2つの隣接する巻回の間にある隙間を通って外に出ることができなくなり、空洞および2つの隣接する巻回間の隙間の充填が改善する。バルク粉末は、好ましくは、プレス型の側壁とコイルの外側側面との間には存在しないので、コイルの外側側面は、プレス後のプレスされた金属粉末によって取り囲まれない。これは、外側側面が歯を作成する追加の金属粉末によって取り囲まれないことを意味する。
方法の一実施形態では、コイルは、2つの隣接する巻回間のギャップを最小限に抑えるため、コイルに金属粉末を充填する前に、長手方向に沿ってプレス型の内部で圧縮される。このようにして、2つの隣接する巻回の間に生じることがある隙間の体積が最小限に抑えられる。圧縮は、例えば、プレス工具の更なる構成要素を用いて実施することができる。
ヘリカルコイルの実施形態では、各巻回の内側は、コイルの内側輪郭まで延在し、したがって歯と直接接触していることができる。結果として、コイルは、内側から外側を見たときに巻回が上下に重なって配設されない単層コイルである。更に、断面がヘリカルコイルの巻回ごとに変化して、用途に応じて、設置空間の充填率を改善することができる。
別の実施形態では、コイル歯モジュールは、金属粉末のプレス後に熱処理される。このようにして、プレス操作の結果として生じる、押し固められた歯の内部における残留応力が低減または排除される。プロセスにおいて、コイル歯モジュールを、保護ガス、空気、または還元性雰囲気下で、500℃~800℃の温度で15~30分間処理することができる。
別の実施形態では、コイルが次にその上に配置される金属粉末が、コイルがプレス型に挿入される前に、プレス型に導入される。コイルの内部空間を充填した後、プレスに続いて、既に導入されている粉末が押し固められて歯元を形成し、それが、使用された粒子によって、コイルの内部空間内に配置された歯との形状嵌めを形成するので、歯および歯元が互いにしっかりと恒久的に接合される。金属粉末のプレス中に歯元を製造する代わりに、歯元を前もって製造した後にだけ、プレス型に挿入することができる。その後、粉末粒子がコイルの内部空間に追加され、次に押し固められる。別の代替例では、歯元用にプレス型に導入される粉末が最初にプレスされ、歯元の形状にされる。その後に初めてコイルが導入され、充填される。
別の実施形態では、金属粉末はコイルの内部空間を完全に充填する。任意に、金属粉末はコイルの上面を完全に覆うので、歯先はコイル歯モジュールのプレス中に形成される。別の実施形態では、コイルの外側輪郭またはコイルの外側側面は、歯を形成する金属粉末によって覆われないままである。
歯元または歯先を備える実施形態では、歯元または歯先の形状を規定するようにプレス型を形作ることができる。歯元または歯先の形状は、プロセスにおいて、延長部または陥凹部が存在し、それが電気機械の回転子または固定子との形状嵌めを可能にするように選択することができる。これらの例では、コイル歯モジュールを固定子または回転子に挿入し、固定することができる。
別の実施形態では、既製コイルは、長手方向で見て、歯が少なくとも1つの巻回の裏側を係合するように形作られる。このようにして、コイルと歯との間に形状嵌め接続を確立することができる。例えば、コイルの外側輪郭が全ての巻回にわたって均等に延在するとともに、長手方向を横断する方向における1つの巻回の幅が低減されて、2つの当接する巻回でアンダーカットを形成するように、コイルの1つの巻回の厚さおよび幅を変更することができる。
上述の実施形態は、実施形態が互いに対する代替例として記載されていない限り、任意に互いに組み合わせることができる。
本明細書に記載する方法は、歯とコイルとの間に非常に良好な接触を確立し、電気機械内の利用可能な設置空間を良好に充填することができる、コイル歯モジュールを製造するのに使用することができる。従来技術とは対照的に、本発明によるコイル歯モジュールの多数の実施形態において、コイルと歯との間にポッティング化合物を分配することができる。
従来技術によるコイル歯モジュールと比較して、本明細書に提示するコイル歯モジュールは、バルク粉末が最初に空洞を、また必要であれば内部空間の隙間を充填し、後に続くプレス操作によって押し固められるので、コイルと歯との間により大きい接触面を有する。
コイル材料として、アルミニウムまたは銅など、市販の材料が使用されてもよい。更に、コイルは絶縁層でコーティングされてもよい。(一例として、SMCの)絶縁層でコーティングされたフェライト粒子または鉄粒子が、金属粉末として使用されてもよい。電気絶縁層でコーティングされた、純鉄、鉄シリコン、鉄ニッケル、または鉄コバルト粒子は、SMCに適している。また、SMCの基材としてフェライトを使用することが可能である。
更なる実施形態は、以下の例示的実施形態から導き出すことができる。
コイルの一例を示す図である。 上述のコイルの内側輪郭を示す詳細図である。 上述のコイルの内側輪郭を示す詳細図である。 コイル歯モジュールの製造中における個々の中間製品を示す概略図である。 コイル歯モジュールの製造中における個々の中間製品を示す概略図である。 コイル歯モジュールの製造中における個々の中間製品を示す概略図である。 コイル歯モジュールの製造中における代替の段階を示す図である。 コイル歯モジュールの製造中における代替の段階を示す図である。 コイル歯モジュールの製造中における代替の段階を示す図である。 コイル歯モジュールの製造に関する代替の例示的実施形態を示す図である。 コイル歯モジュールの製造に関する代替の例示的実施形態を示す図である。 コイル歯モジュールの製造に関する代替の例示的実施形態を示す図である。 コイル歯モジュールの製造に関する代替の例示的実施形態を示す図である。 コイル歯モジュールの概略図である。 コイル歯モジュールの概略図である。 製造方法の概略フローチャートである。
図1は、本明細書に記載するコイル歯モジュールまたはその製造方法で使用することができる、コイル1を示している。コイルの詳細な説明は、例えば、EP 2 387 135 A2に見出すことができ、その開示全体を参照により本出願に含める。コイル1は、例えば、鋳造または成形することができる。
コイル1は、複数の巻回3を有し、ヘリカル設計を有する。巻回3は、一番下の巻回7から長手方向9に沿って一番上の巻回11まで延在する、内部空間5を区切る。本例では、内部空間に向かって突出する巻回のそれぞれの縁部によって区切られ、長手方向9を横断する方向で延在する断面13は、コイルの高さHにわたって実質的に一定である。断面は、コイルの内部空間の内側輪郭によって区切られ、幅Bおよび長さLを有する実質的に長方形の設計を有する。コイルの巻回はバンド形状を有し、同様に幅b_Sおよび高さh_Sを有する。本例では、巻回の幅および高さはコイルの全長にわたって一定であるが、個々の例示的実施形態では、巻回は逸脱する幅b_Sおよび高さh_Sを有することができる。コイルの外側輪郭は、その4つの側面15、ならびに上面および下面によって区切られる。一番下の巻回が下面17を形成し、一番上の巻回が上面19を形成する。巻回に沿って可変であるコイルの断面は、例えば、一番下の巻回がより狭い幅b_S1およびより高い高さh_S1を有し、幅b_Sが頂部に向かって増加し、高さh_Sが頂部に向かって減少して、例えば、一番上の巻回が幅b_S2>b_S1および高さh_S2<h_S1を有するようにして、構成することができる。内側輪郭は、長手方向にわたって長方形であり一定のままなので、外側輪郭は角錐の切頭体の形状で延在する。かかる構成は、例として図2Aまたは図2Bに示されている。
ここで図示されるヘリカルコイルは、各巻回の内縁部が内部空間に導入される歯に当接することができるように形作られる。コイルが、従来技術に記載されているように、単に既存の歯の上に載せられた場合、歯の寸法を減寸する必要があることによって空洞が生じ、それがコイル歯モジュールの熱的および磁気的特性に悪影響を及ぼす。本明細書に記載するコイル歯モジュールでは、歯がコイルの内部空間内に配設されたバルク粉末をプレスして作られるという点で、空洞が回避される。
図2Aおよび図2Bは、コイル1を通る縦断面を示している。図2Aは、長手方向に沿って延在するとともに内部空間5を区切る、複数の巻回を示している。コイルの巻回の内縁部21は、製作に関連する丸みまたは食いつき部を有し、それによって内縁部21と歯との間の接触が更に低減される場合がある。それに加えて、同様に既製の歯との接触をより困難にする曲率半径25によって、巻回の曲げ23がもたらされる。更に図2Aから明らかなように、長手方向に沿って2つの巻回の間にギャップ27が生じる。コイルが長手方向に沿って互いにプレスされた場合、2つの巻回は直接当接することができ、丸みまたは食いつき部によって隙間29ができる。バルク粉末による内部空間5の充填は、コイルの弛緩状態(図2A)およびコイルの圧縮状態(図2B)の両方で行うことができる。
図3A、図3Bおよび図3Cに基づいて、本明細書によるコイル歯モジュールの製造方法について記載する。方法の単純な例示的一実施形態では、コイル31は最初に、コイル31が中で保持される下側プレス型35を備える、プレス工具33上に配置される。その後、非導電層でコーティングされた鉄で作られたSMC粒子が、粉末、即ち粒子がコイルの内部空間全体を充填するまで、更なる工具を用いてコイル31の内部空間37に注入される。(図3A。)良好な空洞なしの充填を可能にするため、粉末を、例えば、プレス型35の振動または振とうによって励起して流動させることができる。このようにして、粉末が、実質的に空洞がない形で、潜在的な隙間を含む内部空間を充填する。SMC粒子は後に続くプレスプロセスで可塑的に変形され、互いと係合され、つまり形状嵌めの形で接合されて、長手方向39全体にわたってコイルの内側輪郭に直接当接する連続的な歯を形成するので、プレスされていない粉末は、この場合は内部空間から突出する。この目的のため、粉末はプレス工具33の上側プランジャ41によって押し固められる(図3B)。プレス型とプランジャとの間に加えられる圧力は、このプロセスでは数百MPaである。プレス型35は一体型の設計で示されているが、例えば、歯の直下に位置するプレス型の部分43を別個に移動させることができる、数個構成の設計を有することもできる。
図3Cは、プロセスを用いて製造されたコイル歯モジュールを概略的に示している。上述のコイル31に加えて、コイルの内部でプレスされた歯45が見えている。製作プロセスにより、歯45は、コイルの長手方向全体にわたって巻回に直接当接し、2つの巻回の間の隙間(図2Bを参照)が充填される。コイル31と歯45との間の接触面が大きいことにより、2つの要素の良好な熱的接続が確保され、後の操作中におけるコイル歯モジュールの熱放散が確保される。隙間のサイズに応じて、歯は、少なくともコイルの内側輪郭の部分に裏側で係合するので、歯は形状嵌めの形でもコイルに接合される。粉末がプレスされた後、熱処理を実施することができ、その間に、プレス操作によって歯に導入された残留圧力を低減または減少させることができる。本例示的実施形態では、歯45はコイルの内側輪郭内でのみ延在し、歯の材料はコイルの外表面には塗布されない。これはまた、コイルの巻回が互いにプレスされることで、内側輪郭の内部に配設された金属粉末が巻回の間からコイルの外側側面に出られないことによって達成される。
コイル歯モジュールの別の例示的な製造方法について、図4A、図4Bおよび図4Cに基づいて記載する。プレス型およびコイル歯モジュールは、面A-A(図1を参照)に沿った縦断面図で示されている。この製造の変形例では、底部49および側壁51を含むプレス型47を備えるプレス工具が使用される。側壁は、それらが既製コイルの外側輪郭または外側側面を模倣するようにして離隔され、それによってコイルはプレス型に実質的に嵌合される。この例でもプレス型は一体型で示されているが、底部および側壁は互いに対して別々に移動可能であることができるので、プレス型を異なるコイルに適合させることができる。この例では、最初に、上述のコーティングされた鉄などの金属粉末が、プレス型47の底部に充填され、閉塞面52を形成し、それが後にプレスされた状態でコイル歯モジュールのプレート状の歯元を形成する。分布をできるだけ均質にするため、プレス型の中の粉末を振とうさせることで、潜在的な空洞は後に歯元となる部分から取り払われる。閉塞面52が提供された後、コイル53が閉塞面52上に置かれ、側壁51によって横方向で区切られる。コイルの巻回は可変の断面を有するので、プレス型47は角錐の四面切頭体の形状を有する。内部空間55に粉末が充填される前に、コイル53を長手方向に沿って圧縮して、個々の巻回の間にギャップが残らないように、または小さいギャップしか残らないようにすることができる。このようにして、コイル歯モジュールが必要とする電気機械内の必要設置空間が小さく保たれる。内部空間55の充填は、同様に、空洞を回避するためにプレス型47を振とうしながら実施される(図4A)。内部空間55は完全に充填され、その後、閉塞面57が一番上の巻回の上に注入され、それが閉塞面52と同様に、粉末がプレスされるとすぐにプレート状の歯先を形成する。(図示されないプランジャを用いた)プレス後、歯元、歯軸、および歯先を含むダンベル状の歯を備える、コイル歯モジュールが結果として形成される。歯元および歯先はそれぞれ、コイルの隣接する外側輪郭で終わるか、またはそれを超えて長手方向を横断する方向で突出するようにして寸法が決められる。そのように製造されたコイル歯モジュールが図4Cに示されている。コイル歯モジュール61は、歯元65、歯軸67、および歯先69を含む歯63を備え、コイル53は、歯軸67を完全に取り囲み、歯元65および歯先69によって形状嵌めされた形で保持される。ここで図示されるコイル歯モジュールは、中でも特に、歯63が一体型で製造され、コイル53の裏側で歯先69および歯元65と長手方向71で係合するという点を特徴とする。
図5A、図5B、図5Cおよび図5Dに基づいて例証される、製造方法の別の例示的実施形態では、歯元は、図4A、図4Bおよび図4Cの例とは対照的に、最初に予備プレスされる。この目的のため、最初にSMC粉末がプレス型73に歯元用に充填され、次にプレスされる。本例では、歯元75は、軸状の延長部79を有するプレート77として設計される。延長部79は、コイル歯モジュールのコイルの内側輪郭に嵌合するように寸法が決められる。その後(または熱処理後)、歯元がプレス型81に押し込まれ、コイル83が歯元の上に入れられ、コイル83の内部空間85に、歯元を製造したのと同じSMC粉末が充填される(図5Aを参照)。粉末は、コイル83の内部空間全体を充填し、更にコイル83上に閉塞面86を形成して、プレス操作の間に歯軸および歯先の両方を形成する(図5Bを参照)。プランジャ84を用いてプレスする間、一方では、SMC粉末がプレスされて歯軸および歯先を形成し、他方では、歯軸が既製の歯元に一体的に接合されるかまたは低温溶接される。そのように製造されたコイル歯モジュール87が図5Cに示されている。別の実施形態が図5Dに示されている。この実施形態は、プランジャが異なるように設計されており、したがってダブテールガイド92を含む歯先90を製造するという点で、図5Cの実施形態とは異なる。プランジャはアンダーカットを含むので、SMC粉末は、例えば、そのダブテール開口部を介して歯先の上に軽く置かれる、プランジャに充填することができる。歯は、ダブテールガイドを含めて、次に押し固められる。ダブテールガイドは、例えば、電動機の対応する陥凹部に挿入することができるので、利用可能な設置空間が非常に良好に利用され、コイル歯モジュール94の取付けが単純になる。本例ではダブテールガイドは歯先に配置されるが、コイル歯モジュールは、アンダーカットを含む異なるガイドを有することもできる。代替例として、コイル歯モジュールが、ダブテールガイドなど、アンダーカットを含むガイドに対応する陥凹部を含むこともできる。したがって、コイル歯モジュールを、電動機の対応するガイド上に挿入することができる。
図6Aは、上述した方法の1つを用いて製造されたコイル歯モジュールの三次元上面図を示している。コイル歯モジュール100は、底部から頂部まで変化する、可変の巻回断面を有するコイル102を備える。プレート状の歯先104は、一番下の巻回の下方に配置され、同様にプレート状である歯元105は、一番上の巻回の上方に載置される。この図では、歯先および歯元を互いに接続する歯軸は見えていない。歯全体は、上述したように、1つまたは2つの製作段階で製造されたものであり、内側輪郭の領域でコイルに特に良好に結合される。このことは、コイルの内縁部の領域における切断面B-Bの断面を示す、図6Bに基づいて示される。巻回106、108、および110の内縁部はわずかに丸み付けられるので、巻回の間に隙間112および114が生じる。SMC粉末が隙間に入ることができたため、これらの隙間は同様に歯軸116によって充填される。その後で初めて歯軸が押し固められ、歯とコイルとの間の特に大きい接触面が可能になった。
それに加えて、更なるアンダーカットまたは陥凹部を、図6Aで見えている歯元の表面に配設することができ、それを後でコイル歯モジュールを電気機械内に取り付けるのに使用することができる。更に、コイル歯モジュールの製造中、または穴あけを用いて、冷却チャネルを歯に導入することができ、そこを通して冷却媒体を後で電気機械に流すことができる。
図7は、改めて製造方法の段階を概略的に示している。最初に、任意の段階で、SMC粉末がプレス型に充填され、閉塞面を形成する(段階120)。その後、既製コイルがプレス型に挿入される(段階140)。コイルの内部空間にSMC粉末が充填され、その際、充填は任意の振とうを用いて行われるので、小さい空洞が排除される(段階160)。その後、歯先を形成する粉末の閉塞面が提供される(段階180)。次に、システム全体が高圧下でプレスされ(段階200)、続いて熱処理される(段階220)。次に、コイル歯モジュールをその使用のために供給するか、または更に処理することができる。

Claims (14)

  1. コイル歯モジュールの製造方法であって、
    a)ヘリカルコイルをプレス型に挿入する段階と、
    b)前記ヘリカルコイルによって区切られた内部空間に金属粉末を充填する段階と、
    c)前記金属粉末をプレスして、前記ヘリカルコイルに直接当接する歯を形成する段階と
    を備える、方法。
  2. 歯を形成する前記プレスする操作の後、前記歯を形成するようにプレスされた前記金属粉末の粒子の間に形状嵌めが存在する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ヘリカルコイルの内側輪郭の断面が、前記内部空間の長手方向に沿って変化する、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記プレス型が前記ヘリカルコイルの外表面を取り囲む、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記ヘリカルコイルが長手方向に沿って前記プレス型内で圧縮される、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
  6. プレスされた前記金属粉末が、前記ヘリカルコイルの内側輪郭だけでなく異なるコイル部分の間の潜在的な隙間も充填する、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記金属粉末がプレスされた後に、前記コイル歯モジュールが熱処理される、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記ヘリカルコイルを前記プレス型に挿入する前に、歯元を形成するための粉末材料または既製の歯元が前記プレス型に導入される、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記内部空間を充填する前記金属粉末が前記内部空間を完全に充填し、任意に前記ヘリカルコイルの上面を覆うことによって、プレス中に歯先が形成される、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記歯が少なくとも1つのコイル部分を裏側で係合する、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
  11. ヘリカルコイルと、前記ヘリカルコイルの内側輪郭内に配置された歯とを備え、前記歯が前記ヘリカルコイルに当接し、プレスされた金属粉末を有する、コイル歯モジュール。
  12. 前記歯を形成するようにプレスされた前記金属粉末の粒子の間に形状嵌めが存在する、請求項11に記載のコイル歯モジュール。
  13. 前記ヘリカルコイルが、導電性材料、好ましくはアルミニウムもしくは銅またはその合金を有し、前記金属粉末が軟磁性材料または軟磁性合金である、請求項11または12に記載のコイル歯モジュール。
  14. 請求項1から10のいずれか1項にしたがって製造された、コイル歯モジュール。
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