JP4267519B2 - ステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法に関する。
例えば、方向性電磁鋼板（ＧＯ）や無方向性電磁鋼板（ＮＯ）などの電磁鋼板を分割して用いるステータコアの製造方法およびそれを用いた電動機・発電機などの永久磁石同期機、変圧器等の電気機器の製造方法に関する。
例えば、方向性電磁鋼板（ＧＯ）や無方向性電磁鋼板（ＮＯ）などの電磁鋼板を分割して用いるステータコアの製造方法およびそれを用いた電動機・発電機などの永久磁石同期機、変圧器等の電気機器の製造方法に関する。
永久磁石同期機は、ステータ（固定子）に電流を流すことにより発生する磁場が、ロータ（回転子）に埋め込まれた永久磁石に働いて、ロータが回転する同期機であって、保守性、制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能なモータとして産業・民生家電分野を問わず広く用いられている。この場合、電気エネルギーを同期機に流して、回転駆動力を得るようにするのが同期電動機であり、逆に、同期機を回転させて電気エネルギーを同期機より取り出す場合は、同期発電機となる。ここでは、両者を想定し、あわせて、同期機としている、両者の構造は基本的には同じなので、以下詳細説明では、同期電動機の例を中心に説明する。
ヨークとティースからなるステータとロータとを有する同期機に関しては従来から種々の提案がなされており、例えば、特開２００４−５６９０６号公報や、特開２００４−５６９０７号公報に、ヨークとティースとを備えたステータを複数枚、厚さ方向に積層・固定して用いる同期機であって、前記ヨークが周方向に分割されている同期機が提案されている。
しかし、ヨークが周方向に分割されている同期機は提案されているが、その製造技術については十分に検討されていなかった。
方向性電磁鋼板を分割して用いる電動機の製造方法としては、特開２００３−１３４７０１号公報にＡＣモータの固定子及びその製造方法が開示されている。
特開２００３−１３４７０１号公報では、分割方式の固定子鉄心の接合部における損失を最小にするとともに、ティース部への巻線の装着を容易に行うことができるＡＣモータの固定子を提供するといった課題に対して、方向性電磁鋼板を用いた分割鉄心で構成されたＡＣモータの固定子において、固定子鉄心を、ティース部鉄心３とそれに隣接する外周部鉄心４をＬ字形に結合したものを、リング状に複数個組み合わせて構成するとともに、方向性電磁鋼板の磁化容易方向を、ティース部鉄心と外周部鉄心に流れる磁束の方向と一致させることを述べている。
しかし、ヨークが周方向に分割されている同期機は提案されているが、その製造技術については十分に検討されていなかった。
方向性電磁鋼板を分割して用いる電動機の製造方法としては、特開２００３−１３４７０１号公報にＡＣモータの固定子及びその製造方法が開示されている。
特開２００３−１３４７０１号公報では、分割方式の固定子鉄心の接合部における損失を最小にするとともに、ティース部への巻線の装着を容易に行うことができるＡＣモータの固定子を提供するといった課題に対して、方向性電磁鋼板を用いた分割鉄心で構成されたＡＣモータの固定子において、固定子鉄心を、ティース部鉄心３とそれに隣接する外周部鉄心４をＬ字形に結合したものを、リング状に複数個組み合わせて構成するとともに、方向性電磁鋼板の磁化容易方向を、ティース部鉄心と外周部鉄心に流れる磁束の方向と一致させることを述べている。
このように方向性電磁鋼板からなる分割ピースの組み合わせ方法について提案されているが、電磁鋼板の各部位ごとの磁気特性や分割ピースごとの磁気特性の違いに着目した検討はなされていなかったため、同じ電動機の中に磁気特性が優れた部材とそうでない部材が混在した状態となっており、それの電動機の用途に応じた性能を確保することが困難であった。
なお、電磁鋼板の結晶粒の影響による鉄損分布と二次元磁気特性については、下記の非特許文献１が開示されているが、この知見を具体的なステータコアの製造方法に応用することは検討されていなかった。
特開２００４−５６９０６号公報
特開２００４−５６９０７号公報
特開２００３−１３４７０１号公報
榎園、橋本、茂木「電磁鋼板の結晶粒の影響による鉄損分布と二次元磁気特性」日本応用磁気学会誌、第２５巻、第４−２号、pp.899-902、平成１３年４月
なお、電磁鋼板の結晶粒の影響による鉄損分布と二次元磁気特性については、下記の非特許文献１が開示されているが、この知見を具体的なステータコアの製造方法に応用することは検討されていなかった。
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、電動機・発電機等の同期機や変圧器などの各電気機器の用途に応じた磁気特性を有する部材を用いたステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、電磁鋼板の各部位ごとの磁気特性や分割ピースごとの磁気特性を測定してグループ分けを行い、同じグループの部材を使用することによって、電動機・発電機等の同期機や変圧器などの各電気機器の用途に応じた磁気特性を有する部材を用いたステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法を提供するものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、あらかじめ前記電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出して、該ピースを組み立て接合し積層することを特徴とするステータコアの製造方法。
（２）ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、前記複数に分割されたピースの磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループであるピースを組み立て接合し積層することを特徴とするステータコアの製造方法。
（３）前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板であることを特徴とする（１）または（２）に記載のステータコアの製造方法。
（４）前記磁気特性の測定は、前記電磁鋼板またはピースを搬送するときに、電磁石により交流励磁し、その電圧、電流を用い、電圧の時間積分と電流との１周期積分値の大きさを測定することを特徴とする（１）乃至（３）に記載のテータコアの製造方法。
（５）（１）乃至（４）に記載のステータコアの製造方法により製造されたステータコアを用いた電気機器の製造方法であって、前記磁気特性を測定してなされたグループ分けに基づいて、該グループ分けされたピースを用いて製造された電気機器の品質グループを決定することを特徴とする電気機器の製造方法。
（１）ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、あらかじめ前記電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出して、該ピースを組み立て接合し積層することを特徴とするステータコアの製造方法。
（２）ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、前記複数に分割されたピースの磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループであるピースを組み立て接合し積層することを特徴とするステータコアの製造方法。
（３）前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板であることを特徴とする（１）または（２）に記載のステータコアの製造方法。
（４）前記磁気特性の測定は、前記電磁鋼板またはピースを搬送するときに、電磁石により交流励磁し、その電圧、電流を用い、電圧の時間積分と電流との１周期積分値の大きさを測定することを特徴とする（１）乃至（３）に記載のテータコアの製造方法。
（５）（１）乃至（４）に記載のステータコアの製造方法により製造されたステータコアを用いた電気機器の製造方法であって、前記磁気特性を測定してなされたグループ分けに基づいて、該グループ分けされたピースを用いて製造された電気機器の品質グループを決定することを特徴とする電気機器の製造方法。
本発明によれば、電磁鋼板の各部位ごとの磁気特性や分割ピースごとの磁気特性を測定してグループ分けを行い、同じグループの部材を使用することによって、電動機・発電機等の同期機や変圧器などの各電気機器の用途に応じた磁気特性を有する部材を用いたステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法を提供することができ、例えば、鉄損の少ない高効率モータを実現することができるなど産業上有用な著しい効果を奏する。
発明を実施するための最良の形態について、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明が対象とするステータコアを例示する図である。
図１において、１はヨーク、２はティース、３はヨークとティースの接合部、を示す。
本発明が対象とするステータコアは、図１に示すような、ヨーク１とティース２からなり、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアである。
電磁鋼板には、図１に両方向の矢印で示す磁化容易方向が特定の方向である磁気特性が優れた方向性電磁鋼板（ＧＯ）とそれ以外の無方向性電磁鋼板（ＮＯ）があり、本発明はいずれの電磁鋼板も対象とすることができる。
図１の両方向の矢印で示すように、ヨーク１の磁化容易方向をステータコアの周方向とし、ティース２の磁化容易方向をステータコアの径方向とすることによって、ティース２を流れる磁束を隣接するティース２に流れにくくし、ロータに流れる磁束を多くすることができので、ステータコアにおける鉄損を効果的に低減することができる。
図１は、本発明が対象とするステータコアを例示する図である。
図１において、１はヨーク、２はティース、３はヨークとティースの接合部、を示す。
本発明が対象とするステータコアは、図１に示すような、ヨーク１とティース２からなり、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアである。
電磁鋼板には、図１に両方向の矢印で示す磁化容易方向が特定の方向である磁気特性が優れた方向性電磁鋼板（ＧＯ）とそれ以外の無方向性電磁鋼板（ＮＯ）があり、本発明はいずれの電磁鋼板も対象とすることができる。
図１の両方向の矢印で示すように、ヨーク１の磁化容易方向をステータコアの周方向とし、ティース２の磁化容易方向をステータコアの径方向とすることによって、ティース２を流れる磁束を隣接するティース２に流れにくくし、ロータに流れる磁束を多くすることができので、ステータコアにおける鉄損を効果的に低減することができる。
図２は、電磁鋼板の磁気特性を解析した結果を示す図である。
図２は、１０ｍｍ角の二次元ベクトル磁気センサ（Hコイル(Hx,Hy)と探針法(Bx,By)）で、５ｍｍピッチに、二次元の磁気特性を測定したものであり、左側の図が磁束密度Ｂの方向を示し、右側の図が磁界Ｈの方向を示している。
図２からわかるように、磁束密度Ｂは、各測定点とも容易軸方向にきれいにそろっている（Ｂの連続性）。
ところが、磁界Ｈのほうは、測定部位によって大きく異なる。
つまり、図２から同じ材料でも部位によって磁気特性が大きく異なることがわかる。
特に、方向性電磁鋼板（ＧＯ）の場合、同じ材料でも部位（結晶粒径、粒界の位置、α角、β角）によって磁気特性が大きく異なる。
このように、部位によって磁気特性が大きく異なる電磁鋼板を、分割されたピースからなるステータコアやそれを用いた電動機や発電機等の同期機や変圧器などに用いた場合、材料の磁気特性のばらつきやピースの切断の仕方により切断されたピースの磁気特性が著しく異なるため、これを組み立てたステータコアや最終製品である電気機器の性能に大きく左右することになる。また、よい磁気特性のピースがあっても、他のピースによって平均化され、その特性を十分に発揮できない状況であった。
なお、図２の詳細については、前述の非特許文献１を参照されたい。
そこで、本発明においては、分割した電磁鋼板や分割されたピースの磁気特性を、簡易方式で測定し、この磁気特性に基づいてグループ分けして、同じグループの電磁鋼板や分割されたピースを用いてステータコアおよび電気機器を製造することによって、電動機・発電機等の同期機や変圧器などの各電気機器の用途に応じた磁気特性を有する部材を用いたステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法を提供することができる。
図２は、１０ｍｍ角の二次元ベクトル磁気センサ（Hコイル(Hx,Hy)と探針法(Bx,By)）で、５ｍｍピッチに、二次元の磁気特性を測定したものであり、左側の図が磁束密度Ｂの方向を示し、右側の図が磁界Ｈの方向を示している。
図２からわかるように、磁束密度Ｂは、各測定点とも容易軸方向にきれいにそろっている（Ｂの連続性）。
ところが、磁界Ｈのほうは、測定部位によって大きく異なる。
つまり、図２から同じ材料でも部位によって磁気特性が大きく異なることがわかる。
特に、方向性電磁鋼板（ＧＯ）の場合、同じ材料でも部位（結晶粒径、粒界の位置、α角、β角）によって磁気特性が大きく異なる。
このように、部位によって磁気特性が大きく異なる電磁鋼板を、分割されたピースからなるステータコアやそれを用いた電動機や発電機等の同期機や変圧器などに用いた場合、材料の磁気特性のばらつきやピースの切断の仕方により切断されたピースの磁気特性が著しく異なるため、これを組み立てたステータコアや最終製品である電気機器の性能に大きく左右することになる。また、よい磁気特性のピースがあっても、他のピースによって平均化され、その特性を十分に発揮できない状況であった。
なお、図２の詳細については、前述の非特許文献１を参照されたい。
そこで、本発明においては、分割した電磁鋼板や分割されたピースの磁気特性を、簡易方式で測定し、この磁気特性に基づいてグループ分けして、同じグループの電磁鋼板や分割されたピースを用いてステータコアおよび電気機器を製造することによって、電動機・発電機等の同期機や変圧器などの各電気機器の用途に応じた磁気特性を有する部材を用いたステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法を提供することができる。
本発明は、ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、あらかじめ前記電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出して、該ピースを組み立て接合し積層することを特徴とする。
あらかじめ前記電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出して、該ピースを組み立て接合し積層することによって、磁気特性の均一な材料を用いたステータコアを製造することができるので、例えば、上級、中級、普通などにグレードを分けて必要な磁気特性に応じたステータコアを製造することができる。
また、複数に分割されたピースの磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループであるピースを組み立て接合し積層することによって、磁気特性の均一な分割ピースを用いたステータコアを製造することができる。
また、前記電磁鋼板を方向性電磁鋼板（ＧＯ）とすることによって、さらに磁気特性が優れたステータコアを製造することができる。
あらかじめ前記電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出して、該ピースを組み立て接合し積層することによって、磁気特性の均一な材料を用いたステータコアを製造することができるので、例えば、上級、中級、普通などにグレードを分けて必要な磁気特性に応じたステータコアを製造することができる。
また、複数に分割されたピースの磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループであるピースを組み立て接合し積層することによって、磁気特性の均一な分割ピースを用いたステータコアを製造することができる。
また、前記電磁鋼板を方向性電磁鋼板（ＧＯ）とすることによって、さらに磁気特性が優れたステータコアを製造することができる。
図３は、本発明に用いる磁気測定装置を例示する図である。
切断したピースは、数が多く、また形状が小さいので、その磁気特性を正確に測定することは困難である。
そこで、下記のごとく、簡易な磁気測定方法で、電磁鋼板や切断した分割ピースの磁気特性を得ることにする。
まず、測定対象とする電磁鋼板または分割ピースを交流電源により励磁した電磁石を用いて吊上げる。
磁気特性は、電磁鋼板またはピースを搬送するときに、電磁石の電圧Ｖ、電流Ａを用い、電圧Ｖの時間積分と電流Ｉとの１周期積分値の大きさを測定することにより測定することができる。
切断したピースは、数が多く、また形状が小さいので、その磁気特性を正確に測定することは困難である。
そこで、下記のごとく、簡易な磁気測定方法で、電磁鋼板や切断した分割ピースの磁気特性を得ることにする。
まず、測定対象とする電磁鋼板または分割ピースを交流電源により励磁した電磁石を用いて吊上げる。
磁気特性は、電磁鋼板またはピースを搬送するときに、電磁石の電圧Ｖ、電流Ａを用い、電圧Ｖの時間積分と電流Ｉとの１周期積分値の大きさを測定することにより測定することができる。
すなわち、磁束Φおよび誘導起電圧Ｖの式より以下のごとくなる。
なお、下記（Ａ）〜（Ｃ）式において、添え字ｐは各ピースを意味するが電磁鋼板の場合も同じ式が適用できる。
ここに、n:電磁石のコイルの巻き数
Ｓp：測定対象の断面積
これより鉄損Ｗは、以下のごとくになる。
ここに、Ｌ: 電磁石のコイルの長さ
磁束密度Ｂ、および磁界Ｈは以下のごとくになる。
これよりＢ−Ｗ、Ｂ−Ｈ特性をとることで、そのピースの磁気特性を得ることができる。
なお、下記（Ａ）〜（Ｃ）式において、添え字ｐは各ピースを意味するが電磁鋼板の場合も同じ式が適用できる。
Ｓp：測定対象の断面積
これより鉄損Ｗは、以下のごとくになる。
磁束密度Ｂ、および磁界Ｈは以下のごとくになる。
図４は、本発明の実施例を示す図である。
まず、あらかじめ電磁鋼板のある部位の磁気特性のよい方向を測定する。
例えば、磁気測定装置の電磁石を回転させて、少ない電流で、Ｂ（＝Ｖの積分値）の最大となる方向を磁気特性がよい方向とすることができる。
電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出す（Ｓ−１）。
ピースを切断する場合、磁気特性が良い方向を磁束の流れ方向になるようにピースを切断する。
例えば、切断するピースがティースまたはヨークによって、使用する容易軸方向を決定する。
また、電磁鋼板の各部位の磁気特性データより、その部位のグレードを決め、グレードごとに、ピースを切断することによって、磁気特性のよいピースを集めてモータを製作し、高級モータ、中級モータ、普通モータを作り分けることができる。
さらに、電磁鋼板の部位の磁気特性データより、例えば、方向性がよいのはヨーク向け、容易軸からずれても磁気特性が劣化しないのはティース向けというように、その部位の適したパーツを決め、そのパーツで切断することもできる。
なお、本実施例のように、分割されたピースの磁気測定を行う場合には、電磁鋼板自体の磁気測定は省略してもよい。
まず、あらかじめ電磁鋼板のある部位の磁気特性のよい方向を測定する。
例えば、磁気測定装置の電磁石を回転させて、少ない電流で、Ｂ（＝Ｖの積分値）の最大となる方向を磁気特性がよい方向とすることができる。
電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出す（Ｓ−１）。
ピースを切断する場合、磁気特性が良い方向を磁束の流れ方向になるようにピースを切断する。
例えば、切断するピースがティースまたはヨークによって、使用する容易軸方向を決定する。
また、電磁鋼板の各部位の磁気特性データより、その部位のグレードを決め、グレードごとに、ピースを切断することによって、磁気特性のよいピースを集めてモータを製作し、高級モータ、中級モータ、普通モータを作り分けることができる。
さらに、電磁鋼板の部位の磁気特性データより、例えば、方向性がよいのはヨーク向け、容易軸からずれても磁気特性が劣化しないのはティース向けというように、その部位の適したパーツを決め、そのパーツで切断することもできる。
なお、本実施例のように、分割されたピースの磁気測定を行う場合には、電磁鋼板自体の磁気測定は省略してもよい。
次に、分割されたピースの磁気特性を測定する（Ｓ−２）。
切断した分割ピースを、前述のような電磁石を用いた簡易な磁気測定装置によって、全数または部分的に測定することで、電磁石でピースを運ぶときに、上記測定装置＋電磁石で運び、同時にピースの磁気特性を測定し、ピースの品質を見極めることができる。
次に、分割ピースの磁気測定結果に基づいてグループ分けを行う（Ｓ−３）。
グループ分けは、鉄損値Ｗにいくつかの閾値を決めておいて、そのピースのグレードを数段階に分け、そのグレード毎に予め組み込まれたステータコア組み上げ容器に入れる。
その後は、例えば、分割ピースのグレードに合わせて同じグループの分割ピースを組み立てることによって、例えば、高級ステータコア、中級ステータコア、普通ステータコアを作り分けることができる（Ｓ−４）。
以上のステータコアの製造方法により製造されたステータコアを用いて、前記磁気特性を測定してなされたグループ分けに基づいて、該グループ分けされたピースを用いて製造された電気機器の品質グループを決定することによって、例えば、高級モータ、中級モータ、普通モータを作り分けることができ、さらに磁気特性のよいピースを集めてモータを製作することによって、最高級のモータを製作することができる。
切断した分割ピースを、前述のような電磁石を用いた簡易な磁気測定装置によって、全数または部分的に測定することで、電磁石でピースを運ぶときに、上記測定装置＋電磁石で運び、同時にピースの磁気特性を測定し、ピースの品質を見極めることができる。
次に、分割ピースの磁気測定結果に基づいてグループ分けを行う（Ｓ−３）。
グループ分けは、鉄損値Ｗにいくつかの閾値を決めておいて、そのピースのグレードを数段階に分け、そのグレード毎に予め組み込まれたステータコア組み上げ容器に入れる。
その後は、例えば、分割ピースのグレードに合わせて同じグループの分割ピースを組み立てることによって、例えば、高級ステータコア、中級ステータコア、普通ステータコアを作り分けることができる（Ｓ−４）。
以上のステータコアの製造方法により製造されたステータコアを用いて、前記磁気特性を測定してなされたグループ分けに基づいて、該グループ分けされたピースを用いて製造された電気機器の品質グループを決定することによって、例えば、高級モータ、中級モータ、普通モータを作り分けることができ、さらに磁気特性のよいピースを集めてモータを製作することによって、最高級のモータを製作することができる。
１ ヨーク
２ ティース
３ ヨークとティースの接合部
２ ティース
３ ヨークとティースの接合部
Claims (5)
- ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、
あらかじめ前記電磁鋼板の各部位の磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループである部位から前記ピースを切り出して、該ピースを組み立て接合し積層することを特徴とするステータコアの製造方法。 - ヨークとティースからなるステータコアが、電磁鋼板からなる複数に分割されたピースを組み立て接合し積層して構成されたステータコアの製造方法であって、
前記複数に分割されたピースの磁気特性を測定してグループ分けし、該磁気特性が同じグループであるピースを組み立て接合し積層することを特徴とするステータコアの製造方法。 - 前記電磁鋼板が方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステータコアの製造方法。
- 前記磁気特性の測定は、前記電磁鋼板またはピースを搬送するときに、電磁石により交流励磁し、その電圧、電流を用い、電圧の時間積分と電流との１周期積分値の大きさを測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のテータコアの製造方法。
- 請求項１乃至請求項４に記載のステータコアの製造方法により製造されたステータコアを用いた電気機器の製造方法であって、前記磁気特性を測定してなされたグループ分けに基づいて、該グループ分けされたピースを用いて製造された電気機器の品質グループを決定することを特徴とする電気機器の製造方法。
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| JP2004144233A JP4267519B2 (ja) | 2004-05-14 | 2004-05-14 | ステータコアの製造方法およびそれを用いた電気機器の製造方法 |
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