JP4514954B2 - 変圧器の磁心 - Google Patents
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Description
(発明の属する技術分野)
本発明は、一般に変圧器の磁心に関するものであり、特に規則的な多角形の脚部を有する三相および単相の磁心に関するものである。
【0002】
(背景)
三相変圧器用磁心は、通常小型変圧器用にはEI型に形成され、大型変圧器用には端部と端部がしっかり取り付けられた長方形に切断された変圧器用のプレートによって形成され、そのいる。これらの変圧器においては、磁場が端部を通ってプレートからプレートへ通過し、磁場が不必要に長い距離を移動しなければならず、しかも必ずしも磁場が磁気の方向に沿っていないという欠点がある。
【0003】
変圧器用磁心の設計者は、最終的に仕上がる変圧器の効率を最適にする形状である、本質的に円形断面を有する脚部を得るために尽力している。しかし効率性と生産需要量の間にはつねに生じる矛盾があるため、非円形脚部を有する最適ではない変圧器の磁心が製造される結果に至っている。
【0004】
これまでは、三相変圧器用のストリップ状磁心の製造は困難であった。磁心の効率性は、単相変圧器では円形断面、三相変圧器では半円形断面が形成されるように、ストリップの幅を変えて切断し、リング状に巻きつけることによって、高めることができる。この方法では大量の廃棄物が発生し、巻きつけ作業も時間を要するものである。
【0005】
米国特許4,557,039(マンデルソン)は、ほぼ線状のテーパを有する電気鋼製ストリップを用いて変圧器磁心を製造する方法を開示している。適切なテーパを選択することによって、磁心の脚部の断面は、六角形あるいは円形断面を近似する六角形よりも高位の多角形に形成される。しかし、テーパ状ストリップの製造は困難で時間を要するものであり、その形状は大規模な製造に適するものではない。
【0006】
図1a−cはマンデルソンによる従来の三相変圧器の磁心を示すものであり、その全体を符号10として示す。磁心は、図1の等角図が示すように、総体的にはデルタ形で、3つの脚部がヨーク部によって相互連結している。図1aは、最終組立て前の、磁心の断面図を示している。磁心は3つの同一のリング状部12、13および14を備え、その全体形状は、図1に示されている。各リング状部は、六角形の断面を備えた2つの脚部の半分を満たしており(図1a参照)、従って合わせて三相変圧器の3つの脚部を形成する。リング状部には、初めに一定幅のストリップを用いて、2つの角が60度、残り2つの角が120度の菱形状断面を有する3つの同一のリング12a、13a、14aを巻きつける。これらのリング12a、13a、14aが基本リングとなる。ストリップの方向もまた図1aおよび1bに示されている。
【0007】
各リング状部の基本リングの外側には、正三角形の断面を有する外側リング12b、13b、14bが位置する。外側リングには幅が一定に減少するストリップが巻きつけられている。
【0008】
3つのリング状部12−14を合わせると(図1b参照)、変圧器の巻き線を巻いた3つの六角形の脚部が形成される。
この解決手段における欠点は、変圧器の大きさが異なる毎に、それに合わせたストリップの切断をしなくてはならない点である。また、外側リング12b−14bは徐々に細くなるストリップから形成されているため、廃棄物質のもととなり、マンデルソン型の変圧器の製造を困難とする原因でもある。
【0009】
変圧器の磁心については以下の文書にも記述されている。
スウェーデン特許第163797号、米国特許第2,453,112号、米国2,498,747号、米国特許第2,400,184号、米国特許第2,544,871号。
【0010】
しかし、これらの文書に記載されている磁心は前述の問題を克服してはいない。
(発明の目的)
本発明の目的は、エネルギーの損失を最小限に抑える変圧器の磁心を提供することである。別の目的は、製造が容易で廃棄物質の排出を抑えた変圧器の磁心を提供することである。別の目的は、大型製品にも充分に適合する変圧器の製造方法を提供することである。
【0011】
(発明の概要)
本発明は、1つまたは複数の4角形以上の正多角脚部を有する変圧器の磁心に、一定幅のストリップを巻きつけることの実現化に基づくものである。
本発明は、少なくとも1つの脚部および少なくとも1つのヨーク部を有し、前記少なくとも1つの脚部の断面が4角形以上の正多角形である変圧器の磁心において、同磁心は一定幅のストリップを巻きつけたリング部から形成されることを特徴とする変圧器の磁針を提供している。
【0012】
さらに好ましい実施形態は、従属請求項に定義されている。
(発明の詳細な説明)
本発明の三相変圧器用磁心の好ましい実施形態について、以下に詳述する。
図1については、従来技術に関連してすでに記述されているため、さらに説明を加えない。
図2は、本発明の三相変圧器磁心を示すものであり、その全体を符号20として示す。その全体の形は、図1に示した略デルタ型である従来技術の変圧器用磁心に類似するが、それとは全く異なった方法で設計される。
【0013】
磁心は、それぞれがいくつかのリングを備えた3つのリング状部22、23、および24によって形成されている。リングの幅は幅広と幅狭の2種類があり、幅狭リングは幅広リングの半分の幅のストリップにより形成されている。また、同リングの高さも、高、低の2種類があり、低いリングの高さは高いリングの半分の高さである。特記のない限り、この定義は詳細な説明を通じて使用される。ストリップは好ましくは変圧用プレートから作られている。
【0014】
各リング状部22−24は、図1に関して記載したリング状部と同様に、各々幅広の高い基本リング22a−24aを有する。従って、これらのリング一対によって、六角形脚部における4つの側面が形成される。残りの脚部の菱形面は、異なる方法で形成される(図2aおよび2b参照)。
【0015】
背後にある第1の脚部25においては、2つの長斜方形によって更なる菱形断面が形成されている。1つめの長斜方形は、符号24bとして示すと共にリング部分24に属し、幅広の低いリングである。2つめの長斜方形は、符号22bとして示すと共にリング部分22に属し、幅狭の高いリングである。
【0016】
図2右側の第2の脚部26に関しては、1つの長斜方形と2つの菱形から、更なる菱形断面が形成されている。長斜方形はリング状部22に属する幅狭の高いリング22bで満たされている。また、2つの菱形はリング状部23に属する2つの幅狭の低いリング23bおよび23cによって満たされている。
【0017】
図2左側の第3の脚部27に関しては、同様に1つの長斜方形と2つの菱形から、更なる菱形断面が形成されている。長斜方形は、リング状部24に属する幅広の低いリング24bによって満たされている。2つの菱形は、リング状部23に属する2つの幅狭の低いリング23bおよび23cによって満たされている。リング状部23が1つの大きいリングではなく、2つの小さいリングを備えているのは、大きいリングの場合、左脚部27に必要とされるように幅狭で高いことと、右脚部26に必要とされるように幅広で低いことをどちらも満たすことはできないためである。それゆえに2つの幅狭の低いリングが用いられている。
【0018】
脚部25−27を連結しているすべての上部および下部ヨークの形状は異なるが、すべて大型の菱形断面を有する基本リング1つに、長斜方形断面を有するリング1つもしくは小型の菱形断面を有するリング2つを合わせて形成される。これによってすべてのヨークの全体的な断面が同一になる。
【0019】
基本リングの外側の菱形空間部分は、いくつかの基本的原則に基づいて満たされ得る。ここで、図3aおよび3bに関して第2実施形態を説明する。全体を符号30として示す磁心は、上述の第1実施形態と、同じ全体形状を有している。しかし、この実施形態において、磁心は同一のリング状部32−34を備えている。このうち、最も右側の32について記述する。リング状部32−34は、図2に示したリング状部23に類似する。第1の脚部35において、リング状部32は2つの幅狭の低いリング32bおよび32cを有し、32cはリング32bの外側に巻かれる。第2の脚部36においては、リング32は2つのリング32bおよび32cを有し、それぞれが隣あわせに配置されている(図3a参照)。
【0020】
他2つのリング状部33および34は、リング状部32と同一のものである。従ってすべて同一の型を用いて3つのリング状部32−34を製造できるため、磁心の製造は、生産量には左右されるが、概して簡略化することができる。
【0021】
さらに可能なことは、幅広の低いリングを用いて、脚部を60度回転させ、それに合わせてヨーク部も屈曲させることである。これによってヨーク部に更なる空間が必要となり、ヨークを簡単に屈曲させることはできなくなる。幅狭の高いリングを用いて、前述のように回転させ曲げることもまた可能ではあるが困難である。複数の小さな部分を備えたリングを始めとする、更なる変形例も可能である。
【0022】
図4および4aに関連して、全体を符号40として示す八角形脚部を有する磁心について説明する。八角形断面においては、例えば後ろの脚部45において、その側面が45度の角度をなしており、すなわち互いに135度の相対角度をもっている。従ってそれぞれ45度の角度を有する3つの斜方形によって、磁心の脚部の最も内側端には空間が設けられる。これら3つの斜方形の外側には、正方形断面を有するリングによって2つの正方形が形成される。最後に、1つの菱形が脚部の八角形断面の残り部分を占めている。
【0023】
これら6つの副断面のうち3つの副断面は、第2の脚部46に向かう外形リングの断面を形成する。残りの3つの副断面は、第3の脚部47に向かう外形リングの断面を形成する。第2および第3の脚部46、47を連結する外形リングも存在する。
【0024】
3つの外形リングはすべて、等しい脚部を有する2つのリングを含む。第1のリング42a、43a、44aはその断面が菱形で、そのヨーク部は15度傾斜している。第1リングの外側に位置する第2のリング42b、43b、44bは、正方形で第1のリング42a、43a、44aの形状に準じている。
【0025】
図2および3に関連して記述した六角形脚部の実施形態の解決手段を用いると、2つの外側の菱形は外側リングの断面を形成し、そのヨーク部は15度傾斜している。また2つの内側の菱形は、内側リングを形成し60度傾斜している。ここで次のリングは、一方の脚部に外側の菱形、他方の脚部内に内側の菱形を形成し、30度傾斜したものでなければならない。リングを60度傾斜させることは困難で、また外側および内側両方が菱形断面であるリングが必然的に配置されるため、外形リングは1つの種類であることが好ましい。
【0026】
部分42において、第3のリング42cは脚部において菱形断面を形成し、後ろの脚部45の最も外側かつ右脚部46の内側に配置されている。これら脚部の菱形は、リングの外側ストリップを右脚部46の位置では右側に、後ろ脚部45の位置では左側に動かすことによって形成される。さらに、脚部は非対称的に30度回転し、それによってヨーク部も屈曲する。同リングは他の2つのリングの外側に位置する状態になる。この最終の状態が図4に示されている。
【0027】
全体を符号50として示した10面を有する脚部を図5に示している。外形リングは、すべて同数の脚部を有する4つのリングを備えている。それぞれの脚部に対して菱形断面を有する第1のリング50a、第2リング50b、および第3リング50cは10面断面に接している。従って、同リングはそれぞれ36度、72度、108度の角度を持ち、ヨーク部は24度曲がる。角度36度の長斜方形の断面を有する第4のリング50dは、主に第1リング50aに接して位置する。その50dの脚部は外方向に24度傾斜しており、それによってヨーク部の48度の屈曲が生じる。また第4リングによって、第3リング50cのヨーク部が大きく曲げられ、空間が設けられる。第5リング50eは、第3リング50cの外側に位置する場合はその脚部に対する断面が角度144度の菱形で、第4リング50dの外側に位置する場合は角度72度の菱形断面を有する。そのヨーク部はわずか12度の屈曲である。図の矢印は、同2つの断面50eが異なる外形リングに属していることを示している。脚部の冷却に適した溝51も配置されている。他の実施形態では、この溝がリングで充填されている。これは、磁場をリング間に生じさせることによってリングが連動する場合に有利である。例えば、リング50cの上部に新たに72度の角度で菱形断面を配することによって空間を確保することができ、これによって溝52aおよび52bが形成される。さらに、右リング50cの部分をリング50eの方向へ押すことによって、空間53aおよび53bが形成される。
【0028】
さらに多くの辺を有する三相変圧器用磁心の製造が可能である。図6は12面磁心を示しており、その全体は符号60で示される。外形リングはそれぞれ30度、60度、90度、120度の菱形断面を有する4つのリング60a−dによって形成されている。またそれらは、12面の断面に接し、15度傾斜している。これらのリングの内側には、それぞれ30度、60度の菱形断面を有する2つのリング60eおよび60fが位置し、外側に15度傾斜している。第5,第6のリング60eおよび60fに付随して、角度30度の菱形断面を有し、外側に45度傾斜しているリング60g用の空間が形成されている。リング60gのもう一方の脚部に対する断面は長方形で、第6のリング60fの外側に位置し、外側に15度傾斜している。リング60dの上部には、150度の菱形断面を有するリング60h用の空間があり、60hのもう一方の断面は長方形でリング60dおよび外側リング60fに接している。これですべての断面が満たされたことになる。ヨーク部はさらに他のヨーク部用の空間をつくるために大きく屈曲し分離している。
【0029】
この変圧器用磁心の特性は、いくつかの変圧器への適用によってさらに改善される(図7参照)。変圧器の第1巻き線と第2巻き線の間にストリップを巻いた磁心29を追加することによって、漏れインダクタンスは容易に増加され得る。ストリップは上部と下部で接合される。同ストリップは第1巻き線全体に広げることもでき、また一箇所にまとめて第2の巻き線を偏心することも可能である。
【0030】
鉄の非線状な磁気特性によって磁場、電圧および電流の調波が生じる。
磁心の中心に配置された補足的な脚部には、完全に対称的かつ歪みのない三相の状態におでは磁場が生じない。電圧位相における共通要素は、第3次調波と同様に中心脚部によって作用される。
【0031】
さらに、巻き線と中心脚部との間でストリップを組み合わせることも可能である。
1つの実施形態において、中心脚部は、ストリップを巻いた高さが幅の3倍である3つの長方形の柱80によって形成され、互いに正方形の断面に接する状態で配置されている(図8参照)。これは好適な三角形で菱形の断面を有する柱からなる特別開発品で、3本の柱がまとまってパケットを形成し、ストリップがそれぞれの柱に波状に向かっている(図9参照)。3つのパケットは、断面が若干の距離をもって結合し、おおよそ三角形の断面を有する脚部を形成する。柱の端は外側に曲がり、ヨーク部に達する。その屈曲をつくるため柱の間の間隔子が必要となる。各パケット91a−c、92a−c、93a−cから1つの柱がそれぞれのヨーク部に対して屈曲しているため、間隔子が磁気特性に影響を及ぼすことはない。またストリップは、少なくとも1つの面において、間隔子と平行している。
【0032】
中心脚部とヨーク部の間に空隙があった場合、特に、螺旋状あるいはコイル状のストリップの巻き棒が有用である。ヨークに対する空隙を減ずるために螺旋の端を幅広にすることも可能である。
【0033】
このような磁心製造における柔軟性は好適なものであり、図10に示されている。同図は図4に関連する記述の磁心を示したものである。磁束の主要部分は、それぞれが接し合う脚部間の一つの外形リングから別のリングへと流れる。これによって三角形のヨーク部に大きな磁束の回転が生じる。
【0034】
本発明を用いて、脚部が並列している三相変圧器の磁心を製造することも可能である。これは、デルタ型磁心を有する変圧器よりも細い変圧器に有利である。この型の変圧器は、例えば列車の車両への取り付けが望ましい。
【0035】
図11aは、八角形脚部を有する変圧器の横断面を示している。すべての脚部は4つの45度の角度を有する菱形と2つの正方形とを有する。隣接する脚部の間を通るリングは図に示されているが、外側の脚部の間を通るリングはほぼすべて隠れている。
【0036】
この種の変圧器の磁心を作るためは、脚部は折り曲げ可能なものでなければならない。またヨーク部も折り曲げられ、互いを通すことができるものでなければならない。いくつかの開発品があるが、その中の一つが図に示されている。リングの脚部分は外側、ヨーク部は内側に、あるいはその逆の状態で折り曲げられている。ヨーク部の形状はプラスチックの可変限度によって制限されるが、その範囲内ではさまざまな形状を形成することができる。図11に示されている原理は、急な屈曲およびまっすぐなヨーク部を有することである。
【0037】
物質を節約するために、リングを丸く折り曲げてそれぞれを重ねて配置することも可能である。
脚部115および中心脚部116の間のヨークは、いずれも22.5度屈曲している菱形断面を有するリング112aおよび正方形の断面を有するリング112b、および脚部において67.5度傾斜している菱形リング112cによって形成されている。リング112aおよび112bは、ヨーク部側に近い八面体に組み込まれ、112cは反対側に組み込まれている。
【0038】
中心脚部116および右側脚部117の間のヨーク部は中心脚部の残りの箇所114a−cにのみ配置される。左および右の脚部115および117の断面は、中心脚部を通るリングが対称性を有するように、中心脚部116に対して鏡像の関係にある。内側リング114aおよび114bは右側脚部117に最も近い位置にある。しかし、脚部において正方形断面を有するリング114cは右側の脚部の最も近い正方形断面に通じている。これは、外側脚部の間の正方形断面を有するリング113aが、左側の脚部に接するようにすでに存在しているヨーク部において外側に位置しているためである。
【0039】
ヨーク部を回転させることは不可能である。他の実施形態においては、その代わりに大きく傾斜した折り返しを用いている。これは最も短いヨーク部を有するリング114cを示すものである。折り返しは、ヨークの一端から他方の端まで続いており、図11の118aが下方のヨーク部を、118bが上方のヨーク部を表している。また、ヨーク部をいくつかの細いリングに細分することもできる。
【0040】
断面が多角形であれば、単相変圧器がより効果的と思われる。図12は、三相変圧器と同一の断面を有するが、その折り返しが巻き線の外側寄りに走っているリングからなる、八角形断面を有する変圧器を示している。八角形の断面を保ったまま、リングを置き換えることは可能である。例えば、図中最も右側にまきついているリングの左側でくくり上げることによってプレートの使用量を若干抑えることができる。その断面は長方形に近い菱形に変形すると思われる。
【0041】
一つの脚部からリングを曲げてもう一つの脚部を形成させることによって、三相型変圧器から2本の脚部を有する磁心をつくることができる。磁心は図13に示されており、脚部は八角形断面を有するものである。3本の脚部の回転は45度、屈曲は90である。長方形の断面を有するリング1つとその外側のリング2つは変形しない。六角形脚部を有する磁心は同一幅のストリップを巻いた3つのリングのみが必要となる。
【0042】
3つの菱形の辺が接合する八角形の辺が磁心の最も内部に置かれた場合、中心の菱形を除いて回転はわずか22.5度である。その中心の菱形は67.5度回転される。この菱形を、菱形に近い段状のリングに置き換えるとより現実的で、図14に示されている。ストリップが円状に近づくようにさらに改良が施され、それによって全体の断面も増加する。
【0043】
多角面脚部の外側部分には、幅がその半分、高さが同じであるストリップを幅全体に巻き薄い菱形リングを形成することが可能である。図15に示したように菱形の中央に沿ってストリップを折りたたむと、2つの側面をひとつの平らな面にして三角形が形成され、その三角形の側面は磁心に接している。幅を2/3、高さを8/9にすることによって、最も内側のストリップの端にある折り目が、図16に示したように台形の断面を形成する。断面を丸くすることも可能である。
【0044】
一定幅のストリップによって、図17、17aおよび17bが示すような円状に近い断面を有する脚部を成形することが可能である。図17の右側脚部172は、図17aに関連する例の中で説明されており、その横断面図が示されている。最も内側にはリング173があり、幅は全幅の80%、高さは全幅の9%である。図17aに示されるように、3つのリングが外接円に接している。
【0045】
6つの面部分のうち4部分は磁性体となっており、組み合わされた磁心の外部ストリップが残りの部分を満たす。
リング174は、六角形の外側に配置され得る。
他の実施形態が図17bに示されており、そこではリング174が幅広ストリップを巻いた別のリングに置き換えられている。
【0046】
この工夫に富んだ変圧器磁心の利点についてすでにいくつか述べたが、そのほかの利点の中でも、無負荷損の低減、重量の軽減、容積の低減、漏電の抑制、三相変圧器の相の一致による調波の抑制、保守の簡素化は特筆すべき点である。
【0047】
本発明に記載の変圧器の磁心の好適な実施形態は、以上述べたとおりである。本技術に精通しておれば、これらが特許請求範囲において変更されうることは理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 菱形および三角形の断面を有するリングからなる従来型三相変圧器の磁心の等角図。
【図1a】 図1に示した磁心の組立て前の横断面図。
【図1b】 図1に示した磁心の組立て後の横断面図。
【図2】 脚部が六角形断面を有する本発明の三相変圧器用磁心の等角図。
【図2a】 図2に示した磁心の組立て前の横断面図。
【図2b】 図2に示した磁心の組立て後の横断面図。
【図3a】 組立て前の六角形断面の脚部を有する別の三相変圧器用磁心の横断面図。
【図3b】 組立て後の六角形断面の脚部を有する別の三相変圧器用磁心の横断面図。
【図4】 八角形の脚部を有する三相変圧器用磁心の等角図。
【図4a】 図4に示した磁心の横断面図。
【図5】 十角形の脚部を有する変圧器の断面。
【図6】 十二角形の脚部を有する変圧器の断面。
【図7】 三相変圧器において漏れインダクタンスおよび調波に影響を及ぼす配置を示す部分拡大図。
【図8】 三相変圧器において漏れインダクタンスおよび調波に影響を及ぼす配置を示す部分拡大図。
【図9】 三相変圧器において漏れインダクタンスおよび調波に影響を及ぼす配置を示す部分拡大図。
【図10】 磁束を改善するための特殊形状のヨーク部を有する三相変圧器用磁心の横断面図。
【図11】 脚部が並列している三相変圧器用磁心を示す斜視図。
【図12】 本発明の単相変圧器の磁心を示す横断面図。
【図13】 本発明の単相変圧器の磁心を示す横断面図。
【図14】 本発明の単相変圧器の磁心を示す横断面図。
【図15】 変圧器用磁心の断面の形にさらに改良を加えたものを示す部分拡大図。
【図16】 変圧器用磁心の断面の形にさらに改良を加えたものを示す部分拡大図。
【図17】 変圧器用磁心の断面の形にさらに改良を加えたものを示す部分拡大図。
Claims (10)
- 3本の脚部および前記脚部を連結するヨーク部を有し、前記3本の脚部の断面が同一であり、かつ四角形より多い稜を有する正多角形である変圧器の磁心であって、
前記磁心が一定幅のストリップを巻きつけたリングのみより形成され、前記リングの各々が前記脚部のうちの2本の部分を形成することを特徴とする変圧器の磁心。 - 前記脚部が六角形の断面を備えることを特徴とする請求項1に記載の変圧器の磁心。
- 9つのリングを有することを特徴とする請求項2に記載の変圧器の磁心。
- 第1の幅と第1の高さとを有する3つのリングおよび第1幅の半分である第2の幅と第1の高さの半分である第2の高さとを備える6つのリングを備えることを特徴とする請求項3に記載の変圧器の磁心。
- 7つのリングを有することを特徴とする請求項2に記載の変圧器の磁心。
- 第1の幅と第1の高さのストリップが巻かれ、2つの角が60度の菱形断面を有する第1(22a)、第2(23a)および第3(24a)リングを備え、同第1、第2、第3リングが共に、三角形を形成するヨーク部を形成する変圧器の磁心であって、
第1の幅と第1の高さの概ね半分の第2の高さとを有するストリップが巻かれた第4リング(24b)と、前記第4リングは菱形の断面を有すると共に、前記第3リング(24a)上に配置されることと、
第1の幅の概ね半分である第2の幅と前記第1の高さとを有するストリップが巻かれた第5リング(22b)と、前記第5リングは菱形の断面を有すると共に、前記第1リング(22a)の上に配置されることと、
第2の幅と第2の高さとを有するストリップが巻かれた第6リング(23b)と、前記第6リングは菱形の断面を有すると共に、前記第2リング(23a)の上に配置されることと、
第2の幅と第2の高さとを有するストリップが巻かれた第7リング(23c)と、前記第7リングは、菱形の断面を有すると共に、前記第2リング(23a)および第6リング(23b)の上に配置されることと、
を有し、それによって六角形断面を有する3本の脚部を備えた三相変圧器の磁心が形成されることを特徴とする請求項5に記載の変圧器の磁心。 - 前記脚部が八角形断面を有することを特徴とする請求項1に基づいた変圧器の磁心。
- 前記脚部が十角形の断面を有することを特徴とする、請求項1に記載の変圧器の磁心。
- すべてのリングが、60度の角度が2つ、120度の角度が2つの菱形断面を有することを特徴とする請求項1に記載の変圧器の磁心。
- 巻き線の間にストリップを巻いた磁心70を追加し、磁心の上部と下部でストリップが結合していることを特徴とする請求項1に記載の変圧器の磁心。
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