JP4580036B1 - バスバーおよびコネクタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バスバー20の先端部の凸型形状、すなわち、突出部21A、22B、23C、24D、25E、および26Fと、コネクタ30の凹型形状、すなわち、円筒部43A、窪み部31B、円筒部42C、窪み部31D、円筒部41E、および、窪み部31Fと、がかみ合うことで、バスバー20とコネクタ30とが電気接続できる。すなわち、コネクタ30にバスバー20を差し込むだけで電気接続が可能であり、端子を例えばネジで締結する必要がない。したがって、バスバー20とコネクタ30との接続が容易である。
【選択図】図1
Description
またバスバーを用いた機械の製造時や点検、修理時に、バスバーの端子のネジ止めを行う必要があるが、この作業工数が多いという問題がある。
また、このバスバーおよびコネクタでは、バスバーの凸型形状が、コネクタの凹型形状とかみ合い、覆われる。すなわち、バスバーを構成する導体とコネクタ導体との接続部分はコネクタの内側に配置される。したがって、この接続部分と、バスバーおよびコネクタの外部と、を確実に絶縁できる。
また、このバスバーでは、バスバー中心導体、バスバー絶縁体、および、バスバー導体は同軸に設けられる。このようなバスバーは、金属板の打ち抜き加工により製造される板状のバスバーに比べ、製造時の材料の無駄を抑制できる。したがって、バスバーの金属材料の歩留まりが高く、バスバーの材料の原料コストを削減しうる。
また、このバスバーおよびコネクタでは、絶縁体は有機材料と無機材料との混合物、または、有機材料からなる。一般に、高分子化合物などの有機材料やシリカなどの無機材料の多くは、絶縁破壊電圧が10kV/mmを越えることが知られている(例えば、「プラスチックス」、工業調査会、vol.52、No.4、158〜163頁に記載)。このため使用される電圧が数kV程度であれば、たとえ絶縁体の厚さが1mm程度であっても十分に絶縁できる。すなわち、バスバー絶縁体およびコネクタ絶縁体には、絶縁体として適した材料が用いられる。したがって、バスバーおよびコネクタの絶縁をより確実にしうる。
さらに、有機材料と無機材料との混合物を絶縁体に適用した場合は、次の効果を奏する。一般に、有機材料の線膨張係数は、金属材料や無機材料に比べて大きい。このため、有機材料と無機材料との混合物を絶縁体に適用することで、導体と絶縁体との線膨張係数差を小さくすることができ、ひいてはバスバーおよびコネクタの耐久性をなお一層向上することができる。
また、バスバーを構成する導体とコネクタ導体との接触面が、めっき処理により平滑化される。よって、めっき処理をしない場合に比べ、これらの導体の接触面積が大きくなり、電気抵抗を低くできる。
したがって、防錆性、耐磨耗性および低電気抵抗の効果により、バスバーを構成する導体とコネクタ導体とをより確実に電気接続できる。
また、複数のコネクタ導体の円筒部は、コネクタの軸方向にずらして配置される。したがって、これらをコネクタの軸方向にずらして配置しない場合に比べ、コネクタ導体どうしをより絶縁できる。
また、複数のコネクタ導体の間の隙間がコネクタ絶縁体で埋められている。したがって、コネクタ導体どうしを絶縁できる。
また、コネクタは一体化されている。したがって、一体化されていない場合に比べ、コネクタの取り扱いが容易である。
また、コネクタの切り欠きに埋め込み体を埋める。したがって、埋め込み体を切り欠きに埋めない場合に比べ、コネクタとコネクタの外部とをより絶縁できる。
図1はバスバーとコネクタ(コネクタ絶縁体を除く)とを示す斜視図であり、バスバーがコネクタに差し込まれた状態を示す。図2は図1に示すバスバーとコネクタ(絶縁部を含む)と、コネクタの外側に設けた締付部と、を示す斜視図である。図3は、図1に示すバスバーとコネクタ(コネクタ絶縁体を含む)との断面図である。図4は図3に示すバスバーの断面図である。図5は図3に示すコネクタの断面図である。以下、図1〜図5を参照してバスバーおよびコネクタ1の構成について詳細に説明する。
バスバーおよびコネクタ1は、インバータ制御の三相交流モータにおいて、インバータとモータとの電気接続(図示なし)に用いるものである。
この平板部12は、それぞれ中央部に補強部13を有する。また、平板部12の孔にボルト14を通す。
バスバー20を、図4(図1、図3)に示す。このバスバー20は棒状である。なお、図1、図3、および図4ではバスバー20の両端のうち一方の端部のみ示している。バスバー20に接続する電動機、発電機や電源部の位置に応じて、直線状に形成することも、曲線状に形成することもできる。軸方向(すなわち長手方向。なお、バスバー20が曲がっている場合でもこの方向を「軸方向」という)の長さは例えば320mmである。
このバスバー20は、径方向内側から順に、バスバー中心導体21、バスバー絶縁体22、バスバー導体23、バスバー絶縁体24、バスバー導体25、および、バスバー絶縁体26を有する。これらの部材はそれぞれ筒状であり、同軸である。すなわち、導体と絶縁体とが、径方向内側から外側に向かう方向において交互に配置されている。言い換えれば、同心円状に導体と絶縁体とが交互に積層された、三重構造となっている。
また、このバスバー20の末端部(図4における上端部)は、凸型形状である。バスバー20の径方向内側の部材ほど、バスバー20の軸方向外側(図4における上側)に長く突出している。すなわち突出部21A、22B、23C、24D、25E、および26Fのうち、径方向内側にある突出部21Aが最も長くバスバー20の軸方向外側に突出し、以下突出部22B、23C、24D、25E、26Fの順で長く突出している。以下、このバスバー20を構成する各部材について説明する。
バスバー絶縁体(バスバー絶縁体22、バスバー絶縁体24、バスバー絶縁体26)は、有機材料と無機材料との混合物、または、有機材料からなる。この有機材料は例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、およびゴムから選ばれる1種または複数種からなる。また、この無機材料は例えば、結晶性シリカ粉末、溶融シリカ粉末、ガラス繊維、タルク粉末、マイカ粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化硼素粉末、窒化珪素粉末、および、炭化珪素粉末、から選ばれる1種または複数種からなる。そして、バスバー絶縁体の製造方法に応じて任意の材料を選択する。
一つの方法は次の方法である。金型中に金属製パイプ材(製造後における、バスバー中心導体21、バスバー導体23、および、バスバー導体25)を一定の間隔を保持して固定する。そして射出成形や真空注型、加圧注型などの方法により、金型中に無機材料を混合した有機材料(有機材料と無機材料との混合物)、または有機材料を充填する。その後この材料を固化する。材料が熱可塑性樹脂の場合、冷却により固化する。材料が熱硬化性樹脂の場合、加熱により三次元架橋する。材料がゴムの場合、加硫による三次元架橋などにより固化する。固化した材料は、バスバー絶縁体22、24および26となる。
もう一つの方法は次の方法である。金属管(製造後における、バスバー中心導体21、バスバー導体23、および、バスバー導体25)と、無機材料を混合した有機材料(有機材料と無機材料との混合物)または有機材料の管(例えばゴム管。製造後におけるバスバー絶縁体22、24および26)とを互い違いに挿入した積層管を用意する。この積層管の最も内側の金属管(製造後におけるバスバー中心導体21)の内側から加圧して、この積層管を拡管する。または、最外層(製造後のバスバー絶縁体26)の外側より内側に加圧して縮管する。これにより積層管を固定化する。
コネクタ30は、図1および図3に示すように、バスバー20の末端部を差し込み、電気接続するための部材であり、図示しない電動機、発電機、および、電源部に取り付ける。このコネクタ30は、バスバー20の末端部の凸型形状とかみ合う凹型形状であり、有底筒状である。ここで、軸方向両端部のうち、バスバー20が差し込まれる側の端部(図1および図3における下端)を端部30b、その逆側の端部(同図における上端)を端部30tとする(以下、コネクタ30の軸方向において、端部30b側を「下側」、端部30t側を「上側」などという。なお、このコネクタ30は、端部30tを上に、端部30bを下にして使用する必要はない)。
このコネクタ30の凹型形状は、図5に示すように、以下のような形状である。コネクタ30の端部30bから端部30t側へ向かって順に、窪み部31F、円筒部41E、窪み部31D、円筒部42C、窪み部31B、および、円筒部43Aを有する。これらの部分はそれぞれ同軸であり、円柱形状の空間を有する。そしてこれらの部分のうち、端部30bから遠い部分ほど、半径が小さい。言い換えれば、端部30bからの深さは、径方向内側が最も深く、径方向外側ほど浅くなっている。そして、図1および図3に示すように、このコネクタ30にバスバー20を差し込んだとき、窪み部31Fと突出部26Fとが、円筒部41Eと突出部25Eとが、窪み部31Dと突出部24Dとが、円筒部42Cと突出部23Cとが、窪み部31Bと突出部22Bとが、円筒部43Aと突出部21Aとが、それぞれ接する。以下このコネクタ30を構成する各部材や部分について説明する。
このコネクタ30は、図5に示すように、有底筒状のコネクタ絶縁体31、および、それぞれコネクタ絶縁体31に埋め込まれたコネクタ導体41とコネクタ導体42とコネクタ導体43とを有する。
すなわち、コネクタ30軸方向の端部30t側(上側)から見て、コネクタ30の軸を中心として、帯板部43qを通る直線を基準(0度)としたとき、帯板部42qは右に90度の位置、帯板部41qは左に90度の位置にある。これにより、帯板部41q、42q、および43q間の絶縁距離を確保できる。また、帯板部41q、42q、および43qそれぞれの短手方向は、間隔を開けて平行に並ぶ。これにより、帯板部41q、42q、43qとコネクタを設ける機器(例えば、電動機、発電機、電源部など)とを接続しやすい。
図6および図7に変形例1に係るバスバーおよびコネクタ101を示す。図8に、図6および図7に示したコネクタ130を示す。
また、帯板部142q、および143qも、帯板部141qと同様に設ける。帯板部141q、142q、および143qは、コネクタ130の外周において、軸方向に沿う直線上に間隔を開けて配置する。すなわち、それぞれの長手方向が同一平面上に平行に並ぶよう配置される。これにより、帯板部141q、142q、および143qと、コネクタ130を設ける機器(例えば図示しない電動機、発電機、電源部)とを接続しやすい。
図9に変形例2に係るバスバー中心導体221(バスバー導体223、225)を示す。
第1実施形態のバスバーおよびコネクタ1、101には以下の特徴がある。
また、バスバー20の凸型形状が、コネクタ30の凹型形状とかみ合い、覆われる。すなわち、バスバー20を構成する導体(バスバー中心導体21、バスバー導体23、およびバスバー導体25)とコネクタ導体41、42、および43との接続部分はコネクタ30の内側(有底筒状のコネクタ30の筒の内部)に配置される。したがって、この接続部分と、バスバーおよびコネクタ1(101)の外部と、を確実に絶縁できる。
また、このバスバー20では、バスバー中心導体21、バスバー導体23、25、バスバー絶縁体22、24、および26、は同軸に設けられる。このようなバスバー20は、金属板の打ち抜き加工により製造される板状のバスバーに比べ、製造時の材料の無駄を抑制できる。したがって、バスバー20の歩留まりが高く、バスバー20の材料の原料コストを削減しうる。
また、このバスバー20を構成する導体(バスバー中心導体21、バスバー導体23、および25)は筒状である。よって、断面積を一定とした場合、棒状や円柱状の場合に比べ、表面積が大きい。したがって高周波での電気抵抗の抑制や、放熱性に優れている。
また、バスバー絶縁体22、24、26、およびコネクタ絶縁体31は有機材料と無機材料との混合物、または有機材料からなる。一般に、高分子化合物などの有機材料やシリカなどの無機材料の多くは、絶縁破壊電圧が10kV/mmを越えることが知られている。このため使用される電圧が数kV程度であれば、たとえ絶縁体の厚さが1mm程度であっても十分に絶縁できる。すなわち、バスバー絶縁体22、24、26、およびコネクタ絶縁体31には、絶縁体として適した材料が用いられている。したがってバスバー20およびコネクタ30の絶縁をより確実にしうる。
さらに、有機材料と無機材料との混合物を絶縁体(バスバー絶縁体22、24、26、およびコネクタ絶縁体31)に適用した場合は、次の効果を奏する。一般に、有機材料の線膨張係数は、金属材料や無機材料に比べて大きい。このため、有機材料と無機材料との混合物を絶縁体に適用することで、導体と絶縁体との線膨張係数差を小さくすることができ、ひいてはバスバー20およびコネクタ30の耐久性をなお一層向上することができる。
また、バスバー20を構成する導体とコネクタ導体41、42、43との接触面が、めっき処理により平滑化される。よって、めっき処理をしない場合に比べ、これらの導体の接触面積が大きくなり、電気抵抗を低くできる。
したがって、防錆性、耐磨耗性および低電気抵抗の効果により、バスバー20を構成する導体(バスバー中心導体21、バスバー導体23、および25)とコネクタ導体41、42、43とをより確実に電気接続できる。
また、複数のコネクタ導体の円筒部41E、42C、および43Aは、コネクタ30の軸方向にずらして配置される。したがって、これらをコネクタ30の軸方向にずらして配置しない場合に比べ、コネクタ導体41、42、および43どうしをより絶縁できる。
また、複数のコネクタ導体41、42、および43の間の隙間がコネクタ絶縁体31で埋められている。したがって、コネクタ導体41、42、および43間を絶縁できる。
また、コネクタ30は一体化されている。したがって、一体化されていない場合に比べ、コネクタ30の取り扱いが容易である。
また、コネクタ30の切り欠き33に埋め込み体34を埋める。したがって、埋め込み体34を切り欠き33に埋めない場合に比べ、コネクタ30とコネクタ30の外部とをより絶縁できる。
図10に第2実施形態に係るバスバーおよびコネクタの、バスバー320を軸方向から見た(図4の符号F10を参照)断面図を示す。なお、図10では、バスバー絶縁体322、324、および26にハッチングを記していない。上述した第1実施形態と第2実施形態とで異なる点は、バスバー中心導体の形状、および、バスバー絶縁体の径方向の厚さである。以下、それぞれについて説明する。なお、その他の部分については第1実施形態と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
なお、バスバー絶縁体(バスバー絶縁体322、324、および26)の個数は3である。そして、径方向内側から数えて3番目(バスバー絶縁体の個数と等しい「3」番目)に配置したバスバー絶縁体26は、外側にバスバー導体が存在しない。そこで、このバスバー絶縁体26の径方向の厚さには、上述したような条件を設けていない。言い換えれば、径方向内側から数えて2番目および1番目(3番目未満)に配置したバスバー絶縁体にのみ上述した条件を設けている。
また、この関係は、図4に示す、突出部21A、22B、23C、24D、25Eの部分では成り立たない。言い換えれば、バスバー320(図10参照)の軸方向において、バスバー絶縁体26の両端部に挟まれた部分で成り立つ。また、この関係は少なくともバスバー320の直線部分で成り立つ。
第2実施形態のバスバーおよびコネクタ301では、次の理由により、相間の変位電流を等しくし得る。まず、バスバー絶縁体322およびバスバー絶縁体324の誘電率をそれぞれεとする。また、上述したように、バスバーを構成する導体のうち径方向内側から1番目に配置したバスバー中心導体321の外周321oの表面積と、同2番目に配置したバスバー導体23の内周23iの表面積と、の平均値をS1とする。このとき、バスバー中心導体321と、バスバー絶縁体322と、バスバー導体23と、で構成される擬似コンデンサの静電容量C1は、C1=ε×S1/d1で表される。
また、上述したように、バスバーを構成する導体のうち径方向内側から2番目に配置したバスバー導体23の外周23oの表面積と、同3番目に配置したバスバー導体25の内周25iの表面積と、の平均値をS2とする。このとき、バスバー導体25と、バスバー絶縁体324と、バスバー導体25と、で構成される擬似コンデンサの静電容量C2は、C2=ε×S2/d2で表される。
上述したように、本実施形態に係るバスバーおよびコネクタ301ではS1/d1とS2/d2とは同じ値である。よって、C1とC2とは同じ値である。ここで、バスバー中心導体321(径方向内側から1番目に配置した導体)と、バスバー導体23(径方向内側から2番目に配置した導体)とに電圧Vをかけたときの変位電流I1は、I1=jωC1Vで表される。同様に、バスバー導体23(径方向内側から2番目に配置した導体)と、バスバー導体25(径方向内側から3番目に配置した導体)とに電圧Vをかけたときの変位電流I2は、I2=jωC2Vで表される。上述したようにC1とC2とは同じ値であるので、変位電流I1とI2とは等しい。すなわち、バスバーを構成する複数の導体のうち径方向内側から1番目に配置したバスバー中心導体321と、同2番目に配置したバスバー導体23と、の間に生じる変位電流I1と、同2番目に配置したバスバー導体323と、同3番目に配置したバスバー導体25と、の間に生じる変位電流I2と、は等しい。言い換えれば、バスバーを構成する複数の導体の相間で変位電流が等しい。したがってバスバーおよびコネクタ301では安定した電気接続ができる。
図11に第3実施形態に係るバスバーおよびコネクタ401の断面図を示す。このバスバーおよびコネクタ401の第1実施形態との相違点は、バスバー絶縁体22及び24の突出部422B及び424Dの形状と、コネクタ絶縁体31の窪み部431B及び431Dの形状である。なおその他の構成は第1実施形態と同一であり、同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
なお、突出部422Bの外周の直径は、バスバー絶縁体26の外周の直径以下とすることが好ましい。この場合、バスバー20全体としての外周の直径は実施形態1に係るバスバー20(図3参照)と同一である。よって、コネクタ30を大きくする必要がない。
また、突出部422Bは外周の直径が一定である。言い換えれば、突出部422Bはバスバー20の中心軸を中心として長方形断面を回転させた形状である。
また窪み部431Dも、突出部424Dとかみ合うように形成される。
図3に示す突出部24Dの軸方向長さを大きくすれば、突出部25Eと突出部23Cとの沿面距離(絶縁体の表面に沿った最短距離)を大きくできる。また突出部22Bの軸方向長さを大きくすれば、突出部23Cと突出部21Aとの沿面距離を大きくできる。しかしながらこの場合はバスバーおよびコネクタ1が大きくなる。
一方で図11に示すバスバーおよびコネクタ401では、バスバーおよびコネクタ401の軸方向長さを長くしなくても(バスバー20やコネクタ30を大きくしなくても)、上記の沿面距離が大きくなる。したがって、バスバーおよびコネクタ401を大きくしなくても、各相間の電気絶縁性をより確実に確保できる。
図12に第3実施形態の変形例1に係るバスバーおよびコネクタ501を示す。図11に示す突出部422B及び突出部424Dは次のように変形できる。
図13に第3実施形態の変形例2に係るバスバーおよびコネクタ601を示す。図11に示す突出部422B及び突出部424Dは次のように変形できる。
図14に第4実施形態に係るバスバーおよびコネクタ701を示す。このバスバーおよびコネクタ701と第1実施形態に係るバスバーおよびコネクタ1(図3参照)との主な相違点は、バスバー中心導体21の長さと、コネクタ導体43の形状である。なお第1実施形態と同一の部分には同一符号を付してその説明を省略する。
このバスバーおよびコネクタ701では、バスバー中心導体21をバスバー絶縁体22から軸方向外側に長く突出させなくても(図3に示す突出部21Aを設けなくても)、バスバー中心導体21とコネクタ導体43とを電気接続できる。したがって、バスバー中心導体21をバスバー絶縁体22から軸方向外側に長く突出させる場合(図3に示す突出部21Aを設ける場合)に比べ、バスバー20の全長を短くできる。また、このバスバー20とかみあうコネクタ30の全長も短くできる。
図15に第4実施形態の変形例に係るバスバーおよびコネクタ701を示す。バスバー中心導体21及びコネクタ導体43を、第1実施形態(図3参照)と第4実施形態(図14参照)とを組み合わせたような構成としても良い。
さらに詳しくは、バスバー中心導体21は内周部721Aを備えるとともに突出部21Aを備える。また、コネクタ導体43は、接続部743Aを備えるとともに円筒部43Aを備える。そして接続部743Aと円筒部43Aとで突出部21Aを挟むように、バスバー中心導体21とコネクタ導体43とが接続される。
20 バスバー
21、221、321 バスバー中心導体(バスバーを構成する導体)
22、24、26 バスバー絶縁体
23、25、223、225 バスバー導体(バスバーを構成する導体)
23o、321o 外周
23i、25i 内周
30 コネクタ
31 コネクタ絶縁体
32 主コネクタ絶縁体
34 埋め込み体
33 切り欠き
41、42、43、141、142、143 コネクタ導体
d1、d2 厚さ
Claims (10)
- 電気接続に用いるバスバーおよびコネクタであって、
前記バスバーは、
軸方向を有する中心部のバスバー中心導体と、
前記バスバー中心導体の外周側に設けられ筒状に形成された、バスバー導体および複数のバスバー絶縁体と、
を備え、
前記バスバー絶縁体および前記バスバー導体は、径方向内側から外側に向かう方向において交互に配置され、
前記バスバーの末端部は、前記バスバー導体と前記バスバー絶縁体とが、径方向内側の部材ほど軸方向外側に長く突出した凸型形状とされ、
前記コネクタは、前記バスバー中心導体および前記バスバー導体に対して接触する複数のコネクタ導体と、コネクタ絶縁体と、を備え、前記バスバーの凸型形状とかみあう凹型形状とされていることを特徴とする、バスバーおよびコネクタ。 - 前記バスバーの末端部が差し込まれた前記コネクタを、当該コネクタの径方向外側から径方向内側へ向かって押圧することにより、当該バスバーと当該コネクタとが接続されることを特徴とする、請求項1に記載のバスバーおよびコネクタ。
- 前記バスバーを構成する導体、および、前記コネクタ導体は、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、および、銅合金のいずれかからなり、
前記バスバー絶縁体および前記コネクタ絶縁体は、有機材料と無機材料との混合物、または、有機材料からなることを特徴とする、請求項1または2に記載のバスバーおよびコネクタ。 - 前記バスバー絶縁体の圧縮弾性率は、前記コネクタ絶縁体の圧縮弾性率よりも大きいことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。
- 前記バスバーを構成する導体と、前記コネクタ導体との接触面がめっき処理されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。
- 前記複数のコネクタ導体は、それぞれ円筒部と帯板部とを有し、
複数の前記円筒部は、それぞれ前記バスバーを構成する導体と接触するように、前記コネクタの軸方向にずらして配置され、
前記コネクタは、前記複数のコネクタ導体の間の隙間が前記コネクタ絶縁体で埋められて一体化されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。 - 前記コネクタ絶縁体は、主コネクタ絶縁体と、当該主コネクタ絶縁体よりも圧縮弾性率の小さい埋め込み体と、を有し、
前記埋め込み体は、主コネクタ絶縁体の軸方向に沿う切り欠きに埋め込まれていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。 - 前記複数のバスバー絶縁体は誘電率がそれぞれ等しく、
前記複数のバスバー絶縁体のうち、径方向内側から数えてn番目に配置した前記バスバー絶縁体の径方向の厚さをdnとし、
前記バスバーを構成する複数の導体のうち径方向内側から数えてn番目に配置した前記導体の外周の表面積と、n+1番目に配置した前記導体の内周の表面積と、の平均値をSnとし、
前記バスバー絶縁体の個数をmとしたとき、
n<mを満たすいずれのnでもSn/dnが一定となるように、前記バスバーを構成する前記導体および前記バスバー絶縁体が形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。 - 前記バスバー導体の径方向内側に隣接する前記バスバー絶縁体は、当該バスバー導体よりも軸方向外側に長く突出した部分の外周の直径が、当該バスバー導体の外周の直径より大きいことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。
- 筒状に形成された前記バスバー中心導体と、
前記バスバー中心導体の内周部に接触可能に形成された前記コネクタ導体と、を備えていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のバスバーおよびコネクタ。
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