JPWO2018150807A1 - 薄帯部品とその製造方法、および、薄帯部品を用いたモータ - Google Patents

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Abstract

非晶質薄帯部材を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、上記加工工程で加工された上記非晶質薄帯部材を熱処理して収縮させ、上記目的形状の薄帯部品にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法を用いる。複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、上記磁性積層体の側面の全体に渡って凹部を有する薄帯部品を用いる。上記記載の薄帯部品と、上記薄帯部品に配置された複数のコイルと、上記複数のコイル間に配置されたロータと、を含むモータを用いる。

Description

本発明は、薄帯部品とその製造方法、および、薄帯部品を用いたモータに関する。特に、軟磁性薄帯を熱処理した薄帯部品と、その製造方法、ならびに、それを用いたモータに関するものである。
従来のモータ用の鉄心（固定子）の磁性板の積層体としては、純鉄や電磁鋼板が用いられている。また、より効率化を目的としたモータでは、非晶質やナノ結晶粒を有する薄帯を鉄心に用いたものもある（例えば、特許文献１参照）。
このモータに用いられた固定子鉄心は、まず、単ロール法、双ロール法等の液体急冷法により作製された非晶質合金薄帯を巻回、切断、打ち抜き、エッチング等の方法で所定の形状に加工する。次に合金薄帯の磁気特性を向上させるために、非晶質合金薄帯を熱処理し結晶化させることによりナノ結晶粒を有する合金薄帯とする。次にこれらを積層し固定子鉄心とし、モータに用いる。
特開平６−１４５９１７号公報
しかしながら、特許文献１におけるモータでは、非晶質合金薄帯を所定の形状に加工し、熱処理するため、温度上昇により薄帯を構成する原子の間隔が狭くなり、薄帯の収縮が発生する。
その結果、熱処理後の固定子鉄心の形状が所定の範囲に入らないことがあった。そのため、固定子のモータへの組立に支障が発生した。また、固定子鉄心と回転子鉄心の隙間距離が一定せず、モータ特性も一定しなかった。
よって、本発明の課題は、熱処理により薄帯部品に収縮が生じても、形状精度と磁気特性に優れた薄帯部品、その製造方法、および、その薄帯部品を用いたモータを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、非晶質薄帯部材を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、上記加工工程で加工された上記非晶質薄帯部材を熱処理して収縮させ、上記目的形状の薄帯部品にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法を用いる。
非晶質薄帯を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、上記加工工程で加工された上記非晶質薄帯を積層する積層工程と、上記積層工程の後の上記非晶質薄帯の積層体を熱処理して収縮させ、上記非晶質薄帯を上記目的形状の積層された薄帯部材にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、上記磁性積層体の側面の全体に渡って凹部を有する薄帯部品を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、上記薄帯部品間が接合されている薄帯部品を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、上記磁性積層体の側面が樹脂で覆われ、１つの平面が形成されている薄帯部品を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、上記磁性積層体の側面は、１つの平面が形成され、上記薄帯部品間に樹脂が位置する薄帯部品を用いる。
上記記載の薄帯部品と、上記薄帯部品に配置された複数のコイルと、上記複数のコイル間に配置されたロータと、を含むモータを用いる。
以上のように、本発明の薄帯部品と、積層体と、それらの製造方法、およびモータによれば、薄帯部品の形状精度と磁気特性、ならびにモータ特性を優れたものにすることができる。
図１は、本発明の実施の形態１における非晶質状態の鉄系薄帯部品の上面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１における熱処理した薄帯部品を積層した積層体の側面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１における熱処理した薄帯部品を積層した積層体の上面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１における積層体を用いたモータの側面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１における積層体を用いたモータの上面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１における積層体のティースの端面近傍の断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１における積層体のティースの正面図である。 図５は、本発明の実施の形態２における積層体の端面近傍の断面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態３における積層体の端面近傍の断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態３における積層体の端面近傍の正面図である。 図７は、本発明の実施の形態４における積層体の熱処理装置の断面構成図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態４における積層体の端面近傍の断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態４における積層体の端面近傍の正面図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態５における積層体の端面近傍の断面図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態５における積層体の端面近傍の正面図である。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における非晶質薄帯部材１の平面図である。
＜非晶質薄帯部材１＞
非晶質薄帯部材１は、鉄系薄帯部品、磁性部材である。
非晶質薄帯部材１は、ティース１ａと呼ばれるＴ字型の部位を複数、内側に有する。非晶質薄帯部材１をモータに用いる場合、ティース１ａの端面３０の内側には、ロータ１０が入れられる。このティース１ａには、最終、コイルが巻かれる。コイルに電流が流れ、磁界が発生し、ロータ１０が回転し、モータとなる。
非晶質薄帯部材１の周辺の４箇所に、取り付け穴１ｂがある。取り付け穴１ｂには、ボルトなどの固定部材が挿入される。
非晶質薄帯部材１の外周には、複数のティース１ａを繋ぎ、取り付け穴１ｂを有するドーナツ状、または、中空の額縁状のコアバック１ｃがある。
＜熱処理＞
非晶質薄帯部材１は、磁気特性を上げるために熱処理される。特に、熱処理で結晶化させてナノ結晶粒と呼ばれる純鉄の微結晶粒を生成させると、軟磁気特性が向上する。非晶質薄帯部材１は、磁性材料であり、コイルが巻かれ、モータの部品となる。
非晶質は、固有の原子間距離よりも長い不安定な状態のため、熱処理による温度上昇によって、原子は安定化のため原子間距離が固有の距離になるように移動する。その結果、非晶質薄帯部材１は収縮する。熱処理した薄帯は脆くなるので、製作時には、先に非晶質状態で形状加工し、後で熱処理する工程をとる。
＜プロセス＞
この実施の形態１では、非晶質薄帯部材１を目的形状よりも大きい寸法の割合の所定形状に加工する加工工程と、上記加工された非晶質薄帯部材１を熱処理し収縮させて、上記目的寸法の内の形状にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法を用いる。
つまり、非晶質薄帯部材１の熱処理による収縮率を考慮して、非晶質薄帯部材１を大き目に加工する。それを熱処理して、収縮させ、所定の寸法仕様内に納める。非晶質薄帯部材１では、約１００℃から原子の移動が明瞭になり、３７０℃から５００℃程度の間で、粒径が数１０ｎｍのナノ結晶粒が生成し始める。
また、磁気特性を高めるための処理時間は数秒以上必要で、温度が低いほど長時間を要する。収縮率は、矩形の試験片では１軸方向で最大０．６％だが、熱処理条件により値は異なる。熱処理の温度が高い、または、熱処理の時間が長いほど、原子の移動量が大きくなるので、収縮率は大きくなる。
それに応じて加工寸法を決める。収縮率に関して、板厚の影響は小さい。一方、収縮率に関して、形状の影響は大きく、形状により、場所による収縮率の挙動は複雑である。各材料自身の収縮だけでなく、材料のつながり方も起因して相互に拘束するので、収縮率は一律でなく場所により異なる。
形状精度を高めるために、収縮率を十分に考慮する必要があるのは、ティース１ａであるＴ字型の部位である。内径部には、ロータ１０である回転体を挿入される。このため、このロータ１０とティース１ａの端面３０との隙間が大きいと、モータ効率が低下し、隙間が一定しないと回転動作が不安定になる。
ティース１ａの先端部位の端面３０は、最も複雑な収縮挙動を示す。このティース１ａの形状精度が悪いと、モータ特性も不安定になる。
非晶質薄帯部材１の周辺の４箇所に、取り付け穴１ｂがある。取り付け穴１ｂの位置は、非晶質薄帯部材１の中心部の位置精度と、ロータ１０が挿入される空間の径の精度とに影響するために重要である。
複数のティース１ａを繋ぎ、取り付け穴１ｂを有するドーナツ状、または、中空の額縁状のコアバック１ｃがある。コアバック１ｃの精度は、ティース１ａや取り付け穴１ｂに比べて、厳密さの程度は低くても良い場合もある。
＜プロセス＞
そのため、まず、最終形状に近い形状を作製し、熱処理する。熱処理したものを測定し、収縮率を決定する。異なる熱処理条件や部位形状で測定した収縮率は、０％〜０．６％の間である。熱処理後の収縮量は、非晶質薄帯部材１内の非晶質状態、板厚、熱処理時の温度などの不均一さにより影響される。同じ処理を行っても収縮量に差異は生じるが、本実施の形態のように、最大直径が１３０ｍｍ程度以下なら、その精度は±０．０１ｍｍ以内である。
＜積層体＞
図２Ａは、非晶質薄帯部材１を熱処理した薄帯部品２を積層した薄帯部品３の側面図である。図２Ｂは、非晶質薄帯部材１を熱処理した薄帯部品２を積層した薄帯部品３の上面図である。積層された薄帯部品３は、熱処理した薄帯部品２を積層し、それらをボルト４によって、スプリングワッシャ５とワッシャ６を介してナット７によって締結される。ここでの固定は４箇所である。
また、非晶質薄帯部材１を複数枚以上積層した後に熱処理をし、図２Ａのようにボルト４で締結し、積層された薄帯部品３としても良い。
積層した薄帯部品３は、複数の板状の同形状の薄帯部品２が積層された磁性積層体である。
＜モータ＞
図３Ａは、積層された薄帯部品３を用いたモータの側面図、図３Ｂは、積層された薄帯部品３を用いたモータの上面図である。図２Ａ、図２Ｂの積層された薄帯部品３において、ナット７を一端、取り外し、金属台８を積層された薄帯部品３の下に挿入し、再度、ナット７によって締結する。
次に、薄帯部品２のティース１ａ（図１）と呼ばれる部位において、積層された薄帯部品３に対し巻線９を施し、固定子とする。積層された薄帯部品３の内径部にロータ１０を設置する。この状態で巻線９に通電すれば、モータとして駆動できる。
＜ティース１ａ＞
図４Ａは、積層された薄帯部品３のティース１ａの端面３０近傍の断面図、図４Ｂは、積層された薄帯部品３のティース１ａの端面３０近傍の正面図である。
図１において記述したように、熱処理後の薄帯部品２の寸法精度は±０．０１ｍｍ以内である。また、それ以外に積層時には面内で位置合せのずれが起こりやすい。位置合せの精度を上げたとしても、熱処理に起因した寸法の偏差により、端面３０には凹凸が発生する。
図４Ａの凹凸の寸法変動ａと、図４Ｂの凹凸の寸法変動ｂとにおいて、端面３０の寸法変動はともに±０．１ｍｍ以内である。また、薄帯部品２は熱処理されているので、図４Ｂで端面３０には視認できる酸化膜１１を確認できる。この酸化膜１１があることで、酸化が進まず、耐食性は向上する。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の積層された薄帯部品３のティース１ａの端面３０近傍の断面図である。記載しない事項は実施の形態１と同様である。
図５において、実施の形態１における図４と異なる点は、薄帯部品２の端面３０に樹脂被覆層１２を形成したことである。薄帯部品２のそれぞれの収縮量の差異により、端面３０には凹凸が生じる。しかし、特にロータ１０を回転させる内径部では、相互の隙間間隔（端面３０とロータ１０との間隔）の精度を良くすることが重要である。
この寸法差異を解消するために、端面３０に樹脂被覆層１２を形成する。薄帯部品２の層間深くまで樹脂被覆層１２が入ると占積率が悪くなる。そのため、主に、端面３０のみに樹脂被覆層１２を形成する。端面３０には凹凸があるので、樹脂被覆層１２を端面３０の表面近傍だけに形成しても、その接合力は十分に確保できる。更に、この樹脂被覆層１２の表面を切削加工し平面３１を形成すれば、形状精度は一層良くなる。
なお、薄帯部品３のティース１ａ部分のみに樹脂被覆層１２を形成するのが好ましい。
（実施の形態３）
図６Ａは、本発明の実施の形態３の積層された薄帯部品３のティース１ａの端面３０近傍の断面図である。図６Ｂは、本発明の実施の形態３の積層された薄帯部品３のティース１ａの端面３０近傍の正面図である。記載しない事項は実施の形態１、２と同様である。
図６Ａが、実施の形態２の図５と異なるのは、樹脂被覆層１２表面を切削加工し、薄帯部品２を端面３０から露出させ、１つの平面３１を形成していることである。熱処理により薄帯部品２は脆くなっているが、端面３０において樹脂被覆層１２により層間が接着した状態を残すことで、薄帯部品２を破損することなく切削加工できる。
切削加工により、断面の凹凸量は小さくなり、正面から見ると金属光沢を有する切削加工痕１３が残る。
これにより、特にロータ１０と端面３０との隙間間隔の精度が良くなるだけでなく、薄帯部品２との隙間間隔を小さく出来る。結果、モータ効率が一層良くなる。
なお、薄帯部品３のティース１ａ部分のみに上記処理をするのが好ましい。
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の積層された薄帯部品３の熱処理装置の断面構成図である。記載しない事項は実施の形態１〜３と同様である。
非晶質薄帯部材１の積層体１４を、加圧板１５ではさみ、加圧板１５内のヒータ１６で加熱することで押圧しながら熱処理する。熱処理過程において、非晶質薄帯部材１の間では、表面の酸化膜３２が発達するなどし、部材間の全体または一部が相互に接合する。その結果、積層体１４が一体化されるので、熱処理後の取り扱いが容易になる。
なお、酸化膜３２は、積層体１４の外側が、内部の非晶質薄帯部材１間より多い。
図８Ａは、熱処理後の積層体１７の端面３０近傍の断面図、図８Ｂは、熱処理後の積層体１７の端面３０近傍の正面図である。積層体１４を上下から押圧しながら熱処理すると、加圧板１５と積層体１４との境界面では収縮に対する摩擦抵抗がある。
また、ナノ結晶粒が生成する熱処理条件では、非晶質薄帯部材１自身が発熱し、積層体１４の中央部側に熱が蓄積し温度が高くなり、中央部側の収縮率は大きくなる。これらの影響により、熱処理後の積層体１７の端面３０では、中央部の収縮量が大きくなり、凹部１８を有することもある。
図３Ａ、図３Ｂで示したモータにおいて、端面３０とロータ１０とが接触すると動作不良になる。そのため、図８Ａのように凹部１８を有する形状であれば、積層体１７の上下の両端の薄帯部品２が基準となり、形状が規制される。その結果、精度確保がしやすいという利点がある。
積層体１４は、複数の板状の同形状の薄帯部品２が積層された磁性積層体であり、磁性積層体の側面の全体に渡って凹部１８を有する薄帯部品である。また、薄帯部品２の大きさの変化は、積層体１４の外側に位置する薄帯部品２ほど、大きさが大きい。
（実施の形態５）
図９Ａは、本発明の実施の形態５の積層体１７のティース１ａの端面３０近傍の断面図である。図９Ｂは、本発明の実施の形態５の積層体１７のティース１ａの端面３０近傍の正面図である。記載しない事項は実施の形態４と同様である。実施の形態５では、実施の形態４の積層体１７をさらに加工し、側面に１つの平面を形成している。
図９Ａ，図９Ｂが、実施の形態４の図８Ａ，図８Ｂと異なるのは、端面３０表面を切削加工し１つの平面３１を形成されていることである。熱処理により薄帯部品２は脆くなるが、図７の装置において押圧しながら熱処理することで、薄帯部品２の層間の全体または一部は、熱処理に伴い発達する酸化膜３２により相互に接着されているので、この加工ができる。
これにより端面３０近傍の薄帯部品２は固定され、破損することなく切削加工できる。切削加工により、端面３０の凹凸量は小さくなり、正面から見ると金属光沢を有する切削加工痕１３が残る。切削加工痕１３とは、ライン状の凹凸である。これにより、特にロータ１０と端面３０との隙間間隔の精度が良くなるので、モータ効率は良くなる。
（全体として）
上記の実施の形態は組み合わせることができる。たとえば、実施の形態４，５でできた積層体に、実施の形態２，３を実施してもよい。
ティース１ａを中心に説明したが、薄帯部品２の他の部分も同様に適用できる。
薄帯部品は、一例であり他の構造、形状へも適用できる。
本発明の本発明の薄帯部品と、積層体と、それらの製造方法、およびモータによれば、薄帯部品の形状精度と磁気特性、ならびにモータ特性を優れたものにすることができる。さらに、本発明に係る積層体は、モータ以外にトランス等の磁気応用した電子部品の用途にも適用できる。
１ 非晶質薄帯部材
１ａ ティース
１ｂ 穴
１ｃ コアバック
２ 薄帯部品
３ 薄帯部品
４ ボルト
５ スプリングワッシャ
６ ワッシャ
７ ナット
８ 金属台
９ 巻線
ａ 寸法変動
ｂ 寸法変動
１０ ロータ
１１ 酸化膜
１２ 樹脂被覆層
１３ 切削加工痕
１４ 積層体
１５ 加圧板
１６ ヒータ
１７ 積層体
１８ 凹部
３０ 端面
３１ 平面
上記目的を達成するために、非晶質薄帯を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯を積層する積層工程と、前記積層工程の後の前記非晶質薄帯の積層体を熱処理して収縮させ、前記非晶質薄帯を前記目的形状の積層された薄帯部品にする熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程で、積層した前記非晶質薄帯を積層方向に押圧しながら熱処理する薄帯部品の製造方法を用いる。また、非晶質薄帯を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯を積層する積層工程と、前記積層工程の後の前記非晶質薄帯の積層体を熱処理して収縮させ、前記非晶質薄帯を前記目的形状の積層された薄帯部品にする熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程で、積層された前記薄帯部品の部品間を酸化膜により接合する薄帯部品の製造方法を用いる。また、非晶質薄帯を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯を積層する積層工程と、前記積層工程の後の前記非晶質薄帯の積層体を熱処理して収縮させ、前記非晶質薄帯を前記目的形状の積層された薄帯部品にする熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程で、積層された前記薄帯部品は、前記薄帯部品の側面が、±０．１ｍｍ以上の凸凹である薄帯部品の製造方法を用いる。
非晶質薄帯部品を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯部品を熱処理して収縮させ、前記目的形状の薄帯部品にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法であって、目的形状より大きい寸法の前記非晶質薄帯部品は、前記非晶質薄帯部品の場所により、大きくする寸法を異ならせる薄帯部品の製造方法を用いる。また、非晶質薄帯部品を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯部品を熱処理して収縮させ、前記目的形状の薄帯部品にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法であって、目的形状より大きい寸法の前記非晶質薄帯部品は、前記熱処理工程の熱処理条件により、大きくする寸法を異ならせる薄帯部品の製造方法を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、前記磁性積層体の側面の全体に渡って１つの凹部を有する薄帯部品を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、前記薄帯部品間が酸化膜で接合されている薄帯部品を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、前記磁性積層体の側面が樹脂で覆われ、１つの加工された平面が形成されている薄帯部品を用いる。
複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、前記磁性積層体の側面は、１つの加工された平面が形成され、前記平面には樹脂はないが、前記薄帯部品間に樹脂が位置する薄帯部品を用いる。

Claims (17)

  1. 非晶質薄帯部材を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、
    前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯部材を熱処理して収縮させ、前記目的形状の薄帯部品にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法。
  2. 前記熱処理工程の後の前記薄帯部品を積層する積層工程を含む、請求項１記載の薄帯部品の製造方法。
  3. 非晶質薄帯を目的形状よりも大きい寸法形状に加工する加工工程と、
    前記加工工程で加工された前記非晶質薄帯を積層する積層工程と、
    前記積層工程の後の前記非晶質薄帯の積層体を熱処理して収縮させ、前記非晶質薄帯を前記目的形状の積層された薄帯部材にする熱処理工程と、を含む薄帯部品の製造方法。
  4. 前記熱処理工程で、
    積層した前記非晶質薄帯を積層方向に押圧しながら熱処理する請求項３記載の薄帯部品の製造方法。
  5. 前記熱処理工程で、
    積層された前記薄帯部品の部品間を接合する請求項３または４記載の薄帯部品の製造方法。
  6. 前記熱処理工程で、
    積層された前記薄帯部品は、側面が凹んでいる請求項３〜５のいずれか１項に記載の薄帯部品の製造方法。
  7. 目的形状より大きい寸法の前記非晶質薄帯部材は、前記目的形状の０％より大きく、０．６％以下の寸法である請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄帯部品の製造方法。
  8. 目的形状より大きい寸法の前記非晶質薄帯部材は、前記非晶質薄帯部材の場所により、大きくする寸法を異ならせる請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄帯部品の製造方法。
  9. 目的形状より大きい寸法の前記非晶質薄帯部材は、前記熱処理工程の熱処理条件により、大きくする寸法を異ならせる請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄帯部品の製造方法。
  10. 目的形状より大きい寸法の非晶質薄帯部材は、前記熱処理工程の熱処理温度が高い、または、前記熱処理工程の熱処理時間が長いほど寸法を大きくする請求項９記載の薄帯部品の製造方法。
  11. 複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、
    前記磁性積層体の側面の全体に渡って凹部を有する薄帯部品。
  12. 前記磁性積層体の外側に位置する前記薄帯部品ほど、寸法が大きい請求項１１記載の薄帯部品。
  13. 複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、
    前記薄帯部品間が接合されている薄帯部品。
  14. 前記磁性積層体の側面に１つの平面が形成されている請求項１３記載の薄帯部品。
  15. 複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、
    前記磁性積層体の側面が樹脂で覆われ、１つの平面が形成されている薄帯部品。
  16. 複数の板状の同形状の薄帯部品が積層された磁性積層体であり、
    前記磁性積層体の側面は、１つの平面が形成され、
    前記平面には樹脂はないが、前記薄帯部品間に樹脂が位置する薄帯部品。
  17. 請求項１１から１６のいずれか１項に記載の薄帯部品と、
    前記薄帯部品に配置された複数のコイルと、
    前記複数のコイル間に配置されたロータと、
    を含むモータ。
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