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JP3741037B2 - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

回転電機およびその製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラックに搭載される車両用交流発電機等の回転電機およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
WO98/54823号公報には、U字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入し、反対の側の端子同士を接合することにより構成された巻線を用いた固定子が開示されている。このような固定子を採用することにより、小型高出力および低コストの車両用交流発電機を実現している。また、特開2000−37132号公報には、U字状の導体セグメントのターン部の絶縁ギャップ長をスロット収納部の絶縁ギャップ長より大きくした固定子を用いた車両用交流発電機が開示されている。この固定子は、ターン部の膨らみを外径側より内径側の方を大きくしてコイルエンドの最内径寸法を回転子外径寸法よりも小さくしており、ターン部の絶縁性を向上させている。
【0003】
また、特開平9−19108号公報では、XYZ相などの多相巻線が固定子鉄心に順次挿入され、その内の1相の巻線のみについてターン部を外径側に膨らませた固定子を有する車両用交流発電機が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特開2000−37132号公報に開示された固定子では、図10に示すようにターン部の膨らみを外径側より内径側の方を大きくしているため、コイルエンド内周面の凹凸が大きくなり、しかも、回転子磁極間の空隙による冷却風発生手段に近接することになり、圧力変動が大きくなりファン騒音が悪化する。特に、コイルエンドの最内径寸法を回転子外径寸法より小さくしていることにより、回転子の組み付け方向や組み付け順序が特定されるため、製造工程設計の自由度がなくなり、製造コストが増加するという問題があった。また、コイルエンドと回転子磁極が接近しているため、回転子磁極に発生する回転磁界が電機子コイルに作用して性能低下を引き起こすおそれがある。なお、図10にはターン部の内径側が大きく膨らむとともに外径側が小さく膨らむ場合が示されているが、図11に示すように、ターン部の内径側が大きく膨らむとともに外径側がほぼ平坦に形成されている場合にも同様の問題が生じる。
【0005】
また、上述した特開平9−19108号公報に開示された固定子では、1相分の巻線のみに膨らみを持たせるため、この相の巻線と他の相の巻線との長さ、すなわち抵抗値のバランスが崩れ、発電性能の低下を招くという問題があった。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、発電性能の低下やファン騒音の悪化を招くことがなく、製造が容易であって、小型高出力、低コストの回転電機およびその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、回転子と、複数のスロットを有する固定子鉄心とスロットに巻装される固定子巻線とを有する固定子と、回転子と固定子とを支持するハウジングとを備えている。固定子巻線は、スロットに収納される収納部と、異なるスロットに収容された収納部間をつなぐ渡り部とを有し、渡り部の外径方向に第1の膨らみ部を形成するとともに、内径方向に第1の膨らみ部よりも小さな第2の膨らみ部、あるいはこの第2の膨らみ部の代わりに平坦部を形成している。これにより、コイルエンド内周面の凹凸を減少させ、しかも、コイルエンドとファンなどの冷却風発生手段との間の間隔を大きくすることができるため、ファン騒音の低減が可能になる。また、同一条件で全ての導体のターン部に同じ形状の第1の膨らみ部、あるいはこれに加えて第2の膨らみ部を形成することが可能であり、各導体の長さ(抵抗値)を均一にすることができるため、発電性能の低下を防止することができる。
【0007】
また、上述した固定子巻線は、スロットの内径側に収納されて収納部となる内径側収納部と、スロットの外径側に収納されて収納部となる外径側収納部と、内径側収納部と外径側収納部をつないで渡り部を構成するU字状のターン部と、内径側収納部と外径側収納部のそれぞれの端部に形成される接合部とを有するU字状セグメント導体を、所定のスロット挿入位置まで捻り成形し、スロットへ軸方向から挿入し、接合部で順次接合することにより形成されている。このように、U字状セグメント導体を用いて固定子巻線を形成することにより、固定子の製造が容易になるとともに低コスト化を実現することができる。
【0008】
また、上述した内径側収納部の立ち上がり角度θ1は、外径側収納部の立ち上がり角度θ2よりも小さいことが望ましい。このような角度設定を行うことにより、外径側の第1の膨らみ部を容易に大きくすることができる。
また、上述した渡り部の最内径寸法D1は、回転子の外径寸法Drよりも大きいことが望ましい。これにより、回転電機を組み付ける際に、回転子の挿入方向を任意に設定することが可能になり、製造コストの上昇を抑えることができる。
【0009】
また、上述した渡り部の最外径寸法D2は、固定子鉄心の外径寸法Dsよりも大きいことが望ましい。これにより、従来であれば固定子鉄心の外径位置までに設定されていたコイルエンドスペースを固定子鉄心の外径以上に拡大することが可能になるため、コイルエンドの干渉が低減され、コイルエンド高さを低くすることができる。また、コイルエンドを外径側に形成することにより、冷却風発生手段との間の間隔を大きくすることができるため、ファン騒音の低減が可能になる。
【0010】
また、上述した固定子巻線は、少なくとも収納部の断面形状がほぼ矩形断面を有していることが望ましい。これにより、スロット内での導体占積率を高めることができ、小型高出力化が可能となる。また、コイルエンド部においも矩形断面を有する場合には、同一断面積の丸形断面導体と比較して、径方向の通風路面積が増加するため、冷却性を向上させることができる。
【0011】
また、上述したU字状セグメント導体は、ターン部のスロット挿入時における外径側の第1の膨らみ部が、ターン部のスロット挿入時における内径側の第2の膨らみ部よりも大きいことが望ましい。あるいは、上述したU字状セグメント導体は、ターン部のスロット挿入時における外径側に第1の膨らみ部を形成し、内径側に平坦部を形成することが望ましい。これにより、U字状セグメント導体を所定のスロット位置まで捻り成形した際に、容易に外径側に大きな膨らみを形成することが可能になる。
【0012】
また、本発明の回転電機の製造方法は、上述した回転電機を製造する方法であって、直線状の導体を所定寸法に切断する工程と、切断した導体をU字状に成形してターン部を形成する工程と、U字状に形成された導体の含まれるターン部に、外径方向に第1の膨らみ部を成形する工程とを備えることによって、固定子鉄心に形成されたスロットに挿入前のU字状セグメント導体を製造している。これにより、組み付け前のU字状セグメント導体を製造工程において、外径側に大きく膨らむ第1の膨らみ部を形成することが可能になり、組付時あるいは組付後に第1の膨らみ部を成形する場合に比べて、製造工程の簡略化が可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。この車両用交流発電機は、例えば車両のエンジンに搭載固定されて、エンジンによって回転駆動される三相発電機である。
【0014】
図1に示すように、本実施形態の車両用交流発電機1は、固定子2、回転子3、ハウジング4、整流器5等を含んで構成されている。
回転子3は、界磁として作用し、シャフト6と一体になって回転しており、ランデル型ポールコア7、界磁コイル8、スリップリング9、10、斜流ファン11、遠心ファン12を備えている。シャフト6は、プーリ20に連結されており、車両に搭載された走行用のエンジン(図示せず)により回転駆動される。
【0015】
ランデル型ポールコア7は、一組のポールコアを組み合わせて構成されている。このランデル型ポールコア7は、シャフト6に組み付けられたボス部71と、ボス部71の両端から径方向に延びるディスク部72と、16個の爪状磁極部73とを有する。
【0016】
プーリ側の斜流ファン11は、ポールコア7端面に溶接などによって固着されたベース板111に対して鋭角な傾斜を持つブレードと直角のブレードを有し、回転子3と一体になって回転する。反プーリ側の遠心ファン12は、ポールコア7端面に溶接などによって固着されたベース板121に対して直角のブレードのみを有する。
【0017】
ハウジング4は、フロントハウジング4aとリアハウジング4bからなっており、その軸方向端面には吸入孔41が、外周両肩部には固定子巻線31の第1コイルエンド群31aと第2コイルエンド群31bのそれぞれの径方向外側に対応して冷却風の排出孔42が設けられている。
【0018】
整流器5は、固定子2から出力される交流電圧を直流に変換する整流動作を行う。この整流器5は、車両用交流発電機1の反プーリ側の端部に、第1コイルエンド群31aと対応するように設けられている。
固定子2をフロントハウジング4aに挿入するとともに、回転子3をフロントハウジング4aとリアハウジング4bで挟み込んで支持した状態で、スタッドボルト4cで固定する。
【0019】
上述した構造を有する車両用交流発電機1は、ベルト等を介してプーリ20にエンジンからの回転力が伝えられると回転子3が所定方向に回転する。この状態で回転子3の界磁コイル8に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア7のそれぞれの爪状磁極部73が励磁され、固定子巻線31に三相交流電圧を発生させることができ、整流器5に設けられた出力端子5aからは直流電流が取り出される。
【0020】
次に、固定子2の詳細について説明する。図2は、固定子2の部分的な断面図である。図3は、固定子巻線31を構成するセグメント導体の斜視図である。図4は、固定子巻線31を構成する導体セグメントの接合部を示す斜視図である。固定子2は、電機子として作用し、固定子鉄心32と、固定子鉄心32に形成された複数のスロット35内に配置された複数の電気導体により構成された固定子巻線31と、固定子鉄心32と固定子巻線31との間を電気絶縁するインシュレータ34とを備えている。
【0021】
図2に示すように、固定子鉄心32には、多相の固定子巻線31を収納できるように、内径側に開口を有する複数のスロット35が形成されている。本実施形態では、回転子3の磁極数に対応して、三相の固定子巻線31を収納するために、72個のスロット35が等間隔に配置されている。
【0022】
固定子巻線31は、1本1本の電気導体として把握することができ、複数のスロット35のそれぞれには、偶数本(本実施形態では4本)の電気導体が収納されている。また、1つのスロット35内の4本の電気導体は、固定子鉄心32の径方向に関して内周側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配列されている。
【0023】
これらの電気導体が所定のパターンで接続されることにより、固定子巻線31が形成される。なお、本実施形態では、スロット35から突出する電気導体は、第1コイルエンド群31a側においては一端を連続線を配置することにより、第2コイルエンド群31bにおいては他端を接合することにより接続されている。
【0024】
各スロット35内の1本の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット35内の1本の他の電気導体と対をなしている。特に、コイルエンド部における複数の電気導体間の隙間を確保し、整列して配置するために、1つのスロット35内の所定の層の電気導体は、所定の磁極ピッチ離れた他のスロット35内の他の層の電気導体と対をなしている。
【0025】
例えば、1つのスロット35内の内端層の電気導体331aは、固定子鉄心32の時計回り方向に向けて1磁極ピッチ離れた他のスロット35内の外端層の導体331bと対をなしている。同様に、1つのスロット35内の内中層の電気導体332aは、固定子鉄心32の時計回り方向に向けて1磁極ピッチ離れた他のスロット35内の外中層の電機導体332bと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心32の軸方向の一方の端部において連続線を用いることにより、ターン部331c、332cを経由することで接続される。したがって、固定子鉄心32の一方の端部においては、外中層の電気導体332bと内中層の電気導体332aとを接続する連続線を、外端層の電気導体331bと内端層の電気導体331aとを接続する連続線が囲むことになる。外中層の電気導体と内中層の電気導体との接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体と内端層の電気導体との接続により端層コイルエンドが形成される。
【0026】
一方、1つのスロット35内の内中層の電気導体332aは、固定子鉄心32の時計回り方向に向けて1磁極ピッチ離れた他のスロット35内の内端層の電気導体331a’とも対をなしている。同様に、1つのスロット35内の外端層の電気導体331b’は、固定子鉄心32の時計回り方向に向けて1磁極ピッチ離れた他のスロット35内の外中層の導体332bと対をなしている。そして、これらの各電気導体は固定子鉄心32の軸方向の他方の端部において接合により接続される。
【0027】
したがって、固定子鉄心32の他方の端部においては、外端層の電気導体331bと外中層の電気導体332bとを接続する接合部と、内端層の電気導体331aと内中層の電気導体332aとを接続する接合部とが、径方向に並んでいる。外端層の電気導体331bと外中層の電気導体332bとの接続、および内端層の電気導体331aと内中層の電気導体332aとの接続により隣接層コイルエンドが形成される。このように、固定子鉄心32の他方の端部においては、対をなす電気導体の接続部が、重複することなく並べて配置される。
【0028】
さらに、複数の電気導体は、ほぼ矩形断面を持った一定の太さの電気導体を所定形状に形成したU字状セグメント導体により提供される。図3に示すように、内層端の電気導体331aおよび外層端の電気導体331bとからなる一連の電気導体が、電気導体をほぼU字状に形成してなる大セグメント331により提供される。また、内中層の電気導体332aと外中層の電気導体232bとからなる一連の電気導体が、電気導体をほぼU字状に形成してなる小セグメント332により提供される。
【0029】
これらの大セグメント331と小セグメント332は、基本セグメント33を形成する。そして、基本セグメント33を規則的にスロット35に配置して、固定子鉄心32の周りを2周するコイルが形成される。しかし、固定子巻線31の引出線を構成するセグメントおよび1周目と2周目とを接続するターン部は、基本セグメント33とは形状の異なる異形セグメントで構成される。本実施形態の場合には、異形セグメントの本数は9本となる。1周目と2周目との接続は、端層と中層の接続となるが、この接続により異形コイルエンドが形成される。
【0030】
固定子巻線31の製造工程を以下に説明する。基本セグメント33は、U字状の小セグメント332のターン部332cをU字状の大セグメント331のターン部331cが囲むように揃えられて、固定子鉄心32の軸方向側面の一方側から挿入される。その際、大セグメント331の一方の電気導体331aは1つのスロット35の内端層に、小セグメント332の一方の電気導体332aは1つのスロット35の内中層に、そして、大セグメント331の他方の電気導体331bは固定子鉄心32の1つのスロット35から時計方向の1磁極ピッチ離れた他のスロット35の外端層に、小セグメント332の他方の電気導体332bも他のスロット35の外中層に挿入されるように、基本セグメント33をスロット挿入位置まで捻り成形した後軸方向から挿入する。
【0031】
その結果、図2に示すように、1つのスロット35には、内端層側から、電気導体としての直線部331a、332a、332b’、331b’が一列に配置される。ここで、直線部332b’331b’は、1磁極ピッチずれた他のスロット35内の電気導体と対をなしている。
【0032】
挿入後、第2コイルエンド群31bにおいて、端層側に位置している電気導体は、大セグメント331が開く方向に接合部331d、331eが1.5スロット分傾けられる。そして、中層の電気導体は、小セグメント332が閉じる方向に接合部332d、332eが1.5スロット分傾けられる。
【0033】
以上の構成を、全てのスロット35の基本セグメントについて繰り返す。そして、第2コイルエンド群31bにおいて、外端層の接合部331e’と外中層の接合部332e、並びに内中層の接合部332dと内端層の接合部332d’とが溶接、超音波溶着、アーク溶接、ろう付け等の手段によって電気的導通を得るように接合され、図4に示すような固定子2が得られる。
【0034】
図3において、直線部331a、332a、331b、332bのそれぞれが収納部に対応しており、この中で直線部331a、332aが内径側収納部に、直線部331b、332bが外径側収納部にそれぞれ対応している。また、基本セグメント33において、これらの各収納部以外の部分が渡り部を形成している。
【0035】
図5は、本実施形態の車両用交流発電機の導体セグメントのスロットへの挿入状態の説明図である。また、図6は従来の車両用交流発電機の導体セグメントのスロットへの挿入状態の説明図である。なお、以下では、従来の車両用交流発電機に含まれる各構成について、本実施形態の車両用交流発電機の各構成と対応するものについては同じ符号を用いて説明を行うものとする。
【0036】
図6に示すように、従来の車両用交流発電機では、固定子鉄心32に複数の大セグメント331と小セグメント332が挿入された状態が示されている。内端層に挿入された大セグメント331の径方向に対する角度(立ち上がり角度)θ1は約110°に、外端層に挿入された大セグメント331の径方向に対する角度(立ち上がり角度)θ2は約90°に設定されており、角度θ1が角度θ2より大きくなっている。このため、ターン部331cの内径側の膨らみ部が外径側の膨らみ部より大きくなり、結果として、コイルエンド最内径寸法D1が固定子内径寸法Dsoよりも小さくなっている。
【0037】
これに対し、図5に示すように、本実施形態の車両用交流発電機1では、内層側に挿入された大セグメント331の径方向に対する角度θ1は約90°に、外端層に挿入された大セグメント331の径方向に対する角度θ2は約100°に設定されており、角度θ2の方が角度θ1よりも大きくなっている。これにより、ターン部331cの内径側の膨らみ部が外径側の膨らみ部より小さくなり、結果として、コイルエンド最内径寸法D1が固定子内径寸法Dsoよりも大きくなっている。内端層に挿入された大セグメント331のターン部331cまでの内径側の辺が、挿入されたスロット35の内径接触線に対して外径側に倒れる構造になっている。小セグメント332についても同様に構成されている。
【0038】
図5に示すように、本実施形態の車両用交流発電機1では、内端層あるいは内中層に挿入された基本セグメント33(大セグメント331、小セグメント332)の収納部の立ち上がり角度(渡り部の径方向に対する角度)θ1が、外端層あるいは外中層に挿入された基本セグメントの収納部の立ち上がり角度θ2よりも小さくなるように設定されている。また、基本セグメント33の渡り部の最内径寸法D1は、回転子3の外径寸法Drよりも大きくなるように設定されている。さらに、基本セグメント33の渡り部の最外径寸法D2は、固定子鉄心32の外径寸法Dsよりも大きくなるように設定されている。
【0039】
図7は、導体セグメントの製造方法を示す図である。まっすぐな導体を所定寸法に切断して直線状のセグメント導体200を形成し(工程1)、次に、この切断した直線状のセグメント導体200を所定位置に置いて可動ピン210を下側に移動することによりU字状に曲げて、ターン部202の成形を行う(工程2)。次に、整形ローラ212を横方向に移動することにより、ターン部202の片側にくぼみ(膨らみ部204)を形成する(工程3)。このようにして整形されたセグメント導体200のターン部202の膨らみ部204を、固定子鉄心32の外径側に配置することにより、図5に示したような基本セグメント33の配置を実現することができる。
【0040】
図8は、図7に示した製造方法で製造されたセグメント導体の形状を示す図である。図8に示すように、本実施形態で用いられるセグメント導体200は、ターン部202の内径側(回転子側)に平坦部206が形成され、外径側に膨らみ部204が形成される。膨らみ部204が第1の膨らみ部に対応する。
【0041】
このように、本実施形態の車両用交流発電機1では、セグメント導体の渡り部の外径側に大きな膨らみ部を形成しており、内径側を平坦にしているため、固定子巻線31びコイルエンド内周面の凹凸を減少させ、しかも、コイルエンドと斜流ファン11、遠心ファン12などの冷却風発生手段との間の間隔を大きくすることができるため、ファン騒音の低減が可能になる。また、同一条件で全てのセグメント導体(一部の異形セグメントは除く)のターン部に同じ形状の膨らみ部を形成することが可能であり、各セグメント導体の長さ(抵抗値)を均一にすることができるため、発電性能の低下を防止することができる。
【0042】
また、U字状のセグメント導体を用いて固定子巻線31を形成することにより、固定子2の製造が容易になるとともに低コスト化を実現することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、図8に示したように、導体セグメントのターン部の内径側をほぼ平坦に形成したが、多少の膨らみ部を有する形状であってもよい。
【0043】
図9は、セグメント導体の変形例を示す図である。図9に示すセグメント導体200Aは、ターン部202の内径側に小さな膨らみ部208を有し、外径側に大きな膨らみ部204を有する形状になっている。このようなセグメント導体200Aは、図7に示した製造方法において、工程3において整形ローラ212を2つ用意し、ターン部202の両側からくぼみを成形することにより製造することができる。膨らみ部208が第2の膨らみ部に対応する。
【0044】
また、上述した実施形態では、回転電機の一例として車両用交流発電機について説明したが、他の発電機や発電機以外の電動機等の各種の回転電機に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図2】固定子の部分的な断面図である。
【図3】固定子巻線を構成するセグメント導体の斜視図である。
【図4】固定子巻線を構成する導体セグメントの接合部を示す斜視図である。
【図5】本実施形態の車両用交流発電機の導体セグメントのスロットへの挿入状態の説明図である。
【図6】従来の車両用交流発電機の導体セグメントのスロットへの挿入状態の説明図である。
【図7】導体セグメントの製造方法を示す図である。
【図8】図7に示した製造方法で製造された導体セグメントの形状を示す図である。
【図9】導体セグメントの変形例を示す図である。
【図10】従来のセグメント導体の形状を示す図である。
【図11】従来のセグメント導体の形状を示す図である。
【符号の説明】
1 車両用交流発電機
2 固定子
3 回転子
5 整流器
31 固定子巻線
32 固定子鉄心

Claims (9)

  1. 回転子と、複数のスロットを有する固定子鉄心と前記スロットに巻装される固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子と前記固定子とを支持するハウジングとを備える回転電機において、
    前記固定子巻線は、前記スロットに収納される収納部と、異なる前記スロットに収容された前記収納部間をつなぐ渡り部とを有し、
    前記渡り部の外径方向に第1の膨らみ部を形成するとともに、内径方向に前記第1の膨らみ部よりも小さな第2の膨らみ部、あるいはこの第2の膨らみ部の代わりに平坦部を形成することを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1において、
    前記固定子巻線は、前記スロットの内径側に収納されて前記収納部となる内径側収納部と、前記スロットの外径側に収納されて前記収納部となる外径側収納部と、前記内径側収納部と前記外径側収納部をつないで前記渡り部を構成するU字状のターン部と、前記内径側収納部と前記外径側収納部のそれぞれの端部に形成される接合部とを有するU字状セグメント導体を、所定のスロット挿入位置まで捻り成形し、前記スロットへ軸方向から挿入し、前記接合部で順次接合することにより形成されることを特徴とする回転電機。
  3. 請求項2において、
    前記内径側収納部の立ち上がり角度θ1は、前記外径側収納部の立ち上がり角度θ2よりも小さいことを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記渡り部の最内径寸法D1は、前記回転子の外径寸法Drよりも大きいことを特徴とする回転電機。
  5. 請求項1〜4のいずれかにおいて、
    前記渡り部の最外径寸法D2は、前記固定子鉄心の外径寸法Dsよりも大きいことを特徴とする回転電機。
  6. 請求項1〜5のいずれかにおいて、
    前記固定子巻線は、少なくとも前記収納部の断面形状がほぼ矩形断面を有していることを特徴とする回転電機。
  7. 請求項2または3において、
    前記U字状セグメント導体は、前記ターン部のスロット挿入時における外径側の前記第1の膨らみ部が、前記ターン部のスロット挿入時における内径側の前記第2の膨らみ部よりも大きいことを特徴とする回転電機。
  8. 請求項2または3において、
    前記U字状セグメント導体は、前記ターン部のスロット挿入時における外径側に前記第1の膨らみ部を形成し、内径側に前記平坦部を形成することを特徴とする回転電機。
  9. 請求項7または8の回転電機を製造する方法であって、
    直線状の導体を所定寸法に切断する工程と、
    切断した前記導体をU字状に成形して前記ターン部を形成する工程と、
    U字状に形成された前記導体の含まれる前記ターン部に、外径方向に前記第1の膨らみ部を成形する工程と、
    を備えることによって、前記固定子鉄心に形成された前記スロットに挿入前の前記U字状セグメント導体を製造することを特徴とする回転電機の製造方法。
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