(57)【要約】【課題】駆動効率の向上を図ることが可能な回転電機の固定子およびこれを備える回転電機を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電動機の固定子は、複数枚の電磁鋼板を同軸的に積層して構成され中心軸線を有する筒状の固定子鉄心１６と、固定子鉄心に巻回された固定子巻線と、固定子鉄心の積層方向の両端面に重ねて配置された一対の鉄心端板２４と、を備えている。固定子鉄心は、環状のヨーク部１６ａと、複数の鉄心ティース２０とを一体に有している。鉄心端板の各々は、ヨーク部に重ねて配置されヨーク部の内周面と整列した内周面を有する環状部２４ａと、環状部の内周面から延出しそれぞれ鉄心ティースに重ねて配置された複数の端板ティース２４ｂと、を一体に有している。端板ティースの内周面から延出端までの第２長さは、鉄心ティースの内周面から延出端までの第１長さよりも第１長さの１０〜３２％だけ短く形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の電磁鋼板を同軸的に積層して構成され中心軸線を有する筒状の固定子鉄心と、
前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線と、
前記固定子鉄心の積層方向の両端面に重ねて配置された一対の鉄心端板と、を備え、
前記固定子鉄心は、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面から前記中心軸線に向かって延出し前記ヨーク部の周方向に互いに間隔を置いて設けられた複数の鉄心ティースとを一体に有し、
前記鉄心端板の各々は、前記ヨーク部に重ねて配置され前記ヨーク部の内周面と整列した内周面を有する環状部と、前記環状部の内周面から前記中心軸線に向かって延出しているとともに前記環状部の周方向に互いに間隔を置いて設けられ、それぞれ前記鉄心ティースに重ねて配置された複数の端板ティースと、を一体に有し、
前記端板ティースの前記内周面から延出端までの第２長さは、前記鉄心ティースの前記内周面から延出端までの第１長さよりも前記第１長さの１０〜３２％だけ短く形成されている、
回転電機の固定子。
【請求項２】
前記端板ティースの周方向の幅は、前記鉄心ティースの周方向の幅よりも小さい請求項１に記載の固定子。
【請求項３】
前記鉄心端板は、複数の薄板を積層および締結して構成されている請求項１又は２に記載の固定子。
【請求項４】
前記鉄心端板は、前記電磁鋼板よりも板厚が厚い単一の金属板で構成されている請求項１又は２に記載の固定子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の固定子と、
前記固定子と同軸的に配置され、回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに取り付けられ前記固定子の内側に隙間を置いて対向する回転子鉄心と、を有する回転子と、
を備える回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、回転電機の固定子およびこれを備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回転電機は、略円筒状の固定子鉄心および固定子鉄心に巻回された回転子巻線を有する固定子と、固定子鉄心の径方向中央に配置され、この固定子鉄心に対して回転自在に設けられた回転子と、を備えている。固定子鉄心は、複数の電磁鋼板を積層して構成する場合が多い。このように構成することで、固定子鉄心に生じる渦電流を抑制できる。
回転電機において、固定子鉄心の軸方向両側に固定子鉄心端板（以下、端板）が設けられている。これら端板によって固定子鉄心を挟み込むことにより、固定子の製造時に電磁鋼板端部が剥がれることを防止している。端板は、剛性の観点から、電磁鋼板よりも厚い鉄等の金属板が用いられる。
【０００３】
固定子鉄心および端板の軸方向両側に鉄心押えが更に設けられている。鉄心押えによって複数の電磁鋼板および端板を挟み込むことにより、電磁鋼板が分離することを防止している。回転電機を、例えば鉄道車両等の被固定部材に固定する場合、固定子鉄心は、鉄心押えを介してケーシングに支持される。そして、被固定部材にケーシングを固定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７４５７９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０１６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように構成された回転電機において、端板は固定子鉄心に密着しているため、固定子鉄心に生じる磁束が端板に漏出する。端板は、電磁鋼板と比較して厚肉に形成されているため、端板内の磁束の変化により渦電流が発生し、回転電機の効率が低下する可能性がある。  
本発明が解決しようとする課題は、渦電流に起因する効率低下を抑制し、駆動効率の優れた回転電機の固定子およびこれを備える回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、回転電機の固定子は、複数枚の電磁鋼板を同軸的に積層して構成され中心軸線を有する筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線と、前記固定子鉄心の積層方向の両端面に重ねて配置された一対の鉄心端板と、を備えている。前記固定子鉄心は、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面から前記中心軸線に向かって延出し前記ヨーク部の周方向に互いに間隔を置いて設けられた複数の鉄心ティースとを一体に有している。前記鉄心端板の各々は、前記ヨーク部に重ねて配置され前記ヨーク部の内周面と整列した内周面を有する環状部と、前記環状部の内周面から前記中心軸線に向かって延出しているとともに前記環状部の周方向に互いに間隔を置いて設けられ、それぞれ前記鉄心ティースに重ねて配置された複数の端板ティースと、を一体に有している。前記端板ティースの前記内周面から延出端までの第２長さは、前記鉄心ティースの前記内周面から延出端までの第１長さよりも前記第１長さの１０〜３２％だけ短く形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る鉄道車両用の電動機（回転電機）を示す断面図。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る電動機の固定子鉄心および鉄心端板を示す斜視図。
【図３】図３は、前記固定子鉄心の鉄心ティースおよび鉄心端板の端板ティースを示す平面図。
【図４】図４は、鉄心ティースと端板ティースとの長さの差の比率と、電動機の損失比との関係を示す図。
【図５】図５は、鉄心ティース先端からの距離と鉄心ティースの長さとの比率と、電磁力との関係を示す図。
【図６】図６は、鉄心ティースと端板ティースとの長さの差の比率と、鉄心端部の電磁鋼板の変形幅と、の関係を示す図。
【図７】図７は、第２の実施形態に係る回転電機の固定子鉄心の鉄心ティースおよび端板の端板ティースを示す平面図。
【図８】図８は、第１変形例に係る固定子の固定子鉄心および鉄心端板の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、図面を参照しながら、この発明の実施形態について説明する。  
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更であって容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【０００９】
（第１の実施形態）  
図１は、回転電機の一例として、第１の実施形態に係る鉄道車両用の電動機の横断面図であり、中心軸線Ｃ１を中心として片側の半分だけを示している。図２は、電動機の固定子鉄心および鉄心端板を示す斜視図、図３は、固定子鉄心および鉄心端板のティースを示す平面図である。  
図１に示すように、電動機１０は、例えば、インナーロータ型の永久磁石同期電動機として構成されている。電動機１０は、環状あるいは円筒状の固定子１２と、固定子１２の内側に中心軸線Ｃ１の回りで回転自在に、かつ固定子１２と同軸的に支持された回転子１４と、これら固定子１２および回転子１４を支持するケーシング３０と、を備えている。  
以下の説明では、中心軸線Ｃ１の延在方向を軸方向、中心軸線Ｃ１回りに回転する方向を周方向、軸方向および周方向に直交する方向を径方向と称する。
【００１０】
図１および図２に示すように、固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に巻き付けられた固定子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板１７を多数枚、軸方向（積層方向）に同軸的に積層して構成されている。電磁鋼板１７は、例えば、鉄にケイ素を添加することによって形成される薄板の鋼板である。一例では、電磁鋼板１７は、０．３５ｍｍ厚材あるいは０．５ｍｍ厚材を用いている。多数枚の電磁鋼板１７は、固定子鉄心１６の外周面の複数個所を溶接する、あるいは、カシメることにより、互いに積層状態に連結されている。
固定子鉄心１６の内周部には、複数のスロット２２が形成されている。複数のスロット２２は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット２２は、固定子鉄心１６の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。各スロット２２は、固定子鉄心１６の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット２２を形成することにより、固定子鉄心１６の内周部は、中心軸線Ｃ１に向かって突出する複数（例えば、本実施形態では３６個）の鉄心ティース２０を構成している。鉄心ティース２０は、周方向に沿って等間隔を置いて配置されている。このように、固定子鉄心１６は、円環状のヨーク部１６ａと、ヨーク部１６ａの内周面から中心軸線Ｃ１に向かって径方向に突出した複数の鉄心ティース２０とを一体に有している。
【００１１】
図１に示すように、複数のスロット２２に固定子巻線１８が埋め込まれ、各鉄心ティース２０に巻き付けられている。固定子巻線１８は、固定子鉄心１６の軸方向両端から軸方向外側に向かってオーバーハングするように設けられている。固定子巻線１８に交流電流を流すことにより、固定子鉄心１６（鉄心ティース２０）に所定の鎖交磁束が形成される。
【００１２】
図１および図２に示すように、固定子鉄心１６の軸方向（積層方向）の両端面には、固定子鉄心１６と略同一断面形状を有する鉄心端板（以下、端板と称する）２４がそれぞれ設けられている。更に、これら端板２４の上に鉄心押え２６が設けられている。一対の端板２４および鉄心押え２６により固定子鉄心１６を両側から挟み込むことにより、固定子鉄心１６を両側から押え、電磁鋼板１７の分離、剥がれを規制している。
端板２４は、剛性を確保する観点から、電磁鋼板１７の肉厚よりも大きく設定された金属板を単独で、あるいは、複数積層したもので構成されている。本実施形態では、端板２４は、例えば、１．６ｍｍ厚の鉄板を複数枚、例えば、４枚、積層したもので構成している。各端板２４は、固定子鉄心１６のヨーク部１６ａに対応する円環状の外周部（環状部）２４ａと、外周部２４ａの内周面から中心軸線Ｃ１に向かって径方向に突出する複数の端板ティース２４ｂと、を一体に有している。端板ティース２４ｂは、周方向に沿って等間隔を置いて配置されている。端板２４は固定子鉄心１６と同芯上に配置され、外周部２４ａはヨーク部１６ａに重ねて配置され、更に、複数の端板ティース２４ｂはそれぞれ鉄心ティース２０に重ねて配置されている。端板２４を構成する複数の鉄板は、例えば、端板ティース２４ｂの位置でスポット溶接することにより、互いに連結されている。
【００１３】
図２および図３に示すように、端板ティース２４ｂは、固定子巻線１８と接触しないように、鉄心ティース２０の寸法よりも小さい寸法に形成されている。例えば、端板ティース２４ｂの周方向の幅Ｗ２は、鉄心ティース２０の周方向の幅Ｗ１よりも僅かに小さく（Ｗ２＜Ｗ１）形成されている。更に、固定子鉄心１６の径方向において、端板ティース２４ｂの基端から延出端までの長さＴ２の長さは、鉄心ティース２０の基端から延出端までの長さＴ２の長さＴ１よりも短く形成されている。ここで、端板ティース２４ｂの基端は鉄心ティース２０の基端と同一位置に一致しているものとしている。
【００１４】
図１に示すように、鉄心押え２６は、鉄等の金属により、略円環状に形成されている。鉄心押え２６の内径は、固定子鉄心押え１８と固定子巻線１８とが接触しないようになっている。一対の鉄心押え２６により、固定子鉄心１６および端板２４を軸方向両側から挟みこんで保持している。鉄心押え２６は、固定子鉄心１６のヨーク部１６ａおよび端板２４の外周部２４ａと対向して配置されている。鉄心押え２６、端板２４および固定子鉄心１６は、溶接等により、互いに連結され一体化されている。
【００１５】
ケーシング３０は、固定子鉄心１６の駆動端側に位置する鉄心押え２６に取付けられたほぼ円筒状の第１ブラケット３２ａと、反駆動端側に位置する鉄心押え２６に取付けられたお椀形状の第２ブラケット３２ｂと、を有している。第１および第２ブラケット３２ａ、３２ｂは、例えば、アルミニウム合金等で形成されている。第１ブラケット３２ａの先端側に、環状のベアリングブラケット（第１軸受ハウジング）３４が同軸的にボルトにて締結されている。ベアリングブラケット３４の中央部に、第１軸受として例えば、ころ軸受３５を内蔵した第１軸受部３６が締結されている。第２ブラケット３２ｂの中央部に、第２軸受として例えば玉軸受３７を内蔵した第２軸受部３８が締結されている。
【００１６】
一方、回転子１４は、第１および第２軸受部３６、３８により、中心軸線Ｃ１を中心に回転自在に支持された円柱形状のシャフト（回転軸）４２と、シャフト４２の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒形状の回転子鉄心４４と、回転子鉄心４４内に埋め込まれた複数の永久磁石４６と、を有している。回転子鉄心４４は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板４７を多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心４４は中心軸線Ｃ１と同軸的に形成された内孔５０を有している。シャフト４２は内孔５０に挿通および嵌合され、回転子鉄心４４と同軸的に延在している。なお、回転子鉄心４４にシャフト４２を挿入する場合、焼嵌めや圧入などで回転子鉄心４４とシャフト４２とを一体化させる。  
回転子鉄心４４は、固定子鉄心１６の内側に僅かな隙間（エアギャップ）を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子鉄心４４の外周面は、僅かな隙間をおいて、固定子鉄心１６の内周面（鉄心ティース２０の先端面）に対向している。本実施形態において、回転子鉄心４４の軸方向長さは、固定子鉄心１６および一対の端板２４の合計の軸方向長さに対応している。これにより、回転子鉄心４４は、固定子鉄心１６および一対の端板２４の内周面に対向している。
【００１７】
回転子鉄心４４には、軸方向に貫通する複数の磁石埋め込み孔５２が形成されている。各磁石埋め込み孔５２内に、永久磁石４６が装填および配置され、例えば、接着剤等により回転子鉄心４４に固定されている。各永久磁石４６は、回転子鉄心４４の全長に亘って延在している。また、複数の永久磁石４６は、回転子鉄心４４の周方向に所定の間隔を置いて配列されている。
【００１８】
回転子鉄心４４の軸方向両端に、略円板状の磁気遮蔽板５４、回転子鉄心押え５６が設けられている。磁気遮蔽板５４は、例えばステンレスなどの非磁性材料により形成されている。回転子鉄心押え５６は鉄等の金属により形成されている。磁気遮蔽板５４および回転子鉄心押え５６はそれぞれ中央部に貫通孔を有し、これらの貫通孔にシャフト４２が挿入または圧入されている。  
一対の回転子鉄心押え５６は、積層された電磁鋼板４７（回転子鉄心４４）、磁気遮蔽板５４が分離しないように、かつ、シャフト４２に対して軸方向にずれないように、これらを両側から挟んで保持している。回転子鉄心押え５６は、剛性が確保できるように十分な肉厚に設定されている。
【００１９】
上記のように構成された電動機１０では、固定子巻線１８に通電すると、固定子鉄心１６に磁束が形成される。この磁束は、鉄心ティース２０を介して回転子鉄心４４を通る。すると、永久磁石４６による磁束との相互作用によって回転子１４が回転する。  
ここで、固定子鉄心１６は、軸方向両端に設けられた端板２４を介して配置された鉄心押え２６と一体化され、さらに、これら鉄心押え２６を介してケーシング３０により支持されている。このため、固定子鉄心１６に形成された磁束が、端板２４、端板ティース２４ｂを通り、その際、端板ティース２４ｂに渦電流が誘起される可能性がある。しかし、本実施形態では、端板ティース２４ｂは、鉄心ティース２０よりも短く形成され、端板ティース２４ｂの延出端は鉄心ティース２０の延出端から間隔Ｄだけ外周側に離間している。これにより、端板ティース２４ｂの周方向に流れる渦電流が遮蔽され極力抑制される。このため、渦電流に起因する電動機損失を低減でき、駆動効率の優れた固定子および電動機１０が得られる。  
【００２０】
次に、端板ティース２４ｂに必要とされる径方向長さＴ２について説明する。  
図４は、鉄心ティースの長さＴ１と端板ティースの長さＴ２との差（間隔Ｄ）の比率（Ｄ／Ｔ１）と、電動機の損失比との関係を示す図である。すなわち、図４は、端板ティース２４ｂの径方向長さＴ２を徐々に短くし、長さが０となるまで短くした場合の、端板２４に生じる渦電流損失の値の比率の変化を示している。図４において、縦軸は、端板ティース２４ｂの長さＴ２が最大の時（Ｔ２＝Ｔ１）の損失比を１００％とし、端板２４の損失特性を表している。横軸は、長さの差の比率（Ｄ／Ｔ１）を表し、０％では鉄心ティース２０の長さＴ１と端板ティース２４ｂの長さＴ２とが同じで、１００％では端板ティース２４ｂの長さＴ２が０となることを示している。図４から、電動機の定格運転時および最大トルク発生時のいずれにおいても、長さの差の比率（Ｄ／Ｔ１）が大きくなっていくと、すなわち、端板ティース２４ｂが短くなっていくと、端板２４に生じる渦電流損失が小さくなることが分かる。例えば、端板ティース２４ｂを鉄心ティース２０よりも１０％短くすると損失が２０％低減し、１５％短くすると損失が３５％低減する。また、定格運転時は、約４０％で損失の低下が飽和し、最大トルク発生運転時は、約５０％で損失の低下が飽和する。
このように、渦電流損失を低減する上で、端板ティース２４ｂの長さＴ２は、鉄心ティース２０の長さＴ１の１０％以上（Ｄ／Ｔ１＞０．１）、５０％以下、短く形成されていることが望ましい。
【００２１】
図５は、鉄心ティース２０の延出端からの距離と鉄心ティースの長さとの比率と、鉄心ティースに作用する電磁力との関係を示す図であり、鉄心ティース２０の軸方向端部において軸方向に働く電磁力分布を表している。図示のように、鉄心ティース２０の延出端に行くほど、大きな電磁力が働いている。
【００２２】
図６は、鉄心ティースと端板ティースとの長さの差の比率と、固定子鉄心端部の電磁鋼板の変形幅と、の関係を示す図である。すなわち、図６は、図５に示した電磁力が鉄心ティースに働いた状態で、端板ティースを徐々に短くした場合の、電磁鋼板１枚が変形する量を、材料ごとに表している。図において、３５材は０．３５ｍｍ厚の電磁鋼板、５０材は０．５ｍｍ厚の電磁鋼板である。通常は、固定子鉄心１６の電磁鋼板１７は、ワニスなどによって強固に締結されているが、電磁力が繰り返し影響することで、鉄心端部付近の電磁鋼板１７が剥がれてきた場合を想定している。この場合、端板ティース２４ｂを短くしていくと、電磁鋼板１７の延出端部の変形量は大きくなっていく。変形によって、回転子鉄心４４と相対する面積が減少し、電動機１０の発生トルクが減少する。
【００２３】
端板ティース２４ｂの長さＴ２を徐々に短くした場合、前述したように電磁鋼板１７の変形量が大きくなり、その結果、電動機１０の発生トルクが減少していく。
そこで、電磁鋼板１７の変形量は１ｍｍ以内に収め、発生トルクの減少量を１０％以内に収めることが望ましい。端板ティース２４ｂの長さＴ２は、３５材では、鉄心ティース２０の長さＴ１の２３％程度、長さＴ１よりも短い範囲とし、５０材では、長さＴ１の３２％程度、長さＴ１よりも短い範囲とすることが望ましい。
以上のことから、端板ティース２４ｂの長さＴ２を鉄心ティース２０の長さＴ１よりも、長さＴ１の１０〜５０％、好ましくは、１０〜３２％、より好ましくは、１５〜２５％、短くすることにより、渦電流損失の低減しつつ、電動機の発生トルクを維持することが可能となる。これにより、本実施形態によれば、渦電流に起因する電動機損失を低減でき、駆動効率の優れた回転電機の固定子、およびこれを備える回転電機が得られる。
【００２４】
次に、他の実施形態および変形例に係る電動機の固定子について説明する。以下に説明する他の実施形態および変形例において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
【００２５】
（第２の実施形態）  
第２の実施形態に係る電動機の固定子について説明する。  
図７は、第２の実施形態に係る電動機の固定子鉄心および鉄心端板のティースを示す平面図である。  
図示のように、第２の実施形態によれば、端板ティース２４ｂは、鉄心ティース２０が剥がれるのを防止するために必要最小限の幅に形成している。一例では、端板ティース２４ｂの周方向の幅Ｗ２は、鉄心ティース２０の周方向の幅Ｗ１の３０〜５０％程度に形成している。また、端板ティース２４ｂの径方向の長さＴ２は、鉄心ティース２０の径方向長さＴ１よりも間隔Ｄ（例えば、Ｔ１の１０〜３２％）だけ短く形成されている。
第２の実施形態によれば、端板ティース２４ｂは、鉄心ティース２０よりも十分幅が狭いため、固定子鉄心１６に形成された磁束が、端板ティース２４ｂに漏出することを極力抑制することができる。これにより、端板２４に誘起される渦電流を一層低減することが可能となる。従って、渦電流に起因する回転電機の損失を低減し、駆動効率の優れた回固定子および回転電機を得ることができる。
【００２６】
（第１変形例）  
第１変形例に係る回転電機の固定子について説明する。  
図８は、第１変形例に係る回転電機の固定子鉄心および鉄心端板のティースを示す断面図である。  
図示のように、第１変形例によれば、端板ティース２４ｂを含む端板２４は、積層体ではなく、単独の金属板で構成されている。剛性の観点から、端板２４は、固定子鉄心１６を構成する電磁鋼板１７の板厚よりも大きい板厚に形成されている。
このような単独の端板を用いた場合でも、前述した第１および第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２７】
なお、本発明のいくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。  
例えば、回転子の寸法、材質、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。固定子鉄心および鉄心端板の外形状は、円形に限らず、多角形としてもよい。本実施形態に係る回転子および回転電機は、永久磁石型の回転電機に限らず、誘導電動機にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…電動機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、
１８…固定子巻線、２０…鉄心ティース、２２…スロット、２４…鉄心端板、
２４ａ…外周部、２４ｂ…端板ティース、２６…鉄心押え、３０…ケーシング、  
４２…シャフト、４４…回転子鉄心、４６…永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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