(57)【要約】【課題】【解決手段】電気機械用の磁気コイル３２は、その各々が、絶縁性材料にて被覆された銅薄板のような、伝導性材料の積層体の形態をした２つの導体要素３４Ａ、３４Ｂから製造される。コイルの一端において、導体要素は異なる距離だけ伸びて導体要素が転位するための空間３９を提供する。
2005521372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気コイルを受け入れる溝を有するアーマチャを含む電気機械用の磁気コイルでおいて、該磁気コイルが、少なくとも２つの導体要素により提供された巻線を有し、導体要素の各々は、使用時、電気機械のアーマチャ溝内に配置される溝部分と、使用時、コイルの端部にて溝部分の間の接続部を提供し得るように、アーマチャ溝の外側に配置された接続部分とを有し、コイルの少なくとも一端の接続部分は、溝部分から異なる距離だけ伸びており、１つの導体要素の接続部分が別の導体要素の接続部分を経て伸びてコイルに沿った導体要素の順序を変化させるための空間を提供する、磁気コイル。
【請求項２】
請求項１に記載のコイルにおいて、接続部分が、導体要素の順序を転位させ得るように配置される、コイル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコイルにおいて、接続部分が、コイルの両端に上述したように配置され、両端における導体要素の順序を変化させることを可能にする、コイル。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかの項に記載のコイルにおいて、導体要素の各々が、両端にて接続部分により接続された溝部分を有する完全な導体要素コイルの形態をしており、導体要素のコイルの各々の巻線は、巻線が互いに挿置された状態にて互いに接触するようにされる、コイル。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れかの項に記載のコイルにおいて、磁気コイルが、２つの導体要素から成る、コイル。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れかの項に記載のコイルにおいて、コイルの溝部分が、コイルをアーマチャ内に形成された１対の平行な側部の溝内に配置することを許容し得るように、溝部分により画成された平行な面を有するように形成される、コイル。
【請求項７】
磁気コイルを受け入れる溝を有するアーマチャと、溝内に配置されて、少なくとも２つの導体要素により提供される巻線部を有する少なくとも１つの磁気コイルとを備える電気機械において、導体要素の各々が、アーマチャ溝内に配置された溝部分と、使用時、コイルの端部にて溝部分の間の接続部を提供し得るように、アーマチャ溝の外側に配置された接続部分とを有し、コイルの少なくとも一端の接続部分は、溝部分から異なる距離だけ伸びており、１つの導体要素の接続部分が別の導体要素の接続部分を経て伸びてコイルに沿った導体要素の順序を変化させるための空間を提供する、電気機械。
【請求項８】
請求項７に記載の電気機械において、機械の磁気コイルの各々が請求項１ないし６の何れかの項に記載のコイルである、電気機械。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の機械において、該磁気コイル又は磁気コイルの各々が、１対のアーマチャ溝内に配置され、該１対の溝の溝壁は、実質的に平行である、機械。
【請求項１０】
請求項９に記載の機械において、導体要素が、導体要素の間又はコイルの巻線の間に実質的に空隙無しでアーマチャ溝を充填する、機械。
【請求項１１】
添付図面の図２及び図３、図４及び図５又は図６から図９に関して、実質的に上述したものである、電気機械用の磁気コイル。
【請求項１２】
添付図面の何れかの図に関して実質的に上述した、電気機械。
【請求項１３】
請求項１ないし１２の何れかの項に記載の発明の範囲内にあるか又は該発明に関係するかを問わずに、本明細書に開示した任意の新規な事項又は新規な事項の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械用の磁気コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
高トルクが必要とされ（モータとして使用されるとき）又は高電力が必要とされる（発電機として使用されるとき）用途にて永久磁石電気機械を使用することが好ましいが、機械は、小型で軽量且つ、高効率であることも必要とされている。かかる機械の用途は、陸上車両、航空機、水上船、及び定置の工業的用途を含む。
【０００３】
永久磁石電気機械は、永久磁石リング及び磁気コイルのリング（巻線と称されることがしばしばである）を有しており、該磁気コイルのリングは、通常、積層鉄心のような、低透磁性材料のアーマチャの溝内に配置されている。磁気コイルは、一般に、永久磁石を担持する回転子の周りで固定子上にリングを形成するが、その他の構成とすることも可能である。回転子を固定子に対して回転させると、コイル内に電流が発生し、電気機械を発電機として使用することを許容する。これと逆に、交流電流をコイルに印加して回転子を回転させ、電気機械をモータとして使用することを許容することができる。
【０００４】
この型式の電気機械は、一般に、多数の永久磁石及びコイルを有しており、このことは、コイルに関連して、特に、コイル内での渦電流に関係する高周波数損失につながる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、磁気コイルを受け入れる溝を有するアーマチャを含む電気機械用の磁気コイルであって、該磁気コイルが、少なくとも２つの導体要素（ｓｕｂ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｒ）により提供された巻線を有し、導体要素の各々は、使用時、電気機械のアーマチャ溝内に配置される溝部分と、使用時、コイルの端部にて溝部分の間の接続部を提供し得るように、アーマチャ溝の外側に配置された接続部分とを有し、コイルの少なくとも一端の接続部分は、溝部分から異なる距離だけ伸びており、１つの導体要素の接続部分が別の導体要素の接続部分を経て伸びてコイルに沿った導体要素の順序を変化させるための空間を提供する、磁気コイルを提供する。
【０００６】
好ましくは、接続部分は、導体要素の順序を転位させ得るように配置されるようにする。接続部分は、コイルの両端に上述したように配置され、両端における導体要素の順序を変化させることを可能にするようにする。
【０００７】
導体要素の各々は、両端にて接続部部により接続された溝部分を有する完全な導体要素コイルの形態とすることができ、導体要素のコイルの各々の巻線は、巻線が互いに挿置された状態にて互いに接触するようにされる。
【０００８】
磁気コイルは、２つの導体要素から成ることが好ましい。
コイルの溝部分は、コイルをアーマチャ内に形成された１対の平行な側部の溝内に配置することを許容し得るように、溝部分により画成された平行な面を有するように形成することができる。
【０００９】
本発明は、また、磁気コイルを受け入れる溝を有するアーマチャと、溝内に配置されて、少なくとも２つの導体要素により提供される巻線部を有する少なくとも１つの磁気コイルとを備える電気機械であって、導体要素の各々が、アーマチャ溝内に配置された溝部分と、使用時、コイルの端部にて溝部分の間の接続部を提供し得るように、アーマチャ溝の外側に配置された接続部分とを有し、コイルの少なくとも一端の接続部分は、溝部分から異なる距離だけ伸びており、１つの導体要素の接続部分が別の導体要素の接続部分を経て伸びてコイルに沿った導体要素の順序を変化させるための空間を提供する、磁気コイルを提供する。
【００１０】
機械の磁気コイルの各々は、本発明の第一の側面に関して上述した磁気コイルの任意の特徴又はこれら特徴の組み合わせを有することができる。
好ましくは、該磁気コイル又は磁気コイルの各々は、１対のアーマチャ溝内に配置され、該１対の溝の溝壁は、実質的に平行であるようにする。導体要素は、導体要素の間又はコイルの巻線の間に実質的に空隙無しでアーマチャ溝を充填することが好ましい。
【００１１】
次に、本発明の実施の形態について、単に一例としてのみ且つ、添付図面を参照しつつ、より詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
【実施例】
【００１３】
図１は、回転子１４の周りに固定子１２を有する永久磁石電気機械１０の断面図である。該回転子１４は、全体として半径方向に磁化され且つ、極性が交番的である永久磁石１６のリングを担持しており、このため、回転子１４は、図１に文字Ｎ及びＳで示した、交番的な北及び南磁極のリングを提供する。この例において、合計２０個の極が回転子１４の周りに提供される。回転子は、軸線１８の周りで回転するように適宜な軸受によって取り付けられる。
【００１４】
固定子１２（すなわちアーマチャ）は、歯２２により分離された、該固定子に形成された溝２０のリングを有している。隣接する各対の溝２０は、コイル（図示せず）の形態をした巻線を受け入れる。コイルの各々は、溝２０を分離する歯２２の周りに配置されている。次の対の溝２０は、別のコイル等々を固定子１２の周りに受け入れることになる。このように、アーマチャの周りで交番的な歯の周囲にコイルがある。従って、図１に示すように、２４個の溝を有する固定子は、１２個のコイルを受け入れる。これらのコイルは、３つの電気相を提供し得るように、４つのコイルから成る３つの群に分割することができる。
【００１５】
この幾何学的形態において、コイルの軸線は、機械１０の軸線１８から半径方向に歯２２に沿って配置されている。コイルの長さ及び溝の長さは、本明細書にて、機械の軸線１８に対して平行な寸法を意味するために使用する。
【００１６】
図１には、固定子１２（及び関係したコイル）が静止しており且つ、回転子１４の永久磁石の外側に配置される構成が示されている。しかし、以下に説明する原理は、磁気コイルの外側に永久磁石システムを有する機械、及び磁気コイルが不動の永久磁石を経て回転する機械にも当てはまる。
【００１７】
多くの実用的な用途において、図１に示した型式の機械は、６０００ｒｐｍ以上の回転速度にて作動し、１０００Ｈｚ以上の出力周波数を生じさせることができる。かかる高周波数は、コイル内に顕著な高周波数の交流損失を生じさせる。以下に掲げた例は、こうした損失を解消し又は緩和しようとするものである。
【００１８】
図２には、本発明に従って、磁気コイルを製造するときに使用される伝導性要素２４が図示されている。該要素２４は、切断、押抜き加工、プレス加工、レーザ切断等によって、銅薄板のような薄板材料にて形成され、一端にてウェブ２８により接続された実質的に平行な２つの細長い枝状部分２６を有し、両端３０を自由のままにする要素２４を形成する。薄板にて形成されるため、要素２４は、細長いＵ字形の積層体の形態をしている。例えば、分岐部２６の各々は、長さ１００ｍｍ、幅１５ｍｍ及び厚さ１．５ｍｍとすることができる。分岐部２６の平面は、実質的に平行であり又は一致する。要素２４は、以下から明らかになるであろう理由のため、電気絶縁性材料にて被覆されている。材料は、セラミック系とすることができる。コイルを図２に示すように、Ｕ字形の細長い積層体にて形成することが望ましいが、分岐部２６は、相互に接続するウェブ２８無しで個別に形成することができる。
【００１９】
要素２４は、多数の異なる幾何学的形態にてコイルを形成するために使用することができ、これら幾何学的形態の３つについてより詳細に説明する。
第一のコイルは、図３に図示されており且つ、Ｕ字形要素２４の積重ね体から形成された平坦化したら旋形の形態をした簡単なコイルであり、これらＵ字形要素の全ては、機械の軸線に向けて半径方向に見たとき、整合されている。このコイルについて説明することは、以下に説明する構成の基本的な幾何学的形態を理解するのに役立つ。
【００２０】
コイルの一端にて、分岐部２６は、コイルの反対側にて相応するウェブ２８により相応する分岐部に接続されており、これらの分岐部２６は、コイル内で同一の高さ位置にあり、コイルの１つの巻線を形成する。コイルの他端にて、分岐部分２６の各々は、コイルの反対側の分岐部２６と接続されているが、破線３１で示すように、上方又は下方の高さ位置にあり、適宜な接続する線、バー等により形成された連結部を示す。この連結部は、電流に対する単一の経路を提供するコイルを形成する。このように、コイルは、平坦化したら旋形の形態をしている。分岐部２６は、アーマチャ溝内に配置され且つ、ウェブ２８又は、線、バー等のようなその他の接続部分によりコイルの端部にて相互に接続された直線状部分を形成する。
【００２１】
この構造は、以下のように、交流損失を減少させる多数の構成を具体化することを許容する。要素２４は、密に積み重ねるか、又は当接させることができる（セラミック材料のような、これら要素が担持する電気絶縁性層により）。このことは、コイルの巻線に対する高充填密度を実現する。更に、導体は、機械の軸線に対し正接方向（枝状部分２６の幅を亙って）に中断せず、その結果、アーマチャ１２に対するより大きい熱結合状態を提供するという、熱的利点が得られる。熱結合状態を改良することは、高電流を使用することを許容し、また、充填密度を増すことは、より高電流密度を使用することを許容し、また、充填密度が増すことは、より高電流密度（すなわち、同値の電力に対して小さい寸法）の発電機又は、より高トルク密度（所定の寸法に対して高トルク）のモータとなる。
【００２２】
更に、コイルは、薄板要素２４を実質的に何ら変形させずに、薄板要素２４から形成したものであることが分かる。特定の要素２４の分岐部２６は、全体として面一状のままである。特に、要素２４は、成形装置に又は直接、歯２２に巻かれるときの歪みを受けることはない。その結果、要素２４に対する絶縁性材料の選択は、巻かれるときの歪みに耐えることのできるものに限定されない。特に、このことは、セラミック系の絶縁材料を使用することを許容する。これらの材料は、大きい温度許容値（機械をより過酷な環境にて使用することを許容する）、優れた熱伝導率（機械内での熱分散及び温度管理を改良することを許容する）及び大きい電気絶縁性（軽量な比較的薄い膜を使用することを許容する）を有している。これらの因子は、全て、機械の重量、小型化及び効率さが改良された機械につながり、また、セラミック系の絶縁性材料の非可撓性の性質のため、予め絶縁した銅導体にて形成されたコイルを使用して実現することはできない。
【００２３】
更に、積層要素を使用することにより交流損失は減少する。電気機械に対するコイル内の交流損失は、コイル導体の高さ（機械の軸線１８からの半径方向に沿った）の４乗に依存することが分かる。本発明に従って、積層導体は、導体が形成される薄板の厚さに従って薄くすることができる（２ｍｍ以下）。
【００２４】
コイルは、固体材料から機械加工された連続的な銅コイルにて形成し、これによりコイルの端部にて継手が必要とされるのを避けることができる。これと代替的に、アスペクト比が過度に厳しくないならば、細片を巻いてもよい。
【００２５】
図３の例は、上述したように、電流に対する単一の経路のみを提供する。各巻線内に導体要素を使用することにより、すなわち、コイルを通る１つ以上の電流経路を提供することにより交流損失を更に減少させることができ、これらの経路は、互いに電気的に並列に接続されている。次に、この性質の構成による２つの例について説明する。
【００２６】
図４には、その巻線が２つの導体要素３４Ａ、３４Ｂにより提供される、磁気コイル３２が図示されている。導体要素３４Ａは、図４に黒く示してある。導体要素３４の各々は、図２に示すように、幾つかの要素２４にて形成されており、隣接する要素２４の端部３０は、端部３０と接続部材３８との間の継手位置を識別し得るように破線３６で示すように、短いＵ字形の接続部により互いに接続されている。
【００２７】
１つ又はその他の導体要素３４を見ると、導体要素の各巻線は、アーマチャ溝内に配置され、本明細書にて溝部分と称する２つの直線状部分を有することが分かる。これらは、機械の溝内に配置されたとき、機械の軸線１８に対し全体として平行に伸びる分岐部２６の長さによって提供される。これらの溝部分は、一端にてアーマチャ溝の外側に配置された接続部分により接続されており、溝部分の間の接続部を提供する。これらの接続部は、コイルの両端にあり且つ、ウェブ２８又は接続部材３８の何れかにより提供される。この例において、ウェブ２８は、全て、機械の軸線１８に向けて半径方向に見たとき、ほぼ整合している。しかし、接続部材３８は、半径方向には整合していない。導体要素３４Ａの一部を形成する接続部材３８は、その他の導体要素３４Ｂを接続する部材よりも、溝部分２６から更に遠くまで伸びている。導体要素３４Ａが伸びる、この余分な距離は、相応する接続部材３８の曲線内に１つの空間（全体として図４に参照番号３９で図示）を提供し、この空間内にて、導体要素３４Ｂの接続部材が導体要素３４Ａの接続部材の上方を通ることができる。このことは、導体要素の順序を転位させ、図４から理解されるように、導体要素３４Ａは、図４に示すように、コイルの上側巻線の最寄りの側部にて最上方にある一方、コイルの遠方端の空間３９にて生ずる転位のため、導体要素３４Ｂは、上側巻線の遠方側にて最上方にある。
【００２８】
コイルの近い端部にて何ら転位は生ぜず、従って、第二の巻線は、導体要素３４Ｂが最上方にあるときに開始するが、コイルの遠方端にて更なる転位が生じ、このため、第二の巻線は、再度、導体要素３４Ａが最上方にあるときに終わる。これらの転位は、コイルの各巻線にて続く。
【００２９】
この転位は、コイル３２がアーマチャ内の所要位置にある状態を示す、図４の線５−５に沿った断面図である図５に見ることができる。導体要素３４Ａは、図５に黒く示してある。図５にて、明確に見ることができるように、第一の巻線部の溝部分２６は、右側部にて最上方にあり、左側部にて最下方にある導体要素３４Ａを有する一方、第二の巻線４２は、コイルの遠方端にて生じた転位によって右側部にて最上方にあり、左側部にて最下方にある導体要素３４Ｂを有している。（図４にて見られるように）。
【００３０】
この転位は、導体要素を溝の端部を超えて伸長させ且つ、上述した仕方にて転位するための空間を提供することにより容易に実現される。効果として、溝の端部を超えて伸びることは、機械の軸線に対する半径方向及び正接方向に加えて、第三の寸法（機械の軸線１８に対して平行な寸法）を使用する設計とすることを許容する。このように、単一の位置にて完全な転位を実現することができる。導体要素の経路を使用することによりコイル内の損失を減少させることができるが、これらの有益な効果は、導体要素の転位を使用することで向上する。図４に示した構成において、溝部分が溝の全長に沿って歪まずに進むことを許容しつつ、その関連した有利な効果と共に、転位を実現することが可能である。一方、このことは、溝が完全に充填されること（すなわち、導体要素又は巻線の間に実質的に何らの空隙が無い状態）を保証し、また、導体要素の各々が溝の全幅を亙って伸びることを許容し、上述したような改良された熱的利点が得られる。
【００３１】
１つの代替的なコイルの設計が図６ないし図９に示されている。この設計は、図４のコイルに対し多少の類似性を保つ。特に、この設計は、高充填密度を提供し得るように溝の長さに沿って直線状の溝部分を有しており、また、この設計には、導体要素を溝の端部を超えて転位させる構成とされている。
【００３２】
より詳細には、図６には、２つの導体要素コイル４４Ａ、４４Ｂが示されており、後者のコイルは、明確化のため黒で示してある。導体要素コイル４４の各々は、実質的に同一であり、また、一連の要素２４にて形成されており、これら一連の要素２４の端部３０は、短いＵ字形の接続部材により接続されて平坦化したら旋形を形成する。これと代替的に、平坦化したら旋形は、適宜な材料の単一のブロックから機械加工してもよい。２つのら旋形は、同一の方向に曲がっている、すなわち「左右像（ｈａｎｄｅｄｎｅｓｓ）」である。導体要素コイル４４の各々は、例えば、上述した材料の１つである、適宜な絶縁性材料にて覆う。
【００３３】
導体要素コイル４４は、図７に示すように互いに接触させ１つのコイル４４の巻き線部を他方のコイル４４の隣接する巻き線部の間で互いに挿置することができる。コイル４４が互いに挿置されるため、巻き線部の各々にて、コイル４４Ａは、遠方側部にて最上方となる（図７に示すように）が、コイル４４Ｂは、近い側部にて最上方となることを理解すべきである。
【００３４】
このようにして、コイル４４は、図８の位置に到達する迄、動きを続ける。このことは、コイル４４により形成された２つの導体要素経路を有し且つ、図８及び図９に関して以下に説明するような、その他の有益な幾何学的形態を有するコイル４６を形成している。
【００３５】
図８から、コイル４６の両端の間にて、双方の導体要素コイル４４は、直線状の溝部分２６を有し、該直線状の溝部分２６は、使用時、電気機械のアーマチャ溝内に配置されることが分かる。溝部分２６は、図４及び図５に関して上述した溝部分に対すると同様の仕方にて溝の全長に沿って直線状に伸びている。しかし、コイル４６において、導体要素を転位させる構成は、コイル４６の両端にて提供されている。このように、コイル４６の遠方端にて、導体要素４４Ａは、コイル４４Ｂよりも溝部分２６から更に遠方に伸びて、このため、コイル４４Ｂがコイル４４Ａの上方を通り且つ、コイル４６の近い側部と遠方側部との間にてコイル４４の順序を転位させるための空間を提供することが容易に分かる。この転位は、図４のコイルにおける参照番号３９にて示した転位と同様である。同様に、コイル４６の近い端部にて、コイル４４Ｂは、コイル４４Ａよりも溝部分２６を超えて更に遠方に伸び、同様に、コイル４４Ｂの上方を進むコイル４４Ａに対する転位が生じるための空間を提供する。その結果、図８から及び図９（コイルが固定子１２の位置にある、図８の線９−９に沿った図）から容易に理解し得るように、第一の巻き線部４８は、右側部にて最上方にあり且つ、左側部にて最下方にあるコイル４４Ａを有している。第二の巻き線部５０は、この場合にも、右側部にて最上方にあり且つ、左側部にて最下方にあるコイル４４Ａを有している。これが生じる理由は、転位がコイル４６の両端にて生ずること、すなわち、コイル４６が回転する毎に２回、転位するからである。
【００３６】
図４から開始して上述した実施の形態は、１つのコイルを形成する２つの導体要素を有している。より多数の導体要素を設けてもよい。例えば、コイルの各巻き線部を形成するため３つ又はより多くの要素２４の群を必要とすることができる。各々は、溝部分から異なる距離を伸びるウェブ２８の形態をした接続部分を有しており、このため、巻き線部毎に導体要素の順序に色々な変更を加えることができるようにしてもよい。
【００３７】
上述した構成の特に有利な効果は、コイルは、１つのモジュールとして製造される固定子１２に取り付けられる別個のモジュールとして製造することができる点である。実際には、導体要素は、上述したように、モジュールとして形成し且つ、互いに挿置することができる。このモジュール方式は、製造の容易さ、一貫性及び品質管理を向上させることを許容する。コイルをモジューラ製品として取り付けることは、図１０に示すように、固定子１２が隣接する溝を有するような構造とすることにより容易となる。図１０には、それぞれのコイルを受け入れる３対のコイル溝２０が示されている。図１０から、各対の溝２０（図１におけるように部分的に閉じているのではなく、開放している）は、それらの４側部が互いに平行である。このため、図４又は図８に示した型式の完成したコイルは、回転子１４を設置する前に、対の溝２０を分離する歯２２の上方にコイルを配置することにより、溝２０内に導入することができる。互いにコイルを形成する部材の溝部分は、コイルに並んで平行な面を提供するから、このことは容易となる。
【００３８】
特に、材料、形状、寸法及び相対的寸法の点にて上述した例に対し多数の変更及び改変を為すことが可能であると考えられる。
上記の説明にて特に重要であると考えられる本発明の特徴に特に関心が向けられるように努めたが、当該出願人は、特に強調したかどうかを問わずに、図面に関して説明し且つ（又は）図面に示した上述の特許可能な任意の特徴又は特徴の組み合わせに関して保護を請求するものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明が関係する型式の典型的な多相永久磁石電気機械の断面図である。
【図２】本発明に従って磁気コイルを製造するために使用される伝導性要素の平面図である。
【図３】アーマチャ溝内のコイルを示す部分断面図である。
【図４】本発明に従って形成された第一のコイルを隔離状態にて示す斜視図である。
【図５】図４のコイルを受け入れる溝を有するアーマチャを示す、図４のコイルに沿った中間における部分的で且つ一部分概略図的な断面図である。
【図６】本発明に従った代替的なコイルの構成要素を示す斜視図である。
【図７】本発明に従った代替的なコイルの組み立て方法を示す斜視図である。
【図８】本発明に従った代替的なコイルの最終的な配置を示す斜視図である。
【図９】図８のコイルを示す、図５と同様の図である。
【図１０】本発明に従った電気機械にて使用されるアーマチャの部分断面図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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