(57)【要約】【課題】  固定子コイルの端部が絶縁キャップにより覆われているものであっても、固定子コイルの端部の冷却効果を上げることができること。【解決手段】  本発明の回転電機は、上記課題を解決するために、固定子コアの内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定の間隔をもって形成された複数のスロット内に収納された固定子コイルが、回転軸方向に沿って突出した固定子コイルエンド部が形成され、異なるスロットに組み込まれた固定子コイルエンド部の上コイルと底コイルの端部接続部が絶縁キャップで絶縁されていると共に、回転軸の両端に設置されている軸流ファンによって内部に導かれた冷却媒体の一部が前記絶縁キャップに流れ、この絶縁キャップは、軸流ファンによって導入された冷却媒体を固定子の内径側から取り込み、その取り込み位置より固定子の外径側へ排出するように構成されていることを特徴とする。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、該固定子の内径側に所定のギャップをもって設置された回転子と、前記固定子及び回転子を格納する回転電機フレームとを備え、
前記固定子は、軸方向に積層された電磁鋼板からなる固定子コアと、該固定子コアの内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定の間隔をもって形成された複数のスロット内に収納された固定子コイルとから成り、
前記固定子コイルは、前記回転子の回転軸方向に沿って突出した固定子コイルエンド部が形成され、異なる前記スロットに組み込まれた前記固定子コイルエンド部の上コイルと底コイルの端部接続部が絶縁キャップで絶縁されていると共に、前記回転子の回転軸の両端に設置されている軸流ファンによって内部に導かれた冷却媒体の一部が前記絶縁キャップに流れる回転電機において、
前記絶縁キャップは、前記軸流ファンによって導入された前記冷却媒体を前記固定子の内径側から取り込み、その取り込み位置より前記固定子の外径側へ排出するように構成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記絶縁キャップは、該絶縁キャップで囲われた内部空間に、前記軸流ファンによって導入された前記冷却媒体を取り込む入気口と、該入気口から取り込まれ前記内部空間を流下した前記冷却媒体を排出する排気口とを備え、前記排気口は、軸方向及び/又は径方向に開放されていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機において、
前記排気口が径方向に開放している場合は、前記絶縁キャップの軸方向端部がカバーで覆われていることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の回転電機において、
前記排気口が径方向に開放している場合は、前記入気口が傾斜して形成され、この傾斜した前記入気口から斜めに導入された前記冷却媒体が、径方向に直進した後に再度斜めに進み、最後に径方向に直進して前記排気口から排出されるように、前記冷却媒体の流路が形成されていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項２に記載の回転電機において、
前記排気口が軸方向に開放している場合は、軸方向の前記排気口は、前記底コイル部分が位置している部分が開放していることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の回転電機において、
前記絶縁キャップの軸方向端部は、前記底コイル部分が位置している部分以外がカバーで覆われていることを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記排気口は、前記入気口よりも前記固定子コイルの外径側に位置していることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記固定子コイルの導体端部からの前記絶縁キャップの端部との軸方向距離、及び前記固定子コイルの導体端部からの前記絶縁キャップの底部との径方向距離が、耐絶縁距離が確保された距離であることを特徴とする回転電機。
【請求項９】
請求項８に記載の回転電機において、
前記固定子コイルの導体端部からの前記絶縁キャップの端部との軸方向距離は、前記冷却媒体の流れをガイドし、フィン効果による冷却可能な距離に延伸されていることを特徴とする回転電機。
【請求項１０】
請求項２乃至９のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記絶縁キャップは、前記入気口から内部に導入された前記冷却媒体が、前記入気口に導入直後に軸方向内部に流れ込まないように仕切りが形成されていることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機に係り、特に、固定子コイルのコイルエンド端部が絶縁キャップで覆われているものに好適な回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回転電機は、固定子と回転子とから概略構成されている。上記固定子は、積層電磁鋼板からなる固定子コアと、導体と主絶縁と低抵抗コロナシールドからなる固定子コイルとを備えている。この固定子コイルは、固定子コアに設けられたスロット内に組み込まれて固定されている。
【０００３】
通常、回転電機の運転時には、固定子コイルの導体は、電流が流れることにより発熱する。固定子コイルのスロット内へ組み込まれた部分は固定子コアへの熱伝導により、また、固定子コイルの固定子コアへ組み込まれない部分は機内を循環する冷却媒体への熱伝達により、主に冷却されている。そして、冷却媒体による固定子コイルに対する冷却効果を上げることで、回転電機の性能向上が期待できる。
【０００４】
また、電気的な観点より、固定子コイルの導体は、絶縁物で全体的に覆われることが一般的であり、固定子コイルの端部も絶縁キャップにより覆われている。
【０００５】
このような固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている先行技術文献として、特許文献１を挙げることができる。
【０００６】
この特許文献１には、固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われているガス冷却式電気機械において、固定子コイル端部に冷媒ガスを流す経路をつくり、固定子コイル端部と冷媒ガスの吸込室をホースで直接接続して、冷媒ガスを引き込むことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２４３６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した如く、回転電機の運転時には、固定子コイルは導体に電流が流れることにより発熱するが、回転電機の機内は、空気やその他ガス等の冷却媒体を循環させることにより冷却される。固定子コイルの中央部における固定子コイルの導体の発熱は、主に主絶縁を介して熱伝導で固定子コアへ熱が伝わるが、固定子コイルの端部は、固定子コアから距離が遠く、冷却媒体による熱伝達での冷却が主となる。
【０００９】
特許文献１には、絶縁キャップで覆われた固定子コイル端部を冷却する構成として、固定子コイル端部に設けられた冷媒ガスを流す経路に冷媒ガスを引き込む吸引構造を設けた構成が記載されている。しかし、このような吸引構造の設置が困難な場合など、絶縁キャップで覆われた固定子コイル端部を冷却する他の手法が必要となる場合がある。
【００１０】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、固定子コイルの端部が絶縁キャップにより覆われているものであっても、固定子コイルの端部の冷却効果を上げることができ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】
【００１１】
本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、固定子と、該固定子の内径側に所定のギャップをもって設置された回転子と、前記固定子及び回転子を格納する回転電機フレームとを備え、前記固定子は、軸方向に積層された電磁鋼板からなる固定子コアと、該固定子コアの内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定の間隔をもって形成された複数のスロット内に収納された固定子コイルとから成り、前記固定子コイルは、前記回転子の回転軸方向に沿って突出した固定子コイルエンド部が形成され、異なる前記スロットに組み込まれた前記固定子コイルエンド部の上コイルと底コイルの端部接続部が絶縁キャップで絶縁されていると共に、前記回転子の回転軸の両端に設置されている軸流ファンによって内部に導かれた冷却媒体の一部が前記絶縁キャップに流れる回転電機において、前記絶縁キャップは、前記軸流ファンによって導入された前記冷却媒体を前記固定子の内径側から取り込み、その取り込み位置より前記固定子の外径側へ排出するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固定子コイルの端部が絶縁キャップにより覆われているものであっても、固定子コイルの端部の冷却効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の回転電機の実施例１としてのタービン発電機の全体構成を示す図である。
【図２Ａ】図１のタービン発電機の固定子コイルエンド部を周方向から見た図である。
【図２Ｂ】図２Ａの固定子コイルエンド部をＡ−Ａ方向から見た図である。
【図３Ａ】図１のタービン発電機の固定子コイルがスロット内に組み込まれている部分を示す断面図である。
【図３Ｂ】図１のタービン発電機の絶縁キャップの内部に位置する上コイルと底コイルが電気的に接続される部分を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の回転電機の実施例１であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を一部破断して示す斜視図である。
【図４Ｂ】本発明の回転電機の実施例１であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【図５】本発明の回転電機の実施例１であるタービン発電機における固定子コイルの端部接続部の隣接同士の構成を示す図である。
【図６】図５の固定子コイルの端部接続部の隣接同士の構成をＢ−Ｂ方向から見た図である。
【図７Ａ】本発明の回転電機の実施例２であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を一部破断して示す斜視図である。
【図７Ｂ】本発明の回転電機の実施例２であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【図８】本発明の回転電機の実施例３であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【図９】本発明の回転電機の実施例４であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【図１０Ａ】本発明の回転電機の実施例５であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を一部破断して示す斜視図である。
【図１０Ｂ】本発明の回転電機の実施例５であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の回転電機の実施例６であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【図１２】本発明の回転電機の実施例７であるタービン発電機における固定子コイルの端部が絶縁キャップで覆われている状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の回転電機の実施例１としてのタービン発電機の全体構成を示す。
【００１６】
該図に示す如く、本実施例のタービン発電機１は、固定子２と、この固定子２の内径側に所定のギャップをもって設置された回転子３と、固定子２及び回転子３を格納する回転電機フレーム４とから概略構成されている。
【００１７】
回転子３は、界磁磁束を発生しながら回転軸５の周りに回転し、以下では、回転軸５の方向を「軸方向」、回転軸５を中心に回る方向を「周方向」、軸方向に垂直な方向を「径方向」という。ここでの「軸方向」は、円筒形の固定子２の軸方向と一致する。
【００１８】
一方、固定子２は、軸方向に積層された電磁鋼板からなる固定子コア６と、この固定子コア６の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定の間隔をもって形成された複数のスロット内に収納された固定子コイル７とから成り、電磁誘導により電圧が発生して電流を流す。
【００１９】
また、固定子コイル７は、回転子３の回転軸方向に沿って突出した固定子コイルエンド部７Ａが形成され、後述するが、異なるスロットに組み込まれた固定子コイルエンド部７Ａの上コイル８と底コイル９の端部接続部が、ガラス繊維強化プラスチック等から成る絶縁キャップ１０で絶縁されていると共に、回転子３の回転軸５の両端に設置されている軸流ファン１１によって、タービン発電機の内部に導かれた冷却媒体１２の一部が、絶縁キャップ１０に流れるように構成されている。
【００２０】
タービン発電機１の運転時は、固定子コア６及び固定子コイル７の温度が上昇するが、それを空気やその他ガス等の冷却媒体１２を循環させることで、タービン発電機１内を冷却している。固定子コイル７の軸方向端部付近にも、冷却媒体１２の流れが存在する。
【００２１】
また、固定子コイル７の中央部は、固定子コア６の内径側に設けられたスロット内に組み込まれており、固定子コイル７の両端部は、固定子コア６の外側で固定されている。この固定子コア６に組み込まれない部分を、上述した固定子コイルエンド部７Ａという。
【００２２】
図２Ａは、図１のタービン発電機１の固定子コイルエンド部７Ａを周方向から見た図、図２Ｂは、図２Ａの固定子コイルエンド部７ＡをＡ−Ａ方向から見た図である。
【００２３】
該図に示す如く、異なるスロットに組み込まれた上コイル８と底コイル９が端部で接続され、この接続部は、絶縁キャップ１０で絶縁されている。
【００２４】
図３Ａは、図１のタービン発電機１の固定子コイル７がスロット内に組み込まれている部分を示す断面図であり、その構成は、主に導体１３、導体１３の周りのマイカ等の主絶縁１４及び表面の低抵抗コロナシールド（カーボンを含んだ半導電性材料）１５からなる。図３Ｂは、図１のタービン発電機１の絶縁キャップ１０の内部に位置する上コイル８と底コイル９が電気的に接続される部分を示す断面図であり、導体１３が接続板１６で接続されている。
【００２５】
そして、本実施例のタービン発電機１では、固定子コイル７の端部をカバーする絶縁キャップ１０の内部に、タービン発電機１内を循環している冷却媒体１２の流れを取り込むことにより、固定子コイル７の導体１３及び接続板１６を直接冷却し、タービン発電機１の冷却効率を上げることを可能としている。
【００２６】
即ち、本実施例のタービン発電機１は、絶縁キャップ１０が、軸流ファン１１によって導入された冷却媒体１２を固定子２の内径側から取り込み、その取り込み位置より固定子２の外径側へ排出するようにして、固定子コイル７の導体１３及び接続板１６を直接冷却するようにしている。
【００２７】
以下、その詳細を、図４Ａ、図４Ｂ、図５及び図６を用いて説明する。
【００２８】
図４Ａは、本実施例のタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を一部破断して示す斜視図、図４Ｂは、その断面図である。
【００２９】
該図に示す如く、本実施例での絶縁キャップ１０は、この絶縁キャップ１０で囲われた内部空間に、軸流ファン１１によって導入された冷却媒体１２を取り込む入気口２０と、この入気口２０よりも固定子コイル７の外径側に位置し、入気口２０から取り込まれ内部空間を流下した冷却媒体１２を排出する排気口２１とを備え、この排気口２１は、軸方向に開放されていることを特徴としている。しかも、絶縁キャップ１０には、入気口２０から内部に導入された冷却媒体１２が、入気口２０に導入直後に軸方向内部に流れ込まないようにすると共に、電気的沿面距離を確保するための仕切り１０Ａが形成されている。
【００３０】
このように絶縁キャップ１０の内径側及び軸方向の端部を開放することで、絶縁キャップ１０内を通過する冷却媒体１２を導体１３及び接続板１６に当てることで、当該部の冷却性能を向上させることができる。なお、主絶縁１４側は、複合絶縁材から成る充填絶縁材１７でシールされている。
【００３１】
図５は、本実施例のタービン発電機１における固定子コイル７の端部接続部の隣接同士の構成を示す図、図６は、図５の固定子コイル７の端部接続部の隣接同士の構成をＢ−Ｂ方向から見た図である。
【００３２】
通常、隣接する固定子コイル７の端部接続部が異相電圧となる箇所は、その隣接距離が近いと、図５に示す固定ブロック２２等の構成品を介して沿面での相間短絡、地絡を引き起こす可能性が考えられる。
【００３３】
これを防止するため、導体１３の端部からの軸方向距離１８と径方向距離１９を十分確保した構成とする。
【００３４】
即ち、本実施例では、固定子コイル７の導体１３の端部からの絶縁キャップ１０の端部との軸方向距離１８と固定子コイル７の導体１３の端部からの絶縁キャップ１０の底部（入気口２０）との径方向距離１９が、耐絶縁距離が確保された距離に保たれた構成となっている。
【００３５】
このような本実施例の構成とすることにより、固定子コイル７の端部の導体１３を、絶縁キャップ１０で完全に覆わず、絶縁キャップ１０に冷却媒体１２の入気口２０と排気口２１を形成することにより、タービン発電機１の運転時の冷却媒体１２の循環を、絶縁キャップ１０内へ取り入れて内径側から外径側へ流し、固定子コイル７の導体１３と冷却媒体１２が直接接触することにより、冷却効果が向上する。
【００３６】
また、同時に、周囲の異相電圧部、接地電位部を考慮し、電気的な短絡及び地絡を引き起こさない絶縁キャップ１０の形状とすることができる。
【００３７】
従って、本実施例によれば、タービン発電機１の運転時の冷却媒体１２の循環を絶縁キャップ１０内に取り入れ、絶縁キャップ１０内を固定子２の内径側から外径側へ冷却媒体１２が流れる流路を作ることで、固定子コイル７の導体１３に冷却媒体１２の流れが直接当たり、導体１３を全て絶縁キャップで覆う場合よりも、当該部の冷却効果を上げることが可能となるし、隣接又は周囲に存在する異相電圧部との短絡や、接地電位部との地絡を引き起こさないような、電気的な絶縁も考慮された構成とすることができる。
【実施例２】
【００３８】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の回転電機の実施例２であるタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を一部破断して示す斜視図及び断面図である。
【００３９】
該図に示す本実施例では、図４Ａ及び図４Ｂに示した絶縁キャップ１０の構成に対して、入気口２０側の形状が異なる構成としたものである（他の構成は、実施例１と同様である）。
【００４０】
即ち、図４Ａ及び図４Ｂに示した絶縁キャップ１０には、入気口２０から内部に導入された冷却媒体１２が、入気口２０に導入直後に軸方向内部に流れ込まないようにすると共に、電気的沿面距離を確保するための仕切り１０Ａが形成されているが、本実施例では、仕切り１０Ａが形成されてなく、充填絶縁物１７を絶縁キャップ１０の底部まで延ばして配置したものである。
【００４１】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができる。
【実施例３】
【００４２】
図８は、本発明の回転電機の実施例３であるタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を示す断面図である。
【００４３】
該図に示す本実施例では、図４Ｂに示した絶縁キャップ１０の構成に対して、排気口２１側の形状が異なる構成としたものである（他の構成は、実施例１と同様である）。
【００４４】
即ち、図４Ｂに示した絶縁キャップ１０の構成は、排気口２１が軸方向に開放されているが、本実施例では、絶縁キャップ１０の先端部分を径方向に突出させ、この突出部分にも排気口２１を形成して、排気口２１が径方向と軸方向の両方に開放しているものである。
【００４５】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができる。
【実施例４】
【００４６】
図９は、本発明の回転電機の実施例４であるタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を示す断面図である。
【００４７】
該図に示す本実施例では、図４Ｂの絶縁キャップ１０の構造に対して、固定子コイル７の導体１３の端部からの軸方向距離１８を更に延伸させ、軸方向距離１８Ａとした構成とし、軸方向及び径方向に排気口２１を形成したものである（他の構成は、実施例１と同様である）。
【００４８】
この固定子コイル７の導体１３の端部からの軸方向距離１８Ａは、冷却媒体１２の流れをガイドし、フィン効果による冷却可能な距離に延伸されているものである。
【００４９】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、冷却媒体１０の内径側から外径側への流れをガイドし、更に、絶縁キャップ１０の延伸部のフィン効果による冷却も得ることが可能となる。
【実施例５】
【００５０】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の回転電機の実施例５であるタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を一部破断して示す斜視図及び断面図である。
【００５１】
該図に示す本実施例では、図８に示した絶縁キャップ１０の構成に対して、絶縁キャップ１０の軸方向端部を開放せずに閉止し、径方向を開放した構成としたものである（他の構成は、実施例１と同様である）。即ち、絶縁キャップ１０の軸方向端部をカバー１０Ｂで覆い、径方向にのみ排気口２１を形成し開放している。
【００５２】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、絶縁キャップ１０の軸方向端部付近に異相電圧や接地電位の構造物が存在する場合、固定子コイル７の導体１３の端部から電気的な短絡、地絡を引き起こす可能性があるが、絶縁キャップ１０の軸方向端部を閉止し、入気口２０と排気口２１に分ける構成とすることにより、上述した短絡、地絡を防ぐことができる。
【実施例６】
【００５３】
図１１は、本発明の回転電機の実施例６であるタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を示す断面図である。
【００５４】
該図に示す本実施例では、軸方向の排気口２１が、底コイル９が位置している部分に設けられ開放し、他の軸方向端部は閉止しているものである（他の構成は、実施例１と同様である）。
【００５５】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、絶縁キャップ１０の軸方向端部付近に存在する異相電圧又は接地電位の構造物が、例えば、上コイル８の先端付近のみである場合は、本実施例のように、絶縁キャップ１０の軸方向先端部を、一部のみ閉止する構成とすることでも同様な効果をえることが可能である。
【実施例７】
【００５６】
図１２は、本発明の回転電機の実施例７であるタービン発電機１における固定子コイル７の端部が絶縁キャップ１０で覆われている状態を示す断面図である。
【００５７】
該図に示す本実施例では、入気口２０が傾斜して形成され、この傾斜した入気口２０から斜めに導入された冷却媒体１２が径方向に直進した後に再度斜めに進み、最後に径方向に直進して排気口２１から排出されるように、冷却媒体１２の流路が形成されているものである（他の構成は、実施例１と同様である）。
【００５８】
このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができることは勿論、絶縁キャップ１０の軸方向先端部が周囲障害物と干渉しない構成、絶縁キャップ１０内への冷却媒体１２の取り込み易さや内径側から外径側への流量を確保できる構成とすることができ、入気口２０や排気口２１の寸法、形状変更のバリエーションも可能である。
【００５９】
なお、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１…タービン発電機、２…固定子、３…回転子、４…回転電機フレーム、５…回転軸、６…固定子コア、７…固定子コイル、７Ａ…固定子コイルエンド部、８…上コイル、９…底コイル、１０…絶縁キャップ、１０Ａ…仕切り、１０Ｂ…カバー、１１…軸流ファン、１２…冷却媒体、１３…導体、１４…主絶縁、１５…低抵抗コロナシールド、１６…接続板、１７…充填絶縁材、１８、１８Ａ…導体端部からの軸方向距離、１９…導体端部からの径方向距離、２０…入気口、２１…排気口、２２…固定ブロック。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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