(57)【要約】【課題】コイルエンドをプレス成形することなくコイルエンド長を低減することができるステータ構造および電動機を提供する。【解決手段】環状のステータコア２０の内周にスロットが複数配列されている。各スロットの形状が正方形状をなしている。巻線には平角線を用いている。スロットに、整列した複数本の巻線よりなるインナーコイル４０と、整列した複数本の巻線よりなるアウターコイル５０とが組み込まれている。インナーコイル４０は、コイルエンド４３，４４がステータコア２０の端面から端面に垂直な軸線方向に延設されるとともに、アウターコイル５０は、コイルエンド５３，５４がステータコア２０の端面から軸線方向に直交し、かつ、インナーコイル４０のコイルエンド４３，４４を避ける方向に延設されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットが複数配列されたステータコアと、
整列した複数本の巻線よりなり、前記ステータコアの前記スロットに組み込まれる第１のコイルと、
整列した複数本の巻線よりなり、前記ステータコアの前記スロットに組み込まれる第２のコイルと、
を備え、
前記第１のコイルは、コイルエンドが前記ステータコアの端面から当該端面に垂直な軸線方向に延設されるとともに、前記第２のコイルは、コイルエンドが前記ステータコアの端面から前記軸線方向に直交し、かつ、前記第１のコイルのコイルエンドを避ける方向に延設され、前記スロットの形状が正方形状をなすことを特徴とするステータ構造。
【請求項２】
前記巻線は平角線であることを特徴とする請求項１に記載のステータ構造。
【請求項３】
前記スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線外周長の１／２以内であることを特徴とする請求項２に記載のステータ構造。
【請求項４】
前記スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線外周長の１／４以内であることを特徴とする請求項２に記載のステータ構造。
【請求項５】
前記スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線短辺長以内であることを特徴とする請求項２に記載のステータ構造。
【請求項６】
前記ステータコアは環状をなし、環状のステータコアの内周に前記スロットが配列され、前記第１のコイルはコイルエンドを、前記平角線の断面の短辺方向に曲げて前記ステータコアの周方向に延設するとともに、前記第２のコイルはコイルエンドを、前記平角線の断面の短辺方向に曲げることによって前記ステータコアの半径方向に曲げたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のステータ構造。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のステータ構造を備えたことを特徴とする電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータ構造および電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分布巻のステータにおいてステータコア端面からのコイルエンドの突出長、即ち、コイルエンド長を短くする技術が知られている（例えば、特許文献１等）。
ステータ構造において、コイルは、巻枠にて必要な巻数を巻き取られ、インサータなるコイル挿入装置にて挿入される。
【０００３】
インサータでのコイル挿入の問題点として以下のことがある。
（１）占積率を大きくすることが困難
（２）コイル挿入時に、コイルが傷付く虞があり、工程内の歩留まりが悪くなる。
（３）インサータ装置のコイル接触部の管理が困難
その結果、コイル長を長くしてコイルを挿入し、コイルエンドを低減するため、コイルエンドをプレス成形する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７４７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステータにおいてコイルとしてインナーコイルとアウターコイルを備えた構成とした場合においては、インナーコイルのコイルエンドとアウターコイルのコイルエンドは交差する必要があり、コイルエンド長、即ち、ステータコアの軸線方向におけるコイルのステータコアからの突出量が長くなってしまっている。また、一部の電動機は、コイルエンド長を低減するためコイルエンドをプレス成形する。そのためプレス時にコイルに傷が付くとともに、相間紙がズレたりしてしまい、工程内の歩留まりが悪くなる。
【０００６】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、コイルエンドをプレス成形することなくコイルエンド長を低減することができるステータ構造および電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明では、スロットが複数配列されたステータコアと、整列した複数本の巻線よりなり、ステータコアのスロットに組み込まれる第１のコイルと、整列した複数本の巻線よりなり、ステータコアのスロットに組み込まれる第２のコイルと、を備え、第１のコイルは、コイルエンドがステータコアの端面から当該端面に垂直な軸線方向に延設されるとともに、第２のコイルは、コイルエンドがステータコアの端面から軸線方向に直交し、かつ、第１のコイルのコイルエンドを避ける方向に延設され、スロットの形状が正方形状をなすことを要旨とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、スロットに、整列した複数本の巻線よりなる第１のコイルと、整列した複数本の巻線よりなる第２のコイルとが、第１のコイルについては、コイルエンドがステータコアの端面から当該端面に垂直な軸線方向に延設され、第２のコイルについては、コイルエンドがステータコアの端面から軸線方向に直交し、かつ、第１のコイルのコイルエンドを避ける方向に延設されるようにして組み込まれることによりコイルエンドをプレス成形することがなくなる。また、コイルエンドにおいて交差する第１のコイルと第２のコイルのコイルエンド長は矩形のスロットにおける長辺と短辺との和により規定されることから正方形状のスロットとすることでコイルエンド長を低減することができる。
【０００９】
請求項２に記載のように、請求項１に記載のステータ構造において、巻線は平角線であるとよい。
請求項３に記載のように、請求項２に記載のステータ構造において、スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線外周長の１／２以内であるものとしてもよい。
【００１０】
請求項４に記載のように、請求項２に記載のステータ構造において、スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線外周長の１／４以内であるものとしてもよい。
【００１１】
請求項５に記載のように、請求項２に記載のステータ構造において、スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線短辺長以内であるものとしてもよい。
【００１２】
請求項６に記載のように、請求項２〜５のいずれか１項に記載のステータ構造において、ステータコアは環状をなし、環状のステータコアの内周にスロットが配列され、第１のコイルはコイルエンドを、平角線の断面の短辺方向に曲げてステータコアの周方向に延設するとともに、第２のコイルはコイルエンドを、平角線の断面の短辺方向に曲げることによってステータコアの半径方向に曲げると、コイルエンド長を短くすることができる。
【００１３】
請求項７に記載のように、請求項１〜６のいずれか１項に記載のステータ構造を備えた電動機であるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コイルエンドをプレス成形することなくコイルエンド長を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態における電動機のステータの斜視図。
【図２】電動機のステータの正面図。
【図３】電動機のステータの一部拡大斜視図。
【図４】（ａ）はステータコアの平面図、（ｂ）はステータコアの正面図。
【図５】アウターコイルを取り外した状態におけるステータの一部拡大斜視図。
【図６】インナーコイルを取り外した状態におけるステータの一部拡大斜視図。
【図７】（ａ）はインナーコイルの一部破断平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ矢視図。
【図８】（ａ）はアウターコイルの一部破断平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ矢視図。
【図９】比較用ステータコアの平面図。
【図１０】（ａ）は比較用インナーコイルの一部破断平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ矢視図。
【図１１】（ａ）は比較用アウターコイルの一部破断平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ矢視図。
【図１２】比較用ステータの一部拡大斜視図。
【図１３】平角線の断面図。
【図１４】本実施形態でのスロット内のコイルを示す断面図。
【図１５】比較例のスロット内のコイルを示す断面図。
【図１６】比較例のスロット内のコイルを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１，２，３には、本実施形態の電動機のステータ１０を示す。本実施形態のステータ１０は分布巻の３相８極電動機に用いられる。ステータ１０は環状のステータコア２０を備えている。ステータコア２０は図４に示すように２４スロットで、複数配列されている。
【００１７】
図４において、ステータコア２０は、所定の厚さｔ１を有している。ステータコア２０の内周において２４個のスロット３０が周方向に等ピッチで配列されている。スロット３０はステータコア２０の内周に開口し、その形状は正方形状をなしている。ステータコア２０の周方向における横列するスロット３０間がティースＴとなっている。
【００１８】
図１，２，３に示すように、ステータ１０は、スロット３０に組み込まれたインナーコイル４０と、スロット３０に組み込まれたアウターコイル５０を備えている。インナーコイル４０は６個設けられるとともに、アウターコイル５０は６個設けられている。
【００１９】
なお、環状のステータ１０の環内にはロータが配置されることになる。
図５，６は、スロット３０に組み込まれている隣り合わせのインナーコイル４０とアウターコイル５０との配置関係を示し、図５ではインナーコイル４０のみを示し、図６ではアウターコイル５０のみを示す。図７（ａ），（ｂ）にはインナーコイル４０を示し、図８（ａ），（ｂ）にはアウターコイル５０を示す。
【００２０】
図５および図７（ａ），（ｂ）に示すように、第１のコイルとしてのインナーコイル４０は、整列した複数本の巻線Ｗよりなる。この巻線Ｗは平角線である。インナーコイル４０は、一対のスロット３０に挿入される一対の挿入部４１，４２と、スロット３０から外にはみ出る一対のインナーコイル４０のコイルエンド４３，４４とを備えた環状形状に予め成形されている。インナーコイル４０の挿入部４１，４２は、断面長方形の平角線の長辺がステータコア２０の半径方向となる状態で揃えられている。インナーコイル４０のコイルエンド４３，４４がステータコア２０の端面２０ａ，２０ｂから端面２０ａ，２０ｂに垂直な軸線方向Ｌ１（図２、図４参照）に延設されている。
【００２１】
また、図６および図８（ａ），（ｂ）に示すように、第２のコイルとしてのアウターコイル５０は、整列した複数本の巻線Ｗよりなる。この巻線Ｗは平角線である。アウターコイル５０は、一対のスロット３０に挿入される一対の挿入部５１，５２と、スロット３０から外にはみ出る一対のアウターコイル５０のコイルエンド５３，５４とを備えた環状形状に予め成形されている。アウターコイル５０の挿入部５１，５２は、断面長方形の平角線の短辺がステータコア２０の半径方向となる状態で揃えられている。アウターコイル５０のコイルエンド５３，５４がステータコア２０の端面２０ａ，２０ｂから軸線方向Ｌ１に直交し、かつ、インナーのコイルエンド４３，４４を避ける半径方向Ｌ２に延設されている。
【００２２】
予め成型されることにより整列した複数本の巻線よりなるインナーコイル４０と、同じく予め成型されることにより整列した複数本の巻線よりなるアウターコイル５０とがスロット３０に挿入されて組み込まれる。これによりコイルエンドをプレス成形することがなくなる。つまり、コイル長を長くしてコイルをスロットに挿入してからコイルエンド長を低減するためにコイルエンドをプレス成形する場合に比べて、コイルエンドをプレス成形する必要がない。
【００２３】
また、巻線Ｗは平角線であり、平角線とすることにより金属（銅など）の量を増やすことができ、これにより抵抗値が下がり損失が下がる。
図８（ａ），（ｂ）において、アウターコイル５０のコイルエンド５３は、その端部にあってスロット３０からステータコア２０の端面２０ａ側の外部へ起立している一対の起立部５３ａと、一対の起立部５３ａ間の渡り部５３ｂとからなる。同様に、アウターコイル５０のコイルエンド５４は、その端部にあってスロット３０からステータコア２０の端面２０ｂ側の外部へ起立している一対の起立部５４ａと、一対の起立部５４ａ間の渡り部５４ｂとからなる。アウターコイル５０のコイルエンド５３，５４は、図６に示すごとく、ステータコア２０の端面２０ａ，２０ｂから出ると、渡り部５３ｂ，５４ｂがステータコア２０の半径方向Ｌ２（図４（ａ）、図８（ｂ）参照）に曲げられるとともに渡り部５３ｂ，５４ｂがステータコア２０の外形に沿って延びている。
【００２４】
図７（ａ），（ｂ）において、インナーコイル４０のコイルエンド４３は、その端部にあってスロット３０からステータコア２０の端面２０ａ側の外部へ起立している一対の起立部４３ａと、一対の起立部４３ａ間の渡り部４３ｂとからなる。同様に、インナーコイル４０のコイルエンド４４は、その端部にあってスロット３０からステータコア２０の端面２０ｂ側の外部へ起立している一対の起立部４４ａと、一対の起立部４４ａ間の渡り部４４ｂとからなる。インナーコイル４０のコイルエンド４３，４４は、図５に示すごとく、ステータコア２０の端面２０ａ，２０ｂから出ると、起立部４３ａ，４４ａがアウターコイル５０のコイルエンド５３，５４と接触しないようにステータコア２０の軸線方向Ｌ１に延びている。
【００２５】
このとき、図７に示すように、インナーコイル４０はコイルエンド４３，４４において巻線Ｗが断面長方形の平角線の短辺方向（平角線の厚さ方向）に曲げられ、これによってコイルエンド４３，４４がステータコア２０の周方向に延設されている。また、図８に示すように、アウターコイル５０はコイルエンド５３，５４において巻線Ｗが断面長方形の平角線の短辺方向（平角線の厚さ方向）に曲げられ、これによってコイルエンド５３，５４がステータコア２０の半径方向Ｌ２に曲げられている。
【００２６】
図１に示すように、アウターコイル５０のコイルエンド５３，５４は、環状のステータコア２０の半径方向においてインナーコイル４０のコイルエンド４３，４４よりも外側に配置されており、インナーコイル４０のコイルエンド４３，４４は、隣り合わせで一対のアウターコイル５０のコイルエンド５３，５４の起立部５３ａ，５４ａを跨いでいる。ステータコア２０の軸線方向Ｌ１に見た場合、インナーコイル４０のコイルエンド４３の渡り部４３ｂと、アウターコイル５０のコイルエンド５３の起立部５３ａとが重なっている。同様に、ステータコア２０の軸線方向Ｌ１に見た場合、インナーコイル４０のコイルエンド４４の渡り部４４ｂと、アウターコイル５０のコイルエンド５４の一対の起立部５４ａとが重なっている。
【００２７】
図４に示すように、各スロット３０の形状は正方形状をなしている。そして、図７，８に示す整列した複数本の巻線Ｗよりなるインナーコイル４０およびアウターコイル５０がスロット３０に挿入されている。
【００２８】
このようにして、インナーコイル４０、アウターコイル５０で構成されるステータ１０において、正方形状のスロット３０とすることにより、図９に示すような長方形状のスロット３１として図１０，１１に示すインナーコイル７０およびアウターコイル８０を図１２のようにステータコアに装着した場合に比べてコイルエンド長Ｌｃｅ（図２参照）を低減することができる。ただし、図４と図９において、スロット面積は同一で比較する。
【００２９】
以下、長方形状のスロットではなく正方形状のスロットを用いたことによるコイルエンド長の低減効果について、具体的な数値を挙げながら詳しく説明する。
平角線（巻線Ｗ）のサイズは、一例として、その断面が、図１３に示すように長辺が２ｍｍ、短辺が１ｍｍである。また、図９に示すような長方形状のスロット３１のサイズは縦が１６ｍｍ、横が４ｍｍであり、図４に示すような正方形状のスロット３０のサイズは縦が８ｍｍ、横が８ｍｍであり、長方形状のスロット３１と正方形状のスロット３０は同一面積である。
【００３０】
図７に示すインナーコイル４０は、図１４に示すように、縦が８ｍｍ、横が８ｍｍのスロットに対して、横に８本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されるとともに縦に４本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されている。図８に示すアウターコイル５０は、図１４に示すように、横に４本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されるとともに縦に８本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されている。
【００３１】
図１０に示すインナーコイル７０は、図１５に示すように、縦が１６ｍｍ、横が４ｍｍのスロットに対して、横に４本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されるとともに縦に８本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されている。図１１に示すアウターコイル８０は、図１５に示すように、横に２本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されるとともに縦に１６本の平角線（巻線Ｗ）が並べて配置されている。
【００３２】
図７（ｂ）、図１０（ｂ）に示すコイルエンド長Ｌｃｅは、図７（ｂ）、図１０（ｂ）に示すインナーコイル４０，７０における高さＡと、図８（ｂ）、図１１（ｂ）に示すアウターコイル５０，８０における高さＢとの和（＝Ａ＋Ｂ）で表される。ただし、コイルの空間絶縁距離は考慮していない。
【００３３】
図１５の場合（縦が１６ｍｍ、横が４ｍｍのスロットとした場合）、スロット内の平角線の本数は３２本であり、インナーコイル高さＡ＝４ｍｍ、アウターコイル高さＢ＝１６ｍｍとなり、コイルエンド長は、Ａ＋Ｂ＝４ｍｍ＋１６ｍｍ＝２０ｍｍとなる。
【００３４】
一方、図１４の場合（縦が８ｍｍ、横が８ｍｍのスロットとした場合）、スロット内の平角線の本数も３２本であるが、インナーコイル高さＡ＝８ｍｍ、アウターコイル高さＢ＝８ｍｍとなり、コイルエンド長は、Ａ＋Ｂ＝８ｍｍ＋８ｍｍ＝１６ｍｍとなる。
【００３５】
よって、コイルエンド長の低減効果については、長方形状のスロット３１とした場合にはコイルエンド長は２０ｍｍであったが、正方形状のスロット３０とした場合にはコイルエンド長は１６ｍｍとなり、４ｍｍだけコイルエンド長を低減することができる。
【００３６】
今、矩形のスロットにおける短辺の長さａと長辺の長さｂとしたときにスロットの面積がＳで一定という条件の下に、（ａ＋ｂ）の値が最小値となるスロット形状を求める。
ａ，ｂ，Ｓの関係として、
ａ×ｂ＝Ｓ
・・・（式１）
であるから、
ｂ＝Ｓ／ａ
・・・（式２）
が成立する。
【００３７】
一方、ｆ＝ａ＋ｂとしたとき、上記式２から、
ｆ＝ａ＋Ｓ／ａ
となる。
【００３８】
ここで、相加平均は相乗平均と等しいか大きいことから、次式を得る。
ｆ＝ａ＋Ｓ／ａ≧２√（ａ・（Ｓ／ａ））＝２√Ｓ
相加平均と相乗平均が等しくなるのは、ａ＝ｂの場合であり、矩形のスロットにおける短辺の長さａと長辺の長さｂが等しいとき、即ち、正方形状のとき、ｆ値（＝ａ＋ｂ）が最小値をとる。
【００３９】
以上のごとく、図４に示す正方形状のスロット３０と、図９に示す長方形状のスロット３１を比較した場合、いかなる長方形状の辺長さの組合せに対しても、正方形状のスロット３０の方が、コイルエンド長Ｌｃｅが小さくなる。
【００４０】
また、スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線外周長の１／２以内であるとよい。具体的には、平角線が図１３に示す場合において、平角線の長辺が２ｍｍ、短辺が１ｍｍの場合、平角線外周長が６ｍｍとなりその半分は３ｍｍとなる。よって、一辺が８ｍｍのスロットの寸法として、一辺の長さを８ｍｍ±３ｍｍとする。
【００４１】
好ましくは、スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線外周長の１／４以内であるとよい。具体的には、平角線が図１３に示す場合において、平角線の長辺が２ｍｍ、短辺が１ｍｍの場合、平角線外周長が６ｍｍとなりその１／４は１．５ｍｍとなる。よって、一辺が８ｍｍのスロットの寸法として、一辺の長さを８ｍｍ±１．５ｍｍとする。
【００４２】
より好ましくは、スロットは、正方形状の一辺の長さについて、スロットの隣り合う辺の長さの差が、平角線短辺長以内であるとよい。具体的には、平角線が図１３に示す場合において、平角線の長辺が２ｍｍ、短辺が１ｍｍの場合には、一辺が８ｍｍのスロットの寸法として、一辺の長さを８ｍｍ±１ｍｍとする。
【００４３】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態のステータ構造を備えた電動機においては、整列した複数本の巻線Ｗよりなるインナーコイル４０のコイルエンド４３，４４がステータコア２０の端面２０ａ，２０ｂから当該端面２０ａ，２０ｂに垂直な軸線方向Ｌ１に延設されている。また、整列した複数本の巻線Ｗよりなるアウターコイル５０のコイルエンド５３，５４がステータコア２０の端面２０ａ，２０ｂから軸線方向Ｌ１に直交し、かつ、インナーコイル４０のコイルエンド４３，４４を避ける方向に延設されている。このインナーコイル４０，アウターコイル５０がスロット３０に組み込まれている。これによりコイルエンドをプレス成形することがなくなる。また、コイルエンドにおいて交差するインナーコイル４０とアウターコイル５０のコイルエンド長は矩形のスロットにおける長辺と短辺との和により規定されることから正方形状のコイルスロットとすることでコイルエンド長を低減することができる。
【００４４】
また、分布巻はインナーコイルとアウターコイルがコインエンドにおいて跨いでいるのでコイルエンド長が長くなる。そして、図１５等に示すＡとＢの長さが違う場合において、コイルエンド長を短くすべく、短い方に着目して図１６に示すようにインナーコイルが通るスロットを縦に長くし、アウターコイルが通るスロットを横に長くする構成を採ったとしても体格が大きくなったり、磁気回路的によくないといった不具合が発生するので、この構成は採用できない。
【００４５】
本実施形態ではスロットを正方形状とすることにより体格が大きくなることもなく、また磁気回路的な不具合を生じることなくコイルエンド長を低減することができる。
（２）インナーコイル４０はコイルエンド４３，４４を、平角線の断面の短辺方向に曲げてステータコア２０の周方向に延設している。また、アウターコイル５０はコイルエンド５３，５４を、平角線の断面の短辺方向に曲げることによってステータコア２０の半径方向Ｌ２に曲げている。これにより、平角線コイルを用いた場合においてコイルエンド長を短くすることができる。
【００４６】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・断面が長方形の平角線を用いたが、これに限ることはなく、断面が円形の線を用いてもよい。
【００４７】
・ステータコアの構成は問わない。例えば、図４においては２４個のティースが一体形成されていたが、環状の主コアに対しその内周に複数のティースを組み付け固定して、ステータコアを構成してもよい。
【００４８】
・８極２４スロットに適用したが、極数やスロット数はこれに限るものではない。
・電動機のステータに限ることなく、他の回転電機、例えば発電機のステータに適用したり、回転電機以外にもリニアモータのステータにも適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…ステータ、２０…ステータコア、２０ａ…端面、２０ｂ…端面、３０…スロット、４０…インナーコイル、４３…コイルエンド、４４…コイルエンド、５０…アウターコイル、５３…コイルエンド、５４…コイルエンド、Ｌ１…軸方向、Ｌ２…半径方向、Ｗ…巻線。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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