(57)【要約】  【課題】  コイルの絶縁薄肉化により小型化しつつ、部分放電電荷量の低減が可能であり、なおかつ、回転子の回転に伴う回転風によるコイルエンド部のめくれを防止可能な信頼性の高い回転電機を提供する。  【解決手段】  コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、前記固定子コイルを内包するスロットコアと、前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接するように前記固定子コイルに巻きまわれる第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接して前記固定子コイルに巻きまわされる第２の絶縁紙と、を備え、前記第1の絶縁紙は前記スロットコア側に半導電層を有し、前記第２の絶縁紙は前記固定子コイル側に半導電層を有するとともに、前記第２の絶縁紙の端部が前記スロットコア開口側において露出していることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、
前記固定子コイルを内包するスロットコアと、
前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接するように前記固定子コイルに巻きまわれる第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接して前記固定子コイルに巻きまわされる第２の絶縁紙と、を備え、
前記第1の絶縁紙は前記スロットコア側に半導電層を有し、前記第２の絶縁紙は前記固定子コイル側に半導電層を有するとともに、
前記第２の絶縁紙の端部が前記スロットコア開口側において露出していることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記第２の絶縁紙の前記スロットコア開口側において露出している面の反対側の面は、前記半導電層を介して前記第１の絶縁紙に接着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に記載の回転電機であって、
前記第２の絶縁紙の前記スロットコア開口側において露出している面に対向して前記回転電機のウエッジが設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機であって、
前記固定子コイルと前記スロットコアの間において、前記第２の絶縁紙のみ配置される領域を有することを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記第２の絶縁紙の前記スロットコア開口側において露出している面の屈曲部が回転子からの回転風の風上側に配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の回転電機であって、
前記スロットコア内部に前記回転電機のウエッジが設けられていないことを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記第２の絶縁紙の前記スロットコア外部に露出している面は、前記回転電機のウエッジに対向する面および前記スロットコアに対向する面の少なくともいずれか一方であることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、
前記固定子コイルを内包するスロットコアと、
前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接する第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接する第２の絶縁紙と、を備え、
前記第1の絶縁紙は前記スロットコア側に半導電層を有し、前記第２の絶縁紙は前記固定子コイル側に半導電層を有するとともに、
前記スロットコア側に半導電層を有する前記第１の絶縁紙の端部が前記スロットコア開口側において露出し、当該露出面の屈曲部が回転子からの回転風の風上側に配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項９】
請求項８に記載の回転電機であって、
前記第１の絶縁紙の前記スロットコア開口側において露出している面に対向して前記回転電機のウエッジが設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項１０】
請求項８に記載の回転電機であって、
前記第１の絶縁紙の前記スロットコア開口側において露出している面の屈曲部が回転子からの回転風の風上側に配置されていることを特徴とする回転電機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の回転電機であって、
前記スロットコア内部に前記回転電機のウエッジが設けられていないことを特徴とする回転電機。
【請求項１２】
請求項８に記載の回転電機であって、
前記第１の絶縁紙の前記スロットコア開口側において露出している面は、前記回転電機のウエッジに対向する面および前記スロットコアに対向する面の少なくともいずれか一方であることを特徴とする回転電機。
【請求項１３】
コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、
前記固定子コイルを内包するスロットコアと、
前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接して前記固定子コイルに巻きまわれる第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接して巻きまわされる第２の絶縁紙と、を備え、
前記スロットコア側に半導電層を有する前記第１の絶縁紙および前記固定子コイル側に半導電層を有する前記第２の絶縁紙の少なくともいずれか一方の端部が前記スロットコア開口側においてに露出し、当該露出部が絶縁テープで固定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、回転電機の構造に係り、特に、固定子コイルと固定子鉄心間に半導電性材料を介在させた回転電機に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機、発電機、誘導機などの回転電機において、省資源化、低コスト化、メンテナンス簡易化などの観点から、回転電機の小型化が共通の重要課題となっている。
【０００３】
回転電機を小型化するための技術開発の1つとして、回転電機のコイルの絶縁薄肉化が有効であるが、絶縁が薄くなると電界が高くなり部分放電の発生頻度が増大、もしくは、放電電荷量も大きくなる。
【０００４】
定格電圧が数キロボルト級の高圧回転電機は、バー状の素線を複数本纏めて素固めし、素線束表層にマイカを主とする絶縁層、および半導電性の低抵抗コロナシールド層を順に巻回した型巻絶縁コイルが、半導電層を塗布した絶縁紙（スロットライナを含む）で袋巻状に包まれて、固定子鉄心のスロット内に配置される構成が主となっている。
【０００５】
この高圧回転電機では、コイル脱落防止のため、スロット開口部はウエッジ絶縁性の楔等で封止されている。また、固定子コイルと対地間における絶縁を主絶縁層が担っており、固定子コイルから固定子鉄心間を嵌着している。
【０００６】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「コイル、スロットコア、主絶縁層、半導電層を塗布した絶縁紙２枚で構成される回転電機において、上記コイル表面に主絶縁を設け、主絶縁表面において半導電層を塗布した２枚の絶縁紙を重ねて巻き、２枚の絶縁紙の一部に非接着領域を設けた回転電機」が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には「コイル絶縁層内および低抵抗コロナ防止層とコイル絶縁層との界面および低抵抗コロナ防止層内に含浸樹脂が十分に含浸されて剥離やボイドの少ない回転電機の固定子コイル」が開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には「入力点からの線距離が比較的短い導線部分が含まれるスロットの径方向外側寄りのスロット内壁面と導線との間に絶縁材を設ける一方、入力点からの線距離が比較的長い導線部分が含まれる径方向内側寄りには絶縁材欠如部を設ける回転電機のステータ」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−７６９０６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１０４５０号公報
【特許文献３】特開２０１２−９５４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、使用電圧が高い回転電機において絶縁層を薄肉化すると、耐電圧試験後の部分放電電荷量が過大となる傾向が顕著に見られる。この場合、製造コストおよび納期に大きな影響を及ぼしてしまう。
【００１１】
従って、主絶縁の薄肉化を可能としながら部分放電電荷量を小さくする必要がある。上記を満たしながら、他の冷却構造などの機能を阻害することなく、回転電機として正常に運用する絶縁構造が必要となる。
【００１２】
また、従来の回転電機は、主絶縁の周りに半導電層を塗布した絶縁紙を１重にして巻く場合がほとんどである。後述するが、この絶縁紙を２重に巻き、固定子コイルとコアの間に安定した半導電層による導電路を設けることにより部分放電電荷量が低減されることが判明している。
【００１３】
上記特許文献１は、鉄鋼用電動機に特化した絶縁紙の巻回構造であり、コイルエンドにウエッジ(楔)が存在することを想定したものである。この構造をコイルエンドにウエッジが無い回転電機に適用すると、回転子の回転風によりコイルエンド部の最外層の絶縁紙がめくれて、固定子以外の部分に接触し不良を起こす可能性がある。
【００１４】
また、上記特許文献２は、半導電性の粘弾性樹脂を含浸した低抵抗コロナ防止層を備えることで、部分放電電荷量を抑制しつつ、コイル絶縁層の剥離を防止するものであるが、上述したようなコイルの絶縁薄肉化に伴う他の冷却構造などとの関係については触れられていない。
【００１５】
また、上記特許文献３は、絶縁紙に使用量を減らしつつ、スロット内での導線とコアとの間の部分放電を抑制するものであるが、特許文献２と同様に、コイルの絶縁薄肉化に伴う他の冷却構造などとの関係についての記載はない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、コイルの絶縁薄肉化により小型化しつつ、部分放電電荷量の低減が可能であり、なおかつ、回転子の回転に伴う回転風によるコイルエンド部のめくれを防止可能な信頼性の高い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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明は、コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、前記固定子コイルを内包するスロットコアと、前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接するように前記固定子コイルに巻きまわれる第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接して前記固定子コイルに巻きまわされる第２の絶縁紙と、を備え、前記第1の絶縁紙は前記スロットコア側に半導電層を有し、前記第２の絶縁紙は前記固定子コイル側に半導電層を有するとともに、前記第２の絶縁紙の端部が前記スロットコア開口側において露出していることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、前記固定子コイルを内包するスロットコアと、前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接する第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接する第２の絶縁紙と、を備え、前記第1の絶縁紙は前記スロットコア側に半導電層を有し、前記第２の絶縁紙は前記固定子コイル側に半導電層を有するとともに、前記スロットコア側に半導電層を有する前記第１の絶縁紙の端部が前記スロットコア開口側において露出し、当該露出面の屈曲部が回転子からの回転風の風上側に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、コイル導体および前記コイル導体の表面を覆う主絶縁層からなる固定子コイルと、前記固定子コイルを内包するスロットコアと、前記固定子コイルと前記スロットコアの間に配置され、前記スロットコアに接して前記固定子コイルに巻きまわれる第１の絶縁紙および前記主絶縁層に接して巻きまわされる第２の絶縁紙と、を備え、前記スロットコア側に半導電層を有する前記第１の絶縁紙および前記固定子コイル側に半導電層を有する前記第２の絶縁紙の少なくともいずれか一方の端部が前記スロットコア開口側においてに露出し、当該露出部が絶縁テープで固定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、主絶縁の厚みを薄肉化しながら電圧試験後の部分放電電荷量の増大を抑えることが可能となる。かつ、回転電機の種類によるウエッジ構造に依存せずに、絶縁紙のめくれをなくし回転電機を正常に運転することができる。
【００２１】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】高電圧で運転される回転電機の固定子を示す全体斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る回転電機の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。（実施例１）
【図３】本発明の一実施形態に係る回転電機の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。（実施例２）
【図４】本発明の一実施形態に係る回転電機の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。（実施例３）
【図５】本発明の一実施形態に係る回転電機の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。（実施例４）
【図６】本発明の一実施形態に係る回転電機の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。（実施例５）
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００２４】
図１および図２を参照して、実施例１の回転電機について説明する。図１は回転電機の固定子４１を示す全体斜視図であり、全実施例において共通している。また、図２は本実施例の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。
【００２５】
回転電機の固定子４１は、通常、回転軸（図示せず）に支持された固定子鉄心４２と、この固定子鉄心４２に装着された固定子巻線（図示せず）とで構成される。
【００２６】
固定子鉄心４２は複数の電磁薄鋼板を軸方向に積層して構成され、この固定子鉄心４２の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成されたスロット４と、これら複数のスロット４内に装着された固定子コイル１と、固定子鉄心４２の外径側を支持する固定子枠８と、この固定子枠８の軸方向両端部に固定される図示しない端板と、この端板に回転軸を支える図示しない軸受とから概略構成される。
【００２７】
固定子コイル１は、コイル導体１１とこのコイル導体１１の表面を覆うように形成された主絶縁層２から成り、また、固定子コイル１は、固定子鉄心４２のスロット４内に装着される直線部７Ａと、スロット４外に張出したコイルエンド部１２（図示せず）とから構成されている。
【００２８】
スロット４内に固定子コイル１の直線部７Ａを装着する際、上下方向に隣接する固定子コイル１間に絶縁材（中層間とも言う、図示せず）を介在させ、更に、上下方向に隣接した固定子コイル１を一纏めにして絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）および絶縁紙３Ｂ（第２の絶縁紙）で覆った状態で装着し、スロット４の開口側にウエッジ（楔）６を嵌着して固定子コイル１をスロット４内に強固に支持している。絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）は表面に半導電層５が塗布された後にスロット４側に配置され、絶縁紙３Ｂ（第２の絶縁紙）は表面に半導電層５が塗布された後に固定子コイル１側に配置されている。
【００２９】
固定子コイル１のスロット４内に装着される直線部７Ａの主絶縁層２の外周には、固定子鉄心４２と固定子コイル１間を略同電位としてスロット４内部での放電を防止するために、半導電性の低抵抗コロナシールド層１４（図示せず）が被覆され、低抵抗コロナシールド層１４と同等以下の抵抗を有する半導電性の（半導電層を塗布した）絶縁紙３Ａ，３Ｂ、および固定子鉄心４２と電気的に接触させている。
【００３０】
また、固定子コイル１のコイルエンド部１２においては、低抵抗コロナシールド層１４（図示せず）のスロット４外に張出した端部での電界集中によって沿面放電が発生し、これによって低抵抗コロナシールド層１４や主絶縁層２を劣化させる恐れがあるため、低抵抗コロナシールド層１４の端部を覆って、固定子鉄心４２から離れる方向に高抵抗コロナシールド層１４（図示せず）を被覆する場合もある。
【００３１】
上述のように固定子コイル１を構成することで、スロット４内においては、主絶縁層２と低抵抗コロナシールド層１４及び（半導電層を塗布した）絶縁紙３Ａ，３Ｂが、各々ほぼ全域に亘って密着して装着されている。
【００３２】
ここで、近年、回転電機製造各社は回転電機を小型化するために主絶縁（層）２を薄肉化することに注力しているが、薄肉化により、固定子コイル１およびスロット４の間の電界が高くなり、主絶縁（層）２の内部のボイドや剥離部、絶縁紙３Ａ，３Ｂ間などにおいて部分放電が発生しやすくなる。
【００３３】
特に、局所的に発生した大きな空隙において部分放電が大きくなる傾向にあり、耐電圧試験のように高電圧を印加した場合、部分放電特性が極端に悪化することがある。
【００３４】
固定子コイル１とスロットコア４の間の絶縁紙を介在した領域は、従来、表面を半導電層とした絶縁紙を１重に巻いているが、固定子コイル１表面とスロットコア４の間には電位差が生じる可能性がある。
【００３５】
そこで、本実施例の回転電機においては、図２に示すように、２枚の絶縁紙３Ａ，３Ｂを重ねて巻き、絶縁紙３の端部はウエッジ６側とし、異なる絶縁紙３Ａ，３Ｂをウエッジ６側で交互に重ねている。半導電層５は離型性が無いため半導電層５同士はワニスが含浸されることにより接着し電気的に導通する。
【００３６】
つまり、図２の構造では、ウエッジ６の下部（内側）において２枚の絶縁紙３Ａ，３Ｂが半導電層５を介して積極的に導通される構造となっており、固定子コイル１の表面からスロットコア４に至るまで連続かつ安定した導電路を確保することが可能となる。
【００３７】
これにより、固定子コイル１とスロットコア４を安定して同電位とすることができるため、当該部位において部分放電が発生しなくなる。
【００３８】
但し、コイルエンド部１２において回転子の回転に伴い発生する（回転子からの）回転風によって絶縁紙３Ｂがめくれないようにする必要がある。そのため、ウエッジ６の下部（内側）における最外層の絶縁紙３Ｂ（第２の絶縁紙）は、図２に示すようにその内側にある絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）と接着されている。
【００３９】
以上により、絶縁薄肉化を可能としながら部分放電電荷量を小さくし、かつ回転風による絶縁紙のめくれを防止できる回転電機を提供することが可能となる。
【実施例２】
【００４０】
図３を参照して、実施例２の回転電機について説明する。図３は本実施例の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。
【００４１】
実施例１（図２）の固定子コイルでは、絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙），３Ｂ（第２の絶縁紙）がウエッジ６側で重ね合わせられ、半導電層５を介して互いに接着されているのに対し、本実施例では、図３に示すように、ウエッジ６の下部（内側）の絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）がその最も近い内側にある絶縁紙３Ｂ（第２の絶縁紙）と接着されていない点において異なっている。
【００４２】
本実施例は、片回転の回転電機である場合のみに以下の構造とするもので、回転子からの回転風が吹いてくる方向に対して、最外層の絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）の折り目（屈曲部）を当てることにより（風上側に配置することにより）、絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）がめくれるのを防止することが可能となる。
【００４３】
また、本実施例のその他の利点としては、２枚の絶縁紙３Ａ,３Ｂの長さを変更する必要が無く、生産工程において絶縁紙３をカットする工程が不要となる点が挙げられる。
【００４４】
これにより、実施例１と比べ、より製造面で簡易的に絶縁の薄肉化を可能としながら部分放電電荷量を小さくし、かつ回転風による絶縁紙のめくれを防止できる回転電機を提供することが可能となる。
【実施例３】
【００４５】
図４を参照して、実施例３の回転電機について説明する。図４は本実施例の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。
【００４６】
本実施例の固定子コイルは、図４に示すように、スロット４の片方の側面側（左側）において、絶縁紙３を１枚（１重）のみとしている点において、実施例１（図２）の固定子コイルとは異なっている。
【００４７】
図４に示す本実施例の構造では、固定子コイル１とスロットコア４の間を半導電層５を介して導通する構造としながら、固定子コイル１の挿入代が少ない場合に絶縁紙１枚分のスペースを無くすことが出来るので、スロットコア４への固定子コイル１の挿入が容易になる。
【実施例４】
【００４８】
図５を参照して、実施例４の回転電機について説明する。図５は本実施例の固定子コイルの一部を示す縦断面図である。
【００４９】
本実施例の固定子コイルは、図５に示すように、スロットコア４内部においてウエッジ６を設けていない点（ウエッジレス）で、実施例１（図２）の固定子コイルとは異なっている。
【００５０】
近年、低コスト化のために、スロット４内部においてもウエッジ６を部分的もしくは大部分において無くした回転電機が製造されることがある。
【００５１】
この場合は、実施例１（図２）と同様に、最外層の絶縁紙３Ｂ（第２の絶縁紙）を、図２に示すようにその内側にある絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）と半導電層５を介して接着することで、コイルエンド部１２において回転子の回転に伴い発生する（回転子からの）回転風による絶縁紙３Ｂのめくれを防止することができる。
【００５２】
若しくは、実施例２（図３）のように回転子からの回転風が吹いてくる方向に対して、最外層の絶縁紙３Ｂの折り目（屈曲部）を当てることにより（風上側に配置することにより）、絶縁紙３Ｂがめくれるのを防止することができる。
【実施例５】
【００５３】
図６を参照して、実施例５の回転電機について説明する。図６は本実施例の固定子コイルの一部を示す縦断面図であり、図１のＡ−Ａ’部断面に相当する。
【００５４】
本実施例の固定子コイルでは、図６に示すように、コイルエンド部１２での回転子からの回転風による絶縁紙３Ａ，３Ｂのめくれ防止のため、コイルエンド部１２における２枚の絶縁紙３Ａ，３Ｂの端部において絶縁紙３Ａ，３Ｂがめくれないように絶縁テープ３１で固定している。
【００５５】
これにより、コイルエンド部１２において回転子の回転に伴い発生する（回転子からの）回転風による絶縁紙３Ａ，３Ｂのめくれを防止することができる。なお、絶縁テープによる固定は、コイルエンド部１２における絶縁紙３Ａ，３Ｂの折り目（屈曲部）や端部の配置位置に応じて、絶縁紙３Ａおよび３Ｂの少なくともいずれか一方であってもよい。
【００５６】
なお、以上の各実施例においては、絶縁紙３Ａ（第１の絶縁紙）或いは絶縁紙３Ｂ（第２の絶縁紙）のスロットコア４の外部に露出している面は、回転電機のウエッジ６に対向する面（或いは、回転電機の回転子の周方向の面）である例を示したが、スロットコア４に対向する面（回転電機の回転子の回転軸方向の面）がスロットコア４の外部に露出する構成としてもよい。
【００５７】
また、回転電機として一般産業用電動機の例を想定して説明したが、本発明はこれに限らず、タービン発電機やガスタービン発電機、新エネルギー対応発電機などの発電機、鉄道用電動機、油田用電動機、誘導機などにも適用できるのは勿論である。
【００５８】
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやす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に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】
【００５９】
１…固定子コイル、２…主絶縁（層）、３Ａ…絶縁紙（第１の絶縁紙）、３Ｂ…絶縁紙（第２の絶縁紙）、４…スロット（スロットコア）、５…半導電層、６，１３…ウエッジ（楔）、７Ａ…直線部、７Ｂ…曲線部、８…固定子枠、１１…コイル導体、１２…コイルエンド部、１４…低抵抗コロナシールド層、１５…高抵抗コロナシールド層、３１…絶縁テープ、４１…固定子、４２…固定子鉄心。
【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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