(57)【要約】【課題】高出力で効率のよい、回転機を提案することを目的とした。【解決手段】内側円筒部２ｂ、３ｂから外側円筒部２ｃ、３ｃへ延びる側面部２ｄ、３ｄは、図１及び図６に示す如く、外周側に延びるにつれて軸方向に拡がる形状をしており、内側円筒部２ｂ、３ｂと外側円筒部２ｃ、３ｃとで形成され、軸方向に拡がる空間が確保されることになる。そして、この空間内に、固定子１が収納されることになる。また、回転界磁鉄心２、３のボス部２ａ、３ａとを当接させて組み付けた状態においては、外側円筒部２ｃ、３ｃの先端間には、隙間が形成され、この隙間間を通して固定子１の固定用ステー１ｄが配置される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を具備した固定子と、
前記固定子の一端面側に空隙を介して対向する第１磁極部と、前記固定子の他端面側に空隙を介して対向する第２磁極部とを有する回転子と、
これら回転子の第１、第２磁極部に磁束を供給するための界磁手段とを備えたことを特徴とする両面空隙型回転電機。
【請求項２】
前記回転子は、シャフトに固定されたボス部と、このボス部から延び、該ボス部の外周と空間を介して設けられた円筒状の第１磁極部と、この第１磁極部の外周と空間を介して設けられた円筒状の第２磁極部からなり、
前記界磁手段は、前記ボス部と第１磁極部との間の空間に収納された界磁巻線であり、かつ
前記固定子は、前記第１磁極部と第２磁極部との間に設けられたことを特徴とする請求項１記載の両面空隙型回転電機。
【請求項３】
前記回転子は、シャフト軸方向中央部にて略２分割された一対の界磁鉄心であり、それぞれの界磁鉄心には、互いに軸方向に隙間を介して対向する第１磁極部をなす内周円筒部と、第２磁極部をなす外周円筒部が形成されており、断面略Ｕ字形状鉄心をしていることを特徴とする請求項２記載の両面空隙型回転電機。
【請求項４】
前記回転子の第１磁極部の外周及び第２磁極部の内周には、それぞれ周方向に磁石が略等間隔に配置されていることを特徴とする請求項２もしくは３に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項５】
前記回転子の第１磁極部と第２磁極部とを連結する断面略Ｕ字形状底部であって、前記磁石を配置されている側面は冷却風を通気できることを特徴とする請求項４に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項６】
前記固定子は、積層された積層鉄板よりなる電機子鉄心を有し、複数の外周側ティース部および内周側ティース部と、これら１対の外周側ティース部および内周側ティース部間を連結する複数の連結部とから構成され、かつ
前記電機子巻線は、前記連結部に巻装されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の両面空隙型回転電機。
【請求項７】
前記電機子巻線は前記電機子鉄心の周方向継鉄部に巻装されたトロイダル巻線であり、さらに１ピッチごとに巻方向が異なるか又は結線を入れ替えてなることを特徴とする請求項６に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項８】
前記電機子巻線は前記電機子鉄心のティース部に巻装されたトロイダル巻線であり内径側と外径側に巻方向が異なることを特徴とする請求項６に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項９】
前記回転子を軸支承する１対のフレームを有し、
前記電機子鉄心の一部には、前記電機子鉄心の略中央部から外周側に延びるステーを有し、このステ−の先端部は末広形状であり、かつ該先端部は前記１対のフレームに挟持固定されていることを特徴とする請求項６に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項１０】
前記回転子を支持するシャフトと、エンジン、トランスミッション又は車軸に連結された軸との間に変速機構を設けていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の両面空隙型回転電機。
【請求項１１】
前記変速機構は遊星歯車減速機構であり、かつエンジンの潤滑油により減速機構のギア部の潤滑を図ることを特徴とする請求項１０に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項１２】
前記回転子の第１、第２磁極部への磁石配設範囲は磁性鋼板による積層構造であることを特徴とする請求項４記載の両面空隙型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期回転機一般に適用されるものであるが、特に、車両用交流発電電動機に適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用としては小型軽量高出力が望まれるので、これまでその性能を支配する界磁束量を増やすさまざまな方法が提案されている。小型高磁束の代表的従来技術としては、シャフトに嵌号装着されたボス部とディスク部とこのディスク部の外周側の爪状磁極部からなるいわゆるランデル型の回転子が普及している。これは界磁巻線が集中単純巻回されて、各種磁気回路に並列印可されるために極当たりの励磁アンペアターンが大きく設定できる特徴があり、高出力が図れるという唯一無比の特徴がある。
【０００３】
ところが、高電力が発生する電機子コイルの冷却性を考慮して、電機子の内径が回転子の発生する磁束を鎖交するために周速が小さく、発電機の体格である固定子外径に対して出力が小さいという欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述の問題点を同時解決すべく高出力で効率のよい、回転機を提案しようとするものである。また、効率の良い同期機を基本として、界磁調整の可能な永久磁石式で、また固定子巻線の冷却性を高めた抵抗の低い構造への工夫を果たすことを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題に対して本発明は次のように解決を図るものである。
【０００６】
請求項１に示す構成のように、電機子巻線を具備した固定子と、前記固定子の一端側に空隙を介して対向する第１磁極部と、前記固定子の他端側に空隙を介して対向する第２磁極部とを有する回転子と、これら回転子の第１、第２磁極部に磁束を供給するための界磁手段とを備えたことを特徴とする。これにより、電機子巻線を具備した固定子の一端側および他端側の二面を利用することにより、固定子を通過する磁束量を増大できて、固定子の最外径を空隙としたことより回転による周速が大幅に増大して高出力化が可能となる。
【０００７】
請求項２に示す構成では、前記回転子は、シャフトに固定されたボス部と、このボス部から延び、該ボス部の外周と空間を介して設けられた円筒状の第１磁極部と、この第１磁極部の外周と空間を介して設けられた円筒状の第２磁極部からなり、前記界磁手段は、前記ボス部と第１磁極部との間の空間に収納された界磁巻線であり、かつ前記固定子は、前記第１磁極部と第２磁極部との間に設けられたことを特徴とする。これにより、界磁巻線は、小径で巻回するので抵抗の割に多くの巻数がかせげ、励磁力が高くでき、さらに固定子は小型におさまり、磁気損失も少ない。よって、界磁巻線の高励磁力の特長と相加わる高性能化小型化が達成できる。
【０００８】
請求項３に示す構成では、前記回転子は、シャフト軸方向中央部にて略２分割された一対の界磁鉄心であり、それぞれの界磁鉄心には、互いに軸方向に隙間を介して対向する第１磁極部をなす内周円筒部と、第２磁極部をなす外周円筒部が形成されており、断面略Ｕ字形状鉄心をしていることを特徴とする。これにより、電機子の中心付近にて２分割された回転子はＵ字状する事により電機子の内外径を励磁する事ができる。又内外径共に空隙部は、ランデル型の爪状とは異なり、略円筒状のために遠心力に対する強度も強い。
【０００９】
請求項４に示す構成では、前記回転子の第１磁極部の外周及び第２磁極部の内周には、それぞれ周方向に磁石が略等間隔に配置されていることを特徴とする。これにより、出力に必要な界磁について永久磁石を用いているために軸方向厚さも含めてコンパクトで済み、効率もよい。
【００１０】
請求項５に示す構成では、前記回転子の第１磁極部と第２磁極部とを連結する断面略Ｕ字形状底部であって、前記磁石を配置されている側面は冷却風を通気できることを特徴とする。これにより、この部分を窓部として回転する事により、冷却風が発生して電機子コイルを間近で冷却する事ができる。
【００１１】
請求項６に示す構成では、前記固定子は、積層された積層鉄板よりなる電機子鉄心を有し、複数の外周側ティース部および内周側ティース部と、これら１対の外周側ティース部および内周側ティース部間を連結する複数の連結部とから構成され、かつ前記電機子巻線は、前記連結部に巻装されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項７に示す構成では、前記電機子巻線は前記電機子鉄心の周方向継鉄部に巻装されたトロイダル巻線であり、さらに１ピッチごとに巻方向が異なるか又は結線を入れ替えてなることを特徴とする。これにより、巻線のコイルエンドを最小寸法にできるので、低抵抗の巻線が可能となる。この場合磁束の方向により１ピッチごとに巻方向を逆に結線または連続的巻線する。
【００１３】
請求項８に示す構成では、前記電機子巻線は前記電機子鉄心のティース部に巻装されたトロイダル巻線であり内径側と外径側に巻方向が異なることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に示す構成では、前記回転子を軸支承する１対のフレームを有し、前記電機子鉄心の一部には、前記電機子鉄心の略中央部から外周側に延びるステーを有し、このステ−の先端部は末広形状であり、かつ該先端部は前記１対のフレームに挟持固定されていることを特徴とする。これにより、固定子の固定用ステーを中央に配置する事により、回転子からの吸引・反発力に対してもバランスがよく、ステー先端を末広状にすることにより、フレームとの接触面積も増し精度良く組付けが可能となる。
【００１５】
請求項１０に示す構成では、前記回転子を支持するシャフトと、エンジン、トランスミッション又は車軸に連結された軸との間に変速機構を設けていることを特徴とする。これにより、変速機にて増速することが可能であり、出力の著しい増加が計れるという効果がある。
【００１６】
請求項１１に示す構成では、前記変速機構は遊星歯車減速機構であり、かつエンジンの潤滑油により減速機構のギア部の潤滑を図ることを特徴とする。これにより、エンジンの潤滑油によりギア部の潤滑が可能となり、増速により発電機が更に高出力化が可能となる。
【００１７】
請求項１２に示す構成では、前記回転子の第１、第２磁極部への磁石配設範囲は磁性鋼板による積層構造であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
第１の実施例について図１ないし図６を参照してその構成を説明する。
【００１９】
まず、固定子１は、図１および図２に示すように、ドライブフレーム１３及びリアフレーム１４に挟持固定されている。この固定子１は、軸方向に積層された積層鉄板よりなり、複数の外周側ティース部１ａおよび内周側ティース部１ｃと、これら１対の外周側ティース部１ａおよび内周側ティース部１ｃ間を連結する複数の連結部１ｂ（コアバック）とを有している。
【００２０】
また、固定子１の外周側でかつ軸方向の中央には、ドライブフレーム１３及びリアフレーム１４に挟持される固定用ステー１ｄが取り付けられている。この固定用ステ−１ｄの数は、ティース部の数２に対して１の割合で設けられている。該鉄心には電機子巻線１ｆが巻装されている。
【００２１】
さらに、固定子１の軸方向の中央には、内周側に延びる界磁巻線１０が巻装されたボビン１２を固定するための支持部（図示せず）が設けられている。そして、界磁巻線１０が巻装されたボビン１２は、リベット１１かしめ及び溶接、圧入等で上記支持部に固定されて固定子１に吊り下げた状態になっている。
【００２２】
また、電機子巻線１ｆは、固定子１の連結部１ｂ（コアバック）の外周にトロイダル巻線により、順次３相巻装されている（図２、３及び７参照）。そして、電機子巻線１ｆの端末線ならびに界磁巻線１０の端末線が、それぞれフレーム１３もしくは１４の外部に取り出されている。
【００２３】
次に、固定子１の外周側ティース部１ａおよび内周側ティース部１ｃの内外径の二面には、その外径側の空隙面７と内径側の空隙面６を介して回転界磁鉄心２、３に支持された外径側の磁極群と、内径側磁極群とが対向配置されている。これら回転界磁鉄心２、３は、シャフト８上に設けられるボス部２ａ、３ａと、これらボス部２ａ、３ａの端部から延び、これらボス部２ａ、３ａと空間を介して設けられた内側円筒部２ｂ、３ｂと、さらにこれら内側円筒部２ｂ、３ｂの端部から延び、これら内側円筒部２ｂ、３ｂと空間を介して設けられた外側円筒部２ｃ、３ｃとから構成される。
【００２４】
そして、ボス部２ａ、３ａと空間を介して設けられた内側円筒部２ｂ、３ｂとの間には、上述した界磁巻線１０が巻装されたボビン１２が非接触の状態で収納される。また、回転界磁鉄心２、３のボス部２ａ、３ａとを当接させて組み付けた状態においては、内側円筒部２ｂ、３ｂの先端間には、隙間が形成され、この隙間間に上記支持部が配置される。
【００２５】
また、内側円筒部２ｂ、３ｂから外側円筒部２ｃ、３ｃへ延びる側面部２ｄ、３ｄは、図１及び図６に示す如く、外周側に延びるにつれて軸方向に拡がる形状をしており、内側円筒部２ｂ、３ｂと外側円筒部２ｃ、３ｃとで形成され、軸方向に拡がる空間が確保されることになる。そして、この空間内に、固定子１が収納されることになる。また、回転界磁鉄心２、３のボス部２ａ、３ａとを当接させて組み付けた状態においては、外側円筒部２ｃ、３ｃの先端間には、隙間が形成され、この隙間間を通して固定子１の固定用ステー１ｄが配置される。
【００２６】
さらに、回転界磁鉄心２、３のボス部２ａ、３ａには、端面側から延びる孔２ｅ、３ｅが１８０度対向する位置に２箇所、それぞれ形成されている。
【００２７】
また、回転界磁鉄心２、３の内側円筒部２ｂ、３ｂの外周には、周方向に等間隔に６個の凹部が形成され、この凹部内に第１の磁石４が固定されている。また、回転界磁鉄心２、３の外側円筒部２ｃ、３ｃの内周には、周方向に等間隔に６個の凹部が形成され、この凹部内に第２の磁石５が固定されており、これら第１、第２の磁石４、５が互いに対向する位置に設けられている。
【００２８】
なお、図１および図３に示すように、回転子３の界磁巻線による極性はＮ極である。設置する第１および第２の磁石４，５は、電機子空隙に向かう磁極を同一としてＳ極とし界磁巻線による反対の磁極とする。この時、反対側の回転子２は界磁巻線による極性はＳ極であり、同一軸上の極性を同じにするため、本図の場合３０゜回転方向にずらして、磁石によるＮ極となるように組み付けする。このように軸上に界磁巻線による磁極と同一極性の磁石を内外径に配置することにより高出力が得られる。出力が少ないときは磁石のみで発電して、出力不用の場合は、界磁電流を逆に通電して磁石と同じ極性にすれば出力をなくすこともできる（図７参照）。
【００２９】
回転子の磁石を配置した部分、つまりＵ字形状部は、磁石の磁路ではないので削除できる、図６のように略Ｖ字型に削除すると、Ｕ字形状部の凹凸により回転すると冷却風が発生して間近の電機子コイルを効率よく冷却できる。回転子内に配置した電機子の出力線は、両回転子の隙間（電機子固定用ステー）より外部に接続される。但し、他の冷却方法を使用する場合には略Ｖ時型削除はなくてもよい。
【００３０】
そして、界磁巻線１０による磁束は、ボス部より電機子の内径及び回転子のＵ字形状を通り電機子外径より電機子鉄心に流れて、対向する回転子に向かいボス部に帰る磁路となる。
【００３１】
次に、図１において、エンジン又はトランスミッション３０等に上述の回転電機の直結搭載を想定した図である。トランスミッション３０に連結されたシャフト２０は、ドライブフレーム１３のベアリング２１に支承されている。また、シャフト２０の端部には、遊星歯車減速機構の一部をなす遊星歯車２２が、回転自在に設けられ、かつ、この遊星歯車２２と係合するインターネルギア２３が、ドライブフレーム１３内に収納されている。さらに、遊星歯車２２と係合するサンギア８ａが、シャフト８の先端側に形成されている。
【００３２】
この発電機シャフト８は、一端側が、シャフト２０の内周側に軸受を介して、他端側が、リアフレーム１４に設けられた軸受１５によって、回転自在に支持されている。
【００３３】
そして、変速部のシャフト２０に外部より回転力が伝達されるとピニオンギア２２とインターナルギア２３及び発電機シャフト８先端のサンギア８ａ比により増速され、発電機シャフト８に伝達される。増速されたシャフト８は、回転子２、３を回転させ、回転による磁束変動が発生して電機子巻線１ｆに起電力が発生する。
【００３４】
この時、エンジン内の潤滑油を注入孔１３ａより注入して、ギア類を潤滑してベアリング２１の隙間よりエンジン内にもどる。注入した油が発電機内に浸入しないように、インターナルギア２３の外周側および内周側にオイルシール２４、０リング２６等でシールしている。
【００３５】
次に、本発明の回転電機を、発電機として利用した場合についての回路図を図８に示す。
【００３６】
電機子巻線１ｆからの３相出力を、整流器３１を介してバッテリ３２に供給するようにしている。また、整流器３１の出力に接続された界磁巻線１０に流れる電流を制御するために、スイッチング素子３３が設けられている。
【００３７】
図７は、発電機の特性図を示すものであり、１３．５Ｖを一定として、界磁巻線１０に流す電流をデューティ制御した時の、回転数に対する出力特性を表している。この特性図から明らかな如く、デューティ０（Ｉｆ＝ｄｕｔｙ０％）としたとき、つまり、界磁電流を流さない状況においても、回転子に設けた磁石４，５により、ある程度の出力を得ることができる。
【００３８】
また、この出力を必要としない場合には、界磁巻線１０に流す電流を逆方向として、そのデューティを１０％とすることで、出力を抑制し、さらに２０％とすることで、出力の発生を抑えることができる。
【００３９】
なお、電機子巻線１０に流す電流を逆方向とすることを、Ｉｆ＝ｄｕｔｙ−　％と表している。
【００４０】
［その他の実施形態］
図６に示すごとく、電機子巻線１ｆを固定子１の外周側ティース部１ａおよび内周側ティース部１ｃの外周に直接巻装するようにしてもよい。
【００４１】
上述の実施例ではエンジン直結型でプラネタリー増速機構付きとしたが、一般的なプーリ駆動型又はエンジン内蔵型としても良い。
【００４２】
また、前記実施例では電機子鉄心に界磁巻線を吊り下げ型ブラシレスとしたが、界磁巻線の外部励磁用ブラシとスリップリングを設定しても良い。
【００４３】
また、回転子の磁石収納部を含む第１磁極部と第２磁極部は、それぞれ積層板で構成してもよい。
【００４４】
また、前記実施例では発電機の適用を示したが、整流回路を双方向のインバータとした発電電動機としてもよい。電機子巻線は断面が略矩形状の平角導線としても、丸線としてもよい。トロイダル巻きでなくとも分布巻き又は襷かけ巻としてもよい。
【００４５】
内径、外径に１磁極一相あたり複数スロットとして、複数の三相回路を形成して第三高調波にもとづく騒音を低減するようにしてもよい。
【００４６】
すなわち、以上のように、電機子巻線や電機子鉄心は適宜その設計の狙い重視点によって変更、工夫できるものである。
【００４７】
上述した構成により、電機子巻線とそれを具備した電機子鉄心なる固定子の内外径の二面にそれぞれ空隙を設けて、周方向に磁石及び界磁巻線によりＮ、Ｓ極を交互に配置した回転子の構成にすることにより、前記固定子を通過する磁束量を増大できて、固定子の最外径を空隙としたことより回転による周速が大幅に増大して高出力化が可能となる。
【００４８】
又、固定子の固定用ステーを中央に配置する事により、回転子からの吸引・反発力に対してもバランスがよく、ステー先端を末広状にすることにより、フレームとの接触面積も増し精度良く組付けが可能となる。
【００４９】
この構成により、固定子の両面を空隙面としていることで鉄心も電機子巻線も軸方向寸法が短縮し、また出力に必要な界磁のうちの半分について永久磁石を用いているために軸方向厚さ含めてコンパクトで済み、効率もよい。また一つの電機子巻線鎖交磁束通路に永久磁石磁束と電磁石磁束とを作用できるようにしているので、一方の前記界磁巻線の起磁力を調整することで、前記電機子巻線磁束鎖交量の和が制御できることとなる。すなわちインバータにより電機子巻線の電流を流して弱め界磁制御をするなどの複雑な制御を行なうこともなく簡単に発電量の可変が可能となる。
【００５０】
また中心付近で軸方向に２分割された回転子により、電機子の軸方向中心の外径側に電機子を固定用ステーと内径側に界磁巻線を固定できる構造が成立する。
【００５１】
また、中心付近で２分割した回転子は磁石による磁極と界磁巻線による磁極を交互に配置することにより大きな起磁力を前記電機子鉄心内外径側の磁極群に同時に印加することができる。従って従来内径側のみ磁束を鎖交させていたのが、電機子の内外径を使用するため、磁束が増大すると共に大きな周速を得ることが出来きるため全体としての性能向上効果を大きくすることができ、同一定格性能の要求に対してより小型化が達成できることとなる。
【００５２】
さらに、電機子の中心付近にて２分割された回転子はＵ字状する事により電機子の内外径を励磁する事ができる。又内外径共に空隙部は、ランデル型の爪状とは異なり、略円筒状のために遠心力に対する強度も強い。
【００５３】
また、Ｕ字状回転子の磁石を配置した部分は、界磁巻線による磁路は必要ないので磁路部を削除できる、この部分を窓部として回転する事により、冷却風が発生して電機子コイルを間近で冷却する事ができる。
【００５４】
また、内外径より励磁した磁束は電機子鉄心のコアバックを通過するので電機子巻線はコアバックにトロイダル巻線する。この巻線の場合、巻線のコイルエンドを最小寸法にできるので、低抵抗の巻線が可能となる。この場合磁束の方向により１ピッチごとに巻方向を逆に結線または連続的巻線する。
【００５５】
さらに、電機子鉄心はフレームに精度良くまた強く固定する必要がある。そのためにフレームに接する部分を大きく末広型とすれば大きな面積となり精度良く組み付けが可能となる。
【００５６】
また、回転子が略円筒状のため遠心力に対する抗力が増加し、変速機にて増速することが可能であり、またこうすることで出力の著しい増加が計れるという構造上合理に作用効果がある。
【００５７】
発電機に軸上にプラネタリー増速機構を搭載すると、エンジンの潤滑油によりギア部の潤滑が可能となり、増速により発電機が更に高出力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となる第一実施例の断面図である。
【図２】本発明の固定子の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】本発明の固定子と回転子の一部を拡大して示す一部断面図である。
【図４】本発明の回転子を示す斜視図である。
【図５】本発明の回転子を示す斜視図である。
【図６】本発明の他の固定子と回転子の一部を拡大して示す一部断面図である。
【図７】本発明を発電機に適用した場合の出力特性図である。
【図８】本発明を発電機に適用した場合の回路図である。
【符号の説明】
１…固定子
１ａ…外径側ティース部
１ｂ…連結部
１ｃ…内径側ティース部
１ｄ…固定用ステー
１ｆ…電機子巻線
２、３…回転子
２ａ、３ａ…ボス部
２ｂ、３ｂ…内側円筒部
２ｃ、３ｃ…外側円筒部
４…内径側磁石、
５…外径側磁石
６…内径空隙面、
８…回転機シャフト
９…ピン
１０…界磁巻線
１１…界磁巻線用ボビン
１２…リベット
１３…ドライブフレーム
１４…リアフレーム
１５…リア側ベアリング
１６…サークリップ
２０…変速機構シャフト
２１…変速機構ベアリング
２２…ピニオンギア
２３…インターナルギア
２４…オイルシール
２５…０リング
２６…０リング
３０…エンジン又は車両
【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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