(57)【要約】【課題】  回転電機の回転子の爪状磁極間に配置される永久磁石の防食性を向上させる。【解決手段】回転電機の回転子は、回転面に沿って爪状磁極が交互配置され、その爪状磁極間には、永久磁石３０が配置されている。永久磁石３０の表面を、コーティング層３１で被覆する。コーティング層３１は、犠牲防食作用（母材よりも先に塗膜内の金属フレークが錆びて母材を守る作用。）がある防食材料、例えば含亜鉛無機系材料を吹き付け塗装などの方法で塗装して成膜する。亜鉛は永久磁石３０を構成する鉄よりもイオン化傾向が大きく、犠牲防食作用のために永久磁石３０が錆びにくくなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束を発生するロータコイル、上記ロータコイルを覆って設けられ、交互に噛み合うように突出する爪状磁極をそれぞれ有する第一のポールコア体と第二のポールコア体から構成されたポールコア、上記爪状磁極の両側面側に配置され、隣り合う上記爪状磁極側面同士の磁束の漏洩を低減する永久磁石を備え、上記永久磁石は、犠牲防食作用がある防食材料で覆われていることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項２】
上記防食材料は亜鉛を含むことを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
【請求項３】
上記防食材料は亜鉛メッキであることを特徴とする請求項２記載の回転電機の回転子。
【請求項４】
上記防食材料は無機材であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項記載の回転電機の回転子。
【請求項５】
上記永久磁石はワニスで覆われていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
【請求項６】
上記永久磁石は、多層構造の防食材コーティングが施されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
【請求項７】
上記永久磁石は保持部材により保護されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
【請求項８】
上記請求項１ないし７のいずれか一項に記載の回転子を備える回転電機であり、上記回転子の外周側に配置される固定子巻線は、毎極毎相２の全節巻きであることを特徴とする回転電機。
【請求項９】
上記固定子巻線は千鳥結線であることを特徴とする請求項８記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機の回転子の構造、およびその回転子を用いた回転電機の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の、ポールコアに界磁巻線が巻装された界磁回転子を有する回転電機では、ポールコアの周方向に隣り合う爪状磁極間に永久磁石を装着する技術が知られている。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５４８８８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
永久磁石は爪状磁極間の漏洩磁束を低減すると共に、ステータコイル（固定子巻線。）に磁束を鎖交させて発電に寄与する有効磁束を増大することにより、回転電機の出力向上を図ることができる。また、回転子は永久磁石と界磁巻線とを所定の径方向の間隔をもって隔離する通風用空間が形成されている構成となっており、回転子の冷却には外気をファンにより送り込み冷却する空冷が採用されているため、永久磁石は外気にさらされる状態となる。従来では保護のために、永久磁石の表面に樹脂塗装などが施されていた。
【０００５】
従来では、ロータ（回転子。）の組立て工程において、永久磁石を装着する時や外部からの異物混入または熱劣化によって塗装はがれ等が発生し、外気の湿気や水の浸入により永久磁石が錆び、特性が悪化するという問題があった。
また、永久磁石を装着した回転電機では、その構造上、永久磁石が回転子内部の空気の流れを阻害してしまい、回転子の冷却効率が悪くなり、さらに永久磁石の発熱による温度上昇が原因で可逆あるいは不可逆減磁して特性が悪化する懸念があった。
さらに、従来の樹脂塗装は熱伝導が悪いために永久磁石の冷却性が悪くステータコイルからの受熱および永久磁石に発生する渦電流により永久磁石の温度が上昇し可逆減磁し磁束量が減少して特性が低下し、電機子および界磁からの逆磁界によりさらに永久磁石内の磁束密度が低下し不可逆減磁するという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、回転電機の回転子に装着された永久磁石の錆びを防止するとともに、永久磁石の冷却性を向上させて一時的な特性の低下や、不可逆減磁による永久的な特性の低下を防ぐことが可能な回転子を得ること、またその回転子を用いた回転電機において、特性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる回転電機の回転子は、磁束を発生するロータコイル、上記ロータコイルを覆って設けられ、交互に噛み合うように突出する爪状磁極をそれぞれ有する第一のポールコア体と第二のポールコア体から構成されたポールコア、上記爪状磁極の両側面側に配置され、隣り合う上記爪状磁極側面同士の磁束の漏洩を低減する永久磁石を備え、上記永久磁石は、犠牲防食作用がある防食材料で覆われているものである。
【０００８】
また、この発明に係わる回転電機は、上記のような回転子の外周側に配置される固定子巻線が、毎極毎相２の全節巻きであるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の回転電機の回転子によれば、回転子を構成する永久磁石が、犠牲防食作用がある防食材料で覆われているために、防食材料自体が錆びることにより永久磁石が錆びにくい効果があり、永久磁石は特性劣化されにくい。また、組立時や外部からの異物混入時において、回転子が傷付くことがあっても、永久磁石が防食材料で被覆されているために、永久磁石が錆びにくいという効果がある。
【００１０】
また、この発明の回転電機によれば、固定子巻線が、毎極毎相２のため、ステータティースによるパーミアンスの変化が小さく細かくなるため、高周波が減ることにより、渦電流も減り、不可逆減磁による永久的な特性の低下を防ぐ効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図３を用いて、この発明の実施の形態１による回転電機の回転子について説明する。
図１は回転電機に組み込まれて用いられる回転子を示す要部斜視図であり、図１に示すように、この回転子は、交互にかみ合うように突出する爪状磁極２３、２４をそれぞれ有する第一のポールコア体２１、第二のポールコア体２２から構成されるポールコアと、爪状磁極２３、２４の両側面側に、爪状磁極２３、２４の間に挟まれるよう配置される永久磁石３０を構成として含んでいる。この永久磁石３０は、隣り合う爪状磁極２３、２４の側面同士の磁束漏洩を低減するよう作用する。また、ポールコアは、後述するロータコイルを覆って設けられる。回転子は、ポールコアと後述する回転子巻線によって構成される。
【００１２】
図２は、この発明の実施の形態１による永久磁石３０を示しており、図２（ａ）は永久磁石３０の側面図を、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ―Ａ断面をそれぞれ示している。この図２（ｂ）に示すように、永久磁石３０は、その表面をコーティング層３１によって覆われた状態となっている。
【００１３】
図３は図２に示す永久磁石３０が組み込まれた回転子を構成部品として含む回転電機（または回転機。）の断面構造を示す側断面図である。図３に示すように、この回転電機は、アルミニウム製のフロントブラケット１及びリヤブラケット２から構成されたケース３と、このケース３内に設けられ、一端部にプーリ４が固定され、外周にベアリング１７が配置されたシャフト６と、このシャフト６に固定されたクローポール型の回転子７と、回転子７の両端面に固定されたファン５と、ケース３内の内壁面に固定された固定子８と、シャフト６の他端部に固定され回転子７に電流を供給するスリップリング９と、スリップリング９に摺動する一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収納したブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１９と、このヒートシンク１９に接着され固定子８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ２０とを備えている。
【００１４】
回転子７は、電流を流して磁束を発生する円筒状の回転子巻線１３と、この回転子巻線１３を覆って設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア１４とを備えている。回転子７の中心部分には巻線１８が配置されている。固定子８は、固定子コア１５と、この固定子コア１５に巻回され、回転子７の回転に伴って回転子巻線１３からの磁束の変化で交流が生じる固定子巻線１６とを備えている。ポールコア１４は、一対の交互に噛み合った第一のポールコア体２１及び第２のポールコア体２２から構成されている。第一のポールコア体２１及び第二のポールコア体２２は通常鉄製であり、回転子巻線１３が巻装される円筒部２１ｅ、２２ｅと、この円筒部２１ｅ、２２ｅが突設された円盤状の根元部２１ｋ、２２ｋより成る。
【００１５】
根元部２１ｋ、２２ｋの外縁には、回転子巻線１３の外周と固定子８の内周との間の位置に、相互に噛み合う爪状磁極２３、２４をそれぞれ複数有している。上記爪状磁極２３、２４は、根元部２１ｋ、２２ｋ側の厚み及び幅が大きく、先端側にいくに従って厚み及び幅が細くなる形状である。爪状磁極２３、２４の内径面２３ａ、２４ａは、先端にいくにつれ厚みが薄くなり、外周面２３ｂ、２４ｂは、固定子８の内径面に沿った弧状である。爪状磁極２３、２４は、回転子７の周方向に対して台形状の２つの側面２３ｃ、２４ｃを有する。各爪状磁極２３、２４は、その先端を向かい合わせて交互に噛み合わせられるので、爪状磁極２３、２４の内径面２３ａ、２４ａの傾斜が周方向に互い違いで並ぶことになる。また、爪状磁極２３、２４の側面は、根元側から先端側にいくにつれて先端側が細くなるように爪状磁極２３、２４の中心側に傾いている。
【００１６】
動作を以下に説明する。図外のバッテリからブラシ１０、スリップリング９を通じて回転子巻線１３に電流が供給されて磁束が発生し、第１のポールコア体２１の爪状磁極２３にはＳ極が着磁され、第２のポールコア体２２の爪状磁極２４にはＮ極が着磁される。Ｎ、Ｓは逆でも良い。一方、エンジンの回転力によってプーリ４が回転され、シャフト６によって回転子７が回転するため固定子巻線１６には起電力が生じる。この交流の起電力は、整流器１２を通って直流に整流されるとともに、レギュレータ２０によりその大きさが調整されて、図外のバッテリに充電される。
交流を直流に整流する整流器１２のかわりに直流を交流に変換するインバータを使用することで、発電機とは逆にそれぞれの交流端子に電流を流してモータとしての役割をすることもできる。
【００１７】
実施の形態１による回転電機の回転子７では、図２に示すように、回転子７を構成する永久磁石３０が、単層の犠牲防食作用がある防食材料（コーティング層３１。）で覆われている。永久磁石３０は主に鉄によって構成されるが、その表面を犠牲防食作用があるコーティング層３１で覆っているため、ロータ組立て時や外部からの異物混入時にロータに傷がついても犠牲防食作用により永久磁石３０が錆びにくい。ここで、犠牲防食作用がある防食材料には、例えば含亜鉛無機系材料があり、その場合、コーティング層３１は、吹き付け塗装によって形成することができる。また、コーティング層３１の膜厚は、５〜２５μｍとすることが望ましい。
【００１８】
犠牲防食作用とは、次のような作用のことを言う。例えば、鉄に亜鉛メッキを施した場合、万一メッキが損傷しても電気化学的に亜鉛が鉄より先に溶けて（亜鉛のイオン化傾向が鉄よりも大きいため。）鉄の腐食を防止することができる。また亜鉛が錆びることによって亜鉛の水酸化物被膜が鉄の表面を覆う状態となり、鉄を保護する役目を果たす。従って、主に鉄によって構成される永久磁石３０の表面に、亜鉛を含む防食材料のコーティング層３１を積層して覆うことで、永久磁石３０を保護することができる。
【００１９】
また、防食材料の例として、含亜鉛無機系材料を示したが、永久磁石３０を構成する鉄よりも先に溶けて、鉄の腐食を防止する作用があるコーティング層３１を用いることができ、その例としては、亜鉛を含む被膜材料、亜鉛メッキを用いることが可能である。その場合においても、少なくとも永久磁石３０を、亜鉛を含むコーティング層３１で覆っているため、犠牲防食作用による効果を期待することができ、永久磁石３０を保護することができる。また、亜鉛以外に、ニッケルやアルミも鉄よりもイオン化傾向が大きく、犠牲防食作用を期待できるため、混合して用いたりする方法もある。
【００２０】
さらに、防食材料として、犠牲防食作用がある無機材を用いることができる。その場合は、樹脂などの有機材塗装に比べ、ムラ無く表面塗装ができ、永久磁石３０がより錆びにくくなるという効果を得ることができる。
【００２１】
また、上述したように、永久磁石３０をコーティング層３１で覆った上で、さらに、そのコーティング層３１上に、塗布、含浸などの方法によってワニス層を形成し、永久磁石３０がワニスで覆われた状態として用いることもできる。この場合、ワニスによって永久磁石３０と爪状磁極２３、２４間の微小な隙間が埋められる状態となる。これによって、冷却性を向上させることができ、熱による永久磁石３０の磁束密度低下が軽減されるという効果が得られる。なお、用いるワニスとしては、例えばセイク変性ポリエステルが適している。
【００２２】
なお、図１のように各爪状磁極２３、２４に永久磁石３０を配置することにより、隣接する爪状磁石２３、２４間の漏洩磁束を大幅に低減でき、その分あるいはそれ以上に各爪状磁極２３、２４の外周面から固定子コア１５側に流れる有効磁束量が増加するため、最大出力電流が増大する。
【００２３】
さらに、回転方向に隣り合う爪状磁極２３、２４間にそれぞれ永久磁石３０が配設されているため、ポールコア２１、２２の肩部及び連続する爪状磁極２３、２４間に形成されるV型溝部でのファンによる冷却風が侵入しやすく、冷却効果が高い。その分、外気の湿気や塩水などの浸入による錆が発生しやすいが、上述したように、永久磁石３０に犠牲防食作用があるコーティングがなされているために、永久磁石３０が錆びにくい効果の有用性が高い。
【００２４】
また、永久磁石３０に対して、コーティング層３１を形成することで、これを形成しない場合よりも隣接する磁極（２３または２４。）との密着性が向上し、永久磁石３０内の熱を効率良く磁極側へ伝熱することが可能となる。
【００２５】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、回転子７を構成する永久磁石３０を、単層のコーティング層３１で被覆する例を示したが、この実施の形態２では、図４に永久磁石３０の側面図（図４（ａ））および断面図（図４（ａ）のＢ−Ｂ断面に相当する。）を示すように、防食材料によるコーティングを多層構造（図４の例では２層構造。）とする場合について示す。
多層構造の場合、ニッケルメッキと亜鉛含有無機材塗装でニッケルメッキがコーティング層（下層）３１あるいはコーティング層（上層）３２、又は、アルミメッキと亜鉛メッキでアルミメッキがコーティング層（下層）３１あるいはコーティング層（上層）３２となる。つまり、ニッケルメッキ層と亜鉛含有無機材層の積層順を問わず、また、アルミメッキ層と亜鉛メッキ層の積層順を問わずに、２層構造とする。これによって、ロータ組立て時や外部からの異物混入時にロータに傷が付いても、多層構造の防食材コーティングが永久磁石３０に施されているため、犠牲防食作用により永久磁石３０が錆びにくい。
【００２６】
なお、各コーティング層３１、３２は、それぞれ５〜２５μｍの厚さとなるように形成し、例えば、ニッケルメッキ層はニッケル無電解メッキまたはニッケル電解メッキにより、亜鉛含有無機材層は吹き付け塗装により、亜鉛（アルミ）メッキ層は溶融亜鉛（アルミ）メッキの方法によって成膜する。
多層構造は、三層以上でもよく、その場合においてもコーティング層の積層順は問わない。
【００２７】
また、永久磁石３０の表面に、この多層構造の防食材コーティングを施し、さらに上層にワニス層を形成することで、回転子の冷却性を向上させることができる。
さらに、永久磁石３０に対して多層構造の防食材コーティングを施すことでも、実施の形態１の場合と同様に、これを施さない場合と比較して、永久磁石３０から隣接する磁極（２３または２４。）への熱伝導性が向上し、熱による磁束密度の低下が軽減される。
【００２８】
実施の形態３．
上述した実施の形態１および実施の形態２においては、爪状磁極２３、２４間に、各１個の永久磁石３０を配置する例を示したが、この実施の形態３では、一つの爪状磁極２３（２４）の両側面に、それぞれ永久磁石３０ａを配置する例（つまり、爪状磁極２３、２４間に２個ずつの永久磁石３０ａを配置する場合。）について示す。図５（ａ）に回転子要部斜視図、図５（ｂ）に要部分解図、図５（ｃ）に永久磁石を保持するための保持部材の展開図を示すように、各爪状磁極２３、２４の両側面毎に、永久磁石３０ａを配置し、金属性の保持部材４０によって、その永久磁石３０ａを爪状磁極２３（２４）に保持させる状態とする。
【００２９】
図５に示すように、保持部材４０は、爪状磁極２３（２４）の両側面部に配置する二つの永久磁石３０ａを、保持部材台形部４０ａの両端、保持部材屈曲部４０ｂ、保持部材押さえ部４０ｃで包み込むように保持している。
なお、この永久磁石３０ａの表面は、実施の形態１または２において示したコーティング層３１、３２やワニス層が形成された状態となっている。
【００３０】
このような形態とすることにより、永久磁石３０ａ１つ当たりの大きさをより小さくでき、保持部材４０にかかる永久磁石３０ａの遠心力が小さくなるため、耐久性が向上する。また永久磁石３０ａを爪状磁極２３（２４）側面に合った形状にすることができるため、効率良く永久磁石３０ａの効果を利用できる。さらに、永久磁石３０ａの大きさをより小さくできるために、永久磁石３０ａにかかる材料費も削減できる。また、保持部材４０により、永久磁石３０ａのほとんどの表面部が覆われているために、永久磁石３０に水が侵入しにくく、錆びが生じにくいという効果もある。
【００３１】
実施の形態４．
次に、上述した回転電機の回転子７の外周に沿って配置される固定子８を構成する固定子巻線１６の巻線図を図６に示す。この固定子巻線１６は、図６のように、毎極毎相２（毎極毎相に２スロット。スロットとは、コア側に形成された巻線が通る溝。）の全節巻きされている。従来の固定子巻線は、毎極毎相に１スロットであり、１相のコイルによる起磁力分布が方形に近い形状になり、高次の高調波を含み、音、トルクリップル等が発生していた。
図６は、ステータティース（固定子コア１５を構成する歯状突起。歯状突起間の溝をスロットという。）を側方から観察した図であり、回転子側の磁極との対応を示している。なお、図６において、１６ｘ、１６ｙ、１６ｚは、それぞれ固定子巻線ｘ相、ｙ相、ｚ相をそれぞれ示している。
【００３２】
固定子巻線１６を毎極毎相２の全節巻きとすることで、ステータティースによるパーミアンス（磁束の通り易さを示す指標。）の変化は小さく細かくなり、高調波が減ることにより渦電流も減り、回転子７側の発熱が抑えられるため、不可逆減磁による永久的な特性の低下を防ぐ効果がある。
【００３３】
実施の形態５．
また、図７に固定子巻線１６の巻線図を示す。図７はステータティースを、図６で言うところの下側から観察した状態で、回転子側の磁極と対応させた巻線図となっている。図７のように、固定子巻線１６（１６ａと１６ｂよりなり、毎極毎相２の全節巻き。）は、三相結線された複数の固定子コイルｘ１、ｙ１、ｚ１を固定子コア１５に全節巻した第１三相結線コイル１６aとこの第１三相結線コイル１６aと同一の巻線状態で結線した複数の固定子コイルｘ２、ｙ２、ｚ２からなっている。その各固定子コイルｘ２、ｙ２、ｚ２が第１三相結線コイル１６aの各固定子コイルｘ１、ｙ１、ｚ１に対して電気角で２７．５度ずつずらして固定子コア１５に全節巻された第２三相結線コイル１６ｂとからなるように巻線されている。
【００３４】
２組の巻線による起磁力高調波が位相差をもって重なり合うため、永久磁石３０ａ（または３０。）に作用する合成の起磁力高調波を低減できる。これにより起磁力高調波による回転子磁極及び永久磁石３０ａ（３０）の昇温を低減できるために不可逆減磁による永久的な特性の低下を防ぐ効果がある。
【００３５】
実施の形態６．
さらに図８に示すように、上述の実施の形態５で示した第１三相結線コイル１６a（符号ｘ１、ｙ１、ｚ１で示される。）と第２三相結線コイル１６ｂ（ｘ２、ｙ２、ｚ２で示される。）を千鳥状になるようにΔ結線する（千鳥結線。）。ｘ１、ｘ２…などのブロックは、コイルを模式的に現したものであり、ブロック間を繋ぐ線は導線である。固定子巻線１６を三相で構成できるので、整流回路やインバータ回路が安価で構成可能である上に、２組の巻線による起磁力高調波が位相差をもって重なり合うため、永久磁石３０ａ（３０）に作用する合成の起磁力高調波を低減できる。これにより起磁力高調波による回転子磁極及び永久磁石３０ａ（３０）の昇温を低減でき、不可逆減磁による永久的な特性の低下を防ぐことが可能となる。
【００３６】
実施の形態７．
また、図９に示すように、上述の実施の形態５で示した第１三相結線コイル１６a（ｘ１、ｙ１、ｚ１）と第２三相結線コイル１６ｂ（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を千鳥状になるようにY結線する（千鳥結線。）ことで、２組の巻線による起磁力高調波が位相差をもって重なり合うため、永久磁石３０に作用する合成の起磁力高調波を低減できる。これにより起磁力高調波による回転子磁極及び永久磁石３０の昇温を低減できるために不可逆減磁による永久的な特性の低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１による回転電機の回転子の要部斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１による永久磁石の側面図および断面図を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による回転子が組み込まれた回転電機の側断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による永久磁石の側面図および断面図を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３による回転電機の回転子の要部斜視図、要部分解図、保持部材展開図である。
【図６】この発明の実施の形態４による固定子巻線の巻線図である。
【図７】この発明の実施の形態５による固定子巻線の巻線図である。
【図８】この発明の実施の形態６による固定子巻線の結線図である。
【図９】この発明の実施の形態７による固定子巻線の結線図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  フロントブラケット              ２  リアブラケット
３  ケース                          ４  プーリ
５  ファン                          ６  シャフト
７  回転子                          ８  固定子
９  スリップリング                １０  ブラシ
１１  ブラシホルダ                  １２  整流子
１３  回転子巻線                    １４  ポールコア
１５  固定子コア                    １６、１６ａ、１６ｂ  固定子巻線
１６ｘ、１６ｙ、１６ｚ  固定子巻線ｘ相、ｙ相、ｚ相
１７  ベアリング                    １８  巻線
１９  ヒートシンク                  ２０  レギュレータ
２１  第一のポールコア体
２１ｅ、２２ｅ  円筒部              ２１ｋ、２２ｋ  根元部
２２  第二のポールコア体            ２３、２４  爪状磁極
２３ａ、２４ａ  内径面              ２３ｂ、２４ｂ  外周面
３０、３０ａ  永久磁石              ３１、３２  コーティング層
４０  保持部材                      ４０ａ  保持部材台形部
４０ｂ  保持部材折曲部              ４０ｃ  保持部材押さえ部。
【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】
2005204480.tif 000009
【図８】
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【図９】
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