(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向がコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体からなる各軸方向突出部を互いに径方向に重ねてなるコイルエンドを有するステータコイル、及び、
前記コイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の前記細板状導体の平坦な主面に電気絶縁されつつ直接に密着する平坦な冷却面を有して前記コイルエンドを冷却する良熱伝導性の冷却部材、
を備え、
前記ステータコイルは、前記コアの各スロットに交互に挿通される往き導体部及び還り導体部からなるとともに略軸方向へ延在するスロット導体部と、前記スロット導体部と一体に形成されて前記往き導体部及び還り導体部の同一側端部を接続する前記軸方向突出部としての渡り導体部とを有する前記細板状導体としてのコイル導体を波巻きしてなる二層波巻き巻線からなり、
最終の前記渡り導体部以外の各前記渡り導体部は、折り曲げられて折り曲げ後の部分が折り曲げ前の部分に対してコアの径方向へ重なる形状をもつ折り曲げ端部を一個ずつ有し、
前記折り曲げ端部は、前記スロット導体部に対して周方向一方側へ斜めに折れ曲がっている前記渡り導体部の中央部を、周方向へ延在する折り曲げ中心線を中心として略１８０度折り返して形成され、
前記コイル導体は、前記コアの径方向に薄く周方向に広い略角形断面形状を有し、
同一の前記コイル導体の互いに隣接する一対の渡り導体部は、同一回転方向へ折り曲げられており、
所定の前記スロットから出た前記渡り導体部の前記折り曲げの前の部分は、前記所定のスロットに周方向に隣接する前記スロットから出た他の前記渡り導体部の前記折り曲げの後の部分と径方向に隣接して配置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記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において、
前記冷却部材は、前記ステータコアを支持するハウジングに密着することを特徴とするコイルエンド接触冷却型回転電機。
【請求項３】
請求項１または２記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において、
前記冷却部材は、前記ステータコアの端面に密着することを特徴とするコイルエンド接触冷却型回転電機。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において、
前記冷却部材は、前記コイルエンドの最外周面と前記ハウジングの内周面との間に介設されて、冷却液が周方向に流れる冷却パイプを含むことを特徴とするコイルエンド接触冷却型回転電機。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において、
前記冷却部材は、前記コイルエンドの最外周面と前記ハウジングの内周面との間に介設されて、前記コイルエンドの熱を前記ハウジングに伝達する金属部材からなることを特徴とするコイルエンド接触冷却型回転電機。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において、
前記ハウジングは、前記冷却部材として前記コイルエンドの最外周面に密着するコイルエンド接触部と、前記ステータコアを支持するステータコア支持部とを有し、前記コイルエンド接触部は前記ステータコア支持部よりも径小に形成されていることを特徴とするコイルエンド接触冷却型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルエンド接触冷却型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転電機、特に密閉型の回転電機ではステータコイルが主要な発熱源であり、このステータコイルの温度上昇はその絶縁樹脂の劣化を招くので、ステータコイルの電流密度はステータコイルの冷却性能により通常は制限される。そして、ステータコイルの電流密度は回転電機の体格、重量を決定する。
【０００３】
特開平１０−５１９８９号公報のモールド型モータは、ステータコイルのコイルエンドの冷却のために、コイルエンドの径方向最外側の表面と、それと対面するハウジングの内周面との間にアイドルスペースに樹脂をモールドして、このモールド樹脂によりコイルエンドからハウジングへの熱伝導を行うモールド型モータにおいて、ハウジングの内周面に密着して良熱伝導性の円筒部材を挿入して、モールド樹脂の高伝熱抵抗による熱伝導性の悪化を改善することを提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術では、コイルエンドの径方向最外側の表面の著しい凹凸の存在のために、それを埋めるモールド樹脂をなくすことが困難であり、このため、このモールド樹脂の高い伝熱抵抗によりコイルエンド冷却効果の向上には限界があった。
【０００５】
このため、特に密閉型モータでは、ステータコイルの電流密度向上による体格の小型軽量化は、モールド樹脂の悪い熱伝導性により制約されるという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、ステータコイルの温度上昇を回避しつつ大出力で小型軽量性なコイルエンド接触冷却型回転電機を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のコイルエンド接触冷却型回転電機では、厚さ方向がコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体からなる各軸方向突出部を互いに径方向に重ねてなるコイルエンドを有するステータコイル、及び、前記コイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の前記細板状導体の平坦な主面に電気絶縁されつつ直接に密着する平坦な冷却面を有して前記コイルエンドを冷却する良熱伝導性の冷却部材を備え、前記ステータコイルは、前記コアの各スロットに交互に挿通される往き導体部及び還り導体部からなるとともに略軸方向へ延在するスロット導体部と、前記スロット導体部と一体に形成されて前記往き導体部及び還り導体部の同一側端部を接続する前記軸方向突出部としての渡り導体部とを有する前記細板状導体としてのコイル導体を波巻きしてなる二層波巻き巻線からなり、最終の前記渡り導体部以外の各前記渡り導体部は、折り曲げられて折り曲げ後の部分が折り曲げ前の部分に対してコアの径方向へ重なる形状をもつ折り曲げ端部を一個ずつ有し、前記折り曲げ端部は、前記スロット導体部に対して周方向一方側へ斜めに折れ曲がっている前記渡り導体部の中央部を、周方向へ延在する折り曲げ中心線を中心として略１８０度折り返して形成され、前記コイル導体は、前記コアの径方向に薄く周方向に広い略角形断面形状を有し、同一の前記コイル導体の互いに隣接する一対の渡り導体部は、同一回転方向へ折り曲げられており、所定の前記スロットから出た前記渡り導体部の前記折り曲げの前の部分は、前記所定のスロットに周方向に隣接する前記スロットから出た他の前記渡り導体部の前記折り曲げの後の部分と径方向に隣接して配置されていることを特徴としている。以下、上記構造のステータコイルを細板順次折り返し型２層波巻き巻線構造とも言う。
すなわち、本発明のコイルエンド接触冷却型回転電機では、ステータコイルの少なくともコイルエンドを、厚さ方向がコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体からなる各軸方向突出部を互いに径方向に重ねて構成している。そして、このコイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の細板状導体の平坦な主面に電気絶縁されつつ直接に密着する平坦な冷却面を有する良熱伝導性の冷却部材を設ける。
【０００７】
本構成によれば、上記したように細板順次折り返し型２層波巻き巻線構造のステータコイルを採用するので、コイルエンドが厚さ方向がコアの径方向に一致する姿勢でステータコアの端面から突出する細板状導体を径方向に重ねて配置されることによりコイルエンドの径方向最外側または径方向最内側の表面が平坦な（正確には円筒状に湾曲した）面となる。したがって、冷却部材の平坦な面を薄い電気絶縁材を介するだけで密着させることができ、その結果としてコイルエンドの放熱性を従来より格段に向上することができる。
【０００８】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において更に、冷却部材がハウジングに密着するので、冷却部材はコイルエンドの熱をハウジングに良好に伝達することができ、あるいはステータコアの熱をハウジングから冷却部材に良好に伝達することができる。
請求項３記載の構成によれば請求項１または２記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において更に、冷却部材がステータコアの端面に密着するので、ステータコアの熱を良好に冷却部材に伝達することができる。
【０００９】
請求項４記載の構成によれば請求項１ないし３のいずれか記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において更に、冷却部材は、コイルエンドの平坦な最外周面とハウジングの平坦な内周面との間に介設される冷却液循環用の冷却パイプからなるので、コイルエンドやハウジングの熱を良好に外部に移送することができる。更に、この冷却パイプは、コイルエンドやハウジングの上記平坦な面に密着するので、冷却パイプの形状を複雑化する必要がない。更に、冷却パイプは、コイルエンドとハウジングとの間のアイドルスペース（このアイドルスペースの径方向厚さはほぼステータコアのヨーク部の厚さに等しい）に収容されるので、回転電機の体格が増大することもない。
【００１０】
請求項５記載の構成によれば請求項１ないし３のいずれか記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において更に、冷却部材は、コイルエンドの最外周面と前記ハウジングの内周面との間に介設されてコイルエンドの熱を前記ハウジングに伝達する金属部材からなる。たとえば金属部材は内部に冷却液が循環しない冷却パイプで構成され、この冷却パイプの内部には冷却液を充填してもよく、しなくてもよい。
【００１１】
このようにすれば、コイルエンドおよびハウジングとの接触面が平坦であるので、簡素な形状の冷却部材によりコイルエンドの熱を良好にハウジングに伝達することができる。
請求項６記載の構成によれば請求項１ないし３のいずれか記載のコイルエンド接触冷却型回転電機において更に、ハウジングは、冷却部材としてコイルエンドの平坦な最外周面に密着するコイルエンド接触部を有し、このコイルエンド接触部は他の部位よりも径小に形成されるので、部品点数の増大を抑止しつつ、コイルエンドの熱を上記平坦な最外周面を通じてハウジングに良好に放熱することができる。
【００１２】
【発明を実施するための態様】
本発明の好適な態様を以下の実施例により説明する。
【００１３】
【実施例１】
本発明の三相交流モータの実施例を説明する。
（固定子構造）
まず。この実施例の三相交流モータの固定子構造を図１〜図１０を参照して説明する。図１はこのモータの固定子の平面図を示し、図２は正面図を示し、図３〜図１０に固定子コイル作成手順を示す。
【００１４】
１は薄板状の電極鋼板を積層した固定子コアで、内径側に開口する多数のスロットを有する。各スロット内には、星型接続された三相二層波巻き型の固定子コイル（以下、単にコイルともよぶ）２が巻装されており、スロット入り口部には、コイルのスロットからの飛出しを防止する板状のウエッジ４が嵌着されている。また、スロットの内周部にはコイル２とコア１とを絶縁するインシュレータ３が挿入されている。
【００１５】
コイル２は、スロット内に挿入される直線状のスロット導体部２１と、スロット導体部２１と一体に形成される渡り導体部２２とを有し、渡り導体部２２の両端は、２スロット挟んだ両側のスロットに挿入される一対のスロット導体部２１の同一端部に個別に接続されている。コイル２は、図１に示すように、三つの相コイル２ａ、２ｂ、２ｃからなり、スロット導体部２１は、図３に示すように、各相コイル２ａ、２ｂ、２ｃの始端２３〜２５からみて離れる往き方向へ延在する往き導体部２１ａと、各相コイル２ａ、２ｂ、２ｃの始端２３〜２５からみて近づく還り方向へ延在する還り導体部２１ｂとからなる。したがって、スロット両側のコイルエンド部２ｄは、正確にはスロット導体部２１の両側の端部と渡り導体部２２とで構成され、各渡り導体部２２は、図１に示すように、スロット導体部２１に対して周方向へ斜めに折れ曲がっており、渡り導体部２２の中央部で折り曲げられて、その軸方向先端部で山形になっており、更に詳しく言えば軸方向先端部にて径方向に折り重ねられて重なる折り曲げ端部２２ａを各一個づつ有する。
【００１６】
以下、コイル２について更に詳しく説明する。
コイル２は、図３に示すように、１スロットピッチずつ離れて平行に配列された６本のコイル導体２０１〜２０６を有し、コイル導体２０１、２０４が相コイル２ａを構成し、コイル導体２０３、２０６が相コイル２ｂを構成し、コイル導体２０２、２０５が相コイル２ｃを構成している。各コイル導体２０１〜２０６は固定子コア１の径方向に薄く周方向に広い略角形断面形状を有している。
【００１７】
また、第ｍ（ｍは整数）番目のコイル導体の第ｎ（ｎは整数）番目のスロット導体部２１は、第ｍ番目のコイル導体の第ｎ−１番目又は第ｎ＋１番目のスロット導体部２１が収容されるスロットに対して電気角１８０度離れたスロット、すなわち、３スロットピッチ離れたスロットに収容されている。なお、この３スロットピッチ離れたスロットには、第ｍ−３番目又は第ｍ＋３番目のコイル導体のスロット導体部２１とともに収容される。
【００１８】
更に、６本のコイル導体２０１〜２０６の各始端のうち、２、４、６番目の始端は互いに短絡されて中性点とされ、残る１、３、５番目の始端は、三相星型接続された各相コイル２ａ、２ｂ、２ｃの端子をなす。
コイル導体２０１〜２０６の具体的な製造方法について図３〜図１０にに示す作製手順を参照して説明する。
【００１９】
まず、図３に示すように、６本のコイル導体２０１〜２０６を１スロットピッチずつ離れて平行に配置する。スロット導体部２１及び渡り導体部２２はそれぞれ直線帯状に形成されており、渡り導体部２２はスロット導体部２１に対して適当な角度（ここでは約６０度）で斜設されている。なお、２３はコイル導体２０１の始端であり、２４はコイル導体２０３の始端であり、２５はコイル導体２０５の始端であり、２６はコイル導体２０２の始端であり、２７はコイル導体２０４の始端であり、２８はコイル導体２０６の始端である。
【００２０】
次に、図４に示すように、コイル導体２０１〜２０６の始端２３〜２８から数えて最初の６個の渡り導体部２２をその中央部（図３に破線で示す）で、最初のスロット導体部２１が下となるように（谷折りで）折り曲げる。なお、図３において、各コイル導体２０１〜２０６の始端２３〜２８から数えて最初のスロット導体部２１と次のスロット導体部２１とは３スロットピッチ離れて形成されており、これによりコイル導体２０１の二番目のスロット導体部２１はコイル導体２０４の最初のスロット導体部２１の上に重なり、以下同様に、コイル導体２０２の二番目のスロット導体部２１はコイル導体２０５の最初のスロット導体部２１の上に重なり、コイル導体２０３の二番目のスロット導体部２１はコイル導体２０６の最初のスロット導体部２１の上に重なる。
【００２１】
次に、図５に示すように、コイル導体２０１〜２０６の始端２３〜２８から数えて二番目の６個の渡り導体部２２をその中央部（図４に破線で示す）で、二番目のスロット導体部２１が三番目のスロット導体部２１の上となるように（山折りで、すなわち本発明でいう最初の折り曲げ方向と同一回転方向へ）折り曲げる。これによりコイル導体２０１の三番目のスロット導体部２１はコイル導体２０４の二番目のスロット導体部２１の下に重なり、以下同様に、コイル導体２０２の三番目のスロット導体部２１はコイル導体２０５の二番目のスロット導体部２１の下に重なり、コイル導体２０３の三番目のスロット導体部２１はコイル導体２０６の二番目のスロット導体部２１の下に重なる。これにより、三番目のスロット導体部２１は最初のスロット導体部２１とスロット内で同じ深さ（最も深い位置）に無理なく収容される。
【００２２】
以下、図６に示すように、順次、谷折り、山折り、谷折りと同一回転方向へ折り曲げることにより、６本のコイル導体２０１〜２０６を各スロットに２層に収容する。その結果、ロータ磁極数から１を引いた回数だけ折り曲げることにより、各コイル導体２０１〜２０６は一周することになり、スロット内に２層に２ターン分のコイルが形成される。
【００２３】
次に、図７に示すように、いままでと反対回転方向へ（すなわち上記最初の２ターン形成の最後の折り曲げが谷折りとなるので、再び谷折りで）折り曲げる。これにより、その後のスロット導体部２１はスロット内で３、４層目に円滑に配置されることができる。
以下、図８に示すように、順次、谷折り、山折り、谷折りと最初の２ターンと同一回転方向へ折り曲げることにより、６本のコイル導体２０１〜２０６を各スロットに４層に収容する。その結果、再度、ロータ磁極数から１を引いた回数だけ折り曲げることにより、各コイル導体２０１〜２０６は次の一周を行うことになり、スロット内に４層に４ターン分のコイルが形成される。以下、必要なターン数が上記と同じ手順で作製される。
【００２４】
これにより、図８に示すように、コイル導体２０１〜２０６の最終渡り導体部２２ｂは、いままでの渡り導体部２２に対して約半分の長さとされ、かつ、コイル導体２０４〜２０６の最終渡り導体部２２ｂはそれ以外の渡り導体部２２及び最終渡り導体部２２ｂと線対称方向に斜設される。その結果、図１０に示すように、コイル導体２０１、２０４の最終渡り導体部２２ｂの先端部は重なり、コイル導体２０２、２０５の最終渡り導体部２２ｂの先端部は重なり、コイル導体２０３、２０６の最終渡り導体部２２ｂの先端部は重なり、これら重なり部分を溶接することにより、三相ステータコイルが形成されることになる。更に具体的に説明すれば、図９に示すようにコイル導体２０１〜２０３の折り曲げを行い、その後、図１０に示すようにコイル導体２０４〜２０６の折り曲げを行って、上記重なりを形成し、溶接すればよい。
【００２５】
次に、上述のように作製されたコイル２を固定子コア１の各スロットに挿入し、次にまたはスロット挿入前にコイル導体２０２、２０４、２０６の始端を短絡して中性点とする。
（全体構造）
次に、この実施例の三相交流モータの全体構造を図１１〜図１２を参照して説明する。図１１はこの三相交流モータの全体構造を示す軸方向断面図、図１２はそのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００２６】
１００は円缶状のフロントフレーム（ハウジング）、１０１はその開口を閉鎖するリヤフレーム（ハウジング）であり、ロータ５が嵌着された回転軸６を回転自在に支承している。７はリヤフレーム１０１の軸方向外側の電気室を遮蔽する樹脂カバーであり、電気室にはターミナルなどの種々の電気部品が収容されている。
【００２７】
この三相交流モータでは、上記ステータコイル２のリヤ側のコイルエンド部（本発明でいうコイルエンド）２ｄとフロントフレーム１００との間に銅製の冷却水パイプ８が、コイルエンド部２ｄの外周面、ステータコア１の端面及びフロントフレーム１００の内周面に密着して装着されている。
同様に、上記ステータコイル２のフロント側のコイルエンド部（本発明でいうコイルエンド）２ｄとフロントフレーム１００との間に銅製の冷却水パイプ９が、コイルエンド部２ｄの外周面、ステータコア１の端面及びフロントフレーム１００の内周面に密着して装着されている。ただし、冷却水パイプ８、９の内周面とコイルエンド部２ｄの外周面との間には、薄い耐熱樹脂フィルム１０が介挿されている。なお、コイルエンド部２ｄを被覆するエナメル樹脂層が十分に電気絶縁性を持つ場合にはこの耐熱樹脂フィルム１０を省略することも可能である。
【００２８】
リヤ側の冷却水パイプ８は、図１１に示すコイルエンド部２ｄを囲んで図１２に示すようにリング状に形成されており、冷却水パイプ８の入り口部８１及び出口部８２は、フロントフレーム１００にその開口端から凹設された溝部１００ａを通じて径方向外側に突出している。１０２は溝部１００ａを遮蔽する金属製のカバーである。
【００２９】
フロント側の冷却水パイプ９は、図１１に示すコイルエンド部２ｄを囲んでリング状に形成されているが、冷却水パイプ８とは異なって入り口部８１及び出口部８２はもたず、内部に水が半分ほど充填された状態で密閉されている。
上述した冷却水パイプ８、９の効果を以下に説明する。
まず、冷却水パイプ８はコイルエンド部２ｄ、ステータコア１の熱を良好に奪って冷却水により外部に排出するので、コイルエンド部２ｄを通じてステータ各部の温度を良好に低減することができる。
【００３０】
また、冷却水パイプ９はいわゆるヒートパイプ効果により、コイルエンド部２ｄ、ステータコア１の熱を良好に奪ってフロントフレーム１００に良好に伝達することができ、コイルエンド部２ｄを通じてステータ各部の温度を良好に低減することができる。
次に、冷却水パイプ８、９は、フロンとフレーム１００の内周面とコイルエンド部２ｄの外周面との間のアイドルスペースに収容されるので、モータ体格が増大することがない。
【００３１】
特に、本実施例では、コイルエンド部２ｄの最外周側のコイル導体の表面が平坦な円周面となり、冷却水パイプ８、９の内周面、外周面が平坦な円周面とすることができ、冷却水パイプ８、９の形状を簡素化することができる。
（変形態様）
冷却水パイプ９はその内部に液体を封入しなくても、コイルエンド部２ｄの熱をフロントフレーム１００へ良好に熱伝達することができる。
（変形態様）
冷却水パイプ８は、図１３に示すように、コイルエンド部２ｄの内周面に密着して設けてもよく、また、図１４に示すように、両方に密着して設けてもよい。
（変形態様）
実施例１のモータの変形態様を図１５に示す。
【００３２】
このモータは、図１１に示す実施例１のモータに比較して、冷却水パイプ８、９を省略し、この冷却水パイプ８、９の分だけフロントフレーム１００およびリヤフレーム１０１を径小に形成して、これらフロントフレーム１００およびリヤフレーム１０１の内周面を薄い電気絶縁フィルム１０を挟んでコイルエンド部２ｄの外周面に直接接触させた点に特徴がある。
【００３３】
更に説明すれば、フロントフレーム１００は、ステータコア１の外周面に密着するステータコア密着部１００ｂと、フロント側のコイルエンド部２ｄの外周面に密着するコイルエンド接触部１００ｃとを有し、後者は前者より径小に形成されている。一方、リヤフレーム１０１の筒壁部１０１ａもステータコア密着部１００ｂよりも径小に形成されてリヤ側のコイルエンド部２ｄの外周面に密着している。
【００３４】
このようにすれば、たとえば冷却水などでフロントフレーム１００を冷却することにより良好にコイルエンド部２ｄの熱をこの冷却水に放散して、コイルエンド部２ｄを含むステータコイル２の温度を良好に低下することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の波巻き巻線を固定子巻線に適用した三相モータの実施例における固定子の平面図である。
【図２】  図１に示す固定子の正面図である。
【図３】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図４】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図５】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図６】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図７】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図８】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図９】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図１０】  図１、図２に示す固定子コイルの作成手順を示す工程図である。
【図１１】  実施例１の三相交流モータの全体構造を示す軸方向断面図である。
【図１２】  図１１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図１３】  実施例１の変形態様を示す要部拡大部分断面図である。
【図１４】  実施例１の変形態様を示す要部拡大部分断面図である。
【図１５】  実施例１の変形態様を示す全体断面図である。
【符号の説明】
１はステータコア、２はステータコイル、２２ｄはコイルエンド部（コイルエンド）、８，９は冷却水パイプ（冷却部材）、１００ｃはリヤフレーム１００のコイルエンド接触部（冷却部材）、１０１ａは筒壁部（冷却部材）
【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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