(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線と、それを具備した積層鉄心よりなる固定子と、
前記積層鉄心の内外径もしくは軸方向両端面の二面に対して空隙を配して離間対向させた断面略Ｕ字状の界磁鉄心と、該界磁鉄心の前記対向二面のそれぞれには、磁石磁極と界磁鉄心の一部を突出させた非磁石磁極と、を交互に周方向等間隔に配列し、かつ該磁石は前記同一対向面に対してはその対向する極性を前記固定子鉄心に対して同一極性となるように着磁して対向させ、さらに前記界磁鉄心のＵ字の底に相当する位置には、界磁巻線を配置したことを特徴とする両面空隙型回転電機。
【請求項２】
前記磁石磁極の空隙対向面積は前記非磁石の空隙対向面積よりも広い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】
前記固定子の固定子鉄心は円環状に連接した継鉄部と、前記両面空隙に向かう歯状部とを有し、この継鉄部の外周囲にトロイダル状に断面略平角または円形状の巻線を組み付け接続または巻装して、これらを多相巻線に結線したことを特徴とする請求項１または２に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項４】
前記固定子鉄心の少なくとも一部は、前記継鉄部において係合部を有したセグメント部材となすとともに前記トロイダル巻線を個々に装着して、円環状固定子となしたことを特徴とする請求項３に記載の両面空隙型回転電機。
【請求項５】
電機子巻線と、それを具備した積層鉄心よりなる固定子と、該固定子の内外径もしくは軸方向両端面の二面に対して空隙を介してＮＳ磁極を周方向に対向配列させ、前記各面のＮＳ磁極を結ぶ断面略Ｕ字状の界磁鉄心と、該Ｕ字状部の内側に配置した界磁巻線とを有し、前記界磁鉄心の略Ｕ字状部は、該Ｕ字部先端が更に内側に屈曲延長した「６」字状部分をなし該延長部は前記電機子鉄心と空隙を介して対向させ、かつ前記「６」字状部の袋部に界磁巻線を設けたことを特徴とする両面空隙型回転電機。
【請求項６】
電機子巻線と、それを具備した積層鉄心よりなる固定子と、該固定子の内外径もしくは軸方向両端面の二面に対して空隙を介してＮＳ磁極を周方向に対向配列させ、前記各面のＮＳ磁極を結ぶ断面略Ｕ字状の界磁鉄心と、該Ｕ字状部の内側に配置した界磁巻線と、を有すると共に、前記電機子鉄心は前記各面の１磁極ピッチについて６つの歯状部を有し、該歯状部間のスロットには巻線をトロイダル巻装したことを特徴とする請求項５項の両面空隙型回転電機。
【請求項７】
前記トロイダル巻装された電機子巻線のうち同相のものは相互に並列に結線されて、全体として三相接続されていることを特徴とする請求項第３項、第４項もしくは第６項の両面空隙型回転電機。
【請求項８】
前記界磁鉄心の前記対向二面の少なくとも何れかには入口側幅狭のダブテイル状のスロットを有する積層鉄心が設けられており前記スロットには磁石を挿入固定してなり、該磁石前記積層鉄心の一部または金属製ウェッジにより前記磁石のスロット入り口側がほぼ閉口されていることを特徴とする請求項第１項乃至第７項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、とりわけ軸方向薄型化が要求されるエンジン直結型発電電動機に適するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃費向上ニーズより車の電気化がすすみ、低速でエンジンの動力補助や、或いは車両制動時に運動エネルギー回生など、エンジンと連携協調して車両の省エネルギーを図る技術が脚光を浴びている。このような機械・電気ハイブリッドシステムのカギは、エンジンと結ばれる回転機の大きさと性能である。特に、トランスミッションとエンジンの間に挟んで配置するエンジン直結型のものにおいては軸方向が長いと限られた車幅の中での収まりが悪化することのほか、エンジン振動の支持特性の悪化を招くなどの問題があった。これまでに効率の悪い誘導機式から効率のよい同期機式へ、中でも効率や小型化で効果の大きい永久磁石式の技術開発と実用化が図られてきている。
【０００３】
しかしながらこれらのものは従来の回転機と同様に固定子の内径または外径に分布捲きあるいは集中捲きされたものであり、電圧誘導にかかわらないコイルエンド部の長さも長く、軸方向長さにおいて約５０ｍｍ〜１００ｍｍといった長いものであった。そのために、巻線抵抗の大きいことによる銅損も大きく、また軸方向取り付け寸法すなわちコイルトランスミッションとエンジンの間を大きく離間する必要があり、パワトレイン部全体としての体格や支持構造が大きくなってしまうこ問題もあった。また特に負荷の多いときに効率のよい永久磁石式であっても負荷が少ない時には磁気力を抑制するために固定子巻線に対向する起磁力発生用の電流を流す必要があるなど複雑な特殊な制御技術を必要とするのみならず通常使用の軽負荷のときに効率が伸びないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願は前述の主に４つの問題点を同じ解決すべく効率のよい、軸方向寸法の短い回転機を提供しようとするものである。そのために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、また固定子巻線抵抗も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願は次のように解決を図るものである。
【０００６】
まず請求項１に示す構成では、電機子巻線と、それを具備した積層鉄心よりなる固定子と、前記積層鉄心の内外径もしくは軸方向両端面の二面に対して空隙を配して離間対向させた断面略Ｕ字状の界磁鉄心と、該界磁鉄心の前記対向二面のそれぞれには、磁石磁極と界磁鉄心の一部を突出させた非磁石磁極と、を交互に周方向等間隔に配列し、かつ該磁石は前記同一対向面に対してはその対向する極性を前記固定子鉄心に対して同一極性となるように着磁して対向させ、さらに前記界磁鉄心のＵ字の底に相当する位置には、界磁巻線を配置とする。
【０００７】
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、また永久磁石を界磁に用いているために軸方向厚さ含めてコンパクトで済み、効率がよい。また交互に磁石磁極と非磁石磁極を配列してこれら混成磁極群にＵ字状継鉄部を連接してこれに界磁起磁力をかけて調整しているので、前記磁石磁束と、相隣り合う前記非磁石磁極との間での電機子巻線を経てループを形成して循環する磁束については起磁力の変化はもたらさず、この磁石磁束分には実質影響を与えないままで前記非磁石磁極の磁束を変化させることができる。一方前記界磁巻線の起磁力を調整することで、前記二面の空隙面のうち第１の面側の非磁石磁極から、第２の面の空隙面の非磁石磁極へと抜ける界磁磁束は、いうまでもなく前記界磁起磁力に比例的に大きく変化させることができる。すなわち前記電機子巻線に鎖交する磁石磁束分と、前記非磁石磁極を貫通する界磁磁束分の総合鎖交磁束の和は前記界磁起磁力の変化により制御できることとなり、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。
【０００８】
また、請求項２に示す構成では、前記磁石磁極の空隙対向面積は前記非磁石の空隙対向面積よりも広くする。
【０００９】
これにより、一般には磁束密度の低い磁石磁極の磁束を増すことができ、一方の磁束密度の高く出来る非磁石磁束すなわち鉄心磁極の磁束量と均衡できて、電機子巻線一相分の総磁束鎖交量を極大にすることができる。
【００１０】
また、請求項３に示すように、前記固定子鉄心は円環状に連接した継鉄部と、前記両面空隙に向かう歯状部とを有し、前記継鉄部の外周囲にトロイダル巻線を巻装して、これらを多相巻線に結線する。
【００１１】
これにより、一般には電機子巻線のエンドターン部で空間中を這いまわす軸方向の高さを必要とするのに対して、継鉄部の周りを周回する際の実質巻装高さしか必要とせずしかも、その一つのトロイダル巻線で、両空隙面分の巻線をなしたこととなり、両面のにそれぞれ分布巻きや集中巻きをするものと比べると巻線総量を半減することができる。
【００１２】
また、請求項４に示すように、前記固定子鉄心の少なくとも一部において前記継鉄部において係合部を有したセグメント部材となして、該継鉄部に前記トロイダル巻線を個々に装着して、円環状固定子とする。
【００１３】
これにより、一般にはきわめて大量生産困難なトロイダル巻線であるものの、あらかじめ作っておき嵌めこむことができるようになるので、実用化できることとなる。またエンジン直結機として大柄であっても大掛かりの生産設備を必要とせず、また製品使用時の点検補修なども容易となる。すなわち前記の薄型高効率、高性能の製品を実用提供できることが可能となる。
【００１４】
また、請求項第５項に示す構成では、電機子巻線と、それを具備した積層鉄心よりなる固定子と、該固定子の内外径もしくは軸方向両端面の二面に対して空隙を介してＮＳ磁極を周方向に対向配列させ、前記各面のＮＳ磁極を結ぶ断面略Ｕ字状の界磁鉄心と、該Ｕ字状部の内側に配置した界磁巻線とを有し、前記界磁鉄心の略Ｕ字状部は、該Ｕ字部先端が更に内側に屈曲延長した「６」字状部分をなし該延長部は前記電機子鉄心と空隙を介して対向させ、かつ前記「６」字状部の袋部に界磁巻線を設ける。
【００１５】
これにより、界磁巻線が電機子鉄心の内径側に配置でき、したがって軸方向に張り出すこともなく軸方向が短縮できて、前述固定子両面の利用による軸方向短縮効果をと相俟って、回転機が全体として更に扁平にすることができるのである。
【００１６】
また、請求項第６項に示す構成では、電機子巻線と、それを具備した積層鉄心よりなる固定子と、該固定子の内外径もしくは軸方向両端面の二面に対して空隙を介してＮＳ磁極を周方向に対向配列させ、前記各面のＮＳ磁極を結ぶ断面略Ｕ字状の界磁鉄心と、該Ｕ字状部の内側に配置した界磁巻線と、を有すると共に、前記電機子鉄心は前記各面の１磁極ピッチについて６つの歯状部を有し、該歯状部間のスロットには巻線をトロイダル巻装する。
【００１７】
これにより、一つのスロットの巻線量が減りコイルエンド部で周方向に巻線が分散しやすいのでコイルエンドの集合が緩和されて軸方向が短縮できることになる。
【００１８】
また、請求項第７項に示す構成では、前記トロイダル巻装された電機子巻線のうち同相のものは相互に並列に結線されて、全体として三相接続している。
【００１９】
これにより、一般の回転機の直列する場合に比べて電機子巻線導線が細い径とでき、したがってスロット入り口を経由した巻回が容易となり密着して巻けることと，細い線は巻いた後に成形しやすいことからコイルエンドを低くすることができ、したがって回転機の軸方向寸法が短縮できる。
【００２２】
また、請求項第８項に示す構成では、前記界磁鉄心の前記対向二面の少なくとも何れかには入口側幅狭のダブテイル状のスロットを有する積層鉄心を設け、かつ前記スロットには磁石を挿入固定し、該磁石前記積層鉄心の一部または金属製ウェッジにより前記磁石のスロット入り口側が閉口された構成としている。
【００２３】
この積層鉄心だと鉄損が著しく少ないので、体格あたりの性能が改善され、必要性能が定まっている条件の下、軸方向がより扁平の回転機を提供できることとなる。
【００２４】
また積層鉄板だと磁石の収納位置の工作精度を出しやすくしたがってダブテイル状スロットとしてクサビ効果の設計を確実にすることが出来、磁石のスロット入口側への飛び出しを堅固に防ぐことが出来るので遠心耐力が向上し高速高性能化でき、もって必要性能が定まっている条件の下より軸方向が短い設計ができることとなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
車両走行用エンジンに直結した発電機に適用した第１の実施例について図１を参照してその構成を説明する。
【００２６】
ハウジング１の吸熱部１０１に、積層鉄板よりなる電機子鉄心２が取り付けられ該鉄心２には電機子巻線３が巻装されるとともに該巻線３は前記吸熱部１０１に熱的に良好に接触している。前記積層鉄心２の内外径の二面は、後述界磁回転子鉄心７と対向する第１の空隙面２０１と第２の空隙面２０２とを有している。
【００２７】
これら空隙を介して前記界磁回転子鉄心７の一部には永久磁石磁極５と、前記界磁鉄心自身を電機子側に突出させて形成した非磁石磁極６からなる界磁回転子鉄心７が離間対向しており、該回転子鉄心は前記電機子鉄心の内径から外径部にかけて断面略Ｕ字状の継鉄部８を具備している。
【００２８】
また図２に示す如く、前記磁石磁極と非磁石磁極とは、第１の空隙面側の界磁回転子鉄心についても第２の空隙面側の界磁回転子鉄心についても、周方向に交互に配置されており、かつそれら外径側の磁極と内径側の磁極とは、角度位置においてほぼ合致した位置に配置されるとともに、非磁石磁極と磁石磁極とが略同一径線上に並ぶ如く配置されている。前記磁石５の極性については、外径側の磁極群における磁石５は前記第１空隙面２０１に対してＮ極が対向するように、また内径側の磁極群における磁石５は、前記第２空隙面２０２に対してＳ極が対向するように着磁している。
【００２９】
また前記界磁鉄心Ｕ字状継鉄部８の底に相当する位置には、界磁巻線９を配置している。
【００３０】
また、前記磁石磁極５の空隙対向面積は前記非磁石の空隙対向面積よりも約２０％広くしている。
【００３１】
また前記電機子鉄心２は円環状に連接した電機子鉄心継鉄部２０３と、前記両面空隙に向かう歯状部２０５とを有し、前記継鉄部はその係合部２０４を有している。電機子巻線３はあらかじめコイル状に巻回成形された後に前記電機子鉄心継鉄部２０３に嵌装され、前記係合部にてこれらを一体的円環状電機子鉄心とし、電機子巻線は多相巻線に結線している。前記固定子歯状部は、内径側外径側とも２磁極ピッチの間に３個配置されており前記トロイダル巻線は２／３π短節巻線（集中巻線）に相当するものとなっている。
【００３２】
前記界磁鉄心Ｕ字状継鉄部８は、鉄板よりなるハブ１０に溶接固定されており、該ハブは締結ボルト１１、１２にてそれぞれトルクコンバータ１２と、クランクシャフト１３とに締結固定されている。
【００３３】
前記界磁巻線９の外周囲にあたる界磁鉄Ｕ字状継鉄部８には通風孔１５があり、また前記電機子巻線３の外周囲には通風孔１６と、通気用ファン１７がある。
【００３４】
次にこの第１実施例の作動について説明する。クランクシャフトの回転にともないハブが回転し、界磁鉄心Ｕ字状継鉄部とこれに固定された磁石磁極、非磁石磁極が回転して電機子鉄心に交番磁界を与えて、電機子巻線に電圧を誘導する。発電された電圧は、前記電機子巻線に接続された図示なき三相整流器に導かれて、直流に変換されて、車両の蓄電池に導かれ充電する。
【００３５】
界磁巻線９と電機子巻線３はともに通電に伴い発熱するが、前記界磁巻線３の外周囲の界磁鉄Ｕ字状継鉄部８に空いた通風孔１５，および前記電機子巻線の外周囲に空いた通風孔１６と通気用ファン１７とにより、図示の如く電機子巻線冷却風１８と界磁巻線冷却風１９とにより通風され、熱伝達によって前記両巻線は良好に冷却される。また前記のようにハウジング１の平坦部１０１に対して積層鉄板よりなる電機子鉄心２が取り付けられるとともに電機子巻線３の突出部すなわちエンドターン部が熱的に良好に接触しているので、前記電機子巻線は熱伝導によっても良好に冷却される。
【００３６】
前記蓄電池は、その充電量の増加に伴い電池の充電電圧が上昇するが、図示なき界磁電流調整器が、この電圧を検知して、前記界磁巻線の電流量を減少する。
【００３７】
これにより前記電機子巻線の発電量が減少する。また前記充電電圧が減少すると、前記界磁巻線の電流を増加して、前記電機子巻線の発電量を増す。
【００３８】
ここでさらに前記界磁電流の増減と、電機子巻線に鎖交する磁束量の増減すなわち発電量の調整について詳細説明する。
【００３９】
図２に示す横断面において電機子巻線３の囲む、鉄心継鉄部に着目して、ここを通過する磁束を説明する。図２において界磁巻線の電流の有無にかかわらず各永久磁石磁極は隣り合う各非磁石磁極に反対極性を発生させる。そのため、同一空隙面側の隣り合う異極と、他の空隙面側の異極との間に磁束の流れが生じ前記電機子巻線に鎖交するので弱い発電を行う。次に第１の空隙面２０１に対向する第１非磁石磁極６０１のＳ極性をより強めるように、また同時に第２空隙面２０２に対向する第１非磁石磁極のＮ極性をより強めるように図１に示す界磁巻線９に電流を通じることにより、図２中に非磁石磁極５１１から非磁石磁極６０１へと向かう実線で示すような磁束が流れて、前記の電機子巻線の磁束鎖交量は更に増加して、その結果発電量が増加する。またこれとは逆に、すなわち前記界磁巻線の電流を逆方向に流すと、前記非磁石磁極６０１から非磁石磁極５１１へと向かう破線で示すような磁束が流れて、前記の電機子巻線の磁束鎖交量を減少して、発電量が抑制される。このように界磁巻線の電流の向きを加減したり正負にきりかえることで発電量が零から極大まで制御可能となる。
【００４０】
以上のような構造とすることにより軸方向の寸法が小さくなり搭載が容易となりまた励磁電力が節減できるとともに電機子の銅損が少ないために効率がよく、永久磁石を利用しながら簡単な界磁電流制御で発電制御ができまた簡単な組み立てで大量生産に向く実用的なエンジン直結発電機が提供できることとなった。
【００４１】
本実施例の具体的試作例として、外径φ２８０ｍｍ，全長２０ｍｍにて、４２ｖ−１０ｋｗ（６００ｒｐｍ）、効率９３％となり、従来技術でのランデル型鉄心同期機での試作例（外径φ２８０ｍｍ，全長８０ｍｍにて、４２ｖ−６ｋｗ（６００ｒｐｍ）、効率８５％）に対して大幅に薄型かつ高出力、高効率となった。また前記のようにトロイダル巻線方式でありながら、鉄心をセグメント構造としたから、体格性能向上以外にも大掛かりで実質敷設困難な鍛造設備や、大型電機子鉄心打ちぬき巻き取り設備などを必要としないようになり、簡素な設備にて製造可能という量産性の面での効果も奏することはいうまでもない。
【００４２】
［第２の実施形態］
次に第二の実施例を図３に示す。前記第一実施例では電機子鉄心の内径と外径を空隙面としていたが、ここに示すものでは軸方向両端面をそれぞれ空隙面としている。このようにすると、特に軸方向制約が厳しく径方向に制約がゆるいケースにおいては空隙面積がよりおおきく拡大できることから、特に有用であることは明らかである。また図示していないが磁極や電機子鉄心歯状部は部分扇形状であり、コイルは第一実施例のように継鉄部ではなくこれら両面の歯状部に扇形状に旋回して巻装している。
【００４３】
［第３の実施形態］
前記第一実施例では、２磁極ピッチに対して電機子鉄心歯状部を３つとして、これらの継鉄部に電機子巻線を施した等価的に２／３π短節巻き（集中巻き）としたが、２磁極ピッチに対して電機子鉄心歯状部を６つとして、これらの継鉄部に電機子巻線を施しさらにこれらを三相結線すれば、短節巻きの双対結線とすることができ、電機子反作用の大きさと位相が分散できるために磁気騒音が減少できるという効果がある。
【００４４】
［第４の実施形態］
また図４には、整流回路が双方向のインバータとした発電電動機である。第一実施例と同様に電機子鉄心の内径と外径とを使うタイプであるが、電機子巻線は断面が略矩形状の平角導線からなり、これを捻ってセグメントコンダクターとしてスロットに軸方向から差込み、他方で溶接して連続巻線として形成している。この巻線は、２磁極ピッチに対して１２個の電機子鉄心歯状部に対して、電気角３０°の位相差を有する二組の三相回路を形成している。すなわち図５の如く結線することにより、二組の電気角位相差３０°の三相交流−直流双方向変換回路を構成して、これにより、三相の電機子反作用の形成する第三高調波の時間的磁気的歪みに基づく騒音を低減している。
【００４５】
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。
【００４６】
また上述の各実施例では回転子の表面に磁石を貼りつける仕様としているが、磁石の磁気回路中どこに設けるかは適宜変更できる。例えば磁束を集中するために全ての磁極には軟鉄磁極片を用いて、内奥部に磁石を配置したり、また回転子表面に磁石を貼りつけるにしても、その外周に遠心力拘束用のナイロン，カーボン繊維を巻装したり、非磁性ステンレス板を張り付けたり、複合磁性材料を用いて構成することも出来る。
【００４７】
［第５の実施形態］
また図６，図７，図８には、本案請求項５，請求項６，請求項９に対応する構成を実施した例を示している。すなわち前記界磁鉄心の略Ｕ字状部は、該Ｕ字部先端が更に内側に屈曲延長した「６」字状部分を有し、該延長部は前記電機子鉄心と空隙を介して対向するように構成しかつ前記「６」字状部の袋部に界磁巻線を設けており、このため界磁巻線が電機子鉄心の内径側に配置でき、したがって軸方向に張り出すこともなく軸方向が短縮できる。
【００４８】
また前記電機子鉄心は前記各面の１磁極ピッチについて６つの歯状部を有し、該歯状部間のスロットには巻線をトロイダル巻装しているので一つのスロットの巻線量が減りコイルエンド部で周方向に巻線が分散しやすいのでコイルエンドの集合が緩和されて軸方向が更に短縮できる。
【００４９】
また前記界磁鉄心の前記対向二面の少なくとも何れかには入口側幅狭のダブテイル状スロットを有する積層鉄心を設け、かつ前記スロットには磁石を挿入固定し、該磁石前記積層鉄心の一部または高電気抵抗かつ磁性を有する金属製の具体的には電磁ステンレス製のウェッジにより前記磁石のスロット入り口側が閉口された構成としている。
【００５０】
この積層鉄心だと鉄損が著しく少ないので、体格あたりの性能が改善され、必要性能が定まっている条件の下、軸方向がより扁平の回転機を提供できることとなる。
【００５１】
また積層鉄板だと磁石の収納位置の工作精度を出しやすくしたがって磁石特性が最適にし得て、もって必要性能が定まっている条件の下より軸方向が短い設計ができる。またスロットの入口側を狭くしたダブテイル状スロットして、磁石の飛び出しを金属部材で堅固に規制しているので、高速化また大径化しても遠心力に十分耐えられ高性能化できる。いいかえれば同一所望性能下で薄形軸短化が達成されることとなる。また電気抵抗の大きい、磁性ウェッジを介装しているため渦電流損を小さくできスロット脈動磁気損失も小さくできるという高効率化の効果があいまって、本願目的の薄形化（小型高性能化）が一層高レベルに達成されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となる第一実施形態の説明図である。
【図２】図１の内部詳細構造説明図である。
【図３】本発明となる第二実施形態の説明図である。
【図４】第四実施形態の構造説明図である。
【図５】第四実施形態の結線図である。
【図６】第五実施例の断面図である。
【図７】第五実施例の断面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、
２…電機子鉄心、
３…電機子鉄心、
４…永久磁石、
５…永久磁石磁極、
６…非永久磁石磁極、
７…界磁回転子鉄心、
８…界磁鉄心Ｕ字状継鉄部、
９…界磁巻線、
１０…ハブ、
１１、１４…締結ボルト、
１２…トルクコンバータ、
１３…クランクシャフト、
１５、１６…通風孔、
１７…通気用ファン、
１８電機子巻線冷却風、
１９…界磁巻線冷却風、
２０…界磁鉄心「６」字状部、
２１…積層鉄心、
２２…電磁ステンレスウェッジ。
【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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