(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記スロットに装備された複数の導体セグメントを接合してなる固定子巻線とを有する車両用交流発電機において、
前記導体セグメントは、それぞれが回転子のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した前記スロット内に収納される直線部と前記直線部を前記スロットの外部にて連結する斜行部とを有し、
前記スロット内の同じ深さ位置に複数の前記直線部が収納されているとともに、これら同じ深さ位置の複数の前記直線部につながる前記斜行部が、前記固定子鉄心の同一端面において同じ回転周方向に傾斜しており、
複数の前記導体セグメントを相互に接続する複数の接合部を有し、
前記スロット内の同じ深さ位置にある複数の前記導体セグメントは、前記固定子鉄心の同一端面側において接合されるそれぞれの前記端部の回転軸方向の長さが異なるとともに前記斜行部の回転周方向の長さが異なることで、回転軸方向に沿った前記接合部の端部位置を、周方向に隣接する前記接合部について異ならせることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１において、
前記導体セグメントは、前記スロット内に収納された前記直線部が、前記スロット形状に沿ったほぼ矩形の断面形状を有することを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機に用いられる固定子として、複数の導体セグメントを接合することにより形成された巻線を有するものが従来から知られている。例えば、ＷＯ９２／０６５２７には、Ｕ字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入した後に、反挿入側の端部同士を接合することにより巻線が形成された固定子が開示されている。この固定子は、連続した導体を巻いて巻線を構成する場合に比べて、規則的に配置された巻線が形成しやすいという特長がある。また、同じようにＵ字状の導体セグメントを用いて巻線が形成されているものとして、ＷＯ９８／５４８２３に開示された車両用交流発電機が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＷＯ９２／０６５２７に開示された車両用交流発電機においては、固定子鉄心の各スロットに挿入された導体は、異なるスロットに収納されたもの同士の端部が接合され、それぞれの接合部が固定子鉄心の形状に沿って円周方向に等間隔に並んで配置されている。例えば、各スロットには４本の導体が収容されており、一のスロットから同じ方向に延びた２本の導体の端部と、他のスロットから同じ方向に延びた２本の導体の端部とがそれぞれ接合され、この２つの接合部が円周方向に沿って一列に配置されている。このように、各接合部が円周方向に一列に配置されるため、接合部間の間隔が狭くなる。このため、２本の導体セグメントの端部同士を溶接してこの接合部を形成する場合に、溶接時に一時的に生じる溶融部分がその表面張力により隣接接合部間で連結しやすいという問題があった。
【０００４】
また、同じスロットから引き出される導体セグメントには同相の電流が流れるため、これらの各導体セグメントに対応して隣接配置される２つの接合部にも同相の電流が流れる。このため、流れる電流値の変化に応じて周期的に吸引力と反発力がこれらの接合部間に作用し、磁気的な騒音が増大するという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、隣接する接合部間の距離を確保することにより、接合時に生じる隣接接合部の連結を防止することができる車両用交流発電機を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、隣接する接合部間の距離を確保することにより、磁気的な騒音を低減することができる車両用交流発電機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明によれば、複数のスロットを持つ固定子鉄心と、前記スロットに装備された複数の導体セグメントを接合してなる固定子巻線とを有する車両用交流発電機の固定子において、複数の前記導体セグメントを相互に接続する複数の接合部を有し、回転軸方向に沿った前記接合部の端部位置を、周方向に隣接する前記接合部について異ならせている。これにより、隣接する各接合部間の距離を確保することができ、各接合部を溶接によって形成する際に、隣接する各接合部の溶融部分同士が表面張力によって連結することを防止することができる。
【０００８】
前記導体セグメントは、それぞれが回転子のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した前記スロット内に収納される直線部と前記直線部を前記スロットの外部にて連結する斜行部とを有し、前記スロット内の同じ深さ位置に複数の前記直線部が収納されているとともに、これら同じ深さ位置の複数の前記直線部につながる前記斜行部が、前記固定子鉄心の同一端面において同じ回転周方向に傾斜している。各スロット内の同じ深さ位置に収納されている複数の導体セグメントの斜行部が同じ回転周方向に傾斜しているため、この同じスロットに対応する複数の導体セグメントの接合部が回転周方向に並ぶことになるが、これらの各接合部の回転軸方向の位置が異なるように設定されているため、隣接する接合部間に作用する周期的な吸引力を低減することができ、磁気的騒音の発生を低減することができる。
【０００９】
前記スロット内の同じ深さ位置にある複数の前記導体セグメントは、前記固定子鉄心の同一端面側において接合されるそれぞれの前記端部の回転軸方向の長さが異なるとともに前記渡り部の回転周方向の長さが異なっている。これにより、スロットから同じ回転周方向に出る複数の渡り線の先端部分としての接合部の位置を回転周方向にずらすとともに、その回転軸方向の位置を隣接する各接合部について異ならせることが容易となる。
【００１０】
請求項２に記載された発明によれば、前記導体セグメントは、前記スロット内に収納された前記直線部が、前記スロット形状に沿ったほぼ矩形の断面形状を有している。これにより、スロット内で導体セグメントの周囲に形成される隙間を減らすことができるため、高いスロット収容占積率を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、整流器５等を含んで構成されている。
【００１３】
固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子巻線２１を構成する２種類の導体セグメント２３、１２３と、固定子鉄心２２と各導体セグメント２３、１２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。固定子２の詳細な構造については後述する。
【００１４】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン３６が溶接等によって取り付けられている。また、回転軸３３のリヤ側端部近傍には、界磁巻線３１の両端に電気的に接続された２つのスリップリング３７、３８が形成されており、これらのスリップリング３７、３８を介してブラシ装置７から界磁巻線３１に対して給電が行われる。
【００１５】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線２１のコイルエンドに対向した部分に冷却風の吐出窓４１を有し、軸方向端面に吸入窓４２を有している。
【００１６】
上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁されて回転子３の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成されるため、固定子巻線２１に三相交流電圧を発生させることができ、整流器５の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。
【００１７】
次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図である。図２に示しように、固定子鉄心２２は複数のスロット２５を有しており、各スロット２５には多相の固定子巻線２１が収容されている。本実施形態では、回転子３の磁極数に対応して、三相の固定子巻線２１を収容するように、３６個のスロット２５が回転周方向に等間隔に配置されている。また、複数のスロット２５のそれぞれには、４本の電気導体が収容される。一のスロット２５内の４本の電気導体は、固定子鉄心２２の径方向（奥行き方向）と周方向のそれぞれに二列ずつ配置されている。
【００１８】
図３は、固定子巻線２１を構成する一方の導体セグメント２３の詳細形状を示す斜視図である。また、図４は固定子巻線２１を構成する他方の導体セグメント１２３の詳細形状を示す斜視図である。
【００１９】
図３に示す一方の導体セグメント２３は、ターン部２８において導体が折り返されたほぼ矩形断面を有するＵ字状に形成されており、スロット２５内に収容される直線部２３ａ、２３ｂと、スロット２５の外部に配置されて回転周方向に沿って傾斜した斜行部２６とを有している。また、この導体セグメント２３において、ターン部２８と反対側の端部は、回転子３のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した他のスロット２５に収納されている導体セグメント２３の端部同士を溶接等によって接合するために用いる接合部２７となる。このように、導体セグメント２３には、２つの直線部２３ａ、２３ｂが含まれており、一方の直線部２３ａがスロット２５の内層側に配置されて、図２に示したスロット２５内の内層側の反時計回り方向側に配置された一方の電気導体となる。また、他方の直線部２３ｂがスロット２５の外層側に配置されて、図２に示したスロット２５内の外層側の反時計回り方向側に配置された一方の電気導体となる。
【００２０】
なお、図２において、一のスロット２５内に収納される２つの直線部２３ａ、２３ｂは、回転子３のＮＳ磁極ピッチに対応して離間した各スロット２５に収納された２つの異なる導体セグメント２３に対応したものであるため、一方の直線部には２３ｂ′の符号を付して表している。また、図３において、「Ｌ」は導体セグメント２３の反ターン部側に形成された２つの接合部２７の回転周方向に沿った距離であり、回転子３のＮＳ磁極ピッチの２倍に一致する。「Ｌ１」は導体セグメント２３の２つの直線部２３ａと２３ｂの回転周方向に沿った距離であり、回転子３のＮＳ磁極ピッチに一致する。また、「Ｌ２」は内層側の直線部２３ａとこれにつながる反ターン部側の一方の接合部２７間の回転周方向に沿った距離であり、「Ｌ３」は外層側の直線部２３ｂとこれにつながる反ターン部側の他方の接合部２７との間の回転周方向に沿った距離である。
【００２１】
同様に、図４に示す一方の導体セグメント１２３は、ターン部１２８において導体が折り返されたほぼ矩形断面を有するＵ字状に形成されており、スロット２５内に収容される直線部１２３ａ、１２３ｂと、スロット２５の外部に配置されて回転周方向に沿って傾斜した斜行部１２６とを有している。また、この導体セグメント１２３において、ターン部１２８と反対側の端部は、異なるスロット２５に収納されている導体セグメント１２３の端部同士を溶接等によって接合するために用いる接合部１２７となる。このように、導体セグメント１２３には、２つの直線部１２３ａ、１２３ｂが含まれており、一方の直線部１２３ａがスロット２５の内層側に配置されて、図２に示したスロット２５内の内層側の時計回り方向側に配置された他方の電気導体となる。また、他方の直線部１２３ｂがスロット２５の外層側に配置されて、図２に示したスロット２５内の外層側の時計回り方向側に配置された他方の電気導体となる。
【００２２】
なお、図２において、一のスロット２５内に収納される２つの直線部１２３ａ、１２３ｂは、異なる導体セグメント１２３に対応したものであるため、一方の直線部には１２３ｂ′の符号を付して表している。また、図４において、「Ｌ」は導体セグメント１２３の反ターン部側に形成された２つの接合部１２７の回転周方向に沿った距離であり、回転子３のＮＳ磁極ピッチの２倍に一致する。「Ｌ１′」は導体セグメント１２３の２つの直線部１２３ａと１２３ｂの回転周方向に沿った距離であり、回転子３のＮＳ磁極ピッチに一致する。また、「Ｌ２′」は内層側の直線部１２３ａとこれにつながる反ターン部側の一方の接合部１２７間の回転周方向に沿った距離であり、「Ｌ３′」は外層側の直線部１２３ｂとこれにつながる反ターン部側の他方の接合部１２７との間の回転周方向に沿った距離である。
【００２３】
図５は、導体セグメントが固定子鉄心２２に装備された状態を示す斜視図であり、内径側から見た形状が示されている。上述したように、導体セグメント２３の一方の直線部２３ａと導体セグメント１２３の一方の直線部１２３ａは、同じスロット２５内の内層側において回転周方向に沿って重ねて配置されており、これらの各直線部２３ａ、１２３ａから内層側の接合部２７、１２７に向かって延びる斜行部２６、１２６が、図５において内径側からみて左上方に向かって形成されている。また、導体セグメント２３の他方の直線部２３ｂと導体セグメント１２３の他方の直線部１２３ｂは、同じスロット２５内の外層側において回転周方向に沿って重ねて配置されており、これらの各直線部２３ｂ、１２３ｂから外層側の接合部２７、１２７に向かって延びる斜行部２６、１２６が、図５において内径側からみて右上方に向かって形成されている。
【００２４】
ところで、図３および図４に示した２種類の導体セグメント２３、１２３において、接合部２７と接合部１２７等の間には以下の関係がある。
【００２５】
Ｌ１＝Ｌ１′
Ｌ２＞Ｌ３
Ｌ２′＜Ｌ３′
Ｌ２＞Ｌ２′
Ｌ３＜Ｌ３′
すなわち、一方の導体セグメント２３から接合部２７に向かって延びる斜行部２６は、内層側の斜行部２６の周方向の長さ（Ｌ２）の方が、外層側の斜行部２６の周方向の長さ（Ｌ１）よりも大きな値に設定されており、各接合部２７は、外層側の直線部２３ｂに近い位置に偏心して配置される。また、他方の導体セグメント１２３から接合部１２７に向かって延びる斜行部１２６は、内層側の斜行部１２６の周方向の長さ（Ｌ２′）の方が、外層側の斜行部１２６の周方向の長さ（Ｌ３′）よりも小さな値に設定されており、各接合部１２７は、内層側の直線部１２３ａに近い位置に偏心して配置される。したがって、図５に示すように、２種類の導体セグメント２３、１２３のそれぞれの接合部２７、１２７は、固定子鉄心２２の一方の端面側において、円環状に交互にずれた状態で配置され、これらの間に所定の隙間が形成される。なお、等間隔に接合部２７、１２７を交互に配置する場合には、Ｌ２−Ｌ２′＝Ｌ１／６（＝Ｌ１′／６）あるいはＬ３′−Ｌ３＝Ｌ１／６（＝Ｌ２′／６）を満たす必要がある。
【００２６】
また、上述した交互に配置される各接合部２７、１２７は、回転軸方向に沿った固定子鉄心２２の端面からの位置（高さ）が異なっており、互いに隣接する接合部２７と１２７とが離間して配置されている。例えば、図５に示すように、一方の接合部２７の高さの方が、他方の接合部１２７の高さよりも低く設定されている。但し、本発明においては、隣接する接合部２７、１２７のそれぞれの高さを異ならせることが重要であるため、図５に示した場合とは反対に、接合部２７の高さを接合部１２７の高さよりも高く設定してもよい。
【００２７】
上述した導体セグメント２３、１２３を用いて固定子巻線２１を形成する手順は以下のようになる。まず、図３および図４のそれぞれに点線で示したような接合部２７、１２７側の斜行部２６、１２６が形成されていない状態の２種類の導体セグメント２３′、１２３′を用意する。そして、これらの導体セグメント２３′、１２３′のターン部２８、１２８と各直線部２３ａ、２３ｂ、１２３ａ、１２３ｂを持ちながら、これらを周方向に重ねた状態で、回転軸方向から磁極ピッチだけ離れた固定子鉄心２２の２つのスロット２５に挿入する。
【００２８】
この挿入作業の後、固定子鉄心２２の一方の端面から突出した導体セグメント２３、１２３の外層側の端部を所定の周方向に折り曲げて、外層側の斜行部１２６、２６を形成する。また、同時にあるいはこの工程と前後して、固定子鉄心２２の一方の端面から突出した導体セグメント２３、１２３の内層側の端部を外層側とは反対の周方向に折り曲げて、内層側の斜行部２６、１２６を形成する。
【００２９】
この結果、図５に示すように、固定子巻線２１のコイルエンドを形成する内層の斜行部２６、１２６と外層の斜行部２６、１２６がそれぞれ周方向に沿った逆向きに傾斜するように配置される。その後、図６に示す巻線仕様図にしたがって、ターン部２８、１２８側のコイルエンドに反転渡り線３３１を配置した後、内層側の接合部２７、１２７あるいは外層側の接合部２７、１２７を、溶接や半田付けなどによって電気的に接合し、スロット２５当たり４本の電気導体を有する固定子巻線２１が形成される。
【００３０】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、図５に示すように、固定子巻線２１の反ターン部側の各コイルエンドにおいて、同一のスロットから延びる２つの導体セグメント２３、１２３の各接合部２７、１２７を回転周方向に沿って所定の隙間を形成するように交互に配置しており、しかもこれらの各接合部２７、１２７の回転軸方向に沿った高さを異ならせているため、隣接する接合部２７と１２７をさらに遠ざけることができる。このため、２本の導体セグメント２３、１２３の端部同士を溶接してこれら接合部２７、１２７を形成する場合に、溶接時に一時的に生じる溶融部分がその表面張力により隣接接合部間で連結することを防止することができる。
【００３１】
また、隣接する接合部２７と１２７とを互いに遠ざけることにより、これらの間に周期的に作用する吸引力を弱めることができるため、この周期的に作用する力によって生じる磁気的な騒音を低減することができる。図７、図８、図９は、接合部による磁気的な騒音の発生を説明するための図である。図７に示すように、同じスロットから２本の導体セグメントの斜行部が延びて、その端部である接合部の高さが同じである場合（従来例に対応する）には、接合部において実際に連結された箇所の横断面（図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面）をみると、同じスロットに収納された２本の導体セグメントに同相の交流電流が流れるので、図８に示すように常に同じ向きに電流が流れ、矢印ａで示す向きに電流値に比例した吸引力が働く。しかも、交流電流は同相で変化するので、吸引力が最大となり、吸引力ゼロと最大を繰り返すので、磁気的な騒音が大きくなる。なお、接合部以外の接近箇所、例えば接合部の連結部分よりも固定子端面に近い箇所の横断面（図７のＩＸ−ＩＸ線断面）を見ると、逆方向の電流により、図９に矢印ｂで示す吸引力と矢印ｃで示す反発力が同時に作用することになるため、接合部同士が接近する場合に比べると、磁気的な騒音は小さい。したがって、本実施形態で説明したように、隣接する接合部２７、１２７の高さ位置を交互に変えることによって、図８において矢印ａで示される同相の電流が流れる間隔を離すことができ、周期的に発生する吸引力を低減することができる。
【００３２】
さらに、図２に示すように、各導体セグメント２３、１２３の断面を矩形形状に形成することにより、スロット２５内の占積率を高めることができるため、固定子巻線２１の抵抗値を低減し、発電能力を向上させることができる。しかも、連続巻線を用いずに導体セグメント２３、１２３を用いることにより、上述した高占積率化に加えて、コイルエンド間の隙間を形成する工程を簡略化でき、固定子２の製造コストを低減することができる。
【００３３】
ところで、上述した実施形態では、スロット２５内に収容された電気導体は、深さ方向に二列（内層、外層）および回転周方向に二列であり、合計で４本が一のスロット２５に収容されている場合を説明したが、要求出力等に応じてスロット２５の深さ方向や回転周方向のそれぞれの電気導体数を変更するようにしてもよい。
【００３４】
また、上述した実施形態では、Ｕ字状の導体セグメント２３、１２３を用いたが、図１０に示すように、ターン部を有しないほぼＪ字状の導体セグメント２２３を用い、これを固定子鉄心の軸方向から直線部２２３ｈをそろえて挿入し、挿入した先端部側を所定の周方向に傾斜させるようにしてもよい。この場合には、同一スロットに収容され、斜行部が同じ周方向に傾斜した複数の導体セグメントにおいて、その両端部である各接合部の周方向の位置をずらすとともに、回転軸方向の位置をずらすことにより、固定子鉄心の各端面に円環状に並ぶ各接合部について、周方向に隙間を形成するとともに交互に高さ位置を変えることができる。また、導体セグメント２２３の形状がＵ字状よりも単純化されるので、導体セグメント自体の製造工程が簡略化され、固定子の製造コストを低減することができる。
【００３５】
また、上述した実施形態では、図２に示すような固定子鉄心２２の各スロット２５に、回転軸方向に沿って反ターン部側に斜行部を有しない導体セグメント２３′、１２３′を挿入し、その後挿入の先端側を整形して図３および図４に示す導体セグメント２３、１２３を完成させたが、図１１および図１２に示すように、固定子鉄心１２２の各歯先先端部１２４に径方向に沿った突起部１３０あるいは１３２を形成することにより、スロット１２５の内周側開口部の周方向の幅を、スロット１２５内部の周方向の幅と同じに設定してもよい。このような固定子鉄心１２２を用いた場合には、内径側からＵ字状あるいはＪ字状の各導体セグメント２３、１２３を挿入した後に、各歯先先端部１２４の突起部１３０、１３２を周方向に曲げればよいため、スロット１２５に収納する前に、図３および図４に示したようなターン部と反ターン部の両方に斜行部を有する導体セグメント２３、１２３を製造することができ、固定子鉄心の各スロットに挿入した後に整形する場合に比べて製造工程の簡略化が可能になる。また、スロット１２５に導体セグメント２３、１２３を挿入した後に、径方向から加圧して各導体セグメント２３、１２３のスロット１２５内の直線部をスロット形状に合わせて変形することも可能になるため、さらにスロット１２５内の占積率を高めて出力向上を図ることができる。
【００３６】
また、上述した実施形態では、隣接する各接合部２７、１２７を遠ざけることにより、磁気的な騒音を低減するようにしたが、例えば振動抑制用の樹脂カバーで各接合部２７、１２７を覆う等のこれ以外の磁気的騒音対策を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】固定子の部分的な断面図である。
【図３】固定子巻線を構成する一方の導体セグメントの詳細形状を示す斜視図である。
【図４】固定子巻線を構成する他方の導体セグメントの詳細形状を示す斜視図である。
【図５】導体セグメントが固定子鉄心に装備された状態を示す斜視図である。
【図６】固定子の巻線仕様図である。
【図７】接合部による磁気的な騒音の発生を説明するための図である。
【図８】図７に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図において、作用する力の方向を示す図である。
【図９】図７に示すＩＸ−ＩＸ線断面図において、作用する力の方向を示す図である。
【図１０】導体セグメントの他の例を示す斜視図である。
【図１１】固定子の変形例を示す部分的な断面図である。
【図１２】固定子の他の変形例を示す部分的な断面図である。
【符号の説明】
１  車両用交流発電機
２  固定子
３  回転子
４  フレーム
２１  固定子巻線
２２  固定子鉄心
２３、１２３  導体セグメント
２４  インシュレータ
２５  スロット
２７、１２７  接合部
２８、１２８  ターン部
【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】
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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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