(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の励磁コイルと、電磁鋼板を積層して形成された複数のティースと略円筒形のヨークを有する鉄心からなる回転電機のステータの製造方法において、巻線治具を用いて表面絶縁層を有する巻線を巻回し所定の形状に成形して励磁コイルを形成し、複数個のこれら励磁コイルを略円筒形の型枠の中に周方向に並べて配置し、空芯部に型治具を挿入し、型枠内に絶縁性樹脂を流し込み固化させてから、型治具および型枠を取り外すことによって、空芯部にティース挿入孔を有する複数の励磁コイルを内蔵した励磁コイルブロックを形成し、このティース挿入孔に積層した電磁鋼板を挿入し、周方向で隣接する電磁鋼板を、接合あるいは電磁鋼板を介して接合して、ヨークを形成し、固定枠を装着して励磁コイルブロックと鉄心を固定することを特徴とする回転電機のステータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機または発電機のステータの構造および製造法に関するものであり、より具体的には、ステータの鉄心と励磁コイルを分離し、励磁コイルを鉄心より先に組み立てることにより、製造工程、鉄損特性および、鉄心と励磁コイルのリサイクル性を改善できるステータ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、電動機を構成するためにステータ構造としては、
（１）鉄心を形成した後に、各鉄心のティース先端間に形成された隙間から励磁コイルをスロットに挿入してティースに励磁コイルを巻回する構造や
（２）複数に分割された分割鉄心のティースに励磁コイルを巻回した後に、分割鉄心を組み立てて接合面を溶接あるいは接着で固定する構造がある。
（１）の方法では、励磁コイルを狭い隙間からスロットに挿入するため、励磁コイルの充填効率が低く、銅損が大きくなるという問題がある。さらに、分解に際しては、励磁コイルは結果として鉄心のティース間に圧入されているため、鉄心と励磁コイルを分離回収することが困難であり、リサイクル性に乏しいという問題がある。
（２）の方法では、巻線の充填効率は高いが、分割鉄心は剛性が低く、振動が出やすいというという問題がある。また、分解に際しては、励磁コイルは結果としてティースに固定されているため、鉄心と励磁コイルを分離回収することが困難であり、リサイクル性に乏しいという問題がある。
【０００３】
他のステータを構造として、特開昭６２−１１８７３３号公報、特開平５−２５２７００号公報、特開平６−２２５０８号公報には例えば、図１２（ａ）に示すように、ヨーク部ａと互いの間に空隙を存した状態の４個のティース部ｂを分離可能に接合してステータ鉄心を形成し、ヨーク部ａとティース部ｂ間の隙間に樹脂モールド成形を施して励磁コイル巻装用の巻枠部ｃを備えたモールド部ｄを形成し、図１２（ｂ）に示すように、ヨーク部から分離してから巻枠部ｃに励磁コイルｅを巻装し、図１２（ｃ）に示すように、巻枠部ｃに励磁コイルｅを巻装したモールド部ｄと結合状態のティース部ｂをヨーク部ａに再接合することによって得られるステータ構造も提案されている。
しかし、これらのステータ構造では、励磁コイルは結果として鉄心に固定されているため、励磁コイルと鉄心に分離回収が困難でリサイクル性に乏しいという問題がある。また、ステータ鉄心を形成するティースとヨークを分離、再接合する構造であるため、嵌合や、溶接やカシメが必要であり、この際に鉄心にかかる応力や、積層間短絡により鉄損が増加しやすいなどの問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電動機あるいは発電機のステータに関わり、鉄心と励磁コイルの分離回収を容易にして、そのリサイクル性を改善するとともに、励磁コイルと鉄心の組み立てを容易にし、かつ鉄心に対する応力を最小とすることによって鉄心性能が優れた、コンパクトなステータの構造および、このステータの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、下記（１）を要旨とするものである。
（１）複数の励磁コイルと、電磁鋼板を積層して形成された複数のティースと略円筒形のヨークを有する鉄心からなる回転電機のステータの製造方法において、巻線治具を用いて表面絶縁層を有する巻線を巻回し所定の形状に成形して励磁コイルを形成し、複数個のこれら励磁コイルを略円筒形の型枠の中に周方向に並べて配置し、空芯部に型治具を挿入し，型枠内に絶縁性樹脂を流し込み固化させてから、型治具および型枠を取り外すことによって、空芯部にティース挿入孔を有する複数の励磁コイルを内蔵した励磁コイルブロックを形成し、このティース挿入孔に積層した電磁鋼板を挿入し、周方向で隣接する電磁鋼板を、接合あるいは電磁鋼板を介して接合して、ヨークを形成し、固定枠を装着して励磁コイルブロックと鉄心を固定することを特徴とする回転電機のステータの製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、鉄心に励磁コイルを巻くという概念を変えて、励磁コイルを先に組み立ててブロック化し、この励磁コイルブロックに鉄心をはめ込むという、逆転の発想に基づくものであり、ステータの組み立てを容易とするとともに、鉄心にかかる応力を最小として鉄損の劣化を防ぎ、かつ、ステータの剛性および抜熱特性を確保するとともに、リサイクル時の鉄心と励磁コイルの分離を容易にすることを可能にするものである。
本発明のステータの構造においては、励磁コイル側では、予め成形された複数の励磁コイルを周方向に配置して、空芯部に鉄心のティース挿入孔を設けて、電気絶縁性を有する樹脂を介してブロック状に一体化成形するものである。
このようにして励磁コイルを形成する場合には、鉄心に歪を与えることなく巻線の充填率および成形性を向上することができ、銅損を低減させるとともに励磁コイルの剛性と熱伝導性を向上させることができる。また、巻線および結線を鉄心組み込み前に行ない、樹脂成形で１個の部品とすることができるため、ステータの組み立て作業効率も改善できる。
励磁コイルを形成する巻線は表面に絶縁層を有する必要があるが、断面形状は円形に限らず角形にすることもできる。成形樹脂が巻線の間に侵入することにより、励磁コイルの剛性と熱伝導性を改善することが出来る。また、励磁コイルブロックを形成する際に、励磁コイルとともに特定の電気位相のティースに巻回したロータ磁極位置検出コイルを一体化して、電動機のセンサレス制御に活用することができる。
【０００９】
一方、鉄心は、電磁鋼板を積層して形成された複数のティースと略円筒形のヨークからなり、前記の励磁コイルブロックのティース挿入孔に、略Ｔ字型の電磁鋼板を挿入し、隣接するティース挿入孔に挿入された電磁鋼板と、励磁コイルブロックの外部で周方向に連結してヨークを形成するものである。
鉄心を構成する電磁鋼板には、公知の鋼板を使用できるが、方向性電磁鋼板などの磁気異方性を有する鋼板を用いる場合には、鋼板の磁化容易方向を鉄心内の磁束の流れる方向と揃えるが好ましい。電磁鋼板の形状は、ティース挿入孔に挿入した時にティースの先端位置が揃うように、励磁コイルブロックの外部に残る部分の幅がティース幅よりも広い略Ｔ字型をなす。ステータの組み立て作業効率の点からは、ティース挿入孔に電磁鋼板を挿入する前に、電磁鋼板を任意の枚数で、ティースの幅方向およびティースの先端が揃うように積層しておくことが好ましいが、鉄心性能に悪影響を与える懸念のある溶接、嵌合、カシメなどの方法を避け、電磁鋼板の積層間は軽度に接合しておくことが好ましい。
ティースおよびヨークの形状は任意の形状、例えば公知の形状を選択することができるが、ティース挿入孔への充填効率を上げるためには、ティースは均一幅あるいはティースの基部からロータに対向する先端に向かい細くなる形状が好ましい。ヨークは、励磁コイルブロックのティース挿入孔に挿入した略Ｔ字型の電磁鋼板が、励磁コイルブロックの外部で、周方向で隣接する電磁鋼板と直接接合してもよいし、間に形状の異なる電磁鋼板を介して接合させて磁気的に連結してもよい。
電磁鋼板の接合は、基本的には、ヨークをステータの半径方向、すなわちティースの先端の反対方向から噛み合わせて接合するものであり、この接合を容易にするために、接合線の角度は接合部を挟み隣接する電磁鋼板のティースのなす角度の間にあることが好ましい。
【００１０】
周方向に隣接する電磁鋼板の接合方法としては、基本的には、鉄心性能に悪影響を与える懸念のある溶接、嵌合、カシメなどの方法を避け、接合を簡易にし、かつ安定させて接合部における励磁電流の形成を円滑にするために、電磁鋼板の接続位置を積層方向に階段状にずらして配置し、この位置を積層方向で繰り返して、隣接し周方向に相対する鋼板との間で重なり部を形成するステップラップ接続が好ましい。この際、鉄心の剛性を向上させ、振動の発生を防止するためには、電磁鋼板の接合に接着を併用することが好ましいが、解体の際の分離が困難にならないように軽接着にすることが好ましい。
渦電流により鉄損を増加させるため、励磁コイルが電磁鋼板と接する部分は絶縁膜を形成することが好ましい。この絶縁膜の形成は、筒状の絶縁性樹脂を励磁コイルの空芯の内面に配置することでもよいし、成形時に樹脂を空芯部の内面に充填されるようにしてもよい。
ティース挿入孔と電磁鋼板の密着性を高め、振動の発生を防止し、熱伝導性を向上させるために、樹脂などの充填物により空隙を埋めることが好ましい。鉄心の端面での電気的短絡を防止するため、充填物には電気絶縁性を有することが好ましい。
このようにしてティース挿入孔に電磁鋼板を挿入し、励磁コイルブロックの外部で電磁鋼板を連結した後、外側に固定枠を装着して、励磁コイルブロックと鉄心を互いに固定し、ステータを形成することができる。固定枠の形状および装着方法は、解体の際の分解方法を考慮したものが好ましい。
この固定枠を介して、ステータをロータの軸受けを含む回転電機の構造体に着脱可能に装着することができる。固定枠を励磁コイルブロックおよび鉄心に接触させ、固定枠に水冷パイプあるいは空冷フィンなどの冷却促進機能を付与することにより、ステータからの抜熱を容易にすることができる。
【００１１】
本発明のステータの製造方法としては、例えば、以下のような製造方法がある。
（１）．鉄心のティースに合わせたサイズに形成した巻線治具に絶縁筒（樹脂膜）を介して、表面絶縁層を有する電導線を巻回し、所定の形状に成形した後に巻線治具から絶縁筒とともに励磁コイルを取り外し、このようにして作成した複数個の励磁コイルを略円筒形の型枠の中に周方向に並べて配置し、空芯部に型治具を挿入し、型枠内に絶縁性樹脂を流し込み固化させてから、型治具および型枠を取り外すことによって、空芯部にティース挿入孔を有する複数の励磁コイルを内蔵した励磁コイルブロックを形成し、このティース挿入孔に、積層した電気鋼板を挿入し、周方向で隣接する電磁鋼板を直接接合あるいは電磁鋼板を介して接合してヨークを形成し、固定枠を装着して励磁コイルブロックと鉄心を固定する方法。
（２）．鉄心のティースよりわずかに断面が大きい形状の巻線治具に表面絶縁層を有する電導線を巻回し、所定の形状に成形した後に巻線治具から励磁コイルを引き抜き、このようにして作成した複数個の励磁コイルを略円筒形の型枠の中に周方向に並べて配置し、空芯部に樹脂が入るスペースを確保する絶縁性樹脂スペーサを介して型治具を挿入し、型枠内に絶縁性樹脂を流し込み固化させてから、型治具および型枠を取り外すことによって、空芯部にティース挿入孔を有する複数の励磁コイルを内蔵した励磁コイルブロックを形成し、このティース挿入孔に、積層した電気鋼板を挿入し、周方向で隣接する電磁鋼板を直接接合あるいはさらに異なる電磁鋼板を介して接合してヨークを形成し、固定枠を装着して励磁コイルブロックと鉄心を固定する方法。
がある。
【００１２】
なお、本発明のステータ構造は、解体する場合には、例えば固定枠を外し、ロータを外した後のロータ配置空間に、流体圧で進退動作する押圧体を、励磁コイルブロックのティース挿入孔に挿入されているティースの先端位置に対応して放射状に配置した押圧装置によって、ティースを内側から押し出して鉄心を励磁コイルブロックから容易に分離して回収することができる。また、鉄心と分離された励磁コイルブロックは別途、公知の方法などにより樹脂層と分離して、巻線を容易に回収することができる。
【００１３】
【実施例】
本発明のステータ構造の実施例について、図１〜図３に基づいて説明する。
この実施例１は、励磁コイル２と、積層した電磁鋼板で打ち抜いて形成したティース６ｔとヨーク６ｙからなるステータ鉄心６で形成された、同期型の電動機のステータ構造において、本発明を適用した場合のものである。
図１（ａ）、（ｂ）において、１は励磁コイルブロックで、中心部にロータ（図示省略）配置空間７を有するものであり、平面がドーナツ型に形成されたものである。この励磁コイルブロック１は、空芯部に電磁鋼板６のティース部６ｔを挿入するティース挿入孔４を形成した複数の励磁コイル２を放射状に並べて、絶縁性樹脂３を介してブロック状に形成したものである。ティース挿入孔４の孔面には、ティース部６ｔを挿入したときに励磁コイル２と短絡を生じないように絶縁膜５を形成している。
この励磁コイルブロック１のティース挿入孔４にティース部６ｔを挿入する電磁鋼板６は、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ティース幅とティース先端を揃えて積層され、積層端面から接着液を浸透させ、軽度に接着されている。
【００１４】
この電磁鋼板６は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、励磁コイルブロック１に形成した各励磁コイル２のティース挿入孔４に、それぞれ、ティース部６ｔ部を挿入し、隣接するヨーク部６ｙを接合することにより、励磁コイルブロック１とステータ鉄心６を結合するものである。ティース挿入孔４にティース部６ｔを挿入する際にティース部６ｔとティース挿入孔４の孔面の絶縁膜５との間の空隙には絶縁性樹脂３を充填し、ティース挿入孔４とティース部６ｔの密着性を高め、振動の発生を防止し、熱伝導性を向上させるようにしている。
周方向で隣接するヨーク部６ｙの接合方法としては、ここでは、図４（ｃ）に示すように、電磁鋼板の接続位置を積層方向に階段状にずらして配置し、この位置を積層方向で繰り返して、積層方向で隣接し周方向に相対する鋼板との間で重なり部を形成するようにしたステップラップ接合を採用している。このような接合方法にすることによって、接合を容易にし、かつ接合を安定させて接合部における励磁電流の形成を円滑にすることができる。
このようにして、励磁コイルブロック１と電磁鋼板６を固定してステータ構造を得ることができるが、構造体としての剛性、回転電機の構造体に対する装着性能をより安定的にするために、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、外側に固定枠８を組み立てることが望ましい。固定枠は励磁コイルブロックに固定されるとともに、鉄心を固定する機能を持つ。また、固定枠に水冷管１６を組み込むことによりステータからの抜熱性能を向上させることができる。
【００１５】
本発明のステータの製造方法例について、図６〜図９に基づいて説明する。
まず、励磁コイルブロック１の製造方法例について説明する。図６（ａ）、（ｂ）において、９は励磁コイルブロック１を得るための型枠で、下枠９ａと上枠９ｂからなり、下枠９ａと上枠９ｂにそれぞれティース挿入孔４を形成するための型治具１０をセットする孔部が周方向に複数設けられており、下枠９ａと上枠９ｂに形成した孔部には、励磁コイル２の空芯部に絶縁膜５を介して型治具１０が通るようにセットされ、型枠９内に絶縁性樹脂３を流し込んで固化させる。この型治具１０は、樹脂が固化した後のティース挿入孔の形状が積層された電磁鋼板６のティース部６ｔと略同じ断面となるように形状が調整されており、樹脂が型離れし易い表面性状を持つものである。
励磁コイルは、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す巻線治具１１を用いて巻線が巻回され、巻線の充填率が高く、かつ励磁コイルブロックに配置された時に隣接する励磁コイルが互いに干渉しないような形状に整形される。巻線治具１１から外された励磁コイル２は、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような形状に整形され、空芯部に絶縁膜５を設置される。
【００１６】
型枠９内に絶縁性樹脂３を流し込んで固化させた状態から、型治具１０を、絶縁膜５を残して型枠９から引き抜き、型枠９を取り外すことにより、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような空芯部にティース挿入孔４を有する複数の励磁コイル２を内蔵した励磁コイルブロック１を形成することができる。
このようにして得られた励磁コイルブロック１に、図２〜図５に示すように、電磁鋼板６のティース部６ｔを挿入し、周方向で隣接するヨーク部６ｙを接合し、固定枠８を組み立てることによって、ステータを製造することができる。
【００１７】
なお、本発明のステータ構造においては、解体する場合に、例えばロータ（図示省略）を外し、固定枠８を外した後のロータ配置空間７に、図９に示すような、流体圧で進退動作する押圧体１４および押圧装置１５により、励磁コイルブロック１のティース挿入孔４に挿入されているティース部６ｔを押し出して、電磁鋼板６を励磁コイルブロック１から容易に分離して回収することができる。また、励磁コイル２は別途、公知の方法などにより絶縁性樹脂層３と分離して容易に回収することができる。
【００１８】
なお、ここでは、励磁コイルブロック１の隣接するティース挿入孔４に挿入した電磁鋼板６のヨーク部６ｙが励磁コイルブロック１の外部で接合してヨークを形成したが、例えば、図１０に示すように、さらに異なる電磁鋼板６ｙ′を介して連結しヨークを形成するようにしてもよい。図１０では、電磁鋼板６ｙ′は４個の電磁鋼板６に接続しているが、接続する電磁鋼板の数を限定するものではない。
なお、本発明は、実施例１に限定されるものではない。例えば実施例１では、インナーロータ型の同期型電動機のステータとして適用したものであるが、図１１（ａ）、（ｂ）に示すようなアウターロータ方の同期電動機のステータとしても適用可能であり、また、他の形式の電動機や、発電機のステータとしても適用可能である。
また、励磁コイルブロックの形状および製造方法（型枠、治具などを含む、巻線の断面形状および径、励磁コイルの形状、配置、電磁鋼板のティース部とヨーク部の形状と接合構造、固定枠構造、励磁コイルとステータ鉄心の解体方法などについては、電動機や発電機の形式、容量などに応じて、請求項を満足する範囲内で変更のあるものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明においては、予め、空芯部に鉄心のティース挿入孔を形成した複数の励磁コイルを周方向に配置して絶縁性樹脂を介してブロック状に形成し、この励磁コイルブロックのティース挿入孔に電磁鋼板を挿入してステータを形成するため、解体時に励磁コイルブロックから電磁鋼板を引き抜くことで、電磁鋼板（鉄）と励磁コイル（銅）の分離回収が容易であり、そのリサイクル性を改善することができる。
また、鉄心と励磁コイルブロックが絶縁性樹脂層を介して剛性が強化され、鉄心に対する応力を励磁コイルブロックに分散させることによって鉄心性能に優れた、コンパクトなステータ構造を実現可能であり、振動や騒音を低減するとともに、励磁コイルと鉄心の熱伝達を良好にして抜熱特性を向上させることができる。
このようにして励磁コイルを形成する場合には、鉄心に歪を加えることなく巻線の充填率を大きくすることができ、励磁コイルの剛性と熱伝導性を向上させるとともに銅損を低減させることができる。また、巻線および結線を鉄心組み込み前に行ない、一体化成型で１個の部品とすることができるため、回転電機の組み立て作業効率も改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図は、本発明の実施例による励磁コイルブロックの一部切欠平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視一部切欠断面説明図。
【図２】（ａ）図は、本発明の実施例によるステータ鉄心の平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の正面説明図、（ｃ）図は、（ａ）図の側面説明図。
【図３】（ａ）図は、図１の励磁コイルブロックと図２のステータの組み立て状態を示す一部切欠断面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の正面説明図。
【図４】図３の周方向で隣接するヨークの接合部（Ａ部）の接合例を示す正面部分説明図、（ａ）図は、突合せ接合例、（ｂ）図は、ラップ接合例、（ｃ）図は、ステップ接合例。
【図５】（ａ）図は、図３のようにして得られたステータに固定枠を組み立てた状態を示す平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の一部切欠正面説明図。
【図６】（ａ）図は、図１の励磁コイルブロックの製造方法例を示す一部切欠平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視一部切欠断面説明図。
【図７】（ａ）図は、励磁コイルの巻回治具例を示す正面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の平面説明図、（ｃ）図は、（ｂ）図の側面説明図。
【図８】（ａ）図は、図７の治具で励磁コイルを巻回した後取り外した状態を示す正面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の平面説明図、（ｃ）図は、（ｂ）図の側面説明図。
【図９】（ａ）図は、図３のステータにおける鉄心引き抜き方法例を示す一部切欠断面平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図のＡａ−Ａｂ矢視断面説明図。
【図１０】（ａ）図は、本発明での鉄心のほかの構造例（ヨーク分割構造例）を示す一部切欠断面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の正面説明図。
【図１１】（ａ）図は、本発明での鉄心のほかの構造例（アウターロータ型ステータ構造例）を示す一部切欠断面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の正面説明図。
【図１２】（ａ）図は従来のステータのティース部とヨーク部とモールド部の結合状態例を示す平面説明図、（ｂ）図は、（ａ）図の状態からモールド部と結合したティース部を分離して励磁コイルを巻回した状態を示す平面図、（ｃ）図は、（ｂ）図の励磁コイルを巻回したティース部をヨーク部に再結合した状態を示す正面説明図。
【符号の説明】
１    励磁コイルブロック          ２    励磁コイル
３    絶縁性樹脂層                ４    ティース挿入孔
５    絶縁膜                      ６    電磁鋼板
６ｔ  ティース部                  ６ｙ，６ｙ′  ヨーク部
７    ロータ配置空間              ８    固定枠
８ａ  固定枠（下枠）              ８ｂ  固定枠（上枠）
８ｃ  固定枠（外周枠）            ９    型枠
９ａ  型枠（下枠）                ９ｂ  型枠（上枠）
１０  型治具                      １１  巻線治具
１２  巻線部                      １３  取り付け孔
１４  押圧体                      １５  押圧装置
１６  冷却管                      １７  励磁コイル電流端子
１８  位相検出コイル電圧端
（従来例）
ａ    ヨーク部                    ｂ    ティース部
ｃ    巻線枠                      ｄ    モールド部
ｅ    励磁コイル
【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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