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文檔簡介

1、第六章 三相交流同步電動(dòng)機(jī)6-0 概述6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理6-2 同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性6-3 同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)及V形曲線6-4 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)6-5 介紹幾種特殊的同步電動(dòng)機(jī)10/11/20221第六章 三相交流同步電動(dòng)機(jī)6-0 概述10/10/2026-0 概述 同步電機(jī) 其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化,且與電源頻率f成嚴(yán)格的比例關(guān)系。 同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài): 發(fā)電機(jī):氣輪發(fā)電機(jī)及水輪發(fā)電機(jī)等。 電動(dòng)機(jī):由電網(wǎng)輸入電功率,軸端輸出機(jī)械功率。 調(diào)相機(jī):專門發(fā)出或吸收無功功率,調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù) 同步電動(dòng)機(jī)的類型很多,工作原理各有特點(diǎn),但基本原 理相同。 同步電動(dòng)機(jī)

2、的結(jié)構(gòu): 由定子和轉(zhuǎn)子組成10/11/202226-0 概述 同步電機(jī) 其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而(1)定子 和三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子完全一樣。 電動(dòng)機(jī)的定子又稱為電樞。有定子鐵心、三相對稱 繞組、機(jī)座、端蓋、電刷架等。其作用是產(chǎn)生磁場。(2)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不同。 轉(zhuǎn)子也需要?jiǎng)?lì)磁,且磁極對數(shù)與定子磁極對數(shù)相同。 轉(zhuǎn)子磁極的勵(lì)磁方式有電磁式和永磁式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為 凸極式轉(zhuǎn)子和隱極式轉(zhuǎn)子。 除了轉(zhuǎn)子磁極外,轉(zhuǎn)子還包括轉(zhuǎn)軸、滑環(huán)等。轉(zhuǎn)子 的勵(lì)磁繞組兩個(gè)出線端接到兩個(gè)滑環(huán)上,通過滑環(huán)上的 兩個(gè)靜止的電刷向外引出。 電磁式同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式 直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 整流器勵(lì)磁10/11/20223

3、(1)定子 和三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子完全一樣。10/1010/11/2022410/10/202246-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子NSSNn1n110/11/202256-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/202266-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/202276-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/202286-1

4、 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/202296-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/2022106-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/2022116-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/2022126-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電

5、動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/2022136-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS10/11/2022146-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理6-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子SNNS同步電動(dòng)機(jī)是一種定子邊用交流電流勵(lì)磁以建立旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子邊用直流電流勵(lì)磁所構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁極的雙邊勵(lì)磁的交流電動(dòng)機(jī)。10/11/2022156-1 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理同步電動(dòng)機(jī)分為隱極式和凸極式。6-1-1 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的分析一、隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系F

6、a電樞磁勢; Ea電樞(反應(yīng))電勢;Fj勵(lì)磁磁勢或空載磁勢;Eo勵(lì)磁電勢或空載電勢; Es漏感電勢。10/11/202216同步電動(dòng)機(jī)分為隱極式和凸極式。Fa電樞磁勢; 同步電動(dòng)機(jī)空載時(shí),電樞電流很小,可以認(rèn)為沒有電樞 磁勢,氣隙中僅有勵(lì)磁磁勢。所以勵(lì)磁磁勢又稱為空載 磁勢。 勵(lì)磁磁場和電樞磁場之間無相對運(yùn)動(dòng),且與轉(zhuǎn)子也無 相對運(yùn)動(dòng),所以轉(zhuǎn)子內(nèi)無感應(yīng)電勢。Ea 、 E0、 Es皆為 定子中的感應(yīng)電勢。一、隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式和向量圖 一相繞組平衡方程式10/11/202217 同步電動(dòng)機(jī)空載時(shí),電樞電流很小,可以認(rèn)為沒有電樞一、隱極 隱極式同步電動(dòng)機(jī)一相等值電路圖和向量圖10/11

7、/202218 隱極式同步電動(dòng)機(jī)一相等值電路圖和向量圖10/10/2026-1-2 凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式和 向量圖 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)和電樞磁勢 同步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí),定子電流增大,三相繞組 產(chǎn)生的電樞磁場會(huì)對勵(lì)磁磁場產(chǎn)生影響,稱為電樞反 應(yīng)。 由于氣隙磁阻均勻,且線性,所以電樞磁勢和磁密在 空間分布一致,都呈正弦分布,所以電樞反應(yīng)電勢 可用電樞反應(yīng)電抗Xa的壓降來反應(yīng)。 凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)和電樞磁勢 (1)同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)使得電樞反應(yīng)磁場的磁感 應(yīng)強(qiáng)度分布發(fā)生畸變。而且隨著轉(zhuǎn)子相對電樞磁勢的 位置不同,電樞磁場的分布也不同。10/11/2022196-1-2

8、 凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式和 隱極式同10/11/20222010/10/20222010/11/20222110/10/20222110/11/20222210/10/20222210/11/20222310/10/202223(2) 電樞磁勢可分解為一個(gè)直軸磁勢和一個(gè)交 軸磁勢 將電樞電流分解為一個(gè)直軸分量和一個(gè)交軸分量而且10/11/202224(2) 電樞磁勢可分解為一個(gè)直軸磁勢和一個(gè)交而且10/10 直軸、交軸電樞反應(yīng)磁勢分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng) 磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通,從而在電樞繞組中分 別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)電勢和交軸電樞反應(yīng)電勢。 若鐵心不飽和,則有其中 Xad為直軸電樞反應(yīng)電

9、抗,它與直軸磁路的磁 阻成反比; Xaq為交軸電樞反應(yīng)電抗,它與交軸磁路的磁 阻成反比。 因?yàn)榻惠S處氣隙大,磁阻大;而直軸處氣隙小,磁阻小,所以有Xad Xaq 。10/11/202225 直軸、交軸電樞反應(yīng)磁勢分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)其中 Xa 凸極式同步電動(dòng)機(jī)電勢平衡方程式和向量圖 考慮到直軸磁勢和交軸磁勢分別產(chǎn)生漏磁通,因此隱極式同步電動(dòng)機(jī)的氣隙均勻,可以由凸極式同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式推導(dǎo)出隱極式電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式,所以隱極式同步電動(dòng)機(jī)是凸極式同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特例。10/11/202226 凸極式同步電動(dòng)機(jī)電勢平衡方程式和向量圖隱極式同步電動(dòng)機(jī)的10/11/20222710/10/202

10、2276-2 同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性6-2-1 同步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩一、功率平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 功率平衡關(guān)系 10/11/2022286-2 同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性6-2-1 則同步電動(dòng)機(jī)的效率為: 轉(zhuǎn)矩平衡方程式10/11/202229則同步電動(dòng)機(jī)的效率為: 轉(zhuǎn)矩平衡方程式10/10/2022二、電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 同步電動(dòng)機(jī)的銅耗和鐵耗都很小,為分析方便可予以忽略。則向量圖(忽略定子繞組電阻)10/11/202230二、電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式向量圖(忽略定子繞組電阻)10/將電流代入功率公式:10/11/202231將電流代入功率公式:10/10/

11、202231對隱極式同步電動(dòng)機(jī)不存在附加分量:10/11/202232對隱極式同步電動(dòng)機(jī)不存在附加分量:10/10/2022326-2-2 功角特性和矩角特性 當(dāng)電網(wǎng)電壓U1和頻率f不變,勵(lì)磁電流Ij不變和、E0不變時(shí),同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩僅取決于功角的大小。 功角特性 電磁功率Pm和功角的關(guān)系Pm=f() 稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性。 矩角特性 電磁轉(zhuǎn)矩Mem與功角的關(guān)系Mem=f(), 稱為同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性。10/11/2022336-2-2 功角特性和矩角特性10/10/202233 凸極和隱極同步電動(dòng)機(jī)的功角和矩角特性曲線10/11/202234 凸極和隱極同步電動(dòng)機(jī)的功角

12、和矩角特性曲線10/10/20 功角是同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。在時(shí)間上 表示電網(wǎng)電壓1和勵(lì)磁電壓0之間的相位差; 在空間上表示勵(lì)磁磁場和定子合成磁場之間的 空間夾角。同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)完全取決于 功角。(1)當(dāng)0時(shí),定子合成磁場超前勵(lì)磁磁場,兩 個(gè)磁場之間產(chǎn)生切向電磁力,其電磁轉(zhuǎn)矩帶 動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn),同步電動(dòng)機(jī)處于電 動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。(2)當(dāng)=0時(shí),兩個(gè)磁極軸線重合,電磁轉(zhuǎn)矩為 零。(3)當(dāng)0時(shí),轉(zhuǎn)子磁極拖著合成磁極旋轉(zhuǎn),產(chǎn) 生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,為制動(dòng) 10/11/202235 功角是同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。在時(shí)間上10/10/2 轉(zhuǎn)矩,此時(shí)轉(zhuǎn)子必須外面有原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

13、動(dòng),這 樣同步電動(dòng)機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率,從定子繞組端輸 出電功率,同步電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。6-2-3 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和負(fù)載能力 隱極式同步電動(dòng)機(jī)矩角特性 在0 90范圍內(nèi),矩角特性O(shè)C段是穩(wěn)定運(yùn)行 區(qū)。 通常用最大轉(zhuǎn)矩Mmax與額定電磁轉(zhuǎn)矩MN之比定義為 同步電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)m,增加勵(lì)磁電流也可提高過載能力。10/11/202236 轉(zhuǎn)矩,此時(shí)轉(zhuǎn)子必須外面有原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),這, 失步現(xiàn)象 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大且超過最大電磁轉(zhuǎn)矩Mmax 時(shí),功角增大,并超過90,而電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)下降,使 電機(jī)不斷減速而不能與定子磁極同步運(yùn)行,這種現(xiàn)象稱 為失步。 凸極同步電動(dòng)機(jī)矩角特性 在U1 、 f和勵(lì)

14、磁電流相同的情況下,由于附加轉(zhuǎn)矩 的影響,使矩角特性最大轉(zhuǎn)矩Mmax有所增加,因而凸極 同步電動(dòng)機(jī)過載能力比隱極式同步電動(dòng)機(jī)要大。 同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性10/11/202237 失步現(xiàn)象 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大且超過最大電磁轉(zhuǎn)矩Mma 例 一臺(tái)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為 (超前)定子繞組星形接法,同步電抗 ,如忽略定子電阻 ,求該電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)(1)勵(lì)磁電勢 ,(2)功角 ,(3)電磁功率 ,(4)過載能力 。 解 勵(lì)磁電勢 。該同步電動(dòng)機(jī)向量圖如圖所示。10/11/202238 例 一臺(tái)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為 由向量圖可知:10/11/202239由向量圖可知:10/10/202239

15、例 凸極式同步電動(dòng)機(jī)(自學(xué))10/11/202240 例 凸極式同步電動(dòng)機(jī)(自學(xué))10/10/20226-3 同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)及V形曲線6-3-1 勵(lì)磁調(diào)節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)電壓U1 、 電網(wǎng)頻率f以及輸 出功率P2保持不變的情況下,改變勵(lì)磁電流的 大小,可以改變功率因數(shù)cosN的大小。 假設(shè): (1)不計(jì)凸極效應(yīng),即(2)不計(jì)電機(jī)的損耗,所以輸入功率為常數(shù),則10/11/2022416-3 同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)及V形曲線6-3-1 勵(lì)磁調(diào)因?yàn)殡[極式同步電動(dòng)機(jī)電勢平衡方程式為所以當(dāng)U1不變時(shí),改變勵(lì)磁電流Ij會(huì)引起勵(lì)磁電勢 、電樞電流 的大小和相位都改變,因此功率因數(shù)也改變。 下面是以 為

16、參考向量,當(dāng) 為三種不同狀態(tài) 時(shí)的向量圖。10/11/202242因?yàn)殡[極式同步電動(dòng)機(jī)電勢平衡方程式為所以當(dāng)U1不變時(shí),改變勵(lì)10/11/20224310/10/202243(1)當(dāng) 。a與1同相,為純有 功電流, Ia值最小。此時(shí)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)只吸收有 功功率。這種勵(lì)磁狀態(tài)稱為“正常”勵(lì)磁狀態(tài)。(2)調(diào)節(jié)Ij使其小于正常勵(lì)磁電流,此時(shí)電樞電 流 。此情況下電動(dòng)機(jī)除從電 網(wǎng)吸收一定的有功功率外,還從電網(wǎng)吸收一定的 滯后的無功功率,這種勵(lì)磁狀態(tài)稱為“欠勵(lì)”狀態(tài)。(3)調(diào)節(jié)Ij使其大于正常勵(lì)磁電流,此時(shí)電樞電 流 。此情況下電動(dòng)機(jī)一方面 吸收一定的有功功率,同時(shí)還要從電網(wǎng)吸收一定 的超前無功功率,這

17、種勵(lì)磁狀態(tài)稱為“過勵(lì)”狀態(tài)。10/11/202244(1)當(dāng) 調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流即可方便而又靈活的調(diào)節(jié)它的無功功率和功率因數(shù),當(dāng)處于過勵(lì)狀態(tài)時(shí),同步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)上是一個(gè)容性負(fù)載,它可補(bǔ)償電網(wǎng)一般處于感性負(fù)載的不利狀態(tài),從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。有時(shí)為了改善供電系統(tǒng)的功率因數(shù),而將同步電動(dòng)機(jī)作空載運(yùn)行,專門用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率,這種運(yùn)行狀態(tài)的同步電動(dòng)機(jī)稱為同步補(bǔ)償機(jī)或同步調(diào)相機(jī)。6-3-2 V形曲線 同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線是指當(dāng)電網(wǎng)電壓、頻率均 為額定值,即U1=UN , f =fN時(shí),在輸出功率不 變情況下,電樞電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線即 Ia =f(Ij) 曲線。10/11/202245

18、 調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流即可方便而又靈活的調(diào)節(jié)1 不同輸出功率下的勵(lì)磁電流和電樞電流的關(guān)系曲 線10/11/202246 不同輸出功率下的勵(lì)磁電流和電樞電流的關(guān)系曲10/10/2(1)對應(yīng)于每條雙曲線的最低點(diǎn),電樞電流Ia為 最小值,此時(shí)電樞電流只有有功電流, 。 電機(jī)為正常勵(lì)磁。(2)當(dāng)Ij小于正常勵(lì)磁電流時(shí),電機(jī)為欠勵(lì)。此時(shí) 電樞電流出現(xiàn)了感性無功電流,因此電樞電流增 大。(3)當(dāng)Ij大于正常勵(lì)磁電流時(shí),電機(jī)為過勵(lì)。此時(shí) 電樞電流除有功電流外,還出現(xiàn)了超前無功電流 ,因此電樞電流也增大。(4)輸出功率增大,V形曲線向上向右移。因?yàn)?電樞電流的有功分量將增大,因此最低點(diǎn)上移; 另外勵(lì)磁電勢

19、增大,因此勵(lì)磁電流也增大。10/11/202247(1)對應(yīng)于每條雙曲線的最低點(diǎn),電樞電流Ia為10/10/2 解 表示電流與電壓之間的相位差,滯后表示電流滯后電壓。則工廠原來所消耗功率情況為:10/11/202248 解 表示電流與電壓之間的相位差,滯后表示工廠原(1)選用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)10/11/202249(1)選用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)10/10/202249(2)選用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)10/11/202250(2)選用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)10/10/2022506-4 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 若不采取措施,通常同步電動(dòng)機(jī)是不能自行起動(dòng) 的。10/11/2022516-4 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 若不采取措施,通常同步電動(dòng)

20、機(jī)是起動(dòng)繞組為短路繞組,起動(dòng)時(shí),勵(lì)磁繞組接上一個(gè)電阻。然后再接入勵(lì)磁電源。10/11/202252起動(dòng)繞組為短路繞組,10/10/202252 同步電動(dòng)機(jī)可以采取異步起動(dòng)。 先使同步電動(dòng)機(jī)在異步轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng) 起來,待轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí),再給轉(zhuǎn)子 勵(lì)磁繞組通入直流電源,使轉(zhuǎn)子建立磁場。依靠 定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,將轉(zhuǎn) 子牽入同步。所以異步起動(dòng)過程包括“異步起動(dòng)” 和“牽入同步”兩個(gè)階段。 異步起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組決不能開路。否則在匝 數(shù)較多的勵(lì)磁繞組端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢,可能 使勵(lì)磁繞組被擊穿;或危及生命。 也不能將勵(lì)磁繞組直接短路。因?yàn)閯?lì)磁繞組 感應(yīng)產(chǎn)生的單相電流所產(chǎn)生的脈振磁場可分解為10/11/202253 同步電動(dòng)機(jī)可以采取異步起動(dòng)。10/10/202253 與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的正序磁場及與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方 向相反的負(fù)序磁場。正序磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和負(fù)序 磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的合成轉(zhuǎn)矩即單軸轉(zhuǎn)矩。同步電 動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí),實(shí)際的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為單軸轉(zhuǎn)矩與鼠 籠繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩之和。10/11/202254 與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的

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