CN103141010B - 用于电机的机器部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器部件(20；30；40；50；60；70；90)、尤其是转子，用于构造成电机，其中，所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)基本上呈圆柱形并且具有极(22、32；46；52；62)，在所述极上输出由至少一个永磁铁形成的磁场，其中，所述极(22、32；46；52；62)分别配有极轮廓(23；33；45；53；63)，所述极轮廓与所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)的纯圆柱形的壳面不同，其中，所述极(22、32；46；52；62)的极轮廓(23；33；45；53；63)在轴向上在所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)的长度上分别具有多个分段，所述分段在周向上错位，其中，所述至少一个永磁铁基本上棒形地、尤其是方形地构造并且在所述多个分段(A1、A2、A3)的两个分段之间的至少一个过渡区上延伸。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电机的机器部件、尤其是一种用于旋转电机的转子，具有转子极的优化的极轮廓。
背景技术
作为电机例如已知电动马达或发电机，其中，电枢或定子为了产生电磁场，设计有至少一个永磁铁。在电枢的一定的布局下将永磁铁置入电枢体中的袋中，从而形成具有掩埋的永磁铁的电枢。
针对电机的一般例子从专利文献DE102008042976A1中公开。该电机与具有一构造成转子的电枢以及一定子的电动马达一致。在定子上有多个定子绕组并且转子固定安装在电动马达的轴上。为了运行电机，将定子绕组在定子的衔铁上借助于控制回路如此控制，使得在转子的区域中获得回转的旋转磁场。转子配有永磁铁，用以产生励磁场。所提供的励磁场与通过定子的定子绕组引起的旋转磁场相互作用，从而将驱动力矩施加到转子上。永磁铁在袋中掩埋地布置，从而转子具有柱体形的外壳。在所示的例子中设置有四个转子极，其中，永磁铁利用它们的极端部如此布置，即它们指向定子端部的方向。
这种具有整体上圆柱体形的外表面的转子布局导致了磁场强度的非最佳的正弦形的走向。由此会在不通电的状态下形成较高的锁定扭矩或者说在运行中出现较高的转矩波动，这根据应用情况的不同是不希望的。特别是锁定扭矩或者说转矩波动损坏电机的回转行为并且也常常损坏其调节行为。因此当电机仅应具有极小的锁定扭矩和/或极小的转矩波动时，比如从DE102008041660A1中已知，转子的转子极构造成正弦极并且为此例如设置有所谓的调整器轮廓(Richterkontur)。
即使在如下电机的情况下，在这些电机中其转子极具有根据正弦极构造的外轮廓，也就是说磁场强度沿周向具有改进的正弦形走向，这种电机的锁定扭矩也是不可忽视的。锁定扭矩受到所有转子极的配合间隙以及它们与各定子齿的间距的影响。为了减小锁定扭矩，比如在专利文献DE102004030111A1中所述，可以在转子中设置分齿尤其是伪分齿，在此情况下转子由多个分组组装而成，其中，这些分组相互切向地略微错位，即扭转。该错位通常仅为极在径向上的宽度的极小比例。伪分齿通常实施有多件式的永磁铁，其布置在分组中的各袋中。因此这种转子的构造非常耗费。
可替换的是，也建议如下电机，在这些电机中为了减小锁定扭矩和/或转矩波动，在转子极之间设置缺口，其局部地增大了气隙。这例如以专利文献DE19933099A1中的平整布置的永磁铁以及在专利文献DE69703136T2中轮辐转子的例子中已知。
此外，可以例如从DE202004016534U1、WO2004/021551A2或US2004/0041484A1中已知，在永磁铁和转子体之间的转子体的磁袋(Magnettasche)中朝极端部的方向设置缺口、凹陷或者说磁导率减小的区，用以形成机器在锁定扭矩和转矩波动方面的特性。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种用于电机的机器部件以及一种电机，在该机器部件和电机的情况下减小了锁定扭矩和转矩波动，并且该机器部件和电机能够以特别简单的方法构造。
该任务通过根据权利要求1所述的机器部件以及通过根据并列权利要求所述的电机解决。其它有利的结构方案在从属权项中说明。
根据第一方面，设置一种机器部件、尤其是转子，用于构造电机。该机器部件基本上呈圆柱体形并且具有极，在极上分别输出一由至少一个永磁铁形成的磁场，其中，极分别配有极轮廓，该极轮廓不同于机器部件的纯圆柱体形的壳面。极的极轮廓在机器部件的长度上在轴向上分别具有多个分段，这些分段在周向上错位。所述至少一个永磁铁基本上构造成棒形、尤其是方形并且在所述多个分段的两个分段之间的过渡区上延伸。
上述机器部件的思路在于，将机器部件的轮廓化的极在轴向上多件式地构造。机器部件包括至少一个掩埋的永磁铁，其中，在永磁铁上布置的转子极划分成多个分段。这些分段的不同之处在于，仅极轮廓关于周向错位。由此可以实现，通过在机器部件中使用通常的或者说一件式的永磁铁，一方面能够特别简单地构造机器部件且另一方面可以明显改进构造有这种机器部件的电机的锁定扭矩和转矩波动。
此外，永磁体可以布置在一个袋中，该袋在多个分段中的至少两个分段之间的过渡区上延伸并且不具有梯级。
根据一种实施方式，所述至少一个永磁体可以如此布置，即其极方向沿着径向或切向延伸。
极轮廓可以与正弦极轮廓、比如调整器轮廓一致。特别是极轮廓可以在周向上不完全对称地构造、特别是构造有一侧的梯级或倾斜部。
此外，极轮廓可以与至少一侧地被凹陷限定的壳段形的区域一致。
根据一种实施方式，可以在两个相邻的极轮廓之间设置气隙，其具有在周向上的宽度，该宽度等于或大于两个对应于确定极的极轮廓之间的最大出现的错位。
可以设置成，机器部件利用金属叠片构造成，这些金属叠片的形成极轮廓的区域与极的中轴线在周向上错位，其中，承载至少一个永磁铁的一个或多个区域关于中轴线对称地布置，其中，设置至少两个通过金属叠片的堆叠所构造成的部件部分，它们镜像地相叠放置，从而所述至少一个永磁铁在两个部件部分之间的过渡区上延伸。
此外，相邻的极可以经由相互间隔的接片相互连接。
根据另一个方面，设置具有上述机器部件的电机。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明的优选的实施方式。其中：
图1示出了穿过具有内电枢的、永磁铁激励的同步马达的横截面示图；
图2a至2c示出了用在图1的同步机中的转子的一种实施方式的视图，其中，转子极具有伪分齿，极轮廓与正弦极一致，其相对于在径向上延伸的袋的中轴线错位地布置；
图3a至3c示出了具有轮辐结构的永磁铁的转子的另一种实施方式的视图；
图4a和4b示出了具有在轴向上的转子极的三个分段的转子的另一种实施方式的视图，其中，极轮廓在周向上相互错位；
图5a和5b示出了转子的另一种实施方式的视图，其中，极轮廓仅存在于相邻的转子极之间的凹陷中；以及
图6a和6b示出了具有非对称的转子极的转子的另一种实施方式的视图，其中，特别是转子极朝转子极端部的引出部(Auslauf)具有梯级或倾斜部；
图7a至7d示出了具有非对称的转子极的转子的另一种实施方式的视图，其中，转子极通过接片相互连接；以及
图8a至8d示出了具有正弦轮廓的转子极的转子的另一种实施方式的视图，其中，该正弦轮廓以不同的间距与凹陷间隔。
具体实施方式
在图1中示出了穿过常见的电机的横截面示意图。该电机1在所示的例子中构造成回转的内电枢马达并且包括定子环2，在定子环中布置定子3。定子3构造成圆柱体形并且具有在其内腔中向内指向的定子齿4。
每个定子齿4在径向上向内指向并且构造有定子柄部5和定子齿头6。定子齿4分别由一个或多个定子绕组缠绕，这些定子绕组根据同步机的相数的不同能够相互错接。
定子3限定一内凹陷7，在该内凹陷中转子8围绕轴12可旋转运动地布置，该轴围绕旋转轴线布置。转子8包括偶数数量的转子极，在转子极上分别向外输出一电的励磁场并且与从定子齿4输出的定子磁场相互作用，该定子磁场通过定子绕组的供电而产生。定子磁场和转子的励磁场的相互作用(在马达运行中)导致一驱动力矩，其作用到转子8上并且将一转矩提供到轴12上。
为了产生励磁场，转子8具有永磁铁10，其布置在袋11中。袋11通常构造成方形，从而能够将通常同样为方形或棒形的永磁铁10以简单的方式置入袋11中。
不仅定子3而且转子8原则上都可以由实心材料(单片式地)构成或者由冲制的电工金属板构成的叠片金属板组合而成。优选地，定子3和转子8通常作为叠片组由单个的相互电绝缘的金属叠片组合而成，这些金属叠片被堆叠起来，从而它们基本上叠合地上下叠置。也就是说，对于定子3而言这些金属叠片如此地相叠布置，即构造成定子齿4的金属结构在轴向上相互叠置，使得它们的棱边在轴向上、即平行于轴12的旋转轴线延伸。用于形成转子8的叠片组的金属叠片以相应的方式相叠布置，即金属叠片中的形成袋11的袋凹陷在轴向上相互叠置。
在图2a至2c中示出了转子20的一种可能的实施方式的不同视图，其可以用在同步机1中。转子20类似于图1中所示的转子8，具有在轴向上贯通的袋21，用于置入基本上呈方形的永磁铁，这些永磁铁分别在转子20的整个轴向长度上延伸。
袋21构造出转子极22，其具有切向的宽度B和轴向的长度L。转子极22在图2的实施方式中分别划分成两个分段A1、A2中的转子部分24、25，在这两个分段中各转子极22具有一极轮廓23。该极轮廓例如与正弦极轮廓、比如调整器轮廓(Richterkontur)一致。该正弦极轮廓是转子极22的外表面的一种设计，该设计基本上引起励磁场的场强朝定子齿方向的关于周向U的正弦形的走向。极轮廓可简单地制造并且可以在使用叠片金属板的情况下借助于冲制来制造并且极轮廓必须在大多数情况下在冲制之后不再修整。
在常见的电机的情况下转子极22居中地在径向上布置在袋21或者说永磁铁外部，这时设置成，正弦极轮廓朝转子20关于定子、也就是说在周向U上的相对运动的方向错位。而在本申请的情况下转子极22的正弦极轮廓在第一分段A1中在第一周向上关于永磁铁或者说袋21的径向延伸的中轴线M错位以及在第二分段A2中在与之相反的第二周向上错位。这基本上导致了两个转子部分24、25，它们的正弦极形的极轮廓相互错位地布置。
在现有技术中也设置相互错位的袋，从而单个的部分转子的相应的极轮廓居中地布置在各袋或者说袋分段上，而在图2a至2c的转子20的情况下设置唯一一个贯通的袋21，通常的、基本上方形的永磁铁或者说具有基本上矩形横截面的永磁铁可以置入袋中。特别是在图2b中明显可见，极轮廓23关于单个的转子极22的中线M在周向U上相互错位。
永磁铁的长度优选与分组的总长度一致。由此获得了如下优点，即永磁铁能够分别在整个转子长度(所有分段的总长度)上延伸且因此减少了永磁铁的数量并且由此减少了分件价格(Teilepreis)以及安装耗费。简化安装的优点在于，减小了永磁铁的长度的公差链。该长度的更小的公差引起了进一步改进的马达性能。但也可以是，永磁铁比所有分段A1、A2的总长度要短，使得永磁铁在所有分段A1、A2的总长度上由多个分件组合而成。这在个别情况下可能成本更加低廉。
为了使相邻的极轮廓23不重叠，优选设置成，极轮廓在周向上具有比由袋21或者说位于袋中的永磁铁所经过的角度区域更小的宽度(关于被遮盖的角度区域)。换句话说，极轮廓23在周向上的宽度B(单位为角度)等于或小于360°/n-V，其中，n相当于转子极的数量以及V相当于错位角，该错位角用以将转子极23的分段相互在周向上错位。
优选地，极轮廓23关于转子极22的中轴线的错位V以相同的角度设置到相互反向的周向U中。该相同的角度相当于V/2。由此实现了，转子20的两个分段A1、A2由相同的金属板组构造成，这些金属板组镜像地相互安装，由此获得了正弦极在其中一个分段中以角度V/2朝第一周向的错位以及以角度V/2在第二分段中朝第二周向的错位。
在图3a至3c中展示了转子30的另一种实施方式的不同视图，该转子可以用在图1的同步机1中。基本上图3a至3c的转子30与图2a至2c的转子20类似，区别在于，代替袋21中的径向取向的永磁铁，这里的永磁铁布置在根据轮辐结构布置的袋31中，其极方向基本上在切向上延伸。
转子30的转子极32在轮辐形布置的袋31之间形成并且袋31如在图2a至2c的实施方式的情况那样在轴向上在转子30的整个长度L上延伸，从而可以置入基本上呈方形的永磁铁或者说具有基本上矩形横截面的永磁铁。转子极32如前所述具有极轮廓33。在该实施方式的情况下转子部分34、35也可以由金属板组形成，其中，两个转子部分34、35形成转子30的单个分段A1、A2。转子部分34、35可以由相同的金属板下料构造成，其中，两个金属板组相互镜像地相叠布置，从而袋31叠合地相互叠置。通过这种方式，袋31的内表面不具有梯级。
在图4a和4b中示出了转子30的另一种实施方式的不同的视图，其可以用在图1的同步机1中。基本上图4a和4b的转子40与图2a至2c的转子20类似，唯一的区别在于，代替由两个转子部分构造成，转子40由三个转子部分42、43、44构造成，这三个转子部分布置在分段A1、A2、A3中。转子40具有极46，所述极具有各自的极轮廓45。
通过转子40的三件式的实施方式可以进一步减小锁定扭矩(Rastmoment)和/或转矩波动(Drehmomentwelligkeit)。这样，第一转子部分42的极轮廓45在切向上的错位合理地与布置在袋41中的永磁铁的中心在第一周向上错位，在第二转子部分43的情况下极轮廓优选关于袋41的中心居中地布置，并且在第三转子部分44的情况下极轮廓优选朝第二周向的方向关于袋41的中轴线布置。但转子部分42、43、44的布置顺序基本上是任意的。
根据对锁定扭矩和/或转矩波动的要求不同，可能需要转子由多于三个转子部分构造成，例如由四个或五个转子部分构造成。如果其由三个或更多个转子部分构造成，则第一分组的极轮廓的错位合理地在切向上朝第一周向的方向错位并且最后的转子部分的错位在第二周向上与磁铁的中心错位地布置，其中，两个错位基本上与相同的角度范围V/2一致。在剩下的转子部分的情况下，组的错位合理地均匀地在第一和最后的转子部分的错位之间分布。转子部分的布置顺序在这里也基本上是任意的。
理想地，借助于设计工具预先确定用于形成正弦极或类似极的极轮廓的理想走向、极轮廓与转子极的中心线的错位以及朝柱体形或近似柱体形的走向的引出部或者说过渡，且随后相应地制造和安装金属叠片，从而实现预先确定的错位。
在图5a和5b中示出了用在在根据图1的同步机1中的转子50的另一种实施方式。代替具有通过与旋转轴线的可变间距所限定的结构的极轮廓(比如在正弦极或者说调整器轮廓的情况下)，转子50的极轮廓53可以绝大部分通过圆柱体形的转子50的壳面的段S形成。转子极52在该实施方式的情况下通过轮辐形布置的袋51限定，其中，极轮廓53在至少一个其边缘上在周向上设有凹陷54，其形成壳面的段S之间的气隙。这样，基本上形成如下的极轮廓53，其侧部地通过气隙限定，用以形成相互隔开的壳段形的极轮廓。
壳段形的极轮廓52如在图2至4的实施方式的情况那样相对于转子极的中轴线错位地布置并且在轴向上在转子50的两个分段A1、A2中布置两个转子部分55、56，在这两个分段中极轮廓52在相互反向的周向上关于中轴线M错位地布置。
在图5a和5b的实施方式的情况下，转子50也可以由具有唯一一个金属板下料的金属叠片构造成，其中，两个分组通过金属叠片的堆叠构造成。接下来可以通过镜像的叠置实现极轮廓在相互反向的周向上的相应的错位，而轮辐形布置的袋51基本上贯通地无梯级地构造，用以容纳方形的永磁铁。
在转子50的情况下由于在单个的转子极52之间的凹陷54，减小了锁定扭矩。此外，转子极之间的凹陷还具有其他优点，即由于由此产生的在永磁铁上方(在径向上向外)的材料减少，减少了漏磁流且由此改进了电机的效率。在这种实施方式的情况下转子50也可以通过相同的金属板几何形状的金属叠片的堆叠来制成。
在图6a和6b中示出了用在根据图1的同步机1中的转子60的另一种实施方式。在图6a和6b的实施方式中，基本上是如在图2a至2c的转子20的情况下类似的构造。转子60具有在两个分段A1、A2中的两个转子部分64、65，它们在轴向上前后布置，其中，转子极62的极轮廓63的侧部区域在周向上具有一种结构，该结构与调整器轮廓或者说用于构造成正弦极的极轮廓不同。此外，转子60具有用于容纳永磁铁的袋61，其形成转子极62。
在所示的实施例中，转子极62的极轮廓63分别具有一梯级，从而用于将极轮廓63的成形区域与相邻的极轮廓63分隔开的气隙被增大。代替梯级也可以设置倾斜部(分齿)或特殊的与否则在径向上对称的极轮廓所不同的构造。设置有与对称的极轮廓的不同构造的区域可以在周向上位于总宽度的1％-20％的范围中。优选地，在其中设置有与对称的极轮廓63的不同构造的区域设置在一个分段的极轮廓的侧部，另一个转子部分的极轮廓63的对应于相同的转子极62的区域在周向上突出于该侧部之外。
代替梯级也可以设置极轮廓的削平部、倒圆部或连续的引出部(Auslauf)，由此使极轮廓与常见的调整器轮廓或近似的调整器轮廓不同。
在图7a至7d中示出了用在根据图1的同步机1中的转子70的另一种实施方式。在图7a至7d的实施方式的情况下基本上是如在图3a至3c的转子30的情况类似的构造。转子70具有在两个分段A1、A2中的两个转子部分74、75，它们在轴向上前后布置。分段A1、A2具有以错位角V相互错位的极轮廓。
转子部分74、75如前所示通过金属叠片的堆叠构造成。单个的金属叠片可以在其接合到轴上之前装配成转子70的金属板组或者其可以作为单个叠片或分组接合到相应的轴上且在此统一成金属板组。
转子70具有袋80，向袋中可以加入永磁铁。在转子70的情况下袋80如在图3a至3c的实施方式的情况那样轮辐形地布置，也就是说，其在转子70的径向上延伸。永磁铁可以被置入袋80中，之后或者之前将金属叠片接合到轴上。
与图3a至3c的实施方式不同，设置具有不同的金属板下料的金属叠片。第一金属叠片71在应构造成极的区域之间具有接片72。第二金属叠片73与第一金属叠片不同，方法是第二金属叠片不具有这样的接片72，从而在应构造成极的区域之间存在空缺。如果金属叠片相互堆叠，则形成在径向上向外在袋80上方的一个或多个凹陷76，其通过空缺形成。凹陷76用于减小转子70在极之间的漏磁通，用以提高电机的效率。
因此，转子70如此构造，即第一金属叠片71和第二金属叠片73以合适的方式相互堆叠。通过转子70的合适的构造形成一种结构，如例如在图7b中详细示出。在那里多个第二金属叠片73的堆叠通过各一个第一金属叠片71相互分开，用以在较高的机械稳定性的情况下形成尽可能大的凹陷76。
此外，为了单个的金属叠片的相互固定，可以设置冲制栓(Stanznoppen)77，它们布置在袋81之间并且固定住单个的金属叠片71、73。具有冲制栓77的叠片组通常通过冲制叠装(Stanzpaketieren)来制造。
用于容纳永磁铁的袋80在其指向轴的端部处被拓宽，用以避免经过转子70内部的磁短路。该措施用于朝位于外部的极轮廓方向引导磁场。
在图8a至8d中示出了用在根据图1的同步机1中的转子90的另一种实施方式。在图8a至8d的实施方式中，基本上是如在图7a至7d的转子70的情况类似，具有在两个分段A1、A2中的两个转子部分94、95的构造。转子90具有在两个分段A1、A2中的两个转子部分94和95，它们在轴向上通过第一金属叠片91和第二金属叠片93的堆叠形成，第一金属叠片和第二金属叠片的形状与图7a至7d的实施方式的金属叠片71、73一致。在转子90中设置有袋100，其用于容纳轮辐状布置的永磁铁。
通过金属叠片91、93的堆叠限定了如上所述的凹陷96。该极轮廓具有正弦轮廓，其以值c利用梯级沉降，如参照图6a和6b的实施方式描述。极轮廓的侧部区域具有在周向上的结构，该结构与调整器轮廓或者说用于构造成正弦极的极轮廓不同。
在所示的实施例中，转子极的极轮廓分别具有梯级98、99，从而用于将极轮廓的成形区域与相邻的极轮廓分开的气隙被增大。代替梯级98、99，也可以设置倾斜部或与否则在径向上对称的极轮廓的特殊的不同构造。
设置有与对称的极轮廓的不同构造的区域可以具有关于相应的相邻分段A1、A2的极轮廓的边缘的一个宽度c。该宽度c可以与在周向上的总宽度的大约1％-20％一致。优选地，在其中设置有与对称的极轮廓的不同构造的区域设置在一分段的极轮廓的侧部，另一个转子部分的极轮廓的对应于相同的转子极的区域在周向上突出于该侧部之外。
Claims (9)
1.机器部件(20；30；40；50；60；70；90)，用于构造成电机，其中，所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)基本上呈圆柱形并且具有极(22、32；46；52；62)，在所述极上输出由至少一个永磁铁形成的磁场，其中，所述极(22、32；46；52；62)分别配有极轮廓(23；33；45；53；63)，所述极轮廓与所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)的纯圆柱形的壳面不同，其中，所述极(22、32；46；52；62)的极轮廓(23；33；45；53；63)在轴向上在所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)的长度上分别具有多个分段，所述分段在周向上错位，其中，所述至少一个永磁铁基本上棒形地构造并且在所述多个分段(A1、A2、A3)的两个分段之间的至少一个过渡区上延伸，其中极轮廓与调整器轮廓或者用于构造正弦极的极轮廓一致，所述极轮廓(23；33；45；63)在周向上非完全对称地构造，极轮廓的侧部区域具有在周向上的结构，该结构与调整器轮廓或者说用于构造成正弦极的极轮廓不同。
2.根据权利要求1所述的机器部件(20；30；40；50；60；70；90)，其中，所述永磁铁布置在袋(21；31；41；51；61；80；100)中，所述袋在所述多个分段(A1、A2、A3)的至少两个分段之间的过渡区上延伸并且不具有梯级。
3.根据权利要求1或2所述的机器部件(20；30；40；50；60；70；90)，其中，所述至少一个永磁铁如此布置，即其极方向沿径向或沿切向延伸。
4.根据权利要求1或2所述的机器部件(20；30；40；50；60)，其中，在两个相邻的极轮廓之间设置气隙，所述气隙在周向上具有一宽度，所述宽度等于或大于在对应于确定的极(22；32；46；52；62)的两个极轮廓(23；33；45；53；63)之间的最大出现的错位。
5.根据权利要求1或2所述的机器部件(20；30；40；50；60；70；90)，其中，所述机器部件(20；30；40；50；60；70；90)利用金属叠片构造成，所述金属叠片的形成极轮廓的区域与所述极(22；32；46；52；62)的中轴线在周向上错位，其中，承载所述至少一个永磁铁的一个或多个区域关于中轴线对称地布置，其中，设置至少两个通过金属叠片的堆叠构造成的部件部分，所述部件部分镜像地相叠布置，从而所述至少一个永磁铁在两个部件部分之间的过渡区上延伸。
6.根据权利要求1或2所述的机器部件(70；90)，其中，相邻的极通过相互间隔的接片相互连接。
7.根据权利要求1或2所述的机器部件(20；30；40；50；60；70；90)，其中，所述机器部件是转子。
8.根据权利要求1或2所述的机器部件(20；30；40；50；60；70；90)，其中，所述至少一个永磁铁基本上方形地构造。
9.电机，其具有根据权利要求1至8中任一项所述的机器部件(20；30；40；50；60)。
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