CN103427517A - 多极电机 - Google Patents
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Abstract
一种多极电机，其为P相，多极电机包含定子与动子，动子具有N个第一凸齿，定子具有S个沟部，且沟部之间朝向动子形成有第二凹槽，另沟部与比邻于沟部的第二凹槽之间形成t个第二凸齿与t-1个第三凹槽，此第二凸齿靠近动子的平均宽度与第三凹槽靠近动子的平均宽度合为w，且沟部靠近动子的宽度为a*w，第二凹槽靠近动子的宽度为b*w，第二凸齿靠近动子的平均宽度为c*w。其中配置参数满足以下关系式：S＝2Q*P，Q为正整数；Y为最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整数；M＝S*Y；N选自于下列之一：M、M±1、……、M±Q。由调整以上配置参数，使多极电机在运转时，能有高扭力的效能展现。
Description
技术领域
本发明是有关一种多极电机，特别是有关于一种定子配置有电枢绕组及/或磁石及/或场绕组，且定子与动子设有凸齿与槽部的多极电机。
背景技术
电机可分为马达与发电机等，前述电机包含有定子及动子。就以永磁无刷马达来说，动子常是永久磁铁，而一般低速马达的动子多是采用磁石多磁极来获取得到大扭力的特性，定子槽数一般是大于动子磁极数的2/3倍，动子的磁极数一多，相对定子需要开的槽数就跟着多，这会造成定子结构强度及绕线的问题，且即使采取多极的设计，因定子齿宽会随着磁极数增加而降低，所以整体磁交链并无法大幅提升，所以利用多极设计作扭力的提升效果有限。另外，设计多极的动子会造成黏贴磁石的加工问题，磁石数量多，黏贴就耗工，磁石脱落的机率也就变大。
有鉴于此，如何有效率的量产多极电机、以及如何创造出低转速高扭力的多极电机，实为相关业界所需努力研发的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多极电机，以解决上述公知技术中不尽理想之处。
为实现上述目的，本发明提供的多极电机，其相数为P，所述多极电机包含：
一定子(20)；以及
一动子(30)，所述动子(30)形成N个朝向所述定子(20)的第一凸齿(31)，二相邻所述多个第一凸齿(31)之间形成一第一凹槽(32)，所述定子(20)形成S个朝向所述动子(30)的沟部(21)，二相邻所述多个沟部(21)之间朝向所述动子(30)形成一第二凹槽(22)，各所述多个沟部(21)与比邻于各所述多个沟部(21)的所述第二凹槽(22)之间共形成t个第二凸齿(23)及t-1个第三凹槽(24)，t≥2，二相邻所述多个第二凹槽(22)之间绕设一跨越所述沟部(21)的电枢绕组(50)，各所述多个第二凸齿(23)靠近所述动子(30)的平均宽度与各所述多个第三凹槽(24)靠近所述动子(30)的平均宽度合为w，各所述多个沟部(21)靠近所述动子(30)具有一开放端(211)，所述开放端(211)的宽度为a*w，其中a为大于零的数，且满足整数-0.15＜a＜整数+0.35，各所述多个第二凹槽(22)靠近所述动子(30)具有一开放端(221)，所述开放端(221)的宽度为b*w，其中b为大于零的数，且满足整数-0.15＜b＜整数+0.35；
各所述多个第二凸齿(23)靠近所述动子(30)的平均宽度为c*w，0.25≤c≤0.75，所述多极电机(10)具有配置参数S、Y、M及N，其中：
S＝2*P*Q，Q为正整数；
Y为最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整数；
M＝S*Y；以及
N选自于下列之一：M、M±1、……、M±Q。
所述的多极电机，其中：各所述多个沟部(21)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(211)，各所述多个沟部(21)于所述定子(20)的远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一开放端(212)；以及各所述多个第二凹槽(22)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(221)，所述第二凹槽(22)于所述定子(20)远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一封闭端(222)。
所述的多极电机，其中：各所述多个沟部(21)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(211)，各所述多个沟部(21)于所述定子(20)远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一封闭端(213)；以及各所述多个第二凹槽(22)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(221)，所述第二凹槽(22)于所述定子(20)远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一封闭端(222)。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)靠近所述动子(30)形成一第四凹槽(25)，各所述多个沟部(21)远离所述动子(30)形成一第五凹槽(26)，所述第四凹槽(25)一端具有所述沟部(21)的所述开放端(211)，所述第五凹槽(26)一端具有所述沟部(21)的所述开放端(212)，所述第四凹槽(25)另一端与所述第五凹槽(26)另一端于所述沟部(21)中段处互不连通。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的第五凹槽(26)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反，二相邻所述多个沟部(21)之间绕设一跨越所述第二凹槽(22)的场绕组(60)。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)靠近所述动子(30)形成一第四凹槽(25)，各所述多个沟部(21)远离所述动子(30)形成一第五凹槽(26)，所述第四凹槽(25)一端具有所述沟部(21)的所述开放端(211)，所述第五凹槽(26)一端具有所述沟部(21)的所述封闭端(213)，所述第四凹槽(25)另一端与所述第五凹槽(26)另一端于所述沟部(21)中段处互相连通。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的第五凹槽(26)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的所述封闭端(213)形成一第六凹槽(27)，二相邻所述多个第六凹槽(27)绕设一场绕组(60)，各所述多个沟部(21)的第五凹槽(26)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的所述封闭端(213)形成一第六凹槽(27)，二相邻所述多个第六凹槽(27)绕设一场绕组(60)，各所述多个沟部(21)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
本发明提供的多极电机，具有如下效果：
1)本发明提供的多极电机，由配置参数的调整，尤其是满足M＝S*Y，且N选自于下列之一：M、M±1、……、M±Q，容易达成动子多极的设计。
2)本发明提供的多极电机，由配置参数的调整，使多极电机具有高扭力的特性。
3)本发明提供的多极电机，当配合辅助的场绕组时，可由调整场绕组的电流来控制气隙磁通密度，达到弱磁或增磁的功能。
附图说明
图1A为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之一，此图定子的沟部二端皆为开放端。
图1B为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之二，此图定子的沟部一端为封闭端与一端为开放端。
图1C为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之三，此图定子的沟部一端为封闭端与一端为开放端、沟部形成有凹槽、且凹槽之间绕设有场绕组。
图1D为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之四，此图定子的沟部一端为封闭端与一端为开放端、沟部形成有凹槽、且凹槽之间绕设有场绕组。
图1E为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之五，此图定子的沟部二端皆为开放端、且定子形成3个第二凸齿及2个第三凹槽。
图1F为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之六，此图定子的沟部一端为封闭端与一端为开放端、沟部之间绕设有场绕组。
图2A为本发明第二实施例的动子与定子的平面组合图之一，此图的定子于沟部一端形成有凹槽、且凹槽之间绕设有场绕组。
图2B为本发明第二实施例的动子与定子的平面组合图之二，此图的定子于沟部二端形成有凹槽、且凹槽之间绕设有场绕组。
图3A为公知技术提出的多极电机的各个电气角与其所相对应的反电动势。
图3B为本发明实施例提出的多极电机的各个电气角与其所相对应的反电动势。
图4A为公知技术提出的多极电机的各个电气角与其所相对应的顿转转矩。
图4B为本发明实施例提出的多极电机的各个电气角与其所相对应的顿转转矩。
附图中主要组件符号说明：
多极电机10；
定子20；
沟部21，开放端211、212，封闭端213；
第二凹槽22，开放端221，封闭端222；
第二凸齿23；
第三凹槽24；
第四凹槽25；
第五凹槽26；
第六凹槽27；
动子30；
第一凸齿31；
第一凹槽32；
磁石40；
电枢绕组50；
场绕组60；
第一侧A、B；
第二侧C。
具体实施方式
本发明提供了一种多极电机，其包含定子与动子，此动子形成N个朝向定子的第一凸齿，任二相邻的第一凸齿之间形成第一凹槽，此定子形成S个朝向动子的沟部，任二相邻的沟部之间朝向动子形成第二凹槽，各沟部与比邻于各沟部的第二凹槽之间共形成t个第二凸齿及t-1个第三凹槽，前述t≥2，二相邻的第二凹槽之间绕设有跨越沟部的电枢绕组，第二凸齿靠近动子的平均宽度与第三凹槽靠近动子的平均宽度合为w，沟部靠近动子具有开放端，此开放端的宽度为a*w，其中a为大于零的数，且满足整数-0.15＜a＜整数+0.35，第二凹槽靠近动子具有开放端，此开放端的宽度为b*w，其中b为大于零的数，且满足整数-0.15＜b＜整数+0.35，第二凸齿靠近动子的平均宽度为c*w，0.25≤c≤0.75，多极电机10具有配置参数S、Y、M及N，其中：S＝2*P*Q，Q为正整数；Y为最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整数；M＝S*Y；N选自于下列之一：M、M±1、……M±Q。
以下结合附图对本发明作详细说明。
本发明公开的多极电机，以下文中所对照的附图是表达与本发明特征有关的结构示意，无需根据实际尺寸完整绘制。
本发明第一、第二实施例的多极电机10可以是外动子马达、内动子马达、线性马达、轴向气隙马达、步进马达或发电机等，且多极电机10可以为单相马达或多相马达。请先参考图1A为本发明第一实施例的动子与定子的平面组合图之一，以下就多极电机10的结构进一步说明：
多极电机10包含定子20与动子30，动子30与定子20彼此是相对设置的。
首先说明动子30：动子30靠近定子20的部位称为第一侧A，动子30于第一侧A朝向定子20形成N个第一凸齿31，任二相邻的第一凸齿31之间形成有第一凹槽32。
接着说明定子20：定子20靠近动子30的部位称为第一侧B，定子20就是以此第一侧B与动子30的第一侧A相对之下设置，定子20远离动子30的部位称为第二侧C。定子20于第一侧B朝向动子30形成S个沟部21，各沟部21内另可设置有磁石40，任二相邻沟部21内的磁石40磁极相向、且极性相反。且各沟部21于靠近动子30的第一侧B形成有开放端211，另于远离动子30的第二侧C形成有开放端212，使各沟部21朝定子20的第一侧B与第二侧C贯通。
定子20于任二相邻的沟部21之间朝向动子30形成有第二凹槽22，且第二凹槽22于定子20之靠近动子30的第一侧B形成有开放端221，另于定子20之远离动子30的第二侧C形成有封闭端222。
定子20的各沟部21与比邻于各沟部21的第二凹槽22之间形成有第二凸齿23及第三凹槽24，前述第二凸齿23及第三凹槽24形成于定子20的第一侧B，且共形成t个第二凸齿23及t-1个第三凹槽24，前述t≥2，以图1A来看是采用2个第二凸齿23间隔搭配1个第三凹槽24。
本发明实施例将多极电机10的第二凸齿23、沟部21靠近动子30的开放端211及第二凹槽22靠近动子30的开放端221的宽度限定如下：
首先定义第二凸齿23靠近动子30的平均宽度与第三凹槽24靠近动子30的平均宽度合为w。
接着定义沟部21靠近动子30的开放端211，其宽度为a*w，a为大于0的数，且a值以介于某个整数-0.15与此整数+0.35之间为最佳取值范围，但a的取值范围不限于前述揭露的范围。
再接着定义第二凹槽22靠近动子30的开放端221，其宽度为b*w，b为大于0的数，且b值以介于某个整数-0.15与此整数+0.35之间为最佳取值范围，但b的取值范围不限于前述揭露的范围。
最后定义第二凸齿23靠近动子30端的平均宽度为c*w，且c值以0.25≤c≤0.75为最佳取值范围，但c的取值范围不限于前述揭露的范围。
本发明多极电机10具有特殊的配置参数与配置关系，可以在不增加定子20的电枢绕组50的数目，以及在不降低定子20的电枢绕组50的磁交链(flux linkage)下，却可以轻易增加动子30的磁极数，如此将可有效提升多极电机10的扭力，非常适合运用在低速、大扭力的场合。以下将详细说明配置参数S、P、Q、Y、a、b、c、t、M、S、Y、N的配置关系满足以下关系式：
S＝2*P*Q，Q为正整数；
Y为最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整数；
M＝S*Y；
N选自于下列之一：M、M±1、……M±Q，其中，N的选择可以分为二种状态：
第一种状态是多极电机10采用单相时，N＝M；
第二种状态是多极电机10采用多相时，N＝M±1、……、M±Q其中之一。
前述多极电机10(请参考图1A、1C)的各沟部21于第一侧B与第二侧C分别形成有开放端211、212，但在多极电机10加工过程，考虑到此定子20加工的整体性与方便性，各沟部21(请参考图1B、1D)于定子20远离动子30之第二侧C可为封闭端213。
前述多极电机(请参考图1C)的各沟部21靠近动子30进一步形成第四凹槽25，各沟部21远离动子30进一步形成有第五凹槽26，第四凹槽25一端具有沟部21的开放端211，第五凹槽26一端具有沟部21的开放端212，第四凹槽25另一端与第五凹槽26另一端于沟部21中段处互不连通。各沟部21的第五凹槽26内可设置有磁石40，且二相邻沟部21内的磁石40磁极相向、且极性相反。
前述多极电机(请参考图1D)的各沟部21靠近动子30进一步形成有第四凹槽25，各沟部21远离动子30进一步形成有第五凹槽26，第四凹槽25一端具有沟部21的开放端211，第五凹槽26一端具有沟部21的封闭端213，第四凹槽25另一端与第五凹槽26另一端于沟部21中段处互相连通。各沟部21的第五凹槽26内可设置有磁石40，且二相邻沟部21内的磁石40磁极相向、且极性相反。
前述多极电机10(请参考图1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B)的二相邻的第二凹槽22之间可绕设有跨越沟部21的电枢绕组50。
前述多极电机10(请参考图1E)的定子20的第二凸齿23与第三凹槽24可以沿着第一侧B横向延伸，以图1E来看是采用3个第二凸齿23间隔搭配2个第三凹槽24。
前述相邻的第四凹槽25(请参考图1C、1D、2B)之间绕设有跨越第二凹槽22、第二凸齿23及第三凹槽24的场绕组60，多极电机10配合前述的场绕组60时，可由调整通过场绕组60的电流来控制气隙磁通密度(air-gap flux density)达到弱磁或增磁的功能。
前述多极电机10(请参考图2A、2B)的各沟部21的封闭端213形成有第六凹槽27，任二相邻的第六凹槽27绕设有场绕组60，多极电机10配合前述的场绕组60是可以达到上一段指出的功能。
前述多极电机10(请参考图1D)可在绕设有电枢绕组50配合设置磁石40，或者可在绕设有电枢绕组50配合绕设场绕组60，亦或者可在绕设有电枢绕组50配合设置磁石40及绕设场绕组60。
前述多极电机10(请参考图2B)可在绕设有电枢绕组50与设置磁石40配合第六凹槽27绕设的场绕组60，或者可在绕设有电枢绕组50、设置磁石40及第六凹槽27绕设有场绕组60配合第四凹槽25绕设的场绕组60。
前述多极电机10(请参考图1F)的各沟部21可以不用设置磁石40，在没有磁石40的情况下，任二相邻的沟部21之间可绕设有跨越第二凹槽22的场绕组60。
根据上述的的配置参数与配置关系，底下提出三个实验例进行验证：
第一实验例：采用单相电机(P＝1)；
令Q＝4时，S＝2*1*4＝8；
a＝1.15，b＝1.15，c＝0.35，t＝3；
Y为最接近【1.15+1.15+2*0.35+2(3-1)】＝6的正整数为6；
M＝S*Y＝8*6＝48；
N＝48。
第二实验例：采用三相电机(P＝3)；
令Q＝2时，S＝2*3*2＝12；
a＝1.2，b＝1.15，c＝0.35，t＝2；
Y为最接近【1.2+1.15+2*0.35+2(2-1)】＝5.05的正整数为5；
M＝S*Y＝12*5＝60；
N＝M±1、……、M±Q之一，可以为58、59、61或62。
第三实施例：采用三相电机(P＝3)；
令Q＝2时，S＝2*3*2＝12；
a＝1.15，b＝1.15，c＝0.4，t＝3；
Y为最接近【1.15+1.15+2*0.4+2(3-1)】＝7.1的正整数为7；
M＝S*Y＝12*7＝84；
N＝M±1、……、M±Q之一，可以为82、83、85或86。
根据上述的的配置参数与配置关系，以下分别提出本发明与公知的反电动势进行比对：
请参考图3A与图3B，横轴为动子运转的电气角，纵轴为其相对应的反电动势，其中，图3B为N＝58，也就是本发明实施例的动子30的第一凸齿31为58齿，为本发明的多极电机10。图3A为N＝10，也就是公知的动子的凸齿为10齿，为公知的磁通切换型电机。从图3B与3A图可以清楚看出，本发明实施例的多极电机10相较于公知的磁通切换型电机，本发明实施例所提出的多极电机10的反电动势约为两倍，亦即其输出扭矩较大，有显著的功效提升。
再根据上述的的配置参数与配置关系，以下分别提出公知与本发明的顿转转矩进行比对：
请参考图4A与图4B，横轴为动子运转的电气角，纵轴为其相对应的顿转转矩，其中，图4B为N＝58时，也就是本发明实施例的动子30的第一凸齿31为58齿，为本发明的多极电机10。图4A为N＝10时，也就是公知的动子的凸齿为10齿，为公知的磁通切换型电机。从图4B与图4A可以清楚看出，本发明实施例的多极电机10相较于公知的磁通切换型电机10，本发明实施例所提出的多极电机10的顿转转矩极低，有显著的功效提升。
以上所述仅为本发明的实施例，并非用以限定本发明申请的权利要求范围；同时以上的描述，对于本领域技术人员应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明申请的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种多极电机，其相数为P，所述多极电机包含：
一定子(20)；以及
一动子(30)，所述动子(30)形成N个朝向所述定子(20)的第一凸齿(31)，二相邻所述多个第一凸齿(31)之间形成一第一凹槽(32)，所述定子(20)形成S个朝向所述动子(30)的沟部(21)，二相邻所述多个沟部(21)之间朝向所述动子(30)形成一第二凹槽(22)，各所述多个沟部(21)与比邻于各所述多个沟部(21)的所述第二凹槽(22)之间共形成t个第二凸齿(23)及t-1个第三凹槽(24)，t≥2，二相邻所述多个第二凹槽(22)之间绕设一跨越所述沟部(21)的电枢绕组(50)，各所述多个第二凸齿(23)靠近所述动子(30)的平均宽度与各所述多个第三凹槽(24)靠近所述动子(30)的平均宽度合为w，各所述多个沟部(21)靠近所述动子(30)具有一开放端(211)，所述开放端(211)的宽度为a*w，其中a为大于零的数，且满足整数-0.15＜a＜整数+0.35，各所述多个第二凹槽(22)靠近所述动子(30)具有一开放端(221)，所述开放端(221)的宽度为b*w，其中b为大于零的数，且满足整数-0.15＜b＜整数+0.35；
各所述多个第二凸齿(23)靠近所述动子(30)的平均宽度为c*w，0.25≤c≤0.75，所述多极电机(10)具有配置参数S、Y、M及N，其中：
S＝2*P*Q，Q为正整数；
Y为最接近【a+b+2c+2(t-1)】的正整数；
M＝S*Y；以及
N选自于下列之一：M、M±1、……、M±Q。
2.根据权利要求1所述的多极电机，其中：各所述多个沟部(21)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(211)，各所述多个沟部(21)于所述定子(20)的远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一开放端(212)；以及
各所述多个第二凹槽(22)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(221)，所述第二凹槽(22)于所述定子(20)远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一封闭端(222)。
3.根据权利要求1所述的多极电机，其中：各所述多个沟部(21)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(211)，各所述多个沟部(21)于所述定子(20)远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一封闭端(213)；以及
各所述多个第二凹槽(22)于所述定子(20)靠近所述动子(30)的一第一侧(B)形成所述开放端(221)，所述第二凹槽(22)于所述定子(20)远离所述动子(30)的一第二侧(C)形成一封闭端(222)。
4.根据权利要求2所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)靠近所述动子(30)形成一第四凹槽(25)，各所述多个沟部(21)远离所述动子(30)形成一第五凹槽(26)，所述第四凹槽(25)一端具有所述沟部(21)的所述开放端(211)，所述第五凹槽(26)一端具有所述沟部(21)的所述开放端(212)，所述第四凹槽(25)另一端与所述第五凹槽(26)另一端于所述沟部(21)中段处互不连通。
5.根据权利要求4所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的第五凹槽(26)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反，二相邻所述多个沟部(21)之间绕设一跨越所述第二凹槽(22)的场绕组(60)。
6.根据权利要求3所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)靠近所述动子(30)形成一第四凹槽(25)，各所述多个沟部(21)远离所述动子(30)形成一第五凹槽(26)，所述第四凹槽(25)一端具有所述沟部(21)的所述开放端(211)，所述第五凹槽(26)一端具有所述沟部(21)的所述封闭端(213)，所述第四凹槽(25)另一端与所述第五凹槽(26)另一端于所述沟部(21)中段处互相连通。
7.根据权利要求6所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的第五凹槽(26)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
8.根据权利要求6所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的所述封闭端(213)形成一第六凹槽(27)，二相邻所述多个第六凹槽(27)绕设一场绕组(60)，各所述多个沟部(21)的第五凹槽(26)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
9.根据权利要求3所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)的所述封闭端(213)形成一第六凹槽(27)，二相邻所述多个第六凹槽(27)绕设一场绕组(60)，各所述多个沟部(21)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
10.根据权利要求2或3所述的多极电机，其中，各所述多个沟部(21)内设置有一磁石(40)，二相邻所述多个沟部(21)内的所述磁石(40)磁极相向、且极性相反。
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