CN106763994B - 线圈外置式斜翼力矩马达 - Google Patents

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Abstract

线圈外置式斜翼力矩马达，安装在力反馈式二维电液伺服阀的液压放大机构的一端，由左、右轭铁、衔铁、上、下永磁体、左、右线圈等组成；左、右轭铁及衔铁均为导磁体；左、右轭铁为C字形结构，C字形结构包括上、下侧和侧立柱形成的封闭侧以及与封闭侧相对的开口侧，左、右轭铁的开口侧相对；左、右线圈分别缠绕于左、右轭铁的侧立柱上；衔铁连接液压放大机构的阀芯，衔铁在扭转方向上连接弹簧杆；衔铁由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、左、右轭铁的极靴表面呈以垂直轴为中心轴的180°阵列特征；四个工作气隙的高度相同；四个工作气隙高度的变化受到衔铁转动的影响，同时也受到阀芯的轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对力矩马达的力反馈。

Description

线圈外置式斜翼力矩马达
技术领域
本发明涉及电液伺服控制元件用的电-机械转换器领域，尤其是一种二维电液伺服阀用的新型线圈外置式斜翼力矩马达。
背景技术
电液伺服控制技术自四十年代出现以来，便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，重点应用于航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等各种关键场合，从而被视为各国工业的关键竞争力。而作为核心控制元件的电液伺服阀，则对整个电液伺服系统的性能起着决定性的影响作用，历来是流体传动及控制领域的研究热点之一。
为了有效克服液动力从而获得理想的静动态特性，人们通常将伺服阀设计成导控式的多级结构。在众多的结构创新之中，基于阀芯双运动自由度的方法独树一帜，其基本思想如下：一般的滑阀阀芯具有径向旋转和轴向移动两个自由度，且不相互干涉，因而可以用这两个自由度分别实现导控级和功率级的功能，考虑到滑阀阀口的面积梯度可以做的很大，且阀芯在阀孔中也较容易与端盖等配合形成敏感腔，一般可用阀芯的旋转运动实现导控级的功能，而用直线运动来实现功率级的开口。以上即为基于阀芯双自由度的二维流量放大机构设计思想，最早由阮健等在哈尔滨工业大学攻读博士学位时提出。
阮健等基于该原理提出了一种位置直接反馈式二维电液伺服阀，通过开设在阀套内表面的一对螺旋槽和阀芯外圆面的一对高低压孔相交面积构成的液压阻力半桥来控制敏感腔的压力，当电-机械转换器带动阀芯转动时，阀套上螺旋槽和阀芯上高低压孔构成的弓型节流口面积差动变化，导致阀芯两端液压力失去平衡而轴向移动，在此过程中阀芯位移又反馈给螺旋槽和高低压孔构成的弓型节流口面积，最终使其逐渐趋向于相等，此时阀芯停止移动并处于新的平衡位置。可以看到该阀的液压放大部分自行闭环反馈，因此实质上为两级的位置直接反馈式伺服阀。该阀的主要优点是将原本分立的导控级和功率级合二为一，集成于单个阀芯上，不但结构简单、动态响应快，而且阀的抗污染能力得到了极大的提高。然而该阀也存在问题：主要是其阀套上的空间螺旋槽结构一般需要三轴以上的进口电火花机床才能加工，成本较高，且加工效率很低，同时由于其处于阀套内表面，加工精度难于保证，检测时也较为困难。用于量大价廉的民用领域时就显露出成本较高的问题。
为解决该问题，也有人提出一种力反馈式二维电液伺服阀(201510620866.7)，其主要特点是在传统平翼力矩马达的基础上，将马达衔铁两翼设计成轴对称的斜面以此取代原先阀套内表面的螺旋槽结构，从而当衔铁轴向移动时获得反馈力矩，该马达被称为斜翼力矩马达，其作为电-机械转换器可直接驱动滑阀阀芯构成所谓的力反馈式二维电液伺服阀，与原来的位置反馈型二维阀相比，阀套上的感受通道窗口由原先的空间螺旋槽改为普通的直槽结构，对于加工设备要求不高，成本也较为低廉，该类二维阀非常适合在民用领域中推广。然而，要使得该阀能够正常工作，斜翼力矩马达的输出力矩(驱动和反馈力矩)必须足够大到能够克服旋转时阀芯和阀套之间产生的粘性力矩和液压卡紧力矩。因此，对于斜翼力矩马达进行电磁结构优化设计，以进一步提升输出力矩就显得至关重要。
现有的斜翼力矩马达采用线圈内置式结构，即两个线圈分置缠绕于衔铁上，这样就带来两个问题，首先，线圈缠绕需要空间，其势必要挤压掉一部分衔铁的有效气隙面积(根据电磁学原理，有效气隙面积定义为设计上允许的轭铁极靴面和衔铁翼面的最大正对面积，该面积越大，马达的输出力矩越大)；其次，理论和实验研究均证明斜翼力矩马达的反馈力矩大小与其斜翼倾角的正弦值成正比(“浆翼式力矩马达反馈特性研究”，农业机械学报2017年第1期)，因此在设计过程中，应尽可能将斜翼倾角设计的较大以提升反馈力矩。传统的线圈内置式结构由于线圈缠绕在衔铁上，则线圈也需要设计的更大，以此来容纳倾角变大的衔铁，在这种情况下，虽然线圈缠绕体积增大，但匝数并没有随之增加，而励磁磁势大小与电流值和匝数乘积成正比，也就是说，线圈体积的增大和绕线用铜量的增加，并没有换得励磁磁势的增加，这对于电磁结构参数的协同优化设计而言，显然是不合理的。另外，线圈缠绕在衔铁上，客观上使得线圈无法密封，导致马达无法做成湿式耐高压的结构。
发明内容
为了克服已有的斜翼力矩马达存在的衔铁有效窗口面积小、电磁结构参数难以协同优化设计的缺陷，本发明提供一种结构简单、衔铁有效窗口面积大、有利于实现主要结构和电磁参数之间协同优化设计的二维电液伺服阀用新型线圈外置式斜翼力矩马达。
为了解决上述技术问题采用的技术方案为：
线圈外置式斜翼力矩马达，安装在力反馈式二维电液伺服阀的液压放大机构的一端，其特征在于：由左轭铁1、右轭铁5、衔铁3、上永磁体7、下永磁体4、左线圈2和右线圈6等组成；左轭铁1、右轭铁5及衔铁3均为导磁体；左轭铁1和右轭铁5为C字形结构，C字形结构包括上侧、下侧和侧立柱形成的封闭侧以及与封闭侧相对的开口侧，左轭铁1和右轭铁5的开口侧相对，左轭铁1和右轭铁5的侧立柱上分别缠绕左线圈2和右线圈6；左线圈2和右线圈6分别缠绕于左轭铁1和右轭铁5的立柱上，用来提供控制磁势；衔铁3连接液压放大机构的阀芯19，衔铁3连接弹簧杆20、21；
衔铁3由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、左轭铁1和右轭铁5的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；左轭铁1和右轭铁5的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到左轭铁1的两个极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到右轭铁5的两个极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同；四个工作气隙高度的变化不仅受到衔铁3转动的影响，同时也受到阀芯19的轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对力矩马达的力反馈。
所述的左轭铁1和右轭铁5的开口侧上下两端分别加工出凹槽，上永磁体7、下永磁体4分别对称放置于左轭铁1和右轭铁5的凹槽中，用来提供极化磁势。
本发明的有益效果主要表现在：1.增加了衔铁的有效气隙面积。本发明提出的线圈外置式方案将原本缠绕于衔铁上的励磁线圈改为缠绕于C字形轭铁外侧的立柱上，以此实现励磁线圈与衔铁相分离，由此增加了衔铁翼面面积的利用率，增大了有效气隙面积，有利于提高马达的输出电磁力矩。2.参数调整方便，有利于实现主要结构和电磁参数之间的协同优化设计。斜翼力矩马达的反馈力矩大小与其斜翼倾角大小成正比，因此在设计过程中，应尽可能的将斜翼倾角设计的较大以提升反馈力矩。传统的线圈内置式结构由于线圈缠绕在衔铁上，则线圈也需要设计的更大，以此来容纳倾角变大的衔铁，在这种情况下，虽然线圈缠绕体积增大，但匝数并没有随之增加，而励磁磁势大小与电流值和匝数乘积成正比，也就是说，线圈体积的增大和用铜量的增加，并没有换得励磁磁势的增大，这对于电磁结构参数的协同优化设计而言，显然是不合理的。而本发明提出的线圈外置式结构，由于线圈缠绕于衔铁外侧的立柱上，在增加斜翼倾角的同时也增加了立柱高度，由此便可以缠绕更多的励磁线圈，从而增大了线圈匝数；另外，在本发明中，在轭铁的C字形开口侧上下两端加工出凹槽以放置永磁体，如此则极化磁势的大小也可以通过改变永磁体的高度而进行调节，可以看到，在线圈外置式方案中，其主要的性能参数调节非常方便，有利于实现结构参数与电磁参数之间的协同优化设计，从而有利于提升输出力矩。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的左轭铁1的结构示意图。
图3为本发明的右轭铁5的结构示意图。
图4为本发明的衔铁3的结构示意图。
图5为本发明的上永磁体4的结构示意图，下永磁体7的结构与其完全相同。
图6为传统线圈内置式斜翼力矩马达的结构示意图。
图7为传统线圈内置式斜翼力矩马达的上轭铁8的结构示意图。
图8为传统线圈内置式斜翼力矩马达的下轭铁11的结构示意图。
图9为采用本发明作为电-机械转换器的二维力反馈式电液伺服阀的结构示意图。
图10(a)、10(b)和10(c)为图9中二维力反馈式电液伺服阀的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5、图9所示，一种新型线圈外置式斜翼力矩马达，由左轭铁1、右轭铁5、衔铁3、上永磁体7、下永磁体4、左线圈2和右线圈6等组成。左轭铁1、右轭铁5及衔铁3均为导磁体；左轭铁1和右轭铁5为C字形结构，C字形结构包括上侧、下侧和侧立柱形成的封闭侧以及与封闭侧相对的开口侧，左轭铁1和右轭铁5的开口侧相对，C字形结构的开口侧上下两端加工出凹槽用来放置永磁体。上永磁体7、下永磁体4分别对称放置于左轭铁1和右轭铁5的凹槽中，用来提供极化磁势；左线圈2和右线圈6分别缠绕于左轭铁1和右轭铁5的侧立柱上，用来提供控制磁势。在和液压放大机构配合使用时，衔铁3直接和阀芯19固连，在弹性元件如弹簧杆20、21等的作用下被保持在马达的中位。整个力矩马达装配完毕后，再通过机械连接的方式固连到阀体的一端。
如图2～图5、图9所示，与用作喷嘴挡板阀和射流管阀电-机械转换器的普通平翼力矩马达不同的是，对于斜翼式力矩马达而言，衔铁3由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、左轭铁1和右轭铁5的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；左轭铁1和右轭铁5的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到左轭铁1的两个极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到右轭铁5的两个极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同；四个工作气隙高度的变化不仅受到衔铁3转动的影响，同时也受到阀芯19的轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对力矩马达的力反馈。不通电时马达无力矩输出，衔铁位于中位；当左线圈2、右线圈6通电时，永磁体7、4的极化磁势和线圈的控制磁势在四个工作气隙下相互差动叠加，从而产生电磁力矩带动衔铁3旋转，直到电磁力矩与弹性元件如弹簧杆20、21等的反力矩相互平衡，衔铁3停止转动，此时衔铁3的输出力矩与控制电流成正比，调节电流大小便可控制衔铁3的旋转角度。当衔铁3有轴向位移时，衔铁3和左右轭铁1、5的极靴之间的气隙高度又发生变化，使得作用在衔铁3上的合力矩失去平衡，从而带动衔铁3和阀芯19在移动过程中同时作反向转动，直到衔铁3和左右轭铁1、5的极靴之间的气隙高度恢复到原值。在上述过程中，阀芯19的轴向位移是通过衔铁3的气隙变化来使得马达输出的电磁力矩发生变化，从而实现位移-力反馈的。
作为对比，传统的线圈内置式斜翼力矩马达如图6～8所示，其由上轭铁8、下轭铁11、衔铁10、第一永磁体9、第二永磁体15、第一线圈12、第二线圈13组成；上轭铁8、下轭铁11及衔铁10均为导磁体；第一永磁体9、第二永磁体15分别对称放置于上轭铁和下轭铁外侧，用来提供极化磁势；第一线圈12、第二线圈13分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁内侧，用来提供控制磁势；衔铁10的翼面和上轭铁8、下轭铁11的极靴面的斜面设计，和线圈外置式的力矩马达基本是相同的。
比较图2和图6可以看到，相比于原来的线圈内置式方案，本发明提出的线圈外置式结构有如下优点：1.增加了衔铁的有效气隙面积。图2的线圈外置式方案将原本缠绕于衔铁上的励磁线圈改为缠绕于C字形轭铁外侧的立柱上，实现励磁线圈与衔铁相分离，由此增加了衔铁翼面面积的利用率，增大了有效气隙面积，有利于提高马达的电磁力矩。2.参数调整方便，有利于实现结构参数和电磁参数之间的协同优化设计。斜翼力矩马达的反馈力矩大小与其斜翼倾角大小成正比，因此在设计过程中，应尽可能的将斜翼倾角设计的较大以提升反馈力矩。图6的线圈内置式结构，由于励磁线圈缠绕在衔铁上，则线圈也需要设计的更大，以此来容纳倾角变大的衔铁，在这种情况下，虽然线圈缠绕体积增大，但匝数并没有随之增加，而励磁磁势大小与电流值和匝数的乘积成正比，也就是说，线圈体积的增大和用铜量的增加，并没有换得励磁磁势的增大，这对于电磁结构参数的协同优化设计而言，显然是不合理的。而本发明提出的线圈外置式结构，由于线圈缠绕于衔铁外侧的立柱上，在增加斜翼倾角的同时，立柱高度随之增加，便可以缠绕更多的励磁线圈，增大了线圈匝数；另外，在本发明中，在C字形轭铁的开口侧上下两端加工出凹槽以放置永磁体，如此则极化磁势的大小也可以通过改变永磁体的高度而进行调节，可以看到，在线圈外置式方案中，其主要的性能参数调节非常方便，且有利于实现结构参数与电磁参数之间的协同优化设计。
需要特别指出的是，对于普通的平翼力矩马达而言，由于不存在改变翼面角度这一说，因此也谈不上倾角和励磁线圈匝数之间的优化问题，所以线圈外置式的结构方案，对于斜翼力矩马达这种特殊的、既有转动也有平动的电-机械转换器而言，具有极其重要的意义。
如图9所示，与斜翼力矩马达配合使用的液压放大部分主要包括阀芯19和阀套18等。阀套18上开有P口、T口、A口、B口，其中P口连通系统压力，T口连接油箱，A口和B口则作为控制油口。阀芯19与阀套18及其他零件(如后盖板等)配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯19左端台肩表面上开设有两对轴对称的高低压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽a、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽b则直接和回油口连接；阀芯19安装于阀套18中，阀套18的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，直槽感受通道f的一端和敏感腔h相通，另一端与高低压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力。
本实施例以外形尺寸32.4mm-71mm-38mm的线圈外置式斜翼力矩马达和阀芯直径为12.5mm的液压放大结构组成的二维力反馈式电液伺服阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。
该二维力反馈式电液伺服阀的工作原理如下：如图9所示，当液压泵打开，斜翼式力矩马达未通电时，衔铁3在第一弹簧杆20和第二弹簧杆21支撑下处于中位，其两侧翼面的上下工作气隙高度相等均为g，伺服阀的右腔k通过过流孔d，经小孔c和阀芯19杆内通道与进油P口(系统压力)相通，右腔k的承压面积为左敏感腔h面积的一半；左敏感腔h的压力由开设在阀芯19左端台肩上的一对高低压槽a和b与开设于阀套18内表面的一对直槽感受通道f相交的两个微小矩形窗串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及液动力的影响，左敏感腔h的压力为P口压力(系统压力)的一半，阀芯19轴向保持静压平衡，与直槽感受通道f相交的高低压槽两侧的遮盖面积相等。
如图10(a)、10(b)和10(c)所示，当斜翼式力矩马达通电时，衔铁3驱动阀芯19作顺时针的转动(从左向右看)，直到输出力矩和第一弹簧杆20和第二弹簧杆21的阻力矩相等的平衡位置，如图10(a)所示；此时衔铁3上下工作气隙高度分别由g变化为g1和g2(g1>g，g2<g)。阀芯低压槽b与直槽感受通道f构成的节流口面积增大，高压槽a与感受通道f构成的节流口面积减小，敏感腔h内的压力降低，阀芯19轴向失去平衡向左移动；由于马达的斜翼结构，阀芯19的轴向移动导致衔铁3的上下工作气隙高度再度分别变化为g3和g4(g3<g1，g4>g2)。如图10(b)所示，此时作用在衔铁3上的合力矩失去平衡，衔铁3和阀芯19在轴向移动的同时作反向的转动，直到感受通道f与高低压槽之间的两个节流口面积回复到相等，此时衔铁3停止转动，阀芯19停止轴向移动并处于一个新的平衡位置，其敏感腔h压力又恢复为系统压力的一半，如图10(c)所示。在上述过程中，阀芯19的轴向位移通过衔铁19的气隙变化使衔铁3输出的电磁力矩发生变化来实现位移-力反馈，因此该阀实质上为两级的力反馈式电液伺服阀。
上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种线圈外置式斜翼力矩马达的使用方法，斜翼力矩马达安装在力反馈式二维电液伺服阀的液压放大机构的一端，液压放大机构包括阀芯(19)和阀套(18)，阀套(18)上开有P口、T口、A口、B口，其中P口连通系统压力，T口连接油箱，A口和B口则作为控制油口；阀芯(19)与阀套(18)及后盖板配合构成左敏感腔h，靠近左敏感腔h的阀芯(19)左端台肩表面上开设有两对轴对称的高低压槽a和b，阀杆上还开有过流孔c和d，高压槽a、过流孔c和过流孔d通过开设于阀芯内部的过流通道相连接，低压槽b则直接和回油口连接；阀芯(19)安装于阀套(18)中，阀套(18)的内表面上开设有一对轴对称的直槽感受通道f，直槽感受通道f的一端和敏感腔h相通，另一端与高低压槽a和b构成阻力半桥，阻力半桥通过感受通道f控制敏感腔h内的压力；其特征在于：斜翼力矩马达由左轭铁(1)、右轭铁(5)、衔铁(3)、上永磁体(7)、下永磁体(4)、左线圈(2)和右线圈(6)组成；左轭铁(1)、右轭铁(5)及衔铁(3)均为导磁体；左轭铁(1)和右轭铁(5)为C字形结构，C字形结构包括上侧、下侧和侧立柱形成的封闭侧以及与封闭侧相对的开口侧，左轭铁(1)和右轭铁(5)的开口侧相对；左线圈(2)缠绕于左轭铁(1)的侧立柱上，右线圈(6)缠绕于右轭铁(5)的侧立柱上，用来提供控制磁势；衔铁(3)连接液压放大机构的阀芯(19)，衔铁(3)连接弹簧杆(20、21)；
衔铁(3)由水平设置的中心轴和两侧翼面构成，两侧翼面、左轭铁(1)和右轭铁(5)的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；左轭铁(1)和右轭铁(5)的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到左轭铁(1)的两个极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到右轭铁(5)的两个极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同；四个工作气隙高度的变化不仅受到衔铁(3)转动的影响，同时也受到阀芯(19)的轴向位移的影响，以此实现阀芯位移对力矩马达的力反馈；
当液压泵打开，斜翼力矩马达未通电时，衔铁(3)在第一弹簧杆(20)和第二弹簧杆(21)支撑下处于中位，其两侧翼面的上下工作气隙高度相等均为g，伺服阀的右腔k通过过流孔d，经过流孔c和阀芯(19)杆内通道与进油P口相通，右腔k的承压面积为左敏感腔h面积的一半；左敏感腔h的压力由开设在阀芯(19)左端台肩上的一对高低压槽a和b与开设于阀套(18)内表面的一对直槽感受通道f相交的两个微小矩形窗串联的液压阻力半桥控制；在静态时若不考虑摩擦力及液动力的影响，左敏感腔h的压力为P口压力的一半，阀芯(19)轴向保持静压平衡，与直槽感受通道f相交的高低压槽两侧的遮盖面积相等；
当斜翼式力矩马达通电时，衔铁(3)驱动阀芯(19)从左向右看作顺时针的转动，直到输出力矩和第一弹簧杆(20)和第二弹簧杆(21)的阻力矩相等的平衡位置；此时衔铁(3)上下工作气隙高度分别由g变化为g1和g2，g1>g，g2<g；阀芯低压槽b与直槽感受通道f构成的节流口面积增大，高压槽a与感受通道f构成的节流口面积减小，敏感腔h内的压力降低，阀芯(19)轴向失去平衡向左移动；由于马达的斜翼结构，阀芯(19)的轴向移动导致衔铁(3)的上下工作气隙高度再度分别变化为g3和g4，g3<g1，g4>g2；此时作用在衔铁(3)上的合力矩失去平衡，衔铁(3)和阀芯(19)在轴向移动的同时作反向的转动，直到感受通道f与高低压槽之间的两个节流口面积回复到相等，此时衔铁(3)停止转动，阀芯(19)停止轴向移动并处于一个新的平衡位置，其敏感腔h压力又恢复为系统压力的一半；在上述过程中，阀芯(19)的轴向位移通过衔铁(3)的气隙变化使衔铁(3)输出的电磁力矩发生变化来实现位移-力反馈，因此该阀实质上为两级的力反馈式电液伺服阀。
2.如权利要求1所述的一种线圈外置式斜翼力矩马达的使用方法，其特征在于：所述的左轭铁(1)和右轭铁(5)的开口侧上下两端分别加工出凹槽，上永磁体(7)、下永磁体(4)分别对称放置于左轭铁(1)和右轭铁(5)的凹槽中，用来提供极化磁势。
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