CN110741174A - 控制用于冷却车辆的冷却流体的风扇旋转的混合设备 - Google Patents

控制用于冷却车辆的冷却流体的风扇旋转的混合设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种用于控制风扇(1)绕纵向轴线(X‑X)旋转的装置，该风扇用于冷却容纳在车辆散热器中的冷却流体，该装置包括：‑固定的支承套筒(3)，该支承套筒的内部中空，并平行于风扇的旋转纵向轴线(X‑X)延伸；‑钟形部件(la)，用于支承风扇，该钟形部件安装在轴承(2)的外座圈(2a)上，该轴承的内座圈(2b)键接在支承套筒(3)上；‑电磁摩擦联接器(10)，该电磁摩擦联接器布置在钟形部件(1a)和运动接收装置(4)之间，该运动接收装置用于与车辆的驱动轴连接；‑电马达(20)，用于产生独立于车辆驱动轴的旋转运动，该电马达包括定子(21)和转子(22)；‑第一后部法兰(3a)，该第一后部法兰与套筒(3)成一体，并设计成支承电磁摩擦联接器的电磁体(12)；第二前部法兰(40)，该第二前部法兰与套筒(3)成一体，并设计成支承电马达(20)的定子(21)以及用于控制和电子驱动电马达(20)的单元(30；130)，该单元布置在支承风扇的钟形部件(1a)的径向内侧的位置处。

Description

控制用于冷却车辆的冷却流体的风扇旋转的混合设备
本发明涉及一种用于控制风扇的旋转的混合设备，该风扇用于冷却容纳在机动车辆的散热器中的冷却流体。
在机动车辆的技术领域中已知需要通过风扇来产生气流，该风扇沿车辆的行驶方向布置在散热器的后部，并与车辆的驱动轴连接，所述风扇在它旋转时迫使空气到达散热器上，并使热量从冷却流体传递至外部环境。
还已知所述风扇只有当冷却流体达到特定预定温度时才必须旋转，该特定预定温度由恒温器来检测，该恒温器操作电磁摩擦联接器，该电磁摩擦联接器的关闭使得风扇开始旋转。
更详细地说，要求机动车风扇能够这样旋转：
-以低于驱动轴的速度旋转，用于在较低外部温度条件下冷却；
-在较高的外部温度下或在导致发动机过热的恶劣条件下使用时，在等于或者甚至高于驱动轴的速度下旋转；
-在零速度下(即风扇完全不旋转和相对于驱动轴保持在空转状态中)，用于特别低的温度，在这种情况下，进一步冷却没有用，或者甚至引起损坏。
为了保证这些操作条件，在用于控制风扇操作的现有技术中已知存在这样的装置，该装置包括：电磁控制摩擦联接器，该电磁控制摩擦联接器布置在风扇和用于产生旋转运动的装置之间，该用于产生旋转运动的装置与燃烧发动机的轴连接；以及电气装置，该电气装置能够独立于燃烧发动机轴来控制风扇的旋转，并有可编程的旋转数。
尽管实现了在车辆中冷却冷却流体的功能，但是这些装置由于以下因素而出现故障和低效操作：当风扇操作时，在用于控制旋转的电气装置和离开该电气装置一定距离的相关电子控制驱动器之间的连接将产生涡电流，该涡电流干扰控制装置的正确操作，特别是电磁摩擦联接器的操作。
在WO2011006595中表示了这种装置的示例，该WO2011006595介绍了根据权利要求1的前序部分的装置，其中，旋转运动从同轴的轴来接收，该轴布置在摩擦联接器和电马达的径向内部的位置处。在这种结构中，定位用于电气装置的任何电子驱动器不会产生任何问题，因为装置的固定部件布置在径向外部位置，且固定在其上的、电马达的定子很容易接近。不过，该装置的缺点在于，它有沿径向方向的过大体积，这并不总是与车辆(例如货车和卡车)的发动机室的尺寸相容。
另外，在使得散热器的单元堆积松散碎屑的操作条件的情况下，已知装置不能解决散热器单元阻塞和因此使得容纳在所述散热器内部的流体缺乏冷却的问题。
因此，提出的技术问题是提供一种用于控制风扇的旋转的装置，该风扇用于冷却车辆的冷却流体，该装置能够解决或至少部分克服现有技术的前述问题。
与该问题有关，还要求该装置应当有较小尺寸，特别是沿径向方向。
还一所需特征是，装置应当容易和便宜地生产和装配，并能够很容易地使用普通的标准化连接装置而安装在任何用户位置。
根据本发明，这些结果通过一种根据权利要求1的特征的、用于控制风扇的旋转装置来实现，该风扇用于冷却容纳在车辆(特别是农用拖拉机和越野车辆)的散热器中的冷却流体。
其它细节可以通过下面参考附图对本发明主题实施例的非限定示例的说明中获得，附图中：
图1表示了根据本发明装置的实施例的第一示例的轴向竖直剖视图；和
图2表示了根据本发明装置的实施例的第二示例的轴向竖直剖视图；
图3表示了用于控制风扇的装置实施例的第一示例的轴向竖直剖视图，该风扇能够与曲轴同轴地安装；
图4表示了用于控制风扇的装置实施例的第二示例的轴向竖直剖视图，该风扇能够与曲轴同轴地安装；以及
图5表示了用于控制风扇的装置实施例的第三示例的轴向竖直剖视图，该风扇能够与曲轴同轴地安装。
如图1中所示，只是为了更容易说明的目的(而没有限制的意思)而假设纵向轴线X-X对应于风扇1的旋转轴线，前部部分A定位成在使用过程中靠近车辆的散热器(由点划线表示)，且后部部分沿纵向方向X-X与前部部分相反，根据本发明的、用于控制风扇的旋转的装置设计成这样：
-风扇1与钟形部件1a成一体，该钟形部件1a安装在轴承2的外座圈2a上，该轴承2的内座圈2b键接在固定套筒3上，该固定套筒平行于纵向轴线X-X延伸，优选与纵向轴线X-X同轴，如在所示示例中；
-套筒3在内部中空，以便允许电连接件通过，且它的后端与第一支承法兰3a连接在一起，优选是作为单件，该第一支承法兰3a能够通过例如螺钉类型的固定装置5a而固定在发动机的基座5上；
在与连接风扇1的一侧的轴向相反侧，支承钟形部件1a与电磁摩擦联接器10的电枢13连接在一起，该电磁摩擦联接器包括：
-)固定电磁体12，该固定电磁体12容纳在套筒3的法兰3a的相关座12a内，优选是通过电缆11d而与恒温器(未示出)电连接，该恒温器用于测量在散热器中的冷却流体的温度；
-)转子11，该转子11轴向面对电磁体12地布置在该电磁体12和电枢13之间，并安装在键接于套筒3上的轴承11a上；更详细地说，转子11有：环形部分11b，该环形部分11b形成用于使得由电磁体感应的磁通循环的盘；以及径向外部轴向延伸部分11c，该径向外部轴向延伸部分11c设置为布置在电磁体的径向外部位置的、用于接收运动的装置，例如滑轮11e，由径向外部齿形成，适用于直接或通过传动装置而与多槽带4接合，该多槽带4与驱动轴连接，因此能够使得转子11旋转。
-)电枢13轴向布置在转子11d、相对于电磁体12的相对侧，并通过弹性隔膜13a而与风扇1的钟形部件1a连接；通过这样连接，电枢13能够朝向/远离转子11沿轴向方向进行运动，同时保持锁定与钟形部件1a的相对旋转。如图所示，钟形部件1a也与电马达20的转子22连接在一起，该电马达20的定子21安装在第二支承法兰40上，该第二支承法兰40固定在支承套筒3的前端上；第二法兰40有成形的径向延伸部分41，定子21通过螺钉类型固定装置42而固定在该径向延伸部分41上；径向延伸部分41确定了用于容纳电马达20的电子驱动器和控制单元30的同轴座43，该电子驱动器和控制单元30通过穿过法兰40的电缆32而与电马达20连接，并通过电连接件31来供电。
这样，风扇1能够通过钟形部件1a而与电磁摩擦联接器10和电马达20连接，该电马达20通过相关的控制单元30来电流控制。
参考图2，根据本发明装置的第二实施例，电马达20的电子驱动器和控制单元130与电马达的定子21同轴地布置在轴向内部位置中，并优选是与它同心。如图所示，优选是，第二法兰140分别在径向内部位置和径向外部位置支承电子驱动器单元130和定子21。
还在该结构中，第二法兰140可以包括径向延伸部分141，定子21通过穿透螺钉142而固定在该径向延伸部分141上，该穿透螺钉142与径向延伸部分141的相应内螺纹接合。
如示例中所示，优选是，电马达布置在用于接收运动的装置4和/或电磁摩擦联接器的轴向外侧的位置中，这使得装置的径向尺寸能够进一步减少。
在这两种结构中，风扇的操作取决于两个运动传递/产生装置中一个或另一个的驱动：
-在电磁体12不激励和马达20断电的情况下，钟形部件1a与所有运动源断开连接，风扇1在空转状态中停止；
-在电磁体12激励和马达20断电的情况下，电枢13退回抵靠转子11，风扇1旋转，且转数与驱动轴的转数相等或成比例，它通过带4而与该驱动轴连接；在这种情况下，摩擦联接器使得电转子旋转，这在定子上感应出电流，从而产生可回收能量。
-在电磁体12不激励和马达20通电的情况下，电枢13和(因此)风扇1通过马达20的转子来旋转，且转数由控制单元30根据实际冷却需求来确定。
在两个实施例中，风扇沿从外部朝向散热器的表面抽吸空气的方向(在附图的示例中为逆时针)旋转，该散热器相对于车辆的行驶方向布置在风扇的前部；不过，根据本发明，可以设想电马达20以相反的电流来通电，以便使得电马达的转子22和(因此)风扇1沿使得空气的推力沿车辆行驶方向来作用的方向(在该示例中为顺时针)旋转，因此从内向外横过散热器，在冷却循环中积聚在散热器表面上的污垢将除去，从而恢复散热器的全功能性，该散热器的功能性将在此期间由于灰尘而降低。
因此将清楚根据本发明的装置能够怎样使得风扇操作，以便冷却容纳在散热器中的冷却流体，且当方便或需要时，还能够执行所述散热器的表面清洁，该清洁也可以在车辆正常行驶时进行，因此没有由于需要冷却散热器、以便能够人工接近散热器用于进行清洁而导致的车辆停机时间。
与套筒3连接在一起的第二支承法兰使得电马达的电子驱动器和控制单元能够径向容纳在用于控制风扇旋转的装置的钟形部件1a内部，从而限制了干扰和涡电流，当马达由布置成与它相距一定距离并通过电缆(该电缆穿过由电磁摩擦联接器占据的装置区域)来连接的控制单元来控制时将产生该涡电流，同时还限制了尺寸，特别是径向尺寸。
具有双支承法兰的结构(其中，第二法兰通过轴向固定装置而在前部固定在套筒上)将有利于装置的安装，因为由电马达的定子和电子驱动器单元构成的组件可以预装配，然后通过第二法兰40而固定在套筒3的前部，从而能够更容易地安装该装置。
还可以设想，电马达可以在短时间内增加负载，以便增加它的扭矩和速度，从而提高从散热器表面除去污垢的效率和/或处理极端冷却情况，而不需要借助于摩擦联接器的接合。
本发明还涉及一种混合设备，该混合设备与发动机的曲轴连接在一起，并设计成控制风扇的旋转，该风扇用于冷却容纳在机动车辆的散热器中的冷却流体。
对于通过风扇(风扇用于根据检测的所述流体的温度来冷却在机动车辆的散热器中的冷却流体)来产生气流的需要(在引言中所述)，实际上还已知现有装置不适合用于控制安装在与燃烧发动机的轴连接的曲轴上的风扇。
因此，本说明书中解决的另一技术问题是提供一种用于根据实际冷却需求来控制安装在发动机曲轴上的风扇的旋转的装置，该风扇用于冷却车辆的冷却流体。结合该问题，特别希望这样的装置应当有较小尺寸，特别是径向尺寸，并容易和便宜地制造和装配，且应当能够使用普通的标准化连接装置来安装在任何用户位置。
这些结果可以通过一种用于控制风扇绕纵向轴线旋转的设备来实现，该风扇设计成与车辆的曲轴同轴地安装，用于冷却容纳在车辆散热器中的冷却流体，该设备包括：
-驱动轴，该驱动轴设计成与车辆曲轴连接在一起；
-在使用过程中与风扇成一体并空转地安装在驱动轴上的元件；
-第一装置，用于将由驱动轴产生的运动传递给与风扇成一体的该元件；以及
-第二装置，用于产生独立于驱动轴的运动和将该运动传递给与风扇成一体的元件；其中，所述第一和第二运动传递/产生装置同轴地安装在驱动轴上。
用于将运动从驱动轴传递给风扇的第一装置可以是摩擦联接器，该摩擦联接器优选是包括：电磁体，该电磁体包含在支承件中，该支承件设计成固定在燃烧发动机的基座上和安装在第一轴承的外座圈上，该第一轴承的内座圈键接在驱动轴上；机械转子，该机械转子和与风扇成一体的元件连接在一起，并安装在第二轴承的外座圈上，第二轴承的内座圈键接在驱动轴上；以及电枢，该电枢轴向布置在转子的、相对于电磁体的相反侧，并通过弹性隔膜而与驱动轴连接。
优选是，机械转子还可以包括：径向内部套筒，该径向内部套筒安装在第二轴承上；环形部分，该环形部分形成用于使得由电磁体感应的磁通循环的盘；以及径向外边缘，该径向外边缘沿轴向方向延伸，并设计成与风扇接合，以便在使用过程中形成与风扇成一体的元件。根据优选实施例，柔性接头布置在电枢和驱动轴之间。
第二运动产生和传递装置可以包括电马达，该电马达有定子和电转子，该电转子沿径向在定子的外侧，与环连接在一起，该环设计成固定于在使用过程中与风扇成一体的元件上。定子优选是由支承电磁体的相同支承件来支承，且与电转子连接在一起的环可以有外边缘，该外边缘沿径向方向延伸，并设计成固定在机械转子的、沿径向方向延伸的相应环形边缘上，且在使用过程中与风扇成一体。电马达可以设计成沿两个相反的旋转方向来操作风扇，即，用于吸入冷却空气或者用于强制吹气来清洁散热器。
该设备可以包括用于控制电马达的驱动器，该驱动器优选是容纳在法兰中，该法兰通过轴向螺钉而固定在相同支承件上，该支承件承载联接器的电磁体和电马达的定子，电子驱动器和定子优选是分别布置在径向内部位置和径向外部位置。电马达的电子驱动器也可以与电马达的定子同轴地布置在轴向内部位置中，优选是与该定子同心。
在优选实施例中，摩擦联接器使得机械转子和与它成一体的电转子旋转，这在定子上感应出电流，并产生可回收能量。
优选是，机械转子和承载电转子的环将在单个本体中制成为单件，该单个本体形成在使用过程中与风扇成一体的元件。
通过下面参考附图对提供的非限定实施例的说明，可以获得更多细节。
如图3中所示，只是为了更容易说明的目的(而没有限制的意思)而假设纵向轴线X-X对应于风扇1的旋转轴线，前部部分A定位成在使用过程中靠近车辆的散热器，且后部部分沿纵向方向X-X与前部部分相反，用于控制风扇的旋转的设备包括：
-支承轴210，该支承轴210与燃烧发动机的曲轴211连接，它与该曲轴211成一体，因此以相同的转数旋转；该支承轴将在下面称为驱动轴210；
-第一装置100，用于传递由驱动轴210产生的运动；以及
-第二装置200，用于产生独立于驱动轴210的运动；
所述第一运动传递装置100和第二运动产生装置200同轴地安装在驱动轴210上。
详细地说：
-用于将运动从驱动轴210传递给风扇1的第一装置100包括：
摩擦联接器，优选是电磁控制类型，它包括：
电磁体110，该电磁体110包含在固定于燃烧发动机的基座12上的支承件111中；电磁体的支承件111安装在第一轴承112的外座圈上，该第一轴承的内座圈键接在驱动轴210上；
机械转子113，该机械转子113由套筒113a形成，该套筒113a径向地布置在内侧，并安装在第二轴承115的外座圈上，该第二轴承的内座圈键接在驱动轴210上；转子113有环形部分123b和径向外边缘113c，该环形部分123b形成用于使得由电磁体感应的磁通循环的盘，该径向外边缘113c沿轴向方向延伸；
转子113的外边缘113a有环形边缘113d，该环形边缘113d沿径向方向延伸，并设计成与风扇1成一体地连接在一起，例如通过轴向螺钉1a；
电枢114轴向布置在转子113的、相对于电磁体110的相对侧，并通过弹性隔膜114a而与驱动轴210连接；通过这种连接，电枢114能够沿轴向方向朝着/远离转子113进行运动，同时保持锁定与驱动轴210的相对旋转。
可以看见，电枢114有驱动功能，而转子113从动。
优选是，设计成减少由驱动轴引起的振动的柔性接头116布置在电枢114和驱动轴210之间。
-第二运动产生装置200包括：
电马达250，该电马达250的定子251安装在固定于燃烧发动机的基座12上的相同支承件111上，该支承件111支承电磁体110，且该电马达250的电转子253沿径向布置在定子251的外侧，与环254连接在一起，该环有外边缘254a，该外边缘254a沿径向方向延伸，并设计成固定在沿机械转子113的径向方向延伸的相应环形边缘113d上，该机械转子113承载风扇1。
优选是，将风扇与机械转子锁定在一起的相同螺钉也锁定承载电转子253的环254。
电马达250与用于控制马达的驱动器260连接；如图3的优选实施例中所示，设想将驱动器260容纳在法兰261内，该法兰261通过轴向螺钉261a而固定在所述支承件111上，该支承件111固定在燃烧发动机的基座12上，该基座12承载联接器100的电磁体和电马达的定子251，从而在这种情况下与该设备一起形成单个紧凑的组件，且避免了当驱动器在离电马达一定距离处连接时可能产生的干扰；如图4中所示，还设想控制驱动器261可以定位在定子251的支承件111的外侧上，连接电缆优选是沿用于将所述支承件1111固定在基座12上的法兰1111a来布置。
尽管未示出，但是还可以设想，电马达的电子驱动器可以布置在轴向内部位置，它与电马达的定子同轴，并优选是同心。在这种情况下，优选是，固定在泵体上的支承件分别在径向内部位置和径向外部位置来支承电马达的定子和电子驱动器。
如图5中所示，设想了该设备的还一实施例，其中，机械转子113和承载电转子253的环254在单个本体11354中形成为单件，从而进一步减少了设备的部件总数。
参考设备的这些结构，风扇的操作原理如下：
-在电磁体110不被激励和马达250断电的情况下，风扇1与所有运动源断开连接，因此在空转状态下保持停止；
-在电磁体110被激励和马达250断电的情况下，电枢114退回抵靠转子113(它将驱动轴210的运动传递给转子113)，风扇1旋转，且转数等于驱动轴的转数；
-在这种操作状态下，与机械转子连接成一体的电转子通过摩擦联接器来旋转驱动，并在定子上感应出电流，从而产生可回收和可利用的能量；
-在电磁体110不被激励和马达250通电的情况下，风扇1通过环254通过马达250的转子253而旋转，且转数由驱动器2602根据实际冷却要求来确定。
在两个实施例中，风扇沿例如从外部朝向散热器的表面抽吸空气的方向(在附图的示例中为逆时针)旋转，该散热器相对于车辆的行驶方向布置在风扇的前部；不过，根据本发明，可以设想电马达250以相反的电流来通电，以便使得电马达的转子253和(因此)风扇1沿使得推动空气的推力沿车辆行驶方向来作用的相反方向(在该示例中为顺时针)旋转，因此从内向外横过散热器，在冷却循环中积聚在散热器表面上的污垢将除去，从而恢复散热器的全功能性，该散热器的功能性将在此期间由于灰尘而减小。
因此将清楚根据本发明的设备能够怎样使得与曲轴同轴地安装的风扇操作，以便冷却容纳在散热器中的冷却流体，且当方便或需要时，还能够执行所述散热器的表面清洁，该清洁也可以在车辆正常行驶时进行，因此没有由于冷却散热器的需要、以便能够人工接近散热器用于进行清洁而导致的车辆停机时间。
还可以设想，电马达可以在短时间内增加负载，以便增加它的扭矩和速度，从而提高从散热器表面除去污垢的效率和/或处理极端冷却情况，而不需要借助于摩擦联接器的接合。
根据进行的测试，估计由燃烧发动机的电池提供的电流可以是12V或24V dc，即足以使得风扇旋转直至最大转速(该最大转速能够通过与燃烧发动机连接来产生)的大约50％，高于这些值时，燃烧发动机通过摩擦联接器而起作用。
尽管已经结合本发明的多个实施例和多个优选实施方式进行了介绍，但是应当理解，本专利的保护范围只由下面的权利要求来确定。

Claims (13)

1.一种用于控制风扇(1)绕纵向轴线(X-X)旋转的设备，所述风扇用于冷却容纳在车辆的散热器中的冷却流体，所述设备包括：
-固定的支承套筒(3)，所述支承套筒的内部中空，并平行于风扇的旋转的纵向轴线(X-X)延伸；
-钟形部件(la)，用于支承风扇；
-电磁摩擦联接器(10)，所述电磁摩擦联接器布置在钟形部件(1a)和运动接收装置(4)之间，所述运动接收装置用于与车辆的驱动轴连接；
-电马达(20)，用于产生独立于车辆的驱动轴的旋转运动，所述电马达包括定子(21)和转子(22)；
-第一后部法兰(3a)，所述第一后部法兰与支承套筒(3)成一体，并设计成支承电磁摩擦联接器的电磁体(12)；
其特征在于，
钟形部件(1a)安装在轴承(2)的外座圈(2a)上，所述轴承的内座圈(2b)键接在支承套筒(3)上；
所述设备还包括第二前部法兰(40)，所述第二前部法兰与支承套筒(3)成一体，并设计成支承电马达(20)的定子(21)以及用于控制和电子驱动电马达(20)的单元(30；130)，所述单元布置在支承风扇的钟形部件(1a)的径向内侧的位置处；以及
运动接收装置布置在电磁摩擦联接器的径向外侧的位置处。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：第二前部法兰(40)包括用于容纳电子驱动器和控制单元(30)的座。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中：用于电子驱动电马达(20)的单元(30)布置在定子(21)的轴向外侧的位置处。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中：用于电子驱动电马达(20)的单元(130)布置在定子(21)的轴向内侧的位置处。
5.根据前述权利要求所述的设备，其中：电子驱动器和控制单元(130)与定子(21)同轴，并优选是与所述定子同心。
6.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：第二前部法兰(40；140)具有成形的径向延伸部分(41；141)，定子(21)通过螺钉类型的固定装置(42)而固定在所述径向延伸部分上。
7.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：第二支承法兰(40；140)通过固定装置而与支承套筒(3)的前端轴向连接。
8.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述电马达(20)包括固定在用于支承风扇的钟形部件上的转子(22)。
9.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：电马达(20)在短时间间隔内增加负载。
10.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：电马达被编程为能够交替地旋转，以便使得风扇(1)旋转，从而适合从环境中抽吸空气和迫使空气沿与所述运动方向相反的方向通过散热器(6)，或者使得风扇(1)沿相反方向旋转，从而适合迫使空气以与所述运动的方向相同的方向朝着外部环境通过散热器(6)。
11.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述电磁摩擦联接器(10)包括：
-机械转子(11)，所述机械转子布置成面对电磁体(12)，并安装在键接于支承套筒(3)上的轴承(11a)上；
-电枢(13)，所述电枢沿轴向方向布置在转子(11)的、相对于电磁体(12)的相对侧，并通过弹性隔膜(13a)而与支承风扇(1)的钟形部件(la)连接。
12.根据前述权利要求所述的设备，其特征在于：所述机械转子(11)具有环形部分(11b)和轴向端部延伸部分(11c)，所述环形部分形成用于使得由电磁体感应的磁通循环的盘，所述轴向端部延伸部分设置为运动接收装置，优选是包括径向外部齿，所述径向外部齿适于与多槽带(4)接合，所述多槽带用于与车辆的驱动轴连接。
13.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：在电磁体被激励的情况下，摩擦联接器使得电转子旋转，这在定子上感应出电流，并产生可回收的能量。
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