CN113565939A - 一种全范围调速的机电一体化行星调速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及调速领域,具体为一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,包括太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架、多个平行轴齿轮、同步自动离合器、调速电机、四象限变频器、两象限变频器、多个开关等,太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架按照行星齿轮箱方式连接,内齿圈的输入轴通过两级平行轴齿轮与同步自动离合器的输出轴连接,行星架通过两级平行轴齿轮与变频电机连接,其中的惰轮与离合器输入轴连接;四象限变频器驱动调速电机,两象限变频器和旁路开关驱动主驱电机。本发明可以实现0~100%范围调速。
Description
技术领域
本发明涉及调速领域,具体为一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,适用于工业调速驱动领域,如电站锅炉给水泵、石油石化及天然气行业压缩机设备的驱动等。
背景技术
大功率调速设备的驱动一般采用小汽轮机、液力偶合器、变频器的方式调速,但不同程度存在效率或可靠性问题,因此研发一种高效率高可靠性的大功率调速设备意义重大,把差速行星齿轮箱和变频器相结合实施机电一体化是一个重要的方向,德国福伊特公司于2020年在华润广州南海电厂投运了全球首例两套机电一体化调速装置,功率为5MW,用于锅炉给水泵调速,山西漳电大唐塔山发电有限公司与中船重工七〇三所联合研发的国产首台套10MW机电一体化调速装置与2021年1月投运,也用于锅炉给水泵调速,其均是基于公知的行星差速原理和变频调速原理,各自提出了不同的具体技术方案。本发明也基于公知的行星差速原理和变频调速原理提出一种有别于上述两种方案的机电一体化调速装置。以电力行业为例,火电厂今后要承担日益繁重的调峰任务,调峰深度不断增加,给水泵也需要运行到更低转速和更低出力,目前公开的两种机电一体化行星调速装置在兼顾了效率和可靠性问题以后,但面临转速调节范围的制约,不利于发电机组的深度调峰。
发明内容
本发明提供了一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,可以实现0~100%范围调速。
本发明是采用如下的技术方案实现的:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,包括主驱电机、主驱端齿轮、差速行星机构(太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架按照行星齿轮箱方式连接)、调速端惰轮、调速端齿轮、同步自动离合器、离合器输出端齿轮、离合器输出端惰轮、调速电机、四象限变频器、两象限变频器、旁路开关、厂用电系统、调速电机开关和主驱电机开关,差速行星机构的内齿圈输入轴连接主驱端齿轮,主驱端齿轮通过离合器输出端惰轮与离合器输出端齿轮连接,离合器输出端齿轮与同步自动离合器的输出轴连接,主驱电机连接主驱端齿轮,差速行星机构的行星架连接调速端惰轮,调速端惰轮和调速端齿轮啮合,调速端齿轮和调速电机连接,调速端惰轮与同步自动离合器的输入轴连接,四象限变频器一端连接厂用电系统,另一端通过调速电机开关连接调速电机,两象限变频器一端连接厂用电系统,另一端通过主驱电机开关连接主驱电机,主驱电机还通过旁路开关直接连接厂用电系统。
上述方案中差速行星机构的太阳轮连接被驱动设备。
工作原理:当调速装置启动时,两象限变频器驱动主驱电机进行变频调速启动,主驱电机带动内齿圈升速,从而带动太阳轮和行星架升速,升速过程中太阳轮受到被驱动设备的阻力矩,行星架升速会带动与之啮合的两级齿轮升速,由于调速电机此时不带电,为被动空转状态,与之相连的两级齿轮会持续升速,直到与惰轮连接的同步自动离合器接合,此时功率输入和功率调节完全依靠两象限变频器驱动主驱电机在变频方式下完成,继续提高两象限变频器输出频率和功率,当变频器输出频率达到50Hz时,变频器锁频锁相,旁路开关合闸,变频器退出运行,此时空转的调速电机达到最高转速,被驱设备达到调速工作范围的最低转速。启动四象限变频器,逐步提高输出频率至当前变频电机转速对应频率,将输出电压调至较低电压,以保证电机回路接通瞬间激磁时,合闸电流不超变频器额定电流,然后逐步提高电压至调速电机额定电压,完成装置模式切换,逐渐降低四象限变频器输出频率,随着调速电机转速降低,同步自动离合器脱开,太阳轮转速升高,带动被驱动设备机械升速。
采用的另一种技术方案为:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,包括主驱电机、主驱端齿轮、差速行星机构、调速端惰轮、调速端齿轮、同步自动离合器、离合器输出端齿轮、离合器输出端惰轮、调速电机、四象限变频器、旁路开关、厂用电系统、调速电机开关和主驱电机开关,差速行星机构的内齿圈输入轴连接主驱端齿轮,主驱端齿轮通过离合器输出端惰轮与离合器输出端齿轮连接,离合器输出端齿轮与同步自动离合器的输出轴连接,主驱电机连接主驱端齿轮,差速行星机构的行星架连接调速端惰轮,调速端惰轮和调速端齿轮啮合,调速端齿轮和调速电机连接,调速端惰轮与同步自动离合器的输入轴连接,四象限变频器一端连接厂用电系统,另一端通过调速电机开关连接调速电机,另一端还通过主驱电机开关连接主驱电机,主驱电机还通过旁路开关直接连接厂用电系统。
上述方案中差速行星机构的太阳轮连接被驱动设备。
本发明还可以采用如下的技术方案实现的:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,包括主驱电机、主驱端齿轮、差速行星机构、调速端惰轮、调速端齿轮、同步自动离合器、离合器输出端齿轮、离合器输出端惰轮、调速电机、四象限变频器、固态软启动装置、旁路开关、厂用电系统、调速电机开关和主驱电机开关,差速行星机构的内齿圈输入轴连接主驱端齿轮,主驱端齿轮通过离合器输出端惰轮与离合器输出端齿轮连接,离合器输出端齿轮与同步自动离合器的输出轴连接,主驱电机连接主驱端齿轮,差速行星机构的行星架连接调速端惰轮,调速端惰轮和调速端齿轮啮合,调速端齿轮和调速电机连接,调速端惰轮与同步自动离合器的输入轴连接,四象限变频器输入端连接厂用电系统,输出端通过调速电机开关连接调速电机,固态软启动装置一端连接厂用电系统,另一端通过主驱电机开关连接主驱电机,主驱电机还通过旁路开关直接连接厂用电系统。
上述方案中差速行星机构的太阳轮连接被驱动设备。
工作原理:当调速装置启动时,四象限变频器驱动调速电机进行变频调速启动,从而带动调速端齿轮、惰轮及行星架升速,调速端惰轮升速使同步自动离合器接合带动离合器输出端齿轮、两级惰轮及主驱端齿轮升速,从而带动主驱电机和内齿圈升速,这样太阳轮带动被驱设备升速,当四象限变频器输出达到最高频率时,主驱电机达到工频对应的同步转速,此时被驱设备转速达到低速区间调速转速上限。然后,主驱电机通过固态软启动装置采用晶闸管斜坡电压方式启动,达到额定电压后,旁路开关合闸,固态软启动装置退出运行,逐渐降低四象限变频器输出频率,随着变频电机转速降低,同步自动离合器脱开,太阳轮转速升高,带动被驱动设备机械升速,进入高速区间调速工况。
上述的一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,调速电机替换为伺服电机。
上述的一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,离合器输出端惰轮为离合器输出端两级惰轮。
本发明的有益效果是:
1)目前投运的两种机电一体化行星调速装置均不能实现0~100%全程调速,一般调速区间为60%~100%转速,本发明可以实现全程调速。
2)本发明不需要采用伺服电机,而采用高功率密度的变频电机即可。
3)通过同步自动离合器的脱开和接合,实现行星齿轮装置的两种工作模式。
4)通过变频器零起升速,可以不限制工频电机启动次数,便于整套系统灵活启停。
5)消除了低转速模式下的由调速电机回馈至厂用电系统的电气循环功率,既降低了主驱电机输入功率,又提高了装置系统效率。
6)本发明不需要设置太阳轮防反转装置。
附图说明
图1为全范围调速机电一体化行星调速装置轴系结构示意图。
图中:1-主驱电机,2-主驱端联轴器,3-主驱端齿轮,4-内齿圈,5-行星架,6-太阳轮,7-输出端联轴器,8-给水泵,9-调速端惰轮,10-调速端齿轮,11-同步自动离合器,12-离合器输出端齿轮,13-离合器输出端两级惰轮,14-调速端联轴器,15-调速电机。
图2为全范围调速机电一体化行星调速装置电气系统示意图A
图中:1-主驱电机,15-调速电机,16-四象限变频器,17-两象限变频器,18-旁路开关,19-厂用电系统,20-调速电机开关,21-主驱电机开关。
图3为全范围调速机电一体化行星调速装置低速工况功率流示意图。
图4为全范围调速机电一体化行星调速装置高速工况功率流示意图。
图5为全范围调速机电一体化行星调速装置电气系统示意图B。
图中:1-主驱电机,15-调速电机,16-四象限变频器,18-旁路开关,19-厂用电系统,20-调速电机开关,21-主驱电机开关。
图6为全范围调速机电一体化行星调速装置高速工况(调速电机换向)功率流示意图。
图7为全范围调速机电一体化行星调速装置电气系统示意图C。
图中:1-主驱电机,15-调速电机,16-四象限变频器,18-旁路开关,19-厂用电系统,20-调速电机开关,21-主驱电机开关,22-固态软启动装置。旁路开关、调速电机开关、主驱电机开关还都可为接触器。
图8为全范围调速机电一体化行星调速装置(固态软启)低速工况功率流示意图。
具体实施方式
实施例1:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,以应用于电站锅炉给水泵为例,包括主驱电机1,主驱端联轴器2,主驱端齿轮3,内齿圈4,行星架5,太阳轮6,输出端联轴器7,给水泵8,调速端惰轮9,调速端齿轮10,同步自动离合器11,离合器输出端齿轮12,离合器输出端两级惰轮13,调速端联轴器14,调速电机15,连接方式如图1所示,其中,内齿圈4,行星架5,太阳轮6构成差速行星机构,调速端惰轮9,调速端齿轮10与行星架5构成差速行星的调速机构,调速端惰轮9、同步自动离合器11、离合器输出端齿轮12、离合器输出端两级惰轮13、主驱端齿轮3构成主驱电机调速/定速离合机构,连接方式如图1所示,还包括四象限变频器16,两象限变频器17,旁路开关18,厂用电系统19,调速电机开关20,主驱电机开关21,连接方式如图2所示。
装置零起升速及低速区间调速:四象限变频器16不工作,装置调速端处于自由状态,主驱电机开关21合闸,两象限变频器17输出频率从0Hz开始提升,带动主驱电机1升速,主驱电机1通过主驱端联轴器2带动主驱端齿轮3、离合器输出端两级惰轮13、离合器输出端齿轮12、内齿圈4同步升速,内齿圈4带动行星架5、太阳轮6升速,内齿圈4为差速行星机构的功率输入端,行星架5、太阳轮6为差速行星机构的功率输出端,行星架5带动调速端惰轮9、调速端齿轮10、调速端联轴器14、调速电机15升速,太阳轮6通过输出端联轴器7带动给水泵8升速,由于给水泵的阻力矩,而此时调速端轴系是自由状态,因此,由内齿圈4输入的功率优先通过行星架5带动调速端轴系升速,当调速端惰轮9转速达到并有超越离合器输出端齿轮12趋势时,同步自动离合器11接合,此时,整个差速行星调速装置形成一个整体,成为定速比齿轮箱,功率流向如图3所示,由主驱端联轴器2通过差速行星机构4、5、6向输出端联轴器7输出功率,主驱端齿轮3、内齿圈4、行星架5、调速端惰轮9、同步自动离合器11、离合器输出端齿轮12、离合器输出端两级惰轮13形成一个机械闭合回路及机械循环功率,由于机械循环功率的存在,可以有效降低主驱电机1的功率,从而减小两象限变频器17的选型容量,功率流如图3所示。以某电站锅炉给水泵为例,设计转速5000rpm,工作转速范围为60%~100%,目前已公开的两种机电一体化行星调速装置均不能在最低调速范围以下工作,且若主驱电机1采用软启动或变频启动的方式,主驱电机承担的功率是给水泵轴功率和调速电机馈电功率之和,软启动装置或两象限变频器选型容量相对本技术方案要大,本技术方案的两象限变频器选型容量只需要满足给水泵调速范围下限(60%转速)时的轴功率即可。由两象限变频器带动主驱电机由0rpm逐步升速至50Hz对应转速,给水泵由0rpm同步升速至3000rpm,处于自由状态的调速电机由0rpm同步升速至其调速转速上限。只要被驱设备有需求,本技术方案输出转速在0~60%范围内也是可以实现连续调速的,而目前公开的两种技术方案在0~60%范围为其装置的启动工况,转速是不可控的,不属于其调速工作范围,高速调速范围和低速调速范围的分界点可以根据被驱设备的需要优选,如50%,或70%。
低速区间调速切高速区间调速:两象限变频器17输出频率升至50Hz时,变频器与厂用电系统19的工频电源检同期后,锁频锁相,旁路开关18合闸,主驱电机开关21断开,两象限变频器17退出运行,主驱电机1切换为工频运行。四象限变频器16带电启动,逐步调整输出频率至最高调速频率(与此时调速电机15的转速对应),并维持较低电压,以保证电机回路接通瞬间激磁时,合闸电流不超变频器额定电流,合上调速电机开关20,然后逐步提升四象限变频器16输出电压至调速电机15额定电压,装置由低速区间调速切至高速区间调速。
给水泵工作转速范围调速(高速区间调速):装置完成低速区间调速到高速区间调速时,装置处于高速区间调速转速范围的下限(采用行星架与内齿圈同向旋转模式,根据行星差速原理,内齿圈定速旋转,行星架与内齿圈转向相同时,行星架转速升高,则太阳轮转速降低,即当调速电机处于转速范围上限时,给水泵处于高速区间调速范围的转速下限),调速电机15处于其调速范围的最高转速,同步自动离合器11尚处于接合状态,当需要提高给水泵8的转速时,降低四象限变频器16的输出频率,同步自动离合器11的输入端转速降低,而输出端转速不变,因而同步自动离合器11脱开,给水泵8转速上升,当调速电机15转速达到其调速范围的最低转速时,给水泵8的转速达到调速范围的上限,功率流如图4所示。
高速区间调速切低速区间调速:调速电机15转速达到调速范围上限,同步自动离合器11接合,四象限变频器16退出运行,断开调速电机开关20,投入两象限变频器17,逐步提高其输出频率至50Hz,提高输出电压到主驱电机1的额定电压,变频器输出与厂用电系统工频电源检同期后,锁频锁相,合上主驱电机开关21,断开旁路开关18,主驱电机1切换为两象限变频器17接带,然后逐步降低两象限变频器17的输出频率,主驱电机1转速同步降低,给水泵8的转速也同步降低。
本发明较目前公开的两种机电一体化行星调速装置,由于拓展了调速范围,可以更好的适应被驱设备的工况需要,如本发明技术方案应用于电站锅炉给水泵调速,可以应对当前火电机组深度调峰面临的在机组低负荷条件,需要给水泵频繁启停或工作到更低转速的工作条件,既满足了机组需求,又避免了该实施例S1工作制大功率电机频繁全压直启的危害。
实施例2:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,与实施例1不同之处在于,主驱电机1,调速电机15,四象限变频器16,旁路开关18,厂用电系统19,调速电机开关20,主驱电机开关21,连接方式如图5所示,其余均与实施例1相同。
当实施例1中四象限变频器16的容量和电压等级均大于两象限变频器17时,或四象限变频器16与两象限变频器17的容量和电压等级相近,则将四象限变频器16的选型容量和电压等级取大者,使其可以同时满足两象限变频器17的需要,这样系统中只需要设置四象限变频器16。
装置零起升速及低速区间调速:与实施例1不同之处在于,调速电机开关20断开,旁路开关18断开,主驱电机开关21合闸,由四象限变频器16承担实施例1中两象限变频器17的任务,其余均与实施例1相同。
低速区间调速切高速区间调速:与实施例1不同之处在于,四象限变频器16输出频率升至50Hz时,变频器与厂用电系统19的工频电源检同期后,锁频锁相,旁路开关18合闸,主驱电机开关21断开,四象限变频器16退出运行,主驱电机1切换为工频运行。逐步调整四象限变频器16输出频率至最高调速频率(与此时调速电机15的转速对应),并维持较低电压,以保证电机回路接通瞬间激磁时,合闸电流不超变频器额定电流,合上调速电机开关20,然后逐步提升四象限变频器16输出电压至调速电机15额定电压,完成装置低速区间调速切高速区间调速,其余均与实施例1相同。
给水泵工作转速范围调速(高速区间调速):与实施例1相同。
高速区间调速切低速区间调速:调速电机15转速达到调速范围上限,同步自动离合器11接合,断开调速电机开关20,降低四象限变频器16输出频率至50Hz,输出电压与主驱电机1的额定电压相同,变频器输出与厂用电系统19工频电源检同期后,锁频锁相,合上主驱电机开关21,断开旁路开关18,主驱电机1切换为四象限变频器16接带,然后逐步降低其输出频率,主驱电机1转速同步降低,给水泵8的转速也同步降低。
实施例3:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,与实施例1、2不同之处在于,调速电机15采用伺服电机,其余均与实施例1、2相同。
装置零起升速及低速区间调速:与实施例1、2相同。
低速区间调速切高速区间调速:与实施例1、2相同。
给水泵工作转速范围调速(高速区间调速):在实施例1、2中,调速电机15通过四象限变频器16始终处于向厂用电系统19馈电的状态,当降低四象限变频器16输出频率至最低时,给水泵8转速达到最高,此时,调速电机15为最大转矩工况。本实施例与实施例1、2不同之处在于,调速电机15为伺服电机,当四象限变频器16的输出频率接近0Hz时,可以控制调速电机15平稳换向反转(进入行星架与内齿圈反向旋转模式,根据行星差速原理,内齿圈定速旋转,行星架与内齿圈转向相反时,行星架转速升高,则太阳轮转速升高,即给水泵转速会进一步升高),然后提升输出频率,进入电动工作模式,功率流如图6所示,有益之处在于,较实施例1、2,可以进一拓宽高速区间调速范围,增加调速速比,或降低调速电机15及四象限变频器16、两象限变频器17的选型容量,并对装置效率略有提升,但伺服电机的价格较高。
高速区间调速切低速区间调速:与实施例1、2相同。
实施例4:一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,与实施例1不同之处在于,由固态软启动装置22替代两象限变频器17,连接方式如图7所示。
装置零起升速及低速区间调速:旁路开关18、主驱电机开关21在断开状态,固态软启动装置22未启动,启动四象限变频器16,合上调速电机开关20,逐步提高四象限变频器16的输出频率,带动调速电机15升速,从而带动调速端齿轮10、调速端惰轮9升速,调速端惰轮9升速使同步自动离合器11接合带动离合器输出端齿轮12、两级惰轮13及主驱端齿轮3升速,从而带动主驱电机1和内齿圈4升速,这样就又带动行星架5、太阳轮6及给水泵8升速,其中行星架5又向调速端惰轮9传递功率,形成一个闭合机械功率循环,此时,整个差速行星调速装置形成一个整体,成为定速比齿轮箱,功率流向如图8所示。
低速区间调速切高速区间调速:当四象限变频器16输出达到最高频率时,主驱电机1达到工频对应的同步转速,此时给水泵8转速达到低速区间调速转速上限。然后,主驱电机1通过固态软启动装置22采用晶闸管斜坡电压方式启动,达到额定电压后,旁路开关18合闸,主驱电机开关21断开,固态软启动装置22退出运行,装置由低速区间调速切至高速区间调速。
给水泵工作转速范围调速(高速区间调速):与实施例1相同。
高速区间调速切低速区间调速:调速电机15转速达到调速范围上限,同步自动离合器11接合,断开旁路开关18,主驱电机1进入被动带转状态,然后逐步降低四象限变频器16的输出频率,调速电机15转速降低,给水泵8的转速也同步降低。
调速电机15采用伺服电机,也可实现与实施例3相同的功能。
Claims (5)
1.一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,其特征在于:包括主驱电机(1)、主驱端齿轮(3)、差速行星机构、调速端惰轮(9)、调速端齿轮(10)、同步自动离合器(11)、离合器输出端齿轮(12)、离合器输出端惰轮、调速电机(15)、四象限变频器(16)、两象限变频器(17)、旁路开关(18)、厂用电系统(19)、调速电机开关(20)和主驱电机开关(21),差速行星机构的内齿圈(4)输入轴连接主驱端齿轮(3),主驱端齿轮(3)通过离合器输出端惰轮与离合器输出端齿轮(12)连接,离合器输出端齿轮(12)与同步自动离合器的输出轴连接,主驱电机(1)连接主驱端齿轮(3),差速行星机构的行星架(5)连接调速端惰轮(9),调速端惰轮(9)和调速端齿轮(10)啮合,调速端齿轮(10)和调速电机(15)连接,调速端惰轮(9)与同步自动离合器的输入轴连接,四象限变频器(16)一端连接厂用电系统(19),另一端通过调速电机开关(20)连接调速电机(15),两象限变频器(17)一端连接厂用电系统(19),另一端通过主驱电机开关(21)连接主驱电机(1),主驱电机(1)还通过旁路开关(18)直接连接厂用电系统(19)。
2.一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,其特征在于:包括主驱电机(1)、主驱端齿轮(3)、差速行星机构、调速端惰轮(9)、调速端齿轮(10)、同步自动离合器(11)、离合器输出端齿轮(12)、离合器输出端惰轮、调速电机(15)、四象限变频器(16)、旁路开关(18)、厂用电系统(19)、调速电机开关(20)和主驱电机开关(21),差速行星机构的内齿圈(4)输入轴连接主驱端齿轮(3),主驱端齿轮(3)通过离合器输出端惰轮与离合器输出端齿轮(12)连接,离合器输出端齿轮(12)与同步自动离合器的输出轴连接,主驱电机(1)连接主驱端齿轮(3),差速行星机构的行星架(5)连接调速端惰轮(9),调速端惰轮(9)和调速端齿轮(10)啮合,调速端齿轮(10)和调速电机(15)连接,调速端惰轮(9)与同步自动离合器的输入轴连接,四象限变频器(16)一端连接厂用电系统(19),另一端通过调速电机开关(20)连接调速电机(15),另一端还通过主驱电机开关(21)连接主驱电机(1),主驱电机(1)还通过旁路开关(18)直接连接厂用电系统(19)。
3.一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,其特征在于:包括主驱电机(1)、主驱端齿轮(3)、差速行星机构、调速端惰轮(9)、调速端齿轮(10)、同步自动离合器(11)、离合器输出端齿轮(12)、离合器输出端惰轮、调速电机(15)、四象限变频器(16)、固态软启动装置(22)、旁路开关(18)、厂用电系统(19)、调速电机开关(20)和主驱电机开关(21),差速行星机构的内齿圈(4)输入轴连接主驱端齿轮(3),主驱端齿轮(3)通过离合器输出端惰轮与离合器输出端齿轮(12)连接,离合器输出端齿轮(12)与同步自动离合器的输出轴连接,主驱电机(1)连接主驱端齿轮(3),差速行星机构的行星架(5)连接调速端惰轮(9),调速端惰轮(9)和调速端齿轮(10)啮合,调速端齿轮(10)和调速电机(15)连接,调速端惰轮(9)与同步自动离合器的输入轴连接,四象限变频器(16)一端连接厂用电系统(19),另一端通过调速电机开关(20)连接调速电机(15),固态软启动装置(22)一端连接厂用电系统(19),另一端通过主驱电机开关(21)连接主驱电机(1),主驱电机(1)还通过旁路开关(18)直接连接厂用电系统(19)。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,其特征在于:调速电机(15)替换为伺服电机。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种全范围调速的机电一体化行星调速装置,其特征在于:离合器输出端惰轮为离合器输出端两级惰轮(13)。
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