CN114132425B - 用于自行车拨链器的电机单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于自行车拨链器10的电机单元14,包括输出轴24、电机26、驱动齿轮28、输出齿轮30、中间齿轮结构32和角度传感器34。电机26包括电机轴36。驱动齿轮28在电机26的电机轴36上,输出齿轮30在输出轴24上。中间齿轮结构32位于驱动齿轮28与输出齿轮30之间的负载路径中,并且中间齿轮结构32包括至少一个减速齿轮38和一个编码器40。角度传感器34构造成检测编码器40的旋转。编码器40与输出齿轮30之间的旋转比率为使得编码器40旋转小于360度。

Description

用于自行车拨链器的电机单元
背景技术
许多自行车具有包括多个前链轮和多个后链轮的链条驱动传输系统。骑手可以通过换挡操作增加或降低传输系统的齿轮比,换挡操作通过拨链器将链条从一个链轮移动到另一个链轮。在电子拨链器系统中,拨链器的移动通过电机单元控制。为了将链条从一个链轮移动到另一个链轮,电机单元基于拨链器的位置确定当前哪一个链轮与链条接合以及达到期望挡位所需要的移动的量。在一些情况下,例如动力中断、齿隙或者跳挡,电机单元可能丢失确定拨链器位置所需的信息。在设计用于电子自行车拨链器的可以在动力中断、齿隙或者跳挡的事件中确定拨链器位置的电机单元中存在挑战。
发明内容
本发明公开了一种被开发以解决上述问题的用于自行车拨链器的电机单元。根据本发明的第一方面,用于自行车拨链器的电机单元包括输出轴、电机、驱动齿轮、输出齿轮、中间齿轮结构和角度传感器。电机包括电机轴。驱动齿轮在电机的电机轴上。输出齿轮在输出轴上。中间齿轮结构位于驱动齿轮与输出齿轮之间的负载路径中,并且中间齿轮结构包括至少一个减速齿轮和一个编码器。角度传感器配置为检测编码器的旋转。编码器与输出齿轮之间的旋转比率为使得编码器旋转小于360度。
利用根据第一方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以提供一种紧凑的电机单元,其中输出齿轮旋转通过它的全部范围,而编码器旋转小于360度,从而允许编码器的旋转在电力中断后被确定。
根据本发明的第二方面,根据第一方面的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得输出齿轮的可旋转范围由自行车拨链器的旋转限制结构限制。利用根据第二方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以限制输出齿轮的可旋转范围以防止编码器旋转超过360度。
根据本发明的第三方面,根据第二方面的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得自行车拨链器的主体和电机单元连接至自行车拨链器的连杆,并且可旋转范围的限制是机械的。利用根据第三方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以在动力中断的事件中旋转自行车拨链器的连杆并限制可旋转范围。
根据本发明的第四方面,根据第二方面的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得输出齿轮接触电机单元的外壳,并且输出齿轮的可旋转范围的限制是电力的。利用根据第四方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以电调节输出齿轮的可旋转范围的限制。
根据本发明的第五方面,根据第一至第四方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得输出齿轮是非圆形的。利用根据第五方面的用于自行车拨链器的电机单元,通过传递输出齿轮的可变的旋转比,可以增加电机单元的效率和电池寿命。
根据本发明的第六方面,根据第一至第五方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得输出齿轮是扇形齿轮。利用根据第六方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以减小输出齿轮的尺寸和重量。
根据本发明的第七方面,根据第一至第六方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得输出轴的旋转力被传递到自行车拨链器的连杆。利用根据第七方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以移动自行车拨链器的连杆以将链条移动至期望的链轮。
根据本发明的第八方面,根据第一至第七方面中的任何一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得自行车拨链器是包括基座构件、连杆机构和链条引导件的前自行车拨链器。利用根据第八方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以在动力中断之后相对于多个前链轮确定前自行车拨链器的位置。
根据本发明的第九方面,根据第一至第七方面中的任何一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得自行车拨链器是包括基座构件、可移动构件、连杆机构和链条引导件的后自行车拨链器。利用根据第九方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以在动力中断之后相对于多个后链轮确定后自行车拨链器的位置。
根据本发明的第十方面,根据第一至第九方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得电机单元设置在自行车拨链器的基座构件内。利用根据第十方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以保护电机单元免受损坏,同时提供空气动力学和美学上美观的自行车拨链器。
根据本发明的第十一方面,根据第一方面至第十方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得自行车拨链器包括构造成与电池连接的电源接口,并且电源接口电连接到电机。利用根据第十一方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以利用设置在自行车上的电池为电机单元供电。
根据本发明的第十二方面,根据第一至第十一方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元还包括外壳和无线通信单元。电机、输出轴的至少一部分和中间齿轮结构设置在电机单元的外壳中。无线通信单元配置成与设置在附加自行车部件上的附加无线通信单元通信。利用根据第十二方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以保护电机单元免受损坏,并且可以辅助电机单元与附加自行车部件之间的无线通信。
根据本发明的第十三方面,根据第一至第十二方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元还包括控制器,控制器配置成根据角度传感器的检测值计算输出齿轮和输出轴中的一个的角度。利用根据第十三方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以从角度传感器的值确定输出齿轮或输出轴的角度。
根据本发明的第十四方面,根据第一至第十三方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得角度传感器是磁传感器。利用根据第十四方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以在诸如高温的极端环境条件下确定角度传感器的值。
根据本发明的第十五方面,根据第一至第十三方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得角度传感器是光学传感器。利用根据第十五方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以在周围磁干扰的条件下快速且精确地确定角度传感器的值。
根据本发明的第十六方面,根据第一至第十五方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得编码器响应于电机的电机轴的旋转而旋转。利用根据第十六方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以根据电机轴的旋转来控制输出齿轮的位置。
根据本发明的第十七方面,根据第一至第十六方面中的任一个的用于自行车拨链器的电机单元构造成,使得编码器可旋转地设置在中间齿轮结构的第一轴上,输出齿轮可旋转地设置在第二轴上,并且第二轴与第一轴相邻,在它们之间没有另一轴。利用根据第十七方面的用于自行车拨链器的电机单元,可以使电机单元的尺寸最小化,同时保持准确地确定输出轴和/或输出齿轮的位置的能力。
以简化的形式提供本发明内容以介绍概念的选择,这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征,也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外,要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或全部缺点的实施方案。如本文所用的术语“小型和/或轻型车辆”是指电动和非电动车辆,而不管其车轮的数量如何,但是不包括具有作为用于驱动车轮的动力源的内燃机的四轮车辆,或者需要执照以在公共道路上行驶的四轮电动车。
附图说明
通过参考结合附图考虑时的以下详细描述,将容易地获得,同时也将会更好地理解本发明更完整的意图及其许多附带的优点,其中:
图1是合并了根据本发明的用于自行车拨链器的电机单元的示例自行车的右侧立面图;
图2是自行车的轮廓示意图;
图3A是根据本发明的引导链条与自行车链轮接合的后自行车拨链器的侧视图;
图3B是根据本发明的前自行车拨链器的图解说明;
图4是根据本发明的用于自行车拨链器的电机单元的分解图;
图5是根据本发明的用于自行车拨链器的电机单元中的齿轮结构的侧视图;
图6是根据本发明的用于自行车拨链器的电机单元中的齿轮结构的俯视图;
图7A-7C是根据本发明的用于自行车拨链器的电机单元中的齿轮结构的图解说明;以及
图8是根据本发明的用于自行车拨链器的电机单元的示意框图。
附图标记说明:
1 自行车
2 车架
3 后轮
4 前叉
5 前轮
6 踏板
7 曲柄臂
8 曲柄轴
9 自行车链条
10 自行车拨链器
10A 后自行车拨链器
10B 前自行车拨链器
12 自行车链轮
12A 后链轮
12B 前链轮
14 电机单元
16A 基座构件
16B 基座构件
18A 可移动构件
20A 连杆机构
20B 连杆机构
22A 链条引导件
22B 链条引导件
24 输出轴
26 电机
28 驱动齿轮
30 输出齿轮
32 中间齿轮结构
34 角度传感器
36 电机轴
38 减速齿轮
38A 第一减速齿轮
38B 第二减速齿轮
40 编码器
42 第一轴
44 第二轴
46 上齿轮轴支撑构件
48 下齿轮轴支撑构件
50 外壳
52 旋转限制结构
56 电源接口
58 电池
60 控制器
62 无线通信单元
64 附加无线通信单元
66 附加自行车部件
68 开关
130 非圆形输出齿轮
230 扇形齿轮
P1 轴向中心平面
具体实施方式
现在将参考附图解释所定的实施方式,其中在各个附图中,相同的附图标记指代对应或相同的元件。根据本公开,对于本领域的技术人员明显的是,提供以下实施方式的描述仅是为了说明,而不是为了限制本发明的目的。
首先参考图1,示出了具有具有根据本发明的至少一个公开实施方式的电机单元14的自行车拨链器10的示例性自行车1。自行车1是例如诸如公路越野自行车或山地自行车的越野自行车。或者,自行车1可以是公路型自行车。如图2的轮廓示意图所示,自行车1可以具有限定自行车1的左右两半的轴向中心平面P1。以下方向术语“前”“后”“向前”“向后”“左”“右”“横向”“向上”和“向下”,以及任何其它类似的方向术语,是指例如基于骑手直立地坐在自行车1的鞍座上同时面向车把而确定的那些方向。
继续参考图1,自行车1包括附接至后轮3的车架2。前叉4将前轮5附接至车架2。自行车1的两侧上的踏板6均附接至对应的曲柄臂7。曲柄臂7以彼此成180度的角度安装在车架2的两侧,并且通过曲柄轴8(由虚线表示)连接。本实施方式的自行车1由包括自行车链条9、自行车拨链器10和自行车链轮12的链条驱动传输系统驱动。可以理解,本文所述的自行车拨链器10可以构造成后自行车拨链器10A和前自行车拨链器10B两者或两者之一。类似地,本文所述的自行车链轮12可指代多个后链轮12A中的一个和/或多个前链轮12B中的一个。
自行车链条9在接合状态下与多个前链轮12B中的一个和多个后链轮12A中的一个接合,如下面参考图4和图5所述。施加到踏板6的驱动力使曲柄轴8和前链轮12B旋转。当前链轮12B旋转时,自行车链条9被绕着后链轮12A驱动,这将动力传递到后轮3以推动自行车1。因此,前自行车拨链器10B使自行车链条9在前链轮12B之间换挡,后自行车拨链器10A使自行车链条9在后链轮12A之间换挡。如以下详细描述的,通过包括在后自行车拨链器10A和前自行车拨链器10B两者中的一个或两者中的电机单元14可以促进由后自行车拨链器10A和/或前自行车拨链器10B进行的自行车链条的换挡。自行车链条9的换挡改变了链条驱动传输的齿轮比,以增加或减小踏板6每次旋转所行进的距离。自行车1的其它部分是已知的,在此不再描述。
图3A示出了根据本发明的后自行车拨链器10A的侧视图。后自行车拨链器10A包括基座构件16A、可移动构件18A、连杆机构20A和链条引导件22A。在以下详细描述的构造中,电机单元14设置在自行车拨链器10的基座构件16内,但是电机单元14可以可选地构造成设置在拨链器的其它部件内。电机单元14可以设置在可移动构件18A和连杆机构20A中的一个处。图3B示出了前自行车拨链器10B的示意图。自行车拨链器10可以是包括基座构件16B、连杆机构20B和链条引导件22B的前自行车拨链器10B。
参考图4和图8,自行车拨链器10包括无线通信单元62,无线通信单元62配置成与设置在附加自行车部件66上的附加无线通信单元64通信。电机单元14可以包括无线通信单元62,但是无线通信单元62可以可选地设置在自行车拨链器10的其它部件内。在本文所述的实施方式中,可以理解,无线通信单元62可以包括在自行车后拨链器10A和自行车前拨链器10B中的任何一个中。
图4是根据本发明的用于自行车拨链器10的电机单元14的分解图。电机单元14包括输出轴24、电机26,驱动齿轮28、输出齿轮30、中间齿轮结构32和角度传感器34。电机26包括电机轴36,驱动齿轮28设置在电机轴36上。输出齿轮30设置在输出轴24上。中间齿轮结构32位于驱动齿轮28与输出齿轮30之间的负载路径中。中间齿轮结构32包括至少一个减速齿轮38和一个编码器40。在本文所述的实施方式中,中间齿轮结构32包括两个减速齿轮38A、38B和一个编码器40。然而,可以理解,中间齿轮结构32可以构造成包括一个减速齿轮、三个减速齿轮、或者任何其它合适数量的减速齿轮。在所示的实施方式中,角度传感器34构造成磁传感器。可以理解,角度传感器可以可选地构造成光学传感器或任何其它合适类型的传感器。
中间齿轮结构32中的每个齿轮可旋转地设置在相应的轴上。编码器40可旋转地设置在中间齿轮结构32的第一轴42上,并且输出齿轮可旋转地设置在第二轴44上。如图4-6中图示所示的电机单元14,第二轴44构造成与第一轴42相邻,在它们之间没有另一轴。然而,可以理解,第一轴42和第二轴44可以可选地构造成由中间齿轮结构的一个或多个齿轮以及轴分开。轴由上齿轮轴支撑构件46和下齿轮轴支撑构件48支撑。如图4的分解图所示,并参考图8,电机单元14还包括外壳50,电机26、输出轴24的至少一部分以及中间齿轮结构32设置在外壳50中。外壳50包括基板。在组装状态下,无线通信单元62设置在基板中。中间齿轮结构32相对于基板设置在外壳50的第一侧,并且无线通信单元62相对于基板设置在外壳50的第二侧,第二侧与第一侧相反。
在本文所述的电机单元14的构造中,输出齿轮30的可旋转范围由自行车拨链器10的旋转限制结构52限制。角度传感器34配置成检测编码器40的旋转,编码器40与输出齿轮30之间的旋转比率使得编码器40旋转小于360度。下面的公式1显示了用于此配置的一般公式,其中G是齿轮,n是齿轮号码,R是第n个齿轮与第n’个齿轮之间的旋转比率,θn是第n个齿轮的旋转角度。
公式1:θn×R(Gn:Gn')=θn'<360°
下面示出的是编码器40相对于输出齿轮30的不同位置的示例公式。在本文所示的示例公式中,输出齿轮30表示为G0,θ0是输出齿轮30的可旋转角度。在优选实施方式中,输出齿轮30和编码器40之间的旋转比率在4.5和7之间的范围内。当编码器40是与输出齿轮30相邻的齿轮(G1)或设置在与输出齿轮30相邻的齿轮(G1)上时,公式如下面的公式2所示。
公式2:θ0×R(G0:G1)=θ1<360°
当编码器40是距离输出齿轮30两个齿轮的齿轮(G2)或设置在距离输出齿轮30两个齿轮的齿轮(G2)上时,公式如下面的公式3所示。
公式3:θ0×[R(G0:G1)×R(G1:G2)]=θ2<360°
当编码器40是距离输出齿轮30三个齿轮的齿轮(G3)或设置在距离输出齿轮30三个齿轮的齿轮(G3)上时,公式如下面的公式4所示。
公式4:θ0×[R(G0:G1)×R(G1:G2)×R(G2:G3)]=θ3<360°
当自行车拨链器10的主体的一部分(例如基座构件16或可移动构件18)和电机单元连接至自行车拨链器10的连杆时,可旋转范围的限制可以是机械的。可选地,当输出齿轮30接触电机单元14的外壳50时,输出齿轮30的可旋转范围的限制可以是电力的。
如以下参考图8所述,电机单元14还包括控制器60,控制器60配置成根据角度传感器34的检测值计算输出齿轮30和输出轴24中的一个的角度。因为编码器被限制为小于360°旋转,即使在与自行车拨链器10的位置有关的数据丢失(例如动力中断、齿隙或跳挡)的事件中,控制器60仍可以根据编码器40与输出齿轮30之间的旋转比确定自行车拨链器10的状态(例如,基座构件和可移动构件的相对位置),从而确定传输系统的齿轮比。
图5和图6分别示出了电机单元14的齿轮结构的侧视图和俯视图。包括电机轴36的电机26驱动驱动齿轮28。驱动齿轮28驱动至少一个减速齿轮38,减速齿轮38继而驱动编码器40。因此,编码器40构造成响应于电机26的电机轴36的旋转而旋转。编码器40驱动输出齿轮30,输出齿轮30继而驱动输出轴,并且输出轴的旋转力被传递到自行车拨链器10的连杆以移动拨链器10。编码器40可以具有减速齿轮功能,从而编码器40降低从减速齿轮38传递的旋转速度。
参考图7A,示出了根据本发明的用于自行车拨链器10的电机单元14中的齿轮结构的示意图。如上所述,包括电机轴36的电机26驱动驱动齿轮28。在图7A所示的齿轮结构中,驱动齿轮28是蜗轮。附加地或替代地,驱动齿轮可以是圆形齿轮、非圆形齿轮、扇形齿轮或任何其它合适的齿轮类型。角度传感器34配置成检测编码器40的旋转,编码器40驱动输出齿轮30和输出轴。在图7A所示的实施方式中,输出齿轮30是圆形的,但是,可以理解,输出齿轮可以可选地构造成非圆形的输出齿轮130(如图7B所示)、扇形齿轮230(如图7C所示)或任何其它合适的齿轮类型。
参考图8,示出了根据本发明的用于自行车拨链器10的电机单元14的框图。为了给电机26供电,自行车拨链器10包括构造成与电池58连接的电源接口56,并且电源接口56电连接到电机26。如上所述和如图8示意性所示,电机单元14还包括控制器60,控制器60根据设置在编码器40上的角度传感器34的检测值计算输出齿轮30或输出轴24的角度。如上参考图3B所述的,无线通信单元62配置成与设置在附加自行车部件66上的附加无线通信单元64通信。附加自行车部件66可以是例如附加控制器,并且可以与一个或多个开关68通信。尽管图8将附加自行车部件66描绘为由与为电机单元14供电的相同电池58供电,但是可以理解,在另一种配置中,附加自行车部件66可以由单独的电池供电。一个或多个开关68构造成从骑手接收换挡命令以启动换挡操作。因此,一个或多个开关68可以构造成安装在自行车1的车把上的换挡器。尽管上面描述了附加自行车部件66可以是附加控制器,但是可以理解,附加无线通信单元64可以设置在任何合适的附加自行车部件上。
尽管仅选择了选定的实施方式来说明本发明,但是根据本公开,对于本领域技术人员而言明显的是,在不脱离本发明的范围的情况下,可以在此进行各种改变和修改。例如,可以根据需要和/或期望来改变各种部件的尺寸、形状、位置或方向。示出的彼此直接连接或接触的组件可以在它们之间设置中间结构。一个元件的功能可以由两个元件执行,反之亦然。一个实施方式的结构和功能可以在另一实施方式中采用。并非所有优点都必须同时出现在特定的实施方式中。与现有技术不同的每个特征,单独地或与其它特征组合,也应被认为是申请人对进一步发明的单独描述,包括由这些特征体现的结构和/或功能概念。因此,提供根据本发明的实施方式的前述描述仅是为了说明,而不是为了限制本发明的目的。

Claims (16)

1.一种用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),包括:
输出轴(24);
电机(26),所述电机(26)包括电机轴(36);
驱动齿轮(28),所述驱动齿轮(28)在所述电机(26)的所述电机轴(36)上;
输出齿轮(30),所述输出齿轮(30)在所述输出轴(24)上;
中间齿轮结构(32),所述中间齿轮结构(32)位于所述驱动齿轮(28)与所述输出齿轮(30)之间的负载路径中,并且所述中间齿轮结构(32)包括至少一个减速齿轮(38)和一个编码器(40);和
角度传感器(34),所述角度传感器(34)配置为检测所述编码器(40)的旋转,其中
所述编码器(40)与所述输出齿轮(30)之间的旋转比率为使得所述编码器(40)旋转小于360度;其中
所述编码器(40)可旋转地设置在所述中间齿轮结构(32)的第一轴(42)上;
所述输出齿轮(30)可旋转地设置在第二轴(44)上;并且
所述第二轴(44)与所述第一轴(42)相邻,在它们之间没有另一轴。
2.根据权利要求1所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述输出齿轮(30)的可旋转范围由自行车拨链器(10)的旋转限制结构(52)限制。
3.根据权利要求2所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中,在所述自行车拨链器(10)的主体和所述电机单元(14)连接至自行车拨链器(10)的连杆的构造中,所述可旋转范围的限制是机械的。
4.根据权利要求2所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中,在所述输出齿轮(30)接触所述电机单元(14)的外壳(50)的构造中,所述输出齿轮(30)的所述可旋转范围的限制是电力的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述输出齿轮(30)是非圆形的。
6.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述输出齿轮(30)是扇形齿轮。
7.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述输出轴(24)的旋转力被传递到所述自行车拨链器(10)的连杆。
8.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述自行车拨链器(10)是包括基座构件(16B)、连杆机构(20B)和链条引导件(22B)的前自行车拨链器(10B)。
9.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述自行车拨链器(10)是包括基座构件(16A)、可移动构件(18A)、连杆机构(20A)和链条引导件(22A)的后自行车拨链器(10A)。
10.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述电机单元(14)设置在所述自行车拨链器(10)的基座构件(16A,16B)内。
11.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述自行车拨链器(10)包括构造成与电池(58)连接的电源接口(56),并且所述电源接口(56)电连接到所述电机(26)。
12.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),还包括:
外壳(50),所述电机(26)、所述输出轴(24)的至少一部分和所述中间齿轮结构(32)设置在所述外壳(50)中;和
无线通信单元(62),所述无线通信单元(62)配置成与设置在附加自行车部件(66)上的附加无线通信单元(64)通信。
13.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),还包括:
控制器(60),所述控制器(60)配置成根据所述角度传感器(34)的检测值计算所述输出齿轮(30)和所述输出轴(24)中的一个的角度。
14.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述角度传感器(34)是磁传感器。
15.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述角度传感器(34)是光学传感器。
16.根据权利要求5所述的用于自行车拨链器(10)的电机单元(14),其中所述编码器(40)构造成响应于所述电机(26)的所述电机轴(36)的旋转而旋转。
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