CN1881758B - 定子极数减少了的改进型多相无刷电机 - Google Patents

定子极数减少了的改进型多相无刷电机 Download PDF

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Abstract

一种A相无刷电极,其中A为大于或等于2的整数,包括定子和转子。定子具有q个定子极,其中q为大于或等于A的整数。定子极形成S个定子极组,每个具有A个定子极对应A相,其中S整数等于(q/A)。转子具有p个转子极,其中p为大于或等于2的整数,并且布置成转子极面对定子极。进一步,在无刷电机中,p≥q,并且定子极布置在电机的圆周方向,这样,在S个定子极组中每个中的A个定子极中的任意邻接的两个具有的电角度位置差等于(360°/A)。

Description

定子极数减少了的改进型多相无刷电机
相关申请的相互参考
本申请基于并请求享有日本专利申请2005-161561的优先权,该申请的申请日为2005年6月1日,其内容归并在此作为参考。
技术领域
本发明总的涉及一种无刷永磁电机,用于汽车、家用电气和工业。
本发明尤其涉及一种多相、无刷、永磁电机,其具有改进的结构,其中定子极数少于转子极数。
背景技术
对于三相交流电机,在转子极数和定子齿数之间有很多组合。其中,8个转子极数和12个定子齿数的组合,其通常被称为2-3系统,应用的比较广泛。(例如,参考日本专利第一次公告H06-261513)
附图16显示了传统的应用2-3系统的三相交流电机。
如附图16所示,电机包括转子1和定子2。转子1设置有转子铁芯6和8个永磁体3布置在转子铁芯6的表面。定子2设置具有定子铁芯7,其具有12个齿4,定子绕组5以集中绕组的方式缠绕在定子铁芯7上。
根据集中绕组的方式,定子绕组7是分开的形式以提高定子绕组5的占空系数。特别的,如附图19所示,每个齿4分为两个部分4a和4b,其间插入缠绕在线轴上的定子绕组5。
而且,如附图17所示,对于转子极具有一个节距对应180°的电角度,定子极在齿4的内端具有对应120°电角度的角跨度α。定义绕组系数为k为cos((180°-α)/2),这样此处k等于0.866。必须的,由于齿4之间的槽是开放式的,电角度α在100°到110°之间,因此,绕组系数k具有较小的值0.766到0.82。
此外,如果使用分布式绕组取代集中式绕组,定子极的角跨度对应的电角度α变为180°,如附图18所示,据此,绕组系数将k为1。
上述传统的电机具有如下的缺点。
由于定子极的角跨度在电角度方面相对于转子节距小,通过定子绕组5的电流小,减小了力矩。进一步,由于小的绕组系数k,电机的输出功率和效率都低。
而且,虽然通过分离定子铁芯7提高了定子绕组5的占空比,但在定子铁芯7的分离部的连接处的磁阻增加了,这样降低了电机的输出功率和效率。
此外,电机内定子铁芯7的分离结构产生了磁阻的不均衡,导致增加了电机的振动和噪声。
发明内容
因此,本发明的目标之一是克服上述传统电机的缺陷。
本发明的更进一步的目标是提高一种改进的多级无刷电机确保电机高的效率。
根据本发明,提供一种包括定子和转子的A相无刷电机,其中A为大于或等于2的整数。
定子有q个定子极,其中q为大于或等于A的整数。定子极形成s个定子极组,每个组包括A个定子极,每个定子极对应A相中的一个,其中S为定于(q/A)的整数。
转子有p个转子极,其中p为大于或等于2的整数,转子极布置成面对定子极。
进一步,在无刷电机中,p≥q,并且定子极布置在电机的圆周方向,这样S个定子极组每个中A个定子极中任意相邻的两个之间电角度差为(360°/A)。
如上所述,根据本发明的无刷电机中,相对于附图16显示的传统的电机,定子极数减少了,定子绕组的可用空间增加了。
因此,定子绕组可以使用更大的导线截面积和相同的匝数,这样减少了电极的铜耗和铁耗。另外,定子绕组可以使用更多的匝数和相同的导线截面积,这样对于产生同样的转矩,减少了电流以及电机的铜耗。结果,保证了电机高的效率。
优选的,在无刷电机,在不同的s组的任意邻接的一对定子电极的角度差等于(360°×(A-1)/A)和(360°×(A-1)A-180°)中的一个。
优选的,无刷电机配置成和一个或多个其他电机结合。
在无刷电机中,p可以等于4×N,同时q=3×N,其中N为正整数。
在无刷电机中,p可以等于6×N,同时q=3×N,其中N为正整数。
在无刷电机中,p可以等于8×N,同时q=3×N,其中N为正整数。
在无刷电机中,p可以等于10×N,同时q=6×N,其中N为正整数。
在无刷电机中,p也可以等于4×N,同时q=2×N,其中N为正整数。
在无刷电机中,p也可以等于6×N,同时q=4×N,其中N为正整数。
在无刷电机中,p也可以等于6×N,同时q=2×N,其中N为正整数。
优选的,在无刷电机中,每个定子极具有的角跨度对应的电角度的范围为120°到180°。进一步,定子极形成第一极群,转子极形成第二极群,第一和第二极群中至少一个中的极是斜置的。
优选的,在无刷电机,定子极形成第一极群以及转子极形成第二极群,第一和第二极群中至少一个中的每个极这样成型,以使每个极和面对每个极的任一极之间的气隙逐渐从每个极的圆周中心增大到其末端。
优选的,在无刷电机中,转子包括由软磁材料制成的转子基础部件以及多个永磁体,以及多个开口或者非磁性部件布置在转子基础部件上来调节每个转子极磁通密度的分布。进一步,在每个转子极,开口或非磁性部件沿电机圆周方向间隔电角度间隔D,转子极有至少E个,其中有这样一个关系,在至少E个转子极的每个或者其他至少E个转子极的每个的开口或非磁性部件之间的电角度位置差为D/E,其中E为大于或等于2的整数。
在无刷电机中,转子配置成具有转子基础部件和布置在转子基础部件表面的多个永磁体。
在无刷电机中,转子配置成具有转子基础部件和插入在转子基础部件的多个永磁体。
优选的,至少一个定子极布置成具有角度位置,其从参考角度位置偏移一个转换角度,对应的电角度为180°的整数倍。
优选的,在无刷电机中,至少一个转子极布置成具有角度位置,其从参考角度位置偏移一个转换角度,对应的电角度为180°的整数倍。
优选的,在无刷电机中,定子包括定子铁心,其具有q个齿,定子绕组缠绕在定子铁芯上,其中定子铁芯有定子迭片整体叠成。
附图说明
本发明将通过下述的详细描述和本发明优选实施例的附图得到充分的理解,但,其中并不将发明限定为实施例,只是为了解释和理解。
附图中:
附图1是根据本发明实施例的无刷电机的整体结构的剖视图;
附图2是附图1中的无刷电机的第一变形的剖视图;
附图3是附图1中的无刷电机的第二变形的剖视图;
附图4是附图1中的无刷电机的第三变形的剖视图;
附图5是附图1中的无刷电机的第四变形的剖视图;
附图6是附图1中的无刷电机的第五变形的剖视图;
附图7是附图1中的无刷电机的第六变形的剖视图;
附图8是附图1中的无刷电机的第七变形的剖视图;
附图9是附图1中的无刷电机的第八变形的剖视图;
附图10是附图1中的无刷电机的第九变形的剖视图;
附图11是附图1中的无刷电机的第十变形的剖视图;
附图12是附图1中的无刷电机的第十一变形的剖视图;
附图13是附图1中的无刷电机的第十二变形的剖视图;
附图14是附图1中的无刷电机的第十三变形的剖视图;
附图15是附图1中的无刷电机的第十四变形的剖视图;
附图16是传统无刷电机的整体结构的剖视图;
附图17是附图16中传统无刷电机中转子极节距和定子极角跨度关系的示意图;
附图18是用于无刷电机绕组分布方法的示意图;
附图19是用于附图16中传统无刷电机定子铁芯分解结构的示意图。
具体实施方式
以下参考附图1-15描述本发明的优选实施例。
应当指出,为了清楚和理解,本发明不同的实施例中具有相同功能的相同的元件在每个附图尽可能使用相同的附图标记标示。
附图1显示了根据本发明第一实施例的三相,无刷永磁电机M1的整体结构。
转子10有8个转子极。更特别的,转子10包括转子铁芯11和多个永磁体13。转子铁芯11由软磁材料制成。永磁体13插入转子铁芯11,并且例如是稀土金属制成。转子铁芯11是这样成型的,使转子铁芯11的外表面在转子极之间的边界(或过渡)处辐射性的向内凹陷。每一个转子极的外表面形成有圆弧,该圆弧的半径小于转子10的半径。
进一步,在每个转子极,在永磁体13之间布置多个开口12来调节转子极的磁通密度分布。更特别的,永磁体13产生的磁通被阻止通过开口12沿着电机M1的圆周方向延伸。进一步,开口12被定向来集中磁通到转子极圆周中心。接着,磁通密度在转子极的圆周中心最高,在圆周末端(例如,边界部分)最低,这样,磁通密度的分布接近正弦波的形式。
因此,通过具有插入永磁体13的上述转子结构,就可以得到理想的磁通分布,从而增加了电极M1的输出转矩。
此外,通过转子极之间的边界部分的磁通通常对电机的转矩有很小的贡献。相反,在边界部分高的磁通密度会产生转矩脉动。据此,在本实施例中,边界部分凹入来降低此处的磁通密度。
应当指出,作为开口12的替代,非磁性部件可以插入在转子铁芯11来得到相同的效果。
定子20有6个定子极。更特别的,定子20包括定子铁芯23和定子绕组23。定子铁芯23有6个齿21形成定子20的凸极,在齿21之间形成6个槽。定子绕组22缠绕在定子铁芯23的齿21上。进一步,在本实施例,定子铁芯23具有整体结构,其中多个薄的定子叠片堆叠在一起形成定子铁芯23。
和如附图16所示的传统的电机相比,更具本实施例的电机M1具有较少的定子极和数目相同的转子极。更特别的是,在传统电机中,转子极数和定子极数的比为(8∶12);然而,在电机M1中,该比值为(8∶6)。
此外,定子20的定子极形成两个不同的定子极组。第一组包括三个定子极分别对应U、V、W相,具有电角度位置为0°、120°、240°。这样,在第一组任一邻接的定子极之间的角位置差为(360°/3),即120°。
第二组也包括三个定子极分别对应U、V、W相。
当定子绕组22以和第一组相同的方向缠绕在第二组的定子上时,第二组的定子极具有相应的电角度位置0°、120°、240°。这样,第二组任意邻接的定子极之间的电角度位置差也为(360°/3),即120°。进一步,在不同组中的任意定子极对之间的电角度位置差,例如第一组W相的定子极和第二组U相的定子极组成的对,等于(360°×(3-1)/3),即240°。
另外,当定子绕组22以和第一组相反的方向缠绕在第二组的定子上时,第二组的定子极具有相应的电角度位置为180°、300°、420°。这样,第二组任意两个邻接的定子极之间的电角度位置差为(360°/3),例如120°。但是,在这种情况下,在不同组任意邻接的定子极对之间电角度位置差,例如,第一组W相的定子极和第二组U相定子极组成的对,等于(360°×(3-1)/3-180°),即60°。
上述的根据本实施例的电机M1具有下述优点。
在电机M1,定子极的数目q(q=6)小于转子极的数目p(p=8)(即p>q)。这样,电机M1和如附图16所示的传统电机的结构之间有完全的不同,传统电机中p=2×4,q=3×4,以及因此p<q.
由于电机M1中定子极数减少了,相应定子绕组22的可用空间增加了。接着,定子绕组22就可以使用具有较大的截面积和相同的匝数的铜导线,这样减少了电机M1的铜耗和铁耗。另外,定子绕组22也可以使用具有更多匝数和同样截面积的铜导线,这样,在产生同样的转矩时减少了对电流的要求和电机M1的铜耗。结果,保证了电机M1的高的效率。
此外,电机M1的输出功率P和转矩T的关系如下:
P=V×I=dφ/dt×I=N×T
其中,V是电压,I是电流,φ是磁通,t是时间,以及N是匝数。
在电机M1中,定子铁芯23由定子迭片堆叠整体形成。
定子铁芯23的集成结构,可以消除另外可能由附图19中显示的分离结构引起的磁路的不平衡。进一步,集成结构也可以增强定子铁芯23的刚度。从而,随着磁阻的平衡和定子铁芯23刚度的增强,可以提高电机M1的效率同时减少振动和噪音。
在电机M1中,由于减少了定子极的数目和定子铁芯23的集成结构,可以确保在定子铁芯23的定子极之间形成槽的宽的开口。
据此,可以之间在定子齿21上缠绕定子绕组22。替代的,也可以将事先绕好的定子绕组22插入定子铁芯23的槽中。使用其中任意一种方法,都可以提高电机M1的效率。
在电机M1中,每个定子极具有的角跨度对应的电角度范围是120°到180°。因此,绕组系数k的范围为0.866到1.0。
在绕组系数k的范围内,可以提高电机M1的输出功率和效率。
在电机M1中,每个转子极这样成型,以使转子极和面对转子极的任意定子极之间的气隙从转子极圆周表面增大到转子极圆周末端。
具有这样形状的转子极,可以抑制电机M1圆周方向磁通的快速变化,这样减少了电机的脉动转矩和变动转矩。
在电机M1中,在永磁体13之间布置开口12来调节每个转子极的磁通密度分布。
从而,通过布置开口12可以得到理想的磁通密度分布,从而增加了电机M1的输出转矩。
此外,在每个转子极,开口12沿转子10的圆周方向间隔电角度间隔D布置。并且,对于至少E个转子极,有以下关系,至少E个转子极每一个开口12和至少E个转子极另一个开口12之间的电角度位置差等于D/E,其中E为大于或等于2的整数。
更具体地说,在附图1中,每4个右侧转子极中有3个开口12,每4个左侧转子极中有4个开口12。在同一转子极任意邻接的两个开口12之间电角度差为45°(即D=45°)。而且,4个右侧转子极的每一个开口12和4个左侧转子极中一个开口12之间的电角度位置差为22.5°。也就是说,在这种情况下,E等于2并且有4对转子极满足上述关系。
具有这种开口12布置,可以通过其他同样的转子极对产生的转矩脉动,抵消其中一个转子极产生的转矩脉动。
虽然显示并描述了本发明的特殊实施例,但对本领域技术人员和本发明的使用者,可以理解的,在不背离公开思想的思想的情况下,可以对本发明做出各种不同的修改、变化和改进。
例如,上述电机M1可以用于家用电器,诸如电冰箱和空调,汽车以及工业。
并且,在前述的实施例中,通过插入永磁体13到转子铁芯11得到转子10,也可以通过其他方法,例如,布置永磁体13在转子铁芯11的表面。
电机M1优选的配置成和一个或多个其他电机联合以提高转矩和输出功率。
虽然在前述实施例中,电机M1配置成三相电机(即A=3),但是电机也可以配置成任何大于或等于2的相数(即A≥2)。
附图2显示了电机M1的第一变形,为4p3s三相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11的表面形成并具有3个转子极,定子20具有3个齿21形成3个定子极。这里4p3s代表转子极数等于4,定子极数等于3。
根据本发明,电机M1的第一变形属于无刷电机的第一组,其中转子极数等于4×N同时定子极数等于3×N,其中N为正整数。其他在实际中用到的第一组电机是,例如,8p6s和12p9s电机。
附图3显示了电机M1的第二变形,6p3s三相交流电极,其中,转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11的表面形成并具有6个转子极,定子20有3个齿21形成3个定子极。
根据本发明的电机M1的第二变形属于第二组无刷电机,其中转子极数等于6×N,定子极数等于3×N,N为正整数。其他在实际中用到的第二组电机是,例如,12p6s和18p9s电机。
附图4显示了电极M1的第三变形,8p3s三相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11表面形成并且具有8个转子极,定子20有3个齿形21成3个定子极。
根据本发明的电机M1的第三变形属于第三组无刷电机,其中转子极数等于8×N,定子极数等于3×N,其中N为正整数。其他在实际中用到的第三组电机是,例如16p6s和24p9s电机。
附图5显示了电机M1的第四变形,10p6s三相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11表面形成并且具有10个转子极,定子20具有6个齿21形成6个定子极。
根据本发明的电机M1的第四变形属于第四组无刷电机,其中转子极数等于10×N,定子极数等于6×N,其中N为正整数。其他在实际中用到的第四组电机是,例如20p12s和30p24s电机。
附图6显示了电机M1的第五变形,4p2s两相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11表面形成并且具有4个转子极,定子20具有2个齿21形成2个定子极。
根据本发明的电机M1的第五变形属于第五组无刷电机,其中转子极数等于4×N,定子极数等于2×N,其中N为正整数。其他在实际中用到的第五组电机是,例如8p4s和12p6s电机。
附图7显示了电机M1的第六变形,6p4s两相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11表面形成并且具有6个转子极,定子20具有4个齿21形成4个定子极。
根据本发明的电机M1的第六变形属于第六组无刷电机,其中转子极数等于6×N,定子极数等于4×N,其中N为正整数。其他在实际中用到的第六组电机是,例如12p8s和18p12s电机。
附图8显示了电机M1的第七变形,6p2s两相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11表面形成并且具有6个转子极,定子20具有2个齿21形成2个定子极。
根据本发明的电机M1的第七变形属于第七组无刷电机,其中转子极数等于6×N,定子极数等于2×N,其中N为正整数。其他在实际中用到的第七组电机是,例如12p4s和18p6s电机。
附图1-8显示的无刷电机具有各自的特征。例如,转子极数p涉及允许的电机的转数。进一步,转子极数p和转数的乘积与电机的驱动频率成比例,转子极数p和转数和电机的铁耗有很大关系,并且和电机的允许驱动频率相关。据此,有必要为更高速的无刷电机设置更小的p值。
此外,定子极数q减少了,转矩趋于增加;同时,产生转矩部分的数量减少了,这样,电极的振动和噪声增加了。
而且,相数A也是一个重要因素。例如,两相无刷电机具有简单的结构,但是,驱动电机的逆变器的结构有点复杂。三相无刷电机最广泛使用但驱动其的逆变器是简单的。相数A不小于4,可以实现高运行品质的电机,但是,驱动电机的逆变器是复杂的。
据此,考虑到上述的特性,优先选择根据本发明的无刷电机应用于特殊的应用。
附图9显示了电机M1的第八变形,8p6s两相交流电机,其中转子10通过布置永磁体13在转子铁芯11表面形成并且具有8个转子极,定子20具有6个齿21形成6个定子极,每个定子极具有对应电角度为180°的角跨度。也就是说,每个定子极的角跨度等于转子的节距。
附图10沿电机的圆周方向显示了电机M1的第九变形,其中定子20是斜置的,每个定子极具有对应电角度为180°的角跨度。
通过如上述斜置定子20,绕组系数k提高了。附加的,可以斜置转子10,同定子20一起或取代之,也可以达到同样的效果。
附图11显示了电机M1的第十变形,其中定子铁心23的齿21具有改进的形状。更特别的,每个齿21的内表面在圆周中心部分25具有圆弧状的外形,并且在圆周末端24从圆弧逐渐向外延伸。从而,定子铁芯23的内径在圆周末端部分24逐渐增加,这样,定子20和转子10之间的气隙在圆周末端部分24也逐渐增加。
具有改进形状的定子齿21,可以抑制磁通在电极圆周方向的快速变化,这样减少了转矩脉动和变动转矩。
附图12显示了电机M1的第十一实施例,其中应用到定子极的开口12的数量增加了,以得到更接近正弦波的磁通密度分布。
从而,随着磁通密度分布的改善,可以减少脉动转矩,提高电极的输出转矩。附加的,如前述的,可以布置非磁性部件在每个定子极取代开口12来达到同样的效果。
附图13显示了电机M1的第十二变形,其中转子10通过布置多个永磁体13在转子铁芯11表面形成,每个永磁体13在外表面具有相同的形状,在电机M1内。
附图14显示了电机M1的第十三变形,其中至少一个定子极如此布置,使得其具有从对应电角度180°的整数倍的参考角度位置偏移一个位差角SSA的角度位置。
具有上述布置的定子极,可以减少频率为位差角SSA整数倍的转矩脉动。
附图15显示了电极M1的第十四变形,其中转子10通过布置多个永磁体13在转子铁芯11表面形成,其中至少一个转子极如此布置,使得其具有从对应电角度180°的整数倍的参考角度位置偏移一个位差角RSA的角度位置。
具有上述布置的转子极,可以减少频率为位差角RSA整数倍的转矩脉动。
除了上述的变形之外,其他本领域技术人员可以做出的修改、变形、改进也在所附的权利要求的保护范围内。

Claims (19)

1.一种A相无刷电机,其中A为大于或等于2的整数,包括:
一个具有q个定子极的定子,其中q为大于或等于A的整数,这些定子极形成S个定子极组,每个组有A个定子极,每个定子极对应A相中的一相,其中S为等于(q/A)的整数;以及
一个具有p个转子极的转子,其中p为大于或等于2的整数,其布置使这些转子极面对这些定子极,
其中p≥q,
其中这些定子极沿该电机的圆周布置,使得在S个定子极组的每个中的这些A个定子极中任意邻接的两个之间的电角度位置差等于(360°/A),以及
在S个定子极组中不同组的任意邻接的定子极对之间的电角度位置差等于(360°×(A-1)/A)或者等于(360°×(A-1)/A-180°)。
2.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于这些无刷电机被配置成与一个或多个其他电机结合使用。
3.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=4×N,并且q=3×N,其中N为正整数。
4.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=6×N,并且q=3×N,其中N为正整数。
5.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=8×N,并且q=3×N,其中N为正整数。
6.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=10×N,并且q=6×N,其中N为正整数。
7.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=4×N,并且q=2×N,其中N为正整数。
8.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=6×N,并且q=4×N,其中N为正整数。
9.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于p=6×N,并且q=2×N,其中N为正整数。
10.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于每个定子极的对应于电角度跨度的角跨度为120°到180°。
11.如权利要求10所述的无刷电机,其特征在于这些定子极形成第一极群,而这些转子极形成第二极群,并且其中该第一和第二极群中至少一个中的极被斜置。
12.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于这些定子极形成第一极群,而这些转子极形成第二极群,并且其中该第一和第二极群中至少一个中的每一个极如此成型,使得在每个极和面对该极的任意极之间的气隙从每个极的圆周中心到其圆周两末端逐渐增加。
13.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于该转子包括由软磁材料制成的转子基础部件和多个永磁体,并且其中在该转子基础部件上布置多个开口或非磁性部件以调节每个转子极的磁通密度分布。
14.如权利要求13所述的无刷电机,其特征在于在每个转子极中,这些开口或非磁性部件沿该电机的圆周方向以电角度间隔D间隔布置,其中有至少E个转子极,在这些转子极中存在这样的关系,使得在所述至少E个转子极的每个中在这些开口或非磁性部件和所述至少E个转子极的另一个中的那些开口或非磁性部件之间的电角度位置差等于D/E,其中E为大于或等于2的整数。
15.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于该转子设有一转子基础部件和被布置在该转子基础部件表面的多个永磁体。
16.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于该转子设有一转子基础部件和被埋入该转子基础部件内的多个永磁体。
17.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于至少一个定子极被如此布置,使得其具有从对应于电角度180°的整数倍的电角度位置的参考角度位置偏移一个位差角的角度位置。
18.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于至少一个转子极被如此布置,使得其具有从对应于电角度180°的整数倍的电角度位置的参考角度位置偏移一个位差角的角度位置。
19.如权利要求1所述的无刷电机,其特征在于该定子包括一个定子铁芯,其具有q个齿,一些围绕该定子铁芯缠绕的定子绕组,并且其中该定子铁芯由定子迭片堆叠整体成型。
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