CN203796752U - 具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形导磁体(401)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)等部分，本实用新型的原理是利用固定的永磁体组合吸引旋转运动的环形永磁体组合，带动旋转体及其载荷的重量全部处于悬浮状态，实现固定部件对旋转载荷的不接触悬浮支撑。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，具体的说就是就是用固定永磁体对环形旋转永磁体进行吸引和相斥，环形旋转永磁体套在旋转主轴上，最终实现固定永磁体对旋转永磁体进行吸引和相斥支撑，实现旋转主轴及其旋转载荷的悬浮支撑的轴承系统。属于磁悬浮技术领域。
背景技术
利用磁力制造无机械摩擦的轴承的设想早已有之，然而要制造出具有实用意义的磁轴承非常困难，以致对于该项技术至今尚没有可供普及应用的成熟产品。以德国技术为代表的电磁悬浮轴承技术是目前国内磁悬浮轴承领域的重点研发对象，但是电磁悬浮轴承用于磁场密度低，所以旋转主轴的载重都非常低，而且需要一个复杂的电子控制系统，导致其体积庞大，成本高昂，应用受到很大限制。为了降低产品的体积和成本，与机械轴承结构使用的永磁磁悬浮轴承就成为普通旋转机械的首先。发明专利200910184549.X是我们在2009年研发水平轴永磁悬浮轴承，在实际应用中方向，这种单纯挤压式磁悬浮轴承稳定性不好，不容易加工。节能效果不明显。而发明专利2012105385124所描述的磁悬浮轴承是一个不能实现悬浮的技术方案。
所以我们在发明专利200910184549.X的基础上，研发了这种同时具有相吸相斥功能的水平轴磁悬浮轴承，并且把这种轴承应用于电动机、轴流鼓风机及风力发电机等旋转设备领域。
发明内容
本发明的原理是利用固定的永磁体组合吸引旋转运动的环形永磁体组合，带动旋转体及其载荷的重量全部处于悬浮状态，实现固定部件对旋转载荷的不接触悬浮支撑。
图1是具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形导磁体(401)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)等部分组成；固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)和旋转环形永磁体(6)均为轴向充磁磁块；每个固定弧形永磁体(3)轴向端面都安装一个固定弧形导磁体(4)；相邻两个弧形永磁体(3)的充磁方向为相反，也就是端面同极相对排列；每个固定完整环形永磁体(301)的端面都安装一个固定完整环形导磁体(401)；相邻两个固定完整环形永磁体(301)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；固定完整环形永磁体(301)、固定完整环形导磁体(401)、固定弧形永磁体(3)及固定弧形导磁体(4)的内径和外径全部相同；固定弧形永磁体(3)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形永磁体(301)与固定完整环形导磁体(401)都安装在的环形不导磁体(2)的内侧；环形不导磁体(2)安装在外壳(1)内，共同形成固定部分组合件；每个旋转环形永磁体(6)端面都安装一个旋转环形导磁体(5)，旋转环形导磁体(5)的外径与旋转环形永磁体(6)的外径相同；相邻两个环形永磁体(6)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；旋转环形导磁体(5)套在旋转环形不导磁体(7)的外侧；环形永磁体(6)与旋转环形导磁体(5)和环形不导磁体(7)形成的组合环共同套在旋转主轴(8)上，形成旋转组合件；每个旋转环形永磁体(6)与对应的固定弧形永磁体(3)之间为充磁方向相反，每个旋转环形永磁体(6)与外侧对应的固定完整环形永磁体(301)之间的充磁方向相反；旋转环形导磁体(5)及旋转环形永磁体(6)所形成的旋转组合件套在固定完整环形永磁体(301)、固定完整环形导磁体(401)、固定弧形永磁体(3)及固定弧形导磁体(4)所形成的固定组合件的内侧；完成上述全部安装之后，就成为具有两种悬浮功能的磁悬浮轴承(901)。
图2a是径向悬浮式磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定弧形导磁体(4)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)等部分组成；固定弧形永磁体(3)和旋转环形永磁体(6)为轴向充磁磁块；每个固定弧形永磁体(3)轴向端面都安装一个固定弧形导磁体(4)；相邻两个弧形永磁体(3)之间的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；固定弧形导磁体(4)的内径小于固定弧形永磁体(3)的内径，使弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)；固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)安装在环形不导磁体(2)的凹槽内；环形不导磁体(2)安装在外壳(1)；每个旋转环形永磁体(6)端面都安装一个旋转环形导磁体(5)；旋转环形导磁体(5)的外径大于旋转环形永磁体(6)的外径；相邻两个环形永磁体(6)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；旋转环形导磁体(5)套在旋转环形不导磁体(7)的外侧；环形永磁体(6)与环形不导磁体(7)共同套在旋转主轴(8)上；旋转主轴(8)的突出部分固定住全部旋转部件；每个旋转环形永磁体(6)与外侧对应的固定弧形永磁体(3)之间为充磁方向相反；旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)形成的组合件套在环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)形成的组合件的内侧；完成上述全部安装之后，就成为具有径向悬浮功能的磁悬浮轴承(902)。
图2b是图2a的轴向剖面构造图。其中外壳(1)套在环形不导磁体(2)的外侧，固定弧形导磁体(4)的内径小于固定弧形永磁体(3)的内径，固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)共同安装在环形不导磁体(2)的上部凹槽内；弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)不超过6毫米，以内突出于0.2毫米左右为最佳；同理，环形导磁体(5)的外径大于环形永磁体(6)的外径不超过6毫米，以直径大于0.4毫米左右为最佳；固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)的弧度在1度至300度之间。
上述两种结构均为内转子磁悬浮轴承，只要把旋转体磁块组合安装到外壳上，固定体磁块组合安装到主轴上，就成为外转子水平轴磁悬浮轴承
在水平轴磁悬浮结构中，还可以设计出既有相吸，又有相斥结构的径向磁悬浮轴承，也就是图3a所示的磁悬浮轴承结构，其中上部相吸悬浮结构和旋转结构与图2a结构完全相同；只是下部又增加了一组固定相斥磁悬浮结构，其主要固定部件为弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)；每个弧形永磁体(302)端面上都安装一个弧形导磁体(401)，两个弧形永磁体(302)的充磁方向为相反，也就是端面同极相对；固定弧形永磁体(302)与对应旋转环形永磁体(6)充磁方向相同；弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)共同安装在环形不导磁体(2)的凹槽内；在垂直坐标方向上，当弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组成的固定组合体与旋转环形导磁体(5)和旋转环形永磁体(6)组成的旋转组合体平行排列时，旋转组合体只获得向上的径向悬浮作用；在垂直坐标方向上，当弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组成的固定组合体与旋转环形导磁体(5)和旋转环形永磁体(6)组成的旋转组合体错位排列时，旋转组合体能够获得向上的径向悬浮作用和轴向推力两个作用力。
图3a中的下部的相斥磁悬浮结构——弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组合体，是与上部相吸磁悬浮结构——固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)组合体，上下对称安装在一个环形不导磁体(2)的内侧；在去除上部相吸磁悬浮结构的情况下，下部相斥磁悬浮结构能够单独使用。
图1、图2a及图3a所述磁悬浮轴承中，安装旋转环形不导磁体的目的是为了调整悬浮力的大小，所以在特殊场合，完全去除旋转环形不导磁体也能够满足磁悬浮要求；同理，环形不导磁体(2)这个结构也能用导磁体取代，或与外壳做成一个整体。
图1和图2a所述的旋转环形永磁体(6)与对应的固定弧形永磁体(3)最少一对，就可以实现径向悬浮，串联数量越多，悬浮载重越大；图1所述的旋转环形永磁体(6)与对应的固定完整环形永磁体(301)最少一对，就能够实现轴向悬浮，串联数量越多，悬浮载重越大。
图1、图2a及图3a所述的磁悬浮轴承是一种带有机械轴承结构的磁悬浮轴承，是为了消除大载重机械摩擦耗能及发热的产品，所以在主轴和外壳之间需要安装机械轴承，使主轴保持在中心位置。
上述结构的永磁体轴向长度(又称为磁环厚度)小于50毫米，其最佳值小于10毫米；导磁体的轴向长度(又称为轴向厚度)小于50毫米；其最佳值小于20毫米。
上述结构的弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)不超过6毫米；环形导磁体(5)的外径大于环形永磁体(6)的外径不超过6毫米。
附图说明
图1是本发明的水平轴具有径向轴向两种悬浮功能轴承的径向剖面构造图。
图2a是本发明的单独相吸式径向磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图2b是本发明的单独相吸式径向磁悬浮轴承固定组合件的轴向剖面构造图。
图3a是本发明的相吸结合挤压式磁悬浮轴承的径向剖面构造图。
图3b是本发明的相吸结合挤压式磁悬浮轴承固定组合件的轴向剖面构造图。
图4是本发明的水平轴磁悬浮旋转系统的径向剖面构造图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形导磁体(401)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)等部分组成；固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)和旋转环形永磁体(6)均为轴向充磁磁块；每个固定弧形永磁体(3)轴向端面都安装一个固定弧形导磁体(4)；相邻两个弧形永磁体(3)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；每个固定完整环形永磁体(301)的端面都安装一个固定完整环形导磁体(401)；相邻两个固定完整环形永磁体(301)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；固定完整环形永磁体(301)、固定完整环形导磁体(401)、固定弧形永磁体(3)及固定弧形导磁体(4)的内径和外径全部相同；固定弧形永磁体(3)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形永磁体(301)与固定完整环形导磁体(401)都安装在的环形不导磁体(2)的内侧；环形不导磁体(2)安装在外壳(1)内，共同形成固定部分组合件；每个旋转环形永磁体(6)端面都安装一个旋转环形导磁体(5)，旋转环形导磁体(5)的外径与旋转环形永磁体(6)的外径相同；相邻两个环形永磁体(6)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；旋转环形导磁体(5)套在旋转环形不导磁体(7)的外侧；环形永磁体(6)与旋转环形导磁体(5)和环形不导磁体(7)形成的组合环共同套在旋转主轴(8)上，形成旋转组合件；每个旋转环形永磁体(6)与对应的固定弧形永磁体(3)之间为充磁方向相反，每个旋转环形永磁体(6)与外侧对应的固定完整环形永磁体(301)之间的充磁方向相反；旋转环形导磁体(5)及旋转环形永磁体(6)所形成的旋转组合件套在固定完整环形永磁体(301)、固定完整环形导磁体(401)、固定弧形永磁体(3)及固定弧形导磁体(4)所形成的固定组合件的内侧；完成上述全部安装之后，就成为具有两种悬浮功能的磁悬浮轴承(901)。
图2a是径向悬浮式磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定弧形导磁体(4)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)等部分组成；固定弧形永磁体(3)和旋转环形永磁体(6)为轴向充磁磁块；每个固定弧形永磁体(3)轴向端面都安装一个固定弧形导磁体(4)；相邻两个弧形永磁体(3)之间的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；固定弧形导磁体(4)的内径小于固定弧形永磁体(3)的内径，使弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)；固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)安装在环形不导磁体(2)的凹槽内；环形不导磁体(2)安装在外壳(1)；每个旋转环形永磁体(6)端面都安装一个旋转环形导磁体(5)；旋转环形导磁体(5)的外径大于旋转环形永磁体(6)的外径；相邻两个环形永磁体(6)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；旋转环形导磁体(5)套在旋转环形不导磁体(7)的外侧；环形永磁体(6)与环形不导磁体(7)共同套在旋转主轴(8)上；旋转主轴(8)的突出部分固定住全部旋转部件；每个旋转环形永磁体(6)与外侧对应的固定弧形永磁体(3)之间为充磁方向相反；旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)形成的旋转组合件套在环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)形成的固定组合件的内侧；完成上述全部安装之后，就成为具有径向悬浮功能的磁悬浮轴承(902)。
图2b是图2a固定组合件的轴向剖面构造图。其中外壳(1)套在环形不导磁体(2)的外侧，固定弧形导磁体(4)的内径小于固定弧形永磁体(3)的内径，固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)共同安装在环形不导磁体(2)的上部凹槽内；弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)不超过6毫米，以内突出于0.2毫米左右为最佳；同理，环形导磁体(5)的外径大于环形永磁体(6)的外径不超过6毫米，以直径大于0.4毫米左右为最佳；固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)的弧度在1度至300度之间。
上述两种结构均为内转子磁悬浮轴承，只要把旋转体安装到外壳上，固定体安装到主轴上，就成为外转子水平轴磁悬浮轴承
图3a是相吸结合挤压式磁悬浮轴承，其中上部相吸悬浮结构和旋转结构与图2a所述结构完全相同；只是下部又增加了一组相斥磁悬浮结构，其主要固定部件为弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)；每个弧形永磁体(302)端面上都安装一个弧形导磁体(401)，相邻两个弧形永磁体(302)的充磁方向相反，也就是端面同极相对；固定弧形永磁体(302)与对应旋转环形永磁体(6)充磁方向相同；在垂直坐标方向上，当弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组成的固定组合体与旋转环形导磁体(5)和旋转环形永磁体(6)组成的旋转组合体平行排列时，旋转组合体只获得向上的径向悬浮作用；在垂直坐标方向上，当弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组成的固定组合体与旋转环形导磁体(5)和旋转环形永磁体(6)组成的旋转组合体错位排列时，旋转组合体能够获得向上的径向悬浮作用和轴向推力两个作用力。
图3b是图3a固定组合件的轴向剖面构造图。其中外壳(1)套在环形不导磁体(2)的外侧，固定弧形导磁体(4)的内径小于固定弧形永磁体(3)的内径不超过6毫米；弧形导磁体(401)的内径小于弧形永磁体(302)的内径不超过6毫米；固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)共同安装在环形不导磁体(2)的上部凹槽内；弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)的下部凹槽内。
图4是水平轴磁悬浮旋转系统实施例。其中径向悬浮式磁悬浮轴承(901)安装在系统的后部，动力驱动电机(903)安装在系统的中部，两个机械轴承(905)安装在电机(903)的两端，具有径向轴向两种悬浮功能轴承(902)安装在系统的前部，旋转叶轮(904)安装在最前端，组成一个完整的水平轴磁悬浮系统。
图1、图2a及图3a所述磁悬浮轴承中，安装旋转环形不导磁体的目的是为了调整悬浮力的大小，所以在特殊场合，完全去除旋转环形不导磁体也能够满足磁悬浮要求；同理，环形不导磁体(2)这个结构也能用导磁体取代，或与外壳做成一个整体。
图1和图2a所述的旋转环形永磁体(6)与对应的固定弧形永磁体(3)最少一对，就可以实现径向悬浮，串联数量越多，悬浮载重越大；图1所述的旋转环形永磁体(6)与对应的固定完整环形永磁体(301)最少一对，就能够实现轴向悬浮，串联数量越多，悬浮载重越大。
图1、图2a及图3a所述的磁悬浮轴承是一种带有机械轴承结构的磁悬浮轴承，是为了消除大载重机械摩擦耗能及发热的产品，所以在主轴和外壳之间需要安装机械轴承，使主轴保持在中心位置。
上述结构的永磁体轴向长度(又称为磁环厚度)小于50毫米，其最佳值小于10毫米；导磁体的轴向长度(又称为轴向厚度)小于50毫米；其最佳值小于20毫米。
上述结构的弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)不超过6毫米；环形导磁体(5)的外径大于环形永磁体(6)的外径不超过6毫米。
以此类推，凡是不改变永磁体及导磁体组合原理结构，用排列组合方式或增加外围设施形成的设计方案，都在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形导磁体(401)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)；其特征在于：固定弧形永磁体(3)、固定完整环形永磁体(301)和旋转环形永磁体(6)均为轴向充磁磁块；每个固定弧形永磁体(3)轴向端面都安装一个固定弧形导磁体(4)；相邻两个弧形永磁体(3)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；每个固定完整环形永磁体(301)的端面都安装一个固定完整环形导磁体(401)；相邻两个固定完整环形永磁体(301)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；固定完整环形永磁体(301)、固定完整环形导磁体(401)、固定弧形永磁体(3)及固定弧形导磁体(4)的内径和外径全部相同；固定弧形永磁体(3)、固定弧形导磁体(4)、固定完整环形永磁体(301)与固定完整环形导磁体(401)都安装在的环形不导磁体(2)的内侧；环形不导磁体(2)安装在外壳(1)内，共同形成固定部分组合件；每个旋转环形永磁体(6)端面都安装一个旋转环形导磁体(5)，旋转环形导磁体(5)的外径与旋转环形永磁体(6)的外径相同；相邻两个环形永磁体(6)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；旋转环形导磁体(5)套在旋转环形不导磁体(7)的外侧；环形永磁体(6)与旋转环形导磁体(5)和环形不导磁体(7)形成的组合环共同套在旋转主轴(8)上，形成旋转组合件；每个旋转环形永磁体(6)与对应的固定弧形永磁体(3)之间为充磁方向相反，每个旋转环形永磁体(6)与外侧对应的固定完整环形永磁体(301)之间的充磁方向相反；旋转环形导磁体(5)及旋转环形永磁体(6)所形成的旋转组合件套在固定完整环形永磁体(301)、固定完整环形导磁体(401)、固定弧形永磁体(3)及固定弧形导磁体(4)所形成的固定组合件的内侧。
2.一种具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其主要结构包括外壳(1)、环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)、固定弧形导磁体(4)、旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)、旋转环形不导磁体(7)及旋转主轴(8)；其特征在于：固定弧形永磁体(3)和旋转环形永磁体(6)为轴向充磁磁块；每个固定弧形永磁体(3)轴向端面都安装一个固定弧形导磁体(4)；相邻两个弧形永磁体(3)之间的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；固定弧形导磁体(4)的内径小于固定弧形永磁体(3)的内径，使弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)；固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)安装在环形不导磁体(2)的凹槽内；环形不导磁体(2)安装在外壳(1)；每个旋转环形永磁体(6)端面都安装一个旋转环形导磁体(5)；旋转环形导磁体(5)的外径大于旋转环形永磁体(6)的外径；相邻两个环形永磁体(6)的充磁方向相反，也就是端面同极相对排列；旋转环形导磁体(5)套在旋转环形不导磁体(7)的外侧；环形永磁体(6)与环形不导磁体(7)共同套在旋转主轴(8)上：旋转主轴(8)的突出部分固定住全部旋转部件；每个旋转环形永磁体(6)与外侧对应的固定弧形永磁体(3)之间为充磁方向相反；旋转环形导磁体(5)、旋转环形永磁体(6)形成的组合件套在环形不导磁体(2)、固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)形成的组合件的内侧。
3.根据权利要求2所述的具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其特征在于：在下部又增加了一组固定相斥磁悬浮结构，其主要固定部件为弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)；每个弧形永磁体(302)端面上都安装一个弧形导磁体(401)，两个弧形永磁体(302)的充磁方向为相反，也就是端面同极相对；固定弧形永磁体(302)与对应旋转环形永磁体(6)充磁方向相同；在垂直坐标方向上，当弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组成的固定组合体与旋转环形导磁体(5)和旋转环形永磁体(6)组成的旋转组合体平行排列时，旋转组合体只获得向上的径向悬浮作用；在垂直坐标方向上，当弧形永磁体(302)和弧形导磁体(401)组成的固定组合体与旋转环形导磁体(5)和旋转环形永磁体(6)组成的旋转组合体错位排列时，旋转组合体能够获得向上的径向悬浮作用和轴向推力两个作用力。
4.根据权利要求2所述的具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其特征是：永磁体的厚度小于50毫米；导磁体的厚度小于50毫米。
5.根据权利要求2所述的具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其特征是：弧形导磁体(4)向内突出于弧形永磁体(3)不超过6毫米；环形导磁体(5)的外径大于环形永磁体(6)的外径不超过6毫米。
6.根据权利要求2所述的具有径向轴向两种悬浮功能的磁悬浮轴承，其特征是：固定弧形永磁体(3)和固定弧形导磁体(4)的弧度在1度至300度之间。
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