JP2017051055A

JP2017051055A - 回転電機

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Publication number: JP2017051055A
Application number: JP2015174781A
Authority: JP
Inventors: 和夫岡本; Kazuo Okamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: JP6327221B2

Abstract

【課題】極数を切り換え可能な回転電機において、トルク変動による振動や騒音の発生を抑制する。【解決手段】電動機１は、複数のコイル１８を備えたステータ４と、周方向に等間隔で並ぶ軟磁性体からなる複数の鉄心部２７と隣接する鉄心部２７の間にそれぞれ周方向に並んで配設されるＮ極磁石２８及びＳ極磁石２９とを備えるロータ２と、コイル１８に供給される電力の位相を変更可能な切替回路を備え、一つの鉄心部２７に隣接する２つの磁石は、互いに磁極が同じで、かつ当該鉄心部２７に隣接する第１磁石部２８ａ（２９ａ）とこの第１磁石部２８ａ（２９ａ）の反鉄心部２７側に隣接しかつ当該第１磁石部２８ａ（２９ａ）よりも残留磁束密度が低い第２磁石部２８ｂ（２９ｂ）と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、極数を切り換え可能な回転電機に関する。

コイルを備えたステータと、永久磁石が配列されたロータとを有する回転電機として、例えば特許文献１には、低速回転から高速回転までの広い可変速範囲で定出力運転を可能とするラジアルギャップ型の電動機（永久磁石型同期電動機）が開示されている。

この電動機は、周方向に一定間隔で並ぶ４つの鉄心部とこれら鉄心部の間にそれぞれ配置されたＳ極、Ｎ極の２つの永久磁石とを備えたロータと、周方向に複数のコイルが並んだステータと、コイルに電力を供給するインバータとを備えており、コイルに与える電力の相数の切り換えによって電動機の鉄心部をＮ極、又はＳ極に励磁することで、ロータの磁極を増減させる、具体的には、１２極および４極の何れかにするように構成されている。より詳しくは、上記ロータは、鉄心部に隣接する永久磁石の磁極が同じになるように各永久磁石が配列されており、鉄心部がその両側の永久磁石と同じ磁極となるような相数の電力がコイルに与えられると、ロータの磁極が４極となり、逆に、鉄心部がその両側の永久磁石と異なる磁極となるような相数の電力がコイルに与えられると、ロータの磁極が１２極となる。この構成により、当該電動機では、低速域においては多極構造で大トルクを発生させ、高速域では極数を減らして良好な高速回転を達成している。

特開２０１２−９５４１０号公報

しかしながら、鉄心部を励磁して磁極を形成する上記従来の電動機では、特に極数が多い状態（１２極）の場合、隣接する２つの永久磁石に亘って形成される磁束の量と、永久磁石と鉄心部とに亘って形成される磁束の量とに差が生じる。このような磁束量の差はトルク変動の原因の一つとなり、ひいては振動や騒音の原因となるため改善の必要がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、極数を切り換え可能な回転電機において、トルク変動による振動や騒音の発生を抑制できる技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の回転電機は、周方向に並ぶ複数のコイルを備えたステータと、このステータに対向して配置され、かつ周方向に等間隔で並ぶ軟磁性体からなる複数の鉄心部と隣接する鉄心部の間にそれぞれ周方向に並べて配設され、前記コイルとの対向面の磁極である対面磁極が互いに異なる２つの永久磁石とを備えるロータと、
前記コイルに供給される電力の位相を変更可能な位相可変装置と、を備え、一つの鉄心部に隣接する２つの永久磁石は、互い対面磁極が同じで、かつ当該鉄心部に隣接する第１磁石部とこの第１磁石部の反鉄心部側に隣接し、当該第１磁石部よりも残留磁束密度が低い第２磁石部と含むものである。

この回転電機によれば、位相可変装置により各コイルに供給する電力の位相を切り換えることで、鉄心部がその両側の永久磁石と同じ磁極に励磁される低（少）磁極の状態と、鉄心部がその両側の永久磁石と異なる磁極に励磁される高（多）磁極の状態とに切り換えることが可能となる。しかも、この回転電機によれば、永久磁石が上記のような第１磁石部と第２磁石部と備えていることで、高（多）磁極状態のときに、隣接する２つの永久磁石に亘って形成される磁束の量と、永久磁石と鉄心部とに亘って形成される磁束の量とに大きな差が生じることが抑制される。つまり、上記構成によれば、互いに隣接する永久磁石は残留磁束密度が比較的低い第２磁石部同士が隣接し、鉄心部に隣接する永久磁石は、比較的残留磁束密度が高い第１磁石部が鉄心部に隣接しているため、隣接する２つの永久磁石に亘って形成される磁束の量と、永久磁石と鉄心部とに亘って形成される磁束の量とに大きな差が生じることが抑制される。従って、当該磁束量の差が大きくなることに起因するトルク変動の発生、ひいては振動や騒音の発生が抑制される。

なお、この回転電機は、構造上、上記の通り隣接する２つの永久磁石に亘って形成される磁束の量を抑制するものであるため発生トルクの低下が懸念される。従って、上記のような回転電機の構成は、いわゆるアキシャルギャップ型の回転電機に好適である。すなわち、前記ロータは、回転軸と、この回転軸と共に回転しかつこの回転軸の軸方向端面に前記鉄心部および前記永久磁石を備えるロータ本体とを備え、前記ステータの複数のコイルは、前記ロータ本体に対向して前記回転軸周りに配置されているものであるのが好適である。

このようなアキシャルギャップ型の回転電機は、エアギャップ対向面積をラジアルギャップ型の回転電機より大きくできるため、ラジアルギャップ型の回転電機に比べて高トルク化に有利であり、上記のような磁束量の抑制によるトルク低下への実質的な影響を軽減できる。従って、上記回転電機の構造は、アキシャルギャップ型の回転電機に好適である。

この場合、前記ロータは、前記ロータ本体として、前記軸方向におけるステータの両側に配設される第１ロータ本体および第２ロータ本体を備えているのが好適である。

このように第１、第２ロータ本体を備えた、いわゆるダブルロータ構造によれば、高トルク化により有利であり、上記のような磁束量の抑制によるトルク低下を十分に補完することが可能となる。

なお、上記ロータは、４つ以上の偶数の前記鉄心部を備えているものであるのが好適である。

この構成によれば、各コイルへ供給される電力の位相を切り換えることで、高（多）磁極状態のときの極数を低（少）磁極状態のときの磁極の３倍にすることが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、極数を切り換え可能な回転電機において、トルク変動による振動や騒音の発生を効果的に抑制することができる。

本発明に係る回転電機の一例である電動機の断面図である。ロータ本体の平面図である。ステータの平面図である。（ａ）は、４極の状態を示すロータの模式図であり、（ｂ）は、１２極の状態を示すロータの模式図である。（ａ）は、４極の回転磁界を形成するときの各コイルへの電力供給状態を示すステータの模式図であり、（ｂ）は、１２極の回転磁界を形成するときの各コイルへの電力供給状態を示すステータの模式図である。コイルへの電力供給状態とロータ本体における磁極の状態とを示すロータおよびステータのモデル図であり、（ａ）は、４極の状態、（ｂ）は４極から１２極への適切な切り替え状態、（ｃ）は、４極から１２極への不適切な切り替え状態をそれぞれ示すモデル図である。ステータ（コイル）に供給される三相交流電力の波形を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。

（回転電機（電動機）の全体構成）
図１は、本発明に係る回転電機の一例である電動機の断面図である。同図に示す電動機１は、回転軸２０を中心に備えるロータ２と、ステータ４と、出力軸６と、ロータ２の回転軸２０と出力軸６との接続および切り離しを行うクラッチ装置８と、これらロータ２及びステータ４等が収容されるハウジング１０と、回転軸２０の位置検出器９とを備えた、いわゆるアキシャルギャップ型の電動機である。なお、以下の説明では、回転軸２０と平行な方向を「軸方向」、回転軸２０と直交する方向を「径方向」、回転軸２０（ロータ２）の回転方向を「周方向」と称す。

同図に示すように、電動機１のハウジング１０は、軸方向に延びる円筒状の周壁部１１ａと、その上下両端を塞ぐ円板状のエンドプレート１１ｂとを備えている。一方側（同図では上側）のエンドプレート１１ｂには、ロータ２の上記回転軸２０がベアリング１２を介して回転自在に支持されており、他方側のエンドプレート１１ｂには、上記出力軸６がベアリング１４を介して回転自在に支持されている。

回転軸２０および出力軸６は、ハウジング１０（エンドプレート１１ｂ）の中心を通る同一軸線上に、互いに軸方向に対向して配置されており、クラッチ装置８を介して軸方向におけるハウジング１０の中間部分で互いに連結されている。

ステータ４は、上記クラッチ装置８の周囲に配置され、ハウジング１０の周壁部１１ａの内周面に組付けられている。ステータ４は、図１及び図３に示すように、周方向に並ぶ複数のコイル１８を備えており、当例では１８個のコイル１８を備えている。より詳しくは、ステータ４は、周方向に並ぶ１８個のステータコア１５と、各ステータコア１５に装着されるボビン１６と、ボビン１６の外側からステータコア１５に装着（巻回）される前記コイル１８とを備えている。これにより、周方向に並ぶ１８個のコイル１８が設けられている。ステータコア１５は、複数枚の電磁鋼板（軟磁性体の一例）の積層体により構成されており、ボビン１６は絶縁性を有する樹脂材料により形成されている。また、コイル１８は、当例では、断面長方形の平角銅線がその短辺面を内径面としてステータコア１５に巻回されたいわゆるエッジワイズコイルである（図１参照）。

ロータ２は、上記回転軸２０と、軸方向に延びる中空かつ円柱状のロータフレーム２２と、このロータフレーム２２に固定された一対のロータ本体２４ａ、２４ｂとを備える。

回転軸２０は、上記の通りハウジング１０のエンドプレート１１ｂに支持されている。

ロータフレーム２２は、クラッチ装置８を内側に収容するように、当該クラッチ装置８とステータ４との間に介設されている。ロータフレーム２２の上端部は回転軸２０に固定されており、下端部はベアリング２３を介して出力軸６に回転自在に連結されている。この構成により、クラッチ装置８がオン（回転軸２０と出力軸６が接続された状態）のときには、回転軸２０、ロータフレーム２２及び出力軸６が一体に回転し、クラッチ装置８がオフ（回転軸２０と出力軸６とが切り離された状態）のときには、回転軸２０及びロータフレーム２２が出力軸６に対して相対的に回転する。

ロータ本体２４ａ、２４ｂは、回転軸方向おける上記ステータ４の両側の位置に配置されており、それぞれステータ４との間に所定寸法のエアギャップを介した状態でロータフレーム２２の外周面上に固定されている。つまり、この電動機１は、一つのステータ４に対して２つのロータ本体２４ａ、２４ｂが対向して設けられた、いわゆるダブルロータ型のアキシャルギャップ電動機である。

ロータ本体２４ａ、２４ｂは、電磁鋼板（軟磁性体の一例）により形成された円板状のロータコア２６と、このロータコア２６のステータ対向面に固定される複数の永久磁石２８、２９（Ｎ極磁石２８、Ｓ極磁石２９という）と、これらロータコア２６及び磁石２８，２９を保持するホルダー３０とを備えている。各ロータ本体２４ａ、２４ｂは、ホルダー３０を介して上記ロータフレーム２２に固定されている。

図２は、ロータ本体２４ａ、２４ｂをステータ４側から見た平面図である。同図に示すように、ロータ本体２４ａ、２４ｂのステータ対向面には、鉄心部２７、Ｎ極磁石２８及びＳ極磁石２９が周方向に等ピッチで配列されている。詳しく説明すると、上記ロータコア２６のステータ対向面には、周方向に離間する４箇所の位置で当該ステータ対向面からステータ４に向かって突出する突出部、つまり上記鉄心部２７が形成されており、周方向に隣接する鉄心部２７の間にＮ極磁石２８及びＳ極磁石２９が周方向に並んだ状態でそれぞれロータコア２６に固定されている。なお、Ｎ極、Ｓ極とは、永久磁石２８、２９のステータ対向面（コイル１８との対向面）における磁極（対面磁極という）である。

図２に示すように、各磁石２８、２９は、軸方向に偏平な平面視扇型の同一形状を有しており、鉄心部２７もこれら各磁石２８、２９と同一形状を有している。従って、各磁石２８、２９及び鉄心部２７のステータ対向面は互いに面一となっている。

ここで、Ｎ極磁石２８およびＳ極磁石２９は、図２に示すように、一つの鉄心部２７に隣接するものの対面磁極が同じになるように配置されている。具体的には、Ｓ・Ｎ−鉄心部２７−Ｎ・Ｓ−鉄心部２７−Ｓ・Ｎ−鉄心部２７−Ｎ・Ｓ−鉄心部２７の順番で周方向に配列されている。この構成により、鉄心部２７がその両側に位置する磁石と同じ磁極に励磁されると、ロータ本体２４ａ、２４ｂが４極の構造となり、鉄心部２７がその両側に位置する磁石と異なる磁極に励磁されると、ロータ本体２４ａ、２４ｂが１２極の構造となる。具体的には、両側にＮ極磁石２８が配置されている鉄心部２７がＮ極に励磁され、かつ両側にＳ極磁石２９が配置されている鉄心部２７がＳ極に励磁されると、図４（ａ）に示すように、ロータ本体２４ａ、２４ｂが４極の構造となる。一方、両側にＮ極磁石２８が配置されている鉄心部２７がＳ極に励磁され、かつ両側にＳ極磁石２９が配置されている鉄心部２７がＮ極に励磁されると、図４（ｂ）に示すように、ロータ本体２４ａ、２４ｂが１２極の構造となる。

ここで、上記ロータ本体２４ａ、２４ｂにおいて、Ｎ極磁石２８は、周方向の中心を境とする２つの部位、すなわち、鉄心部２７に隣接する第１磁石部２８ａと、この第１磁石部２８ａの反鉄心部２７側に隣接しかつ当該第１磁石部２８ａに比して残留磁束密度が低い第２磁石部２８ｂとを備えている。Ｓ極磁石２９も同様に、周方向の中心を境とする２つの部位、すなわち、鉄心部２７に隣接する第１磁石部２９ａと、この第１磁石部２９ａの反鉄心部２７側に隣接しかつ当該第１磁石部２９ａに比して残留磁束密度が低い第２磁石部２９ｂとを備えている。そして、各磁石２８、２９の第１磁石部２８ａ、２９ａ同士は同等の残留磁束密度を有し、各磁石２８、２９の第２磁石部２８ｂ、２９ｂ同士は同等の残留磁束密度を有している。後に詳述するが、この構成により、ロータ本体２４ａ、２４ｂが１２極の状態（図４（ｂ））で運転される際のトルク変動が抑制されるようになっている。

上記位置検出器９は、ロータ２の回転軸２０の回転角度位置を検出してその検出情報を後記インバータ４０に出力するものである。この位置検出器９は、当例ではレゾルバであり、ハウジング１０の端面部に一定に配設されている。なお、位置検出器９としては、レゾルバ以外に、例えばアブソリュートエンコーダを適用することも可能である。

図１において、符号４０はインバータであり、電源４２からの三相電力（図７参照）の周波数を調整して電動機１に供給する。インバータ４０は、各コイル１８に供給される電力の位相を切り替える切替回路（本発明の位相可変装置に相当する）を備えており、電動機１の回転数に応じて各コイル１８に供給される電力の位相を切り替え制御することにより、ロータ本体２４ａ、２４ｂを、図４（ａ）に示した４極の状態と、図４（ｂ）に示した１２極の状態とに切り換える。

具体的には、回転数が設定回転数未満の運転域では、インバータ４０は、図５（ａ）に示すように、周方向に連続する３つのコイル１８を一群として当該一群のコイル１８に同相の電力が供給されるように、各コイル１８へ供給する電力の位相を制御する。これにより、図４（ａ）中に破線で示す磁界、つまり、鉄心部２７がその両側に位置する磁石と同じ磁極に励磁される磁界が形成され、ロータ本体２４ａ、２４ｂが４極の状態になる。

一方、回転数が設定回転数以上の運転域では、インバータ４０は、図５（ｂ）に示すように、周方向に連続する３つのコイル１８にそれぞれ異なる相の電力が供給されるように、各コイル１８に供給する電力の位相を制御する。これにより、図４（ｂ）中に破線で示す磁界、つまり、鉄心部２７がその両側に位置する磁石と異なる磁極に励磁される磁界が形成され、ロータ本体２４ａ、２４ｂが１２極の状態になる。

なお、各コイル１８に供給する電力の位相の切り替え（４極から１２極又はその逆の切り替え）は、上記位置検出器９からの入力信号に基づき行われる。この点について簡単に説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、コイル１８への電力供給状態とロータ本体２４ａ、２４ｂにおける磁極の状態とを示すロータ２およびステータ４のモデル図であり、（ａ）は、４極の状態、（ｂ）は、４極から１２極への適切な切り替え状態、（ｃ）は、４極から１２極への不適切な切り替え状態をそれぞれ示している。また、図７は、各コイル１８に供給される三相交流電力の波形（電流波形）の一例を示している。図６中のロータ本体２４ａ、２４ｂに付された「＋」、「−」の印は磁極と等価であり、また、コイル１８に付された数値は図７中に示された電流の大きさと向きを示している。

すなわち、図６（ａ）に示すタイミングで、図６（ｂ）に示すように供給電力の位相の切り替えが行われた場合には、ロータ２（ロータ本体２４ａ、２４ｂ）には順方句のトルクが発生するため、４極から１２極への切り替えによる電動機１の作動状態への影響は無い。しかし、図６（ａ）に示すタイミングで、図６（ｃ）に示すように供給電力の位相の切り替えが行われた場合には、ロータ２には順方句のトルクが発生し、これにより、４極から１２極への切り替えに伴い電動機１はいわゆるトルクショックを伴うこととなる。上記インバータ４０は、このようなトルクショックの発生を防止するために、上記位置検出器９からの入力情報に応じて図６（ａ）、（ｂ）に示すタイミングで電力の位相の切り替えを行う。

以上のような電動機１によれば、各コイル１８に供給される電力の位相が切り換えられることで、ロータ本体２４ａ、２４ｂの鉄心部２７がその両側の磁石と同じ磁極に励磁される４極の状態と、鉄心部２７がその両側の磁石と異なる磁極に励磁される１２極の状態とに切り換えられる。従って、低速域においては多極構造で大トルクを発生させ、高速域では極数を減らして良好な高速回転を達成することができる。

しかも、この電動機１によれば、ロータ本体２４ａ、２４ｂの各磁石２８、２９がそれぞれ、上記の通り第１磁石部２８ａ、２９ａとそれよりも残留磁束密度が低い第２磁石部２８ｂ、２９ｂとを備えているので、１２極運転の際に懸念される振動や騒音の発生が効果的に抑制される。すなわち、鉄心部２７を励磁して磁極を形成する上記の電動機１では、１２極運転の際、隣接する磁石２８、２９に亘って形成される磁束の量と、Ｎ極磁石２８およびＳ極磁石２９と鉄心部２７とに亘って形成される磁束の量とに差があると、これによりトルク変動が生じ、ひいては振動や騒音の原因となる。しかし、上記電動機１の構成によれば、互いに隣接する磁石２８、２９は、残留磁束密度が比較的低い第２磁石部２８ｂ、２９ｂ同士が隣接し、鉄心部２７に隣接する磁石２８、２９は、残留磁束密度が比較的高い第１磁石部２８ａ、２８ｂが当該鉄心部２７に隣接する。そのため、隣接する２つの磁石２８、２９の間の磁束形成が抑制され、これにより、当該磁石２８、２９に亘って形成される磁束の量と、磁石２８、２９と鉄心部２７とに亘って形成される磁束の量とに大きな差が生じることが抑制される。従って、当該磁束量の差が大きくなることに起因するトルク変動の発生、ひいては振動や騒音の発生が効果的に抑制される。

なお、以上説明した電動機１は、本発明に係る回転電機の好ましい実施形態の例示であって、その具体的な構成は本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記電動機１は、ロータ２が２つのロータ本体２４ａ、２４ｂを備えたいわゆるダブルロータ型のアキシャルギャップ電動機であるが、本発明は、ロータが一つのロータ本体のみを備えたシングルロータ型のアキシャルギャップ電動機にも適用可能である。但し、ダブルロータ型のアキシャルギャップ電動機は、シングルロータ型のアキシャルギャップ電動機に比べて大きなトルクを発生させることが可能なため、本発明の適用には好適である。つまり、この電動機１は、上記の通り、１２極運転の際に、隣接する２つの磁石２８，２９に亘って形成される磁束の量を抑制するものであるため、発生トルクの低下が懸念されるが、ダブルロータ型のアキシャルギャップ電動機によれば、高トルク化が可能なため、トータル的には、上記のような磁束量の低下を十分に補完することが可能となる。従って、本発明の適用は、ダブルロータ型のアキシャルギャップ電動機が好適である。

また、上記電動機１は、回転軸２０の方向にステータ４とロータ２（ロータ本体２４ａ、２４ｂ）とが対向するアキシャルギャップ型の電動機であるが、本発明は、ラジアルギャップ型の電動機にも適用可能である。但し、アキシャルギャップ型の電動機は、エアギャップ対向面積をラジアルギャップモータより大きくできるため、ラジアルギャップ型の電動機に比べて高トルク化に有利であり、上記のような磁束量の抑制によるトルク低下への影響を軽減することができる。従って、上記電動機１のような構造は、アキシャルギャップ型電動機に好適である。

また、上記電動機１のロータは、４つの鉄心部２７を備えるものであるが、鉄心部２７の数はこれに限定されるものではなく、２つ以上の偶数の鉄心部２７を備えたものであればよい。この構成によれば、各コイル１８へ供給される電力の位相を切り換えることで、上記電動機１と同様に、高（多）磁極状態のときの極数を低（少）磁極状態のときの磁極の３倍にすることが可能となる。

また、上記実施形態では、各コイル１８に供給される電力の位相を切り替える切替回路がインバータ４０に備えられている、すなわち、インバータ４０が本発明の位相可変装置を兼ねた構成となっているが、勿論、位相可変装置は、インバータ４０とは別に設けられていてもよい。例えば電動機１に一定的に組み込まれていてもよい。

また、上記実施形態では、本発明を電動機に適用した例について説明したが、本発明は電動機以外の回転電機にも適用可能である。

１電動機（回転電機）
２ロータ
４ステータ
６出力軸
８クラッチ装置
２０回転軸
２６ロータコア
２７鉄心部
２８永久磁石（Ｎ極磁石）
２９永久磁石（Ｓ極磁石）
２８ａ、２９ａ第１磁石部
２８ｂ、２９ｂ第２磁石部

Claims

周方向に並ぶ複数のコイルを備えたステータと、
このステータに対向して配置され、かつ周方向に等間隔で並ぶ軟磁性体からなる複数の鉄心部と隣接する鉄心部の間にそれぞれ周方向に並べて配設され、前記コイルとの対向面の磁極である対面磁極が互いに異なる２つの永久磁石とを備えるロータと、
前記コイルに供給される電力の位相を変更可能な位相可変装置と、を備え、
一つの鉄心部に隣接する２つの永久磁石は、互い対面磁極が同じで、かつ当該鉄心部に隣接する第１磁石部とこの第１磁石部の反鉄心部側に隣接し、当該第１磁石部よりも残留磁束密度が低い第２磁石部と含む、ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記ロータは、回転軸と、この回転軸と共に回転しかつこの回転軸の軸方向端面に前記鉄心部および前記永久磁石を備えるロータ本体とを備え、
前記ステータの複数のコイルは、前記ロータ本体に対向して前記回転軸周りに配置されている、ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記ロータは、前記ロータ本体として、前記軸方向におけるステータの両側に配設される第１ロータ本体および第２ロータ本体を備えている、ことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転電機において、
前記ロータは、４つ以上の偶数の前記鉄心部を備えている、ことを特徴とする回転電機。