JP7262661B2 - 回転電機装置 - Google Patents
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Description
永久磁石を設けたロータと複数相の巻線を設けたステータとを有する回転電機と、
直流電源から供給される直流電力と前記複数相の巻線に供給する交流電力とを変換する、複数のスイッチング素子を有するインバータと、
前記複数相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記ロータの回転角度を検出する回転検出部と、
前記回転角度の検出値に基づいて、制御用の磁極位置を設定し、制御用の電流指令値を算出し、電流の検出値と前記制御用の電流指令値と前記制御用の磁極位置とに基づいて、電圧指令値を算出する電流制御部と、
前記電圧指令値に基づいて、前記複数のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記永久磁石は、軸方向の各位置で、磁極位置を周方向にずらしたスキューを設け、
前記電流制御部は、
軸方向の各位置の磁極位置の内、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置の方向に定めたd軸、及び当該d軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたq軸からなる最進位相のdq軸の回転座標系上で算出される電流指令値の電流ベクトルを、最進位相の電流ベクトルとし、
軸方向の各位置の磁極位置の内、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置と最も位相が遅れた磁極位置との中央位相の方向に定めたd軸、及び当該d軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたq軸からなる中央位相のdq軸の回転座標系上で算出される電流指令値の電流ベクトルを、中央位相の電流ベクトルとし、
前記複数の巻線に流れる巻線電流が増加するに従って、制御する電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルから前記最進位相の電流ベクトルに近づけるものである。
実施の形態1に係る回転電機装置について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る回転電機装置の概略構成図である。回転電機装置は、回転電機1、インバータ4、及び制御装置6を備えている。
回転電機1は、永久磁石111を設けたロータ11と、複数相の巻線を設けたステータ21と、を有した永久磁石同期モータである。複数相の巻線として、U相、V相、W相の3相の巻線Cu、Cv、Cwが設けられている。3相の巻線は、スター結線されてもよいし、デルタ結線されてもよい。
永久磁石111には、軸方向Xの各位置で、磁極位置を周方向にずらしたスキューが設けられている。本実施の形態では、図2及び図3に示すように、永久磁石111は、軸方向Xに2段階に、磁極位置を周方向にずらしたスキューを設けている。ロータ11の軸方向の一方側X1に第1のスキュー段112aが設けられ、軸方向の他方側X2に第2のスキュー段112bが設けられている。図2は、ロータ11の斜視図であり、図3の左側は、第1のスキュー段112aの断面図であり、図3の右側は、第2のスキュー段112bの断面図である。第1及び第2のスキュー段112a、112bのそれぞれの外周部には、8個の磁極111(4個のN極及び4個のS極)が周方向に等間隔に配置されている。N極とS極とは、周方向に交互に配置されている。
インバータ4は、直流電源3から供給される直流電力と3相の巻線に供給する交流電力とを変換する電力変換器であり、複数のスイッチング素子を有している。インバータ4は、直流電源3の正極側に接続される正極側のスイッチング素子SPと直流電源3の負極側に接続される負極側のスイッチング素子SNとが直列接続された直列回路(レッグ)を、3相各相に対応して3セット設けている。そして、各相の直列回路における2つのスイッチング素子の接続点が、対応する相の巻線に接続されている。
制御装置6は、インバータ4を介して回転電機1を制御する。図1に示すように、制御装置6は、回転検出部31、電流検出部32、電流制御部33、及びスイッチング制御部34等を備えている。制御装置6の各機能は、制御装置6が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置6は、図5に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
電流制御部33は、dq軸の回転座標系上で電流を制御する。dq軸の回転座標系は、磁極位置(N極の位置)の方向に定めたd軸、及びd軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたq軸からなる。
本実施の形態では、後述するようにId=0制御により電流指令値が算出される。d軸の電流指令値Idoがゼロに設定され(Ido=0)、q軸の電流指令値Iqoが、トルク指令値Trefに応じた値に設定される。よって、電流ベクトルは、制御用のdq軸の回転座標系のqc軸に一致する。
Id2=|I|×cos(π/2-θe+α)
Id1=-|I|×cos(π/2-α) ・・・(1)
そこで、電流制御部33は、最進位相のdq軸の回転座標系上で算出される電流指令値の電流ベクトルを、最進位相の電流ベクトルIadvとし、中央位相のdq軸の回転座標系上で算出される電流指令値の電流ベクトルを、中央位相の電流ベクトルIaveとし、図10に示すように、3相の巻線に流れる巻線電流が増加するに従って、制御する電流ベクトルクIcを、中央位相の電流ベクトルIaveから最進位相の電流ベクトルIadvに近づける。
本実施の形態では、磁極位置設定部331は、巻線電流が増加するに従って、制御用の磁極位置θcを、回転方向Rに最も位相が進んだ第2のスキュー段112bの磁極位置θ2と最も位相が遅れた第1のスキュー段112aの磁極位置θ1との中央位相の磁極位置θaveから、回転方向Rに最も位相が進んだ磁極位置θ2の方向に近づける。そして、電流指令値算出部332は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で制御用の電流指令値を算出する。そして、電圧指令値算出部333は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて電圧指令値を算出する。
上述したように、磁極位置設定部331は、巻線電流が増加するに従って、制御用の磁極位置θcを、最進位相の磁極位置θ2と最遅位相の磁極位置θ2との中央位相の磁極位置θaveから、最進位相の磁極位置θ2の方向に近づける。
θc=θ0+Δθ ・・・(2)
θ0=θave
|I|=√(Ido2+Iqo2)=Iqo ・・・(3)
電流指令値算出部332は、制御用のdq軸の回転座標系上でId=0制御により制御用のd軸及びq軸の電流指令値Ido、Iqoを算出する。例えば、電流指令値算出部332は、次式に示すように、制御用のd軸の電流指令値Idoを0に設定し、制御用のq軸の電流指令値Iqoを、トルク指令値Trefに変換係数Ktを乗算した値に設定する。トルク指令値Trefは、制御装置6内で演算されてもよいし、外部の制御装置から伝達されてもよい。
Ido=0
Iqo=Kt×Tref ・・・(4)
電圧指令値算出部333は、電流の検出値と制御用の電流指令値と制御用の磁極位置θcとに基づいて、電圧指令値を算出する。本実施の形態では、電圧指令値算出部333は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値及び制御用の電流指令値に基づいて、電圧指令値を算出する。図1に示すように、電圧指令値算出部333は、電流座標変換部3331、dq軸電圧指令値算出部3332、及び電圧座標変換部3333を備えている。
スイッチング制御部34は、電圧指令値に基づいて、複数のスイッチング素子をオンオフ制御する。本実施の形態では、スイッチング制御部34は、3相の電圧指令値Vuo、Vvo、Vwoのそれぞれとキャリア周期Tcで振動するキャリア波CAとを比較することにより、スイッチング素子をオンオフ制御する。キャリア波CAは、キャリア周期Tcで0を中心に電源電圧の半分値Vdc/2の振幅で振動する三角波とされている。電源電圧Vdcは、電圧センサにより検出されてもよい。
実施の形態2に係る回転電機装置について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転電機1、インバータ4、及び制御装置6の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、制御装置6の処理が実施の形態1と異なる。
Idave=0
Iqave=Kt×Tref ・・・(7)
Ido=Idave-ΔId
Iqo=Iqave ・・・(8)
ΔId*=tan(θe/2)×Iqave ・・・(9)
|I|=√(Idave2+Iqave2) ・・・(10)
回転電機のトルクは、最進位相の磁極によるトルクと最遅位相の磁極によるトルクとの平均になるため、中央位相のq軸電流に比例して変化する。すなわち、中央位相のq軸電流が大きいほど、回転電機のトルクは大きくなる。図15に電流制限円を示すように、巻線に流すことのできる電流には上限がある。上記のように、中央位相の電流指令値のd軸成分を、d軸電流減少量ΔIdだけ減少させることにより、電流ベクトルの絶対値が増加する。一方、電流ベクトルの絶対値が、上限電流値に到達すると、中央位相のq軸電流を増加させることができなくなり、d軸電流減少量ΔIdの分だけトルクを増加させることができない。回転電機の要求性能では、6次のトルクリップル成分の低減よりも、最大トルクの増加の方が重要である場合がある。
実施の形態3に係る回転電機装置について説明する。上記の実施の形態1又は2と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転電機1、インバータ4、及び制御装置6の基本的な構成は実施の形態1又は2と同様であるが、回転電機1が一方側及び他方側に回転可能であり、それに伴って制御装置6の処理が実施の形態1又は2と異なる。
実施の形態1と同様の方法が用いられる場合について説明する。一方側の回転方向R1である場合は、実施の形態1と同様に、磁極位置設定部331は、巻線電流が増加するに従って、制御用の磁極位置θcを、中央位相の磁極位置θaveから、一方側の回転方向R1に最も位相が進んだ第2のスキュー段112bの磁極位置θ2の方向に近づける。電流指令値算出部332は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で制御用の電流指令値を算出する。そして、電圧指令値算出部333は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて電圧指令値を算出する。この場合の制御用のdq軸の回転座標系は、制御用の磁極位置θcの方向に定めたdc軸と、一方側の回転方向R1にdc軸より電気角度で90°位相が進んだ方向に定めたqc軸からなる。
次に、実施の形態2と同様の方法が用いられる場合について説明する。一方側の回転方向R1である場合は、実施の形態1と同様に、磁極位置設定部331は、制御用の磁極位置θcとして、中央位相の磁極位置θaveを検出する。電流指令値算出部332は、中央位相の磁極位置θaveを基準に設定した中央位相のdq軸の回転座標系上で電流指令値を算出し、当該電流指令値のd軸成分を、d軸電流減少量ΔIdだけ減少させて、制御用の電流指令値を算出する。電流指令値算出部332は、巻線電流が増加するに従って、制御用の電流指令値の電流ベクトルIcが中央位相の電流ベクトルIaveから最進位相の電流ベクトルIadvに近づくように、d軸電流減少量ΔIdを増加させる。そして、電圧指令値算出部333は、中央位相の磁極位置θaveを基準に設定した中央位相のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて、電圧指令値を算出する。この場合の中央位相のdq軸の回転座標系は、中央位相の磁極位置θaveの方向に定めたdave軸と、一方側の回転方向R1にdave軸より電気角度で90°位相が進んだ方向に定めたqave軸からなる。
或いは、図18に示すように、他方側の回転方向R2である場合に、最進位相のdq軸の回転座標系を、他方側の回転方向R2に最も位相が進んだ第1のスキュー段112aの磁極位置θ1の方向に定めたd1軸と、一方側の回転方向R1にd1軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたq1軸からなるdq軸の回転座標系に設定してもよく。中央位相のdq軸の回転座標系を、他方側の回転方向R2に最も位相が進んだ第1のスキュー段112aの磁極位置θ1と最も位相が遅れた第2のスキュー段112bの磁極位置θ2との中央位相の方向に定めたdave軸と、一方側の回転方向R1にdave軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたqaveからなるdq軸の回転座標系に設定してもよい。この場合は、q軸の電流指令値Iqoは、正負の符号が反転された負の値になる。この場合も、実質的に、上述の構成と同等になる。
このような回転電機は、例えば、図19に示すような、電動パワーステアリング装置の駆動力源に用いられる。電動パワーステアリング装置は、運転者が左右に回転するハンドル63と、ハンドル63に連結されて、ハンドル63による操舵トルクを車輪62の操舵機構に伝達するシャフト64と、シャフト64に取り付けられ、ハンドル63による操舵トルクを検出するトルクセンサ65と、回転電機1の駆動力をシャフト64に伝達するウォームギヤ機構等の駆動力伝達機構61と、を備えている。制御装置6は、トルクセンサ65により検出したハンドル63の操舵トルクに応じたトルクを回転電機1に出力させるように構成される。よって、トルク指令値Trefは、トルクセンサ65により検出された操舵トルクに応じて設定される。
実施の形態4に係る回転電機装置について説明する。上記の実施の形態1又は2と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転電機1、インバータ4、及び制御装置6の基本的な構成は実施の形態1又は2と同様であるが、永久磁石がロータの内部に埋め込まれており、電流指令値の算出方法が実施の形態1又は2と異なる。
このような、埋込磁石型の同期モータでは、q軸インダクタンスLqが、d軸インダクタンスLdよりも大きくなり、一般に、最大トルク電流制御により電流指令値が設定される。最大トルク電流制御では、図21に示すように、同一電流に対して発生トルクを最大にするようなd軸及びq軸の電流指令値Ido、Iqoが算出される。トルク指令値Trefが増加するに従って、最大トルク電流曲線に沿って、q軸の電流指令値Iqoが0から増加されると共に、d軸の電流指令値Idoが0から減少される。
磁極位置設定部331は、巻線電流が増加するに従って、制御用の磁極位置θcを、回転方向に最も位相が進んだ第2のスキュー段112bの磁極位置θ2と最も位相が遅れた第1のスキュー段112aの磁極位置θ1との中央位相の磁極位置θaveから、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置θ2の方向に近づける。そして、電流指令値算出部332は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、最大トルク電流制御により、制御用の電流指令値を算出する。そして、電圧指令値算出部333は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて電圧指令値を算出する。
磁極位置設定部331は、制御用の磁極位置θcとして、回転方向に最も位相が進んだ第2のスキュー段112bの磁極位置θ2と最も位相が遅れた第1のスキュー段112aの磁極位置θ1との中央位相の磁極位置θaveを設定する。電流指令値算出部332は、中央位相の磁極位置θaveを基準に設定した中央位相のdq軸の回転座標系上で、最大トルク電流制御により、電流指令値を算出し、当該電流指令値のd軸成分を、d軸電流減少量ΔIdだけ減少させて、制御用の電流指令値を算出する。電流指令値算出部332は、巻線電流が増加するに従って、制御用の電流指令値の電流ベクトルIcが中央位相の電流ベクトルIaveから最進位相の電流ベクトルIadvに近づくように、d軸電流減少量ΔIdを増加させる。そして、電圧指令値算出部333は、中央位相の磁極位置θaveを基準に設定した中央位相のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて、電圧指令値を算出する。
実施の形態5に係る回転電機装置について説明する。上記の実施の形態1、2又は4と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転電機1、インバータ4、及び制御装置6の基本的な構成は実施の形態1、2又は4と同様であるが、Id=0制御又は最大トルク電流制御に加えて、弱め磁束制御が行われるように構成されており、電流指令値の算出方法が実施の形態1、2又は4と異なる。
実施の形態1と同様の方法が用いられる場合について説明する。磁極位置設定部331は、巻線電流が増加するに従って、制御用の磁極位置θcを、中央位相の磁極位置θaveから、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置θ2の方向に近づける。そして、電流指令値算出部332は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、弱め磁束制御により、制御用の電流指令値を算出する。そして、電圧指令値算出部333は、制御用の磁極位置θcを基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて電圧指令値を算出する。
Vamp=√(Vdo2+Vqo2)
Vampo=Vdc/√(2) ・・・(11)
ΔVamp=Vampo-Vamp
Ido=∫Ki×ΔVamp
Ido≦0 ・・・(12)
Iqo=Kt×Tref
磁極位置設定部331は、制御用の磁極位置θcとして、中央位相の磁極位置θaveを設定する。電流指令値算出部332は、中央位相の磁極位置θaveを基準に設定した中央位相のdq軸の回転座標系上で、弱め磁束制御により、電流指令値を算出し、当該電流指令値のd軸成分を、d軸電流減少量ΔIdだけ減少させて、制御用の電流指令値を算出する。電流指令値算出部332は、巻線電流が増加するに従って、制御用の電流指令値の電流ベクトルIcが、弱め磁束制御により算出される中央位相の電流ベクトルIaveから、弱め磁束制御により算出される最進位相の電流ベクトルIadvに近づくように、d軸電流減少量ΔIdを増加させる。そして、電圧指令値算出部333は、中央位相の磁極位置θaveを基準に設定した中央位相のdq軸の回転座標系上で、電流の検出値と制御用の電流指令値とに基づいて、電圧指令値を算出する。
ΔVamp=Vampo-Vamp
Idave=∫Ki×ΔVamp
Idave≦0 ・・・(13)
Iqave=Kt×Tref
Ido=Idave-ΔId
Iqo=Iqave ・・・(14)
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
|I|=√(Ido2+Iqo2)×sin(Δθ) ・・・(15)
Claims (11)
- 永久磁石を設けたロータと複数相の巻線を設けたステータとを有する回転電機と、
直流電源から供給される直流電力と前記複数相の巻線に供給する交流電力とを変換する、複数のスイッチング素子を有するインバータと、
前記複数相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記ロータの回転角度を検出する回転検出部と、
前記回転角度の検出値に基づいて、制御用の磁極位置を設定し、制御用の電流指令値を算出し、電流の検出値と前記制御用の電流指令値と前記制御用の磁極位置とに基づいて、電圧指令値を算出する電流制御部と、
前記電圧指令値に基づいて、前記複数のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記永久磁石は、軸方向の各位置で、磁極位置を周方向にずらしたスキューを設け、
前記電流制御部は、
軸方向の各位置の磁極位置の内、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置の方向に定めたd軸、及び当該d軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたq軸からなる最進位相のdq軸の回転座標系上で算出される電流指令値の電流ベクトルを、最進位相の電流ベクトルとし、
軸方向の各位置の磁極位置の内、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置と最も位相が遅れた磁極位置との中央位相の方向に定めたd軸、及び当該d軸より電気角で90°位相が進んだ方向に定めたq軸からなる中央位相のdq軸の回転座標系上で算出される電流指令値の電流ベクトルを、中央位相の電流ベクトルとし、
前記複数の巻線に流れる巻線電流が増加するに従って、制御する電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルから前記最進位相の電流ベクトルに近づける回転電機装置。 - 前記電流制御部は、前記巻線電流が増加するに従って、前記制御用の磁極位置を、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置と最も位相が遅れた磁極位置との中央位相の磁極位置から、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置の方向に近づけ、
前記制御用の磁極位置を基準に設定した制御用のdq軸の回転座標系上で、前記制御用の電流指令値を算出し、前記電流の検出値及び前記制御用の電流指令値に基づいて、前記電圧指令値を算出する請求項1に記載の回転電機装置。 - 前記電流制御部は、前記制御用の磁極位置として、前記回転方向に最も位相が進んだ磁極位置と最も位相が遅れた磁極位置との中央位相の磁極位置を設定し、
前記中央位相の磁極位置を基準に設定した前記中央位相のdq軸の回転座標系上で電流指令値を算出し、当該電流指令値のd軸成分を、d軸電流減少量だけ減少させて、前記制御用の電流指令値を算出し、
前記巻線電流が増加するに従って、前記制御用の電流指令値の電流ベクトルが、前記中央位相の電流ベクトルから前記最進位相の電流ベクトルに近づくように前記d軸電流減少量を増加させ、
前記中央位相のdq軸の回転座標系上で、前記電流の検出値と前記制御用の電流指令値とに基づいて、前記電圧指令値を算出する請求項1に記載の回転電機装置。 - 前記電流制御部は、前記巻線電流が、上限電流値よりも小さい値に設定された閾値を上回った場合は、前記巻線電流が前記上限電流値に近づくに従って、前記制御用の電流指令値の電流ベクトルを、前記最進位相の電流ベクトルから前記中央位相の電流ベクトルに近づける請求項1から3のいずれか一項に記載の回転電機装置。
- 前記回転電機は、一方側及び他方側に回転可能であり、
前記電流制御部は、一方側及び他方側の回転方向に応じて、回転方向に最も位相が進んだ磁極位置と最も位相が遅れた磁極位置とを設定する請求項1から4のいずれか一項に記載の回転電機装置。 - 前記回転電機は、電動パワーステアリング装置の駆動力源に用いられる請求項5に記載の回転電機装置。
- 前記永久磁石は、前記ロータの表面に設けられ、
前記電流制御部は、
前記最進位相のdq軸の回転座標系上でId=0制御により算出される電流指令値の電流ベクトルを、前記最進位相の電流ベクトルとし、
前記中央位相のdq軸の回転座標系上で前記Id=0制御により算出される電流指令値の電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルとし、
前記巻線電流が増加するに従って、制御する電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルから前記最進位相の電流ベクトルに近づける請求項1から6のいずれか一項に記載の回転電機装置。 - 前記永久磁石は、前記ロータの内部に埋め込まれ、
前記電流制御部は、
前記最進位相のdq軸の回転座標系上で最大トルク電流制御により算出される電流指令値の電流ベクトルを、前記最進位相の電流ベクトルとし、
前記中央位相のdq軸の回転座標系上で前記最大トルク電流制御により算出される電流指令値の電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルとし、
前記巻線電流が増加するに従って、制御する電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルから前記最進位相の電流ベクトルに近づける請求項1から6のいずれか一項に記載の回転電機装置。 - 前記電流制御部は、弱め磁束制御の実行領域では、
前記最進位相のdq軸の回転座標系上で前記弱め磁束制御により算出される電流指令値の電流ベクトルを、前記最進位相の電流ベクトルとし、
前記中央位相のdq軸の回転座標系上で前記弱め磁束制御により算出される電流指令値の電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルとし、
前記巻線電流が増加するに従って、制御する電流ベクトルを、前記中央位相の電流ベクトルから前記最進位相の電流ベクトルに近づける請求項1から8のいずれか一項に記載の回転電機装置。 - 前記ロータに設けられた前記永久磁石の磁極数は8であり、
前記複数相の巻線が巻装される前記ステータのスロット数は12である請求項1から9のいずれか一項に記載の回転電機装置。 - 前記永久磁石は、軸方向に2段階に、磁極位置を周方向にずらしたスキューを設けている請求項1から10のいずれか一項に記載の回転電機装置。
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