KR102524404B1 - 전기 유도기 - Google Patents

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KR102524404B1
KR102524404B1 KR1020207037160A KR20207037160A KR102524404B1 KR 102524404 B1 KR102524404 B1 KR 102524404B1 KR 1020207037160 A KR1020207037160 A KR 1020207037160A KR 20207037160 A KR20207037160 A KR 20207037160A KR 102524404 B1 KR102524404 B1 KR 102524404B1
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에이비비 슈바이쯔 아게
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Abstract

본 발명은 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에 모따기 영역(9)이 제공되는 전기 유도기(1)에 관한 것이다. 바람직하게, 모따기 영역(9)은 회전자 프레임(6)의 상대 투자율보다 낮은 상대 투자율, 및 회전자 바(8)의 전기 저항율보다 높은 전기 저항율을 갖는다. 더욱이, 모따기 영역(9)의 최소 직경은 바람직하게 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에 제조-공차로 인한 최대 간극이 존재할 경우 이 최대 간극보다 크다.

Description

전기 유도기
본 발명은 유도기에 관한 것이며, 보다 구체적으로 전기 모터 및 발전기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 유도기의 회전자 바(rotor bar) 및 회전자 홈의 배치에 관한 것이다.
유도기에서, 특히 농형(squirrel cage-type) 회전자 조립체를 갖는 유도기에서, 회전자 바는 회전자 프레임의 대응 회전자 홈 내에 밀착하여 끼워맞춤된다. 회전자 바에 전류를 유도하고 그로 인해 회전자를 자화시키는 데 사용되는 자속은, 유도기의 작동에 기여하지 않는 와전류를 유도하지만 손실을 증가시키고 그 효율을 감소시키는 것으로 밝혀진 자속 고조파도 포함한다.
이러한 와전류의 고밀도 영역은 회전자 바의 반경방향 외측 코너 영역에 유도되는 것으로 밝혀졌다. 이들 와전류를 감쇠시키기 위한 이전의 시도는 회전자 바를 회전자 홈에 밀착하여 끼워맞추는 구성을 유지하면서 코너 영역을 재성형하는 데 중점을 두었다. 그러나, 이러한 시도는 최적의 결과를 제공할 수 없었다.
(특허문헌 1) US 2014049134 A1
(특허문헌 2) US 2012091850 A1
(특허문헌 3) JP S602379 U
(특허문헌 4) US 2014028146 A1
본 발명의 목적은 이러한 유도기의 회전자 바의 코너 영역에서 와전류 유도를 경감하는 유도기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립 청구항에 기재되어 있는 것을 특징으로 하는 유도기에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 개시되어 있다.
본 발명은 와전류가 통상적으로 유도되는 위치, 즉 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역에 모따기 영역을 제공한다는 아이디어에 기초하고 있다. 모따기 영역을 제공하는 것은 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역에서의 와전류 유도를 효과적으로 방지하거나 적어도 감소시킨다. 동시에, 이러한 모따기 영역은 종래 기술의 배치에 비해 회전자 홈의 자기 돌극성(magnetic saliency)을 유지하며, 따라서 토크 생성에 기여한다.
적합하게, 모따기 영역은 회전자 프레임에 관하여 비교적 낮은 투자율을 가지며 회전자 바에 관하여 비교적 높은 전기 저항율을 갖는다.
이러한 유도기의 장점은 와전류에 의해 초래되는 손실이 유도기 성능의 큰 저하 없이 상당히 감소된다는 것이다.
이하에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 의해 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유도기의 일부의 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 개략 상세도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 유도기의 대체 배치의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기 유도기의 개략 단면도이다.
본 발명에 따르면, 전기 유도기(1)가 제공된다. 유도기는 내부 공간을 갖는 하우징(2), 하우징의 내부 공간 내에 환형으로 배치되는 고정자 조립체(3), 및 고정자 조립체(3)를 통해서 동심으로 연장되도록 회전 가능하게 지지되는 샤프트(4)를 포함한다.
회전자 조립체(5)는 내부 공간 내에서 샤프트(4)에 고정되어 샤프트를 둘러싸도록 제공되며, 회전자 조립체(5)는 고정자 조립체(3)와 동심적으로 고정자 조립체 내부에 배치된다. 회전자 조립체(5)는 원통형 회전자 프레임(6)을 추가로 포함한다.
축방향으로 연장되는 복수의 종방향 회전자 홈(7)은 회전자 프레임(6)을 따라서 원주 방향으로 이격되며, 이들 회전자 홈(7) 내에는 복수의 종방향 회전자 바(8)가 수용된다. 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 대응하는 대체로 직사각형의 단면 형상을 갖는다. 즉, 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)의 단면 형상은 이하에서 더 상세히 논의되는 모따기 영역(9)이 추가된 직사각형이다.
또한, 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에는 모따기 영역(9)이 제공된다. 본 발명의 문맥에서, 코너 영역이라는 용어는, 그 표면이 회전자 프레임(6)의 대체로 반경 방향으로 연장되는 것으로부터 회전자 프레임(6)의 대체로 접선 방향으로 연장되는 것으로 이행되는, 회전자 홈(7)의 영역을 반영하기 위해 사용된다. 특히, 코너 영역(7a)은 예를 들어 대체로 반경방향으로 연장되는 표면과 대체로 접선방향으로 연장되는 표면 사이에서 매끄럽게 이행되는 곡률을 포함하는 것을 알아야 한다.
회전자 홈(7)은 회전자 프레임(6)의 외주를 향해서 개방된 슬릿(7b)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 슬릿(7b)은 대응하는 회전자 홈(7)의 전체 길이를 따라서 축방향으로 연장된다. 그로 인해 예를 들어 회전자 홈(7) 내에 수용된 회전자 바(8)가 슬릿(7b)을 거쳐서 펀칭될 수 있는데 이는 회전자 바(8)가 약간 변형되고 회전자 홈의 벽에 대해 적어도 부분적으로 가압되게 하여 회전자 바(8)를 적소에 고정하기 위함이다.
이러한 경우에, 모따기 영역(9)은 바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로 슬릿(7b)까지 연장될 수 있다. 즉, 모따기 영역(9)은 슬릿(7b)에서의 회전자 바(8)의 부분을 온전하게 남겨두면서, 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에서 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에만 배치된다.
이것이 특히 유리한 이유는 슬릿(7b)에서의 회전자 바(8)의 부분이 유도기의 성능에 기여하기 때문이다. 보다 구체적으로, 슬릿(7b)에서의 회전자 바(8)의 부분은 시동 토크 성능에 기여하며, 특히 예를 들어 펌프를 구동하기 위해 전기 모터가 사용되는 펌핑 용도에 기여한다.
즉, 모따기 영역(9)을 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로 슬릿(7b)까지 연장되도록(그러나 슬릿 안으로 연장되지는 않도록) 제공하는 것은 펌핑 용도에 중요한 시동 토크 성능을 유지하면서, 와전류에 의해 유도되는 손실을 저감하여 모터의 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모따기 영역(9)은 회전자 프레임(6)의 상대 투자율보다 낮은 상대 투자율, 및 회전자 바(8)의 전기 저항율보다 높은 전기 저항율을 갖는다. 이것은 예를 들어 모따기 영역(9)을 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이의 갭으로서 제공함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 모따기 영역(9)은 수지, 특히 에폭시 수지와 같은 전술한 바와 같이 적절한 특성을 갖는 임의의 재료로서 제공될 수 있다. 따라서, 회전자 바(8)에 적합한 재료의 예로는 구리 및 알루미늄이 포함되고, 회전자 프레임(6)에 적합한 재료의 예로는 철이 포함된다.
유리하게, 모따기 영역(9)의 상대 투자율은 회전자 프레임(6)의 상대 투자율보다 적어도 한 자릿수, 바람직하게 여러 자릿수 낮다.
바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 모따기 영역(9)은 0 내지 400, 더 바람직하게 0 내지 40, 가장 바람직하게 0 내지 4의 상대 투자율을 갖는다. 본 발명의 문맥에서, 상대 투자율이라는 용어는 진공의 투자율에 비교되는 재료의 투자율을 나타내기 위해 사용된다.
유리하게, 모따기 영역(9)의 전기 저항율은 회전자 바(8)의 전기 저항율보다 적어도 한 자릿수, 바람직하게 여러 자릿수 높다.
바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 모따기 영역은 10-6 내지 1021 Ω·m, 더 바람직하게 102 내지 1021 Ω·m, 가장 바람직하게 1012 내지 1021 Ω·m 범위의 전기 저항율을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 모따기 영역(9)의 최소 직경은 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에 제조-공차로 인한 최대 간극이 존재할 경우 이 최대 간극보다 크다. 즉, 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이의 제조 및/또는 끼워맞춤으로 인한 일체의 가능한 간극은 모따기 영역(9)을 구성하지 않는다. 최소 직경이라는 용어는 이 문맥에서, 축방향을 따라서 볼 때 그 중심점을 통해서 모따기 영역(9)의 단면을 가로질러 그려진 최단 라인의 길이를 나타내기 위해 사용되는 것을 알아야 한다.
바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 모따기 영역(9)은 적어도 1mm의 접선방향으로 연장되는 폭 및 반경방향으로 연장되는 높이를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 모따기 영역(9)의 단면 프로파일은 상기 회전자 바(8)의 종방향을 따라서 볼 때 회전자 바(8)와 접하는 측에 오목하게 제공될 수 있다.
이것은 회전자 홈(7) 내의 적소에 있을 때 회전자 바를 펀칭하여, 회전자 바(8)가 약간 변형되어 회전자 홈(7)의 벽에 대해 가압되게 함으로써 회전자 바(8)가 회전자 홈(7)에 고정되는 경우에 특히 적합한 배치이다. 특히, 모따기 영역(9)의 오목한 형상은 모따기 영역(9)이 약간의 변형에 의해 과도하게 소실되는 것을 방지하는 한편, 여전히 모따기 영역이 다른 단면 형상에 비해 상대적으로 작은 단면 치수를 가질 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 모따기 영역(9)의 단면 프로파일은 상기 회전자 바(8)의 종방향을 따라서 볼 때 회전자 바(8)와 접하는 측에서 선형이다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 반경방향 대칭 축을 따라서 서로에 대해 대칭적인 두 개의 모따기 영역(9)을 포함할 수 있다. 즉, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a) 양자에 대응하는 위치에 두 개의 동일한 모따기 영역(9)을 가질 수 있다. 이러한 배치는 유도기가 양 회전 방향으로 작동되어야 하는 경우에 특히 유리하다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 반경방향 대칭 축을 따라서 서로에 대해 비대칭적인 두 개의 모따기 영역(9)을 포함할 수 있다. 즉, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a) 양자에 대응하는 위치에 두 개의 상이한 모따기 영역(9)을 가질 수 있다. 이러한 배치는 유도기가 각각의 작동 방향에서 모따기 영역(9)에 관하여 다른 중점을 두고서 양 회전 방향으로 작동되어야 하는 경우에 특히 유리하다. 예를 들어, 상이한 회전 방향으로 작동할 때 와전류에 의해 초래되는 손실을 감쇠시키는 것에 다른 중점을 두기 위해, 상이한 단면적을 갖는 두 개의 모따기 영역(9)이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 모따기 영역(9)의 치수와 관련된 복수의 변형이 제공될 수 있다. 본 발명의 문맥에서, 모따기 영역(9)은 회전자 프레임(6)의 반경 방향으로의 높이와 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로의 폭을 갖는다.
모따기 영역(9)은 당연히 상이한 높이/폭 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 모따기의 높이는 모따기 영역(9)의 폭의 ¼ 내지 2일 수 있으며, 바람직하게 모따기 영역의 폭과 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 문맥에서, 회전자 바(8)는 회전자 프레임(6)의 반경 방향으로의 높이와 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로의 폭을 갖는다.
바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 모따기 영역(9)의 높이는 회전자 바(8)의 높이의 1 내지 10%이다.
바람직하게, 하지만 필수적이지는 않게, 모따기 영역(9)의 폭은 회전자 바(8)의 폭의 10 내지 90%이다.
모따기 영역(9)의 치수 설정과 관련하여 전술한 양태는 독립적으로 또는 그 임의의 조합으로 제공될 수 있음을 알아야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 유도기는 미리-결정된 회전 방향을 갖는 전기 모터이다.
이러한 경우에, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 미리-결정된 회전 방향에 대해 회전자 홈(7)의 말단 측의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 단일의 모따기 영역(9)을 갖는다.
이 배치는 회전자 바의 유효 단면적을 가능한 한 크게 유지하면서, 유도기가 모터로서 사용될 때 와전류에 의해 초래되는 손실의 효율적 제거를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 유도기는 미리-결정된 회전 방향을 갖는 발전기이다.
이러한 경우에, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 미리-결정된 회전 방향에 대해 회전자 홈(7)의 선단 측의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 단일의 모따기 영역(9)을 갖는다.
이 배치는 회전자 바의 유효 단면적을 가능한 한 크게 유지하면서, 유도기가 발전기로서 사용될 때 와전류에 의해 초래되는 손실의 효율적 제거를 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 전기 유도기(1)를 그 샤프트(4)의 종방향을 따라서 바라본 개략 단면도이다. 하우징(2)은 내부 공간을 가지며, 이 공간에는 통상의 기술자에게 공지된 고정자 조립체(3)가 배치된다. 또한, 내부 공간 내에는 샤프트(4)가 고정자 조립체(3)를 통해서 동심으로 연장되도록 회전 가능하게 지지된다. 회전자 조립체(5)는 내부 공간 내에서 샤프트(4)에 고정되어 샤프트를 둘러싼다. 회전자 조립체(5)는 또한 고정자 조립체(3)와 동심적으로 고정자 조립체 내부에 배치된다.
도 1은 회전자 바(8)의 종방향을 따라서 바라본, 본 발명에 따른 유도기의 일부의 단면도이다. 특히, 고정자 조립체(3) 내의 회전자 프레임(6)의 일부가 도시되어 있다. 회전자 프레임(6)은 복수의 동일한 회전자 홈(7)을 포함하며, 이 슬롯 내에는 회전자 바(8)가 배치된다. 회전자 홈(7)은 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a), 즉 홈(7)의 단면 형태가 대체로 반경방향으로부터 대체로 접선 방향으로 이행되는 영역을 갖는다. 또한, 슬릿(7b)이 제공되며, 이 슬릿을 통해서 회전자 홈(7)이 회전자 프레임(6)의 외주를 향해서 개방된다.
도 2는 도 1에 따른 배치의 상세도이다. 특히, 모따기 영역(9)의 형상은 회전자 바(8)와 접하는 측에 선형 단면 형상을 갖는 것으로 더 잘 도시되어 있다. 또한, 도 2의 모따기 영역은 접선방향으로 슬릿(7b)의 대응 에지까지 연장되는 바, 즉 슬릿(7b)을 향해서 연장되지만 슬릿까지 연장되지는 않는다.
도 3은 각각의 대응 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)가 각각의 회전자 슬롯의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a) 양자에 배치되는 두 개의 모따기 영역(9)을 갖는 것을 제외하고 도 1의 배치와 유사한 대체 배치를 도시한다. 또한, 도 3의 모따기 영역(9)은 반경방향으로 연장되는 대칭 축을 따라서 서로에 대해 비대칭적이다. 즉, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)의 두 개의 모따기 영역(9)은 서로 다르다. 특히 도 3의 경우에 각각의 모따기 영역(9)은 상이한 높이/폭-비율을 가짐으로써 서로 다르다.
도 4는 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)의 모따기 영역(9)이 반경방향으로 연장되는 대칭 축을 따라서 서로에 대해 대칭적인 것을 제외하고 도 3의 배치와 유사한 다른 대체 배치를 도시한다. 또한, 도 1의 배치와 달리, 모따기 영역(9)의 단면 프로파일은 상기 회전자 바의 종방향을 따라서 볼 때 회전자 바(8)와 접하는 측에서 오목하다. 도 4의 배치에서, 모따기 영역(9)은 접선방향으로 슬릿(7b)까지 연장되지 않으며, 그로부터 일정 거리까지 연장된다.
도 5는 모따기 영역(9)이 접선방향으로 슬릿(7b)의 대응 에지까지 연장되는, 즉 슬릿(7b)을 향해서 연장되지만 슬릿까지 연장되지는 않는 것을 제외하고 도 4의 배치와 유사한 다른 대체 배치를 도시한다.

Claims (12)

  1. 전기 유도기(1)이며,
    내부 공간을 갖는 하우징(2);
    상기 하우징의 내부 공간 내에 환형으로 배치되는 고정자 조립체(3);
    상기 고정자 조립체(3)를 통해서 동심적으로 연장되도록 회전 가능하게 지지되는 샤프트(4); 및
    상기 내부 공간 내에서 샤프트(4)에 고정되어 샤프트를 둘러싸는 회전자 조립체(5)로서, 상기 고정자 조립체(3)와 동심적으로 고정자 조립체 내부에 배치되는, 회전자 조립체(5)를 포함하고, 상기 회전자 조립체(5)는
    - 원통형 회전자 프레임(6);
    - 상기 회전자 프레임(6)을 따라서 원주 방향으로 이격된 복수의 축방향으로 연장되는 종방향 회전자 홈(7), 및
    - 상기 회전자 홈(7) 내에 수용되는 복수의 종방향 회전자 바(8)를 추가로 포함하며,
    회전자 홈(7)은 직사각형 형상을 갖고 회전자 바(8)는 모따기 영역(9)이 추가된 대응하는 직사각형 형상을 갖는, 전기 유도기(1)에 있어서,
    회전자 홈의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에 모따기 영역(9)이 형성되고,
    회전자 홈(7)은 회전자 프레임(6)의 외주를 향해서 개방되는 슬릿(7b)을 포함하며,
    모따기 영역(9)은 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로 슬릿까지만 연장되고,
    모따기 영역(9)은 회전자 프레임(6)의 상대 투자율보다 낮은 상대 투자율, 및 회전자 바(8)의 전기 저항율보다 높은 전기 저항율을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 모따기 영역(9)의 최소 직경은 각각의 회전자 홈(7)과 회전자 바(8) 사이에 제조-공차로 인한 최대 간극이 존재할 경우 이 최대 간극보다 큰 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  4. 제1항에 있어서, 모따기 영역(9)의 단면 프로파일은 상기 회전자 바(8)의 종방향을 따라서 볼 때, 회전자 바(8)와 접하는 측에서 오목한 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  5. 제1항에 있어서, 모따기 영역(9)의 단면 프로파일은 상기 회전자 바(8)의 종방향을 따라서 볼 때, 회전자 바(8)와 접하는 측에서 선형인 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 반경방향 대칭 축을 따라서 서로에 대해 대칭적인 두 개의 모따기 영역(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 반경방향 대칭 축을 따라서 서로에 대해 비대칭적인 두 개의 모따기 영역(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  8. 제1항에 있어서, 모따기 영역(9)은 회전자 프레임(6)의 반경 방향으로의 높이와 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로의 폭을 가지며, 모따기의 높이는 모따기 영역(9)의 폭의 ¼ 내지 2인 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  9. 제8항에 있어서, 회전자 바(8)는 회전자 프레임(6)의 반경 방향으로의 높이를 가지며, 모따기 영역(9)의 높이는 회전자 바(8)의 높이의 1 내지 10%인 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  10. 제8항에 있어서, 회전자 바(8)는 회전자 프레임(6)의 접선 방향으로의 폭을 가지며, 모따기 영역(9)의 폭은 회전자 바(8)의 폭의 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  11. 제1항에 있어서, 전기 유도기는 미리-결정된 회전 방향을 갖는 전기 모터이며,
    각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 미리-결정된 회전 방향에 대해 회전자 홈(7)의 말단 측의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 단일의 모따기 영역(9)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
  12. 제1항에 있어서, 전기 유도기는 미리-결정된 회전 방향을 갖는 발전기이며,
    각각의 회전자 홈(7) 및 회전자 바(8)는 미리-결정된 회전 방향에 대해 회전자 홈(7)의 선단 측의 반경방향 외측 내부 코너 영역(7a)에 대응하는 위치에서 단일의 모따기 영역(9)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 유도기.
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