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文檔簡介
第8章直流電動(dòng)機(jī)及其他8.1
直流電機(jī)的構(gòu)造8.2
直流電機(jī)的基本工作原理8.4步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造8.3
直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際構(gòu)造模型8.5步進(jìn)電機(jī)的工作原理8.5其他電機(jī)簡介8.6自動(dòng)控制8.1
直流電機(jī)的構(gòu)造直流電動(dòng)機(jī)雖然比三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維修也不便,但由于它的調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,因此,對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn):
(1)調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。
(2)起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,易于快速起動(dòng)、停車。
(3)易于控制。應(yīng)用:軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。
NS············NS8.1.1
直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造極掌極心勵(lì)磁繞組機(jī)座轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的磁極和磁路直流電機(jī)由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機(jī)座等部分構(gòu)成。2.轉(zhuǎn)子(電樞)
由鐵心、繞組(線圈)、換向器組成。1.磁極永磁式:
由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式:
磁極上繞線圈,線圈中通過直流電,形成電磁鐵。勵(lì)磁:
磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通,稱為勵(lì)磁。電樞鐵心:由硅鋼片疊裝而成。電樞繞組:由結(jié)構(gòu)、形狀相同的線圈組成用來在電機(jī)中產(chǎn)生磁場。1.他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)直流電源供電。8.1.2直流電機(jī)的分類直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)2.并勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián),由一個(gè)直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵(lì)I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵(lì)4.復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并,接在同一電源上。3.串勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。串勵(lì)UIa+_IfM復(fù)勵(lì)U+_IMIa這是一個(gè)方形導(dǎo)線框,在線端頭焊接兩片半圓周的銅片。
8.2
直流電機(jī)的基本工作原理兩片半圓周的銅片構(gòu)成換向器,兩個(gè)彈性銅片靠在換向器兩側(cè)是電刷。
電源通過電刷向?qū)Ь€框供電,線框中就有電流通過。
在線框兩側(cè)放一對(duì)磁極,形成磁場,線框處在磁場中。
當(dāng)線框通有電流時(shí),兩側(cè)導(dǎo)線就會(huì)受到磁場的作用力,這個(gè)力稱為洛倫茲力,方向依左手定則判斷,圖中紫紅色箭頭表示電流方向、綠色半透明箭頭是受力方向。
受到磁場作用力的線框會(huì)旋轉(zhuǎn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)90度后,換向器改變了線框電流的方向,于是導(dǎo)線框會(huì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去,這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。
8.3直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際構(gòu)造模型直流電動(dòng)機(jī)的定子有一對(duì)主磁極,安裝在機(jī)座上,機(jī)座也叫磁軛,是主磁極磁力線的通路。磁極與磁軛都是用導(dǎo)磁良好的鋼鐵制成。
在主磁極上安裝有勵(lì)磁繞組,繞組通電后就會(huì)在兩個(gè)主磁極間產(chǎn)生主磁場。
直流電機(jī)轉(zhuǎn)子也稱為電樞,電樞鐵芯由導(dǎo)磁良好的硅鋼片疊成,鐵芯圓周均勻分布18個(gè)槽,用來嵌放電樞繞組。電樞鐵芯直徑比主磁極間距離略小點(diǎn)。
定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯的磁路圖,淺藍(lán)色箭頭線表示磁力線把繞制好的電樞繞組嵌入電樞槽內(nèi),每個(gè)繞組都有一對(duì)引出線。
換向器有18個(gè)銅制換向片,排成圓筒形,固定在一個(gè)絕緣套筒上,換向片間留有縫隙,相互絕緣。此圖用兩個(gè)角度展示換向器的外觀。
把換向器安裝在電樞轉(zhuǎn)軸上,把電樞繞組的引出線按規(guī)律焊接在換向片上。
為散去電機(jī)發(fā)出的熱量,還要在電樞轉(zhuǎn)軸上安裝風(fēng)扇。
電樞繞組通過電刷供電,電刷的主要成份是石墨,導(dǎo)電良好又潤滑。電刷固定在刷握內(nèi),由彈簧片壓向換向器。
有兩個(gè)主磁極,故有兩個(gè)電刷組,每個(gè)電刷組由兩個(gè)電刷構(gòu)成。電刷組固定在電刷座上,構(gòu)成電刷裝置。
電刷裝置與換向器的位置關(guān)系如圖所示,根據(jù)電樞繞組的常用繞法的線端頭與換向器焊接位置,當(dāng)磁極在上下方時(shí)兩個(gè)電刷組分布在換向器上下兩側(cè)。
把電樞插入定子主磁極之間,見圖
在電機(jī)前后兩側(cè)裝上端蓋(剖面),端蓋上有軸承,支持電樞的旋轉(zhuǎn)。電刷裝置也固定在端蓋上。
在電機(jī)端蓋上有散熱通風(fēng)孔,在機(jī)座上有出線盒。
8.4
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn):
(1)來一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。
(2)控制脈沖頻率,可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。
(3)改變脈沖順序,可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理,將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的這一工作職能正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)要求,因此它在數(shù)控機(jī)床、鐘表工業(yè)及自動(dòng)記錄儀等方面都有很廣泛的應(yīng)用
區(qū)別在于勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈,依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁線圈。依靠變化的的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最廣泛,它有兩相、三相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。種類:勵(lì)磁式和反應(yīng)式兩種。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,如各種數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀、機(jī)器人等。應(yīng)用:數(shù)控裝置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電位器放大器液壓缸機(jī)械手電液伺服閥步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸電轉(zhuǎn)動(dòng),使其偏離中點(diǎn)產(chǎn)生電位差,經(jīng)放大后控制伺服閥的開口量,壓力油經(jīng)閥口進(jìn)入油缸,使機(jī)械手按照存儲(chǔ)在數(shù)控裝置中的指令動(dòng)作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與普通電動(dòng)機(jī)不同,它隨供給電源的脈沖一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng),是一種數(shù)字電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能隨供給的電源脈沖數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)步數(shù),而每一步的角度是固定的,所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能按控制轉(zhuǎn)動(dòng)所需的圈數(shù)、角度,廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表等行業(yè)。本節(jié)介紹應(yīng)用最廣的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是根據(jù)磁阻性質(zhì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩工作的,遵循磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合的原理,由磁拉力形成轉(zhuǎn)矩。前面介紹的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也可視為步進(jìn)運(yùn)行,因每切換一組線圈電源時(shí)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,只要停止切換轉(zhuǎn)子就停止不動(dòng)了,只不過每一步的角度是30度,應(yīng)用在數(shù)控設(shè)備顯然過于粗糙。實(shí)際應(yīng)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)角度較小,下面介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型每步為3度。
圖1是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子鐵心,在內(nèi)周有六個(gè)磁極,每個(gè)磁極上有5個(gè)小齒,齒中心距為9度,齒寬與齒間隔大小一樣,徑向的兩個(gè)磁極組成一對(duì)磁極,定子鐵心由沖制的硅鋼片疊制而成。
圖2是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心,轉(zhuǎn)子上沒有線圈,但在外圓周有40個(gè)小齒,齒中心距為9度,齒寬與齒間隔大小一樣,轉(zhuǎn)子鐵心也由沖制的硅鋼片疊制而成。
由于定子磁極上的小齒的齒寬與齒間隔與轉(zhuǎn)子上的小齒一樣,所以當(dāng)定子的一對(duì)磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊時(shí),另兩對(duì)磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒角度相差3度或-3度。圖4是繞有線圈的定子與裝有轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子組裝圖。
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)多為三相線圈,本模型的三對(duì)磁極可繞三組線圈組成三相繞組。由脈沖信號(hào)發(fā)生器按照給定的設(shè)置不斷向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)器又根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)向三相線圈供電(每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)切換一次供電狀態(tài)),每一個(gè)控制脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一步,每步轉(zhuǎn)的角度稱為步距角。
三相線圈分為A、B、C三個(gè)線圈,圖5是用三個(gè)開關(guān)晶體管向三個(gè)線圈供電的連接圖:三個(gè)線圈的一端與電源正極相連,另一端分別與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)三個(gè)開關(guān)晶體管連接,構(gòu)成星形連接。每個(gè)時(shí)期僅有一個(gè)開關(guān)晶體管導(dǎo)通一個(gè)線圈通電,這是一種基本的也是常用的工作方式。
如圖是步進(jìn)電機(jī)的模型正視圖,其展示了三相線圈的組合與連接,黃色線圈是A相線圈、綠色線圈是B相線圈、紅色線圈是C相線圈。
8.5步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖7是BG1導(dǎo)通A相線圈通電,此時(shí)轉(zhuǎn)子被磁力吸引靜止不動(dòng)。
第一個(gè)控制脈沖來時(shí),BG1截止BG2導(dǎo)通,B相線圈通電,磁通按最近的路徑閉合,在磁力拉動(dòng)下,轉(zhuǎn)子開始向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)晶體管BG1連接A相線圈,開關(guān)晶體管BG2連接B相線圈,開關(guān)晶體管BG3連接C相線圈。下面的幾個(gè)圖片顯示在控制脈沖作用下驅(qū)動(dòng)器對(duì)三相線圈輪流接通電源拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。
在磁力拉動(dòng)下,轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),圖9是轉(zhuǎn)到1.5度時(shí)的位置。
在磁力拉動(dòng)下,轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到3度,見圖10,如果不來控制脈沖,轉(zhuǎn)子將停止在這個(gè)角度不動(dòng),這樣一個(gè)控制脈沖驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一步,一個(gè)步距角為3度。
如果再來一個(gè)控制脈沖,開關(guān)晶體管BG2截止BG3導(dǎo)通,C線圈通電,轉(zhuǎn)子在磁拉力作用下開始繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
在磁力拉動(dòng)下,轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到6度,見圖12,如果不來控制脈沖,轉(zhuǎn)子將停止在這個(gè)角度不動(dòng),這樣第二個(gè)控制脈沖驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)了一步,總共轉(zhuǎn)了6度,兩個(gè)步距角。
如果再來一個(gè)控制脈沖,開關(guān)晶體管BG3截止BG1導(dǎo)通,A線圈通電,轉(zhuǎn)子在磁拉力作用下開始繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
在磁力拉動(dòng)下,轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到9度,見圖14,此時(shí)狀態(tài)與初始位置圖7相同,轉(zhuǎn)子一共轉(zhuǎn)了3個(gè)步距角共9度,也就是轉(zhuǎn)子的一個(gè)齒距的角度—9度。
如果需要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)就繼續(xù)發(fā)控制脈沖,就重復(fù)圖8開始的過程。不停的發(fā)控制脈沖電機(jī)就會(huì)不停的旋轉(zhuǎn),脈沖一停電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。需要反轉(zhuǎn)就改變?nèi)嗲袚Q順序,例如前面的過程是按A-B-C順序?qū)ㄞD(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),改為C-B-A順序?qū)ㄞD(zhuǎn)子則按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
控制脈沖頻率高則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高、頻率低則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低,可以非常低或靜止固定在指定位置。但轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)與停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)器都要適當(dāng)降低切換頻率,以防因負(fù)荷與轉(zhuǎn)子慣量引起的失步。
前面介紹的交流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)等都是作為動(dòng)力使用的,其主要任務(wù)是能量的轉(zhuǎn)換。各種控制電機(jī)有各自的控制任務(wù):如:伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象;測速發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓,并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。
控制電機(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號(hào),能量的轉(zhuǎn)換是次要的。
控制電機(jī)的種類很多,本章只討論常用的幾種:伺服電機(jī)、測速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。
對(duì)控制電機(jī)的主要要求:動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、耗電少、運(yùn)行可靠等。8.5其他電機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)可分為兩類:伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上輸出的角位移和角速度,驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。交流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)8.5.1
伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)可控性好,反應(yīng)迅速。是自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中常用的執(zhí)行元件。交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)就是一臺(tái)兩相交流異步電機(jī)。它的定子上裝有空間互差90的兩個(gè)繞組:勵(lì)磁繞組和控制繞組,其結(jié)構(gòu)如圖所示。勵(lì)磁繞組控制繞組杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)定子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖放大器檢測元件控制信號(hào)+–+–控制繞組勵(lì)磁繞組+++–––1勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C,是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。適當(dāng)選擇電容的大小,可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90,從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場。交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖(a)接線圖1(b)相量圖控制電壓與電源電壓頻率相同,相位相同或反相。放大器檢測元件控制信號(hào)+–+–控制繞組交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。勵(lì)磁繞組固定接在電源上,當(dāng)控制電壓為零時(shí),電機(jī)無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。
若有控制電壓加在控制繞組上,且勵(lì)磁電流和控制繞組電流不同相時(shí),因此便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來。交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下,能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng),而且要求在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱?,電?dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。但如果交流伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇和一般單相異步電動(dòng)機(jī)相似,電動(dòng)機(jī)一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng),即使控制等于零,電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),電動(dòng)機(jī)失去控制,這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。加在控制繞組上的控制電壓反相時(shí)(保持勵(lì)磁電壓不變),由于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。加在控制繞組上的控制電壓大小變化時(shí),其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的橢圓度不同,從而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也不同,從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
不同控制電壓下的機(jī)械特性曲線n=f(T),
U1=常數(shù)TU20.8U20.6
U20.4U2on交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖所示。在勵(lì)磁電壓不變的情況下,隨著控制電壓的下降,特性曲線下移。在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。交流伺服電機(jī)的輸出功率一般為0.1-100W,電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應(yīng)用很廣泛,如用在各種自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等系統(tǒng)中。應(yīng)用:8.5.2
測速發(fā)電機(jī)
測速發(fā)電機(jī)是一種轉(zhuǎn)速測量傳感器。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中,它被用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速,向控制電路提供與轉(zhuǎn)速大小成正比的信號(hào)電壓。測速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩種類型。
交流測速發(fā)電機(jī)交流測速發(fā)電機(jī)又分為同步式和異步式兩種,這里只分析異步式交流測速發(fā)電機(jī)的工作原理。異步式交流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電機(jī)相似,它的定子上有兩個(gè)繞組,一個(gè)是勵(lì)磁繞組,一個(gè)是輸出繞組。????1轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁繞組輸出繞組輸出繞組+–勵(lì)磁繞組+–值得注意的是,由于直流電機(jī)中存在著電樞反應(yīng)現(xiàn)象,使得輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n有一定的線性誤差。RL越小、n越大,誤差越大。因此,在使用中應(yīng)使RL和n的大小符合直流測速發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求。測速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置中作為檢測元件、校正元件等。如在恒速控制系統(tǒng)中,測速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓
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