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电机的工作原理及特性75466.ppt

电机的工作原理及特性75466

黑耀宝石
2019-03-31 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电机的工作原理及特性75466ppt》,可适用于工程科技领域

第章电动机的工作原理及特性掌握直流电动机的电势方程式转矩方程式和电压平衡方程式三相异步电动机的同步转速和转差率的概念掌握电动机的机械特性特别是人工机械特性掌握电动机起动制动调速的各种方法和应用场所了解用机械特性来分析电动机运行状态的方法了解常用控制电机的应用场合直流电机的工作原理及特性直流电机的基本结构主磁极电枢换向器电刷装置直流电机的结构图剖面图:电枢主磁极换向极机座电枢铁心冲片换向器:换向片连接片云母环直流电机的基本工作原理简化为一对磁极,一个线圈发电机电动机直流电机的基本方程式)感应电势E)电磁转矩T一对磁极的磁通(Wb)n电枢转速(rmin)Ke与结构有关的常数式中:E电动势(V)一对磁极的磁通(Wb)Ia电枢电流(A)Kt与结构有关的常数式中:T电磁转矩(Nm)直流电动机的机械特性他激和并激直流电动机的机械特性)原理电路图)直流电动机机械特性方程式直流电动机电枢电压平衡方程式上式为直流电动机机械特性的一般表达式式中,Ra为电枢电阻以代入得:由将Ia值再代入,得::机械特性曲线n=f(T)固有(自然)机械特性和人工机械特性)他激直流电动机的自然机械特性(正转)在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性额定负载时,转速降落不多,是硬特性金属切削机床,冷轧机,造纸机等宜于选用硬特性的电动机)自然机械特性曲线的作法已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra,Ke,()电枢电阻Ra的估算:()理想空载转速no计算:()额定转矩Nn的计算:no,TN,找出两个点,即理想空载点(o,no)和额定运行点(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性)举例()一台Z型直流他激电动机,已知额定功率kW,额定电压V,额定电流A,额定转速rmin,忽略损耗,求自然机械特性解:分析只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性===rmin=Nm)电动机人工机械特性(三种)()电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性在自然机械特性方程式中,用(RadRa)代替Ra,得到串电阻的人工机械特性方程式:附加电阻Rad越大,机械特性越软()改变电枢电压的人工机械特性U改变,但转速降不变因此,变电枢电压的人工机械特性是一簇与自然机械特性平行的特性曲线只允许在额定电压以下调节在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用随U的变化而变化()改变磁通的人工机械特性从机械特性方程可知,改变磁通时,电动机的理想空载转速和转速降落都会随磁通的变化而变化磁通只能在额定值以下调节,理想空载转速和转速降落都要增大弱磁增速使用中,要防止电动机过载,更要防止飞车,因此,直流他激电动机设有失磁保护串激直流电动机的机械特性)特点:电枢电流就是激磁电流)机械特性分析:第一段,电动机轻载时,机械特性具有双曲线的形状,理想空载转速趋近无穷大第二段,电动机负载较重时,磁路趋于饱和,机械特性近似一条直线)注意事项:直流串激电动机不允许空载运行飞车事故直流他激电动机的起动特性直流他激电动机的起动电流是额定电流的()倍,不允许直接起动限制其起动电流的方法有两种降压起动:组成SCRM自动调速系统的起动环节是后面学习的一个重点电枢电路串外接电阻起动右图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图和起动特性,其起动特性就是前面刚刚学习过的一种人工机械特性直流他激电动机的制动特性直流他激电动机的工作状态分为电动状态和制动状态,如右图所示图中,(a)为电动状态(b)为制动状态)特点:电动机的转矩T与转速n方向相反,电机处于发电工作状态)制动形式:稳定的制动状态过渡的制动状态)制动方法有种:反馈制动反接制动能耗制动反馈制动)实现条件:外部作用使电动机的转速n大于其理想空载转速no如,电车下坡,起重机下放重物)机械特性:正转时,是第一象限的机械特性在第二象限内的延伸,如右图所示)特点:()利用位能转矩带动电动机发电,将机械能变成电能,向电源馈送()重物下放时电动机的转速仍高于理想空载转速,运行不太安全反接制动)实现条件:电枢电压或电枢电势反向)分类:()电源反接制动改变电枢电压U的方向所产生的制动机械特性方程式为为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上()倒拉反接制动改变电枢电势方向所产生的制动如:起重机的重物下降时,电枢反转,电势反向此时,位能负载转矩TL使重物下放,电动机转矩TM反对重物下放制动特点:适当选择电枢电路中的附加电阻,可以得到低的转速,保证安全转速稳定性较差制动特性如右图所示是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸反接制动能耗制动)实现条件:将电枢电压突然降为零,串一外接电阻使电枢短接此时电动机继续旋转产生的转矩T与n反向制动)特点:制动时的机械能转变为电能使外接电阻发热而消耗,称之为ldquo能耗rdquo稳定性好,电动机不可能反向起动)应用:要求迅速准确停车的场合重物恒速下放直流他激电动机的调速特性由直流他激电动机人工机械特性方程式直流电动机的调速方法:式中,Ke,Kt,Ra均为常数,因此,电动机有种调速方法变电枢电路外接电阻Rad变电枢电压U变磁通改变电枢电路外接电阻调速电动机电枢电路串电阻后,其人工机械特性如右图示)应用:起重机,卷扬机)缺点:机械特性软,实现无级调速困难)注意:串电阻调速与起动特性相似,但起动电阻与调速电阻不同改变电动机电枢供电电压调速变电枢电压调速的机械特性如右图)特点:容易实现无级调速机械特性是一组平行线,硬度不变不需用其他起动设备)应用适用于恒转矩负载,组成SCRM系统在工业生产中广泛应用第章将重点学习改变电动机主磁通调速变磁通调速的机械特性如右图示)特点:可以实现无级调速机械特性软调速范围不大)应用:适用于恒功率负载一般与调压配合使用)注意:在额定转速以上调节弱磁增速例题例:一台直流他激电机的额定数据为PN=kW,UN=VIN=A,nN=rmin,Ra=欧如果电动机在额定转矩下运行,求()电动机的电枢电压降到V时,电动机的转速是多少()激磁电流If=IfM(即磁通为额定值的时)时,电动机的转速是多少()电枢电路串入欧的附加电阻时,电动机的转速是多少解:()此时,U=V,Ra=欧=例题求解()此时,U=UN=V,Ra=欧()此时,U=UNa=V电枢电路总电阻R=RaRad==(以上转速单位为rmin)三相异步电动机的工作原理及特性)三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙()定子定子由铁心,绕组,机座三部分组成铁心由mm的硅钢片叠压而成三相绕组连接成星形或三角形机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心()转子转子由铁心和绕组组成转子同样由硅钢片叠压而成,压装在转轴上转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种线绕式异步电动机还有滑环,电刷机构鼠笼式三相异步电动机的结构示意图定子铁心,定子绕组,转轴,转子,风扇,轴承,机座鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线)三相异步电动机的工作原理()三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速()旋转磁场切割转子导体,产生感应电势()转子绕组中感生电流()转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为non电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是分析异步电动机运行情况的主要参数,且)三相异步电动机的旋转磁场()旋转磁场的产生设电动机为极,每相绕组只有一个线圈在T这个区间,分析有一相电流为零的几个点规定:当电流为正时,从首端进尾端出电流为负时,从尾端进首端出t=时iA=iB为负电流实际方向与正方向相反即电流从Y端流到B端iC为正电流实际方向与正方向一致即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图(a)中箭头所示。t=时iA=iB为负iC为正t=T时omegat=omegaT=pi,iA为正(电流从A端流到X端)iB为负(电流从Y端流到B端)iC=。此时的合成磁场如图(b)所示合成磁场已从t=瞬间所在位置顺时针方向旋转了pi。t=T时omegat=omegaT=pi,iA为正iB为负iC=此时的合成磁场如图(c)所示合成磁场已从t=瞬间所在位置顺时针方向旋转了pi。t=T时omegat=omegaT=pi,iA为正iB=iC为负此时的合成磁场如图(d)所示。合成磁场从t=瞬间所在位置顺时针方向旋转了pi。按以上分析可以证明:当三相电流随时间不断变化时合成磁场的方向在空间也不断旋转这样就产生了旋转磁场。t=T时omegat=omegaT=pi,iA=iB为正iC为负。旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致改变三相交流电的相序,即ABC变为CBA,旋转磁场反向要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线()旋转磁场的旋转方向式中,f为电源频率HZp为电动机的磁极对数电动机的磁极对数为时,同步转速为rmin电动机的磁极对数为时,同步转速为rmin电动机的磁极对数为时,同步转速为rmin()旋转磁场的旋转速度同步转速no()定子绕组线端连接方式注意:三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压V三相绕组连接成三角形,每相绕组承受线电压V三相异步电动机的电路分析)定子电路分析电动机定子和转子每相绕组的匝数分别为N和N定子每相绕组产生的感应电动势为:其有效值为:定子和转子电路的感应电势定子电路分析其大小为:忽略R和X上的电压降,有:考虑定子电流产生的漏磁通,用复数表示为:一相电路图)转子电路分析其中旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为:起动瞬间三相异步电动机的额定值电动机铭牌数据:额定功率PN额定电压UN额定频率f=Hz额定电流IN额定转速nN有的参数要经过计算得出:额定效率额定负载转矩额定效率额定负载转矩三相异步电动机的能流图P等于P减去电动机的总损耗电源输入的功率P:电动机的输出功率P(铭牌功率)举例解:)由电势计算公式得:)额定转速时,转子电动势的频率)转子绕组开路时,f=f,得)定子每相绕组感应电动机E)转子每相开路电压E)额定转速时转子每相绕组感应电动势EN例:有一台Y型接线的三相异步电动机,其额定参数为:功率KW,UN=V,IN=A,电源频率f=Hz,额定转差率SN=,定子每相绕组匝数N=,转子每相绕组匝数N=,旋转磁场每极磁通WB,求:举例例:一台极三相异步电动机,电源频率Hz,额定转速rmin,转子电阻欧,转子电抗欧,转子电动势E=V,求:)电动机的同步转速)电动机起动时的转子电流解)电动机为极,磁极对数p=,有n=fP==rmin)电动机起动时的转子电流三相异步电动机的机械特性)三相异步电动机的转矩三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流相互作用而产生的:代入用代入,合并上面几个式子得转矩又一公式:注意,转矩与电压平方成正比)三相异步电动机的机械特性n=f(T)固有机械特性(自然机械特性):在额定电压和额定频率下,定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时,电动机的机械特性()额定工作点T=TN,n=nN,S=SN此时有自然特性上有个特殊点:()理想空载转速点noT=,n=no,S=()起动工作点T=Tst,n=,S=此时有()临界工作点T=Tanm,n=nm,s=Sm有:自然机械特性人工机械特性介绍种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电抗时,变频率时,线绕电动机转子串电阻时()降低电压时的人工特性电压越低,人工特性曲线越往左移电动机的过载能力和起动转矩会大大降低电压降低,负载转矩不变时,电动机过热电压降低太多,电动机将带不动负载(不能起动)()定子电路串入电阻或电抗时的人工特性定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中虚线所示,为电压降低时的人工机械特性曲线与曲线相比较,最大转矩要大一些()改变定子电源频率时的人工特性随着频率的降低,理想空载转速只能在电源额定频率以下调节转速no减小,临界转差率Sm减小,起动转矩Tst增大,最大转矩Tmax不变()三相线绕式异步电动机转子电路外接电阻时的人工特性电路图如右图中(a)所示,三相转子绕组通过滑环电刷机构与外接电阻相联接起动转矩增加(有利),理想空载转速和最大转矩不变三相异步电动机的起动特性生产机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动电流小)三相鼠笼式异步电动机的起动方法三相异步电动机起动电流是额定电流的()倍,为满足起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类()直接起动(全电压起动)适用范围电动机功率变压器容量一般中小型鼠笼式异步电动机都采用全电压直接起动()降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的起动电流,采用降压起动在工厂常用的降压起动方法有种:定子串电阻或电抗器,Y△变换,自耦变压器,延边三角形()定子绕组串电阻或电抗器降压起动电路图如右图不足之处:起动转矩随定子电压的平方下降不经济应用场合:电动机空载或轻载起动()Y△降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是△接法的电动机才能采用Y△降压起动对于国产JO,JO,Y,Y系列电动机,功率大于kW的都是采用△接线也就是说,大容量电动机都可以用Y△降压起动Y△降压起动的电气原理图如右图所示起动时,三相绕组接成Y形,运行时,绕组接成△形电流下降,转矩也下降特点:电动机Y形起动过程中,可提高电动机的效率和功率因数起动转矩小,只适用于空载或轻载起动的场合设备简单,经济在机床工业上应用较普遍()自耦变压器降压起动特点:起动电流小,而且可以调节不适用于频繁起动体积大,重量重,价格高与定子串电阻或电抗器起动相比较,在相同的起动转矩情况下,起动电流要小()延边三角形起动对电动机定子绕组和绕组出线有特殊要求起动时绕组一部分Y形,一部分△形接线运行时绕组△接线制造成本高,接线复杂)三相线绕式异步电动机的起动方法线绕式电动机在转子电路串电阻,可以获得较大的起动转矩以及较小的起动电流,即有良好的起动特性()逐级切除起动电阻法()电路图:如右图转子外接电阻为三相对称电阻当电动机容量大时,一般采用三相不对称电阻()起动过程:起动初瞬,电阻全部接入在起动过程中,分三次切除外接电阻,人工特性往上提,电阻全部切除后,通过提刷机构,使转子绕组短接,机械特性回到自然特性()特点:在起动过程中,电动机能保持最大的加速转矩()频敏变阻器起动法()频敏变阻器:它是一个铁损很大的三相电抗器,铁心用A钢板叠成,三相绕组接成Y形()起动过程:起动初瞬,转子电流频率接近Hz,铁损大,即等效阻抗大,从而限制了起动电流,增大了起动转矩随着转速逐步上升,等效阻抗逐步减小到转速达额定转速,相当转子被短接,起动结束()特点:起动过程能平滑进行,不需要控制电器功率因数低只能用于起动,而串电阻起动时,电阻还可用于调速举例例:一台YS三相鼠笼式异步电动机,PN=kW,nN=rmin,TstTN=,电动机由kVA的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=Nm,问()电动机能否直接起动()电动机能否用Y△降压起动解()电动机额定功率与供电变压器容量之比为=电动机不宜直接起动()电动机的额定转矩和起动转矩分别为TN=(PNnN)=()=NmTst=TN=X=Nm如果采用Y△降压起动,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一,即TstY=X==TL因此,可以采用Y△降压起动举例解:电动机直接起动时,n=,S=,转子电路每相的电动势()E=El=V例:一台JZR三相线绕式异步电动机的额定数为:PN=kW,nN=rmin,转子滑环间的开路线电压El=V,转子每相绕组的电阻R=欧,转子不动时每相绕组的漏抗X=欧,求:()电动机直接起动时的E,I,()电动机运行在额定转速时的E,I,()电动机运行在n=rmin时的E,转子电路每相应串电阻R及得得R=欧由由下式()()三相异步电动机的制动特性异步电动机制动方法有种:反馈制动,反接制动,能耗制动)反馈制动()产生条件:电动机的运行速度高于同步转速此时S,电机进入发电状态,电能反馈给电网()运行状态:有两种情况()位能转矩负载的起重机在下放重物时的反馈制动状态可使重物匀速下降如右图中a点b点是改变转子外接电阻后的稳定工作点()多速电动机和变频调速电机的同步速突然降低时的反馈制动状态)反接制动:分为电源反接和倒拉制动电源反接是突然改变三相电源的相序,旋转磁场反向而倒拉制动则出现在转子位能负载超过电磁转矩的时候()电源反接:转子在由正变负的电磁转矩和负载转矩作用下迅速减速反接制动时电流大,要在定子电路串电阻在右图c点要切断电源(n=),否则电动机将反向起动反接制动:分为电源反接和倒拉制动()倒拉制动:电动机减速至右图c点,由于负载转矩大于电磁转矩,起重机的重物迫使电动机反转,电动机进入反接制动状态)能耗制动()产生条件:电动机定子绕组脱离交流电源后,立即通入低压直流电,直流电建立一个恒稳磁场,产生制动转矩,系统贮存的能量消耗在电阻上()机械特性:制动时,特性从下图中的特性曲线之a点平移至特性曲线之b点,在制动转矩和负载转矩的共同作用下,沿曲线迅速减速,到n=()特点:当n=时,T=,电动机不可能反方向起动,能使电动机准确停车三相异步电动机的调速特性由基本公式异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数p变转差率S变频率f可得异步电动机的转速方程式为:和基本公式)变磁极对数调速()方法:改变定子绕组的连接,可以得到两个不同的磁极对数()多速电动机:最多在电动机中嵌入两套绕组,使绕组有不同的连接,可分别得到双速,三速,四速电动机,双速应用较多极极变磁极对数调速)特点:结构简单,效率高,特性好体积大,价格高在中小机床上应用比较多双速电动机的高低速转换,一般是先低速,再转换为高速双速电动机YYY)转子电路串电阻(变转差率)调速()应用范围:只适用于线绕式异步电动机()原理电路和机械特性与串电阻降压起动相同线绕式异步电动机的起动电阻,适当增大电阻的容量,可作调速电阻用()特点:结构简单,动作可靠是有级调速()应用:用于重复短时工作制的生产机械,如起重机械三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速)变频调速()原理:由上式可知,改变交流电源的频率,就可以平滑地调节电动机的转速()一般采用频率和电压同时改变的变频电源()应用范围:用于鼠笼式异步电动机组成SCRM调速系统变频调速是交流调速发展的方向有关内容在后面的章节详细介绍控制电机简介控制电机的主要作用是用来完成信息的传递与交换,而不是进行能量转换)直流伺服电动机基本结构:与普通他激直流电动机相同(有换向器)分类:电磁式(他激式)永磁式,电气原理图:如右图其中(a)为电磁式(b)为永磁式参数:输出功率W)交流伺服电动机()结构()定子:定子由硅钢片叠成在定子铁心的内圆表面嵌有两套相差度电角度的绕组:激磁绕组WF,控制绕组WC这两套绕组分别由两个电源供电接线图两相交流伺服电动机的结构()转子:分为鼠笼型和杯型两种()鼠笼型转子作得细而长,转子导体采用高电阻率的材料用于小功率的自动控制系统产品型号SL系列()空心杯型转子作成薄壁圆筒形,放在内外定子之间用于要求运行平滑的系统产品型号SK系列杯型转子伺服电动机结构图激磁绕组控制绕组内定子外定子转子()基本工作原理两相绕组WF和WC分别通入频率相同的交流电,产生旋转磁场,使伺服电动机起动取消WC后,要防止自转()消除自转现象的措施加大转子电阻如:采用薄壁杯形转子鼠笼条用高阻材料黄铜转子电阻不同时的机械特性()交流伺服电动机的特性和应用控制方法有三种幅值控制,相位控制,幅相控制幅值控制原理图:控制电压Uc越高,电动机转速越高不同控制电压下的机械特性应用举例()参数:交流伺服电动机输出功率为W(再大则用直流伺服电动机)电源频率Hz()应用:雷达天线的旋转控制飞机驾驶盘的控制流体阀门开关控制,应用方框图)步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的一种执行元件()分类与结构步进电动机分为反应式,永磁式,和混合式三种三相反应式步进电动机由定子和转子两个部分构成右图中,定子有个磁极,两个相对的磁极组成一相转子上有均匀分布的个齿由环形分配器送来的脉冲信号对定子绕组轮流通电。设相序为ArarrBrarrCrarrA。当A相控制绕组通电而B、C相不通电时步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过故电动机转子受到一个反应转矩(静转矩)的作用在此转矩的作用下使转子的齿和齿旋转到与A相绕组轴线相同的位置上如图(a)所示()步进电动机的工作原理然后B相通电如图(b)所示,转子在空间沿逆时针方向转过度,转子前进一步同理,C相通电时,转子转到图copy所示位置D相通电时,转子转到图(d)所示位置按ABCA顺序不断地接通和断开控制绕组,电动机便一步一步地转动()通电方式控制绕组每改变一次通电方式称为一拍每一拍转子所转过的角度称为一个步距角beta。步进电动机的通电方式有三种。对于三相反应式步进电动机来说每次只有一相绕组单独通电如ArarrBrarrCrarrA控制绕组每换接三次构成一个循环这种方式称为三相单三拍若每次有两相绕组同时通电如ABrarrBCrarrCArarrAB每次循环换接三次这种方式称为三相双三拍若单相通电和两相通电轮流进行如ArarrABrarrBrarrBCrarrCrarrCArarrA这种方式被称为三相六拍。()小步距角步进电动机步进电动机无论采用哪种通电方式步距角都太大无法满足生产中对精度的要求在实际应用中一般采用小步距角的步进电动机。设转子齿数为z定子相数为m则齿距角tau和步距角beta为:Tau=zbeta=Kmz其中K为状态系数对于单相轮流通电方式和双相轮流通电方式来说K=而对于单双相轮流通电方式来说K=。从上式可知步距角与相数及齿数有关要想获得小的步距角的话必须增大相数或齿数。但是相数越多的话它的驱动电源就越复杂并且成本也越高一般的步进电动机做成二相、三相、四相、五相或六相。因此减小步距角的根本方法是增加转子齿数z。)测速发电机测速发电机将转速转变为电压信号,广泛用于速度和位置控制系统中异步(交流)测速发电机)结构特点:定子上有两套互差度电角度的激磁绕组WF和输出绕组WC转子为空心杯形)工作原理:杯形转子可以看成一个导条非常多的鼠笼转子在激磁电压一定的情况下,当输出绕组的负载很小时,测速发电机的输出电压U与转速n成正比:U=Kn转子静止时转子转动时)交流测速发电机使用中的几个问题:()主要技术指标剩余电压:测速发电机转速为零时的输出电压它会使控制系统误动作线性误差:()使用中应注意的问题:输出特性的线性度,温度变化的影响,可加温度补偿装置输出特性的线性度由非线性引起的误差一般系统要求精密系统要求相位误差:一般要求不超过度度灵敏度:交流测速发电机的灵敏度比较低直流测速发电机)基本原理电气原理如右图所示,它是一种测量转速用小型他激直流发电机空载时,电枢两端电压为:)输出特性:负载越小,转速越高,输出特性曲线弯曲越厉害)性能:没有剩余电压,特性钭率比异步机大有换向器和电刷,换向火花产生无线电干扰,输出特性不稳定

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