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1、直流電機(jī)問答第十四章直流電機(jī)基本工作原理和結(jié)構(gòu)14-1直流發(fā)電機(jī)是如何 發(fā)出直流電的?如果沒有換向器,直流發(fā)電機(jī)能否發(fā)出直流電?答:直流發(fā)電機(jī)電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢實(shí)為交變電動勢(如圖示瞬間以導(dǎo)體a為例),電樞繞組的a導(dǎo)體處于N 極底下,由"右手發(fā)電機(jī)"定則判得電N動勢方向?yàn)镺 ,轉(zhuǎn) 半圈后,處于s極下,電動勢方向變?yōu)椋? ,再轉(zhuǎn)半圈, 又回到原來位置,電動勢又為O。, 它通過換向裝置后,才把電樞繞組的交流變?yōu)?外電路的直流。S換向裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是電樞繞組盡管旋轉(zhuǎn),而A、B電刷固定不轉(zhuǎn)(電刷與磁極相對靜止),且A刷恒與N極下導(dǎo)體相連,B刷恒與S極底下導(dǎo)體相連),則由A刷引出

2、的電動勢方向恒為0(流出),若定義為正極,則E刷引出的電動勢方向恒為® 読入),為負(fù)極,因此,由A,B兩刷得到的就是直流。由上分析可知,由于內(nèi)電路的交流是通過換向裝置后才變?yōu)橥怆娐返闹绷鳎蕸]有換向裝置就不行。14-2 “直流電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一臺裝有換向裝置的交流電機(jī)”, 你怎樣理解這句話?答:由上題可知,無論是直流發(fā)電機(jī)還是直流電動機(jī),它 們在電樞繞組內(nèi)的電流均為交流(而電刷兩端的外電路均為直流),故直流電機(jī)實(shí)為一臺交流電機(jī)。這種交(內(nèi)電路)、直(外電路)流的轉(zhuǎn)換就是靠換 向裝置來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)電機(jī)交流(內(nèi)電路)直流(夕電路)電動機(jī)因此說,直流電機(jī)實(shí)質(zhì)上是一臺帶有換向裝置的交流電 機(jī)。14

3、- 3試判斷下列情況,電刷兩端電壓的性質(zhì):(1)( 1) 磁極固定,電刷與電樞同時(shí)旋轉(zhuǎn);(2)( 2) 電樞固定,電刷與磁極同時(shí)旋轉(zhuǎn)。答:由直流發(fā)電機(jī)原理可知,只有電刷和磁極保持相對靜 止,在電刷兩端的電壓才為直流,由此: 交流:因?yàn)殡娝⑴c磁極相對運(yùn)動。 直流:因?yàn)殡娝⑴c磁極相對靜止。流與激磁電流有何關(guān)系?14-4 直流電機(jī)有哪些激磁方式?各有何特點(diǎn)?不同的 激磁方式下,負(fù)載電流、電樞他勵(lì)答:廠并勵(lì) 自勵(lì)串I勵(lì)并勵(lì)la=l f他勵(lì)復(fù)勵(lì)I(lǐng) =I +14- 5直流電機(jī)由哪些主要部件組成?其作用如何? 答:一、定子1、 主磁極:建立主磁通,包括:鐵心:由低碳鋼片 疊成繞組:由銅線繞 成2、 換向磁極

4、:改善換向,包括:鐵心:中大型由 低碳鋼片疊成。小型由整塊鍛鋼制成繞組:由銅線繞成。3、機(jī)座:固定主磁極、換向磁極、端蓋等,同時(shí)構(gòu) 成主磁路的一部分,用鑄鐵、鑄鋼或鋼板卷成。4、電刷裝置:引出(或引入)電流,電刷由石墨等 材料制成。二轉(zhuǎn)子、11 電樞鐵心:構(gòu)成主磁路,嵌放電樞繞組。由電工鋼 片疊成。2. 電樞繞組:產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)機(jī)- 電能量轉(zhuǎn)換。由銅線繞成。3. 換向片:換向用,由銅線圍疊而成。14- 6 一臺Z2型直流電動機(jī),額定功率為Pn=160千瓦,額 定電壓Un=220伏額定效率n n=90%,額定轉(zhuǎn)速nn=1500轉(zhuǎn)/分,求該電機(jī)的額定電流?解:額定電流PnUn n1

5、60 103220 0.9808A14-7 一臺Z2型直流發(fā)電機(jī),額定功率為 Pn=145千瓦, 額定電壓Un=230伏,額定轉(zhuǎn)速nn=1450轉(zhuǎn)/分,求該發(fā)電 機(jī)的額定電流?,Pn145 103 解:IN-630.4A額定電流U-230第十五章電樞繞組及直流電機(jī)基本原理15-1 一臺四極直流電機(jī),采用單迭繞組,問: 若取下一只或相鄰兩只電刷,電機(jī)是否可以工 作? 若只用相對兩只電刷,是否可以工作? 若有一磁極失去勵(lì)磁將產(chǎn)生什么后果? 答:可用教材圖15-4分析 若取下一只或相鄰兩只電刷,使并聯(lián)支路數(shù)減少一 半,若是發(fā)電機(jī),使輸出功率減小一半,若是電動機(jī),則 轉(zhuǎn)矩和功率均減半。對發(fā)電機(jī)仍能運(yùn)行

6、,對電動機(jī),在輕載時(shí)尚能運(yùn)行, 重載或滿載不能運(yùn)行,不管怎樣,它們的工作狀態(tài)均屬正 常。 若只用相對兩只電刷(如 A1、A2),此時(shí)A1、 A2間雖形成兩條并聯(lián)支路,每條支路下均有六個(gè)元件, 其中三個(gè)元件的電動勢方向與另三個(gè)元件的電動勢方向恰相反,故每條支路總電動勢為零,所以不論發(fā)電機(jī)還是 電動機(jī)均不能工作。 當(dāng)一磁極失去勵(lì)磁時(shí),該磁極下的一條支路無電動 勢,不產(chǎn)生電流和電磁轉(zhuǎn)矩,使功率減小,對多極電機(jī)可能產(chǎn)生不平衡狀態(tài)15- 2直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電樞電動勢的性質(zhì)有何區(qū)別,它們是怎樣產(chǎn)生的?直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)有何區(qū)別,它們又是怎樣產(chǎn)生的? 答; 直流發(fā)電機(jī)電樞電動勢為

7、電源電動勢(Ia與Ea同向), 直流電動機(jī)為反電動勢(與Ea反方向),它們均由電 樞繞組切割磁場產(chǎn)生。直流發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩( 唁與n反向),直 流電動機(jī)為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(Tem與n同向),它們均由電樞載流 導(dǎo)體在主磁極場作用下產(chǎn)生電磁力而形成轉(zhuǎn)矩。15-3直流電機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于哪些物理量,這些量的物理意義如何?答:電樞電動勢Ea Ce nCe是電機(jī)的電動勢結(jié)構(gòu)數(shù)CepN60a,它的大小決定于電樞繞組導(dǎo)體總根數(shù)N、主磁極對數(shù)p及并聯(lián)支路數(shù)2a 是每個(gè)極面下的磁通,n是電機(jī)轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)矩TemCT 1 apNCt是電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)常數(shù),Ct二需 它的大小決定于電樞繞組導(dǎo)體總

8、根數(shù)N、主磁極對 數(shù)p及并聯(lián)支路數(shù)2a,是每個(gè)極下的磁通,'a是電樞電 流。15- 4把一以他激發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高 20%空載電壓會提 高多少(激磁電阻保持不變)?若是一臺并激發(fā)電機(jī),則 電壓升咼得多還是少(激磁電阻保持不變)? 答:I Uf C他勵(lì)發(fā)電機(jī):f Rf,即=G故 Uo Ea Ce n Ce (12n) 1.2Ce n倔。,空載電壓增加1.2倍。并勵(lì)發(fā)電機(jī):若=C情況同上,空載電壓U0增加1.2倍,但由于U0增加的同時(shí),IfUoRf 1也相應(yīng)加,從而導(dǎo)致也增大所以并勵(lì)發(fā)電機(jī)空載電壓增加的程度比他勵(lì)發(fā)電機(jī)大15- 6何謂電樞反應(yīng)?電樞反應(yīng)對氣隙磁場有何影響?公 式Ea Ce n

9、和Tem CT Ia中的應(yīng)是什么磁通?答:直流電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí),氣隙磁場僅有勵(lì)磁磁動勢產(chǎn) 生,而負(fù)載運(yùn)作時(shí),氣隙磁場是由勵(lì)磁磁動勢和電樞磁動 勢共同產(chǎn)生的,顯然與空載時(shí)不同,因此把電樞磁動勢對 主極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)結(jié)果可能使氣隙磁場畸變,同時(shí)還可能使氣 隙磁場削弱或增強(qiáng) 公式中的 為每個(gè)極面下的氣隙磁通,它由勵(lì)磁磁動勢和 電樞磁動勢共同產(chǎn)生的 15-7直流電發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電樞反應(yīng)有哪些共同 點(diǎn)?有哪些主要區(qū)別?答:共同點(diǎn):1. 電刷在幾何中性線時(shí)均產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng);其結(jié)果(1)均使磁場發(fā)生畸變,物理中性線偏移(但偏移方向 不同,見不同點(diǎn));(2)去磁(磁場飽和的話),使氣隙

10、磁場 削弱2. 電刷不在幾何中性線時(shí),除均產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)(其結(jié) 果與上同)外,還產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng),其結(jié)果是去磁還是 助磁,這與發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)以及電刷偏移方向有關(guān)不同點(diǎn): 交軸電樞反應(yīng)使磁場畸變,物理中性線偏移,對 發(fā)電機(jī):順轉(zhuǎn)向偏,電動機(jī):逆轉(zhuǎn)向偏。 直軸電樞反應(yīng)電刷順轉(zhuǎn)向偏電刷逆轉(zhuǎn)向 偏發(fā)電機(jī)去磁助磁電動機(jī)助磁去磁15-8換向元件在換向過程中可能出現(xiàn)哪些電動勢?是什 么原因引起的?對換向各有什么影響?答:電抗電動勢er:由換向瞬間電流方向突變產(chǎn)生的, 它起阻礙換向的作用。電樞反應(yīng)電動勢ea:由交軸電樞反應(yīng)使物理中性線 偏移所致,它也起著阻礙換向的作用15-9造成換向不良的主要電磁原因是什

11、么?采取什么措施來改善換向?答:電磁原因主要是換向瞬間,在換向元件中存在電抗電 動勢er和電樞反應(yīng)電動勢ea,它們同向,都起著阻礙換向 的作用,由于換向元件被電刷短接,因此在換向元件中產(chǎn) er ea生附加電流農(nóng)rK ( rk :換向回路總電阻),并儲存有磁1 2場能量(2LiK),當(dāng)換向終了,電刷脫離換向元件瞬間,該 能量就以電火花的形式釋放,造成換向不良。減小附加電流是改善換向(由電磁原因引起的)的主要 er ea方向,由式'K rK知i k正比換向元件中的電動勢,因 此加裝換向磁極(減小換向元件中電動勢):i k反比于 rk,因此可選擇合適牌號電刷(增大 rk)。15-10換向磁極

12、的作用是什么?它裝在哪里?它的繞組如何激磁?答:換向磁極作用:改善換向。它在換向區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生附加 磁場,使換向元件切割此附加磁場產(chǎn)生一個(gè)換向極電動勢 ek,并使ek =-(e r+ ea),這樣換向元件中的電動勢就等于換向磁極裝于幾何中性線位置,是因?yàn)閾Q向元件處于幾何中性線。換向磁極繞組與電樞繞組串聯(lián)(即由電樞電流勵(lì) 磁),因由換向磁極感應(yīng)的電動勢 ek要平衡電抗電動勢er 和電樞反應(yīng)電動勢ea ,而er、ea大小均與電樞電流成正 比,因此換向磁極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。換向磁極繞組接線必須正確,這樣才能保證ek用來平 衡(er+ ea),即使ek=- (e+ ea),若換向磁極繞組接反, ek方

13、向就反,這樣ek不但不能抵消(er+ ea),反使換向元1件中電動勢更大,致使換向更惡化。15-11 一臺四極直流發(fā)電機(jī), 馬,電樞總導(dǎo)體數(shù)為152根, 的空載電動勢?Ea pN 門 2 1523.79 10610解:6030 4單迭繞組,每極磁通為3.79 106轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分,求電機(jī)1200115VnN 1460 轉(zhuǎn)/ 分,Z=36 槽,每2.2 106馬,單迭繞組,問電樞15-12 一臺四極直流電動機(jī),槽導(dǎo)體數(shù)為6,每極磁通為 電流為800安時(shí),能產(chǎn)生多大的電磁轉(zhuǎn)矩?Tem -PN la 2 " 6 2.2 10° 10 8800605.35Nm解:24第十六章

14、 直流電機(jī)的運(yùn)行原理16- 1試比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的電動勢、功率和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系?答:發(fā)電機(jī)電動機(jī)電動勢平衡關(guān)系EaU IaRaEa U IaRa功率平衡關(guān)系Pi P2PRP2p轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系T1Tem T0Tem T2 T016- 2.判斷直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)是什么?何時(shí)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)?何時(shí)為電動機(jī)狀態(tài)?答:由電動勢平衡方程Ea U邛。當(dāng)Ea>U為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),Ea<U為電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。16- 3試述并激直流發(fā)電機(jī)的自激過程和自激條件? 答:有剩磁。當(dāng)電機(jī)起動旋轉(zhuǎn)時(shí),電樞繞組切割主磁極 下氣隙中的剩磁磁場而感應(yīng)一數(shù)值很小的剩磁電動勢,由于勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián),因此就有一不

15、大的勵(lì)磁電流 流過勵(lì)磁繞組,產(chǎn)生一個(gè)不大的磁場,它也作用在氣隙中。若它對原剩磁磁場起助磁作用,氣隙磁場得以加強(qiáng),致使 電樞繞組感應(yīng)電動勢比原剩磁電動勢增大, 則勵(lì)磁電流就 進(jìn)一步增大,其建立的磁場更進(jìn)一步增強(qiáng)(即助磁作用進(jìn) 一步增強(qiáng) '),電樞電動勢進(jìn)一步提升,周而復(fù)始, 經(jīng)幾個(gè)循環(huán),電樞繞組便建立起電壓,因而要求電樞轉(zhuǎn) 向及勵(lì)磁繞組接線正確。為使建立一個(gè)定值電壓,還需 主磁場具有飽和特性,因磁路飽和后,勵(lì)磁電流即使再增 大,主磁場因飽和而增加不大了 ,所以電樞電動勢就穩(wěn)定 在某一定值。這個(gè)穩(wěn)定值的大小還取決于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路 電阻的大小,為保證要建立某一定值電壓,還要求:勵(lì)磁 回路電阻

16、小于其臨界值。116-4在實(shí)際應(yīng)用中,如果并激直流發(fā)電機(jī)不能自激建壓, 試分析可能產(chǎn)生的原因,怎樣檢查,應(yīng)采取哪些措施? 答:根據(jù)并激直流發(fā)電機(jī)建壓的條件, 首先檢查勵(lì)磁回路 電阻是否在最小位置、然后檢查勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間 的接線是否正確。如果勵(lì)磁回路電阻是不在最小位置,則 應(yīng)放在最小位置,如果勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的接線不 正確,調(diào)換勵(lì)磁繞組兩端頭。16-5并激直流發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)能自激,反轉(zhuǎn)能否自激?為什 么?如果反接勵(lì)磁繞組,電機(jī)并以額定轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn),這種情 況能否自激建壓?答:不能自激,由于反向旋轉(zhuǎn),感應(yīng)電勢的方向改變,在 勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生的勵(lì)磁電流反方向, 其產(chǎn)生的磁通方向與 剩磁方向相反,

17、將剩磁抵消。能自激建壓,電機(jī)反轉(zhuǎn),感應(yīng)電勢的方向改變,在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生的勵(lì)磁電流反方向, 由于反接勵(lì)磁繞組,勵(lì) 磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁方向相同, 使磁通增大,感 應(yīng)電勢越來越大,建立起電壓。16-6試解釋他激和并激發(fā)電機(jī)的外特性為什么是一條下 傾的曲線?答:討論他勵(lì)和并勵(lì)發(fā)電機(jī)U Ea laRa他勵(lì)發(fā)電機(jī):稍下傾曲線(端電壓 U隨負(fù)載電流I增 大稍有下降),原因有:負(fù)載增大,電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)增強(qiáng),氣隙磁通減小, 使電樞電動勢Ea減小。,原因是:IaRa增大。負(fù)載增加,電樞繞組電阻壓降 并勵(lì)發(fā)電機(jī):下傾曲線(端電吐m 電流增大下降幅度較他勵(lì)發(fā)電機(jī)大) 除、兩原因與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相同外,因并I 勵(lì)

18、發(fā)電機(jī)的lf Rf ,因此由、原因引 起U減小,致使lf減?。ㄋ麆?lì)發(fā)電機(jī)lf不變),磁通 減小, Ea進(jìn)一步減小,致使端電壓下降幅度較大。16-7并激直流電動機(jī)的起動電流取決于什么?正常工作 時(shí)的電樞電流又決定于什么?答:起動時(shí):n = 0, Ea Ce nlU EaU3RaRa起動電流大小取決于外加電壓和電樞回路電阻。 正常工作時(shí),由于反電動勢 Ea的作用,此時(shí)IU Ea TemT23 Ra C h故工作時(shí),電樞電流大小卻取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小 16-8并激直流電動機(jī)起動時(shí),常把串接于激磁回路的磁場 變阻器短接,為什么?若在起動時(shí),激磁回路串入較大電 阻,會產(chǎn)生什么現(xiàn)象?答:起動轉(zhuǎn)矩T“ CT

19、 lst起動電流一定時(shí),丁“ ,欲使起動轉(zhuǎn)矩丁“盡可能大, 就要求磁通 (即勵(lì)磁電流lf )盡可能大。而并勵(lì)電動機(jī), l Uf Rf( Rf為勵(lì)磁回路總電阻),故它常把勵(lì)磁回路的磁場 變阻器短接,致使勵(lì)磁回路電阻最小,勵(lì)磁電流 lf (即磁 通)達(dá)最大。若起動時(shí)在勵(lì)磁回路串入較大電阻,使 lf、 減小,導(dǎo) 致起動轉(zhuǎn)矩很小,若此時(shí)丁“ R (負(fù)載轉(zhuǎn)矩),電機(jī)就起動 不起來,這樣電樞電流劇增,直致燒毀電樞繞組。16-9并激直流電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路突然斷線,問電機(jī) 有剩磁的情況下會有什么時(shí)候后果?若在起動時(shí)就斷線,又會出現(xiàn)什么后果?答:并勵(lì)直流電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路突然斷線,勵(lì)磁電流消失(If=0

20、),主磁通減小至剩磁磁通值,斷線瞬間, 由于慣性,電機(jī)轉(zhuǎn)速未變,則電樞電動勢Ea Ce n大為減小,從而電樞電流laU Eak急劇增大,電樞繞組有被燒毀的可若電樞電流|aa增大的速率大于主磁通減小的速率,電 磁轉(zhuǎn)距Tem CT la增大,若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變,致使電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速 升高。若發(fā)生在空載或輕載時(shí),則轉(zhuǎn)速劇增至飛逸速度, 致使換向不良,換向器、電樞繞組和轉(zhuǎn)動部件損壞,甚至 造成人身傷害事故。若電樞電流la增大速率小于主磁通減小速率,Tem就減 小,若負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變,當(dāng)Tem Tl,轉(zhuǎn)速下降,甚至停轉(zhuǎn), 此時(shí)電樞電流仍很大,同樣可能會燒毀電樞繞組若起動時(shí)勵(lì)磁回路斷線,這時(shí)n=0,電樞電動勢Ea

21、 o, 則電樞電流很大。同時(shí),由于此時(shí)主磁通 很小(剩磁磁 通),Tem就小,而不能起動,也導(dǎo)致電樞電流劇增??梢姡?lì)直流電動機(jī)勵(lì)磁回路不容許開路,并應(yīng)采取必要的保持措施。16-10 一臺并勵(lì)直流發(fā)電機(jī),勵(lì)磁回路電阻Rf 44 '負(fù)載電 阻 4,電樞回路電阻Ra 025,端電壓U=220V試求:(1)勵(lì)磁電流lf和負(fù)載電流I;(2)電樞電流la和電動勢Ea (忽略電刷電阻壓降);(3) 輸出功率P2和電磁功率f。IfU竺5A解:勵(lì)磁電流負(fù)載電流 電樞電流 電樞電動勢 輸出功率 電磁功率 或IaURlP2竺55A4If 55 560 AlaRa 220 60 0.25 235VUI 2

22、20 55 1210CWPem EaIa 235 6014100W2 2 2 2Rm P2 IaRa I fRf 12100 600.25 54414100WRf 44解:勵(lì)磁電流IPNI NUn35000304.3A115aI NI f304.3 5.72310AEaUnIaRa2Ub115 310 IPemEaIa124.53331038605.23WI0.02432124.533VIf Rf電磁轉(zhuǎn)矩=rTem 9550巳9550 38.605 254.2NmnN1450em16-11 一臺并勵(lì)直流發(fā)電機(jī),PN 35呦5 115V,nN 1450r/min,電 樞回路電阻Ra 0.0243

23、 , 一對電刷壓降2 Ub 2V,勵(lì)磁回路電 阻Rf 20.1,求額定時(shí)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩?U 竺 5.72A20.1負(fù)載電流 電樞電流 電樞電動勢 電磁功率16-12一臺并勵(lì)直流電動機(jī),Pn 17kW,UN 220V, nN 3000r /min, I n 88.9A,電樞回路總電阻 Ra 0.114,勵(lì)磁回路電阻Rf 181.5,忽略電樞反應(yīng)的影響,求:(1) 電動機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩?(2) 額定負(fù)載時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩;(3) 額定負(fù)載時(shí)的效率;(4) 在理想空載時(shí)(Ia 0)的轉(zhuǎn)速;(5) 當(dāng)電樞回路中串入一電阻 R=0.15Q時(shí),在額定轉(zhuǎn)矩 下的轉(zhuǎn)速。解:p17Tn 9550 N 955054.1Nm額定輸出轉(zhuǎn)矩 NnN額定負(fù)載時(shí)電

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