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文檔簡介
1、正確使用電機檢測中匝間絕緣測試項目近年來,在國內(nèi)電機生產(chǎn)和檢測中,匝間絕緣測試項目越來越受到廣泛重視。在80年代和90年代初,各廠家和試驗室所用匝間絕緣測試儀均用目測波形差異測試法,且匝間絕緣項目測試僅用于交 流電機定子繞組的測試。隨著計算機應(yīng)用的提高和普及,匝間絕緣測試方法也從目測發(fā)展為用計算機 進行分析和判斷。脈沖沖擊電路從閘流管發(fā)展到高壓可控硅電路,電路穩(wěn)定、可靠,不需預熱,壽命 長。在90年代中期以后,國內(nèi)匝間絕緣測試技術(shù)已發(fā)展到一個新水平。2匝間絕緣檢測機理匝間絕緣測試機理為用一個高壓窄脈沖(根據(jù)現(xiàn)有標準脈沖上升沿為卩s、US兩種)加于被測繞組兩端,此脈沖能量在繞組與匹配電容之間產(chǎn)生
2、一個并聯(lián)自激振蕩,由于繞組直流電阻的存在,此諧 振為一衰減波并較快趨近于零,分析被測繞組振蕩波形與標準繞組振蕩波形之差異,即可判斷被測繞 組的優(yōu)劣,判斷其是否存在匝間短路或匝間絕緣不良問題。傳統(tǒng)的匝間絕緣判斷方法是將標準繞組和被測繞組兩振蕩波加于雙線示波器上,用肉眼觀察兩波形的幅值和頻率的差異,并根據(jù)經(jīng)驗判斷被測繞組是否合格,這種方法的根本缺點是判斷主觀隨意性, 沒有量化指標考核,這種方法也經(jīng)常引起制造者與檢驗人之間的分歧與矛盾。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與普及,匝間絕緣測試方法已大有改進,用一個高速A/D系統(tǒng)將繞組的脈沖電壓沖擊的衰減自激振蕩波模擬信號進行數(shù)字化處理,然后由計算機對波形數(shù)據(jù)進行分析
3、比較和計 算,并由計算機對各參量的變化進行判斷。波形判斷的參量,目前國內(nèi)和國際上有很多形式,如利用被測繞組振蕩波與X軸的面積和標準繞組振蕩波與X軸的面積之差的百分數(shù)法、兩個波的頻率差的百分數(shù)法、用兩個波面積差的百分數(shù)法、 電暈放電法、電橋不平衡法等。目前國內(nèi)使用較普遍的是面積差百分數(shù)法和頻率差百分數(shù)法。正確選擇各檢測參數(shù),才能保證檢測準確性,現(xiàn)以目前國內(nèi)某公司的定子綜合測試臺中匝間絕緣項目測試為例進一步闡述檢測機理與方法。匝間絕緣測試電路如圖1:圖1匝間絕緣測試電路L和Rl為繞組的電感和直流電阻,C為測試臺匹配電容,Ri和F2為取樣分壓電阻,R+ F2較大,達10MD以上,對振蕩回路不產(chǎn)生影響
4、。當a-b端加一個高壓脈沖信號,則在回路內(nèi)產(chǎn)生衰減自激振蕩,其振蕩頻率:此處振蕩回路Q值此處3 0必為實數(shù)即(i-cr"l/l)0則起振條件為:R)21-1/Q =1當回路Q值很高(Rl很小或coL典型的匝間沖擊振蕩波形如圖 2所示。圖2匝間沖擊振蕩波形2回路等效阻抗Zo= L/ RC=p /Rl其中:p特性阻抗?;芈废墓β蔖O=U/Z o+pFe=RCU/L+p Fe=RU/ p PFe式中:P Fe單位時間鐵損。自激振蕩每一周期能量損耗: Wo=PoT+pFeT=RT/ p 2+pFeT式中:T一個振蕩周期時間。從上式可知Rl、L都會影響f和AWo的變化。而L對f的影響較大,R
5、.對AWo較大,亦即波形面 積影響較明顯。某些場合鐵損占主導作用,使振蕩波很少甚至無法振蕩。由標準繞組建立一個標準波形,而若被測繞組存在匝間短路,被測繞組除由于圈數(shù)減少而引起L和Rl變化外,更主要的由于短路圈內(nèi)的感應(yīng)電勢將產(chǎn)生一個大的感生電流,造成繞組內(nèi)能量損耗,波 形衰減加快,其波形面積與標準繞組波形面積差AS加大則A S/ S加大。即測試儀上 dS增加,從而判別其匝間短路的存在。被測繞組短路匝數(shù)越多,能量損耗越大,dS亦越大,越能判別其短路狀態(tài)。一般電機短路一匝,其 dS達到8以上。若被測繞組僅一匝間短路,造成的L和R變化很小,因此頻率變化不明顯。同一品種電機,由于硅鋼板牌號變更,或由于疊
6、片松緊差異較大,或繞組浸漆前后,扎線與整形 前后,繞組在定子鐵芯槽內(nèi)排列不一致都會引起L的不一致,從而使振蕩波形的S和f產(chǎn)生差異。從這里我們知道在做產(chǎn)品匝間絕緣試驗時被測產(chǎn)品的狀態(tài)和標準產(chǎn)品的狀態(tài)一定要一致,避免引 起不必要的誤差。3正確選擇各檢測參數(shù)該定子綜合測試臺匝間絕緣測試項目中用戶需選擇四個參數(shù),參數(shù)選擇的正確與否, 對產(chǎn)品質(zhì)量,對企業(yè)經(jīng)濟效益將會產(chǎn)生不小的影響。峰值電壓測試臺峰值電壓范圍在 5003000V之間,由數(shù)字式電壓表顯示。峰值電壓選擇的依據(jù)為電機繞組 由漆包線的漆膜絕緣性能,電機浸漆絕緣性能和制造工藝、操作水平?jīng)Q定。一般E級或B級絕緣的電機可選用10001500V,稍高的不
7、超過 1800V,如空調(diào)電機、洗衣機電機或一般三相電機。F級或H級絕緣的電機可選用 18002500V,選用復合漆包線的電機也有選3000V峰值電壓的,例如空調(diào)壓縮機電 機等。對于直流電機電樞的匝間測試,目前沒有統(tǒng)一的標準,按慣例低壓直流電機電樞匝間測試可選 脈沖峰值 300500V,高壓直流電機可選 10001800V。繞組總?cè)?shù)多的,峰值電壓可選高一些,總匝數(shù)少的,可選峰值電壓低一些。峰值電壓由峰值保 持電路和數(shù)顯表指示實際值。因此只有在峰值脈沖發(fā)生那一瞬間才有顯示,顯示時間很短,操作者要 注意觀察。指針表指示的為高壓端交流電壓值,但已折算到脈沖峰值,在特定負載下與數(shù)顯表指示一 致,可以作
8、為調(diào)整峰值電壓時參考用。閥值dS即被測電機繞組振蕩波形與標準電機振蕩波形面積差的百分數(shù),dS=A S/SX 100%,其閥值大小由被測繞組和標準繞組的電阻差異、電感量差異和匝間短路等諸多因素決定。由前面公式知道,諧振回 路的等效阻抗Zo=p 2/ RL而p 2= L / C,因此,RL和L的變化都影響損耗 po的大小,使 A S、dS加大。由公式還可知,P0與Rl成正比而與L成反比,但這里 dS取絕對值,與 AS的正負無關(guān)。從公式還可知損耗還與峰值U2成正比,要求測試電源穩(wěn)定,否則電源波動對dS影響較大。從前面檢測原理可知,影響dS的最大因素還是匝間短路的發(fā)生,匝間短路使能量損耗迅速加大,波形
9、衰減加快,dS增大。我們做過一次試驗,用某電機繞組先在測試臺上建立標準波形。然后用相同導線在相應(yīng)槽內(nèi)造成短路一圈,其dS=8%- 10% dS的大小視電機繞組總匝數(shù)和導線粗細不同而不同,大功率電機dS大,小電機dS小。而繞組電阻 Rl對dS的變化如下表:電阻變化5%10%16%25%28%33%85%170%dS(%)這里要說明,以上試驗數(shù)據(jù)只對特定電機有效,因此數(shù)據(jù)只能說明參數(shù)變化規(guī)律,并不能代表每種電機參數(shù)變化的絕對值。閥值df被測繞組自激振蕩頻率與標準繞組自激振蕩頻率差df= f/f oX 100%影響df的主要因素是L,當Q值較小時R-變化才會影響頻率變化。影響L的因素有繞組總匝數(shù)、匝
10、數(shù)分布、繞組的松緊、整形形狀、鐵芯材料變化、浸漆前后等等。匝間短路數(shù)較小時,Af變化不明顯,只有當短路匝數(shù)較多,影響到 L變化,才會使 Af增大。當測試儀接上參數(shù)穩(wěn)壓電源電壓穩(wěn)定在1%以內(nèi)時,df重覆蓋精度, ds重覆蓋精度1%。一個標準繞組自激振蕩波形建立以后,被測繞組波形與標準波形比較,其dS和df影響因素大致三類: 由于制造工藝,材料等影響使df有1% 2%勺變化,dS有25%勺變化,這一變化并非由匝間短路引起,應(yīng)予分開。 測試儀受溫度、電源變化等影響,出現(xiàn)的重復精度誤差dS為1 %, df為% 1 %。 匝間短路,電暈放電等,一匝短路,多匝短路或?qū)娱g短路,將引起dS8%r 15%的變化
11、或更大。如何將1、2兩項因素對dS、df的影響與第三項因素對 dS、df的影響分開,這是確定閥值大小的目 的。具體操作有以下幾種方法:(a) 先將dS和df均設(shè)定為15%,測某種電機100200臺,從計算機“顯示數(shù)據(jù)庫”調(diào)出測試數(shù)據(jù), 觀察dS和df范圍,按90%95%的電機的dS和df值,加大1%2%定閥值。(b) 故意造成繞組短路一匝或二匝,測量其 dS和df值,然后比檢測值低 1%- 2%定閥值。(c) 各工廠質(zhì)量控制部門根據(jù)長期生產(chǎn)實踐和經(jīng)驗,定出一個合適的閥值??傊?,閥值設(shè)定沒有一個統(tǒng)一的標準,根據(jù)電機類型和生產(chǎn)工藝來確定。機器繞線和嵌線的定子,df可放于2%3%,dS可放于4滄5%
12、 ,而手工繞嵌的定子或材料不穩(wěn)定的定子, df可放于3%4%,dS可放于8% 10%左右。周期T的選定在測試臺的閥值設(shè)定的匝間測試項目里,最后一項是T, T為被測繞組和標準組兩波形比較的周期數(shù)??梢暱偟恼袷幹芷跀?shù)來定,一般選取13即可,選少了不會影響測試精度。這里還需說明一點,測試臺為提高檢測靈敏度,比較的波形是從第二個波開始的,也就是避開了原始脈沖波,從真正開始自激振蕩的波開始比較。實踐證明,這一措施極大地提高了檢測靈敏度,使本設(shè)備匝間短路1%。匝能較方便分辨出來。在綜合測試臺使用中, 繞組少繞一匝,能否通過匝間絕緣檢測出來,答案是否定的。從前面公式可知,繞組多或少一圈,對繞組的R和L變化很
13、小,與繞組短路一匝的能量損失無法比擬。對于電機繞組中有一組線圈反嵌了,能否用匝間絕緣測試方法來分辨。一般來說二極、四極、六極電機若一組線圈反嵌,其對整個繞組的影響較大,Q值變小,dS可達到8% 10%左右,而八極、十極電機一組繞組反嵌,其dS和df變化較小,大致在 5%-8%之間,若電機工藝穩(wěn)定,材料穩(wěn)定,產(chǎn)品參數(shù)一致性好,離 散度小,那么dS在5%也可分辨,但手工嵌線八極電機在匝間絕緣測試時,dS的離散度已達到8%10%,那么反嵌一組就無法用匝間絕緣測試來分辨了。這里要附帶說明的是,電機繞組反嵌的測試方法很多,如空載電流法、電容電壓法、起動力矩法、極 性測試法等,這些方法已得到廣泛應(yīng)用。高頻
14、脈沖作用下電機定子繞組電壓的非均勻分布1 引 言PWM逆變驅(qū)動下,加在電機繞組上的高頻電壓在繞組內(nèi)傳播,使得電機繞組的分布參數(shù)不可忽略。由于分布參數(shù)的存在,脈沖電壓在電機繞組內(nèi)分布不均,從而引起部分繞組絕緣層局部過壓擊穿,這種現(xiàn)象已經(jīng)引起國內(nèi)外學者和專家的關(guān)注。文獻 5,6分別用仿真手段和多導線傳輸理論研究了PWM脈沖電壓在電機繞組內(nèi)的分布情況,一致認為PWM脈沖電壓上升時間過高是電機繞組絕緣擊穿的主要原因,且大部分絕緣擊穿經(jīng)常發(fā)生在首匝。但這些文章并沒有對高頻輸入下電機繞組內(nèi)分布參數(shù)的特性進行討論。文獻7,8分別用一維擴散方程和非直接邊界積分方程計算繞組內(nèi)的分布參數(shù),文獻9則利用渦流分析得到
15、分布參數(shù)與電機輸入電壓頻率的關(guān)系,但直接數(shù)值計算方法比較繁雜,而文獻9也只是針對整嵌式繞組進行計算,應(yīng)用范圍有限。本文利用有限元分析軟件 ANSYS寸定子槽內(nèi)電磁場進行有限元分析,從而獲取電機繞組內(nèi)的分布參數(shù)。這種方法可以討論高頻輸入對電機繞組分布參數(shù)的影響,尤其是可以反映脈沖輸入的瞬態(tài)作用,同時能充分考慮電機材料屬性以及定子槽內(nèi)繞組布線對參數(shù)求解的影響,因此這種方法的計算結(jié)果更加有效和準確。本文還通過建立電機繞組分布參數(shù)模型,利用 MATLAB仿真分析高頻PWM脈沖波在電機繞組內(nèi)的電壓分布情況。仿真結(jié)果表明,當 PWM逆變器驅(qū)動時,電機定子繞組電壓分布狀況不僅與繞組本身的分布參數(shù)有關(guān),而且與
16、PWM脈沖電壓上升時間以及傳導電纜有關(guān)。2 定子繞組分布參數(shù)模型對于快速上升的脈沖前沿,按照傅立葉分析,其上升時間含有大量高次諧波,為估計一個典型的 PWM波前 沿在定子線圈間的電壓分布,須用一個分布參數(shù)電路模型來描述定子繞組。電機繞組中的分布參數(shù)包括:自感和電阻;同一槽下的匝間互感;匝 -地間電容;匝-匝間電容。Yifan Ta ng在文獻5中指出:利用邊 界元法分析各匝的電磁場分布得知:一匝內(nèi)的傳導電流在直接鄰近匝感應(yīng)出一個反場渦流(field-opposi ngeddy-curre nt ),在定子鐵心表面感應(yīng)一個相對小的反場渦流。在鄰近匝表面的渦流屏蔽了大部分磁力線,而 鐵槽表面的渦流
17、,只在100MHZ以上時才有效屏蔽磁力線,而在低于1MHZ時允許更多磁力線通過。因此互感只 存在于直接相鄰的兩匝之間,即最多只有兩個互感效益對某匝起作用。但實際上在一個槽內(nèi),某一匝周圍可能有好幾匝,所以某一匝受到的互感作用可能不止兩個。雖然如此,為使模型簡化,本文按各匝順序考慮臨近匝 間的互感作用。線端繞組分布參數(shù)電路模型可用圖1表示。3 繞組內(nèi)分布參數(shù)計算為獲得如圖1所示電路中的各部分參數(shù),對于不同形式的電機繞組,參數(shù)的確定方法也不同??紤]到目前很多感應(yīng)電機都是散嵌式繞組型,本文以散嵌式繞組為研究對象。由于散嵌式繞組在槽內(nèi)的位置具有不確定性,給計算繞組分布參數(shù)帶來困難。使用有限元法(Fi n
18、ite Eleme nt Method - FEM )對電機槽內(nèi)繞組進行電磁場分析,可計算散嵌繞組在不同輸入電壓上升沿時的電機繞組參數(shù),因此能過對分布參數(shù)做出準確估算。對于某特定的一相而言,槽內(nèi)繞組相對位置確定,這種假設(shè)可簡化分析過程且可行。本文以JO2-32-4型號電機為對象,研究高頻脈沖作用下電機定子槽內(nèi)的電磁場,通過有限元分析得到槽內(nèi)各匝分布參數(shù)。電機參數(shù)為:,1430轉(zhuǎn)/分,380伏,安,50HZ E級絕緣;定/轉(zhuǎn)子槽數(shù)=36/26,每槽線數(shù)=62,并聯(lián)支路數(shù)=2, 繞組單層交叉;線規(guī):單根直徑=。有限元分析工具采用 ANSYS軟件,依照ANSYS勺三個部分逐步進行分析和處理,最后得到
19、各分布參數(shù)值。由于電阻值與激勵及頻率無關(guān),所以無需通過ANSYS進行計算。求解電感與求解電容不完全相同,前者采用瞬態(tài)分析而后者只需采用靜態(tài)分析即可。首先進行電感值的計算。建立電機單槽模型,設(shè)定5種材料分別為氣隙、鐵芯、導體、轉(zhuǎn)子和絕緣(包括匝間絕緣,槽絕緣)。然后定義材料屬性,劃分網(wǎng)格,加載。本文首先將第一 匝設(shè)定為激勵源,瞬間電壓設(shè)定為470V/500ns。加載完畢執(zhí)行以下語句進行求解:Main Menu: Solution >-Solve-Current LS.ANSYS有兩個后處理器,即通用后處理器(POST1和時間歷程后處理器(POST26,前者只能觀看整個模型在某一時刻的結(jié)果,
20、后者可觀看模型在不同時間段或子步歷程上的結(jié)果,常用于處理瞬態(tài)或動力分析結(jié)果。本文利用POST1得到求解后的磁力線分布,結(jié)果如圖2所示。利用POST26解得各匝的自感,表1給出了部分匝 的電感計算值。為減少求解時間,求解過程未設(shè)置子過程。表1部分匝自感計算參數(shù)TurnIn duc.(H)TurnIn duc.(H)12122232342442464361446245從磁力線分布看到, 槽底的磁力線密度最大, 從槽底往上包圍各匝的磁力線減少,因此各匝電感值從槽底往上依次減少。 從圖中磁力線分布還可看出,通過第四層的磁力線基本呈水平狀,而第四層以上的磁力線向下突出,第四層以下的磁力線向上突出,而第四
21、層以上靠近槽壁的各匝電感要大,第四層以下恰好相反,包圍的 磁力線越多,導體自感也就越大。(1)各匝互感可用以下公式得到5: 其中 為耦合系數(shù),取值范圍為。計算電容的物理模型和計算電感時一樣, 但是由于電容與頻率沒有關(guān)系, 只需進行靜電場分析。 部分計算結(jié)果 如表2所示。表中數(shù)值均為單位長度導體的計算值,本文單槽模型的深度設(shè)定為,故表中所有數(shù)值除以 10得 到實際電容值。表2 部分電容計算值(單位:F)TurnlTurn2Turn3Turn4TurnlTurn2Turn3Turn4從表2可看出,在材料屬性確定的情況下,分布電容值與導體所在位置有關(guān)??拷郾诘膶w電容值比遠離槽壁的導體電容值大,尤
22、其是處于槽體中心的導體電容值最小,甚至比同一層靠近槽壁的導體電容值小12個數(shù)量級;匝間的互容值和兩匝的相對位置有關(guān),一般來說互容值小于兩導體本身的電容值,相隔越遠的兩匝間的互容值越小。4 繞組電壓分布的時域分分電流經(jīng)繞組導線流 容,還有一部分流過 各部分導線中的電流 還存在互感,所以, 為簡化計算,略去繞 容,并假設(shè)各參數(shù)均 圖3所示。當脈沖波進入繞組時,一部 過,一部分經(jīng)繞組的匝間電 繞組各點對地電容,因此繞組 分布不同;同時,繞組各部分 繞組中的電磁聯(lián)系非常復雜。 組損耗和各部分的互感和互 勻分布,得到簡化等效電路如 圖中分別為繞組單位長度的電感和對地電容,為繞組內(nèi)距離線端處的電壓值,處的
23、電壓為。在不考慮繞組損耗的條件下, 脈沖電壓在繞組上的電壓分布可看成脈沖電壓在無損傳輸線上的傳播。根據(jù)無損傳輸線理論可得到以下方程組10:將式(2 )對求導,并將式(3)代入得:(4)(5)同理可得:將式(5)改寫為運算微積分形式:其中為算子,其中:方程(6)的通解為:(7)A、B為待定系數(shù),由初始條件或邊界條件確定??紤]三相星型電機,當某時刻只有一相有脈沖電壓輸入,這樣實際上是串聯(lián)后的兩相繞組承受線電壓,繞組中心點位于電壓分布的中點。但是,由于電機的阻抗相對電纜阻抗大得多,因此在分析中可以將繞組中心作為一個參考點對單相繞組的電壓分布進行分析。假定作用于電機繞組首端的電壓為幅值等于的長直角波,
24、電機單相繞組長。其邊界條件為:后一條件即為:將邊界條件代入式(7)及其導數(shù)式可得:(8)應(yīng)用展開定理,將其反變換成原函數(shù),可得振蕩過程中繞組各點電位方程的時域表達式。(9)式中其中為振蕩角頻率,是空間諧波幅值。從式(9)可以看出,電機繞組內(nèi)的各點電壓是關(guān)于輸入電壓、該點位置以及時間的函數(shù),電壓的分布是一個振蕩過程。振蕩過程與作用在繞組上的沖擊電壓波形有關(guān)。波頭陡度愈大,振蕩愈劇烈;陡度愈小,由于電感分流的影響,起始分布與穩(wěn)態(tài)分布愈接近, 振蕩就會愈緩和,因而繞組各點對地電位和電位梯度的最大值也 將降低。5 繞組電壓分布的仿真分析為驗證脈沖電壓在定子繞組內(nèi)分布的不均勻性,利用MATLAB軟件包建
25、立電機繞組分布參數(shù)模型,分別討論脈沖電壓在匝間及線圈間的分布情況,從而得到繞組絕緣過早損壞的依據(jù)。匝間電壓分布建立一個50匝的線圈分布參數(shù)仿真模型,如圖4所示。根據(jù)前面的理論分析得知,電壓分布不均勻大多表現(xiàn)在前幾匝,故只建立前 4匝的分布參數(shù)模型,后面 46匝用集中參數(shù)等效。匝間互感作用用耦合線圈實現(xiàn),輸 入信號(Signal )由另一文件生成,可以提供單脈沖輸入和PWM脈沖輸入。圖中檢測信號為各匝電壓,最后合成在一個窗口輸出。對單個脈沖輸入進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1) 脈沖輸入電壓上升時間越短,各匝的電壓降越大,電壓分布越不均勻。其原因可從上一節(jié)的時域分析得到, 上升時間越短,波頭越陡,繞組內(nèi)
26、電壓振蕩越厲害,電壓分布就越不均勻。(2) 各匝自感越大,電壓分布越不均勻,電壓振蕩越厲害;而匝間互感越大,對電壓分布反而有利。從理論上 分析,自感對電流有抑制作用,所以自感越大,電流越難向后傳播,造成前匝的壓降越厲害;由于各匝電流方向相同,互感作用將一部分電流耦合到后面各匝上,加速了后面各匝的電壓建立,從而有利于電壓的均勻分布。(3) 第一匝對地電容 C1對電壓分布作用明顯,C1越大第一匝的電壓降越大;由于匝間電容相對各匝對地電容 而言較小,對電壓分布影響不大,如果匝間電容相對較大,則有利于電壓的均勻分布。這是因為匝間電容的存 在可將前一匝的電壓耦合到后一匝上,而不必等到電感上流過電流,所以匝間電容越大,電壓分布越均勻。圖5給出不同電壓上升時間下匝間電壓分布的仿真波形。圖中波形從前往后依次為第1 , 2, 3, 4匝的電壓降,最后46匝壓降由于電壓值超出刻度范圍而未給出,tr為脈沖前沿的上升時間。當輸入PWM沖序列時,電壓分布隨各參數(shù)變化特性與單個脈沖輸入時一致,但電壓分布的幅值不盡相同,因為高頻重復的脈沖電壓輸入使得繞組內(nèi)的電壓發(fā)生了疊加或者消除。5. 2 線圈間電壓分布繞組內(nèi)電壓分布不均勻不但體現(xiàn)在線圈內(nèi)(即匝間),而且體現(xiàn)在線圈間,甚至后者的不均勻程度更明顯。本文對圖4所示單線圈模型進行封裝,建立4個線圈串聯(lián)的繞
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