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文檔簡介
1、摘要 :本文從飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理入手,首先介紹了飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其工作模式,然后對飛輪轉(zhuǎn)子、支承軸承、真空室、電動/ 發(fā)電機及電力電子裝置等關(guān)鍵技術(shù)進行了全面的分析,并 介紹了關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上對飛輪儲能的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了闡述。關(guān)鍵詞 :飛輪儲能;關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用現(xiàn)狀 中圖分類號: TK02 文獻標識碼: A 文章編號:0、前言隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展, 能源和環(huán)境問題成為了中國快速發(fā)展主要阻礙。然而,在能源如此短缺的情況下, 使用目前的耗能設(shè)備和耗能方式卻使得世界上總能量的50%- 70%6白的71費了1。因此在開發(fā)新能源的同時, 研究如何回收存儲被白白浪費
2、的能量也是非常重要的。 目前的儲能方式主要有:化學儲能、物理儲能和超導(dǎo)儲能,在這幾種儲能方式中化學儲能技術(shù)比較成熟,并已得到廣泛的應(yīng)用,但是它使用壽命短、受外界條件影響顯著、對環(huán)境污染嚴重。超導(dǎo)儲能對技術(shù)要求高、對環(huán)境要求苛刻暫時還不適合大規(guī)模應(yīng)用。由于物理儲能是利用物理方法將能量春初起來,所以不存在對環(huán)境污染問題比較適合當今的發(fā)展要求。 物理儲能方式主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。 在這幾種物理儲能方式中飛輪儲能以其在使用壽命、充電時間、效率方面的突出特點得到了廣泛的關(guān)注。1、 飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理飛輪儲能系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)飛輪儲能系統(tǒng)又稱飛輪電池其基本結(jié)構(gòu)是由飛輪、軸承、電動機
3、/ 發(fā)電機、電力電子控制裝置、 真空室等五個部分組成2 。其中飛輪是飛輪電池的關(guān)鍵部件, 一般選用強度高密度相對較小的復(fù)合材料制作; 軸承是支撐飛輪的裝置, 由于磁懸浮支承可以降低摩擦損耗提高系統(tǒng)效率而成為了支撐技術(shù)的研究熱點; 飛輪電池的電機是一個集成部件, 可以在電動和發(fā)電兩種模式下自由切換, 以實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換; 電力電子控制裝置主要是對輸出和回饋的電能進行控制, 通過對電力電子控制裝置的操作可以實現(xiàn)對飛輪電機的各種工作要求的控制; 真空室的功用有兩個即為飛輪提供真空環(huán)境降低風阻損耗和在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時起到保護周圍人員和設(shè)備的作用。 圖 1 給出了一種飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。圖
4、 1 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理飛輪儲能系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動能的形式存儲起來的裝置。 它有 三種工作模式即充電模式、保持模式、放電 模式。充電模式即飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收能量 使飛輪轉(zhuǎn)速升高將能量以動能的形式存儲 起來;放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動能傳遞給發(fā) 電機, 發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能在經(jīng)過電 力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和 電壓,實現(xiàn)了機械能到電能的轉(zhuǎn)化;|e - 1J2V =:后=*3保持模式即當飛輪轉(zhuǎn)速達到預(yù)定值時既不在吸收能量也不向外輸出能量如果忽略自身的能量損耗其能量保持不變。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪以動能的形式存儲的能量可以表示為3 :()式中v飛輪邊緣線速度,
5、mi飛輪的質(zhì)量, J飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,w飛輪的角速度。由式()可知飛輪具有的能量與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、飛輪角速度的平方成正比,由此可知提高飛輪儲能量的方法有增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和提高飛輪轉(zhuǎn)速。由于可將飛輪看似薄圓盤因此求飛輪轉(zhuǎn)動慣量的公式為:2J (1/2)mr2()式中r飛輪的轉(zhuǎn)動半徑。有公式()可知增加飛輪轉(zhuǎn)動慣量的方法有增加飛輪轉(zhuǎn)動半徑和增加飛輪質(zhì)量,然而在一般設(shè)計情況下在保證能量容量一定的情況下應(yīng)盡量縮減飛輪的質(zhì)量和體積,所以增加飛輪存儲能量的方法一般為提高飛輪轉(zhuǎn)速和減少飛輪質(zhì)量。圖2給出了飛輪儲能系 統(tǒng)工作原理簡圖。圖2飛輪儲能系統(tǒng)工作原理簡圖2、飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析 及研究狀況早在20
6、世紀50年代飛輪儲能技術(shù)就 得到了人們的關(guān)注,并將其應(yīng)用于電動汽 車中。但是受到當時技術(shù)水平的限制,未 能取得突破性進展。直到20世紀90年代, 由于與飛輪電池儲能相關(guān)的技術(shù)取得了突 破性進展,才使得飛輪電池儲能進入了快 速發(fā)展階段。飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析與研究現(xiàn)狀飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析飛輪電池是依靠飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn) 來存儲能量,從飛輪儲能原理可知飛輪轉(zhuǎn) 速越高其存儲的能量就越多,然而隨著飛 輪轉(zhuǎn)速的升高,飛輪在離心力作用下使其 內(nèi)部所受應(yīng)力不斷增大,受材料許用應(yīng)力的限制使得飛輪轉(zhuǎn)速不可能無限制的增 加。為了保證飛輪能夠安全可靠地運行在 選擇飛輪材料時必須進行應(yīng)力計算,根據(jù) 計算結(jié)果仔細選擇飛輪材料,對
7、于一個薄壁圓筒飛輪有4 :J=mrp r222m12122EJ3 m m r 3 m22E122Ber 3 mm2m2 P式中:材料的最大抗拉強度,pa; p - 材料的密度,kg/m3; J 飛輪的轉(zhuǎn)動慣 量,kg m2 ;m飛輪轉(zhuǎn)子的極限角速度,rad/s ; r 一飛輪的旋轉(zhuǎn)半徑,mi e為飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時引起的應(yīng)力達到材 料抗拉強度極限值時單位質(zhì)量轉(zhuǎn)子所存儲的能量,即飛輪的極限儲能密度。由公式 可知飛輪的儲能密度與材料的抗拉強度成 正比,與飛輪材料密度成反比。因此為了 增加飛輪的儲能密度應(yīng)該選用高比強度(8 / u )的材料制作飛輪。表1給出了不 同飛輪材料的物理參數(shù),其中儲能密度值
8、能密度方面表現(xiàn)出的優(yōu)良特性使得復(fù)合材有研究表明,提高飛輪電池儲能密度的先 決條件是制作飛輪的材料要有很高的強 度,在材料滿足條件的前提下還要考慮飛 輪的制作工藝,由于復(fù)合材料的各向異性, 導(dǎo)致其沿纖維方向強度很高,而垂直纖維 方向表現(xiàn)強度很低,為了最大限度的發(fā)揮 復(fù)合材料沿纖維方向強度高的優(yōu)點,一般 采用環(huán)向纏繞的多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)5。飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)現(xiàn)狀美國Active Power公司研發(fā)的基于飛輪儲能的電源系統(tǒng)其轉(zhuǎn)子使用的材料是4340鍛鐵,飛輪轉(zhuǎn)速最高可達到7700r/min,并且該系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)?;a(chǎn)8 o波音公司在2010年設(shè)計的復(fù)合材料 飛輪轉(zhuǎn)子,采用了環(huán)向纏繞的三層圓環(huán)結(jié) 構(gòu),根據(jù)每一層的受
9、力特點使用了不同規(guī) 格的碳纖維,使得飛輪的整體強度和材料是計算的等厚圓盤飛輪的理論值。從表中可以看出高強度鋼和鋁合金在抗拉強度和儲能密度兩個方面均不及復(fù)合材料,這也是早期飛輪儲能技術(shù)難以取得突破進展的原因之一,復(fù)合材料在抗拉強度和儲料成為制造飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。北京航空航天大學將使用碳纖維材料制造飛輪儲能系統(tǒng)用于航天器的姿態(tài)控制 和能量存儲,該飛輪轉(zhuǎn)速可達500000r/min,儲能密度為 h/kg 10。2012年7月,清華大學設(shè)計的質(zhì)量為1200kg的低速重型合金鋼飛輪轉(zhuǎn)速達到了 3600r/min 。該儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了 100 kW充電/500 kW發(fā)電運行,并且在儲能量和發(fā)電功率方面已經(jīng)
10、具備了工業(yè)應(yīng)用的條件11O支承軸承技術(shù)分析與研究現(xiàn)狀支承軸承技術(shù)分析飛輪轉(zhuǎn)速的大小,可以決定飛輪電池存儲能量的多少,然而飛輪電池儲能系統(tǒng) 中飛輪所能達到的極限轉(zhuǎn)速除與飛輪本身的屬性有關(guān)外,還與支承軸承的選擇有很利用率都得到了提高9的摩擦損耗盡量小甚至為零,以減少能量大的關(guān)系。因為飛輪電池在能量保持模式 時飛輪需要保持高速運轉(zhuǎn),這就需要軸承白白地損耗,從而提高系統(tǒng)的儲能效率。軸承在承受飛輪本體重量的同時,還要承受著飛輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時引起的離心力,這就要求支承軸承既要損耗少又要強度高。目前的支撐軸承可分為機械軸承、磁懸浮軸承和組合式軸承等。機械軸承由于摩擦損耗大、承載的極限轉(zhuǎn)速低不合適單獨作為高
11、轉(zhuǎn)速飛輪儲能系統(tǒng)的支撐方式,由于其支撐強度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點,使得機械軸承適合于作為保護軸承或作為短時間快速充放電飛輪系統(tǒng)的支撐方式使用。由于磁懸浮軸承可以在無機械接觸的情況下承載,無機械摩擦損耗提高了系統(tǒng)儲能效率延長了軸承使用壽命,使其成為了飛輪儲能系統(tǒng)的理想支撐方式。磁懸浮軸承分為永磁軸承、超導(dǎo)磁軸承和電磁軸承。支承軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀韓國電力公司研究所研發(fā)的組合式軸承飛輪儲能系統(tǒng), 飛輪轉(zhuǎn)速可達到 12000r/min , 該系統(tǒng)的組合式軸承是由一個高溫超導(dǎo)次軸承、 一個角接觸球軸承和一個主動電磁阻尼器組成 12 。波音公司研制的使用高溫超導(dǎo)磁軸承的小型飛輪儲能系統(tǒng),在全速時飛輪可以儲存5K
12、W h的動能,它能夠提供3KW的三相 208V 電源到電力負載13 。中國電力科學研究院的工程師研制出了一種可作為電動汽車輔助動力源的五自由度的主動磁懸浮軸承飛輪電池儲能系統(tǒng), 并進行了飛輪電池樣機的 30000r/min旋轉(zhuǎn)試驗 14 。西南交通大學超導(dǎo)技術(shù)研究所研制了一臺高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能樣機,并實現(xiàn)了電能、機械能的相互轉(zhuǎn)換,該系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)速可以達到 13000r/min 15 。電動 / 發(fā)電機技術(shù)分析與發(fā)展現(xiàn)狀電動 / 發(fā)電機技術(shù)分析在飛輪儲能系統(tǒng)中機械能到電能、電能到機械能之間相互轉(zhuǎn)換是依靠集成的電動/ 發(fā)電機來實現(xiàn)的,所以電動 /發(fā)電機的性能的好壞直接影響著飛輪儲能系統(tǒng)的效率。
13、飛輪儲能系統(tǒng)在充電時飛輪轉(zhuǎn)速增加到設(shè)計的極限轉(zhuǎn)速,在這個過程中電動/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也在不斷升高;而在放電過程中隨著飛輪轉(zhuǎn)速的不斷降低, 電動 / 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也隨之下降。因此在飛輪儲能系統(tǒng)的充放電過程中電動/ 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是在不斷變化的,這就要求飛輪儲能系統(tǒng)選用的電動 / 發(fā)電機應(yīng)該滿足高轉(zhuǎn)速、高效率、自損耗低,適應(yīng)寬轉(zhuǎn)速范圍等條件。目前條件下可選擇應(yīng)用于飛輪儲能系統(tǒng)的 機等。表2給出了三種電機的相關(guān)性能參電機有開關(guān)磁阻電機、感應(yīng)電機、永磁電數(shù)對比。表2幾種電機的相關(guān)性能參數(shù)對比16電機類型永磁無刷直流電機感應(yīng)電機開關(guān)磁阻電機峰值效率/%95 9791 949010M載效率/%90 959394
14、80 87最高轉(zhuǎn)速/(r/min)300009001500015000控制其相對成本114電機牢固性良好優(yōu)優(yōu)永磁電機以其效率高、能量密度大、維護方便、可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率運行 等特點使得在飛輪儲能系統(tǒng)中得到了廣泛 的應(yīng)用。電動/發(fā)電機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀韓國忠南大學的學者對飛輪儲能系統(tǒng)使用的高速永磁同步電機進行了研究,并于2009年設(shè)計了一臺高速雙轉(zhuǎn)子永磁電機,該電機的功率為 30KW/20000 (r/min ),在600013084r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其效率均在99額上17。美國宇航局在2012年設(shè)計的由兩 臺錐型永磁同步電機組成的磁懸浮 永磁電機可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子五自由 度主動控制,省去了磁軸
15、承,進而減 小了系統(tǒng)的功率損耗,提高了系統(tǒng)效率,轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速也有所增加180 沈陽工業(yè)大學研制的由磁懸浮軸承支撐的75KW/60000(r/min )高 速永磁電動/發(fā)電機,具采用的定子 環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)既可以提高冷卻效率 又可以增加轉(zhuǎn)子剛度190 電力電子裝置技術(shù)分析電機選定之后,電力電子裝置的性能 直接影響著飛輪儲能系統(tǒng)的效率。飛輪儲 能系統(tǒng)的中動能和電能之間的轉(zhuǎn)換是電動 /發(fā)電機在電力電子裝置的控制下實現(xiàn)的, 輸入電能時將交流轉(zhuǎn)化為直流驅(qū)動電機, 使飛輪轉(zhuǎn)速升高,存儲能量;輸出電能時 將直流轉(zhuǎn)化為交流并經(jīng)過有整流、調(diào)頻、 穩(wěn)壓后供給負載。而且電力電子裝置的使 用壽命也決定了飛輪儲能系統(tǒng)的壽
16、命。美國Beacon Power公司使用脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)了能量從直流母線到三相 變頻交流的雙向轉(zhuǎn)換,并且可自動實現(xiàn)飛 輪系統(tǒng)穩(wěn)速、恒壓的功能。真空室技術(shù)分析要提高飛輪儲能系統(tǒng)的效率除了要 減少摩擦損耗外盡量減低風阻損耗也是非 常必要的,對于高速飛輪減少風阻的有效 方法是將飛輪置于真空室內(nèi),這樣既可以 有效降低風阻損耗又可以對事故進行屏 蔽。以目前的技術(shù)制造這樣的真空條件并 不難,但是如何長時間保持這種狀態(tài)才是 問題的難點,要想解決這個問題就必須解 決密封問題和真空室內(nèi)材料逸出氣體問 題。真空度對系統(tǒng)效率起著主要的決定作 用,目前國際上的真空度可以達到 10r量 級。隨著真空度的增加風阻損耗
17、明顯下降, 但是在此環(huán)境下散熱性能減弱,飛輪本體 溫度升高較快。英國研究人員已經(jīng)驗證了 在低速運轉(zhuǎn)條件下,氨氣環(huán)境可以減少風 阻損耗。3、飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀隨著磁懸浮技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)和電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)取得突破性進展,飛輪儲 能作為一種新的儲能方式得到了各國的普遍關(guān)注,并且已經(jīng)成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于電動汽車 隨著能源危機和環(huán)境問題的日益凸顯,開發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車已成為了未來汽 車工業(yè)的發(fā)展趨勢,各個制造商紛紛把目光投向了混合動力電動汽車和純電動車, 密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電速度快、 使用壽命長、對環(huán)境友好等特點,因此可 以將飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用在電動汽車中,飛 輪儲能系統(tǒng)即
18、可作為獨立的能量源驅(qū)動汽 車也可以作為輔助能源驅(qū)動汽車,同時加 入了飛輪儲能系統(tǒng)的汽車其再生制動效率 也比較高。美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)研制出的復(fù) 合材料制作飛輪,成功將一輛克萊斯勒轎 車改裝成純電動汽車 AFS20,該車由20 節(jié)質(zhì)量為的飛輪電池驅(qū)動。改裝后的電動 汽車性能良好,僅需秒就可以從零加速到96km/h ,充電一次可行使里程為 600km5。美國羅森公司研發(fā)的由飛輪儲能系統(tǒng) 和渦輪發(fā)動機共同驅(qū)動的混合動力汽車, 經(jīng)過道路測試其百公里加速時間僅為6s,且在長時間不用的情況下,飛輪也能在渦 輪發(fā)動機的帶動下,在2min內(nèi)達到正常工 作轉(zhuǎn)速。日本研制出的最高轉(zhuǎn)速可達 36000r/mi
19、n的飛輪電池,將其應(yīng)用于電動 車中可對制動時的能量進行回收,這樣可 以提高汽車的能源利用率,經(jīng)實驗證實其 機械能一一電能轉(zhuǎn)化率可達 85%20。飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于風力發(fā)電 系統(tǒng)在風力發(fā)電過程中由于其不穩(wěn)定性使由于飛輪儲能與化學蓄電池相比具有儲能得系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓、 頻率隨時間不斷變化,這就需要這風力發(fā)電系統(tǒng)中引入一個即可以在能量過剩時吸收存儲多余的能量,又能在能量不足時快速為系統(tǒng)補充能量以穩(wěn)定系統(tǒng)電力輸出的裝置。目前一般使用蓄電池或柴油機來穩(wěn)定系統(tǒng)的電力輸出,但是這兩種方式都存在著一定的弊端,比如瞬間啟動時蓄電能不能馬上為系統(tǒng)提供足夠的功率,且蓄電池本身也存在著對環(huán)境的污染問題,然而柴油機組存在
20、著必須啟動 30min 后才能停機的特殊要求,對于時大時小的風能來說就存在著系統(tǒng)電能過剩問題且頻繁的啟停影響柴油機的壽命 9 。美國的Beacon Power公司在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)建設(shè)了 20 MW飛輪儲能項目,該項目既可以為紐約州的智能電網(wǎng)進行頻率調(diào)節(jié),又能將該地區(qū)風力發(fā)電的過剩電能進行緩存, 并在用電高峰期將電力注入電網(wǎng)。飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于不間斷電源(UPS)由于不間斷電源可以在提供不間斷供電、 確保供電質(zhì)量使其在醫(yī)院、 金融機構(gòu)、國防指揮中心、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門以及大型生產(chǎn)企業(yè)等地方被廣泛應(yīng)用。 傳統(tǒng)的不間斷電源使用的是價格低廉、技術(shù)相對比較成熟的化學蓄電池作為儲能單元,但是其使用
21、壽命短、充電時間長、對工作環(huán)境有特定要求、 對環(huán)境還有污染。由于飛輪儲能具有充電時間短、反應(yīng)速度快、 儲能密度大、 對工作環(huán)境無特定要求、對環(huán)境友好等特點使其成為替代化學電池應(yīng)用于不間斷電源的理想選擇。美國的Active Power公司致力于使用飛輪儲能替代化學蓄電池儲能的全新不間斷電源系統(tǒng)的研究,該公司研制的飛輪不間斷電源可以提供最長維持時間為幾分鐘的持續(xù)供電,并且系統(tǒng)效率高達98%21 。加拿大礦物與能源研究中心(CANMEET開發(fā)的用于不間斷電源的飛輪電池,其功率為,質(zhì)量 65 kg,轉(zhuǎn)速 1500045000r/min ,可存儲-h的能量22。飛輪儲能技術(shù)其他應(yīng)用應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,美
22、國的馬里蘭大學已開發(fā)出了用于航天器姿態(tài)控制的飛輪儲能系統(tǒng),美國太空總署也已經(jīng)做過了太空運行試驗并已在空間站安裝了 48 個飛輪電池,可以提供超過150KW的能量22,23 。應(yīng)用于軌道交通中,在列車制動時將能量回收存儲到高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中,當列車牽引時將回收的能量在回饋給列車使回收的能量得以有效利用,這樣就可以極大地提高系統(tǒng)節(jié)能的效果,西門子公司研制的功率為3MW的飛輪儲能系統(tǒng),可以回收30%的制動能量23Proceedings of the IEEE, 1993,81(3 ):4、結(jié)語飛輪儲能作為一種新型能源儲備方式以其儲能密度高、使用壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電時間短、對環(huán)境友好等優(yōu)點受到了
23、人們的廣泛重視,成為了能源界的研究熱點之一。隨著新型特殊材料技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)等取得突破性進展,使得飛輪儲能技術(shù)的優(yōu)越性得以充分展現(xiàn),這使得飛輪儲能的應(yīng)用范圍越來越廣許多科技企業(yè)也加入到了飛輪儲能的研發(fā)隊伍之中。隨著飛輪儲能技術(shù)的不斷發(fā)展,在不久的將來飛輪儲能將會像蓄電池和燃料電池一樣,作為獨立能源向系統(tǒng)提供電力。參考文獻:張健 . 車輛高速飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其優(yōu)化設(shè)計 J. 機械制造與研究,2007,36:52-54.何瑞金 . 飛輪儲能控制系統(tǒng)及能量回饋技術(shù)的研究 D. 上海:東華大學, 2004., Flywheel rotor manufacture for r
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