毕业设计论文三相异步电动机结构设计和装配工艺管理资料.docx
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毕业设计论文三相异步电动机结构设计和装配工艺管理资料
XXXX学校
毕业作业
作业形式:
毕业设计
作业题目:
三相异步电动机结构设计和装配工艺
姓名:
学号:
所在系:
专业:
年(班)级:
学制:
三年制
指导教师:
完成日期:
2011年5月6日
前言
异步电动机也称感应电动机,是工农业生产中应用最为广泛的一种电机。
例如,中小型轧钢设备、矿山机械、机床、起重机、鼓风机、水泵、以及脱粒、磨粉等农副产品用的加工机械,大多采用异步电动机拖动。
与其他电动机相比,异步电动机具有结构简单、坚固耐用、使用方便、运行可靠、效率高、易于制造和维修、价格低廉等许多优点。
但是,异步电动机的应用也有一定的限制,这主要是由其调速性能差、功率因数低而引起的。
异步电动机是一种交流电机,它可以是单相的,也可以是三相的。
但它的转速和电网频率没有同步电机那样严格不变的关系。
关键词:
电动机基本结构、工作原理、计算说明、绕组布置展开图、装配工艺流程、整机检验流程等。
前言…………………………………………………………………1页
第一章Y-112M-4型三相异步电动机的基本结构…………………3页
第二章三相异步电动机的工作原理和计算说明………………7页
………………………………………7页
……………………………………9页
……………………………………13页
第三章三相双层三绕组布置展开图……………………………17页
第四章Y-112M-4电动机的装配工艺……………………………20页
第五章三相异步电动机的整机检验……………………………24页
结束语………………………………………………………………25页
参考文献……………………………………………………………26页
附录…………………………………………………………………27页
致谢语………………………………………………………………28页
第一章Y-112M-4型三相异步电动机的基本结构
三相异步电动机由固定的定子和旋转的转子两个基本部分组成,转子装在定子内腔里,借助轴承被支撑在两个端盖上。
为了保证转子能在定子内自由转动,定子和转子之间必须有一间隙,称为气隙。
电机的气隙是一个非常重要的参数,其大小及对称性等对电机的性能有很大影响。
图9-1所示为三相鼠笼式异步电动机的组成部件。
图9-1三相鼠笼式异步电动机的组成部件
下表是Y-112M-4型三相异步电动机名牌参数如图:
三相异步电动机
型号Y-112M-4
编号
380kV
1440r/min
LW82dB
接法Y
防护等级IP44
50Hz
45kg
标准编号
工作制SI
B级绝缘
年月
南平电机厂
1.定子
定子由定子三相绕组、定于铁心和机座组成。
定子三相绕组是异步电动机的电路部分,在异步电动机的运行中起着很重要的作用,是把电能转换为机械能的关键部件。
定子三相绕组的结构是对称的,一般有六个出线端
、
、
、
、
、
。
置于机座外侧的接线盒内,根据需要接成星形(
)或三角形(
),如图9一2所示,定子三相绕组的构成、连接规律及其作用将在第二节专门介绍。
图9一2三相鼠笼式异步电动机出线端
定子铁心是异步电动机磁路的一部分,由于主磁场以同步转速相对定子旋转,为减小在铁心中引起的损耗,,电工钢片两面涂有绝缘漆以减小铁心的涡流损耗。
中小型异步电机定子铁心一般采用整圆的冲片叠成,大型异步电机的定子铁心一般采用肩型冲片拼成。
在每个冲片内圆均匀地开槽,使叠装后的定子铁心内圆均匀地形成许多形状相同的槽,用以嵌放定子绕组。
槽的形状由电机的容量、电压及绕组的型式而定。
绕组的嵌放过程在电机制造厂中称为下线。
完成下线并进行浸漆处理后的铁心与绕组成为一个整体一同固定在机座内。
机座又称机壳,它的主要作用是支撑定子铁心,同时也承受整个电机负载运行时产生的反作用力,运行时由于内部损耗所产生的热量也是通过机座向外散发。
中、小型电机的机座一般采用铸铁制成。
大型电机因机身较大浇注不便,常用钢板焊接成型。
2.转子
异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组及转轴组成。
转子铁心也是电机磁路的一部分,也是用电工钢片叠成。
与定子铁心冲片不同的是,转子铁心冲片是在冲片的外圆上开槽,叠装后的转子铁心外圆柱面上均匀地形成许多形状相同的槽,用以放置转子绕组。
转子绕组是异步电动机电路的另一部分,其作用为切割定子磁场,产生感应电势和电流,并在磁场作用下受力而使转子转动。
其结构可分为鼠笼式转子绕组和绕线式转子绕组两种类型。
这两种转子各自的主要特点是,鼠笼式转子:
结构简单,制造方便,经济耐用;绕线式转子:
结构复杂,价格贵,但转子回路可引人外加电阻来改善起动和调速性能。
鼠笼式转子绕组由置于转子槽中的导条和两端的端环构成。
为节约用钢和提高生产率,小功率异步电机的导条和端环一般都是融化的铝液一次浇铸出来的;对于大功率的电机,由于铸铝质量不易保证,常用铜条插入转子铁心槽中,再在两端焊上端环。
鼠笼式转子绕组自行闭合,不必由外界电源供电,其外形象一个鼠笼,故称鼠笼式转子,如图9-3所示。
图9-3铸铝转子结构
(a)铸铝转子绕组;(b)铸铝转子
鼠笼式转子绕组的各相均由单根导条组成,其感应电势不大,加上导条和铁心叠片之间的接触电阻较大,所示无需专门把导条和铁心用绝缘材料分开。
绕线式转子绕组是用绝缘导线组成,嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组。
三相一般为星型接法,三根引出线分别接到固定在转轴上并互相绝缘的三个集电环上,再通过安装在端盖上的电刷装置与集电环接触把电流引出来。
这种转子的特点是可以通过集电环和电刷在转子回路中接入附加电阻,用以改善电动机的起动性能,或调节电动机的转速。
有的绕线转子异步电动机还装有一种举刷短路装置,当电动机起动完毕而又不需要调节转速时,移动手柄使电刷被举起而与集电环脱离接触,同时使三只集电环彼此短接起来,这样可以减少电刷与集电环间的磨损和摩擦损耗,提高运行可靠性。
与鼠笼式转子比较,绕线转子的缺点是结构复杂,价格较贵,运行的可靠性也较差。
因此,绕线转子异步电动机只用在要求起动电流小、起动转矩大,或需要调节转速的场合,例如,用来拖动频繁起动的起重设备。
转轴是整个转子部件的安装基础,又是力和机械功率的传输部件,整个转子靠轴和轴承被支撑在定子铁心内腔中。
转轴一般由中碳钢或合金钢制成。
3.气隙
异步电机的气隙是很小的,~2mm。
气隙越大,磁阻越大,要产生同样大小的磁场,就需要较大的励磁电流。
由于气隙的存在,异步电机的磁路磁阻远比变压器为大,因而异步电机的励磁电流也比变压器的大得多。
变压器的励磁电流约为额定电流的3%,异步电机的励磁电流约为额定电流的30%。
励磁电流是无功电流,因而励磁电流越大,
功率因数越低。
为提高异步电机的功率因数,必须减少它的励磁电流,最有效的方法是尽可能缩短气隙长度。
但是汽隙过小会使装配困难,还有可能使定、转子在运行时发生摩擦或碰撞,因此,气隙的最小值由制造工艺以及运行安全可靠等因素来决定。
4.其他部件
端盖:
安装在机座的两端,它的材料加工方法与机座相同,一般为铸铁件。
端盖上的轴承室里安装了轴承来支撑转子,以使定子和转子得到较好的同心度,保证转子在定子内膛里正常运转。
端盖除了起支撑作用外,还起着保护定、转子绕组的作用。
轴承:
连接转动部分与不动部分,目前都采用滚动轴承以减少摩擦。
轴承端盖:
保护轴承,使轴承内的润滑油不致溢出。
风扇:
冷却电动机。
第二章三相异步电动机的工作原理和计算说明
三相异步电机工作原理示意图如图9—15所示,定子上的三相绕组接到三相交流电源上,转子绕组自成闭合回路。
三相异步电机的工作可分为3种情况,以下分别作介绍。
三相异步电机作为电动机运行是其最普遍的工作状态。
三相电流流入三相定于绕组产生旋转磁势,并在气隙中产生相应的旋转磁场。
旋转磁场也是以同步转速11在旋转。
为了电角度,即便于说明问题,在图9—15中用一对旋转的磁极来表示该旋转磁场。
图9—15三相异步电机工作原理
(a)示意图;(b)电动机运行;(c)发电机运行;(d)制动状态。
当旋转磁场切割转子导体时,在其中产生感应电势,使转子导体中有电流流过。
其方向可利用右手定则判断。
转子电流与旋转磁场作用而产生电磁转矩,使转子以转速n旋转,从而把电能转换成机械能,作电动机运行。
由左手定则判断可知:
转子方向与磁场旋转方向相同,如图9-15(b)所示。
当异步电机作为电动机运行时,为了克服负载的阻力转矩,三相异步电动机的转速n总是略低于同步转速n1,以便气隙中的旋转磁场能够切割转子导体而在其中产生感应电势和感应电流,从而能够产生足够的电磁转矩来拖动转子旋转。
如果转子的转速与同步转速相等,转向又相同,则气隙旋转磁场与转子导体之间没有相对运动,因而转子导体中就不会产生感应电势和电流,电机的电磁转矩也将为零。
可见,异步电机产生电磁转矩的必要条件是,磁场的同步转速nl和转子的转速n不相等,即n1
n。
把同步转速n1和转子转速n的差值称为转差,转差与同步转速nl的比值称为转差率,转差率用s来表示,即
S=
(9-20)
转差率是异步电机的一个基本变量,它可以表示异步电机的各种不同运行状态。
(1)在电机刚起动时,转子转速n=0,则s=1,转子切割旋转磁场的相对速度为最大,转子中的电势及电流也最大。
如果电动机产生的电磁转矩足以克服机械负载的阻力转矩,转子就开始旋转,转速会不断上升。
(2)随着转子转速n的上升,转差率s减小,转子切割旋转磁场的相对速度减小,转子中的电势及电流也减小。
在额定状态下,转差率S的数值通常都是很小的,—,转子转速与同步转速相差并不很大。
而空载时,因阻力矩很小,转子转速”很高,转差率则更小,—,可以认为转子转速近似等于同步转速。
(3)假设n=nl,则转差率s=0,此时转子导体不切割旋转磁场,转子中就没有感应电势及电流,也不产生电磁转矩。
可见,作电动机运行时,转速n在0~n1;的范围内变化,而转差率则在1~0的范围内变化。
三相异步电动机的转速可用转差率来计算,即
n=(1-s)n1(9—21)
.三相异步电动机作为发电机运行
若异步电机的转轴上不是机械负载,而是用一原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速的速度与旋转磁场同方向旋转,如图9—15(c)所示。
此时,转子导体相对于旋转磁场的运动方向与图9—15(b)相反,转子导体中的电势及电流也反向。
由左手定则可知,转子导体所产生的电磁转矩也与转子转向相反,起着制动作用。
为了克服电磁转矩的制动作用,使转子能继续旋转下去,并保持n>nl,原动机就必须不断向电机输人机械功率,而电机则把输人的机械功率转换为电功率输出给电网,此时异步电机成为发电机。
异步发电机运行时,转差率s为负值。
.三相异步电机在制动状态下运行
若在外力作用下,使转子逆着旋转磁场方向转动,如图9—15(d)所示。
比较图9—15(b)和图9—15(d)可见,此时,转子导体相对于磁场的运动方向与电动机运行状态相同,故转子导体中的电势和电流方向仍与电动机状态相同,作用在转子上的电磁转矩方向与旋转磁场方向一致,但却与转子转向相反,起了阻止转子旋转的作用,故称为三相异步电动机的制动运行。
在这种情况下,它一方面消耗原动机的机械功率,同时也从电网吸收了电功率,这两部分功率
均变为三相异步电动机内部的损耗。
制动运行时,由于转子逆着磁场方向旋转,n<0。
则转差率S>1。
在3种运行状态下,转子转速总是与旋转磁场转速(同步转速)不同,因而称为异步电机。
又由于异步电机的转子绕组并不直接与电源相接,而是依靠电磁感应的原理来产生感应电势和电流,从而产生电磁转矩使电动机旋转,因而异步电机又称为感应电机。
实际上,异步电机绝大多数都是作为电动机运行Z异步发电机的性能不如同步发电机优越,因此仅用在特殊场合。
制动运行往往是吊车等设备的一种特殊运行状态。
1.三相异步电动机中各个功率、损耗的含义
电机是机电能量转换的机械,在能量转换过程中必然会有功率平衡关系,必然会有损耗。
当三相异步电动机接在电网上稳定运行时,由电网供给的电功率称为三相异步电动机的输人功率P1。
P1=3U1I1cos
1(9—22)
式中U1——三相异步电动机定子绕组相电压;
I1——三相异步电动机定子绕组相电流;
1——相电压U1与相电流I1之间的相位角;
cos
1——三相异步电动机功率因数。
输入功率中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻上,该部分称为定于绕组铜耗Pcu1
Pcu1=3I
R1(9—23)
式中R1——三相异步电动机定于绕组相电阻。
输入功率的另外一小部分将消耗于定子铁心上,该部分称为铁耗PFe。
转子铁心损耗可忽略不计。
这是因为正常运行时,三相异步电动机转子转速接近旋转磁场的同步转速,转差率s很小,转子铁心中磁通变化的频率很小,再加上转子铁心和定子铁心都是用硅钢片造成,因而转子铁心中铁耗很小。
所以,三相异步电动机的铁耗主要是定于铁心损耗。
输入功率减去定子铜耗和铁耗以后,余下的功率全部送入转子,这部分功率称为电磁功率PM。
电磁功率是借助电磁感应作用通过气隙旋转磁场由定子传递到转子的。
PM=P1-Pcu1-PFe(9—24)
传递到转子的电磁功率,一部分将消耗于转于绕组中的电阻上,这部分功率称为转子绕组铜耗Pcu2
Pcu2=3I
R2(9—25)
式中I2——三相异步电动机转子绕组相电流;
R2——三相异步电动机转子绕组相电阻。
传递到转子的电磁功率减去转子铜耗Pcu2余下的功率,称为全机械功率P全。
P全=PM一Pcu2(9—26)
全机械功率实际上是传递到电机转轴上的机械功率,它是转子绕组中的电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩,带动转子以转速n旋转时所对应的功率。
电机转子转动时,会产生轴承摩擦及风阻等阻力转矩,为克服此阻力转矩将消耗一部分功率,这部分功率称为机械损耗P
。
定子及转子绕组中流过电流时,除产生基波磁通外,还产生高次谐波磁通及其他漏磁通,这些磁通穿过导线、定子及转子铁心、机座、端盖等金属部件时,在其中感应电势和电流并引起损耗,这部分称为杂散损耗Ps。
杂散损耗的大小与气隙的大小和制造工艺等因素有关。
全机械功率减去机械损耗和杂散损耗以后,就是三相异步电动机转轴上输出的机械功率P2。
用P
表示机械损耗和杂散损耗之和,则
P2=P全-P
(9—27)
铁耗PFe、定子绕组铜耗PCu1、转子绕组铜耗PCu2都属于电磁损耗,这三项损耗主要与电机的电磁负荷有关,即与电机中的磁场强度、绕组中的电流大小、铁心和绕组的几何尺寸等有关。
机械损耗P
主要与电机的转速、摩擦系数等因素有关。
以上4项损耗属于电机的基本损耗。
杂散损耗Ps的值很小,一般可以忽略不计。
三相异步电动机从电网吸收电功率,从转轴上输出机械功率,其功率流程图如图9—16所示。
图9—16三相异步电动机功率流程图
从三相异步电动机功率流程图可见:
三相异步电动机的功率平衡方程:
P1=Pcu1+PFe+Pcu2十P
+P2=
∑P+P2(9-28)
电动机的总损耗:
∑P=Pcu1+PFe+Pcu2+P
(9—29)
电磁功率:
PM=Pcu2+P
+P2(9—30)
全机械功率:
P全=P
+P2(9—31)
除以上功率关系外,还可以证明,三相异步电动机的转子绕组铜耗与电率之间存在着一定的关系:
转子绕组铜耗与电磁功率之比等于异步电机的转差率,即:
Pcu2=sPM(9—32)
上式说明,转差率越大,电磁功率中转变为转子铜耗的部分就越大。
转子电阻越大时,转子的铜耗便越大,因此转差率也越大,转速便超低。
根据三相异步电动机功率流程图和式(9—30)、式(9—31)、式(9—32)可知,全机械功率与电磁功率之间的关系为:
P全=PM-Pcu2=(1–s)(9—33)
在三相异步电动机中,输入定子的电能转换为转子上的机械能浇出是通过转子上产生电磁力(载流导体在磁场中的受力),由电磁力产生电磁转矩使转子旋转而实现的。
因此,电磁转矩是电机中能量形态变换的基础。
对于已制造好的异步电动机,电磁转矩的大小与旋转磁场磁通的大小及转于电流大小密切相关。
通过数学分析可知,电磁转矩T的大小与旋转磁场的每极磁通
M及转子电流I2成正比可用公式表示为
T=CT
MI2cos
2(9—34)
上式中CT为电机常数;cos
2为转子的功率因数。
从动力学知道,作用在旋转体上的转矩等于旋转体的机械功率除以它的机械角速度。
因此,在三相异步电动机的功率关系式P全=P
+P2中,两边都除以转子的机械角速度
便得到三相异步电动机的转矩平衡方程式,即
T=T0+T2(9—35)
上式中,电磁转矩T=
,也就是说,在三相异步电动机中,转子转轴上的电磁转矩等于全机械功率除以转子机械角速度;T=
为三相异步电动机的空载转矩,它等于机械损耗与杂散损耗之和除以转子机械角速度;T2=
为三相异步电动机的输出转矩,它等于输出功率除以转子机械角速度。
三相异步电动机的转矩平衡方程表明,电动机稳定运行时,电磁转矩减去空载转矩后,才是电动机转轴上的输出转矩。
由于全机械功率P全=(1-s)PM转子的机械角速度
=(1-s)
1。
1为旋转磁场的同步角速度,则可以得到
T=
=
(9—36)
上式说明,作用在转子上的电磁转矩与通过气隙旋转磁场传递到转子的电磁功率成正比。
电磁转矩既可以用转子的全机械功率除以转子的机械角速度来计算,也可以用电磁功率除以旋转磁场的同步角速度来计算。
前者是从转子本身产生机械功率这一概念导出,由于转子本身的机械角速度为
,所以T=
。
后者则是从旋转磁场对转子作功这一概念出发,由于旋转磁场以同步角速度
1旋转,而旋转磁场为了带动转子旋转,通过气隙传到转子的总功率就是电磁功率,所以T=
异步电动机输出机械功率主要表现在输出转矩和转速上,因此转速或转差率是异步电动机的基本变量之一。
当三相异步电动机的外加定子电压及频率不变,转差率S变化时,电磁转矩T的变化规律曲线T=f(s)称为机械特性。
通过数学分析,可以得到用参数表示的电磁转矩T的计算公式如下:
(9-39)
式中p——极对数;
U1---电动机相电压;
f1——定子频率;
R1,x1б——定子绕组的电阻和电抗;
r2′,x2б′——转子绕组的折算电阻和电抗。
当异步电机的定子电压、频率及各参数都为定值时,改变转差率S的大小,根据用参数表示的电磁转矩计算公式可算出相应的电磁转矩T,可作出机械特T=f(s)曲线,如图9—18所示。
图9—18三相异步电动机的机械特性
由图可见,当1>S>0时,电磁转矩和转子的转速都为正,转子转速小于磁场的同步转速,电机处于电动机运行状态;当S<0时,转子的转速为正,转子转速大于磁场的同步转速,电磁转矩为负,电机处于发电机运行状态;当S>1时,转子的转速为负,电磁转矩为正,电机处于制动运行状态。
通过机械特性曲线,可以看到三相异步电动机具有以下一些特点。
(1)在起动的瞬间,即S=1时的电磁转矩称为起动转矩几。
通过数学分析的方法可知,起动时,电动机的起动电流很大,但转子功率因数很小,而T=
,故起动转矩Tst并不很大。
(2)如果转子达到同步转速,即s=0,则转子电流I2=0,此时的电磁转矩T=0。
(3)当转差率S达到某一值时,电磁转矩达到最大值,称为最大转矩Tm,对应于此时的转差率称为临界转差率Sm,一般异步电动机的Sm=~。
通过数学分析的方法可得到临界转差率Sm和Tm最大转矩的数学表达式如下:
Sm=
(9-40)
Tm=
(9—41)
可见,三相异步电动机的最大转矩与电网电压的平方成正比,最大转矩与转子电阻无关;临界转差率与Sm转子电阻成正比。
(4)转子电阻对T=f(s)曲线的影响。
异步电机转子回路中的电阻不同,其相应的机械特性T=f(s)曲线的形状也不同,起动转矩的大小也不同。
当Sm<1时,随着转子电阻的增加,起动转矩变大;要使起动转矩达到最大转矩sm=1,即:
Sm=
(9—42)
此时在转子回路中应串入电阻的折算值为
。
若转子回路串入的电阻超过该值,Sm>1,说明电动机的起动转矩变小。
(5)对应于额定负载时的转矩称为额定转矩Tn,相应的转差率称为额定转差率Sn。
(6)最大转矩与额定转矩之比,称为电动机的过载能力Km。
,它是衡量电动机过载能力的一个重要指标。
Kst=
(9-43)
一般三相异步电动机的过载能力Km=2-。
(7)起动转矩与额定转矩之比,称为电动机起动转矩倍数Kst
Kst=
(9-44)
希望Kst尽量大一些为好。
JO2系列电动机的Kst=—2,Y
列电动机的Kst=—。
第三章三相双层三绕组布置展开图
双层绕组的每个槽内有上层、下层两个线圈边,每个线圈的一条边嵌放在某一槽的上层,另一条边嵌放在另一槽的下层,整个绕组线圈数正好等于槽数。
双层绕组可以选择最有利的节距,所有线圈具有同样的形状和尺寸,便于制造,端部形状排列整齐,有利于散热和增加机械强度,所以容量较大(10kW以上)的三相异步电动机的定于绕组一般均采用双层绕组。
双层绕组可分为叠绕组和波绕组两种形式。
叠绕组在嵌线时,两个互相串联的线圈,总是后一个叠在前一个上面,所以称为叠绕组。
以下仅举例说明三相双层叠绕组的结构及展开图的绘制方法和步骤。
下面以此例绘出其绕组展开图:
[例9-4]一台三相4极异步电动机,定于绕组为双层叠绕组,定子精数为36,节距Y=7,试绘出其绕组展开图。
【解】
(1)分极、分相
每极所占槽数
=
每极每相槽数
由计算可知,该电机每极下共有9个槽,整个定子可分为12个相带,每相带内有3个槽,采用与【例9-1】相同的方法分极、分相,如图9-12(a)所示。
(2)标出U相线圈有效边的电流方向
图9-12中,实线表示上层边,虚线表示下层边,每个线圈都由一根实线和一根虚线组成,各线圈的编号都用其上层边所在的槽号表示。
设S极下线圈上层边的电流方向向上,则N极下线圈上层边电流方向向下,如图9-12(a)中箭头方向所示。
(3)按绕组节距的要求把同一相的线圈边按电流方向连成线圈并组成极相
对U相绕组来说,因线圈节距Y=7槽,则第1槽的上层边与第8拾的下层被凌荡起来构成线圈1,第2槽的上层边与第9槽的下层边连接起来构成线圈2,以此类推,即可构成定子绕组U相的全部12个线圈。
将线圈1、2、3串联起来,19、20、21串联起来,分别组成了两个对应于S极下的极相组;将线圈10、11、12串联起来,28、29、30串联起来,分别组成了两个对应于N极下的极相组,如图9-12(a)所示。
(4)确定各相绕组的出线端
各相绕组的出线端彼此相隔120°电角度。
由于本题电机的槽距角为
则120°电角度相隔
。
由于U、V、W三相绕组出线端的首端应相隔1200电角度,将U相出线端的首端U1定在第1槽,则V相首端V1在第7槽,W相首端W1在第13槽,如图9-12(b)所示。
(5)顺着电流方向把各极相组连接起来
U相绕组中各线圈的电流方向如图9-12(a)所示,沿电流方向将U相绕组的4个极相组按“头接头,尾接尾”的方法连接起来,便形成U相绕组的展开图,如图9-12(a)所示。
同理,可连成V相绕组和W相绕组从而得到三相绕组的展开图,如图9-12(b)所示。
图
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