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高壓直流軸向混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的 結(jié)構(gòu)及特性分析*

2022-08-06 08:36馬昕晨陳志輝
電氣工程學(xué)報(bào) 2022年2期
關(guān)鍵詞:永磁體勵(lì)磁定子

馬昕晨 陳志輝

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 210016)

1 引言

隨著多電飛機(jī)的快速發(fā)展,270 V高壓直流電源系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、使用安全等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為航空電源系統(tǒng)的主流,高壓直流發(fā)電機(jī)也成為多電飛機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵之一[1]。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)看,可作為航空起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的主要有三級(jí)式無(wú)刷同步電機(jī)、永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和雙凸極電機(jī)。

三級(jí)式無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由主發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)和永磁副勵(lì)磁機(jī)組成,其中主發(fā)電機(jī)是電勵(lì)磁同步電機(jī),不具備獨(dú)立發(fā)電的能力,電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有旋轉(zhuǎn)整流器,勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流后給主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積質(zhì)量大,影響電源系統(tǒng)可靠性,且對(duì)熱設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)要求較高[2];永磁電機(jī)故障滅磁困難,且永磁材料的磁場(chǎng)特性隨溫度變化較大;混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)由永磁體和勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生電機(jī)主磁場(chǎng),解決了永磁電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)困難以及電勵(lì)磁電機(jī)效率低、不能獨(dú)立發(fā)電的問(wèn)題,且雙凸極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,適用于高速運(yùn)行,引得國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[3-5]。

文獻(xiàn)[6]提出了一種新型的12/8極磁路獨(dú)立式的混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu),該電機(jī)定子有兩并列的電樞鐵心,一段為永磁勵(lì)磁,另一段為電勵(lì)磁,電樞繞組兩段共用,實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁;文獻(xiàn)[7-8]中,永磁體和勵(lì)磁繞組均放置在定子上,且之間留有一定尺寸的導(dǎo)磁橋,為電勵(lì)磁繞組提供額外的并聯(lián)磁分路;文獻(xiàn)[9]中,勵(lì)磁繞組和電樞繞組均放置于所有定子槽內(nèi),永磁體放置于槽口,形成磁通并聯(lián)效果;文獻(xiàn)[10]提出一種單定子-雙轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu),外側(cè)轉(zhuǎn)子與中間定子組成電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)

(Doubly salient electro-magnetic machine,DSEM),內(nèi)轉(zhuǎn)子與中間定子組成永磁雙凸極電機(jī)(Doubly salient permanent-magnetic machine,DSPM),兩者磁路相互獨(dú)立。這幾種電機(jī)勵(lì)磁繞組占用定子槽,電樞繞組的有效槽面積減小,電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度減小。為解決該問(wèn)題,文獻(xiàn)[11]在傳統(tǒng)含導(dǎo)磁橋的混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)基礎(chǔ)上,將勵(lì)磁繞組與電樞繞組放置在不同的定子槽內(nèi),避免繞組重疊,電機(jī)體積過(guò)大;文獻(xiàn)[12]的雙永磁混合勵(lì)磁電機(jī),轉(zhuǎn)子和定子上都附有徑向磁化的永磁體,定子電樞繞組需要通入具有直流偏置的交流電流。以上幾種電機(jī)均為徑向雙凸極電機(jī),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且電機(jī)調(diào)磁范圍受勵(lì)磁槽面積限制,增大調(diào)磁范圍與縮小電機(jī)體積矛盾。

本文結(jié)合混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)與軸向磁場(chǎng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),提出一種新型軸向混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)(Axial hybrid excitation doubly salient machine,AHEDSM),并對(duì)該新型電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究,根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定了電機(jī)基本尺寸,通過(guò)等效磁路模型分析電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力,并運(yùn)用三維有限元法詳細(xì)驗(yàn)證了電機(jī)的空載特性和負(fù)載特性,為該電機(jī)后續(xù)的控制和運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)和基本工作原理

AHEDSM結(jié)構(gòu)如圖1所示,由雙定子鐵心,雙轉(zhuǎn)子鐵心,內(nèi)、外導(dǎo)磁體,永磁體,直流勵(lì)磁繞組,電樞繞組部件組成。電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊壓而成,均為凸極結(jié)構(gòu)。定子鐵心分為上下兩段,沿軸對(duì)稱放置,每段定子鐵心等分為4份,每份包含三個(gè)定子齒,分別為A、B、C三相。電樞繞組為集中繞組,嵌放在上下兩側(cè)定子齒上,每相對(duì)應(yīng)的4個(gè)繞組串聯(lián),形成三相繞組;上下轉(zhuǎn)子同樣沿軸放置,并相互措開(kāi)180°電角度,轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組。勵(lì)磁繞組為集中式環(huán)形繞組,放置于雙轉(zhuǎn)子鐵心之間。定子外側(cè)導(dǎo)磁體同樣等分為4份,永磁體放置在相對(duì)的兩片外導(dǎo)磁體中央。該瓦片狀永磁體為軸向磁化,且兩片永磁體磁化方向一致。

圖1 AHEDSM電機(jī)結(jié)構(gòu)

定子鐵心及外導(dǎo)磁體分隔為4份,每份磁路相互獨(dú)立,且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,每份的定轉(zhuǎn)子齒相對(duì)位置一致,保證每相4個(gè)繞組串聯(lián),感應(yīng)電勢(shì)正向疊加。三相定子齒和轉(zhuǎn)子齒重疊角恒定,與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。

電機(jī)工作原理如圖2所示。圖2a為永磁勵(lì)磁的磁通路徑,根據(jù)磁通最小原理,永磁體磁通沿圖示箭頭路徑經(jīng)過(guò)外導(dǎo)磁體進(jìn)入上定子及上轉(zhuǎn)子,通過(guò)內(nèi)導(dǎo)磁體后再依次通過(guò)下轉(zhuǎn)子和下定子,最后回到外導(dǎo)磁體,形成回路。由于磁通在上下兩段中穿行方向相反,任一繞組匝鏈的磁通為上下定子齒通過(guò)的磁通之差,上下轉(zhuǎn)子鐵心措開(kāi)180°電角度,上定子齒通過(guò)磁通最大值對(duì)應(yīng)著下定子齒通過(guò)磁通為0,從而保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電樞繞組匝鏈的磁通在正負(fù)最大值之間按周期變化,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生幅值和相位交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電勵(lì)磁磁通路徑類(lèi)似,如圖2b所示。由于永磁體磁阻相對(duì)較大,所以大部分磁通經(jīng)過(guò)未嵌有永磁體的兩片外導(dǎo)磁體,再經(jīng)過(guò)磁阻最小的上下定轉(zhuǎn)子和內(nèi)導(dǎo)磁體形成回路。

圖2 AHEDSM工作原理

設(shè)計(jì)電機(jī)為三相,12/8極,額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min,額定直流電壓270 V,額定功率5 kW。根據(jù)上述分析,選擇電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 AHEDSM電機(jī)尺寸

根據(jù)上述分析,該電機(jī)拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)磁鏈雙極性變化,改變勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)電機(jī)増磁或去磁,這將通過(guò)磁路模型進(jìn)一步分析。

3 磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理

AHEDSM電機(jī)存在永磁勵(lì)磁源和電勵(lì)磁源兩種勵(lì)磁源,兩種勵(lì)磁源磁場(chǎng)在氣隙中相互疊加,形成電機(jī)主磁場(chǎng)[13]。

施加勵(lì)磁電流后,電勵(lì)磁磁通有兩條路徑,一條路徑為永磁磁勢(shì)與電勵(lì)磁磁勢(shì)串聯(lián),另一條路徑僅有電勵(lì)磁。當(dāng)勵(lì)磁電流為正時(shí),電勵(lì)磁方向和永磁勵(lì)磁方向相同,電勵(lì)磁磁路磁阻小,產(chǎn)生大量磁通,永磁磁路磁阻雖大,但串聯(lián)電勵(lì)磁磁勢(shì)后,磁通也會(huì)增加,電機(jī)總磁通變大。當(dāng)勵(lì)磁電流為負(fù)時(shí),電勵(lì)磁磁路部分磁通方向反向,永磁磁路部分若電勵(lì)磁磁勢(shì)為抵消全部永磁磁勢(shì),磁通變小但方向不變,繞組串聯(lián)后永磁磁路的磁通與電勵(lì)磁磁路的磁通相加,總磁通變小。

圖3為AHEDSM的等效磁路圖。

圖3 AHEDSM等效磁路圖

忽略電機(jī)漏磁,其中Fm為永磁體等效磁勢(shì),F(xiàn)If為電勵(lì)磁等效磁勢(shì),Rm為永磁體等效磁阻,Rot(t=1, 2, 3)為外導(dǎo)磁體等效磁阻,Ri為內(nèi)導(dǎo)磁體等效磁阻,Rst(t=1, 2, 3)為定子等效磁阻,Rrt(t=1, 2, 3)為轉(zhuǎn)子等效磁阻,Rδt(t=1, 2, 3)為氣隙等效磁阻。Φm為永磁體磁通,Φe1和Φe2為電勵(lì)磁磁通。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,永磁磁勢(shì)保持不變,當(dāng)永磁體單獨(dú)勵(lì)磁時(shí),F(xiàn)If=0,根據(jù)磁通最小原理

以A相為例,其匝鏈的磁鏈為

Φmn(n=1, 2, 3, 4)為A相4個(gè)定子齒通過(guò)的磁通,N為電樞繞組匝數(shù)。永磁勵(lì)磁磁通僅通過(guò)含有永磁體的兩部分磁路,Φm2=Φm4=0。

當(dāng)永磁磁勢(shì)和電勵(lì)磁磁勢(shì)共同作用時(shí)

A相匝鏈的磁鏈為

設(shè)増磁與弱磁磁場(chǎng)調(diào)節(jié)系數(shù)

根據(jù)式(1)、(3)、(4)得

由式(7)可以看出,在一定的永磁磁勢(shì)下,對(duì)于一定的磁通調(diào)節(jié)范圍,所需的勵(lì)磁電流是永磁體磁阻Rm和氣隙等效磁阻Rδ的函數(shù)。當(dāng)Rm固定后,氣隙長(zhǎng)度越大或氣隙截面積越小,Rδ越大,相同的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍所需的電勵(lì)磁磁勢(shì)越小,但Rδ增大也會(huì)導(dǎo)致氣隙磁密減小,磁場(chǎng)利用率變低;同理,當(dāng)Rδ一定時(shí),永磁體寬度越小,厚度越大,Rm越小,相同調(diào)磁范圍所需的直流勵(lì)磁磁勢(shì)越小,但同時(shí)永磁體磁勢(shì)也會(huì)下降。所以需要合理選擇電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),得到合適的Rm和Rδ值,從而獲得更高的調(diào)磁效率。

根據(jù)目前的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),永磁體磁勢(shì)約為7 560 A,永磁體單獨(dú)勵(lì)磁的氣隙磁密大小約為0.63 T,若要實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)滅磁,所需的勵(lì)磁電流約為-1.8 A。但上述分析基于簡(jiǎn)化的等效磁路模型,與實(shí)際情況會(huì)有一定偏差,后文的電機(jī)特性分析將做進(jìn)一步說(shuō)明。

4 有限元分析

在ANSYS仿真軟件中搭建其三維有限元模型,并進(jìn)行空載特性和負(fù)載特性分析,以驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性[14]。

4.1 空載磁場(chǎng)分析

圖4給出了空載時(shí)If=5 A磁場(chǎng)分布圖,此時(shí)B相下定子齒與下轉(zhuǎn)子齒重合,通過(guò)磁鏈最大,上定子齒處于兩轉(zhuǎn)子齒之間,通過(guò)磁鏈幾乎為0。結(jié)合四張電機(jī)不同組件的磁通路徑圖可以看出,磁力線通過(guò)內(nèi)外導(dǎo)磁體形成回路,電勵(lì)磁磁鏈主要通過(guò)不 含永磁體的外導(dǎo)磁體,與設(shè)想的磁力線走向一致,電機(jī)端部存在漏磁,由于聚磁效應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒相對(duì)飽和。

圖4 AHEDSM空載磁場(chǎng)分布圖

圖5為空載且不同勵(lì)磁電流下磁密沿氣隙圓周的分布,轉(zhuǎn)子位置與圖4c對(duì)應(yīng),由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu),磁密分布不規(guī)則,且諧波含量較大。永磁體單獨(dú)勵(lì)磁時(shí),電勵(lì)磁磁路上磁密近似為0,永磁磁路上的氣隙磁密可達(dá)0.5 T,與磁路分析結(jié)果相比略小,這是因?yàn)樵诖怕贩治鲋泻雎粤髓F心與內(nèi)外導(dǎo)磁體的磁阻;當(dāng)勵(lì)磁繞組中通入5 A正向電流時(shí),電勵(lì)磁磁路上氣隙磁密達(dá)1 T,永磁磁路上直流勵(lì)磁磁密與永磁磁密疊加,達(dá)0.8 T。

圖5 氣隙磁密波形

4.2 磁鏈和反電勢(shì)分析

圖6為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下不同勵(lì)磁電流時(shí)的B相空載磁鏈波形。電機(jī)磁鏈為雙極性,正弦度較高,勵(lì)磁電流為正,磁鏈增大,電機(jī)逐漸飽和時(shí),磁鏈增加幅度變?。粍?lì)磁電流為負(fù),磁鏈減小,If= -1.5 A時(shí),磁鏈幾乎為0;勵(lì)磁電流繼續(xù)負(fù)向增加,磁鏈也反向增大。

圖6 AHEDSM空載B相磁鏈波形

根據(jù)電磁感應(yīng)定律,電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電 勢(shì)為

圖7為電機(jī)B相空載反電勢(shì)波形,波形幅值隨勵(lì)磁電流變化規(guī)律同磁鏈一致,但相比于磁鏈波形,電機(jī)反電勢(shì)含有大量的諧波,If= -1.5 A時(shí),反電勢(shì)幾乎降為0。

圖7 AHEDSM反電勢(shì)波形

上述分析結(jié)果表明,新型AHEDSM電機(jī)通過(guò)勵(lì)磁電流可以對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié),而且在發(fā)生短路故障時(shí),可以通過(guò)不大的負(fù)向勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)的滅磁,避免故障擴(kuò)大。

4.3 電感分析

電感是電機(jī)性能的重要特性參數(shù)。以B相為例,相間自感為

式中,Lbb為B相自感;N為電樞繞組匝數(shù);Λb為B相磁路磁導(dǎo),可近似等于B相氣隙磁導(dǎo)Λδ。氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化,所以電樞自感是位置角的函數(shù)。電樞繞組自感最大值對(duì)應(yīng)繞組匝鏈磁通為零的位置,此時(shí)磁場(chǎng)最弱,繞組因通入電流而匝鏈的磁通增量最多,對(duì)應(yīng)飽和自感達(dá)到峰值;繞組匝鏈磁通最大處,通入電樞電流后合成磁場(chǎng)飽和嚴(yán)重,繞組實(shí)際磁通增量最少,此時(shí)電感最小。

傳統(tǒng)的雙凸極電機(jī)定子鐵心為一個(gè)整體,穿入某相的一個(gè)繞組的磁通會(huì)從該相的另一個(gè)繞組穿出,形成回路,感應(yīng)出數(shù)值相同但極性相反的電動(dòng)勢(shì),磁通不會(huì)通過(guò)相鄰相,所以互感很小。AHEDSM電機(jī)磁路等分為四份,每份中每相僅有一個(gè)線圈,穿入該線圈的磁通分成兩部分,從相鄰兩相穿出,所以AHEDSM存在相間互感。

圖8為電機(jī)空載時(shí)三相自感和互感曲線。由圖8可見(jiàn),電樞繞組電感與轉(zhuǎn)子位置有關(guān),且一個(gè)電周期內(nèi)三相電感有兩個(gè)變化周期,由繞組互補(bǔ)性疊加產(chǎn)生。因?yàn)锽相處于A、C兩相之間,漏磁相對(duì)較小,其自感和互感約較其余兩相大。

圖8 AHEDSM空載時(shí)電樞繞組自感和互感(If=0)

4.4 輸出電壓分析

AHEDSM作為高壓直流發(fā)電機(jī),需要外接整流器,輸出直流電能。圖9給出了二極管不控三相橋整流電路拓?fù)洹?/p>

圖9 AHEDSM控制電路拓?fù)?

圖9中,ua、ub、uc分別為PWM三相輸入電壓,ia、ib、ic分別為AHEDSM三相輸出電流,Ro為直流側(cè)等效負(fù)載,Uo為輸出直流電壓,輸出端無(wú)濾波電容。

令Ro無(wú)窮大,得到電機(jī)空載直流輸出電壓,如圖10所示。圖10a為不同勵(lì)磁電流下輸出電壓波形,由于相感應(yīng)電勢(shì)非方波且諧波畸變率較大,所以其整流輸出電壓存在電壓脈動(dòng)。

由電壓脈動(dòng)的定義

可得空載電壓脈動(dòng)約為50%;圖10b為輸出隨勵(lì)磁電流變化曲線圖。隨勵(lì)磁電流增長(zhǎng),輸出電壓增大并逐漸趨近于穩(wěn)定;當(dāng)If達(dá)12 A時(shí),電機(jī)趨于飽和,此時(shí)輸出直流電壓約為440 V。If為-1.5 A時(shí),輸出電壓降為0,勵(lì)磁電流繼續(xù)負(fù)向增長(zhǎng),輸出電壓增大,由此可看出電機(jī)具有較寬的調(diào)壓范圍。

圖10 AHEDSM空載時(shí)輸出電壓

4.5 負(fù)載特性分析

圖11給出了電機(jī)在純阻性負(fù)載下,不同勵(lì)磁電流時(shí)的外特性、輸出功率特性曲線。If=18 A時(shí)的電壓調(diào)整率約為69%,最大功率點(diǎn)28 A,7.9 kW;If=6 A時(shí)的轉(zhuǎn)折輸出電流為21 A,電壓調(diào)整率約為24.7%,最大功率點(diǎn)21 A,4.4 kW,此時(shí)輸出電壓約為210 V。圖12為Uo=270 V時(shí)的調(diào)節(jié)特性曲線。保持負(fù)載電壓不變,勵(lì)磁電流隨負(fù)載電流增大而增大;負(fù)載電流越大,電機(jī)越飽和,所需要的勵(lì)磁電流越大,曲線斜率越大。由此可看出AHEDSM滿足270 V高壓直流電源時(shí)輸出功率5 kW的設(shè)計(jì)要求,且在不同負(fù)載下可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流穩(wěn)定輸出電壓。

圖11 AHEDSM負(fù)載特性

圖12 Uo=270 V時(shí)的調(diào)節(jié)特性曲線

該電機(jī)勵(lì)磁電流最大為18 A,電樞電流最大可達(dá)40 A,最大功率為7.9 kW,6 000 r/min時(shí)功率密度為1 639.55 kW/m3,12 000 r/min時(shí)功率密度為3 279.09 kW/m3,此時(shí)電機(jī)鐵損176.62 W,銅損130.16 W,總損耗306.78 W,則電機(jī)效率可達(dá)96.3%。表2給出了一臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)和一臺(tái)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的參數(shù)[15-16]。

表2 航空發(fā)電機(jī)參數(shù)

從表2中可以看出,在具有相近轉(zhuǎn)速的情況下,本文所提電機(jī)軸長(zhǎng)更短,體積較小,功率密度較高,可達(dá)到較高功率。

5 結(jié)論

本文研究了一種新型軸向混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī),介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理,利用等效磁路模型對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理做了詳細(xì)說(shuō)明,并搭建三維有限元模型進(jìn)行空載和負(fù)載仿真,分析并計(jì)算電機(jī)靜態(tài)特性,驗(yàn)證該電機(jī)設(shè)計(jì)方法和理論分析的正確性,表明軸向混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)具有如下特點(diǎn)。

(1) 電機(jī)定轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,惡劣環(huán)境工作能力強(qiáng),特別適用于高速運(yùn)行,混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)不依賴外部電源的自勵(lì)發(fā)電,可運(yùn)用于航空發(fā)電系統(tǒng)。

(2) 電機(jī)主氣隙磁場(chǎng)由永磁體和電勵(lì)磁源共同產(chǎn)生,永磁磁場(chǎng)和電勵(lì)磁磁場(chǎng)相互獨(dú)立,避免電勵(lì)磁磁勢(shì)對(duì)永磁體的影響,具有高效的調(diào)磁性能。

(3) 電機(jī)采用雙定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),磁鏈雙極性變化且正弦度較高,可通過(guò)控制勵(lì)磁電流大小和方向?qū)崿F(xiàn)寬范圍調(diào)壓,且調(diào)壓過(guò)程中磁鏈仍能保持良好的正弦度,保證電機(jī)在正常或弱磁情況下都具有良好的運(yùn)行狀態(tài)。

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