修井機(jī)用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)

張炳義，劉博年，馮桂宏，丁宏龍

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870)

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修井機(jī)用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)

張炳義，劉博年，馮桂宏，丁宏龍

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870)

傳統(tǒng)油田修井機(jī)采用柴油機(jī)或異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率低、能耗大、污染高。異步電機(jī)和減速箱組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)低、系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜、噪聲大。永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效節(jié)能，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，可以解決傳統(tǒng)柴油機(jī)以及異步電機(jī)存在的問題。該系統(tǒng)還具有易于控制，運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。通過單星形與雙串星形雙繞組變換的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的寬恒功率調(diào)速。采用特殊表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以削弱電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?？刂粕喜捎瞄]環(huán)矢量控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行以及帶載懸停等功能。

修井機(jī)；永磁電機(jī)；直驅(qū)；恒功率調(diào)速；閉環(huán)矢量控制

油田修井作業(yè)機(jī)主要是用于提升和下放油管及抽油桿，檢測(cè)和維修抽油泵，進(jìn)行井口設(shè)備的安裝和起重輔助[1-2]。目前，我國(guó)的修井機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要有2種：一種是車載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，另一種就是異步電機(jī)加減速箱驅(qū)動(dòng)方式[3]。以柴油機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)修井機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)、角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和卷筒減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩卷筒，以卷揚(yáng)的方式實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)功能[4-5]。柴油機(jī)在無電的情況下可以正常工作，但是空轉(zhuǎn)時(shí)間比較長(zhǎng)，移動(dòng)速度慢，工作效率低、耗能大、污染高。隨著全球性的能源價(jià)格上漲，以柴油機(jī)為動(dòng)力的修井機(jī)的成本也不斷提高[6]。以異步電機(jī)為動(dòng)力的修井機(jī)，整機(jī)采用車載式電驅(qū)動(dòng)、變速箱機(jī)械傳動(dòng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，與柴油機(jī)相比效率有所提高，節(jié)能，環(huán)保，成本低。但是，與永磁電機(jī)相比效率和功率因數(shù)都比較低，耗電量較大，系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜，噪聲大[7-12]。

永磁電機(jī)與異步電機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、性能優(yōu)異、易于控制、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，并且沒有減速箱，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾筒，可使維護(hù)難度及費(fèi)用大幅降低。因此，本文采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)修井機(jī)。

1　油田修井機(jī)用永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

1.1載荷特性

本文基于勝利油田修井機(jī)工程實(shí)例進(jìn)行永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。修井機(jī)在提起抽油桿和油管時(shí)，由于石油的粘滯力等因素，修井機(jī)在提起前幾根油管的時(shí)候需要提供更大的拉力。在工作一段時(shí)間后，由于阻力的減小，修井機(jī)就轉(zhuǎn)為工作在輕載的階段，而且修井機(jī)大部分時(shí)間都是工作在輕載階段，為了保證輕載階段工作的效率，需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高。

電機(jī)在提起重物的過程中需要穩(wěn)定運(yùn)行，不能發(fā)生抖動(dòng)。提起和下放重物的過程很短，電機(jī)要對(duì)控制信號(hào)作出快速的響應(yīng)。由于電機(jī)在吊起重物后不能夠馬上進(jìn)行下放工作，所以電機(jī)要能夠?qū)崿F(xiàn)帶載懸停。

勝利油田對(duì)修井機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同負(fù)載下要求的轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示。

圖1　修井機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)載荷-轉(zhuǎn)速曲線

根據(jù)修井機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，確定了永磁電機(jī)的額定參數(shù)，如表1所示。

表1　修井機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定參數(shù)

1.2永磁電機(jī)的極槽配合

修井機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。與異步電機(jī)不同，永磁電機(jī)可以采用多極結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。多極結(jié)構(gòu)下，如果采用整數(shù)槽繞組，必將導(dǎo)致定子槽數(shù)過多，這樣會(huì)大幅加劇齒槽效應(yīng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的加強(qiáng)，影響電機(jī)低速的平穩(wěn)性。而且，槽數(shù)過多必將導(dǎo)致定子齒寬度的減小，影響齒部飽和程度，進(jìn)而影響電機(jī)性能。同時(shí)，由于槽數(shù)過多，會(huì)影響定子的機(jī)械強(qiáng)度。

永磁電機(jī)可以通過改變磁極形狀來調(diào)整氣隙磁場(chǎng)，因此，不同于異步機(jī)，永磁電機(jī)可以采用分?jǐn)?shù)槽繞組。分?jǐn)?shù)槽繞組能夠減小特定次數(shù)的諧波，減小齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，繞組跨距小，線圈端部長(zhǎng)度可以縮短，易于下線和整形。根據(jù)修井機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽繞組，取極對(duì)數(shù)p=40，定子槽數(shù)Q=96，每極每相槽數(shù)q=0.4。

1.3永磁電機(jī)寬恒功率調(diào)速

修井機(jī)在重載工作時(shí)轉(zhuǎn)速要求40 r/min。修井機(jī)大部分時(shí)間工作在輕載情況下，修井機(jī)的轉(zhuǎn)速為128 r/min，在空鉤的時(shí)候電機(jī)需要達(dá)到的最高速度為300 r/min。電機(jī)需要滿足0 ～300 r/min的轉(zhuǎn)速變化范圍，同時(shí)還需要滿足一定的轉(zhuǎn)矩輸出，保證重物能夠被提起。在轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)與變頻器配合進(jìn)行弱磁擴(kuò)速。但是永磁電機(jī)弱磁擴(kuò)速的范圍是有一定限制的，若想增加電機(jī)擴(kuò)速的需求，同時(shí)滿足轉(zhuǎn)矩需求，就要增加電機(jī)的功率、電壓等級(jí)以及變頻器的容量，但是，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)的功率以及電壓等級(jí)要求是有一定限制的。因此，本文采用一臺(tái)電機(jī)雙繞組結(jié)構(gòu)的方法來進(jìn)行寬恒功率調(diào)速，不增加電機(jī)和變頻器的功率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的升高。

本文采取了單星形和串星形雙繞組接法相切換實(shí)現(xiàn)電機(jī)的寬恒功率調(diào)速。分為兩個(gè)擋位，輕載時(shí)將額定轉(zhuǎn)速定在128 r/min，重載時(shí)將額定轉(zhuǎn)速定在64 r/min。

本文在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，將并聯(lián)支路數(shù)設(shè)計(jì)為a=4，從單元電機(jī)的角度來看，可以看成該電機(jī)是由4臺(tái)單元電機(jī)來組成的。通過4條并聯(lián)支路的不同組合實(shí)現(xiàn)繞組連接方式的改變。

串星形繞組接法如圖2，單星形繞組接法如圖3所示。

圖2　串星形繞組接法

圖3　單星形繞組接法

電機(jī)的繞組工程控制圖如圖4所示，PLC控制檔位切換梯形圖如圖5所示。低速擋10.0閉合時(shí)，Q0.0得電，K1、K3、K5閉合，K2、K4斷開，電機(jī)繞組連接方式為串星形，電機(jī)工作在低速擋。高速擋10.1閉合時(shí)，K2、K4閉合，K1、K3、K5斷開時(shí)，電機(jī)繞組連接方式為單星形，電機(jī)工作在高速擋。

圖4　電機(jī)繞組工程控制圖

圖5　擋位切換梯形圖

所謂的串星形繞組，就是將兩條支路先進(jìn)行串聯(lián)，再將串聯(lián)的兩條支路進(jìn)行并聯(lián)，如圖2所示，此時(shí)的并聯(lián)支路數(shù)a=2。單星形繞組的接法如圖3所示。根據(jù)電機(jī)的空載反電勢(shì)公式，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，電機(jī)的反電勢(shì)也會(huì)相應(yīng)的增高，而變頻器的容量是一定的，變頻器所允許的電壓和電流是一定的，電機(jī)的反電勢(shì)升高是有一定的極限的，變頻器需要增大電機(jī)的直軸去磁電流來減小磁密，從而減小反電勢(shì)。直軸電流的增加會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電流的增加，而變頻器允許的電流值是有一定限制的，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高就會(huì)受到限制。從圖2～3可以看出電機(jī)串星形繞組的匝數(shù)是單星形繞組的2倍，根據(jù)電機(jī)反電勢(shì)公式可以得出，在相同的轉(zhuǎn)速情況下單星形繞組所產(chǎn)生的反電勢(shì)是串星形繞組所產(chǎn)生的反電勢(shì)的1/2。因此，單星形繞組可以將轉(zhuǎn)速提高2倍，此時(shí)的反電勢(shì)才與串星形繞組所產(chǎn)生的反電勢(shì)相同，也就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的擴(kuò)速。雖然這種做法會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，但是由于電機(jī)在高速狀態(tài)下是輕載運(yùn)行，所以不會(huì)影響修井機(jī)正常工作。

1.4環(huán)流的避免

以A相為例，電機(jī)的4條并聯(lián)支路在定子上是沿著圓周均勻分布的，如圖6所示。

圖6　A相繞組支路分布示意

電機(jī)在單星繞組連接時(shí)，實(shí)際上只是將電機(jī)的一半繞組接入電網(wǎng)，也就是說只有一半電機(jī)在工作。在選擇工作繞組時(shí)，如果選擇相鄰的兩條支路，由于電機(jī)只有一半繞組通電，另一半繞組不通電，這樣電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)受到單邊磁拉力的影響而使轉(zhuǎn)子偏心，影響電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。為減小單邊磁拉力的影響，在選取工作繞組時(shí)，選取相對(duì)的兩條支路作為工作繞組，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)子兩邊所受拉力對(duì)稱，可以減小單邊磁拉力的影響。連接方式如圖3所示。

另外，電機(jī)在串星形繞組連接時(shí)，如果將相鄰兩條支路進(jìn)行串聯(lián)，再將串聯(lián)的兩條支路并聯(lián)，由于制造時(shí)不能保證轉(zhuǎn)子與定子嚴(yán)格的同心，以及電機(jī)加工上的其它偏差，會(huì)導(dǎo)致兩條并聯(lián)支路上的電勢(shì)不是完全相等，這樣在兩條并聯(lián)支路間就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。為了削弱環(huán)流的產(chǎn)生，在串星形接法時(shí)將電機(jī)相對(duì)的兩條支路進(jìn)行串聯(lián)，再將兩條支路并聯(lián)，這樣可以使兩條并聯(lián)支路對(duì)稱度增加，減小環(huán)流作用。具體連接方法如圖2所示。

2　永磁電機(jī)仿真分析

本文采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體磁鋼表面的弧度與轉(zhuǎn)子圓心偏心，構(gòu)成不均勻氣隙，由于磁鋼兩邊厚度較小而中間的厚度較大，導(dǎo)致磁鋼中間的磁場(chǎng)強(qiáng)于磁鋼兩邊的磁場(chǎng)，這樣就會(huì)使氣隙磁密波形更加接近正弦波，減小氣隙磁密的諧波含量，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)性能更加穩(wěn)定。

本文通過ANSOFT有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行仿真，分析電機(jī)的性能參數(shù)。

電機(jī)的空載反電勢(shì)波形如圖7所示。

從電機(jī)的反電勢(shì)波形可以看出，由于磁鋼兩邊的厚度偏小而中間厚度偏大，空載反電勢(shì)受氣隙磁密波形的影響，其波形正弦度很好，并無明顯的畸變，電機(jī)的平穩(wěn)性更好。

圖7　電機(jī)的空載反電勢(shì)波形

使用Matlab軟件對(duì)常規(guī)表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及本文所采用的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉分解，得到了兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波所占百分比對(duì)比圖，如圖8所示。

圖8　氣隙磁密諧波百分比

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的空載反電勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解得到圖9，可以從圖中看出，本文采用的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反電勢(shì)諧波含量相比于普通表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反電勢(shì)諧波含量有所減少，諧波含量減少一方面可以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，另一方面也能夠減少電機(jī)永磁體上的渦流損耗。

圖9　空載反電勢(shì)諧波百分比

從圖8中可以很清晰地看出，本文采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波含量明顯小于常規(guī)表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波含量。

3　閉環(huán)矢量控制以及帶載懸停的實(shí)現(xiàn)

修井機(jī)工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要平穩(wěn)的運(yùn)行，不可以產(chǎn)生抖動(dòng)。傳統(tǒng)修井機(jī)在將重物吊起后需要使用機(jī)械抱閘來保證重物的懸停，由于修井機(jī)是在轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下被機(jī)械抱閘抱死，因此，會(huì)影響機(jī)械抱閘的使用壽命。

本文采用匯川變頻器來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，控制方式采用閉環(huán)矢量控制，電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)采用的是id=0的控制方式，單位電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)采用的是弱磁控制，增大直軸去磁電流，保證電壓的平衡，達(dá)到擴(kuò)速的目的。

當(dāng)變頻器頻率為0時(shí)，變頻器會(huì)對(duì)相繞組輸入直流電，使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩來克服重物的重力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶載懸停，然后再用機(jī)械抱閘抱死，這樣可以增加機(jī)械抱閘的使用壽命。

永磁電機(jī)控制電路圖如圖10所示。

圖10　永磁電機(jī)控制電路圖

工作人員通過手柄來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，手柄的信號(hào)輸入到PLC，PLC進(jìn)而改變變頻器的輸出頻率等參數(shù)進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。永磁電機(jī)中裝有編碼器，反饋電機(jī)的參數(shù)給變頻器，進(jìn)行閉環(huán)控制。

4　樣機(jī)試驗(yàn)研究

修井機(jī)用永磁電機(jī)的樣機(jī)已經(jīng)在勝利油田進(jìn)行試驗(yàn)，圖11是油田修井機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)的實(shí)物圖。圖12是修井機(jī)控制柜實(shí)物圖。

圖11　永磁電機(jī)實(shí)物圖

圖12　控制柜實(shí)物圖

試驗(yàn)時(shí)，采用不同質(zhì)量的配重塊來模擬修井機(jī)在油田工作時(shí)的不同負(fù)載。根據(jù)油田修井機(jī)的實(shí)際工作狀況，采用短時(shí)反復(fù)工作制，測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，工作電流，以及溫升情況。

電機(jī)的理論轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖13所示，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖14所示。

負(fù)載實(shí)際上就是大鉤所提升配重塊的質(zhì)量。在高速擋的工作狀態(tài)下，電機(jī)可以滿足修井機(jī)的實(shí)際要求，在指定的負(fù)載下達(dá)到所要求的速度。電機(jī)額定電流180 A，工作時(shí)電機(jī)電流在200 A左右，最高為206 A，在合理范圍之內(nèi)。在環(huán)境溫度28 ℃，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過程中，電機(jī)的溫度沒有超過60 ℃。與變頻器相配合，電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中并無抖動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)行平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)帶載懸停，因此電機(jī)在高速擋是可以正常穩(wěn)定工作的。

圖13　電機(jī)理論轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖14　電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩特性曲線

在實(shí)際工作中，電機(jī)帶動(dòng)600 kN負(fù)載是極其少有的情況，電機(jī)的重載情況主要是300 kN以及400 kN負(fù)載，此時(shí)電機(jī)工作在低速擋狀態(tài)。而且，修井機(jī)工作在重載的時(shí)間很短，所以只是進(jìn)行了短時(shí)間的帶載試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)，電機(jī)可以輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，并能夠滿足一定的轉(zhuǎn)速。額定電流為180 A，電機(jī)在負(fù)載600 kN時(shí)電流達(dá)到214 A，在300 kN以及400 kN負(fù)載時(shí)電流為208 A和210 A，由于重載工作時(shí)間較短，所以該電流是可以接受的。在環(huán)境溫度為28 ℃，短時(shí)間工作的情況下，電機(jī)的溫升可以穩(wěn)定在60 ℃左右。電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中并沒有抖動(dòng)的情況發(fā)生，可以平穩(wěn)地進(jìn)行工作。

5　結(jié)論

1)本文通過對(duì)油田修井機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真分析以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為該系統(tǒng)可以很好地替代傳統(tǒng)的修井機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2)采用多極結(jié)構(gòu)，分?jǐn)?shù)槽繞組，能夠滿足電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求，使電機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)行。

3)采用單星與串星相結(jié)合的繞組結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍，使電機(jī)可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的電流得到了很好地控制，在運(yùn)行中保持在合理的范圍之內(nèi)。

4)通過繞組對(duì)稱連接方式，削弱了環(huán)流以及單邊磁拉力的影響。

5)將磁鋼加工成特殊形狀，采用不均勻氣隙，通過有限元軟件進(jìn)行仿真分析，空載反電勢(shì)波形正弦度好，與傳統(tǒng)表貼式相比，氣隙磁密以及反電勢(shì)諧波有明顯減少，可以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

6)采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)矢量控制，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)速度快。不需要機(jī)械抱閘，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)帶載懸停。

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Low-speed and High-torque Permanent Magnetic Motor Direct Drive System for Oil Field Workover

ZHANG Bingyi，LIU Bonian，F(xiàn)ENG Guihong，DING Honglong

(School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The traditional oil field workover adopts a diesel engine or asynchronous motor as the drive.The diesel engine driving system has low efficiency，high energy consumption and high pollution.The drive system of the induction motor with the gearbox has low power factor，system maintenance is complex and the noise is large.Permanent magnetic motor direct drive system has the advantages of simple structure，high efficiency and energy saving，system maintenance is simple and the noise is low.Permanent magnetic motor direct drive system can solve the problem of traditional diesel engine and asynchronous machine.At the same time，the system also has the advantages of easy control and stable operation.The wide range of constant power expansion of the motor is realized by using the transformation of single star winding and double star winding.The torque ripple of the motor can be reduced by using a special form of surface mounted rotor structure.The closed-loop vector control is adopted to realize the stable running of the motor and the function of cease with load.

workover；permanent magnetic motor；direct drive；constant power expansion；closed loop vector control

1001-3482(2016)05-0047-06

2015-11-10

張炳義(1954-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械裝備低速大轉(zhuǎn)矩及低壓、低速大功率永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)。

TE935

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.010