CN101651387A - 制造转子的方法和用于制造异步电动机转子的转子叠片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造转子的方法及用于制造异步电动机转子的转子叠片结构。具体地,提供了一种制造异步电动机转子的方法,其中,制成由堆叠的片材金属元件(8)构成的转子芯(7),将该堆叠的片材金属元件(8)的开口布置成覆盖在彼此之上以形成狭槽,将导电材料铸造在该狭槽内,由此在该转子芯(7)的两个前侧上形成短路环(12、13)。致力于实现良好的效率,还有大批量生产的可能性。为了该目的,所提供的是,在转子芯(7)的轴向端部的区域中生成围绕中心轴线(37)的环状通道(20),所述环状通道(20)在该轴向端部的方向上开口,并且被填满导电材料,去除该环状通道(20)的径向内壁(25)。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造异步电动机转子的方法,其中,制成由堆叠的片材金属元件构成的转子芯,开口被布置成覆盖在彼此之上以形成狭槽,将导电体铸造在该狭槽内,从而在该转子芯的两个前侧(front side)上形成短路环。
此外,本发明还涉及用于制造异步电动机转子的转子叠片结构,其包括若干堆叠的片材金属元件,并且开口被布置成覆盖在彼此之上以形成狭槽。
背景技术
在异步电动机中,旋转磁场生成在定子绕组中。旋转磁场在转子中感应出电流,所述电流会生成磁场。简言之,来自定子的旋转磁场然后带着转子中的磁场,使得转子开始转动。在该连接中,转子的转子芯包括磁导通材料,优选为单独的、堆叠的片材金属元件,其相对于彼此电绝缘,以防止涡电流的生成。相反,转子电流应当形成在位于狭槽内的导体中。为了允许“回流”,在两个前侧上布置有短路环。这种实施例本身是公知的。
不过,在与转子(因为常常用在例如密封包围的制冷剂压缩机的驱动电动机的情形中,所以该转子仅由一个轴承支撑)的连接中,对短路环及导体进行引导以便能实现最佳的电流流动是比较困难的。特别是在短路环(其相邻于承载了转子轴轴承的轴承座)处,因为电流必需围绕该轴承座流动,所以电流不得不流动相对较长的距离以便从一个导体到达另一个导体。这对效率具有消极影响。
DE 692 06 626 T2描述了在转子的轴向长度上提供具有不同截面的电导体的有利因素,其中该电导体由导电材料制成。电导体在转子容纳轴承的区域中比在其余区域中具有更小的截面。
US 2007/0069601 A1描述了为提高效率并实现改善的电动机性能,在相邻于轴承座的区域中提供具有弯曲表面的转子短路环的可能性。
DE 602 18 217 T2描述了依靠模铸加工来制造转子的可能性,在所述制造期间将转子叠片结构中的狭槽填满导电材料(例如,液态铝),并且同时制成短路环。
发明内容
本发明是基于这样的任务,即,实现与大批量生产相关的良好效率。
采用在介绍中提及的方法,该任务得以解决,其中在转子芯的轴向端部区域中生成围绕中心轴线的环状通道,该环状通道沿着该轴向端部的方向开口,并且被填满导电材料,随后该环状通道的径向内壁被去除。
采用该方法,制成短路环的轴向延长部,该轴向延长部被布置在该转子芯的轴向端部处,该延长部延伸进入到转子的孔内,在该孔内最后布置有转子轴。这样,在转子的可能的最小内径处,可获得具有相对较大截面的导电体,使得虽然电流将还是围绕该轴承座的外部流动,但是能沿着相对较短的路径。当仅仅在转子芯的轴向前侧上提供短路环时,该路径无论如何都比可能存在的任何路径更短。不过,这样的短路环延长部的制造并非是没有问题的,特别是与为了密封包围的制冷剂压缩机所用的异步电动机所需要的大规模生产相关时。由于在转子叠片结构中形成有环状通道,所以可以轻易地制成该延长部。因此,该环状通道就是模具,在其中制成短路环的延长部。随后,当例如导电材料已经硬化时,可以去除该环状通道的内壁,使得延长部实际上被布置在转子的可能的最小内径处,该可能的最小内径还由轴承座来确定。因为在短路环延长部的径向内侧(并因此在该短路环的径向内侧)不再有可用的转子区域(这样的转子区域可能会以不期望的方式影响磁场),所以会导致有利的磁状况。
优选地,环状通道在其圆周壁内形成有若干径向外突的凹陷部。这样,当导电材料被注入环状通道时,该导电材料还进入到这些凹陷部中,因此,从某种意义上讲,接合了转子芯。由此,保护绕组头部的延长部抵抗相对于转子芯旋转,这对进一步的加工处理有着有利的影响效果。
优选地,通过将圆形片材金属板彼此一个堆叠在另一个之上来制成环状通道。有利的是,这些圆形片材金属板具有与形成相应的转子芯轴向段的片材金属元件一样的相同厚度。通过将片材金属元件与圆形片材金属板彼此简单地抵靠压紧,就能够在轴向方向上实现所期望的厚度,并且使得在注射模铸期间导电材料不能渗透到各单独的片材金属元件之间或者圆形片材金属板之间,而是将狭槽和环状通道填满导电材料。
优选将圆形片材金属板制成片材金属元件的一部分,依靠径向地从内向外延伸的台阶(steps)将圆形片材金属板连接到片材金属元件,其中将堆叠的片材金属元件以这样的方式相对于彼此偏置一定角度,即沿着圆周方向它们的台阶具有预定的角度距离。因此,确保了圆形片材金属板具有与片材金属元件一样的厚度。依靠这些优选沿着径向方向延伸的台阶,圆形片材金属板被固定在片材金属元件上。如果现在将所有的片材金属元件堆叠起来,使这些台阶将会恰好一个位于另一个之上,那么沿着轴向方向将会产生环状通道的中断部。由此,将单独的片材金属元件沿着圆周方向以预定的角度距离加以偏置,使得导电材料在环状通道内能够自由扩散,并且沿圆周方向形成连续的导电体。这样,具有相对较小截面的单独的台阶既不会干扰电流流动,也不会干扰转子芯的磁特性。总之,当稍后圆形片材金属板被去除时(也就是,当环状通道的径向内壁被去除时),仅在短路环的延长部中保留恰好的材料面积,该材料通常为铁金属片材,并且圆形片材金属板由该材料制成。
优选地,依靠切削加工来去除该内壁,特别是钻孔或者车削。这样的切削加工是一种去除内壁的简单途径,在关于大批量生产时也是如此。它仅仅需要选择抵达环状通道内部的钻孔直径。在钻孔或车削(或者另外的处理)之后,由电导体形成了先前环状通道区域内的孔的圆周。接着,该电导体的内侧能继续延伸到该转子叠片结构没有台阶的内部中。
在替代性的实施例中,提供了依靠模具转子芯形成的环状通道。当导电材料被模铸到狭槽内(由此在转子芯的两个前侧上形成短路环)时,无论如何都必需使用限定了短路环外部形状的模具。该模具现在能设置插在转子叠片结构中心开口内的模具芯,在这里该模具芯可以,例如密封台阶。当导电材料接着被注入到狭槽内时,该模具芯形成用于环状通道的内壁,在该环状通道中能够聚集导电材料。这是一种制造向内的短路环轴向延长部的简单方式。在模铸加工结束之后,从转子中拔出该模具芯。取决于模铸加工是否已经实现短路环轴向延长部所期望的形状,可以就如此保留该轴向延长部,或者对孔进行处理,例如通过钻孔或切削。
优选地,至少一个片材金属元件被布置在环状通道的轴向内端的区域中,所述片材金属元件包括至少一个径向向外引导的通风通道。这样的通风通道能够确保在模铸期间环状通道几乎完全填满导电材料。如果,例如铝或另外的熔融金属被注入环状通道,则环状通道中存在的空气能够经由该通风通道逃逸到外部。然后,导电材料将还会填充该通风通道。不过,因为通风通道具有相对较小的截面,所以通风通道内的导电材料将只在可接受的程度干扰磁场。
优选地,通风通道终止在一个狭槽中。这具有这样的优点,即在对应的片材金属元件中不必再提供径向的狭槽,因为这么做可能会损害片材金属元件的机械稳定性。相反,片材金属元件在单独的狭槽之间没有中断。
优选地,经由轴向通道将通风通道连接到环状通道,并且填满导电材料,去除内壁也会去除轴向通道内的导电材料。这具有这样的优点,即在转子芯或狭槽内电导体的径向外部与短路环延长部之间不会发生连接。相反,当去除轴向通道内存在的电导体时,该连接将被打破。
优选地,为了通风通道的生成,片材金属元件的一定区域被去除,并且将一金属片材***到由此形成的开口中,所述金属片材到该开口的边缘具有预定的距离。采用该方法,通风通道的截面能够被制造得相对较小,且无需使用昂贵的冲压工具。举例而言,可以通过冲压来制造该开口。
优选地,在转子芯内部使用片材金属元件,该片材金属元件具有中心开口,该开口的内径大于连接到该转子芯的轴的外径。该扩大的内径允许,例如,切削工具能够伸入到转子叠片结构中相对较深处,而不会损坏片材金属元件,该片材金属元件最终将被固定在该转子轴上。
采用在介绍中所提及的转子叠片结构,该任务得以解决,其中在开口内径向地提供了围绕中心轴线的环状通道。
如上所述,关于制造加工,在将导电材料注入狭槽内期间(即,在导电材料制造期间),同时用导电材料填满环状通道以制成位于转子叠片结构的该轴向端部处的短路环延长部是可能的。稍后,该环状通道的径向内壁能够被去除,使得存在于环状通道内的导电材料实际上形成被布置在可能的最小直径处的短路环延长部。
优选地,环状通道在其圆周壁内具有若干径向外突的凹陷部。当导电材料被注入环状通道内时,这些凹陷部也被填满。这样,当导电材料已经硬化时,这导致导电材料接合转子芯。该接合导致该环状通道内的导电材料对于抵抗相对于该转子芯的旋转具有相对较大的抵抗力。因此,可以采用切削变形来去除环状通道的径向内壁,而不存在这样的风险,即环状通道内的导电材料的旋转将会导致从短路环上撕掉该短路环的延长部。
优选通过从内向外径向延伸的台阶来穿过环状通道,所述相邻片材金属元件的台阶具有距离彼此的预定角度距离。这些台阶使形成圆形片材金属板的环状通道的径向内壁是可能的,其中该圆形片材金属板被连接到片材金属元件。这具有这样的优点,即圆形片材金属板具有与片材金属元件一样的厚度,使得当堆叠片材金属元件时,环状通道也同时形成,并且对于被注入的导电材料而言该环状通道就像狭槽一样紧密。由于台阶沿着圆周方向相对于彼此偏置,所以随后的导电材料注入会导致在圆周方向上没有间断的电导体,并且形成短路环的延长部。
优选地,台阶是径向向外逐渐变细的。这样,它们能够足够稳定地将圆形片材金属板固定到片材金属元件。然后,当去除圆形片材金属板,且已经被注入到环状通道内的导电材料的一部分也被去除时,台阶的较宽部分也将被沿着圆周方向去除,使得在加工完成的转子中台阶的剩余部分不再具有显著的电效应或者磁效应。
优选地,在环状通道的轴向内侧上的至少一个片材金属元件具有至少一个朝向外部开口的通风通道。这样,该至少一个朝向外侧开口的通风通道能够确保当用导电材料填满环状通道时,环状通道内的空气能够逃选。由此,在环状通道内制成的电导体中形成气泡或气体包含的风险相对较小。
优选地,通风通道终结在一个开口中。这意指通风通道终结在转子芯的一个狭槽中。当为了电导体的模铸,将转子芯竖向对齐到其轴线,且环状通道被沿重力方向布置在该转子芯的上端部处时,在用导电材料(例如,液态铝)填充环状通道与狭槽时,导电材料将会同时流入到环状通道和狭槽中。不过,通风通道具有开口,其在某个时间段内允许空气从环状通道内逃逸,也就是说,直到导电材料已经在狭槽内或对应的狭槽内达到封闭通风通道的填充水平时。必需假定的是,在该时刻环状通道已经被完全填充导电材料。
优选的是,经由从环状通道的径向内部区域延伸的轴向通道将通风通道连接到该环状通道。这样,将通风通道直接连接到环状通道就不是绝对需要的。相反,通过轴向通道能够产生过渡部分。这具有这样的优点,即稍后如此之多的材料能够被去除,使得轴向通道以及其中的导电材料能够被去除。这样,在短路环延长部与该狭槽内的电导体之间的连接就被中断了。
附图说明
下面,结合附图并基于优选实施例来描述本发明。
图1是异步电动机的示意性截面图;
图2是转子叠片结构的视图;
图3是根据图2中的线III-III所取的截面图;
图4是根据图2中的线IV-IV所取的截面图;
图5是根据图2中的线V-V所取的截面图;
图6是根据图2中的线VI-VI所取的截面图;
图7是贯穿不同实施例的转子叠片结构的截面图;
图8是根据图7中的线VIII-VIII所取的截面图;
图9是根据图7中的线IX-IX所取的截面图;
图10是图9的放大视图;
图11是解释组件的视图;
图12是另一个实施例的转子的、局部截面的透视图;
图13是根据图12的转子的片材金属元件;
图14是根据图13的放大截面图;以及
图15是另一个实施例的转子叠片结构的透视图。
具体实施方式
图1是具有定子2和转子3的电动机1的示意性视图。转子3被不可转动地连接到轴4,该轴4被支撑在轴承座5内以便围绕轴线37可轴向地和径向地旋转。轴承座5是制冷压缩机的压缩机部分6的一部分,压缩机部分6并未另外详细示出。
转子3具有转子芯7,转子芯7由多个片材金属元件8制成,片材金属元件8将通过结合以下附图进一步解释。片材金属元件8形成导磁材料。不过,片材金属元件8相对于彼此是电绝缘的。
定子2也有具有多个金属片材10的定子芯叠片结构9,该多个金属片材10沿轴向方向一个堆叠在另一个之上。在定子2与转子3之间设置有空气间隙11。这样的电动机1的原理设计本身是公知的。
在转子芯7的两个前侧上,转子3具有短路环12、13。短路环12、13借助于多个电导体14、15连接彼此,其中,电导体14、15布置在狭槽16、17内。
轴4穿过转子芯内的孔18。
相邻于轴承座5的短路环12具有轴向延长部19,该延长部19延伸进入孔18内。延长部19在转子3的可能的最小直径上提供了电导体,通过该电导体电流能够围绕轴承座5流动。因为延长部19在一定轴向长度上延伸进入孔18内,所以对于电流而言具有相对较大的截面可以利用,使得短路环12的总的电阻能够被制造得小一些。短路环12的电阻会影响转子3中的总电阻。该电阻(即,欧姆电阻)越小,电动机1的效率越好。
不过,在大批量生产期间,延长部19的制造是比较困难的。因此,下面通过关于第一实施例的图2至6来说明该制造。相同的元件具有和图1中一样的附图标记。
正如从图2至图6中可见的那样,转子芯7由总共五种不同的片材金属元件形成。图3示出了片材金属元件8a,图4示出了片材金属元件8b,图5示出了片材金属元件8c,图6示出了片材金属元件8d。另一种在整个转子芯7内只存在一次的片材金属元件没有被具体示出。
对于所有片材金属元件来说,共同之处是它们都具有开口,这些开口被布置成覆盖彼此,从而形成狭槽16、17,在狭槽16、17中布置电导体14、15。不过,在片材金属元件8d中,每隔一个的狭槽均径向地向内延伸,使得在这里可以获得电导体14、15的扩大的截面。
在最终相邻于压缩机部分6的短路环12的区域内,片材金属元件8a、8b包括环状通道20,该环状通道20通过圆形片材金属板21来径向向内地界定。该圆形片材金属板21经由台阶22被连接到片材金属元件8a、8b。现在,被布置成一个位于另一个之上的片材金属元件8a、8b可以相对于彼此偏置预定角度(例如偏置两个分开的狭槽),使得环状通道20(图2)结果都能够填满导电材料,而不会被台阶22构成的壁所中断。
台阶22优选沿径向方向延伸,使得能够确保这些台阶实现其可能的最短径向长度。不过,这并不是绝对必需的。
环状通道20具有若干沿着径向方向突出的凹陷部,当转子芯7被***到模具内,并且导电材料被注入到狭槽16、17以及环状通道20中时,这些凹陷部也被填满导电材料,其中模具具有同时形成两个短路环12、13的外廓。因此,在环状通道20的圆周方向中保持导电材料不旋转。
正如可以从图2中所见的那样,环状通道20仅仅在转子芯7的一部分纵向长度上延伸,例如,在大约30%到40%,或者大约一半的长度上,轴承座5也在该长度上延伸进入到转子芯7的内部。
在轴承座5终止在转子芯内的地方,设置有若干片材金属元件8c,在金属元件8c中的孔18与其它片材金属元件8a、8b、8d的孔相比具有扩大的直径。因为在片材金属元件8a-8d的制造期间,通过冲压在单独的片材金属元件8a-8d中形成孔18,所以这里的直径扩大毫无问题是可能的。
在轴向的内端处,环状通道20被连接到通风通道24,该通风通道24终止在转子芯7的径向外圆周上。在图2中所示的转子坯件的制造期间,当处于液态形式的导电材料(例如,液态铝)被注入到环状通道20中时,被取代的空气能够通过通风通道24逃逸到外部。因为通风通道24具有相对较小的截面,所以空气能够逃选。不过,当通风通道24已经被填满导电材料时,它几乎不会(或者仅仅在可接受的程度内)干扰转子的转子芯7中的磁场的形成。
当图2中所示的转子坯件的导电材料已经硬化时,例如,在被注入的液态铝的相应的冷却之后,能够进行孔18的加工(例如,通过钻孔或者车削)以产生图1中可见的不同直径尺寸。在此,具体地,去除形成环状通道20的径向内界并且由圆形片材金属板21所形成的环状壁25,使得环状通道20的导电材料沿着环状通道20的轴向延伸形成孔18的径向内侧。图5的片材金属元件8c的直径扩大部26允许切削工具能够被充分轴向向前地推进,而不会损坏片材金属元件8d,最终需要该片材金属元件8d将轴18固定在转子芯7处。
在模铸加工之后,延长部19、两个短路环12、13、以及在狭槽16、17中的电导体14、15彼此连接到一起形成一个整体,延长部19不再由在径向内侧上的磁导通材料定界。
沿轴承座5的方向在延长部19与该轴承座5之间仅仅存在小的间隙27,不过该间隙27已经足够大,使得延长部19不会刮擦到轴承座5。
图7到11示出了修改的实施例,其中相同的元件具有相同的附图标记。
相对于根据图2至6的实施例的第一个区别是,形成环状壁25的圆形片材金属板21不再连接到片材金属元件8,而是由其自己的圆形片材金属板21制成该环状壁25,然后将该环状壁25***到转子芯7中以形成环状通道20。不过,在往环状通道20内注入导电材料之后,必需通过切削变形(例如,钻孔或车削)再从转子芯7去除环状壁25,以形成如图1中所示的延长部。因此,环状壁25是不产生作用的部分。
另一个区别是环状通道20经由轴向通道28被连接到两个通风通道29、30,该通风通道29、30终止在两个相邻的狭槽31、32中。这些通风通道29、30是这样形成的,即在片材金属元件8中冲压出开口33,将金属片材34***到该开口33中。金属片材34在其周向的主要部分上具有到片材金属元件8的特定距离,从而以这种方式形成两个通风通道29、30以及轴向通道28。
虚线35示出了在最终制造孔18之后,相交线在片材金属元件8中延伸的地方。可以看见,在孔18的最终制造之后,轴向通道28被完全去除,使得在延长部19的导电材料与狭槽31、32内的导电材料之间不再存在电连接。仍然保留在通风通道29、30中的导电材料不会(或者仅在可接受的程度内)干扰转子3中的磁通。
图12到14示出了转子3,该转子3由图2到图6中所示的坯件制成。图13到图14示出了片材金属元件8e,其中布置有从延长部19(这里已经去除环状壁25)通往转子3的圆周面36的通风通道24。该通风通道24能够,例如,通过激光切割来制成。在所示出的转子3中,可以见到短路环12、13的设计。还可以见到延长部19被连接以便与短路环12形成一体,并且延伸到孔18内相对较远处。还能够见到布置有直径扩大部26,其中该区域轴向终止在转子芯7内,该转子芯7已经被加工以去除环状壁25。
图12示出了台阶22的残余部。可以看到的是,这些台阶22的残余部没有彼此接触,从而无需担心对磁场的消极影响。另外还可看到的是,导电材料被布置成围绕台阶22分布,使得在此形成贯通的导电体。
图15示出了转子的另一个实施例的转子芯7,其中可以看到台阶22被制成基本上三角形的,并且它们径向向外逐渐变细。
该实施例中,在开口15中引导通风通道24,该开口15最终形成用于导电体的狭槽,该导电体由短路环连接。通过在圆形片材金属板中的狭槽可以简单地形成通风通道24,也就是说,对应于根据图13和14的实施例。唯一的区别在于通风通道24并不终止在圆形片材金属板的径向外表面,而是终止在开口15内。
Claims (18)
1.制造一种异步电动机的转子的方法,其中,由堆叠的金属片元件构成的转子芯被制成,这些堆叠的片材金属元件通过将开口布置成覆盖在彼此之上形成狭槽,将导电材料铸造在所述狭槽内,从而在所述转子芯的两个前侧上形成短路环,其特征在于:在所述转子芯的轴向端部的区域中生成围绕中心轴线的环状通道,所述环状通道在所述轴向端部的方向上开口,并且被填满所述导电材料,随后所述环状通道的径向内壁被去除。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述环状通道在其圆周壁内形成多个径向外突的凹陷部。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于:通过将圆形片材金属板一个堆叠在另一个之上制成所述环状通道。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于:将所述圆形片材金属板制成为所述片材金属元件的一部分,借助于从内向外径向延伸的台阶将所述圆形片材金属板连接到所述片材金属元件,所述堆叠的片材金属元件以这样的方式相对于彼此角度偏置,这样的方式即是使所述堆叠的片材金属元件的台阶在圆周方向上具有预定的角度距离。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法,其特征在于:借助于切削加工,特别是钻孔或者车削,来去除所述内壁。
6.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于:借助于模具的芯体来形成所述环状通道。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法,其特征在于:至少一块片材金属元件被布置在所述环状通道的轴向内端的区域中,所述片材金属元件包括至少一个径向向外引导的通风通道。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于:所述通风通道终止在狭槽内。
9.如权利要求7或8所述的方法,其特征在于:所述通风通道经由轴向通道连接至所述环状通道,并且填满导电材料,所述内壁的去除也去除所述轴向通道内的导电材料。
10.如权利要求7至9中任一项所述的方法,其特征在于:为了所述通风通道的生成,去除所述片材金属元件的一个区域,将金属片材***到由此形成的开口中,所述金属片材具有到所述开口的边缘的预定距离。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法,其特征在于:在所述转子芯内部使用了具有中心开口的片材金属元件,所述片材金属元件的中心开口的内径大于连接至所述转子芯的轴的外径。
12.用于制造异步电动机转子的转子叠片结构,所述异步电动机包括多个堆叠的片材金属元件,所述片材金属元件的开口布置成覆盖在彼此之上以形成狭槽,其特征在于:围绕所述中心轴线(37)的环状通道(20)径向地设置在所述开口(14、15)的内侧。
13.如权利要求12所述的转子叠片结构,其特征在于:所述环状通道(20)在其圆周壁内具有多个径向外突的凹陷部(23)。
14.如权利要求12或13所述的转子叠片结构,其特征在于:所述环状通道(20)被从内向外径向延伸的台阶(22)穿透,相邻片材金属元件(8)的所述台阶(22)相对于彼此具有预定的角度距离。
15.如权利要求14所述的转子叠片结构,其特征在于:所述台阶(22)径向向外地逐渐变细。
16.如权利要求12至15中任一项所述的转子叠片结构,其特征在于:在所述环状通道(20)的轴向内侧上至少一块片材金属元件(8)具有朝向外部开口的至少一个通风通道(24、29、30)。
17.如权利要求16所述的转子叠片结构,其特征在于:所述通风通道(29、30)终止在开口(31、32)中。
18.如权利要求16或17所述的转子叠片结构,其特征在于:所述通风通道(29、30)经由从所述环状通道(20)的径向内部区域延伸的轴向通道(28)连接至所述环状通道(20)。
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