CN103842650A - 流体分配*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流体分配***，包括泵（4）和具有至少一个喷嘴的分配器喷射头，待分配的流体通过喷嘴输出，泵（4）包括定子（14）和装配在定子的腔室中的转子（12），转子关于定子（14）围绕旋转轴线（Ar）并在轴向上沿轴线（Ar）可旋转地移动，转子的轴向位移在第一轴向方向（A1）上构造为产生泵填充操作并且在相反的第二轴向方向（A2）上构造为产生分配操作，泵填充操作使流体经由入口（8）吸入定子腔室中，分配操作使腔室中的流体经由泵的出口（10）压出。泵的出口布置在转子中，并且分配器喷射头与泵的出口流体式连接，并且位于转子的轴向输出端（19）处或靠近所述转子的轴向输出端（19），分配器喷射头构造成至少部分地在径向方向（R）上围绕旋转轴线进行流体分配。

Description

流体分配***
技术领域
本发明涉及一种以喷射形式分配流体、特别是液体的***。
背景技术
存在许多需要对液体进行喷射的应用，由此所需的喷射构造将取决于该应用，并且可以包括例如待分配液体的流速和量、液滴尺寸、流体射流直径、流体输出速度以及液体的空间分散性等参数。除液体特性（例如，粘度）和压力特性之外，喷射构造将取决于喷嘴的几何形状等，这在传统***中是静态的，有时通过可调间隙或出口形状来改变喷射构造。然而，传统的分配器***不善于以精确可控的方式对流体进行广泛的空间分布，特别是精准剂量的广泛空间分布。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够使流体进行良好可控且一致性的空间输送的分配***。
对于某些应用，优选地提供一种能够通过精准控制而沿径向向外地对流体进行分配的流体分配***。
对于某些应用，优选地提供一种能够通过精准控制而对少量流体进行分配的流体分配***。
对于某些应用，优选地提供一种能够以一致的输送率对流体进行分配的流体分配***。
对于某些应用，优选地提供一种能够以离散方式整合在容器内并且兼容宽泛的容器设计构造的流体分配***。
优选地，提供一种紧凑且具备成本效益的流体分配***。
优选地，提供一种易于操作的流体分配***。
本发明的目的通过提供一种根据权利要求1所述的分配***来实现。
本文公开了一种包括泵和分配器喷射头的流体分配***，所述分配器喷射头包括至少一个喷嘴，待分配流体通过所述喷嘴输出。所述泵包括定子和装配在所述定子的腔室中的转子，所述转子关于所述定子围绕旋转轴线并在轴向上沿所述轴线可旋转地移动，所述转子的轴向位移在第一轴向方向上构造为产生泵填充操作，并且在相反的第二轴向方向上构造为产生分配操作，其中所述泵填充操作经由入口将流体吸入定子腔室中，所述分配操作经由所述泵的出口将所述腔室中的流体压出。所述泵的出口布置在所述转子中，并且所述分配器喷射头与所述泵的出口流体式连接，并且位于或靠近所述转子的轴向输出端，所述分配器喷射头构造成至少部分地在径向方向上围绕所述旋转轴线对流体进行分配。
待分配流体可以包括液体、气体、气液混合物、凝胶，以及其他可流动物质。根据本发明的实施例的流体分配***特别适用于喷射液体。
在一优选实施例中，所述转子包括第一和第二轴向延伸部以及第一和第二密封件，所述第一和第二轴向延伸部的直径不同，并且装配在所述定子腔室的相应的第一和第二腔室部分中，所述第一和第二密封件装配装在所述定子壳体中，并密封地包围所述第一和第二轴向转子延伸部，所述转子延伸部包括流体供应通道，其与各个密封环相结合地用作阀门，以作为泵转子的角位移的函数而分别打开和关闭所述泵的入口与所述腔室部分之间的连通以及所述腔室部分与所述泵的出口之间的连通。
在一优选实施例中，所述泵的出口布置在所述转子的第二轴向延伸部中，并且所述转子的第二轴向延伸部具有的直径小于所述转子的第一轴向延伸部的直径。所述泵的出口可优选地从所述转子的轴向输出端处离开。
在一优选实施例中，所述入口布置成与所述旋转轴线成一直线，并且与所述转子的轴向输出端相对。所述泵的出口布置在所述转子的第二轴向延伸部中，其优选地包括与所述出口和所述分配器头部流体式相连的输出腔。所述转子的第二轴向延伸部具有的直径大于所述转子的第一轴向延伸部的直径。
在一优选实施例中，所述分配器喷射头固定不动地装配于所述转子的轴向输出端或者从所述转子的轴向输出端延伸，并且与所述转子一起旋转。
所述分配器喷射头可以是装配于所述转子的轴向输出端上的独立部件的形式，但也可以具有与所述转子一体成型为单个部件的喷射头。
所述分配器喷射头可以具有直径大于所述转子的轴向输出端的直径，或者可以具有直径等于或小于所述转子的轴向输出端的直径。
所述分配器喷射头优选地包括多个喷嘴，所述喷嘴关于径向方向以一个或多个角度（α）进行定向。所述喷嘴的投射方向可以是任意选定角度，例如在-80°<α<+90°的范围中，或例如-60°<α<+90°的更小范围中。泵排出范围的角度旋转位置优选地处在60°至120°的范围中，例如90°或大约90°，这取决于泵的构造并由所述泵的构造来确定，并允许选择所述泵排出的开始和结束位置，由此来配置形成了绕所述旋转轴线的喷射角度分布的启动角度和停止角度。通过所述流体供应通道的位置、所述密封件的形状和位置以及所述转子的轴向位移特性，将所述泵的阀门的配置确定为旋转的函数。因此，能够通过配置如下参数的组合来产生较大范围的不对称或对称的喷射模式：流体通量、各个喷嘴相对于径向R的角度方向、每个喷嘴元件的角度张开宽度、喷嘴的数目和空间分布，以及可确定流体排出操作的旋转角度的所述泵阀门构造。这例如能够使更多的流体进入到距离设备相对远的某喷射区域中，以及使较少的流体和/或以不同角度进入相对近的喷射区域中，例如位于所述分配***侧面附近或背后。
所述多个喷嘴可以全部以相对于径向方向的相同角度进行定向，或者可以定向在两个或多个不同的角度。
在优选实施例中，所述转子的轴向输出端延伸到所述定子外部。
在另一实施例中，所述分配***可包括分配器喷射头，其固定且静态地装配在所述定子的壳体端壁上，与布置在所述壳体内的所述转子的输出端相邻。
所述分配器喷射头可以包括挠性帽部，所述帽部具有抵靠在所述定子壳体的端壁上的***唇部，其可以在流体压力的作用下移动，从而与所述定子壳体的端壁一起限定出喷嘴，例如环状喷嘴。
所述转子和定子可以优选地包括互补式凸轮机构，其可实现转子在两个相反轴向方向上的作为转子角位移的函数的轴向位移。
附图说明
本发明的其他目的和有利特征将通过权利要求、具体实施方式以及附图变得直观，在图中：
图1a和1b是根据本发明第一实施例的流体分配***的剖视图，图1a示出了泵循环在排出状态的端部，并且图1b示出了泵循环在填充状态的端部；
图1c是图1a、1b的分配***的分配头部***件的立体放大视图；
图2是根据本发明第二实施例的分配器头部的示意性剖视图；
图3是根据本发明第三实施例的分配器头部的示意性剖视图；
图4是根据本发明第四实施例的分配器头部的示意性剖视图；
图5是根据本发明第五实施例的分配器头部的示意性剖视图；
图6是根据本发明第六实施例的沿旋转轴线对半切开的分配器头部的立体视图；
图7a是根据本发明第七实施例的分配器头部的示意性剖视图；
图7b是图7a的实施例的转子的立体视图；
图8是根据本发明第八实施例的分配器头部的示意性剖视图。
具体实施方式
参考附图，根据本发明的各种实施例的分配***2包括分配器泵4和安装于该泵的出口处的分配器喷射头16、26、36、46、56、66。泵包括入口8，该入口8与包含有待分配流体（例如液体）的容器（未示出）内部相连通，或者与连接于待分配流体的来源或供应源的管部或其他导管相连。
除本文所描述的区别以外，分配器泵4可以优选地具有类似于WO2007/074363中披露的构造和泵送动作。泵4包括定子14和可旋转地安装在定子中的转子12。定子14包括壳体34和界定了腔室18a、18b（下文称为泵腔）的密封阀***20，在该泵腔内装配有转子的第一和第二轴向延伸部17a、17b。密封阀***20包括装配在定子壳体14中的第一和第二密封件20a、20b，并且限定出分别密封地包围转子的第一和第二轴向延伸部17a、17b的密封环。流体供应通道22a、22b设置在转子的第一和第二轴向延伸部中。
如图1至5所示，转子的第一轴向延伸部17a具有大致圆筒的形态，并且在某些实施例中其直径D1大于也具有大致圆筒形态的第二轴向延伸部17b的直径D2。在图6至8所示的实施例中，转子的第一轴向延伸部17a的直径D1小于第二轴向延伸部17b的直径D2。具有流体供应通道22a、22b的轴向延伸部分别与第一和第二密封件配合，以作为转子的角位移及轴向位移的函数来创建可以打开和关闭跨越各个密封件的流体连通的第一和第二阀门。
在图6至8所示的实施例中，入口8布置成与旋转轴线Ar在一直线上，并且与转子12的轴向输出端19相对。如图6至图8所示的入口8的布置允许例如将供应待分配的流体的外部管件（未示出）与转子12的中心轴成一直线地进行连接。这种布置的优点在于分配***的直径较小。根据本实施例，入口可因此与转子轴线成一直线或垂直于轴线。在根据图6至8的实施例中，流体经由第一流体供应通道22a，泵腔18a、18b以及第二流体供应通道22b而从入口8泵入到输出腔47中，流体从该输出腔47进行分配。出口10与第二流体供应通道22b和输出腔47流体式相连。输出腔47布置在转子12中，从转子12的轴向输出端19向转子的第一轴向延伸部17a延伸，并且分别与分配器头部16、66和喷嘴32、32’流体式连接。在泵的操作期间，输出腔47的容积不会改变。
图6至8的实施例包括相对较大的输出腔47；但是，只要输出腔47与泵4的出口10流体式连接，那么输出腔47就可以例如图1a和1b所示的那样小。
在直径比转子的第一轴向延伸部17a的直径更小或更大的转子的第二轴向延伸部17b中的第二流体供应通道22b也形成了通向分配器头部16、26、36、46、56、66的泵4的出口10。在所示实施例中，第二流体供应通道包括埋入转子中、从出口10向第二轴向延伸部17b的表面处的孔40延伸的通道。孔40构造为在转子的旋转期间穿过第二密封件20b，从而分别在流体分配循环阶段期间进入泵腔18b，在泵腔的填充循环阶段期间退出腔室18b以关闭出口。所埋入的出口通道10可以如各个实施例所示的那样延伸到转子的轴向端部19，或者可以在到达转子的轴向末端之前沿径向退出转子。
第一流体供应通道20a可以是转子表面中的沟槽或开放通道的形式，或者除了通到转子表面上的孔之外可以埋在转子表面以下。
在图1-4所示的实施例中，转子的第二轴向延伸部17b穿过定子的主壳体部分34在定子外部延伸，从而可从定子的外部接触到。在图6-8所示的实施例中，转子也在定子的外部向着可从定子外接触到的转子出口端19延伸，但是转子的第二轴向延伸部17b依然完全位于定子壳体内。
然而，在例如如图5所示的变型中，转子的第二轴向延伸部也可以包含在定子壳体内，即不延伸出定子壳体，并且与泵出口10连通的分配器头部至少部分地布置在定子壳体外部。
在转子的第二轴向延伸部包含在定子壳体内并且分配器头部连接于转子的输出端19的一种变型（未示出），分配器头部可以延伸到定子壳体中，从而相对于转子第二轴向延伸部固定。
在图1a-1c、2、3、4和6至8所示的实施例中，分配器喷射头16、26、36、46、6优选地装配在转子的输出端19上，并因此与转子一起旋转。分配器喷射头包括一个或多个喷嘴32，其定向为至少部分地沿径向向外，并且构造成绕旋转轴线Ar沿径向向外喷射流体。每个喷嘴可以关于与轴线Ar正交的一平面以从-90°至90°的任何选定角度α进行定向，该角度优选地位于从-80°至80°的范围内，这取决于所需的喷射分布，即从向前定向（在方向A1上）的窄锥体喷射到在R方向上的径向投射喷射以有到向后定向（在方向A2上）的喷射。在具有多个喷嘴32、32’的变型中，喷嘴可相对于轴线Ar以相同的角度进行定向，或定向在不同的角度上以产生不同的喷射锥体。由此，可以产生较大范围的流体喷射构造。喷嘴在操作中的组合效应可构造为产生一个或多个绕轴线Ar高达360°的喷射锥体，或者例如绕轴线覆盖小于180°（例如每个喷嘴为90°或更小）的局部喷射锥体。根据本发明的流体分配***可以由此产生结合了关于径向R的选定输出角度α与绕轴线Ar的可小于180°甚至小于90°的所需分布角度的喷射几何形状，这取决于泵的密封件和在泵排出液体的期间用于确定旋转角度Ω的流体通道构造。
喷嘴可以具有构造成产生具有诸如圆柱形或矩形的选定横截面轮廓的精准或稍欠精准的流体射流的各种尺寸和孔形态。喷射头的直径D3也可以具有各种尺寸以提供喷嘴32，其中喷嘴32可如图1a-1c及4中的实施例（其中喷射头直径基本上等于（或小于）转子的第二轴向延伸部的直径D2）那样在旋转轴线Ar的附近离开，或者如图2和3（其中喷射头直径D3大于转子的第二轴向延伸部的直径D2）所示地更远离该轴线。
在图1a-1c和6至8的实施例中，分配器喷射头16、66包括固定于转子的输出端19处并具有芯部44的***件42，该芯部44延伸到转子的输出腔47中，且构造为将流体引导至每个喷嘴32。作为几个独立的喷嘴32的替代，本实施例中还可以提供具有完全包围了喷射头的单个环状喷嘴的变型。***件可以由注射塑料或另一种材料制成，并且粘合或焊接于转子或者通过机械手段（例如，锁扣凸部）固定于转子。
根据图6和7的实施例的分配器头部66具有装配在锥形输出腔47中的锥形芯部44。保持元件64围绕锥形芯部44布置。保持元件64构造为与转子12中的对应槽68接合，从而使分配器头部66可以与转子12连接。分配器头部66进一步包括多个喷嘴32（参见图6的放大细节），流体可以通过该多个喷嘴32分配。可选地，喷嘴元件形成在转子的相应的轴向端部上，同时分配器头部具有与转子端面相互作用的平坦的相对表面。
在图2和3的实施例中，分配器的喷射头26是装配在转子输出端19上的独立部件，并且其可以由注射塑料或另一种材料制成，并且粘合或焊接于转子或者通过机械手段（例如锁扣凸部）固定于转子上。在图2的变型中，存在指向不同角度α的多个喷嘴32、32’，然而在图3的变型中，喷嘴指向同一角度，在所示示例中相对于轴线Ar成90°。在后者的实施例中，喷嘴形成在装配在喷射头主体50中的***件48中。由此能使喷嘴以与主体不同的材料来形成，和/或能够形成比喷射头36内的流体流动通道52的尺寸更精细的喷嘴。
在图4的实施例中，喷射头46包括帽部42’，该帽部42’固定在转子输出端19上，且具有基本上与转子端部相同的直径，并且具有直接形成在该帽部42’中的喷嘴32、32’。
在图5的实施例中，分配器喷射头56没有装配在转子上，而是形成在定子壳体上，转子输出端19布置在壳体内。分配器喷射头包括弹性或挠性的帽部57，其例如由弹性体制成，固定在定子壳体的端壁58上，并且包括沿圆周压靠在端壁58上的挠性唇部60。一个或多个输出孔62横穿过端壁58，以允许流体经由端壁58泵出并且由挠性帽部沿径向重新引导，由此，挠性唇部在泵送流体的压力作用下离开端壁，从而限定了喷嘴间隙。帽部57可包括用于将帽部固定于定子壳体上的中央固定螺栓55，该定子壳体设有互补的通孔。
在优选实施例中，转子12的轴向运动（A）优选地由双凸轮机构24以作为转子角位移Ω的函数的方式来产生，该双凸轮机构24限定了在两个轴向方向上的轴向位移，即在泵送动作方向A1和泵填充方向A2上的轴向位移。凸轮机构24包括转子凸轮25和定子凸轮28。定子凸轮可以是一个或多个突起30a、30b的形式，并且转子凸轮可以是环状凸轮面29a、29b的形式，或者反之亦然。
在图1-5的实施例中，转子的第一凸轮面29a与第一定子凸轮突起30a配合操作，以限定泵分配动作（即将流体压出泵中），并且转子的相对的第二凸轮面29b与第二定子凸轮突起30b配合操作，以限定泵填充动作（即将流体吸进泵中）。定子凸轮突起也可以是如下形式的突起，即其沿径向R从定子的侧壁向内凸出，并且容纳在转子的周向槽中。
凸轮机构也可以反过来，即定子提供了环状凸轮面，而转子的第一和第二凸轮突起处于定子环状凸轮的两侧。在图6-8的实施例中，转子的第一凸轮突起29a与第一定子面30a配合操作，以限定泵填充动作（即将流体吸入泵中），并且转子的相对的第二凸轮突起29b与第二定子凸轮面30b配合操作，以限定泵分配动作（即将流体压出泵中）。
上述双凸轮机构的优点在于，凸轮元件可以由注射塑料或其他材料制造，并且可以通过极具成本效益的构造分别与泵的转子和定子进行组装或一体形成。与根据本发明的泵相结合的双凸轮机构的优点还在于，一个凸轮能够在两个方向上进行泵送，这可以通过从喷嘴将流体抽回的方式来防止液体在泵关闭后从喷射头滴落。
在图1所示的实施例中，定子壳体14可以包括环绕转子腔室的主壳体部分34，以及将转子锁定在主壳体中的帽部37。帽部37也可以优选地由注射塑料制成，但也可以具有成本效益的构造由冲压成形的金属板制成，并且通过弹性闩锁38或允许将帽部快速装配到主壳体部分上的其它机械固定装置而固定到主壳体部分上，无需额外的固定装置。帽部也可以通过粘合或焊接（例如，超声焊接）的方式固定在主壳体部分上。作为单个元件，密封阀***20可以优选地通过弹性材料注射模制在定子的主壳体部分中。对于极具成本效益的组装来说，分配器***部件的组装可以优选地主要通过或仅仅通过在轴向方向A上***部件的方式来执行。转子可以优选地通过沿轴向***到定子主壳体部分及密封阀***20中的方式进行组装，随后将帽部按压到主体部分的开放端上，直至闩锁38夹持并锁定在帽部上，并将分配器喷射头***并装配到转子输出端19上。
可以通过电驱动器来驱动转子旋转，该电驱动器例如包括定子中的电磁体64（参见图3），其围绕着设有永磁体的转子的驱动部分。转子也可以通过与转子机械连接的机械驱动器或电驱动器进行驱动，例如通过在分配***的远离喷射头的那一端处从转子中延伸出的传动小齿轮66（参见图2）进行驱动。在图6-8所示的实施例中，转子包括与外部驱动器（例如，其一部分31示出于图6中）啮合的一个或多个桨片27。
本发明可以优选地用于产生沿径向分布或锥体分布的流体喷射，诸如液体喷射。
由于许多原因，在流体分配***中使用如本文所述的泵是特别优选的。首先，该泵可以低于大气压的压力从容器中吸入流体，即创建部分容积，这使得无需用环境空气来置换离开贮存器的已分配流体的体积就能够吸出包含在贮存器中的流体。分配流体的量只取决于泵的转子所产生的转数，而不取决于流体贮存器与环境压力之间的压力差，也不依赖于在泵或喷嘴中对分配流体的流动阻力。根据本发明的分配***通过围绕喷射头并径向向外地进行极均匀分布的方式，能够精准可控地喷射极少量的流体。另外，本发明中使用的泵能够实现分配流体的精确剂量，并且由于泵本身整合有阀门功能，因此省去了对阀门的需要。

Claims (18)

1.一种流体分配***，包括泵（4）和具有至少一个喷嘴的分配器喷射头，待分配的流体通过所述喷嘴输出，所述泵（4）包括定子（14）和装配在所述定子的腔室中的转子（12），所述转子关于所述定子（14）围绕旋转轴线（Ar）并在轴向上沿所述轴线（Ar）可旋转地移动，所述转子的轴向位移在第一轴向方向（A1）上构造为产生泵填充操作，并且在相反的第二轴向方向（A2）上构造为产生分配操作，所述泵填充操作使流体经由入口（8）吸入所述定子腔室中，所述分配操作使所述腔室中的流体经由所述泵的出口（10）压出，其中，所述泵的出口布置在所述转子中，并且所述分配器喷射头与所述泵的出口流体式连接，并且位于所述转子的轴向输出端（19）处或靠近所述转子的轴向输出端（19），所述分配器喷射头构造成至少部分地在径向方向（R）上围绕所述旋转轴线对流体进行分配。
2.根据权利要求1所述的流体分配***，其中，所述转子包括第一和第二轴向延伸部（17a，17b）以及第一和第二密封件（20a，20b），所述第一和第二轴向延伸部的直径不同，并且装配在所述定子腔室的相应的第一和第二腔室部分（18a，18b）中，所述第一和第二密封件装配在所述定子壳体中，并密封地包围所述第一和第二轴向转子延伸部，所述转子延伸部包括流体供应通道（22a，22b），所述流体供应通道与各个密封环相结合地用作阀门，以作为泵转子角位移的函数而分别打开和关闭所述泵的入口（8）与所述腔室部分之间的连通以及所述腔室部分与所述泵的出口（10）之间的连通。
3.根据权利要求2所述的流体分配***，其中，所述泵的出口布置在所述转子的第二轴向延伸部中，并且所述转子的第二轴向延伸部具有的直径（D2）小于所述转子的第一轴向延伸部的直径（D1）。
4.根据权利要求2所述的流体分配***，其中，所述入口（8）布置成与所述旋转轴线（Ar）成一直线，并且与所述转子的轴向输出端（19）相对，其中所述泵的出口布置在所述转子的第二轴向延伸部中，并且所述转子的第二轴向延伸部具有的直径大于所述转子的第一轴向延伸部的直径。
5.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述泵的出口（10）在所述转子的轴向输出端（19）处离开。
6.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头固定不动地装配于所述转子的轴向输出端上或者从所述转子的轴向输出端中延伸，并且与所述转子一起旋转。
7.根据权利要求6所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头是装配于所述转子的轴向输出端的独立部件的形式。
8.根据权利要求6或7所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头具有的直径（D3）大于所述转子的轴向输出端的直径。
9.根据权利要求6或7所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头具有的直径等于或小于所述转子的轴向输出端的直径。
10.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头包括多个喷嘴，所述喷嘴关于径向方向（R）以一个或多个角度（α）进行定向，其中-80°<α<+90°，优选地-60°<α<+90°。
11.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述多个喷嘴全部以相对于径向方向（R）的相同角度进行定向。
12.根据权利要求10所述的流体分配***，其中，所述多个喷嘴中的某些喷嘴以相对于径向方向（R）不相同的角度进行定向。
13.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述转子的轴向输出端（19）延伸到所述定子外部。
14.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述泵的分配操作的旋转角度在60°至120°的范围内。
15.根据权利要求14所述的流体分配***，其中，所述泵的分配操作的旋转角度大约为90°。
16.根据权利要求1-5中任一项所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头（56）固定地装配在所述定子壳体的端壁上，与布置在所述壳体内的所述转子的轴向输出端（16）相邻。
17.根据权利要求16所述的流体分配***，其中，所述分配器喷射头包括挠性帽部，所述帽部具有抵靠在所述定子壳体的端壁上的***唇部（60），并且能在流体压力的作用下移动，从而与所述定子壳体的端壁一起限定出喷嘴。
18.根据上述权利要求中任一项所述的流体分配***，其中，所述转子和定子包括互补式凸轮机构（29a，29b，30a，30b），所述互补式凸轮机构限定了转子在两个相反轴向方向上的作为转子角位移的函数的轴向位移。
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