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1、海南风光第七章直流电动机单相异步电动机步进电机清华大学电机系电工学教研室唐庆玉编第七章电动机7.2 直流电动机7.2.1 概述7.2.2 工作原理7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系7.2.4 电磁转矩7.2.5 机械特性7.2.6 直流电动机的调速7.2.7 直流电动机的使用和额定值7.3单相异步电动机7.4步进电机7.2.1 概述概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床

2、等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具7.2.2 工作原理一、工作原理U+NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷换向片IIFFU+NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。直流发电机用右手定则判感应电动势Ea的方向U+NSEEIa电枢绕组电阻RanKEE?感应电动势aaRIEU

3、?输出电压二、直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构1.转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动

4、机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U7.2.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。一、电枢中的感应电动势FFU+NS电刷换向片IIEE根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：nKEE?KE：与电机结构有关的常数n：电动机转速?：磁通单位：?（韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+NS电刷换向片IIEE二、二、电枢绕组中电压的平衡关系电枢绕组中电压的平衡关系因为因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。aaRIE

5、U?U：外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变?或n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变?可调速。nKEUE?nKEE?7.2.4 电磁转矩aTIKT?KT：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）?：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流一、电磁转矩单位：?（韦伯），Ia（安培），T（牛顿?米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。二、转矩平衡关系电

6、磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即0TTTL?TL：负载转矩T0：空载转矩转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。例：设外加电枢电压U 一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia?、P入入?TL?n?E?Ia?T?最后达到新的平衡点。aTIKT?aaRIEU?机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。7.2.5 机械特性一、他励电动机的机械特性即：TKKRn

7、ETa2?KUnE?0nnn?0其中，aTEaaIKTnKERIEU?TKKRKUnETaE2?M他励UfIfIaUn0：理想空载转速,即即T=0时的转速。（实际工作时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当当T?时时n?，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，很小，所以在负载变化时，转速n 的变化不大，属硬机械的变化不大，属硬机械特性。根据n-T 公式画出特性曲线n0nNTNTn?nTKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中其中，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即?=K?Ia ,则据此公式做出T-n 曲线aaa

8、TaTaEERIEUIKKIKTnIKKnKE?2nTEaETKKRTKKUKn?M串励UIa(1)T=0时，在理想情况下，n?。但实际上负载转矩不会为 0，不会工作在T=0 的状态，但空载时T 很小，n 很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。串励特性：(2)随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属软机械特性。nT(2)恒功率负载（P 一定时，T 和n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。7.2.6 直流电动机的调速直流电动机的调速与异步电动机相比，直流电动机结构复

9、杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达 200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，n 和?有关，在U 一定的情况下，改变?可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变?的大小。一、改变磁通（调磁）一、改变磁通（调磁）1.原理TKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中，M他励UfIfIaU其中：?=K?If?Rf?If?n?，但在额定情况下，?已接近饱和，If 再加大，对?影响不大，所以这种

10、增加磁通的办法一般不用。?Rf?If?n?，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法 减小磁通，n只能上调。TKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：n10?21n?（减小）0n 0n0nTLRf增加Tn?TKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中，调速过程调速过程:U一定,则Rf?E E?Ia?T?n?Ia?E?暂时暂时T TLTKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中其中，最后达到新的平衡最后达到新的平衡T=TL（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不

11、能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。3.减小?调速的特点：二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.特性曲线nn0n0n0电压降低TTKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中，2.2.改变电枢电压调速的特点改变电枢电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而n?U，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V整流调压220VUf=110V固定U=0110V可调改变电枢电压调速方案举例：改变电枢电压调速方案举例：例：

12、已知他励电动机的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5?,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5 TN 时,n=?（2）?=0.8?N 时,n=?解：（1）TL=0.5 TN 时aaERIUnKE?143.015004.125.0220?NaaEnRIUnEKNm1415002.295509550?NNNnPTaTNIKT?13.14.1214?aNTITKTKKRKUnETaE2?min)/r(8.151666.2146.153821413.1143.05.0143.022022?TKKRKUnTEaE（2）?=0.8?N 时min)/r(188984.3

13、31923148.013.1143.05.0143.08.02202?n这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，使?n?、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，n?nn0RaRa+RTTKKRnETa2?KUnE?0nnn?0其中，7.2.7 直流电动机的使用和额定值限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。一、使用1.启动启动时,n=0?Ea=0，若加入额定电压，则aNaNastIRUI?Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)I

14、aN 内。(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=KT?Ia，而?0，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则E?，Ia?，T 和?，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。?E?Ia?T?T0?n?飞车措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。M他励Uf

15、IfIaU2.2.反转反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1）改变励磁电流的方向。（2）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：（1）反接制动3.3.制动制动制动的所采用的方法：反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+R运行制动电阻R 的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。（2）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，在重力的

16、作用下n?n0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。(3)发电回馈制动直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。4.连接（1）绕组的阻值范围?电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。?他励/并励电机的励磁绕组 的阻值有几百欧姆。?串励电机的励磁绕组 的阻值与电枢绕组的相当。自学（2）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组他励绕组他励绕组并励绕组串励绕组换向极绕组补偿绕组启动绕组始端绕组名称末端二、额定值二、额定值1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。2.额定

17、电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN?（?：效率）注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2 nN。4.额定转速nN：在PN，UN，IN 时的转速。直流电机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。7.3 单相异步电动机单相异步电动机一、单相异步电动机的工作原理结构：定子放单相绕组（其中通220V单相交流电）转子一般用鼠笼式。定子?转子定子绕组?

18、1it220V1i?NS当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。在电流正半周在电流正半周在电流负半周在电流负半周？转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。其原理分析如下：定子绕组产生的脉动磁场（?），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：-?+?-t?m?=?+?-=?m/2脉动磁场的分解?-?+?+?-?02?s121?ss1T2T正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩s起动转矩为零。01?s22?s21?s（正向）（正向）（反向）正转转反电容分相式起动二、单相异步电动机的起

19、动KDU?1I?2I?CWSTW:主绕组（工作绕组）ST：启动绕组K：离心开关AXAXWSTAXAXKDU?1I?2I?CWSTU?1I?2I?1?2?接近90电容分相式单相异步 电动机起动原理1it2i1it2iKDU?1I?2I?CWSTAXAX WSTAXAXt=t0?NS1it2it=t0WSTAXAX?NSWSTAXAXNSt=t1?磁场逆时针方向旋转t=t0t=t1启动时开关启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。工作原理工作原理KDU?1I?2I?CWSTAXAX罩极式单相电

20、机罩极式单相电机定子磁极转子短路环定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。三、单相电机的使用三、单相电机的使用三相异步电动机的单相运行三相异步电动机的单相运行三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机

21、一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。第7章控制电机概述7.4 步进电动机步进电动机7.4.1 结构7.4.2 工作方式7.4.3 小步距角的步进电动机7.5 伺服电动机7.5.1 交流伺服电动机交流伺服电动机7.5.2 直流伺服电动机前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。概述如：伺服机将电压信号转换为转矩和转速

22、；步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。控制电机的主要功能是转换和传递信号。控制电机的种类很多，本章主要介绍 步进机、伺服机。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。7.4 步进电动机步进电动机机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。应用：步进机的应用非常广泛。

23、如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。7.4.1 结构结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC7.4.2 工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y 型（2）三相绕组中的通电顺序为：A 相?B 相?C 相通电顺序也可以

24、为：A相?C相?B相（3）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁A 相通电使转子1、3齿和AA 对齐。CABBCA3412CABBCA同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30?；C相通电再转30?。CCABBA这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特

25、点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过30?。此角称为。此角称为步距角，用?S表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：A?AB?B?BC?C?CA?A共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CABBCA3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB磁场对2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA磁场继续对1、3齿有拉力。CABBCA总之，每个循环周期，有六种通

26、电状态，所以称为三相六拍，步距角为15?。CABBCAB相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15?。三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB?BC?CA?AB共三拍。AB通电CABBCACABBCABC通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉 冲，转 子 也 是 转30?，即?S=30?。CA通电CABBCA7.4.3 小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁

27、极，但每个磁极上也有五个齿。转子的齿距等于360?/40=9?，齿宽、齿槽各4.5?。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对齐。此时，B 相和A 相空间差120?，含120?/9?=齿A 相和C 相差240?，含240?/9?=个齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3?），C相的转子、定子相差2/3个齿（6?）。31133226若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转

28、1.5?。异步机的转动方向仍由相序决定。异步机的转动方向仍由相序决定。同理，同理，C 相通电再转相通电再转3?（2）A相断电、相断电、B相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/3个个齿（齿（3?），使），使B相转子、定子对齐。相转子、定子对齐。f：电脉冲的频率转速36060sfn?步进机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。m:一个周期的运行拍数Zr：转子齿数mZrS?360?如：Zr=40,m=3 时?3340360S?步距角7.5 伺服电动机伺服电动机交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类：伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的

29、大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。伺服电动机的作用7.5.1 交流伺服电动机交流伺服电动机原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔90?。控制绕组励磁绕组转子励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接线：接线：励磁绕组的接线U?CU?1I?1U?放大器控制绕组的接线检测元件控制信号2U?2I?U?适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90?，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。?1U?CU?1I?1U?例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示。励磁绕组的接

30、线U?CU?1I?1U?放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号2U?2I?U?工作时两个绕组中产生的电流和的相位差近90，因此便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子转动起来。1I?2I?控制电压与电源电压两者频率相同，相位相同或反相。2U?U?（1）U2=0 时，转子停止。这时，虽然U2=0V，U1仍存在，似乎成单相运行状态，但和单相异步机不同。若单相电机启动运行后，出现单相后仍转。伺服电机不同，单相电压时设备不能转。交流伺服电动机的特点：原因：交流伺服电机R2设计得较大。所以在U2=0时，交流伺服电机的T=f(s)曲线如下页图：当U2=0V时，脉动磁场分成

31、的正反向旋转磁场产生的转距T?、T?的合成转矩T 与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在U2=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时转动，无控制电压时不转)，以免失控。交流伺服电动机的T=f(s)曲线（U2=0时）sT210屳屔TT021反转正转（3）控制电压U2大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压U2成正比。U2的极性改变时，转子的转向改变。（2）交流伺服电机R2设计得较大，使Sm1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。交流伺服电动机的机械特性曲线(U1=const)nTTn交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz

32、等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。应用应用7.5.2 直流伺服电动机直流伺服电动机结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。工作原理：与直流电动机相同。供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：MU1IfIaU2放大器UU1为励磁电压，U2为电枢电压。由机械特性可知：(1)U1（即磁通?）不变时，一定的负载下，U2?,n?。(2)U2=0时，电机立即停转。反转：电枢电压的极性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机性公式与他励直流电机一样：TKKRKUnTEaE22?机械特性曲线nT直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。应用：应用：