液体粘度随温度变化的实验研究.docx

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液体粘度随温度变化的实验研究

液体粘度随温度变化的实验研究

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changeswiththetemperature

Surveybelowthedistincttemperature，Thecastoroilsticksthesluggishfactor，Therebyfindoutliquid（Castoroil）Viscositywhatchangestherelationshipwiththetemperature。

粘度（viscosity）是液体重要的物理性质之一，它反映液体流动行为的特征。

粘度与液体的性质、温度和流速有关，测量这个量在材料的工艺技术方面有实际应用价值，如机械的润滑、石油在管道中的传输、油脂涂料、有机合成、医疗和药物等方面，都需要测定液体的粘度。

在液体中，如果各层液体的流速不同，在两层相互接触而速度不同的液体层之间便有力的作用。

两相邻液层间的这一作用力称为内摩擦力或粘滞力，一般液体都有这种性质，称为粘滞性。

测量液体粘度的方法有多种。

纺织、轻工、医药和化工等行业的工厂中常采用旋转法，它使用方便，测量范围可达0.1~0.01Pas。

实验室中，对于粘度较小的液体，如水、乙醇、四氯化碳等，常采用毛细管法。

落球法（落针法）是最基本的一种，它可用于测量粘度较大的液体，如蓖麻油（castoroil）、变压器油、甘油等。

一实验仪器装置

本实验采用PH－Ⅲ型变温粘滞系数实验仪，如图一所示。

由实验器、落针、霍尔传感器、测量－控温系统四部分组成。

仪器已经安装完好，待测液体（蓖麻油）已经注入实验器，循环水已经注入测量－控温仪。

图一变温粘滞系数测量系统

1实验器

实验器结构如图二所示。

用透明玻璃管制成的内外两个圆筒容器，竖直固定在水平机座上，机座底部有调水平的螺丝。

内筒盛放待测液体（如蓖麻油），内外筒之间通过控温系统灌水，用以对内筒水浴加热。

外筒的一侧上、下端各有一接口，用橡胶管与控温系统的水箱相连。

机座上竖立一块铝合金支架，其上装有霍尔传感器和取针装置。

圆筒容器顶部盒子上装有投针装置（发射器）它包括喇叭形的导环和带永久磁铁的拉杆。

嗽叭形导环为便于取针和让针沿容器中轴线下落。

用取针装置把针由容器底部提起，针沿导杆：

到达盖子顶部，被拉杆的磁铁吸住。

拉起拉杆，针因重力作用而沿容器中轴线下落。

2磁性落针

磁性落针如图三所示，它是有机玻璃制成的空细长圆柱体，总长约185mm。

其外半径为

，直径约5.7mm，有效密度为

，它的下端为半球形，上端为圆台状，便于拉杆相吸。

内部两端装有永久磁铁，异名磁极相对。

磁铁的同名磁极间的距离为

（170mm）。

内部有配重的铅条，改变铅条的数量，可改变针的有效密度

。

3霍尔传感器

它是灵敏极度高的开关型霍尔传感器，做成圆柱状，外部有螺纹，可用螺母固定在实验仪支架上。

输出信号通过屏蔽电缆、航空插头接到测量器上。

每产磁铁经过霍尔传感器前端时，传感器即输出一个矩形脉冲。

这种磁传感器的使用，为非透明液体的测量带来方便。

图二实验器图三磁性落针

4测量一控制器

以单片机为核心的测量器用以计时和处理数据，硬件采用MCS—51系列处理芯片，软件固化在EPROM中，霍尔传感器产生的脉冲经整形后，从航空插座输入，由计时器完成两次脉冲之间的计时，并将结果计算和显示出来。

其面板如图四所示。

图四PH－Ⅲ型变温粘滞系数实验仪前面板

控温系统由水箱、水泵、加热器及控温装置组成。

微型水泵运转时，水流自实验器的底部流入，自顶部流山：

形成水循环，对待测液体进行水浴加热，加热功率为300W，通过控温装置的调节，预置实验温度。

待测液体的实际温度直接由数码管显示。

二实验内容提示

测量不同温度下蓖麻油的粘滞系数，研究蓖麻油的粘滞系数随温度的变化。

三实验原理提示

当磁性落针在重力的作用下在液体中下落时，由于附着在落针表面的液层对于液体其他部分运动，使落针受到一个与运动方向相反的粘滞阻力，粘滞阻力与落针的运动速度成正比，与液体的粘滞系数成正比。

此外，落针在液体中还要受到浮力的作用。

在开始时落针将加速下落，当三力平衡时，落针将匀速下落。

这时落针的速度称为收尾速度，此速度可通过测量针内磁铁经过传感器的时间间隔

求得。

在恒温条件下，求液体粘滞系数

的公式为：

（1）

式中，

－容器内简半径，

－落针半径，

－落针下落收尾速度，g—重力加速度，

－落针的有效密度，

－液体密度，

—液体粘度系数。

壁和针长的修正系数为：

（其中

）

（2）

（

－两磁铁同名磁极的间距）（3）

考虑到

（

－两磁铁经过传感器的时间间隔），则

（1）式可改写为：

（4）

在变温情况下，还必须考虑到液体密度随温度的变化：

（5）

其中，

，

值可用实验方法确定，大约为

四实验操作提示

1开起仪器：

接入仪器电源，打开电源丌关，仪器显示“PH2”（否则按复位键）。

2加热液体：

打开控温丌关，显示当前温度数值。

将温控器凋到某一温度，（例如高于室温1℃）此时

升温指示灯亮，对待测液体进行水浴加热，到达设定温度后，升温指示灯熄灭进行保温，

由于热惯性，需待达到平衡稳定（最好分两次升温，第二次灯熄灭）后进行测量。

4取针和投针：

取下容器上端的盖子，将针放入被测液体。

盖上盖子用取针装置将针拉起，送给发射端。

发射器吸住落针后，将取针头放到底盘。

轻轻上提盖子，落针就自动下落。

5测量液体粘滞系数：

按仪器面板上的复位键，显示“PH2”。

进入起始状态。

按“3”键，显示“—”，表示进入计时待命状态。

将投针装贸的磁铁拉起，让针落下，稍待片刻（约16秒），显示时间（单位：

毫秒）。

按A键将显示

、

参数（

、

值在显示时可按实际数修改）。

第三次按A键显示该设定温度下的液体粘滞系数。

6实验提示：

为了提高测量精度，在同一温度下，对液体的粘滞系数进行多次重复测量。

五实验注意事项

1应让落针沿圆筒中心轴线下落。

2落针过程中，落针应保持竖直状态。

用取针头将针拉起悬挂在容器上端后，由于液体受到扰动，处于不稳定状态，应稍待片刻，再将落针投下，进行测量。

3取针装置将落针拉起并悬挂后，一定要将取针头离开容器，并置于底部，以免对针的下落造成影响。

4落针进入导轨时，发射器导轨应迎着落针倾斜，使落针顺利被拉杆吸住。

5取针和投针时双手均需小心操作，以免把实验仪碰倒，打坏圆筒容器。

六数据处理提示

1由于全部参数和计算公式等都以输入并固化在单片机上，省却了大量的重复计算。

2对各个温度下的粘滞系数进行研究，找出粘滞系数随温度的变化规律。

3最好能用罗朗级数拟合粘滞系数和温度之间的关系。

七实验报告要求

以实验研究论文的形式提交实验报告。

八参考文献

1陈慧钊.粘度测量.北京：

中国计量出版社，1994

2张兆奎等.大学物理实验.北京：

高等教育出版社，2001

3周殿清.大学物理实验.武汉：

武汉大学出版社，2002

4李长江.物理实验.北京：

化学工业出版社，2002

5万纯娣等.普通物理实验.南京：

南京大学出版社，2000

6江影等.普通物理实验.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，2002

（詹卫伸）

永磁交流伺服电机位置反馈传感器检测相位与电机磁极相位的对齐方式

2008-11-07　　　来源：

internet　　　浏览：

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主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等。

为支持永磁交流伺服驱动的矢量控制，这些位置反馈元件就必须能够为伺服驱动器提供永磁交流伺服电机的永磁体磁极相位，或曰电机电角度信息，为此当位置反馈元件与电机完成定位安装时，就有必要调整好位置反馈元件的角度检测相位与电机电角度相位之间的相互关系，这种调整可以称作电角度相位初始化，也可以称作编码器零位调整或对齐。

下面列出了采用增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等位置反馈元件的永磁交流伺服电机的传感器检测相位与电机电角度相位的对齐方式。

增量式编码器的相位对齐方式

在此讨论中，增量式编码器的输出信号为方波信号，又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器，普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B，以及零位信号Z；带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外，还具备互差120度的电子换相信号UVW，UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。

带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号； 

3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置； 

4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系； 

5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。

 撤掉直流电源后，验证如下：

1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形； 

2.转动电机轴，编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合，编码器的Z信号也出现在这个过零点上。

上述验证方法，也可以用作对齐方法。

需要注意的是，此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐，由于电机的U相反电势，与UV线反电势之间相差30度，因而这样对齐后，增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐，而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致，所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐，为达到此目的，可以：

1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线； 

2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形； 

3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置； 

4.一边调整，一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使上升沿和过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。

由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息，而Z信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而不作为本讨论的话题。

绝对式编码器的相位对齐方式 

绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言，差别不大，其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。

早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平，利用此电平的0和1的翻转，也可以实现编码器和电机的相位对齐，方法如下：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

2.用示波器观察绝对编码器的最高计数位电平信号； 

3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置； 

4.一边调整，一边观察最高计数位信号的跳变沿，直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系； 

5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，跳变沿都能准确复现，则对齐有效。

这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行协议，以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代，因而最高位信号就不符存在了，此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化，其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM，存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：

1.将编码器随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳； 

2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值，并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中； 

4.对齐过程结束。

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的编码器内部EEPROM中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。

此后，驱动器将任意时刻的单圈位置检测数据与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。

这种对齐方式需要编码器和伺服驱动器的支持和配合方能实现，日系伺服的编码器相位之所以不便于最终用户直接调整的根本原因就在于不肯向用户提供这种对齐方式的功能界面和操作方法。

这种对齐方法的一大好处是，只需向电机绕组提供确定相序和方向的转子定向电流，无需调整编码器和电机轴之间的角度关系，因而编码器可以以任意初始角度直接安装在电机上，且无需精细，甚至简单的调整过程，操作简单，工艺性好。

如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM，又没有可供检测的最高计数位引脚，则对齐方法会相对复杂。

如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示，则可以考虑：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

2.利用伺服驱动器读取并显示绝对编码器的单圈位置值； 

3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置； 

4.经过上述调整，使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系； 

5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算位置点都能准确复现，则对齐有效。

如果用户连绝对值信息都无法获得，那么就只能借助原厂的专用工装，一边检测绝对位置检测值，一边检测电机电角度相位，利用工装，调整编码器和电机的相对角位置关系，将编码器相位与电机电角度相位相互对齐，然后再锁定。

这样一来，用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。

个人推荐采用在EEPROM中存储初始安装位置的方法，简单，实用，适应性好，便于向用户开放，以便用户自行安装编码器，并完成电机电角度的相位整定。

正余弦编码器的相位对齐方式 

普通的正余弦编码器具备一对正交的sin，cos1Vp-p信号，相当于方波信号的增量式编码器的AB正交信号，每圈会重复许许多多个信号周期，比如2048等；以及一个窄幅的对称三角波Index信号，相当于增量式编码器的Z信号，一圈一般出现一个；这种正余弦编码器实质上也是一种增量式编码器。

另一种正余弦编码器除了具备上述正交的sin、cos信号外，还具备一对一圈只出现一个信号周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信号，如果以C信号为sin，则D信号为cos，通过sin、cos信号的高倍率细分技术，不仅可以使正余弦编码器获得比原始信号周期更为细密的名义检测分辨率，比如2048线的正余弦编码器经2048细分后，就可以达到每转400多万线的名义检测分辨率，当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统，而国内厂家尚不多见；此外带C、D信号的正余弦编码器的C、D信号经过细分后，还可以提供较高的每转绝对位置信息，比如每转2048个绝对位置，因此带C、D信号的正余弦编码器可以视作一种模拟式的单圈绝对编码器。

采用这种编码器的伺服电机的初始电角度相位对齐方式如下：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

2.用示波器观察正余弦编码器的C信号波形； 

3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置； 

4.一边调整，一边观察C信号波形，直到由低到高的过零点准确出现在电机轴的定向平衡位置处，锁定编码器与电机的相对位置关系； 

5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，过零点都能准确复现，则对齐有效。

撤掉直流电源后，验证如下：

1.用示波器观察编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形； 

2.转动电机轴，编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

这种验证方法，也可以用作对齐方法。

此时C信号的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑：

1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线； 

2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形； 

3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置； 

4.一边调整，一边观察编码器的C相信号由低到高的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使2个过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。

由于普通正余弦编码器不具备一圈之内的相位信息，而Index信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而在此也不作为讨论的话题。

如果可接入正余弦编码器的伺服驱动器能够为用户提供从C、D中获取的单圈绝对位置信息，则可以考虑：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

2.利用伺服驱动器读取并显示从C、D信号中获取的单圈绝对位置信息；

 3.调整旋变轴与电机轴的相对位置； 

4.经过上述调整，使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点，锁定编码器与电机的相对位置关系； 

5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，上述折算绝对位置点都能准确复现，则对齐有效。

此后可以在撤掉直流电源后，得到与前面基本相同的对齐验证效果：

 1.用示波器观察正余弦编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形；

 2.转动电机轴，验证编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器，也可以存储正余弦编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：

1.将正余弦随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳； 

2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

3.用伺服驱动器读取由C、D信号解析出来的单圈绝对位置值，并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中；

4.对齐过程结束。

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向，因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。

此后，驱动器将任意时刻由编码器解析出来的与电角度相关的单圈绝对位置值与这个存储值做差，并根据电机极对数进行必要的换算，再加上-30度，就可以得到该时刻的电机电角度相位。

这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现，而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中，因此一旦对齐后，电机就和驱动器事实上绑定了，如果需要更换电机、正余弦编码器、或者驱动器，都需要重新进行初始安装相位的对齐操作，并重新绑定电机和驱动器的配套关系。

旋转变压器的相位对齐方式

 旋转变压器简称旋变，是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的，相比于采用光电技术的编码器而言，具有耐热，耐振。

耐冲击，耐油污，甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力，因而为武器系统等工况恶劣的应用广泛采用，一对极（单速）的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统，应用也最为广泛，因而在此仅以单速旋变为讨论对象，多速旋变与伺服电机配套，个人认为其极对数最好采用电机极对数的约数，一便于电机度的对应和极对数分解。

旋变的信号引线一般为6根，分为3组，分别对应一个激励线圈，和2个正交的感应线圈，激励线圈接受输入的正弦型激励信号，感应线圈依据旋变转定子的相互角位置关系，感应出来具有SIN和COS包络的检测信号。

旋变SIN和COS输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果，如果激励信号是sinωt，转定子之间的角度为θ，则SIN信号为sinωt×sinθ，则COS信号为sinωt×cosθ，根据SIN，COS信号和原始的激励信号，通过必要的检测电路，就可以获得较高分辨率的位置检测结果，目前商用旋变系统的检测分辨率可以达到每圈2的12次方，即4096，而科学研究和航空航天系统甚至可以达到2的20次方以上，不过体积和成本也都非常可观。

商用旋变与伺服电机电角度相位的对齐方法如下：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出； 

2.然后用示波器观察旋变的SIN线圈的信号引线输出； 

3.依据操作的方便程度，调整电机轴上的旋变转子与电机轴的相对位置，或者旋变定子与电机外壳的相对位置； 

4.一边调整，一边观察旋变SIN信号的包络，一直调整到信号包络的幅值完全归零，锁定旋变； 

5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，信号包络的幅值过零点都能准确复现，则对齐有效。

撤掉直流电源，进行对齐验证：

1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线反电势波形； 

2.转动电机轴，验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。

这个验证方法，也可以用作对齐方法。

此时SIN信号包络的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。

如果想直接和电机电角度的0度点对齐，可以考虑：

1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线； 

2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形； 

3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置； 

4.一边调整，一边观察旋变的SIN信号包络的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使这2个过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。

需要指出的是，在上述操作中需有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周。

由于SIN信号是以转定子之间的角度为θ的sinθ值对激励信号的调制结果，因而与sinθ的正半周对应的SIN信号包络中，被调制的激励信号与原始激励信号同相，而与sinθ的负半周对应的SIN信号包络中，被调制的激励信号与原始激励信号反相，据此可以区别和判断旋变输出的SIN包络信号波形中的正半周和负半周。

对齐时，需要取sinθ由负半周向正半周过渡点对应的SIN包络信号的过零点，如果取反了，或者未加准确判断的话，对齐后的电角度有可能错位180度，从而造成速度外环进入正反馈。

如果可接入旋变的伺服驱动器能够为用户提供从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息，则可以考虑：

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 

2.利用伺服驱动器读取并显示从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息； 

3.依据操作的方便程度，调整旋变轴与电机轴的相对位置，或者旋变外壳与电机外壳的相