TW417347B - Brushless DC motor using permanent magnet - Google Patents

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417547 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明是有關於一ρ無刷直流馬達，甩於工業機器人 或機械設備*其包括：一個定子，此定子具有一安裝三相 電樞.繞組的定子鐵心，及一個轉子，可轉動地置於定子中 ，此轉子具有作爲磁極之永久磁鐵。 首先，定義本說明書所使用到的語彙》 “槽”是馬達電樞鐵心槽溝的一部份。電樞繞組畳繞 於該槽內。 “單位磁極相位之槽數Q”是以電樞之槽數N除以馬 達的相數m和馬達的磁極數P所獲得。亦即， q = N/ (m· P) = a+ (b/c) 此處之a，b，c爲整數，且（b/c)爲最簡分數。 “整數之槽繞組”是指繞組圈數之“單位磁極相位之 槽數Q”爲一整數。 ，. “分數之槽繞組”是指繞組圈數之“單位磁極相位之 槽數q”爲一分數。 “集中式繞組系統”是指在同一槽中縷繞倍數次線圈 之系統，亦即，在定子鐵心齒部之單相中的線圈纏繞系統 。在三相馬達的情況，當電子之三相關係建立後，馬達的 齒數爲3的倍數。集中化之繞組系統適於以繞組機將線圈 纏繞於鐵心之自動繞組過程。 “繞組係數”是輸出P。u t (輸出比）的値，其中， 假設繞組的配置及構成可獲之最·大輸出値爲1 . 0 本紙張尺度追州t囤國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐）_4_ (iiJLlli讀背面之注意事項4坫朽本S ) 訂 <ί··.,-οϊ 姜-ipt- ^\ τ.- Xu." 417347 A7 B7 五、發明説明（2 ) 因而’ P。U t爲 ?。。1=(線性常數）.0.]^〜.1^*1.(1)^ ("-1閱請背面之注意事項再填巧本互) 其中，ω爲轉速（徑度/秒），kw爲纏繞係數（0S k w ^ 1 ) ’ N爲繞組數，I爲電流（A)而①^則爲主磁 通權數（W b )。 “鈍齒轉矩”是馬達在極低的轉速下所產生的轉矩波 動，其成因乃因轉子和定.子之齒位對齊或定位時引起了磁 通變化所致。 “鈍齒轉矩之波紋程度”是馬達一次的迴轉中產生轉 矩波動（鈍齒轉矩）的週期。 圖1是習知無刷直流馬達的剖面圖。圖1中的無刷直 流馬達包括一個定子1 0 0，一個轉子2 0 0，其可旋轉 地配置於定子1 0 0中。圖1中之定子包含一個定子鐵心 1 ，其上形成18個槽10— 1至10, - 18，且三相電 輸繞組4至9(U，V，W，U’ ，V， ，W’ ）組裝於 定子鐵心1的槽內。轉子2 0 0包含轉子鐵心3，和一個 用以構成磁極之永久磁鐵2 (2_1至2 — 6) ·其配置 於轉子鐵心3的外表面。圖1的例子中，構成磁極之永久 磁鐵2之磁極數爲6。亦即，圖1的例子中，轉子鐵心3 包含了有6個磁極之永久磁鐵2·，轉子1 0 0則包含了三 相電輸繞組 4 至 9(U，V，W，U， ’V’ ，W’ )， 該繞組存在於有18個槽的定子鐵心內。 附帶的，三相電輸繞組U·-表示其電流方向和三相電 輸繞組U相反。同樣的，三相電輸繞組V’ - W * ，表示 本紙张尺度4用中國國家標率（CNS ) A4規格（2]0X 297公釐} _ 5 -517247 B7 五 、發明説明（3 ) 1 1 其 電 流 方 向和三相電輸 繞 組V W 相 反 〇 U 相 繞 組以 4表 1 | 示 .f V 相 繞組以5表示 t W相 繞 組 以 6 表 示 U 9 相 繞組 1 I 以 7 表 示 ，V ’相繞組 以 8表 示 > W » 相 繞 組 以 9 表 示。 η 1 1 r rei 圖 1 中 馬 達的單位磁極 相位之槽數< L 8 / < :a X 6 )= L I 1 _ 0 〇 背 ii 之 1 該 馬 達繞組系統爲 蜃 繞組 > 其 單 位 磁 極 相位 之 槽數q 意 重 1 爲 整 數 1 .0 ( 1 8 槽 / 3相 / 6 磁 極 ) 〇 此 系 統 可 應用 T 項 再 1 1 於 其 他 磁 級數的情形， 因 爲在 馬 達 外 徑 的 限 制 條件 下 ，已 % 本 ·» -1 實 現 了 最 大的能量密度 Ti •w- 1 1 當 單 位磁極相位之 槽數Q 超 出 了 1 * 0 > Q > 0 .5 1 1 的 範 圍 時 ，可使用揭露 於 Jpn. Pat. Appln. ΚΟΚΑΙ 專 利 號碼 1 l 7 — 9 9 9 2 3或類似 專 利的 繞 組 系 統 β 圖 2 爲 使 用 Jpn. 訂 I Pat. Appl η. KOKAI 專利 號 碼7 — 9 9 9 2 3 之 馬 達 剖 面圖 1 i I 〇 圖 2 中 的馬達是最典 型 的8 磁 極 馬 達, 0 圖 2 中 的 單 位磁 1 1 極 相位之槽數q = 15, / (3 > 8 ) — 5 / 8 0 1 1 圖 2 中的無刷直流 馬 達包 括 個 定 子 1 0 0 一個 Ί 轉 子 2 0 〇 ’ ，其可旋 轉 地配 置 於 定 子 1 0 0 t 中 〇 圖2 I 中 之 定 子 1 0 0 ’包含 —- 個定 子 鐵 心 1 ， 其 上 形成 15 1 1 t 個 槽 1 0 ’ -1 至 1 0 t -1 5 且 三 相 電 輸 繞 組 4 至9 1 1 ( U V > W > U '， V 9 9 W y ) 組 裝 於 定 子 鐵 心 1， 1 1 的 精 1 0 ’ ~ 1 至 1 0 9 -1 5 內 〇 轉 子 2 0 0 r 包 含轉 1 I 子 鐵 心 3 ’，和用以構 成 磁極 之 永 久 磁 鐵 2 * ( 2 1 -1 1 Ι 至 2 » — 8)，其配置 於 轉子 鐵 心 3 « 的 外 表 面 〇 圖 2的 1 1 例 子 中 y 構成磁極之永久磁鐵2’ 之磁極數爲8 0 1 1 1 本紙张尺度述用中1¾¾家栋準{ CNS > Λ4規格（2〗〇X 297公釐） -6 - A7 B7 五、發明説明（4 ) 另一方面，爲了要在低成本的條件下製造出小型且高 輸出之無刷直流馬達，須有大的能量密度Ed =(輸出和馬 達體積之比），並減少配置電樞線之槽的數目以簡化馬達 的結構，以及使用具高工作效能之繞組方式。 圖3;顯示了某一無刷直流馬達之能量密度，其中 轉子的外徑和繞組系統固定|且定子鐵心的磁通密度，電 刷繞組的電流密度，和其他的電磁特性亦固定，而僅改變 定子鐵心中之磁極數目。 如圖3所示，爲了要提高能量密度E d e，必須要增加 馬達的磁極數。 習知技術有下列的缺點。首先，在圖3之能量密度和 磁極數的關係中，更多的磁即可獲致更小的尺寸和更高的 馬達輸出。 然而，當磁極數增加並保持轉速N_.( r pm)爲定値 時，電子頻率和磁極數成正比。同樣的，電壓Vin (V) (其値和供應電壓成正比，並可由驅動放大器提供至馬達 )中之電刷電感La (H)的電壓降部份亦隨之增加。耽電 壓降爲： iy 中 i： j； .1 f 合 i't 卬 f- 先閱讀背*之注意事項再碛巧本VK ) 2πΝ/60·Ρ/2^Β· I (V) 因此須使用一種可維持轉矩輸出r (Nm)之馬達設 計，其可藉由採用某一數目或更多的磁極，由此降低主磁 通量Φ s ( W b )，並使^流提升的方式來達成》其結果爲 驅動放大器的電流流量增高，而系統的成本相對的提高。 其次，可由'驅動放大器提供至馬達的電壓Vin爲 本紙汝尺度追用中®國家標卑（CNS )六4祝格（210X297公釐} 41，以？ A7 B7 五、發明説明（5 ) V i η ^ [ ( R - Ι+Κΐ·Φβ*Ν)2 + (2?rN/60-P/2*La-I)2]l/2 (丄） 輸出轉矩r爲 τ = K 2 ♦ I ( 2 )

其中Ra爲電樞繞組電阻（Ω) . Ki ( W/W b / A )是感應電壓相關係數’ K2 (Nm/Wb/A)是轉矩相 關係數。 在此情況下，當槽數爲單位磁極相位之槽數Q〉 1 . 〇之分數式的槽繞組或疊繞組1 . 〇>q>〇 · 5胃 ，可獲得適當之感應電壓波形，且轉矩波紋和其他的馬達 特性皆佳，但是由於磁極數的增加所造成槽數的增加’或 是電樞繞組的複雜度，皆會減慢馬達的生產速度’並會增 加馬達的生產成本。 而或，使用單位磁極相位之槽數d,= l . 0 ’爲了要 獲得適當之感應電壓波形，必須要作額外的，如定子或永 久磁鐵偏角的手段，或是將永久磁鐵的邊緣細薄化，此等 皆會增加成本。 進一步的，單位磁極相位之槽數q = 〇 . 5時，雖然 是一有效的方法，和能量密度有正比關係之繞組係數爲 0 · 866，且和圖2中，習知馬達之繞組係數 0 . 9*54相較，其馬達尺寸約小1 〇%，由於其尺寸略 大於有相同磁極數的馬達，有缺黯<存\。 一般而言，使用單位磁極祖位之槽數q<〇.5,由 於具有節省槽的效果’因而可增強製造性，但雖獲得節省 {誚先閱讀背面之注意事項再填巧本I)

*1T 本紙乐尺度迖州十囷囤家標率（CNS ) Λ4規格（210Χ297公| ) -8- ί.-^、···中J-'r-". f ^ ^17^47 at _ B7 五、發明説明（6 ) 槽的效益*定子內側齒和轉子外側永久磁·鐵間的吸引力的

• I 變化卻因而增加，因而使鈍齒轉矩變大》由此，如圖4 A ’ 4 B中所示之鈍齒轉矩的抑制手段，，須減少永久磁鐵片 的邊緣厚度，或是提供定子或永久磁鐵一個偏角。如此， 皆會造成成本的增加。 圖4A顯示習知8極，9槽馬達之轉矩特性及其鈍齒 轉矩的的抑制手段，4 B顯示了相同馬達之單片永久磁鐵 的剖面圖。藉由減小永久磁鐵片邊緣的厚度，鈍齒轉矩 Tc〇e成爲2.8g · cm。圖4A，4B中之每極，9槽 馬達使用了一個有8磁極，9槽，d = 3/ 8的電磁鐵。 且額定轉矩Trate爲1 . 5kg . cm。此外，Τ"κ/ Tratexl〇〇=l . 9%。此處，0是作爲磁極之永久 磁鐵片之單位磁極的角度。 和圖4 A，4B中之鈍齒轉矩抑制.手段的例子相較， 圖5顯示了無鈍齒轉矩抑制手段的習知8極，9槽馬達， 5 B顯示了該馬達之單片永久磁鐵的剖面圖。該永久磁鐵 片的邊緣並不如圖4 B中所顯示的薄。鈍齒轉矩丁。。8爲 54g · cm。圖5A，5B中之8極，9槽馬達使用了 一個有8磁極，9槽，Q = 3/ 8的電磁鐵。且額定轉矩 T I a t e 爲 1 . 5kg· cm。此外 ’ Tcog/TrateX 100 = 3 . 6%。於此，0是作爲磁極之永久磁鐵片單 位磁極的角度。 本發明的目的是提供一種馬達，其可在不提高成本的 情況下表現出更佳之馬達特性。 本紙張尺度述用中闯國家標準（CNS 現格（210X297公釐) TgT ~ (""閱诗背面之：'^意事項再頊3本只 丁 -β v a^17347 ________B7_ 五、發明説明（7 ) 發明槪述 爲了解決問題，本發明之無刷直流馬達是由下述所構 成》即，該無刷直流馬達包括：一個定子，具有用以安裝 電樞繞組之定子鐵心，及一個轉子，具有磁極和轉子鐵心 其中，由永久磁鐵所形成之轉子的磁極，數目爲1 4 ，且 定子鐵心的槽數爲1 2， 在定子鐵心的1 2個槽中，三相電樞繞組用集中式繞 組系統纏繞。 再者，用以組成馬達磁極之永久磁鐵，由1 4片有相 同厚度之永久磁鐵片所組成。並環狀交替地安裝於轉子鐵 心的S極和N極上。 ，. 本發明之附加目的及優點將描述如後，其中，一部份 可明顯的從描述中看出，或是由本發明的實施中學得。本 發明的目的和優點可由接下來的手段和組合中了解。 圖式簡單說明 伴隨著合倂及組成一部份說明之圖式，配合著前述之 一般描述及接下來之較佳實施例的詳細說明，來閩述本發 明之較佳實施例並用以說明發明的原理。 圖1是習知6極，18槽馬違之前剖面圖" 圖2是習知6極，15槽馬達之前剖面圖。 (誚1閱讀背面之注意事項再""?本頁) 本紙張尺政迖用中囤國家標準（CNS ) A4規格（2IOX297公釐) .-(〇 . * Ί f * 4 ^ J. ί 〇 4 ；· Λ7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 _ 五 、發明説明（ 8 ) 1 | [EJ 圖 3 顯 示 磁 極數 和 能 量密度之關係圖。 1 I 圖 4 A 和 4 B是 具 有 鈍齒轉矩抑制手段之8 極 9 槽 馬 1 1 I 達 之 圖 例 0 1 1 锖 \ 圖 5 A 和 5 B是 無 鈍 齒轉矩抑制手段之8極 9 槽 馬 遵 先 閱 讀 1 1 之 nat 圖 例 0 背 1¾ | 之 1 圖 6 是 本 發 明第 1 實 施例之馬達前剖面圖。 意 1 事 1 圖 7 A 和 7 B是 相 同 轉矩下磁極數和馬達電 流 之 關 係 項 .31 t 圖 〇 填 寫 1 本 1 圖 8 A 和 8 B是 本 發 明第1實施例之鈍齒轉 矩 特 性 圖 頁 1 1 及 馬 達 中 永 久 磁 鐵片 的 剖 面圖。. 1 1 I 元 件 對 照 表 1 1 訂 1 0 0 定子， 2 0 0 轉子，1 定子鐵心， 1 1 2 永久 磁 鐵 » 2 - 1 2—6 永久磁鐵磁極， 1 I 3 轉子 鐵 心 9 9 三相電輸繞組（U，V， W ! I U t > V » t W ' ) ♦ 1 0-1 〜10 - 18 1 8 個 槽 1 y 1 0 0 定 子， 2 0 0 ’ 轉子，1 ’ 定 子 鐵 心 » 1 1 2 . 永 久 磁 鐵 ，2 1 — 1〜2 ’ - 8 永久磁 鐵 磁 極 ) 1 3 , 轉 子 鐵 心 ，4 9 三相電輸繞組（U， V 9 W T J U * V « 9 W ) t 1 I 1 0 ， — 1 1 0 , — 1 5 1 5 個槽，1 0 0 0 定 子 1 1 » 2 0 0 jhiti 轉 子 ，4 0 0 定子鐵心，2 0 永 久 磁 鐵 > I 1 ( 2 0 一 1 2 0 - 1 4 ) 永久磁鐵磁極，3 0 0 轉 1 t 子 鐵 心 1 4 9 二 相 電 輸繞組（U，V，W，U ϊ Τ 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS)A4規格（2丨ΟΧ 297公楚> -11 - •117347 Λ7 ΙΪ7 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 五、發明説明（9 ) V’ ，w’ ) ，40 — 1 〜40 — 12 12 個槽，30 —1〜3 ◦ — 12 12個齒 較佳實施例之詳細說明 如圖6所示，本發明實施例之無刷直流馬達包.括一個 定子1000，具有一個含12槽的定子鐵心4 00，一 個轉子2 0 0，具有轉子鐵心及含1 4個磁極2 0- 1至 20 — 14的永久磁鐵。定子鐵心400 ’包含12齒 30 — 1 至 30 — 12 及 1 2 槽 40 - 1 至 40-12。 在定子鐵心400的槽40-1至40 - 1 2中’安裝有 相互偏移1 2 0度電工角相位之三相電樞繞組U ’ V，W > U ' , V， ，W，。 附帶的，三相電輸繞組U*顯示其電流方向和三相電 輸繞組U相反，亦即，有相反的電流方向。同樣的，三相 電輸繞組V ^ > W '，顯示其電流方向和三相電輸繞組V ，W相反，亦即，有相反的電流方向。u相繞組以4表示 ，V相繞組以5表示，W相繞組以6表示’ U ’相繞組以 7表示，V’枏繞組以8表示，W’相繞組以9表示。 本實施例中之無刷直流馬達，在電樞槽數1 2， 馬達相數m = 3 *馬達極數P == 1 4的情況下，單位磁極 相位之槽數ci爲 q = N/ (m. P)二12 (3χ14) = 2/ 7 圖7 Α中，將馬達磁極數視爲一參數，並藉由馬達額 定輸出37kW， l〇〇rpm的設計，說明了馬達額定 (诗先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用宁國國家標準（CMS ) Λ4規格（210X297公敍）-12-

五、發明説明（10)

^'‘""•ψ^κΐττ^ρ TT 消f"^印*'?: I 電流及磁極數間的關係》當然地，圖7 A中的結果可不考 慮額定輸出而適用於其他的輸出。 圖7 B顯示了馬達磁極數和標準電流間的關係*當圖 7A中之馬達磁極數爲8時，在電流81.4A之參考値 爲 1 . 0。 圖8A顯示具5 . OkW，3000 rpm額定輸出 之馬達藉由外部裝置的驅動，在低轉速操作下，其輸出轉 矩的量測結果。圖8 B顯示此例之永久磁鐵片的剖面圖。 (以下說明馬達磁極數爲14的理由） 在不考慮馬達磁極數的情況下，通常很難改變馬達的 效能。使用倍數磁極的優點在於藉由減少永久磁鐵數可降 低馬達的成本=而倍數磁極的缺點是使繞組的複雜度增加 並降低控制的性能。 / _ 爲了要抑制馬達的驅動電流，14個或14個以下的 馬達磁極數是較佳的選擇。亦即，由圖7 B所示之相同轉 矩下馬達磁極數和電流的關係結果可以看出，考慮以倍數 磁極提升能量密度Ed。和驅動放大器電流流量增加之間的 關係，使用1 4個磁極可獲得小的電流增加。 (以下說明馬達槽數爲1 2的理由） 和能量密度Edt:成正比之繞線係數，可在每個槽中求 得。在單位磁極相位之槽數Q<-〇 . 5的範圍中，如表1 所示，1 2槽有最高的繞組係數，因而可實現具小尺寸及 氺紙張尺度追/1]中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公釐） 《"1閱讀背面之注意事項再楨巧本頁} •-° -13- Λ ϊ 7 ά. ^ <5丄以‘ Α7 _____Β7 _ 五、發明説明（11 ) . 高製造性的馬達。 此表中的槽數，是採集中式的繞組系統，3的倍數是 因爲三相馬達的關係。 (本發明的操作） 接下來的效果係藉由下述之設定所產生。轉子鐵心 300所設置之永久磁極數設爲14，即20 — 1至20 —1 4，槽數設爲1 2，以使得三相電樞繞組U，V，W ，U’ ，V’ ，W’可藉由上述之集中式繞組系統設置於 定子鐵心4 0 0內。 (1 )藉由1 4個磁極之倍數磁極設計，可增強能量 密度，且馬達體積與習知技術相較•減少了 1 〇至 15%。 (2 )用以構成辱達磁極之永久磁.鐵髯在相同的去磁 阻下，和習知技術相較，可省30至40%，並且可降低 成本。 (3 )藉由倍數磁極設計，驅動放大器的電流量，和 習知技術相同，且驅動放大器所使用之功率半導體元件亦 和習知技術相同。 (4 )槽數爲1 2且單位磁極相位之瘠數q = 2 / 7 (Q<0 . 5或較小），但是，無須如圖8A，8B所示 之永久磁鐵邊緣的細薄化，定子的預備，或永久磁鐵偏角 之鈍齒轉矩抑制手段，本發明之馬達鈍齒轉矩和圖4 A， 4B，5A和5B所示之習知馬達，仍有相同的性能。 本紙張尺度追用中园國家標隼{ CMS ) A4規格（210X297公釐) _ 14- " (ti先閱讀背面之注意事項再功巧木玎} 丁 、-0 Λ17347 at ______B7_ 五、發明説明（12 ) .(5 )本發明之繞組係數0 · 9 9 3和習知技術相同 ，因而在具高能量密度和1省槽數的情況下，可以自動化 機器來完成繞組的工作’亦即，可實現集中式之繞組系統 0 (6 )由於單位磁極相位之槽數Q = 2/7，本發明 之馬達和倍數槽馬達（Q = 2 )具有相同之繞組效率分布 ，因而可形成和習知馬達相同之正弦感應電壓波形。隨即 ，可實現伺服馬達所需之穩定的輸出轉矩。 (7 )鈍齒轉矩波紋度由1 2槽和1 4磁極之最小公 倍數8 4所決定，以使得馬達轉動波紋可簡單地設定在機 械系統之響應頻率範圍之外。 (8 )由於槽數爲偶數，和奇數個槽數的情形相較， 轉子偏心所造嘰之馬達磁電流的不平衡力，組裝精度I軸 承鬆弛，操作精度的變動，磁化狀態或，是永久磁鐵的排列 精度等|皆結構性地具有較小的發生機率。 由此構成之本發明即產生了下述之效能。首先，可製 造出小尺寸表，高輸出及低成本之無刷直流馬達。 本發明中，如圖7A和7 B钓結果所示，考慮增強馬 達能量密度E 之倍數磁極設計與增加驅動放大器電流流 量間的關係，藉由使用可減小電流增加之1 4電極*即可 在不改變驅動放大器電流流量的情況下，實現具高能量密 度的馬達。 再者，藉2槽的使用單位磁極相位之槽數q = 2/7，q<0 . 5)，無需一般視爲缺點之鈍齒轉矩的 本纸乐尺皮追扣中囤國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）_ 15- (誚先閱誚背面之注意事項再填β本頁)

11T 417347 A7 _B7__ 五、發明説明（13 ) (誚先閱讀背面之注^^項再械朽本页) 抑制手段（尤其，永久磁鐵邊緣的細薄化，定子的預備* 或永久磁鐵的偏角），馬達仍有優異的性能。並且藉由具 小尺寸及最佳繞組工作效能之集中式繞組系統，以及大量 之生產性，可降低生產的成本。 附加的優點和改良可確實地再本發明的技術中實現。 因而， 本發明之更廣泛的應用方向並不限於此處所述之具代 表性及較佳的實施例。據此，在不偏離以下所附之申請專 利範圍和其等效物所定義之一般發明觀念的精神或範圍下 ，即可實現多樣化的改良。 本紙张尺戾述中®國家標準（CNS ) Α4規格（2ΙΟΧ297公麓）.16-

Claims (1)

1. C8 -'-_D8_ 六、申請專利範圍 1 . 一種無刷直流馬達，包括： —個定子，具有定子鐵心，定子鐵心上形成用以安裝 三相電樞繞組之多數個槽，一個轉子，具有多數個磁極和 轉子鐵心，可轉動地置於定子內， 其中，磁極數爲14，其由永久磁鐵所形成，且 該鐵心的槽數爲1 2。 2 .如申請專利範圍第1項所述之無刷直流馬達，其 中該三相電樞繞組係以集中式繞組系統安裝於該定子鐵心 的1 2個槽內。 3 .如申請專利範圍第1項所述之無刷直流馬達，其 中組成該轉子磁極之永久磁鐵是由14個有相同厚度的永 久磁鐵片所構成，環狀交替地安裝在轉子鐵心之Ν極和S 極中。 (請先W讀背面之注意"項再填寫本頁) -- 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 本纸張尺度逍用中國國家揉準（CNS ) A4规格（2丨0X297公釐） -17-