一种高压一体机的制作方法

1.本发明一般地涉及电机技术领域。更具体地，本发明涉及一种高压一体机。


背景技术：

2.工业应用中高压电动机大多数为6kv及其以上的高压驱动电机，高压驱动电机和所要驱动的设备之间需要设置液力耦合器或其他液粘调速装置，以缓冲高压电机直接启动时的电气冲击和机械冲击。随着变频技术的快速发展，采用变频驱动的方式可以有效减小电机启动时的冲击。鉴于此，工业应用中设计出了6kv及以上电压等级的高压变频器，从而实现对6kv及其以上的高压驱动电机的变频驱动。但是，采用6kv及以上电压等级的高压变频器存在一些问题：第一，高压变频器的组成结构比较特殊，其包括变压器，并且变压器的二次侧(变压器副边)为多级输出的结构，以将高压转换为低压，然后再将每级输出连接一个变频器实现变频，最后将多级变频器串联后转换为高压输出，以驱动高压电机。第二，高压变频器由于需要较大的对地耐压值，则需要较长的绝缘距离，通常需要单独的房间进行安装，并且对安装空间的环境要求比较高，需要保持室温稳定。因此，安装高压变频器的房间中一般情况下需要安装空调或风扇进行散热。


技术实现要素：

3.为解决上述背景技术中的一个或多个问题，本发明提供了一种高压一体机。该高压一体机将变压器、变频器和电机集成在一起，变压器设置在电机尾部，不需要再设置单独的房间安装变频器，即可实现电机的驱动，从而减小了设备安装空间，有利于工业化生产。
4.具体地，本发明公开了一种高压一体机。该高压一体机包括：电机机构、变压器机构和变频器机构；所述变压器机构包括变压器壳体和变压器，所述变压器装配在所述变压器壳体中，用于将高压交流电转换为低压交流电；所述变频器机构包括变频器壳体和变频器，所述变频器装配在所述变频器壳体中，并与所述变压器连接，用于对所述低压交流电进行频率转换；所述电机机构包括电机壳体和电机，所述电机装配在电机壳体中，并与所述变频器连接，用于根据所述变频器输出的交流电驱动电机转轴进行转动；所述电机机构的前端用于动力输出，其后端设置所述变压器机构；所述变压器壳体包括第一筒体，所述第一筒体的第一端开口，所述第一端固定连接在所述电机壳体的后端。
5.在一个实施例中，所述变频器机构处于电机机构上侧，所述变频机构沿所述电机轴向方向布置。
6.在另一个实施例中，所述变频机构包括设于电机机构上侧的水冷板，所述水冷板用于对所述变频器进行散热。
7.在又一个实施例中，所述变压器壳体还包括设于所述第一筒体上侧的接线腔室，用于容纳进线线缆和供电线缆，所述进线线缆用于连接所述变压器和外部高压电源，所述供电线缆用于连接所述变压器和变频器。
8.在一个实施例中，所述接线腔室的第一侧设有第一进线腔室，所述第一侧为垂直
于电机轴线的一侧；所述接线腔室的第二侧设有第二进线腔室，所述第二侧为与所述第一侧相对的一侧，所述第一进线腔室和第二进线腔室用于容纳所述进线线缆。
9.在另一个实施例中，所述第一进线腔室呈收口状，进线口朝下且向第一侧的外侧倾斜设置，所述第二进线腔室呈收口状，进线口朝下且向第二侧的外侧倾斜设置。
10.在又一个实施例中，变压器壳体上设有第一冷却水道，所述第一冷却水道平行于所述电机轴线方向，用于为所述变压器机构散热。
11.在一个实施例中，电机壳体上设有第二冷却水道，所述第二冷却水道平行于所述电机轴线方向，用于为所述电机机构散热。
12.在另一个实施例中，所述第一筒体与电机壳体同轴且直径相同，所述第一筒体的第二端开口，所述第二端设有变压器壳体端盖。
13.在又一个实施例中，所述电机机构和变压器机构下侧还设有底座结构，用于支撑所述高压一体机。
14.基于上述的实施例，本发明的高压一体机摒弃了原有“高压变频器 高压电机”的模式，将变压器、变频器和电机一体设置，不再需要设置单独的房间安装高压变频器，将变压器壳体固定连接在电机壳体的后端，需要的设备安装空间较小。在进行供电接线时，节省了外部高压电源与高压变频器之间、高压变频器与高压电机之间的线缆数量，只需要一条供电线缆直接连接高压一体机即可，有效减少了电缆敷设的工作量。而且变压器、变频器和电机都采用常规设备，制造比较简单，有利于产品的推广应用。本发明的这些优点较好地解决了现有技术中关于高压驱动电机存在的诸多问题。例如，本发明的高压一体机通过常规设备即可实现变频驱动的技术优势，能够应用于各种电压等级的工业应用中。
附图说明
15.通过参考附图阅读下文的详细描述，可以更好地理解本发明的上述特征，并且其众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图，其中:
16.图1是示出根据本发明实施例的高压一体机的主视图；
17.图2是示出根据本发明实施例的高压一体机的纵剖图；
18.图3是示出根据本发明实施例的高压一体机的从斜上方俯视得到的立体结构示意图；
19.图4是示出根据本发明实施例的高压一体机的右视图；
20.图5是示出根据本发明实施例的高压一体机的从斜下方俯视得到的立体结构示意图；
21.图6是示出根据本发明实施例的高压一体机的变频器壳体中各部件设置位置的示意图；
22.图7是示出根据本发明实施例的高压一体机的变频器壳体中冷却水道设置示意图；
23.图8是示出根据本发明实施例的高压一体机的变压器机构中变压器设置位置示意图；
24.图9是示出根据本发明实施例的高压一体机的变压器机构中冷却水道和螺栓连接位置示意图；
25.图10是示出根据本发明实施例的高压一体机的左视图；
26.图11是示出根据本发明实施例的高压一体机的变压器壳体的第一冷却水道示意图；
27.图12是示出根据本发明实施例的高压一体机的第一冷却水道中的水流示意图；
28.图13是示出根据本发明实施例的高压一体机的电机机构中第二冷却水道示意图；以及
29.图14是示出根据本发明实施例的高压一体机的电机壳体后端盖的结构示意图；
30.其中图1-图14中，电机机构1，电机壳体10，电机101，电机机构前端11，电机机构后端12，电机绕组103，第二冷却水道104，第三冷却水道105，第一筋板106，第二筋板107，变频器机构2，变频器壳体20，变频器201，水冷板202，igbt模块203，电阻204，电容205，主控单元206，驱动单元207，接触器208，三相隔离转换单元209，漏电检测装置210，第一盖板211，第二盖板212，第三盖板213，第四盖板214，进水口215、出水口216，冷却水路217，变压器机构3，变压器壳体30，变压器301，第一筒体302，变压器壳体端盖303，第一冷却水道304，变压器机构前端305，变压器机构后端306，接线腔室4，进线腔室401，进线喇叭嘴402，接线腔室的第一侧403，接线腔室的第二侧404，第一进线腔室405，第二进线腔室406，线缆截面407，底座5，支架6。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.图1是示出根据本发明实施例的高压一体机的主视图。图2是示出根据本发明实施例的高压一体机的纵剖图，图3是示出根据本发明实施例的高压一体机的从斜上方俯视得到的立体结构示意图，图4是示出根据本发明实施例的高压一体机的右视图。
33.如图1所示，本发明的高压一体机可以包括电机机构1、变频器机构2和变压器机构3。其中电机机构1包括电机壳体10和电机101，电机11装配在电机壳体10中。变频器机构2包括变频器壳体20和变频器201，变频器201装配在变频器壳体20中，以通过内部半导体功率器件(如igbt)的开断过程调整电源的频率。变压器机构3包括变压器壳体30和变压器301，变压器301装配在变压器壳体30中，用于将高压交流电转换为低压交流电。前述变频器201可以与前述变压器301连接，以实现对低压交流电进行频率转换。例如将6kv高压电转换为低压电。前述电机可以与前述变频器201连接，从而根据变频器201输出的交流电驱动电机转轴进行转动。进一步地，还可以设置接线腔室4，从而实现前述变频器201和变压器301的接线、变压器301与外部高压电源的接线设置。
34.在一个实现场景中，如图2所示，在对前述的变压器机构3、变频器机构2和电机机构1进行装配时，可以将前述电机机构前端11(图1和图2中左侧凸出部分为电机输出轴)用于动力输出，电机绕组103设置于电机壳体10的中间，并在电机机构后端12(图1和图2中电
机机构1的右侧)设置前述变压器机构3，从而将变压器301设置在电机101尾部。前述变压器机构3包括变压器机构前端305和变压器机构后端306，变压器机构前端305可以与前述电机机构后端12连接，例如在变压器壳体前端设置翻沿，翻沿和电机壳体后端对应位置设置螺纹孔，然后通过螺栓穿过螺纹孔将变压器壳体前端和电机壳体后端固定连接起来。在电机机构1的上部设置前述变频器机构2，并在变压器机构3的上侧设置对应的接线腔室4，接线腔室4可以容纳进线线缆和供电线缆，其中进线线缆用于连接外部高压电源和前述变压器301，供电线缆用于连接前述变压器301和前述变频器201。例如接线腔室4可以连接至少一个进线腔室401，进线腔室401可以用于容纳连接外部高压电源的线缆(即进线线缆)。在进行供电接线时，进线线缆可以通过前述进线腔室401进入接线腔室4，并通过接线腔室4与变压器壳体30中的变压器连接。同时该接线腔室4中还设置有连接变压器301和变频器201的供电线缆，从而将变压器301输出的低压电传输至变频器201，变频器壳体20中还可以设置用于变频器201与电机101进行电连接的出线口。
35.具体地，图3示出了本方案中高压一体机的从斜上方俯视的立体图。如图3所示，变频器机构2可以设置于前述电机机构1的上侧，并沿电机的轴向方向进行布置。在一个实现场景中，前述的变频器机构2中的变频器壳体20通过一个支撑结构固定在前述电机壳体的上部。在一个实现场景中，如图3所示，可以在电机壳体10处设置筋板结构，并将变频器壳体20安装于电机壳体上侧的筋板结构上。具体地，可以在电机壳体前端的位置处安装第一筋板106，在电机壳体后端的位置处安装第二筋板107。在设置变频器机构2时，则可以将变频器壳体20安装在前述第一筋板106和第二筋板107上。前述第一筋板106和第二筋板107由于在刚度、强度、稳定性、绝缘等方面具有较优的效果，因此采用第一筋板106和第二筋板107作为电机机构和变频器机构的安装件，一方面可以起到支撑、防护电机的作用，另一方面，可以提升变频器机构和电机机构安装的稳固性，提升电机整体稳定性。
36.在另一个实现场景中，还可以通过在电机壳体10的上部设置支架6，以将前述变频器机构2设置在电机机构1的上侧。该变频器壳体20中可以包括igbt模块203、电阻204、电容205、接触器208和主控单元等部件，具体组成将在下文中进行详细说明，此处暂不进行详细阐述。进一步地，为了便于检修，可以在该变频器壳体的顶盖设置多个盖板，以对应多个检修区域，如果在检修时需要对应检修某个区域，则打开对应位置的盖板即可实现检修。例如图3中在变频器壳体的顶部设置第一盖板211、第二盖板212、第三盖板213和第四盖板214这四块盖板，从而划分4个用于检修的区域。
37.在电机机构1中电机壳体10的后端可以设置变压器壳体30。在一个实现场景中，前述变压器壳体30可以包括第一筒体302，将第一筒体302的第一端(对应变压器机构前端305)开口，并将第一端固定连接在前述电机壳体的后端。进一步地，前述的电机壳体10可以与第一筒体302同轴布置，并且电机壳体10的直径与前述第一筒体302的直径相同。如图4所示，为了保证前述高压一体机的密封性，在前述变压器壳体30的第二端(对应于变压器机构后端306)设置一个变压器壳体端盖303，从而通过电机壳体10的后端和前述变压器壳体端盖303形成一个用于安装变压器301的密封腔室。更进一步地，前述高压一体机中的电机机构1和变压器机构3的下侧还设有底座5，用于支撑前述高压一体机。
38.在利用前述高压一体机进行工作时，利用其中的变压器301将高电压转换为低电压，然后利用变频器201对低电压进行变频，驱动前述的电机运转。鉴于此，本发明的方案
中，高压一体机中的变压器301可以采用普通的变压器，变频器201也不再需要特殊结构的高压变频器。因此，通过这种实现“高压电机”的方式，在对电机进行驱动设置时，利用普通的变压器、变频器即可实现将电机连接于高压电源中，而不需要再设置专用的高压变频器，产品制造比较简单，并且能够广泛应用于各电压等级的工业场景中。并且所设计的高压一体机占用的空间体积较小，便于设备的运输和安装。以上结合图1-图4对本发明中高压一体机结构的简要说明，接下来将详细阐述各部分的组成。
39.图5-图7是示出根据本发明实施例的高压一体机中的变频器机构2的进一步细节组成的示意图。这里需要指出的是，图5-图7中的变频器机构2可以理解为图1中的高压一体机中的变频器机构2的一种示例性的实现方式，并且图5-图7中所示的各部分名称与图1中相对应。因此，结合图1所描述的高压一体机的细节也同样适用于图5-图7中的变频器机构2的描述并且下文不再赘述。
40.如图5所示，前述变频器机构2可以布置于电机机构1的上侧，并将变频机构沿前述电机轴向方向布置，从而在电机轴向方向上布置变频器201、控制部件等。在变频器壳体的底部，还可以设置一个用于连接电机101和变频器201的接线结构，例如可以在该变频器壳体的底部设置出线，所设置的变频器的出线可以通过导电结构与电机的端子连接，从而实现电机101和变频器201的连接。在该变频器机构2对应于电机机构后端12的位置处，可以设置一个接线端口，用于连接前述供电线缆。在一个实现场景中，前述的接线腔室4可以采用独立的结构，并安装于前述变压器机构的上侧。也可以将该接线腔室与前述的变压器壳体一体设置，在制作变压器壳体时直接制作具有接线腔室和变压器壳体的结构。进一步地，为了实现对变频器机构2的散热，还可以在电机机构1的上侧设置水冷板202，以对前述变频器机构2进行散热，由于下文中将会进行信息阐述，此处先不进行说明。
41.在一个实现场景中，如图6所示，前述变频器机构2的变频器壳体中，可以在变频器201的供电线路中设置三相隔离转换单元209，用于将从前述变压器301传输的电压进行隔离、转换，并设置接触器208以对供电线路进行控制。还包括用于变频的igbt模块203及驱动igbt导通或关断的驱动单元207、电阻204、电容205，从而实现变频功能。另外，在前述变频器壳体中还可以设置主控单元206，该主控单元206一方面可以控制驱动单元207从而调节该变频器201的变频参数，另一方面，还可以连接各类检测装置以实现对变频器201等的保护功能。例如该主控单元206可以连接一个设置在供电线路中的漏电检测装置210，以在出现漏电情况时，控制前述接触器208断开，从而停止电机101运转。或者是主控单元206可以连接若干个温度传感器，从而对高压一体机中各部位的温度进行监测，例如可以在电机绕组103，前轴、后轴、变压器301和变频器201等位置处设置温度传感器，以实现对高压一体机的温度监测。
42.进一步地，为了对变频器201进行有效散热，还可以在电机机构1的上侧设置水冷板202，从而对前述变频器201进行散热。如图7所示，前述水冷板202上设置有进水口215、出水口216和冷却水路217。在一个实现场景中，在安装水冷板202时，可以将水冷板202贴设于前述电机壳体的底部的外侧，并将变频器201中的功率器件设置在变频器壳体底部紧贴设水冷板202的位置，以对功率器件进行散热。在另一个实现场景中，还可以将水冷板202作为变频器壳体的一部分，例如可以将水冷板202直接作为变频器壳体的底部，从而将变频器201中的功率器件直接设置在水冷板202上，以提升散热效果。
43.图8-图13是示出根据本发明实施例的高压一体机中的变压器机构3的示意图。这里需要指出的是，图8-图13中的变频器机构2可以理解为图1中的高压一体机中的变压器机构3的一种示例性的实现方式，并且图8-图13中所示的各部分名称与图1中相对应。因此，结合图1所描述的高压一体机的细节也同样适用于图8-图13中的变压器机构3的描述并且下文不再赘述。
44.如图8所示，前述变压器机构3设置在电机机构1的后端，变压器壳体30包括第一筒体302，第一筒体302可以与电机壳体10同轴设置且直径相同，在该第一筒体302内可以安装前述变压器301。如图9所示，为了实现对变压器301的散热，本方案中还设置了第一冷却水道304，接下来的内容中将会详细描述第一冷却水道的分布形式，此处暂不进行说明。
45.为了实现变压器301与外部高压电源的接线，可以在变压器壳体的第一筒体302的上侧设置一个接线腔室4，用于实现前述变压器301与外部高压电源、变频器201的连接。在一个实现场景中，如图10所示，在接线腔室4中可以设置高压熔断器等器件，还可以在前述接线腔室4外侧设置至少一个进线腔室401，并且前述进线腔室401的结构可以呈收口状，进线口朝下且向电机外侧倾斜设置，这种结构设计一方面可以避免进水、减少脏污残留，另一方面可以方便接线操作，减少线缆弯折。可替换地，为了便于快速组装，前述进线腔室401还可以直接采用现有的高压接线盒结构。在一个实现场景中，前述接线腔室401例如可以包括第一侧403和第二侧404，第一侧403可以是垂直于电机轴线的一侧(例如图10中接线腔室的左侧)，第二侧404可以是与前述第一侧403相对的一侧(例如图10中接线腔室的右侧)。在前述第一侧403可以设置第一进线腔室405，以实现在第一侧403进行接线。在前述接线腔室的第二侧404可以设置第二进线腔室406，以在第二侧404将前述变压器与外部高压电源建立连接。
46.当用户方便从左侧(图10中接线腔室的左侧)进行接线时，可以利用设置在接线腔室左侧的第一进线腔室405中的进线线缆连接外部高压电源，并将接线腔室4右侧的与第二进线腔室406连接的位置处用盖板盖上。当用户方便从右侧(图10中接线腔室右侧)进行接线时，可以利用设置在接线腔室右侧的第二进线腔室中的进线线缆连接外部高压电源，并把接线腔室左侧的与第一进线腔室连接的位置处用盖板盖上，从而提高了前述高压一体机进线的便捷性。进一步地，前述接线腔室还可以包括第三侧407，例如第三侧407可以设置在前述接线腔室对应于电机壳体的后端的位置处，从而便于在第三侧407的方向进行外部接线。更进一步地，还可以在每个进线腔室的进线口可以设置一个进线喇叭嘴402，以实现外部接线设置。
47.在一个实现场景中，还可以在变压器壳体30上设置第一冷却水道304，以对变压器301进行散热。如图11所示，可以将前述第一冷却水道304沿平行于前述电机轴线方向进行设置，从而使得第一冷却水道304沿变压器壳体均匀分布，以实现整个壳体的均匀散热。当从第一冷却水道304的进水口注入冷却液后，可以在变压器壳体中形成对应的水流结构。如图12所示出的变压器壳体30和接线腔室4对应的截面图，该截面图中接线腔室4的截面图中的多个圈状结构为线缆截面407(供电线缆截面)，变压器壳体30的截面图中的互相连通的圈状结构即第一冷却水道304，可以看出分布在变压器壳体上的各条水道相互连通从而形成整体的连通结构。这样仅需一个进水口和出水口就可以实现冷却液在冷却水路中的循环，从而实现对变压器301的散热。可以理解的是，前述第一冷却水道沿平行于电机轴线的
方向布置的形式是示意性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的设置方式，例如沿前述第一筒体的圆周方向呈螺旋状布置等。
48.图13-图14是示出根据本发明实施例的高压一体机中的电机冷却结构的示意图。这里需要指出的是，图13-图14中的电机机构1可以理解为图1中的高压一体机中的电机机构1的一种示例性的实现方式，并且图13-图14中所示的各部分名称与图1中相对应。因此，结合图1所描述的高压一体机的细节也同样适用于图13-图14中的电机机构的描述并且下文不再赘述。
49.如图13所示，电机机构1包括电机壳体10和电机101，电机机构前端11用于输出，电机机构后端12可以连接前述的变压器机构3。为了实现对电机的散热，在电机壳体10上可以设置第二冷却水道104，前述第二冷却水道104可以沿平行于前述电机轴线的方向进行设置，从而在电机壳体10上形成互相平行的多条冷却水道的形式，以实现对电机101的全方位的散热效果。进一步地，如图14所示，还可以在电机壳体10的后端的端盖上也设置水冷结构，例如可以在端盖上设置第三冷却水道105，从而增加电机机构1的散热效果。更进一步地，前述第一冷却水道304、第二冷却水道104和第三冷却水道105可以采用相互独立的结构，即每个冷却水道通过其独立的进水口、出水口形成一套单独的水路、相互之间没有连接。冷却液可以分别从第一冷却水道304、第二冷却水道104和第三冷却水道105的进水口流入，并分别从第一冷却水道304、第二冷却水道104和第三冷却水道105的出水口流出，以实现对电机、变压器等设备的散热。将各冷却水道独立设置，可以是流过的冷却液处于低温状态的时间更长，从而提高对电机、变压器等设备的散热效果。
50.另外，也可以将前述高压一体机中各冷却水道通过橡胶软管串接，这样只需要对一个进水口进行注水，就能实现前述高压一体机中多个部分的水冷散热。例如将变压器机构3中的第一冷却水道304、电机机构1的第二冷却水道104、第三冷却水道105以及变频器机构2的水冷板202中的冷却水道中的至少两个冷却水道通过管路通过水管串接，从而形成较长的冷却水路，减少进水口、出水口与外部水源的连接频次，减少工作人员的工作量。
51.综上，本发明的方案中提出了将水冷结构作为壳体一部分的结构形式，如在电机壳体和变压器壳体上进行结构改进以形成冷却水道的方式进行散热，又如将水冷板直接作为变频器壳体底板以进行散热。可替换地，本领域技术人员也可以直接采用独立的水冷板结构，例如采用电机水冷板，将电机水冷板贴设于电机壳体的内部，采用变压器水冷板，并将变压器水冷板紧密贴设于电机壳体的外侧等等方式，本领域技术人员可以根据实际需要选择适用的方式。
52.基于上文的描述，可以理解的是本发明的高压一体机较好地克服了现有技术中利用高压变频器驱动高压电机时需要占用较大的安装空间、设备组成结构复杂、连接线缆多、成本高的问题。另外，该高压一体机还具有设计精巧、结构相对简单、成本较低以及后期维护方便等优点。
53.应当理解，当本发明的权利要求、说明书及附图使用术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等时，其仅是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
54.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
55.如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
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虽然本发明的实施方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。