CN103325519A - 具有模式可选的磁性电枢的无弹簧电磁致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明是具有模式可选的磁性电枢的无弹簧电磁致动器。标准螺线管本体和线圈被与包含永久磁体,优选钕,的非磁性电枢管组合。磁体被定位于电枢内三个位置中的一个。当被朝向螺线管的止挡件端部偏压时,其可被配置用作推型螺线管。当被朝向螺线管的套环端部偏压时,其可被配置用作拉型螺线管。在任一情况下,都不需要弹簧来将电枢返回到其断电位置。将磁体定位到电枢中间限定出不需要电源将其保持于给定状态的双锁式螺线管。正向线圈脉冲使电枢朝向止挡件端部移动,而负向线圈脉冲使电枢朝向套环端部移动。电枢将保持在其被指引的端部,直到相反极性的另一脉冲到来。
Description
本申请要求提交于2012年3月19日的美国临时申请No.61/612,590的权益。
技术领域
本发明涉及电磁螺线管致动器;更特别地,涉及具有容纳在电枢内的磁体的电磁致动器;并且最特别地,涉及具有容纳在非磁性电枢内的永磁体、优选稀土磁体的致动器,其中,磁体短于非磁性电枢,并且其中,磁体可以有选择地定位在电枢的纵向中间处或附近,用于双作用用途,或朝向一个末端或另一个末端偏置在位,以将致动器配置成拉型或推型,而不需要偏置弹簧。
背景技术
标准的现有技术的电磁致动器,下文称为“螺线管”,典型地包括缠绕在中空的绕线筒上的电线圈。铁磁性极片和电枢安置在绕线筒内或附近,并且当通电时由线圈生成的磁场致使电枢沿线圈轴向地朝向极片移动。电枢和螺线管壳体此时特别配置成用于推型螺线管或拉型螺线管。当螺线管断电时,电枢关于极片的位置由远离极片地驱动电枢的偏置弹簧提供。
“推型”螺线管包含柱塞部分,其从电枢(“柱塞”)伸展穿过极片并且终结在螺线管的极片末端外侧的位置处。当线圈通电时,电枢朝向极片移动并且柱塞向螺线管壳体的外部推动。当线圈断电时,偏置弹簧远离极片移动电枢,致使柱塞缩回。另一方面,“拉型”螺线管在极片末端处封闭。在相反末端处的开口允许柱塞部分从螺线管壳体向外伸展。当线圈通电时,电枢朝向极片移动并且柱塞被向螺线管壳体的内部拉动。当线圈断电时,偏置弹簧远离极片移动电枢,由此致使柱塞重新向外伸展。
在螺线管领域内,已知的是,采用在电枢内的永磁体来沿一个方向或另一个方向(取决于磁体的极性)偏置电枢,以增强在螺线管中的电枢的拉力并且抵消对偏置弹簧的需要;例如参见美国专利No.3,218,523中的。
还已知的是,采用钕作为螺线管电枢中的磁性材料;例如参见美国专利No.6,932,317。
在本领域中,需要的是,具有纳入永磁体的电枢的螺线管,所述永磁体优选由稀土材料比如制成钕,其中,磁体可以有选择地定位在电枢的长度内,以在推型螺线管、拉型螺线管或双作用螺线管之间预先选择,由此容易地转换螺线管的功能性。
发明内容
简言之,螺线管本体与容纳永磁体的非磁性电枢管相结合,所述永磁体具有短于电枢管的长度的长度。由铁磁性材料形成的极片安置在螺线管本体的两端处。典型地,一个极片(“止挡件”)安置在本体的封闭末端处,另一个极片(“套环”)安置在本体的开通末端,连接至电枢管的柱塞穿过所述开通末端突伸,并且作用在由螺线管控制的设备上。根据希望的螺线管功能的不同,磁体可以沿电枢管的长度定位在多个位置中的任一个中。当磁体的位置朝向螺线管本体的开通末端偏置并且所述磁体的极性布置成在螺线管的线圈通电时远离开通末端移动电枢的时候,螺线管起作用为拉型螺线管。在这种配置中,当螺线管断电时,柱塞通过永磁体对铁磁性套环的磁性吸力而被保持在伸展位置中。当螺线管的线圈通电时,磁场的力和极性致使磁体和电枢管远离套环并且朝向铁磁性止挡件移动,由此缩回柱塞。当螺线管再次断电并且由线圈生成的磁力场消失时,由于永磁体对套环的磁性吸力的缘故,柱塞重新伸展。通过扭转磁体的极性(或扭转流经线圈的电流方向),并且通过朝向螺线管的封闭末端偏置磁体位置,螺线管可以容易地转换成起作用为推型螺线管。
如果磁体位置朝向铁磁性止挡件偏置,螺线管起作用为推型螺线管。在这种配置中,当螺线管断电时,柱塞通过来自永磁体对铁磁性止挡件的磁性吸力而被保持在缩回位置中。当螺线管的线圈通电时,磁场的力和极性致使磁体和电枢管远离止挡件并且朝向铁磁性套环移动,由此伸展柱塞。当螺线管再次断电时,由于永磁体对铁磁性止挡件的磁性吸力的缘故,柱塞缩回。
在两种配置中,不需要弹簧来使电枢返回至其断电位置。由于朝向磁体的断电位置吸引磁体的磁力大于对相反极片的磁性吸力,因此容纳磁体的电枢管将自动返回至在螺线管的制造或场设定过程中已经预先选择的任意断电位置。
第三功能可以如此实现,即通过使永磁体位于电枢管的长度的中间(“中位”)处或附近,从而使得当磁体在中(居中的)位时,不论螺线管的止挡件还是螺线管套环均不控制电枢位置。而是,电枢在两个螺线管末端之间被磁性平衡。至螺线管的线圈的正向脉冲将沿螺线管的第一末端的方向移动电枢,而负向脉冲将朝向第二和相反末端移动电枢。凭借永磁体对极片其中之一的磁性吸力,电枢将保持在其所被导向至的螺线管本体的末端处,直到经过螺线管的线圈形成另一相反极性的脉冲。因此,这种配置起作用为双作用螺线管,其不需要继续的电力而仅需磁性吸力以在脉冲之后将其保持在停用位置。
附图说明
现在,本发明将参照附图以示例方式描述,其中:
图1A是示出现有技术“推型”螺线管的示意图;
图1B是示出现有技术“拉型”螺线管的示意图;
图2是有关螺线管的止挡件和螺线管套环的示意图,其示出根据本发明的电枢的三个不同实施方式;
图3是与图2中所示相像的示意图,其示出两个实施方式(10b和10c)的停止位置和第三实施方式(10a)的中位;
图4是本发明一个配置的截面图,其示出从电枢的中点朝向螺线管的止挡件移位的磁体,以及柱塞缩回模式,其中螺线管线圈断电;
图5是与示出图4中所示相像的截面图,其示出当线圈通电时离开螺线管的止挡件提升的电枢(推功能);
图6是本发明另一配置的截面图,其示出从电枢的中点朝向螺线管套环移位的磁体,以及柱塞伸展模式,其中螺线管的线圈断电;
图7是与图6中所示相像的截面图,其示出当线圈通电时被远离螺线管套环拉动的电枢;
图8A和8B是本发明另一配置的截面图,其示出在双作用螺线管中的磁体的位置;
图9A和9B是另外的实施方式截面图,其示出根据本发明的特别套环和止挡件的设计及其在力作用线上的影响,其中线圈通电(9A)和断电(9B);以及
图10A-10D是根据本发明的使用在电门闩应用中的螺线管的截面图。
贯穿多个视图,对应的参考标记标注对应的部分。本文给出的例示目前说明本发明的优选实施方式,并且所述例示不得以任何方式被解释为限制本发明的范围。
具体实施方式
图1A和1B示出了两种现有技术的螺线管-一种推型螺线管(图1A)和一种拉型螺线管(图1B)。参考图1A,推型螺线管18a包括壳体19,电磁线圈20,其围绕着电枢10并且设置于壳体内在铁磁性极片套环14和被称为电枢后止挡件12的壳体的截面封闭端部之间。电枢10包括当线圈通电时可与相同轮廓的套环座15接合的截面11。伸出截面11的非磁性推杆柱塞22延伸穿过设置在套环和壳体中的开口17。设置在壳体端壁与压配到电枢10中的销23之间的螺旋弹簧21偏压电枢使其远离极片套环14并且提供驱动力以使电枢移离套环,从而在线圈被断电时使柱塞缩回。因此,如图所示在线圈通电时,柱塞提供从螺线管向外指向(箭头OW)的推力。
参考图1B,示出了拉型螺线管18b。螺线管包括壳体19’,电磁线圈20,其围绕着电枢10’并且设置于壳体内在铁磁性极片止挡件14’和壳体的敞开端部之间。电枢10’可包括当线圈通电时可与相同轮廓的套环座15’接合的截面(section)11’。推杆柱塞22’在与电枢的截面11’相反的电枢端部从电枢伸出。柱塞22’延伸穿过设置在壳体中的开口17’。设置于销23和壳体端壁之间的螺旋弹簧21偏压电枢使其远离极片止挡件并且提供驱动力以使电枢移离止挡件,从而在线圈断电时使柱塞伸出。因此,如图所示在线圈通电时,柱塞提供指向螺线管内部(箭头IW)的拉力。
请注意,重要的是在这两种现有技术的螺线管中,很多部件是不可互换的。例如,在拉型螺线管中使用的电枢不能在推型螺线管中使用。在拉型螺线管中使用的极片不能在推型螺线管中使用。因此,存货成本增加并且组装程序更复杂。而且,一旦螺线管被组装为推型或拉型螺线管,就不能轻易且廉价地改换到另一种类型。这些问题以及其他的问题通过这里描述的本发明的实施方式得到了解决。
参考图2和3,根据本发明的螺线管电枢管的三种不同配置与设置在电枢一端的螺线管止挡件和设置在电枢另一端的螺线管套环之间的关系被系统地示意性示出了,。
在图2中,电枢管115被示出处于螺线管止挡件112和螺线管套环114之间的居中位置,以示意三种配置的不同结构。在配置110a中,磁体116,优选由钕制成的高能稀土磁体,例如,被设置在非铁磁性电枢管115内的中点处,所述非铁磁性电枢管可以是管状的,以便在没有螺线管线圈磁场的情况下电枢110a被均衡地(equally)吸引到止挡件和吸引到套环。
在配置110b中,磁体116被设置成更靠近螺线管套环114,以便在没有螺线管线圈磁场的情况下电枢110b被朝向套环吸引。
在配置110c中,磁体116被设置成更靠近螺线管止挡件112,以便在没有螺线管线圈磁场的情况下电枢110被朝向止挡件吸引。
在图3中,电枢110b和110c分别被示出在没有螺线管线圈磁场的静止状态。因为磁体116在电枢110b内更靠近螺线管套环设置,所以其被吸引到套环,从而朝向螺线管套环定位电枢。同样,因为磁体116在电枢110c内更靠近螺线管止挡件设置,使用其被吸引到止挡件,从而朝向螺线管套环止挡件定位电枢。在图3中示出电枢110a的磁体被定位于电枢中间并且被示出在止挡件和套环之间半途位置的中位。
参考图4至7,标准螺线管本体118包括电磁线圈120,其围绕着电枢并且设置于铁磁性螺线管止挡件112和铁磁性螺线管套环114之间,电枢柱塞122以已知的方式延伸穿过铁磁性螺线管套环114。止挡件112和套环114分别,优选但不必须,形成有凸缘112a,114a和较窄的凸部112b,114b。为了影响本装置的力-行程曲线,凸部114b可从凸缘114a向内延伸,如图所示,或者从凸缘114a向外延伸(图9A和9B)。非磁性电枢110a,110b,110c包含磁体116,磁体116可比标准软铁电枢的长度短并且可被选择性定位于电枢110a,110b,110c内多个纵向位置中的任何一个。
如上所述并且如图4和5中所示,如果电枢110c中永久磁体的位置被朝向螺线管的止挡件端部112偏压,则该单元器件用作推型螺线管,也就是,当螺线管不通电时单单通过永久磁体116和螺线管止挡件112之间的磁引力而保持于柱塞缩回位置(图4)。当螺线管线圈120通电时,如图5所示,电枢管110c将远离止挡件端部112移动(被“推”)以使柱塞122伸出。
相反地,如上所述并且如图6和7中所示,如果永久磁体的位置被朝向螺线管的套环端部114偏压,螺线管将用作拉型螺线管,也就是,单单通过永久磁体116和套环凸部114b之间的磁引力而保持于柱塞伸出位置(图6)。当螺线管线圈120通电时,如图7所示,电枢管110b将远离套环凸部114移动(被“拉”)以使柱塞122缩回。
本发明的很重要的优势在于,通过沿着电枢管的纵向长度重新定位磁体和改变磁体相对于电流方向的磁极定向,例如,通过使磁体的磁极定向反向或通过使流经螺线管线圈的电流方向反向,推型螺线管可被转换为拉型螺线管(或者反之亦然)。
本发明的另一优势在于,在或推或拉的情况下,当螺线管线圈断电时不需要弹簧来将电枢返回一个或另一个极端;由于磁体在电枢管内的预定位,包含磁体的电枢管将自动返回到其断电位置。
还很重要的是,因为磁体116被设置于电枢110a,110b内,使得电枢的端部稍稍伸出磁体116,当线圈处于它们相应的断电模式(分别参考图4和6)时,微小的空气间隙117可以被保持在磁体与螺线管止挡件112b之间以及磁体与螺线管套环114b之间。因此,当线圈通电时,剩余磁场不会立即延缓或阻止电枢移动。
如上所述,通过将永久磁体116定位在电枢110a中间或电枢110a中间的附近可以实现第三功能。在此位置,螺线管止挡件112或螺线管套环114都不会重复地控制电枢的位置。而是,在起始点,电枢110a在两个螺线管端部之间达到磁性上的平衡。参考图8A,静止状态的永久磁体116被居中定位于电枢110a内。如图所示,由于负脉冲的存在,也就是,当流经线圈120的电流致使磁体126被朝向止挡件112吸引并且被推离套环114时,电枢被在方向P2上朝向螺线管止挡件112偏压。图8B示出了在电流方向被反向并且正脉冲被引导通过线圈120之后的电枢位置(柱塞被伸出)。此脉冲在与方向P2相反的P1方向上移动电枢。在该脉冲之后,电枢仍保持在图8B中示出的位置,因为磁体116已经移动至更靠近套环114并且被吸引到套环114。被引导通过线圈120的随后的负脉冲(P2)将在第二、相反的方向上移动电枢,假定如图8A所示的位置(柱塞被缩回)。在任一脉冲之后,由于磁体被吸引到止挡件或套环,电枢将保持在其被指向的端部,直到相反极性的另一脉冲到达。因此,这是双作用螺线管。双作用螺线管的优势在于其不需要额外的电源(power)将柱塞保持在伸出或缩回位置。
请注意螺线管的操作模式(推、拉或双作用)可在使用前进行选择,通过简单地将磁体定位或重新定位在电枢内如图2中示出的多个位置中的任一个。
参考图9A和9B,示出了螺线管的一半,螺线管的中心线132左侧,的断面图,说明了根据本发明的磁体/电枢任何能够工作在传统的螺线管本体内。在这些图中,示出了套环和止挡件凸部的传统配置。止挡件112’的非平面的凹表面134面对着电枢,而电枢110’的非平面的凸端面136面对着止挡件112’。这两个表面134,136都优选是锥形的,但是不必须具有同一内锥角。图示的套环凸部114b’从凸缘114a向外伸出。
已经发现这些止挡件/套环配置,或者单独或者组合,影响磁力线并且可被操作以增强磁体116和止挡件112’之间以及磁体116和套环114之间的磁性吸引。在图9A和9B中,从磁体116发出至螺线管中心线132左侧的示意性磁通量线130被示出。当然,应理解,相同的磁通量线在螺线管的右半侧也存在,但为清楚起见被省略了。如图9A中描述的,当线圈通电时磁体116被保持于套环114’和止挡件112’之间的中央位置;在图9B中,线圈没有被通电而磁体被保持于其中央位置。如可以看到的,在该配置的套环和止挡件凸部中,当线圈被通电时更多的磁通量线(F)被指向锥形止挡件凸部(图9A)。这产生使电枢朝向套环移动的轴向力。
根据本发明的电磁致动器被特别适用于电门栓锁机构。如现有技术中已知的,电磁螺线管可与电子锁(electric strike)结合使用,以锁挡(block)锁衔铁(keeper)防止其在第一柱塞位置中移动,从而将锁闩固定到锁,或者在第二柱塞位置中解锁(unblock)锁衔铁,从而允许衔铁转动并且从锁释放锁闩。在这种应用中,柱塞直接作用到锁挡器(blocker)以使其在锁挡位置和解锁位置之间移动。前述的电子锁被提供为故障安全锁(fail-safe strike),其中当螺线管线圈断电时衔铁被解锁并且锁闩被释放,或者被提供为故障保护锁(fail-secure strike),其中当螺线管线圈断电时衔铁被锁挡并且锁闩被固定。参考图10A,示出了断电的故障保护锁螺线管218。在此配置中,永久磁体116被设置于电枢管110内与止挡件212相比更靠近铁磁性套环214。当线圈不通电时,磁体116到套环214的磁性吸引力吸引电枢和磁体更靠近套环214,从而使柱塞222伸出以锁挡电子锁衔铁(未示出)。参考图10B,示出了通电的故障保护电子锁螺线管。在选择正确的电流方向使线圈120通电时,磁体116到止挡件212的磁性吸引力将克服磁体到套环214的磁性吸引力使电枢和磁体在方向D上朝向止挡件移动,并且致使柱塞222缩回并且解锁电子锁的衔铁(未示出)。参考图10C,示出了断电的故障安全锁螺线管318。在此配置中,永久磁体116被设置于电枢管110中与套环214相比更靠近铁磁性止挡件212。当线圈不通电时,磁体116至止挡件212的磁性吸引力吸引电枢和磁体更靠近止挡件212,从而将柱塞缩回以解锁电子锁衔铁(未示出)。参考图10D,示出了通电的故障安全锁螺线管。选择正确的电流方向使线圈120通电时,磁体116到套环214的磁性吸引力将克服磁体到止挡件212的磁性吸引力使电枢和磁体朝向套环移动,并且致使柱塞222伸出并且锁挡电子锁的衔铁(未示出)。
在示出的多个配置中(图10A,10B,10C,10D),在永久磁体116在电枢内被选择性地定位后,可通过任何装置使磁体保持在其所选位置。在所示出的示例中,磁体116可首先例如利用环氧树脂固定到插塞126。然后插塞/磁体126/116可通过插塞和电枢的内芯之间的压配合结构固定到位。
现有技术中,必须将电子锁机构特别制造成故障安全或故障保护锁或者引入精细的可调特征到锁机构内,以能够使锁从故障安全锁转换到故障保护锁,或者反之。如通过本发明可以看到的,根据需要,通过简单地在管状电枢中重新定位永久磁体并且改变流经线圈的电流方向,或者转变永久磁体的极性,单一的锁可以很容易从故障保护锁转换到故障安全锁,或者反之。
虽然本发明已经关于各种具体实施方式进行了描述,但应理解在所描述的发明思想的实质和范围内可以制造很多修改。因此,本发明不意于限制于所描述的实施方式,而是包含通过下面权利要求的文字限定的整个范围。
Claims (23)
1.一种用于在多个操作模式之间选择性可切换的螺线管中的螺线管电枢,所述螺线管电枢包括:
细长的非铁磁性元件,其具有纵向长度和中心线;和
磁性元件,其具有比所述非铁磁性元件的纵向长度短的长度并且被所述非铁磁性元件支撑,
其中,所述磁体能够沿着所述非铁磁性元件的纵向长度设置在相对于所述非铁磁性元件的多个纵向位置中的任一个,以限定所述螺线管的所述多个操作模式中的任何一个。
2.根据权利要求1所述的螺线管电枢,其中,所述磁性元件包含钕。
3.根据权利要求1或2所述的螺线管电枢,其中,所述非铁磁性元件是管状的。
4.根据权利要求3所述的螺线管电枢,其中,所述磁性元件设置在所述管状元件内。
5.根据前述权利要求中任一所述的螺线管电枢,其中,所述磁性元件设置在所述非铁磁性元件的纵向长度的中心处或附近。
6.根据前述权利要求中任一所述的螺线管电枢,其中,所述磁性元件设置在所述非铁磁性元件的端部附近。
7.一种在多个操作模式之间选择性可切换的螺线管,包括根据前述权利要求中任一所述的螺线管电枢。
8.一种在多个操作模式之间选择性可切换的螺线管,所述螺线管包括:
a)电磁线圈;和
b)设置在所述电磁线圈内的电枢,所述电枢包括具有纵向长度的非铁磁性元件和由所述非铁磁性元件支撑的磁性元件,
其中,所述磁体能够沿着所述非铁磁性元件的纵向长度设置在相对于所述非铁磁性元件的多个纵向位置中的任一个,以限定所述螺线管的所述多个操作模式中的任何一个。
9.根据权利要求8所述的螺线管,还包括:
a)界定所述电磁线圈的第一端的铁磁性套环;和
b)界定所述电磁线圈的第二端的铁磁性止挡件。
10.根据权利要求8或9所述的螺线管,其中,所述磁性元件设置在所述非铁磁性元件的纵向长度的中心处或附近。
11.根据权利要求9所述的螺线管,其中,所述磁性元件设置在非铁磁性元件的与所述套环相邻的第一端附近。
12.根据权利要求9所述的螺线管,其中,所述磁性元件设置在非铁磁性元件的与所述止挡件相邻的第二端附近。
13.根据权利要求9至12中任一所述的螺线管,其中,所述铁磁性止挡件包括面对着所述电枢的第一非平面表面。
14.根据权利要求13所述的螺线管,其中,所述电枢包括面对着所述铁磁性止挡件的第二非平面表面。
15.根据权利要求13或14所述的螺线管,其中,所述第一非平面表面或所述第一和第二非平面表面中的至少一个是锥形的。
16.根据权利要求8至15中任一所述的螺线管电枢,其中,所述磁性元件包含钕。
17.根据权利要求8至16中任一所述的螺线管电枢,其中,所述非铁磁性元件是管状的。
18.根据权利要求17所述的螺线管电枢,其中,所述磁性元件设置在所述管状元件内。
19.一种用于切换在第一操作模式和第二操作模式之间选择性可切换的螺线管的方法,其中,所述可切换的螺线管包括具有第一端和第二端的壳体,设置在所述壳体中的电磁线圈,以及可滑动地设置在所述电磁线圈内的电枢,其中,所述电磁线圈被构造成接纳沿第一方向流经所述线圈的电流,所述电枢包括具有第一端和第二端并且具有纵向长度的非铁磁性元件,以及由所述非铁磁性元件支撑的磁性元件,并且其中,所述磁性元件具有N极和S极,所述磁极设置在相对于所述第一电流方向的第一N-S定向中,并且所述磁性元件被定位成更靠近所述第一端,从第一操作模式切换到第二操作模式的方法包括下述步骤:
a)相对于所述非铁磁性元件重新定位所述磁性元件,以使所述磁性元件被定位成更靠近所述非铁磁性元件的第二端;以及
b)下述之一:
i)将流经线圈的电流方向从第一方向反向;或者
ii)相对于所述第一电流方向反向磁性元件的N-S磁极定向。
20.一种用于切换在第一操作模式和第二操作模式之间选择性可切换的螺线管的方法,其中,所述可切换的螺线管包括具有第一端和第二端的壳体,设置在所述壳体中的电磁线圈,以及可滑动地设置在所述电磁线圈内的电枢,其中,所述电磁线圈被构造成接纳沿第一方向流经所述线圈的电流,所述电枢包括具有第一端和第二端并且具有纵向长度的非铁磁性元件,以及由所述非铁磁性元件支撑的磁性元件,并且其中,所述磁性元件具有N极和S极,所述磁极设置在相对于所述第一电流方向的第一N-S定向中,并且所述磁性元件被定位成更靠近所述第一端,从第一操作模式切换到第二操作模式的方法包括下述步骤:
a)相对于所述非铁磁性元件重新定位所述磁性元件,以使所述磁性 元件被定位成更靠近所述非铁磁性元件的第二端;以及
b)改变磁体相对于电流流动方向的磁极定向。
21.根据权利要求20所述的方法,其中,改变磁体相对于电流流动方向的磁极定向的步骤包括将流经线圈的电流方向从所述第一方向反向。
22.根据权利要求20所述的方法,其中,改变磁体相对于电流流动方向的磁极定向的步骤包括相对于所述第一电流方向反向磁性元件的N-S磁极定向。
23.根据权利要求19至22中任一所述的方法,其中,所述螺线管是根据权利要求7至18中任一所述的螺线管。
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