CN103812295A - 低速大扭矩异型电机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种低速大扭矩异型电机，属机电一体化应用新领域。该机包括用空心轴或实心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型转子或异型定子轴头及异型定子或异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子外圆或内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子内圆或外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。该机具有低速大扭矩、无级调速、适应频繁正反转的明显技术优势，可取代四连杆换向抽油机长链传动模式，实现单链传动高效低耗做功，为特殊工况电机设计和简化优化四连杆游梁式抽油机指明了方向。

Description

低速大扭矩异型电机

技术领域

本发明为一种低速大扭矩异型电机，属机电一体化应用新领域。

背景技术

电磁理论应用于电机实践已经历了二百多年，其间电力拖动装置不断推陈出新，已形成交流异步电机、直流同步电机、永磁电机成熟的技术系列。电机的应用极大地提高了生产率和产品质量，极大地方便了自动控制和远程操控，极大地减轻了繁重的体力劳动，各式各样的电机已成为工农业、科技、国防和人们日常生活不可或缺的生存和发展动力机之源。

进入二十世纪八十年代，国外又成功地开发出一种启动扭矩大、启动电流小、适用于频繁正、反转的开关磁阻电机，在纺织、印染、风机、水泵、电气机车及油田抽油机调速拖动方面取得了良好的节电降耗效果。

油田抽油机多为四连杆游梁式抽油机，该种机型为曲柄平衡，四连杆换向，传动链长，载荷曲线、平衡曲线和动力曲线呈正弦变化规律，每个循环周期大部分工作在动力机非额定工况，能耗高、效率低、维护麻烦，亟需天平平衡的短链传动新机型优化和更新四连杆游梁式抽油机。

如果将游梁式抽油机四连杆传动的电机、小皮带轮、三角联组带、大皮带轮、减速器一轴、减速器二轴、减速器三轴、双曲柄、双曲柄销、双连杆、双连杆销、横椽、尾轴承、游梁、中轴承、驴头、毛辫子等20多个环节简化为电机一个环节，变正弦曲线为恒扭矩直线，将实现异型电机和新型抽油机的革命性突破。

发明内容

本发明的目的是探索一种调速简单、换向方便、低速大扭矩异型电机，以取代笨重昂贵的减速机构和复杂的换向系统，为管式泵机械采油开发一种机电一体化的高效低耗拖动设备，实现油田管式泵机械采油节能降耗的革命性突破。

本发明的技术解决方案是：

所述的低速大扭矩异型电机包括用空心轴或实心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型转子或异型定子轴头及异型定子或异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子外圆或内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子内圆或外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

所述的低速大扭矩异型电机为异型开关磁阻电机或异型永磁电机或异型感应式异步电机，其外转子壳体或内转子轮轴兼做驱动轮，驱动轮外圆表面由外到内或由内到外分别设制动轮、绕绳槽和保护轮，绕绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，其异型转子和异型定子结构至少为以下五种类型之一：

第一种为图1所示的嵌套式异型外转子结构，嵌套式异型内定子(3)通过空心轴(8)、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式异型外转子(1)空腔内，其中嵌套式异型内定子(3)镶嵌套外圆面圆周上均布如图6所示的偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式异型内定子铁心(4)分三段错齿1-6°嵌入外键槽内，并用压环紧固；嵌套式异型外转子(1)内圆面圆周上均布与嵌套式异型内定子(3)对应的轴向内键槽，条型嵌套式异型外转子铁心(2)凸极嵌套入三组嵌套式异型内定子铁心(4)间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；嵌套式异型内定子铁心(4)凹槽内放置集中环式绕组(6)；空心轴(8)轴头和密封端盖上设置磁性霍尔传感器(7)或无线遥感传感器。

第二种为图2所示的轴向两端大直径、中部小直径的凹式双轮轴内转子结构，其中部小直径轮轴一体式异型驱动轮(11)两端通过轴承、键对称设置外圆面圆周上固定转子铁心的凹式双轮轴异型转子(9)，凹式双轮轴异型转子(9)对称置于两端大直径内圆面圆周上固定定子铁心和绕组的凹式双轮轴异型定子(10)空腔内，异型驱动轮(11)轴端和凹式双轮轴异型定子(10)端盖上设置编码器(12)或齿盘式光电传感器。

第三种为图3所示的轴向两端小直径、中部大直径的凸式双轮轴外转子结构，其凸式双轮轴外转子两端小直径外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，中部大直径内腔两端面设置径向强磁体(13)，内圆面圆周上固定轴向强磁体(15)；凸式双轮轴外转子中部大直径空腔内的空心轴上固定轮式内定子，内定子两端面设置径向定子铁心和绕组(14)，内定子外圆表面设置轴向定子铁心和绕组(16)，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

第四种为图4所示的一端小直径、另一端大直径的台阶式单轮轴异型外转子结构，其小直径一端台阶式单轮轴异型外转子(17)外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，大直径一端内圆面圆周上固定转子铁心；置于台阶式单轮轴异型外转子(17)大直径一端空腔内空心轴上的轮式内定子(18)外圆面圆周上固定定子铁心和绕组，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

第五种为图5所示的筒式外转子结构，其筒式外转子(19)外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，内圆面圆周上固定轴向转子铁心，密封端盖内端面固定径向转子铁心；置于筒式外转子(19)空腔内空心轴上的筒式内定子(20)两端面固定径向定子铁心和绕组，外圆面圆周上固定轴向定子铁心和绕组，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组至少为以下八种类型之一：

第一种为图1或图6所示的双面闭合超短磁路(5)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式异型内定子铁心(4)凹槽内三相环式绕组(6)；

第二种为图7所示的通电相为90°长磁路(26)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心(24)，相绕组为隔二齿互绕三相绕组(25)；

第三种为图8所示的通电相为180°长磁路(28)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为单齿交错半重合齿铁心(29)，相绕组为隔三齿互绕四相绕组(27)；

第四种为图9所示的定子或转子铁心为子母齿(32)，转子或定子铁心为与之对应的转子多齿极(33)，通电相为短磁路(31)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为六齿交错微重合齿铁心，相绕组为子母齿邻齿互绕三相绕组(30)；

第五种为图10所示的定、转子铁心为对称多齿极铁心(34)，通电相为超短磁路(36)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心，相绕组为邻齿互绕三相绕组(35)；

第六种为11所示的定、转子铁心为对称镶嵌齿铁心(37)，通电相为超短磁路定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心，相绕组为邻齿互绕三相绕组；

第七种为图5所示的在上述铁心构造和绕组类型的基础上，转子铁心、定子铁心和绕组为轴向和径向对称排列的组合式铁心和绕组；

第八种为图3所示的在上述铁心构造和绕组类型的基础上，转子铁心改为轴向和径向与定子磁路相对应的按N、S极性交互排列的强磁体。

采用以上技术方案，本发明具有低速大扭矩、无级调速、适应频繁正反转的明显技术优势，可取代四连杆换向抽油机长链传动模式，实现单链传动高效低耗做功，为特殊工况电机设计和简化优化四连杆游梁式抽油机指明了方向。

附图说明

图1为低速大扭矩异型电机嵌套式结构示意图；

图2为低速大扭矩异型电机凹式双轮轴结构示意图；

图3为低速大扭矩异型电机凸式双轮轴结构示意图；

图4为低速大扭矩异型电机台阶式单轮轴结构示意图；

图5为低速大扭矩异型电机筒式结构示意图；

图6为图1的嵌套式超短磁路双齿交错四向微重合齿铁心、绕组结构示意图；

图7为低速大扭矩异型电机90°长磁路双齿交错微重合齿铁心、绕组结构示意图；

图8为低速大扭矩异型电机180°长磁路单齿交错半重合齿铁心、绕组结构示意图；

图9为低速大扭矩异型电机子母齿短磁路六齿交错微重合多齿极铁心、绕组结构示意图；

图10为低速大扭矩异型电机对称多齿极超短磁路铁心、绕组结构示意图；

图11为低速大扭矩异型电机镶嵌齿超短磁路铁心、绕组结构示意图。

图中：1.嵌套式异型外转子；2.嵌套式异型外转子铁心；3.嵌套式异型内定子；4.嵌套式异型内定子铁心；5.双面闭合超短磁路；6.环式绕组；7.霍尔传感器；8.空心轴；9.凹式双轮轴异型转子；10.凹式双轮轴异型定子；11.异型驱动轮；12.编码器；13.径向强磁体；14.径向定子铁心和绕组；15.轴向强磁体；16.轴向定子铁心和绕组；17.台阶式单轮轴异型外转子；18.轮式内定子；19.筒式外转子；20.筒式内定子；21.嵌套式异型外转子铁心轴向剖面；22.环式绕组轴向剖面；23.嵌套式异型内定子铁心轴向剖面；24.双齿交错微重合齿铁心；25.隔二齿互绕三相绕组；26.90°长磁路；27.隔三齿互绕四相绕组；28.180°长磁路；29.单齿交错半重合齿铁心；30.子母齿邻齿互绕三相绕组；31.短磁路；32.子母齿；33.转子多齿极；34.对称多齿极铁心；35.邻齿互绕三相绕组；36.超短磁路；37.镶嵌齿铁心。

具体实施方式

实施例1：

本发明所述的低速大扭矩异型电机包括用空心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型定子轴头及异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

所述的低速大扭矩异型电机为异型开关磁阻电机，其外转子壳体兼做驱动轮，驱动轮外圆表面由外到内或由内到外分别设制动轮、绕绳槽和保护轮，绕绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，其异型转子和异型定子结构为图1所示的嵌套式异型外转子结构，嵌套式异型内定子(3)通过空心轴(8)、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式异型外转子(1)空腔内，其中嵌套式异型内定子(3)镶嵌套外圆面圆周上均布如图6所示的偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式异型内定子铁心(4)分三段错齿1-6°嵌入外键槽内，并用压环紧固；嵌套式异型外转子(1)内圆面圆周上均布与嵌套式异型内定子(3)对应的轴向内键槽，条型嵌套式异型外转子铁心(2)凸极嵌套入三组嵌套式异型内定子铁心(4)间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；嵌套式异型内定子铁心(4)凹槽内放置集中环式绕组(6)；空心轴(8)轴头和密封端盖上设置磁性霍尔传感器(7)或无线遥感传感器。

所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组为图1或图6所示的双面闭合超短磁路(5)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式异型内定子铁心(4)凹槽内三相环式绕组(6)。

所述的低速大扭矩异型电机设计参数为：

电动机功率：45kw；

额定转速：10-60r/min；

额定扭矩：10kn.m。

实施例2：

本发明所述的低速大扭矩异型电机包括用实心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型转子轴头及异型定子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子外圆面圆周上固定转子铁心；异型定子内圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

所述的低速大扭矩异型电机为异型开关磁阻电机，其内转子轮轴兼做驱动轮，驱动轮外圆表面由外到内设制动轮、绕绳槽和保护轮，绕绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，其异型转子和异型定子结构为为图2所示的轴向两端大直径、中部小直径的凹式双轮轴内转子结构，其中部小直径轮轴一体式异型驱动轮(11)两端通过轴承、键对称设置外圆面圆周上固定转子铁心的凹式双轮轴异型转子(9)，凹式双轮轴异型转子(9)对称置于两端大直径内圆面圆周上固定定子铁心和绕组的凹式双轮轴异型定子(10)空腔内，异型驱动轮(11)轴端和凹式双轮轴异型定子(10)端盖上设置编码器(12)或齿盘式光电传感器。

所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组为图7所示的通电相为90°长磁路(26)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心(24)，相绕组为隔二齿互绕三相绕组(25)。

所述的低速大扭矩异型电机设计参数为：

电动机功率：37kw；

额定转速：10-60r/min；

额定扭矩：8kn.m。

实施例3：

本发明所述的低速大扭矩异型电机包括用空心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型定子轴头及异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

所述的低速大扭矩异型电机为图3所示的异型永磁电机，其异型转子和异型定子结构为轴向两端小直径、中部大直径的凸式双轮轴外转子结构，其凸式双轮轴外转子两端小直径外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，驱动绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，中部大直径内腔两端面设置径向强磁体(13)，内圆面圆周上固定轴向强磁体(15)；凸式双轮轴外转子中部大直径空腔内的空心轴上固定轮式内定子，内定子两端面设置径向定子铁心和绕组(14)，内定子外圆表面设置轴向定子铁心和绕组(16)，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组为图8所示的通电相为180°长磁路(28)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为单齿交错半重合齿铁心(29)，相绕组为隔三齿互绕四相绕组(27)。

所述的低速大扭矩异型电机设计参数为：

电动机功率：30kw；

额定转速：10-60r/min；

额定扭矩：6kn.m。

实施例4：

本发明所述的低速大扭矩异型电机包括用空心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型定子轴头及异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

所述的低速大扭矩异型电机为图4所示的异型开关磁阻电机，其异型转子和异型定子结构为一端小直径、另一端大直径的台阶式单轮轴异型外转子结构，外转子壳体兼做驱动轮，其小直径一端台阶式单轮轴异型外转子(17)外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，驱动绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，大直径一端内圆面圆周上固定转子铁心；置于台阶式单轮轴异型外转子(17)大直径一端空腔内空心轴上的轮式内定子(18)外圆面圆周上固定定子铁心和绕组，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组为图9所示的定子铁心为子母齿(32)，转子铁心为与之对应的转子多齿极(33)，通电相为短磁路(31)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为六齿交错微重合齿铁心，相绕组为子母齿邻齿互绕三相绕组(30)。

所述的低速大扭矩异型电机设计参数为：

电动机功率：15kw；

额定转速：10-60r/min；

额定扭矩：3kn.m。

实施例5：

本发明所述的低速大扭矩异型电机包括用空心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型定子轴头及异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

所述的低速大扭矩异型电机为图5所示的异型开关磁阻电机，其异型转子和异型定子结构为筒式外转子结构，其筒式外转子(19)外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，驱动绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，内圆面圆周上固定轴向转子铁心，密封端盖内端面固定径向转子铁心；置于筒式外转子(19)空腔内空心轴上的筒式内定子(20)两端面固定径向定子铁心和绕组，外圆面圆周上固定轴向定子铁心和绕组，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组为图10所示的定、转子铁心为对称多齿极铁心(34)，通电相为超短磁路(36)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心，相绕组为邻齿互绕三相绕组(35)；

所述的低速大扭矩异型电机设计参数为：

电动机功率：22kw；

额定转速：10-60r/min；

额定扭矩：5kn.m。

Claims (3)

1.一种低速大扭矩异型电机，其特征在于：该机包括用空心轴或实心轴及键、轴承、密封端盖装配在一起的异型转子、异型定子和异型转子或异型定子轴头及异型定子或异型转子密封端盖上固定的检测转速和异型转子铁心齿相对位置信号的传感器，其中异型转子外圆或内圆面圆周上固定转子铁心；异型定子内圆或外圆面圆周上固定定子铁心和绕组。

2.根据权利要求1所述的低速大扭矩异型电机，其特征在于：所述的低速大扭矩异型电机为异型开关磁阻电机或异型永磁电机或异型感应式异步电机，其外转子壳体或内转子轮轴兼做驱动轮，驱动轮外圆表面由外到内或由内到外分别设制动轮、绕绳槽和保护轮，绕绳槽内镶嵌耐磨、降噪、可更换的填料，其异型转子和异型定子结构至少为以下五种类型之一：

第一种为嵌套式异型外转子结构，嵌套式异型内定子(3)通过空心轴(8)、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式异型外转子(1)空腔内，其中嵌套式异型内定子(3)镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式异型内定子铁心(4)分三段错齿1-6°嵌入外键槽内，并用压环紧固；嵌套式异型外转子(1)内圆面圆周上均布与嵌套式异型内定子(3)对应的轴向内键槽，条型嵌套式异型外转子铁心(2)凸极嵌套入三组嵌套式异型内定子铁心(4)间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；嵌套式异型内定子铁心(4)凹槽内放置集中环式绕组(6)；空心轴(8)轴头和密封端盖上设置磁性霍尔传感器(7)或无线遥感传感器。

第二种为轴向两端大直径、中部小直径的凹式双轮轴内转子结构，其中部小直径轮轴一体式异型驱动轮(11)两端通过轴承、键对称设置外圆面圆周上固定转子铁心的凹式双轮轴异型转子(9)，凹式双轮轴异型转子(9)对称置于两端大直径内圆面圆周上固定定子铁心和绕组的凹式双轮轴异型定子(10)空腔内，异型驱动轮(11)轴端和凹式双轮轴异型定子(10)端盖上设置编码器(12)或齿盘式光电传感器。

第三种为轴向两端小直径、中部大直径的凸式双轮轴外转子结构，其凸式双轮轴外转子两端小直径外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，中部大直径内腔两端面设置径向强磁体(13)，内圆面圆周上固定轴向强磁体(15)；凸式双轮轴外转子中部大直径空腔内的空心轴上固定轮式内定子，内定子两端面设置径向定子铁心和绕组(14)，内定子外圆表面设置轴向定子铁心和绕组(16)，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

第四种为一端小直径、另一端大直径的台阶式单轮轴异型外转子结构，其小直径一端台阶式单轮轴异型外转子(17)外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，大直径一端内圆面圆周上固定转子铁心；置于台阶式单轮轴异型外转子(17)大直径一端空腔内空心轴上的轮式内定子(18)外圆面圆周上固定定子铁心和绕组，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

第五种为筒式外转子结构，其筒式外转子(19)外圆表面设置保护轮和驱动绳槽，内圆面圆周上固定轴向转子铁心，密封端盖内端面固定径向转子铁心；置于筒式外转子(19)空腔内空心轴上的筒式内定子(20)两端面固定径向定子铁心和绕组，外圆面圆周上固定轴向定子铁心和绕组，其绕组接线通过空心轴外接到接线盒。

3.根据权利要求1所述的低速大扭矩异型电机，其特征在于：所述的低速大扭矩异型电机核心部件转子铁心、定子铁心和绕组的齿形、磁路、绕组至少为以下八种类型之一：

第一种为双面闭合超短磁路(5)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式异型内定子铁心(4)凹槽内三相环式绕组(6)；

第二种通电相为90°长磁路(26)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心(24)，相绕组为隔二齿互绕三相绕组(25)；

第三种通电相为180°长磁路(28)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为单齿交错半重合齿铁心(29)，相绕组为隔三齿互绕四相绕组(27)；

第四种为定子或转子铁心为子母齿(32)，转子或定子铁心为与之对应的转子多齿极(33)，通电相为短磁路(31)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为六齿交错微重合齿铁心，相绕组为子母齿邻齿互绕三相绕组(30)；

第五种为定、转子铁心为对称多齿极铁心(34)，通电相为超短磁路(36)定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心，相绕组为邻齿互绕三相绕组(35)；

第六种为定、转子铁心为对称镶嵌齿铁心(37)，通电相为超短磁路定、转子铁心齿重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错微重合齿铁心，相绕组为邻齿互绕三相绕组；

第七种为在上述铁心构造和绕组类型的基础上，转子铁心、定子铁心和绕组为轴向和径向对称排列的组合式铁心和绕组；

第八种为在上述铁心构造和绕组类型的基础上，转子铁心改为轴向和径向与定子磁路相对应的按N、S极性交互排列的强磁体。

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