CN105229917B - 永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置 - Google Patents

永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置 Download PDF

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Abstract

涉及一种永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置,该磁极位置检测装置通过电流牵引动作,来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对上述磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置。具备:牵引电流运算部(101),其使用电动机的每相的永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld以及与磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq,来运算满足Iaa/(Lq‑Ld)的相电流Ia;以及Id运算部(104a),其基于相电流Ia来运算d轴电流,其中,向电动机的电枢绕组流通上述d轴电流来向磁通轴方向牵引转子,由此进行电流牵引动作。

Description

永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置
技术领域
本发明涉及一种磁极位置检测装置,该磁极位置检测装置通过电流牵引方式来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点(基准位置)之间的偏离量,基于该偏离量来检测真正的磁极位置。
背景技术
图1是通过逆变器来驱动永磁体型同步电动机的驱动系统的结构图。
在图1中,1是永磁体型同步电动机(PMSM),2是安装于同步电动机1的转子轴的编码器等磁极位置传感器,3是被输入速度指令值n*的逆变器控制装置,4是PWM逆变器。
在该驱动系统中,将通过磁极位置传感器2检测出的同步电动机1的转子(永磁体)的磁极位置θ反馈给逆变器控制装置3,生成针对逆变器4的半导体开关元件的驱动信号来进行同步电动机1的速度控制、位置控制。
图2是表示图1的逆变器控制装置3的具体结构的框图,用于通过所谓的矢量控制来驱动同步电动机1。
在图2中,减法器30求出速度指令值n*与速度检测值n之间的偏差,速度调节器31以使该偏差变为零的方式运算转矩指令值Trq*。电流指令运算器32基于转矩指令值Trq*来运算作为d-q旋转坐标上的相互正交的分量的d轴电流指令值Id*、q轴电流指令值Iq*。众所周知,d轴是沿着构成同步电动机1的转子的永磁体的磁通轴的控制上的虚拟轴,q轴是与d轴正交的轴。
此外,39是对转子的磁极位置(角度)θ进行微分来运算速度检测值n的微分运算器。
另一方面,通过电流检测器42、43检测逆变器4的输出电流Iv、Iw,并将该输出电流Iv、Iw输入到坐标变换器(3相/2相变换器)38。坐标变换器38使用磁极位置θ来将包括上述输出电流Iv、Iw在内的3相的电流Iu、Iv、Iw变换为2相的d轴电流检测值Id、q轴电流检测值Iq
电流调节器35以使通过减法器33求出的d轴电流指令值Id*与d轴电流检测值Id之间的偏差变为零的方式进行动作来生成d轴电压指令值Vd*。另外,电流调节器36以使通过减法器34求出的q轴电流指令值Iq*与q轴电流检测值Iq之间的偏差变为零的方式进行动作来生成q轴电压指令值Vq*。
坐标变换器(2相/3相变换器)37使用磁极位置θ来将d轴电压指令值Vd*、q轴电压指令值Vq*变换为3相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。PWM逆变器4通过内部的半导体开关元件的导通、截止动作,输出按照电压指令值Vu*、Vv*、Vw*的3相交流电压来驱动同步电动机1。
在上述结构中,在坐标变换器37、38中,根据通过磁极位置传感器2检测出的磁极位置θ,得到同步电动机1的转子的绝对位置信息。但是,由于希望在某种程度上简化组装作业的要求、精度上和成本上的限制,难以使转子的磁极位置的原点与磁极位置传感器2的输出信号的原点准确地一致。
因此,一般进行以下处理:在初次运转同步电动机1之前,事先以手动或自动的方式检测磁极位置的原点与磁极位置传感器2的输出信号的原点之间的偏离量、即从磁极位置传感器2的输出侧看时的磁极位置的偏离量,并将该偏离量保存在存储器中,通过控制运算的算法来校正该偏离量。
例如,作为通过所谓的电流牵引方式来检测磁极位置的偏离量、在通常运转时使用利用上述偏离量进行校正后的磁极位置来运转永磁体型同步电动机的技术,已知专利文献1所记载的发明。图7是表示该专利文献1所记载的磁极位置检测方法的流程图。
即,在图7中,首先将磁极位置(相位)θ0虚拟地固定为0[deg],使直流电流(d轴电流Id)向d轴方向流过永磁体型同步电动机的电枢绕组(步骤S1)。此时,在转子(永磁体)的实际的磁极位置与0[deg]不一致的情况下,因d轴电流Id引起的磁通的方向与因转子引起的磁通的方向不一致,因此产生旋转转矩。通过该旋转转矩,转子进行旋转直到与因d轴电流Id引起的磁通的方向一致为止。其结果,转子的磁极被d轴电流Id牵引,最终,转子的磁极位置与虚拟的d轴一致而牵引完成(步骤S2“是”)。在该时间点,转子的磁极位置位于0[deg],读入此时的磁极位置传感器(编码器)的计数值N1(步骤S3)。
接着,使转子旋转(步骤S4),检测从虚拟的d轴到检测出编码器的原点脉冲为止的旋转角度来作为计数值N2(步骤S5“是”,步骤S6)。当求出此时的计数值N2与上述计数值N1之差Ndif时,该差Ndif即为相当于编码器的输出信号的原点与转子的磁极位置的原点之间的偏离量的值(步骤S7)。接着,为了将该差Ndif换算为电角度的相位差,对Ndif乘以换算系数K来求出相位差θdif(步骤S8)。
将该相位差θdif事先存储在存储器中,在永磁体型同步电动机的通常运转时,每当检测出编码器的原点脉冲,就对检测出的磁极位置θ0加上相位差θdif来进行磁极对位,求出校正了偏离量后的真正的磁极位置θ来使用于矢量控制(步骤S9)。
专利文献1:日本特开平11-252972号公报([0006]段、[0007]段、图2等)
发明内容
发明要解决的问题
在此,通过式1来表示永磁体型同步电动机(下面,也简单称为同步电动机)的电流的基本式。
[式1]
其中,Id:d轴电流
Iq:q轴电流
Ia:同步电动机的相电流(有效值)
β:电流相位角
另外,通过式2来表示同步电动机的输出转矩,能够使用式1来使式2如式3那样变形。
[式2]
T=3PnaIq-(Ld-Lq)IaIq}
其中,Pn:同步电动机的极对数
Ψa:每相的永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值
Ld:同步电动机的d轴电感
Lq:同步电动机的q轴电感
[式3]
式3的输出转矩T是式4所示的电磁转矩(magnet torque)Tm与式5所示的磁阻转矩(reluctance torque)Tr之和(T=Tm+Tr)。在此,电磁转矩Tm是由电枢绕组的旋转磁场与转子的磁极的吸引力或排斥力引起的,磁阻转矩Tr是由d轴电感与q轴电感之差引起的。
[式4]
Tm=3PnψaIq
=3PnΨaIacosβ
[式5]
在同步电动机的相电流固定的情况下,各转矩T、Tm、Tr依赖于电流相位角β而如图3那样。
在前述的专利文献1等以往技术中,在流通规定的直流电流来进行牵引动作的情况下,Iq=0且Id>0。根据式1可知,在这种情况下,电流相位角β为-90[deg]。当流通牵引电流时,在转子的磁极位于电流相位角β为-90[deg]的位置以外的位置的情况下产生牵引转矩,在转子的磁极位于电流相位角β为-90[deg]的位置的情况下牵引转矩为零。也就是说,最终,转子的磁极被牵引到电流相位角β为-90[deg]的位置而停止。
另一方面,如前所述,同步电动机的输出转矩T是电磁转矩Tm与磁阻转矩Tr之和。根据图3可以明确的是,在-90[deg]电流相位角β的附近,电磁转矩Tm随着电流相位角β的增加而变大,与此相对,磁阻转矩Tr随着电流相位角β的增加而变小。另外,根据牵引电流的大小而输出转矩T的大小发生变化,电磁转矩Tm和磁阻转矩Tr在输出转矩T中所占的比例也发生变化。
因此,根据永磁体型同步电动机的规格、特性而存在如下情况:在-90[deg]电流相位角β的附近,输出转矩T与电流相位角β之间失去单调增加的关系,从而存在多个输出转矩T为零的电流相位角。
在这种情况下,例如像图4所示那样,转子的磁极最终未被牵引到电流相位角为-90[deg]的点P0,而被牵引到点P0的前后的输出转矩T为零的点P1或点P2。在这些点P1、P2处,转子的磁极位置的原点与d轴方向不一致,因此若使用以此时的磁极位置传感器的计数值为基准而求出的偏离量来进行磁极对位,则会与真正的磁极位置之间产生大的误差。
因此,本发明的解决问题在于提供一种进行准确的磁极对位以使得能够检测真正的磁极位置的永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题,本发明以磁极位置检测装置为对象,该磁极位置检测装置通过电流牵引动作(日语:電流引き込み動作),来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置。
首先,第一发明所涉及的发明具备:牵引电流运算部,其使用电动机的每相的永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa以及作为上述电动机的电感的构成分量的、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld及与磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq,来运算满足Iaa/(Lq-Ld)的相电流Ia;以及Id运算部,其基于相电流Ia来运算d轴电流。
而且,向电枢绕组流通d轴电流来向磁通轴方向牵引转子,由此进行电流牵引动作。
另外,第二发明所涉及的发明具备:牵引电流运算部,其使用上述有效值Ψa、d轴电感Ld以及q轴电感Lq来运算满足Ia=Ψa/2(Lq-Ld)的相电流Ia;以及Id运算部,其基于相电流Ia来运算d轴电流,其中,向电枢绕组流通d轴电流来向磁通轴方向牵引转子,由此进行电流牵引动作。
第三发明所涉及的发明具备:牵引电流运算部,其使用上述有效值Ψa、d轴电感Ld以及q轴电感Lq来运算满足Ia=Ψa/2(Lq-Ld)的相电流Ia;以及Id运算部,其基于电动机的电枢所容许的最大电流、用于向电动机的电枢绕组流通电流的逆变器所容许的最大电流以及相电流Ia中的最小的电流值来运算磁通轴方向的d轴电流,其中,向电枢绕组流通d轴电流来向磁通轴方向牵引转子,由此进行电流牵引动作。
并且,第四发明所涉及的发明具备:牵引电流运算部,其将Ψa/(Lq-Ld)作为最大电流值,运算在从该最大电流值到规定的最小电流值的范围内变化的相电流Ia;以及Id运算部,其基于相电流Ia来运算d轴电流。
而且,向电枢绕组流通d轴电流来向转子的转矩的相对于相电流Ia的相位角的斜率最大的位置牵引转子,由此进行电流牵引动作。
第五发明所涉及的发明具备:牵引电流运算部,其将Ψa/(Lq-Ld)作为最大电流值,运算在从该最大电流值到规定的最小电流值的范围内变化的相电流Ia;以及Id运算部,其基于电动机的电枢所容许的最大电流、用于向电动机的电枢绕组流通电流的逆变器所容许的最大电流以及相电流Ia中的最小的电流值来运算磁通轴方向的d轴电流,其中,向电枢绕组流通d轴电流来向转子的转矩的相对于相电流Ia的相位角的斜率最大的位置牵引转子,由此进行电流牵引动作。
发明的效果
根据本发明,适当地设定牵引电流的大小,由此能够准确地向d轴方向牵引转子的磁极来进行磁极对位,从而能够高精度地检测真正的磁极位置。
附图说明
图1是应用本发明的实施方式和以往技术的永磁体型同步电动机的驱动系统的结构图。
图2是表示图1中的逆变器控制装置的结构的框图。
图3是表示永磁体型同步电动机的电流相位角与输出转矩的关系的说明图。
图4是表示永磁体型同步电动机的电流相位角与输出转矩的关系的图。
图5是表示最大电流值、最优电流值、最小电流值下的电流相位角与输出转矩的关系的图。
图6是概念性地表示本发明的各实施方式的作用的功能框图。
图7是表示专利文献1所记载的磁极位置检测方法的流程图。
具体实施方式
下面,按图来说明本发明的第一实施方式。
如前所述,为了将永磁体型同步电动机的转子的磁极牵引到图4中电流相位角β为-90[deg]的点P0,需要输出转矩T在该β=-90[deg]附近成为电流相位角β的单调增加函数。
用于使输出转矩T在β=-90[deg]附近成为电流相位角β的单调增加函数的条件如下。
首先,若在β=-90[deg]处利用电流相位角β对式3的输出转矩T的计算式进行偏微分,则得到式6。
[式6]
输出转矩T成为电流相位角β的单调增加函数的条件是如式7所示那样式6为正的值,另外,基于式7推导出式8。
[式7]
3PnaIa-(Lq-Ld)Ia 2}>0
[式8]
在第一实施方式中,通过向永磁体型同步电动机的电枢绕组流通满足式8的条件的牵引电流Ia,来牵引转子的磁极。由此,在-90[deg]电流相位角β的附近,不会如图4那样存在多个输出转矩T为零的点,转子的磁极被牵引到电流相位角为-90[deg]的位置。因而,转子的磁极会在与d轴方向一致的状态下停止。
因此,例如能够通过与以往技术同样的方法来检测实际的磁极位置的偏离量,在同步电动机的通常运转时,利用上述偏离量对通过磁极位置传感器2检测出的磁极位置进行校正来进行磁极对位,由此能够检测真正的磁极位置θ。
此外,也考虑了根据电动机而Lq-Ld小、满足式8的Ia超过电动机的最大容许电流或逆变器的最大输出电流的情况,此时只要将Ia限制为电动机的最大容许电流和逆变器最大输出电流即可。
接着,说明本发明的第二实施方式。
为了将转子的磁极位置牵引到电流相位角β为-90[deg]的位置,需要产生转矩。但是,在-90[deg]的位置处,牵引的转矩变为零,因此严格地说,转子的磁极位置在电流相位角β为-90[deg]的位置附近停止,这成为磁极对位的误差。该误差的大小根据外部的摩擦转矩、齿槽转矩以及牵引电流的大小而不同。
然而,只要优化牵引电流的大小,就能够减小上述的误差。
为了减小磁极对位的误差,只要相对于电流相位角β的变化量的、输出转矩T的变化量最大即可,换言之,只要式6所示的偏微分值最大即可。也就是说,只要求出使式6最大的相电流Ia并将该相电流Ia作为牵引电流即可。
当将利用Ia对式6进行偏微分所得到的值设为0时,得到式9。
[式9]
3Pna-2(Lq-Ld)Ia}=O
因此,最优的相电流Ia为式10。
[式10]
图5示出了利用式8计算出的Ia的最大值(最大电流值)、利用式10计算出的最优电流值以及规定的最小电流值下的电流相位角β与输出转矩T的关系。
根据图5可以明确的是,在利用式10计算出的最优电流值下,在电流相位角β为-90[deg]的位置处输出转矩曲线的斜率最大。也就是说,β=-90[deg]附近的相对于电流相位角的变化量的、输出转矩的变化量大,因此磁极对位的误差最小。因此,期望的是,使用式10的最优电流值Ia来牵引转子。
此外,也考虑了根据电动机而Lq-Ld小、满足式10的Ia超过电动机的最大容许电流或逆变器最大输出电流的情况,此时只要将Ia限制为电动机的最大容许电流和逆变器最大输出电流即可。
接着,说明本发明的第三实施方式。
根据前述的第二实施方式,能够计算出减少磁极对位的误差的最优电流值。但是,一般来说,难以准确地测定作为对象的永磁体型同步电动机的各种参数即Ψa、Ld、Lq,并且还存在当向电枢绕组流通牵引电流时在同步电动机的内部产生磁饱和而上述的各种参数变化的担忧。因此,难以通过式10的运算来准确地计算出最优电流值。
因此,在第三实施方式中,使牵引电流的大小在从规定的最小电流值到利用式8得到的最大电流值(即Ψa/(Lq-Ld))的范围内一点一点地自动变化(增加或减少),使用相对于电流相位角的变化量的、输出转矩的变化量最大的时间点的电流值来决定牵引电流,由此最终能够将磁极位置牵引到最接近电流相位角β为-90[deg]的位置的位置。
此外,图6是概念性地表示本发明的各实施方式的作用的功能框图,是例如通过由图1的逆变器控制装置3执行规定的程序来实现的。
在图6中,牵引电流运算部101使用Ψa、Ld、Lq,利用第一实施方式中的式8来求出小于Ψa/(Lq-Ld)的牵引电流Ia1。另外,牵引电流运算部102使用Ψa、Ld、Lq,利用第二实施方式中的式10来求出作为最优电流值的牵引电流Ia2(=Ψa/2(Lq-Ld))。并且,牵引电流运算部103如第三实施方式中说明的那样,使牵引电流的大小在以Ψa/(Lq-Ld)为最大值、以Iamin为最小电流值的范围内变化,将使输出转矩T的相对于电流相位角β的斜率最大的电流值决定为牵引电流Ia3
在牵引电流选择部104中,选择上述的牵引电流Ia1、Ia2、Ia3中的某一个,Id运算部104a基于选择出的牵引电流Ia(Ia1、Ia2、Ia3中的某一个),利用上述式1来求出d轴电流,对逆变器4的半导体开关元件进行控制使得向电枢绕组流通按照其指令值Id*的d轴电流。
通过图6中示出的结构,能够向电枢绕组流通与期望的实施方式相应的d轴电流,从而进行电流牵引动作。
此外,也考虑了根据电动机而Lq-Ld小、Ia超过电动机的最大容许电流或逆变器最大输出电流的情况,此时只要将Ia限制为电动机的最大容许电流和逆变器最大输出电流即可。
产业上的可利用性
在各实施方式中,说明了将虚拟的d轴固定来流通牵引电流的情况,但是对于在使d轴以固定的速度旋转的状态下流通牵引电流的情况、其它电流牵引方式,也能够利用本发明。
附图标记说明
1:永磁体型同步电动机;2:磁极位置传感器;3:逆变器控制装置;35、36:电流调节器;31:速度调节器;32:电流指令运算器;30、33、34:减法器;37、38:坐标变换器;39:微分运算器;4:PWM逆变器;42、43:电流检测器;101、102、103:牵引电流运算部;104:牵引电流选择部;104a:Id运算部。

Claims (5)

1.一种永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置,用于通过电流牵引动作,来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对上述磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置,该永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置的特征在于,具备:
牵引电流运算部,其使用上述电动机的每相的上述永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa以及作为上述电动机的电感的构成分量的、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld及与上述磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq,来运算满足Iaa/(Lq-Ld)的相电流Ia;以及
Id运算部,其基于上述相电流Ia来运算上述磁通轴方向的d轴电流,
其中,向上述电动机的电枢绕组流通由上述Id运算部运算出的上述d轴电流来向上述磁通轴方向牵引上述转子,由此进行上述电流牵引动作。
2.一种永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置,用于通过电流牵引动作,来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对上述磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置,该永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置的特征在于,具备:
牵引电流运算部,其使用上述电动机的每相的上述永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa以及作为上述电动机的电感的构成分量的、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld及与上述磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq,来运算满足Ia=Ψa/2(Lq-Ld)的相电流Ia;以及
Id运算部,其基于上述相电流Ia来运算上述磁通轴方向的d轴电流,
其中,向上述电动机的电枢绕组流通由上述Id运算部运算出的上述d轴电流来向上述磁通轴方向牵引上述转子,由此进行上述电流牵引动作。
3.一种永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置,用于通过电流牵引动作,来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对上述磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置,该永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置的特征在于,具备:
牵引电流运算部,其使用上述电动机的每相的上述永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa以及作为上述电动机的电感的构成分量的、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld及与上述磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq,来运算满足Ia=Ψa/2(Lq-Ld)的相电流Ia;以及
Id运算部,其基于上述电动机的电枢所容许的最大电流、用于向上述电动机的电枢绕组流通电流的逆变器所容许的最大电流以及上述相电流Ia中的最小的电流值来运算上述磁通轴方向的d轴电流,
其中,向上述电动机的电枢绕组流通由上述Id运算部运算出的上述d轴电流来向上述磁通轴方向牵引上述转子,由此进行上述电流牵引动作。
4.一种永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置,用于通过电流牵引动作,来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对上述磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置,该永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置的特征在于,具备:
牵引电流运算部,其将使用上述电动机的每相的上述永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa以及作为上述电动机的电感的构成分量的、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld及与上述磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq而运算出的Ψa/(Lq-Ld)作为最大电流值,运算在从该最大电流值到规定的最小电流值的范围内变化的相电流Ia;以及
Id运算部,其基于上述相电流Ia来运算上述磁通轴方向的d轴电流,
其中,向电枢绕组流通上述d轴电流来向上述转子的转矩的相对于上述相电流Ia的相位角的斜率最大的位置牵引上述转子,由此进行上述电流牵引动作。
5.一种永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置,用于通过电流牵引动作,来检测构成永磁体型同步电动机的转子的永磁体的磁极位置的原点与磁极位置传感器的输出信号的原点之间的偏离量,利用该偏离量对上述磁极位置传感器的输出信号进行校正来检测真正的磁极位置,该永磁体型同步电动机的磁极位置检测装置的特征在于,具备:
牵引电流运算部,其将使用上述电动机的每相的上述永磁体所引起的电枢交链磁通的有效值Ψa以及作为上述电动机的电感的构成分量的、虚拟的磁通轴方向的d轴电感Ld及与上述磁通轴方向正交的方向的q轴电感Lq而运算出的Ψa/(Lq-Ld)作为最大电流值,运算在从该最大电流值到规定的最小电流值的范围内变化的相电流Ia;以及
Id运算部,其基于上述电动机的电枢所容许的最大电流、用于向上述电动机的电枢绕组流通电流的逆变器所容许的最大电流以及上述相电流Ia中的最小的电流值来运算上述磁通轴方向的d轴电流,
其中,向上述电枢绕组流通上述d轴电流来向上述转子的转矩的相对于上述相电流Ia的相位角的斜率最大的位置牵引上述转子,由此进行上述电流牵引动作。
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