CN105762952A - 采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机 - Google Patents

采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机，它为四极电机；定子铁心槽中首先嵌入一套内部双层短距分布绕组，然后再嵌入另一套外部双层短距分布绕组，两套绕组的线圈匝数接近，内外部两套绕组每相都分别连接成电动势和相位完全相同的四条相绕组支路。将内、外部两套双层短距分布绕组各相的四条相绕组支路“内部”“外部”交叉连接形成两条永磁电动势的大小和相位以及阻抗完全一致的两条相绕组并联支路；由这些并联支路连接而成的双Y接并联的三相对称绕组，使得在定子铁心内腔较小时也能够嵌入具有双层短距效果的绕组，而且使得每相的两条并联支路都有一部分绕组布置在定子绕组的内部双层短距分布绕组空间。

Description

采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机
技术领域
本发明属于电气工程领域，涉及一种采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机。
背景技术
目前，永磁同步伺服电动机定子绕组大多采用分数槽集中绕组或双层短距分布绕组。
永磁同步伺服电动机具有效率高、功率密度高和动态响应快的特点，永磁同步伺服电动机的应用越来越广泛，随之对永磁同步伺服电动机输出转矩的要求越来越大。为了提高永磁同步伺服电机的动态响应速度，电机设计时，在提高电机输出转矩的同时，要尽可能地不要使电机转子转动惯量也随之增大。由于转子转动惯量与转子直径的四次方成正比，与转子轴向长度的一次方成正比，因此电机的转子直径就必须小。而在一些转子轴向长度也受限的应用场合，由于不能增大转子直径，电机的磁负荷已经达到较高水平时，则只有增大定子绕组电负荷以提高永磁同步伺服电动机转矩的输出。
目前，永磁同步伺服电动机定子绕组大多采用分数槽集中绕组或采用双层短距分布绕组。输出转矩和工作转速都较低的永磁同步伺服电动机定子绕组大多采用分数槽集中绕组；输出转矩和工作转速都较高的功率较大的永磁同步伺服电动机定子绕组大多采用双层短距分布绕组。
当输出转矩和工作转速都较高的功率较大的永磁同步伺服电动机需要增大定子绕组电负荷以提高永磁同步伺服电动机转矩的输出时，则使得定子线圈的匝数和截面积增大较多，由于定子铁心内圆(也称之为定子铁心内腔)截面积小，定子铁心嵌入几个双层短距分布绕组线圈的下元件边后，这几个双层短距分布绕组线圈的上元件边已经将定子铁心内腔占满，无法再嵌入后续的双层短距分布绕组线圈的下元件边了。给低转动惯量永磁同步伺服电动机制造带来了工艺上的制约。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机，以解决上述难题。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机，包括先后嵌入到定子铁心槽中的两套双层短距分布绕组，两套双层短距分布绕组包括一套内部双层短距分布绕组和一套外部双层短距分布绕组，该电动机的定子铁心上均匀布置有Z个齿和Z个槽，该电动机的转子上布置有两对永磁磁极，所述两对永磁磁极在转子圆周上按照N极、S极依次相间的规律均匀布置；定子铁心上的Z个槽中先后嵌入一套内部双层短距分布绕组和一套外部双层短距分布绕组，所述内部双层短距分布绕组和外部双层短距分布绕组的分相方法一样；首先，在定子铁心槽中嵌入内部双层短距分布绕组，然后，在定子铁心槽中再嵌入外部双层短距分布绕组，所述内部双层短距分布绕组和外部双层短距分布绕组均是由Z个线圈构成的三相双层短距分布绕组；所述内部双层短距分布绕组每个线圈的匝数为Nc1，外部双层短距分布绕组每个线圈的匝数为Nc2，且Nc1大于或等于Nc2；电机极距为Z/4个槽距，短距线圈跨距为y1个槽距，且y1小于Z/4；依据每个槽中导体切割永磁磁场所感应出的永磁电动势绘制电动势星形图，并按照60°电角度相带分相原则进行A、B、C三相绕组分相；分相结果是，每套双层短距分布绕组每相至少连接成如下2条相绕组支路：一对磁极范围内每套双层短距分布绕组有Z/6个线圈分别属于A、B、C三相，所述的一对磁极范围内每套双层短距分布绕组属于某一相的Z/6个线圈中有q1个线圈处于正相带，(Z/6-q1)个线圈处于负相带；将某一对磁极范围内属于某一套、某一相的处于正相带的q1个线圈正向依次串联后，再与处于负相带的(Z/6-q1)个线圈依次反向串联，从而构成某一套、某一相绕组的一条相绕组支路；另一对磁极范围内同属于上述某一套、某一相的处于正相带的q1个线圈正向依次串联后，再与处于负相带的Z/6-q1个线圈依次反向串联，从而构成上述的某一套、某一相的另外一条相绕组支路；上述内部双层短距分布绕组共连接成A1X1、A2X2、B1Y1、B2Y2、C1Z1和C2Z2六条相绕组支路；外部双层短距分布绕组共连接成A3X3、A4X4、B3Y3、B4Y4、C3Z3和C4Z4六条相绕组支路；将属于A相内部双层短距分布绕组的A1X1相绕组支路与属于A相外部双层短距分布绕组A4X4相绕组支路同向串联，即X1与A4连接形成A相绕组的第一并联支路A1X4；将属于A相外部双层短距分布绕组的A3X3相绕组支路与属于A相内部双层短距分布绕组A2X2相绕组支路同向串联，即X3与A2连接形成A相绕组的第二并联支路A3X2；将属于B相内部双层短距分布绕组的B1Y1相绕组支路与属于B相外部双层短距分布绕组B4Y4相绕组支路同向串联，即Y1与B4连接形成B相绕组的第一并联支路B1Y4；将属于B相外部双层短距分布绕组的B3Y3相绕组支路与属于B相内部双层短距分布绕组B2Y2相绕组支路同向串联，即Y3与B2连接形成B相绕组的第二并联支路B3Y2；将属于C相第内部双层短距分布绕组的C1Z1相绕组支路与属于C相外部双层短距分布绕组C4Z4相绕组支路同向串联，即Z1与C4连接形成C相绕组的第一并联支路C1Z4；将属于C相外部双层短距分布绕组的C3Z3相绕组支路与属于C相内部双层短距分布绕组C2Z2相绕组支路同向串联，即Z3与C2连接形成C相绕组的第二并联支路C3Z2；将属于A、B、C三相绕组第一条并联支路的尾端X4、Y4、和Z4连接在一起形成星点N1，构成第一个Y接三相对称绕组；将属于A、B、C三相绕组第二条并联支路的尾端X2、Y2、和Z2连接在一起形成星点N2，构成第二个Y接三相对称绕组；将第一个Y接三相对称绕组与第二个Y接三相对称绕组的首端连接起来，即将A1与A2、B1与B2和C1与C2连接起来构成A、B、C三相对称绕组的的首端A、B、C，形成星点N1和N2互不连接的A、B、C三相各有两条并联支路的三相对称绕组，A、B、C三相对称绕组的首端连接到永磁同步伺服电机驱动器的三相输出端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，将处于内部和外部的两套双层短距分布绕组的各相4条相绕组支路“内部”“外部”交叉连接形成两条永磁电动势的大小和相位以及阻抗完全一致的2条相绕组并联支路，由这些并联支路连接而成的双Y接并联的三相对称绕组在定子铁心内腔较小时能够嵌入具有双层短距效果的绕组，而且使得每相的2条并联支路都有一部分绕组布置在定子绕组的内部双层短距分布绕组空间，有一部分绕组布置在定子绕组的外部双层短距分布绕组空间，既能够确保每相支路的永磁电动势和阻抗是对称的，还能够弥补由于永磁体和铁磁材料存在的差异以及加工工艺上存在的一些瑕疵等原因对电机产生的各种不利影响。
附图说明
图1是18槽4极采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机定转子电磁部分截面示意图。
图2是18槽4极采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机各个线圈边在槽中放置示意图。其中，槽中数字代表线圈号，数字后下标“上”、“下”分别代表该线圈的上、下元件边，数字后的上标“内”或“外”分别代表线圈是属于“内部”或“外部”那一套双层短距分布绕组。
图3是18槽4极采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机线圈电动势星形图及分相结果示意图。
图4是18槽4极采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机中内部那一套双层短距分布绕组的定子绕组展开图。其中，图中数字代表槽号，也代表上元件在在此槽中的线圈号。
图5是18槽4极采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机中外部那一套双层短距分布绕组的定子绕组展开图。其中，图中数字代表槽号，也代表上元件在在此槽中的线圈号。
图6是18槽4极采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机中的内部和外部两套双层短距分布绕组各相4条相绕组支路“内部”“外部”交叉连接时的等效电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机与传统的永磁同步电动机一样也包括构成一台完整的电动机所必须的机座、前端盖、后端盖、轴承、接线盒、定子铁心、定子绕组、永磁体、转子铁心、轴以及一些必要的零部件。
结合附图1～6所给出的具体的一台18槽4极的四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机的实施方式对本发明作进一步详细的描述，并对本发明四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机分相及绕组连接方式给予说明。
由图1可见，本发明实施例18槽4极采用两套双层(即四层)短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机，定子铁心上均匀布置有18个齿和18个槽。由图2可见，定子铁心上18个槽中要先后嵌入两套双层短距分布绕组，两套双层短距分布绕组包括一套内部双层短距分布绕组和一套外部双层短距分布绕组，如图1所示，导磁的转子轴表面粘贴有4块径向平行充磁的永磁体作为4个永磁磁极，4个永磁磁极在转子圆周上N极、S极、N极和S极依次相间的规律均匀布置。电机极距为电机极距为Z/4＝9/2个槽距，短距线圈跨距y1小于Z/4为4个槽距，依据每个槽中导体切割永磁磁场所感应出的永磁电动势绘制出如图3所示的电动势星形图，并按照60°电角度相带分相原则进行A、B、C三相绕组分相，内部和外部两套双层短距分布绕组的分相方法一样。
由分相结果可见，每极每相槽数是分数槽，内部或外部每一套双层短距分布绕组的18个线圈都分布于2对磁极下，每1对磁极范围内每相各有2个线圈处于正相带和1个线圈处于负相带。1对磁极范围内处于正相带的线圈1和2以及和处于负相带的线圈6属于A相，另1对磁极范围内处于正相带的线圈10和11以及和处于负相带的线圈15也属于A相；1对磁极范围内处于正相带的线圈4和5以及和处于负相带的线圈9属于B相，另1对磁极范围内处于正相带的线圈13和14以及和处于负相带的线圈18也属于B相；1对磁极范围内处于正相带的线圈7和8以及和处于负相带的线圈12属于C相，另1对磁极范围内处于正相带的线圈16和17以及和处于负相带的线圈3也属于C相。
每个线圈的两个线圈边跨距为4个槽，每个线圈的两个线圈边布置在2个槽中，每个线圈有上元件边和下元件两个线圈边。当某一线圈属于内部那一套双层短距分布绕组时，该线圈边放置在定子槽中内部那一套双层短距分布绕组的上层部位时则称之为内部上元件边，该线圈边放置在定子槽中内部那一套双层短距分布绕组的下层部位则称之为内部下元件边；当某一线圈属于外部那一套双层短距分布绕组时，该线圈边放置在定子槽中外部那一套双层短距分布绕组的上层部位时则称之为外部上元件边，该线圈边放置在定子槽中外部那一套双层短距分布绕组的下层部位则称之为外部下元件边。每个线圈有首端和尾端两个引出端，由线圈上元件边引出的称为线圈首端，由线圈下元件边的引出的称为线圈尾端。
定子铁心嵌线时，首先嵌入内部那一套由18个线圈构成的三相双层短距分布绕组，然后嵌入外部那一套由18个线圈构成的三相双层短距分布绕组，内部那套双层短距分布绕组每个线圈的匝数为Nc1，外部那套双层短距分布绕组每个线圈的匝数为Nc2，Nc1与Nc2接近，一般选择Nc1大于等于Nc2。两套三相双层短距分布绕组每个线圈边的嵌放位置如图2所示。两套三相双层短距分布绕组嵌入完毕后，要进行各相绕组支路的连接。
由图4所示的第一套内部双层短距分布绕组展开图可见，以内部线圈1的首端作为内部A相相绕组支路1的首端A1，内部线圈1的尾端与内部线圈2的首端连接，内部线圈2的尾端与内部线圈6的尾端连接，内部线圈6的首端作为内部A相相绕组支路1的尾端X1，连接成内部A相相绕组支路1——A1X1相绕组支路；以内部线圈10的首端作为内部A相相绕组支路2的首端A2，内部线圈10的尾端与内部线圈11的首端连接，内部线圈11的尾端与内部线圈15的尾端连接，内部线圈15的首端作为内部A相相绕组支路2的尾端X2，连接成内部A相相绕组支路2——A2X2相绕组支路。以内部线圈4的首端作为内部B相相绕组支路1的首端B1，内部线圈4的尾端与内部线圈5的首端连接，内部线圈5的尾端与内部线圈9的尾端连接，内部线圈9的首端作为内部B相相绕组支路1的尾端Y1，连接成内部B相相绕组支路1——B1Y1相绕组支路；以内部线圈13的首端作为内部B相相绕组支路2的首端B2，内部线圈13的尾端与内部线圈14的首端连接，内部线圈14的尾端与内部线圈18的尾端连接，内部线圈18的首端作为内部B相相绕组支路2的尾端Y2，连接成内部B相相绕组支路2——B2Y2相绕组支路。以内部线圈7的首端作为内部C相相绕组支路1的首端C1，内部线圈7的尾端与内部线圈8的首端连接，内部线圈8的尾端与内部线圈12的尾端连接，内部线圈12的首端作为内部C相相绕组支路1的尾端Z1，连接成内部C相相绕组支路1——C1Z1相绕组支路；以内部线圈16的首端作为内部C相相绕组支路2的首端C2，内部线圈16的尾端与内部线圈17的首端连接，内部线圈17的尾端与内部线圈3的尾端连接，内部线圈3的首端作为内部C相相绕组支路2的尾端Z2，连接成内部C相相绕组支路2——C2Z2相绕组支路。
由图5所示的第二套外部双层短距分布绕组展开图可见，以外部线圈1的首端作为外部A相相绕组支路3的首端A3，外部线圈1的尾端与外部线圈2的首端连接，外部线圈2的尾端与外部线圈6的尾端连接，外部线圈6的首端作为外部A相相绕组支路3的尾端X3，连接成外部A相相绕组支路3——A3X3相绕组支路；以外部线圈10的首端作为外部A相相绕组支路4的首端A4，外部线圈10的尾端与外部线圈11的首端连接，外部线圈11的尾端与外部线圈15的尾端连接，外部线圈15的首端作为外部A相相绕组支路4的尾端X4，连接成外部A相相绕组支路4——A4X4相绕组支路。以外部线圈4的首端作为外部B相相绕组支路3的首端B3，外部线圈4的尾端与外部线圈5的首端连接，外部线圈5的尾端与外部线圈9的尾端连接，外部线圈9的首端作为外部B相相绕组支路3的尾端Y3，连接成外部B相相绕组支路3——B3Y3相绕组支路；以外部线圈13的首端作为外部B相相绕组支路4的首端B4，外部线圈13的尾端与外部线圈14的首端连接，外部线圈14的尾端与外部线圈18的尾端连接，外部线圈18的首端作为外部B相相绕组支路4的尾端Y4，连接成外部B相相绕组支路4——B4Y4相绕组支路。以外部线圈7的首端作为外部C相相绕组支路3的首端C3，外部线圈7的尾端与外部线圈8的首端连接，外部线圈8的尾端与外部线圈12的尾端连接，外部线圈12的首端作为外部C相相绕组支路3的尾端Z3，连接成外部C相相绕组支路3——C3Z3相绕组支路；以外部线圈16的首端作为外部C相相绕组支路4的首端C4，外部线圈16的尾端与外部线圈17的首端连接，外部线圈17的尾端与外部线圈3的尾端连接，外部线圈3的首端作为外部C相相绕组支路4的尾端Z4，连接成外部C相相绕组支路4——C4Z4相绕组支路。
如图6所示，将内部A相A1X1相绕组支路的尾端X1与外部A相A4X4相绕组支路的首端A4相连接，构成A相由“内部”“外部”2条相绕组支路交叉连接而成的A相绕组并联支路A1X4；将外部A相A3X3相绕组支路的尾端X3与内部A相A2X2相绕组支路的首端A2相连接，构成A相由“内部”“外部”2条相绕组支路交叉连接而成的A相绕组并联支路A3X2。将内部B相B1Y1相绕组支路的尾端Y1与外部B相B4Y4相绕组支路的首端B4相连接，构成B相由“内部”“外部”2条相绕组支路交叉连接而成的B相绕组并联支路B1Y4；将外部B相B3Y3相绕组支路的尾端Y3与内部B相B2Y2相绕组支路的首端B2相连接，构成B相由“内部”“外部”2条相绕组支路交叉连接而成的B相绕组并联支路B3Y2。将内部C相C1Z1相绕组支路的尾端Z1与外部C相C4Z4相绕组支路的首端C4相连接，构成C相由“内部”“外部”2条相绕组支路交叉连接而成的C相绕组并联支路C1Z4；将外部C相C3Z3相绕组支路的尾端Z3与内部C相C2Z2相绕组支路的首端C2相连接，构成C相由“内部”“外部”2条相绕组支路交叉连接而成的C相绕组并联支路C3Z2。
如图6所示，将A相绕组并联支路A1X4的尾端X4与B相绕组并联支路B1Y4的尾端Y4以及C相绕组并联支路C1Z4的尾端Z4相连接，连接成Y接星接点N1，形成了一个Y接三相对称绕组A1B1C1。将A相绕组并联支路A3X2的尾端X2与B相绕组并联支路B3Y2的尾端Y2以及C相绕组并联支路C3Z2的尾端Z2相连接，连接成Y接星接点N2，形成了一个Y接三相对称绕组A3B3C3。
如图6所示，将A相A1X4相绕组支路的首端A1与A相A3X2相绕组支路的首端A3连接在一起形成A相绕组的引出端A，将B相B1Y4相绕组支路的首端B1与B相B3Y2相绕组支路的首端B3连接在一起形成B相绕组的引出端B，将C相C1Z4相绕组支路的首端C1与C相C3Z2相绕组支路的首端C3连接在一起形成C相绕组的引出端C，三相对称绕组的首端A、B、C与永磁同步伺服电机驱动器的三相输出端连接，则形成星点N1和N2互不连接的ABC三相各有2条并联支路的三相对称绕组。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，它只是其中的一种极槽配合形式的实例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种采用四层短距分布绕组的低转动惯量永磁同步伺服电动机，包括先后嵌入到定子铁心槽中的两套双层短距分布绕组，两套双层短距分布绕组包括一套内部双层短距分布绕组和一套外部双层短距分布绕组，其特征在于：
该电动机的定子铁心上均匀布置有Z个齿和Z个槽，该电动机的转子上布置有两对永磁磁极，所述两对永磁磁极在转子圆周上按照N极、S极依次相间的规律均匀布置；定子铁心上的Z个槽中先后嵌入一套内部双层短距分布绕组和一套外部双层短距分布绕组，所述内部双层短距分布绕组和外部双层短距分布绕组的分相方法一样；
首先，在定子铁心槽中嵌入内部双层短距分布绕组，然后，在定子铁心槽中再嵌入外部双层短距分布绕组，所述内部双层短距分布绕组和外部双层短距分布绕组均是由Z个线圈构成的三相双层短距分布绕组；所述内部双层短距分布绕组每个线圈的匝数为Nc1，外部双层短距分布绕组每个线圈的匝数为Nc2，且Nc1大于或等于Nc2；电机极距为Z/4个槽距，短距线圈跨距为y1个槽距，且y1小于Z/4；依据每个槽中导体切割永磁磁场所感应出的永磁电动势绘制电动势星形图，并按照60°电角度相带分相原则进行A、B、C三相绕组分相；分相结果是，每套双层短距分布绕组每相至少连接成如下2条相绕组支路：
一对磁极范围内每套双层短距分布绕组有Z/6个线圈分别属于A、B、C三相，所述的一对磁极范围内每套双层短距分布绕组属于某一相的Z/6个线圈中有q1个线圈处于正相带，(Z/6-q1)个线圈处于负相带；将某一对磁极范围内属于某一套、某一相的处于正相带的q1个线圈正向依次串联后，再与处于负相带的(Z/6-q1)个线圈依次反向串联，从而构成某一套、某一相绕组的一条相绕组支路；另一对磁极范围内同属于上述某一套、某一相的处于正相带的q1个线圈正向依次串联后，再与处于负相带的Z/6-q1个线圈依次反向串联，从而构成上述的某一套、某一相的另外一条相绕组支路；
上述内部双层短距分布绕组共连接成A1X1、A2X2、B1Y1、B2Y2、C1Z1和C2Z2六条相绕组支路；外部双层短距分布绕组共连接成A3X3、A4X4、B3Y3、B4Y4、C3Z3和C4Z4六条相绕组支路；
将属于A相内部双层短距分布绕组的A1X1相绕组支路与属于A相外部双层短距分布绕组A4X4相绕组支路同向串联，即X1与A4连接形成A相绕组的第一并联支路A1X4；将属于A相外部双层短距分布绕组的A3X3相绕组支路与属于A相内部双层短距分布绕组A2X2相绕组支路同向串联，即X3与A2连接形成A相绕组的第二并联支路A3X2；
将属于B相内部双层短距分布绕组的B1Y1相绕组支路与属于B相外部双层短距分布绕组B4Y4相绕组支路同向串联，即Y1与B4连接形成B相绕组的第一并联支路B1Y4；将属于B相外部双层短距分布绕组的B3Y3相绕组支路与属于B相内部双层短距分布绕组B2Y2相绕组支路同向串联，即Y3与B2连接形成B相绕组的第二并联支路B3Y2；
将属于C相第内部双层短距分布绕组的C1Z1相绕组支路与属于C相外部双层短距分布绕组C4Z4相绕组支路同向串联，即Z1与C4连接形成C相绕组的第一并联支路C1Z4；将属于C相外部双层短距分布绕组的C3Z3相绕组支路与属于C相内部双层短距分布绕组C2Z2相绕组支路同向串联，即Z3与C2连接形成C相绕组的第二并联支路C3Z2；
将属于A、B、C三相绕组第一条并联支路的尾端X4、Y4、和Z4连接在一起形成星点N1，构成第一个Y接三相对称绕组；将属于A、B、C三相绕组第二条并联支路的尾端X2、Y2、和Z2连接在一起形成星点N2，构成第二个Y接三相对称绕组；将第一个Y接三相对称绕组与第二个Y接三相对称绕组的首端连接起来，即将A1与A2、B1与B2和C1与C2连接起来构成A、B、C三相对称绕组的的首端A、B、C，形成星点N1和N2互不连接的A、B、C三相各有两条并联支路的三相对称绕组，A、B、C三相对称绕组的首端连接到永磁同步伺服电机驱动器的三相输出端。
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