CN107431396A - 用于电动机的转子、配属的电动机轴以及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电动机的转子(10)，具有力传递区域(11)，力传递区域与电动机轴(12)处于有效连接。由纤维复合材料构成的转矩传递区域(13)与力传递区域(11)相邻。磁连接区域(14)和具有磁体(16)的用于引导磁场的区域(15)布置在转矩传递区域(13)的与力传递区域(11)相对置的一侧上。电动机轴也能够由纤维复合材料形成。通过磁连接区域(14)具有设有磁性的或可磁化的填料的塑料的方式，以轻质结构实现了用于电动机的转子以及与其共同作用的电动机轴，转子和电动机轴也满足所需要的性能标准。

Description

用于电动机的转子、配属的电动机轴以及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于电动机的转子以及一种根据权利要求13的前序部分所述的、用于这种转子的电动机轴。本发明还涉及一种根据权利要求16的前序部分所述的用于制造这种转子的方法。
背景技术
在实际使用中，以不同的实施方案来应用电动机。根据可用电能、期望功率、运行转速、动态特性和可用安装空间的先决条件，电动机设计成永磁或电磁激励的方式，以直流电、交流电或多相交流电馈电的方式、电子或机械换向地以同步或异步来设计。尤其对于无刷的、高动态的、优选具有构成内转子的转子的伺服驱动器而言，已知如下转子设计，其中将高价值的稀土磁体插入到叠片切口中，叠片切口又与通常由钢构成的电动机轴形状配合地和/或力配合地连接。
具有这种结构的转子原则上有利于伺服马达的惯性，即通过该结构限定了马达的动力。如果详细地观察该结构，那么为了避免磁连接区域中的涡流所需要的叠片切口或叠片冲压部分几乎是不重要的。对此，通常能够应用定子叠片的冲压余料。转子的内部部分用于转矩传递，外部区域包括磁场引导部。为了保持尽可能低的转子中的涡流损失，叠片用绝缘层来覆层，其中层厚度尽可能地小。叠片对转子的转动惯量具有最大的影响。
为了以轻质构造来构成高力矩电动机，作为权利要求1的前序部分的基础的DE 102004 014 640 A1中已经提出：将进行承载的结构部件构成为纤维复合材料，以便使电动机的内部空间保持空闲。对此，不改变磁连接区域。
从US2003/0063993A1中已知用于借助浇注单元注射铁磁粉末和用第二浇注单元注射非铁磁粉末的方法，以便制造注塑的组合转子部件。对此，应用MIM材料，MIM材料能够借助接合剂接合地被加工并且随后在另一加工步骤中“脱粘”和“烧结”。
US2003/0062790A1示出转子盘的制造，其中将粉末材料压入到作为模板的多件式框架中，粉末材料能够借助接合剂接合地被加工并且在另一加工步骤中“脱粘”和“烧结”。
从DE 10 2007 006 986 B3中已知一种转子，其中将纤维强化塑料用于在电动机轴和经典的叠片组之间的转矩联接。在驱动轴的直径保持相同的情况下，转子的基本体在外部部分地构成为锥形。
在从DE 10 2008 026 648 A1中已知的、具有叠片式结构的转子中，围绕由“薄片”构成的叠片组安置软磁材料，将永磁体装入薄片中。薄片锚固在塑料体中，在轴和薄叠片之间包括塑料毂。
US 6.081.052A公开一种叠片式转子，通过在叠片组与永磁体之间引入中间层片，借助硬焊工艺意义上的铜焊工艺进行的热学方法来制造该转子。
从US 2012/0091832A1中已知也用于电动机部件的材料混合物，该材料混合物还在非金属基体中分散地容纳有软磁材料。
从现有技术中同样已知：通过借助施加重量实现正平衡或通过借助材料剥离利用平衡盘实现负平衡的方式，平衡用于电动机的转子。
发明内容
从现有技术出发，本发明所基于的目的是，以轻质构造实现一种用于电动机的转子以及一种电动机轴，转子或电动机轴满足所需要的性能标准，并且提供相应的制造方法。
所述目的通过具有权利要求1的特征的用于电动机的转子和通过具有权利要求13的特征的电动机轴以及通过具有权利要求16的特征的相应的制造方法来实现。
对此，在转子的部件的功能方面对转子进行观察，其中观察：用于将力矩和力传递到电动机轴上的力传递区域；用于将转矩从电动机传递到力传递区域上的转矩传递区域；磁连接区域；以及用于引导磁场的区域，在该区域中设置有磁体。特别地，为了引导磁场，在磁连接区域中现在通过具有磁性的或可磁化的填料的热塑性塑料来取代叠片。在此，主要通过如下方式实现质量降低，即塑料材料的引入被精确地限制到与磁相关的区域。该聚合物材料能够以经典的塑料注塑方法成本低廉地且工艺可靠地进行加工并且也在几何布置方面能够可靠地进行安置。
如果这种布置与以下情况相结合，即转矩传递区域关于其纤维复合材料方面同时相应地设计，那么能够以经济的方式以轻质构造来制造转子。
热塑性塑料形成了具有磁性的或可磁化的填料的塑料的基础，以尽可能高的填充度用软磁填料填充热塑性塑料。在此能够实现优选直至超过70体积百分比的填充度。在该材料中可达到的相对磁导率μr比在转子的经典“叠片式”实施方案的情况中低几个数量级(十的幂)，并且也明显更早到达饱和。在这种实施方案中仍然可实现显著的质量降低。此外，在选择软磁填料时，材料能够在颗粒大小方面相应地实现，这使得能够为转子良好地确定尺寸并使得转子能够匹配于其用途。这也影响复合物的可期待的流动性。
如果填料颗粒或小板由包围其的热塑性塑料覆层并且空间上分散地嵌入在绝缘塑料中，那么在各个软磁填料颗粒之间产生电绝缘，电绝缘几乎消除了转子的涡流损失。
因此，高密度的复合物的几何形状被精确地限制到磁相关的区域，而通过如下方式能够提高质量降低：即在转矩过渡区域中借助其他材料实现到电动机轴的转矩传递，该其他材料在其密度方面优选地明显低于高度填充的塑料材料的密度。优选地，在转矩传递范围中应用如下其他塑料，该其他塑料为了改进机械特性优选同样利用纤维强化材料来实施。借此，在机械特性最佳的情况下，传递转矩的构件的几何形状能够在尽可能低的质量方面被优化。这种有利的且轻质的材料同样能够以塑料注塑法来制造，其中这两种材料能够共同地在双组分设备中在一个周期中作为批量产品来制造。
优选地，形状配合地保持磁体，其中相应地调整磁体的和用于引导磁场的区域的外部轮廓的几何形状。
优选地，转子由至少一个单独的、自支承的盘构成，其中盘的厚度或其在电动机轴方向上的长度优选地对应于一个磁体的长度或一个磁体的长度的多倍。因此也可行的是：不同长度的磁体平行地或串联地安置在盘上。
在连接多个盘时，通过各个盘能够在一定范围内自由地选择转子长度。该长度通常是转子的一个盘的长度的整数倍，然而也能够设想如下变体，其中能够为转子应用厚度不同的盘。借此，在使转子尺寸匹配于相应的功率方面能够达到很大的设计自由度。
每个盘传递其自有的转矩。由此也可行的是，结合转子轴来不同地设计各个盘，使得随着与电动机的输出侧的间距变大，盘的直径朝着其中通常布置有传感器的B轴承在对于电动机轴开放的内部区域方面内部地变小。因此，盘与输出装置的间距越大，传递的转矩就越小，使得较小的直径就足够了。由此，能够进一步降低转子的质量。借此尽管不再显著地降低转动惯量，但是却显著地降低总质量。
与这种转子处于有效连接的电动机轴也能够构成为轻质结构轴并且同样由纤维复合材料构造。这种轴例如能够以玻璃纤维结构方式、碳纤维结构方式或复合纤维结构方式作为纤维强化的软管来制造。此外，轴能够优选实施为混合轴，混合轴在其端部处在具有传感器的B轴承的和具有输出装置的A轴承的两个支承点处具有例如由钢构成的、金属的根部。
同样能够设想的是，整体上通过纤维强化的软管取代力和/或力矩传递区域，并且轴因此与力矩传递区域一体地构成，以便实现进一步的质量降低。
优选地，按照根据本发明的方法，转子必要时连同电动机轴一起通过注塑来制造。在此尤其高效的是：在注塑技术方面以双组份工艺来制造。由纤维强化材料注塑的转矩联接部并且在第二工艺步骤中由SMC材料制成的磁连接区域(或者相反的)。在注塑之后，转子完成制造并且准备好用于容纳磁体。磁体在需要时能够作为插入件同样共同被成型。不需要脱粘和烧结。
从从属权利要求和优选的实施例的下面的描述中得出其他的优点。
附图说明
下面，以所附的附图中示出的实施例详细阐述本发明。其示出：
图1a示出没有具有优化轮廓和多齿联接部的磁体的转子的三维图，
图1b示出根据图1a的转子的俯视图，
图2a、2b示出根据图1a、1b的转子与安置在其上的磁体的视图，
图3示出具有电动机轴的转子的三维图，所述转子由多个单独的盘以根据图2a的结构来形成。
具体实施方式
在详细地描述本发明之前，需要指出的是：本发明不局限于设备的相应的构件以及相应的方法步骤，因为能够改变这些构件和方法。在此所使用的术语仅意图用于描述特定的实施方式并且非限制性地应用。此外，当在说明书中或在权利要求中使用单数或不定冠词时，这也能够涉及所指元件的复数，只要在上下文中没有明确地另作说明。
附图示出用于电动机的转子，电动机通常与附图中未示出的定子共同工作。转子在实施例中构成为内转子，然而原则上，只要力传递区域11、转矩传递区域13、磁连接区域14和用于磁场引导的区域15以相反的顺序从外向内地布置，也能够构建为外转子。
转子10具有力传递区域11，力传递区域适用于并且确定用于与根据图3的电动机轴12有效连接。在该实施例中，经由力传递区域11中的多齿联接部将力矩和力从转子传输到电动机轴12上，但是也能够设想例如经由六边形联接部进行其他的联接。转矩传递区域13与根据图1b的力传递区域11相邻，转矩传递区域由纤维复合材料构成。该区域在其功能上被优化，因为力作为旋转力经由与定子中引导的电流处于有效连接的磁体16被导入在转子10的外半径处并且在附图中在内部经由力传递区域11传递到电动机轴12上。在该实施例中，在具有接片形的元件13a的转矩传递区域13中，从外向内进行力传递。也显而易见的是：转矩传递区域13具有星状的尖部13b，在尖部之间设有磁连接区域14的加厚部14a。转矩传递区域13和磁连接区域14的其中反映出的结构对应于在传递力时的力矩线，这就是说，在必须传递更大的力的位置处设有更多的材料。
在磁连接区域14中，通常设有金属元件、如叠片，以便避免涡流。将用于引导磁场的区域15连接到磁连接区域14处，用于引导磁场的区域在该实施例中位于转子外部并且磁体16支承在该区域中。磁连接区域14和用于引导磁场的区域15布置为与转矩传递区域13相邻，但是布置在转矩传递区域13的与力传递区域11相对置的一侧上。从附图中可见的结构对应于转子作为内转子的结构，这就是说，在外置的定子之内，然而原则上对于外转子而言也能够使相应结构具有所提出的区域的反向布置。
现在，在该实施例中，在磁连接区域14中设有热塑性塑料，热塑性塑料配有磁性的或可磁化的填料，这就是说，通过高度填充的塑料材料取代否则通常在那里应用的叠片。对此的基础通常由热塑性塑料形成，利用软磁填料以尽可能高的填充度来填充热塑性塑料，软磁填料优选是不导电的。在此可达到直至>70体积百分比的填充度。在具体的实施例中，例如使用以软铁作为SMC材料(soft magnetic compound软磁复合材料)来高度填充的聚酰胺。当前的填充度在此为57％。该聚合物材料在经典的塑料注塑方法中成本低廉地且工艺可靠地被加工，由此在直接地连接到相应构成的转矩传递区域13的情况下，根据附图的、具有相应的加厚部14a的优化布置也是可行的。在该材料中利用这种塑料能达到的相对磁导率μr比在经典的“叠片式”实施方案的情况中低几个数量级(十的幂)，并且也明显更早到达饱和。然而在实验中发现：这样构建的无叠片的磁连接区域的因此达到的磁导率对于电动机的运行是绝对足够的。此外，具有高度填充的、热塑性的塑料材料的这种实施方案引起显著的质量降低。在选择软磁填料时，材料能够在颗粒大小方面匹配于相应的应用，这影响了复合物的可期待的流动性，从而因此也可以针对相应的用途进行结构上的优化。填料颗粒或小板由包围其的热塑性塑料覆层并且电绝缘，并且空间上分散地嵌入在绝缘塑料中，这种情况刚好在注塑时和材料的相应的材料均匀化时被确保，从而几乎能够消除转子中的涡流损失。
质量降低也通过如下方式来实现，高密度的塑料材料、即高度填充的热塑性塑料或复合物的几何形状被精确地限制到磁相关的区域。因此，该材料在磁连接区域14中被加工，而在转矩传递区域13中能通过其他塑料实现到电动机轴12的转矩传递，其他塑料的密度显著更小。转矩传递能够利用塑料进行，塑料为了改进机械特性而实施为纤维强化的材料。由此在机械特性最佳的情况下，传递转矩的构件的几何形状能够在尽可能低的质量方面被优化。因为这种有利的且轻质的材料也能够成本低廉地以塑料注塑方法来成型，所以得到更有利的且容易制造的轻质结构转子。
从图1b和2b中显而易见的是，通过使得磁体16的和用于引导磁场的区域15的外轮廓的几何形状相应地彼此匹配，来形状配合地保持磁体16。在该实施例中，磁体16由所谓的燕尾形引导件19来保持，然而这仅为可行的形状配合的保持部的一个实例。
转子10由至少一个盘10a构成，其中盘10a的长度L大致对应于磁体16的长度I或者磁体16的长度I的数倍(参见图2a)。这种结构允许模块化的结构，如尤其从图3中得出的结构那样。首先，转子10在那里由各个盘10a形成，使得根据图3的转子长度能够在一定范围内自由地选择。因此，整个转子的长度是单个的盘10a的整数倍。然而也能够设想如下变体，其中为转子应用厚度不同的转子盘，这导致了可变的转子长度，其具体地匹配于相应的功率需求。
转子10的每个盘10a都传递其自有的转矩，因此盘自身构成为自支承的。这在电动机轴12方面也实现进一步的质量降低。因此例如能够设想的是，电动机轴12朝向B轴承、即远离输出装置18朝向传感器变得更加细长，在此输出装置设置在图3的左侧。这导致了，由多个盘10a形成的转子10从一个盘到另一个盘地具有内直径不同的力传递区域11，其中直径随着与输出装置18的间距的增加而变小。根据需要，各个盘的相应的转矩传递区域13也能够进行对应调整，此时转矩传递区域可能在盘的内部能够更厚。由此，不再显著地降低转动惯量，但是总质量依然良好地被降低。也能够设想的是：力传递区域11与电动机轴12一体地构成。
作为轻质结构轴，电动机轴12例如能够制造成由玻璃纤维材料、碳纤材料或复合纤维材料构成的纤维强化的软管。这种电动机轴12例如能够构成为混合轴，混合轴在其端部处具有金属的根部12a、12b，根部形成作为具有输出装置18的A轴承和作为朝着传感器的B轴承的支承点。这种电动机轴能够以离心法浇注到转子10的所组合的盘10a中。转子10的盘10a对此优选配设有密封件。这种制造步骤能够像例如在图5中示出那样进行。将软管与其纤维26一起连同限定数量的树脂25引入到力传递区域11的内部空间中，树脂随后以离心法被分散。在此，软管和树脂25贴靠内部空间的壁部处，并且如果力传递区域的材料提供相应可能性的话则对力传递区域11浸润，和/或贴靠内部空间的壁部处并且在该部位硬化。
同样能够设想，传递转矩的部件完全地通过纤维强化的软管取代，即电动机轴12和力传递区域11共同地由一种材料制造。在这种情况下，电动机轴在轴承的后方产生直径突变，并且随后连接到转矩传递区域13，但是必要时，由电动机轴12、力传递区域11和转矩传递区域13构成的该整个部件能够由纤维强化的塑料制造，使得该区域延伸直至磁连接区域14为止。通过该措施能够再次显著地降低质量。
电动机轴12能够锥形地或阶梯地构成，其中电动机轴随着与输出装置18的间距的增加而渐缩。借此，降低惯性并且使轴直径匹配于传感器。在该实施例中，电动机轴12在图3左侧的第一盘的高度上承载100％的转矩，在布置在图3右侧的另一端部处的盘处承载小于5％的转矩。替选地或补充地，电动机轴12也能够具有单侧渐缩的锥形的钻孔，该钻孔随着与输出装置18的间距的增加而扩大。
为了实现转子的简单平衡，在输送时能够在形状和质量方面对磁体16进行检测。这相应于通过针对性地输送磁通和在盘上的定位使得各个盘10a内联平衡(Inline-Wuchten)。磁体在质量上具有公差进而能够有针对性地用于平衡。借此，对于每个盘10a而言，能够提供具有在套件中最佳的质量分布的磁体16以进行安装。相应的装配顺序例如能够直接地在磁体上实施。在安装电动机轴12之前，得出磁连接区域14的和用于引导磁场的区域15的可能的不平衡，并且通过相应地选择在轴上的角位置来将其尽可能地消除。借此，通过电动机轴12上的各个盘10a的匹配的角位置实现第二次内联平衡。
补充地，在现有技术中已知利用平衡凝胶实现平衡。这种平衡凝胶能够引入力传递区域11的内部空间又或者转矩传递区域13的内部空间中，以便在起动时转子自己进行平衡。在转动的空腔中，平衡凝胶动态地贴靠到不平衡的部位处。这种平衡凝胶在对应的方法中作为系统在市场上已知。
整体上，通过应用配有磁性的或可磁化的填料的热塑性塑料作为根据体积份额变化的磁连接材料得到用于电动机的有利于制造的转子，其中磁连接材料用于使涡轮损失最小化和用于使电动机性能、如动力和转矩以简单的方式匹配于相应的要求。基本上，该转子10具有三件式的壳体结构，该结构具有用于引导磁场的区域15、由相应的高度填充的热塑性塑料构成的磁连接区域14、针对轻质结构和强度进行优化的转矩传递区域13和力传递区域11，转矩传递区域优选地由纤维强化的塑料构成，力传递区域具有到轻质结构轴的联接部。
根据本方法，用于电动机的转子10必要时与电动机轴11一起通过注塑优选在塑料注塑机上制造。在此，根据图4a，经由浇口体20和浇口20a注入纤维强化塑料。由此，制造力传递区域11和/或转矩传递区域13。同样，通过经由浇口体21和浇口21a根据图4b注塑配有磁性的或可磁化的填料的热塑性塑料，将无叠片的磁连接区域14和用于引导磁场的区域15模制到如此制造的转矩传递区域处。优选地，这种制造能够在一个工序中通过双组份注塑在注塑机上、优选在塑料注塑机上通过如下方式进行：在第一次注射时，将一种材料注入到用于力传递区域11的和/或转矩传递区域13的模制空腔中。如果将该材料硬化，那么利用连接到已经制造的转矩传递区域13处的第二模制空腔来注射用于磁连接区域14和用于引导磁场的区域15的第二材料。磁体在此能够作为插入件被结合，使得转子能够作为成品从注塑机中取出。
通过可由塑料注塑、优选以双组份注塑加工的磁连接材料可行的是：利用取决于材料的内联法实现电动机轴12的高效且有效的轻质结构联接。
附图标记列表
10 转子
10a 盘
11 力传递区域
12 电动机轴
12a、12b 端部
13 转矩传递区域
13a 接片形的元件
13b 尖部
14 磁连接区域
14a 加厚部
15 用于引导磁场的区域
16 磁体
18 输出装置
19 燕尾形引导部
20、21 浇口体
20a、21a 浇口
22 颗粒
25 树脂
26 纤维
I 16的长度
L 10的长度。

Claims (18)

1.一种用于电动机的转子(10)，具有
-力传递区域(11)，所述力传递区域适用于或确定用于与电动机轴(12)处于对力进行传递的有效连接，
-由纤维复合材料构成的、与所述力传递区域(11)相邻的转矩传递区域(13)，
-磁连接区域(14)，
-用于引导磁场的区域(15)，在该用于引导磁场的区域中设置有磁体(16)，
其中，所述磁连接区域(14)和所述用于引导磁场的区域(15)布置在所述转矩传递区域(13)的与所述力传递区域(11)相对置的一侧上，
其特征在于，无叠片的所述磁连接区域(14)具有热塑性塑料，所述热塑性塑料配有磁性的或能磁化的填料。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述填料是软磁填料，并且所述热塑性塑料作为聚合物材料用所述填料高度填充，其中优选地，填充度大于70体积百分比。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述填料是软磁填料，并且所述软磁填料的颗粒(22)通过所述热塑性塑料电绝缘。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述力传递区域(11)也由纤维复合材料形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在所述转矩传递区域(13)中的所述纤维复合材料的密度小于在所述磁连接区域(14)中的、配有磁性的或能磁化的所述填料的所述热塑性塑料的密度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述磁体(16)形状配合地保持在磁场引导部的区域(15)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子(10)构成为内转子和/或构成为至少一个盘(10a)。
8.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，盘(10a)的长度(L)大致对应于磁体(16)的长度(I)或磁体(16)的长度(I)的数倍。
9.根据权利要求7或8所述的转子，其特征在于，所述转子具有长度不同的多个盘(10a)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子(10)由多个自支承的盘(10a)形成，所述自支承的盘优选具有内直径不同的力传递区域(11)，其中所述内直径随着与输出装置(18)的间距的增加而变小。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在所述力传递区域(11)的内部空间和/或所述转矩传递区域(13)的内部空间中贴靠有平衡凝胶。
12.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，所述力传递区域(11)与所述电动机轴(12)是一体的。
13.一种电动机轴(12)，所述电动机轴用于与用于电动机的根据前述权利要求中任一项所述的转子(10)一起应用，其特征在于，所述电动机轴(12)由纤维复合材料形成。
14.根据权利要求13所述的电动机轴，其特征在于，所述电动机轴(12)在所述电动机轴的端部(12a)、12b)处具有金属的根部。
15.根据权利要求13或14所述的电动机轴，其特征在于，所述电动机轴(12)锥形地或阶梯地随与输出装置(18)的间距的增加而渐缩，和/或所述电动机轴具有单侧渐缩的锥形钻孔，所述锥形钻孔随着与所述输出装置(18)的间距的增加而扩大。
16.一种用于制造用于电动机的转子(10)的方法，具有
-力传递区域(11)，所述力传递区域适合于或确定用于与电动机轴(12)处于对力进行传递的有效连接，
-由纤维复合材料构成的、与所述力传递区域(11)相邻的转矩传递区域(13)，
-磁连接区域(14)，
-用于引导磁场的区域(15)，在该用于引导磁场的区域中设置有磁体(16)，
其中，所述磁连接区域(14)和所述用于引导磁场的区域(15)布置在所述转矩传递区域(13)的与所述力传递区域(11)相对置的一侧上，
其中，所述力传递区域(11)和/或所述转矩传递区域通过纤维强化塑料的注塑来制造，
其特征在于，无叠片的所述磁连接区域(14)通过热塑性塑料的注塑来制造，所述热塑性塑料配有磁性的或能磁化的填料。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述转子通过双组份注塑在一个工序中以注塑机、优选以塑料注塑机制造。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，为了制造与所述电动机轴(12)相联合的所述转子(10)，将由复合纤维材料连同树脂(26)构成的软管推入到所述力传递区域(11)的内部空间中，其中通过所述转子围绕该转子的纵轴线的离心旋转，使所述树脂(25)和/或平衡凝胶贴靠到所述内部空间的壁部并且在壁部处硬化。
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