CN107646078B - 具有一体式支承轴承的径向-轴向磁力轴承以及用于操作该磁力轴承的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁力轴承，该磁力轴承具有内圈和布置成与内圈同中心的外圈，其中，内圈和外圈借助于轴向磁体和径向磁体相对于彼此以可旋转的方式支撑，其特征在于，该磁力轴承具有支承轴承，该支承轴承在轴向方向和径向方向两个方向上集成到外圈和/或内圈中。

Description

具有一体式支承轴承的径向-轴向磁力轴承以及用于操作该 磁力轴承的方法

技术领域

本发明涉及磁力轴承以及用于操作磁力轴承的方法。

背景技术

磁力轴承在现有技术中已经公知很长时间并且磁力轴承允许两个轴承部分相对于彼此的非接触式布置。特别地，由于所述轴承部分之间的低摩擦可以忽略不计，因而可以提供一种转子，该转子可实现的转速高于通常情况下滑动轴承或滚子轴承可实现的转速。

通常地，将磁体例如永磁体和/或线圈集成在磁力轴承的转子和定子中来形成磁力轴承。通常可以简单地通过施加电压来操作线圈。由于使用供有电压的线圈，例如，在电力故障的情况下，存在转子将相对于定子脱离其非接触式布置并毁坏轴承的风险。出于安全原因，在这种情况下，磁力轴承因此通常具有捕获转子的支承装置。

通常地，该支承装置被布置成对特别地位于外圈与内圈之间的安装空间进行填充，这妨碍了集成在其他部件中。此外，磁力轴承的高能量需求在许多情况下对于使用滚子轴承或滑动轴承来替代磁力轴承而言起到决定性作用，然而磁力轴承通常在磨损、噪音产生和可实现的旋转速度方面优于滚子轴承或滑动轴承。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑构造的磁力轴承，该磁力轴承的效率相对于现有技术已知的磁力轴承得到了改进。

本发明通过一种磁力轴承实现了这一目的，该磁力轴承具有内圈和布置成与内圈同中心的外圈，其中，内圈和外圈借助于轴向磁体和径向磁体相对于彼此以可旋转的方式安装，其特征在于，磁力轴承具有支承轴承的支承轴承部分，该支承轴承在轴向方向和径向方向两个方向上集成到外圈和/或内圈中。

与现有技术相比，支承轴承由于被集成到外圈和/或内圈中而成为磁力轴承的一体部分。因而，支承轴承被集成到或嵌入到内圈和/或外圈中，特别地在例如由于在电力故障而导致内圈和外圈的借助于轴向磁体和径向磁体的安装不再能够得到保证的情况下，使得支承轴承能够在轴向方向或径向方向上捕获内圈或外圈。因而有利的是，可以省略分开的支承装置，否则该分开的支承装置必须布置在外圈与内圈之间并且应当在径向方向或轴向方向上提供安全性。一体式支承轴承可以在轴向方向和径向方向两个方向上(即在与旋转轴线平行和垂直的方向上)有效地捕获转子，该转子由内圈或外圈形成并且以绕旋转轴线可旋转的方式安装，而支承轴承不占据额外的安装空间。

优选地，内圈和外圈作为磁力轴承的轴承部分形成了定子和绕旋转轴线旋转的转子的系统。特别地，内圈是定子并且外圈是转子，或者反之内圈是转子并且外圈是定子。例如，对于轴向磁体和径向磁体而言，设置如下：所述内圈包括沿着内圈的周缘布置的多个轴向磁体和/或沿着内圈的周缘布置的多个径向磁体。特别地设置如下：该支承轴承布置在内圈和/或外圈的边缘区域中并且基本上与内圈或外圈的基部本体的表面齐平地终止。例如，支承轴承至少部分地布置在内圈的指向外圈的边缘上。进一步设置如下：轴向磁体和径向磁体包括电磁体。特别地，电磁体各自具有可以被供给电压以产生磁场的线圈。通过控制对线圈施加电压，由线圈形成的磁场可以受到控制。特别地设置如下：支承轴承集成在内圈和/或外圈中，使得该支承轴承形成提供给外圈和/或内圈的斜面。

在从属权利要求和参照附图的描述中给出本发明的有利实施方式和改进。

根据本发明的另一优选实施方式设置如下：外圈构造成多个部件且在组装状态下具有朝向内部敞开的凹部，内圈伸到该凹部中。以这种方式有利的是，可以形成其中外圈包围内圈的磁力轴承。因而，外圈的多个部分通过固定装置优选地可分离地连接在一起。特别地设置如下：外圈、内圈和一体式支承轴承被堆叠成旋转对称的圈以形成磁力轴承。

根据本发明的另一优选实施方式设置如下：支承轴承具有第一支承轴承部分和第二支承轴承部分，其中，第一支承轴承部分被集成到内圈中并且第二支承轴承部分被集成到外圈中。特别地，第一支承轴承部分和第二支承轴承部分构造成使得第一支承轴承部分和第二支承轴承部分在轴向方向和径向方向两个方向上均彼此相对。在此，第一支承轴承部分和第二支承轴承部分由于布置在内圈与外圈之间的间隙而彼此分离。进一步可以设想的是，第一支承轴承部分和第二支承轴承部分沿其周缘构造以便为磁力轴承提供斜面。优选地设置如下：第一支承轴承部分或第二支承轴承部分被一体地构造且沿着内圈或外圈的整个周缘延伸例如沿着内圈或外圈的整个边缘延伸。

根据本发明的另一实施方式设置如下：支承轴承包括用于使不同磁路去耦的磁通分离部。在此，不同的磁场优选地由不同的磁体特别地由电磁体发射。特别地，磁通分离部被布置在轴向磁体中的一个轴向磁体与径向磁体中的一个径向磁体之间。以这种方式，可以为轴承部分即内圈和外圈的径向布置和轴向布置设定磁场，该磁场基本上不受相邻磁场的影响。

根据本发明的另一实施方式设置如下：屏蔽装置由铝、奥氏体钢、青铜和/或陶瓷或其它非磁性材料制成。特别地设置如下：支承轴承由非磁性材料制成且形成磁通分离部。通过使用铝、奥氏体钢、青铜和/或陶瓷，磁场可以特别有效地相互去耦。

根据本发明的另一实施方式设置如下：轴向磁体和径向磁体包括用于对磁场进行定向的极靴。通过使用极靴，由缠绕在极芯上的线圈中的一个线圈形成的磁场可以以目标方式被定向，由此可以有利地减小磁力轴承的功率损耗。特别地设置如下：极靴形成为圆圈的一部分。换句话说，极靴优选地构造成弯曲的，使得所述极靴的曲率与内圈或外圈的半径匹配。优选地，极靴沿着内圈或外圈布置成彼此相邻并形成圆圈。

根据本发明的另一实施方式设置如下：多个轴向磁体或径向磁体通过单件式或两件式极靴连接在一起。为此优选地设置如下：单件式或两件式极靴具有各自形成用于轴向磁体或径向磁体中的一者的极芯的多个突起，其中，所述突起被线圈包围或由线圈包裹。以这种方式，安装极靴需要较少的孔，这对于单个磁场具有有利的效果。特别地，两件式极靴被设置用于连接多个径向磁体并且单件式极靴被设置用于连接多个轴向磁体。进一步设置如下：两件式极靴由两个基本上适合的极靴半部构成，所述极靴半部在组装状态下形成极靴，其中，多个轴向磁体或径向磁体经由该极靴连接在一起。

根据本发明的另一实施方式设置如下：单件式极靴具有大致环状或部分圆形的基部本体，其中，从环状或部分圆形的基部本体突出有至少一个突起，其中，该突起被线圈包围以形成轴向磁体或径向磁体。在此，该突起优选地为轴向磁体或径向磁体的一体部分。特别地，单件极靴具有用于每个轴向磁体或径向磁体的一个突起。特别地，可以设想的是，所有的轴向磁体经由单个共用极靴连接在一起。这种共用极靴的构型允许减少必须组装以形成磁力轴承的部件的总数。这对于生产中造成的成本具有有利的影响并且降低了在磁力轴承的组装之后各个轴向和/或径向磁体以不规则间隔布置的可能性。除了与生产公差相关的这种改进之外，随着极靴数量的减少各个极靴之间的气隙数量也得以减少，这最终对所产生的磁场具有有利的效果。特别地设置如下：单件式或两件式极靴由环状基部本体构成，其中，各个突起从基部本体铣削而成。

根据本发明的另一实施方式设置如下：两件式极靴在组装状态下包围具有至少一个突起的大致环状或部分圆形的基部本体。优选地，两件式极靴包括两个极靴半部，所述极靴半部优选地在平行于旋转轴线延伸的方向上布置在彼此之上以形成极靴。例如，所述极靴半部从上面和下面拧紧到定子上。特别地，如在单件式极靴中那样被设置如下：突起被线圈包围特别地被线圈缠绕以形成轴向磁体或径向磁体。在此，优选地设置如下：所有的径向磁体通过由两个极靴半部构成的共用极靴连接在一起。进一步设置如下：所述突起在径向磁体中优选沿朝向磁力轴承的中心的方向径向地延伸，并且/或用于轴向磁体的突起沿大致平行于旋转轴线的方向延伸。

根据本发明的另一实施方式设置如下：磁力轴承具有轴向磁体和径向磁体，所述轴向磁体和径向磁体布置在内圈或外圈的相应的相对区域中。以这种方式，多个轴承部分可以在径向方向和轴向方向两个方向上安装。

根据本发明的另一实施方式设置如下：在外圈和/或内圈上布置有空气通道或空气通道系统。特别地，空气通道沿着其中布置有轴向磁体和径向磁体的区域延伸。空气通道构造成朝向内圈或外圈之间的间隙敞开。优选地，空气通道形成为例如沿着内圈或外圈的周缘延伸的凹槽。替代性地，可以设想的是，磁力轴承具有磁性钢板来替代空气通道。该实施方式减少了快速旋转的转子中涡流的旋转制动力。

根据本发明的另一实施方式设置如下：支承轴承具有润滑孔。使用润滑孔可以将润滑剂引入到支承轴承中而不需要例如必须移除外圈。

根据本发明的另一实施方式设置如下：轴向磁体和/或径向磁体可以被单独地或成组地致动。以这种方式，轴向磁体和径向磁体的磁场可以有利地被尽可能简单地引导和控制。特别地，在操作中，例如在意外偏离标称磁场的情况下，磁场可以被有利地改变特别地被校正并且例如被选择使得该磁场补偿失效磁场。进一步设置如下：磁体可以被单独地或成组地致动以对磁力轴承的转子进行驱动并且将转子相对于定子安装。

根据本发明的另一实施方式设置如下：磁力轴承具有例如呈能量存储器比如电池的形式的应急电源并且/或者轴向磁体连接至被动的紧急制动电路。在发生故障的情况下，使用紧急制动电路和/或应急电源，可以采取防止转子从磁力轴承中飞出的有效的应对措施。

根据本发明的另一实施方式设置如下：磁力轴承具有用于对内圈与外圈之间的距离进行监测的传感器装置。特别地，磁场或磁场强度由传感器装置来测量。例如，可以设想的是，在平行于旋转轴线延伸的方向上以及在垂直于旋转轴线延伸的方向上监测内圈与外圈之间的距离。优选地，线圈特别地是径向磁体或轴向磁体中的一者的线圈用于监测并且借助于该线圈检测场的变化，场的变化进而被用于确定距离的变化。然而还可以设想的是，使用霍尔效应传感器来确定磁场或者来监测距离。通过测量磁场以便确定内圈与外圈之间距离，可以省略附加的复杂测量装置。然而，由磁力轴承的轴向磁体和径向磁体提供的在任何情况下的磁场被用于测量。

根据本发明的另一个实施方式设置如下：磁力轴承包括优选地位于空气通道中的冗余传感器装置。以这种方式，在传感器装置中的一个传感器装置发生故障时可以维持磁力轴承的操作。

本发明的另一目的是一种用于操作根据本发明的磁力轴承的方法，其中，轴向磁体和/或径向磁体被致动以使得在内圈与外圈之间形成最小间隙，其中，间隙宽度小于2mm、优选地间隙宽度在1.2mm与1.8mm之间、并且特别优选地间隙宽度为1.5mm。

与现有技术相比，轴向磁体和/或径向磁体可以同时被用于安装和驱动。特别地，由于内圈与外圈之间的距离特别小，因此保证磁力轴承能够最佳地利用所产生的磁场的作用范围。在此，必须特别考虑到，磁场强度随着相距磁场源的距离增大而减小。因而有利的是，用于磁力轴承的驱动器可以集成在内圈和外圈中。在此，轴向和/或径向磁体优选地为能够通过施加电压来致动的线圈。特别地设置如下：通过施加预紧力来致动或调节各个线圈从而防止功率曲线中的凹陷。例如，还可以设想的是，外圈和/或内圈通过异步线性驱动器来操作。进一步可以设想的是，除了异步线性驱动器之外，通过轴向和/或径向磁体的操作至少部分地提供对于外圈和内圈的非接触式布置所需的支撑力。特别地，优选地为一组轴向和/或径向磁体的轴向和/或径向磁体可以至少部分地用行波场加载。

根据本发明的另一实施方式设置如下：轴向磁体和/或径向磁体被致动以使得内圈与外圈之间的最小间隙的宽度维持标称值。在此，对于本领域中的技术人员来说清楚的是，这意味着标称值在公差范围内保持恒定。借助于为此设置的调节电路能够通过对磁场轴承的操作进行调节来干预例如潜在不平衡。

根据本发明的另一实施方式设置如下：在轴向磁体中的一个轴向磁体、径向磁体中的一个径向磁体或传感器装置中的一个传感器装置发生故障时，磁力轴承的操作被维持。在此可以设想的是，在一些情况下以减小的功率维持操作。

从以下参照附图的优选实施方式的说明和附图中获得本发明的其它细节、特征和优点。附图仅仅示出了不限制本发明构思的本发明的示例性实施方式。

附图说明

图1以立体图示出了用于根据本发明的示例性实施方式的磁力轴承的外圈和内圈。

图2以剖视图示出了用于根据本发明的示例性实施方式的磁力轴承的外圈和内圈。

图3以剖视图(左)和立体图(右)示出了根据本发明的示例性实施方式的由外圈和内圈构成的磁力轴承。

图4示出了用于根据本发明的第一示例性实施方式的磁力轴承的外圈或内圈的极靴。

图5示出了在根据本发明的示例性实施方式的磁力轴承上的传感器装置的布置。

具体实施方式

在各个附图中，相同的部分总是带有相同的附图标记，并且因此相同的部分通常只提及或描述一次。

图1在左侧示出了根据本发明示例性实施方式的磁力轴承10的内圈1并且在右侧示出了外圈2。在此设置如下：内圈1形成定子并且外圈2形成转子。还可以设想的是，内圈1形成转子并且外圈2形成定子。为了对内圈1和外圈2进行非接触式安装，轴向磁体11和径向磁体12被设置成内圈1或外圈2的一部分。特别地设置如下：两个轴向磁体11布置在内圈1或外圈2相应的相对区域中并且两个径向磁体12布置在内圈1或外圈2相应的相对区域中。磁场由每个单独的轴向磁体和径向磁体来发射，由此最终地实施了外圈2相对于内圈1的非接触式布置和安装。在所示的实施方式中，轴向磁体11和径向磁体12布置在内圈1上。

图2以剖视图在左侧示出了根据本发明的示例性实施方式的磁力轴承10的内圈1并且在右侧示出了外圈2。特别地，图2左侧所示的内圈包括支承轴承3，该支承轴承3在电力故障的情况下捕获转子从而防止转子(否则将离开磁力轴承10)造成对其环境的损坏。例如，支承轴承3包括第一支承轴承部分3’和第二支承轴承部分3”，其中，第一支承轴承部分3’集成在内圈中并且第二支承轴承部分3”集成在外圈中。第一支承轴承部分3’和第二支承轴承部分3”构造成使得第一支承轴承部分3’和第二支承轴承部分3”在磁力轴承中形成斜面。优选地，第一支承轴承部分3’和第二支承轴承部分3”布置成沿着彼此相对的侧面是弯曲的或者边缘是圆的。此外设置如下：第一支承轴承部分3’和/或第二支承轴承部分3”在轴向磁体中的一个轴向磁体11与径向磁体中的一个径向磁体12之间沿着内圈1和/或外圈2的周缘布置。优选地，第一支承轴承部分3’布置在内圈1的边缘区域中，并且第二支承轴承部分3”布置在外圈2的拐角区域中。优选地设置如下：通过选择制造支承轴承3的材料使得支承轴承3形成屏蔽装置，借助于该屏蔽装置，由不同磁体即轴向磁体11和/或径向磁体12发射的各种磁场可以彼此屏蔽。以这种方式有利的是，磁场可以各自被更精确地设定，原因在于例如可能的难以估计的叠加可以保持基本上被忽略。特别地，在此设置如下：支承轴承3由铝、奥氏体钢、青铜和/或陶瓷制成。优选地，支承轴承3包括润滑孔，经由该润滑孔能够以相对低的成本向支承轴承3供给润滑剂。对于图2的右侧所示的外圈2而言，设置成该外圈2包括空气通道5或通道系统。

图3以剖视图和立体图示出了根据本发明的第一示例性实施方式的由内圈1和外圈2组装而成的磁力轴承10。在此设置如下：外圈2构造成多个部件且在组装状态下具有朝向内部敞开的凹部，内圈1伸到该凹部中。以这种方式，外圈2在内圈1的外侧包围内圈1。此外设置如下：外圈2与内圈1之间的距离大致小于3mm、优选地小于2mm、并且特别优选地达到1.5mm。特别地，内圈1与外圈2之间的距离沿着内圈1与外圈2之间的间隙Z基本上保持恒定。进一步可以设想的是，磁力轴承10具有应急电源，该应急电源在常规电源发生故障时替换常规电源。

图4示出了适于形成根据磁力轴承的第一示例性实施方式的磁力轴承10的轴向磁体11和径向磁体12，其中，在图4的左侧示出了轴向磁体11，并且在图4的右侧示出了径向磁体12。示出的轴向磁体11和径向磁体12两者都包括极靴6，极靴6至少部分地特别是沿着极靴的周缘被线圈4包围。极靴6的使用有助于相应磁场的定向，从而最终内圈1和外圈2的磁力轴承得到进一步改进。此外设置如下：极靴6是弯曲的或弓形的，特别地呈部分圆圈或扇形的形式。优选地设置如下：曲率与内圈1或外圈2的半径相匹配，并且外圈2或内圈1通过多个扇形极靴6以及相应的线圈接连设置而形成。

图5示出了用于根据本发明的示例性实施方式的磁力轴承10的传感器装置的布置。在此设置如下：磁力轴承10具有轴向磁体传感器21和径向磁体传感器22，轴向磁体传感器21和径向磁体传感器22优选地沿周缘被集成在空气通道5中。特别地，轴向磁体传感器21以规则的间隔布置在磁力轴承10周围。例如，从轴承中心点观察，两个轴向磁体传感器21之间的角度的值约为22.5°。然而还可以设想的是，传感器装置特别地为冗余传感器装置以不规则的间隔沿周缘布置。特别地设置如下：所述传感器装置布置在磁力轴承10的可能的固有频率所预期的最大振幅的位置处。进一步可以设想的是，特别地，轴向磁体传感器21和/或径向磁体传感器22粘接到轴向磁体11或径向磁体12上或者螺栓连接至内圈1或外圈2。另外可以设想的是，配装冗余传感器装置以即使在传感器装置发生故障的情况下也能够在足够的程度上维持磁力轴承10的操作。优选地，特别地在磁力轴承10以相对不利的固有频率操作的情况下，通过传感器装置的有针对性的冗余布置，内圈1或外圈2的位置被双重固定。在图5所示的磁力轴承的右侧示出了用于轴向磁体传感器21和径向磁体传感器22的冗余布置的一个示例。

参考标记列表

1 内圈

2 外圈

3 支承轴承

3’ 第一支承轴承部分

3” 第二支承轴承部分

4 线圈

5 空气通道

6 极靴

10 磁力轴承

11 轴向磁体

12 径向磁体

21 轴向线圈传感器

22 径向线圈传感器

D 旋转轴线

Z 间隙

Claims (19)

1.一种磁力轴承(10)，所述磁力轴承(10)具有内圈(1)和布置成与所述内圈(1)同中心的外圈(2)，其中，所述内圈(1)和所述外圈(2)借助于轴向磁体(11)和径向磁体(12)相对于彼此以可旋转的方式安装，其特征在于，所述磁力轴承(10)具有支承轴承(3)的支承轴承部分(3’、3”)；

所述支承轴承(3)具有第一支承轴承部分(3’)和第二支承轴承部分(3”)，其中，所述第一支承轴承部分(3’)集成到所述内圈(1)中并且所述第二支承轴承部分(3”)集成到所述外圈(2)中；

所述第一支承轴承部分(3’)和所述第二支承轴承部分(3”)构造成使得所述第一支承轴承部分(3’)和所述第二支承轴承部分(3”)在轴向方向和径向方向两个方向上均彼此相对。

2.根据权利要求1所述的磁力轴承(10)，其中，所述第一支承轴承部分(3’)和所述第二支承轴承部分(3”)由于布置在所述内圈(1)与所述外圈(2)之间的间隙而彼此分离。

3.根据权利要求1或2所述的磁力轴承(10)，其中，所述外圈(2)构造成多个部件且在组装状态下具有朝向内部敞开的凹部，所述内圈(1)伸到所述凹部中。

4.根据前述权利要求1或2所述的磁力轴承(10)，其中，所述支承轴承(3)包括用于使不同磁路相互去耦的磁通分离部。

5.根据前述权利要求1或2所述的磁力轴承(10)，其中，所述支承轴承(3)形成屏蔽装置，所述屏蔽装置由铝、奥氏体钢、青铜和/或陶瓷制成。

6.根据前述权利要求1或2所述的磁力轴承(10)，其中，所述轴向磁体(11)和所述径向磁体(12)包括用于对磁场进行定向的极靴(6)。

7.根据权利要求6所述的磁力轴承(10)，其中，多个轴向磁体(11)或径向磁体(12)经由单件式或两件式极靴(6)连接在一起。

8.根据权利要求7所述的磁力轴承(10)，其中，所述单件式极靴具有大致环状或部分圆形的基部本体，其中，从所述大致环状或部分圆形的基部本体突出有至少一个突起，其中，所述突起被线圈(4)包围以形成轴向磁体(11)或径向磁体(12)。

9.根据权利要求7所述的磁力轴承(10)，其中，所述两件式极靴在组装状态下包围具有至少一个突起的大致环状或部分圆形的基部本体。

10.根据前述权利要求1-2、7-9中的任一项所述的磁力轴承(10)，其中，在所述外圈(2)和/或所述内圈(1)上布置有空气通道(5)或空气通道系统。

11.根据前述权利要求1-2、7-9中的任一项所述的磁力轴承(10)，其中，所述轴向磁体(11)和/或所述径向磁体(12)能够被单独地或成组地致动。

12.根据前述权利要求1-2、7-9中的任一项所述的磁力轴承(10)，其中，所述磁力轴承(10)具有应急电源并且/或者所述轴向磁体(11)连接至被动紧急制动电路。

13.根据前述权利要求1-2、7-9中的任一项所述的磁力轴承(10)，其中，所述磁力轴承(10)包括冗余传感器装置。

14.一种用于操作根据前述权利要求中的任一项所述的磁力轴承(10)的方法，其特征在于，转子由所述内圈(1)或所述外圈(2)形成并且以绕旋转轴线可旋转的方式安装，在所述内圈(1)和所述外圈(2)的借助于所述轴向磁体(11)和所述径向磁体(12)的安装不再能够得到保证的情况下，所述支承轴承(3)通过设置在所述内圈(1)的边缘区域的所述第一支承轴承部分(3’)和设置在所述外圈(2)的拐角区域的所述第二支承轴承部分(3”)能够在轴向方向和径向方向两个方向上捕获所述转子；所述轴向磁体和/或所述径向磁体被致动以使得在所述内圈与所述外圈之间形成最小间隙。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述间隙宽度小于2mm。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述间隙宽度在1.2mm与1.8mm之间。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述间隙宽度为1.5mm。

18.根据权利要求14-17任一项所述的方法，其中，所述轴向磁体和/或所述径向磁体被致动以使得所述内圈与所述外圈之间的最小间隙的宽度维持标称值。

19.根据权利要求14-17任一项所述的方法，其中，在所述轴向磁体中的一个轴向磁体、所述径向磁体中的一个径向磁体或传感器装置中的一个传感器装置发生故障时，所述磁力轴承的操作被维持。

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