CN110112852B - 一种双馈型永磁电机 - Google Patents

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    • H02K3/12Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots

Abstract

本发明公开了一种双馈型永磁电机,包括均为凸极结构的初级和次级,所述初级包括初级铁芯、双极性永磁体和初级绕组,初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭,初级绕组设置在初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中;所述次级包括次级铁芯,次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭,所述次级还包括次级绕组,所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中。利用本发明,在不改变原有永磁电机体积的基础上,充分利用电机的转子槽空间,安装次级绕组,使得电机具有初级和次级两套绕组,从而提高了电机的功率密度和调控灵活性。且两套绕组分担电流,使得永磁体上温度降低,减小了永磁体不可逆去磁的风险,提高电机可靠性。

Description

一种双馈型永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域,尤其是涉及一种双馈型永磁电机。
背景技术
随着全球工业的蓬勃发展,能源消耗日益增加,各国都在以提高能源的利用效率为目的,积极寻求环保节能技术的突破,不断开发相关的产品。在电机制造领域,具有强励磁源的稀土永磁电机凭借结构简单、运行可靠,损耗较小,功率密度较高,电机尺寸及形状设计灵活等优点,正在取代传统的电励磁电机,有效地降低能源消耗。定子永磁型电机,转子为凸极结构,电机结构简单,鲁棒性好,在航空航天、风力发电、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。
其中,双凸极电机、磁通切换电机和磁通反向电机是三类具有代表性的双凸极定子永磁型电机。
传统的双凸极永磁电机由美国学者T.A.Lipo在1995年提出。它结合了永磁和开关磁阻电机的双重优点。电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,定子轭部里放有永磁体。传统的磁通切换型永磁电机由法国学者伊曼纽尔·黄(Emmanuel Hoang)在1997年提出(Switching flux permanent magnet polyphased synchronous machines,EPE 97,Trondheim,Norway,1997)。这种磁通切换型永磁电机,永磁体夹在相邻两块定子铁芯的定子铁芯齿之间。传统的磁通反向型永磁电机由印度学者Rajesh P.Deodhar在1997年提出(The Flux-Reversal Machine:A New Brushless Doubly-Salient Permanent-Magnet,Bombay,India,1997)。这种磁通反向型永磁电机,永磁体贴在定子内表面。以上所述定子永磁型电机都只有一套定子绕组,转子为无绕组的凸极结构,结构简单,机械鲁棒性能强。
上述双凸极定子永磁型电机的初级绕组和永磁体均位于初级,且通过初级铁芯实现热连通,因此电机运行时,初级绕组上产生的热量将引起永磁体温度显著升高,大大增加了永磁体不可逆退磁的风险。此外,上述双凸极定子永磁型电机的转矩密度还具有进一步提升空间。
发明内容
基于现有技术存在的上述问题,本发明提出了一种双馈型永磁电机,提升了双凸极定子永磁型电机的转矩密度,降低由温升引起的永磁体不可逆退磁风险。
本发明的技术方案如下:
一种双馈型永磁电机,包括均为凸极结构的初级和次级,所述初级包括初级铁芯、双极性永磁体和初级绕组,初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭,初级绕组设置在初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中;所述次级包括次级铁芯,次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭,
所述次级还包括次级绕组,所述次级绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中。
本发明通过在次级上设置次级绕组,实现电机转矩密度的突破性提升,并且充分利用了次级铁芯槽内空间,使得电机结构更加紧凑。同时,通过在次级上设置次级绕组,在铜耗相同的情况下,次级绕组分担了部分铜耗,从而降低初级上的铜耗,使得位于初级上的永磁体发生不可逆退磁的风险显著降低,同时大大降低了电机散热设计的难度和冷却硬件设备的要求。
下面给出能够通过应用本发明技术产生有益效果的四种具有不同的初级、次级结构形式的双馈型永磁电机,但是本发明不限于上述四种永磁电机。
第一种双馈型永磁电机的结构如下:所述初级铁芯可以由若干块初级铁芯块沿周向组合而成,所述双极性永磁体设置在相邻两块初级铁芯块的初级铁芯齿之间,所述的双极性永磁体为沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化;初级和次级上均设有绕组,初级绕组设置在初级铁芯槽中,次级绕组设置在次级铁芯槽中;
此时,所述初级铁芯块为U形结构或者E形结构。初级铁芯为“U”形结构,相邻两块初级铁芯块之间由导磁桥连接或直接断开。为了提高电机的容错性,并减小永磁体用量,初级铁芯也可为“E”形结构,相邻两块初级铁芯块之间由导磁桥连接或直接断开,提高了定子各相之间的磁隔离能力。该结构的磁极数等于永磁体数,等于初级铁芯槽数。
为了进一步提高电机的功率密度并减小永磁体用量,在至少一个初级铁芯齿上朝向初级铁芯槽的侧面至少设置1个小齿。
第二种双馈型永磁电机的结构如下:所述初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成,所述双极性永磁体设置在相邻两块初级铁芯块的初级铁芯轭之间,所述的双极性永磁体为沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化,初级和次级上均设有绕组,初级绕组设置在初级铁芯槽中,次级绕组设置在次级铁芯槽中;
周向相邻两块永磁体之间的初级铁芯齿数等于初级绕组相数,相邻两块永磁体之间的初级铁芯齿数至少为1个。
作为优选,相邻两块所述永磁体之间有三个初级铁芯齿,所述初级铁芯齿数Np=6k,所述磁极数即永磁体数量np=2k,所述次级铁芯齿数Ns=Np±2k,其中,k为正整数。该初级和次级极数组合使得属于同一相绕组的各线圈间电角度差为零,合成电动势最大。
作为优选,相邻两块所述永磁体之间仅有一个初级铁芯齿,磁路对称,不存在初级绕组相间不平衡问题。所述初级铁芯齿数Np=2mp×k,其中,k为正整数,mp为初级电枢绕组相数,所述磁极数与初级铁芯齿数量相同。
作为优选,相邻两块所述永磁体之间有两个初级铁芯齿,永磁体和初级铁芯齿之间的相对位置一致,磁路对称。所述初级铁芯齿数Np=4mp×k,其中,k为正整数,所述磁极数为初级铁芯齿数的一半。
第三种双馈型永磁电机的结构如下:所述双极性永磁体设置在靠近次级一侧的初级铁芯齿端部,所述双极性永磁体为沿电机径向充磁,每个初级铁芯齿端部上设有偶数块永磁体,且所述偶数块永磁体中相邻两块永磁体的充磁方向相反,初级铁芯槽槽口两侧的永磁体极性相同。初级和次级上均设有绕组,初级绕组设置在初级铁芯槽中,次级绕组设置在次级铁芯槽中。该结构的磁极数等于初级铁芯槽数的一半。
为了提高永磁体利用率,初级铁芯槽槽口两侧的永磁体极性也可相反,增大永磁体磁动势的极对数,从而提高转矩密度。该结构的磁极数等于初级铁芯槽数。
为了增大气隙磁密工作谐波,可通过增加永磁体极对数,使永磁体均匀分布在靠近次级一侧的初级表面,从而提高转矩密度,同时削弱谐波,
减小转矩脉动。初级铁芯槽数为Np,初级绕组极对数为P,满足
P=min(iNp/2-Ns)
其中,i为正奇数,min为最小值,把满足初级绕组极对数P的i定义为iminP,磁极数为np,满足np=iminP×Np
第四种双馈型永磁电机的结构如下:所述双极性永磁体设置在靠近次级一侧的初级铁芯槽的槽口,所述的双极性永磁体为Halbach阵列。每个初级铁芯槽口有3块永磁体,中间一块为沿电机径向充磁,边上两块为沿电机切向充磁且方向相反,初级和次级上均设有绕组,初级绕组设置在初级铁芯槽中,次级绕组设置在次级铁芯槽中,该结构的磁极数等于初级铁芯槽数。相同铜耗和相同永磁体用量的条件下,该结构电机可以产生更大的转矩。
本发明中,初级绕组和次级绕组可以为集中式电枢绕组或分布式电枢绕组,绕组层数可以为单层或双层。
上述初级铁芯和双极性永磁体的组合形式中,如果电机为直线结构,初级绕组线圈数为Np,磁极数为np,初级绕组相数mp,次级绕组相数ms,和初级相同长度范围内的次级铁芯齿数ns,次级绕组线圈数为Ns,满足:
其中,k1和k2为正整数,HCF为最大公约数函数。
如果电机为旋转结构,初级可以设在次级外部或内部,电机旋转部分为初级或次级。初级绕组线圈数为Np,磁极数为np,初级绕组相数mp,次级绕组相数ms,次级铁芯齿数ns,次级绕组线圈数为Ns,满足:
其中,k3和k4为正整数,HCF为最大公约数函数。
本发明中,所述初级和次级,一个为静止部分,另一个为运动部分。当所述双馈型永磁电机工作在电动模式时,所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电,或通过固定于运动部分的独立电源供电,或采用无线充电;当所述双馈型永磁电机工作在发电模式时,所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置将电流输出。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明通过在次级上设置次级绕组,实现电机转矩密度的突破性提升,并且充分利用了次级铁芯槽内空间,使得电机结构更加紧凑。同时,通过在次级上设置次级绕组,在铜耗相同的情况下,次级绕组分担了部分铜耗,从而降低初级上的铜耗,使得位于初级上的永磁体发生不可逆退磁的风险显著降低,同时大大降低了电机散热设计的难度和冷却硬件设备的要求。
2、本发明相比现有技术,具有两套独立可控的绕组,能够实现多种工作模式,包括电动-电动、电动-发电、发电-电动、发电-发电。
3、根据本发明的两套独立可控绕组,当其中一套绕组发生故障停运后,通过合理的控制手段,能够实现另一套绕组依然正常工作,从而保证电机正常运行或降容运行,极大的提升了电机及与其相关系统的容错性。
附图说明
图1为本发明实施例1中初级12槽/次级10槽的双馈型永磁电机结构示意图;
图2为实施例1中双馈型永磁电机初级和次级绕组匝链的每相磁链随次级位置的变化波形;
图3为实施例1中的双馈型永磁电机与传统永磁电机的电磁转矩对比图;
图4为实施例1中具有容错齿的双馈型永磁电机结构示意图;
图5为实施例1中初级铁芯齿具有多齿的双馈型永磁电机结构示意图;
图6为本发明实施例2中初级12槽/次级14槽的双馈型永磁电机结构示意图;
图7为实施例2中双馈型永磁电机初级和次级绕组匝链的每相磁链随次级位置的变化波形;
图8为实施例2中的双馈型永磁电机与传统永磁电机的电磁转矩对比图;
图9为实施例2中永磁体均布型的双馈型永磁电机结构示意图;
图10为实施例2中,Halbach型的双馈型永磁电机结构示意图;
图11为本发明实施例3中相邻永磁体之间有三个初级铁芯齿的电机结构示意图;
图12为实施例3中本发明电机与现有电机的电磁转矩波形对比图;
图13为实施例3中相邻永磁体之间有一个初级铁芯齿的电机结构示意图;
图14为实施例3中相邻永磁体之间有两个初级铁芯齿的电机结构示意图;
图15为本发明实施例4中采用直线结构且次级绕组只位于部分次级铁芯槽的电机结构示意图;
图16为本发明实施例4中采用直线结构和端部辅助齿的电机结构示意图;
图17为本发明实施例4中采用双边式直线结构的电机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述,需要指出的是,以下所述实施例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
实施例1
本实施例主要介绍双极性永磁体设置在相邻两块初级铁芯块的初级铁芯齿之间的情形。
如图1所示,为一台初级十二槽/次级十槽的双馈型永磁电机,包括初级、次级和轴3:初级位于次级外部;次级固定于轴3上;初级包括初级铁芯1、永磁体4和初级绕组5;其中,初级铁芯1由十二块初级铁芯块组合而成,永磁体4夹在相邻两块初级铁芯块之间;每个初级铁芯块包括初级铁芯轭11和初级铁芯齿12;次级包括次级铁芯2和次级绕组6;次级铁芯2为凸极结构,包括次级铁芯轭21和次级铁芯齿22。
图1中,初级铁芯1和次级铁芯2材料采用硅钢片,以减小铁耗,初级铁芯块为“U”型结构。
永磁体4沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化,形成聚磁式结构,提高了电机的气隙磁密,节约了永磁材料用量。
本方案中,初级绕组5和次级绕组6均采用双层集中式电枢绕组,初级线圈两边放在相邻两个初级铁芯槽中,次级线圈两边放在相邻两个次级铁芯槽中,相隔四分之一圆周的4个初级线圈串联组成一相初级绕组,相隔半个圆周的2个次级线圈串联组成一相次级绕组。本方案中,次级为旋转部分,次级绕组6通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电。
图1中的双馈型永磁电机的运行原理如下:
当电机次级处于不同位置时,初级齿和次级齿之间的磁导不同,缠绕在齿上的线圈匝链的磁链也不同。对于初级绕组,当次级齿中心线或次级槽中心线与永磁体中心线相对时,缠绕在该永磁体上的初级线圈匝链的永磁磁链为零;当次级齿中心线几乎与初级齿中心线对齐时,缠绕在该永磁体上的初级线圈匝链的永磁磁链为正最大值或负最大值。对于次级绕组,当次级齿中心线与永磁体中心线相对时,缠绕在该次级齿上的次级线圈匝链的永磁磁链为零;当次级齿中心线与初级槽中心线相对时,缠绕在该次级齿上的次级线圈匝链的永磁磁链为正最大值或负最大值。
如图2所示,当次级连续转动时,初级和次级线圈匝链的磁链按照近似正弦的规律变化,因此会感应出近似正弦、双极性的反电动势。在初级和次级绕组中通入电流时,就可以实现机电能量转换。
如图3所示,在相同的铜耗下,本发明所提出的双馈型永磁电机的平均电磁转矩比传统永磁电机的平均转矩提升约50%。
如图4所示,初级铁芯块还可以为“E”型结构,此时相当于在图1的基础上,每个初级铁芯块均增加了一个容错齿13。
如图5所示,初级铁芯块的初级铁芯齿12为多齿结构,每个初级铁芯齿的顶部侧面至少设有1个小齿14。
实施例2
作为对本发明实施例2的说明,以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。
如图6所示,为双极性永磁体设置在靠近次级一侧的初级铁芯齿端部的情形,为一台初级十二槽/次级十四槽的双馈型永磁电机,不同于实施例1中初级铁芯1为分块组合结构,本实施例中,初级铁芯1为一体结构,永磁体4贴在初级铁芯齿12的内表面;次级包括次级铁芯2和次级绕组6;初级铁芯1和次级铁芯2均为凸极结构。
永磁体4贴在初级铁芯齿12的内表面,安装方便,且槽面积更大,提高电机电负荷。
永磁体4均为沿电机径向充磁,每一个初级铁芯齿12下贴有偶数块极性交替变化的永磁体4,且初级槽口两侧的永磁体极性相同,永磁材料用量较为节省。
本方案中,初级绕组5和次级绕组6均采用集中式电枢绕组,初级线圈两边放在相邻两个初级槽中,次级线圈两边放在相邻两个次级槽中,相邻的两个初级线圈以及与其相隔半个圆周的2个初级线圈串联组成一相初级绕组,相隔半个圆周的2个次级线圈串联组成一相次级绕组。次级绕组6通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电。
图6中的双馈型永磁电机运行原理如下:
当电机次级处于不同位置时,初级齿和次级齿之间的磁导不同,缠绕在齿上的线圈匝链的磁链也不同。对于初级绕组,当次级齿中心线或次级槽中心线几乎与初级齿中心线相对时,缠绕在该初级齿的初级线圈匝链的永磁磁链为零;当次级齿中心线或次级槽中心线与初级槽中心线对齐时,缠绕在该初级槽两侧初级齿上的初级线圈匝链的永磁磁链为正最大值或负最大值。对于次级绕组,当次级齿中心线与初级齿中心线相对时,缠绕在该次级齿上的次级线圈匝链的永磁磁链为零;当次级齿中心线与初级槽中心线相对时,缠绕在该次级齿上的次级线圈匝链的永磁磁链为正最大值或负最大值。
如图7所示,当次级连续转动时,定次级线圈匝链的磁链按照近似正弦的规律变化,因此会感应出近似正弦、双极性的反电动势。在定次级绕组中通入电流时,就可以实现机电能量转换。
如图8所示,在相同的铜耗下,本发明所提出的双馈型永磁电机的平均电磁转矩比传统永磁电机的平均转矩提升约52%。
如图9所示,为永磁体均布的情形,永磁体4均为沿电机径向充磁,且永磁体4均匀分布在初级铁芯近次级一端的表面,相邻两块永磁体4极性相反。通过增大永磁体极对数,来增大工作谐波分量,从而提高了转矩密度且减小了齿槽转矩。
如图10所示,为双极性永磁体设置在靠近次级一侧的初级铁芯槽的槽口,即Halbach型结构。每个初级铁芯槽口有3块永磁体,中间一块为沿电机径向充磁,边上两块为沿电机切向充磁且方向相反。相同铜耗和相同永磁体用量的条件下,该结构电机可以产生更大的转矩。
实施例3
作为对本发明实施例2的说明,以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。本实施例主要介绍双极性永磁体设置在相邻两块初级铁芯块的初级铁芯轭之间的情形。
如图11所示,相邻永磁体4之间有三个初级铁芯齿11,初级铁芯1由四块“E”型结构的初级铁芯块构成,永磁体4夹在相邻两块“E”型初级铁芯块之间,沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化。
初级铁芯齿数为12,次级铁芯齿数为8,电机的初级相数为3。次级铁芯齿数为8,永磁体数为4,故次级绕组相数可选为一相、两相和四相,为了得到幅值大且正弦性好的相反电动势,该电机次级绕组相数选为两相。
次级电枢绕组的极距为2槽,为了使线圈节距系数最大,该次级电枢绕组采用分布绕组形式,线圈节距选为2槽
选择上述电机与同尺寸的现有电机进行对比测试,在最优尺寸参数与相同铜耗情况下得到稳态电磁转矩波形对比图,如图12所示,与现有电机相比,本发明电机的平均电磁转矩提高约40%。
如图13所示,为相邻永磁体4之间有一个初级铁芯齿11的电机,此时,永磁体数量与初级铁芯齿数量相同,磁路对称,不存在初级绕组相间不平衡问题。
如图14所示,为相邻永磁体4之间有两个初级铁芯齿11的电机,此时,永磁体数量为初级铁芯齿数的一半,永磁体和初级铁芯齿之间的相对位置一致,磁路对称。
实施例4
不同于上述实施例,本实施例主要介绍采用直线结构的双馈型永磁电机。
如图15所示,一种双馈型永磁电机,包括初级和次级。初级包括初级铁芯1、永磁体4和初级绕组5;初级铁芯1由初级铁芯轭11和初级铁芯齿12组成,为分块凸极结构,除端部外,每块初级铁芯为“U”形;永磁体4夹在相邻两块初级铁芯1的初级铁芯齿12之间,永磁体4为沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化;初级绕组5为电枢绕组,采用双层集中绕组形式,位于全部初级铁芯槽中;次级包括次级铁芯2和次级绕组6;次级铁芯2由次级铁芯轭21和次级铁芯齿22组成,为凸极结构;次级绕组6为电枢绕组,采用双层集中绕组形式,只位于对推力要求较高的行程范围内的次级槽中,而其余次级铁芯槽中无次级绕组6。
如图16所示,该双馈型永磁电机在初级或次级的端部设有辅助齿,其受到的定位力波与电机不含端部部分受到的定位力波幅值接近而方向相反,从而减小整个电机受到的总定位力,使负载输出推力更为平稳。
如图17所示,该双馈型永磁电机为双边式结构,即在初级两侧分别设有一个次级,其中两侧次级的铁芯齿相互对齐,该双边结构可减小电机的法向力。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双馈型永磁电机,包括均为凸极结构的初级和次级,其特征在于,所述初级包括初级铁芯、双极性永磁体和初级绕组,初级铁芯包括初级铁芯齿和初级铁芯轭,初级绕组设置在初级铁芯齿之间形成的初级铁芯槽中;
所述初级绕组只有初级电枢绕组;所述次级包括次级铁芯和次级绕组,所述次级绕组只有次级电枢绕组,所述次级铁芯包括次级铁芯齿和次级铁芯轭,所述次级电枢绕组设置在次级铁芯齿之间形成的次级铁芯槽中;
所述初级绕组和次级绕组均采用集中式电枢绕组或分布式电枢绕组;
所述初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成,所述双极性永磁体设置在相邻两块初级铁芯块的初级铁芯齿之间,所述的双极性永磁体为沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化。
2.根据权利要求1所述的双馈型永磁电机,其特征在于,在至少一个初级铁芯齿上朝向初级铁芯槽的侧面至少设置1个小齿。
3.根据权利要求1所述的双馈型永磁电机,其特征在于,所述初级铁芯由若干块初级铁芯块沿周向组合而成,所述双极性永磁体替代为设置在相邻两块初级铁芯块的初级铁芯轭之间,所述的双极性永磁体为沿电机切向充磁,充磁方向沿电机切向交替变化;
周向相邻两块永磁体之间的初级铁芯齿数等于初级绕组相数,相邻两块永磁体之间的初级铁芯齿数至少为1个。
4.根据权利要求1所述的双馈型永磁电机,其特征在于,所述双极性永磁体替代为设置在靠近次级一侧的初级铁芯齿端部,所述双极性永磁体为沿电机径向充磁,每个初级铁芯齿端部上设有偶数块永磁体,且所述偶数块永磁体中相邻两块永磁体的充磁方向相反。
5.根据权利要求1所述的双馈型永磁电机,其特征在于,所述双极性永磁体替代为设置在靠近次级一侧的初级铁芯槽的槽口,所述的双极性永磁体为Halbach阵列。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双馈型永磁电机,其特征在于,电机为直线结构,初级绕组线圈数为Np,磁极数为np,初级绕组相数mp,次级绕组相数ms,和初级相同长度范围内的次级铁芯齿数ns,次级绕组线圈数为Ns,满足:
其中,k1和k2为正整数,HCF为最大公约数函数。
7.根据权利要求1-4任一项所述的双馈型永磁电机,其特征在于,电机为旋转结构,初级绕组线圈数为Np,磁极数为np,初级绕组相数mp,次级绕组相数ms,次级铁芯齿数ns,次级绕组线圈数为Ns,满足:
其中,k3和k4为正整数,HCF为最大公约数函数。
8.根据权利要求1-5任一项所述的双馈型永磁电机,其特征在于,所述初级和次级,一个为静止部分,另一个为运动部分,当所述双馈型永磁电机工作在电动模式时,所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置与电源相连进行供电,或通过固定于运动部分的独立电源供电,或采用无线充电;当所述双馈型永磁电机工作在发电模式时,所述运动部分的绕组通过电刷和滑环装置将电流输出。
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