CN111987861A - 一种具有定子快速散热功能的电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有定子快速散热功能的电机，包括外壳、定子组件、前端盖、后端盖、主轴和转子，外壳内壁设置定子组件，前端盖、后端盖分别与外壳的两端连接使得外壳封闭，主轴通过轴承双端支撑安装在前端盖、后端盖上，主轴伸出前端盖作为电机输出轴，转子安装在主轴上，转子与定子组件径向面对面设置，定子组件和外壳之间设有循环流动的散热液。本发明通过磁流体将定子内的热量快速地转移到外表表面处进行散热，帮助定子进行快速降温，相比于传统的散热结构，定子的热稳定性更好，磁流体的流动依靠电磁驱动，无需外界机械动力，封闭回路几乎不需要维护。

Description

一种具有定子快速散热功能的电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体为一种具有定子快速散热功能的电机。

背景技术

电机是一种工业大量使用的机械，它将电能转换为机械能供应后续机器使用。

电机的主要原理是电磁作用，定子通入交流电后通过电磁效应驱动转子旋转，然而，电磁作用下，定子的发热是一个影响电机稳定性的问题，现有技术通过外壳表面设置一些散热筋进行电机散热，但是，这种散热方式还是需要通过较长的路径由定子的线圈安装位置至外壳表面进行散热，路径上温度降低，定子的温度大大高于外壳表面的温度，只能称之为电机的散热而不是定子的散热，如何有效控制定子的温度是一个急需解决以提高电机性能的问题。

此外，电机启动时，由于外界负载的存在，转速只能缓慢提升，转子在低速运行时，电磁作用效率不高，定转子发热严重，如何快速启动电机转轴，也就减少了电机启动时热量产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有定子快速散热功能的电机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种具有定子快速散热功能的电机，包括外壳、定子组件、前端盖、后端盖、主轴和转子，外壳内壁设置定子组件，前端盖、后端盖分别与外壳的两端连接使得外壳封闭，主轴通过轴承双端支撑安装在前端盖、后端盖上，主轴伸出前端盖作为电机输出轴，转子安装在主轴上，转子与定子组件径向面对面设置，定子组件和外壳之间设有循环流动的散热液。

外壳、定子组件、前后端盖、主轴、转子构成电机电磁旋转结构以及必要的支撑结构，定子组件和外壳之间循环流动散热液辅助定子组件进行快速散热，因为原先定子组件与外壳之间存在接触面热阻以及传热路径固定不变，所以，定子内部传递到外壳表面的热量不够迅速，而且，为了充分保护定子稳定性和防止外界振动、电磁干扰到达定子组件，外壳和定子组件的基体结构部分不能做的太薄，厚实的外壳阻碍了定子内部热量传递到外壳表面，本申请通过散热液循环的方式，直接自定子组件内部将热量带到靠近外壳表面的位置处，流动起来的散热液也使得热量可以迅速将热量从定子内导出来，虽然散热液的导热系数比不上制造外壳所使用的金属材质，但是，本申请主要的特点在于定子的快速散热而不是电机整体的快速散热，传统电机结构下，在定子与外壳的接触界面处有一个由于界面热阻造成的温梯度，剩余路径下，定子内芯至外壳表面的温度是近似线性降低的，这造成了定子内芯温度很高，而本申请通过循环流动的散热液进行热量转移，除去固液界面上热阻造成的温度梯度外，由定子内芯至外壳表面的温度曲线是一个弧形，先行快速降低，然后降低速率逐渐变小。

进一步的，定子组件包括硅钢片和定子线圈，硅钢片层叠累积，每片硅钢片内圈设有均布的齿形凹槽，定子线圈缠绕在齿形凹槽上并通入交流电产生旋转磁场，硅钢片上还设有圆周均布的散热孔，层叠的硅钢片上的散热孔依次连接构成散热液通道，外壳沿电机轴向设有与散热孔数量相同的回流孔，前端盖上与外壳相接触的端面设有连接散热孔、回流孔的第一折流槽，后端盖上与外壳相接触的端面设有连接散热孔、回流孔的第二折流槽，回流孔、散热孔、第一折流槽、第二折流槽共同构成环形回路，环形回路内充有磁流体作为散热液，电机还包括第一极片、第二极片和导线，第一极片设置在后端盖与外壳连接处，第一极片为圆环形且径向往内设置插片插入一半数量的散热孔中，与第一极片连接的散热孔一一间隔，第二极片设置在前端盖与外壳连接处，第二极片为圆环形且径向往内设置插片插入另一半数量的散热孔中，一半数量的散热孔与第一极片相连，另一半与第二极片相连，一一错开；第一极片、第二极片通过导线相连且在导线中间加载与定子线圈相同相位的交流电。

本结构实现散热液的循环流动，散热孔内流动的散热液是与发热部位紧邻接触的流体，这里的流体将热量流动带往外壳表面附近处的回流孔内，往外导出热量后再行回流回到散热孔内形成流动回路，流动的过程没有机械式的驱动，而是通过电磁作用产生流体驱动作用的：磁流体是一种基体液内均匀混入纳米态的磁性粒子的胶体物质，既有流动性也可以被磁化吸引，硅钢片是静止的，散热孔也是不旋转的，定子线圈中通入的交流电产生旋转磁场，而旋转磁场在附近的导电体内可以产生磁生电流，异步电机电机就是利用了磁生电流再行产生磁场然后产生的作用力进行旋转的原理，本申请中，散热孔延伸方向与主轴平行，所以，定子线圈的旋转磁场在散热孔内产生的磁生电流交变转换方向，考虑单个磁流体微团的情况，当定子磁场对于磁流体的作用产生朝向第二极片的电流时，微团内部的正电荷集中在微团前端，负电荷集中到微团后方，此时，让第二极片上堆积负电荷，导线上接入的交流电的负极连接第二极片，此周期内磁流体微团前端受到电势吸引而往前移动，在另一周期内，在此通道内定子磁场的磁流体微团上构造背向第二极片的磁生电流，电流让微团内的正负电荷调换位置，而这一周期内，导线上连接的交流电在第二极片上堆积正电荷，第二极片还是对此微团产生吸引，让微团再次前进，本微团的移动分析可以等效到所有的位于散热孔通道内的磁流体微团上，而且，由于磁流体是基体液中混入磁性颗粒，所以，电荷的转移无法大范围进行，电荷是在微团内部小范围移动，而微团整体进行流动；

第一极片和第二极片通过导线连接起来类似于构成电容器，极片上堆积电荷对散热孔内的流体产生吸引引起流动，由电机原理可知，总是定子线圈在散热孔通道内造成的磁生电流，一半为朝向前端盖，一半背向前端盖，通过两个极片间隔交叉插入散热孔内，也达到了分别的电荷位置的调配，使得所有散热孔通道内的磁流体都是朝向前端盖运动的，而回流孔内的磁流体，由于距离定子线圈较远，也存在较多的金属遮挡，所以，磁生电流较小，在分析环形回路的磁流体流动时，可以不做考虑，散热孔内的磁生电流引起的微团移动作为散热液的流动驱动力。

作为优化，第一折流槽和第二导流槽为圆弧形，第一折流槽、第二导流槽、回流孔和散热孔形成长腰形通道。圆弧形导流使得散热液流动顺畅，让散热液的流动更迅速，让热量转移更快。

进一步的，电机还包括快启组件，主轴包括第一轴和第二轴，第一轴和第二轴轴线重合且通过轴承连接，第一轴全部位于外壳内，第一轴上设置转子，第二轴伸出前端盖作为输出轴，第一轴和第二轴通过快启组件连接；

快启组件包括支架杆和配速齿轮，支架杆一端与第一轴固定，另一端与第一轴平行布置，支架杆与第一轴平行的部分上设置可自转的配速齿轮，第二轴紧邻第一轴的一端外表面设置外齿轮，配速齿轮与外齿轮啮合连接，配速齿轮的自转带有旋转阻尼。

本结构实现转子的快速启动，当电机启动时，第二轴所连接的外部负载阻力矩大，第二轴启动困难，此时，让第一轴先行启动，转子受到电磁力而进行启动，第一轴转动时，支架杆绕第一轴公转，支架杆末端的配速齿轮如果不能带动外齿轮旋转的话，只能自转，而由于配速齿轮具有自转阻尼，所以，总有一部分力矩传递到外齿轮上促使其进行转动，使得第二轴开始缓慢增速，第二轴缓慢增速，负载功率一定，所以，第二轴缓慢增速，阻力矩缓慢减小，当第二轴转速上来直至追上第一轴的转速时，配速齿轮只进行绕第一轴的公转而不再自转，这样就实现了第一轴的快速启动，第一轴快速启动可以让电机快速进入电磁作用高效区，防止定子线圈和转子内部产生较多的热量。

作为优化，配速齿轮和外齿轮为斜齿轮。斜齿轮传动平稳。

作为优化，支架杆和配速齿轮的数量大于一，且在第一轴圆周方向是均布设置。均布设置的支架杆和配速齿轮才能由结构上实现动静平衡，不需要额外的动平衡结构。

作为优化，外壳外壁上设有若干散热翅片。散热翅片用于增大外壳与外界空气的接触面积，增大外壳散热效果。

作为优化，散热翅片根部插入回流孔内，散热翅片为铝制。铝制散热片导热性好且与流体的对流换热系数较高。

作为优化，第一折流槽、第二导流槽、回流孔和散热孔壁面上设有若干凸起。凸起一来增大固液接触面积，二来对流体流动产生扰动，在近壁处趋向或实现紊流，相比于层流具有更大的对流换热系数。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过磁流体将定子内的热量快速地转移到外表表面处进行散热，帮助定子进行快速降温，相比于传统的散热结构，定子的热稳定性更好，磁流体的流动依靠电磁驱动，无需外界机械动力，封闭回路几乎不需要维护，快启结构的设置，让电机转子部分可以快速增速到达电磁驱动的高效工作区，防止低效运行时的发热严重。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的轴截面结构示意图；

图2是本发明的轴向断面结构示意图；

图3是本发明的散热液立体流动示意图；

图4是本发明第一极片、第二极片、导线的结构示意图；

图5为本发明磁流体微团的流动分析图一；

图6为本发明磁流体微团的流动分析图二；

图7为本发明快启组件的安装位置示意图；

图8为图7中的视图A。

图中：1-外壳、11-回流孔、2-定子组件、21-硅钢片、211-散热孔、22-定子线圈、3-前端盖、31-第一折流槽、4-后端盖、41-第二折流槽、5-主轴、51-第一轴、52-第二轴、521-端孔、6-转子、71-第一极片、72-第二极片、73-导线、8-快启组件、81-支架杆、82-配速齿轮、83-外齿轮、9-磁流体微团。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，一种具有定子快速散热功能的电机，包括外壳1、定子组件2、前端盖3、后端盖4、主轴5和转子6，外壳1内壁设置定子组件2，前端盖3、后端盖4分别与外壳1的两端连接使得外壳1封闭，主轴5通过轴承双端支撑安装在前端盖3、后端盖4上，主轴5伸出前端盖3作为电机输出轴，转子6安装在主轴5上，转子6与定子组件2径向面对面设置，定子组件2和外壳1之间设有循环流动的散热液。

外壳1、定子组件2、前后端盖、主轴5、转子6构成电机电磁旋转结构以及必要的支撑结构，定子组件2和外壳1之间循环流动散热液辅助定子组件2进行快速散热，因为原先定子组件2与外壳之间存在接触面热阻以及传热路径固定不变，所以，定子内部传递到外壳1表面的热量不够迅速，而且，为了充分保护定子稳定性和防止外界振动、电磁干扰到达定子组件2，外壳1和定子组件2的基体结构部分不能做的太薄，厚实的外壳1阻碍了定子内部热量传递到外壳1表面，本申请通过散热液循环的方式，直接自定子组件2内部将热量带到靠近外壳1表面的位置处，流动起来的散热液也使得热量可以迅速将热量从定子内导出来，虽然散热液的导热系数比不上制造外壳1所使用的金属材质，但是，本申请主要的特点在于定子的快速散热而不是电机整体的快速散热，传统电机结构下，在定子与外壳5的接触界面处有一个由于界面热阻造成的温梯度，剩余路径下，定子内芯至外壳表面的温度是近似线性降低的，这造成了定子内芯温度很高，而本申请通过循环流动的散热液进行热量转移，除去固液界面上热阻造成的温度梯度外，由定子内芯至外壳表面的温度曲线是一个弧形，先行快速降低，然后降低速率逐渐变小。

定子组件2包括硅钢片21和定子线圈22，硅钢片21层叠累积，每片硅钢片21内圈设有均布的齿形凹槽，定子线圈22缠绕在齿形凹槽上并通入交流电产生旋转磁场，硅钢片21上还设有圆周均布的散热孔211，层叠的硅钢片21上的散热孔211依次连接构成散热液通道，外壳1沿电机轴向设有与散热孔211数量相同的回流孔11，前端盖3上与外壳1相接触的端面设有连接散热孔211、回流孔11的第一折流槽31，后端盖4上与外壳1相接触的端面设有连接散热孔211、回流孔11的第二折流槽41，回流孔11、散热孔211、第一折流槽31、第二折流槽41共同构成环形回路，环形回路内充有磁流体作为散热液，电机还包括第一极片71、第二极片72和导线73，第一极片71设置在后端盖4与外壳1连接处，第一极片71为圆环形且径向往内设置插片插入一半数量的散热孔211中，与第一极片71连接的散热孔211一一间隔，第二极片72设置在前端盖3与外壳1连接处，第二极片72为圆环形且径向往内设置插片插入另一半数量的散热孔211中，即如图4所示，一半数量的散热孔211与第一极片71相连，另一半与第二极片72相连，一一错开；第一极片71、第二极片72通过导线73相连且在导线中间加载与定子线圈22相同相位的交流电。

本结构实现散热液的循环流动，如图2、3所示，散热孔211内流动的散热液是与发热部位紧邻接触的流体，这里的流体将热量流动带往外壳1表面附近处的回流孔11内，往外导出热量后再行回流回到散热孔211内形成流动回路，流动的过程没有机械式的驱动，而是通过电磁作用产生流体驱动作用的：磁流体是一种基体液内均匀混入纳米态的磁性粒子的胶体物质，既有流动性也可以被磁化吸引，硅钢片21是静止的，散热孔211也是不旋转的，定子线圈22中通入的交流电产生旋转磁场，而旋转磁场在附近的导电体内可以产生磁生电流，异步电机电机就是利用了磁生电流再行产生磁场然后产生的作用力进行旋转的原理，本申请中，散热孔211延伸方向与主轴5平行，所以，定子线圈22的旋转磁场在散热孔211内产生的磁生电流交变转换方向，考虑单个磁流体微团9的情况，如图5所示，当定子磁场对于磁流体的作用产生朝向第二极片72的电流时，微团内部的正电荷集中在微团前端，负电荷集中到微团后方，此时，让第二极片72上堆积负电荷，导线73上接入的交流电的负极连接第二极片72，此周期内磁流体微团9前端受到电势吸引而往前移动，在另一周期内，如图6所示，在此通道内定子磁场的磁流体微团9上构造背向第二极片72的磁生电流，电流让微团内的正负电荷调换位置，而这一周期内，导线73上连接的交流电在第二极片72上堆积正电荷，第二极片72还是对此微团产生吸引，让微团再次前进，本微团的移动分析可以等效到所有的位于散热孔211通道内的磁流体微团上，而且，由于磁流体是基体液中混入磁性颗粒，所以，电荷的转移无法大范围进行，电荷是在微团内部小范围移动，而微团整体进行流动；

第一极片71和第二极片72通过导线连接起来类似于构成电容器，极片上堆积电荷对散热孔211内的流体产生吸引引起流动，由电机原理可知，总是定子线圈22在散热孔211通道内造成的磁生电流，一半为朝向前端盖3，一半背向前端盖3，通过两个极片间隔交叉插入散热孔211内，也达到了分别的电荷位置的调配，使得所有散热孔211通道内的磁流体都是朝向前端盖3运动的，而回流孔11内的磁流体，由于距离定子线圈22较远，也存在较多的金属遮挡，所以，磁生电流较小，在分析环形回路的磁流体流动时，可以不做考虑，散热孔211内的磁生电流引起的微团移动作为散热液的流动驱动力。

第一折流槽31和第二导流槽41为圆弧形，第一折流槽31、第二导流槽41、回流孔11和散热孔211形成长腰形通道。圆弧形导流使得散热液流动顺畅，让散热液的流动更迅速，让热量转移更快。

电机还包括快启组件8，主轴5包括第一轴51和第二轴52，第一轴51和第二轴52轴线重合且通过轴承连接，第一轴51全部位于外壳1内，第一轴51上设置转子6，第二轴52伸出前端盖3作为输出轴，第一轴51和第二轴52通过快启组件8连接；

快启组件8包括支架杆81和配速齿轮82，支架杆81一端与第一轴51固定，另一端与第一轴51平行布置，支架杆81与第一轴51平行的部分上设置可自转的配速齿轮82，第二轴52紧邻第一轴51的一端外表面设置外齿轮83，配速齿轮82与外齿轮83啮合连接，配速齿轮82的自转带有旋转阻尼。

本结构实现转子6的快速启动，如图8所示，当电机启动时，第二轴52所连接的外部负载阻力矩大，第二轴52启动困难，此时，让第一轴51先行启动，转子6受到电磁力而进行启动，第一轴51转动时，支架杆81绕第一轴51公转，支架杆81末端的配速齿轮82如果不能带动外齿轮83旋转的话，只能自转，而由于配速齿轮82具有自转阻尼，所以，总有一部分力矩传递到外齿轮83上促使其进行转动，使得第二轴52开始缓慢增速，第二轴52缓慢增速，负载功率一定，所以，第二轴52缓慢增速，阻力矩缓慢减小，当第二轴52转速上来直至追上第一轴51的转速时，配速齿轮82只进行绕第一轴51的公转而不再自转，这样就实现了第一轴51的快速启动，第一轴51快速启动可以让电机快速进入电磁作用高效区，防止定子线圈22和转子6内部产生较多的热量。

配速齿轮82和外齿轮83为斜齿轮。斜齿轮传动平稳。

支架杆81和配速齿轮82的数量大于一，且在第一轴51圆周方向是均布设置。均布设置的支架杆81和配速齿轮82才能由结构上实现动静平衡，不需要额外的动平衡结构。

外壳1外壁上设有若干散热翅片。散热翅片用于增大外壳1与外界空气的接触面积，增大外壳散热效果。

散热翅片根部插入回流孔11内，散热翅片为铝制。铝制散热片导热性好且与流体的对流换热系数较高。

第一折流槽31、第二导流槽41、回流孔11和散热孔211壁面上设有若干凸起。凸起一来增大固液接触面积，二来对流体流动产生扰动，在近壁处趋向或实现紊流，相比于层流具有更大的对流换热系数。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述电机包括外壳(1)、定子组件(2)、前端盖(3)、后端盖(4)、主轴(5)和转子(6)，所述外壳(1)内壁设置定子组件(2)，所述前端盖(3)、后端盖(4)分别与外壳(1)的两端连接使得外壳(1)封闭，所述主轴(5)通过轴承双端支撑安装在前端盖(3)、后端盖(4)上，主轴(5)伸出前端盖(3)作为电机输出轴，所述转子(6)安装在主轴(5)上，转子(6)与定子组件(2)径向面对面设置，所述定子组件(2)和外壳(1)之间设有循环流动的散热液。

2.根据权利要求1所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述定子组件(2)包括硅钢片(21)和定子线圈(22)，所述硅钢片(21)层叠累积，每片硅钢片(21)内圈设有均布的齿形凹槽，所述定子线圈(22)缠绕在齿形凹槽上并通入交流电产生旋转磁场，所述硅钢片(21)上还设有圆周均布的散热孔(211)，层叠的硅钢片(21)上的散热孔(211)依次连接构成散热液通道，所述外壳(1)沿电机轴向设有与散热孔(211)数量相同的回流孔(11)，所述前端盖(3)上与外壳(1)相接触的端面设有连接散热孔(211)、回流孔(11)的第一折流槽(31)，所述后端盖(4)上与外壳(1)相接触的端面设有连接散热孔(211)、回流孔(11)的第二折流槽(41)，所述回流孔(11)、散热孔(211)、第一折流槽(31)、第二折流槽(41)共同构成环形回路，环形回路内充有磁流体作为散热液，所述电机还包括第一极片(71)、第二极片(72)和导线(73)，所述第一极片(71)设置在后端盖(4)与外壳(1)连接处，第一极片(71)为圆环形且径向往内设置插片插入一半数量的散热孔(211)中，与第一极片(71)连接的散热孔(211)一一间隔，所述第二极片(72)设置在前端盖(3)与外壳(1)连接处，第二极片(72)为圆环形且径向往内设置插片插入另一半数量的散热孔(211)中，所述第一极片(71)、第二极片(72)通过导线(73)相连且在导线中间加载与定子线圈(22)相同相位的交流电。

3.根据权利要求2所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述第一折流槽(31)和第二导流槽(41)为圆弧形，第一折流槽(31)、第二导流槽(41)、回流孔(11)和散热孔(211)形成长腰形通道。

4.根据权利要求1所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述电机还包括快启组件(8)，所述主轴(5)包括第一轴(51)和第二轴(52)，所述第一轴(51)和第二轴(52)轴线重合且通过轴承连接，所述第一轴(51)全部位于外壳(1)内，第一轴(51)上设置转子(6)，所述第二轴(52)伸出前端盖(3)作为输出轴，第一轴(51)和第二轴(52)通过快启组件(8)连接；

所述快启组件(8)包括支架杆(81)和配速齿轮(82)，所述支架杆(81)一端与第一轴(51)固定，另一端与第一轴(51)平行布置，支架杆(81)与第一轴(51)平行的部分上设置可自转的配速齿轮(82)，所述第二轴(52)紧邻第一轴(51)的一端外表面设置外齿轮(83)，所述配速齿轮(82)与外齿轮(83)啮合连接，所述配速齿轮(82)的自转带有旋转阻尼。

5.根据权利要求4所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述配速齿轮(82)和外齿轮(83)为斜齿轮。

6.根据权利要求4所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述支架杆(81)和配速齿轮(82)的数量大于一，且在第一轴(51)圆周方向是均布设置。

7.根据权利要求2所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述外壳(1)外壁上设有若干散热翅片。

8.根据权利要求7所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述散热翅片根部插入回流孔(11)内，散热翅片为铝制。

9.根据权利要求2所述的一种具有定子快速散热功能的电机，其特征在于：所述第一折流槽(31)、第二导流槽(41)、回流孔(11)和散热孔(211)壁面上设有若干凸起。

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