CN112994294B - 电机转子和永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电机转子和永磁同步电机。该电机转子包括转子铁芯(1)，转子铁芯(1)沿周向交替设置有转子齿(2)和转子槽(3)，转子槽(3)内设置有永磁体(4)，永磁体(4)切向充磁，转子槽(3)的径向内侧设置有第一隔磁槽(5)，相邻的第一隔磁槽(5)之间的转子铁芯(1)上设置有第二隔磁槽(6)，第二隔磁槽(6)延伸至相邻的两个第一隔磁槽(5)之间，第二隔磁槽(6)与两侧的第一隔磁槽(5)之间形成磁桥(13)。根据本申请的电机转子，能够有效减小转子槽靠近转轴侧的漏磁，提高电机输出转矩。

Description

电机转子和永磁同步电机

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体涉及一种电机转子和永磁同步电机。

背景技术

目前，在工业及家电行业中，存在大量追求低速大力矩的应用场合。对于低速大力矩电机，永磁体径向放置、切向充磁时，电机因其转子上良好的聚磁效果，能产生更高的气隙磁密，并且可以充分利用交/直轴不对称产生的磁阻转矩，提高转矩密度，实现优越的性能。

上述类型电机通常以增加体积或极数的方式实现输出低速大力矩的目的，但是，由于极数多，需要增加转子外径以保证安装空间，此时转子槽靠近转轴侧的漏磁十分严重，直接影响输出转矩的大小。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种电机转子和永磁同步电机，能够有效减小转子槽靠近转轴侧的漏磁，提高电机输出转矩。

为了解决上述问题，本申请提供一种电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯沿周向交替设置有转子齿和转子槽，转子槽内设置有永磁体，永磁体切向充磁，转子槽的径向内侧设置有第一隔磁槽，相邻的第一隔磁槽之间的转子铁芯上设置有第二隔磁槽，第二隔磁槽延伸至相邻的两个第一隔磁槽之间，第二隔磁槽与两侧的第一隔磁槽之间形成磁桥。

优选地，第一隔磁槽设置在转子槽的底部，并沿径向与转子槽连通；和/或，相邻的永磁体的充磁方向相反。

优选地，第一隔磁槽为三角形，第二隔磁槽为五边形。

优选地，第一隔磁槽为等腰三角形，且关于转子槽的中心线对称，第二隔磁槽与第一隔磁槽相配合的两个侧边关于转子齿的中心线对称；和/或，第一隔磁槽与转子槽连接的位置设置有对永磁体进行限位的定位凸点。

优选地，第一隔磁槽沿着径向向内的方向宽度递减，第二隔磁槽包括沿着径向向内依次设置的第一边、第二边和第三边，第一边沿着周向方向延伸，两个第二边与两侧的第一隔磁槽相配合，且沿着径向向内的方向，两个第二边之间的宽度递增，两个第三边设置在第二边的径向内侧，且沿着径向向内的方向，两个第三边之间的宽度递减。

优选地，第一隔磁槽的顶角θ1满足20°≤θ1≤80°；和/或，第一隔磁槽的顶角倒圆角，圆角的半径为Ro2，永磁体的宽度为Wmag，其中0.04≤Ro2/(Wmag+0.1)≤0.3。

优选地，相邻的两个转子槽靠近转子齿中心线的径向内端点之间的连线为第一连线，第一边与第一连线之间的距离为L1，永磁体的径向长度为Lmag，永磁体的剩磁为Br，0＜L1/(Lmag*Br)≤0.6。

优选地，0.12≤L1/(Lmag*Br)≤0.4。

优选地，第一边的长度为L_51，相邻的两个转子槽靠近转子齿中心线的径向内端点之间的第一连线的长度为L_cd，其中0.4≤L_51/L_cd≤0.6。

优选地，第二边和第三边之间的夹角为θ2，第一隔磁槽的顶角为θ1，θ2＝(1.5～3)*θ1。

优选地，第一隔磁槽的截面积为S1，第二隔磁槽的截面积为S2，永磁体的截面积为Smag，1.2≤(S1+S2)/Smag≤2.5；且，0.08≤S1/S2≤0.14。

优选地，磁桥的长度为L_cq＝Wmag/2sin(θ1/2)，磁桥的宽度为W_cq，3.2≤L_cq/W_cq≤8；和/或，磁桥的宽度为W_cq，永磁体的长度为Lmag，a＝Lmag/Wmag，0.1≤W_cq/a≤0.55。

优选地，第一隔磁槽的顶角倒圆角，该圆角的半径为Ro2，第二隔磁槽的各个顶角均倒圆角，其中第二边与第一边之间的圆角半径为Ro3，其余圆角半径为Ro4，Ro3＝Ro2，Ro4＝2*Ro2；和/或，磁桥的宽度为W_cq，第一边的长度为L_51，0.15≤W_cq/L_51≤0.3。

优选地，永磁体的径向长度为Lmag，永磁体的剩磁为Br，转子齿在转子外圆处的宽度为W_Rt，其中1.1≤Lmag*Br/W_Rt≤1.98。

根据本申请的另一方面，提供了一种永磁同步电机，包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。

优选地，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子与电机转子之间形成气隙，气隙的径向宽度与永磁体的长宽比a＝Lmag/Wmag之间需满足：a＝(1.5～3.5)*Lair。

优选地，永磁同步电机的额定转速n≤100rpm；和/或，转子极数p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。

优选地，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯，转子铁芯的轴向长度为Lef，定子铁芯的外圆半径为Rso，永磁同步电机的长径比x＝Lef/Rso，0.3≤x≤0.45；和/或，永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，定子铁芯的槽数为s，永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，0.85≤k≤1.2。

优选地，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯，定子铁芯的内圆半径为Rsi，定子铁芯的外圆半径为Rso，电机定子的内外径之比m＝Rsi/Rso，0.7≤m≤0.9；和/或，永磁体的剩磁Br≥1.35T。

本申请提供的电机转子，包括转子铁芯，转子铁芯沿周向交替设置有转子齿和转子槽，转子槽内设置有永磁体，永磁体切向充磁，转子槽的径向内侧设置有第一隔磁槽，相邻的第一隔磁槽之间的转子铁芯上设置有第二隔磁槽，第二隔磁槽延伸至相邻的两个第一隔磁槽之间，第二隔磁槽与两侧的第一隔磁槽之间形成磁桥。该电机转子通过在转子槽的径向内侧设置第一隔磁槽，可以通过第一隔磁槽增加转子槽径向内侧的磁阻，使得磁力线在该位置处能够绕行，此外，通过设置第二隔磁槽，使得第二隔磁槽位于相邻的两个第一隔磁槽之间，并在第一隔磁槽与第二隔磁槽之间形成磁桥，能够使得磁桥作为转子槽径向内侧的唯一通路，通过少量磁力线就会发生饱和，从而使得该部分磁阻大大增加，因此磁力线更多地从磁阻小的部位进入到主磁路中参与能量转换，从而降低转子槽底部的漏磁；由于第一隔磁槽与第二隔磁槽之间的磁桥的存在，在增加电机的输出转矩、提升电机性能的同时，使得转子铁芯的机械强度也能够得到保证。

附图说明

图1为本申请实施例的电机转子的结构图；

图2为本申请实施例的电机转子的局部放大图；

图3为本申请实施例的电机转子的尺寸关系图；

图4为本申请实施例的电机转子的尺寸关系图；

图5为本申请实施例的电机转子的尺寸关系图；

图6为本申请实施例的永磁同步电机的结构示意图；

图7为本申请实施例的永磁同步电机的θ1对输出转矩的影响曲线图；

图8为本申请实施例的永磁同步电机的L1/Lmag*Br对输出转矩的影响曲线图；

图9为本申请实施例的永磁同步电机的L_cq/W_cq对漏磁占比的影响曲线图；

图10为本申请实施例的永磁同步电机与相关技术的永磁同步电机的转矩曲线对比图。

附图标记表示为：

1、转子铁芯；2、转子齿；3、转子槽；4、永磁体；5、第一隔磁槽；6、第二隔磁槽；7、第一边；8、第二边；9、第三边；10、定位凸点；11、气隙；12、定子铁芯；13、磁桥。

具体实施方式

结合参见图1至图10所示，根据本申请的实施例，电机转子包括转子铁芯1，转子铁芯1沿周向交替设置有转子齿2和转子槽3，转子槽3内设置有永磁体4，永磁体4切向充磁，转子槽3的径向内侧设置有第一隔磁槽5，相邻的第一隔磁槽5之间的转子铁芯1上设置有第二隔磁槽6，第二隔磁槽6延伸至相邻的两个第一隔磁槽5之间，第二隔磁槽6与两侧的第一隔磁槽5之间形成磁桥13。

当永磁同步电机设计为多槽多级，并且以低转速、大力矩工况运行时，其体积会大大增加，此时，转子铁芯1上的轭部面积随之增加，永磁体4在其上发生自闭合，形成漏磁通，影响电机性能。

本申请实施例的电机转子，通过在转子槽3的径向内侧设置第一隔磁槽5，可以通过第一隔磁槽5增加转子槽3径向内侧的磁阻，使得磁力线在该位置处能够绕行，此外，通过设置第二隔磁槽6，使得第二隔磁槽6位于相邻的两个第一隔磁槽5之间，并在第一隔磁槽5与第二隔磁槽6之间形成磁桥13，能够使得磁桥13作为转子槽3径向内侧的唯一通路，通过少量磁力线就会发生饱和，从而使得该部分磁阻大大增加，因此磁力线更多地从磁阻小的部位进入到主磁路中参与能量转换，从而降低转子槽3底部的漏磁；由于第一隔磁槽5与第二隔磁槽6之间的磁桥13的存在，在增加电机的输出转矩、提升电机性能的同时，使得转子铁芯的机械强度也能够得到保证。

第一隔磁槽5设置在转子槽3的底部，并沿径向与转子槽3连通，第一隔磁槽5的径向外侧宽度与转子槽3的径向内侧宽度相同，且两者可以共用同一边，使得两者在连接位置处形成良好的匹配关系，能够降低加工难度同时也使得第一隔磁槽5能够更加充分地阻止磁力线从转子槽3的底部通过。

相邻的永磁体4的充磁方向相反。

在一个实施例中，第一隔磁槽5为三角形，第二隔磁槽6为五边形。两种隔磁槽相互配合，可以很好地阻隔磁力线从转子槽3的底部通过转子轭部自闭合，从而降低漏磁。

第一隔磁槽5为等腰三角形，且关于转子槽3的中心线对称，第二隔磁槽6与第一隔磁槽5相配合的两个侧边关于转子齿2的中心线对称，可以使得第一隔磁槽5和第二隔磁槽6均关于其所在的结构的中心线对称，能够使得磁桥13也形成对称的结构。

第一隔磁槽5与转子槽3连接的位置设置有对永磁体4进行限位的定位凸点10，用于限制永磁体4的位置，可以保证在转子旋转过程中永磁体4不会发生位移。

在本实施例中，第二隔磁槽6为五边形时，第二隔磁槽6关于其所在的转子齿2的中心线对称，第一隔磁槽5沿着径向向内的方向宽度递减，第二隔磁槽6包括沿着径向向内依次设置的第一边7、第二边8和第三边9，第一边7沿着周向方向延伸，两个第二边8与两侧的第一隔磁槽5相配合，且沿着径向向内的方向，两个第二边8之间的宽度递增，两个第三边9设置在第二边8的径向内侧，且沿着径向向内的方向，两个第三边9之间的宽度递减。

在一个实施例中，第一隔磁槽5的顶角θ1满足20°≤θ1≤80°。优选地，45°≤θ1≤60°。由于空气的磁阻远大于转子铁芯1的磁阻，因此需要对三角形隔磁槽的形状进行限制，以保证其能有效阻碍磁力线。由于三角形隔磁槽底边与转子槽3的底边相同，因此可以限制三角形隔磁槽的顶角θ1满足：20°≤θ1≤80°，在此范围内，如图7所示，三角形隔磁槽阻碍漏磁的效果最优，输出转矩最大。

在一个实施例中，第一隔磁槽5的顶角倒圆角，圆角的半径为Ro2，永磁体4的宽度为Wmag，其中0.04≤Ro2/(Wmag+0.1)≤0.3。由于磁场本身的特性，其在尖锐的边角处非常容易发生饱和，因此将三角形隔磁槽顶角设为倒圆角。通过对第一隔磁槽5的顶角圆角半径以及永磁体4的宽度之间的关系进行限定，既能保证隔磁槽的隔磁效果，又能降低饱和程度，减小铁芯损耗。

相邻的两个转子槽3靠近转子齿中心线的径向内端点之间的连线为第一连线，第一边7与第一连线之间的距离为L1，永磁体4的径向长度为Lmag，永磁体4的剩磁为Br，0＜L1/(Lmag*Br)≤0.6。优选地，0.12≤L1/(Lmag*Br)≤0.4。该五边形隔磁槽的位置直接影响转子槽3的底部磁力线的分布情况，参见图8所示，当L1/(Lmag*Br)的比值不在上述限定范围内时，输出转矩会因为漏磁增加而急剧下降。

在一个实施例中，第一边7的长度为L_51，相邻的两个转子槽3靠近转子齿中心线的径向内端点之间的第一连线的长度为L_cd，其中0.4≤L_51/L_cd≤0.6，在此范围内，可以最大程度阻碍永磁体4下部的漏磁，使永磁体4有更多磁力线进入主磁路。

在一个实施例中，第二边8和第三边9之间的夹角为θ2，第一隔磁槽5的顶角为θ1，θ2＝(1.5～3)*θ1，此时第一隔磁槽5和第二隔磁槽6配合所形成的隔磁效果最佳。

在一个实施例中，第一隔磁槽5的截面积为S1，第二隔磁槽6的截面积为S2，永磁体4的截面积为Smag，1.2≤(S1+S2)/Smag≤2.5；且，0.08≤S1/S2≤0.14。当永磁体4的面积发生变化时，其产生的磁场的强弱随之变化，通过限定上述的关系，能够同时改变隔磁槽的尺寸，以使隔磁效果最为理想。

在一个实施例中，磁桥13的长度为L_cq＝Wmag/2sin(θ1/2)，磁桥13的宽度为W_cq，3.2≤L_cq/W_cq≤8，优选地，4.3≤L_cq/W_cq≤6，参见图9所示，L_cq/W_cq在此范围内时，可以保证漏磁占比降低到10％以下，从而使得电机漏磁得到有效控制。

在一个实施例中，磁桥13的宽度为W_cq，第一边7的长度为L_51，0.15≤W_cq/L_51≤0.3。通过限制该磁桥13的宽度与第一边7的长度之间的关系，可以保证经过的漏磁通最少。

在一个实施例中，磁桥13的宽度为W_cq，永磁体4的长度为Lmag，a＝Lmag/Wmag，0.1≤W_cq/a≤0.55，也可以从另一角度保证经过的漏磁通最少。

在一个实施例中，第一隔磁槽5的顶角倒圆角，该圆角的半径为Ro2，第二隔磁槽6的各个顶角均倒圆角，其中第二边8与第一边7之间的圆角半径为Ro3，其余圆角半径为Ro4，Ro3＝Ro2，Ro4＝2*Ro2。由于尖锐边角会增加饱和，因此，五边形隔磁槽的所有顶角均设有倒圆角，通过设置不同的圆角半径，可以根据各边长度来设置合理的圆角半径，使得五边形隔磁槽的结构更加优化。

在一个实施例中，永磁体4的径向长度为Lmag，永磁体4的剩磁为Br，转子齿2在转子外圆处的宽度为W_Rt，其中1.1≤Lmag*Br/W_Rt≤1.98，在此范围内，可以保证永磁体4提供的磁场绝大部分均通过转子齿部进入气隙，增加气隙磁密，提高输出转矩。

结合参见图1至图10所示，根据本申请的实施例，永磁同步电机包括电机转子，该电机转子为上述的电机转子。

在一个实施例中，永磁同步电机还包括电机定子，电机定子与电机转子之间形成气隙11，气隙11的径向宽度与永磁体4的长宽比Lmag/Wmag之间需满足：Lmag/Wmag＝(1.5～3.5)*Lair，可以保证永磁体的利用率处于优势范围内。

在一个实施例中，永磁同步电机的额定转速n≤100rpm；和/或，转子极数p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。

永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯12，转子铁芯1的轴向长度为Lef，定子铁芯12的外圆半径为Rso，永磁同步电机的长径比x＝Lef/Rso，0.3≤x≤0.45；和/或，永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，定子铁芯12的槽数为s，永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，0.85≤k≤1.2。

永磁同步电机还包括电机定子，电机定子包括定子铁芯12，定子铁芯12的内圆半径为Rsi，定子铁芯12的外圆半径为Rso，电机定子的内外径之比m＝Rsi/Rso，0.7≤m≤0.9；和/或，永磁体4的剩磁Br≥1.35T。

通过上述的限制，可以对电机的结构参数进行精确限定，能够使得应用本申请上述实施例电机转子的电机，在应用于上述限定的电机时，具有更大的优势，可以在满足转矩要求的情况下，减少永磁体用量，降低永磁体的成本。

本实施例中，永磁同步电机的工作原理为，电机定子上的绕组通入三相对称电流，会产生圆形旋转磁场，该磁场的极对数等于电机转子上永磁体4产生的磁场的极对数，两个磁场的旋转速度相同，通过气隙进行能量转换，稳定地传递转矩。

结合参见图10所示，采用本申请实施例的低速大力矩永磁同步电机，相对于相关技术的永磁同步电机而言，输出转矩明显增加，电机性能显著提升。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种电机转子，其特征在于，包括转子铁芯(1)，所述转子铁芯(1)沿周向交替设置有转子齿(2)和转子槽(3)，所述转子槽(3)内设置有永磁体(4)，所述永磁体(4)切向充磁，所述转子槽(3)的径向内侧设置有第一隔磁槽(5)，相邻的所述第一隔磁槽(5)之间的所述转子铁芯(1)上设置有第二隔磁槽(6)，所述第二隔磁槽(6)延伸至相邻的两个所述第一隔磁槽(5)之间，所述第二隔磁槽(6)与两侧的所述第一隔磁槽(5)之间形成磁桥(13)；所述第一隔磁槽(5)为三角形，所述第二隔磁槽(6)为五边形；所述第一隔磁槽(5)沿着径向向内的方向宽度递减，所述第二隔磁槽(6)包括沿着径向向内依次设置的第一边(7)、第二边(8)和第三边(9)，所述第一边(7)沿着周向方向延伸，两个所述第二边(8)与两侧的所述第一隔磁槽(5)相配合，且沿着径向向内的方向，两个所述第二边(8)之间的宽度递增，两个所述第三边(9)设置在所述第二边(8)的径向内侧，且沿着径向向内的方向，两个所述第三边(9)之间的宽度递减；相邻的两个所述转子槽(3)靠近转子齿中心线的径向内端点之间的连线为第一连线，所述第一边(7)与所述第一连线之间的距离为L1，所述永磁体(4)的径向长度为Lmag，所述永磁体(4)的剩磁为Br，0＜L1/(Lmag*Br)≤0.6，其中L1/(Lmag*Br)为无量纲单位；所述第一隔磁槽(5)的顶角θ1满足20°≤θ1≤80°；所述第一隔磁槽(5)的顶角倒圆角，所述圆角的半径为Ro2，所述永磁体(4)的宽度为Wmag，其中0.04≤Ro2/(Wmag+0.1)≤0.3；0.12≤L1/(Lmag*Br)≤0.4；所述第一边(7)的长度为L_51，相邻的两个所述转子槽(3)靠近转子齿中心线的径向内端点之间的第一连线的长度为L_cd，其中0.4≤L_51/L_cd≤0.6。

2.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一隔磁槽(5)设置在所述转子槽(3)的底部，并沿径向与所述转子槽(3)连通；和/或，相邻的所述永磁体(4)的充磁方向相反。

3.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一隔磁槽(5)为等腰三角形，且关于所述转子槽(3)的中心线对称，所述第二隔磁槽(6)与所述第一隔磁槽(5)相配合的两个侧边关于所述转子齿(2)的中心线对称；和/或，所述第一隔磁槽(5)与所述转子槽(3)连接的位置设置有对所述永磁体(4)进行限位的定位凸点(10)。

4.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第二边(8)和所述第三边(9)之间的夹角为θ2，所述第一隔磁槽(5)的顶角为θ1，θ2＝(1.5～3)*θ1。

5.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一隔磁槽(5)的截面积为S1，所述第二隔磁槽(6)的截面积为S2，所述永磁体(4)的截面积为Smag，1.2≤(S1+S2)/Smag≤2.5；且，0.08≤S1/S2≤0.14。

6.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述磁桥(13)的长度为L_cq＝Wmag/2sin(θ1/2)，所述磁桥(13)的宽度为W_cq，3.2≤L_cq/W_cq≤8；和/或，所述磁桥(13)的宽度为W_cq，所述永磁体(4)的长度为Lmag，a＝Lmag/Wmag，0.1≤W_cq/a≤0.55。

7.根据权利要求1所述的电机转子，其特征在于，所述第一隔磁槽(5)的顶角倒圆角，该圆角的半径为Ro2，所述第二隔磁槽(6)的各个顶角均倒圆角，其中所述第二边(8)与所述第一边(7)之间的圆角半径为Ro3，其余圆角半径为Ro4，Ro3＝Ro2，Ro4＝2*Ro2；和/或，所述磁桥(13)的宽度为W_cq，所述第一边(7)的长度为L_51，0.15≤W_cq/L_51≤0.3。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电机转子，其特征在于，所述永磁体(4)的径向长度为Lmag，所述永磁体(4)的剩磁为Br，所述转子齿(2)在转子外圆处的宽度为W_Rt，其中1.1≤Lmag*Br/W_Rt≤1.98。

9.一种永磁同步电机，包括电机转子，其特征在于，所述电机转子为权利要求1至8中任一项所述的电机转子。

10.根据权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括电机定子，所述电机定子与所述电机转子之间形成气隙(11)，所述气隙(11)的径向宽度与所述永磁体(4)的长宽比a＝Lmag/Wmag之间需满足：a＝(1.5～3.5)*Lair。

11.根据权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机的额定转速n≤100rpm；和/或，转子极数p满足30≤2*p≤80，其中p为极对数。

12.根据权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括电机定子，所述电机定子包括定子铁芯(12)，所述转子铁芯(1)的轴向长度为Lef，所述定子铁芯(12)的外圆半径为Rso，所述永磁同步电机的长径比x＝Lef/Rso，0.3≤x≤0.45；和/或，所述永磁同步电机的转子极数为2*p，p为极对数，所述定子铁芯(12)的槽数为s，所述永磁同步电机的极槽配比k＝2*p/s，0.85≤k≤1.2。

13.根据权利要求9所述的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机还包括电机定子，所述电机定子包括定子铁芯(12)，所述定子铁芯(12)的内圆半径为Rsi，所述定子铁芯(12)的外圆半径为Rso，电机定子的内外径之比m＝Rsi/Rso，0.7≤m≤0.9；和/或，所述永磁体(4)的剩磁Br≥1.35T。

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