CN116830433A - 定子、模拟方法、计算机程序产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机电换能器的定子(STT),包括冷却系统(CLS)、绕组系统(WDS)和芯(CRE),其中所述芯(CRE)具有切口(RZS),绕组系统(WDS)的绕组段(WWR)布置在切口中。根据本发明,为了使定子的冷却均匀,冷却系统具有至少一个喷嘴(PTO),冷却介质(CMD)流过喷嘴,使得冷却介质(CMD)作为加速射流排出,绕组系统(WDS)的一部分被来自喷嘴的加速射流撞击,芯(CRE)至少具有第一本体(PM1)和第二本体(PM2),第一本体(PM1)与第二本体(PM2)间隔开一轴向间隙(AGP),并且冷却介质(CMD)从相互平行导向的各流道(PFP)在轴向间隙(AGP)中合并。本发明还涉及一种用于模拟的方法和一种相应的计算机程序产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种机电换能器的定子,特别是电动机器的定子,其被配置成与转子交互,包括
-冷却系统,
-绕组系统,
-包括至少一个透磁体的芯,
其中定子沿纵轴线延伸,其中芯具有切口,绕组系统的绕组段至少部分地布置在切口中,并且其中冷却系统被设计为由冷却介质流过。
背景技术
机电换能器是指电动机或发电机,特别是电动机器。
机电换能器的定子(特别是绕组系统)由于损耗(例如铁损(芯)、导体损耗等)必须进行冷却。为了有效散热,空气冷却通常已经不能达到效果,所以要提供液体冷却,特别是水冷却或油冷却。在芯中,冷却系统的冷却通道通常被设置在例如电动机器的透磁体中。
DE 24 62 150或EP 0 684 682 Bl公开了在芯的层叠段中带有相应的冷却通道的机电换能器。带有冷却设施的机电换能器从US 3 675 056 A、US 8629 585B2和DE 10 2012203 502 Al也是已知的。
传统的定子在运行过程中经常表现出不均匀的散热。例如,绕组系统的绕组端部处的温度往往高于其他部件的温度。此外,其他的温度分布往往是不均匀的。这种现象通常也是由以下事实造成的,即当冷却介质流过冷却系统时,会形成不同温度的条纹,而且冷却系统的过流如此不均匀,以至于较多量的冷却介质流过冷却系统的某些区域,因此在冷却系统中过流较少的其他区域(例如流动相关死水区)形成相对较高的温度。热不平衡还源于这样一个事实,即并非在定子的所有位置都有相同的废热排放。
冷却系统的这种不均匀性作为不均匀的温度分布转移到芯上,因此在芯的某些区域中,由于热负荷较高,材料性能比其他区域更早耗尽。
US2013/193786 Al公开了一种机电换能器,包括具有叠片组的定子,其中在叠片组中,在绕组之间布置有多个轴向延伸的平行冷却通道。相对于叠片组的轴向中心,流入冷却通道的流量分布形成为使得冷却通道具有从入口到外端的过流。在外端,每个冷却通道都有开口,其中该开口与定子中各个冷却通道的位置相适应,特别是就重力而言,以便在所有冷却通道中实现均匀过流。从US2013/193786 Al中已知的机电换能器的缺点是其复杂性。
US2018/138784 Al、US 9 419 499 B2和CN 101 752 915A也公开了带有冷却设施的机电换能器,其中提供喷嘴用于喷射,从而提供针对性地冷却绕组端部。
发明内容
基于现有技术的问题和缺点,本发明设定了改进从芯散热的目标。
为了实现这个目标,本发明提出了一种引言部分限定类型的具有独立权利要求特征部分的附加特征的定子。具体地,冷却系统具有至少一个喷嘴,冷却介质在运行期间流过该喷嘴,使得冷却介质在喷嘴下游以加速射流的方式流出,其中喷嘴的构成和定向方式使绕组系统的一部分被来自喷嘴的加速射流撞击,其中芯具有至少两个轴向相邻布置的本体,第一本体和第二本体,其中第一本体与第二本体间隔一轴向间隙地布置,并且冷却介质从平行导向的不同流道合并在该轴向间隙中。
喷嘴的定向优选使被加速的射流至少在轴向-径向定向引向绕组系统的绕组端部。在该情况下,本发明已经认识到,除其他事项外,为了在具有较高散热的点上实现平衡的温度分布,冷却必须更加集中。同时,根据本发明使用的喷嘴不仅可以对具有较高废热排放的区域进行有针对性的冷却,而且还可以有针对性地分配冷却剂,使得提供否则均匀的冷却以获得均匀的温度分布。
本发明进一步有利地认识到,通过在芯的两个本体之间的轴向间隙中的合并,使特别有利的冷却剂导向成为可能,其中冷却剂从布置绕组端部的芯的轴向端向内导向。在将冷却剂喷洒到系统中温度最高的绕组端部上后,冷却剂在绕组端部处被导向离开,并沿着绕组被导向穿过定子。特别是,这形成了冷却剂导向,其中再生状态(即在最低可能的温度下)的冷却剂首先撞击绕组端部,并能特别有效地消散那里产生的热量。然后,在该过程中过流流经剩余的绕组和芯并对其进行冷却。
除非另有说明,在本情况下,术语如径向、切向、轴向或周向是关于定子的纵轴线。
本发明的一个方面规定,冷却系统提供了在各自分流的下游,对相互平行导向的流道进行合并,特别是对所有相互平行导向的流道进行合并。分流和合并在每种情况下能够以级联方式进行。流道的平行导向使各个产热部件的冷却更加准确地有针对性。原则上,本发明对在此背景下使用的术语“平行”的理解并不是指几何上的平行布置,而仅仅是将最初的共同流动分成两个流道,并在随后进行重新统一或合并。该分流和重新统一或平行导向也可以这样实现,即由分流产生的流道再次被分离,并且在下游所有的都被同时或接连合并到一起。
根据本发明的另一个方面,芯具有多个本体,冷却系统提供冷却介质的流动在各个本体之间分流,之后再重新统一。流动导向的进一步分流可以在本体本身中进行。
优选的是,芯的一个或多个本体被构造为叠片组。
对于通过轴向间隙将两个本体分离,在本体之间提供间隔件以防止本体在轴向上相互接近可能是有用的。
当至少一些轴向延伸通过芯的绕组段与本体中各切口的相邻表面一起限定本体中冷却系统中具有平行过流的通道,从而使冷却介质沿各绕组段流动时,就会产生绕组系统冷却和芯本体冷却的良好组合。在这种情况下,绕组系统在绕组系统的导体和布置有绕组段的切口的壁之间可以具有绝缘体或主绝缘体。在主绝缘体和壁之间,可以有利地提供冷却通道或冷却系统的通道。在这种情况下,如果主绝缘体和/或绕组系统本身或绕组段在通道的纵向上具有至少部分地形成通道的凹陷(其中突起能够在绝缘体和/或导体材料中构造为压痕),这是有用的。
优选的是,各绕组段构造为型绕线圈的一部分,并以产生其中已经具有冷却通道的部分的基本形状的方式进行缠绕。替代地和特别优选的是,绕组段首先作为型绕线圈的一部分产生,而不形成冷却通道,随后提供绝缘体或主绝缘体,该绝缘体或主绝缘体具有至少一个优选随后引入的压痕,从而压痕与各本体的槽壁或切口壁一起产生冷却通道部。压痕优选在轴向延伸得比绕组段所在的切口更长,以便在切口的端部形成通道的流入和/或流出。绕组段能够由电并联的导体棒和/或线圈和/或部分导体组成。
特别有利的是,定子在准备运行状态下与转子邻接的区域内有间隙管,它将定子与转子-优选密封地-分开,以便定子的冷却系统能够独立于转子运行或定子的冷却系统相对于转子封闭。
当把芯分离成至少两个相互轴向间隔的本体时,如果绕组段以桥接轴向间隙的方式轴向延伸通过芯,则是有利的。轴向间隙能够有利地通过间隔件来保证。
本发明的一个有利的改进方案是,在第一侧上与芯轴向相邻,用于冷却介质的第一收集空间设置在芯上游。替代地或附加地,也可以在第二侧上与芯轴向相邻,用于冷却介质的第二收集空间设置在芯上游。在有两个收集空间的变体中,有利地,在两个收集空间的上游将冷却系统中的冷却介质流间隔开或分流。换句话说,冷却系统具有双流实施例,其中两个流的两个流道均具有收集空间,特别优选地从每个收集空间将冷却介质分流成相互平行的流动导向,优选分别通过芯的不同本体。
本发明的一个有利的改进方案是,绕组系统包括绕组端部,其中至少一个绕组端部至少部分地布置在收集空间中,其中至少一个喷嘴的定向方式是加速射流至少在轴向-径向定向方面指向绕组端部。优选地多个喷嘴的定向可以是纯径向的,或者相对于径向和轴向倾斜。特别优选的是,喷嘴在绕组端部的径向外侧布置,并且加速射流平行于径向方向从外侧向内侧指向所述至少一个绕组端部。在多个喷嘴的情况下,这些喷嘴的定向和布置方式可以是使各个射流关于各自的射流中心轴线限定或者是基本上径向的平面,在圆周方向上相互之间有假想的环形连接,或者是圆锥体形状。
本发明的一个有利的改进方案是,冷却系统分别在进入收集空间的点处具有沿圆周方向在圆周的至少一部分上延伸的入口通道,该通道有从入口通道进入收集空间的流出开口。在这种情况下,流出开口优选构造成使冷却介质以在圆周上均匀分布的方式流入收集空间。优选的是,入口通道均在整个圆周上延伸。所有的流出开口都可以构造成入口通道的壁上的喷嘴,特别是将壁构造成穿孔叠层的方式。备选地,只有部分流出开口构造成喷嘴,使得其他流出开口优选用于否则尽可能均匀的分布。
流出开口能够设置在不同的圆周位置和/或径向位置,和/或流出开口能够至少部分地具有不同的尺寸和/或以不同的间距布置,和/或流出开口能够优选构造成在额定运行期间在流出开口之间冷却剂过流的圆周分布基本上与目标圆周分布相一致。目标圆周分布能够优选在圆周上均匀分布,以便定子的任何部分都不会过热。在此,如果至少一些流出开口被构造成所述的喷嘴,其中冷却介质流入喷嘴并以加速射流指向绕组系统的一部分的方式流出喷嘴,则是特别优选的。
本发明的一个有利的改进方案是,冷却系统被构造成,在布置在芯的两个轴向侧的收集空间的上游,提供了被分流为至少两个相互平行地导向的流道的第一分流,并且收集空间位于平行导向的流道中。
特别地,当使用高品质的冷却介质时,如果冷却介质沿着封闭的回路被引导,那就很有用。优选的是,冷却系统具有以封闭方式构造的主回路。所述主回路可以通过热交换器从不同的散热器冷却,例如通过空气冷却(二次冷却)。
特别有利的是,冷却系统以这样的方式填充有冷却介质,即在运行期间,相对于环境,冷却系统中普遍存在至少0.1巴,优选0.3巴的减压。为此,可以提供冷却系统的相应的压力调节,其被构造成在运行期间,相对于环境,冷却系统中普遍存在至少0.1巴,优选0.3巴的减压。优选地,冷却系统具有泵,该泵特别优选地具有至少Δp=0.3巴,优选Δp=0.4巴到0.6巴之间(例如Δp=0.5巴)的输送压力。定子中的减压对间隙管的稳定性有积极的影响,因为间隙管的圆柱形在内部压力比外部压力高的情况下比在相反的压力关系下在机械上更稳定。因此,在这样的运行模式下,间隙管可以构造成较小的壁厚,从而对机电换能器的效率产生积极影响。在冷却系统的正常运行中,预计通过喷嘴或流出开口会出现约0.1巴的压力差。沿着在那里提供的冷却通道的芯过流-特别是例如在绕组段和透磁体之间-可以产生大约0.3巴的压力差。
根据本发明的机电换能器优选以发电机的构造形式用于风力发电设备,因为它们在设计紧凑的同时具有高功率密度。
因此,本发明的一个优选应用领域是发电机,特别是具有永磁转子的发电机,尤其是风力发电设备的发电机,从而本发明也涉及发电机或风力发电设备的发电机或具有包括根据本发明的定子的发电机的风力发电设备。本发明的另一应用领域是异步机,特别是鼠笼式电动机。在异步机的情况下,由于与永磁转子相比气隙较小,所以必须把间隙管实施成壁相对薄。
在这种情况下或者额外地,可使用计算机实现的方法来模拟根据本发明的定子的运行。特别有用的是,通过计算机实现的方法来模拟定子或相应的整体机器(机电换能器)的设计是有用的。通过这种方式,同时考虑到在不同运行条件下模拟期间产生的芯中的温度分布,有可能找到可变设计参数和运行参数的最佳可能配置。此外,模拟的可能性也很有价值,能够伴随运行期间对温度分布和可能的极限值越界情况或材料损坏情况做出说明,而且如果有必要,还可以决定应该实际执行哪种运行方案。模拟可以在运行期间伴随支持维修间隔的确定、使用寿命的预测和备件的提供。在这种情况下,当模拟-即定子的虚拟图像表示-和物理实施之间有到传感器的链接时,目前行话经常使用“数字孪生”这一术语。
因此,本发明还涉及一种计算机程序产品,用于通过至少一台计算机进行模拟方法。这里,如果在定子的虚拟图像和物理实施之间有到至少一个传感器的链接,那么特别优选,使得模拟可以与物理实施同步。
附图说明
下面将通过以原理性显示的实施例来更详细地解释本发明的一个有利的实施方式。在图中:
图1以包含冷却系统细节的径向减半纵向截面图示出机电换能器的示意图,
图2以纵向截面图示出机电换能器的示意图,
图3示出图2中标识的III-III截面,
图4示出在本体的槽中的绕组段的立体示意细节图,
图5示出根据本发明的装置/方法的计算机执行的模拟、计算机程序产品的示意图。
具体实施方式
图1示出被实施为电动机器(这里是发电机)的机电换能器的径向减半示意性纵向截面图,其中图示的重点是定子STT,其在圆周方向CDR上并沿纵轴线RTX的纵向方向基本上圆筒形地围绕转子ROT。图2也示出纵向截面图,在这里是整个径向图示。图3示出图2中标识的III-III截面。
围绕纵轴线RTX可旋转地安装的转子ROT在图中仅作了暗示。构造为与转子ROT交互的定子STT包括冷却系统CLS、绕组系统WDS和芯CRE。
冷却介质CMD流过冷却系统CLS。在该情况下,从热交换器HXC开始,冷却系统CLS首先从冷却介质CMD的第一分流SPT开始以双流均延伸到定子STT的轴向端,在此在定子STT轴向端的冷却介质CMD分别进入收集空间CCV。
芯CRE的两个本体PMB具有沿绕组段WWR在纵向方向上布置的通道CHN。因此,冷却介质CMD在轴向方向上至少部分流过本体PMB。在两个本体PMB过流的下游,两个以平行方式导向的流道PFP被重新合并。
绕组系统WDS包括绝缘体ISO。芯CRE包括两个透磁体PMB,第一本体PM1和第二本体PM2,它们在轴向方向上相互间隔开。轴向间隙AGP位于两个本体PM1和PM2之间。绕组系统WDS的绕组段WWR至少部分地布置在芯CRE的切口RZS中(关于此的更具体细节也可以从图3中收集)。绕组段WWR以桥接轴向间隙AGP的方式延伸穿过芯CRE的本体PMB。
冷却介质CMD的平行流道PFP在轴向间隙AGP中合并,其中在轴向间隙AGP的下游,冷却介质CMD再次被给送到热交换器HXC。热交换器HXC将散热损失QPS给送到散热器(未示出)。后者可以是例如辅助空气冷却设施。此外,热交换器HXC还包括用于在封闭的回路中输送冷却介质CMD的合适装置(在这里通常使用泵,因为考虑到所要求的要处理的散热的能力,冷却介质CMD是以液相使用的)-除非确保足够的自然循环。在本情况下,具有至少0.3巴、优选在0.4巴-0.6巴之间(例如Δp=0.5巴)的输送压力的泵PMP被集成在热交换器HXC中。冷却系统CLS以此方式填充有冷却介质使得在运行期间,与环境相比,冷却系统中普遍存在约0.3巴的减压。为此,可以提供冷却系统CLS的相应的压力调节器(在本情况下为热交换器HXC的一部分),其被设置成在运行期间,与环境相比,冷却系统中普遍存在至少0.1巴,优选0.3巴的减压。定子中相对于大气压力的减压对间隙管SEP的稳定性有积极影响,因为间隙管SEP的圆柱形在内部压力比外部压力高的情况下在机械上更稳定。
冷却系统CLS具有喷嘴FTO,冷却介质CMD在运行期间流过喷嘴FTO,使得冷却介质CMD在喷嘴FTO的下游作为加速射流流出。在本情况下,所述喷嘴FTO被构造成在两个轴向侧从入口通道ICH进入收集空间CCV的流出开口EJH。入口通道ICH在位于两个轴向侧的收集空间CCV的径向外壁的内侧分别沿圆周方向CDR延伸。在该情况下,流出开口EJH形成在入口通道ICH的壁上,特别是以这样的方式,即壁被形成为穿孔叠层。这种布置确保冷却介质CMD以在圆周上均匀分布的方式流入收集空间。流出开口EJH被构造成所述喷嘴FTO,冷却介质CMD流入其中,并以加速射流指向绕组端部WDH的方式流出。
所有以平行方式导向的流道PFP在轴向间隙AGP中合并。
图3中所示的横截面III-III在中心具有偏移,示出了冷却介质CMD经由入口通道ICH穿过流出开口EJH进入收集空间CCV的给送INL,以及还示出了(在图示的下部区域)冷却介质CMD返回RTN到热交换器HXC。
图4示出绕组段WWR的示意性透视细节图,该绕组段WWR被布置在本体PMB中被构造为槽的切口RZS中。绕组段WWR设有绝缘体ISO,其中基本上相互平行延伸用于冷却系统CRS的冷却介质CMD的过流的通道CHN被设置为绝缘体ISO中的压痕。以这种方式,通道CHN沿着绕组段WWR和沿着本体PMB的表面在纵轴向延伸,从而确保芯CRE的均匀散热。冷却介质CMD冷却本体PMB和各个绕组段WWR两者,因为轴向延伸穿过芯CRE的绕组段WWR与本体PMB中对应的切口RZS的相邻表面一起限定了本体PMB中冷却系统的具有平行过流的通道CHN,使得冷却介质CMD在各自的绕组段WWR处并沿着本体PMB流动。
在布置在本体PMB的相应过流上游的收集空间中,从冷却系统CLS开始看,在该示例中在热交换器HXC中提供的第一分流之后跟随的是冷却介质CMD进入穿过各自本体PM1、PM2的平行流道的第二分流SPT。因此,进入平行流道PFP的分流实际上是级联的,使得在第一分流SPT之后,收集空间CCV位于以平行方式导向的流道CSP中,并且在收集空间CCV中,进入相互平行导向的流道PFP中的第二分流SPT沿着通道CHN进入本体PMB。
图5示出了根据本发明的装置/方法的模拟SIM的示意图,所述模拟在计算机CMP(这里是在包括云CLD的网络WWB的多台计算机CMP)上执行。安装在计算机CMP上的软件是计算机程序产品CPP,当在至少一台计算机CMP上执行时,使用户能够通过界面屏幕、键盘影响或进行配置并在已执行的模拟SIM的基础上获得知识,以便特别是技术设计决策能够通过模拟的方式得到辅助和验证。
尽管本发明已通过优选实施例进一步详细说明和描述,但本发明不受所公开的实施例的限制。在不脱离以下权利要求书所定义的本发明的保护范围的情况下,本领域技术人员可以得出其变型。
Claims (14)
1.机电换能器的定子(STT),特别是电动机器的定子,被构造成与转子(ROT)交互,包括
-冷却系统(CLS),
-绕组系统(WDS),
-芯(CRE),其包括至少一个透磁体(PMB),
其中,所述定子(STT)沿纵轴线(RTX)延伸,
其中,所述芯(CRE)具有切口(RZS),所述绕组系统(WDS)的绕组段(WWR)至少部分地布置在所述切口中,
其中,所述冷却系统(CLS)被设计为由冷却介质(CMD)流过,
其中,所述冷却系统具有至少一个喷嘴(FTO),所述冷却介质(CMD)在运行期间流过所述喷嘴,使得所述冷却介质(CMD)在所述喷嘴(FTO)下游以加速射流流出,其中所述喷嘴(FTO)以这种方式构造和定向使得所述绕组系统(WDS)的一部分被来自所述喷嘴的所述加速射流撞击,
其中,所述芯(CRE)具有至少两个轴向彼此相邻布置的本体(PM1、PM2):第一本体(PM1)和第二本体(PM2),
其中,所述第一本体(PM1)以通过轴向间隙(AGP)与所述第二本体(PMB)间隔开的方式布置,
以及其中,所述冷却介质(CMD)从以平行方式导向的各个流道(PFP)在所述轴向间隙(AGP)中合并。
2.根据权利要求1所述的定子(STT),其中,所述冷却系统(CLS)以此方式构造使得所述冷却介质(CMD)沿闭合回路被导向。
3.根据前述权利要求之一所述的定子(STT),
其中,在第一侧上轴向相邻所述芯(CRE),在所述芯(CRE)的上游设有用于所述冷却介质(CMD)的第一收集空间(CCV),和/或
其中,在第二侧上轴向相邻所述芯(CRE),在所述芯(CRE)的上游设有用于所述冷却介质(CMD)的第二收集空间(CCV)。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的定子(STT),其中,所述绕组系统(WDS)具有绕组端部(WDH),其中至少一个绕组端部(WDH)至少部分地布置在收集空间(CCV)中,其中所述至少一个喷嘴(FTO)以这种方式定向使得所述加速射流至少关于轴向-径向定向指向绕组端部(WDH)。
5.根据前述权利要求3、4中至少一项所述的定子(STT),其中,所述冷却系统(CLS)在两个轴向侧都以这种方式具有收集空间(CCV)使得分别在所述收集空间(CCV)的上游设有第一分流(SPT),其被分流为所述冷却介质的至少两条相互平行导向的流道(PFP),并且所述收集空间(CCV)和指向绕组端部(WDH)的所述喷嘴(FTO)位于以平行方式导向的所述流道(PFP)中。
6.根据前述权利要求3、4、5中的至少一项所述的定子(STT),其中,所述冷却系统(CLS)分别在引入所述收集空间(CCV)的点处具有入口通道(ICH),所述入口通道(ICH)沿圆周方向(CDR)在圆周的至少一部分上延伸并具有从所述入口通道(ICH)进入所述收集空间(CCV)的流出开口(EJH),其中所述流出开口(EJH)以这种方式构造使得所述冷却介质(CMD)以在所述圆周上均匀分布的方式流入所述收集空间。
7.根据至少前述权利要求6所述的定子(STT),其中,所述流出开口(EJH)中的至少一些被构造成所述喷嘴(FTO),所述冷却介质(CMD)流入所述喷嘴(FTO),并以作为加速射流指向所述绕组系统(WDS)的一部分的方式流出。
8.根据至少前述权利要求6所述的定子(STT),其中,所述入口通道(ICH)分别在整个圆周上延伸。
9.根据前述权利要求8所述的定子(STT),其中,所有的流出开口(EJH)被构造为在所述入口通道(ICH)的壁内的喷嘴(FTO),特别是以这种方式使得所述壁被构造为穿孔叠层。
10.根据前述权利要求9所述的定子(STT),其中,所述冷却系统(CLS)具有通道(CHN),所述通道(CHN)布置在所述本体(PMB)中并且以这种方式构造使得所述冷却介质(CMD)在轴向至少按部分流过所述本体(PMB),
其中,所述冷却系统(CLS)以这种方式构造使得所述冷却介质(CMD)分为沿所述芯(CRE)彼此平行导向的至少两条流道(PFP)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的定子(STT),其中,轴向延伸穿过所述芯(CRE)的至少一些绕组段与各切口(RZS)的相邻表面一起在所述本体(PMB)中限定在所述冷却系统中具有平行过流的通道(CHN),使得所述冷却介质(CMD)沿相应的绕组段(WWR)流动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的定子(STT),其中,所述冷却系统以这种方式填充有所述冷却介质使得在运行期间,在所述冷却系统中相对于环境普遍存在至少0.1巴、优选0.3巴的减压。
13.一种计算机实现的方法,用于模拟(SIM)定子(STT)的运行或根据前述权利要求中至少一项所述的方法。
14.一种计算机程序产品(CMP),用于通过至少一台计算机执行根据权利要求13所述的方法。
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