CN117730472A - 小型电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三相电动机,该三相电动机由定子部分和转子(50)形成,该定子部分由三个电绕组激励,该转子包括多个磁极,所述定子部分具有径向延伸的齿,所述定子部分包括:三个连续的缠绕齿,每个缠绕齿都承载绕组,所述缠绕齿位于第一角扇区中;以及一到三个互补的非缠绕齿,所述非缠绕齿位于与第一角扇区互补的第二角扇区中。
Description
技术领域
本发明涉及一种体积小且质量减小的三相电动机,其特别地用于驱动容纳在壳体中的多级减速齿轮,其中,定子部分被集成以允许其他部件(齿轮、电子电路等)的良好组织。
背景技术
本申请人的专利EP2171831B1在现有技术中是已知的,该专利描述了一种三相电动机的已知解决方案,该三相电动机具有由电绕组激励的定子部分和具有在交替方向上径向磁化的N对磁极的转子。
定子部分具有两个分别具有半径R1和R2的角扇形α-1和α-2,R1不同于R2,这两个角扇形分别包括从环形环径向延伸的宽齿和窄齿。宽齿的宽度大于或等于窄齿宽度的两倍,并且凹口宽度大于窄齿的宽度。角扇区α-1小于220°并且包括至少三个绕组。
专利EP3326263也是已知的,该专利描述了一种齿轮传动电机的另一种解决方案,该齿轮传动电机包括壳体,该壳体包括无刷电机,该无刷电机具有至少两个电相,围绕轴线旋转的转子,并且由定子组件构成,该定子组件具有各自承载绕组的至少两个磁极,所述绕组的绕组轴线间隔开小于180°的机械角度并且径向延伸。
专利FR3096195描述了一种齿轮传动电机的另一种解决方案,该齿轮传动电机包括减速齿轮系和三相电动机,该三相电动机包括由叠片组和3*k个电绕组形成的定子以及具有k*N对磁极的转子,其中,k=1或2,该定子具有两个分开的角扇区α1和α2,这两个角扇区以所述电机的旋转中心为中心并且包括多个交替的凹口和3*k*N个齿,这些齿规则地间隔开并且朝向旋转中心会聚并且限定空腔,所述转子布置在该空腔中,其特征在于,N=4并且α1小于或等于180°并且包括所述电机的所有所述绕组。
现有技术的缺点
背景技术的解决方案对于具有足够空间来容纳电机的应用是令人满意的。然而,不可能均匀地减小尺寸。实际上,一些尺寸受到诸如施加到绕组上的电能的参数的限制,这使得不可能减小铜的体积,并因此减小绕组线的截面或绕组的体积低于极限。而且,一些元件(例如绕组体和电连接元件)的尺寸不能与电机的尺寸成比例地减小,并且绕组的导线的可用体积因此成比例地减小。结果,所述电动机的性能降低。
因此,背景技术的解决方案面临固定功率水平的小型化限制。
发明内容
本发明的主题是解决这个缺点并且根据其最一般的含义涉及一种三相电动机,该三相电动机由定子部分和磁化转子形成,该定子部分由三个电绕组激励,该定子部分具有径向延伸的齿,其特征在于,该定子部分包括:
三个连续的缠绕齿,每个缠绕齿承载绕组,所述缠绕齿位于第一角扇区中;以及
一到三个互补的非缠绕齿,所述非缠绕齿位于与所述第一角扇区互补的第二角扇区中。
在特定情况下,所述非缠绕齿被配置成将所述三个缠绕齿的无电流扭矩调节到预定参考值。
在另一特定情况下,所述非缠绕齿的角宽度、长度以及可选地形状被调节以便将所述三相电动机的无电流扭矩曲线成形为有利于无电流扭矩的规律性和平滑性,或者基本上陡峭的分度。
同样在另一特定情况下,所述非缠绕齿的角宽度、长度和可选地形状被调节以便平衡施加在转子与定子的齿之间的径向磁力。
有利地,两个连续的缠绕齿之间的角间距为60°。
根据第一实施例,定子包括六个齿,其中,三个非缠绕齿具有60°的间距,与所述缠绕齿径向相对。
根据第二实施例,定子包括五个齿,其中,在所述第一角扇区的任一侧上具有一个非缠绕齿,其中,在该非缠绕齿与该连续的缠绕齿之间具有60°的间距。
根据第三实施例,定子包括四个齿,其中,一个非缠绕齿与中间的缠绕齿径向相对。
根据一个变体,径向测量的绕组的长度小于转子的直径,以便于插入。
根据另一变体,定子以两部分制成,从而允许插入长绕组。
根据一个变体,电动机包括以60°的角度间隔开的三个非缠绕齿,所述非缠绕齿中的每一个与所述缠绕齿中的一个径向相对。
根据另一个变体,电动机包括位于所述第二角度扇区中的两个非缠绕齿,在每个非缠绕齿与相邻的缠绕齿之间形成的角度是相同的。
根据又一变体,电动机包括单个非缠绕齿,所述非缠绕齿与中间的缠绕齿径向相对。
特别地,定子在所述非缠绕齿之间具有切口,由此空间被释放,使得能够容纳用于测量转子的位置的磁敏探针。
根据一种版本,径向测量的绕组的长度小于转子的直径。
根据另一版本,定子由两个或更多个零件构成。
根据又一版本,转子具有2N对磁极,N是小于或等于2的自然数。
设有壳体的齿轮传动电机包括三相电动机以及运动转换器。
设有壳体的齿轮传动电机还包括控制电子器件,该控制电子器件具有用于控制所述三相电动机的装置。
附图说明
通过阅读以下描述将更好地理解本发明,该描述涉及由附图示出的非限制性示例性实施例,在附图中:
[图1]图1描绘了第一示例性实施例的立体图,
[图2]图2描绘了第一示例性实施例的正视图,
[图3]图3描绘了第一示例性实施例的剖视图,
[图4]图4描绘了第一示例性实施例的定子片的视图,
[图5]图5描绘了第一示例性实施例的具有不等齿的变体的定子片的视图,
[图6A][图6B][图6C]图6A、图6B、图6C描绘了根据第一优化示例性实施例的典型扭矩曲线,
[图7]图7描绘了第三示例性实施例的立体图,
[图8A][图8B][图8C]图8A、图8B、图8C描绘了根据第三优化示例性实施例的典型扭矩曲线,
[图9]图9描绘了根据本发明的定子的替代实施例的立体图,
[图10]图10描绘了根据本发明的不同转子变体的立体图,
[图11]图11描绘了根据本发明的定子的替代实施例的立体图,
[图12]图12描绘了本发明的联接至减速齿轮的立体图,
[图13]图13描绘了本发明的联接至减速齿轮的变体的立体图,
[图14]图14描绘了本发明的联接至减速齿轮的变体的立体图,
[图15]图15描绘了图14中示出并且被整合到齿轮传动电机的壳体中的变体的立体图,
[图16]图16描绘了根据本发明的一个替代实施例的立体图,该实施例设有具有2对磁极的转子,
[图17]图17描绘了根据本发明的一个替代实施例的立体图,该实施例设有具有单个非缠绕齿的定子,
[图18]图18针对两种不同宽度的非缠绕齿示出了在每个齿上的磁力的模拟。
[图19]图19针对两种不同宽度的非缠绕齿示出了施加到定子的磁力的结果的模拟。
具体实施方式
基本原理
因此,本发明旨在提出一种电机,该电机尤其旨在装备一种齿轮传动电机,该齿轮传动电机是经济的并且坚固的,适合于批量生产,并且为此目的包括一种多相电动机,该多相电动机允许容易地与减速齿轮或运动转换器系统整合,考虑到在外部尺寸和质量方面提出的所有约束。
对于小的结构,齿之间的空间对于背景技术的定子结构是不够的,并且不允许足够的铜容纳在槽口中。实际上,绕组体相对于电机的尺寸具有不可忽略的宽度,并且由于它们由于可模制性和在绕组和定子叠片之间要保证的介电电阻的原因而不能被减小,所以必须增加铜的可用空间。本发明提出的向较少数齿的过渡使得可以增加铜的可用体积。绕组体保持恒定体积,因此有利地影响铜的体积与绕组体的体积之比。作为本发明主题的解决方案在于选择三个连续的缠绕齿的结构,其中,添加了一至三个非缠绕齿,即总共4至6个齿与至多设置有4对磁极的转子组合,所述齿彼此以60°或120°分布。由于具有4对磁极的6个齿的结构的缠绕系数与上述具有5对磁极的12个齿的结构相比在磁性上是不利的,本领域技术人员将不会自然地选择它,除非空间要求足够大。
电机仅提供有3个绕组(其最大可以承载6个),因为这使得可以减小绕组体的总体积,并且因此最大化铜的体积,并且大大简化电连接。
将具有机械地分开60°的缠绕齿的定子与具有4对磁极的转子相关联的磁性解决方案并不是微不足道的,因为这种配置具有无电流扭矩,该无电流扭矩具有低谐波范围并且因此具有显著的振幅。本发明提出通过选择齿的特定角宽度来解决该问题。
定子结构是不对称的,绕组组分布在位于小于180°的相同角扇区中的3个齿上。互补的角扇形具有一个、两个或三个裸露的齿(也就是说,没有绕组),以便平衡磁力。
由于增加非缠绕齿的长度不会对经过一定长度的机器的性能产生任何有利的影响,因此可以将它们选择为比缠绕齿短,这导致能够将包含非缠绕齿的互补角扇区内切在半径为R2的圆形空腔中,该半径R2比内切包含缠绕齿的角扇区的圆形空腔的半径R1短。
第一示例性实施例
图1至图4对应于具有六个齿(1至6)的变体的第一实施例。缠绕三个连续的齿(1-3),其中,绕组(11-13)分别由绝缘芯(21-23)支撑,在所述三个连续的齿之间形成60°的角度,由三个较短的非缠绕齿(4-6)完成。
齿相对于环形外围区域(10)径向延伸。
定子(30)以已知的方式由从铁磁金属片切割的叠片组(20)形成。绕组(11-13)安装在具有触点(31-33;41-43)的“压配合”类型的芯(11-13),从而允许与印刷电路连接。
确定非缠绕齿的特征
非缠绕齿(4-6)的角宽度α2和长度以及可选地它们的形状从无电流扭矩的角度看作为期望行为的函数进行调节,这可以有利于规则性和平滑性,或者基本上陡峭的分度。这些特征可以根据经验,通过转子原型的连续调节,或通过对无电流扭矩建模来确定。对于具有以60°的机械角连续分开的6个齿并且与具有4对磁极的转子组合的电机,无电流扭矩C0可以通过选择具有相同角展度α0的前端的齿来最小化,角展度的值在22°与23°之间。然而,这种具有相同齿的构造不一定是最佳的,因为它限制了可以分配给绕组(11,12,13)的空间。图5所示的根据本发明的替代实施例提出通过选择非缠绕齿(4-6)的角宽度α2来解决该问题,该角宽度大于缠绕齿(1-3)的角宽度α1。当非缠绕齿(4-6)被加宽并且缠绕齿(1-3)被制造得更薄以便保持恒定的总角度扩展时,即,例如如果缠绕齿被制造得薄x°,或α1=α0-x,则非缠绕齿必须被加宽相同值x°,或α2=α0+x,获得好结果。因此,可以设想齿宽的非常不同的组合,其中,x可以上至5°,从而导致具有α2=27°的非缠绕齿(4-6)与具有α1=17°的缠绕齿(1-3)相关联。确定齿的尺寸的数学规则不是绝对的并且不限制本发明,而是仅用于说明趋势;然后,技术人员将能够通过对接近所教导的值进行数值模拟和经验调节来获得完美的补偿。
图6A、图6B、图6C描绘了由磁化谐波3引起的、由缠绕齿和非缠绕齿感知的作为机械角的函数的扭矩变化,扭矩变化是针对电周期以及针对缠绕齿的角宽度α1和非缠绕齿的角宽度α2之间的比率所描绘的,该比率被优化以最小化无电流扭矩波动C0。图6A、图6B、图6C示出了具有6个齿的定子的情况。对于具有4对磁极和以60°的倍数的机械角(0°,60°,120°,180°,240°,300°)分布的齿的结构,无电流扭矩波动C0是C0,主要归因于磁化谐波3并且产生是磁周期的6倍大的频率的波动,该波动被称为C0.6。因此,图6A在曲线(101)中示出了由缠绕齿(1)感知的扭矩C0.6的模拟,并且曲线(102)描绘了由该组缠绕齿(1-3)感知的扭矩C0.6的总和。这些对与由绕组在其供给有标称电流期间产生的扭矩——曲线(100)——相比具有不可忽略的幅度。过大的无电流扭矩将在操作期间产生不期望的振动,从而导致过早磨损和噪声。因此,尽可能地限制它是非常重要的。图6B在曲线(103)中示出了针对非缠绕齿(4)模拟的扭矩C0.6,并且曲线(104)描绘了所有非缠绕齿(4-6)上的扭矩C0.6的总和。可以注意到,如图6C所示,针对缠绕齿曲线(102)和针对非缠绕齿曲线(104)模拟的扭矩C0.6具有相同的幅度但相反的相位,从而导致在所有齿(1-6)上求和并由曲线(110)描绘的扭矩C0.6的完全抵消。
第二示例性实施例
图7示出了仅具有两个非缠绕齿(4,6)的另一替代实施例,这两个非缠绕齿(4,6)彼此不连接,而是分别连接到缠绕齿(1,3),缠绕齿(1,3)由绕组(11,13)围绕。定子围绕磁化转子(50)。未连接的齿应被理解为是指这些齿之间的磁连续性在将它们分开的最小角度处存在中断,例如通过构成定子的叠片组的所述齿之间的切口。在非缠绕齿(4,6)之间释放的空间使得可以容纳磁敏探针(30)以测量转子的位置并控制绕组的供电。
与具有6个规则分布的齿的情况相反,具有以60°的倍数的机械角(0°,60°,120°,180°,240°,300°)分布的5个齿的结构在齿具有相同角展度的前端时不具有无电流最小扭矩。然而,本发明提出通过选择非缠绕齿(4,6)的角宽度α3来解决该问题,该角宽度大于缠绕齿(1-3)的角宽度α1。当非缠绕齿的角展度α3相同并且它们的总和等于缠绕齿的总角展度(缠绕齿的角展度也相同,缠绕齿的角展度α1在22°和23°之间)时,获得良好的结果。这导致关系3×α1=2×α3。如前面的实施例所解释的,该角展度α1不一定是唯一的或最优的,并且它可以被减小以便能够向绕组(11,12,13)分配更多的空间。这种减小必须伴随着非缠绕齿的角宽度α3的增加,以便保持齿(1,2,3,4,6)的角展度恒定。例如,如果缠绕齿(1,2,3)制造得薄x°,或α1=α0-x,则非缠绕齿(4,6)必须加宽互补值,或以满足关系3×α1=2×α3。因此可以设想齿宽度的非常不同的组合,其中,x可以上至5°,从而导致具有α1=17°的缠绕齿(1-3)与具有α3=40.5°的两个非缠绕齿(4,6)相关联。确定齿的尺寸的数学规则不是绝对的并且不限制本发明,而是仅用于说明趋势;然后,技术人员将能够通过对接近所教导的值进行数值模拟和经验调节来获得完美的补偿。本领域技术人员还能够修改非缠绕齿和直接相邻的缠绕齿之间的角间距以满足该目的。因此,角间距可以不同于60°,重要的方面是一个非缠绕齿与相邻的缠绕齿之间的角间距是相同的。
图8A、图8B,8C描绘了由磁化谐波3引起的、由缠绕齿和非缠绕齿感知的作为机械角的函数的扭矩变化,扭矩变化是针对电周期以及针对缠绕齿的角宽度α1和非缠绕齿的角宽度α2之间的比率所描绘的,该比率被优化以最小化无电流扭矩波动C0。图8A、图8B、图8C示出了具有5个齿的定子的情况。更具体地,图8A在曲线(105)中示出了由缠绕齿(1)感知的扭矩C0.6的模拟,并且曲线(106)描绘了由该组缠绕齿(1-3)感知的扭矩C0.6的总和。这些对与由绕组在其供给有标称电流期间产生的扭矩——曲线(100)——相比具有不可忽略的幅度。因此,尽可能地限制它是非常重要的。图8B在曲线(107)中示出了针对非缠绕齿(4)模拟的扭矩C0.6,并且曲线(108)描绘了所有非缠绕齿(4,6)上的扭矩C0.6的总和。可以注意到,如图8C所示,针对缠绕齿曲线(106)和针对非缠绕齿曲线(108)模拟的扭矩C0.6具有相同的幅度但相反的相位,从而导致在所有齿(1-6)上求和并由曲线(110)描绘的扭矩C0.6的完美抵消。
未示出的最后替代方案是使用位于互补角扇区中的单个非缠绕齿来补偿无电流扭矩。
图6A、图6B、图6C以及图8A、图8B、图8C示出了通过特定齿宽度实现的无电流扭矩C0.6的完美补偿。然而,无电流扭矩的补偿并不限制本发明,因为对于某些应用,期望无电流扭矩的非零幅度,例如以确保致动器在未被供电时的锁定。技术人员然后能够调节缠绕齿的宽度以优化其机器的性能,然后调节非缠绕齿的宽度以获得无电流扭矩的期望值。
在其他情况下,当在这种不对称定子结构上寻求最小噪声时,决定性的是注意施加在齿和转子之间的径向力并且寻求尽可能最佳地平衡它们以避免施加在转子上的定向力的结果,或者寻求最小化施加在齿上的径向力,所述径向力这导致定子结构的振动激励。本领域技术人员还可以调节缠绕齿和非缠绕齿的角宽度以满足该目的。图18和图19示出了当非缠绕齿具有与缠绕齿相同的角宽度时或当缠绕齿较宽时,对于两种不同齿宽度的磁定子力并对它们进行比较。图18描绘了在每个齿上的叠片的平面(x,y)中的磁力的模拟,并且对于所有的转子位置,当在一个电周期上由绕组的供应驱动时,每个椭圆体对应于一个齿。曲线(201,202,203)描绘了当所有齿相等时在这些缠绕齿(1,2,3)上的力,曲线(204,205,206)描绘了当所有齿相等时在这些非缠绕齿(4,5,6)上的力,曲线(301,302,303)描绘了当这些非缠绕齿在角度上更宽时在这些缠绕齿(1,2,3)上的力,并且曲线(304,305,306)描绘了当这些非缠绕齿在角度上更宽时在这些非缠绕齿(4,5,6)上的力。可以注意到,当非缠绕齿较宽时,椭圆体具有较小的表面,这对应于较弱的力。这由图19证实,图19示出了对于相同角宽度(210)的所有齿或当缠绕齿具有较大角宽度(310)时施加到定子上的力的结果。注意,不仅力的幅度在第二种情况下更小,而且它们也更对称,因为椭圆体在力的平面中更好地居中。
最后,具有相同角展度的非缠绕齿在60°的倍数的角度(即0°,60°,120°,180°,240°,300°)处的分布再次不可能优化无电流扭矩C0.6,并且本领域技术人员可以设想另一种分布,但也可以设想用于非缠绕齿的不同角宽度,例如以释放互补角扇区中的空间。
组装式定子
根据图9所示的替代实施例,定子(8)可以由例如通过楔形榫头组装的两个零件形成,其中一个零件(81)包括具有支撑绕组(11,12,13)的齿的角扇区,而另一零件(82)包括具有非缠绕齿(4,5,6)的互补角扇区。该实施例尤其使得可以串接长绕组(11,12,13),该长绕组的长度大于转子(50)的直径。
转子变体
本发明不限于如图1所示的具有4对磁极的环形转子,而是可以使用本领域技术人员公知的任何转子变体。例如,如图10所示,转子(501)可以具有8个嵌入的磁体(51),但是也可以设想使用更少的磁体的替代方案,例如在相同的图中用转子(502)示出的,具有由软铁磁材料制成的凸极(52)的交替磁极(53)。
优选地,该转子包括4对磁极;然而,本发明不限于该数目,并且通过仔细选择没有绕组的齿(4-6)的几何特征,也可以使用更少数目的极,同时受益于本发明所赋予的优点。根据公式p=2N获得具有最佳优点的极对的数量p,N是小于或等于2的自然数,即0,1或2。因此,图16示出了具有2对磁极的转子的可能变体。
具有齿口的定子变体
根据图11中所示的一个替代实施例,缠绕齿(1,2,3)可以具有被称为齿鼻的前扩口,使得可以为绕组分配更多的空间,同时优化转子流的收集。应当注意,非缠绕齿还可以附加地或替代地具有齿鼻,从而例如使齿更薄,以便使定子尽可能轻。
在齿轮传动电机中的使用
根据本发明的所有变体,本发明对于其集成到齿轮传动电机中是有意义的。图12、图13和图14示出了用于将转子与减速齿轮的第一模块联接的不同构造,并且图15示出了齿轮传动电机的壳体中的可能的集成,该齿轮传动电机还包括具有用于控制三相电机的装置的控制电子器件。转子(50)与小齿轮(51)是一体的,该小齿轮啮合在第一模块(52)的齿轮上以便减少移动。该第一模块由轴(53)支撑,该轴的布置受到磁路的体积的限制。图12示出了将这个轴插入两个非缠绕齿(4,5)之间的可能性,这使得有可能获得小齿轮(51)和模块(52)的齿轮的直径的更大的选择自由,并且因此在这个第一阶段的减少上获得更多的选择。图13示出了轴(53)在两个绕组(12,13)的周边处的另一种可能的定位。这种构造使得可以完全释放位于不包含绕组的角扇区内的空间,并因此将定子定位在齿轮传动电机的壳体的拐角中,以便获得非常紧凑的解决方案。最后,图14示出了将轴(53)插入如图7所示的具有两个非缠绕齿的本发明的一个版本的自由角扇区中的可能性。实际上,这两个非缠绕齿(4,6)不通过铁磁回路连接,并且自由空间可用于容纳减速链的第一模块(52)的小齿轮(54)。这使得可以获得在轴向方向上高度紧凑的版本。
Claims (13)
1.一种三相电动机,该三相电动机由定子部分和转子(50)形成,该定子部分由三个电绕组(11-13)激励,该转子包括多个磁极,所述定子部分具有径向延伸的齿(1-6),其特征在于,所述定子部分包括:
三个连续的缠绕齿(1-3),每个缠绕齿都承载绕组(11-13),所述缠绕齿位于第一角扇区中;
一到三个互补的非缠绕齿(4-6),所述非缠绕齿位于与所述第一角扇区互补的第二角扇区中。
2.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,所述非缠绕齿(4-6)的角宽度、长度以及可选地形状被调节以便将所述三相电动机的无电流扭矩曲线成形为有利于无电流扭矩的规律性和平滑性,或者基本上陡峭的分度。
3.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,所述非缠绕齿(4-6)的角宽度、长度和可选地形状被调节以便平衡施加在所述转子与所述定子的齿之间的径向磁力。
4.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,两个连续的缠绕齿(1,2,3)之间的角间距是60°。
5.根据权利要求2所述的三相电动机,其特征在于,所述三相电动机包括以60°的角度间隔开的三个非缠绕齿(4-6),所述非缠绕齿(4-6)中的每一个与所述缠绕齿(1-3)中的一个径向相对。
6.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,所述三相电动机包括位于所述第二角扇区中的两个非缠绕齿(4,6),在每个非缠绕齿与相邻的缠绕齿之间形成的角度是相同的。
7.根据权利要求6所述的三相电动机,其特征在于,所述定子在所述非缠绕齿之间具有切口,由此空间被释放,使得能够容纳用于测量所述转子的位置的磁敏探针。
8.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,所述三相电动机包括单个非缠绕齿(5),所述非缠绕齿(5)与中间的所述缠绕齿(2)径向相对。
9.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,径向测量的所述绕组(11-13)的长度小于所述转子(50)的直径。
10.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,所述定子由两个或更多个零件(81,82)制成。
11.一种齿轮传动电机,该齿轮传动电机设有壳体,所述齿轮传动电机包括根据前述权利要求中任一项所述的三相电动机以及运动转换器。
12.根据权利要求11所述的齿轮传动电机,其特征在于,所述壳体还包括控制电子器件(100),该控制电子器件具有用于控制所述三相电动机的装置。
13.根据权利要求1所述的三相电动机,其特征在于,所述转子(50)具有2N对磁极,N是小于或等于2的自然数。
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