CN1868010A - 磁芯缠绕方法、装置及由其制造的产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绕磁芯(200)的缠绕导线(150)。本发明包括在导线上形成与磁芯(200)内拐角对齐的拐角(158)，以使导线(150)可绕磁芯(200)更紧密地缠绕。当导线(150)绕磁芯(200)缠绕时，本发明还包括挤压置于磁芯(200)内径上的部分导线(150)，以提供导线(150)绕磁芯(200)缠绕的更多匝数。依照本发明制作的磁感应线圈可具有增大的电感系数，更低的温升，更小的尺寸并展示出比现有技术更小的电磁干扰噪音。

Description

磁芯缠绕方法、装置及由其制造的产品

技术领域

本发明涉及在磁芯上缠绕导线及用于绕磁芯缠绕导线的设备，特别涉及由其制造的变压器和电感线圈。

背景技术

现有的磁芯缠绕器的美国专利，包括但不限于环形线圈缠绕器，包括美国专利5331729；4379527；4872618；6557793；4288041和5875988号。通常上，如图1至3所示的现有技术，说明了在磁芯(下文中称为“芯”)上缠绕导线用以制造电感线圈的原理。现有技术使用供给环10和缠绕环20，它们具有拔出或打开/关闭式开口12和22，可使芯30被设置成，环10和20穿过芯30的中心孔。在现有技术中，手动打开开口12和22，将芯30穿入开口，从而使每个环穿过芯的中心孔32，且磁芯30的中心轴34与环的中心轴25成一合适角度。

供给环10绕其圆周具有U形的凹槽14。为了可在凹槽14中缠绕导线40，导线40的端部被手工地连到供给环10上。缠绕环20具有与供给环10基本相同的直径并与之同轴地对齐。缠绕环20具有导线器24和用于引导导线40的导辊26，可通过该导线器24从供给环10中抽取导线40。

在实际的缠绕操作中，首先，通过开口12和22，手工地将芯30插入环10和20上，并放置于如图2所示位置。然后将导线40的端部连到供给环10，并绕供给环10的中心轴旋转供给环10，用以将所需数量的导线缠入凹槽14。在切断导线40的牵引端后，切割端被穿入导线器24并绕导辊26，且从环之间径向地向外被抽出，而后固定于芯30圆周上设有的保持装置或类似装置(未示出)上。

如图3所示，当缠绕芯30时，驱动器用于使供给环10和缠绕环20旋转，旋转方向与用与将导线加载到供给环10的方向相反，通过缠绕环20上的导线器24和导辊26从供给环10中抽取导线40并与芯30相连。在这种情况下，绕供给环10缠绕的导线绕芯30螺旋缠绕成所需的匝数，并手工地除去留在供给环10上的导线。最后，缠绕有导线的芯，也就是，电感线圈也被移去。

理想的单层电感线圈应具有低的温升、高电感系数和小尺寸。而且，已经发现，可通过增大导线尺寸和总匝数及减小芯的尺寸来达到更理想的特性。再者，由于矩形导线具有比圆导线(对于一给定规格)更小的宽度，矩形导线可用于在芯上增加匝数，从而增大电感系数。因此，在本技术领域中，可发现有的美国专利已从圆导线转向制造或形成矩形导线，例如，美国专利6553650。

矩形导线在边缘处的缠绕是非常困难的。现参照图4，当导线40绕芯30的拐角34形成时，导线具有扭曲和对角地排列的倾向。如果导线40在拐角两侧均被拉紧地引导，可防止扭曲，但是芯在缠绕的过程中，当导线绕芯30内壁36缠绕时，没有足够的空间用以引导导线。在某种情况下，矩形导线被成形并从芯中切下一片，这可允许导线滑到芯上。然而，当芯的一片被切除时，磁性会降低，芯的电感系数会减弱。

因此，本发明的一个目的是在克服现有技术相关问题的同时维持电感线圈的较低温升，高电感系数和小尺寸。

发明内容

由于现有技术的上述缺点，本发明的一个目的在于提供一种电感线圈，在与根据现有技术制造的电感线圈相比较时，该电感线圈具有更低的温升，更高的电感系数，更小的尺寸，或更少的电磁干扰噪音。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用导线缠绕的芯。导线的一部分围绕位于芯前的成形工具的外边缘被首先包绕。成形工具的外边缘的形状类似于芯的内径。一旦导线部分绕成形工具成形，导线部分将以与芯的内部形状相配合的形状被预制。因而，绕这种芯的内径提供了紧密的配合。成形工具可被收回，因而导线可穿过芯被牵引，其中导线预制部分与芯的内部形状对齐。这个过程可被重复直到芯被缠绕形成电感线圈。当导线为矩形时，优选此过程。在一个圆形导线的实施例中，当绕成形工具成形时，导线被压平或挤压。一旦挤压后的导线部分绕芯缠绕，将使得绕芯缠绕更加有效，从而提供了一种具有较低温升，较高电感系数或较小尺寸的电感线圈。这个过程可通过自动缠绕设备或使用手工钩缠绕的方法实现。

在第一层的导线绕磁芯缠绕后，可使用相同过程缠绕出多层用以形成变压器。当切换到第二层时，成形工具应被替换成第二成形工具，该第二成形工具具有与第一层导线内部形状相配的外部形状，于是，导线第二层绕第一层紧密缠绕。

如上描述的以成形的导线提供电感线圈的过程可用矩形或圆形导线通过手工钩子缠绕过程或自动缠绕器制造。

附图说明

可通过参照附图来更完全地理解前述内容，其中：

图1为现有技术传送装置的分解透视图；

图2为现有技术传送装置的透视图；

图3表示在现有技术的缠绕器的使用中，传送装置的旋转方向和导线的移动；

图4表示在现有技术的缠绕器的传送装置的每个旋转过程中，导线的供给；

图5表示根据本发明的芯自动缠绕装置的主部件；

图6为图5的自动缠绕装置旋转180°；

图7表示图5的具有压平工具的芯自动缠绕装置挤压导线；

图8为成形工具收回时的图6的芯自动缠绕装置；

图9a是芯和成形工具的横截面视图，表示导线包绕着成形工具；

图9b为图9a的成形工具收回时的芯的横截面视图；

图10为导线挤压后和成形工具收回时的芯的横截面视图；

图11a为电感线圈的侧视图；

图11b为图11a的电感线圈的横截面视图；

图11c为变压器的侧视图，其包括两种不同规格的导线，每种导线绕磁芯缠绕了大约一半；

图12表示根据本发明一个实施例的钩缠绕装置的主要部件；

图13为图12的钩缠绕装置的透视图，表示了压平工具挤压导线；

图14为图12的钩缠绕装置的透视图，表示了压平工具和成形工具被收回；

图15为图12的钩缠绕装置的透视图，表示了导线绕芯被拉紧；

图16a为钩缠绕装置的透视图，该装置具有绕成形工具放置的引导工具，用以防止矩形导线在绕芯螺旋缠绕时的导线歪斜；和

图16b为钩缠绕装置的透视图，该装置具有部分地从成形工具台移去的引导工具，仅用于说明目的。

具体实施方式

虽然本发明能表现为很多不同形式的实施例，但附图所示的和将要在此详细描述的为本发明的优选实施例。然而，可以理解的是，本公开应视作发明原理的范例而不是希望去限制所阐述的本发明和/或实施例的权利要求的精神或范围。

现在参照图5，图5表示了一种根据本发明的磁芯自动缠绕装置100(缠绕器)。在本实施例中，缠绕器100包括供给环和缠绕环，在这里作为传送装置102被提及。当芯旋转机构和支撑物106旋转磁芯200时，传送装置旋转机构(未示出)驱动传送装置102。装置100还包括用于控制旋转机构112和106的控制单元105。

磁芯200(此处称为“芯”)通常为导电的椭圆或其它非圆形芯形并可被表示为环形，但并不限于此。此外，磁芯200可以是固体环也可以不是固体环，因此环可包括液体或液体/固体混合的内部。

传送装置102包括U形的缠绕凹槽(未示出)，用于固定导线150和传送装置的导辊108，导辊108从传送装置102中导出导线150。传送装置旋转机构用于独立地使传送装置旋转，以便导线150可从传送装置102中拉出。传送装置旋转机构包括驱动辊112，该驱动辊112与传送装置102啮合并驱动传送装置102。此外，在芯200的缠绕过程中，可包括多个驱动支撑辊114以帮助引导或旋转传送装置。

装置100也包括由控制单元105控制的制动机构104，用于在导线150上施加压力。制动机构104包括绕传送装置固定的第一制动片104a和第二制动片104b。第二制动片104b通过销110悬挂在第一制动片104a上。当控制单元105将制动机构激活时，压力被施加到导线150上，因而导线150保持在一个拉紧位置上。

芯旋转机构106包括两个驱动辊116，两个驱动辊116位于沿传送装置102的指定点处，一个驱动辊高于传送装置102，另一个低于传送装置102。两个驱动辊116与芯200啮合，这样在操作时，芯200可绕其轴旋转。

参照图6至图8，自动缠绕器100还包括成形台130，该成形台130与芯200一起放置并对齐。成形台130包括可相对于成形台130水平移动的成形工具132。因而可从芯200的外壁206将成形工具132移动一指定距离D(图9a)。该指定距离被规定为与芯200的外壁206的长度基本相等。当导线150绕芯200缠绕完成时，成形工具132在成形台中也是可收回的，这将在下面详细解释。

参照图9a，成形工具132包括外侧轮廓135，外侧轮廓135基本上与由芯200所限定的内侧轮廓205相同。如本发明全文中所用的，成形工具132的外侧轮廓135可能只被限定为外壁136，或可能会限定为包括侧壁138。进一步地，由芯200限定的内侧轮廓205可只包括内壁207或可定义为包括侧壁209，因此，芯200内侧轮廓的定义限定了任何在内壁207和侧壁209之间形成的拐角。于是，芯200的内侧轮廓可包括直的，圆的或稍微弧形的拐角。这是发明的一个重要方面，不考虑确切的形状，成形工具具有匹配的轮廓，以便导线150紧密地缠绕在芯200的内侧轮廓205上。此外，如本发明中所用的，芯可包括外侧轮廓206，外侧轮廓包括任何没有被内侧轮廓205覆盖的部分。

如果导线150是矩形的，则导线150绕成形工具132缠绕，而后成形工具132被收回(图9b中所示，为了清楚起见被隐去，如在图8中所见，成形工具132向下凹入成形台130中)。因此，导线150包括预制部分154(在标记152之间确定的)，该预制部分154与由芯200限定的内侧轮廓205基本对齐。这样，芯200缠绕的导线将会更紧密贴合地用于提供理想的电感线圈。

继续参照图7，如果导线150是圆的，自动缠绕器100也配有压平工具160。所用的压平工具可为气动压力机，液压压力机，肘杆式压力机，飞轮式压力机或锤。压平工具160包括用于容纳成形工具132的凹口部分162。当压平工具160向下按压导线150(图7)时，导线150的预制部分154被挤压或基本上压平。当扁平的压平工具160从成形台130抬起，成形工具132被收回(图8)，以允许拉出并绕芯200缠绕预制且压平的导线150。

在图10中所示，导线150的预制部分154被压平，且表示为具有比未压平部分更大的厚度，通常用压平的预制导线156来表示。本领域技术人员可以理解的是，压平的导线150部分在不背离这里所述方法的条件下可小于或大于文中所表示的厚度。而且，对导线150厚度作出实质改变只是为了说明厚度发生了的改变。厚度的改变可能不如在导线150压平和未压平的部分之间形成渐细的部分那么显著。

如图11a和11b所示，旋转芯200并重复此过程，直到通过螺旋的缠绕制得希望的匝数从而形成电感线圈210。通过压平或挤压导线部分，减小了宽度，这使得绕芯的导线每层可具有更多的匝数。与依照现有技术制造的电感线圈相比较，这可制得具有更低温升，更高电感系数和更小尺寸的电感线圈210。如所示的，导线150优选以一个角度被压平，因此，从未挤压导线到挤压后的导线，存在一个渐细的区域158。

从本发明可以理解，芯被螺旋地绕好后，可以增加附加的导线层。本发明方法提供了一种成形工具，该成形工具具有与其上设有附加层的导线层内侧轮廓相配的外侧轮廓。此外，如图11c所示，不同规格的导线可用于同一芯。第一规格的导线150a绕芯200的第一部分220a螺旋缠绕，第二规格的导线150b绕相同的芯200的第二部分220b螺旋缠绕。

以不同的角度去挤压导线可达到多种效果。然而，当外表线匝互相接触时，对于一给定导线所允许的最大匝数将取决于芯的内部。数学上来讲，该角度可通过以下公式确定

当采用本发明时，下列特性被确定：

(1)增大电感系数-使用本发明可使得在同一芯上增加相同导线尺寸的更多匝数，当其它所有条件相同时，这将增大电感线圈的电感系数；(2)较低温升-本发明允许大直径导线适合于芯的内径而不需改变芯的尺寸，较大直径导线减小了铁损并因此降低了温升；(3)减小尺寸-本发明允许相同尺寸的导线绕较小的芯缠绕更多匝数并因此减小了尺寸和重量，因为这种更小的设计可具有相同的电感系数和温升；和(4)降低噪音一本发明也降低了通常上由电感线圈产生的电磁干扰(EMI)或噪音，这是由于在缠绕线圈开始和结束之间的间距，因为较大的间距降低了EMI。

芯200也可用已知的“钩缠绕”过程进行人工缠绕。本发明包括以钩缠绕过程缠绕芯，和具有在导线中形成拐角(相当于芯的内部拐角)和/或压平或挤压绕芯侧壁、内拐角和内壁包绕的导线部分的附加特征的装置。同时可以理解的是，挤压部分可以大于或小于这里所阐述的。

现参照图12至15，表示了一种钩缠绕装置300并公开了使用所述装置缠绕芯的方法。导线150(此例为典型的圆形)具有固定到柱302上的引导部分151。柱302可设于芯旋转机构和支撑物106。将导线150包绕在成形工具132上并置于钩312中，钩312从钩支撑物310延伸至一初始位置。收回钩312，以拉出绕成形工具132的导线，从而形成导线150中的预制部分154(如图9b所示)。在绕芯缠绕前导线被挤压。将压平或挤压工具160向下压在导线150上(图13)。如上所述，可绕相应于芯200内侧轮廓的预制部分154挤压导线。导线可包括挤压部分和未挤压部分之间渐细的部分。压平工具160和成形工具132被收回(图14)。导线150绕芯200(图15)被拉紧，因此挤压的预制部分与芯200的内侧轮廓对齐。旋转芯200，延伸成形工具132，延伸钩312或将其置于初始位置。此过程被重复直到形成拐角的导线150螺旋缠绕。

现在另一个实施例中参照图16a和图16b，使用钩缠绕装置400和矩形导线402，引导部分404被固定到柱306上。柱306可设于芯旋转机构和支撑物408。导线402绕在成形工具410上并具有前面所讨论的外侧轮廓。导线402也被置于钩中，该钩从钩支撑台414延伸到一初始位置。通过收回钩412来绕成形工具410拉出导线，用以在导线402中形成预制部分416。当形成预制部分时，引导工具420用于绕成形工具410无导线缠结或卷绕地引导矩形导线。成形工具410被收回(未示出)，导线402绕芯425拉紧，因此预制部分416与芯425的内侧轮廓对齐。旋转芯425并延伸成形工具410。钩412也被延伸或置于初始位置。重复此过程直到芯被导线402螺旋缠绕。虽然图16b说明了移动或收回引导工具420，但移动它的目的仅在于为了说明该装置400的其它部件。引导工具420可固定在适当位置，因而导线402在引导工具420和成形台430之间滑动。

下列表格表示了依照本发明制造的成形的和挤压的(后称“挤压导线”)电感线圈与圆导线电感线圈之间的比较：

表1表示芯的“挤压导线”计算，如Magnetics公司的零件号为77083-A7号芯。使用本发明，计算得到245mH的电感系数和38.5℃的温升。所有表中的计算都基于单层缠绕和最小的开始至结束的导线间距0.319”。此间距和单层缠绕对于维持可接收的EMI级别而言是必须的。

                表1挤压导线

芯尺寸                 0.95”内径×1.57”外径×0.57”高

完成的线圈尺寸         0.77”内径×1.57”外径×0.57”高

导线尺寸               14¹/₂AWG(挤压尺寸0.038”×0.090”)

匝数                   55

电感系数               245mH

直流电阻               25mΩ

12A直流时温升          38.5℃

开始至结束间距         0.319”

表2表示了可在同一芯(Magnetics公司，产品号为77083-A7)上缠绕的最大圆导线，因此匝数等于上面挤压导线示例中所完成的匝数。计算表明为了等效电感系数，导线尺寸必须被减小为17¹/₂AWG。导线尺寸的减小产生了104％的直流电阻增大和80％的温升增大(温升℃＝[总功率消耗mW/可用表面积cm²]^-0.833)

                  表2使用同一芯的最大圆导线

芯尺寸                     0.95”内径×1.57”外径×0.57”高

完成的线圈尺寸             0.86”内径×1.66”外径×0.66”高

导线尺寸                   17¹/₂AWG

匝数                       55

电感系数                   245mH

直流电阻                   51mΩ

12A直流时温升              69.4℃

开始至结束间距             0.376”

表3表示了外径必需增大11.4％以维持与“挤压导线”技术相同的高度，电感系数和温升。

表3使用圆导线的用于等效电感系数，温升和最终间距的最小芯/线圈尺寸

芯尺寸             0.95”内径×1.85”外径×0.57”高

完成的线圈尺寸     0.84”内径×1.95”外径×0.68”高

导线尺寸           16AWG

匝数               46

电感系数           245mH

直流电阻           36mΩ

12A直流时温升      42.4℃

开始至结束间距     0.368”

从前述和上面所提及的，可以注意到，在不背离本发明新颖概念的精神和范围的条件下，可实现多种变化和修改。应当理解，对于这里说明的特定实施例，不希望或推断有任何限制。当然，希望通过所附权利要求可将所有这些变型覆盖在权利要求的范围内。

Claims (32)

1.一种磁芯的缠绕方法，包括：

提供装载有导线的传送装置；

通过使传送装置穿过磁芯的中心孔而将磁芯设置在传送装置上，且磁芯具有内侧轮廓；

提供具有外侧轮廓的成形工具，该外侧轮廓基本上与由磁芯限定的内侧轮廓对应；和

从传送装置上卸下导线来螺旋缠绕磁芯，其中在绕磁芯缠绕前，导线绕由成形工具形成的外侧轮廓缠绕，来形成限定在所述导线上的预制部分，该预制部分基本对应于由磁芯限定的内侧轮廓。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

自动旋转传送装置以用于在磁芯缠绕过程中自动卸下导线。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

绕磁芯中心轴旋转磁芯，以在其缠绕过程中使导线螺旋缠绕磁芯。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述导线上的预制步骤后收回成形工具。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

挤压绕成形工具缠绕的导线部分。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

绕磁芯缠绕导线，以使导线的挤压部分绕由磁芯限定的内侧轮廓缠绕。

7.一种缠绕磁芯的方法，包括：

提供装载有导线的传送装置；

设置磁芯，以使传送装置穿过磁芯的中心孔，且磁芯具有内侧轮廓；

绕磁芯固定导线的引导端；

提供具有外侧轮廓的成形工具，该外侧轮廓与由磁芯限定的内侧轮廓对应；和

旋转传送装置并卸下导线来绕成形工具缠绕导线，以使导线具有与由磁芯限定的内侧轮廓对应的预制部分；

临时暂停传送装置的旋转；和

收回成形工具并恢复旋转传送装置来绕磁芯抽取导线，由此导线的预制部分与由磁芯限定的内侧轮廓对齐。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

绕磁芯中心轴旋转磁芯，以使导线螺旋缠绕磁芯。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在收回成形工具前压平绕成形工具缠绕的部分导线，以生成导线的挤压部分。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在收回成形工具前压平绕成形工具缠绕的导线，以生成导线的挤压部分，该挤压部分与由磁芯限定的内侧轮廓对应。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

压平导线的步骤还包括以一角度压平导线来形成挤压区域，该挤压区域从导线未挤压部分到导线的挤压部分逐渐变细。

12.一种缠绕磁芯，包括：

具有内侧轮廓和外侧轮廓的磁芯；和

绕部分磁芯螺旋缠绕的导线，该导线具有挤压部分和未挤压部分，挤压部分与磁芯内侧轮廓相邻，未挤压部分与外侧轮廓相邻。

13.根据权利要求12所述的缠绕磁芯，其中：

导线具有与磁芯内侧轮廓对齐的预制形状。

14.一种用于缠绕磁芯的缠绕装置，磁芯具有内侧轮廓和外侧轮廓，该装置包括：

传送装置，装载有导线；

磁芯支撑物，支撑磁芯以使传送装置穿过磁芯的中心孔；

成形工具，具有外侧轮廓，该外侧轮廓与由磁芯限定的内侧轮廓对应；

传送装置旋转装置，用于卸下导线和绕成形工具的外侧轮廓缠绕导线，以使导线具有对应于由磁芯限定的内侧轮廓的预制部分。

15.根据权利要求14所述的装置，还包括：

收回成形工具的装置。

16.根据权利要求15所述的装置，还包括：

置于成形工具之上的挤压工具，当朝向所述成形工具放下时，挤压工具挤压绕由成形工具限定的所述外侧轮廓缠绕的导线部分。

17.根据权利要求16所述的装置，其中：

磁芯支撑物包括旋转装置，该旋转装置旋转一对磁芯辊，磁芯被磁芯辊之间的给定力支持，在此状态下，磁芯通过所述磁芯辊而绕其中心轴旋转。

18.根据权利要求15所述的装置，其中：

挤压工具以某一角度挤压导线部分，以在导线的挤压部分和未挤压部分间生成逐渐变细的区域。

19.一种缠绕磁芯的方法，包括：

提供导线；

在支撑物上设置磁芯，以使导线穿过磁芯的中心孔，且磁芯具有内侧轮廓；

提供具有外侧轮廓的成形工具，该外侧轮廓与由磁芯限定的内侧轮廓对应；

绕由成形工具限定的外侧轮廓缠绕导线，以生成预制部分，该预制部分与由磁芯限定的内侧轮廓对应；和

绕磁芯缠绕导线，其中预制部分与由磁芯限定的内侧轮廓对齐。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

在导线绕成形工具缠绕后将导线固定在钩上；和

收回钩以在导线上形成预制部分。

21.根据权利要求19所述的方法，其中：

在收回钩以在导线间形成拐角和所述部分的步骤后，该方法包括挤压导线部分的步骤，该导线部分与由磁芯限定的内侧轮廓对应。

22.根据权利要求21所述的方法，其中：

挤压导线部分的步骤包括以某一角度挤压导线部分以在挤压部分和未挤压部分之间形成逐渐变细的区域。

23.根据权利要求19所述的方法，其中：

提供导线的步骤包括在传送装置上装载所述导线并将所述传送装置穿过磁芯中心孔，还包括机械地旋转传送装置以使导线自动从传送装置中卸下。

24.根据权利要求19所述的方法，还包括：

置于成形工具之上的引导工具，来引导导线绕成形工具而不使导线偏离。

25.一种缠绕磁芯，其包括：

具有内侧轮廓的磁芯；和

螺旋缠绕磁芯的导线，导线具有挤压部分和未挤压部分，挤压部分至少与内侧轮廓相邻，其中导线具有与磁芯内侧轮廓对齐的预制部分。

26.根据权利要求25所述的缠绕磁芯，其中：

挤压部分也与磁芯的内侧轮廓相邻。

27.根据权利要求26所述的缠绕磁芯，其中：

未挤压部分至少与由磁芯限定的外侧轮廓相邻。

28.一种电感线圈，其包括：

具有内侧轮廓和外侧轮廓的磁芯；和

螺旋缠绕磁芯的导线，导线具有与磁芯内侧轮廓对齐的预制部分。

29.根据权利要求28所述的电感线圈，其中：

导线为矩形。

30.根据权利要求28所述的电感线圈，其中：

导线为圆形。

31.根据权利要求30所述的电感线圈，其中：

导线包括交替的挤压和未挤压部分，其中挤压部分与磁芯的内侧轮廓相邻，未挤压部分与磁芯的外侧轮廓相邻。

32.根据权利要求31所述的电感线圈，其中：

磁芯是环。

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