CN212752097U - 磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，初级产生的行波磁场被次级切割所产生的电动势及电流与气隙磁场相作用产生直线向的推动力；初级包括初级线圈，次级包括超导线圈；多个初级线圈按磁场平行秩序而沿直线向列布置；初级铁芯两端各悬置有对应磁级的超导线圈；超导线圈随推动力产生直线位移，使相邻两初级线圈与其各端部相对应的初级铁磁根据磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路；两端侧的超导线圈固定于所述动子上，且动子与定子之间通过平行于所述初级线圈布置列向的磁悬浮结构来运动导向；磁悬浮结构包括：根据拓扑聚磁拓扑结构以海尔巴克阵列充磁方向拼接而成的轨道单元，与轨道单元形成电磁斥力悬浮的超导线圈。

Description

磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机

技术领域

本实用新型涉及直线弹射电动机子系统，特别是磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机。

背景技术

磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。

磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好；四是工作安全可靠、寿命长。

一般的，磁悬浮驱动及导向的无槽有铁芯平板直线电机可以根据动子形状分为圆柱形磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机、U型槽式磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机、平板式磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机。其中，平板式磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机又可细分为：无槽无铁芯平板电机、无槽有铁芯平板电机及有槽有铁芯平板电机。

其中，无槽有铁芯平板电机除了将铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板或其他不导磁的结构材料，如奥氏体不锈钢等上，铁叠片结构也用在指引磁场和增加推力。凭借铁芯材料较大的相对磁导率，可有效增加铁芯内部及气隙中的磁场目睹，增加磁轨和动子之间的吸力，并和电机产生的推力成正比，叠片结构导致接头力产生，因此，无槽有铁芯比无槽无铁芯电机有更大的推力。

例如中国实用新型专利《双定子无动子轭有取向硅钢片永磁磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机》，申请号为2017113908761，公开了一种U形双定子结构的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机。其动子线圈在推动力下沿着导轨产生直线位移。虽然该方案能够提高磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机单位体积下推力密度，但是由于此专利中动子由取向硅钢片叠压成铁芯块，然后缠绕铜线制成，导致动子质量较大，动子质量大小将会直接影响推力对动子的作用效果。而且此专利动子线圈需要与电源连结以保证电流的通入，在特定的往复运动的应用工况中可以较好的应用，但在本专利所描述的用于电磁弹射的长定子直线电机中，将会由于动子与电源接线问题而增加不必要的加工难度。以动子线圈进行的推力位移会增加结构负重及控制难度，尤其是对于高精密控制应用场景中，动子线圈的位移惯性较大，不仅对于电机控制，而且对于运行精度都会带来较大的影响。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，解决了定子线圈位移的诸多难题，同时解决了整体结构复杂且运行效率不高的问题。

本专利所涉的无槽长定子直线电机应用于电磁弹射系统，需将0.2-20吨的无人机或舰载机加速至末速度≥28.2m/s，因此运动部件应越轻越好。本专利的优势主要在于通过直流超导线圈通入恒直流电以产生远高于永磁体的稳定磁场，并增加气隙宽度以降低短次级产生的端部效应；同时采用U形双次级结构以抵消电动机法向吸力以保证系统鲁棒性；另外，采用双边永磁同步直线电机还可以提供近似单边直线电机两倍的推力以产生更大的推力密度。

因此所采用的技术点包括：

1.降低动子质量，提升加速度；

2.大磁场大气隙，提升气隙降低端部效应，增加气隙磁密提升推力密度；

3.U形无磁轭双动子，抵消单边电磁拉力；

4.无磁轭定子，磁路无旋转，可使用磁性更好的各向异性导磁材料，如取向硅钢，提升系统密度；

5.采用超导悬浮(电斥力悬浮Electrodynamic Suspension)系统稳定悬浮，无摩擦接触；

6.聚磁导轨阵列。

具体的，本实用新型的技术方案是：无槽有铁芯平板磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其结构包括：初级、次级。初级主要是定子线圈、次级主要为动子铁磁。与现有技术相比较，直观的结构差异在于将质量较大、布置接线较为困难的线圈作为定子，而相对质轻、拆卸方便的铁磁作为位移的动子。

本方案中，初级包括定子上的初级线圈，次级包括动子上的超导线圈。

初级线圈，包括硅钢片、绕组线圈；绕组线圈绕设于取向型硅钢片上。

当多个初级线圈按磁场平行秩序而沿直线向列布置，线圈通电后会根据安培定律(右手螺旋法则)产生磁场。

超导线圈，超导线圈布置于背铁上。

对于超导线圈材料的限制如：

1.超导带材由钇系、镧系、钡系或铌系等合金超导材料制成。选择合金超导体的判别标准在于其可以提供较高的超导转变临界温度，优选的种类为高温超导体；

2.跑道式超导线圈在绕制是需要进行层间绝缘处理，可以在高温带带材表面制作绝缘层，或在超导带材绕制时浸绝缘树脂材料如环氧树脂等；

3.超导带材中的超导层为脆性材料，容易损坏，因此在超到跑道式带材绕组的绕制过程中，需严格控制绕制曲率，以保证超导材料不因大曲率的绕制而发生脆性损坏。判别标准为，曲率导致的材料伸长率≤0.2％

当定子线圈两个磁极端处布置有具有同向磁力线的超导线圈时形成一个加强的磁力场，磁力线的路径从当前N极向对应的S极。

若以相邻两个初级线圈为一组，两个线圈的磁场方向互异，同时各初级线圈的两端对应有相应的磁体时。这相邻的两组单元会根据磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路。

因此，当初级线圈通电产生的行波磁场，超导线圈在行波磁场被切割时所产生的电动势及感应电流与气隙磁场相作用时产生推力，由于定子线圈为固定式，那么相应的动子铁磁就会产生直线向的推动力。

具体的，动子的弹射动力则是根据电磁弹射原理进行的，在初级线圈与超导线圈所产生的磁力线闭合回路中，经过超导线圈绕制中心的磁力线闭合回路与对应位置初级线圈的磁场形成耦合并产生同推动力方向流动的感应电流，该磁场对在其中流动的电荷产生推力作为弹射力。

在本方案中，初级线圈布置在一个定子座上，在定子座的顶面上形成两个向上凸起的竖端部，初级线圈安装在两个竖端部形成的直槽中，槽顶部封闭。对应地，在竖端部上开设有用于嵌入安装的通孔。初级线圈内部的取向硅钢片在轧制方向与磁力线方向平行叠压后成块，硅钢片的端部嵌入通孔中。

超导线圈与初级线圈的极端产生对应，超导线圈则固定在一倒U型的动子板上，确保超导线圈与初级线圈处于同一高度及合适的气隙要求。

动子板同时与定子座之间布置一个导向结构，传统导向结构大多选用公差配合的直线导轨。本方案中，采用磁悬浮结构实现运动导向。

磁悬浮结构包括：根据聚磁拓扑结构以海尔巴克阵列充磁方向拼接而成的轨道单元，与轨道单元形成电磁斥力悬浮的超导线圈。

永磁体轨道单元根据充磁方向的不同，按照增强单边磁场的原则将永磁体轨道单元拼接呈直线轨道状，同时在动子板上布置与之对应的，超导跑道式线圈以恒定环绕电流产生的稳定磁场与之产生悬浮力。

优选的是，本方案中永磁体轨道单元为正三角形截面的棱柱，棱柱扦插在60°往复折角的架体上形成直线向布置。

根据海尔巴克阵列的原则，每个永磁体轨道单元具有其充磁方向。本方案中优选两种方向：平行于底边方向充磁、垂直于底边方向充磁。基于这两个单元的组合拼装，可以拼装成基础的磁悬浮轨道。

优选的是，本方案中电磁铁轨道单元为也为正三角棱柱走线的电磁体，正三角棱柱扦插在60°往复折角的架体上形成直线向布置。

要满足电磁体单方向磁场增强则以走向方向决定，根据右手螺旋定则，确定所需要增强的棱柱外侧方向，其他面上的磁力则根据右手螺旋定则形成向棱柱内的相互抵消。

根据上述的磁悬浮结构，控制磁悬浮高度在5-20mm之间，可以稳定控制，而且快速响应。

在上述基础上，本方案中还布置了辅助轮结构用于弹射前的辅助。具体的，在动子板上布置有通过气缸推动伸出或收回的辅助轮。在定子座的两侧形成向内凹陷，从而使定子座的主体形成工字型，在凹陷内布置了配合辅助轮的导向槽，导向槽的延伸方向与动子的移动方向一致。

基于上述基础结构，本方案优选的是，两端侧的超导线圈以两两相对的位置关系布置，位置相对的两个超导线圈上的磁极为异向；同一端侧的相邻两个超导线圈上的磁极为异向。这样在每次移动时，都可以两两形成闭合的磁力线。

优选的是，相邻初级线圈之间的间距为对应硅钢片宽度的20％～30％。若两个初级线圈隔得越远，则产生的气隙磁场越弱，同时保证气隙磁场均匀的极靴就要越细长。若两个初级线圈隔得近的话，装配制造就更加困难，冷却水道的排列就比较难，水流量减少，冷却效果不佳。

优选的是，超导线圈之间的间隔需要确保在任意移动位置时，两个相邻的超导线圈能够与当前位置的两个初级线圈产生磁力线闭合回路。

优选的是，超导线圈与硅钢片端面之间形成的气隙为1～5mm。

基于上述结构，本方案可以作为适用于舰载电磁弹射系统的直线弹射电动机子系统。一般，舰载电磁弹射系统由能量存储/发电子系统、电力调节子系统、能量分配子系统、直线弹射电动机子系统以及弹射控制子系统等系统组成。直线弹射电动机子系统为兆瓦级系统，每次弹射须有15min左右的准备时间。在准备过程中，本方案中直线电机动子与悬浮用的超导线圈不通电，通过辅助轮在工字型制成基座上布置的滑槽内滑动，并通过辅助驱动装置到达指定位置。

弹射系统准备时，通过指定位置的低温制冷机的冷头对超导线圈所在的杜瓦空腔内胆进行传热冷却，同时通过接线口以磁通泵等形式向超导线圈泵入或通入大电流。制冷机要求其只能竖直放置，最下方的铜端子为所谓的“冷头coldhead”，在冷却结束后，可将冷头从冷却空腔的接口处拔出，并封闭空腔，使得空腔内一直保续该温度。本操作的目的是使得超导线圈进行场冷并进入超导态，冷却的目标温度为4K～77K，优选的范围为20-40K。电磁弹射用的动子超导线圈需要场冷至超过临界状态，冷却方式可以采用上述的低温制冷机冷头传热冷却，或采用分布冷却的冷却形式，先采用少量气态氮气冷却；后通入大量气态氮气冷却；后通入液态氮气进行冷却；最后通入气态氦气进行冷却，如冷却的目标温度较低，则可在最后一步中采用液态氦气进行冷却。

冷却目标温度的评价与选择标准为：1).冷却目标温度低，则超导线圈通入电流跟大，产生磁场更强，更利于增加推力密度；2).冷却目标温度低，则制冷系统需要较大功率以及增加大量成本。所以需综合1).和2).进行考虑。

弹射准备阶段，冷却装置的冷头或冷却接口断开，动子冷却空腔封闭，超导线圈进入超导态；同时超导线圈充电完成，由于极低的电阻所以电流可在跑道式超导绕组中一直环绕以形成稳定磁场，此时断开充电接口。由于超导线圈充电完成，因此直线电机动子下方的超导线圈磁场与基座上的悬浮磁场相作用，动子整体进入稳定的磁悬浮状态。

与辅助轮圆心相连的处于水平方向的气缸推出，与辅助轮圆心相连的倾斜的气缸吸入，此时辅助轮抬起，辅助导轨不再起作用。此时，弹射准备阶段完成；

辅助启动部件驱动动子，定子铜线中通入脉冲行波大电流，安培力对动子整体做功使得动子获得较大加速度，以将搭载在动子上的舰载机弹射出导轨。

超导励磁的直线同步电机具有功率因数高、电力电子变换转置尺寸最小、成本低等优势；辅助以电磁斥力和吸力共同作用的稳定磁悬浮系统，将极大的增加能量利用效率。

本实用新型的优点是：本结构布置合理，

1、采用定子线圈和动子铁磁的设计，可以使得结构得到大幅度优化，解决定子线圈布置的诸多难题。同时，动子质量得到大幅度减小，为系统和结构减轻压力。并且，控制负荷小，响应速度快。

2、采用了磁悬浮的导向设计，通过单元组合方式完成磁场搭建，同时达到磁力悬浮效果，降低了结构摩擦，提高了运行效率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构侧视图；

图3为定子线圈与动子铁磁的配合关系示意图；

图4为定子线圈与超导线圈之间的磁力线示意图；

图5为电磁推力发生的原理图；

图6为磁悬浮轨道内部组件示意图；

图7为永磁体的磁悬浮轨道原理图；

图8为动子内部冷却方案原理图；

图9为电机铁芯内部的磁场旋转状况图；

图10为取向刚与无取向刚B-H的曲线对比图；

图11为磁悬浮轨道的原理示意图；

图12为本方案中磁悬浮轨道的原理示意图；

图13为最佳方案的磁悬浮轨道的原理示意图；

其中：1、定子；2、动子；3、辅助轮；4、定子线圈；5、超导线圈；6、轨道单元。

具体实施方式

本实用新型的较佳实施例1：

该直线电机包括：定子1、动子2，定子1上布置线圈、动子2上布置超导线圈5。因此在运行时，动子质地较轻，运行灵活，而定子线圈上布置传感设备或线圈接线也相对容易。

定子1与动子2之间的位移导向则通过磁悬浮结构实现，磁悬浮轨道与定子线圈的排列方向相同，动子2上同时布置有与磁悬浮轨道配合的超导线圈5，因此动子2可以实现导向位移，且摩擦小、噪音小。

具体的，

定子1包括一个定子座，本实施例中定子座上端为平面，平面两侧的竖直端上开设通孔，定子线圈4则通过其中心取向型硅钢片的两端嵌装在通孔中。定子线圈4呈直线排列，确保相邻定子线圈4的磁场平行。

无磁轭定子，磁路无旋转，可使用磁性更好的各向异性导磁材料，如取向硅钢，提升系统密度。如图9所示，为电机铁芯内部的磁场旋转状况，可以看出磁场偏离取向硅钢轧制方向在10°以内。如图10所示，在偏离轧制方向10°以内，取向硅钢的磁特性显著优于传统无取向硅钢。

因此在本方案中，采用取向硅钢的叠片可以更好的提升系统推力密度。

相邻定子线圈4之间的间距为取向型硅钢片宽度的20％～30％，本实施例中优选25％。

在定子线圈4上覆盖一块隔绝磁场的盖板，定子线圈4的两个极端则露于定子座外可以与移动的动子进行磁力配合。

定子座的底部两侧呈斜面的锥状，在斜面上布置磁悬浮轨道，该磁悬浮轨道与定子线圈4的排列方向相同。

动子板呈“龙门”式配合在定子座上，动子板两侧均布置有与定子线圈4向匹配的超导线圈5，超导线圈5与硅钢片端面之间形成的气隙为1～5mm。

动子板的底部同时布置有配合磁悬浮轨道的超导线圈5，超导线圈5与磁悬浮轨道间的高度在5-20mm之间，可以稳定控制，而且快速响应。

本实用新型的较佳实施例2：

初级包括定子线圈4，次级包括动子铁磁。

定子线圈4，包括取向型硅钢片、绕组线圈；绕组线圈绕设于取向型硅钢片上。

动子铁磁，包括背铁、超导线圈5；超导线圈5布置于背铁上。

当多个定子线圈4按磁场平行秩序而沿直线向列布置，线圈通电后会根据安培定律(右手螺旋法则)产生磁场。

当定子线圈4两个磁极端处布置有具有同向磁力线的磁体时形成一个加强的磁力场，磁力线的路径从当前N极向对应的S极。

若以相邻两个定子线圈4为一组，两个线圈的磁场方向互异，同时各定子线圈4的两端对应有相应的磁体时。这相邻的两组单元会根据磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路。

因此，当定子线圈4产生的行波磁场被动子铁磁切割所产生的电动势及电流与气隙磁场相作用时，由于定子线圈4为固定式，那么相应的动子铁磁就会产生直线向的推动力。

本实用新型的较佳实施例3：

在动子板上布置有通过气缸推动伸出或收回的辅助轮3。在定子座的两侧形成向内凹陷，从而使定子座的主体形成工字型，在凹陷内布置了配合辅助轮的导向槽，导向槽的延伸方向与动子的移动方向一致。

动子的超导线圈与定子线圈4相配合，同时动子板还通过磁悬浮结构与定子座保持导向关系。

磁悬浮结构包括：根据聚磁拓扑结构以海尔巴克阵列充磁方向拼接而成的轨道单元6，与轨道单元6形成电磁斥力悬浮的超导线圈5。

如图8所示，三组超导线圈由一个联通的、共通的空腔7相连接，此空腔7用于制冷。制冷机的“冷头”为与此空腔入口相连的制冷机铜端子，同时类似的共通的空腔空间还可用于向超导线圈的端子中通入或泵入直流电。

永磁体轨道单元根据充磁方向的不同，按照增强单向磁场的原则并基于右手螺旋定则将永磁体轨道单元拼接呈直线轨道状，同时在动子板上布置相应的永磁体与之产生悬浮力。

本实施例中永磁体轨道单元为正三角形截面的棱柱，棱柱扦插在60°往复折角的架体上形成直线向布置。

根据海尔巴克阵列的原则，每个永磁体轨道单元具有其充磁方向。如图5所示，两种方向：平行于底边方向充磁、垂直于底边方向充磁。基于这两个单元的组合拼装，可以将磁场在单侧方向上增强，从而拼装成基础的磁悬浮轨道。

如图11～13，这三幅图为超导带材悬浮在导轨上的原理图，其中从图11中可以看出，这个自稳定的悬浮系统具有自动维持稳定悬浮状态的特性，具体体现在：1.当动子整体右移，则左边导轨的斥力增强，推动动子回到原位；2.当动子整体下移，则同极性相斥的电磁斥力由于增大等效面积而增加，致使动子整体回到平衡位置；3.当动子整体上移，则动子本身的重力会与之相反。

图11～13为导轨可超导线圈可以呈现的悬浮状态示意图，其中本专利数模的实施案例为图13的方式，最为优选的实施案例为图12的悬浮状态。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，包括：初级、次级；初级产生的行波磁场被次级切割所产生的电动势及电流与气隙磁场相作用产生直线向的推动力；其特征在于：初级包括定子上的初级线圈，次级包括动子上的超导线圈；初级线圈包括取向型硅钢片，超导线圈包括超导带材；

多个初级线圈按磁场平行秩序而沿直线向列布置；初级铁芯两端各悬置有对应磁级的所述超导线圈；超导线圈随推动力产生直线位移，使相邻两初级线圈与其各端部相对应的超导线圈根据两者磁场发生方向形成完整的磁力线闭合回路；而经过超导线圈绕制中心的磁力线闭合回路与对应位置初级线圈的磁场形成耦合并产生推动力方向流动的感应电流，该磁场对在其中流动的电荷产生推力作为弹射力；

两端侧的超导线圈固定于所述动子上，且动子与定子之间通过平行于所述初级线圈布置列向的磁悬浮结构来运动导向；

动子上包括通过动力源驱动而推出或拉回的辅助轮；定子上包括配合辅助轮的导向槽；所述导向槽的延伸方向与动子的运动方向相同。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述磁悬浮结构包括：根据聚磁拓扑结构以海尔巴克阵列充磁方向拼接而成的轨道单元，与轨道单元形成电磁斥力悬浮的超导线圈；所述轨道单元通过棱面拼装呈板状体；每个轨道单元具有单一的磁场方向；相邻的轨道单元按照磁场方向顺时针或逆时针角度的递增顺序拼装。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：两端侧的超导线圈以两两相对的位置关系布置，位置相对的两个超导线圈的磁场方向相反。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：同一端侧的相邻两个超导线圈的磁场方向相反。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述定子上包括用于嵌装取向型硅钢片两端的凸起部；所述初级线圈的两端与所述凸起部装配并形成沿推动力方向的直槽状布置。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述凸起部上包括嵌装所述取向型硅钢片端部的通孔。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：相邻初级线圈之间的间距为对应硅钢片宽度的20％～30％。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：永磁极与硅钢片端面之间形成的气隙为1～5mm。

9.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述磁悬浮结构中，通过电磁斥力悬浮的超导线圈其悬浮高度为8～20mm。

10.根据权利要求2所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述轨道单元为正三角截面的棱柱体，其包括：磁场方向平行于底边的第一件、磁场方向垂直于底边的第二件。

11.根据权利要求10所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述轨道单元包括永磁体轨道单元和电磁体轨道单元。

12.根据权利要求11所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述永磁体轨道单元经过不同充磁方向充磁后形成；所述电磁体轨道单元根据符合右手螺旋定则的棱线向绕线路径形成。

13.根据权利要求1所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述超导线圈由超导带材绕制而成。

14.根据权利要求13所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述超导带材的表面包括绝缘层。

15.根据权利要求13所述的磁悬浮导向的无槽有铁芯平板直线电机，其特征在于：所述超导带材的绕制标准包括：绕制曲率导致的材料伸长率≤0.2％。

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