CN217037068U - 一种基于磁性飞轮控制的电源逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于磁性飞轮控制的电源逆变器，包括磁性飞轮、外转子式发电机、电磁装置和电源控制器；磁性飞轮为环形结构，由非磁性固体材料制成，其外缘相间平均排布有若干个永磁体；发电机为外转子式，磁性飞轮的内缘固定套装在其外转子上；电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈，设置间隙固定安装在磁性飞轮外缘的相邻部位，线圈通过电源控制器电连接直流电源。本实用新型通过电源控制器控制电磁装置量子化消耗直流电，在发电机获得正弦波交流电，电能转换效率高，尤其适合制造大功率电源逆变器。

Description

一种基于磁性飞轮控制的电源逆变器

技术领域

本实用新型涉及电源逆变器的设计领域，具体涉及一种基于磁性飞轮控制的电源逆变器。

背景技术

电源逆变器(DC-AC)是一种直流电转换交流电的装置，应用广泛，通常是采用高频电子开关电路制造，单机功率常规在百千瓦量级以内，更大功率应用需要多台并联并增加交流电输出频率同步控制的大型电控设备。

大质量飞轮具有可观的旋转惯量，惯性是一种自然属性，利用飞轮惯性的技术应用由来已久，行业一直尝试用直流电动机驱动飞轮联动发电机旋转发交流电实现电源逆变，解决大功率输出以及消除高频电路伴随的谐波，由于传动效率较低且联动旋转发电机通常采用飞轮的转轴传动，电能转换效率不够理想。

本申请主要针对应用飞轮设计的电源逆变器的技术改良而提出，机电式逆变器的最大优点是输出波形为正弦波交流电，无高频谐波，并且功率越大越显现技术优势，可在大功率领域弥补高频电子开关电路的设计弱项。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于弥补现有高频电子开关电路的逆变器设计弱项，提供一种通过电磁装置消耗直流电而换取磁性飞轮的转矩、进而联动旋转发电机发出正弦波交流电的电源逆变器，无高频谐波，电能转换效率高。

为实现上述的技术目标，本实用新型提供了一种基于磁性飞轮控制的电源逆变器，该电源逆变器包括磁性飞轮、发电机、电磁装置和电源控制器；所述的磁性飞轮为环形结构，由非磁性固体材料制成，其外缘相间平均排布有若干个永磁体；所述的发电机为外转子式旋转发电机，磁性飞轮的内缘固定套装在其外转子上；所述的电磁装置包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈，设置间隙固定安装在磁性飞轮外缘的相邻部位，线圈通过电源控制器电连接直流电源；所述的直流电源包括实时直流电源和一次电池、二次电池。

所述的磁性飞轮具有一定质量，以内缘套装的发电机外转子作为其转轴；电磁装置和磁性飞轮不限于设置一个，设置多个电磁装置有利于磁性飞轮的启动及加速；所述实时直流电源例如光伏电源，所述一次电池例如铝空气电池，所述二次电池例如锂电池、锌镍电池、铅酸电池；当电磁装置通过电源控制器提供的脉冲电能转换为磁性飞轮的转矩，可使发电机发交流电而实现电源逆变。

上述技术方案中，所述的磁性飞轮由多层环形固体材料一体化嵌合而成。该设计优选可带来多样化设计，包括节省制作大质量磁性飞轮的材料成本。

上述技术方案中，所述在磁性飞轮外缘相间平均排布的若干个永磁体，其磁极线沿磁性飞轮的旋转切线方向、法线方向或转轴的方向设置。所述排布为固定安装，磁极线为永磁体N、S两个磁极所确定的连线及其延长线。

上述技术方案中，所述的电源控制器包括开关电路和逻辑模块；开关电路的输入端电连接直流电源，其输出端电连接电磁装置的线圈；逻辑模块内贮有逻辑控制程序，其控制端电连接开关电路，其信号输入端连接电磁装置的线圈或/和通过外围电路连接发电机的电源输出端。电源控制器用于把直流电源转换为时序脉冲电流，使电磁装置产生时序性的脉冲电磁极与磁性飞轮外缘设置的永磁体发生相互作用，驱动磁性飞轮旋转，同时可配合发电机的工况控制，提升直流电源利用率。

上述技术方案中，所述电磁装置的线圈设置两组以上；所述两组以上的线圈至少一组电连接电源控制器的开关电路输出端，至少一组电连接电源控制器的逻辑模块输入端。电连接开关电路输出端的线圈，功能是产生驱动磁性飞轮旋转的电磁力；电连接逻辑模块输入端的线圈，功能是为逻辑模块提供逻辑信号依据。

上述技术方案中，所述的电源控制器包括整流电路；整流电路的控制端电连接所述逻辑模块，其输入端电连接发电机的电源输出端，其输出端电连接所述二次电池或/和开关电路的电源输入端。电源逆变器的负载工况非绝对稳恒，存在功耗涨落，外部实时直流电源采用光伏装置同样存在供电涨落，该设计优选是一种配合二次电池储能的节能技术方案，通过逻辑模块的逻辑控制程序控制把发电机的实时富余电能暂存，使所述电源逆变器的交流电输出更稳定。

上述技术方案中，包括采用标准集装箱制造的外壳，所述的电源逆变器固定在标准集装箱的内部。所述标准集装箱是指外型、体积和材料强度均符合国际标准化组织、国家或地区技术标准的集装箱，是电源逆变器不可分割的一个组成部分，该设计优选有利于大型产品以及多台产品联机运行系统的多式联运。

本领域的技术人员一般认为，运用机械能转换的电源逆变因存在多种损耗，会导致电能转换效率低，本实用新型电能转换效率较高的技术原因在于：1)驱动磁性飞轮旋转是电磁装置提供的脉冲电磁能量，无机械传动损耗；2)电源控制器具有量子化供电的逻辑控制功能，直流电能损耗小；3)磁性飞轮套装在发电机外转子可明显增加其旋转惯量，电源控制器可根据其旋转惯量状态以及发电机的实时功耗，进一步控制供电逻辑而不影响发电机工况，从而进一步节省直流电能。

本实用新型的实质性特点是通过电磁装置消耗直流电，变换为电磁能量驱动磁性飞轮旋转，从而联动发电机旋转变换为正弦波交流电。电源控制器通过内贮的逻辑程序控制电磁装置运行在节能状态，通过对发电机负载功耗的实时监察，还可以把实时富余电能收集储存在二次电池，进一步提高电能利用率。所述机电式逆变器安装需要的机械架件，在有效实现支撑的前提下，材料和结构任意。

本实用新型的优点在于：电源逆变消耗的直流电源可通过电源控制器而控制，多种技术方案并用可充分利用磁性飞轮的旋转惯量，在发电机获得的交流电波形好，无高频谐波，电能转换效率高，尤其适合制造大功率的电源逆变器。

附图说明

图1是磁性飞轮外缘永磁体的磁极线沿旋转切线、法线方向设置的示意图；

图2是磁性飞轮的永磁体设置并与电磁装置相邻安装的一种结构示意图；

图3是磁性飞轮的永磁体设置并与电磁装置相邻安装的另一种结构示意图；

图4是电源控制器的逻辑结构及一种工作逻辑控制关系示意图；

图5是磁性飞轮由两层环形固体材料嵌合而成的一种结构示意图；

图6是一个电磁装置与两个磁性飞轮相邻安装的一种结构示意图；

图7是电磁装置与磁性飞轮凹型外缘相邻安装的一种结构示意图；

图8是磁性飞轮外缘永磁体与电磁装置的电磁极相吸的一种状态示意图；

图9是磁性飞轮外缘永磁体与电磁装置的电磁极相斥的一种状态示意图；

图10是电源控制器、整流电路和二次电池的一种工作逻辑控制关系示意图。

附图标识：

1、磁性飞轮 1a、外缘 1b、内缘 1c、转轴

2、电磁装置 3、旋转发电机 3a、外转子 3c、发电机转轴

4、嵌合位 5、永磁体 6、间隙 7、磁极线

8、旋转切线 9、法线 11、内圆环 12、外圆环

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。

本实用新型所述的磁性飞轮1是一种环形结构，具有内缘1b和外缘1a，图1是所述磁性飞轮1在外缘1a设置永磁体5的磁极线7的两种典型方向示意图；永磁体为本领域技术人员熟悉的磁钢、钕铁硼等一类永磁性材料，在不影响安装的前提下不限形状，永磁体的磁极线7可以沿旋转切线8的方向设置，也可以沿法线9的方向设置。所述在磁性飞轮的外缘设置永磁体可以固定在外缘1a之外，也可以嵌合在外缘1a之内，所述的若干个永磁体意为两个以上；永磁体的磁极线设置方向仅为一种典型结构特征，而非限定，实际设计可偏转一定角度。

图2是所述电源逆变器的磁性飞轮的永磁体设置并与电磁装置相邻安装的一种结构示意图，磁性飞轮1的外缘1a相间平均排布有8个永磁体5，磁极线7全部沿磁性飞轮的法线9即盘面的射线方向排布，S极面向磁性飞轮的转轴；磁性飞轮的内缘1b通过嵌合固定位4套装在发电机3的外转子3a上；电磁装置2采用机械架件以间隙6固定在磁性飞轮外缘1a的相邻部位。该示例中，只要控制电磁装置在相对永磁体5的合适部位、时间产生电磁力，就可以驱动磁性飞轮旋转。

磁性飞轮1在外缘1a设置永磁体5的磁极线7也可以沿转轴1c方向排布，控制该类磁性飞轮旋转的电磁装置2是设置在磁性飞轮外缘1a的转轴方向，不位于磁性飞轮的旋转平面，其一种结构示意如图3所示。

电磁装置2的功能是把直流电转换为电磁极，磁芯为本领域技术人员公知的一种在外磁场作用下可产生更强附加磁场的磁介质材料，优选导磁率较高的产品，磁芯形状任意，例如条形、凹型；线圈通常使用铜线或镀铜铝芯线，匝数越多，电磁作用越强。所述的间隙6是磁相互作用的能量通道，界定了无机械接触并隐含了对间隙的技术要求，其取值与磁芯导磁率、线圈匝数、通电强度及永磁体5的磁通量相关，中小型装置一般设置1-2mm，大中型装置一般设置2-20mm。

所述电磁装置2的线圈设置至少一组，包括设置一组，兼作电磁力线圈和磁电传感线圈；由于电磁力线圈的功能是产生电磁极，而磁电传感线圈的功能是获得磁电感应信号，实用设计往往设置两组以上，至少一组用作磁电传感线圈。又由于磁性飞轮外缘1a的永磁体5规律排布并且电源控制器内置有逻辑控制程序，电源控制器只要获得两次永磁体的磁电感应信号，就可以判知磁性飞轮的当前转速以及下一个永磁体的实时位置，根据设定逻辑对电磁装置的线圈通电。

电源控制器的逻辑结构及一种工作逻辑控制关系示意如图4所示，其包括开关电路和逻辑模块；开关电路的输入端电连接直流电源，其输出端电连接电磁装置2的电磁力线圈；逻辑模块内贮有逻辑控制程序，其控制端电连接开关电路，其信号输入端为两路，一路连接电磁装置2的磁电传感线圈，另一路通过外围电路连接发电机3的电源输出端。逻辑模块通过对外围电路提供的信号可实时监察发电机的工况信号数据，例如发电机实时输出的交流电频率、电压或功率等实时数据，从而根据内贮编制的程序控制开关电路执行开关逻辑。

图2和图3示例中，设置在外缘1a的永磁体5是伴随磁性飞轮1旋转而周期性相对电磁装置2，在永磁体5趋近或开始远离电磁装置2的时间节点，只要电源控制器控制电磁装置2产生电磁极，就可以运用两者磁极的同性相斥、异性相吸磁作用增加磁性飞轮的转动惯量，并且通过多次的磁相互作用使磁性飞轮运行在设定转速，从而联动发电机旋转发出正弦波交流电，实现电源逆变。

磁性飞轮1是电磁装置2的电磁能量的承接、转移载体，大质量有利于复合其旋转惯量，适宜采用比重大的材料制造，也可由多层环形固体材料一体化嵌合而成，其一种结构示例如图5所示：内圆环11的材料优选ABS，优点是造价低且有利于内缘1b与发电机外转子3a的嵌合加工；外圆环12的材料优选比重大的无磁性合金，利用其大质量可保障磁性飞轮具有可观的旋转惯量。

电磁装置2产生的电磁能量包括N、S极，图2和图3示例的电磁装置2只利用了一个磁极，可进一步优化设计为利用两个磁极驱动两个磁性飞轮1，如图6所示；当运用磁芯的两个磁极，电磁装置也可以根据磁芯的设计形状把电磁力线圈设计为两组。此外，还可以把磁性飞轮1的外缘1a变形设计为凹型，在两个外缘1a分别设置永磁体5，如图7所示，使磁性飞轮接受到的电磁能量更大。

本实用新型中，电源控制器控制电磁装置2产生电磁极驱动磁性飞轮1旋转是一个智能控制过程，电源控制器中的逻辑模块是依据电磁装置2提供的磁电传感信号控制开关电路，使电磁装置2产生时序性的脉冲电磁极。

永磁体5伴随磁性飞轮1旋转在外缘1a形成了规律性的脉动磁场，提供了前转至电磁装置2磁芯位置的基准时刻信息，通过电磁装置的线圈可把该基准时刻信息变换为电信号提供给电源控制器的逻辑模块，即使信号精度较低，逻辑模块仍然可获得一个强弱正态分布的电信号，该信号最大值时间判定为基准时刻。

电磁装置2产生电磁极的时间/空间位置至关重要，以图2的运动模型为例，如果产生电磁极的时间为正对永磁体5，即电磁极的磁极线7和永磁体5的磁极线7重合且磁极线的延长线指向轴心1c/3c、则电磁装置2对永磁体5的电磁力作用只有法线8方向，无切线9方向分力，对磁性飞轮的旋转完全无益；该特殊时间点本实用新型称之为基准时刻，要使磁性飞轮获得设定的旋转，电源控制器必须控制在永磁体5趋近或远离电磁装置2的非基准时刻产生电磁极。

电源控制器的控制程序隐含了对电磁装置2通电时域、电流方向或磁极方向的多重技术涵义，包括在所述基准时刻之前的电磁极与相向永磁体5的磁极性相反(如图8所示)或/和电磁装置在基准时刻之后的电磁极与相向永磁体的磁极性相同(如图9所示)；电源控制器对电磁装置控制通电的优选原则，是电磁装置2的电磁力可使磁性飞轮尽可能获得切线9方向的最大分力作用；所述的通电时域等价于通电时间，通电时间过短不能使磁性飞轮获得足够的转矩，通电时间太长不仅浪费电源，并且对磁性飞轮旋转未必有益，具体设计实施需要充分把握。

磁性飞轮套装在发电机外转子可明显增加旋转惯量，换言之两者属于同一个力学惯性系统，当磁性飞轮的转速一定，即使对电磁装置断供电，在一定时间间隔内也不会明显影响磁性飞轮1的惯性旋转及发电机工况；因此，可以运用磁性飞轮1的旋转惯量作用设计电源控制器的通电逻辑，节省直流电源。

所述优选的整流电路是电源控制器的一个组成部分，与电源控制器分立设计或一体化集成，优选配合二次电池作为储能；电源逆变器的负载工况非绝对稳恒，存在功耗涨落，当外部直流电源采用光伏装置时同样存在电能涨落，通过逻辑模块的逻辑控制可把发电机的实时富余电能暂存，使交流电输出更稳定。所述电源控制器与整流电路、二次电池的一种工作逻辑控制关系示意，如图10所示。

本实用新型适合制造大功率的电源逆变器，例如百千瓦、兆瓦甚至更大功率，大功率产品的体积较大，重量也很可观，拆卸运输到使用目的地再重新安装会带来转运、安装服务尤其是跨境贸易的具体问题，把电源逆变器固定在标准集装箱的内部是一种优选推荐。所述的标准化集装箱不是供周转使用，其内部设置有筋条用于固定所述电源逆变器的定体部分，例如电磁装置、发电机的定轴、电源控制器或二次电池；固定在标准集装箱内部的电源逆变器可以是一台，也可以多台。

所述集装箱的国际标准化组织技术标准是指(ISO)第104技术委员会制订的国际通用的集装箱国际标准；国家技术标准是指现行《集装箱外部尺寸和额定重量》(GB1413-2008)中集装箱各种型号的外部尺寸、极限偏差及额定重量；地区集装箱技术标准是指由地区组织根据该地区情况而制订、仅适用于该地区的集装箱，例如根据欧洲国际铁路联盟(VIC)制订的集装箱标准。

本实用新型是一种结合机电和智能控制的电源逆变器，对直流电源不设限制。以下优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可组合并用其他成熟技术。

实施例1、

设计一种本实用新型所述的基于磁性飞轮控制的电源逆变器，包括磁性飞轮1、外转子式旋转发电机3、电磁装置2和电源控制器。

磁性飞轮由无磁性合金制成，其外缘1a相间平均排布有8个永磁体5，8个永磁体的磁极线7全部沿磁性飞轮的法线9方向排布，S极面向磁性飞轮的转轴，其内缘1b通过嵌合固定位4套装在发电机3的外转子3a上。

电磁装置2包括条形磁芯和环绕磁芯设置的两组线圈，设置间隙6固定在磁性飞轮外缘1a的相邻部位，安装局部结构如图2所示；两组线圈均采用铜导线，其中电磁力线圈的线径需满足载流要求，另一组磁电感应线圈采用直径小于0.5mm的铜导线，两组线圈的具体匝数根据电磁场强度和信号处理精度确定。

电源控制器包括开关电路和逻辑模块，其中，开关电路的输入端电连接直流电源，其输出端电连接所述的电磁力线圈；逻辑模块内贮有逻辑控制程序，其控制端电连接开关电路，其两路信号输入端分别电连接所述的磁电感应线圈和外围电路，外围电路的输入端电连接发电机3的电源输出端。电源控制器的逻辑结构及其工作逻辑控制关系示意如图4所示，所述的直流电源由光伏装置提供。

本实施例设定磁性飞轮1的正常转速5转/秒，当磁性飞轮开始前转(根据需要设置启动机)，电源控制器的逻辑模块获得磁电感应线圈给出的基准时刻，控制开关电路在基准时刻起计第7.5毫秒对电磁力线圈导通4.5毫秒直流电，使其面向磁性飞轮外缘1a的永磁体5产生同磁极性的脉冲N磁极，如图9所示，通过磁极同性相斥作用使磁性飞轮获得前转增益，经多次的磁相斥作用稳定运行在5转/秒的工况，从而联动发电机旋转发出交流电，实现电源逆变。

电源控制器同时扮演了智能利用直流电能的角色，当逻辑模块通过外围电路监测到发电机3达到设定输出电压上限、频率正常，控制开关电路间隔断电，利用磁性飞轮的旋转惯量维持发电机外转子的惯性旋转发电；当监测到发电机降至设定输出电压下限，控制开关电路逻辑通电，使发电机维持在设定的工况范围。

本实施例通过电磁装置2量子化消耗光伏装置提供的直流电源，在旋转发电机获得正弦波交流电而实现电源逆变，交流电输出功率、频率由磁性飞轮的转矩、转速和发电机的设计功率、转速共同决定，所获得的正弦波交流电无高频谐波，电能转换效率高，尤其适合制造电源逆变器的大功率产品。

实施例2、

把实施例1的磁性飞轮1变形设计，其一是盘体改由两层的环形固体材料一体化嵌合而成，其中内圆环11材料为ABS，外圆环12材料为无磁性合金，结构示意如图5所示；其二是把无磁性合金的磁性飞轮1的外缘1a设计为凹型，在两个凹型外缘1a分别相间平均设置有8个永磁体5，即同一磁性飞轮上设置有8×2个永磁体5，磁极线7全部沿转轴1c的方向排布；ABS材料的磁性飞轮内缘1b通过嵌合固定位4套装在发电机3的外转子3a上。

同时，把实施例1的电磁装置2与磁性飞轮1的相邻固定安装方式，改变为电磁装置嵌入磁性飞轮的凹型外缘内，电磁装置的电磁极沿磁性飞轮的转轴1c方向与其外缘1a的永磁体磁极N、S相对，安装结构示意如图7所示。

本实施例可充分利用电磁装置2产生的N、S两个磁极，直流电源利用率高；磁性飞轮可设计更大质量，运行中可获得更大转动惯量。

实施例3、

在实施例2的基础上进一步设置整流电路，配置锌镍电池的二次电池组；其中，整流电路的控制端电连接电源控制器的逻辑模块，其输入端电连接发电机3的电源输出端，其输出端电连接所述的二次电池；电源控制器中开关电路设置两路输入，分别电连接二次电池和外部光伏装置的实时直流电源输入端，电源控制器的逻辑结构和整流电路、二次电池的工作逻辑控制关系示意如图10所示。

本实施例利用二次电池作为储能，通过逻辑模块的控制程序把发电机的实时富余电能暂存在二次电池，有效克服了由于光伏直流电源的实时波动对电源逆变输出功率的影响，使本实施例电源逆变器的交流电输出更稳定。

实施例4、

以上实施例的外部直流电源是由光伏装置所提供，本实施例改为由一次铝空气电池组提供，机械结构和直流电源连接结构方案不变。一次铝空气电池的明显优点是能量密度较高，目前较先进的产品已达到1KWh/Kg(理论上可达到8KWh/Kg以上)，便于移动运输,是一种极具市场应用前景的直流电源，尤其是铝空气电池的电极、电解液和容器很容易分立设计，组装方便，电池使用完可通过更换电极或补充电解液的方案继续使用，是可移动型电源逆变器的良好伴侣。

本实施例适用于一些无电网也缺乏光伏电源、风电装置的特定场所。

实施例5、

当所设计的电源逆变器为大型设备，例如重达数吨、数十吨的情况，增加设置一个标准化集装箱作为外壳；该集装箱的外型、体积和材料强度均符合国际标准化组织、国家或地区的集装箱技术标准，其内壁设置有若干嵌合位或固定装置，用于固定所述电源逆变器的定体部分，例如电磁装置、发电机的定轴、电源控制器、二次电池，电源逆变器到达使用目的地后与所述集装箱不再分离。

本实施例不仅使大型化设计的电源逆变器可实现多式联运，而且免去对大型电源逆变器的拆卸分装运输以及到达使用目的地后重新安装，使用方便。

Claims (7)

1.一种基于磁性飞轮控制的电源逆变器，其特征在于，包括磁性飞轮(1)、发电机(3)、电磁装置(2)和电源控制器；所述的磁性飞轮(1)为环形结构，由非磁性固体材料制成，其外缘(1a)相间平均排布有若干个永磁体(5)；所述的发电机(3)为外转子式旋转发电机，磁性飞轮(1)的内缘(1b)固定套装在其外转子(3a)上；所述的电磁装置(2)包括磁芯和环绕磁芯设置的至少一组线圈，设置间隙(6)固定安装在磁性飞轮(1)外缘(1a)的相邻部位，线圈通过电源控制器电连接直流电源；所述的直流电源包括实时直流电源和一次电池、二次电池。

2.根据权利要求1所述的电源逆变器，其特征在于，所述的磁性飞轮(1)由多层环形固体材料一体化嵌合而成。

3.根据权利要求1所述的电源逆变器，其特征在于，所述在磁性飞轮(1)外缘(1a)相间平均排布的若干个永磁体(5)，其磁极线(7)沿磁性飞轮(1)的旋转切线(8)方向、法线(9)方向或转轴(1c)的方向设置。

4.根据权利要求1所述的电源逆变器，其特征在于，所述的电源控制器包括开关电路和逻辑模块；开关电路的输入端电连接直流电源，其输出端电连接电磁装置(2)的线圈；逻辑模块内贮有逻辑控制程序，其控制端电连接开关电路，其信号输入端连接电磁装置(2)的线圈或/和通过外围电路连接发电机(3)的电源输出端。

5.根据权利要求1或4所述的电源逆变器，其特征在于，所述电磁装置(2)的线圈设置两组以上；所述两组以上的线圈至少一组电连接电源控制器的开关电路输出端，至少一组电连接电源控制器的逻辑模块输入端。

6.根据权利要求4所述的电源逆变器，其特征在于，所述的电源控制器包括整流电路；整流电路的控制端电连接所述逻辑模块，其输入端电连接发电机(3)的电源输出端，其输出端电连接所述二次电池或/和开关电路的电源输入端。

7.根据权利要求1所述的电源逆变器，其特征在于，包括采用集装箱制造的外壳，所述的电源逆变器固定在集装箱的内部。

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