DE102008063874A1 - Windenergieanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit an einer Nabe (102) angeordneten Rotorblättern (101) und einem mit der Nabe (102) in Verbindung stehenden Generator (110), wobei die Nabe als Hohlwelle (102) ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Ein großer Teil der bestehenden Windenergieanlagen ist mit schnell drehenden Generatoren ausgestattet, wobei zur Übersetzung der relativ langsamen Umdrehungszahl des Windrades auf die Generatorumdrehungszahl mehrstufige Getriebe eingesetzt werden. Daneben werden auch Generatoren eingesetzt, die getriebelos mit dem Windrad gekoppelt sind. Um das Konzept des Direktantriebs zu verwirklichen, sind die Generatoren als vielpolige, langsam drehende, fremd oder permanent erregte Synchronmaschinen ausgelegt.
  • Diese Bauart führt jedoch zu einer signifikanten Gewichtszunahme im Vergleich zu Anlagen mit Getriebe, da die Sekundärteile (Rotor bzw. Läufer) der Generatoren relativ große Durchmesser aufweisen und mittels massiver Verbindungselemente, wie z. B. Speichen, mit der Antriebswelle (Nabe des Windrades) verbunden sind. Der vielpolige Magnetkreis der direkt angetriebenen Maschinen weist einen deutlich größeren Umfang als ein Magnetkreis einer schnell drehenden 4- oder 6-poligen, doppelt gespeisten Asynchronmaschine auf. In der Folge treten deutlich größere Drehmomente auf, die von der Nabe zum Sekundärteil übertragen werden müssen. Ein Beispiel einer derartigen permanent erregten Synchronmaschine ist in der US 2004/0155537 A1 gezeigt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, eine Windenergieanlage anzugeben, bei der die Drehmomentübertragung an den Generator verbessert wird und insbesondere Gewicht eingespart werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Eine erfindungsgemäße Windenergieanlage weist an einer Nabe angeordnete Rotorblätter und einen mit der Nabe in Verbindung stehenden Generator auf. Erfindungsgemäß ist die Nabe als Hohlwelle ausgebildet.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung kann die Drehmomentübertragung von dem Windrad an den Generator deutlich verbessert werden. Insbesondere wird der Abstand des elektromagnetisch aktiven Bereichs des Generators vom Angriffspunkt der Rotorblätter an der Nabe deutlich reduziert. Durch die Verkürzung der radialen Übertragungswege sowohl auf Seiten des Windrades als auch auf Seiten des Generators sind die Elemente zur Drehmomentübertragung weit weniger massiv auszulegen. Somit kann ein Generator getriebelos angetrieben werden, ohne die damit im Stand der Technik verbundenen Gewichtsnachteile zu erhalten. Durch die Einsparung eines Getriebes ergeben sich einige Vorteile wie z. B. höherer Wirkungsgrad, weniger Verschleiß, weniger Geräusch, keine Ölverluste, höhere Systemsteifigkeit und eine hohe Dynamik.
  • Vorzugsweise ist die Nabe als axial, vorzugsweise beidseitig, offene Hohlwelle ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich die Öffnung durch die gesamte Nabe, so dass eine Luftströmung durch die Nabe verlaufen kann. In der Folge kann die Nabe auch mit einem relativ großen Durchmesser ausgebildet werden, ohne dass die Aerodynamik der Gesamtanlage signifikant leiden würde. Insbesondere können die Innenflächen der Nabe aerodynamisch günstig ausgebildet werden, so dass insbesondere der Luftwiderstand reduziert ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, innerhalb der Nabe bestimmte Flügelflächen vorzusehen, um auf diese Weise ebenfalls eine Drehmomenterzeugung durch die hindurch strömende Luftströmung zu erzielen.
  • In Ausgestaltung ist die Wandstärke der Hohlwelle einer Drehmomentverteilung angepasst. In der Folge ist die Wandstärke zweckmäßigerweise nicht gleichmäßig, sondern variiert entlang der Haupterstreckungsrichtung der Hohlwelle. Insbesondere nimmt die Drehmomentübertragung entlang der Hohlwelle beginnend vom Windrad ab, so dass ebenso die Wandstärke entlang der Hohlwelle beginnend vom Windrad abnehmen kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Generator als Synchronmaschine ausgebildet. In der Folge kann die Hohlwelle eine Permanentmagnet- und/oder eine Elektromagnetanordnung tragen. Die Synchronmaschine ist zweckmäßigerweise als Innenläufermaschine ausgebildet, wobei das Sekundärteil die Hohlwelle der Windenergieanlage umfasst oder an dieser angeordnet ist. Synchrongeneratoren haben insbesondere den Vorteil, dass sie auch unabhängig von einer Verbindung zu einem öffentlichen Stromnetz betriebsfähig sind.
  • Zweckmäßigerweise ist das Sekundärteil des Generators direkt und getriebelos mit der Nabe verbunden. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung kann auf massive und schwere Getriebe verzichtet werden, ohne dass dieser Vorteil durch andere massive Elemente, wie z. B. Speichen, zur Drehmomentübertragung erkauft werden müsste. In der Folge weist die Windenergieanlage einen deutlichen Gewichtsvorteil gegenüber anderen direkt angetrieben Windenergieanlagen auf.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Generator als Innenläufer-Transversalflussgenerator mit einem Primärteil und einem Sekundärteil ausgebildet ist, wobei das Sekundärteil an der Hohlwelle angeordnet ist oder diese umfasst, wobei wenigstens ein magnetischer Erreger und wenigstens eine Generatorspule zur Erzeugung einer elektrischen Spannung vorgesehen sind, die drehfest zueinander an dem Primärteil angeordnet sind. In der Folge müssen nur mehr geringe Massen am Sekundärteil bewegt werden, insbesondere Elemente, um den magnetischen Fluss zeitlich zu variieren. Der magnetische Erreger sowie die Generatorspule rotieren nicht und sind somit keinen Fliehkräften ausgesetzt, was die Befestigung vereinfacht und auch eine wesentlich geringere Stabilität und damit Masse der Baugruppen erfordert. Durch die bevorzugte Anordnung des magnetischen Erregers sowie der Generatorspule am Primärteil kann ohne weiteren Aufwand alternativ oder zusätzlich zu einer Permanentmagnetanordnung auch eine Elektromagnetanordnung verwendet werden, ohne dass Schleifringe oder Bürsten zum Spannungsabgriff bereitgestellt werden müssten. Auf diese Weise kann die magnetische Erregung auch durch – im Vergleich zu Permanentmagnetanordnungen – kostengünstigere Elektromagnetanordnungen bereitgestellt werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst der wenigstens eine magnetische Erreger eine Permanentmagnetanordnung und eine Elektromagnetanordnung, die jeweils mit einer eigenen Generatorspule zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zusammenwirken und mit dieser ein magnetisches bzw. ein elektrisches Phasenelement bilden. Somit bilden in Ausgestaltung ein magnetisches und ein elektrisches Phasenelement zusammen ein Phasenmodul. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist für ein Phasenmodul nur eine Permanentmagnetanordnung erforderlich, wobei ein darüber hinaus gehender Anteil der Erregung von einer Elektromagnetanordnung bereitgestellt wird. Die Permanentmagnetanordnung weist insbesondere segmentierte Magnete auf. Der als Hybridmaschine ausgeführte Generator ist weniger empfindlich gegen eine schleichende Entmagnetisierung der Permanentmagnetanordnung.
  • Zweckmäßigerweise sind die Generatorspulen eines Phasenmoduls in Reihe geschaltet, wodurch insbesondere eine einfache Regelung bzw. ein einfacher Ausgleich der Gesamtspannung durch die einfach zu regelnde bzw. zu beeinflussende Spannung, die durch das elektrische Phasenelement erzeugt wird, möglich ist.
  • Der Generator wiederum weist wenigstens ein, zwei oder vorzugsweise wenigstens drei Phasenmodule auf. Durch das modulare Konzept der Phasenmodule sind Transversalflussgeneratoren für eine erfindungsgemäße Windenergieanlage aus beliebig vielen einzelnen Modulen kombinierbar, wodurch auf einfache Weise Mehrphasen-Generatoren bereitgestellt werden können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Sekundärteil eine Anzahl von Segmenten auf, die in Umfangsrichtung beabstandet und zueinander elektrisch isoliert angeordnet sind. Die Segmente können beispielsweise in einen magnetisch und elektrisch isolierenden Körper (z. B. stabiler Kunststoff wie GFK), insbesondere die Hohlwelle selbst, eingebettet sein. Die Integration von nur passiven Teilen in das Sekundärteil spart Schleifringe o. ä. ein und erlaubt, dass dieses beispielsweise aus dem Generator heraus nach außen (bzw. in die Öffnung der Hohlwelle) geführt werden kann, was eine effektive Kühlung, insbesondere bei Windenergieanlagen, gewährleistet.
  • Die Segmente weisen in bevorzugter Ausgestaltung Pakete aus laminierten Blechen auf, wobei die Rotationsachse der Hohlwelle parallel zu einer Blechebene verläuft. Die gesamte rotierende Masse besteht in diesem Fall nur aus in eine Halterung, z. B. die Hohlwelle, eingebetteten Blechpaketsegmenten. Die Blechpakete sind zweckmäßigerweise als einfach herzustellende Stanzteile ausgeführt und entsprechend der magnetischen Flussrichtung innerhalb des Generators angeordnet. Sie weisen vorzugsweise eine hohe magnetische Permeabilität μr >> 1 auf und sind somit ferromagnetisch.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Segmente E-förmig mit einem Rücken und drei Stegen ausgebildet, wobei die Stege in Richtung des Primärteils weisen. Auf diese Weise kann das Zusammenwirken der Segmente mit den Phasenelementen verbessert werden.
  • Für weitere Details betreffend die Ausgestaltung eines geeigneten Transversalflussgenerators wird ausdrücklich auf die am selben Tag unter dem Titel ”Phasenmodul für einen Transversalflussgenerator, Transversalflussgenerator und Windenergieanlage” beim Europäischen Patentamt eingereichte Patentanmeldung derselben Anmelderin verwiesen. Ein entsprechend ausgestalteter Transversalflussgenerator wird ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht, um eine erfindungsgemäße Windenergieanlage weiterzubilden.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage,
  • 2 zeigt eine Frontansicht der bevorzugten Ausgestaltung gemäß 1 und
  • 3 zeigt schematisch die obere Hälfte einer Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage.
  • Eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 übergreifend beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • In 1 ist die erste bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage schematisch im Querschnitt dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. In 2 ist die Windenergieanlage 100 aus 1 in einer Frontansicht abgebildet.
  • Die Windenergieanlage umfasst (üblicherweise drei) Rotorblätter 101, die an einer als Hohlwelle ausgebildeten Nabe 102 angeordnet sind. Durch die einwirkende Windkraft werden die Rotorblätter 101 und damit die Nabe 102 in eine Drehung um eine Rotationsachse A versetzt. Dazu ist die Nabe an den Stellen 103 drehbar gelagert. Die Wandstärke der Hohlwelle 102 ist nicht gleichmäßig, sondern variiert entlang der Haupterstreckungsrichtung der Hohlwelle. Die Wandstärke ist an die Drehmomentübertragung entlang der Hohlwelle angepasst, so dass die Wandstärke entlang der Hohlwelle beginnend vom Windrad abnimmt.
  • Die Windenergieanlage 100 weist weiterhin einen Generator 110 mit einem Primärteil 111 und einem Sekundärteil 112 auf. Der Generator 110 ist als Synchronmaschine ausgebildet, wobei das Sekundärteil 112 den magnetischen Erreger, der als Permanentmagnet- und/oder Elektromagnetanordnung ausgebildet sein kann, umfasst. Das Sekundärteil 112 ist direkt und getriebelos mit der Hohlwelle 102 verbunden. Das Primärteil 111 ist als Generatorspulenanordnung zur Erzeugung einer Induktionsspannung ausgebildet. Der Generator 110 ist mit einer Einheit 120 verbunden, die notwendige Steuerungen, Transformatoren usw. umfasst.
  • Die Windenergieanlage 100 weist eine Gondel 150 auf, in der der Generator 110, die Einheit 120 usw. untergebracht sind. Die Gondel 150 ist mittels einer Lagerung 130 an einem Turm 140 horizontal drehbar gelagert. Durch die Ausgestaltung des Generators als Innenläufergenerator ist der Generator außenseitig abstützen. Die Gondel kann dazu bspw. gabelförmig ausgebildet sein, wobei der Generator zwischen zwei Zinken der gabelt befestigt wird. Die Gondel muss den Generator nicht vollständig umschließen, was einen weiteren Gewichtsvorteil mit sich bringt. Es versteht sich, dass die Gondel den Generator dennoch vollständig umschließen kann.
  • In 3 ist die obere Hälfte einer Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage schematisch dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Die Windenergieanlage umfasst (üblicherweise drei) Rotorblätter 301, die an einer als Hohlwelle ausgebildeten Nabe 302 angeordnet sind. Durch die einwirkende Windkraft werden die Rotorblätter 301 und damit die Nabe 302 in eine Drehung um eine Rotationsachse B versetzt.
  • Die Windenergieanlage 300 weist einen Transversalflussgenerator 350 auf, der drei Phasenmodule 351 umfasst. Der Transversalflussgenerator 350 ist in der gezeigten Darstellung als Innenläufer mit einem Primärteil 360 und einem Sekundärteil 370, das um die Drehachse B drehbar gelagert ist, ausgebildet. Jedes Phasenmodul 351 weist ein magnetisches Phasenelement 352 und ein elektrisches Phasenelement 353 auf. Die Phasenelemente sind an der fixierten Außenhülle 354 des Generators, die an einer Gondel befestigt ist, angebracht.
  • Das Sekundärteil 370 weist je Phasenelement 351 eine Anzahl von Segmenten 310 auf, die in Umfangsrichtung um die Hohlwelle 302 voneinander beabstandet, elektrisch und magnetisch isoliert in einem Trägermaterial, wie z. B. Kunststoff, eingebettet sind. Das Trägermaterial kann die Hohlwelle selbst sein. Jedes einzelne der Segmente 310 ist in der gezeigten Darstellung E-förmig ausgebildet und besteht aus einem Paket von laminierten Blechen. In der gezeigten Darstellung liegen die Ebenen der Bleche der abgebildeten Segmente in der Zeichenebene.
  • Jedes magnetische Phasenelement 352 weist gezahnte, ebenfalls aus laminierten Blechen bestehende Begrenzungselemente 361 und 362 in einer Richtung parallel zur Rotationsachse B auf, wobei die Rotationsachse B senkrecht auf den Ebenen der einzelnen Bleche steht. Die einzelnen Bleche sind vorzugsweise als Stanzteile ausgeführt. Das magnetische Phasenelement 352 weist weiterhin einen Bereich 363 geringer relativer Permeabilität auf, der die Ausbreitung des magnetischen Flusses in Richtung zur Rotationsachse begrenzt bzw. dämpft. Der Bereich 363 verläuft ringförmig innerhalb der Außenhülle 354 und ist vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Konstruktionsmaterial ausgebildet. Das magnetische Phasenelement 352 weist weiterhin eine Permanentmagnetanordnung 364 auf, die in der gezeigten Abbildung ebenfalls ringförmig ausgebildet ist und innerhalb des Bereiches 363 verläuft. Die Permanentmagnetanordnung 364 ist zweckmäßigerweise aus aneinandergefügten Einzelmagneten ausgebildet. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnetanordnung 363 verläuft radial. Das magnetische Phasenelement 352 weist schließlich eine in Umfangsrichtung verlaufende Generatorspule 365 auf, die zur Spannungserzeugung dient.
  • Neben jedem magnetischen Phasenelement 352 ist ein elektrisches Phasenelement 353 angeordnet, das ähnlich aufgebaut ist. Das elektrische Phasenelement 353 weist ebenfalls gezahnte, geblechte Begrenzungselemente 371, 372 sowie eine in Umfangsrichtung verlaufende Generatorspule 375 auf. Die Zahnung des elektrischen Phasenelements 353 kann gegenüber der Zahnung des magnetischen Phasenelements 352 verdreht sein, um die Qualität der induzierten Gesamtspannung zu verbessern sowie die Geräuschentwicklung zu vermindern. Die Spannung weist in der Folge weniger Oberwellenanteile auf, was eine negative Auswirkung auf das Netz verringert. Im Unterschied zum magnetischen Phasenelement 352 weist das elektrische Phasenelement 353 jedoch als magnetischen Erreger eine Elektromagnetanordnung 374 auf. Diese ist als in Umfangsrichtung verlaufende Spule ausgebildet. Die Elektromagnetanordnung 374 wird auf der vom Sekundärteil 370 abgewandten Seite von einem geblechten Element 373 begrenzt. Das Element 373 ist in der gezeigten Darstellung parallel zur Rotationsachse B geblecht, um den von der Elektromagnetanordnung 373 ausgehenden magnetischen Fluss entsprechend zu leiten. Das Element 373 kann beispielsweise aus einer Anzahl ineinander angeordneter, zylinderförmiger Bleche bestehen.
  • Zur Stromerzeugung rotiert nun das Sekundärteil 370 innerhalb des Primärteils 360, wodurch den magnetischen Fluss gut leitende Bereiche, die von den Segmenten 310 gebildet werden, und den magnetischen Fluss nicht gut leitende Bereiche, die vom Trägermaterial gebildet werden, an den einzelnen Zähnen der magnetischen 352 und elektrischen 353 Phasenelemente vorbeilaufen. Dadurch wird eine Flussänderung in den Generatorspulen 365 und 375 erzeugt, die eine entsprechende Spannung induziert. Die Spulen 365 und 375 sind zweckmäßiger weise in Reihe geschaltet, um die erzeugte Gesamtspannung über die Elektromagnetanordnung 374 beeinflussen zu können.
  • Mit dieser bevorzugten Lösung können Phasenmodule bzw. Transversalflussgeneratoren bereitgestellt werden, bei denen die zu bewegende Masse deutlich reduziert ist.
  • Es versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Daneben ist jede andere Ausführungsform, insbesondere als Linearmaschine usw. denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2004/0155537 A1 [0003]

Claims (13)

  1. Windenergieanlage mit an einer Nabe (102, 302) angeordneten Rotorblättern (101, 301) und einem mit der Nabe (102, 302) in Verbindung stehenden Generator (110, 350), dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe als Hohlwelle (102, 302) ausgebildet ist.
  2. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Nabe als axial offene Hohlwelle (102, 302) ausgebildet ist.
  3. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wandstärke der Hohlwelle (102, 302) einer Drehmomentverteilung angepasst wird.
  4. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Generator (110, 350) als Synchronmaschine ausgebildet ist.
  5. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Sekundärteil (112, 370) des Generators (110, 350) direkt und getriebelos mit der Nabe (102, 302) in Verbindung steht.
  6. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Generator (110, 350) als Innenläufermaschine ausgebildet ist.
  7. Windenergieanlage nach Anspruch 6, wobei der Generator (110, 350) von einer gabelförmigen Gondel (150) getragen wird.
  8. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hohlwelle (102) einen magnetischen Erreger (112) trägt.
  9. Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Generator als Innenläufer-Transversalflussgenerator (350) mit einem Primärteil (360) und einem Sekundärteil (370) ausgebildet ist, wobei die Hohlwelle (302) das Sekundärteil (370) umfasst, wobei wenigstens ein magnetischer Erreger (364, 374) und wenigstens eine Generatorspule (365, 375) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung vorgesehen sind, wobei der wenigstens eine magnetische Erreger (364, 374) und die wenigstens eine Generatorspule (365, 375) drehfest zueinander an dem Primärteil (360) angeordnet sind.
  10. Windenergieanlage nach Anspruch 9, wobei der wenigstens eine magnetische Erreger eine Permanentmagnetanordnung (364) und eine Elektromagnetanordnung (374) umfasst, die jeweils mit einer eigenen Generatorspule (365; 375) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zusammenwirken und mit dieser ein magnetisches (352) bzw. ein elektrisches (353) Phasenelement bilden.
  11. Windenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Sekundärteil (370) eine Anzahl von Segmenten (310) aufweist, die in Umfangsrichtung beabstandet und zueinander elektrisch isoliert angeordnet sind.
  12. Windenergieanlage nach Anspruch 11, wobei die Segmente (310) Pakete aus laminierten Blechen aufweisen, wobei die Rotationsachse (B) der Hohlwelle (302) parallel zu einer Blechebene verläuft.
  13. Windenergieanlage nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Segmente (310) E-förmig mit einem Rücken und drei Stegen ausgebildet sind, wobei die Stege in Richtung des Primärteils (360) weisen.
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