DE102011089488A1 - Rotor for an electric machine with magnets fixed by thermoplastic material and corresponding production method - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Rotor für eine Elektromaschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors beschrieben. Der Rotor (15) weist einen Rotorkörper (9) mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen (5) und einer Mehrzahl von Magneten (7), die in die Ausnehmungen (5) des Rotorkörpers (9) aufgenommen sind, auf. Die Magneten (7) sind wenigstens teilweise von einem thermoplastischen Material umgeben und durch dieses in den Ausnehmungen (5) fixiert. Im Vergleich zu herkömmlichen duroplastischen Klebstoffen ermöglichen thermoplastische Materialien ein einfacheres, formschlüssiges Fixieren der Magneten (7) in dem Rotorkörper (9). In das thermoplastische Material (13) können magnetische oder magnetisierbare Partikel eingelagert sein, so dass ein mit dem thermoplastischen Material (13) aufgefüllter Spalt (11) zwischen den Magneten (7) und den Wandungen der Ausnehmungen (5) zum gesamten, von dem Rotor erzeugten Magnetfeld beitragen kann.A rotor for an electric machine and a method for producing such a rotor will be described. The rotor (15) has a rotor body (9) with a plurality of recesses (5) and a plurality of magnets (7) received in the recesses (5) of the rotor body (9). The magnets (7) are at least partially surrounded by a thermoplastic material and fixed by this in the recesses (5). Compared to conventional thermosetting adhesives thermoplastic materials allow a simpler, positive locking of the magnets (7) in the rotor body (9). In the thermoplastic material (13) may be embedded magnetic or magnetizable particles, so that with the thermoplastic material (13) filled gap (11) between the magnets (7) and the walls of the recesses (5) to the entire, of the rotor generated magnetic field can contribute.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors.The present invention relates to a rotor for an electric machine and a method for manufacturing such a rotor.
Stand der TechnikState of the art
Elektromaschinen werden beispielsweise in Form von Synchronmaschinen häufig als Motoren bzw. Generatoren in Elektro- oder Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Die Elektromaschine weist dabei einen ortsfesten Stator sowie einen Rotor, der sich relativ zu diesem Stator um eine Rotationsachse rotieren lässt, auf.Electric machines are often used, for example in the form of synchronous machines as motors or generators in electric or hybrid drives for motor vehicles. In this case, the electric machine has a stationary stator and a rotor, which can be rotated about an axis of rotation relative to this stator.
Der Rotor weist einen in der Regel im Wesentlichen zylindrischen Rotorkörper auf. Der Rotorkörper besteht meist aus einem magnetisierbaren Material, z.B. aus einem Metall wie Eisen oder einer eisenhaltigen Legierung. Häufig ist der Rotorkörper aus einer Vielzahl von kreisförmigen Blechen zusammengesetzt, die Lamellen des Rotorkörpers bilden.The rotor has a generally substantially cylindrical rotor body. The rotor body is usually made of a magnetizable material, e.g. made of a metal such as iron or an iron-containing alloy. Frequently, the rotor body is composed of a plurality of circular plates which form fins of the rotor body.
In der Nähe der Mantelfläche des Rotorkörpers sind mehrere Ausnehmungen vorgesehen. In diese Ausnehmungen können bei der Montage des Rotors Permanentmagneten eingeschoben werden, die das für den Betrieb des Rotors in der Elektromaschine nötige Magnetfeld erzeugen. Alternativ können Körper aus unmagnetischem, aber magnetisierbarem Material in die Ausnehmungen eingebracht werden und anschließend magnetisiert werden. Nachfolgend wird der Begriff „Magnet“ als Oberbegriff sowohl für permanentmagnetisches Material als auch für nachträglich magnetisierbares Material verwendet.In the vicinity of the lateral surface of the rotor body a plurality of recesses are provided. In these recesses permanent magnets can be inserted during assembly of the rotor, which generate the necessary for the operation of the rotor in the electric machine magnetic field. Alternatively, bodies of nonmagnetic but magnetizable material may be introduced into the recesses and subsequently magnetized. Subsequently, the term "magnet" is used as a generic term for both permanent magnetic material and for subsequently magnetizable material.
Um die Magnete bzw. die magnetisierbaren Körper in die Ausnehmungen in dem Rotorkörper einbringen zu können, werden diese im Allgemeinen geringfügig kleiner ausgestaltet als die Ausnehmungen, so dass sich ein kleiner Spielraum jeweils zwischen einem Magneten und Wandungen der Ausnehmung ergibt. Während des Betriebs der Elektromaschine können hohe Kräfte auf den Rotor und die darin aufgenommenen Magneten wirken. Um zu verhindern, dass sich die Magneten dabei unerwünscht innerhalb der Ausnehmungen verlagern, müssen die Magneten in Bezug auf den Rotorkörper fixiert werden.To be able to introduce the magnets or the magnetizable body in the recesses in the rotor body, they are generally designed to be slightly smaller than the recesses, so that there is a small clearance each between a magnet and walls of the recess. During operation of the electric machine, high forces can act on the rotor and the magnets received therein. In order to prevent the magnets from shifting undesirably within the recesses, the magnets must be fixed in relation to the rotor body.
Herkömmlich werden die Magneten beispielsweise mit Hilfe von duroplastischen Klebstoffen innerhalb der Ausnehmungen fixiert.
Es wurde jedoch beobachtet, dass das Verkleben der Magneten mit Hilfe von duroplastischen Klebstoffen nachteilig hinsichtlich des Verarbeitungsaufwandes und hinsichtlich der Verarbeitungsdauer sein kann.However, it has been observed that the bonding of the magnets with the aid of thermosetting adhesives can be disadvantageous with regard to the processing outlay and with regard to the processing time.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die hierin vorgeschlagene Erfindung ermöglicht in ihren Ausführungsformen eine vereinfachte Herstellung eines Rotors für eine Elektromaschine bei gleichzeitig zuverlässiger Fixierung der Magneten in dem Rotorkörper. The invention proposed herein makes possible in its embodiments a simplified manufacture of a rotor for an electric machine with simultaneous reliable fixing of the magnets in the rotor body.
Es wird gemäß Ausführungsformen der Erfindung vorgeschlagen, die in den Ausnehmungen des Rotorkörpers aufgenommenen Magneten wenigstens teilweise mit einem thermoplastischen Material zu umgeben, um sie auf diese Weise in den Ausnehmungen zu fixieren.It is proposed according to embodiments of the invention, at least partially surround the magnets received in the recesses of the rotor body with a thermoplastic material to fix them in this way in the recesses.
Beim Herstellen des Rotors können die in den Ausnehmungen des Rotorkörpers angeordneten Magneten durch Einspritzen eines thermoplastischen Materials in den Ausnehmungen fixiert werden.When manufacturing the rotor, the magnets arranged in the recesses of the rotor body can be fixed in the recesses by injecting a thermoplastic material.
Eine diesen Ausführungsformen der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis bzw. Idee kann darin gesehen werden, dass beobachtet wurde, dass beim herkömmlichen Einkleben von Magneten in den Rotorkörper erheblicher Prozessierungsaufwand betrieben werden muss. Das zum Verkleben verwendete duroplastische Material muss in der Regel während einer Aushärtungsphase auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden. Diese Aushärtungsphase kann zwischen zehn und 60 Minuten dauern. Die Notwendigkeit, den Rotorkörper während dieser Aushärtungsphase zu heizen und ein Aushärten des Klebstoffes abzuwarten, hat sich als für eine Großproduktion erschwerend herausgestellt.An insight or idea on which these embodiments of the invention are based can be seen in that it has been observed that in the conventional gluing of magnets into the rotor body considerable processing effort must be operated. The thermoset material used for bonding generally needs to be maintained at an elevated temperature during a curing phase. This hardening phase can take between ten and 60 minutes. The need to heat the rotor body during this curing phase and wait for the adhesive to cure has been found to make it difficult for large scale production.
Es wurde daher erkannt, dass ein Fixieren der Magneten innerhalb der Ausnehmungen besser mit Hilfe von thermoplastischen Materialien vorgenommen werden kann. Thermoplastische Materialien sind typischerweise Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise mehr als 220 °C verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, d.h., er kann durch Abkühlen und Wiedererwärmen bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig häufig wiederholt werden, solange nicht beispielsweise durch Überhitzen eine thermische Schädigung des Materials eintritt. It has therefore been recognized that fixing the magnets within the recesses can be made better with the aid of thermoplastic materials. Thermoplastic materials are typically plastics that can be deformed in a certain temperature range at elevated temperatures, for example, more than 220 ° C. This process is reversible, that is, it can be repeated as often as desired by cooling and reheating to the molten state, unless thermal deterioration of the material occurs, for example, as a result of overheating.
Das thermoplastische Material kann dabei während des Herstellungsvorgangs durch Erhitzen auf geeignete Temperaturen verflüssigt werden und in die Ausnehmungen des Rotorkörpers beispielsweise im Spritzgussverfahren eingebracht werden, um dort die Magneten zu umgeben und sie auf diese Weise in den Ausnehmungen zu fixieren. Beim Abkühlen des thermoplastischen Materials erhärtet dieses. Obwohl das thermoplastische Material meist aufgrund mangelhafter Adhäsionsfähigkeiten mit dem Material der Magneten kein dauerhaft stoffschlüssiges Verkleben der Magneten in den Ausnehmungen des Rotorkörpers zulässt, kommt es zu einem formschlüssigen Fixieren der Magneten innerhalb der Ausnehmungen.The thermoplastic material can be liquefied during the manufacturing process by heating to suitable temperatures and introduced into the recesses of the rotor body, for example by injection molding to There to surround the magnets and fix them in this way in the recesses. Upon cooling of the thermoplastic material hardens this. Although the thermoplastic material usually due to poor adhesion capabilities with the material of the magnet does not allow permanent cohesive bonding of the magnets in the recesses of the rotor body, there is a positive fixing of the magnets within the recesses.
Thermoplastische Materialien sind im Allgemeinen aus wenig oder nicht verzweigten, also linearen Kohlenstoffketten aufgebaut, die nur durch schwache physikalische Bindungen miteinander verbunden sind. Aufgrund dieser schwachen Bindungen können thermoplastische Materialien durch Erwärmen reversibel in einen fließfähigen Zustand gebracht werden. In diesem fließfähigen Zustand können thermoplastische Materialien vorteilhaft im sogenannten Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Auch in einem thermoplastischen Zustand, bei dem das Material noch nicht so stark erwärmt wird, dass es fließfähig ist, aber bereits weich und nicht mehr formstabil ist, kann das thermoplastische Material formend verarbeitet werden. Vor dem Erwärmen bzw. nach dem Abkühlen ist das thermoplastische Material fest. Das thermoplastische Material muss in diesem Zustand jedoch nicht steif sein, sondern kann eine gewisse Elastizität bzw. Flexibilität aufweisen.Thermoplastic materials are generally composed of little or no branched, ie linear carbon chains which are interconnected only by weak physical bonds. Due to these weak bonds thermoplastic materials can be reversibly brought into a flowable state by heating. In this flowable state thermoplastic materials can be advantageously processed in the so-called injection molding process. Even in a thermoplastic state, in which the material is not yet heated so much that it is flowable, but already soft and no longer dimensionally stable, the thermoplastic material can be processed forming. Before heating or after cooling, the thermoplastic material is solid. However, the thermoplastic material does not have to be stiff in this state, but may have some elasticity or flexibility.
Typische thermoplastische Materialien sind z.B. Acrylnitril-Butadin-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polyphtalamide (PPA), Polyphenylensulfid (PPS), Polylactat (PLA), Polymethylmetacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephtalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC). Polyamide, Polyphtalamide, Polyphenylensulfid und Polyetheretherketon sind hinsichtlich der auftretenden Temperaturanforderungen von 140°C bis zu 200°C aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeiten besonders geeignet, wobei die Temperaturbeständigkeit und Kosten der angegebenen Materialien in der angegebenen Reihenfolge ansteigen. Typical thermoplastic materials are e.g. Acrylonitrile butadine styrene (ABS), polyamides (PA), polyphthalamides (PPA), polyphenylene sulfide (PPS), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) and polyvinyl chloride (PVC). Polyamides, polyphthalamides, polyphenylene sulfide and polyetheretherketone are particularly suitable in terms of temperature requirements of 140 ° C to 200 ° C due to their temperature resistance, the temperature resistance and cost of the specified materials increase in the order given.
Das thermoplastische Material kann auch als thermoplastisches Elastomer ausgebildet sein. The thermoplastic material may also be formed as a thermoplastic elastomer.
Thermoplastische Elastomere (TPE) sind typischerweise Kunststoffe, die sich bei Raumtemperatur vergleichbar den klassischen Elastomeren verhalten, sich jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformen lassen und somit ein thermoplastisches Verhalten aufweisen. Bei üblichen Elastomeren sind Raumnetzmoleküle normalerweise chemisch weitmaschig vernetzt, wobei die Vernetzungen nicht ohne ein Zersetzen des Materials gelöst werden können. Bei thermoplastischen Elastomeren sind typischerweise elastische Polymerketten in thermoplastisches Material eingebunden. Daher lassen sich solche Materialien mit Hilfe rein physikalischer Prozesse durch eine Kombination von hohen Scherkräften, Wärmezufuhr und anschließender Abkühlung verarbeiten. Die thermoplastischen Elastomere können dabei gummielastische Eigenschaften aufweisen, obwohl keine chemische Vernetzung durch eine zeit- und temperaturaufwendige Vulkanisation durchgeführt wird. Ein erneutes Erwärmen kann dabei wieder zu einem Aufschmelzen und damit zur Möglichkeit der plastischen Verformung des Materials führen. Thermoplastische Elastomere lassen sich somit im Spritzgussverfahren verarbeiten. Aus der Gruppe der thermoplastischen Elastomere eigenen sich z.B. thermoplastische Polyesterelastomere (TPC) aufgrund der Temperaturbeständigkeit bis 160°C besonders. Thermoplastic elastomers (TPE) are typically plastics that behave at room temperature comparable to the classic elastomers, but can be plastically deformed under heat and thus have a thermoplastic behavior. In conventional elastomers, space network molecules are usually cross-linked chemically and the crosslinks can not be dissolved without decomposing the material. In thermoplastic elastomers elastic polymer chains are typically incorporated into thermoplastic material. Therefore, such materials can be processed by purely physical processes through a combination of high shear forces, heat input and subsequent cooling. The thermoplastic elastomers may have rubber-elastic properties, although no chemical crosslinking is carried out by time-consuming and temperature-intensive vulcanization. A renewed heating can again lead to a melting and thus the possibility of plastic deformation of the material. Thermoplastic elastomers can thus be processed by injection molding. From the group of thermoplastic elastomers, e.g. thermoplastic polyester elastomers (TPC) due to the temperature resistance up to 160 ° C especially.
Das thermoplastische Material kann magnetische oder magnetisierbare Partikel enthalten. The thermoplastic material may contain magnetic or magnetizable particles.
Das zum Fixieren der Magnete verwendete thermoplastische Material kann somit aufgrund der darin enthaltenen magnetischen Partikel zu dem von dem Rotor erzeugten Magnetfeld beitragen. The thermoplastic material used to fix the magnets can thus contribute to the magnetic field generated by the rotor due to the magnetic particles contained therein.
Das thermoplastische Material kann dabei einen Anteil an magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln im Bereich von 10–90 vol-% (Volumenprozent), vorzugsweise im Bereich von 20%–70 vol-% aufweisen. Je höher hierbei der Anteil an magnetischen bzw. magnetisierbaren Partikeln ist, um so stärker kann das von dem thermoplastischen Material erzeugte Magnetfeld sein. Andererseits kann ein hoher Anteil an Partikeln zu einer verringerten Fließfähigkeit während des Einspritzens des thermoplastischen Materials beim Herstellen des Rotors führen.The thermoplastic material may have a proportion of magnetic or magnetizable particles in the range of 10-90 vol% (volume percent), preferably in the range of 20% -70 vol%. The higher the proportion of magnetic or magnetizable particles, the stronger the magnetic field generated by the thermoplastic material can be. On the other hand, a high proportion of particles can lead to reduced flowability during the injection of the thermoplastic material during manufacture of the rotor.
Die magnetischen bzw. magnetisierbaren Partikel können prinzipiell aus beliebigen ferromagnetischen oder magnetisierbaren Materialien bestehen. Beispielsweise können die Partikel als feines Metallpulver, beispielsweise als Eisen-, Ferrit- und/oder NdFeB-Pulver, bereitgestellt sein. Die Partikel können innerhalb des thermoplastischen Materials homogen verteilt sein.The magnetic or magnetizable particles can in principle consist of any ferromagnetic or magnetizable materials. For example, the particles may be provided as a fine metal powder, for example as iron, ferrite and / or NdFeB powder. The particles may be homogeneously distributed within the thermoplastic material.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht jeder der für den Rotor verwendeten Magnete vollständig aus einem permanentmagnetischen Material und füllt eine zugehörige Ausnehmung in dem Rotorkörper bzw. in einer oder mehrerer der Lamellen des Rotorkörpers bis auf einen angrenzenden Spalt aus. Dieser für ein Einbringen des Magnetes in die Ausnehmung nötige Spalt wird dabei zur Fixierung des Magneten mit dem thermoplastischen Material ausgefüllt. Das thermoplastische Material grenzt somit an den Magneten an und kann diesen teilweise oder vollständig umgeben und diesen nach dem Aushärten des thermoplastischen Materials somit formschlüssig in der Ausnehmung fixieren.According to one embodiment of the invention, each of the magnets used for the rotor made entirely of a permanent magnetic material and fills an associated recess in the rotor body or in one or more of the fins of the rotor body except for an adjacent gap. This necessary for an introduction of the magnet into the recess gap is filled to fix the magnet with the thermoplastic material. The thermoplastic material thus adjoins the magnet and can partially or completely surround it and thus fix it in a form-fitting manner in the recess after curing of the thermoplastic material.
Da das thermoplastische Material selbst, ähnlich wie bisher verwendete duroplastische Klebstoffe, im Allgemeinen nicht magnetisch ist, wirkt der mit dem thermoplastischen Material ausgefüllte Spalt aus magnetischer Sicht zunächst wie ein Luftspalt und verringert somit das von dem Rotor bewirkte Magnetfeld. Wenn das thermoplastische Material jedoch mit magnetischen bzw. magnetisierbaren Partikeln versetzt ist, kann auch das in dem Spalt vorgesehene Gemisch aus thermoplastischem Material und Magnetpartikeln zum Gesamtmagnetfeld des Rotors beitragen. Since the thermoplastic material itself is generally not magnetic, similar to previously used thermoset adhesives, the gap filled with the thermoplastic material initially acts as an air gap, thus reducing the magnetic field caused by the rotor. However, if the thermoplastic material is mixed with magnetic or magnetisable particles, the mixture of thermoplastic material and magnetic particles provided in the gap can also contribute to the overall magnetic field of the rotor.
In dieser Ausgestaltung kann der Spalt, d.h. ein Spielraum zwischen dem Magneten und der Wandung der Ausnehmung, auch größer dimensioniert werden als bei herkömmlichen Rotoren, ohne dass hiermit eine übermäßige Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Rotors einhergehen würde. Dadurch lässt sich ein Zusammenbauen des Rotors hinsichtlich eines Einbringens der Magneten in den Rotorkörper vereinfachen.In this embodiment, the gap, i. a clearance between the magnet and the wall of the recess, be dimensioned larger than conventional rotors, without this would be accompanied by excessive deterioration of the magnetic properties of the rotor. This makes it easier to assemble the rotor with regard to introducing the magnets into the rotor body.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann mit permanentmagnetischen Partikeln versetztes thermoplastisches Material eine Ausnehmung in dem Rotorkörper vollständig ausfüllen. In an alternative embodiment of the invention, thermoplastic material mixed with permanent magnetic particles can completely fill a recess in the rotor body.
Gemäß dieser Ausführungsform kann auf großvolumige, teure Permanentmagnete in dem Rotorkörper verzichtet werden. Stattdessen werden die in den Ausnehmungen aufgenommenen Magnete von permanentmagnetischen Partikeln gebildet, die in dem thermoplastischen Material enthalten sind. According to this embodiment can be dispensed with bulky, expensive permanent magnets in the rotor body. Instead, the magnets received in the recesses are formed by permanent magnetic particles contained in the thermoplastic material.
Die Ausnehmungen in dem Rotorkörper können in einer solchen Ausführungsform einfach im Spritzgussverfahren mit dem thermoplastischen Material befüllt werden. Das mit permanentmagnetischen Partikeln versetzte thermoplastische Material wird im Allgemeinen zwar ein geringeres Magnetfeld erzeugen als ein einzelner Vollkörper-Permanentmagnet, trotzdem kann aufgrund der vereinfachten Herstellungsmöglichkeit eine solche Ausgestaltung eines Rotors für eine Elektromaschine insbesondere für Anwendungen, bei denen geringere Leistungsanforderungen bestehen, interessant sein. The recesses in the rotor body can be filled in such an embodiment simply by injection molding with the thermoplastic material. Although the thermoplastic material added with permanent magnetic particles will generally produce a lower magnetic field than a single solid permanent magnet, such a rotor electrical machine design may be of particular interest in applications where lower power requirements exist because of its simplified manufacturing capability.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf einen Rotor für eine Elektromaschine und teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen eines solches Rotors beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauschtwerden können und insbesondere auch von dem Rotor auf das Herstellungsverfahren und umgekehrt übertragen werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.It should be understood that possible features and advantages of embodiments of the invention will be described herein in part with reference to a rotor for an electric machine and partially with respect to a method of manufacturing such a rotor. One skilled in the art will recognize that the various features may be suitably combined or interchanged with each other and, in particular, may also be transferred from the rotor to the manufacturing process and vice versa in order to arrive at further embodiments and possibly synergy effects.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, wherein neither the drawings nor the description are to be construed as limiting the invention.
Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.The drawings are only schematic and not to scale.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In jeder der Lamellen
In den Ausnehmungen
Wie in der vereinfacht dargestellten teilweisen Draufsicht aus
Um dem thermoplastischen Material
In einer alternativen Ausgestaltung (nicht zeichnerisch dargestellt) wird auf die Verwendung einstückiger Permanentmagnete bzw. einstückiger Körper aus magnetisierbarem Material verzichtet. Stattdessen wird die gesamte Ausnehmung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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