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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere Maßnahmen zur Kühlung von elektrischen Maschinen. Die Erfindung betrifft weiterhin als Transversalflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen.
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Stand der Technik
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Als Transversalflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei einem vergleichsweise geringen Gewicht aus. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor bekannt. In eine Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Benachbarte Permanentmagnete sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert, so dass die einander zugewandten Pole zweier benachbarter Permanentmagnete jeweils gleichartig sind. Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden damit so überlagert, dass ein sich in axialer und radialer Richtung von dem Polzwischenraum ausbreitendes Feld erzeugt wird.
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Der Scheibenrotor wird axial zwischen zwei Statoreinheiten angeordnet, die jeweils eine konzentrisch um eine Motorachse verlaufende Statorwicklung aufweisen. Zu jeder der Statorwicklungen radial nach innen und außen versetzt weist jede der Statoreinheiten sich in Umfangsrichtung erstreckende und in Richtung des Scheibenrotors hervorstehende innere und äußere Statorzähne auf. Die äußeren und inneren Statorzähne weisen den jeweils gleichen Winkelabstand zueinander auf, der dem Abstand von zwei einander benachbarter Permanentmagneten im Scheibenrotor entspricht. Weiterhin sind die äußeren und inneren Statorzähne jeder der Statoreinheiten in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet.
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Bei der Bestromung der Statorwicklung einer Statoreinheit mit einem Gleichstrom werden alle äußeren und alle inneren Statorzähne gleichartig magnetisiert. Die Bestromung der jeweiligen Statorwicklung erfolgt entsprechend der Rotorlage des Scheibenrotors. Die Frequenz des an die Statorwicklungen angelegten pulsierenden Statorstroms entspricht dabei der mit der Polpaarzahl multiplizierten Drehzahl des Scheibenrotors. Da sich in Umfangsrichtung stets ein innerer und ein äußerer Statorzahn abwechseln, kommt es über den Umfang hinweg betrachtet zu einer Folge von wechselweise angeordneten magnetischen Nord- und Südpolen. Auf die Magnetpole des Scheibenrotors wirkt nun in Richtung des in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen Magnetpols der Statoreinheiten mit entgegengesetzter Magnetisierung eine Kraft. So kann ein von der Rotorposition sowie vom Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Bei dem Betreiben der Transversalflussmaschine mithilfe einer geeigneten Leistungselektronik enthält das aus den Spannungen und Strömen resultierende Magnetfeld im Luftspalt der Transversalflussmaschine neben der Grundschwingung prinzipbedingt auch Oberschwingungen. Diese Oberschwingungen erzeugen in den magnetisch und elektrisch leitfähigen Komponenten im Scheibenrotor und in den Statoreinheiten erhebliche Wärmeverluste, die entweder zu einer Betriebseinschränkung der Transversalflussmaschine führen oder aber eine nicht unerhebliche Überdimensionierung der aktiven Teile der Transversalflussmaschine erfordern. Bisherige Maßnahmen zur Vermeidung von Wärmeverlusten im Scheibenrotor sind in der Regel sehr aufwändig und kostenintensiv.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aufbau eines Scheibenrotors für eine Transversalflussmaschine zur Verfügung zu stellen, mit dem eine geeignete Kühlung des Scheibenrotors erreicht werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Scheibenrotor für eine rotatorische elektrische Maschine, insbesondere eine Transversalflussmaschine, gemäß Anspruch 1 sowie durch die rotatorische elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Scheibenrotor für eine rotatorische elektrische Maschine, insbesondere eine Transversalflussmaschine, vorgesehen. Der Scheibenrotor umfasst einen Rotorkörper mit in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten mit tangentialer magnetischer Polarisierung und mindestens einem zumindest teilweise in radialer Richtung verlaufenden Kühlkanal.
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Eine Idee des obigen Scheibenrotors besteht darin, dass der Rotorkörper des Scheibenrotors mit einem oder mehreren Kühlkanälen versehen wird und dadurch gekühlt werden kann. Die benötigte Kühlluft kann dadurch durch die Kühlkanäle aus dem Inneren angesaugt und radial nach außen bewegt werden, wenn sich der Scheibenrotor dreht. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Luftstrom durch den Scheibenrotor, der die dort entstehende Wärme ableiten kann. Zusätzlich tragen die Kühlkanäle zu einem verringerten Gewicht des Scheibenrotors bei, so dass das Trägheitsmoment reduziert wird und eine verbesserte Dynamik der mit dem Scheibenrotor gebildeten Transversalflussmaschine erreicht wird.
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Weiterhin können mindestens einer der Kühlkanäle, mehrere der Kühlkanäle oder alle Kühlkanäle eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisen, wobei die Einlassöffnung radial weiter innen liegt als die Auslassöffnung.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Bereich einer Einlassöffnung mindestens eines der Kühlkanäle schräg in Richtung einer bevorzugten tangentialen Bewegungsrichtung und/oder ein Bereich einer Auslassöffnung mindestens eines der Kühlkanäle schräg entgegen der Richtung einer bevorzugten tangentialen Bewegungsrichtung verlaufen.
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Ferner kann mindestens eine Einlassöffnung und/oder mindestens eine Auslassöffnung mindestens eines Kühlkanals an einer axialen Seitenfläche des Rotorkörpers angeordnet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Kühlkanal mit zwei Einlassöffnungen an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Rotorkörpers angeordnet ist, wobei die Einlassöffnungen durch einen Querkanal miteinander verbunden sind und der Kühlkanal mit dem Querkanal verbunden ist.
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Ferner können mindestens einer der Kühlkanäle, mehrere der Kühlkanäle oder alle Kühlkanäle zwischen Magnetpolen der Permanentmagnete angeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich können mindestens einer der Kühlkanäle, mehrere der Kühlkanäle oder alle Kühlkanäle axial versetzt zu den Permanentmagneten angeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich können mindestens einer der Kühlkanäle, mehrere der Kühlkanäle oder alle Kühlkanäle schräg in dem Rotorkörper verlaufen.
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Alternativ oder zusätzlich können mindestens einer der Kühlkanäle, mehrere der Kühlkanäle oder alle Kühlkanäle durch einen oder mehrere Permanentmagnete verlaufen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine rotatorische elektrische Maschine vorgesehen, insbesondere eine Transversalflussmaschine, umfassend:
- – den obigen Scheibenrotor; und
- – beidseitig des Scheibenrotors angeordnete Statoreinheiten.
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Weiterhin können die Statoreinheiten jeweils eine äußere Reihe von Statorzähnen und einer innere Reihe von Statorzähnen aufweisen, zwischen denen jeweils eine im Wesentlichen konzentrisch um eine Drehachse des Scheibenrotors verlaufende Statorwicklung angeordnet ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a und b verschiedene Schnittansichten einer Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor;
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2 eine Querschnittsdarstellung eines Scheibenrotors quer zu einer axialen Richtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 eine Schnittdarstellung des Scheibenrotors der 2 in Umfangsrichtung;
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4 eine Querschnittsdarstellung eines Scheibenrotors quer zu einer axialen Richtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5 eine Schnittdarstellung in Umfangsrichtung eines Scheibenrotors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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6 eine Querschnittsdarstellung eines Scheibenrotors quer zu einer axialen Richtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die 1a und 1b zeigen Schnittdarstellungen einer Transversalflussmaschine 1 mit einem Scheibenrotor 2. Die Transversalflussmaschine 1 umfasst zwei Statoreinheiten 3, zwischen denen der Scheibenrotor 2 drehbeweglich um eine Drehachse angeordnet ist.
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Der Scheibenrotor 2 ist aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, wie beispielsweise aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder dergleichen, und enthält eingebettete Permanentmagnete 4. Die Permanentmagnete 4 sind in Umfangsrichtung R mit gleichen Abständen zueinander angeordnet. Die Polarisierung der Permanentmagnete 4 ist in Umfangsrichtung ausgerichtet, wobei die Polarisierungen von jeweils zwei benachbarten der Permanentmagnete 4 zueinander entgegengesetzt sind, so dass gleichartige Magnetpole jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die einander gegenüberliegend angeordneten Magnetpole der Permanentmagnete 4 bilden ein resultierendes Magnetfeld aus, das sich von dem Bereich zwischen jeweils zwei Magnetpolen der Permanentmagnete 4 in radialer und axialer Richtung erstreckt.
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Die Statoreinheiten 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei der Scheibenrotor 2 frei drehbeweglich so zwischen den Statoreinheiten 3 angeordnet ist, dass die durch die Permanentmagnete 4 ausgebildeten Rotorpole zwischen Statorzähnen 31 der Statoreinheiten 3 verlaufen. Die Statorzähne 31 sind an einem Statorkörper 35 aus magnetisch leitfähigem Material angebracht bzw. einstückig mit diesem ausgebildet. Die Statorzähne 31 sind jeweils von dem Statorkörper 35 hervorstehend, d. h. als Vorsprünge, ausgebildet. Jede der Statoreinheiten 3 weist jeweils eine (radial) innere und eine (radial) äußere sich in Umfangsrichtung erstreckende Reihe 33, 32 von Statorzähnen 31 auf. Zwischen den inneren Reihen 33 und den äußeren Reihen 32 von Statorzähnen 31 jeder der Statoreinheiten 3 ist eine Statorwicklung 34 vorgesehen, die konzentrisch um die Drehachse des Scheibenrotors 2 angeordnet ist.
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Wie in 1a dargestellt ist, sind die Statorzähne 31 der äußeren Reihe 32 und die Statorzähne 31 der innere Reihe 33 jeder der Statoreinheiten 3 in Umfangsrichtung mit jeweils dem gleichen Abstand zueinander angeordnet. Weiterhin sind die Statorzähne 31 der äußeren Reihen 32 der beiden Statoreinheiten 3 und die Statorzähne 31 der innere Reihen 33 der Statoreinheiten 3 zueinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich bezüglich jeder Statoreinheit 3 bei einer Bestromung der jeweiligen Statorwicklung 34 eine erste magnetische Polarisierung der Statorzähne 31 der äußeren Reihe 32 und eine zweite magnetische Polarisierung der inneren Reihe 33 der Statorzähne 31. Man erkennt, dass für die einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 jedem der Statorzähne 31 eine entsprechende Vertiefung zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 31 der jeweils in axialer Richtung gegenüberliegenden Statoreinheit 3 gegenüberliegt.
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Die Feldlinien im Luftspalt, die sich aus der Überlagerung der von den Permanentmagneten 4 im Scheibenrotor 2 und von den Statorwicklungen 34 in den Statoreinheiten 3 erzeugten Magnetfelder ergeben und die die Bildung des Motormoments verursachen, verlaufen im Wesentlichen in axialer bzw. leicht geneigt zur axialen Richtung, also quer zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 4.
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Die Bestromungen der Statorwicklungen 34 der gegenüberliegenden Statoreinheiten 3 sind stets zueinander entgegengesetzt vorgesehen. Da in Umfangsrichtung stets ein Statorzahn 31 der inneren Reihe 33 und ein Statorzahn 31 der äußeren Reihe 32 wechselweise angeordnet sind, kommt es in der Umfangsrichtung zu einer abwechselnden Aneinanderreihung von magnetischen Nord- und Südpolen. Die durch die Permanentmagnete 4 des Scheibenrotors 2 ausgebildeten Magnetpole werden nun in Umfangsrichtung zu dem am nächsten gelegenen magnetischen Pol der Statorzähne 31 gezogen, der eine jeweils entgegengesetzte Polarisierung aufweist. Somit kann ein von der Rotorposition und von dem Vorzeichen und Betrag des Stroms durch die Statorwicklungen 34 abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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Durch die pulsierende Ansteuerung der Statorwicklungen 34, die sich aus dem Prinzip der Transversalflussmaschine 1 ergibt, enthält das durch die Statorwicklungen 34 gebildete Magnetfeld im Luftspalt der Transversalflussmaschine 1 neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen. Diese Oberschwingungen können in den magnetisch und elektrisch leitfähigen Komponenten im Scheibenrotor 2 und in den Statoreinheiten 3 erhebliche Wärmeverluste erzeugen, die vermieden werden sollen.
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Dazu ist vorgesehen, Kühlkanäle 10 in den Scheibenrotor 2 einzubringen, die sich zumindest teilweise über die radiale Richtung erstrecken.
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In 2 ist beispielsweise dargestellt, dass Kühlkanäle 10 in Umfangsrichtung gesehen zwischen den Permanentmagneten 4 angeordnet sind, die an einem dem Innenumfang nahen Bereich des Scheibenrotors 2 eine Einlassöffnung 11 aufweisen, die sich in radialer Richtung bis zu einem Außenumfang des Scheibenrotors 2 erstrecken und dort in einer Auslassöffnung 12 münden. Befindet sich im zentralen Bereich des Scheibenrotors 2 eine Welle oder dergleichen, so können die Einlassöffnungen 11 auch seitlich an einer Seitenfläche bzw. Stirnseite aus dem Scheibenrotor 2 herausgeführt sein.
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In 3 ist ein Querschnitt in Umfangsrichtung durch die Permanentmagnete 4 dargestellt. Man erkennt, dass die Kühlkanäle 10 in Umfangsrichtung gesehen zwischen den Permanentmagneten 4 angeordnet sind.
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Durch die radiale Ausbildung der Kühlkanäle 10 wird bei Drehung des Scheibenrotors 2 aufgrund einer auf das Luftvolumen in den Kühlkanälen 10 wirkenden Zentrifugalkraft eine Luftströmung in die Einlassöffnungen 11 hinein durch den Kühlkanal 10 zur Auslassöffnung 12 bewirkt, die eine Wärmeabfuhr aus dem Scheibenrotor 2 ermöglicht.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die eine Verstärkung der Luftströmung in den Kühlkanälen 10 ermöglicht. Dazu sind die Verläufe der Kühlkanäle 10 in den Bereichen 13 der Einlassöffnungen 11 in Richtung einer bevorzugten Drehrichtung in Umfangsrichtung angeschrägt und/oder die Verläufe der Kühlkanäle 10 in den Bereichen 14 der Auslassöffnungen 12 in Umfangsrichtung entgegen der bevorzugten Drehrichtung abgeschrägt, so dass die Kühlkanäle 10 etwa eine S-Form bilden. Auf diese Weise kann eine radiale Luftströmung von einem Innenbereich zu einem Außenbereich des Scheibenrotors 2 bei einer bevorzugten Drehrichtung verstärkt werden.
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In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Scheibenrotors 2 in Form einer Querschnittsdarstellung in Umfangsrichtung durch die Permanentmagnete 4 gezeigt. Die Anordnung der Kühlkanäle 10 unterscheidet sich von der Anordnung der Kühlkanäle 10 der Ausführungsform der 2 und 3 dadurch, dass die Kühlkanäle 10 axial versetzt zu den Permanentmagneten 4 angeordnet sind, so dass der Bereich in Umfangsrichtung gesehen zwischen den Permanentmagneten 4 nicht durch einen Kühlkanal 10 unterbrochen ist. In anderen Worten sind die Kühlkanäle 10 an zumindest einer zur Seitenfläche des Scheibenrotors 2 gewandten Seite der Permanentmagnete 4 angeordnet. Bei der Ausführung nach 5 ist an beiden Seiten der Permanentmagnete 4 jeweils ein Kühlkanal 10 angeordnet, so dass die Permanentmagnete 4 jeweils in axialer Richtung zwischen zwei Kühlkanälen 10 angeordnet sind.
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Bei einer Ausbildung des Rotorkörpers aus einem magnetischen Material kann somit die magnetische Leitfähigkeit zwischen den Magnetpolen der Permanentmagnete 4 in optimaler Weise genutzt und gleichzeitig durch das Vorsehen der Kühlkanäle 10 in axialer Richtung versetzt zu den Permanentmagneten 4 ein Kurzschlussfluss des Magnetfelds verringert bzw. vermieden werden.
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Auch andere Anordnungen der Kühlkanäle 10 in dem Scheibenrotor 2 sind denkbar. So kann beispielsweise eine Kombination aus axialem und tangentialem Versatz der sich in radialer Richtung erstreckenden Kühlkanäle 10 zu den Permanentmagneten 4 vorgesehen werden. Auch können einer oder mehrere der Kühlkanäle 10 in Erstreckungsrichtungen ausgerichtet sein, die schräg zu der radialen Richtung in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung verlaufen. Gemäß weiteren Ausführungsformen können mindestens einer der Kühlkanäle 10, mehrere der Kühlkanäle 10 oder alle Kühlkanäle 10 durch einen oder mehrere Permanentmagnete 4 verlaufen.
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In 6 ist eine Ausführungsform eines Scheibenrotors 2 dargestellt, bei dem die Einlassöffnungen 11 an einer Seitenfläche des Scheibenrotors 2 angeordnet sind. Insbesondere können für einen, mehrere oder alle Kühlkanäle 10 zwei einander in axialer Richtung gegenüberliegende Einlassöffnungen 11 vorgesehen sein, die durch einen Querkanal (nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. Der Querkanal ist mit dem Kühlkanal 10 verbunden, der sich im Inneren des Scheibenrotors 2 in radialer Richtung in Richtung des Außenumfangs erstreckt. Auf diese Weise kann mindestens einer der Kühlkanäle 10 z. B. eine T-Form im Inneren des Scheibenrotors 2 ausbilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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