DE102015011340A1 - Stator for an electric machine - Google Patents

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Andrey Pulnikov
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern (10) bestehend aus einem Rückschlussring (12) und einer Anzahl von am Rückschussring (12) verteilt angeordneten Statorzähnen (14), die jeweils einen Zahnhals (14a) und einen am Ende des Zahnhalses angeordneten Zahnkopf (14b) aufweisen, Erfindungsgemäß besteht der Statorkern (10) aus einem Pulver-Verbundmaterial.The invention relates to a stator for an electric machine with a stator core (10) comprising a return ring (12) and a number of stator teeth (14) distributed on the return ring (12), each having a tooth neck (14a) and one at the end of the Tooth neck arranged tooth tip (14b), According to the invention, the stator core (10) made of a powder composite material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem.The invention relates to a stator for an electric machine, in particular for a spindle motor with fluid dynamic bearing system.

Elektromotoren umfassen einen Stator, dessen Statorkern in der Regel aus einem Stapel von laminierten Stahlblechen besteht. Gewöhnlich beträgt die Dicke der der einzelnen Statorbleche zwischen 0,2 mm und 0,35 mm, bei kleinen Spindelmotoren auch zwischen 0,1 mm bis 0,15 mm.Electric motors comprise a stator, the stator core of which usually consists of a stack of laminated steel sheets. Usually the thickness of the individual stator laminations is between 0.2 mm and 0.35 mm, for small spindle motors also between 0.1 mm and 0.15 mm.

Aus der US 7,62 6,302 B2 ist es bekannt, den Statorkern aus einem Pulver-Verbundmaterial zu fertigen. Dieses Verfahren ermöglicht eine relativ freie Formgebung des Statorkerns.From the US 7,62 6,302 B2 It is known to manufacture the stator core from a powder composite material. This method allows a relatively free shaping of the stator core.

Moderne Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken sind sehr flach aufgebaut und haben eine Bauhöhe von typisch 9,5 mm, 7 mm oder sogar nur 5 mm. Aufgrund dieser geringen Bauhöhe muss auch das elektrische Antriebssystem und insbesondere der Stator sehr flach aufgebaut werden, wobei das Antriebssystem dennoch ein hohes Drehmoment und einen geringen elektrischen Widerstand bei größtmöglicher Leistung bereitstellen sollte.Modern spindle motors for driving hard disk drives are very flat and have a height of typically 9.5 mm, 7 mm or even only 5 mm. Due to this low height also the electric drive system and in particular the stator must be constructed very flat, the drive system should still provide high torque and low electrical resistance with the highest possible performance.

Ein wichtiges Merkmal des Antriebssystems ist ferner der Wert der gesamten harmonischen Verzerrungen (THD: Total Harmonic Distorsion) der Spannung der Gegen-EMK. Die THD hängen insbesondere vom Material und der Geometrie des Stators und der darauf abgeordneten Wicklungen ab.An important feature of the drive system is also the value of Total Harmonic Distortion (THD) of the back EMF voltage. The THDs depend in particular on the material and the geometry of the stator and the windings arranged thereon.

Gewöhnlich besteht der Statorkern eines Spindelmotors aus einem Stapel von laminierten Stahlblechen mit Blechdicken von 0,1 mm bis 0,35 mm. Dadurch kann die axiale Höhe des Statorkerns nur in diskreten Werten gewählt werden, die einem Vielfachen der Blechdicke entsprechen. Die Statorbleche werden in einem ersten Fertigungsschritt ausgestanzt und danach zu einem Stapel verbunden. Die Verbindung der Statorbleche erfolgt durch Stanzpaketierung, Verkleben oder Verschweißen. Dabei wird ein großer Füllfaktor des Blechpaketes angestrebt, d. h. zwischen den einzelnen Statorblechen sollten keine Luftzwischenräume verbleiben, welche die effektive Höhe (Querschnitt) des Statorkerns verringern. Je geringer der Querschnitt des Statorkerns ist, desto größer ist die Gefahr der magnetischen Sättigung. Eine Stanzpaketierung erfolgt nur Punktweise, so dass keine vollflächige Verbindung der einzelnen Statorbleche gegeben ist. Dadurch können Vibrationen und akustische Probleme in höheren Frequenzbereichen über ca. 10 kHz entstehen. Sofern der Spindelmotor in einem Festplattenlaufwerk eingesetzt wird, können diese Vibrationen die Schreib-Leseeinrichungen des Festplattenlaufwerks stören.Usually, the stator core of a spindle motor consists of a stack of laminated steel sheets with sheet thicknesses of 0.1 mm to 0.35 mm. As a result, the axial height of the stator core can be selected only in discrete values that correspond to a multiple of the sheet thickness. The stator laminations are punched out in a first production step and then connected to form a stack. The connection of the stator laminations is done by stamping, gluing or welding. Here, a large filling factor of the laminated core is sought, d. H. Between the individual stator laminations, there should be no air gaps which reduce the effective height (cross section) of the stator core. The smaller the cross section of the stator core, the greater the danger of magnetic saturation. A stamped package is only pointwise, so that no full-surface connection of the individual stator laminations is given. This can cause vibrations and acoustic problems in higher frequency ranges over about 10 kHz. If the spindle motor is inserted in a hard disk drive, these vibrations can interfere with the hard disk drive read / write devices.

Laminierte Statorkerne weisen ferner relativ hohe elektromagnetische Verluste auf, die den Wirkungsgrad des Antriebssystems verschlechtern.Laminated stator cores also have relatively high electromagnetic losses that degrade the efficiency of the drive system.

Durch den Aufbau des Statorkerns aus diskreten, flachen Statorblechen ist die axiale Höhe des Statorkern überall dieselbe, wobei der Statorkern parallel zueinander verlaufende Ober- und Unterseiten aufweist. Eine freie Formgebung des Statorkerns, insbesondere in Stapelrichtung, ist bei einem Aufbau aus Statorblechen nicht möglich. Bei eingeschränkten Platzverhältnissen, wie sie in Miniaturmotoren vorliegen, wäre die Möglichkeit einer freien Formgebung des Statorkerns, insbesondere in axialer Richtung, von großem Vorteil.Due to the structure of the stator core of discrete, flat stator laminations, the axial height of the stator core is the same everywhere, wherein the stator core has mutually parallel upper and lower sides. A free shaping of the stator core, in particular in the stacking direction, is not possible with a structure made of stator laminations. With limited space available in miniature motors, the possibility of free shaping of the stator core, especially in the axial direction, would be of great advantage.

Außerdem weisen laminierte Statorkerne nur eingeschränkte Platzverhältnisse für die Statorwicklungen in radialer Richtung auf, was jedoch für eine große elektromotorische Konstante Ke und eine geringe magnetische Sättigung notwendig ist. Insbesondere hängt der THD-Wert von der elektromotorischen Konstante Ke und der magnetischen Sättigung ab, welche wiederum die akustischen Eigenschaften des Spindelmotors bestimmen.In addition, laminated stator cores have only limited space for the stator windings in the radial direction, but this is necessary for a large electromotive constant Ke and a low magnetic saturation. In particular, the THD value depends on the electromotive constant Ke and the magnetic saturation, which in turn determine the acoustic properties of the spindle motor.

Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass laminierte Statorkerne aufgrund von Herstellungstoleranzen immer eine asymmetrische Formgebung der Statorzähne aufweisen. Diese Asymmetrien erzeugen harmonische Oberschwingungen, beispielsweise 12-ter oder 24-ter Ordnung, die sich negativ auf die Akustik und die Motoreigenschaften auswirken können. Aufgrund der Stanzbleche und der nachfolgenden Paketierung der Bleche ist es fast unmöglich, eine symmetrische Formgebung und homogene Materialeigenschaften der auf diese Weise hergestellten Statorkerne zu erzielen. Insbesondere bei Statorkernen mit kleinem Durchmesser wirken sich die Toleranzen verhältnismäßig stark aus.Practical experience has shown that laminated stator cores always have an asymmetric shape of the stator teeth due to manufacturing tolerances. These asymmetries create harmonic harmonics, such as 12th or 24th order, which can negatively affect the acoustics and engine characteristics. Due to the stamping sheets and the subsequent packaging of the sheets, it is almost impossible to achieve a symmetrical shape and homogeneous material properties of the stator cores produced in this way. Especially with small diameter stator cores, the tolerances are relatively strong.

Oftmals ist es bei Spindelmotoren erwünscht, die elektromotorische Konstante Ke zu optimieren bzw. zu maximieren, wogegen die THD und der ohmsche Widerstand möglichst gering sein sollen. Eine Optimierung der elektromotorischen Konstante Ke kann in der Regel nur durch Änderung der Auslegung des Antriebssystem, wie z. B. größere axiale Höhe, Anzahl der Windungen der Wicklungen, höhere Magnetisierung oder größere axiale Höhe des Rotormagneten erfolgen. Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse in Spindelmotoren, insbesondere Spindelmotoren geringer Bauhöhe, können diese Optimierungsmöglichkeiten nicht oder nur sehr eingeschränkt realisiert werden.Often it is desirable in spindle motors to optimize or maximize the electromotive constant Ke, whereas the THD and the ohmic resistance should be as low as possible. An optimization of the electromotive constant Ke can usually only by changing the design of the drive system, such. B. greater axial height, number of turns of the windings, higher magnetization or greater axial height of the rotor magnet done. Due to the limited space in spindle motors, in particular spindle motors of low overall height, these optimization options can not be realized or only very limited.

Bei Spindelmotoren wird oftmals ein magnetischer Offset zwischen Statoranordnung und Rotormagnet vorgesehen, um das fluiddynamische Lagersystem, das zur Drehlagerung des Spindelmotors verwendet wird, magnetisch vorzuspannen. Dieser magnetische Offset erzeugt jedoch eine Asymmetrie der magnetischen Kräfte im Antriebssystem sowohl mit konstanten als auch dynamischen Komponenten, was die akustischen Eigenschaften des Spindelmotors verschlechtern kann. Entsprechende akustische Probleme kann es auch geben, wenn die axiale Höhe des Rotormagneten sich von der Höhe der Statoranordnung unterscheidet. Bei einem konventionellen Spindelmotor mit laminiertem Statorkern ist eine Asymmetrie des Antriebssystems nicht zu vermeiden, denn um eine ausreichend große elektromotorische Konstante Ke zu erhalten muss die Höhe des Rotormagneten größer sein als die Höhe des Statorkerns. Ferner ist die Vorspannung für das fluiddynamische Lager notwendig.In spindle motors often a magnetic offset between the stator and the rotor magnet is provided to the fluid dynamic bearing system, the pivotal mounting of the spindle motor is used to magnetically bias. However, this magnetic offset creates an asymmetry of the magnetic forces in the drive system with both constant and dynamic components, which can degrade the acoustic properties of the spindle motor. Corresponding acoustic problems may also arise if the axial height of the rotor magnet differs from the height of the stator arrangement. In a conventional spindle motor with a laminated stator core asymmetry of the drive system is unavoidable, because in order to obtain a sufficiently large electromotive constant Ke, the height of the rotor magnet must be greater than the height of the stator core. Furthermore, the bias for the fluid dynamic bearing is necessary.

In Spindelmotoren werden oftmals Rotormagneten aus NeFeB mit einer Remanenz von 0,55 bis 0,75 Tesla verwendet, die sehr teuer sind. In der Regel gilt, dass je höher die Remanenz des Magneten ist, desto teuerer ist er. Bei Spindelmotoren mit sehr geringen Bauhöhen von 5–7 mm sind daher sehr teuere Rotormagnete mit möglichst hoher Remanenz notwendig. Andererseits wird ein möglicht gutes Preis-Leistungsverhältnis der Spindelmotoren angestrebt. Die verwendeten Magnete sind dabei ein merklicher Kostenfaktor. Die Möglichkeit kostengünstige Magnete einzusetzen wäre daher ein großer Kostenvorteil.Spindle motors often use rotor magnets made of NeFeB with a remanence of 0.55 to 0.75 Tesla, which are very expensive. As a rule, the higher the remanence of the magnet, the more expensive it is. In spindle motors with very low heights of 5-7 mm therefore very expensive rotor magnets with the highest possible remanence are necessary. On the other hand, a possible good price-performance ratio of the spindle motors is sought. The magnets used are a significant cost factor. The possibility of using inexpensive magnets would therefore be a great cost advantage.

Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse in Spindelmotoren mit kleiner Bauhöhe, insbesondere 7 mm oder weniger, und die erhöhten Anforderungen an die elektromotorische Konstante Ke und geringe Verzerrungen THD, ist es notwendig, bei der Magnetisierung der Rotormagnete sehr hohe Feldstärken, d. h. sehr hohe Ströme in den Magnetisierungsspulen, zu verwenden. Zudem werden in der Massenfertigung immer kürzere Zykluszeiten für die Magnetisierung gefordert. Der Einsatz von hohen Stromstärken und kurzer Impulsdauer bei der Magnetisierung kann zu einer Beschädigung bzw. zu einem vorzeitigen Verschleiß der Magnetisierungsspulen führen, was die Produktionskosten erhöht.Due to the limited space in spindle motors with a small overall height, in particular 7 mm or less, and the increased demands on the electromotive constant Ke and small distortions THD, it is necessary in the magnetization of the rotor magnets very high field strengths, d. H. very high currents in the magnetizing coils to use. In addition, shorter and shorter cycle times for magnetization are required in mass production. The use of high currents and short pulse duration in the magnetization can lead to damage or premature wear of the magnetizing coils, which increases the cost of production.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine anzugeben, der hinsichtlich seiner Geometrie und seines magnetischen Verhaltens für sehr niedrig bauende Motoren, insbesondere Spindelmotoren, optimiert ist. Ein Spindelmotor mit einem Antriebssystem mit einem solchen Stator soll ebenfalls angegeben werden.It is the object of the invention to provide a stator for an electrical machine, which is optimized in terms of its geometry and its magnetic behavior for very low-build motors, in particular spindle motors. A spindle motor with a drive system with such a stator should also be specified.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a stator with the features of claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention and further advantageous features are indicated in the dependent claims.

Der Stator umfasst einen Statorkern mit einem Rückschlussring und einer Anzahl von am Rückschussring verteilt angeordneten Statorzähnen, die jeweils einen Zahnhals und einen am Ende des Zahnhalses angeordneten Zahnkopf aufweisen. Erfindungsgemäß besteht der Statorkern aus einem Pulver-Verbundmaterial, insbesondere einem weichmagnetischen Pulver-Verbundwerkstoff (Soff Magnetic Composite).The stator comprises a stator core with a return ring and a number of stator teeth distributed on the return ring, each having a tooth neck and a tooth tip arranged at the end of the tooth neck. According to the invention, the stator core consists of a powder composite material, in particular a soft magnetic powder composite material (Soff Magnetic Composite).

Dadurch ist es möglich, den Statorkern in einer nahezu beliebigen Geometrie herzustellen. Im Gegensatz zu einem aus Statorblechen bestehenden Statorkern entfällt ein Ausstanzen und Verbinden der einzelnen Statorbleche, und es sind Statorkerne mit einer beliebigen Formgebung, insbesondere in axialer Richtung herstellbar. Ferner entsteht kein Abfall aus dem Ausstanzen verbleibenden Blechresten. Ein aus Pulver-Verbundmaterial bestehender Statorkern besteht aus einem einzigen integralen Block ohne Luftzwischenräume, so dass ein Füllfaktor von 100% erreicht werden kann.This makes it possible to produce the stator core in almost any geometry. In contrast to a stator core consisting of stator laminations, punching out and connecting of the individual stator laminations is eliminated, and stator cores having an arbitrary shaping, in particular in the axial direction, can be produced. Furthermore, no waste from the punching remaining sheet remains. A powder composite stator core consists of a single integral block with no air gaps, so that a fill factor of 100% can be achieved.

Ein weichmagnetischer Pulver-Verbundwerkstoff besteht beispielsweise aus hochreinem Eisenpulver mit einer speziellen, elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung auf jedem einzelnen Eisenpartikel. Dieses Pulver lässt sich unter Druck und Wärmeeinwirkung zu einem Statorkern jeder gewünschten Form pressen. Die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung jedes Partikels gewährleistet einen hohen elektrischen Widerstand des gepressten Statorkerns, so dass Wirbelströme im Statorkern vermieden werden. Geeignete weichmagnetische Pulver-Verbundstoffe sind z. B. Somaloy®.For example, a soft magnetic powder composite consists of high purity iron powder with a special electrically insulating surface coating on each individual iron particle. This powder can be pressed under pressure and heat to a stator core of any desired shape. The electrically insulating surface coating of each particle ensures a high electrical resistance of the pressed stator core, so that eddy currents are avoided in the stator core. Suitable soft magnetic powder composites are for. B. Somaloy ®.

Werkstoffe zur Herstellung von Statorkernen, sei es Eisenblech oder Pulver-Verbundmaterial, haben nichtlineare magnetische Eigenschaften, die beispielsweise durch ein B-H-Diagramm beschrieben werden können. Dabei ist eine magnetische Sättigung des Statormaterials zu vermeiden. Die magnetische Sättigung stellt sich ein, wenn die magnetische Flussdichte im Material einen bestimmten Wert überschreitet, der aus dem B-H-Diagramm abgelesen werden kann. Eine magnetische Sättigung verursacht eine Verzerrung des magnetischen Flusses und entsprechend eine Verzerrung des Spannungsverlaufs der elektromotorischen Gegen-EMK. Eine Verzerrung der Spannungsverlaufs der Gegen-EMK kann durch die gesamten harmonischen Verzerrungen (THD) beschrieben werden. Die THD gibt die Abweichung des Spannungsverlaufs der Gegen-EMK von einer reinen Sinusspannung in Prozent an (reiner Sinus entspricht 0% THD). Wenn der Spannungsverlauf der Gegen-EMK vom reinen Sinusverlauf abweicht, ergeben sich durch die Interaktion der nicht sinusförmigen Spannungsanteile und dem Magnetsystem magnetische Kräfte, die zu Vibrationen oder Geräuschemissionen führen. Zum Beispiel werden bei einem Motordesign mit 12 Magnetpolen und 9 Nuten insbesondere die 36x, 48x und 60x Harmonischen angeregt. Es wird daher angestrebt, die gesamten harmonischen Verzerrungen THD der Gegen-EMK gering zu halten, möglichst unter 2,5% und bevorzugt unter 1,5%. Dies kann unter anderem durch eine Verringerung der magnetischen Flussdichte im Statorkern erreicht werden. Lokale Spitzenwerte der magnetischen Sättigung im Kernmaterial sind dabei insbesondere zu vermeiden.Materials for the production of stator cores, whether iron sheet or powder composite material, have non-linear magnetic properties, which can be described for example by a BH diagram. In this case, a magnetic saturation of the stator material is to be avoided. The magnetic saturation occurs when the magnetic flux density in the material exceeds a certain value, which can be read from the BH diagram. Magnetic saturation causes distortion of the magnetic flux and, correspondingly, distortion of the voltage waveform of back EMF. Distortion of the voltage waveform of the back EMF can be described by the total harmonic distortion (THD). The THD indicates the deviation of the voltage curve of the back EMF from a pure sine voltage in percent (pure sine corresponds to 0% THD). If the voltage curve of the back EMF from the pure sine wave deviates, resulting from the interaction of the non-sinusoidal voltage components and the magnetic system magnetic forces that lead to vibration or noise emissions. For example, in a motor design with 12 magnetic poles and 9 grooves, the 36x, 48x and 60x harmonics are particularly excited. It is therefore desirable to keep the total harmonic distortion THD of the back EMF low, if possible below 2.5% and preferably below 1.5%. This can be achieved, inter alia, by reducing the magnetic flux density in the stator core. Local peak values of the magnetic saturation in the core material are to be avoided in particular.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der radialen Breite A des Rückschlussrings und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,035 und 0,08 beträgt.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the radial width A of the return ring and the outer diameter OD of the stator core is between 0.035 and 0.08.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der radialen Breite B der Zahnköpfe und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,045 und 0,08 beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the radial width B of the tooth tips and the outer diameter OD of the stator core is between 0.045 and 0.08.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der Breite E der Zahnhälse und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,09 und 0,125 beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the width E of the tooth necks and the outer diameter OD of the stator core is between 0.09 and 0.125.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Außenradius R der Zahnköpfe und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,3 und 0,5 beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the outer radius R of the tooth tips and the outer diameter OD of the stator core is between 0.3 and 0.5.

Durch diese oben beschrienen geometrischen Verhältnisse des Statorkerns in Verbindung mit einer optimierten Dimensionierung aus Pulver-Verbundmaterial kann eine magnetische Sättigung in kritischen Bereichen des Statorkerns verhindert bzw. verringert werden, indem der Querschnitt des Statorkerns in diesen Bereichen erhöht und dadurch die magnetische Flussdichte verringert wird. Folglich verringern sich auch die harmonischen Verzerrungen THD des Spannungsverlaufs der Gegen-EMK. Die THD hängt insbesondere von den relativen Abmessungen des Statorkerns ab.By this above-described geometric conditions of the stator core in conjunction with an optimized dimensioning of powder composite material, a magnetic saturation in critical areas of the stator core can be prevented or reduced by increasing the cross section of the stator core in these areas and thereby reducing the magnetic flux density. Consequently, the harmonic distortions THD of the counter-emf voltage characteristic are also reduced. The THD depends in particular on the relative dimensions of the stator core.

Die beschriebene Auslegung des Statorkerns ist insbesondere geeignet für Spindelmotoren mit n·4 Polen und n·3 Nuten (Zähnen), wobei n eine natürliche Zahl größer gleich 1 ist.The described design of the stator core is particularly suitable for spindle motors with n × 4 poles and n × 3 slots (teeth), where n is a natural number greater than or equal to 1.

Um auf den Statorzähnen genügen Platz für die Wicklungen in axialer und radialer Richtung zu erhalten kann der Statorkern aus Pulver-Verbundstoff – im Gegensatz zu einem laminierten Blechkern – eine optimierte Formgebung erhalten. Insbesondere die nicht mit Wicklungen versehenen Bereiche des Stators, d. h. der Rückschlussring und die Statorköpfe, können in ihrer axialen Höhe gegenüber dem Zahnhälsen vergrößert werden, so dass sich dort der effektive Querschnitt des Statorkerns vergrößert. So ist z. B. die axiale Höhe des Rückschlussrings und der Enden der Statorzähne (Zahnköpfe) vorzugsweise größer als die axiale Höhe der Statorzähne in den bewickelten Abschnitten (Statorhälse).In order to obtain sufficient space on the stator teeth for the windings in the axial and radial directions, the stator core made of powder composite material-in contrast to a laminated sheet metal core-can be given an optimized shape. In particular, the non-winded portions of the stator, d. H. the return ring and the stator heads can be increased in their axial height relative to the tooth necks, so that increases there the effective cross section of the stator core. So z. B. the axial height of the return ring and the ends of the stator teeth (tooth tips) preferably greater than the axial height of the stator teeth in the wound sections (stator necks).

Erfindungsgemäß kann ein magnetischer Offset des Magnetsystems vorgesehen und erfindungsgemäß optimiert werden, indem eine Verbesserung der axialen Symmetrie von Statorkern und Rotormagnet angestrebt wird. Dadurch verbessern sich entsprechen die akustischen Eigenschaften des Motors. Insbesondere kann die axiale Höhe der Statorköpfe und des Rotormagneten etwa gleich groß gewählt werden (gleichgroß im magnetischen Sinne und nicht unbedingt im mechanischen Sinne). Der magnetische Offset lässt sich durch die nahezu beliebige Formgebung des Stators aus Pulver-Verbundmaterial relativ leicht an die Erfordernisse anpassen und justieren.According to the invention, a magnetic offset of the magnet system can be provided and optimized in accordance with the invention by seeking to improve the axial symmetry of the stator core and the rotor magnet. This improves the acoustic characteristics of the engine. In particular, the axial height of the stator heads and the rotor magnet can be selected approximately the same size (the same size in the magnetic sense and not necessarily in the mechanical sense). The magnetic offset can be adapted and adjusted by the almost arbitrary shape of the stator made of powder composite material relatively easy to the requirements.

Durch die Herstellung des Statorkerns aus Pulver-Verbundmaterial können größere Querschnitte in kritischen Bereichen des Statorkerns erreicht werden. Dadurch kann ein kostengünstiger Rotormagnet mit geringer Remanenz verwendet werden, ohne dass sich die Leistung des Antriebssystems merklich verschlechtert. Durch die Verwendung eines kostengünstigen Rotormagneten können die Herstellungskosten des Spindelmotors insgesamt gesenkt werden.By manufacturing the stator core from powder composite material, larger cross-sections can be achieved in critical areas of the stator core. As a result, a low-cost rotor magnet with low remanence can be used without the performance of the drive system deteriorating noticeably. By using a low-cost rotor magnet, the manufacturing cost of the spindle motor can be reduced overall.

Durch den Einsatz von Rotormagneten mit kleinerer Remanenz kann auch der Aufwand der Magnetisierung verringert werden, insbesondere die Zykluszeiten für die Magnetisierung und die notwendigen Stromstärken in den Magnetisierungsspulen.The use of rotor magnets with a smaller remanence can also reduce the complexity of the magnetization, in particular the cycle times for the magnetization and the necessary current strengths in the magnetization coils.

Die Erfindung ist sowohl für Statoren von Innenläufer-Motoren als auch Statoren von Außenläufer-Motoren einsetzbar.The invention can be used both for stators of internal rotor motors and stators of external rotor motors.

1 zeigt eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Statorkerns gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. 1 shows a plan view of a stator core according to the invention according to a first embodiment of the invention.

2 zeigt einen Querschnitt durch den Statorkern von 1. 2 shows a cross section through the stator core of 1 ,

3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Statorzahns von 1. 3 shows an enlarged view of a stator tooth of 1 ,

4 zeigt eine Aufsicht eines Stators gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. 4 shows a plan view of a stator according to a second embodiment of the invention.

5 zeigt einen Querschnitt durch den Statorkern von 4. 5 shows a cross section through the stator core of 4 ,

5A zeigt eine Detailansicht des Querschnitts von 5. 5A shows a detailed view of the cross section of 5 ,

6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Statorzahns gemäß 4. 6 shows an enlarged view of a stator tooth according to 4 ,

7 zeigt ein Diagramm der Zahnhalsbreite E im Verhältnis zum Außendurchmesser OD aufgetragen über die harmonischen Verzerrungen THD. 7 shows a diagram of the tooth neck width E in relation to the outer diameter OD plotted on the harmonic distortion THD.

8 zeigt ein Diagramm der radialen Breite des Rückschlussrings A im Verhältnis zum Außendurchmesser OD bzw. die radiale Breite B der Zahnköpfe im Verhältnis zum Außendurchmesser OD aufgetragen über die harmonischen Verzerrungen THD. 8th shows a diagram of the radial width of the return ring A in relation to the outer diameter OD and the radial width B of the tooth tips in relation to the outer diameter OD plotted against the harmonic distortion THD.

Die 1 bis 3 zeigen einen Statorkern 10 in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Der Statorkern 10 besteht aus einem weichmagnetischen Pulver-Verbundmaterial, beispielsweise Somaloy®. Dieses Verbundmaterial liegt in Pulverform vor und wird unter Druck und Wärmeinwirkung zu der vorgesehenen Form des Statorkerns gepresst.The 1 to 3 show a stator core 10 in a first embodiment of the invention. The stator core 10 consists of a soft magnetic powder composite material, such as Somaloy ®. This composite material is in powder form and is pressed under pressure and heat to the intended shape of the stator core.

Es handelt sich um einen Statorkern für einen Außenläufermotor. Der erfindungsgemäße Statorkern kann jedoch auch gleichermaßen für Innenläufermotoren ausgebildet werden.It is a stator core for an external rotor motor. However, the stator core according to the invention can also be designed equally for internal rotor motors.

Der Statorkern 10 umfasst einen inneren Rückschlussring 12, von welchem sich radial nach außen eine Anzahl von Statorzähnen 14 erstrecken, die verteilt über den Umfang des Rückschlussrings 12 angeordnet sind.The stator core 10 includes an inner return ring 12 from which radially outwardly a number of stator teeth 14 extend, distributed over the circumference of the return ring 12 are arranged.

Im vorliegenden Beispiel umfasst der Statorkern 10 insgesamt neun Statorzähne 14 und neun zwischen den Statorzähnen 14 angeordnete Nuten, die als Wickelraum für die auf den Statorzähnen aufzubringenden Wicklungen 16 dienen.In the present example, the stator core includes 10 a total of nine stator teeth 14 and nine between the stator teeth 14 arranged grooves, which serve as a winding space for the windings to be applied to the stator teeth 16 serve.

Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Statorkern 10 auch eine andere Anzahl von Statorzähnen 14 aufweisen, vorzugsweise jedoch n·3 Statorzähne, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich 1 ist.Of course, the stator core according to the invention 10 also a different number of stator teeth 14 However, preferably n · 3 stator teeth, where n is a natural number greater than or equal to 1.

Jeder Statorzahn 14 umfasst einen Zahnhals 14a und einen am Ende des Zahnhalses 14a angeordneten Zahnkopf 14b. In der Aufsicht gemäß 1 ist zu erkennen, dass die Statorzähne 14 etwa hammerförmig ausgebildet sind.Every stator tooth 14 includes a tooth neck 14a and one at the end of the cervix 14a arranged tooth head 14b , In the supervision according to 1 it can be seen that the stator teeth 14 are formed about hammer-shaped.

Die Breite E der Zahnhälse 14a in Umfangsrichtung ist wesentlich geringer als die Breite der Zahnköpfe 14b in Umfangsrichtung, wie sich insbesondere aus den 1 und 3 ergibt.The width E of the tooth necks 14a in the circumferential direction is substantially less than the width of the tooth heads 14b in the circumferential direction, as can be seen in particular from the 1 and 3 results.

Der Statorkern 10 weist einen definierten Innendurchmesser ID sowie einen definierten Außendurchmesser OD auf und eine gleich bleibende axiale Gesamthöhe H.The stator core 10 has a defined inner diameter ID and a defined outer diameter OD and a constant axial total height H.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Statorkern 10 beispielsweise einen Außendurchmesser OD von 16,7 mm und einen Innendurchmesser ID von 8,6 mm sowie eine Höhe H von 2,2 mm auf.In the illustrated embodiment, the stator core 10 For example, an outer diameter OD of 16.7 mm and an inner diameter ID of 8.6 mm and a height H of 2.2 mm.

Auf den Zahnhälsen 14a der Statorzähne 14 sind jeweils Statorwicklungen 16 angeordnet, die in die Nuten zwischen den Statorzähnen 14 hineinreichen und in axialer Richtung über die Höhe H des Statorkerns hinaus stehen, wie sich aus 2 ergibt. Die Gesamthöhe des Stators in axialer Richtung ist daher größer als die Gesamthöhe H des Statorkerns.On the tooth necks 14a the stator teeth 14 are each stator windings 16 placed in the grooves between the stator teeth 14 extend and stand in the axial direction beyond the height H of the stator core, as is apparent from 2 results. The total height of the stator in the axial direction is therefore greater than the total height H of the stator core.

Zur Verbesserung der harmonischen Verzerrungen THD ist es erfindungsgemäß vorgesehen, bestimmte Abmessungen des Statorkerns zu optimieren, wobei diese Abmessungen vorzugsweise im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns angegeben sind.In order to improve the harmonic distortion THD, it is provided according to the invention to optimize certain dimensions of the stator core, wherein these dimensions are preferably given in relation to the outer diameter OD of the stator core.

Zum einen ist erfindungsgemäß die radiale Breite A des Rückschlussrings im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,035 und 0,08 gewählt, d. h., im vorliegenden Beispiel mit OD = 16,7 mm beträgt der Wert A zwischen 0,6 mm und 1,33 mm.First, according to the invention, the radial width A of the return ring in relation to the outer diameter OD of the stator core is selected between 0.035 and 0.08, ie. h., in the present example with OD = 16.7 mm, the value A is between 0.6 mm and 1.33 mm.

In gleicher Weise ist die Breite E der Zahnhälse im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns erfindungsgemäß gewählt zwischen 0,09 und 0,125, was im vorliegenden Beispiel einer effektiven Breite E von 1,5 mm bis 2,09 mm ergibt.Similarly, the width E of the tooth necks in relation to the outer diameter OD of the stator core according to the invention selected between 0.09 and 0.125, resulting in the present example an effective width E of 1.5 mm to 2.09 mm.

Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, die radiale Breite B der Zahnköpfe im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,045 und 0,08 zu wählen, was effektiv einer Breite B zwischen 0,75 mm und 1,33 mm entspricht.In addition, according to the invention, it is provided to select the radial width B of the tooth heads in relation to the outer diameter OD of the stator core between 0.045 and 0.08, which effectively corresponds to a width B between 0.75 mm and 1.33 mm.

Der Außenradius R der Statorköpfe 14b muss nicht unbedingt dem Radius des Statorkerns 10, also OD/2, entsprechen, sondern ist vorzugsweise kleiner als OD/2 und beträgt im vorliegenden Beispiel zwischen 5 mm und 8,35 mm, d. h., im das R im Verhältnis zum Außendurchmesser OD zwischen 0,3 bis 0,5 beträgt.The outer radius R of the stator heads 14b does not necessarily have the radius of the stator core 10 , ie OD / 2, but is preferably smaller than OD / 2 and is in the present example between 5 mm and 8.35 mm, ie, in which R is in relation to the outer diameter OD between 0.3 to 0.5.

Die 4 bis 6 zeigen eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Statorkerns 110, der einen inneren Rückschlussring 112 sowie eine Reihe von Statorzähnen 114 umfasst, die jeweils einen Zahnhals 114a und einen Zahnkopf 114b aufweisen.The 4 to 6 show a second embodiment of a stator core according to the invention 110 , which has an inner yoke ring 112 and a series of stator teeth 114 includes, each one a tooth neck 114a and a tooth head 114b exhibit.

Auf den Zahnhälsen können wiederum Wicklungen 116 aufgebracht werden. On the tooth necks can turn windings 116 be applied.

Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist die axiale Gesamthöhe H des Statorkerns 110 nicht überall gleich groß, sondern die Höhe H_ts der Zahnhälse 114a ist geringer als vergleichsweise die Höhe H_tt der Zahnköpfe 114b bzw. die Höhe H_yk des Rückschlussrings 112, wie sich insbesondere aus 5A ergibt.Compared to the first embodiment, the total axial height H of the stator core 110 not the same size everywhere, but the height H_ts of the tooth necks 114a is less than the height H_tt of the tooth heads 114b or the height H_yk of the return ring 112 , in particular, from 5A results.

Beispielsweise weist der Statorkern 110 einen Außendurchmesser OD von 16,7 mm und einen Innendurchmesser ID von 8,6 mm auf.For example, the stator core 110 an outer diameter OD of 16.7 mm and an inner diameter ID of 8.6 mm.

Die Höhe H_ts der Zahnhälse 114a kann beispielsweise 2,2 mm betragen, während die Höhe H_yk des Rückschlussrings 112 bzw. die Höhe H_tt der Zahnköpfe 114b bis zu 3,65 mm betragen können.The height H_ts of the cervicals 114a may be, for example, 2.2 mm, while the height H_yk of the return ring 112 or the height H_tt of the tooth heads 114b can be up to 3.65 mm.

Die Wicklungen 116 werden in der Aussparung 118, die durch die weniger hohen Zahnhälse 114a gebildet werden, angeordnet und vorzugsweise so, dass die Wicklungen 116 nicht über die Höhe H_tt der Zahnköpfe 114b und die Höhe H_yk des Rückschlussrings 112 hinausragen. Um die Wicklungen 16 bzw. 116 besser auf den Zahnhälsen 14a bzw. 114a aufbringen zu können und um Beschädigungen der Wicklungsdrähte zu vermeiden, weisen die Zahnhälse 114a vorzugsweise abgerundete Kanten, d. h., einen eher ovalen Querschnitt auf.The windings 116 be in the recess 118 that is due to the less high tooth necks 114a be formed, and preferably arranged so that the windings 116 not over the height H_tt of the tooth heads 114b and the height H_yk of the return ring 112 protrude. To the windings 16 respectively. 116 better on the tooth necks 14a respectively. 114a To be able to apply and to avoid damage to the winding wires, have the tooth necks 114a preferably rounded edges, ie, a more oval cross section.

Durch diese Maßnahmen kann der Querschnitt des Statorkerns 110 insgesamt vergrößert werden, ohne dass die Gesamthöhe des Stators (inklusive der Wicklungen 116) im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 größer wird, da die Wicklungen 116 vollständig in den Aussparung 118 aufgenommen sind und nicht über die Oberfläche des Statorkern 110 hinausragen.Through these measures, the cross section of the stator core 110 overall, without the overall height of the stator (including the windings 116 ) compared to the embodiment according to the 1 to 3 gets bigger, since the windings 116 completely in the recess 118 are included and not over the surface of the stator core 110 protrude.

Die Größenverhältnisse A/OD, B/OD, E/OD und R/OD, wie in sie in 6 angegeben sind, entsprechen vorzugsweise den Größenverhältnissen des Ausführungsbeispiels gemäß den 1 bis 3.The size ratios A / OD, B / OD, E / OD and R / OD as in 6 are preferably correspond to the size ratios of the embodiment according to the 1 to 3 ,

Die positiven Effekte der Erfindung, insbesondere hinsichtlich einer Verringerung der harmonischen Verzerrungen THD, zeigen sich insbesondere in den Diagrammen der 7 und 8.The positive effects of the invention, in particular with regard to a reduction of the harmonic distortions THD, are shown in particular in the diagrams of 7 and 8th ,

7 zeigt ein Diagramm des Verhältnisses zwischen der Zahnhalsbreite E und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns aufgetragen über die harmonischen Verzerrungen THD in Prozent. 7 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the cog width E and the outer diameter OD of the stator core plotted against the harmonic distortion THD in percentage. FIG.

Man erkennt deutlich, dass je größer das Verhältnis E/OD wird, desto geringer werden auch die harmonischen Verzerrungen THD.It can be clearly seen that the larger the ratio E / OD becomes, the smaller the harmonic distortion THD becomes.

Erfindungsgemäß wird angestrebt, die harmonischen Verzerrungen THD kleiner als ca. 3% zu halten, was einem Verhältnis E/D von 0,09 und größer entspricht.According to the invention, it is desired to keep the harmonic distortions THD less than about 3%, which corresponds to a ratio E / D of 0.09 and greater.

Vorzugsweise soll ein THD von kleiner als 1,5% bzw. kleiner als 1% erreicht werden, was einem Verhältnis E/OD von 1,11 und größer etwa entspricht.Preferably, a THD of less than 1.5% or less than 1% should be achieved, which corresponds to a ratio E / OD of 1.11 and greater about.

Die 8 zeigt ein Diagramm der Rückschlussbreite A im Verhältnis zum Außendurchmesser OD aufgetragen über die harmonischen Verzerrungen THD und zum anderen die Zahnkopfdicke B im Verhältnis zum Außendurchmesser OD, aufgetragen ebenfalls über die THD.The 8th shows a graph of the return width A in relation to the outer diameter OD plotted on the harmonic distortion THD and on the other the tooth head thickness B in relation to the outer diameter OD, also plotted on the THD.

Man erkennt, dass sich die harmonischen Verzerrungen THD sich insgesamt bei größeren Werten von A/OD verbessern, wobei sich die besten Werte der THD bei Werten von A/OD zwischen 0,035 und größer ergeben. In diesem Bereich bleibt die THD insgesamt bei 1% oder weniger.It can be seen that the harmonic distortions THD improve overall at larger values of A / OD, giving the best values of THD at values of A / OD between 0.035 and greater. Total THD remains at 1% or less in this area.

Die THD nimmt bei einem Verhältnis von B/OD ebenfalls zu größeren Werten hin ab und erreicht Werte von 1,5% und weniger bei einem Verhältnis von B/OD zwischen 0,045 und 0,08.The THD also decreases to larger values at a ratio of B / OD and reaches values of 1.5% and less at a ratio of B / OD between 0.045 and 0.08.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10, 11010, 110
Statorkernstator core
12, 11212, 112
RückschlussringReturn ring
14, 11414, 114
Statorzahnstator tooth
14a, 114a14a, 114a
Zahnhalscervical
14b, 114b14b, 114b
Zahnkopfaddendum
16, 11616, 116
Wicklungwinding
118118
Aussparungrecess
20, 12020, 120
Rotormagnetrotor magnet
ODOD
Statorkern AußendurchmesserStator core outer diameter
IDID
Statorkern InnendurchmesserStator core inner diameter
HH
Gesamthöhe des StatorkernsTotal height of the stator core
H_ykH_yk
Höhe des RückschlussringsHeight of the return ring
H_tsH_ts
Höhe des ZahnhalsesHeight of the cervix
H_ttH_tt
Höhe des ZahnkopfesHeight of the tooth head
AA
Rückschlussringdicke (radial)Return ring thickness (radial)
BB
Kopfdicke (radial)Head thickness (radial)
Ee
ZahnhalsbreiteCervical width
RR
ZahnkopfaußenradiusTooth tip outer radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7626302 B2 [0003] US 7626302 B2 [0003]

Claims (12)

Stator (10; 110) für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkern mit einem Rückschlussring (12; 112) und einer Anzahl von am Rückschussring (12, 112) verteilt angeordneten und radial abstehenden Statorzähnen (14, 114), die jeweils einen Zahnhals (14a, 114a) und einen am Ende des Zahnhalses angeordneten Zahnkopf (14b, 114b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (10, 110) aus einem Pulver-Verbundmaterial besteht.Stator ( 10 ; 110 ) for an electrical machine, comprising a stator core with a return ring ( 12 ; 112 ) and a number of at the return ring ( 12 . 112 ) arranged and radially projecting stator teeth ( 14 . 114 ), each one tooth neck ( 14a . 114a ) and a tooth tip arranged at the end of the tooth neck ( 14b . 114b ), characterized in that the stator core ( 10 . 110 ) consists of a powder composite material. Stator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der radialen Breite A des Rückschlussrings (12, 112) und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns (10, 110) zwischen 0,035 und 0,08 beträgt.Stator according to claim 1, characterized in that the ratio between the radial width A of the return ring ( 12 . 112 ) and the outer diameter OD of the stator core ( 10 . 110 ) is between 0.035 and 0.08. Stator gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der radialen Breite B der Zahnköpfe (14b, 114b) und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns (10, 110) zwischen 0,045 und 0,08 beträgt.Stator according to one of claims 1 or 2, characterized in that the ratio between the radial width B of the tooth heads ( 14b . 114b ) and the outer diameter OD of the stator core ( 10 . 110 ) is between 0.045 and 0.08. Stator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite E der Zahnhälse (14a, 114a) und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns (10, 110) zwischen 0,09 und 0,125 beträgt.Stator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio between the width E of the tooth necks ( 14a . 114a ) and the outer diameter OD of the stator core ( 10 . 110 ) is between 0.09 and 0.125. Stator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Außenradius R der Zahnköpfe (14b, 114b) und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns (10, 110) größer als 0,3 und kleiner als 0,5 ist.Stator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ratio between the outer radius R of the tooth heads ( 14b . 114b ) and the outer diameter OD of the stator core ( 10 . 110 ) is greater than 0.3 and less than 0.5. Stator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe H_ts der Zahnhälse (114a) kleiner ist als die axiale Höhe H_tt der Zahnköpfe (114b).Stator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the axial height H_ts of the tooth necks ( 114a ) is smaller than the axial height H_tt of the tooth heads ( 114b ). Stator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe H_ts der Zahnhälse (114a) kleiner ist als die axiale Höhe H_yk des Rückschlussrings (112).Stator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the axial height H_ts of the tooth necks ( 114a ) is smaller than the axial height H_yk of the return ring ( 112 ). Stator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er 3·n Statorzähne und Nuten aufweist, wobei n = {1; 2; ... N}Stator according to one of claims 1 to 7, characterized in that it has 3 · n stator teeth and slots, where n = {1; 2; ... N} Elektrische Maschine mit einem Stator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Electric machine with a stator according to one of claims 1 to 8. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe H_m des Rotormagneten (20, 120) gleich groß ist wie die axiale Höhe H_tt der Zahnköpfe (114b).Electrical machine according to claim 9, characterized in that the axial height H_m of the rotor magnet ( 20 . 120 ) is the same size as the axial height H_tt of the tooth heads ( 114b ). Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem ausgebildet ist.Electrical machine according to one of claims 9 or 10, characterized in that it is designed as a spindle motor with fluid dynamic bearing system. Festplattenlaufwerk mit einer elektrischen Maschine gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11.Hard disk drive with an electrical machine according to one of Claims 9 to 11.
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