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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUING
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 26. August 2022 eingereichten
US-Non-Provisional-Patentanmeldung Nr. 17/822,627 , deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird.
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HINTERGRUND
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Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren und Generatoren mit variablem Drehmoment und insbesondere auf radial eingebettete Dauermagnetrotoren mit Rotorausgleichsfunktionen.
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Radialfluss-Elektromaschinen enthalten im Allgemeinen Speichen-Permanentmagnete, die in einem Rotorkern angeordnet sind, der gemeinhin als Innenrotor mit Permanentmagneten bezeichnet wird. Der Rotor wird aus mehreren Blechen gebildet. Die Bleche definieren in Umfangsrichtung beabstandete Pole. Alternativ können die Pole auch aus einzelnen Elementen bestehen, die vom Rotor getragen werden. Zwischen benachbarten Polen werden Schlitze gebildet und Speichenmagnete in die Schlitze eingesetzt. Um den Wirkungsgrad des Motors weiter zu erhöhen und zu verhindern, dass der Fluss über die Lamellen entweicht, kann der Rotor axiale Magnete enthalten, die über und unter den Speichenmagneten angeordnet sind.
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Die Umfangsbewegung der Speichenmagnete bei niedrigeren Rotordrehzahlen erzeugt ein hörbares Geräusch aufgrund der sich ändernden Reluktanz des Stators und des Kontakts zwischen den bewegten Speichenmagneten und den Lamellenschlitzen aufgrund der minimalen Abstände zwischen ihnen. Außerdem kann eine unsachgemäße Auswuchtung der Rotoreinheit zu Vibrationen und Geräuschen führen. Schließlich kann das Einspannen der Axialmagnete dazu führen, dass spröde Magnete bei der Rotormontage brechen.
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Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Auswuchttechniken, -methoden und -merkmalen für die Rotorbaugruppe sowie an Verbesserungen, die zu einer Verringerung der hörbaren Geräusche führen, die der Motor aufgrund der Reluktanz des Stators und der geringen Abstände zwischen den Speichenmagneten und den Blechschlitzen erzeugt.
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KURZBESCHREIBUNG
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In einer Ausführungsform wird eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotoranordnung offenbart. Die Rotorbaugruppe umfasst eine drehbare Rotorwelle, die eine zentrale Achse definiert, wobei die Rotorwelle mit einem Rotorkern gekoppelt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Rotorpolstücken umfasst, die in Umfangsrichtung um die zentrale Achse herum angeordnet sind, wobei jedes Paar benachbarter Polstücke durch einen Zwischenraum getrennt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die in den Zwischenräumen angeordnet sind, die die benachbarten Polstücke trennen; mindestens eine Magnethalteplatte, die angrenzend an den Rotorkern positioniert und mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Magnethalteplatte eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Magnetschlitzen und Ausgleichsschlitzen, die zwischen benachbarten Magnetschlitzen angeordnet sind, umfasst, wobei die Ausgleichsschlitze so konfiguriert sind, dass sie ein Ausgleichsgewicht aufnehmen; und Druckfedern, die in den Ausgleichsschlitzen angeordnet sind, wobei jede Druckfeder angrenzend an einen jeweiligen Kernmagneten angeordnet ist, wenn die mindestens eine Magnethalteplatte angrenzend an den Rotorkern angeordnet ist.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotoranordnung vorgesehen. Die Rotorbaugruppe umfasst eine drehbare Rotorwelle, die eine zentrale Achse definiert, wobei die Rotorwelle mit einem Rotorkern gekoppelt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um die zentrale Achse herum angeordnet sind, wobei jedes Paar benachbarter Polstücke durch einen Zwischenraum getrennt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die in dem Zwischenraum angeordnet sind, der die benachbarten Polstücke trennt; mindestens eine Magnethalteplatte, die neben dem Rotorkern angeordnet und mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Magnethalteplatte in Umfangsrichtung beabstandete Magnetschlitze und zwischen benachbarten Magnetschlitzen angeordnete Auswuchtschlitze aufweist, wobei die Auswuchtschlitze so konfiguriert sind, dass sie ein Auswuchtgewicht aufnehmen; und, falls der Rotor ausgewuchtet werden muss, mindestens ein in den Auswuchtschlitzen angeordnetes Auswuchtgewicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotoranordnung vorgesehen. Die Rotorbaugruppe umfasst eine drehbare Rotorwelle, die eine zentrale Achse definiert, wobei die Rotorwelle mit einem Rotorkern gekoppelt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um die zentrale Achse herum angeordnet sind, wobei jedes Paar benachbarter Polstücke durch einen Zwischenraum getrennt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die in dem Zwischenraum angeordnet sind, der die benachbarten Polstücke trennt; mindestens eine Magnethalteplatte, die neben dem Rotorkern angeordnet und mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Magnethalteplatte in Umfangsrichtung beabstandete Magnetschlitze und zwischen benachbarten Magnetschlitzen angeordnete Ausgleichsschlitze aufweist, wobei die Ausgleichsschlitze so konfiguriert sind, dass sie ein Ausgleichsgewicht aufnehmen; Druckfedern, die in den Ausgleichsschlitzen angeordnet sind; wobei jede Druckfeder neben einem jeweiligen Kernmagneten angeordnet ist, wenn die Halteplatte neben dem Rotorkern angeordnet ist, und mindestens ein Ausgleichsgewicht, das innerhalb der Ausgleichsschlitze angeordnet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine perspektivische Schnittansicht einer beispielhaften Elektromotorbaugruppe;
- 2 ist eine Endansicht einer Statorbaugruppe und einer Rotorbaugruppe der in 1 dargestellten Elektromotorbaugruppe;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorkerns, der in die in 1 dargestellte Elektromotorbaugruppe eingebaut werden kann;
- 4 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Rotorbaugruppe der Elektromotorbaugruppe von 1.
- 5 ist eine teilweise explodierte Ansicht der Rotoreinheit von 4;
- 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Halteplatte der Rotoreinheit von 4;
- 7 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Halteplatte von 6 entlang der Linie A-A;
- 8 ist eine Querschnittsansicht der Halteplatte von 6 entlang der Linie A-A;
- 9 ist eine Querschnittsansicht der Rotorbaugruppe von 4 entlang der Linie B-B; und,
- 10 ist eine Querschnittsansicht der Rotorbaugruppe von 4 entlang der Linie B-B; und,
- 11 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ausgleichsgewichts gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe wird offenbart. Die Rotorbaugruppe umfasst eine drehbare Rotorwelle, die eine zentrale Achse definiert, wobei die Rotorwelle mit einem Rotorkern gekoppelt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Rotorpolstücken umfasst, die in Umfangsrichtung um die zentrale Achse herum angeordnet sind, wobei jedes Paar benachbarter Polstücke durch einen Zwischenraum getrennt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die in den Zwischenräumen angeordnet sind, die die benachbarten Polstücke trennen; mindestens eine Magnethalteplatte, die angrenzend an den Rotorkern positioniert und mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Magnethalteplatte eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Magnetschlitzen und Ausgleichsschlitzen, die zwischen benachbarten Magnetschlitzen angeordnet sind, umfasst, wobei die Ausgleichsschlitze so konfiguriert sind, dass sie ein Ausgleichsgewicht aufnehmen; und Druckfedern, die in den Ausgleichsschlitzen angeordnet sind, wobei jede Druckfeder angrenzend an einen jeweiligen Kernmagneten angeordnet ist, wenn die mindestens eine Magnethalteplatte angrenzend an den Rotorkern angeordnet ist. Die Druckfedern umfassen einen auskragenden Arm, der sich von einer ersten Innenfläche der mindestens einen Magnethalteplatte aus erstreckt, wobei die erste Innenfläche durch den Ausgleichsschlitz definiert ist. Mindestens ein Ausgleichsgewicht ist in einem oder mehreren der Ausgleichsschlitze angeordnet. Das Ausgleichsgewicht kann ein Kitt oder ein gewichtetes Element aus einem Metall oder einem anderen geeigneten Material sein.
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1 ist eine perspektivische Schnittdarstellung eines beispielhaften Elektromotors 10. Obwohl er hier als Elektromotor 10 bezeichnet wird, kann der Elektromotor 10 entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Der Elektromotor 10 umfasst ein erstes Ende 12, ein zweites Ende 14 und ein Motorbaugruppengehäuse 16. Der Elektromotor 10 umfasst auch eine Statorbaugruppe 18 und eine Rotorbaugruppe 20. Das Motorgehäuse 16 definiert einen Innenraum 22 und eine Außenseite 24 des Motors 10 und ist so gestaltet, dass es die Statorbaugruppe 18 und die Rotorbaugruppe 20 zumindest teilweise umschließt und schützt. Die Statorbaugruppe 18 umfasst einen Statorkern 28, der eine Vielzahl von Zähnen 30 und eine Vielzahl von Wicklungen 32 umfasst, die um die Statorzähne 30 gewickelt sind. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Statorbaugruppe 18 eine dreiphasige Statorbaugruppe mit ausgeprägten Polen, und der Statorkern 28 besteht aus einem Stapel von Blechen aus hochmagnetisch permeablem Material. Alternativ ist die Statorbaugruppe 18 eine einphasige Statorbaugruppe mit ausgeprägten Polen. Die Statorbaugruppe 18 kann eine im Wesentlichen runde, segmentierte oder aufgerollte Statorkonstruktion sein, und die Wicklungen 32 sind auf dem Statorkern 28 in jeder geeigneten Weise gewickelt, die es dem Motor 10 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. Beispielsweise können die Wicklungen 32 als konzentrierte oder überlappende Wicklungen ausgeführt sein.
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Die Rotorbaugruppe 20 umfasst einen Permanentmagnet-Rotorkern 36 und eine Welle 38. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Rotorkern 36 aus einem Stapel von Lamellen aus magnetisch permeablem Material gebildet. Der Rotorkern 36 ist im Wesentlichen in einer zentralen Bohrung des Statorkerns 28 aufgenommen, um sich um die Drehachse X zu drehen. Der Rotorkern 36 und der Statorkern 28 sind allgemein in 1 dargestellt. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Rotor- und Statorkerne die Betriebseigenschaften und - merkmale aufweisen, die für den Betrieb des Motors 10 erforderlich sind. 1 zeigt zwar einen dreiphasigen Elektromotor, die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können jedoch in Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Phasen, einschließlich einphasiger und mehrphasiger Elektromotoren, eingesetzt werden.
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In der beispielhaften Ausführungsform ist der Elektromotor 10 mit einem Ventilator oder Zentrifugalgebläse (nicht dargestellt) gekoppelt, um Luft durch ein Luftaufbereitungssystem zu bewegen, Luft über Kühl- oder Heizschlangen zu blasen und/oder einen Kompressor in einem Klima-/Kältesystem anzutreiben. Genauer gesagt kann der Motor 10 in Luftbewegungsanwendungen in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenindustrie (HVAC) eingesetzt werden, z. B. in Wohngebäuden, wo Motoren mit einer Leistung von 1/5 PS bis 1 PS verwendet werden. Alternativ kann der Motor 10 auch zum Pumpen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Der Motor 10 kann auch in gewerblichen und industriellen Anwendungen und/oder als hermetischer Kompressormotor in Klimaanlagen eingesetzt werden, wo der Motor 10 eine Leistung von mehr als 1 PS haben kann. Obwohl hier im Zusammenhang mit einem Luftaufbereitungssystem beschrieben, kann der Elektromotor 10 mit jeder geeigneten Arbeitskomponente in Eingriff kommen und so konfiguriert sein, dass er eine solche Arbeitskomponente antreibt.
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2 ist eine Querschnittsendansicht einer beispielhaften Elektromotorbaugruppe 100 mit einer Mittelachse X, die eine Statorbaugruppe 104 und eine Rotorbaugruppe 106 umfasst. Die Statorbaugruppe 104 umfasst einen ringförmigen Kern 108 mit einem Statorjoch oder einer Basis 110 und einer Vielzahl von Statorzähnen 112, die sich von der Basis 110 radial nach innen erstrecken. In der beispielhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Wicklungen 114 um die Statorzähne 112 gewickelt, so dass jeder Zahn 112 eine einzelne Wicklung 114 enthält. In anderen Ausführungsformen umfasst die Statorbaugruppe 104 eine Wicklung 114 für jeden zweiten Zahn 112. Anders ausgedrückt, es gibt einzelne Wicklungen 114 für jeden jeweiligen Zahn 112, und in anderen Ausführungsformen ist eine einzelne Wicklung von geeigneter Länge, so dass die Länge der einzelnen Wicklung um die Vielzahl von Statorzähnen gewickelt werden kann.
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Die Statorbasis 110 umfasst eine Innenfläche 116 und eine Außenfläche 118. Die Innenfläche 116 und die Außenfläche 118 erstrecken sich um die Mittelachse X und sind durch einen radialen Abstand relativ zur Achse X getrennt. Die Innenfläche 116 und die Außenfläche 118 definieren eine Dicke 120 der Basis 110 dazwischen. Die Dicke 120 der Basis 110 kann in Umfangsrichtung variieren. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Statorbaugruppe 104 eine beliebige Basis 110, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu arbeiten.
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In der beispielhaften Ausführungsform hat die Statorbaugruppe 104 außerdem einen Außendurchmesser D1, der durch die Basis 110 definiert ist. In einigen Ausführungsformen liegt der Außendurchmesser D1 in einem Bereich von etwa 100 mm (4 Zoll (in.)) bis etwa 350 mm (14 in.). In einigen Ausführungsformen hat die Basis 110 beispielsweise einen Außendurchmesser von etwa 240 mm (9,5 Zoll) oder etwa 310 mm (12,2 Zoll). In alternativen Ausführungsformen hat die Statorbaugruppe 104 einen beliebigen Durchmesser, der es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu arbeiten. Darüber hinaus erstrecken sich die Statorzähne 112 in der beispielhaften Ausführungsform von der Basis 110 radial nach innen. In einigen Ausführungsformen sind die Statorzähne 112 fest mit der Basis 110 verbunden. In weiteren Ausführungsformen sind die Statorzähne 112 mit der Basis 110 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst jeder Statorzahn 112 eine distale Spitze 122, die in der Nähe der Rotoreinheit 106 positioniert ist.
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Darüber hinaus sind in der beispielhaften Ausführungsform die Statorzähne 112 in Umfangsrichtung um die Basis 110 herum beabstandet und bilden dazwischen Schlitze 124. Die Statorzähne 112 sind so konfiguriert, dass sie die Leitspulen oder Wicklungen 114 aufnehmen, so dass sich die Wicklungen 114 um die Zähne 112 und durch die Schlitze 124 erstrecken. In einigen Ausführungsformen definieren die Statorzähne 112 nicht mehr als vierundzwanzig Schlitze. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Statorbaugruppe 104 achtzehn Statorzähne 112, die achtzehn Schlitze 124 definieren. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Motorbaugruppe 100 eine beliebige Anzahl von Statorzähnen 112, z. B. zwölf, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglichen, wie hier beschrieben zu arbeiten.
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In einigen Ausführungsformen wird die Statorbaugruppe 104 aus einer Vielzahl von Blechen zusammengesetzt. Jedes der mehreren Bleche wird in einer gewünschten Form und Dicke geformt. Die Bleche werden miteinander verbunden, um die Statorbaugruppe 104 mit der gewünschten Gesamtdicke zu bilden. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Statorbaugruppe 104 eine erste Konfiguration, z. B. eine flache oder streifenförmige Konfiguration, und eine zweite Konfiguration, z. B. eine runde Konfiguration. Die Statorbaugruppe 104 wird von der ersten Konfiguration zur zweiten Konfiguration bewegt oder „gerollt“, um eine aufgerollte Statorbaugruppe 104 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form zu bilden. In alternativen Ausführungsformen wird die Statorbaugruppe 104 auf eine beliebige Weise zusammengebaut, die es der Statorbaugruppe 104 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren.
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In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Außenfläche 118 außerdem gebogene Abschnitte 126 und gerade Abschnitte 128. Die gekrümmten Abschnitte 126 erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Basis 110. Die geraden Abschnitte 128 erstrecken sich entlang der Sehnen zwischen den gekrümmten Abschnitten 126. Darüber hinaus erstrecken sich die gekrümmten Abschnitte 126 und die flachen Abschnitte 128 in Längsrichtung relativ zur Mittelachse 102 von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Basis 110. Die gekrümmten Abschnitte 126 verleihen der Basis 110 eine erhöhte Festigkeit, um die Ringspannungskapazität zu erhöhen und der Verformung der Basis 110 zu widerstehen. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Außenfläche 118 einen beliebigen Abschnitt, der es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. In einigen Ausführungsformen ist die Außenfläche 118 beispielsweise um den gesamten Umfang des Sockels 110 gekrümmt.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die umfasst die Rotorbaugruppe 106 einen Rotorkern 130 mit einem Nabenabschnitt 132 und einer Vielzahl von Rotorpolen 134, die in Umfangsrichtung um den Nabenabschnitt 132 herum angeordnet sind. Der Nabenabschnitt 132 enthält eine Öffnung, die so konfiguriert ist, dass sie eine drehbare Welle 136 mit einem gegenüberliegenden Wellenende, das mit einer Last gekoppelt ist, aufnehmen kann. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Rotorkern 130 auch eine Vielzahl von Kernmagneten 138, die abwechselnd zwischen benachbarten Paaren der Vielzahl von Rotorpolen 134 angeordnet sind. Die mehreren Rotorpole 134 definieren eine radiale Öffnung 140 zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen 134, und jede radiale Öffnung 140 ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Kernmagneten 138 darin aufnimmt.
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Dementsprechend ist die Rotorbaugruppe 106 in der beispielhaften Ausführungsform ein Speichenrotor und so konfiguriert, dass sie im Vergleich zu zumindest einigen bekannten Rotorbaugruppen einen erhöhten magnetischen Fluss liefert. Die Statorbaugruppe 104 ist so konfiguriert, dass sie Kapazitäten für den erhöhten magnetischen Fluss und die erhöhte Ringspannung aufgrund des erhöhten magnetischen Flusses bereitstellt. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Motorbaugruppe 100 eine beliebige Rotorbaugruppe 106, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu arbeiten.
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3 ist eine perspektivische Ansicht des Rotorkerns 130, die die Vielzahl von Rotorpolen 134 zeigt, die in der in 2 gezeigten Radialfluss-Elektromotorbaugruppe 100 enthalten sein können. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Rotorbaugruppe 106, die auch als radial eingebetteter Permanentmagnetrotor bezeichnet wird, den Rotorkern 130 und die Welle 136. Beispiele für Motoren, die radial eingebettete Dauermagnetrotoren enthalten können, sind unter anderem elektronisch kommutierte Motoren (ECM). ECMs können unter anderem bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), bürstenlose Wechselstrommotoren (BLAC) und Motoren mit variabler Reluktanz umfassen. Darüber hinaus wird die Rotorbaugruppe 20 durch eine elektronische Steuerung (nicht abgebildet) angetrieben, z. B. eine sinusförmige oder trapezförmige elektronische Steuerung.
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Der Rotorkern 130 ist im Wesentlichen zylindrisch und umfasst einen Außenumfang 142 und eine zentrale Wellenöffnung 144 mit einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Welle 136 entspricht. Der Rotorkern 130 und die Welle 136 sind konzentrisch und so konfiguriert, dass sie sich um die Drehachse (die zentrale Achse 102) drehen. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Rotorkern 130 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Rotorpolen 134, die jeweils eine Außenwand 146 entlang des äußeren Rotorumfangs 142 aufweisen. Ferner umfasst der Rotorkern 130 einen Rotordurchmesser D2, der zwischen den Mittelpunkten der Außenwände 146 der gegenüberliegenden Rotorpole 134 definiert ist. Wie hier verwendet, soll der Begriff „im Wesentlichen zylindrisch“ beschreiben, dass der Rotorkern 130 einen allgemein kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist, aber nicht perfekt kreisförmig sein muss. Beispielsweise kann der Rotorkern 130 einen oder mehrere abgeflachte oder ebene Abschnitte aufweisen, die über den Außenumfang 142 verteilt sind, oder die Außenwände 146 der Rotorpole 134 können einen anderen Radius als der gesamte Rotorkern 130 oder sogar unterschiedliche Radien zwischen den Umfangsenden der einzelnen Pole 134 aufweisen. Obwohl in Bezug auf den Rotorkern 130 beschrieben, gilt der Begriff „im Wesentlichen zylindrisch“ für jeden Rotorkern der Offenbarung.
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Wie in 3 gezeigt, ist in der beispielhaften Ausführungsform jeder Rotorpol 134 über einen Steg 148 mit dem Nabenteil 132 verbunden. Die Nabe 132 definiert die Wellenöffnung 144. In anderen Ausführungsformen können weniger als alle Rotorpole 134 mit der Nabe 132 verbunden sein. Darüber hinaus besteht der Rotorkern 130 und damit jeder Rotorpol 134 in der beispielhaften Ausführungsform aus einer Vielzahl von gestapelten Lamellen 150, die durch Verriegelung, Kleben, Schweißen, Verschrauben oder Nieten zusammengehalten werden. Beispielsweise werden die Bleche 150 aus mehreren gestanzten Schichten aus gestanztem Metall wie Stahl hergestellt.
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Darüber hinaus enthält der Rotorkern 130 in der beispielhaften Ausführungsform eine Vielzahl von radialen Öffnungen 140, die abwechselnd mit den Rotorpolen 134 beabstandet sind. Jede radiale Öffnung 140 ist so konfiguriert, dass sie einen oder mehrere Permanentmagnete 138 aufnimmt, so dass jeder Magnet 138 radial in den Rotorkern 130 eingebettet ist und sich zumindest teilweise von einem ersten Ende 152 des Rotors zu einem zweiten Ende 154 des Rotors erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform sind die radialen Öffnungen 140 im Allgemeinen rechteckig. Alternativ können die radialen Öffnungen 140 jede geeignete Form haben, die der Form der Permanentmagnete entspricht, die es dem Elektromotor ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Permanentmagnete 138 keramische Magnete, die in einer Richtung tangential zur Rotationsachse X magnetisiert sind. Der Magnet 138 kann jedoch aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, das es dem Motor 10 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren, z. B. gebundenes Neodym, AlNiCo, gesintertes Neodym, gebundenes und keramisches Ferrit und/oder Samariumkobalt.
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In der beispielhaften Ausführungsform ist die Anzahl der radialen Öffnungen 140 gleich der Anzahl der Rotorpole 134, und ein Magnet 138 ist in jeder radialen Öffnung 140 zwischen einem Paar von Rotorpolen 134 angeordnet. Obwohl der Rotorkern 130 mit zehn Rotorpolen 134 dargestellt ist, kann er eine beliebige Anzahl von Polen haben, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren, z. B. sechs, acht oder zwölf Pole.
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Auch in 3, in der beispielhaften Ausführungsform, enthält jeder Rotorpol 134 ein oder mehrere Permanentmagnet-Halteelemente oder Vorsprünge 156. Zum Beispiel befindet sich ein erstes Paar von Vorsprüngen 156 in der Nähe der Polaußenwand 146 entlang der Rotoraußenkante 142 und erstreckt sich von den Umfangsendwänden 160 und 162 in benachbarte radiale Öffnungen 140. Jeder Vorsprung 156 des ersten Paares von Vorsprüngen 158 ist so konfiguriert, dass er den Halt des Magneten 138 in der radialen Öffnung 140 erleichtert, indem er im Wesentlichen eine Bewegung des Magneten 138 in radialer Richtung zur Außenkante 142 verhindert. Ferner befindet sich ein zweites Paar von Vorsprüngen 164 in der Nähe des Stegs 148 und erstreckt sich neben den radialen Öffnungen 140 von den Umfangsendwänden 160 und 162. Jeder Vorsprung 156 des zweiten Paares von Vorsprüngen 164 ist so konfiguriert, dass er den Halt des Magneten 138 in der radialen Öffnung 140 erleichtert, indem er im Wesentlichen eine Bewegung des Magneten 138 in radialer Richtung zur Welle 136 verhindert. Alternativ kann der Rotorkern 130 eine beliebige Anzahl und Position von Vorsprüngen 156 aufweisen, die es dem Rotorkern 130 ermöglichen, wie hier beschrieben zu funktionieren.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Rotorbaugruppe 106, die den in 3 gezeigten Rotorkern 130 enthält und die in der in 1 gezeigten Elektromotorbaugruppe 100 enthalten sein kann. 5 zeigt eine Explosionsansicht der Rotorbaugruppe 106 von 4. Die Rotorbaugruppe 106 umfasst eine erste Endplatte 174, die mit einer ersten Mehrzahl von Endmagneten 166 verbunden ist, und eine zweite Endplatte 176, die mit einer zweiten Mehrzahl von Endmagneten 166 verbunden ist. Wirbelstromverluste in die umgebenden leitenden Strukturen können beseitigt oder reduziert werden, indem Streufluss von der axialen Fläche der radialen Speichenrotoren verhindert wird. Die Endplatten 174 und 176 stellen eine Barriere für den Fluss dar, der in axialer Richtung vom Rotorkern 130 in die umgebende Struktur der Motorbaugruppe 100 abstrahlt, und eliminieren daher Wirbelstromverluste. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Endplatten 174 und 176 aus einem magnetischen Material geformt, wie z. B. ferritischem Stahl und magnetischem Edelstahl, aber nicht darauf beschränkt. Alternativ können die Endplatten 174 und 176 aus jedem beliebigen Material bestehen, das den Betrieb der Rotoreinheit 106, wie hier beschrieben, erleichtert. In einigen Ausführungsformen können die Endplatten 174 und 176 einen Kurzschluss des Flusses verursachen, was das Gesamtdrehmoment der Motorbaugruppe 100 verringern kann. In der beispielhaften Ausführungsform werden der Rotorbaugruppe 106 Endmagnete 166 hinzugefügt, um den Fluss wiederherzustellen, was zu einer erheblichen Steigerung sowohl des Drehmoments als auch des Wirkungsgrads führt. Genauer gesagt ist die erste Vielzahl von Endmagneten 166 zwischen dem ersten Ende 152 des Rotorkerns 130 und der ersten Endplatte 174 angeordnet. In ähnlicher Weise ist die zweite Vielzahl von Endmagneten 166 zwischen dem zweiten Ende 154 des Rotorkerns 130 und der zweiten Endplatte 176 angeordnet.
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Die Rotorbaugruppe 106 umfasst ferner ein Paar Halteplatten 188, die mit den Endplatten 174 und 176 verbunden sind. Jede Halteplatte 188 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Magnetschlitzen 190, die so konfiguriert sind, dass sie die Vielzahl von Endmagneten 166 darin aufnehmen. In einer solchen Ausführungsform definiert die Halteplatte 188 einen im Wesentlichen ähnlichen Durchmesser wie die Endplatten 174 und 176 und besteht aus einem nichtmagnetischen Material, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, Kunststoff, um den Fluss zwischen dem Rotorkern und den Endmagneten 166 nicht zu stören.
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In der beispielhaften Ausführungsform umfasst eine erste Vielzahl von Endmagneten 166 der ersten Endplatte 174 eine erste Teilmenge 178 mit einer ersten Polarität und eine zweite Teilmenge 180 mit einer zweiten Polarität, die sich von der ersten Polarität unterscheidet. In ähnlicher Weise umfasst die zweite Vielzahl von Endmagneten 166 der zweiten Endplatte 176 eine erste Untergruppe 182 mit einer ersten Polarität und eine zweite Untergruppe 184 mit einer zweiten Polarität, die sich von der ersten Polarität unterscheidet. Wie in 5 dargestellt, ist die erste Teilmenge 178 abwechselnd mit der zweiten Teilmenge 180 der Endmagnete 166 beabstandet. Anders ausgedrückt, die Mehrzahl der Endmagnete 166 wechseln die Polarität zwischen benachbarten Endmagneten ab. In einigen Ausführungsformen stoßen die Endmagnete 166 der ersten Teilmenge 182 und der zweiten Teilmenge 184 ohne ein einzelnes Befestigungselement oder ein anderes Strukturelement aneinander.
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Jeder Endmagnet 166 bedeckt zumindest teilweise eine Schnittstelle 186 zwischen einem Rotorpol 134 und einem benachbarten Kernmagneten 138. Genauer gesagt überlappt jeder Endmagnet 166 zumindest teilweise mit dem entsprechenden Rotorpol 134 und dem Kernmagneten 138, so dass die Endmagnete 166 einen Pfad für den Fluss zwischen dem Rotorpol 134 und dem Kernmagneten 138 bilden. Alternativ dazu kann in Fällen, in denen die Endmagnete 166 die Schnittstelle 186 nicht abdecken, eine Umfangskante der Endmagnete 166 mit einer Umfangskante des entsprechenden Rotorpols 134 bündig sein. Wie jedoch weiter unten näher erläutert, kann die Position jedes Endmagneten 166 relativ zum entsprechenden Rotorpol 134 und Kernmagneten 138 so eingestellt werden, dass der Weg für den Fluss zwischen dem Rotorpol 134 und dem Kernmagneten 138 variiert. Durch Einstellen der Position jedes Endmagneten 166 relativ zum Kernmagneten 138 kann die Drehmomentkonstante der Elektromotorbaugruppe 100 so geändert werden, dass die Motorbaugruppe 100 im Zustand mit hohem Drehmoment oder mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl oder in einem Zustand dazwischen betrieben werden kann. Anders ausgedrückt, kann die Einstellung der Position jedes Endmagneten 166 relativ zum Kernmagneten 138 die Funktion und Effizienz der Motorbaugruppe 100 optimieren, indem die Drehmomentkonstante des Motors geändert wird. In einigen Ausführungsformen stößt jeder Endmagnet 166 an die Schnittstelle 186. In einigen Ausführungsformen ist jeder Endmagnet 166 in einem Abstand von der Schnittstelle 186 positioniert.
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6 ist eine perspektivische Ansicht der Halteplatte 188 der Rotoreinheit 106 von 4. 7 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Halteplatte 188 entlang der Linie A-A (wie in 6 dargestellt). 8 ist eine Querschnittsansicht der Halteplatte entlang der Linie A-A (wie in 6 dargestellt).
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Wie in den 7 und 8 gezeigt, sind die erste Untergruppe 178 und eine zweite Untergruppe 180 der Vielzahl von Endmagneten 166 innerhalb der Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Magnetschlitzen 190 der Halteplatte 188 angeordnet. Die Halteplatten 188 umfassen ferner eine Vielzahl von Ausgleichsschlitzen 200, die zwischen benachbarten Magnetschlitzen 190 angeordnet sind. Sowohl die Magnetschlitze 190 als auch die Ausgleichsschlitze 200 erstrecken sich durch die Dicke der Halteplatte 188, die durch eine erste Oberfläche 192 und eine zweite Oberfläche 194 der Halteplatte 188 definiert ist. Wie nachstehend näher erläutert, sind die Ausgleichsschlitze 200 so konfiguriert, dass sie ein oder mehrere Ausgleichsgewichte 220 (wie in 11 dargestellt) und eine Druckfeder 210 aufnehmen können. Jeder der Auswuchtschlitze 200 umfasst eine Innenfläche 202, die durch die Öffnung des Auswuchtschlitzes 200 definiert ist. Anders ausgedrückt, ist die Innenfläche 202 eine im Wesentlichen senkrechte Seitenwand, die von der Öffnung des Auswuchtschlitzes 200 gebildet wird. Handelt es sich bei den Auswuchtschlitzen 200 um im Wesentlichen rechteckige Öffnungen, kann die Innenfläche 202 eine der Seitenwände des Auswuchtschlitzes 200 sein.
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Wie in den 6 bis 9 gezeigt, umfassen die Druckfedern 210 einen auskragenden Arm 212, der sich von einer ersten Innenfläche 202 der Ausgleichsschlitze 200 erstreckt. Wie in den 7 und 9 am besten dargestellt, umfassen die Druckfedern 210 ein distales Ende 214 gegenüber der ersten Innenfläche 202 der Ausgleichsschlitze 200, das sich über die zweite Fläche 194 der Halteplatte 188 hinaus erstreckt. Wie in 9 gezeigt, liegt die zweite Oberfläche 194 der Halteplatte 188 an den Kernmagneten 138 an, wenn die Halteplatten 188 zusammengebaut sind und an die Endplatten 176 angrenzen, und die distalen Enden 214 der Druckfedern 210 berühren die Kernmagneten 138, so dass sich die freitragenden Arme 212 elastisch verformen und eine Vorspannkraft auf die Kernmagneten 138 ausüben. Die von den auskragenden Armen 212 ausgeübte Vorspannkraft reduziert die Relativbewegung der Kernmagnete 138, wodurch das Spiel und die hörbare Geräuschentwicklung der Kernmagnete 138 innerhalb der radialen Öffnungen 140 des Rotorkerns 130 (wie in 5 dargestellt) verringert werden.
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In einigen Ausführungsformen umfassen die Druckfedern eine Blattfeder (nicht dargestellt), die sich von der ersten Innenfläche 202 zu einer zweiten Innenfläche 204 erstreckt (wie in 9 dargestellt). Die Blattfeder funktioniert im Wesentlichen ähnlich wie der freitragende Arm 212, da die Blattfeder einen mittleren Teil aufweist, der sich über die zweite Fläche 194 der Halteplatte 188 hinaus erstreckt. Wenn die Halteplatten 188 zusammengebaut sind und an den Endplatten 176 anliegen, liegt die zweite Oberfläche 194 der Halteplatte 188 an den Kernmagneten 138 an und der mittlere Teil der Blattfeder berührt die Kernmagneten 138, so dass sich die Blattfedern elastisch verformen und eine Vorspannkraft gegen die Kernmagneten 138 ausüben.
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In einigen Ausführungsformen, wie in 9 am besten dargestellt, umfassen die Endplatten (174, 176) in Umfangsrichtung beabstandete Schlitze 192, die radial mit den in Umfangsrichtung beabstandeten Ausgleichsschlitzen 200 der Halteplatten 188 ausgerichtet sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die in Umfangsrichtung beabstandeten Schlitze 192 der Endplatten (174, 176) Druckfedern, die im Wesentlichen auf die gleiche Weise arbeiten wie die Druckfedern 210 der Halteplatten 183. In einigen Ausführungsformen umfassen die Druckfedern der Endplatten (174, 176) einen freitragenden Arm (nicht dargestellt), der sich von einer ersten Innenfläche 194 der Endplatten (174, 176) erstreckt, wobei die erste Innenfläche 194 durch die in Umfangsrichtung beabstandeten Schlitze 192 der Endplatten (174, 176) definiert ist. In einigen Ausführungsformen bestehen die Druckfedern der Endplatten (174, 176) aus einer Blattfeder oder erstrecken sich von der ersten Innenfläche 192 zu einer zweiten Innenfläche 194 der Endplatte. Die Druckfedern der Endplatten (174, 176) erstrecken sich über die zweite Oberfläche 194 der Halteplatte 188 hinaus, wenn die Halteplatte 188 gegen die Endplatten (174, 176) positioniert ist, und üben eine Vorspannkraft gegen die Kernmagnete 138 aus. Die von den Druckfedern der Endplatten (174, 176) ausgeübte Vorspannkraft reduziert die Relativbewegung der Kernmagnete 138, wodurch das Spiel und die hörbare Geräuschentwicklung der Kernmagnete 138 innerhalb der radialen Öffnungen 140 des Rotorkerns 130 (wie in 5 dargestellt) verringert werden.
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Wie in 11 gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen mindestens ein Auswuchtgewicht 220 in einem oder mehreren der Auswuchtschlitze 200 der Halteplatten 188 und/oder in einem oder mehreren der in Umfangsrichtung beabstandeten Schlitze 192 der Endplatten (174, 176) positioniert werden. Durch die Aufnahme mindestens eines Ausgleichsgewichts 220, das in den Ausgleichsschlitzen 200 der Halteplatten 188 positioniert ist, kann die Rotorbaugruppe 106 rotationsmäßig ausgewuchtet werden, wodurch der Wirkungsgrad des Motors 100 verbessert und die bei niedrigen Drehzahlen erzeugten hörbaren Geräusche reduziert werden.
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Das Ausgleichsgewicht 220 kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus einem Kitt oder einem gewichteten Element besteht. 11 zeigt eine maximale physikalische Hülle 222, in die das Ausgleichsgewicht 220 hineinpassen kann. Abhängig von der erforderlichen Masse zum Auswuchten der Rotoreinheit 106 und der Dichte des Ausgleichsgewichts 220 nimmt das Ausgleichsgewicht 220 in einigen Ausführungsformen die gesamte Umhüllung 222 (wie in 11 dargestellt) oder nur einen Teil der Umhüllung 222 ein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kitt geformt und in den Auswuchtschlitz 200 gepresst werden, und aufgrund der Hafteigenschaften des Kitts verbleibt der Kitt im Auswuchtschlitz 200 ohne zusätzliche mechanische Befestigung des Kitts an den Halteplatten 188.
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Wie in den 6, 7 und 10 gezeigt, umfasst in einigen Ausführungsformen die erste Oberfläche 192 der Halteplatten 188 außerdem mindestens eine Brücke 230, die sich in Umfangsrichtung über die in Umfangsrichtung beabstandeten Magnetschlitze 190 erstreckt. Die Brücken 230 sind so konfiguriert, dass sie die Spannung auf die mehreren Endmagnete 166 verringern, wenn die mehreren Endmagnete 166 an den Endplatten (174, 176) befestigt werden. Wie in 10 am besten dargestellt, wird ein Befestigungselement 201 in eine Öffnung 203 jedes der mehreren Endmagnete 166 eingeführt. Wenn das Befestigungselement 201 angezogen wird, werden die auf die mehreren Endmagnete 166 ausgeübten Kräfte auf die mindestens eine Brücke 230 verteilt. In einigen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Brücke 230 eine Lasche 232, die sich mit der Lamellenverriegelung ausrichtet und ein radiales Reißen der Endmagnete 166 verhindert.
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Beispielhafte Ausführungsformen von Rotorkernen für elektrische Maschinen sind oben im Detail beschrieben. Der Elektromotor und seine Komponenten sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern die Komponenten der Systeme können unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel können die Komponenten auch in Kombination mit anderen Motorsystemen, Methoden und Vorrichtungen verwendet werden und sind nicht auf die Praxis mit nur den hier beschriebenen Systemen und Vorrichtungen beschränkt. Vielmehr können die beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen implementiert und verwendet werden.
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Auch wenn bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen gezeigt werden und in anderen nicht, dient dies nur der Übersichtlichkeit. In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Offenbarung kann auf jedes Merkmal einer Zeichnung Bezug genommen werden und/oder es kann in Kombination mit jedem Merkmal einer anderen Zeichnung beansprucht werden.
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In dieser schriftlichen Beschreibung wird die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, anhand von Beispielen offenbart, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum wörtlichen Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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