DE19844641C1 - Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen SummenstromwandlerInfo
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Abstract
Ein Ringkern wird plastisch verformt. Dadurch geht die Hystereseschleife (4) des unbehandelten Ringkerns in eine abgeflachte und abgerundete Hystereseschleife (5) über. Der so behandelte Ringkern eignet sich für den Einsatz in einem wechselstrom- und pulsstromsensitiven Summenstromwandler, der für Fehlerstromschutzschaltungen verwendbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler, bei dem
zunächst der Kern aus einer weichmagnetischen Legierung her
gestellt wird.
Ein bekanntes Verfahren für die Weiterverarbeitung von Kernen
für Summenstromwandler ist die Wärmebehandlung der Kerne im
sogenannten Querfeld. Dazu werden die zu behandelnden Kerne
zunächst auf Glühstangen aufgefädelt. Die Glühstangen wieder
um werden in Glühgestelle eingesetzt. Anschließend wird eine
mehrstündige Wärmebehandlung bei anliegendem Magnetfeld, dem
sogenannten Querfeld, durchgeführt und nach deren Abschluß
die Kerne von den Glühstangen abgesetzt. Nach einer derarti
gen Wärmebehandlung ist in den Kernen eine Vorzugsrichtung
für die Magnetisierung ausgebildet. Die Vorzugsrichtung ent
spricht dabei der Richtung des Querfelds während der Wärmebe
handlung.
Die so behandelten Kerne weisen bei Magnetisierung quer zur
Vorzugsrichtung eine flache Hystereseschleife auf, die sich
durch eine geringe Remanenz Br auszeichnet. Außerdem wird die
Sättigungsinduktion erst bei hohen Magnetfeldstärken er
reicht, so daß sich die Kerne auch für mit einem Gleichstro
manteil oder Pulsströmen belastete Summenstromwandler eignen.
Da die für die Summenstromwandler verwendeten Ringkerne übli
cherweise eine Geometrie besitzen, die bei anliegendem Quer
feld eine starke Entmagnetisierung bewirkt, sind zum einen
zur sicheren Einstellung der magnetfeldinduzierten Anisotro
pie für das Querfeld hohe Feldstärken notwendig sowie zum an
deren eine möglichst exakt in Reihe liegende Anordnung der
Kerne zur optimalen Flußführung während der Wärmebehandlung
notwendig.
Aus der DE-AS 10 43 369 ist bekannt, die Sättigungsinduktion
eines Magnetkern aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 25 bis
35% Nickel durch plastisches Verformen auf einen gewünschten
Wert einzustellen.
In der DE-PS 666 730 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstel
lung von Magnetkernen aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit
einer von der Gleichstrombelastung unabhängigen Verlustlei
stung bekannt. Zu diesem Zweck werden die Magnetkerne kalt
verformt und bei Temperaturen zwischen 150 bis 400°C ange
lassen.
Die US 4 809 411 offenbart ein Verfahren, um einen gewic
kelten Ringbandkern mit kreisförmigen Querschnitt aus einem
amorphen Material auf schonende Weise in einen geschlossenen
Magnetkern mit rechteckförmigen Querschnitt umzuformen, ohne
daß die magnetischen Eigenschaften des Ringbandkerns ver
schlechtert werden. Durch die Anwendung dieses Verfahrens ist
es sogar möglich, die Sättigungsinduktion des Ringbandkerns
zu verbessern.
Aus der GB 1 505 079 geht schließlich ein Wickelverfahren
hervor, mit dem sich Ringbandkerne aus einem Siliziumstahl
wickeln lassen. Der gewickelte Magnetkern wird anschließend
bei hohen Temperaturen angelassen, wobei sich zwischen den
Windungen des Ringbandkerns Schmelzbrücken ausbilden können.
Um die Schmelzbrücken, über die Wirbelströme fließen können,
aufzubrechen, wird vorgeschlagen, den Ringbandkern nach der
Anlaßbehandlung zu stauchen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und preiswertes Verfahren
zur Herstellung von für Summenstromwandler geeigneten Kernen
zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Kern durch plastische Verformung für die Verwendung in dem
Summenstromwandler tauglich gemacht wird.
Überraschenderweise ist es möglich, durch einfaches plasti
sches Verformen eine abgerundete und flache Hystereseschleife
in einem Kern zu erzeugen. Eine physikalische Erklärung die
ses Effekts steht im Augenblick noch aus. Es wird jedoch ver
mutet, daß durch die aufgrund der plastischen Verformung her
vorgerufenen Versetzungen im Kristallgitter Spannungsfelder
entstehen, die die Bewegung der Blochwände behindern, so daß
sich im Ergebnis eine abgerundete und flache Hystereseschlei
fe mit geringer Remanenz ergibt.
Durch die abgerundete Form der Hystereseschleife führt jede
Änderung des angelegten Magnetfelds zu einer Änderung der ma
gnetischen Induktion im Kern, so daß beim Einsatz in einem
Summenstromwandler auch dann ein Ausgangssignal erzeugt wird,
wenn der Summenstromwandler mit einem Gleichstromanteil vor
belastet ist.
In einem gewissen Umfang hat die plastische Verformung auch
eine Verminderung der Anfangspermeabilität zur Folge. Die
Verminderung der Anfangspermeabilität bewegt sich jedoch in
einem vertretbaren Rahmen. Insbesondere ist es möglich, durch
Erhöhung der Sekundärwindungszahl sowie durch eine Verringe
rung des Lastwiderstandes auf der Sekundärseite und einer
größeren Verstärkung durch die Verstärkerschaltung die Ver
minderung der Anfangspermeabilität zu kompensieren.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt somit zu
einem für den Einsatz in Summenstromwandlern geeigneten
weichmagnetischen Kern. Das erfindungsgemäße Verfahren hat
dabei den Vorteil, daß es wesentlich preiswerter als die Wär
mebehandlung im Querfeld durchführbar ist, denn die erforder
liche plastische Verformung kann mit einfachsten Mitteln vor
genommen werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im
einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Ringkern vor und nach der plastischen Verfor
mung;
Fig. 2 die Hystereseschleife eines behandelten und eines
unbehandelten Kerns bei einem mit 50 Hz sinusförmig
oszillierenden Magnetfeld;
Fig. 3 die Änderung der Induktivität von Ringkernen in Ab
hängigkeit von der Verformung der Kerne bei Gleich
stromvorbelastung und ohne Gleichstromvorbelastung;
Fig. 4 die Änderung der Koerzitivfeldstärke Hc als Funkti
on der Frequenz bei unbehandelten Ringkernen und
bei plastisch verformten Ringkernen; und
Fig. 5 die Änderung der Remanenz Br als Funktion der Fre
quenz bei unbehandelten und plastisch verformten
Ringkernen.
Fig. 1 zeigt einen massiven Ringkern 1 aus einer Nickelle
gierung mit einem Nickelgehalt von mehr als 40%. Derartige
Ringkerne 1 eignen sich für den Einsatz in Summenstromwand
lern in elektrischen Schutzschaltern. Im allgemeinen besteht
ein derartiger Summenstromwandler aus dem mit einer Sekundär
wicklung bewickelten Ringkern 1, durch den zwei Netzstromlei
ter als Primärwicklung laufen. Der Netzstrom wird dabei übli
cherweise als Einleiter antiparallel durch den Ringkern 1 ge
führt. Wenn der zum Verbraucher fließende Strom sowie der vom
Verbraucher zurückfließende Strom gleich groß sind, wird in
der Sekundärwicklung keine Spannung induziert. Falls jedoch
die Differenz der beiden Ströme und damit der Fehlerstrom ei
nen bestimmten Grenzwert überschreitet, wie es beispielsweise
bei gleichzeitiger Berührung von Personen mit einem Netz
stromleiter und einem geerdeten Gegenstand vorkommen kann,
wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, die
durch eine nachgeschaltete Verstärkerschaltung verstärkt wird
und die das Auslösen eines Relais und damit das Unterbrechen
des Netzstroms bewirkt.
Durch die zunehmende Zahl von Verbrauchern, die sinusförmige
Ströme mit Gleichstromanteil sowie Pulsströme aufnehmen, be
steht auch ein Bedarf an pulsstromsensitiven Fehlerstrom
schutzschaltungen. Dies bedeutet jedoch, daß die Hysterese
schleife des in dem Summenstromwandler verwendeten Ringkerns
1 so beschaffen sein muß, daß unabhängig von der momentanen
Lage des Arbeitspunkts auf der Hystereseschleife mit einer
Änderung des äußeren Magnetfelds eine signifikante Änderung
der magnetischen Induktion verknüpft sein muß, so daß auch
dann in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert wird,
wenn der Summenstromwandler mit einem Gleichstromanteil vor
belastet ist.
Der in Fig. 1 dargestellte unverformte Ringkern 1 weist ei
nen Außendurchmesser a1 von 14,1 mm und einen Innendurchmes
ser von 12,8 mm auf. Die Wandstärke des Ringkerns 1 beträgt
somit 0,65 mm. Üblicherweise wird die Wandstärke im Verhält
nis zum mittleren geometrischen Durchmesser des Ringkerns 1
so gewählt, daß die Wandstärke nicht kleiner als das 0,01-
fache und nicht größer als das 0,5-fache des mittleren geome
trischen Durchmessers ist. Unter mittlerem geometrischem
Durchmesser wird dabei der Durchmesser der Mittellinie des
Ringkerns 1 verstanden. Die Höhe des Ringkerns 1 beträgt
3,9 mm.
Außerdem ist in Fig. 1 ein plastisch verformter Ringkern 2
dargestellt, der in einem oder mehreren Schritten zu dem
Ringkern 2 mit ellipsenförmigem Querschnitt verformt worden
ist. In Fig. 1 wurde der kleine Außendurchmesser des ellip
senförmig verformten Ringkerns 2 mit a2 bezeichnet. Die Dif
ferenz der Außendurchmesser a1 und a2 wird nachfolgend als
Δda bezeichnet.
Die plastische Verformung des Ringkerns 1 kann grundsätzlich
auf jede beliebige Art vorgenommen werden. Im einfachsten
Fall wird der Ringkern 1 aus einer definierten Fallhöhe fal
lengelassen, so daß er mit einer Außenfläche 3 auf eine Un
terlage aufprallt und dadurch plastisch verformt wird. Der
Umfang der plastischen Verformung ist dabei über die Fallhöhe
einstellbar. Dieses Verfahren führt zu einer mit hoher Genau
igkeit bestimmten plastischen Verformung des Ringkerns 1 und
ist aufgrund seiner besonderen Einfachheit besonders kosten
günstig.
Da der Ringkern 1 auf seiner Außenfläche 3 auftreffen soll,
darf sich seine Ausrichtung während eines Falls nicht verän
dern. Dies begrenzt die Fallhöhe auf etwa einen 1 m, denn bei
größeren Fallhöhen ändert sich häufig die Ausrichtung des
Ringkerns 1, so daß die Ausschußrate steigt. Die Begrenzung
der Fallhöhe bedingt notwendigerweise eine beschränkte Durch
messeränderung Δda, die beim Ringkern 1 im Verhältnis zur
mittleren Eisenweglänge des Ringkerns 1 kleiner als 0,01 sein
sollte.
Falls eine stärkere plastische Verformung erforderlich ist,
ist es notwendig, den Fall des Ringkerns 1 mit größeren Fall
höhen im Vakuum durchzuführen oder den Ringkern 1 mehrmals
aus definierten Fallhöhen auf seine Außenfläche 3 aufprallen
zu lassen oder den Ringkern 1 durch eine Preßvorrichtung zu
verformen.
Die plastische Verformung kann aber auch dadurch durchgeführt
werden, daß eine Vielzahl von Ringkernen 1 in eine sich um
eine horizontale Achse drehende Trommel eingebracht werden.
In diesem Fall ist die Zeit der Trommelbehandlung ein Maß für
die gewünschte plastische Verformung. Bei diesem Verfahren
ist die Streuung der plastischen Verformung verhältnismäßig
groß, aber dafür ist es möglich, eine Vielzahl von Ringkernen
1 in einem einzigen Verfahrensschritt plastisch zu verformen.
Durch die plastische Verformung ändert sich die Hysterese
schleife des weichmagnetischen Ringkerns 1. Dies wird anhand
der Fig. 2 veranschaulicht. In Fig. 2 ist mit einer gestri
chelten Linie eine Hystereseschleife 4 des unbehandelten
Ringkerns 1 und mit einer durchgezogenen Linie eine weitere
Hystereseschleife 5 des plastisch verformten Ringkerns 2 dar
gestellt. Sowohl die Hystereseschleife 4 als auch die Hyste
reseschleife 5 sind mit einem mit 50 Hz sinusförmig oszillie
renden äußeren Magnetfeld aufgenommen worden. Anhand Fig. 2
wird erkennbar, daß die Hystereseschleife 5 des plastisch
verformten Ringkerns 2 im Vergleich zur Hystereseschleife 4
des unbehandelten Ringkerns 1 einen flachen und verrundeten
Verlauf aufweist. Dies hat zur Folge, daß unabhängig von der
Lage des momentanen Arbeitspunktes auf der Hystereseschleife
jede Änderung des äußeren Magnetfelds zu einer Änderung der
magnetischen Induktion im plastisch verformten Ringkern 2
führt. Dies bedeutet aber, daß jede Änderung des Fehlerstroms
im Summenstromwandler ein Ausgangsspannungssignal induziert.
Der plastisch verformte Ringkern 2 eignet sich somit zum Ein
satz in wechselstrom- und pulsstromsensitiven Summenstrom
wandlern, die in zahlreichen Schutzstromschaltungen Verwen
dung finden.
Daß die durch die plastische Verformung verursachte Änderung
der magnetischen Eigenschaften des Ringkerns 1 durchaus re
produzierbar ist, wird anhand der Fig. 3 deutlich, in der
die Induktivität in Abhängigkeit von der Änderung Δda des Au
ßendurchmessers dargestellt ist. Zu diesem Zweck wurden vier
Exemplare des Ringkern 1 in mehreren Schritten zunehmend ver
formt und jeweils anschließend die Induktivität AL0 ohne
Gleichfeldvorbelastung und der Induktivität ALV mit einer
Gleichfeldvorbelastung von HDC = 120 mA/cm gemessen. Die ge
punkteten Linien 6 in Fig. 2 stellt dabei den Verlauf der
Induktivität AL0 ohne Gleichfeldvorbelastung dar, während die
durchgezogenen Kurven 7 den Verlauf der Induktivität ALV un
ter einer Gleichfeldvorbelastung andeuten. Sowohl die Induk
tivität AL0 ohne Gleichfeldvorbelastung als auch die Indukti
vität ALV mit Gleichfeldvorbelastung wurden bei einem mit
50 Hz oszillierenden Wechselmagnetfeld gemessen.
In Fig. 3 ist der gleichförmige Verlauf der Induktivitäten
AL0 und ALV deutlich zu erkennen. Für alle vier Exemplare des
Ringkerns 1 fällt die Induktivität AL0 zunächst bei kleiner
Verformung stark ab, um dann ab einer Durchmesseränderung von
Δda < 0,2 mm nur noch wenig abzunehmen. Die Induktivität ALV
nimmt unabhängig von der Verformung nur geringfügig ab und
bleibt somit im wesentlichen konstant.
Zum Nachweis, daß der beschriebene Effekt der Verrundung der
Hystereseschleife 4 durch die plastische Verformung des Kerns
1 nicht nur ein singulärer bei einer Meßfrequenz von 50 Hz
auftretender Effekt ist, wurde der Frequenzgang der für die
Hystereseschleife 5 charakteristischen Remanenz Br sowie der
Koerzitivfeldstärke Hc bei einem Ringkern 2 mit einer Durch
messeränderung von Δda ≈ 0,2 mm im Vergleich zu dem nicht
verformten Ringkern 1 gemessen. Das Ergebnis ist in den Fig.
4 und 5 dargestellt.
Fig. 4 zeigt mit der gestrichelten Kurve 8 den Verlauf der
Koerzitivfeldstärke Hc für den unbehandelten Ringkern 1, und
mit der durchgezogenen Linie 9 den Verlauf der Koerzitivfeld
stärke des plastisch verformten Ringkerns 2. In Fig. 4 ist
deutlich zu erkennen, daß die Koerzitivfeldstärke Hc unter
halb von 10 Hz bei dem plastisch verformten Ringkern 2 größer
als bei dem unbehandelten Ringkern 1 ist. Oberhalb von 10 Hz
liegt die Koerzitivfeldstärke Hc beim plastisch verformten
Ringkern 2 jedoch geringfügig unterhalb der Koerzitivfeld
stärke Hc des unbehandelten Ringkerns 1. Diese Tatsache zeigt
deutlich, daß der Wert für die Koerzitivfeldstärke Hc bei
Frequenzen oberhalb von 10 Hz und insbesondere bei 50 Hz maß
geblich von Wirbelstromeffekten bestimmt ist.
In Fig. 5 ist mit Hilfe der gestrichelten Linie 10 der Ver
lauf der Remanenz Br des unbehandelten Ringkerns 1 als Funk
tion der Frequenz eingetragen. In gleicher Weise stellt die
durchgezogene Linie 11 den Verlauf der Remanenz Br des pla
stisch verformten Ringkerns 2 dar. Aus Fig. 5 wird deutlich,
daß die Remanenz Br beim unbehandelten Ringkern 1 mit wach
sender Frequenz kontinuierlich zunimmt, wohingegen die Rema
nenz Br erst bei Frequenz oberhalb von 60 Hz stark ansteigt.
Insbesondere ist in Fig. 5 erkennbar, daß bei einer Frequenz
von 50 Hz die Remanenz des plastisch verformten Ringkerns 2
bei etwa 250 mT liegt. Der Wert für die Sättigungsinduktion
liegt beim unbehandelten Ringkern 1 bei ungefähr 750 mT. Auch
wenn man berücksichtigt, daß die Sättigungsinduktion beim
plastisch verformten Ringkern 2 kleiner als die Sättigungsin
duktion des unbehandelten Ringkerns 1 ist, läßt sich aus
Fig. 5 ablesen, daß sich zumindest für Frequenzen unterhalb
von 1 kHz eine verrundete Hystereseschleife für den plastisch
verformten Ringkern 2 ergibt.
Die durch plastische Verformung des Ringkerns 1 abgeflachte
und verrundete Hystereseschleife 5 bleibt auch dann erhalten,
wenn der Ringkern 2 in die ursprüngliche Kreisform zurückge
bogen wird. Insofern ist es möglich, die alte Form des unbe
handelten Ringkerns 1 durch Zurückbiegen wieder herzustellen,
wenn aus konstruktiven Gründen eine Abweichung von der Kreis
form nicht zulässig ist.
Es sei angemerkt, daß nicht nur die Hystereseschleife 4 der
massiven Ringkerne 1 durch eine plastische Verformung des
Ringkerns 1 abgeflacht und abgerundet werden kann. Gewickelte
Ringbandkerne können beispielsweise um eine in radialer Rich
tung verlaufende Achse abgeknickt und auf diese Weise pla
stisch verformt werden. Auch die durch Stauchen der Höhe des
Ringbandkerns bewirkte plastische Verformung führt zu einer
flachen und verrundeten Hystereseschleife.
In gleicher Weise ist es möglich, aus einem weichmagnetischen
Material ausgestanzte Scheiben, die aufeinander gestapelt ei
nen Ringkern ergeben, durch Abknicken der Scheiben um eine in
radialer Richtung verlaufende Achse plastisch zu verformen
und so die Hystereseschleife des Ringkerns für die Verwendung
in Summenstromwandlern tauglich zu machen. Die Wirkung der
plastischen Verformung auf die Hystereseschleife ist aller
dings um so besser, je dicker die Wandstärke des verwendeten
weichmagnetischen Materials ist.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns
für einen Summenstromwandler, bei dem zunächst der Kern aus
einer weichmagnetischen Legierung hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern durch plastische Verformung für die Verwendung
in dem Summenstromwandler tauglich gemacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern als massiver Ringkern (1) mit einem Nickelgehalt
< 40% hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandstärke des Ringkerns (1) im Verhältnis zum mitt
leren geometrischen Durchmesser des Ringkerns (1) nicht klei
ner als das 0,01-fache und nicht größer als das 0,5-fache des
geometrischen mittleren Durchmessers gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern als Ringbandkern hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern von ausgestanzten aufeinander gestapelten
Ringscheiben gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkern (1) durch eine in radiale Richtung wirkende
und den Durchmesser des Ringkerns (1) verändernde Kraft pla
stisch verformt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der plastischen Verformung die Änderung des mittle
ren geometrischen Durchmessers im Verhältnis zur mittleren
Eisenweglänge des Ringkerns (1) kleiner als 0,01 ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkern (1) durch einen Fall auf die Außenfläche (3)
plastisch verformt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von Ringkernen (1) durch Abrollen in einer
sich um eine horizontale Achse drehenden Trommel plastisch
verformt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkern (1) durch Abknicken des Ringkerns (1) ent
lang einer in radialer Richtung verlaufenden Achse plastisch
verformt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkern (1) durch eine entlang der Rotationsachse
wirkenden Kraft in der Höhe gestaucht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkern (1) in seine ursprüngliche Form zurückgebo
gen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998144641 DE19844641C1 (de) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1998144641 DE19844641C1 (de) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler |
Publications (1)
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DE19844641C1 true DE19844641C1 (de) | 2000-10-19 |
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ID=7882649
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DE1998144641 Expired - Fee Related DE19844641C1 (de) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler |
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