DE2101118A1 - Gleichstrommaschine mit Streufluß abschirmung - Google Patents

Description

Gleichstrommaschine mit Streuflußabschirmung

Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Gleichstrommaschinen und insbesondere solchen, deren Feldmagnete Wendepole umfassen.

Dynamoelektrische Gleichstrommaschinen werden mit Wendepolen oder Zwischenpolen versehen, die zwischen benachbarten Hauptfeldpolen angebracht sind. Sie sollen die Blindspannung neutralisieren, die in rotierenden Ankerspulen erzeugt wird, in denen gerade eine Stromwendung erfolgt, wenn diese Spulen durch die Bürsten in der Maschine kurzgeschlossen werden. Die elektromagnetischen Wicklungen für diese Wendepole sind mit dem Ankerlastkreis in Reihe geschaltet, um einen Kommutierungsfluß zu erzeugen, der im wesentlichen dem Ankerstrom proportional und somit dem Blindspannungswert der der Kommutierung unter worfenen Ankerspulen proportional ist.

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Man versucht nun dadurch für annehmbare, funkenfreie Kommutierungs- und hervorragende Stromabnahmecharakteristiken in dynamoelektrischen Maschinen zu sorgen und Beschädigungen von Bürsten und Kommutatoren dieser Maschine zu vermeiden, daß der Wert des Kommutierungsflusses, der durch den Wendepol erzeugt wird, für den normalen Betrieb der dynamoelektrischen Maschine auf einen optimalen Wert eingestellt wird. Selbst wenn jedoch der Kommutierungsfluß auf diesen optimalen Wert eingestellt ist, zeigen dynamoelektrische Maschinen häufig Kommutierungsschwierigkeiten unter gewissen transienten Bedingungen: Wenn die Anker dieser Maschinen von SpannungsVersorgungen mit einem hohen Welligkeitsgehalt gespeist werden, wie z. B. bei Spannungsversorgungen, in denen zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung Halbleitergleichrichter verwendet werden, und wenn diese Maschinen sich schnell ändernden Lastanstiegen und -abfällen unterworfen sind. Während dieser transienten Ankerstrombedingungen, 30 wurde festgestellt, verzögert der momentane Kommutierungsfluß die Änderung im Ankerstrom. Wenn beispielsweise SpannungsVersorgungen mit einem hohen Welligkeitsgehalt zur Speisung des Motorankers verwendet werden, ist die Kommutierungsflußwelligkeit bezüglich der Welligkeit im Ankerstrom zeitlich phasenverschoben und von kleinerer Größe. Der Verlust der gewünschten Proportionalität zwischen dem Ankerstrom und dem Kommutierungsfluß und die sich daraus ergebenden Kommutierungsschwierigkeiten resultieren aus der Wirkung der verteilten Wirbelströme in dem Magnetp&d.

Gemäß einem an anderer Stelle beschriebenen Vorschlag wurde gefunden, daß der Last- oder Ankerstrom während transienter Lastbedingungen bewirkt, daß sich der durch die Kommutierungsfelder erzeugte Fluß schnell zu verändern versucht. Diese Änderungen erzeugen Wirbelströme im Magnetrahmen der dynamoelektrischen Maschine, die der gewünschten Änderung des durch das Kommutierungsfeld erzeugten Kommutierungsflusses entgegengerichtet sind. Folglich wird eine Änderung im effektiven Kommutierungsfluß wesentlich verzögert, so daß die dynamoelektrische Gleichstrommaschine während dieser transienten Änderungen im

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Laststrom schlechte Kommutierungseigenschaften zeigt.

Es wurde in diesem Vorschlag erläutert, daß der durch das Kommutierungsfeld erzeugte Gesamtfluß erstens einen effektiven Fluß, der von den Enden der Wendepole und durch den Luftspalt hindurch zum Anker verläuft, und zweitens einen Streufluß aufweist, der von den Seiten der Wendepole zur Hauptpoleinrichtung oder direkt zum Magnetrahmen der Maschine fließt. Die Größe des Streuflusses beträgt im allgemeinen ein Mehrfaches des Wirkflusses.

Gemäß diesem Vorschlag wird eine aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehende Abschirmung für einen transienten Streufluß zwischen einem oder mehreren der Wendepole einer dynamoelektrischen Maschine und entsprechenden benachbarten Hauptpolen angebracht. Die Flußabschirmung ist in dem Pfad des transienten Streuflusses angeordnet, der von den Seiten der Wendepole ausgeht. Diese gut leitende Flußabschirmung befindet sich jedoch nicht in dem Pfad des transienten Wirkflusses, der aus den Enden der Wendepole und über den Luftspalt zwischen den Wendepolen und dem Anker fließt, um die Blindspannung der Kommutierung zu kompensieren. Der durch die Abschirmung fließende transiente Streufluß erzeugt Wirbelströme in der Flußabschirmung, die die Änderung des tränsienten Streuflusses hemmen. Folglich werden die in dem Magnetpfad des Motors erzeugten Wirbelströme verkleinert, so daß der effektive transiente Fluß besser in Phase mit dem Ankerstrom und in einem besseren Verhältnis zum Ankerstrom bleibt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Abschirmungen für den transienten Streufluß in der Feldeinrichtung dynamoelektrischer Gleichstrommaschinen möglichst günstig anzuordnen. Ferner beinhaltet die vorliegende Erfindung eine optimale Form der in den dynamoelektrischen Maschinen verwendeten Abschirmungen für den transienten Streufluß.

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Erfindungsgemäß enthalten Wendepoleinrichtungen, die in dynamoelektrischen Gleichstrommaschinen verwendet werden, Abschirmungen für den Kommutierungsfluß, die zwischen dem Wendepolstück und der Kommutierungsspule angebracht sind, die normalerweise in diesen Einrichtungen enthalten sind. Eine sehr wirksame Abschirmung für den Kommutierungsfluß wird von einem Blech aus einem Material mit einem hohen Leitfähigkeitswert gebildet, das wiederum zwischen dem Wendepol und der Kommutierungsspule angebracht ist. Das Blech aus einem derartigen Material sollte so viel wie möglich von dem aus dem Wendepolstück austretenden transienten Streufluß abschiren, so daß auf Geund dieses abgeschirmten Flusses in der Abschirmung Wirbelströme erzeugt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wurde gefunden, daß eine Abschirmung aus einem gut leitenden Blech mit einem Ansatz nahe dem Anker sehr wirkungsvoll bei der Verbesserung des Kommutierungsvermögens dynamoelektrischer Gleichstrommaschinen ist. Der Ansatz bildet einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt. Eine dieser Flußabschirmungen wird auf jeder Seite eines Wendepoles angeordnet, um einen wesentlichen Teil des aus dem Pol austretenden Streuflusses abzuschirmen, ohne daß ein Wirbelstrompfad um den Pol selbst herum gebildet wird.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Gleichstrommaschine.

Fig. 2 ist ein Teil eines Querschnittes einer Gleichstrommaschine gemäß dieser Erfindung.

Fig. 3 ist ein Sprengbild einer Kommuticrungsfeldanordnung gemäß dieser Erfindung.,

Fig. 1 zeigt eine Beziehung zwischen dem Ankerstrom und dem

Kommutierungsfluß einer Gleichstrommaschine vor (FigJla) 109831/1422

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und mit (Pig. 4b) Anwendung dieser Erfindung.

Das elektrische Schaltbild einer dynamoelektrischen Gleichstrommaschine gemäß Fig. 1 zeigt die elektrischen Hauptelemente einer derartigen Maschine einschließlich der Wicklungen, die als Quellen für das Hauptfeld und den Kommutierungsfluß dienen.

Es werden zunächst die den Maschinenstator bildenden Elemente betrachtet. Eine erste Wicklung 12 stellt zahlreiche Hauptwicklungsspulen dar, die auf den Magnetkörpern in dem Statorrahmen angeordnet sind. Diese Spulen 12 können zu einer Reihen-, Parallel- oder Reihen-Parallelschaltung miteinander verbunden sein, um einem an die Klemmen 14 und 16 angelegten Potential angepaßt zu sein. Das angelegte Potential bewirkt einen Stromfluß in der Feldwicklung 12 und erzeugt eine Hauptquelle für den Magnetfluß im Stator der Maschinen. In einer Nebenschlußmaschine werden diese Feldspulen 12 allein als HauptflußqueHe verwendet.

Auch die zweiten und dritten Wicklungen 18 bzw. 20 stellen zahlreiche Spulen auf Magnetkörpern in dem Statorrahmen dar. Die Wicklung 20 bildet eine Reihenfeldwicklung, die in einer Doppelschlußmaschine zusammen mit der Nebenschlußwicklung verwendet wird, oder sie findet in einer Reihenschlußwicklung als eine Flußquelle für das Hauptfeld allein Anwendung. Das Hauptfeld kann auch durch innerhalb der Maschine angebrachte Permanentmagnete erzeugt werden.

Die zweite Wicklung 18 bildet eine Kommutierungswicklung, die - wie oben erwähnt wurde - elektrisch mit einem Anker 22 in Reihe geschaltet ist, der in dem Maschinenstator drehbar angebracht ist. Die Kommutierungswicklung versuchtieinen Kommutierungs fluft im Verhältnis zum Strom in dem Anker 22 in einem Magnetkörper zu erzeugen, um den sie herumgewickelt ist. Die elektrischen Anschlüsse 2k und 26 oder 26 a, falls die dritte Wicklung eingebaut ist, sorgen für eine Leistungseinspeisung in den Ankerkreis. Die Bürsten 28 und 30 stellen einen glei-

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tenden, leitenden Strompfad zum Anker 22 der Maschine her, um einen Leistungsübergang von den feststehenden Teilen des Ankerkreises zu dem drehbar angebrachten Anker 22 zu bewirken.

Fig. 2 zeigt in einem Teil eines Querschnittes einer dynamoelektrischen Maschine die strukturellen Beziehungen der Hauptelemente der dynamoelektrischen Maschine, wie sie anhand von Fig. 1 erläutert wurde, und verschiedene nicht-elektrische Elemente, die in einer dynamoelektrischen Maschine enthalten sind.

Ein Statorrahmen 32 bildet einen Rückpfad für den in den Haupt- und Wendefeldeinrichtungen 34 bzw. 36 erzeugten Fluß und haltert diese Einrichtungen. Die Einrichtung 34 für das Hauptfeld enthält ein Hauptpolstück 38, in dem ein Fluß durch eine Hauptfeidspule 40 entwickelt wird, die einen Teil der Wicklung 12 und/oder 20 (Fig. 1) darstellt, was von der angestrebten Maschinenart abhängt .

Die Einrichtung 36 für das Kommutierungsfeld enthält ein Wendepolstück 42, das eine Spule 44 aufweist, die zur Entwicklung eines Kommutierungsflusses um dieses Polstück herumgewickelt ist. Ferner bildet die Spule 44 einen Teil der Kommutierungswicklung 18 gemäß Fig. 1.

Gemäß den Hauptmerkmalen dieser Erfindung enthält die Einrichtung 36 für das Kommutierungsfeld ferner Abschirmungen 46 für einen transienten Streufluß, die aus einem gut leitenden Material hergestellt sind, d. h. einem Material mit einem kleinen elektrischen Widerstand. Diese Abschirmungen sind zwischen dem Wendepolstück 42 und der Spule 44 angeordnet. Die Abschirmung 46 für den transienten Fluß kann jede Form oder Konfiguration des gut leitenden Materials aufweisen, die gestattet, daß der transiente Streufluß durch die Abschirmung geschnitten wird, so daß Wirbelströme erzeugt werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung bestehen die Abschirmungen 46 aus Kupferblechen, die an ihrem, dem Anker benachbarten Ende Ansätze aufweisen. Es wurde als

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besonders vorteilhaft befunden, daß diese die Abschirmungen bildenden Bleche im wesentlichen L-förmige Querschnitte aufweisen. Der Fachmann ist jedoch in der Lage, für einige Anwendungen dieser Erfindungen auch andere Querschnittskonfigurationen zu finden, die für die Abschirmungen des transienten Flusses vorteilhaft sind. Diese brauchen beispielsweise keinen Ansatz aufzuweisen, oder sie können einen andersartigen Ansatz nahe dem Anker besitzen, insbesondere wo sich die Form des Wendepoles von der in den Zeichnungen dargestellten Form unterscheidet. Jede dieser Abschirmungen des transienten Flusses ist entlang einer Seite eines Wendepolstückes 42 angebracht.

Obwohl es bezüglich der Erfindung in ihrem weitesten Sinne nicht entscheidend ist, so ist doch die Länge eines längeren Schenkels 48 der L-förmigen Abschirmung für den transienten Fluß und die Lage der Abschirmung so gewählt, daß ein kürzerer Schenkel 50 ein wenig unterhalb der Polfläche 52 des Polstückes 42 verläuft. Wenn die Abschirmungen 46 so angeordnet sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, d. h. daß sie sich so nahe wie möglich an der Oberfläche des Ankers befinden, wird ein wesentlicher Anteil des transienten Streuflusses geschnitten bzw. abgefangen und die Kommutierung wird möglichst gut gemacht. In dieser Konfiguration sollte die Kommutierungsspule 44 gegen den kürzeren Schenkel 50 der Abschirmung ^ 46 gebaut sein, d. h. an diesem anliegen, so daß die Kommutie- ™ rungsspule sich so nahe wie möglich an dem Anker befindet. Der minimale Spalt von der Oberfläche des Ankers zur Oberfläche der Abschirmungen 46 wird von verschiedenen Faktoren bestimmt. Hierzu gehören beispielsweise der Betrag der Abnutzung der Hauptlager, die während der Benutzung der Maschine erwartet werden kann. Diese Abnutzung würde bewirken, daß der Anker die Oberfläche der Abschirmungen 46 an den unteren Wendepolen berührt bzw. an diesen schleift. Ferner ist der minimale Luftspalt durch das Vermögen der Ankerisolation bestimmt, einen Überschlag zwischen den Ankerspulen und den Abschirmungen für den transienten Fluß zu verhindern.

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Die Kommutierung wurde während transienter Lastbedingungen ferner dadurch verbessert, daß die Abschirmung für den transienten Fluß nahe geblechter bzw. lamellierter Wendepole angebracht wurde, wobei die Bleche in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung bezüglich des Motors geschichtet wurden. Die einzelnen Bleche sollten gegeneinander isoliert sein, um den geblechten Wendepol für die Verbesserung der Kommutierung zweckmäßig aufzubauen. Ferner wird die Kommutierung verbessert, indem der Luftspalt zwischen der Wendepolspitze und der Ankeroberfläche verlängert und die durch den Wendepol hervorgerufene Überkompensation erhöht wird. Die in dem Magnetrahmen des Motors erzeugten Wirbelströme bilden somit einen kleineren Prozentsatz der Überkompensations-Amperewindungszahl, die bei der Erzeugung einer guten Kommutierung der dynamoelektrischen Maschine wirksam ist.

Es wurde gefunden, daß ein gewisser Teil des Materials der Abschirmungen 46 für den transienten Fluß, der sich nahe dem Statorrahmen 32 befindet, entfernt werden kann, ohne daß dadurch das Leistungsvermögen der Abschirmungen 46 hinsichtlich einer Verbesserung der Kommutierung wesentlich beeinflußt wird. In einem Beispiel wurde das Material vom Magnetrahmen aus auf einem Abstand von etwa 1/4 bis 1/3 der Länge des Wendepoles entfernt, so daß sich die Abschirmungen 46 etwa über 2/3 oder 3/4 der Länge des Wendepoles erstreckten.

Fig. 3 zeigt in einer auseinandergezogenen Darstellung die Einrichtung 36 für das Kommutierungsfeld. Die Einrichtung umfaßt ein Wendepolstück 42, eine Kommutierungsspule 44 und die Abschirmungen 46 für den transienten Streufluß. Aus dieser auseinandergezogenen Darstellung ist zu ersehen, daß die Abschirmungen 46 sich etwa über die gesamte Länge des Wendepolstückes erstrecken. Für irgendeine bestimmte Maschine oder einen Maschinentyp werden Versuche erforderlich sein, um die optimalen Längen der Schenkel 48 und 50 zu bestimmen.

Fig. 4 a zeigt Wellcndiagramme des Stromflusses durch die Kommutierungsspulc und den effektiven Kommutierungsfluß, die

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für viele Gleichstrommotoren ohne Verwendung dieser Erfindung· typisch sind. Es sei darauf hingewiesen, daß die Spitzen der Ankerstromwellen, wie z. B. die Spitze 60 und die entsprechenden Spitzen der Kommutierungsflußwelle, wie z. B. die Spitze 62, im wesentlichen ungleichphasig sind. Somit hat der Kommutierungsfluß nicht seinen maximalen Wert, wenn er diesen haben sollte, um die Kommutierung des maximalen Wertes des Ankerstromes zu unterstützen. Tatsächlich wurde gefunden, daß sich der Wert des Kommutierungsflusses zu einem Zeitpunkt, der dem Maximalpunkt 60 auf der Kommutierungsstromwelle entspricht, nahe seinem minimalen Wert befindet. Es wird angenommen, daß dies ein Hauptgrund für die schlechte Kommutierung von dynamoelek- ^ trischen Gleichstrommaschinen ist.

Es wurde festgestellt, daß die zeitlichen Änderungen des Kommutierungspolflusses am Luftspalt von der Geometrie der Maschine und der Geschwindigkeit der Stromänderungen abhängt. Drei Paktoren wurden gefunden, die die Erseugung des transienten Flusses in dynamoelektrischen Maschinen beeinflussen: Die Kommutierungsfeld-Amperewindungszahl, die Ankerrückwirkungs-Ampdrewindungszahl und die erzeugte WirbeIstrom-Ampdrewindungs^ahl. Aus Pig. 4 a ist ersichtlich, daß die Ankerrückwirkungs-Arap#rewindungszahl bei der Flußbildung am Luftspalt des Wendepoles zu Überwiegen scheint. Es wird angenommen, daß dies aus dem Jj Vorhandensein der WirbelstroHtndungszahl in dem Wendepol mxtä dem Magnetrahmen resultiert.

Fig. 4 b zeigt die Wellendiagramme des Ankerstromes und des Kommutierungsflusses für die gleiche Maschine, wie sie in ' Fig. 4 a gezeigt ist, jedoch sind hier die er findungs gemäßen Abschirmungen 46 für den transienten Fluß hinzugefügt. Die Maßstäbe für den Ankerstrom und den Kommutierungsfluß sind in den Figuren 4 a und 4 b unterschiedlich. Beim Vergleich der Beziehung zwischen den Spitzenwerten des Ankerstromes und des Kommutierungsflusses sei darauf hingewiesen, daß sich ein Spitzenwert 70 auf der Ankerstromwelle bezüglich der Zeit relativ nahe an einem Punkt 72 befindet, der den Maximalwert des Kommutierungsflusses darstellt. Auf Grund der Ver-

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Wendung der vorliegenden Erfindung sind der Ankerstrom und der Kommutierungsfluß nicht mehr praktisch phasenverschoben, wie dies in Fig. 4 a der Fall ist. Der transiente Streufluß hat bewirkt, daß Wirbelströme in den Abschirmungen 46 für den transienten Fluß erzeugt werden, wobei diese Wirbelströme Streuflußänderungen entgegengesetzt sind und den transienten Streufluß in anderen Teilen des Magnetkreises der dynamoelektrischen Maschine verkleinern. Diese Verkleinerung verringert wiederum die verteilten Wirbelströme in dem Magnetkreis und sie gestattet, daß sich der effektive Fluß nahezu gleichphasig mit der Ankerstromänderung verändert.

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Claims (7)

1. Ansprüche

   Dynamoelektrische Gleichstrommaschine mit einem Stator und einem in diesem drehbar gehalterten Anker, wobei der Stator zahlreiche Hauptpoleinrichtungen, die im Abstand um den Statorumfang herum angeordnet sind, zur Erzeugung eines Hauptfeldes und zahlreiche Wendepoleinrichtungen zur Erzeugung eines Kommutierungsfeldcs aufweist, die jeweils zwischen einem getrennten Paar der Hauptpoleinrichtungen angebracht sind und jeweils einen Wendepol mit einer um diesen herumgewickelten Kommutierungsspule aufweisen, gekennzeichnet durch eine Abschirmung (46) für den transienten Streufluß aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit und eine Vorrichtung zur Befestigung der Abschirmung (16) für den transienten Fluß in der Wendepoleinheit (36) zwischen dem Wendepol (42) und der Kommutierungsspule (41), wobei die Abschirmung (46) für den transienten Fluß derart in dem Pfad des transienten Streuflusses des Wendepoles (42) angebracht ist, daß sie den transienten Streufluß schneidet, und so geformt ist, daß ein Pfad guter elektrischer Leitfähigkeit den Wendepol nicht mehr als teilweise umgibt, so daß auf Grund der guten elektrischen Leitfähigkeit der Abschirmung (46) und der Anordnung dieser Abschirmung durch den transienten Streufluß des Wendepoles ein derartiger Stromfluß in der Abschirmung (46) induzierbar ist, daß Veränderungen im transienten Streufluß praktisch unterbunden sind.
2. 2. Dynamoelektrische Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (46) ein Blech (48) aus nicht-magnetischem, metallischem Material mit einem Ansatz (50) ist, der in einer nahe dem Anker gelegenen Ebene von dem Blech (48) wegragt
3. 3. Dynamoelektrische Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (46) in einer Lage angebracht ist, die den Ansatz

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   - 12 (50) so nahe wie möglich an den Anker bringt.
4. 4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Kommutierungsspule (44) nahe dem Ansatz (50) auf der Abschirmung (46) angebracht ist und sowohl der Ansatz (50) als auch die Kommutierungsspule (44) so nahe wie möglich an dem Anker angebracht sind.
5. 5. Dynamoelektrische Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ansatz (50) nahe dem Kommutator befindet, so daß das Blech einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt besitzt.
6. 6. Dynamoelektrische Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Abschirmungen (46) für den transienten Fluß in einer Wendepoleinrichtung (36) zwischen jedem der Wendepole (42) und einem benachbarten Hauptpol (38) angebracht ist.
7. 7. Dynamoelektrische Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abschirmung (46) für den transienten Fluß von der Spitze des Wendepoles (32) über einen Abstand von wenigstens etwa 2/3 der Länge des Wendepoles erstreckt, wobei die Abschirmung eine Oberfläche bildet, die einen wesentlichen Teil des aus dem Wendepol (42) austretenden transienten Streuflußpfades schneidet.

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