DE2502017A1

DE2502017A1 - Gleichstrom-elektromagnet fuer relais

Info

Publication number: DE2502017A1
Application number: DE19752502017
Authority: DE
Inventors: Michel Langree
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1975-01-20
Publication date: 1975-08-07
Also published as: BE823968A; FR2260176B1; YU36079B; DE2502017C2; NL7500153A; NO750284L; GB1464940A; US3970978A; ATA63575A; CH592957A5; ZA7568B; IT1031298B; DK688274A; AT356749B; ES434306A1; SE407304B; FR2260176A1; YU16775A; FI750111A; CA1046113A

Description

PATENTANWÄLTE 9 R Π. 9 Π 1

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 2-0. JÄH-1575

T 2045 - Erb

LA TELEMEGANT QTTS ELEC¹¹RT Q

33 bis et 33ter avenue Marecbal Joffre 9200 Nanterre, Frankreich

Gleichstrom-Elektromagnet für Relais

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet, der aus einer Spule und einem Magnetkreis besteht, der einen feststehenden, ^TJ-förmigen Kern und einen im wesentlichen L-förmigen, beweglichen Anker aufweist, die durch ein Schwenksystem miteinander verbunden sind, welches mit einem gewissen Luftsnalt einen ersten Schenkel des Kerns mit einem ersten Schenkel des Ankers verbindet, wobei die zweiten Schenkel des Kerns und des Ankers gekrümmte Oberflächen aufweisen, die in einem von der S-oule umgebenen Bereich einander gegenüberstehen.

Derartige Elektromagnete werden insbesondere in Automatikrelais von einem gewissen Kaliber benutzt, bei denen die

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DR. G. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-ING. W.'GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VpLKSBANr.

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

TEL. (089) 2242 II. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL. 10711)56 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 770 62-80S

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ORIGINAL INSPECTEB

Löschung der Stmle unter Gleichstrom vor sich geht.

Es sind bereits Elektromagnete der oben beschriebenen Art bekannt, bei denen die gekrümmten Oberflächen, die die f^olflachen abgrenzen, zur Drehachse des .Ankers konzentrisch sind.

"Bei diesen Elektromagneten ist das Moment -progressiv und, da der Luftspalt eine konstante Stärke hat, ist die tangentiale Komponente ('die das Moment erzeugt") relativ gering gegenüber der radialen Konrnonente der magnetischen Anziehungskräfte.

Dies h?t zur Folffe, dpß an den Lagern des Ankers eine übermäßige Reibung auftritt und daß der Anker so langsam in G-e schwindle it kommt, daß die Srsule hohe Anroerewindungen erzeugen muß, um das durch die Rückholfeder des Ankers erzeugte Widerstandsmoment zu überwinden.

Außerdem erreicht man selbst im Dünstigsten Fall keine stärke Änderung des !Moments zu dem ^eit-ounkt, zu dem die Reaktion der den Druck der Kontakte gewährleistenden Federn sich zu der Kraft der Rückholfeder addiert.

T^Tm die Anrnerewinrlungen der Snule zu verringern und damit eine beträchtliche Kupfer- und EnergieeinsOarung zu erreichen, ist es wünschenswert, daß sich das Anzugsmoment des Elektromagnets in seiner Startnhase schnell entwickelt, anschließend in der Annäherungs-phase sich mäßig entwickelt und sich schließlich in der Phase des Anlegens der Kontakte und des Unterdrucksetzens ihrer Federn schnell entwickelt.

Auf diese Weise wird die in den beiden ersten Stufen

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des Hubes angesammelte kinetische Energie zum Überwinden der dritten Stufe verwendet, die die meiste "Energie erfordert, und zw^r insbesondere auf Grund der Möglichkeit der Montage von zusätzlichen Kontakten oder verzögerten Vorrichtungen auf dem Gerät, die an manchen Stellen des Hubes des Ankers in Tätigkeit treten.

Dies wird erfindungscremäß dadurch erreicht, daB die gekrümmte Fläche des zweiten Schenkels des feststehenden Kerns aus zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten besteht, deren zweiter, der sich in Nähe der Basis des U's befindet, gegenüber der Fläche eines an der Basis befestigten Polschuhs liegt , daß der zweite Schenkel des beweglichen Ankers aus zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten besteht, deren zweiter, der sich in Nähe des Endes des zweiten Schenkels des Ankers befindet, in einen Bereich gelangt, der sich zwischen dem zweiten Flächenabschnitt des Schenkels des Kerns und der Fläche des Polschuhs befindet,und daß das Ende des zweiten Abschnitts des Ankers eine Polfläche besitzt, die quer zur Bewegungsrichtung des Ankers angeordnet ist und mit einer zwischen dem zweiten Schenkel des feststehenden Kerns und dem Polschuh gelegenen Fläche einen LuftsOalt bildet,dessen Anziehungseffekt wirksam wird, wenn der zweite Abschnitt des Ankers im wesentlichen in die Hälfte des Bereichs eingetreten ist.

Weitere Merkmale, die eine Verbesserung und Anpassung des Verlaufs des Anziehungsmoments in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Ankers betreffen, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der beiliegenden Zeichnung. In dieser Zeichnung zeigen:

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Fig. ^Λ eine Seitenansicht des Elektromagnets mit seinen wichtigsten Elementen,

Fig. 2 eine genauere Darstellung der geometrischen Merkmale des Magnetkreises,

Fig. 3 eine Darstellung der Bewegungsverläufe von verschiedenen Elektromagnettypen in Bezug auf die Widerstandskräfte und

Fig. 4 eine Darstellung der Zerlegung der Anziehungskräfte, die zwischen zwei einander gegenüberstehenden Polflächen ausgeübt werden.

Fig. Λ zeigt die Erregungsspule ^Λ des Elektromagnets aus einer angeformten Kunststoffmasse.

Der Magnetkreis besteht einerseits aus dem feststehenden Kern 3» der die allgemeine Form eines U's mit Schenkeln

5 und 7 und einer Basis 13 hat, und andererseits aus einem beweglichen Anker 2, der mit' dem feststehenden Kern durch einen Zapfen 4 verbunden ist und der die allgemeine Form eines L¹S mit einem ersten Schenkel

6 und einem zweiten Schenkel 8 hat.

Im Ruhezustand und in der Arbeitsstellung des Elektromagnets treten die zweiten Schenkel 7 und 8 in den Innenbereich 9 der Spule ^Λ ein.

Die gekrümmten Oberflächen des Schenkels 7 und des Schenkels 8 bilden zwischen sich einen Luftspalt, dessen Entwicklung während der Bewegung des Ankers von dem Krümmungsradius und -mittelpunkt dieser Oberflächen abhängt. Der Anziehungsverlauf ist somit seinerseits eine Funktion von diesen Variablen.

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Wenn der zwischen diesen beiden Oberflächen bestehende Luftspalt konstant wäre, wäre die Anziehungskraft zu dem Hub des Ankers Oroportional, was mit der Kurve EC von Fig. 3 dargestellt ist. In diesem !Fall sind die radialen Kräfte zu hoch gegenüber den tangentialen Kräften.

Um die Widerstandskräfte GR unter günstigen Bedingungen zu überwinden, ist ein Verlauf der Kraft ähnlich wie in der Kurve EV vorzuziehen.

Zu diesem Zweck zerlegt man die verschiedenen Anziehungskräfte, die auf den Anker ausgeübt werden, in drei aufeinanderfolgende Phasen.

Die gekrümmte Oberfläche des feststehenden Schenkels 7 besteht infolgedessen aus zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten 10 (schraffiert) und T¹ (punktiert), wobei sich der erste Abschnitt von dem Ende des Schenkels bis zum zweiten Oberflächenabschnitt "Ί erstreckt, der in Nähe der "Basis 13 des Kerns endet.

Gegenüber der Fläche "" ist eine dritte Fläche "5 vorgesehen, die zu einem Polschuh 17 gehört, der mit der "Basis ^Λ~5 fest verbunden ist. Zwischen diesen beiden Flächen ist somit ein leerer Raum 20 vorgesehen.

Der zweite Schenkel 8 des Ankers kann in zwei Abschnitte "2 und ^4 geteilt werden, die verschiedene Funktionen haben.

Der erste Abschnitt ^Λ?. hat im wesentlichen die Aufgabe, mit der Fläche "0 des Kerns in einem ersten Teil seines ^TIubes zusammenzuarbeiten, der mit dem Zeitpunkt endet, pn dem der zweite Abschnitt "4 (schraffiert dargestellt)

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in den Raum 20 eintritt.

7u diesem Zeitpunkt wird die magnetische Anziehung, die durch eine starke Änderung des LuftsT>alts bewirkt wird, durch einen magnetischen Anziehungseffekt ersetzt, der dem eines Tauchkerns vergleichbar ist, und zwar während eines zweiten Teils des Hubes, der den Endbereich Ί4 im wesentlichen in die Mitte des Raums 20 bringt.

Da dieser Endabschnitt ι4- eine Polfläche i8 besitzt, die zur Bewegungsrichtung F des Ankers im wesentlichen sich quer erstreckt, ist seine Annäherung an die Fläche 19j clis den ^oden des Raums 20 bildet und zwischen den Flächen ^ΛΛ und "¹^ liegt, der Anfang einer stark tnngentialen magnetischen Anziehung, die den dritten Teil des Hubes des Ankers beherrscht.

Die Entwicklung der tangentialen Anziehungskraft, die mit der Kurve EV von Fig. 3 dargestellt ist,- entspricht also der Aufeinanderfolge und der Vereinigung der drei beschriebenen Anziehungsarten.

Wenn sich der Anker 2 in.seiner vollständig angezogenen Stellung befindet, stößt sein Ende ^8 an einer dünnen Messinglamelle an, die Remanenzerscheinungen verhindern soll, und der Schenkel 8 ist von der Fläche ^O nur durch einen geringen Luftsr>elt mit konstanter Stärke getrennt.

In derselben Stellung hebt der Schenkel eines isolierenden Rechens 21, der an dem Anker befestigt ist, das Ende 22 einer biegsamen Lamelle 23 an, die einen Kontakt 24 trägt, der sich infolgedessen öffnet, wenn die Spule erregt ist.

Die oben beschriebene Anordnung läßt den Verlauf der Kräfte des Ankers in Abhängigkeit seiner Bewegungen von einer gewissen Anzahl von voneinander unabhängigen

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Parametern abhängen, deren Grenzen zu untersuchen sind und deren Werte festzulegen sind, um das beste Ergebnis zu erhalten, das hauptsächlich von der Energie, die der Spule verliehen werden soll, und der Summe der Widerstandskräfte abhängt. Im Rahmen der Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist zu erwähnen, daß der Elektromagnet zusätzliche Kontakte oder Vorrichtungen zur pneumatischen Verzögerung betätigen soll, deren Widerstandskräfte bei verschiedenen Stellungen des Ankers auftreten.

Die Änderung der verschiedenen Luftspalte bei der Bewegung des Ankers hängt von der Stellung des Drehpunktes des Ankers, von dem Krümmungsradius der einander gegenüberstehenden Flächen und von der Stellung des Krümmungsmittelpunktes dieser Flächen ab. Fig. 2, in der der Magnetkreis in seinem Ruhezustand dargestellt ist, zeigt den Drehpunkt O des Ankers, die Achse XX¹ der Spule 1, eine Ebene PP¹, die zu XX senkrecht ist und durch die Achse O läuft, und eine Ebene TT¹, die parallel zu XX¹ durch die Achse O läuft.

Die Ebenen PP¹ und TT' grenzen vier Quadranten q1, q2, q3 und q4 ab. Wenn 01 der Krümmungsmittelpunkt des Flächenabschnitts 10 ist, so kann er nur in einem der Quadranten q1 oder q2 liegen. Läge C1 nämlich in einem der Quadranten q3 oder q4, so wäre die Bewegung des Ankers bezüglich des Kerns mechanisch unmöglich.

Wenn 01 im ersten Quadranten liegt, so findet eine Änderung des Luftspalts zwischen der Fläche 10 und dem beweglichen Schenkel 8 statt, die sich in einer hohen : tangentialen Kraft Ft (d.h.in Richtung des Pfeils F) bezüglich der radialen Kraft Fr (auf den Drehpunkt zu gerichtet) äußert (vgl. insbesondere Fig.4).

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Wenn man andererseits erreichen will, dpß die magnetischen Sättigungsbedingungen des Fußes des Schenkels 7 mit denen des Fußes des Polschuhs ^Λ 7 vergleichbar sind und daß die gesamte Länge des Schenkels 7 benutzt wird, muß die gekrümmte Fläche "O durch die Punkte P und h laufen. "B ist als ein Punkt in Nähe der Achse XX¹ in den Raum 20 definiert und A ist ein Punkt in Nähe des Endes des Schenkels 7 und damit puch in Nähe der Kante, die die Aussparung für die S-nule abgrenzt. Der Krümmungsmittelr>unkt 0^Λ lietrt somit auch in Nähe der Mittelsenkrechten des Segments A, "B.

7flhlreiche Versuche haben gezeigt, daß der gewünschte Verlauf der Kraftkurve erreicht wird, wenn der Krümmungsradius der Fläche "0 zwischen den 1, 5-fachen und 2-fachen des Wertes des Abstands H des Punktes A vom Drehpunkt O ist. Wenn nämlich dieser Krümmungsradius zu gering ist, äußert sich die Änderung des Luftsnalts in einem zu hohen Wert der radialen Komponente im Bezug auf die tangentiale Komponente. Wenn dagegen der Krümmungsradius zu groß ist, ist der luftspalt zu groß und die Erhöhung der magnetischen Verluste beeinträchtigt den Wirkungsgrad.

Wenn der Krümmungsradius der Fläche T) in dem Quadrant o2 la^Te,' würde de^ Luftspalt dazu neigen, während der Drehung des 'nkers zuzunehmen.

Dieser Effekt wurde jedoch für die Flächen ^ΛΛ- des Schenkels 7 und ^5 des Polschuh?; "7 gewählt, um einen konstanten Verlauf der Anziehungskraft zu erreichen, der der Drehung etwa zwischen 3° und 8° in Fig.3 entsnricbt.

Der Krümmungsradius der Fläche ^Λ ", der bei C2 endet,

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ORIGINAL INSPECTED

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wurde kleiner nls der ^"mmu^^sr^dius d«T'"πη ^;: _che ^ew^'hlf, der hei 0"^ endet, so d^ß erreicht wird, di<-> ridi^le ^Trom-none^te, die duT-ch den ^T"ufts~>"lt dem Abschnitt "4· d^as "nkers nnd der Flache ^5 des Polschuhs erzeugt wird, den im Orehrvunkt 0 angeordneten 4 erleichtert.

Weiten der Notwendigkeit des "Ourch^gn^s des Vbschnitts ^4 in demE^nm ?O liefen die Mittelpunkte Co und C2 \ der KrümrcunFcsradien in ^ATähe einer Geraden, di^ dnrcVi die linkte O und ^Ώ 1-uft.

T>ie "^edentun'", die der rein t^n^entieler¹ ^n^iebur»"·, die durch die .'""nde^un™ des LuftR^^lts ^wischpn den ^l'-'ohen ^AQ und ^9 erzeugt wi^d, beigemessen wird, h^t dnzu geführt, diesen 'verte zu nreben, die Nahe bei dem. Wert der "uerschnitte des ^ußes des Schenkels ^ liefen. Wen^ nlso S der m^xiimIe Querschnitt des Schenkels 8 des-Ankers ist, der in die Öffnu^s; °> der Smale eintritt, so ist infolgedessen der Querschnitt S" des "^ußes des Schenkels 7, die ^l^ch- ^o der ^olfl^che ^9 und der Querschnitt S3 des Fußes des "°olschuhs ^Λ<1 neweils im wesentlichen "\Leich einem Drittel des Querschnitts .S.

Der ^lrchen^bschnitt des Endes ^ΛΛ des Schenkels 8 des Ankers, der sich σ-efreni'iber der Fläche ^ΛΛ befindet, besitzt ei^en ähnlichen Yerlquf wie diese. ^TTm .iedoch seine leichte Einfü^run^· in die \uss"nerur>^ PO zn. ermöglichen, mußte rann ihm einen größeren ^rrmmunfsrpdius verleihen.

"Bei -der oben beschriebenen zweckmäßigen Ausfü'hrungsform besteht ein zu Beginn festgelegtes Merkmal d^rin, daß der Dreh-ounkt O in einer Ebene P?¹ lies;t, die zur 'chse XX¹ senkrecht ist und in T^T"he des Mittelnunktes-Π

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BAD ORIGINAL

der Srmle ^Λ verläuft. Dieses Merkmal ist nicht willkürlich fest ^eIe^t, dn es mit sic^ bringt, dn^p die Abmessungen der öffnung Q der ^nule ein Verhältnis der Län^e zu dem Querschnitt ^vesit?en, d^s fⁿ"r eine ^e WinkelbewemmT des Ankers ort im ^l ist.

"Die oben beschriebenen ^pBn^hmen lassen im /"ahmen der Erfindung Änderungen t,u . ^eis-nielsweise können nv Stelle der gekrümmten "Plpchen ebene Abschnitte vorgesehen werden. Dies kann Gegebenenfalls für die herstellung von Bedeutune; sein, h"t jedoch eine der Cu-nlitr't zur

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Elektromagnet

Das Horn des Ankers, das in den Körner der Snule eintritt, wirkt mit einem Schenkel des feststehenden ^ern durch die Wirkung von Luftsnalten verschiedener Irt in drei verschiedenen, aufeinanderfolgenden Arten zusammen.

Die Erfindung ist zweckmäßigerweise auf Automatikrelais oderlfeine Kontaktcreber anwendbar, deren Kontakt zahl veränderlich ist und/oder einer Verzögerung unter ließt.

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Claims

2b020i?

Patent ans-nrüche

Elektromagnet, bestehend gus einer Smile und einem Magnetkreis, der einen feststehenden, U-förmigen Kern und einen beweglichen, L-förmigen Anker besitzt, die durch ein Schwenksystem miteinender verbunden sind, das mit einem gewissen Luftspalt einen ersten Schenkel des Kers mit einem ersten Schenkel des inkers verbindet, wobei die zweiten Schenkel des Kerns und des Ankers gekrümmte 'Flächen besitzen, die in einem von der Smile umgebenen Bereich einander gegenüber gelangen, wenn durch die Stvule ein Erregungsstrom fließt, d a d u r c h gekennzeichnet , daß

a) die gekrümmte ^läche des zweiten Schenkels (7) des feststehenden Kerns (?) aus zwe⁴ aufeinanderfolgenden Abschnitten HO bzw.'¹'¹) besteht, deren zweiter (^), der sich in Nähe der Basis ("3!J des ^TT's befindet, ffeeenüber der Fläche ("5) eines ^^-" der ¹³PSiS (^5) befestigten Polschuhs (*7) angeordnet ist,

b) der zweite Schenkel (8) des beweglichen Ankers (2) aus zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten (^ 2 bzw.^4O besteht, deren zweiter (14-), der sich in Nähe des Endes des zweiten Schenkels des Ankers befindet, in einen Bereich (20) gelangt, der sich zwischen dem zweiten Flächenabschnitt C"¹'¹) des Schenkels (7) des Kerns (3) und der Fläche O5) des Polschuhs ("7) befindet ,und

c) das Ende des zweiten Abschnitts (^4-) des Ankers eine Polfläche ("8) besitzt, die ouer zur "Bewegungsrichtung (F^ des Ankers angeordnet ist und mit einer zwischen dem zweiten Schenkel (7) des feststehenden Kerns und dem Polschuh (^7) gelegenen Fläche einen

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ORIGINAL INSPECTSD

Luftspalt bildet, dessen finziehim^seffekt wirksam wird, wen⁷¹ der zweite Abschnitt C^H-) des Ajnkers im wesentlieben in di^ ^l^te des Bereichs (20) eingetreten ist.
2. El ektrom ρ ^TT= t nach /Ins-nrucb " , dadurch gekennzeichnet,

a ^ daß der Kriimmungsmitternunkt (C") des ersten Flächenabschnitts ^⁷¹O) des feststehenden Kerns etwa auf der ¹^j tt el senkrechte *i (Z Z¹) eines Segments (A^-B) liegt, dessen eines Ende (B) in Nähe der Achse (XX'") der R-oule und des Bereichs (20) liest, während das andere Ende (A) in N^'he des Endes des ersten, dem Pereich (20) entgegengesetzten Flächenabschnitts (⁷¹O) des Kerns liert,

b) daß der Krümmungsradius des ersten Flächenabschnitts (⁷¹O) das ⁷1,3fache bis 2-fache des Abstands (R) des Dreh-ounktes (0) des Ankers von dem Punkt (A) beträgt

. und

c) daß der Krümmungsmittelnunkt (C1) des ersten Flächenabschnitts ^⁷¹O) des feststehenden Kerns in einem ersten Quadrant (q⁷¹) liegt, der einerseits von der Ebene (P^, die senkrecht zur Achse (XX¹) der Snule durch den Drehpunkt (O) des Ankers läuft, und andererseits durch die Ebene (?) abgegrenzt ist, die narallel zur Achse (XX¹) der Snule durch den Drehpunkt (0)

. läuft, wobei dieser erste Quadrant weder die Achse (XX¹) der Srmle noch den .Anker enthält.
3. Elektromagnet nach Ansnruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Krümmunpsmitteinunkte (G2, 03) des Flächenabschnitts (⁷I⁷I) des Schenkels (7) des feststehenden Kerns bzw. des Flächenabschnitts 05) des Polschuhs (⁷¹V) im wesentlichen auf einer Geraden liegen, die durch den Drehpunkt (0) und den Punkt (B) läuft.

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4-, Elektromagnet nach Ans-nruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ouerschnitt (S""* des Fußes des Schenkels (7) des Kerns, der Querschnitt (33) des Fußes des Polschuhs ^r^7) und die Fläche des LuftsOfilts (^9), eier diese voneinander trennt, im wesentlichen ,jeweils gleich einem Drittel des maximalen ~uerschni1fcs ^ 5) des Schenkels (8) sind, der in die Öffnung (9) der S-oule (") eintritt.
5. Elektromagnet ngch einem der Ansprüche ι bis 4-, dadurch gekennzeichnet,daß die Drehachse (O^ des Ankers in Mhe der Ebene lie^t, die durch den Mittel-Diinkt C11} der Süule (*) läuft" und zur Achse (XX¹) der S^uIe senkrecht ist.

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