ES2215483B1 - Unidad de control de salida para generador sincrono. - Google Patents
Unidad de control de salida para generador sincrono.Info
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Abstract
Se pretende incrementar la energía generada a la vez que se mantiene estable la revolución del motor en una región de revolución baja. El número de revoluciones de un rotor es detectado por una unidad de decisión de velocidad de motor (48), y cuando la velocidad del motor está en una región de revolución baja, se realiza un control de energización de retardo para un rectificador (4) por un excitador (46) para aumentar un flujo de campo y aumentar por lo tanto la energía generada. En respuesta a un cambio de polaridad en los polos magnéticos detectado por sensores de ángulo de rotor (29), el excitador (46) lee una cantidad de retardo almacenada en una unidad de establecimiento de cantidad de retardo (49) y energiza con retardo devanados de estator. Un voltaje de salida del generador se controla de manera que esté entre un valor de control de voltaje VMax que es menor que un voltaje regulador de un regulador y un valor de control de voltaje valor de control de voltaje VMax que es menor que unvoltaje regulador de un regulador y un valor de control de voltaje VMin.
Description
Unidad de control de salida para generador
síncrono
La presente invención se refiere a una unidad de
control de salida para un motor síncrono y más en particular a una
unidad de control de salida para un motor síncrono adecuada para
incrementar la energía generada en una región de revolución
baja.
Como un generador de vehículo se usa un generador
síncrono trifásico y la corriente alterna generada es rectificada
por lo tanto por un rectificador trifásico de onda completa para
uso al cargar una batería. En un generador síncrono trifásico
descrito en La Publicación de Patente japonesa número 19194/1997,
una corriente de avance de fase puede fluir en bobinas de estator y
un flujo de campo se incrementa para aumentar una salida (voltaje
generado y corriente de salida) en virtud de la magnetización
basada en la reacción de inducido que se produce por la corriente
de avance de fase.
En general, un generador está provisto de un
regulador que restringe un voltaje de salida para evitar que la
salida generada exceda de un valor predeterminado. La generación de
potencia eléctrica se detiene haciendo funcionar el regulador.
Cuando la generación de potencia se para, se produce una variación
de carga en un motor, de manera que la revolución del motor resulta
inestable en particular en una región de revolución baja. Además,
si la salida generada es demasiado grande, el incremento resultante
del rozamiento en una región de revolución baja influye en gran
medida en la revolución del motor.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una unidad de control de salida para un generador
síncrono capaz de aumentar una salida generada sin hacer inestable
la revolución de un motor en una región de revolución baja.
Para lograr el objeto antes indicado, la presente
invención se caracteriza en primer lugar por una unidad de control
de salida para un generador síncrono, incluyendo medios detectores
para detectar el número de revoluciones de un rotor del generador,
medios energizadores para energizar con retardo devanados de
estator para aumentar la energía generada del generador, y un
regulador para restringir el voltaje de salida del generador a un
voltaje regulador, donde la energización con retardo se lleva a
cabo cuando el número de revoluciones del rotor está en una región
de revolución baja y se lleva a cabo para controlar el voltaje de
salida a un valor predeterminado de control de voltaje menor que el
voltaje regulador.
Según esta primera característica, la salida
generada se incrementa energizando con retardo los devanados de
estator. Dado que esta energización con retardo se lleva a cabo
para controlar el voltaje de salida a un valor de control de
voltaje que se establece menor que el voltaje regulador del
regulador, la energía generada se puede incrementar establemente
sin poner en funcionamiento el regulador en una región de
revolución baja.
La presente invención se caracteriza en segundo
lugar porque, en la energización con retardo, el voltaje de salida
se controla al valor predeterminado de control de voltaje cambiando
un trabajo de energización a la vez que se mantiene la cantidad de
retardo de energización a un valor predeterminado.
La presente invención se caracteriza en tercer
lugar porque el valor de control de voltaje tiene un rango
predeterminado y el trabajo de energización se disminuye
ligeramente a la llegada del voltaje de salida a un máximo en el
rango y se incrementa ligeramente a la caída del voltaje de salida a
un valor no superior a un valor mínimo en el rango. Además, la
presente invención se caracteriza en cuarto lugar porque el trabajo
de energización se determina según el número de revoluciones del
generador.
Según las características segunda a cuarta, dado
que la temporización de retardo es fija, es fácil ajustar la
energía generada y se puede mejorar la exactitud del ajuste.
La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra
funciones de porciones principales en una unidad de control de
salida según una realización de la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección de un
dispositivo de arranque/generador combinado relacionado con la
realización.
La figura 3 es un diagrama del sistema principal
de aparatos eléctricos de un vehículo de motor de dos ruedas que
tiene la unidad de control de salida que realiza la presente
invención.
La figura 4 ilustra una relación entre la
velocidad del motor y una corriente eléctrica generada en el,
control de energización de ACG.
La figura 5 ilustra un cambio en voltaje de
batería en una región de generación de potencia de retardo.
La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra
los procesos ejecutados por la unidad de control de salida.
La figura 7 ilustra una temporización entre
corrientes de fase que fluyen en bobinas de estator y salidas de
sensores de ángulo de rotor en el control de energización de
ACG.
Y la figura 8 es una tabla de trabajos de
energización usando la velocidad del motor como un parámetro.
Ahora se describirá una realización de la
presente invención con referencia a los dibujos. La figura 2 es
una vista en sección de un dispositivo de arranque/generador
combinado relacionado con una realización de la presente invención.
El dispositivo de arranque/generador combinado (que en adelante se
denomina "ACG"), indicado en 1, está montado, por ejemplo, en
un motor de un vehículo de motor de dos ruedas de tipo scooter. El
ACG 1 tiene un estator 50 con devanados trifásicos (bobinas de
estator) y un rotor exterior 60 conectado a una porción de extremo
de un cigüeñal 201 de un motor y adaptado para girar a lo largo de
una periferia externa del estator 50. El rotor exterior 60 tiene
una carcasa de rotor en forma de copa 63 conectada al cigüeñal 201
e imanes 62 que están dispuestos en una superficie periférica
interior de la carcasa de rotor 63 en una dirección circunferencial
de un yugo de rotor.
El rotor exterior 60 se monta encajando una
periferia interna de una porción de cubo 60a sobre una porción de
extremo delantero ahusado del cigüeñal 201 y se fija con un perno
253 que se introduce a través del centro de la porción de cubo 60a
en un agujero roscado en la porción de extremo del cigüeñal 201. El
estator 50, que está dispuesto en un lado de periferia interior del
rotor exterior 60, está fijado a un cárter 202 con pernos 279.
Además, un ventilador 280 está fijado al rotor exterior 60 con
pernos 246. Junto al ventilador 280 hay un radiador 232, que se
cubre con una cubierta de ventilador 281.
Una carcasa de sensor 28 está encajada en una
periferia interna del estator 50. Dentro de la carcasa de sensor 28
se ha dispuesto sensores de ángulo de rotor (sensores de polo
magnético) 29 y un sensor de pulsador (pulsador de encendido) 30 a
intervalos iguales a lo largo de una periferia externa de un
saliente del rotor exterior 60. Los sensores de ángulo de rotor 29
son para controlar la energización de las bobinas de estator del
ACG 1 y se ha dispuesto tres sensores de ángulo de rotor 29
correspondientes a las fases U, V, y W, respectivamente, del ACG.
Por otra parte, el pulsador de encendido 30 es para controlar el
encendido del motor y solamente se ha previsto dicho pulsador de
encendido 30. Cada uno de los sensores de ángulo de rotor 29 y el
pulsador de encendido 30 puede estar constituido por un Cl Hall o
un elemento de reluctancia magnética (RM).
Hilos conductores de los sensores de ángulo de
rotor 29 y el pulsador de encendido 30 están conectados a un
sustrato 31 y un mazo de cables 32 está conectado al sustrato 31.
Un aro magnético 33 está encajado en una periferia externa del
saliente 60a del rotor exterior 60, magnetizándose el aro magnético
33 en dos etapas para ejercer una acción magnética en cada uno de
los sensores de ángulo de rotor 29 y el pulsador de encendido
30.
En una zona magnetizada del aro magnético 33
correspondiente a los sensores de ángulo de rotor 29 se forman
polos N y S alternativamente a intervalos de 30° en la dirección
circunferencial correspondientemente a los polos magnéticos del
estator 50. En la otra zona magnetizada del aro magnético 33
correspondiente al pulsador de encendido 30 se ha formado una
porción magnetizada circunferencialmente en el rango de 15° a
40°.
El ACG 1 construido como antes funciona como un
motor síncrono al tiempo de arrancar y es excitado con una
corriente eléctrica alimentada desde una batería, haciendo que el
cigüeñal 201 gire y haciendo por lo tanto que el motor arranque.
Después del arranque del motor, el ACG 1 funciona como un generador
síncrono, carga la batería con corriente eléctrica generada y
suministra la corriente eléctrica a varios aparatos eléctricos.
La figura 3 es un diagrama del sistema principal
de aparatos eléctricos en un vehículo de motor de dos ruedas que
tiene una unidad de control de salida para el ACG 1. En la misma
figura, una UCE (unidad de control eléctrico) 3 está provista de un
rectificador de onda completa 4 para rectificar una corriente
trifásica alterna generada en el ACG 1 y un regulador 5 para
restringir la salida del rectificador de onda completa 4 a un
voltaje regulador predeterminado (voltaje operativo del regulador,
por ejemplo, 14,5 V). La UCE 3 está provista además de un
controlador de generación de potencia 6 que realiza el control para
aumentar la energía generada cuando el número de revoluciones del
motor está en una región de revolución baja predeterminada (en
adelante ``región de control de generación de potencia''). El
controlador de generación de potencia 6 se implementa como la
función de una CPU. Los sensores de ángulo de rotor 29 y el
pulsador de encendido 30 también están conectados a la UCE 3 y sus
señales detectadas se introducen en la UCE 3.
Una bobina de encendido 21 está conectada a la
UCE 3 y una bujía 22 está conectada a un lado secundario de la
bobina de encendido 21. A la UCE 3 también están conectados un
sensor de regulador 23, un sensor de combustible 24, un interruptor
de asiento 25, un interruptor de marcha en vacío 26, y un sensor de
temperatura del agua refrigerante 27, y sus señales detectadas se
introducen en la UCE 3.
También están conectados a la UCE 3 un relé de
dispositivo de arranque 34, un interruptor de dispositivo de
arranque 35, interruptores de parada 36 y 37, un indicador de
espera 38, un indicador de combustible 39, un sensor de velocidad
40, un dispositivo secundario de arranque automático 41, y un faro
42. Se ha dispuesto un interruptor regulador 43 en el faro 42.
Se alimenta corriente eléctrica a las varias
porciones anteriores desde una batería 2 a través de un fusible
principal 44 y un interruptor principal 45. La batería 2 está
conectada directamente a la UCE 3 mediante un relé de dispositivo
de arranque 34 y tiene un circuito mediante el que está conectada a
la UCE 3 mediante el fusible principal 44 solo sin pasar por el
interruptor principal 45.
El controlador de generación de potencia 6 tiene,
además de la función ordinaria de controlar la energía generada
(voltaje), una función de energizar con retardo las bobinas de
estator de las tres fases en el ACG 1 desde la batería 2 para
aumentar la energía generada ("control de energización de ACG"
en adelante). "Energización con retardo" significa realizar un
retardo correspondiente a un ángulo eléctrico predeterminado a
partir de una señal de detección obtenida por cualquiera de los
sensores de ángulo de rotor 29 al tiempo de un cambio de polo en
una zona magnetizada del aro magnético 33 y energizar las bobinas
de estator. Sin embargo, para evitar la rotación inestable del
motor producida por un cambio brusco de la carga del motor inducida
por la operación del regulador 5 en una región de revolución baja,
el control se hace de manera que un voltaje de salida (voltaje de
batería) del rectificador de onda completa 4 esté dentro de un
rango predeterminado de voltaje que no es más alto que el voltaje
regulador.
La figura 4 ilustra una relación entre la
velocidad del motor y una corriente eléctrica generada detectada
cuando se realiza el control de energización de ACG. En la misma
figura, un rango de velocidades del motor de 1000 a 3500 rpm se
establece como un rango de control de generación de potencia. En
tal región de revolución baja, una corriente eléctrica generada
(salida de ACG) del ACG 1 obtenida por el método de control
convencional es muy pequeña. Por lo tanto, la corriente eléctrica
generada se incrementa por el control de energización de ACG en el
rango del control de generación de potencia. El incremento se
designa "energización con retardo" y se indica con una línea
de trazos en la figura. Efectuando el control de manera que la
energía generada corresponda a una corriente de carga normal, es
posible garantizar una energía generada correspondiente a una
cantidad de corriente consumida también en la región de revolución
baja.
La figura 5 ilustra cómo el voltaje de batería
cambia en una región de generación de potencia de retardo. En la
misma figura, el voltaje de batería Vb se controla en un rango de
voltaje de control de ACG que se define tanto por un valor máximo
de voltaje de control VMax establecido por debajo del voltaje
regulador (14,5 V) como un valor mínimo de voltaje de control VMin.
Más específicamente, se fija una cantidad de retardo de
energización para las bobinas de estator (por ejemplo 60° en
términos de un ángulo eléctrico) y el trabajo de energización del
rectificador de onda completa 4 se incrementa o disminuye para
controlar el voltaje de batería Vb a un valor que cae por debajo
del rango de voltaje de control de ACG. Más en particular, a la
llegada del voltaje de batería Vb al valor máximo de voltaje de
control VMax, el trabajo de energización se disminuye un valor
predeterminado muy pequeño (por ejemplo, 1%), mientras que a la
caída del voltaje de batería Vb al valor mínimo de voltaje de
control VMin, el trabajo de energización se incrementa el mismo
valor muy pequeño como antes.
La figura 1 es un diagrama de bloques que muestra
funciones de porciones principales en la unidad de control de
energización de ACG. En la misma figura, el rectificador de onda
completa 4 tiene FETs (elementos conmutadores generalmente sólidos)
4a, 4b, 4c, 4d, 4e, y 4f que están conectados a las bobinas de
estator 1U, 1V, y 1W del ACG 1. al tiempo de arrancar el motor, los
FETs 4a a 4f son conmutados por un excitador 46 para mover el ACG
1 como un motor síncrono, haciendo que el cigüeñal 201 gire,
mientras que después del arranque del motor el rotor exterior, a la
inversa, es excitado por el motor y funciona como un motor
síncrono, de manera que la corriente alterna generada sea
rectificada por los FETs 4a a 4f y la corriente resultante se
alimenta a la batería 2 y una carga de aparatos eléctricos 47.
También durante la generación de potencia a la operación del
motor, en particular en una revolución baja del motor, los FETs 4a
a 4f son controlados por el excitador 46 de manera que la
energización con retardo a las bobinas de estator se lleve a cabo
según la presente invención, aumentando por lo tanto la energía
generada. En cuanto al control de la energización de retardo, se
describirá más tarde con referencia a la figura 7.
Una unidad de decisión de velocidad de motor 48
detecta la velocidad del motor, por ejemplo, en base a una señal de
detección proporcionada por el pulsador de encendido 30 o una señal
de frecuencia de un voltaje generado y da una orden de retardo al
excitador 46 si la velocidad detectada del motor está en un rango
de control de generación de potencia predeterminado. En respuesta a
la orden de retardo el excitador 46 lee una cantidad
predeterminada de retardo de energización en una unidad de
establecimiento de cantidad de retardo 49 y energiza con retardo
las bobinas de estator. El trabajo de energización se lee en la
unidad de establecimiento de trabajo 51 y se alimenta al excitador
46. El excitador 46 detecta una señal de detección de polo
magnético proporcionada por cada sensor de ángulo de rotor 29, es
decir, una señal sube cada vez que el sensor 29 detecta una porción
de la zona magnetizada en el aro magnético 33 formado
correspondientemente a los polos magnéticos del rotor exterior 60.
Después, el excitador 46 hace un retardo correspondiente a la
cantidad de retardo de energización desde el tiempo en la señal
sube y envía una señal de control PWM a los FETs
4a-4f.
Una unidad de decisión de voltaje de batería 52
compara el voltaje de batería Vb con el valor máximo de voltaje de
control VMax y el valor mínimo de voltaje de control VMin que
definen el rango de control de voltaje y, en base al resultado de
la comparación, aumenta o disminuye el trabajo de energización
establecido en la unidad de establecimiento de trabajo 51 de manera
que el voltaje de batería Vb caiga por debajo del rango de control
anterior.
La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra
los procesos ejecutados por la unidad de control de salida
descrita anteriormente. En la misma figura, se determina en el paso
S1 si la velocidad del motor está en la región de control de
generación de potencia o no. Como se ha indicado anteriormente, la
región de control de generación de potencia se establece, por
ejemplo, en el rango de 1000 a 3500 rpm. Si la velocidad del motor
está en la región de control de generación de potencia, el flujo
de procesado avanza al paso S2, en el que se comprueba si está
puesto (=1) un señalizador FACG que indica que la velocidad del
motor está en la región de control de generación de potencia. Si la
respuesta es negativa, el flujo avanza al paso S3 para poner el
señalizador FACG (ponerlo a "1"). Una vez puesto el
señalizador FACG, el flujo avanza al paso S4, en el que un valor de
retardo de energización ACGAGL se establece a un valor
predeterminado ACGAGL. El valor predeterminado ACGAGL se puede
establecer a un valor apropiado con anterioridad, por ejemplo, 600
en términos de un ángulo eléctrico en esta realización. En el paso
S5 siguiente, se pone un trabajo de energización acduty a un valor
inicial ACDUTY. El valor inicial ACDUTY también se puede poner a un
valor apropiado con anterioridad, por ejemplo, 40% en esta
realización. Si los procesados de los pasos S3 a S5 han terminado,
el flujo avanza al paso S7. Además, si la respuesta en el paso S2
es afirmativa, se saltan los pasos S3 a S5 y el flujo avanza al
paso S7. Además, si la velocidad del motor no está en la región de
control de generación de potencia, se reposiciona (=0) el
señalizador FACG en el paso S6 y después el flujo avanza al paso
S7.
En el paso S7, se comprueba si el señalizador
FACG está puesto o no. Si el señalizador FACG está puesto (=1), se
determina en el paso S8 si el voltaje de batería Vb no es más
pequeño que el valor máximo de voltaje de control VMax. El valor
máximo de voltaje de control VMax se pone a un valor menor que el
voltaje regulador, por ejemplo, 13,5 V. Si la respuesta en el paso
S8 es negativa, el flujo avanza al paso S9, en el que se comprueba
si el voltaje de batería Vb no es más grande que el valor mínimo de
voltaje de control VMin, valor que se establece por ejemplo a 13,0
V. Si la respuesta en el paso S9 es negativa, se determina que el
voltaje de batería está en el rango de voltaje de energización de
ACG que es menor que el voltaje regulador del regulador. Después,
el flujo avanza al paso S10, en el que el control de energización
de ACG se ejecuta según la cantidad de retardo de energización
acgagl y el trabajo de energización acduty.
Si se determina en el paso S8 que el voltaje de
batería Vb no es más pequeño que el valor máximo de voltaje de
control VMax, el flujo avanza al paso S11, en el que el trabajo de
energización acduty se disminuye un valor muy pequeño DDUTY, valor
que es por ejemplo 1%. Si se determina en el paso S9 que el voltaje
de batería Vb no es más grande que el valor mínimo de voltaje de
control VMin, el flujo avanza al paso S12, en el que el trabajo de
energización acduty se incrementa el valor muy pequeño DDUTY.
Después de los procesados de los pasos S11 y S12, el flujo avanza
al paso S10. El valor muy pequeño DDUTY usado al aumentar el
trabajo de energización acduty y el usado al disminuir el ACDUTY no
tienen que ser siempre iguales entre sí. El valor muy pequeño DDUTY
se puede cambiar en proporción a la diferencia entre el valor
máximo o mínimo del voltaje de control VMax o VMin y el valor
presente.
Por otra parte, si el señalizador FCG no está
puesto (=0) en el paso S7, dado que la velocidad del motor no está
en la región de control de generación de potencia, el flujo avanza
al paso S13 para detener el control de energización de ACG.
La figura 7 ilustra una temporización entre
corrientes eléctricas (corrientes de fase) que fluyen en las tres
fases de las bobinas de estator en el control de energización de
ACG y las salidas de los sensores de ángulo de rotor 29. Como se
muestra en la misma figura, en una condición normal donde el
control de energización de retardo no se lleva a cabo, se alimenta
una corriente eléctrica a cada una de las fases U, V, y W de las
bobinas de estator en respuesta a cambios positivo- negativo (NS) de
las salidas detectadas obtenidas de los sensores de ángulo de rotor
29. Por otra parte, en el caso en el que el control de energización
de retardo se lleva a cabo, se alimenta una corriente eléctrica a
cada una de las fases U, V, y W de las bobinas de estator con un
retardo correspondiente a una cantidad predeterminada de retardo, d
(=60°), a partir del tiempo en que se produce un cambio
positivo-negativo (NS) en la salida detectada
obtenida de cada sensor de ángulo de rotor 29. En la figura 7, un
ángulo de retardo T resultante de troceado de trabajo es 180°, pero
se puede determinar dentro de 180° por el trabajo de energización
alimentado desde la unidad de establecimiento de trabajo 51 al
excitador 46.
La figura 8 es una tabla de trabajos de
energización en la que la velocidad del motor, es decir, el número
de revoluciones del generador se establece como un parámetro. Un
trabajo de energización se determina según una velocidad detectada
del motor y por referencia a la figura 8.
En la realización anterior se adopta un sistema
de rotor exterior/rotor interior en el que imanes permanentes como
medios de imán generadores de flujo de campo están dispuestos en el
rotor exterior. Sin embargo, la presente invención también es
aplicable a un generador en el que se ha dispuesto medios de imán
generadores de flujo de campo en un rotor interior o un generador
que adopta electroimanes como medios de imán generadores de flujo
de campo. Además, sin usar un valor fijo como la cantidad de
retardo de energización acgagl se puede adoptar un control
proporcional, diferencial, o integral, o su combinación según un
método de control de realimentación negativa convencional.
Como será evidente por la descripción anterior,
según la invención definida en las reivindicaciones 1 a 4, es
posible aumentar la energía generada establemente sin la operación
de tipo ordinario de un regulador de voltaje en una región de
revolución baja. En consecuencia, cuando la invención se aplica a
un generador de vehículo en el que un rotor es movido por un
motor, es posible disminuir la variación de la carga del motor
durante la marcha en vacío por ejemplo, minimizando por lo tanto la
variación de la revolución del motor y estabilizando la operación
de marcha en vacío. Según la invención definida en las
reivindicaciones 2 a 4, dado que la temporización de retardo se
fija a un valor preestablecido, la energía generada se puede
ajustar fácilmente con una configuración simple y es posible
mejorar la exactitud del ajuste.
Claims (4)
1. Unidad de control de salida para un generador
síncrono (1) que tiene un rotor (60) provisto de medios de imán
generadores de flujo de campo (62) y un estator (50) con devanados
de estator para producir una salida generada, comprendiendo:
medios detectores (30) para detectar un número de
revoluciones de dicho rotor (60);
medios energizadores (46) para energizar con
retardo dichos devanados de estator para aumentar la energía
generada del generador; y
un regulador (5) para restringir un voltaje de
salida del generador a un voltaje de regulación,
caracterizado porque dicha energización
con retardo se lleva a cabo cuando el número de revoluciones de
dicho rotor (60) está en una región de revolución baja y se lleva
a cabo para controlar dicho voltaje de salida a un valor
predeterminado de voltaje de control menor que dicho voltaje de
regulación.
2. Unidad de control de salida para un generador
síncrono (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque
en dicha energización con retardo, dicho voltaje de salida se
controla a dicho valor predeterminado de voltaje de control,
cambiando un trabajo de energización a la vez que se mantiene una
cantidad de retardo de energización a un valor predeterminado.
3. Unidad de control de salida para un generador
síncrono (1) según la reivindicación 2, caracterizado porque
dicho valor de voltaje de control tiene un rango predeterminado y
dicho trabajo de energización se disminuye ligeramente a la llegada
de dicho voltaje de salida a un valor máximo en dicho rango y se
incrementa ligeramente a la calda de dicho voltaje de salida a un
valor no superior a un valor mínimo en dicho rango.
4. Unidad de control de salida para un motor
síncrono (1) según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado
porque dicho trabajo de energización se determina según el número
de revoluciones del generador (1).
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