FR3105436A1 - DEVICE AND METHOD FOR MEASURING IRON LOSSES IN A SOFT MAGNETIC SAMPLE SUBJECT TO A ROTATING MAGNETIC FIELD - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE MESURE DES PERTES FER DANS UN ÉCHANTILLON MAGNÉTIQUE DOUX SOUMIS À UN CHAMP MAGNÉTIQUE TOURNANT L’invention concerne un dispositif de mesure des pertes fer dans un échantillon (11) cylindrique de matériau magnétique doux caractérisé en ce que le dispositif de mesure comprend : un rotor (41) comprenant un arbre (42) s’étendant le long d’une direction axiale (10), relié à des moyens d’entrainement (44) en rotation dudit arbre (42) et portant des aimants permanents (43) ; un stator comprenant une armature (20) amagnétique de maintien dudit échantillon (11) autour dudit rotor, ladite armature (20) étant montée mobile en rotation autour dudit rotor selon un axe qui coïncide avec ladite direction axiale (10); des moyens de mesure du couple mécanique généré par ledit stator et qui résulte d’un couple magnétique généré dans ledit échantillon magnétique par lesdites pertes fer à mesurer sous l’effet dudit champ magnétique tournant ; des moyens de calcul des pertes de fer à partir dudit couple mécanique mesuré. Figure pour l’abrégé : figure 1DEVICE AND METHOD FOR MEASURING IRON LOSSES IN A SOFT MAGNETIC SAMPLE SUBJECTED TO A ROTATING MAGNETIC FIELD The invention relates to a device for measuring iron losses in a cylindrical sample (11) of soft magnetic material, characterized in that the measuring device comprises : a rotor (41) comprising a shaft (42) extending along an axial direction (10), connected to drive means (44) in rotation of said shaft (42) and carrying permanent magnets (43 ); a stator comprising a non-magnetic armature (20) for holding said sample (11) around said rotor, said armature (20) being mounted rotatably around said rotor along an axis which coincides with said axial direction (10); means for measuring the mechanical torque generated by said stator and which results from a magnetic torque generated in said magnetic sample by said iron losses to be measured under the effect of said rotating magnetic field; means for calculating iron losses from said measured mechanical torque. Figure for abstract: figure 1
Description
Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention
L’invention concerne un dispositif de mesure des pertes fer dans un échantillon de matériau magnétique doux soumis à un champ magnétique tournant. L’invention concerne plus particulièrement un dispositif configuré pour pouvoir mesurer les pertes fer dans un échantillon de matériau magnétique doux soumis à un champs magnétique compris entre 0,6T et 1,7 T et de fréquence comprise entre 50Hz et 800Hz.The invention relates to a device for measuring iron losses in a sample of soft magnetic material subjected to a rotating magnetic field. The invention relates more particularly to a device configured to be able to measure iron losses in a sample of soft magnetic material subjected to a magnetic field of between 0.6T and 1.7T and of frequency between 50Hz and 800Hz.
Arrière-plan technologiqueTechnology background
Il est connu que les pertes fer dans un matériau magnétique soumis à un champ magnétique tournant proviennent d’une part des pertes par hystérésis (les changements de direction du flux entrainent une réorientation du fer et donc des frottements) et d’autre part des pertes par courants de Foucault (l’induction crée des courants au sein du fer qui échauffent le fer par effet Joule).It is known that the iron losses in a magnetic material subjected to a rotating magnetic field come on the one hand from losses by hysteresis (changes in the direction of the flux lead to a reorientation of the iron and therefore friction) and on the other hand from losses. by eddy currents (induction creates currents within the iron which heat the iron by the Joule effect).
Il est en pratique difficile de mesurer les pertes fer dans un échantillon magnétique doux. Ainsi, il existe différents modèles permettant d’estimer les pertes fer dans un tel matériau, mais il n’existe pas à ce jour de dispositif permettant de mesurer finement ces pertes fer et par conséquent de valider les différents modèles utilisés pour faire ces estimations.It is in practice difficult to measure iron losses in a soft magnetic sample. Thus, there are different models for estimating iron losses in such a material, but to date there is no device for finely measuring these iron losses and therefore validating the different models used to make these estimates.
Or, il est important de pouvoir d’une part mesurer les pertes fer dans un échantillon de matériau magnétique doux, et d’autre part de pouvoir valider les différents modèles utilisés de nos jours, mais également les nouveaux modèles proposés.However, it is important to be able on the one hand to measure the iron losses in a sample of soft magnetic material, and on the other hand to be able to validate the various models used nowadays, but also the new models proposed.
Les pertes magnétiques étant particulièrement importantes lorsque les machines électriques sont utilisées dans des conditions de haute fréquence et induction, c’est dans ces plages d’utilisation qu’il est important de disposer d’un dispositif permettant de mesurer les pertes fer.Since magnetic losses are particularly high when electrical machines are used in high frequency and induction conditions, it is in these ranges of use that it is important to have a device for measuring iron losses.
Aujourd’hui, la solution utilisée pour mesurer les pertes magnétiques d’une machine électrique tournante consiste à effectuer des tests sur la machine électrique complète et à en déduire, à partir de modèles prédéterminés, les pertes fer par séparation des différentes pertes relevées sur la machine électrique tournante. L’une des difficultés de cette solution tient au fait que les pertes mécaniques, électriques et magnétiques sont étroitement couplées sur une machine électrique tournante de sorte qu’il subsiste une forte incertitude sur la mesure déduite des pertes fer.Today, the solution used to measure the magnetic losses of a rotating electrical machine consists of carrying out tests on the complete electrical machine and deducing therefrom, from predetermined models, the iron losses by separating the various losses recorded on the rotating electric machine. One of the difficulties of this solution is due to the fact that the mechanical, electrical and magnetic losses are closely coupled on a rotating electrical machine so that there remains a high uncertainty on the measurement deduced from the iron losses.
Il existe donc un besoin de disposer d’une solution simple et efficace qui permette de mesurer les pertes fer isolément des autres pertes inhérentes au fonctionnement d’une machine électrique.There is therefore a need for a simple and effective solution which makes it possible to measure the iron losses separately from the other losses inherent in the operation of an electrical machine.
Objectifs de l’inventionObjectives of the invention
L’invention vise à fournir un dispositif de mesure des pertes fer d’un échantillon magnétique doux.The invention aims to provide a device for measuring the iron losses of a soft magnetic sample.
L’invention vise en particulier à fournir un tel dispositif qui permet d’isoler les pertes fer des autres pertes inhérentes au fonctionnement d’une machine électrique.The invention aims in particular to provide such a device which makes it possible to isolate the iron losses from the other losses inherent in the operation of an electrical machine.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel dispositif qui peut être utilisé pour valider des modèles théoriques de détermination des pertes fer d’un échantillon magnétique.The invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a device which can be used to validate theoretical models for determining the iron losses of a magnetic sample.
L’invention vise enfin à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un dispositif qui soit simple, peu couteux et facilement utilisable par une personne non experte du domaine technique considéré.Finally, the invention aims to provide, in at least one embodiment, a device which is simple, inexpensive and easily usable by a person who is not an expert in the technical field in question.
L’invention vise aussi à fournir un procédé de mesure des pertes fer dans un échantillon magnétique doux soumis à un champ magnétique tournant.The invention also aims to provide a method for measuring iron losses in a soft magnetic sample subjected to a rotating magnetic field.
Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif de mesure des pertes fer dans un échantillon cylindrique de matériau magnétique doux caractérisé en ce que le dispositif de mesure comprend:To do this, the invention relates to a device for measuring iron losses in a cylindrical sample of soft magnetic material, characterized in that the measuring device comprises:
un rotor comprenant un arbre s’étendant le long d’une direction, dite direction axiale, relié à des moyens d’entrainement en rotation dudit arbre et portant des moyens de génération d’un champ magnétique de sorte qu’une mise en rotation dudit arbre autour de ladite direction axiale puisse produire un champ magnétique tournant,a rotor comprising a shaft extending along a direction, called the axial direction, connected to means for driving said shaft in rotation and carrying means for generating a magnetic field so that a rotation of said shaft around said axial direction can produce a rotating magnetic field,
un stator isolé mécaniquement dudit rotor et comprenant une armature amagnétique de maintien dudit échantillon autour dudit rotor de sorte que l’axe de révolution dudit échantillon coïncide avec ladite direction axiale, ladite armature étant en outre montée mobile en rotation autour dudit rotor selon un axe qui coïncide avec ladite direction axiale,a stator mechanically isolated from said rotor and comprising a non-magnetic armature for holding said sample around said rotor so that the axis of revolution of said sample coincides with said axial direction, said armature also being mounted so as to be able to rotate around said rotor along an axis which coincides with said axial direction,
des moyens de mesure du couple mécanique généré par ledit stator et qui résulte d’un couple magnétique généré dans ledit échantillon magnétique par lesdites pertes fer à mesurer sous l’effet dudit champ magnétique tournant produit lorsque ledit rotor est entrainé en rotation par lesdits moyens d’entrainement,means for measuring the mechanical torque generated by said stator and which results from a magnetic torque generated in said magnetic sample by said iron losses to be measured under the effect of said rotating magnetic field produced when said rotor is driven in rotation by said means of 'coaching,
des moyens de calcul des pertes de fer à partir dudit couple mécanique mesuré.means for calculating iron losses from said measured mechanical torque.
Un dispositif selon l’invention permet d’isoler et de mesurer de manière fiable et précise les pertes magnétiques dans un échantillon cylindrique placé dans un champ magnétique tournant. Un dispositif selon l’invention permet donc de déterminer les pertes fer d’un échantillon magnétique doux et donc d’en déduire les pertes d’une machine électrique tournante conçue à partir de ce matériau magnétique.A device according to the invention makes it possible to isolate and measure in a reliable and precise manner the magnetic losses in a cylindrical sample placed in a rotating magnetic field. A device according to the invention therefore makes it possible to determine the iron losses of a soft magnetic sample and therefore to deduce therefrom the losses of a rotating electrical machine designed from this magnetic material.
Dans tout le texte, le terme cylindrique est utilisé au sens mathématique du terme. Ainsi, on entend par échantillon cylindrique, un solide engendré par une droite qui se déplace parallèlement à elle-même sur une génératrice, qui peut être un cercle, un carré, un ovale, et de manière générale toute courbe fermée.Throughout the text, the term cylindrical is used in the mathematical sense of the term. Thus, the term “cylindrical sample” means a solid generated by a straight line which moves parallel to itself on a generatrix, which can be a circle, a square, an oval, and in general any closed curve.
De préférence, l’échantillon cylindrique de matériau magnétique doux utilisé dans le cadre de cette invention est un cylindre à base circulaire, c’est-à-dire que sa génératrice est un cercle.Preferably, the cylindrical sample of soft magnetic material used in the context of this invention is a cylinder with a circular base, that is to say that its generatrix is a circle.
L’invention prévoit de mesurer le couple magnétique généré au sein du matériau magnétique par la mesure d’un couple résistant mécanique du stator isolé mécaniquement dudit rotor.The invention provides for measuring the magnetic torque generated within the magnetic material by measuring a mechanical resistive torque of the stator mechanically isolated from said rotor.
En particulier, le dispositif selon l’invention s’appuie sur le principe physique selon lequel les moments magnétiques microscopiques du matériau ferromagnétique s’alignent dans la direction du champ d’excitation sous l’effet d’un champ magnétique externe généré par la rotation du rotor.In particular, the device according to the invention is based on the physical principle according to which the microscopic magnetic moments of the ferromagnetic material align in the direction of the excitation field under the effect of an external magnetic field generated by the rotation of the rotor.
Au cours de l’alignement des moments magnétiques, les parois de Bloch se déplacent pour maximiser les domaines de Weiss alignés dans le sens du champ dans un phénomène irréversible entrainant des pertes. Les pertes générées par le déplacement des parois de Bloch créent un couple qui s’oppose à la rotation du champ tournant.During the alignment of the magnetic moments, the Bloch walls move to maximize the Weiss domains aligned in the direction of the field in an irreversible phenomenon leading to losses. The losses generated by the displacement of the Bloch walls create a torque which opposes the rotation of the rotating field.
Ainsi, le dispositif selon l’invention comprend deux entités mécaniquement isolées l’une de l’autre: le rotor configuré pour pouvoir générer un champ magnétique tournant et le stator portant l’échantillon magnétique dont on cherche à mesurer les pertes fer.Thus, the device according to the invention comprises two entities mechanically isolated from each other: the rotor configured to be able to generate a rotating magnetic field and the stator carrying the magnetic sample whose iron losses are to be measured.
Dans tout le texte, on désigne par une armature amagnétique une armature en un matériau dont la susceptibilité magnétique est faible ou très faible, tel qu’un matériau paramagnétique ou diamagnétique.Throughout the text, a non-magnetic armature designates an armature made of a material whose magnetic susceptibility is low or very low, such as a paramagnetic or diamagnetic material.
Le stator porte l’échantillon cylindrique et est maintenu en porte-à-faux autour du rotor par des paliers qui permettent sa libre rotation autour de son axe de révolution.The stator carries the cylindrical sample and is held cantilevered around the rotor by bearings which allow its free rotation around its axis of revolution.
Les pertes magnétiques dans le stator génèrent un couple mécanique qui est mesuré par les moyens de mesure du couple mécanique du dispositif selon l’invention.The magnetic losses in the stator generate a mechanical torque which is measured by the means for measuring the mechanical torque of the device according to the invention.
Comme décrit ci-après, ces moyens de mesure du couple mécanique produit par le stator sous l’effet du couple magnétique généré par les pertes fer sont avantageusement réalisés soit par un couple-mètre statique, soit par la combinaison d’un balourd porté par le stator et de moyens de détermination d’un angle de rotation dudit stator.As described below, these means for measuring the mechanical torque produced by the stator under the effect of the magnetic torque generated by the iron losses are advantageously made either by a static torque meter, or by the combination of an unbalance carried by the stator and means for determining an angle of rotation of said stator.
Ainsi et selon une première variante avantageuse de l’invention, les moyens de mesure du couple mécanique dudit stator comprennent:Thus and according to a first advantageous variant of the invention, the means for measuring the mechanical torque of said stator comprise:
un balourd porté par ledit stator pour pouvoir générer un couple qui s’oppose au couple magnétique généré dans ledit échantillon magnétique par lesdites pertes fer à mesurer lorsque ledit rotor est entrainé en rotation par lesdits moyens d’entrainement,an unbalance carried by said stator to be able to generate a torque which opposes the magnetic torque generated in said magnetic sample by said losses of the measuring iron when said rotor is rotated by said drive means,
des moyens de détermination du déplacement angulaire dudit stator permettant de dériver par calcul ledit couple mécanique.means for determining the angular displacement of said stator making it possible to derive said mechanical torque by calculation.
Selon cette variante avantageuse, le couple magnétique généré dans le matériau magnétique dont on cherche à mesurer les pertes fer, sous l’effet du champ magnétique tournant produit par le rotor, fait tourner le stator de quelques degrés jusqu’à atteindre une position d’équilibre avec le couple généré par le balourd porté par l’armature du stator.According to this advantageous variant, the magnetic torque generated in the magnetic material whose iron losses are to be measured, under the effect of the rotating magnetic field produced by the rotor, causes the stator to rotate by a few degrees until it reaches a position of equilibrium with the torque generated by the unbalance carried by the stator armature.
Cette rotation du stator est mesurée par des moyens de mesure du déplacement angulaire. La mesure de ce déplacement angulaire permet de déduire le niveau de pertes fer dans l’échantillon magnétique doux porté par l’armature amagnétique du stator.This rotation of the stator is measured by means for measuring the angular displacement. The measurement of this angular displacement makes it possible to deduce the level of iron losses in the soft magnetic sample carried by the non-magnetic armature of the stator.
Avantageusement et selon cette variante, les moyens de détermination du déplacement angulaire dudit stator comprennent des moyens de lecture de la position angulaire dudit stator.Advantageously and according to this variant, the means for determining the angular displacement of said stator comprise means for reading the angular position of said stator.
Cette variante avantageuse permet de déterminer le déplacement angulaire par la lecture du déplacement angulaire, c’est-à-dire par des moyens sans contact et sans couple-mètre (nécessitant des accouplements mécaniques entre les pièces). De tels moyens de lecture peuvent par exemple être formés par un capteur de position angulaire du type codeur optique ou résolveur. Un dispositif selon cette variante permet de mesurer des couples faibles de l’ordre de 30 à 150 mNm.This advantageous variant makes it possible to determine the angular displacement by reading the angular displacement, that is to say by means without contact and without a torque meter (requiring mechanical couplings between the parts). Such reading means can for example be formed by an angular position sensor of the optical encoder or resolver type. A device according to this variant makes it possible to measure low torques of the order of 30 to 150 mNm.
Selon une deuxième variante avantageuse de l’invention, lesdits moyens de mesure du couple mécanique dudit stator comprennent un couple mètre statique fixe par rapport au stator et relié audit stator par un accouplement mécanique.According to a second advantageous variant of the invention, said means for measuring the mechanical torque of said stator comprise a static torque meter fixed relative to the stator and connected to said stator by a mechanical coupling.
Selon cette variante avantageuse, un couple-mètre statique est utilisé pour mesurer directement le couple mécanique du stator. Ainsi, selon ce mode de réalisation, le stator est bloqué en rotation par le couple-mètre statique qui mesure directement le couple exercé par le stator et résultant du couple magnétique généré dans le matériau magnétique du fait des pertes fer à mesurer.According to this advantageous variant, a static torque meter is used to directly measure the mechanical torque of the stator. Thus, according to this embodiment, the stator is locked in rotation by the static torque meter which directly measures the torque exerted by the stator and resulting from the magnetic torque generated in the magnetic material due to the iron losses to be measured.
L’accouplement mécanique entre le couple-mètre et le stator permet non seulement de transmettre le couple mécanique du stator au couple-mètre, mais également d’absorber les éventuels défauts d’alignement entre le couple mètre et l’axe de rotation dudit stator.The mechanical coupling between the torque meter and the stator not only makes it possible to transmit the mechanical torque from the stator to the torque meter, but also to absorb any misalignment between the torque meter and the axis of rotation of said stator .
Avantageusement et selon l’invention, le dispositif comprend en outre un support de ladite armature équipé de roulements ou de paliers à air configurés pour permettre une rotation libre de ladite armature autour de ladite direction axiale.Advantageously and according to the invention, the device further comprises a support for said armature equipped with bearings or air bearings configured to allow free rotation of said armature around said axial direction.
Cette variante avantageuse permet d’assurer une libre rotation dudit stator par rapport au support et d’assurer l’indépendance mécanique dudit stator par rapport au rotor.This advantageous variant makes it possible to ensure free rotation of said stator with respect to the support and to ensure the mechanical independence of said stator with respect to the rotor.
Dans le cas où les moyens de mesure du couple sont réalisés par un couple-mètre, la libre rotation du stator est bloquée par le couple-mètre statique.In the case where the torque measurement means are made by a torque meter, the free rotation of the stator is blocked by the static torque meter.
Avantageusement et selon l’invention, ladite armature est formée en un matériau électriquement non conducteur.Advantageously and according to the invention, said armature is formed from an electrically non-conductive material.
Cette variante avantageuse de l’invention permet d’éviter la création de pertes magnétiques dans l’armature de maintien de l’échantillon dont on cherche à mesurer les pertes fer.This advantageous variant of the invention makes it possible to avoid the creation of magnetic losses in the holding frame of the sample whose iron losses are to be measured.
Avantageusement et selon l’invention, ledit rotor est amovible de manière à permettre un changement de rotor au sein du dispositif pour pouvoir soumettre ledit échantillon à une induction différente résultante dudit rotor changé.Advantageously and according to the invention, said rotor is removable so as to allow a change of rotor within the device in order to be able to subject said sample to a different induction resulting from said changed rotor.
Cette variante avantageuse permet de soumettre l’échantillon dont on cherche à mesure les pertes fer à une autre forme d’induction par le changement de rotor.This advantageous variant makes it possible to subject the sample whose iron losses are to be measured to another form of induction by changing the rotor.
En particulier, et selon l’invention, la forme, l’épaisseur, l’angle polaire et la direction d’aimantation dans le rotor conditionnent la forme et la valeur de l’induction moyenne dans l’échantillon. En d’autres termes, le direction d’aimantation et l’angle polaire ont une influence sur la forme de l’induction locale dans l’échantillon. Il est donc possible de valider différents modèles sur un même échantillon en changeant de rotor pour soumettre l’échantillon à différentes inductions.In particular, and according to the invention, the shape, the thickness, the polar angle and the direction of magnetization in the rotor condition the shape and the value of the average induction in the sample. In other words, the magnetization direction and the polar angle have an influence on the shape of the local induction in the sample. It is therefore possible to validate different models on the same sample by changing the rotor to subject the sample to different inductions.
Un dispositif selon l’invention comprend des moyens de génération d’un champ magnétique portés par le rotor.A device according to the invention comprises means for generating a magnetic field carried by the rotor.
Ces moyens de génération d’un champ magnétique peuvent être formés soient par des aimants permanents, soit par une bobine alimentée par un courant électrique.These means for generating a magnetic field can be formed either by permanent magnets or by a coil supplied with an electric current.
Selon une variante avantageuse de l’invention, lesdits moyens de génération d’un champ magnétique portés par ledit rotor comprennent des aimants permanents.According to an advantageous variant of the invention, said means for generating a magnetic field carried by said rotor comprise permanent magnets.
Cette variante permet d’obtenir un champ magnétique constant alors que la solution du rotor bobiné peut poser des problématiques d’équilibrage.This variant makes it possible to obtain a constant magnetic field whereas the solution of the wound rotor can pose problems of balancing.
Afin de maximiser la valeur moyenne de l’induction magnétique, l’épaisseur et l’angle polaire des aimants doit être maximisé, mais l’épaisseur de l’aimant contribue à créer un entrefer qui réduit l’aimantation. Il existe donc une épaisseur optimale en termes d’induction dans l’échantillon. Cette épaisseur optimale peut être déterminée par l’homme du métier à la suite d’une série d’expérimentations.In order to maximize the average value of the magnetic induction, the thickness and the polar angle of the magnets must be maximized, but the thickness of the magnet contributes to create an air gap which reduces the magnetization. There is therefore an optimal thickness in terms of induction in the sample. This optimum thickness can be determined by those skilled in the art following a series of experiments.
Avantageusement et selon cette variante de l’invention, lesdits aimants permanents portés par le rotor sont des aimants NeFeBr.Advantageously and according to this variant of the invention, said permanent magnets carried by the rotor are NeFeBr magnets.
Cette variante avantageuse permet d’assurer une densité importante de champ magnétique.This advantageous variant makes it possible to ensure a high magnetic field density.
L’invention concerne également un procédé de mesure des pertes fer dans un échantillon cylindrique de matériau magnétique doux caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes:The invention also relates to a method for measuring iron losses in a cylindrical sample of soft magnetic material, characterized in that said method comprises the following steps:
former un rotor comprenant un arbre s’étendant le long d’une direction, dite direction axiale, relié à des moyens d’entrainement en rotation dudit arbre et portant des moyens de génération d’un champ magnétique,forming a rotor comprising a shaft extending along a direction, called the axial direction, connected to means for driving said shaft in rotation and carrying means for generating a magnetic field,
former un stator, isolé mécaniquement dudit rotor, autour du rotor à partir d’une armature amagnétique de maintien dudit échantillon autour dudit rotor de sorte que l’axe de révolution dudit échantillon coïncide avec ladite direction axiale, ladite armature étant montée mobile en rotation autour dudit rotor selon un axe qui coïncide avec ladite direction axiale,forming a stator, mechanically isolated from said rotor, around the rotor from a non-magnetic armature for holding said sample around said rotor so that the axis of revolution of said sample coincides with said axial direction, said armature being rotatably mounted around said rotor along an axis which coincides with said axial direction,
entrainer en rotation ledit rotor autour de ladite direction axiale de manière à générer un champ magnétique tournant et un couple magnétique dans ledit échantillon sous l’effet desdites pertes fer à mesurer,rotating said rotor around said axial direction so as to generate a rotating magnetic field and a magnetic torque in said sample under the effect of said iron losses to be measured,
mesurer le couple mécanique généré par ledit stator et qui résulte dudit couple magnétique généré dans ledit échantillon,measuring the mechanical torque generated by said stator and which results from said magnetic torque generated in said sample,
calculer les pertes fer à partir de dudit couple mécanique mesuré.calculating iron losses from said measured mechanical torque.
Un procédé selon l’invention est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de mesure des pertes fer selon l’invention et un dispositif de mesure des pertes fer selon l’invention met avantageusement en œuvre un procédé selon l’invention.A method according to the invention is advantageously implemented by a device for measuring iron losses according to the invention and a device for measuring iron losses according to the invention advantageously implements a method according to the invention.
Les effets et avantages techniques du dispositif selon l’invention s’appliquentmutatis mutandisau procédé selon l’invention.The technical effects and advantages of the device according to the invention apply mutatis mutandis to the method according to the invention.
L’invention concerne également un dispositif de mesure des pertes fer dans un échantillon cylindrique de matériau magnétique doux et un procédé de mesure des pertes dans un échantillon cylindrique de matériau magnétique doux caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.The invention also relates to a device for measuring iron losses in a cylindrical sample of soft magnetic material and a method for measuring losses in a cylindrical sample of soft magnetic material, characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below. -After.
Liste des figuresList of Figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles:Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description given solely by way of non-limiting and which refers to the appended figures in which:
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’inventionDetailed description of an embodiment of the invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. Dans toute la description détaillée qui suit en référence aux figures, sauf indication contraire, chaque élément du dispositif de mesure est décrit tel qu’il est agencé lorsque le dispositif de mesure est agencé à l’horizontal et s’étend selon une direction, dite direction longitudinale correspondant à l’axe de rotation du dispositif de mesure. Cette configuration est notamment représentée sur les figures 1 et 3.In the figures, scales and proportions are not strictly adhered to, for purposes of illustration and clarity. Throughout the following detailed description with reference to the figures, unless otherwise indicated, each element of the measuring device is described as it is arranged when the measuring device is arranged horizontally and extends in a direction, called longitudinal direction corresponding to the axis of rotation of the measuring device. This configuration is shown in particular in Figures 1 and 3.
La direction radiale définit la direction perpendiculaire à la direction axiale représentée par l’axe 10 sur les figures 1 et 3.The radial direction defines the direction perpendicular to the axial direction represented by axis 10 in figures 1 and 3.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.In addition, identical, similar or analogous elements are designated by the same references in all the figures.
Ainsi, la figure 1 illustre de manière schématique un dispositif de mesure des pertes fer dans un échantillon 11 cylindrique de matériau magnétique doux selon un premier mode de réalisation.Thus, FIG. 1 schematically illustrates a device for measuring iron losses in a cylindrical sample 11 of soft magnetic material according to a first embodiment.
L’échantillon 11 cylindrique est porté par une armature 20 amagnétique. Cette armature 20 comprend une extrémité 23 de maintien de l’échantillon 11. Ce maintien de l’échantillon 11 sur l’extrémité 23 de maintien de l’armature 20 peut être obtenu par différents moyens permettant de solidariser ensemble deux pièces de révolution. Il peut par exemple s’agir de moyens adhésifs permettant de coller l’échantillon sur l’extrémité de maintien de l’armature. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de solidarisation de l’échantillon sur l’armature peuvent être réalisés par une chemise forcée sur l’armature qui porte l’échantillon ou d’une chemise vissée sur l’armature qui porte l’échantillon par tous types de moyens.The cylindrical sample 11 is carried by a non-magnetic armature 20. This armature 20 comprises an end 23 for holding the sample 11. This holding of the sample 11 on the end 23 for holding the armature 20 can be obtained by various means making it possible to secure together two parts of revolution. It may for example be adhesive means allowing the sample to be glued to the holding end of the framework. According to another embodiment, the means for securing the sample to the frame can be made by a sleeve forced onto the frame which carries the sample or a sleeve screwed onto the frame which bears the sample. by all kinds of means.
Cette armature 20 comprend en outre, selon le mode de réalisation de la figure 1, une roue 21 et un arbre 22 s’étendant le long de l’axe longitudinal et reliant l’extrémité de maintien 23 et la roue 21.This frame 20 further comprises, according to the embodiment of Figure 1, a wheel 21 and a shaft 22 extending along the longitudinal axis and connecting the holding end 23 and the wheel 21.
L’arbre 22 de liaison est monté libre en rotation autour de l’axe 10 longitudinal par l’intermédiaire de roulements à billes 13 portés par un trépied 14 solidaire d’un socle 15 qui forme l’appui du stator sur une surface plane. Selon un autre mode de réalisation, les roulements à billes 13 peuvent être remplacés par des paliers à air.The connecting shaft 22 is mounted free to rotate around the longitudinal axis 10 by means of ball bearings 13 carried by a tripod 14 secured to a base 15 which forms the support for the stator on a flat surface. According to another embodiment, the ball bearings 13 can be replaced by air bearings.
Le stator formé de l’armature 20 et de l’échantillon 11 comprend également, selon le mode de réalisation de la figure 1, un balourd 24 porté par la roue 21.The stator formed of the armature 20 and the sample 11 also comprises, according to the embodiment of Figure 1, an unbalance 24 carried by the wheel 21.
Le dispositif de mesure selon l’invention comprend également un rotor 41 comprenant un arbre 42 s’étendant le long de la direction axiale 10 relié à des moyens d’entrainement en rotation dudit arbre. Ces moyens d’entrainement 44 peuvent être de tous types. Il peut par exemple s’agir d’un moteur électrique d’entrainement de l’arbre 42. De préférence, le moteur est choisi de manière à pouvoir maintenir une vitesse de rotation constante du rotor.The measuring device according to the invention also comprises a rotor 41 comprising a shaft 42 extending along the axial direction 10 connected to means for driving said shaft in rotation. These drive means 44 can be of any type. It may for example be an electric motor driving the shaft 42. Preferably, the motor is chosen so as to be able to maintain a constant speed of rotation of the rotor.
Le rotor porte des aimants permanents 43 de sorte que la rotation de l’arbre 42 autour de la direction axiale 10 entraine les aimants permanents 43 en rotation autour de l’axe 10 ce qui génère un champ magnétique tournant. Les aimants permanents forment au moins deux pôles magnétiques.The rotor carries permanent magnets 43 so that the rotation of the shaft 42 around the axial direction 10 causes the permanent magnets 43 to rotate around the axis 10 which generates a rotating magnetic field. Permanent magnets form at least two magnetic poles.
Selon un autre mode de réalisation non représenté sur les figures, les aimants permanents peuvent être remplacés par des bobines alimentées par un courant pour former un rotor bobiné de génération d’un champ magnétique.According to another embodiment not shown in the figures, the permanent magnets can be replaced by coils supplied with a current to form a wound rotor for generating a magnetic field.
Quel que soit le mode de génération du champ magnétique, la mise en rotation du rotor équipé des moyens de génération d’un champ magnétique permet de créer un champ magnétique tournant.Whatever the mode of generation of the magnetic field, the rotation of the rotor equipped with the means of generation of a magnetic field makes it possible to create a rotating magnetic field.
Ce champ magnétique tournant génère, du fait des pertes fer au sein de l’échantillon 11 un champ magnétique au sein du stator, ce qui crée un déplacement angulaire du stator, ce dernier étant monté libre en rotation autour de l’axe 10 selon ce mode de réalisation et comme expliqué précédemment. Le couple mécanique généré par le balourd 24 s’oppose, à l’équilibre au couple magnétique généré au sein de l’échantillon du fait des pertes fer.This rotating magnetic field generates, due to the iron losses within the sample 11, a magnetic field within the stator, which creates an angular displacement of the stator, the latter being mounted freely in rotation around the axis 10 according to this embodiment and as previously explained. The mechanical torque generated by the unbalance 24 opposes, in equilibrium, the magnetic torque generated within the sample due to the iron losses.
Le dispositif de mesure comprend aussi des moyens 50 de mesure du déplacement angulaire. Ces moyens de mesure sont de préférence des moyens sans contact pour éviter toute perturbation entre les moyens de mesure 50 et la roue 21 de l’armature 20. Il peut par exemple s’agir d’un codeur optique.The measuring device also comprises means 50 for measuring the angular displacement. These measurement means are preferably non-contact means to avoid any disturbance between the measurement means 50 and the wheel 21 of the armature 20. It may for example be an optical encoder.
Le balourd 24 est choisi en fonction de la masse de l’échantillon 11 dont on souhaite mesurer les pertes fer avec le dispositif selon l’invention et des pertes fer attendues (compte tenu notamment du modèle que l’on souhaite valider le cas échéant).The unbalance 24 is chosen according to the mass of the sample 11 whose iron losses are to be measured with the device according to the invention and the expected iron losses (taking into account in particular the model that one wishes to validate if necessary) .
Il est pertinent de choisir un échantillon qui permet non seulement de minimiser les pertes mécaniques mais également d’améliorer la précision des mesures. Un tel échantillon est un compromis entre deux choix antagonistes.It is relevant to choose a sample that not only minimizes mechanical losses but also improves measurement accuracy. Such a sample is a compromise between two antagonistic choices.
En effet, il est a priori pertinent de minimiser le volume et la masse de cet échantillon 11 pour améliorer l’alignement et la coaxialité des différentes pièces du dispositif selon l’invention, et pour réduire les pertes mécaniques dans les roulements 13.Indeed, it is a priori relevant to minimize the volume and the mass of this sample 11 to improve the alignment and the coaxiality of the various parts of the device according to the invention, and to reduce the mechanical losses in the bearings 13.
A l’inverse, le volume et la masse de l’échantillon 11 influent positivement sur les pertes volumiques et donc sur la précision des mesures.Conversely, the volume and the mass of sample 11 have a positive influence on the volume losses and therefore on the precision of the measurements.
Selon un mode de réalisation préférentiel, l’échantillon est choisi de telle sorte qu’il présente une longueur de 40 mm, un diamètre intérieur de 52mm, un diamètre extérieur de 70 mm, un entrefer simple de 1 mm, un frettage mécanique de 0,5 mm pour une masse totale de 520 g.According to a preferred embodiment, the sample is chosen such that it has a length of 40 mm, an inside diameter of 52 mm, an outside diameter of 70 mm, a simple air gap of 1 mm, a mechanical shrink fit of 0 .5 mm for a total mass of 520 g.
Bien entendu, l’échantillon peut présenter d’autres caractéristiques dimensionnelles et l’homme du métier pourra aisément adapter les caractéristiques de l’échantillon préférentiel compte tenu du matériau analysé et du modèle de pertes à valider.Of course, the sample may have other dimensional characteristics and those skilled in the art can easily adapt the characteristics of the preferential sample taking into account the material analyzed and the loss model to be validated.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, les aimants permanents présentent une épaisseur de 5 mm, une direction radiale d’aimantation et un angle polaire de 180°. Cette configuration permet de maximiser l’induction moyenne B et d’avoir des formes d’induction triangulaires dans la partie proche de l’entrefer de l’échantillon et des formes plus sinusoïdales dans le fond de la culasse.According to the embodiment of Figure 1, the permanent magnets have a thickness of 5 mm, a radial direction of magnetization and a polar angle of 180°. This configuration makes it possible to maximize the average induction B and to have triangular induction shapes in the part close to the air gap of the sample and more sinusoidal shapes in the bottom of the yoke.
Bien entendu, d’autres types d’aimants permanents peuvent être utilisés sans que cela ne remette en cause le principe de l’invention.Of course, other types of permanent magnets can be used without this calling into question the principle of the invention.
En particulier, selon une variante de réalisation de l’invention, le rotor est amovible de manière à pouvoir changer les aimants permanents et donc la forme d’induction.In particular, according to a variant embodiment of the invention, the rotor is removable so as to be able to change the permanent magnets and therefore the form of induction.
Un dispositif selon l’invention permet de calculer les pertes fer à partir de la mesure du couple mécanique du stator (qui est dérivé dans le mode de réalisation de la figure 1 de la mesure du déplacement angulaire de la roue 21 de l’armature).A device according to the invention makes it possible to calculate the iron losses from the measurement of the mechanical torque of the stator (which is derived in the embodiment of FIG. 1 from the measurement of the angular displacement of the wheel 21 of the armature) .
Cette mesure des pertes fer à partir de la mesure du couple mécanique est réalisée par des moyens de calcul qui peuvent par exemple prendre la forme d’une unité de calcul.This measurement of the iron losses from the measurement of the mechanical torque is carried out by calculation means which can for example take the form of a calculation unit.
En particulier, la puissance de pertes P exprimée en Watts est calculée à partir de l’équation P=N*T, où N est la vitesse de rotation du rotor (exprimée en rad/s) et T le couple exprimé en mNm.In particular, the loss power P expressed in Watts is calculated from the equation P=N*T, where N is the rotational speed of the rotor (expressed in rad/s) and T the torque expressed in mNm.
En outre, l’angle de rotation
où T désigne le couple en mNm,rdésigne le rayon du balourd (0,050m dans cet exemple),gest la constante de pesanteur terrestre (9,81
A titre d’exemple, on a obtenu les résultats suivants pour le dispositif représenté schématiquement sur la figure 1:By way of example, the following results were obtained for the device shown schematically in Figure 1:
Un dispositif selon ce mode de réalisation de l’invention permet donc de mesurer les pertes fer dans un matériau magnétique doux soumis à un champ magnétique variable et par conséquent de valider les modèles d’évaluation des pertes fer.A device according to this embodiment of the invention therefore makes it possible to measure the iron losses in a soft magnetic material subjected to a variable magnetic field and consequently to validate the iron loss evaluation models.
La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation de l’invention. La principale différence entre le mode de réalisation de la figure 1 et le mode de réalisation de la figure 3 réside dans la manière de former les moyens de mesure du couple mécanique généré par le stator et qui résulte des pertes fer dans l’échantillon cylindrique.Figure 3 illustrates a second embodiment of the invention. The main difference between the embodiment of Figure 1 and the embodiment of Figure 3 lies in the way of forming the means for measuring the mechanical torque generated by the stator and which results from the iron losses in the cylindrical sample.
Dans la figure 1, ces moyens de mesure du couple mécanique du stator sont formés par la combinaison du balourd 24 et des moyens 50 de détermination du déplacement angulaire du stator.In FIG. 1, these means for measuring the mechanical torque of the stator are formed by the combination of the unbalance 24 and the means 50 for determining the angular displacement of the stator.
Dans la figure 3, les moyens de mesure du couple mécanique du stator sont formés par un couple-mètre 31 statique relié à l’arbre 22 de l’armature 20 par l’intermédiaire d’un accouplement 36. Cet accouplement 36 peut être de tout type connu et permet de compenser les éventuels légers désalignements des axes de rotation du rotor et du stator.In FIG. 3, the means for measuring the mechanical torque of the stator are formed by a static torque meter 31 connected to the shaft 22 of the armature 20 via a coupling 36. This coupling 36 can be of any known type and makes it possible to compensate for any slight misalignments of the axes of rotation of the rotor and of the stator.
Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 3, l’armature 20 est dépourvue de roue 21. Le couple-mètre 31 est par exemple le couple-mètre commercialisé par la société Magtrol® sous les références RT 202. Bien entendu, d’autres modèles de couple-mètre peuvent être utilisés sans remettre en cause le résultat atteint par l’invention.Thus, in the embodiment of FIG. 3, the armature 20 has no wheel 21. The torque-meter 31 is for example the torque-meter marketed by the company Magtrol® under the references RT 202. Of course, d Other torque-meter models can be used without calling into question the result achieved by the invention.
Ce mode de réalisation permet donc de mesurer directement le couple exercé par le stator par le couple-mètre statique 31.This embodiment therefore makes it possible to directly measure the torque exerted by the stator by the static torque meter 31.
En outre, le couple-mètre statique 31 est relié d’une part à un support mécanique 32 et d’autre part à l’arbre 22 de l’armature de sorte qu’il bloque la libre rotation de l’armature 20 résultante du couple magnétique généré dans l’échantillon 11 et mesure le couple ainsi exercé.In addition, the static torque meter 31 is connected on the one hand to a mechanical support 32 and on the other hand to the shaft 22 of the armature so that it blocks the free rotation of the armature 20 resulting from the magnetic torque generated in sample 11 and measures the torque thus exerted.
En d’autres termes, selon ce mode de réalisation, le stator est monté libre en rotation par rapport au rotor (comme dans le mode de réalisation de la figure 1), mais cette libre rotation est bloquée par le couple-mètre pour en mesurer le couple.In other words, according to this embodiment, the stator is mounted free in rotation with respect to the rotor (as in the embodiment of FIG. 1), but this free rotation is blocked by the torque meter to measure it. the couple.
Selon ce mode de réalisation, le couple-mètre 31 est porté par le support mécanique 32 relié au support 15 par l’intermédiaire d’une butée réglable 33. Cette butée réglable 33 permet de régler la distance axiale entre le rotor et le stator par coulissement d’un support 34 du palier de l’arbre 42 d’entrainement du rotor par rapport au support 32 du couple-mètre.According to this embodiment, the torque meter 31 is carried by the mechanical support 32 connected to the support 15 via an adjustable stop 33. This adjustable stop 33 makes it possible to adjust the axial distance between the rotor and the stator by sliding of a support 34 of the bearing of the rotor drive shaft 42 relative to the support 32 of the torque meter.
Le coulissement du support 34 par rapport au support 32 est par exemple réalisé par un guidage à billes.The sliding of the support 34 relative to the support 32 is for example produced by a ball guide.
Ces moyens techniques permettent donc d’agencer précisément le rotor à l’intérieur du stator et d’adapter la position axiale relative du rotor par rapport au stator, tout en conservant l’indépendance mécanique entre le rotor et le stator.These technical means therefore make it possible to precisely arrange the rotor inside the stator and to adapt the relative axial position of the rotor with respect to the stator, while maintaining the mechanical independence between the rotor and the stator.
Un dispositif selon l’invention, quel que soit le mode de réalisation mis en œuvre, permet de comparer les résultats de différents logiciels de simulation des pertes fer par éléments finis.A device according to the invention, whatever the embodiment implemented, makes it possible to compare the results of different software for simulating iron losses by finite elements.
Il est aussi possible d’utiliser un dispositif selon l’invention pour étudier les pertes dans les aimants du rotor (dans le cas d’un mode de réalisation à aimants permanents). En effet, sur la base d’un échantillon encoché (au lieu d’un échantillon lisse) une variation de réluctance dans le champ magnétique va générer des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Ainsi, la mesure du couple correspond à l’addition des pertes fer magnétique dans l’échantillon ferromagnétique et des pertes par courants de Foucault dans les aimants permanents.It is also possible to use a device according to the invention to study the losses in the magnets of the rotor (in the case of an embodiment with permanent magnets). Indeed, on the basis of a notched sample (instead of a smooth sample) a reluctance variation in the magnetic field will generate eddy current losses in the magnets. Thus, the measurement of the torque corresponds to the addition of the magnetic iron losses in the ferromagnetic sample and the losses by eddy currents in the permanent magnets.
Un dispositif selon l’invention permet donc de valider un modèle complet de pertes magnétiques, à la fois au niveau des aimants que des matériaux ferromagnétiques.A device according to the invention therefore makes it possible to validate a complete model of magnetic losses, both at the level of the magnets and of the ferromagnetic materials.
Claims (10)
- un rotor (41) comprenant un arbre (42) s’étendant le long d’une direction, dite direction axiale (10), relié à des moyens d’entrainement (44) en rotation dudit arbre (42) et portant des moyens de génération d’un champ magnétique (43) de sorte qu’une mise en rotation dudit arbre autour de ladite direction axiale (10) puisse produire un champ magnétique tournant,
- un stator isolé mécaniquement dudit rotor et comprenant une armature (20) amagnétique de maintien dudit échantillon (11) autour dudit rotor de sorte que l’axe de révolution dudit échantillon coïncide avec ladite direction axiale (10), ladite armature (20) étant en outre montée mobile en rotation autour dudit rotor selon un axe qui coïncide avec ladite direction axiale (10),
- des moyens de mesure du couple mécanique généré par ledit stator et qui résulte d’un couple magnétique généré dans ledit échantillon magnétique par lesdites pertes fer à mesurer sous l’effet dudit champ magnétique tournant produit lorsque ledit rotor est entrainé en rotation par lesdits moyens d’entrainement (44),
- des moyens de calcul des pertes de fer à partir dudit couple mécanique mesuré.Device for measuring iron losses in a cylindrical sample (11) of soft magnetic material, characterized in that the measuring device comprises:
- a rotor (41) comprising a shaft (42) extending along a direction, called the axial direction (10), connected to drive means (44) in rotation of said shaft (42) and carrying means generating a magnetic field (43) so that rotation of said shaft around said axial direction (10) can produce a rotating magnetic field,
- a stator mechanically isolated from said rotor and comprising a non-magnetic armature (20) for holding said sample (11) around said rotor so that the axis of revolution of said sample coincides with said axial direction (10), said armature (20) being further mounted rotatably around said rotor along an axis which coincides with said axial direction (10),
- means for measuring the mechanical torque generated by said stator and which results from a magnetic torque generated in said magnetic sample by said iron losses to be measured under the effect of said rotating magnetic field produced when said rotor is rotated by said means training (44),
- Means for calculating iron losses from said measured mechanical torque.
- un balourd porté par ledit stator pour pouvoir générer un couple qui s’oppose au couple magnétique généré dans ledit échantillon magnétique par lesdites pertes fer à mesurer lorsque ledit rotor est entrainé en rotation par lesdits moyens d’entrainement (44),
- des moyens de détermination (50) du déplacement angulaire dudit stator permettant de dériver par calcul ledit couple mécanique.Measuring device according to Claim 1, characterized in that the said means for measuring the mechanical torque of the said stator comprise:
- an unbalance carried by said stator to be able to generate a torque which opposes the magnetic torque generated in said magnetic sample by said iron losses to be measured when said rotor is rotated by said drive means (44),
- means (50) for determining the angular displacement of said stator making it possible to derive said mechanical torque by calculation.
- former un rotor (41) comprenant un arbre (42) s’étendant le long d’une direction, dite direction axiale (10), relié à des moyens d’entrainement (44) en rotation dudit arbre et portant des moyens de génération d’un champ magnétique (43),
- former un stator, isolé mécaniquement dudit rotor, autour du rotor à partir d’une armature (20) amagnétique de maintien dudit échantillon (11) autour dudit rotor de sorte que l’axe de révolution dudit échantillon coïncide avec ladite direction axiale (10), ladite armature (20) étant montée mobile en rotation autour dudit rotor selon un axe qui coïncide avec ladite direction axiale (10),
- entrainer en rotation ledit rotor autour de ladite direction axiale de manière à générer un champ magnétique tournant et un couple magnétique dans ledit échantillon (11) sous l’effet desdites pertes fer à mesurer,
- mesurer le couple mécanique généré par ledit stator et qui résulte dudit couple magnétique généré dans ledit échantillon,
- calculer les pertes fer à partir de dudit couple mécanique mesuré.Method for measuring iron losses in a cylindrical sample (11) of soft magnetic material, characterized in that said method comprises the following steps:
- forming a rotor (41) comprising a shaft (42) extending along a direction, called the axial direction (10), connected to drive means (44) in rotation of said shaft and carrying generating means a magnetic field (43),
- forming a stator, mechanically isolated from said rotor, around the rotor from a non-magnetic holding armature (20) of said sample (11) around said rotor so that the axis of revolution of said sample coincides with said axial direction (10 ), said armature (20) being rotatably mounted around said rotor along an axis which coincides with said axial direction (10),
- rotating said rotor around said axial direction so as to generate a rotating magnetic field and a magnetic torque in said sample (11) under the effect of said iron losses to be measured,
- measuring the mechanical torque generated by said stator and which results from said magnetic torque generated in said sample,
- calculate iron losses from said measured mechanical torque.
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| DE102012018209A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-05-15 | Audi Ag | Device for determining core loss in laminated core of e.g. electrical drive motor used in motor vehicle, determines core loss based on measuring torque acting on shaft and temperature of core |
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2019
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