JP2009071984A - クローポール型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】高トルク出力が可能なクローポール型モータを提供する。
【解決手段】環状部材としての各相のステータリング３１〜３３の内周側ポール３１ｄ〜３３ｄとロータの第１マグネット２３とが、外周側ポール３１ｅ〜３３ｅとロータの第２マグネット２４とがそれぞれモータ径方向において対向配置される。そして、各相のステータリング３１〜３３間に設けられた環状のＵ−Ｖ相コイル３４ａ，３４ｂ、Ｖ−Ｗ相コイル３５ａ，３５ｂに通電することで内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにて発生する回転磁界が第１及び第２マグネット２３，２４にそれぞれ作用してロータが回転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、クローポール型モータに関するものである。

従来、クローポール型モータのステータは、例えば特許文献１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応する３つの環状部材が軸線方向に積層されてなり、それら環状部材間には環状のコイルがそれぞれ介在されている。各相の環状部材にはその内周側に配置されるロータと対向するポールが複数形成され、それら各相のポールは周方向において所定順に並ぶように配置されている。各相のポールには各コイルに対して通電制御を行うことで回転磁界が発生し、この回転磁界によってロータが回転駆動するようになっている。
特開２００５−２０９８１号公報

しかしながら、上記のようなクローポール型モータでは、ロータを高トルクで回転駆動させるべくコイルに大電流を流して各環状部材（各ポール）に与える磁界の強さを増加させたときに、上記のクローポール型モータのステータ構造上、各環状部材内側のポールにおいて磁束密度がほとんど上昇しなくなる所謂磁気飽和が生じ易く、所望のトルクが得られないといった不具合が発生する虞があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高トルク出力が可能なクローポール型モータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、モータ軸線方向に積層された複数の環状部材の間に環状のコイルを介在させてなるステータと、該ステータの内周側に配置された回転軸を有するロータとを備えて構成され、前記ロータは、前記回転軸に固定され前記ステータの内周側及び外周側にそれぞれ延びる一対のヨークと、その各ヨークに固着され、前記ステータの内周側及び外周側にそれぞれ配置された第１及び第２マグネットを備え、前記複数の環状部材にはそれぞれ、前記第１及び第２マグネットとモータ径方向にそれぞれ対向する内周側ポール及び外周側ポールが設けられ、前記コイルへの通電により前記内周側及び外周側ポールにて発生した回転磁界が前記第１及び第２マグネットにそれぞれ作用して前記ロータが回転することをその要旨とする。

この発明では、各環状部材の内周側ポールとロータの第１マグネットとが、外周側ポールとロータの第２マグネットとがそれぞれモータ径方向において対向配置され、環状部材間に設けられた環状のコイルに通電することで内周側及び外周側ポールにて発生する回転磁界が第１及び第２マグネットにそれぞれ作用してロータが回転される。このため、コイルに駆動電流を流すことで生じる磁束が内周側及び外周側ポールにそれぞれ分散して磁気飽和が生じ難くなるため、コイルに大電流を流した高トルク出力が可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のクローポール型モータにおいて、前記環状部材には、前記軸線方向に突出するとともに隣り合う前記環状部材と当接する当接部が形成されたことをその要旨とする。

この発明では、軸線方向に突出するとともに隣り合う環状部材と当接する当接部が磁気回路を構成するため、コイル通電時の磁気飽和をより抑制することが可能である。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のクローポール型モータにおいて、前記当接部は、前記環状部材の周方向全体に亘って環状に設けられたことをその要旨とする。

この発明では、当接部は環状部材の周方向全体に亘って環状に設けられるため、当接部による磁気飽和の抑制効果を向上させることができる。
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載のクローポール型モータにおいて、前記コイルは、前記環状部材の径方向中央に配置された前記当接部の内周側及び外周側にそれぞれ設けられたことをその要旨とする。

この発明では、コイルは、環状部材の径方向中央に配置された当接部の内周側及び外周側にそれぞれ設けられるため、例えばコイルへの通電を、内周側及び外周側で同時、内周側のみ外周側のみと使い分けてモータ性能を変化させることが可能である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のクローポール型モータにおいて、前記内周側及び外周側のコイルに対して個別に通電制御可能な通電制御手段を備え、該通電制御手段は前記内周側及び外周側のコイルに供給する電流が同一方向となるように通電制御することをその要旨とする。

この発明では、内周側及び外周側のコイルに対して個別に通電制御可能な通電制御手段を備え、内周側及び外周側のコイルには通電制御手段により同一方向の電流が供給される。これにより、内周側及び外周側のコイルに対して互いに逆方向の電流を流したときに、それらのコイルにてそれぞれ発生する回転磁界が互いに干渉し合うことで生じるモータ性能の低下を防止することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、前記各環状部材には、前記内周側ポールと前記外周側ポールとが互いに同数設けられたことをその要旨とする。

この発明では、内周側及び外周側ポールは互いに同数設けられるため、コイルに駆動電流を流すことで生じる磁束を内周側及び外周側ポールにそれぞれバランス良く分散させることができ、その結果、コイル通電時の磁気飽和をより抑制することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、前記内周側ポールの数が前記外周側ポールの数より少なく構成されたことをその要旨とする。

この発明では、内周側ポールの数が外周側ポールの数より少なく構成されるため、クローポール型モータの小型化に貢献することができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、前記内周側ポールの周方向幅が、前記外周側ポールの周方向幅より小さく形成されたことをその要旨とする。

この発明では、内周側ポールの周方向幅が、外周側ポールの周方向幅より小さく形成されるため、クローポール型モータの小型化により貢献することができる。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、前記複数の環状部材はそれぞれ、前記内周側及び外周側ポールが一体的に形成された１つの部材からなることをその要旨とする。

この発明では、複数の環状部材はそれぞれ、内周側及び外周側ポールが一体に形成された１つの部材からなるため、部品数を少なくすることができるとともに、内周側ポールと外周側ポールとの間における磁気抵抗が小さく磁束が内周側及び外周側ポールにそれぞれ分散し易くなり、磁気飽和をより抑制することができる。

従って、上記記載の発明によれば、クローポール型モータにおいて高トルク出力を可能とすることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態のクローポール型モータ１０において、円盤状のベースハウジング１１と、同ベースハウジング１１に下方開口端が覆われるように固定された有底円筒状のカバーハウジング１２とによりハウジングが構成されている。ベースハウジング１１の中央部及びカバーハウジング１２の上底中心部にはそれぞれ一対の軸受１３が固定されるとともに、該軸受１３には回転軸１４が回転可能に支持されている。

ハウジング内部において、ベースハウジング１１には回転軸１４の軸線Ｌを中心とする環状をなすステータ１５がネジ１６の螺着により固定されている。ステータ１５の内周側には、回転軸１４に上底部の中心が固定された有底円筒状の第１ヨーク２１がステータ１５の内周側に配置されるとともに、該第１ヨーク２１と同じく上底部の中心が回転軸１４に固定された有底円筒状の第２ヨーク２２は、その上底部がステータ１５の上方に位置するとともにその側壁２２ａがステータ１５の外周側に位置している。

第１ヨーク２１の側壁２１ａの外周面、及び第２ヨーク２２の側壁２２ａの内周面にはそれぞれ、円筒状の第１及び第２マグネット２３，２４がそれぞれステータ１５とモータ径方向において対向するように固着されている。図４に示すように、第１及び第２マグネット２３，２４はＮ極、Ｓ極が周方向に交互に着磁されるとともに、その極数がそれぞれ１６極となるように着磁されている。また、第１マグネット２３の極はステータ１５を挟んだ反対側の第２マグネット２４の極と逆になるように設けられている。上記した回転軸１４、第１ヨーク２１、第１マグネット２３、第２ヨーク２２及び第２マグネット２４がロータを構成している。

ステータ１５は、それぞれ環状をなすとともにＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する環状部材としてのＵ相、Ｖ相及びＷ相ステータリング３１，３２，３３が軸線Ｌ方向に積層されてなる。尚、ステータ１５下段のＷ相ステータリング３３は、前記ベースハウジング１１の上面と当接している。図３のステータ１５の分解斜視図に示すように、Ｗ相ステータリング３３は、環状をなす基部３３ａと、その基部３３ａの４５°間隔で設けられ径方向内側及び外側にそれぞれ延びる内周側ティース３３ｂ及び外周側ティース３３ｃとが形成されている。また、Ｗ相ステータリング３３は、各ティース３３ｂ，３３ｃからそれぞれ軸線Ｌ方向上方に延び、該ティース３３ｂ、３３ｃとで略Ｌ字状をなす内周側ポール３３ｄ及び外周側ポール３３ｅが形成されている。尚、基部３３ａの径方向中央には、軸線Ｌ方向上方に突出する当接部３３ｆが該基部３３ａの周方向全体に亘って環状に形成されている。また、内周側及び外周側にそれぞれ８個設けられた各ポール３３ｄ，３３ｅは、上方に延びるにつれて細くなる形状をなすとともに、内周側ポール３３ｄはその周方向幅が外周側ポール３３ｅのものよりも小さく形成されている。

Ｗ相ステータリング３３の上段のＶ相ステータリング３２は、環状をなす基部３２ａの径方向中央に軸線Ｌ方向上方及び下方に突出する当接部３２ｆが、周方向全体に亘って環状に形成されるとともに、その下側の当接部３２ｆは前記Ｗ相ステータリング３３の当接部３３ｆと当接している（図１及び図２参照）。基部３２ａの４５°間隔で設けられ径方向内側及び外側にそれぞれ延びる内周側ティース３２ｂ及び外周側ティース３２ｃの先端からはそれぞれ、軸線Ｌ方向上方及び下方に延びてティース３２ｂ，３２ｃとで略Ｔ字状をなす内周側ポール３２ｄ及び外周側ポール３２ｅが形成されている。尚、各ポール３２ｄ，３２ｅは、内周側及び外周側にそれぞれ８個設けられている。また、各ポール３２ｄ，３２ｅは軸線Ｌ方向に延びるにつれて細くなる形状をなすとともに、内周側ポール３２ｄはその周方向幅が外周側ポール３２ｅの周方向幅よりも小さく形成されている。

Ｖ相ステータリング３２の上段のＵ相ステータリング３１は、前記Ｗ相ステータリング３３と同一形状のものを裏返し、且つ周方向に３０°回転させて配置したものであり、Ｕ相ステータリング３１の各部に関しては、Ｗ相ステータリング３３の各部の符号の「３３」を「３１」に変更して、その詳細な説明を省略する。Ｕ相ステータリング３１の当接部３１ｆはその下段のＶ相ステータリング３２の上側の当接部３２ｆと当接している（図１及び図２参照）。

各相の内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅは、軸線Ｌ方向長さが全て等しくなるように形成されるとともに、各相の内周側ポール３１ｄ〜３３ｄの周方向幅が全て等しく、また、各相の外周側ポール３１ｅ〜３３ｅが全て等しくなるように形成されている。このような内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅが周方向に１５°間隔で配置されるように各相のステータリング３１〜３３は積層され（図４参照）、各当接部３１ｆ〜３３ｆを貫通する前記ネジ１６によりベースハウジング１１に対し螺着されている（図１参照）。尚、図２〜図３においては、説明の便宜のためネジ１６の図示を省略している。

Ｕ相ステータリング３１の基部３１ａと、Ｖ相ステータリング３２の基部３２ａとの間には、軸線Ｌ中心の環状に巻回されたＵ−Ｖ相コイル３４ａ，３４ｂが当接部３１ｆ，３２ｆの内周側及び外周側にそれぞれ介在されている。また、Ｖ相ステータリング３２の基部３２ａと、Ｗ相ステータリング３３の基部３３ａとの間にも、上記Ｕ−Ｖ相コイル３４ａ，３４ｂと同様に、軸線Ｌ中心の環状に巻回されたＶ−Ｗ相コイル３５ａ，３５ｂが当接部３２ｆ，３３ｆの内周側及び外周側にそれぞれ介在されている。これらのコイル３４ａ〜３５ｂはそれぞれ、各相のステータリング３１〜３３の積層組み立て時において、各相の基部３１ａ〜３３ａにより挟み込まれて固定される。

各相の内周側ポール３１ｄ〜３３ｄはステータ１５の内周面を間欠的に形成するとともに、前記ロータの第１マグネット２３と径方向に対向するように配置されている。一方、各相の外周側ポール３１ｅ〜３３ｅはステータ１５の外周面をそれぞれ間欠的に形成するとともに、ロータの第２マグネット２４と径方向に対向するように配置されている。

このような構成のクローポール型モータ１０は、各コイル３４ａ〜３５ｂに対して個別に通電制御可能な通電制御手段としての制御部４０を備えている（図１参照）。この制御部４０は、Ｕ−Ｖ相コイル３４ａ，３４ｂにはＵ相・Ｖ相のそれぞれに対応した位相の駆動電流を供給するとともに、Ｖ−Ｗ相コイル３５ａ，３５ｂにはＶ相・Ｗ相のそれぞれに対応した位相の駆動電流を供給するようになっている。また、制御部４０は各コイル３４ａ〜３５ｂに対し所定のタイミングで通電を行う。尚、制御部４０は、内周側のコイル３４ａ，３５ａと外周側のコイル３４ｂ，３５ｂとに供給する電流が同一方向となるように通電制御する。

制御部４０の通電制御により各コイル３４ａ〜３５ｂに電流が供給されると、内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ、及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにそれぞれ回転磁界が生じ、この回転磁界の発生を第１及び第２マグネット２３，２４が受けてロータが回転する。このようなクローポール型モータ１０では、各コイル３４ａ〜３５ｂに駆動電流を流すことで生じる磁束が内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにそれぞれ分散して磁気飽和が生じ難くなるため、大電流を流した高トルク出力が可能となっている。

また、制御部４０によって内周側のコイル３４ａ，３５ａ、又は外周側のコイル３４ｂ，３５ｂのみに電流を供給するように通電制御された場合においても、内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ、及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにそれぞれ回転磁界が生じてロータが回転する。このように、制御部４０による通電制御を、内周側のコイル３４ａ，３５ａと外周側のコイル３４ｂ，３５ｂで同時に、内周側のコイル３４ａ，３５ａのみ、又は外周側のコイル３４ｂ，３５ｂのみと使い分けることでモータ性能を変化させることが可能となっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）環状部材としての各相のステータリング３１〜３３の内周側ポール３１ｄ〜３３ｄとロータの第１マグネット２３とが、外周側ポール３１ｅ〜３３ｅとロータの第２マグネット２４とがそれぞれモータ径方向において対向配置される。そして、各相のステータリング３１〜３３間に設けられた環状のＵ−Ｖ相コイル３４ａ，３４ｂ、Ｖ−Ｗ相コイル３５ａ，３５ｂに通電することで内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにて発生する回転磁界が第１及び第２マグネット２３，２４にそれぞれ作用してロータが回転する。このため、各コイル３４ａ〜３５ｂに駆動電流を流すことで生じる磁束が内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにそれぞれ分散して磁気飽和が生じ難くなるため、大電流を流した高トルク出力が可能となる。

（２）各相のステータリング３１〜３３の基部３１ａ〜３３ａには、軸線Ｌ方向に突出するとともに隣り合うステータリング（当接部）と当接する当接部３１ｆ〜３３ｆが形成される。このため、当接部３１ｆ〜３３ｆが磁気回路を構成するため、コイル通電時の磁気飽和をより抑制することが可能である。

（３）当接部３１ｆ〜３３ｆは基部３１ａ〜３３ａの周方向全体に亘って環状に設けられるため、当接部３１ｆ〜３３ｆによる磁気飽和の抑制効果を向上させることができる。
（４）コイル３４ａ〜３５ｂは、基部３１ａ〜３３ａの径方向中央に配置された当接部３１ｆ〜３３ｆの内周側及び外周側にそれぞれ設けられる。このため、制御部４０による通電制御を、内周側のコイル３４ａ，３５ａと外周側のコイル３４ｂ，３５ｂで同時に、内周側のコイル３４ａ，３５ａのみ、又は外周側のコイル３４ｂ，３５ｂのみと使い分けることでモータ性能を変化させることが可能である。

（５）各コイル３４ａ〜３５ｂに対して個別に通電制御可能な通電制御手段を備え、内周側のコイル３４ａ，３５ａ及び外周側のコイル３４ｂ，３５ｂには通電制御手段により同一方向の電流が供給される。これにより、内周側のコイル３４ａ，３５ａと外周側のコイル３４ｂ，３５ｂとで互いに逆方向の電流を流したときにそれぞれ発生する回転磁界が互いに干渉し合うことで生じるモータ性能の低下を防止することができる。

（６）内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅは互いに同数（２４個）設けられるため、各コイル３４ａ〜３５ｂに駆動電流を流すことで生じる磁束を内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにそれぞれバランス良く分散させることができ、その結果、コイル通電時の磁気飽和をより抑制することができる。

（７）内周側ポール３１ｄ〜３３ｄの周方向幅が、外周側ポール３１ｅ〜３３ｅの周方向幅より小さく形成されるため、クローポール型モータ１０の小型化により貢献することができる。

（８）各相のステータリング３１〜３３はそれぞれ、内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅが一体に形成された１つの部材からなるため、部品数を少なくすることができる。また、一体のため磁気抵抗が小さく磁束が内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅにそれぞれ分散し易くなり、磁気飽和をより抑制することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、第１マグネット２３の極数は１６極に形成され、内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅの数（スロット数）はそれぞれ２４スロットに形成されたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、内周側及び外周側をともに１６極１８スロットに形成してもよい。このような構成によれば、極とスロット数の最小公倍数が大きくなり、コギングトルク及びトルクリップルを低減することが可能である。また、図６に示すように、外周側は上記実施形態と同様に１６極２４スロットのままで、内周側を８極１２スロットとしてもよい。尚、Ｕ相〜Ｗ相の内周側ポール３１ｄ〜３３ｄは、外周側ポール３１ｅ〜３３ｅのＵ相〜Ｗ相と同様の並び順となっている。このような構成によれば、内周側ポール３１ｄ〜３３ｄの数が外周側ポール３１ｅ〜３３ｅの数より少なく構成されるため、クローポール型モータの小型化に貢献することができる。

・上記実施形態では、当接部３１ｆ〜３３ｆの内周側及び外周側にそれぞれコイル３４ａ〜３５ｂが設けられたが、どちらか一方のみに設けてもよい。
・上記実施形態では、当接部３１ｆ〜３３ｆは各相のステータリング３１〜３３の周方向全体に亘って設けられたが、間欠的に設けてもよく、また、当接部３１ｆ〜３３ｆを設けない構成としてもよい。

・上記実施形態では、複数の環状部材としてのＵ〜Ｗ相ステータリング３１〜３３はそれぞれ、内周側ポール３１ｄ〜３３ｄ及び外周側ポール３１ｅ〜３３ｅが一体に形成された１つの部材から構成されたが、これ以外に例えば、径方向中央で分割して内周側と外周側とで別体に構成してもよい。

本実施形態におけるクローポール型モータを示す断面図である。 ロータ及びステータを示す斜視図である。 ステータの分解図である。 ロータ及びステータの平面図である。 別例におけるステータを示す平面図である。 別例におけるステータを示す平面図である。

符号の説明

１０…クローポール型モータ、１４…ロータを構成する回転軸、１５…ステータ、２１…ロータを構成する第１ヨーク、２２…ロータを構成する第２ヨーク、２３…ロータを構成する第１マグネット、２４…ロータを構成する第２マグネット、３１〜３３…環状部材としてのＵ相、Ｖ相及びＷ相ステータリング、３１ｄ〜３３ｄ…内周側ポール、３１ｅ〜３３ｅ…外周側ポール、３１ｆ〜３３ｆ…当接部、３４ａ，３４ｂ…Ｕ−Ｖ相コイル、３５ａ，３５ｂ…Ｖ−Ｗ相コイル、４０…通電制御手段としての制御部。

Claims (9)

1. モータ軸線方向に積層された複数の環状部材の間に環状のコイルを介在させてなるステータと、該ステータの内周側に配置された回転軸を有するロータとを備えて構成され、
   前記ロータは、前記回転軸に固定され前記ステータの内周側及び外周側にそれぞれ延びる一対のヨークと、その各ヨークに固着され、前記ステータの内周側及び外周側にそれぞれ配置された第１及び第２マグネットを備え、
   前記複数の環状部材にはそれぞれ、前記第１及び第２マグネットとモータ径方向にそれぞれ対向する内周側ポール及び外周側ポールが設けられ、
   前記コイルへの通電により前記内周側及び外周側ポールにて発生した回転磁界が前記第１及び第２マグネットにそれぞれ作用して前記ロータが回転することを特徴とするクローポール型モータ。
2. 請求項１に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記環状部材には、前記軸線方向に突出するとともに隣り合う前記環状部材と当接する当接部が形成されたことを特徴とするクローポール型モータ。
3. 請求項２に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記当接部は、前記環状部材の周方向全体に亘って環状に設けられたことを特徴とするクローポール型モータ。
4. 請求項２又は３に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記コイルは、前記環状部材の径方向中央に配置された前記当接部の内周側及び外周側にそれぞれ設けられたことを特徴とするクローポール型モータ。
5. 請求項４に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記内周側及び外周側のコイルに対して個別に通電制御可能な通電制御手段を備え、該通電制御手段は前記内周側及び外周側のコイルに供給する電流が同一方向となるように通電制御することを特徴とするクローポール型モータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記各環状部材には、前記内周側ポールと前記外周側ポールとが互いに同数設けられたことを特徴とするクローポール型モータ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記内周側ポールの数が前記外周側ポールの数より少なく構成されたことを特徴とするクローポール型モータ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記内周側ポールの周方向幅が、前記外周側ポールの周方向幅より小さく形成されたことを特徴とするクローポール型モータ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のクローポール型モータにおいて、
   前記複数の環状部材はそれぞれ、前記内周側及び外周側ポールが一体的に形成された１つの部材からなることを特徴とするクローポール型モータ。

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