JP2011100841A - 磁性素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンポジット磁性部材と巻き線間の絶縁が十分に確保でき、その上容易に製造できる磁性素子を提供すること。
【解決手段】 下ケース３に巻き線を挿入し、次いで上ケース１を嵌合させ、その際巻き線の端末２ａは上ケース１の突き出し部に設けた穴１ｂを通しケース５０の外部に引き出し、巻き線部材８を得、この巻き線部材８をコンポジット磁性体により注型する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、コンポジット磁性部材と巻き線とが注型により一体で成形される磁性素子に関し、特に電気自動車やハイブリッド自動車等の車体駆動動力用モーターの電力変換装置であるインバータの昇圧回路などに用いて好適な、大電流通電や高電圧印加などに対応するリアクトル等の磁性素子に関する。

従来この種の磁性素子は、金属磁性材料粉末と絶縁樹脂を含むコンポジット磁性部材が巻き線を内包し、巻き線を引き出し、端子部とする構成が一般的である。コンポジット磁性部材としては、鉄損を小さくするため含有する磁性粉末間に渦電流が流れにくい数Ωｃｍ以上の比抵抗が必要であるが、数百Ｖ以上の高電圧下においてはコンポジット磁性部材自体の絶縁性は低いため、巻き線と密着形成されるコンポジット磁性部材の間には確実な絶縁構造を有することが重要である。

また、磁性素子は自由な形状に成形できることと、前記巻き線と磁性部材が密着形成できることから、スペースロスは最小であり小型化が可能であるという特長があるが、絶縁構造があまり厚いものとなると、製品の外径一定下においては、磁性素子の磁気性能を得るために必要なコンポジット磁性部材の体積が減少し、また、巻き線の外周が大きくなることによる実効磁路長の増大によりインダクタンスの低下等の弊害が生じるためできるだけ薄く確実な絶縁構造とすることが重要である。

また、過酷な環境下の用途に対応するため、熱、振動などへの配慮はもちろん、今後の環境対応製品の普及展望の観点から、より低コストな製法による磁性素子が求められている。

ところで、この種の技術としてコンポジット磁性部材と巻線を一体で形成する磁性素子が知られている（特許文献１（図１−８））。

また、超高圧用の機器の場合には絶縁を確実にするためにコイルのまわりに一旦絶縁パイプ等の絶縁材を装填してから鉄粉等の強磁性体粒子及び樹脂等の固定剤の注型を行う技術が知られている（特許文献２（第５頁左上欄第８−１２行））。

また、型との間に部分的に板状、リング状のスペーサなどの他部材を挟み込んで型と巻き線との位置決めをし、厚みを確保した状態で注型する方法も知られている（特許文献３（段落００１９−００２７））。

その他に、モールドコイルとして電気絶縁物で被覆した導体をボビンに巻回した巻線に無機充填剤を含有する熱硬化性樹脂組成物を注型後に硬化して形成するモールドコイルあるいは、内側巻線に対して同軸状に配置した外側巻線の周囲を、無機充填剤が含有する熱硬化性樹脂組成物で注型後に硬化して形成する一体化モールドコイルが知られている（特許文献４（要約））。

特開２００１−１８５４２１号公報 特開昭４８―１７２４号公報 特開２００６−４９５７号公報 特開２００３−２５７７５０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、巻線の素線に予め施された絶縁被膜には、部分的なキズ、ピンホール等の欠陥が存在する可能性があり、前記欠陥とコンポジット磁性部材が含む金属等の粒子が接近すると絶縁不良を生じる可能性があり、製造の管理には相当の配慮が必要であり、特に数百Ｖの電圧がかかる素子の場合には安全のために実力的には数千Ｖの絶縁耐圧を有することが望ましく、さらなる絶縁層を具備する必要があった。

また、特許文献２に開示された技術では、絶縁パイプを装填しただけでは、絶縁パイプが内包する巻き線の全面を端子部も含め隙間なく確実に覆うことは難しく、絶縁パイプに外接するコンポジット磁性部材との絶縁が不十分になる恐れがあった。また、このような構造では絶縁パイプと巻き線との間は空隙となり、放熱性の低下が生じたり、および絶縁パイプと巻き線が固定されておらず、外部振動などにより巻き線が摩耗したり、さらには破損してしまう恐れがあった。

また、巻き線の外面全体を覆うように絶縁層を一体で内包しつつ成型する方法として注型、射出成形、トランスファー成形などの方法が知られている。これらの方法においては成形する際の型と巻き線の位置を正確に配置し保持しつつ成形することが難しく、巻き線と型との位置ズレのため場所により形成された絶縁層に厚い部分や薄い部分が生じる可能性があること、および気泡、クラックなどの欠陥が生じる可能性もあり、製造管理には相当の配慮が必要である。ここで、コンポジット磁性部材と巻き線とが一体で成形される注型方式による磁性素子において巻き線の表面を絶縁する部材が厚いと、製品外径一定下では磁性素子の磁気性能を得るために必要なコンポジット磁性部材の体積が減少し、また、巻き線の外周が大きくなることによる実効磁路長の増大によりインダクタンスの低下等の弊害が生じるため、絶縁する部材の厚みは０．３〜２ｍｍ程度とすることが望ましい。しかるに、射出成形などの加圧成形において上記のような薄い間隙のものを成型する場合、注入圧力が数百ＭＰａと高くなるため、巻き線自体が変形してしまうなどの弊害が生じる可能性があり適用は難しい。

ところで、特許文献３に開示された技術では、用いたスペーサと注入した絶縁物との弾性率や線膨張係数が違う場合、熱的なストレスがかかったり、接着面の表面状態により接着力が不十分であったりすると界面のはく離などにより絶縁性が低下するため、製造管理には相当の配慮が必要となる。

また絶縁性を高めるために前記絶縁層を複数層とすることも考えられるが、加工工程が増えることによりコストアップしてしまうことと、各工法ともに形成に必要な最低厚み分だけ絶縁層が厚くなり、素子の磁気性能の低下を生じ好ましくない。

さらに巻き線に絶縁樹脂を塗装する方法もあるが、絶縁に必要な最低厚みが確実に確保できない可能性と、気泡などの欠陥が生じる可能性があり、多層塗りが必要になるなど工程が複雑化するため好ましくない。

また、特許文献４に開示された技術では、これらのモールドコイルは磁心とは空間を有しつつ構成される一般の変圧器等の機器への適用を前提としており、端子部まで含めコンポジット磁性部材が密着形成される構造においての確実な絶縁性能を有するものではなかった。

本発明は、上記の課題を解決し、コンポジット磁性部材と巻き線間の絶縁が十分に確保でき、その上容易に製造できる磁性素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、コンポジット磁性部材と巻き線とが一体で成形される注型方式による磁性素子において、前記巻き線がコンポジット磁性部材と接する面の全面が絶縁体のケースで覆われて収納された磁性素子とする。また前記ケースは２ピース以上に分割されており、巻き線を収納した形態において前記分割部は互いにオーバーラップするよう嵌合した磁性素子である。また前記ケースは少なくとも２箇所の突き出し部を有し、前記突き出し部はコンポジット磁性部材を注型固化させた磁性素子において前記コンポジット磁性部材の外部まで突き出しているとともに、前記突き出し部は巻き線の２箇所の端末が貫通し引き出せる穴を有する磁性素子とする。また前記ケースと収納された巻き線との空隙には絶縁性の樹脂が充填されていることを特徴とする絶縁構造を有する磁性素子とする。また前記ケースの突き出し部が有する穴は、巻き線が貫通できる形状であるとともに、前記絶縁性の樹脂を充填する際の流路を有することを特徴とする絶縁構造を有する磁性素子とする。

前記絶縁構造は巻き線に前記ケースを装着し前記ケースが有する穴より上まで前記絶縁性の樹脂に浸漬した状態で真空含浸し、ケース内に絶縁性樹脂を注入させた後、加熱硬化させた構造を有する磁性素子とする。

即ち本発明によれば、コンポジット磁性部材と巻き線とが注型により一体で成形される磁性素子において、前記巻き線が前記コンポジット磁性部材と接する全面が絶縁体からなるケースで覆われて収納されていることを特徴とする磁性素子が得られる。

また本発明によれば、前記ケースは少なくとも２つの部材に分割されており、前記巻き線を収納した状態で前記部材は互いに重なるよう嵌合されていることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また本発明によれば、前記コンポジット磁性部材の外部まで突出している、少なくとも２つの突き出し部を有し、前記突き出し部は前記巻き線の端末が貫通する穴を有することを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また本発明によれば、前記ケースと前記巻き線との空隙に絶縁樹脂が充填されていることを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また本発明によれば、前記突き出し部の穴は、前記巻き線の端末が貫通でき、かつ前記絶縁樹脂を充填する際の流路となる間隙を有することを特徴とする上記の磁性素子が得られる。

また本発明によれば、前記巻き線が前記ケースに収納され、前記穴の位置が前記絶縁樹脂の液中にある状態で真空含浸により、前記ケース内に前記絶縁樹脂を前記穴から注入させて加熱硬化させたことを特徴とする上記の磁性素子が得られる。
が得られる。

本発明の磁性素子によれば、コンポジット磁性部材と巻き線とが一体で成形される注型方式による磁性素子の絶縁構造において、絶縁に必要な最低厚みが確保された絶縁ケースおよびケース内部に充填された絶縁樹脂により巻き線全面がコンポジット磁性部材に対し絶縁されていると同時に、気泡などの欠陥や、スペーサとの界面など絶縁の低下の恐れがある要素を有せず、嵌合部分がさらに絶縁樹脂にて含浸されることにより、数千Ｖの電圧に耐えうる巻き線の絶縁構造を容易に得ることができる。

また、ケース内部に絶縁樹脂が充填されていることにより放熱性の低下を生じず、外部振動などにより巻き線が摩耗したり、さらには破損してしまったりする恐れのない絶縁構造を容易に得ることができる。

本発明の実施例１に係る上ケースの斜視図である。 本発明の実施例１に係る巻き線の斜視図である。 本発明の実施例１に係る下ケースの斜視図である。 本発明の実施例１に係るコイルにケースを装着した状態の斜視図である。 本発明の実施例１に係るコイルにケースを装着した状態の説明図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図である。 本発明の実施例１に係る上ケース突き出し部の穴の形状を示す平面図であり、図６（ａ）は拡張部を有しない穴の形状を示す図、図６（ｂ）は拡張部を有する穴の形状を示す図である。 本発明の実施例１に係る絶縁構造を模式的に示す断面図である。 本発明の実施例１に係る磁性素子の断面図である。 本発明の実施例２、３に係る絶縁構造の断面図であり、図９（ａ）は実施例２を示す図、図９（ｂ）は実施例３を示す図である。 本発明の実施例４、５に係る絶縁構造の断面図であり、図１０（ａ）は実施例４を示す図、図１０（ｂ）は実施例５を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明の実施の形態における磁性素子は、巻き線を下ケースに収納して絶縁樹脂を充填して上ケースで覆った巻き線部材と、これを注型するコンポジット磁性部材と、これらを収納した外ケースとで構成したものである。

本発明において、コンポジット磁性部材は例えばＦｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系などの鉄系の磁性粉末と熱硬化性などの液状の樹脂を混合しスラリー状としたものを用いることができる。鉄系の磁性粉末は非鉄成分を含有することにより飽和磁歪および結晶磁気異方性が小さくなる組成があり鉄損は小さくできるが、逆に非鉄成分が多くなると飽和磁束密度が低下し、磁性素子としたときの磁気飽和が生じやすくなるため非鉄成分種と含有量は用途により適宜選択される。熱硬化性の樹脂はスラリーとしたときの流動性が十分であるよう低粘度のものが好ましい。また、熱硬化性樹脂の硬化後の弾性率、破壊強度、破断伸びなどの機械的性質は磁性素子として使用される通電条件による発熱と、使用環境、冷却機構などによる温度上昇に対し、十分な耐熱性と耐寒性を有するとともに、熱ストレスによる破壊が生じないことが必要であり、例えば破壊強度が高いエポキシ樹脂や破断伸びが大きいシリコーン樹脂などを用いることができる

本発明において、巻き線は平角線をエッジワイズ形状に巻きまわしたものが占積率が高く小型化に適するが、丸線を巻回したものでも良い。また、巻き線の巻き形状は円形が一般的であるが、これに限ったものではなく長円形状やコーナーがＲ状である矩形でもよい。

本発明におけるケースの材質は弾性率、破壊強度、破断伸びなどの機械的性質は磁性素子として使用される通電条件による発熱と、使用環境、冷却機構などによる温度上昇に対し、十分な耐熱性と耐寒性を有するとともに、熱ストレスによる破壊が生じないことはもちろん、巻き線との組み付け、嵌合などのハンドリングにより容易に破壊しない材料であればよく、例えば破断伸びが比較的大きいＰＢＴ、ＬＣＰ、６ナイロンなどを用いることができる。また、適宜フィラーを含有し、熱伝導率を向上させたものであることが望ましい。

また、本発明におけるケースは例えば外径が略円筒形状とし円筒の回転対称軸を鉛直に置いたとき上部円筒（以下、上ケースという）と下部円筒（以下、下ケースという）の２ピースに分離する構造であり、上ケースは巻き線外周に面する外部円筒と巻き線内周に面する内部円筒および天板とが一体に形成されたものであり、下ケースは巻き線外周に面する外部円筒と巻き線内周に面する内部円筒と底板とが一体に形成されたものである。これらの上ケースと下ケースは互いにオーバーラップするように嵌合し、嵌合する長さはあまり短いと製造過程で嵌合しているかどうかの確認ができにくいため全高の１％以上とすることが望ましい。また、嵌合作業をしやすくするため上下ケースの内外円筒部の端部は面取りされていることが望ましい。なお、ケースは、３分割以上とすることもできる。例えば、側面となる部分は、単純な円筒形状として作製し、組み立て時に上下ケースと嵌合する構成としてもよい。また、円筒を内側と外側の二重構成とし、４分割としてもよい。

ここで、前記上ケースの天板には上に向かって２箇所の突き出し部があり、前記突き出し部はコンポジット磁性部材を注型固化させた磁性素子において前記コンポジット磁性部材の外部まで突き出しているとともに、前記突き出し部は巻き線の２箇所の端末が貫通し引き出せる穴を有している。前記穴は巻き線の素線断面に対し０〜０．５ｍｍ程度のクリアランスとすると、巻き線の端末は所望の位置に保持固定されることとなり、端末が接続される相手端子との組み付け性が向上する。

また、穴は、巻き線の端末が所望の位置範囲となるよう巻き線の素線断面に沿った形状とするが、全周が沿っている必要はなく、穴の一部を外部に拡張し、拡張部を流路として嵌合したケース内に絶縁樹脂を真空含浸することができる。これにより巻き線は完全にケースに収納された状態で端子部も含めコンポジット磁性部材と直接接する箇所のない絶縁構造が得られ、さらにケース内部および嵌合部の外面と内面および隙間は絶縁樹脂で充填されるためより絶縁性を高めることができる。

なお、平角線をエッジワイズ形状に巻回した巻き線を、巻軸を鉛直方向とし、上部の端末を適当な位置で上方向に向かうよう直角に折り曲げたとすると、残る一方の端末は底部にあり、下部端末を巻き線の外周に沿って鉛直に上方向に向かうように直角に折り曲げて引き出す形状とし、もう一方の端末と同じ方向とするとコンポジット磁性部材を注型し固化させた磁性素子の上部に２箇所の端末が配置された構成となり、他部品との接続の作業性が容易となる。この場合、前記ケースは下側の端末の引きだし部分も内包されるよう円筒形状の一部が張り出した形状となる。なお、端子部において、突き出し部は、３箇所以上とすることもできる。例えば、巻き線がバイファイラ巻きのように端末が２本以上となる場合は１箇所の突き出し部の穴から複数本引き出してもよい。また、端末の本数に応じた数量としてもよい。さらに、突き出し部は巻き線が貫通する最低２箇所と、樹脂が流入する最低１箇所というように分けて構成してもよい。また、巻き線の貫通、樹脂の流入もしない機能性のないダミーを設けてもよい。

一般に成形樹脂の絶縁耐圧は２０ｋＶ／ｍｍ前後であることから、仮に５ｋＶの絶縁耐圧を得るには０．２５ｍｍのケース厚みとすればよく、これにより数百Ｖでの使用に対し耐えうる磁性素子の巻き線の絶縁厚みを、他の成型方法と比較し安定して容易に得ることができる。

本発明の実施例の磁性素子について図面を参照し説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る上ケースの斜視図である。図２は、本発明の実施例１に係る巻き線の斜視図である。図３は、本発明の実施例１に係る下ケースの斜視図である。図４は、本発明の実施例１に係るコイルにケースを装着した状態の斜視図である。図５は、本発明の実施例１に係るコイルにケースを装着した状態の説明図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図である。

図２に示すように、素線は厚さ０．８ｍｍ、幅９ｍｍの平角銅線にＡＩＷ被膜を施したものを用い、内径は６０ｍｍにてエッジワイズ形状で３２ターン巻き回し、２箇所の端末が上方向となるように端末２ａを曲げて巻き線２を作製した。巻き線２の寸法は、外径７８ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ３２ｍｍである。

次に、図３に示すように、下ケース３は、巻き線と０．５ｍｍのクリアランスにて内包する寸法にて板厚０．５ｍｍとし、材質はＰＢＴ材にて切削加工で作製し、図１に示すように上ケース１は下ケース３と嵌合する寸法にて板厚０．５ｍｍとしＰＢＴ材にて作製し、上ケース１には素線が貫通する穴をもつ突き出し部１ａを２箇所設けた。

次に、図４、図５に示すように、下ケース３に巻き線を挿入し、次いで上ケース１を嵌合させた。その際巻き線の端末２ａは上ケース１の突き出し部に設けた穴１ｂを通しケース５０の外部に引き出し、巻き線部材８を得た。

図６は、本発明の実施例１に係る上ケース突き出し部の穴の形状を示す平面図であり、図６（ａ）は拡張部を有しない穴の形状を示す図、図６（ｂ）は拡張部を有する穴の形状を示す図である。図６に示すように、上ケースの突き出し部１ａに設けた。穴１ｂは巻き線の端末２ａより０．３ｍｍ大きく、さらに絶縁樹脂を真空含浸する際の流路として拡張部１ｃを設けた。

図７は、本発明の実施例１に係る絶縁構造を模式的に示す断面図である。実施例１では、図７に示すように、上下ケースの嵌合形状を上ケース１が下ケース３の外側に嵌合するようにした。

図８は、本発明の実施例１に係る磁性素子の断面図である。次いで図８に示すように、液状の絶縁樹脂としてナガセケムテックス社製の２液混合熱硬化型エポキシ樹脂ＸＮＲ４４５５と硬化剤ＸＮ１２１３を所定量混合したものを容器に取り、巻き線に上ケース１、下ケース３を装着し、上ケース１の穴の上面以上に絶縁樹脂の液面がある状態に浸漬し、真空度４．０×１０^２Ｐａにて真空含浸を行い絶縁樹脂を嵌合したケース内に充填させ、これを引き上げた後エアーブローにてケースの外面に付着している余分な液状のエポキシ樹脂を除去した後１２０℃、３時間で硬化させた。

内部に充填された絶縁樹脂を硬化させた巻き線と上下ケースとを外ケースとしてのアルミケース５に固定部材を用いてセットした後、コンポジット磁性部材４を注型し加熱硬化させ、実施例１の磁性素子１０を得た。磁性素子の寸法は、外径９３ｍｍ、高さ５１ｍｍである。コンポジット磁性部材４は、磁性粉末としてＦｅ６．５％Ｓｉのガスアトマイズ粉末を６０体積％、残分が２液混合熱硬化型エポキシ樹脂であるジャパンエポキシレジン社製エピコート８２７とキュアＷを所定の比率とし混合し作製した。固定部材はコンポジット磁性部材４を予めブロック状に硬化させ作製した。

次に、他の実施例を示す。図９は、本発明の実施例２、３に係る絶縁構造の断面図であり、図９（ａ）は実施例２を示す図、図９（ｂ）は実施例３を示す図である。図１０は、本発明の実施例４、５に係る絶縁構造の断面図であり、図１０（ａ）は実施例４を示す図、図１０（ｂ）は実施例５を示す図である。

（実施例２）
図９（ａ）に示すように、上下ケースの嵌合形状を上ケース１１が下ケース１３の内側に嵌合するようにし、他は実施例１と同様に作製した。

（実施例３）
図９（ｂ）に示すように、上ケース２１は外周端が二重に形成され、その内外で下ケース２３が嵌合するようにし、他は実施例１と同様に作製した。

（実施例４）
図１０（ａ）に示すように、上ケース３１、下ケース３３の上下方向の中間で嵌合するようにし、他は実施例１と同様に作製した

（実施例５）
図１０（ｂ）に示すように、下ケース４３の上部に断面が平板状の上ケース４１が嵌合するようにし、他は実施例１と同様に作製した。

（比較例）
比較例として、実施例１と同様にして得られた巻き線の角部をキャップで保護した後、液状の絶縁樹脂としてナガセケムテックス社製の２液混合熱硬化型エポキシ樹脂ＸＮＲ４４５５と硬化剤ＸＮ１２１３を所定量混合した液中に浸漬し、これを引き上げた後エアーブローにてケースの外面に付着している余分な液状のエポキシ樹脂を除去した後、１２０℃、３．５時間で硬化させた。浸漬、硬化を２回繰り返した。得られた樹脂被覆巻き線を実施例１と同様にして、コンポジット磁性部材を注型し、実施例１と同じ寸法の磁性素子を作製した。

上記にようにして作製した実施例及び比較例による磁性素子の巻き線の端子とアルミケース間の絶縁耐圧を絶縁耐圧試験機ＫＩＫＵＳＵＩ製ＷＩＴＨＳＴＡＮＤＩＮＧ ＶＯＬＴＡＧＥ ＴＥＳＴＥＲ−ＩＯＳ８７００を用いて測定した。

その結果、実施例１〜４では１０ｋＶの電圧でも破壊せず、実施例５では絶縁破壊電圧が８ｋＶであった。なお、比較例でも当然１０ｋＶでは破壊しなかった。

本発明の実施例では、比較例と同様に、いずれの例ともに高い絶縁破壊電圧を示し、高い絶縁性能を有する磁性素子を得ることができた。

また、本発明の実施の例は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１、１１、２１、３１、４１ 上ケース
１ａ 突き出し部
１ｂ （素線断面に沿った）穴
１ｃ 拡張部
２ 巻き線
２ａ （巻き線）端末
３、１３、２３、３３、４３ 下ケース
４ コンポジット磁性部材
５ アルミケース
６ 絶縁樹脂
８ 巻き線部材
１０ 磁性素子
５０ （上下）ケース

Claims (6)

1. コンポジット磁性部材と巻き線とが注型により一体で成形される磁性素子において、前記巻き線が前記コンポジット磁性部材と接する全面が絶縁体からなるケースで覆われて収納されていることを特徴とする磁性素子。
2. 前記ケースは少なくとも２つの部材に分割されており、前記巻き線を収納した状態で前記部材は互いに重なるよう嵌合されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
3. 前記コンポジット磁性部材の外部まで突出している、少なくとも２つの突き出し部を有し、前記突き出し部は前記巻き線の端末が貫通する穴を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性素子。
4. 前記ケースと前記巻き線との空隙に絶縁樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁性素子。
5. 前記突き出し部の穴は、前記巻き線の端末が貫通でき、かつ前記絶縁樹脂を充填する際の流路となる間隙を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の磁性素子。
6. 前記巻き線が前記ケースに収納され、前記穴の位置が前記絶縁樹脂の液中にある状態で真空含浸により、前記ケース内に前記絶縁樹脂を前記穴から注入させて加熱硬化させたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の磁性素子。

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