JP2011172358A - 同期回転機の制御装置、及び同期回転機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を用いた回転子を備えた同期回転機における回転子巻線に流す励磁電流の位相を容易に且つ正確に決定することができるようにする。
【解決手段】回転位置検出センサ２００を光学式ロータリエンコーダで構成する。具体的に生成部２０１の一つであるスリット円板２０１を、同期モータ１００の回転軸１０３に取り付ける。また、生成部２０１の他の部分であるＬＥＤ２０１ｂ及びマスク２０１ｃと、検出部２０２であるフォトトランジスタ２３１〜２３３とを、回転軸１０３と同軸で回転するケース３０３に取り付ける。そして、固定子巻線に流す励磁電流の位相を変える場合、又は、当該励磁電流の初期位相を決定する場合に、制御部４００によりケース３０３を回転させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、同期回転機の制御装置、及び同期回転機の制御方法に関し、特に、回転子の磁極として永久磁石を用いた同期回転機の回転子の回転動作を制御するために用いて好適なものである。

従来から、磁極として永久磁石が周方向に一定間隔で配置された回転子を備えた同期回転機（電動機又は発電機）がある。同期回転機では、固定子（ステータ）巻線に流す励磁電流の位相と、回転子（ロータ）の回転位置とが一定の角度（電気角）となるように運転される。このため、回転子の回転位置を検出するセンサを設け、そのセンサからの出力に基づいて、基準となる回転位置（以下、必要に応じて基準位置と称する）を検出する。そして、インバータが、その基準位置を基準として、固定子巻線に流す励磁電流の位相を調整するようにしている（特許文献１を参照）。

特開平６−２４５３１４号公報

ところで、前述した同期回転機では、トルクを増減させるために、固定子巻線に流す励磁電流の位相と、回転子の回転位置との角度（すなわち、固定子巻線に流す励磁電流の位相）を変更することがある。このような場合、キャリア周波数の低いインバータでは、位相制御の刻みが粗くなるため、位相の変更前と変更後とで、固定子巻線に流す励磁電流の波形を上手く繋げるのが困難になる。このように従来の技術では、スムーズな位相制御が困難となり、同期速度と実際の回転速度が一致しなくなる状態（脱調）が起こり易く、同期状態に復帰することが出来なくなる虞があるという問題点があった。このことは、多極の回転子を高速で回転する場合に顕著となる。そこで、キャリア周波数の高いインバータを採用することも考えられるが、このようなインバータは発熱量が多く、高価である。
また、同期電動機の始動時には、回転子が停止しているため、前述したセンサで、回転子の回転位置を検出することができない。よって、始動時における、固定子巻線に流す励磁電流の位相を決定することが容易でないという問題点もあった。

本発明は以上の問題点に鑑みてなされたものであり、永久磁石を用いた回転子を備えた同期回転機における回転子巻線に流す励磁電流の位相を容易に且つ正確に決定することができるようにすることを目的とする。

本発明の同期回転機の制御装置は、回転子の磁極として永久磁石を用いた同期回転機の回転子の回転動作を制御する同期回転機の制御装置であって、少なくとも一部が前記同期回転機の回転軸に取り付けられて前記回転軸と共に回転するものであり、前記同期回転機の回転子の回転位置を示す回転位置情報を生成する生成部と、前記同期回転機の回転子と同軸で回転することが可能であり、前記生成部で生成された回転位置情報の検出位置に基づいて、前記回転子の基準位置を検出する検出部と、前記同期回転機の回転子と同軸で前記検出部を回転させる駆動部と、前記同期回転機の固定子巻線に流す励磁電流として、前記基準位置に基づく固定の位相の励磁電流を生成するインバータと、を有することを特徴とする。

本発明の同期回転機の制御方法は、回転子の磁極として永久磁石を用いた同期回転機の回転動作を制御する同期回転機の制御方法であって、少なくとも一部が前記同期回転機の回転軸に取り付けられて前記回転軸と共に回転する生成部により、前記同期回転機の回転子の回転位置を示す回転位置情報を生成する第１の生成工程と、前記同期回転機の回転子と同軸で回転することが可能な検出部により、前記第１の生成工程で生成された回転位置情報の検出位置に基づいて、前記回転子の基準位置を検出する検出工程と、前記同期回転機の回転子と同軸で前記検出部を回転させる駆動工程と、前記同期回転機の固定子巻線に流す励磁電流として、前記基準位置に基づく固定の位相の励磁電流を、インバータにより生成する第２の生成工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、同期回転機の回転子の回転位置を示す回転位置情報を生成する生成部の少なくとも一部を同期回転機の回転軸に取り付ける。また、回転子の現在の回転位置と、回転子の基準位置とを検出する検出部を、同期回転機の回転子と同軸で回転させる。このように同期回転機の回転子と同軸で検出部を回転させることにより、回転子の基準位置が変更され、この変更後の基準位置に基づいて、同期回転機における回転子巻線に流す励磁電流の位相を決定することにより、当該位相を変更することができる。また、このように同期回転機の回転子と同軸で検出部を回転させることにより、同期回転機を駆動していなくても回転子の回転位置を検出することができ、同期回転機の始動時における励磁電流の位相を決定することができる。よって、永久磁石を用いた回転子を備えた同期回転機における回転子巻線に流す励磁電流の位相を容易に且つ正確に決定することができる。

本発明の実施形態を示し、同期モータの制御システムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、同期モータ、回転位置検出センサ、及びセンサ駆動部の概略構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態を示し、回転位置検出センサの構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、フォトトランジスタ群の位置が変更される様子の一例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、回転位置検出センサの第１の変形例を示す図である。 本発明の実施形態を示し、回転位置検出センサの第２の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、同期モータの制御システムの構成の一例を示す図である。尚、各図では、説明に必要な構成のみを簡略化して示す。
図１において、同期モータの制御システムは、同期モータ１００と、回転位置検出センサ２００と、センサ駆動部３００と、制御部４００と、インバータ５００とを有する。
同期モータ１００は、同期回転機の一例であり、回転子（ロータ）と、固定子（ステータ）と、回転軸等を有し、負荷６００を駆動する。また、同期モータ１００は、回転子の磁極として複数の永久磁石を備え、当該複数の永久磁石が周方向に一定間隔で配置されている。

回転位置検出センサ２００は、同期モータ１００の回転子の現在の位置（磁極の位置）と基準位置とを検出するためのセンサである。回転位置検出センサ２００は、生成部２０１と、検出部２０２とを有する（図２、図３を参照）。詳細は後述するが、生成部２０１は、少なくとも一部が同期モータ１００の回転軸に取り付けられ、回転子の回転位置を示す回転位置情報を生成するためのものである。一方、検出部２０２は、同期モータ１００の回転軸と同軸で回転（回動）することが可能なケースに取り付けられ、生成部で生成された回転位置情報に基づいて、回転子の回転位置（基準位置を含む）を検出する。特に、回転子の基準位置は、生成部２０１で生成された回転位置情報の検出位置に基づいて検出される。
センサ駆動部３００は、回転位置検出センサ２００の検出部２０２が取り付けられているケース３０３（図２を参照）を、同期モータ１００の回転軸と同軸で回転（回動）させるためのものである。

制御部４００は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、及び各種のインターフェースを備えたコンピュータにより実現され、センサ駆動部３００及びインバータ５００の動作を制御する。詳細は後述するが、本実施形態では、制御部４００は、同期モータ１００を始動する前に、センサ駆動部３００に対して駆動信号を生成する。制御部４００は、このようにして回転位置検出センサ２００の検出部２０２が取り付けられているケース３０３を回転させることにより回転位置検出センサ２００で検出された回転位置情報に基づいて、同期モータ１００の固定子巻線に流す励磁電流の初期位相を決定する。そして、制御部４００は、当該初期位相で励磁電流を流すことをインバータ５００に指示する。

また、制御部４００は、同期モータ１００の固定子巻線に流す励磁電流の位相を変更する場合、インバータ５００に対して当該位相の変更を指示するのではなく、変更後の位相に対応する角度だけ、回転位置検出センサ２００の検出部２０２が取り付けられているケース３０３を回転させることを指示する。制御部４００は、例えば、励磁電流の位相と、ケース３０３の回転角度との関係を、位相の進み・遅れと回転方向とを識別できるようにして記憶したテーブルを予め持っており、このテーブルを用いて、ケース３０３の回転角度を決定することができる。このように、位相の進み・遅れと回転方向とを識別できるようにすることによって、位相が進みであるか否かによって回転方向を決定し、回転量を少なくすることができる。ここで、励磁電流の位相と、ケース３０３の回転角度とは比例関係になる。

尚、テーブルを用いずに、励磁電流の位相と、ケース３０３の回転角度との関係を表す式を用いるようにすればよい。また、位相の変更の指示値が、初期位相からの変更値ではなく、現在の位相からの変更値とする場合には、位相が変更される度に、変更後の位相、又は当該位相に対応するケース３０３の回転角度を記憶しておくようにすればよい。
インバータ５００は、制御部４００からの指示に基づいて、同期モータ１００の固定子巻線に流す励磁電流を生成するものである。このときインバータ５００は、回転位置検出センサ２００で検出された回転位置情報に同期して励磁電流の波形を生成する。尚、インバータ５００による励磁電流の供給は、ベクトル制御や位相制御等により実現されるが、これらは公知の技術で実現できるので、ここでは、その詳細を省略する。

図２は、同期モータ１００、回転位置検出センサ２００、及びセンサ駆動部３００の概略構成の一例を示す断面図である。具体的に図２は、同期モータ１００の回転軸に垂直な方向から切った断面図である。
前述したように、同期モータ１００は、回転子１０１と、固定子１０２と、回転軸１０３とを有し、ハウジング（フレーム）１０４に収められている。尚、固定子１０２は、図示しない固定リングによってハウジング１０４に固定されている。
ハウジング１０４には、回転位置検出センサ２００及びセンサ駆動部３００を収容するケース１０５が取り付けられている（固定されている）。このケース１０５は、同期モータ１００が駆動しても動くことはない。

センサ駆動部３００は、モータ３０１と、ギア３０２と、ケース３０３とを有している。
モータ３０１は、ケース１０５に取り付けられており、制御部４００からの指示に基づいて、ケース３０３を、同期モータ１００の回転軸１０３と同軸で回転させるためのものである。モータ３０１は、例えば、サーボモータやステッピングモータにより実現される。尚、モータ３０１は、ケース３０３を右回り、左回りの両方向で回転させることができる。
ギア３０２は、モータ３０１とケース３０３との間に配置され、モータ３０１によるケース３０３の回転の最小単位を規定するものである。
ケース３０３には、回転位置検出センサ２００と、同期モータ１００の回転軸１０３の先端部分とを収容し、同期モータ１００の回転軸１０３と同軸で回転する。

回転位置検出センサ２００は、生成部２０１と、検出部２０２とを有している。
前述したように、生成部２０１は、少なくとも一部が同期モータ１００の回転軸１０３の先端部分に取り付けられ（固定され）、回転子１０１の回転位置を示す回転位置情報を生成する。検出部２０２は、ケース３０３に取り付けられ（固定され）、生成部２０１で生成された回転位置情報に基づいて、回転子１０１の回転位置（基準位置を含む）を検出し、その信号を制御部４００に送信する。

図３は、回転位置検出センサ２００の構成の一例を示す図である。本実施形態では、光学式ロータリエンコーダを用いて回転位置検出センサ２００を構成している。
回転位置検出センサ２００は、生成部２０１の一例である「スリット円板２０１ａ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２０１ｂ、及びマスク２０１ｃ」と、検出部２０２の一例である「フォトトランジスタ群」とを有している。
スリット円板２０１ａは、回転軸１０３に取り付けられ、回転軸１０３と共に回転するものである。スリット円板２０１ａの相対的に外周側の領域には、その周方向において等間隔に配置された複数のスリット２１１が形成されている。また、スリット円板２０１ａの相対的に内周側の領域には、１つのスリット２１２が形成されている。

ＬＥＤ２０１ｂは、スリット円板２０１ａの面方向に対して略垂直に光を発光するためのものである。
マスク２０１ｃは、ＬＥＤ２０１ｂから発光された光の一部をスリット円板２０１ａの方向に透過させるためのものである。
マスク２０１ｃの相対的に上側（回転軸１０３から遠い側）の領域には、スリット円板２０１ａの相対的に外周側の領域において相互に隣接して形成されている２つのスリット２１１の間隔と同一の間隔の２つのスリット２２１、２２２が形成されている。これらの２つのスリット２２１、２２２と、スリット円板２０１ａの相対的に外周側の領域において相互に隣接して形成されている２つのスリット２１１とが、回転軸１０３に沿う方向で正対することができるように、スリット円板２０１ａ及びマスク２０１ｃが配置されている。
また、マスク２０１ｃの相対的に下側（回転軸１０３に近い側）の領域であって、スリット円板２０１ａの相対的に内周側に形成されているスリット２１２と回転軸１０３に沿う方向で正対することができる領域には、１つのスリット２２３が形成されている。

フォトトランジスタ群２０２は、スリット円板２０１ａを透過した光を受光する３つのフォトトランジスタ２３１〜２３３を有している。具体的に、相対的に上側（回転軸１０３から遠い側）の領域には、２つのフォトトランジスタ２３１、２３２が配置されている。より具体的には、これら２つのフォトトランジスタ２３１、２３２は、それぞれスリット円板２０１ａの相対的に外周側の領域において相互に隣接して形成されている２つのスリット２１１と回転軸１０３に沿う方向で正対することができる領域に配置されている。一方、相対的に下側（回転軸１０３に近い側）の領域には、１つのフォトトランジスタ２３３が配置されている。より具体的には、このフォトトランジスタ２３３は、スリット円板２０１ａの相対的に内周側に形成されているスリット２１２と回転軸１０３に沿う方向で正対することができる領域に配置されている。

以上のようにして回転位置検出センサ２００を構成することによって、スリット円板２０１ａを透過する光が、回転位置情報として出力され、この光をフォトトランジスタ２３１〜２３３が入力することにより、回転子１０１の回転位置が検出される。尚、スリット円板２０１ａのスリット２１１を透過する光をフォトトランジスタ２３１、２３２が受光することにより、回転子１０１の現在の位置が検出される。また、スリット２１２を透過する光をフォトトランジスタ２３３が受光することにより、回転子１０１の基準位置が検出される。尚、ロータリエンコーダ自体は、公知の技術で実現できるので、ここでは、その動作の詳細を省略する。

前述したように、ＬＥＤ２０１ｂ、マスク２０１ｃ、及びフォトトランジスタ群２０２は、ケース３０３に取り付けられている。よって、ケース３０３が同期モータ１００の回転軸１０３と同軸で回転すると、ＬＥＤ２０１ｂ、マスク２０１ｃ、及びフォトトランジスタ群２０２は、それらの相対的な位置関係を変えずに、スリット円板２０１ａの周方向に沿って回転する。
図４は、フォトトランジスタ群２０２の位置が変更される様子の一例を示す図である。フォトトランジスタ群２０２の位置が、図４（ａ）に示す位置から、図４（ｂ）に示す位置に変更すると（図４では、回転角度がθ、回転方向が時計回りであるとする）、フォトトランジスタ群２０２が、スリット円板２０１ａのスリット２１２を透過する光を受光する位置も変更される。尚、前述したように、図４（ａ）、図４（ｂ）において、各フォトトランジスタ２３１〜２３３は、それぞれ、回転軸１０３の方向に沿ってスリット２２１〜２２３と正対している（例えは、フォトトランジスタ２３１に対し、紙面に垂直な方向にスリット２２１が存在している）。

したがって、同期モータ１００の固定子巻線に流す励磁電流の位相の変更分に応じてケース３０３を回転させれば、励磁電流の位相の基準位置が変わる。よって、インバータ５００は、電子回路による位相の変更分に対応した励磁電流の波形を変更する演算を行わなくても、回転位置検出センサ２００で信号が検出されるのに同期して、当該基準位置に対する固定の位相の励磁電流の波形を生成するだけで、励磁電流の位相を変更することができる。
また、同期モータ１００を始動する前に、ケース３０３を回転させることにより、スリット円板２０１ａと、ＬＥＤ２０１ｂ、マスク２０１ｃ、及びフォトトランジスタ群２０２と、の相対的な位置関係を変更することができる。よって、同期モータ１００を駆動させなくても、同期モータ１００の回転子１０１の停止位置を検出することができ、当該回転位置に応じて、同期モータ１００の固定子巻線に流す励磁電流の位相を決定することができ、同期モータ１００の始動を容易に行うことができる。

以上のように本実施形態では、回転位置検出センサ２００を光学式ロータリエンコーダで構成する。具体的に生成部２０１の一つであるスリット円板２０１を、同期モータ１００の回転軸１０３に取り付ける。また、生成部２０１の他の部分であるＬＥＤ２０１ｂ及びマスク２０１ｃと、検出部２０２であるフォトトランジスタ２３１〜２３３とを、回転軸１０３と同軸で回転するケース３０３に取り付ける。そして、固定子巻線に流す励磁電流の位相を変える場合、又は、当該励磁電流の初期位相を決定する場合に、制御部４００によりケース３０３を回転させる。したがって、励磁電流の位相の基準位置の情報を入力するフォトトランジスタ２３３の位置を変更することができるので、電子回路による演算を行わなくても、励磁電流の位相をスムーズに変更することができる。また、同期モータ１００を駆動させなくても、励磁電流の駆動初期位相を決定することができる。よって、高価な高性能のインバータを用いなくても、永久磁石を用いた回転子１０１を備えた同期モータ１００における回転子巻線に流す励磁電流の位相を容易に且つ正確に決定することができる。特に、多極の回転子を高速で回転させる場合（固定子巻線に流す励磁電流の周波数が高い場合）に有効である。また、ケース３０３は、回転子１０１の１極分の角度（２極なら１極分の角度は１８０°（＝３６０°／２））だけ回転できればよいので、ケース３０３を多数回転する必要はない。したがって、スリップリング等の特別な部品を用いることなく、ケース３０３を回転させることができる。

尚、本実施形態では、ＬＥＤ２０１ｂ、マスク２０１ｃ、及びフォトトランジスタ群２０２を同一のケース３０３に取り付けた場合を例に挙げて説明した。しかしながら、生成部２０１（スリット円板２０１ａ、ＬＥＤ２０１ｂ、マスク２０１ｃ）と、検出部２０２（フォトトランジスタ群２０２）との相対的な位置関係を変えずに、検出部２０２を回転軸１０３と同軸で回転させるようにしていれば、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、ＬＥＤ２０１ｂ及びマスク２０１ｃと、フォトトランジスタ群２０２とを異なるケースに取り付けるようにしてもよい。
また、本実施形態では、例えば、回転位置検出センサ２００、センサ駆動部３００、制御部４００、及びインバータ５００を用いることにより、回転子の磁極として永久磁石を用いた同期回転機の回転子の回転動作を制御する同期回転機の制御装置の一例が実現される。

本実施形態では、回転位置検出センサ２００を光学式ロータリエンコーダで構成するようにしたが、光学式エンコーダの代わりに、例えば、以下のものを用いることができる。
（変形例１）
図５は、回転位置検出センサの第１の変形例を示す図である。本変形例では、磁気式ロータリエンコーダを用いて回転位置検出センサを構成する。
図５に示すように、回転位置検出センサ７００は、多極の永久磁石７０１と、センサユニット７０２とを有している。
永久磁石７０１は、同期モータ１００の回転軸１０３に取り付けられ、回転軸１０３と共に回転する。センサユニット７０２は、ホールセンサＩＣ（Integrated Circuit）を備えており、永久磁石７０１からの磁束の変化を回転位置情報として入力し、それを電気信号に変換して制御部４００に送信する。多極の永久磁石７０１を用いる代わりに、回転子１０１に配置された永久磁石を用いてもよい。
このように、回転位置検出センサを磁気式ロータリエンコーダとした場合、少なくとも永久磁石７０１により生成部２０１が構成され、センサユニット７０２により検出部が構成される。

（変形例２）
図６は、回転位置検出センサの第２の変形例を示す図である。本変形例では、レゾルバを用いて回転位置検出センサを構成する。
図６に示すように、回転位置検出センサ８００は、回転子８０１と、固定子８０２とを有する。
回転子８０１は、同期モータ１００の回転軸１０３に取り付けられ、回転軸１０３と共に回転する。回転子８０１が備える励磁コイルに回転位置情報として交流電力を加えると、固定子８０２が備える検出コイルに電圧が発生し、この電圧の情報が制御部４００に送信される。
このように、回転位置検出センサをレゾルバとした場合、少なくとも回転子８０１により生成部が構成され、固定子８０２により検出部が構成される。
以上のように、回転位置検出センサとしては種々のものを用いることができるので、回転位置検出センサは前述したものに限定されない。また、同期モータではなく、同期発電機に適用してもよい。

尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 同期モータ
２００、７００、８００ 回転位置検出センサ
２０１、７０１、８０１ 生成部
２０２、７０２、８０２ 検出部
３００ センサ駆動部
３０１ モータ
３０２ ギア
３０３ ケース
４００ 制御部
５００ インバータ
６００ 負荷

Claims (8)

1. 回転子の磁極として永久磁石を用いた同期回転機の回転子の回転動作を制御する同期回転機の制御装置であって、
   少なくとも一部が前記同期回転機の回転軸に取り付けられて前記回転軸と共に回転するものであり、前記同期回転機の回転子の回転位置を示す回転位置情報を生成する生成部と、
   前記同期回転機の回転子と同軸で回転することが可能であり、前記生成部で生成された回転位置情報の検出位置に基づいて、前記回転子の基準位置を検出する検出部と、
   前記同期回転機の回転子と同軸で前記検出部を回転させる駆動部と、
   前記同期回転機の固定子巻線に流す励磁電流として、前記基準位置に基づく固定の位相の励磁電流を生成するインバータと、を有することを特徴とする同期回転機の制御装置。
2. 前記駆動部は、前記同期回転機の固定子巻線に流す励磁電流の位相の変更分に応じた角度だけ、前記検出部を回転させることを特徴とする請求項１に記載の同期回転機の制御装置。
3. 前記駆動部は、前記同期回転機を始動させる前に、前記検出部を回転させることを特徴とする請求項１に記載の同期回転機の制御装置。
4. 前記検出部は、前記同期回転機の回転子と同軸で回転することが可能なケースに取り付けられており、
   前記駆動部は、前記ケースを前記同期回転機の回転子と同軸で回転させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の同期回転機の制御装置。
5. 回転子の磁極として永久磁石を用いた同期回転機の回転動作を制御する同期回転機の制御方法であって、
   少なくとも一部が前記同期回転機の回転軸に取り付けられて前記回転軸と共に回転する生成部により、前記同期回転機の回転子の回転位置を示す回転位置情報を生成する第１の生成工程と、
   前記同期回転機の回転子と同軸で回転することが可能な検出部により、前記第１の生成工程で生成された回転位置情報の検出位置に基づいて、前記回転子の基準位置を検出する検出工程と、
   前記同期回転機の回転子と同軸で前記検出部を回転させる駆動工程と、
   前記同期回転機の固定子巻線に流す励磁電流として、前記基準位置に基づく固定の位相の励磁電流を、インバータにより生成する第２の生成工程と、を有することを特徴とする同期回転機の制御方法。
6. 前記駆動工程は、前記同期回転機の固定子巻線に流す励磁電流の位相の変更分に応じた角度だけ、前記検出部を回転させることを特徴とする請求項５に記載の同期回転機の制御方法。
7. 前記駆動工程は、前記同期回転機を始動させる前に、前記検出部を回転させることを特徴とする請求項５に記載の同期回転機の制御方法。
8. 前記検出部は、前記同期回転機の回転子と同軸で回転することが可能なケースに取り付けられており、
   前記駆動工程は、前記ケースを前記同期回転機の回転子と同軸で回転させることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の同期回転機の制御方法。

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