JP2012238836A - リアクトル、複合材料、リアクトル用コア、コンバータ、及び電力変換装置 - Google Patents
リアクトル、複合材料、リアクトル用コア、コンバータ、及び電力変換装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】リアクトル1Aは、巻線2wを螺旋状に巻回してなる一つのコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3とを具える。磁性コア3は、コイル2内に配置される内側コア部31と、コイル2の外周を覆うように設けられた外側コア部32とを具える。外側コア部32は、磁性体粉末と樹脂との複合材料から構成されている。この複合材料の断面における気泡の最大径が300μm以下である。リアクトル1Aは、外側コア部32における気泡の最大径が300μm以下であることで、低損失で、磁気特性が低下し難い。
【選択図】図1
Description
混合工程:磁性体粉末と樹脂とを脱気しながら撹拌して混合流体を作製する工程。
充填工程:上記混合流体の粘度が最小となる温度をTmin(℃)とし、(Tmin−20)℃以上(Tmin−5)℃以下の範囲から選択された温度をT1(℃),T2(℃)とするとき、温度T1(℃)に加熱した上記混合流体を温度T2(℃)に加熱した成形型に充填する工程。
脱気工程:最終到達真空度が1Pa以下となるように脱気しながら、上記成形型に充填された上記混合流体を温度(Tmin±5)℃に所定時間保持する工程。
硬化工程:上記所定時間経過後、上記樹脂を硬化する工程。
図1,図2を参照して、実施形態1のリアクトル1Aを説明する。リアクトル1Aは、巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状の一つのコイル2と、コイル2の内外に配置されて閉磁路を形成する磁性コア3と、コイル2と磁性コア3との組合体を収納するケース4Aとを具える。リアクトル1Aは、通常、冷却水の循環経路などといった冷却機構を具える冷却ベースなどの設置対象に設置され、上記冷却機構により冷却されて使用される。リアクトル1Aでは、ケース4Aが設置対象に固定される。磁性コア3は、コイル2の内側に配置される内側コア部31と、コイル2の外周を覆うように設けられた外側コア部32とを具える。リアクトル1Aの特徴とするところは、筒状のコイル2外に配置される箇所:外側コア部32が複合材料により構成されており、この複合材料中における気泡の最大径が300μm以下である点にある。以下、各構成及びリアクトルの製造方法を順に説明する。
コイル2は、1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる筒状体である。巻線2wは、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体の外周に、絶縁性材料(代表的にはポリアミドイミドといったエナメル材料)からなる絶縁被覆を具える被覆線が好適である。導体は、横断面形状が長方形状である平角線、円形状である丸線、多角形状である異形線などの種々の形状のものを利用できる。特に、平角線は、エッジワイズ巻きにしてエッジワイズコイルとすると、占積率が高いコイルとし易いことから、占積率を高めて小型なコイルを得易く、リアクトルの小型化に寄与する。ここでは、コイル2は、導体が銅製で、横断面形状が長方形状の平角線からなり、絶縁被覆がエナメルからなる被覆平角線をエッジワイズ巻きにして形成されたエッジワイズコイルとしている。
コイル2の端面形状及び軸方向に直交する方向の断面形状は、図1,図2(B)に示すように円形状が代表的である。円形状のコイルは、巻線に平角線を用いた場合でも巻回し易く、コイルの製造性に優れる上に、小型なコイルにし易い。その他、コイル2の端面形状は、非円形状であって、かつ曲線部を有する形状、例えば、楕円などの実質的に曲線のみからなる形状や、曲線部と直線部とを有する形状(例えば、長方形などの多角形の各角部を丸めた形状、直線と円弧とを組み合せてなるレーストラック状など)が挙げられる。直線部を具える形態では、直線部によりつくられる平面がケースの底面に平行するようにコイルをケースに収納することで、安定性に優れる上に、放熱性にも優れる。
コイル2を形成する巻線2wの両端部は、図1に示すようにターン形成部分から適宜引き延ばされて、絶縁被覆が剥がされて露出された導体部分に、銅やアルミニウムなどの導電性材料からなる端子部材(図示せず)が接続される。この端子部材を介して、コイル2に電力供給を行う電源などの外部装置(図示せず)が接続される。巻線2wの導体部分と端子部材との接続には、TIG溶接などの溶接、圧着などが利用できる。なお、巻線2wの両端部の引き出し方向は一例であり、適宜変更することができる。
コイル2は、図2(A)に示すようにコイル2の軸がケース4Aの底面40に実質的に平行するようにケース4A内に収納されている。端的に言うと、コイル2は、ケース4Aに対してコイル2が横長となるように収納されている(以下、この配置形態を横型形態と呼ぶ)。実質的に平行とは、外底面40o及び内底面40iの双方が平面で構成されて、コイル2の軸と両面40o,40iが平行な場合の他、外底面40o及び内底面40iの一部が平面で構成されておらず、コイル2の軸と平行にならない箇所が存在する場合(例えば、外底面40oが平面で構成され、内底面40iが凹凸形状である場合など)を含む。
磁性コア3は、図2に示すようにコイル2内に挿通される柱状の内側コア部31と、内側コア部31の少なくとも一方の端面31e(ここでは両端面)、及びコイル2の外周面を覆うように形成された外側コア部32とを具え、コイル2を励磁した際に閉磁路を形成する。リアクトル1Aでは、磁性コア3が一様な材質から構成されておらず、部分的に材質が異なっており、部分的に磁気特性が異なる。具体的には、内側コア部31は、外側コア部32よりも飽和磁束密度が高く、外側コア部32は、内側コア部31よりも比透磁率が低い。
内側コア部31は、コイル2の内周形状に沿った円柱体である。ここでは、図2(A)に示すように内側コア部31におけるコイル2の軸方向に沿った長さ(以下、単に長さと呼ぶ)がコイル2の長さよりも長く、コイル2の内周に挿通配置された状態において内側コア部31の両端面31e及びその近傍の外周面がコイル2の端面から若干突出している。内側コア部31の突出長さは適宜選択することができる。ここでは、内側コア部31においてコイル2の各端面から突出する突出長さを等しくしているが、後述する実施形態2のように異ならせてもよいし、コイル2のいずれか一方の端面からのみ突出部分が存在するように内側コア部の長さやコイルに対する配置位置を調整してもよい。また、内側コア部の長さとコイルの長さとが等しい形態、内側コア部の長さがコイルの長さよりも短い形態とすることもできるが、図2(A),図4(B)に示すように内側コア部31の長さがコイル2の長さと同等以上であると、コイル2がつくる磁束を内側コア部31に十分に通過させることができて好ましい。
外側コア部32は、ここでは、コイル2の両端面と外周面の実質的に全てと、内側コア部31の両端面31e及びその近傍の外周面とを覆っており、ケース4Aの内周面と、ケース4Aに収納されたコイル2と内側コア部31との組物の外周面とがつくる空間に沿った形状である。外側コア部32の一部が内側コア部31の両端面31eに連結するように設けられていることで、磁性コア3は閉磁路を形成する。
上記複合材料の断面は、コイル2の軸方向に沿って切断した断面、及び軸方向に直交する方向に切断した断面のいずれでもよい。気泡の最大径は、複合材料について一定の大きさの視野(例えば、5mm×7mm)の断面を複数とり(例えば、10断面)、各断面中に存在する気泡の輪郭から当該輪郭の円相当径(各断面において確認できる気泡の形状を、同じ面積の円に変換したときの直径)を算出し、この円相当径を気泡の直径とするとき、上記複数の断面中における気泡の直径の最大値とする。上記断面を光学顕微鏡などで観察し(10倍〜50倍程度)、観察像を市販の画像処理装置により画像処理することで、気泡の輪郭の抽出や円相当径の算出を容易に行える。磁気特性や損失への影響を考慮すると、気泡はできるだけ微小であることが好ましい。従って、気泡の最大径は、小さいほど好ましく、200μm以下、更に100μm以下がより好ましい。
外側コア部32を構成する複合材料中の磁性体粉末は、上述した内側コア部31を構成する圧粉成形体の軟磁性粉末と同様の組成でも異なる組成でもよい。外側コア部32を構成する複合材料は、非磁性材料である樹脂を比較的多く含有することから、上記磁性体粉末が内側コア部31を構成する圧粉成形体と同じ組成の軟磁性粉末であっても、上記圧粉成形体よりも飽和磁束密度が低く、かつ比透磁率も低くなる。外側コア部32を構成する磁性体粉末は、純鉄粉末やFe基合金粉末といった鉄基材料からなるものが好適である。また、上記磁性体粉末は、材質の異なる複数種の粉末を混合したものでもよい。上記磁性体粉末が特に金属材料で構成される場合、当該粉末を構成する各粒子の表面に燐酸塩などからなる絶縁被膜を具える被覆粉末であると、渦電流損を低減できる。
外側コア部32を構成する複合材料においてバインダとなる樹脂は、代表的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂が挙げられる。その他、バインダとなる樹脂として、熱可塑性樹脂、常温硬化性樹脂、或いは低温硬化性樹脂を利用することができる。熱可塑性樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などが挙げられる。
複合材料の一形態として、磁性体粉末及びバインダとなる樹脂に加えて、アルミナやシリカといったセラミックスからなるフィラー(代表的には、非磁性体粉末)を混合した形態が挙げられる。磁性体粉末に比較して比重が小さい上記フィラーを混合することで、磁性体粉末の偏在を抑制して、全体に磁性体粉末が均一的に分散した複合材料とすることができる。或いは、上記フィラーが熱伝導性に優れる材料から構成される場合、放熱性の向上に寄与することができる。上記フィラーの含有量は、複合材料を100質量%とするとき、0.2質量%以上が挙げられる。上記フィラーの含有量が多いほど、磁性体粉末の偏在の低減や放熱性の向上などの効果が得られるため、0.3質量%以上、更に0.5質量%以上が好ましい。一方、上記フィラーが多過ぎると磁性体粉末の割合の低下を招くことから、上記フィラーの含有量は20質量%以下、更に15質量%以下、特に10質量%以下が好ましい。上記フィラーは、磁性体粉末よりも微粒にすると磁性体粒子間に介在させ易く、当該フィラーの含有による磁性体粉末の割合の低下を抑制し易い。
複合材料中の磁性体粉末は、当該粉末を構成する磁性体粒子が複合材料中に均一的に分散した形態が代表的である。その他、後述するように脱気工程において保持時間を長くすることで、成形型の底面側(ここではケース4Aの底面40側)に磁性体粉末が多く存在する分布をとる形態とすることができる。つまり、外側コア部32においてケース4Aの底面40側の磁性体粉末の存在割合と、底面40に対向する開口側の磁性体粉末の存在割合とを比較すると、底面40側の存在割合が大きい形態とすることができる。
外側コア部32は、閉磁路が形成できればよく、その形状は特に問わない。ここでは、上述のように外側コア部32を構成する複合材料がコイル2と内側コア部31との組物の実質的に全周を覆うことから、外側コア部32は、コイル2や内側コア部31の封止材としても機能し、コイル2の外部環境から保護や機械的保護の強化を図ることができる。
内側コア部31と外側コア部32とは接着剤を介在することなく、外側コア部32を構成する複合材料中の樹脂により接合されている。また、ここでは、外側コア部32もギャップ材やエアギャップが介在しておらず、磁性コア3は、その全体に亘ってギャップ材を介することなく一体化された一体化物である。従って、リアクトル1Aでは、磁性コア3の製造に当たり、接着剤などで接合する工程が不要であり、リアクトル1Aの生産性に優れる。
ここでは、内側コア部31は、飽和磁束密度:1.6T以上、かつ外側コア部32の1.2倍以上、比透磁率:100以上500以下、外側コア部32は、飽和磁束密度:0.5T以上内側コア部31の飽和磁束密度未満、比透磁率:5以上30以下、内側コア部31及び外側コア部32からなる磁性コア3全体(実質的に、ギャップ材やエアギャップを介在させていない場合)の比透磁率は10以上100以下である。一定の磁束を得る場合、内側コア部の飽和磁束密度の絶対値が高いほど、また、内側コア部の飽和磁束密度が外側コア部よりも相対的に大きいほど、内側コア部の断面積を小さくし易い。そのため、内側コア部の飽和磁束密度が高い形態は、全体の飽和磁束密度が均一的な磁性コアと同じ磁束を得る場合、内側コア部の断面積の小型化により、リアクトルの小型化に寄与することができる。内側コア部31の飽和磁束密度は、1.8T以上、更に2T以上が好ましく、外側コア部32の飽和磁束密度の1.5倍以上、更に1.8倍以上が好ましく、いずれも上限は設けない。圧粉成形体に代えて、珪素鋼板に代表される電磁鋼板の積層体を利用すると、内側コア部の飽和磁束密度を更に高め易い。一方、外側コア部32の比透磁率を内側コア部31よりも低くすると、例えば、内側コア部31に磁束を通過し易い。また、比透磁率が低い箇所を具えることで、磁気飽和を抑制できるためギャップレス構造の磁性コア3としたりすることができる。
コイル2と磁性コア3との両者間の絶縁性を高めるために、両者間に絶縁部材を介在させた形態とすることができる。例えば、コイル2の外周面や内周面に絶縁テープを貼り付けたり、コイル2の外周面や内周面を絶縁紙や絶縁シートで覆ったりすることが挙げられる。或いは、内側コア部31の外周やコイル2の外周に筒状のインシュレータを配置してもよい。インシュレータの構成材料には、PPS樹脂、液晶ポリマー(LCP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂などの絶縁性樹脂が好適に利用できる。このインシュレータは、内側コア部31やコイル2の径方向に分割可能な分割片とすると、内側コア部31の外周やコイル2の外周に容易に配置できる。内側コア部31の外周に配置する筒状体として、両端の周縁から外方に突出する環状のフランジを具える形態とすると、このフランジによりコイル2の端面を覆うことができる。
ケース4Aは、代表的には、矩形板状の底面40と、底面40から立設される矩形枠状の側壁41とで構成される直方体状の箱体で、底面40との対向面が開口したものが挙げられる。なお、ケース4Aの底面40とは、リアクトル1Aが設置対象に設置されたとき、当該設置対象に接する面とする。ここでは、底面40が下方に配置された形態を示すが、側方(図1において左右)や上方に配置される場合がある。ケース4Aが冷却ベースといった設置対象に配置されることで、底面40は冷却面となり、コイル2の熱はケース4Aを介して設置対象に伝えられてコイル2が冷却される。
上記構成を具えるリアクトル1Aは、通電条件が、例えば、最大電流(直流):100A〜1000A程度、平均電圧:100V〜1000V程度、使用周波数:5kHz〜100kHz程度である用途、代表的には電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用電力変換装置の構成部品に好適に利用できる。
リアクトル1Aを車載部品とする場合、リアクトル1Aは、ケース4Aを含めた容量が0.2リットル(200cm3)〜0.8リットル(800cm3)程度であることが好ましい。より具体的には、端面形状が円形状のコイルの場合、内径:20mm〜80mm、巻き数:30〜70、円筒状の内側コア部の場合、直径:10mm〜70mm、高さ(軸方向の長さ):20mm〜120mm、矩形箱状のケースの底面の一辺:30mm〜100mmが挙げられる。本例では、約500cm3である。
気泡の最大径が300μm以下である複合材料からなる外側コア部32を具えるリアクトル1Aは、以下のようにして製造することができる。
まず、成形型となるケース4A、ケース4Aに収納するコイル2と内側コア部31との組物を用意する。コイル2と内側コア部31との間に、上述した絶縁材が介在する形態としてもよい。
所望の磁性体粉末及び樹脂、適宜非磁性体粉末を用意してこれらを容器内に入れ、混合・撹拌して混合流体を作製する。特に、この混合工程では、脱気しながら行う。脱気は、真空引きすることが挙げられる。混合工程の最終到達真空度は、10Pa〜1000Pa程度が好ましい。ここでは、500Pa程度とした。混合工程は、雰囲気中の気体(主として空気)を最も巻き込み易く、巻き込んだ気体が気泡として複合材料に残存し易い。従って、脱気しながら混合することで、複合材料中の気泡を小さく、かつ低減し易い。この混合工程は、容器内を脱気可能な脱気機構を具える市販の撹拌装置を利用することで容易に行える。なお、混合工程は、室温(20℃〜25℃程度)とすることができる。
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂は、一般に温度が高いほど、粘度が低くなり流動性を高められる。そこで、混合工程を経た混合流体を成形型(ここではケース4A)に充填するにあたり混合流体の温度を高くする。この温度は、混合流体の粘度が最小となる温度Tminよりも5℃以上20℃以下の範囲で低い温度とする。具体的には、この温度T1は、(Tmin−20)℃〜(Tmin−5)℃から選択された温度とする。混合流体の温度をT1(℃)にすることで、充填が容易な程度に混合流体を低粘度にできる。
そして、成形型(ここではケース4A)に混合流体を充填した後、脱気しながら、当該混合流体を温度Tmin±5(℃)に所定時間保持する。混合流体を温度Tmin(℃)及びその近傍に保持することで、混合流体が最も低粘度であるため、混合流体中の気泡が移動し易く、混合流体中から排出され易い。かつ、脱気のために真空引きすることで、混合流体から排出された気泡を外部に確実に排出できる。特に、最終到達真空度を1Pa以下とすることで、気泡をより排出し易い。
脱気工程を経て、樹脂を硬化する。硬化温度は、樹脂に応じて適宜選択するとよい。樹脂の架橋密度を高める場合は、硬化温度に保持した後、架橋密度を高める温度にして保持する、という2段階の硬化工程とするとよい。硬化工程では、真空引きを行う必要はないが、上記脱気工程で真空とした恒温槽にて、引き続いて硬化工程を行う場合、真空状態で硬化してもよい。ここでは、上記2段階の硬化工程を行っており、1段階目では、保持温度:120℃、保持時間:2時間、2段階目では、保持温度:150℃、保持時間:4時間とした。樹脂の硬化により、外側コア部32を形成することができ、同時にリアクトル1Aが得られる。
リアクトル1Aは、磁性コア3の一部が磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料から構成されており、当該複合材料中の気泡の最大径が300μm以下であるため、損失の低下や磁気特性の低下を抑制することができる。従って、リアクトル1Aは、低損失で磁気特性に優れる。
図4を参照して、実施形態2のリアクトル1Bを説明する。リアクトル1Bの基本的構成は、上述した実施形態1のリアクトル1Aと同様であり、コイル2と、磁性コア3と、コイル2及び磁性コア3を収納するケース4Bとを具える。磁性コア3は、コイル2に挿通配置された内側コア部31と、コイル2の外周を覆う外側コア部32とを具え、外側コア部32は、磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料で構成されている。また、この複合材料中の気泡の最大径が300μm以下である。リアクトル1Bにおいてリアクトル1Aとの相違点は、コイル2の収納形態にある。以下、この相違点及びその効果を詳細に説明し、実施形態1と共通するその他の構成及び効果は詳細な説明を省略する。
上記実施形態1,2は、内側コア部31が圧粉成形体から構成され、外側コア部32のみが複合材料から構成された形態を説明した。その他、内側コア部も磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料により構成された形態、つまり、磁性コアの実質的に全てが複合材料によって構成された形態とすることができる。この場合、ケースにコイルのみを収納した後、コイルの内外を覆うように混合流体をケースに充填することで、内側コア部及び外側コア部が同一の複合材料からなる形態を形成することができる。また、この形態は、磁性コアを一度に製造でき、生産性に優れる。
或いは、上述のように柱状の複合材料を内側コア部とし、外側コア部を圧粉成形体から構成された形態とすることができる。この形態は、内側コア部の比透磁率を外側コア部よりも低く、外側コア部の飽和磁束密度を内側コア部よりも高くすることができ、この構成により、外側コア部における漏れ磁束を低減できる。
上記実施形態1,2は、コイル2を一つ具える形態を説明した。その他、図5(A)に示すリアクトル1Cのように1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなる一対のコイル素子2a,2bを具えるコイル2と、これらコイル素子2a,2bが配置される環状の磁性コア3(図5(B))とを具える形態とすることができる。
複合材料中に存在する気泡の大きさ(ここでは直径)と、損失(ここでは鉄損)及びインダクタンスとの関係をシミュレーションにより調べた。
複合材料中に存在する気泡の含有量(体積%)と、損失(ここでは鉄損)及びインダクタンスとの関係をシミュレーションにより調べた。
ρ=(ρw×Wair-ρair×Ww)/(Wair-Ww)
となる。近似的には、ρw≫ρairなのでρ≒ρw×Wair/(Wair-Ww)とできる。
上記実施形態1〜3や変形例1,2のリアクトルは、例えば、車両などに載置されるコンバータの構成部品や、このコンバータを具える電力変換装置の構成部品に利用することができる。
2 コイル 2w 巻線 2a,2b コイル素子 2r 連結部
3 磁性コア 31 内側コア部 31e 端面 31m コア片 31g ギャップ材
32 外側コア部
4A,4B ケース 40 底面 40i 内底面 40o 外底面 41 側壁
45 取付部 45h ボルト孔
5 インシュレータ 52 枠板部
1100 電力変換装置 1110 コンバータ 1111 スイッチング素子
1112 駆動回路 L リアクトル 1120 インバータ
1150 給電装置用コンバータ 1160 補機電源用コンバータ
1200 車両 1210 メインバッテリ 1220 モータ 1230 サブバッテリ
1240 補機類 1250 車輪
Claims (14)
- コイルと、磁性コアとを具えるリアクトルであって、
前記磁性コアの少なくとも一部は、磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料から構成されており、
前記複合材料の断面における気泡の最大径が300μm以下であることを特徴とするリアクトル。 - 前記複合材料の断面における気泡の合計面積割合が1%以下である請求項1に記載のリアクトル。
- 前記複合材料の断面における気泡の合計面積割合が0.2%以下である請求項1に記載のリアクトル。
- 前記複合材料における磁性体粉末の体積割合が30体積%以上70体積%以下である請求項1に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアにおいて、巻線を巻回してなる筒状のコイルの内側に配置される箇所の少なくとも一部が前記複合材料によって構成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアにおいて、巻線を巻回してなる筒状のコイル外に配置される箇所の少なくとも一部が前記複合材料によって構成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記磁性コアの実質的に全てが前記複合材料によって構成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトル。
- 前記コイルと前記磁性コアとの組合体を収納するケースを更に具え、
前記コイルは、前記ケースの底面に対してその軸が実質的に平行するように当該ケースに収納され、
前記磁性コアにおいて、前記コイルの外周の少なくとも一部を覆う箇所が前記複合材料により構成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のリアクトル。 - 磁性体粉末と樹脂とを含有する複合材料であって、
前記複合材料の断面における気泡の最大径が300μm以下であることを特徴とする複合材料。 - 前記複合材料の断面における気泡の合計面積割合が1%以下である請求項9に記載の複合材料。
- 前記複合材料の断面における気泡の合計面積割合が0.2%以下である請求項9に記載の複合材料。
- 請求項9〜11のいずれか1項に記載の複合材料からなることを特徴とするリアクトル用コア。
- スイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する駆動回路と、スイッチング動作を平滑にするリアクトルとを具え、前記スイッチング素子の動作により、入力電圧を変換するコンバータであって、
前記リアクトルは、請求項1〜8のいずれか1項に記載のリアクトルであることを特徴とするコンバータ。 - 入力電圧を変換するコンバータと、前記コンバータに接続されて、直流と交流とを相互に変換するインバータとを具え、このインバータで変換された電力により負荷を駆動するための電力変換装置であって、
前記コンバータは、請求項13に記載のコンバータであることを特徴とする電力変換装置。
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