JP2016171667A - 非接触給電装置および非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電コイルに囲まれたスペースへの磁束の影響を低減させることができる非接触給電装置及び非接触給電システムを提供する。【解決手段】ベース１１１と、給電コイルＬ１と、給電コイルＬ１に電流を流して磁束を生じさせる電源部１４とを備える。給電コイルＬ１は、中心軸をベース１１１の厚み方向と同じ方向に向けてベース１１１の第１面に配置される。給電コイルＬ１に囲まれる位置には、ベース１１１の第１面から給電コイルＬ１の内周に沿って突出する内壁１２が設けられる。内壁１２に囲まれる収納スペース１３の第１面と同一面における面積が、内壁１２の先端と同一面における収納スペース１３の面積よりも大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、非接触給電装置および非接触給電システムに関し、特にコイルを利用して外部へ非接触による給電を行う非接触給電装置および非接触給電システムに関する。

従来例として、特許文献１記載の非接触充電装置（非接触給電システム）を例示する。特許文献１記載の非接触充電装置（非接触給電システム）は、受電装置（非接触受電装置）と、給電装置（非接触給電装置）と、蓄電池とを備える。給電装置及び受電装置は、電磁力を利用した非接触充電装置である。給電装置は、シールド、給電コイル、給電インバータ、電源回路などを有する給電部を備える。シールドは、給電コイルを収容する直方体状の筐体であり、電磁波遮蔽効果のある素材で構成される。受電装置と蓄電池は、車両（電気自動車）に設けられる。受電装置は、受電コイル、整流器などを有する。車両は、バッテリを動力源として走行する。給電装置は、例えば駐車スペースに設けられる。給電装置は、車両が駐車している間に、車両に設けられた受電装置に対して給電する。受電装置は、給電装置から給電される電力を蓄電池に供給する。

特開２０１４−１９３０３１号公報

特許文献１記載の給電装置（非接触給電装置）において、給電コイルとしてスパイラルコイルなどの平面コイルが利用される場合がある。この場合、シールド内には、スパイラルコイルに囲まれたスペースが存在する。そこで、当該スペースを有効利用するため、給電コイルに電力を供給する電源部を当該スペースに配置することが好ましい。しかしながら、給電コイルの周囲に生じる磁束が当該スペースを通るため、当該スペースに配置される電源部に種々の不具合が生じる可能性がある。例えば、電源部を構成するプリント配線板の導体（銅箔）に磁束が鎖交すると、導体の渦電流損に起因した発熱が生じる虞がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされており、給電コイルに囲まれたスペースへの磁束の影響を低減させることを目的とする。

本発明の非接触給電装置は、磁性材料からなるベースと、給電コイルと、前記給電コイルに電流を流して前記給電コイルに磁束を生じさせる電源部とを備え、前記ベースは、板状に形成され、前記給電コイルは、中心軸を前記ベースの厚み方向と同じ方向に向けて前記ベースの第１面に配置され、前記中心軸を含む前記給電コイルに囲まれる位置には、前記ベースの前記第１面から前記給電コイルの内周に沿って突出する内壁が設けられ、前記内壁に囲まれる収納スペースの前記第１面と同一面における面積が、前記内壁の先端と同一面における前記収納スペースの面積よりも大きくなるように、前記内壁が形成されている。

本発明の非接触給電システムは、前記非接触給電装置と、前記被接触給電装置から供給される電力を受ける非接触受電装置とを備える。

本発明の非接触給電装置は、給電コイルに囲まれたスペースへの磁束の影響を低減させることができるという効果がある。

本発明に係る非接触給電システムの実施形態の使用例を示す概略図である。 本発明に係る非接触給電装置の実施形態を示す分解斜視図である。 図３Ａは非接触給電装置の実施形態を示す断面図、図３Ｂは非接触給電装置の実施形態の要部を示す断面図である。 本発明に係る非接触給電システムの実施形態の構成を示す回路概略図である。 非接触給電システムの実施形態の、図５Ａは給電装置の要部を示す平面図、図５Ｂは受電コイルを示す平面図、図５Ｃは給電装置の要部と受電コイルが重なる場合を示す平面図である。 本発明に係る非接触給電装置の比較例１の断面図である。 非接触給電装置の比較例２の断面図である。 非接触給電システムにおいて、共振特性を示す図である。

以下、本発明に係る非接触給電装置および非接触給電システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、電気自動車の充電に用いられる非接触給電装置および非接触給電システムを例示する。ただし、本実施形態の非接触給電装置および非接触給電システムは、電気自動車の充電以外の用途にも用いることができる。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、図２において上下、左右、前後方向を規定する。

本実施形態の非接触給電システムは、図１に示すように、地面に配設される非接触給電装置１と、電気自動車の内部に搭載される非接触受電装置２とを備える。

非接触給電装置１は、図２に示すように、筐体１１と、給電コイルＬ１と、内壁１２と、収納スペース１３と、電源部１４と、カバー１５とを備える。

筐体１１は、ベース１１１と、外壁１１２とを備える。ベース１１１は、軟磁性材料、（例えばソフトフェライト）、によって、左右方向を長手方向とする長方形の板状に形成される。外壁１１２は、軟磁性材料によって、ベース１１１の周縁から上向きに突出する。外壁１１２は、給電コイルＬ１の位置ずれを防止することができる高さ、例えば給電コイルの上下方向の高さよりも少し高くなるように形成される。筐体１１は、ベース１１１と外壁１１２とによって、上面が開口する箱形に形成される。なお、軟磁性材料は、磁束が通り易い（透磁率が高い）ので、筐体１１の外部に磁束が漏えいし難く、筐体１１の外部において、磁束の影響を低減させることができる。

給電コイルＬ１は、図３Ｂに示すように、断面が長方形に形成される導線Ｌ１１（平角導体）と、導線Ｌ１１を覆う絶縁被膜Ｌ１２とで構成されることが好ましい。給電コイルＬ１は、図２に示すように、平面上に絶縁被膜Ｌ１２に覆われる導線Ｌ１１を渦巻状に巻き回して構成される。また、給電コイルＬ１は、導線Ｌ１１の断面の長手方向が中心軸と同じ方向に巻き回されることが好ましい。給電コイルＬ１は、上述のように構成される角型タイプの平面コイル、いわゆるスパイラルコイルである。給電コイルＬ１は、中心軸が上下方向（ベースの厚み方向）を向くように、筐体１１の内部に配置される。給電コイルＬ１は、電源部１４と電気的に接続され、電源部１４から供給される電流が流れることによって磁束を生じる（図４参照）。

なお、スパイラルコイルには、角型タイプの他に円型タイプ、長円型タイプなどがあり、円型タイプ、長円型タイプなどが利用されてもよい。また、導線Ｌ１１の断面の形状は長方形に限らない。

内壁１２は、給電コイルＬ１に囲まれる位置に、給電コイルＬ１の内周縁に沿うように、軟磁性材料によって形成される。内壁１２は、ベース１１１から突出する二対の壁で構成される。内壁１２は、左右方向に向かい合う一対の第１壁１２１と、前後方向に向かい合う一対の第２壁１２２とで構成される。一対の第１壁１２１は、上方に向かって互いに近づく方向に傾斜する。第１壁１２１と同様に、一対の第２壁１２２は、上方に向かって互いに近づく方向に傾斜する。つまり、内壁１２は、内部に収納スペース１３を備え、上面が開口する四角錐台状に形成される。

収納スペース１３には、図３Ａに示すように、ベース１１１の上面（第１面）に電源部１４が取り付けられる。

電源部１４は、商用交流電源１００の交流電力を所望の高周波電力に変換して給電コイルＬ１に供給する回路であり、図４に示すように、整流平滑回路１４１と、インバータ回路１４２と、制御回路１４３と、コンデンサＣ１とを備える。整流平滑回路１４１は、商用交流電源１００から供給される交流電圧を整流および平滑する。整流平滑回路１４１は、４つのダイオードで構成されるダイオードブリッジと、力率改善回路とで構成されることが好ましい。交流電圧は、ダイオードブリッジによって整流され、力率改善回路によって平滑される。なお、整流平滑回路１４１は、力率改善回路の替わりに、昇圧チョッパ回路や平滑コンデンサなどを用いてもよい。インバータ回路１４２は、例えば、フルブリッジ型のインバータ回路であって、整流平滑回路１４１によって整流および平滑された電圧を商用交流電源１００から供給される交流電圧の周波数よりも高い周波数（高周波）の交流電圧に変換する。制御回路１４３は、整流平滑回路１４１およびインバータ回路１４２を制御するように構成されている。制御回路１４３は、例えば、マイクロコントローラで構成されることが好ましい。コンデンサＣ１は、給電コイルＬ１に電気的に直列接続される。インバータ回路１４２から出力された高周波の交流電圧は、コンデンサＣ１と給電コイルＬ１の直列共振回路の共振作用によって昇圧される。

なお、内壁１２は、電源部１４が磁束の影響を受け難い高さ、例えば、電源部１４に実装されている回路部品などの高さよりも高く形成される（図３Ａ参照）。

カバー１５は、図２に示すように、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）などによって、筐体１１の開口を塞ぐように左右方向を長手方向とする長方形の板状に形成される。なお、カバー１５は、筐体１１を覆う箱形に形成されてもよい。

非接触受電装置２は、図１に示すように、電気自動車２０の車体に搭載される。非接触受電装置２は、図４に示すように、受電コイルＬ２と、コンデンサＣ２と、整流回路２１とを備える。

受電コイルＬ２は、スパイラルコイルである。受電コイルＬ２は、軟磁性材料によって形成される台座に配置される。受電コイルＬ２は、電気自動車２０が規定の停車位置に停車するとき、中心軸が給電コイルＬ１の中心軸と上下方向に重なるように、電気自動車２０の車体に配設される。また、受電コイルＬ２は、電気自動車２０の車体の下部であって、前輪と後輪との間に位置に設けられる（図１参照）。受電コイルＬ２には、給電コイルＬ１が発生する磁束から生じる電磁誘導により、交流電流が流れる。つまり、受電コイルＬ２は、給電コイルＬ１が発生する磁束を受けて交流電力を伝送する。

コンデンサＣ２は、図４に示すように、受電コイルＬ２と電気的に直列接続されている。コンデンサＣ２は、受電コイルＬ２とともに、共振回路を形成している。

整流回路２１は、コンデンサＣ２を介して受電コイルＬ２と電気的に接続されている。整流回路２１は、例えばダイオードブリッジで構成され、受電コイルＬ２で発生した交流電流を整流する。

電気自動車２０の車体は、充電回路２２と、バッテリ２３をさらに備える。充電回路２２は、整流回路２１と電気的に接続されており、整流回路２１によって整流された電力を適宜変換してバッテリ２３を充電する。バッテリ２３は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池、電気二重層コンデンサなどにより構成される。バッテリ２３は、電気自動車２０の車体が備える電動機（モータ）の電源として用いられる。その他、バッテリ２３は、電気自動車２０の車体が備える電子機器の電源としても用いられてもよい。

なお、図３Ａにおいて、弧状の破線矢印は、給電コイルＬ１が発生する磁束を表している。

本実施形態の非接触給電装置１は、給電コイルＬ１により発生する磁束が内壁１２を通るので、収納スペース１３に漏えいする磁束を低減することができる。本実施形態の非接触給電装置１は、内壁１２を設けることで、収納スペース１３に収納される電源部１４において、給電コイルＬ１から発生する磁束の影響を低減させることができる。

ところで、本実施形態の非接触給電システムにおいて、図５Ｃに示すように、給電コイルＬ１の中心軸と受電コイルＬ２の中心軸とが上下方向に重なる位置に電気自動車２０が停車することが好ましい。しかしながら、必ずしも給電コイルＬ１の中心軸と受電コイルＬ２の中心軸とが上下方向に重なる位置に電気自動車２０が停車するとは限らない。給電コイルＬ１の中心軸と受電コイルＬ２との中心軸が上下方向に対して相対的に位置が異なると、給電効率が低くなる。給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に対して、効率の良い給電が行われるために、給電コイルＬ１の面積が、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、上下方向から見て、受電コイルＬ２の面積よりも大きいスパイラルコイルが利用されることが好ましい。

なお、ベース１１１は、長方形の板状に限らない。内壁１２は、四角錐台状に形成されなくてもよく、円錐台状などに形成されてもよい。内壁１２を構成する第１壁１２１および第２壁１２２は一体に形成されなくてもよい。電源部１４の構成は、本実施例に限らない。また、収納スペース１３には、電源部１４の構成の一部のみが配置されてもよい。

本実施形態の比較例１および比較例２について、図６及び図７のそれぞれを参照して説明する。

比較例１の非接触給電装置４について、図６を参照して説明する。なお、図６において、弧状の破線矢印は、給電コイルＬ１が発生する磁束を表している。

比較例１の非接触給電装置４は、本実施形態の非接触給電装置１と同様に軟磁性材料によって、ベース４１１と外壁４１２とで構成される箱形の筐体４１を備える。本実施形態の非接触給電装置１と同様に、ベース４１１および外壁４１２が給電コイルＬ１から発生する磁束を集中させるので、比較例１の非接触給電装置４は、筐体４１の外部において、磁束の影響を低減することができる。しかしながら、比較例１の非接触給電装置４には、従来例と同様に内壁が設けられていない。図６に示すように、内壁が設けられていない場合、給電コイルＬ１から発生する磁束は、給電コイルＬ１に囲まれるスペース４２を通過する。つまり、本実施形態の非接触給電装置１の収納スペース１３と比較して、比較例１の非接触給電装置４の給電コイルＬ１に囲まれるスペース４２は、磁束の影響を受ける可能性が高くなる。したがって、電源部１４が給電コイルＬ１に囲まれるスペース４２に配置されると、電源部１４を構成するプリント配線板の導体（銅箔）に磁束が鎖交して、導体の渦電流損に起因した発熱が生じる虞がある。

比較例２の非接触給電装置５について、図７を参照して説明する。なお、図７において、弧状の破線矢印は、給電コイルＬ１が発生する磁束を表している。

比較例２の非接触給電装置５は、本実施形態の非接触給電装置１と同様に、軟磁性材料によって、ベース５１１と外壁５１２とで構成される箱型の筐体５１を備える。本実施形態の非接触給電装置１と同様に、ベース５１１および外壁５１２が給電コイルＬ１から発生する磁束を集中させるので、筐体５１の外部において、磁束の影響を低減することができる。さらに、比較例２の非接触給電装置５は、筐体５１の内部であって、給電コイルＬ１に囲まれる場所に内壁５２を備える。内壁５２は、ベース５１１から上方向に突出する前後方向に向かい合う一対の壁と、上方向に突出する左右方向に向かい合う一対の壁とで構成される。本実施形態の非接触給電装置１の内壁１２と異なり、前後方向に向かい合う一対の壁と左右方向に向かい合う一対の壁のそれぞれは、ベース５１１の上面に対して垂直に形成される。内壁５２は、内側に電源部１４が配置される収納スペース５３が設けられ、上面が開口した直方体に形成される。内壁５２が給電コイルＬ１から発生する磁束を集中させるので、収納スペース１３に配置されている電源部１４は、給電コイルＬ１から発生する磁束の影響を受け難い。しかしながら、内壁５２の上端と外壁５１２の上端との距離が、非接触給電装置１の内壁１２の上端と外壁１１２の上端との距離と比較して、短く形成されている。つまり、受電コイルＬ２に対して、磁束の影響を及ぼす範囲が狭くなる。この場合、受電コイルＬ２の中心軸が給電コイルＬ１の中心軸とが上下方向に相対的にずれると、受電コイルＬ２への受電効率が低くなる。

本実施形態の非接触給電装置１は、図３Ａに示すように、比較例１の非接触給電装置４と比較して、内壁１２を設けることで、収納スペース１３に配置されている電源部１４において、給電コイルＬ１が発生する磁束の影響を低減することができる。さらに、本実施形態の非接触給電装置１は、内壁１２の一対の第１壁１２１および一対の第２壁１２２のそれぞれが、上方に向かって互いに近づくように形成されている。本実施形態の非接触給電装置１は、比較例２の非接触給電装置５と比較して、受電コイルＬ２に対して、磁束の影響を及ぼす範囲が広い。ゆえに、本実形態の非接触給電装置１は、非接触受電装置２の受電コイルＬ２が給電コイルＬ１に対して相対的な位置ずれに関係なく、給電コイルＬ１が発生した磁束によって、効率良く受電コイルＬ２に電力が供給される。

上記実施形態における給電コイルＬ１および受電コイルＬ２は、スパイラルコイルが好ましい。スパイラルコイルは、（コアに対して導線が螺旋状に巻き付けられた）ソレノイド型のコイルに比べて、不要輻射ノイズが生じにくい、という利点がある。また、スパイラルコイルが用いられることで、不要輻射ノイズが低減される結果、インバータ回路１４２において使用可能な動作周波数の範囲が拡大される、という利点もある。以下、この点について詳述する。

すなわち、本実施形態の非接触給電システムにおける共振特性は、上述したように給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との結合係数に応じて変化し、ある条件下では、図８に示すように出力に２つの極大値が生じる、いわゆる双峰特性を示す。この共振特性（双峰特性）においては、図８に示すように、第１周波数ｆｒ１と第３周波数ｆｒ３とのそれぞれで出力が極大となる２つの“山”が生じる。これら２つの“山”の間には、第２周波数ｆｒ２で出力が極小となる“谷”が生じる。ここで、第１周波数ｆｒ１と第２周波数ｆｒ２と第３周波数ｆｒ３とは、ｆｒ１＜ｆｒ２＜ｆｒ３の関係にある。以下では、第２周波数ｆｒ２を基準に、第２周波数ｆｒ２より低い周波数領域を「低周波領域」といい、第２周波数ｆｒ２より高い周波数領域を「高周波領域」という。

このような共振特性にあっては、低周波領域の“山”（第１周波数ｆｒ１で極大となる山）と、高周波領域の“山”（第３周波数ｆｒ３で極大となる山）とのそれぞれに、インバータ回路１４２が遅相モードで動作する領域（以下、「遅相領域」という）が生じる。そのため、インバータ回路１４２は、動作周波数ｆ１が２つの“山”のいずれにある場合でも、遅相モードで動作可能である。

ここで、インバータ回路１４２の動作周波数ｆ１が低周波領域の“山”にある場合と、高周波領域の“山”にある場合とを比較すると、低周波領域の“山”にある場合の方が、不要輻射ノイズは小さくなる。つまり、高周波領域の“山”においては、給電コイルＬ１を流れる電流と、受電コイルＬ２を流れる電流とは同位相になる。これに対して、低周波領域の“山”においては、給電コイルＬ１を流れる電流と、受電コイルＬ２を流れる電流とは逆位相になる。そのため、低周波領域の“山”においては、給電コイルＬ１で生じる不要輻射ノイズと、受電コイルＬ２で生じる不要輻射ノイズとが、互いに相殺されることになり、非接触給電システム全体でみれば不要輻射ノイズは低減される。

したがって、ソレノイド型のコイルが採用される場合でも、インバータ回路１４２の動作周波数ｆ１が低周波領域の“山”の遅相領域（ｆｒ１〜ｆｒ２）にあれば、インバータ回路１４２が遅相モードで動作し、かつ不要輻射ノイズも低減されることになる。しかし、低周波領域の“山”の遅相領域は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との結合係数に応じて変化するため、このような不確定な遅相領域にインバータ回路１４２の動作周波数ｆ１を収める制御が必要になる。

これに対して、スパイラルコイルであれば、たとえインバータ回路１４２の動作周波数ｆ１が高周波領域の“山”の遅相領域（ｆｒ３より高周波側）にあっても、ソレノイド型のコイルに比べれば不要輻射ノイズは大幅に低減される。つまり、スパイラルコイルが用いられることで、インバータ回路１４２の動作周波数ｆ１は低周波領域の“山”の遅相領域に制限されず、インバータ回路１４２において使用可能な動作周波数ｆ１の範囲が拡大されることになる。なお、高周波領域の“山”の遅相領域も不確定な領域ではあるが、インバータ回路１４２の動作周波数ｆ１を十分に高い周波数から低周波側にスイープさせれば動作周波数ｆ１は高周波領域の“山”の遅相領域を通るので、複雑な制御は不要である。

なお、遅相モードとは、インバータ回路１４２の出力電流がインバータ回路１４２の出力電圧の位相よりも遅れた状態で、インバータ回路１４２が動作するモードである。

本実施形態の非接触給電装置１は、磁性材料からなるベース１１１と、給電コイルＬ１と、給電コイルＬ１に電流を流して給電コイルＬ１に磁束を生じさせる電源部１４とを備える。ベース１１１は、板状に形成される。給電コイルＬ１は、中心軸をベース１１１の厚み方向と同じ方向に向けてベース１１１の第１面（上面）に配置される。前記中心軸を含む給電コイルＬ１に囲まれる位置には、ベース１１１の第１面（上面）から給電コイルＬ１の内周に沿って突出する内壁１２が設けられる。内壁１２に囲まれる収納スペース１３の第１面（上面）と同一面における面積が、内壁１２の先端と同一面における収納スペース１３の面積よりも大きくなるように、内壁１２が形成されている。

本実施形態の非接触給電システムは、非接触給電装置１と、非接触給電装置１から供給される電力を受ける非接触受電装置２とを備える。

本実施形態の非接触給電装置および非接触給電システムは上述のように構成されるので、給電コイルに囲まれたスペース（収納スペース１３）への磁束の影響を低減させることができる。

本実施形態の非接触給電装置１は、第１面（上面）と同一面における収納スペース１３の面積が、内壁１２の先端と同一面における収納スペース１３の面積よりも徐々に大きくなるように、内壁１２が第１面（上面）に対して傾斜していることが好ましい。

本実施形態の非接触給電装置１が上述のように構成されれば、給電コイルＬ１が発生する磁束の範囲を広くすることができる。

本実施形態の非接触給電装置１は、ベース１１１を底壁とし、かつ一部が開口する箱形の筐体１１と、筐体１１の開口を覆うカバー１５とを備えることが好ましい。筐体１１内には、給電コイルＬ１が収納されることが好ましい。カバー１５は、非金属材料によって形成されることが好ましい。

本実施形態の非接触給電装置１が上述のように構成されれば、筐体１１内における防水および防塵に対応することが可能である。

本実施形態の非接触給電装置１は、電源部１４の少なくとも一部を構成する部品が収納スペース１３に配置されていることが好ましい。

本実施形態の非接触給電装置１が上述のように構成されれば、給電コイルＬ１に囲まれたスペース（収納スペース１３）を有効に活用することが可能である。

１ 非接触給電装置
１１１ ベース
１２ 内壁
１３ 収納スペース
１４ 電源部
１５ カバー
２ 非接触受電装置
Ｌ１ 給電コイル

Claims (5)

1. 磁性材料からなるベースと、給電コイルと、前記給電コイルに電流を流して前記給電コイルに磁束を生じさせる電源部とを備え、
   前記ベースは、板状に形成され、
   前記給電コイルは、中心軸を前記ベースの厚み方向と同じ方向に向けて前記ベースの第１面に配置され、
   前記中心軸を含む前記給電コイルに囲まれる位置には、前記ベースの前記第１面から前記給電コイルの内周に沿って突出する内壁が設けられ、
   前記内壁に囲まれる収納スペースの前記第１面と同一面における面積が、前記内壁の先端と同一面における前記収納スペースの面積よりも大きくなるように、前記内壁が形成されている
   ことを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記第１面と同一面における前記収納スペースの面積が、前記内壁の先端と同一面における前記収納スペースの面積よりも徐々に大きくなるように、前記内壁が前記第１面に対して傾斜している
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記ベースを底壁とし、かつ一部が開口する箱形の筐体と、前記筐体の開口を覆うカバーとを備え、
   前記筐体内に前記給電コイルが収納され、
   前記カバーは、非金属材料によって形成される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の非接触給電装置。
4. 前記電源部の少なくとも一部を構成する部品が前記収納スペースに配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の非接触給電装置と、前記非接触給電装置から供給される電力を受ける非接触受電装置とを備える
   ことを特徴とする非接触給電システム。

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