JP2017099186A - Power receiving device and power transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触で電力を受電する受電装置及び非接触で電力を伝送する電力伝送システムに関する。 The present invention relates to a power receiving device that receives power in a contactless manner and a power transmission system that transmits power in a contactless manner.
近年、時計等のウェアラブル機器や電気自動車等への電力供給に際して、非接触で電力を伝送する電力伝送システムが用いられている。かかる電力伝送システムでは、送電装置側のコイル(送電コイル)と受電装置側のコイル(受電コイル)とを対向するように配置し、電力の伝送を行う。電力伝送の方法としては、電磁誘導を用いた電磁誘導方式と、磁界共鳴を用いた磁界共鳴方式とが知られている。電磁誘導方式では、送電コイルに電流を流して磁界を発生させ、誘導磁束を利用して受電コイルに電流を発生させる。磁界共鳴方式では、送電コイル及び受電コイルにキャパシタを接続して共振回路を構成し、送電コイルと受電コイルとを同じ周波数で共振させることにより、受電コイルに電流を生じさせる。 2. Description of the Related Art In recent years, power transmission systems that transmit power in a contactless manner when power is supplied to wearable devices such as watches and electric vehicles have been used. In such a power transmission system, a coil on the power transmission device side (power transmission coil) and a coil on the power reception device side (power reception coil) are arranged so as to face each other to transmit power. As a power transmission method, an electromagnetic induction method using electromagnetic induction and a magnetic field resonance method using magnetic field resonance are known. In the electromagnetic induction method, a magnetic field is generated by causing a current to flow through a power transmission coil, and a current is generated in the power receiving coil using an induced magnetic flux. In the magnetic field resonance method, a capacitor is connected to the power transmission coil and the power reception coil to form a resonance circuit, and the power transmission coil and the power reception coil resonate at the same frequency, thereby generating a current in the power reception coil.
かかる電力伝送システムでは、電力を伝送するために、強力な磁界を発生させる。そこで、発生した磁界が送電装置及び受電装置の周囲に及ぼす影響を低減するため、送電コイルを格納する送電装置のケースや受電コイルを格納する受電装置のケースの表面部に、金属や磁性体等からなる遮蔽シールドを設けて磁界を遮蔽することが考えられた(例えば、特許文献1)。 In such a power transmission system, a strong magnetic field is generated in order to transmit power. Therefore, in order to reduce the influence of the generated magnetic field on the surroundings of the power transmitting device and the power receiving device, a metal or magnetic material is placed on the surface of the case of the power transmitting device storing the power transmitting coil or the case of the power receiving device storing the power receiving coil. It has been considered to shield the magnetic field by providing a shielding shield made of (for example, Patent Document 1).
上記のような遮蔽シールドは、送電コイルや受電コイルの開口部を塞ぐように設けられる。従って、例えば時計やウェアラブル端末等の電子機器が受電装置である場合、表示部の周辺に受電コイルを配置すると、遮蔽シールドにより表示部が塞がれてしまい、表示部を視認することができない。このため、受電コイルの開口部周辺には表示部を設けることができず、電子機器のデザインが制約されてしまうという問題があった。 The shielding shield as described above is provided so as to close the openings of the power transmission coil and the power reception coil. Therefore, for example, when an electronic device such as a watch or a wearable terminal is a power receiving device, if the power receiving coil is disposed around the display unit, the display unit is blocked by the shielding shield, and the display unit cannot be visually recognized. For this reason, a display part cannot be provided around the opening part of a receiving coil, and there existed a problem that the design of an electronic device will be restrict | limited.
また、遮蔽シールドは受電コイルの開口部を塞ぐように設けられるため、材料の使用量が多い。このため、受電装置の重量が増加し、コストが増大してしまうという問題があった。 Further, since the shielding shield is provided so as to close the opening of the power receiving coil, the amount of material used is large. For this reason, there existed a problem that the weight of a power receiving apparatus increased and cost increased.
上記課題を解決するため、本発明は、重量の増加やコストの増大を抑えつつ装置内部や周囲に対する磁界の影響を抑えることが可能な受電装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a power receiving device capable of suppressing the influence of a magnetic field on the inside and the surroundings of the device while suppressing an increase in weight and an increase in cost.
本発明に係る受電装置は、送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面から前記送電コイルに対向する方向の平面内に配された環状導体と、を有することを特徴とすることを特徴とする。 A power receiving device according to the present invention is disposed opposite to a power transmitting coil, has a power receiving coil that receives power transmitted from the power transmitting coil in a contactless manner, and an annular shape surrounding a central axis of the power receiving coil, And an annular conductor disposed in a plane in a direction facing the power transmission coil from the coil surface of the power reception coil.
また、本発明に係る電力伝送システムは、電力を送電する送電コイルと、前記送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面を含む平面から前記送電コイルのコイル面を含む平面までの間に位置するように配された環状導体と、を有することを特徴とする。 In addition, a power transmission system according to the present invention includes a power transmission coil that transmits power, a power reception coil that is disposed to face the power transmission coil, and that receives power transmitted from the power transmission coil in a contactless manner, and the power reception coil And an annular conductor disposed so as to be located between a plane including the coil surface of the power receiving coil and a plane including the coil surface of the power transmission coil. And
本発明によれば、重量の増加やコストの増大を抑えつつ装置内部や周囲に対する磁界の影響を抑えることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to suppress the influence of a magnetic field on the inside and the surroundings of the apparatus while suppressing an increase in weight and an increase in cost.
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)は、受電装置10の構成を模式的に示す図であり、図1(b)は図1(a)の1a−1b線に沿った水平方向の断面図(平面図)である。受電装置10は、例えば時計等の機器であり、本体部11、受電コイル12及び環状導体13を有する。なお、図1(b)では本体部11の図示を省略している。
FIG. 1A is a diagram schematically showing the configuration of the
本体部11は、受電回路、液晶表示部(LCD)及び回路基板等の電子回路を含む。本体部11は、受電コイル12を挟んで環状導体13と対向する位置に配置されている。受電装置10における本体部11の配置領域付近を表側、環状導体13の配置領域付近を裏側とすると、液晶表示部は、表側の表面部(本体部11の受電コイル12と対向する面とは反対側の表面部)に形成されている。また、受電コイル12側の位置に磁気シールド等を有していてもよい。
The
受電コイル12は、例えば円環状のコイル面(開口部)を有する円形コイルである。受電コイル12は、受電時には後述する送電コイル21と対向して配置され、図1(a)に示すA方向から伝送された電力を非接触で受電する。受電コイル12は、後述するように整流回路や負荷等と接続され、受電回路が構成されている。
The
環状導体13は、受電コイル12の中心軸を囲む円環状の形状を有し、例えば銅やステンレス等の導電性の材料から構成されている。環状導体13の直径は、受電コイル12の直径よりも大きい。環状導体13は、受電コイル12を介して本体部11と対向する位置に設けられている。環状導体13は、A方向から見た場合、電力伝送時に受電コイル12よりも送電側に近くなる位置に配置されている。
The
図2(a)は、送電装置20の構造を模式的に示す図であり、図2(b)は図2(a)の2a−2b線に沿った水平方向の断面図(平面図)である。
2A is a diagram schematically illustrating the structure of the
送電コイル21は、円形のコイル面(開口部)を有する円形コイルである。送電コイル21は、図2(a)に示すB方向に電力の伝送を行う。送電コイル21には交流電流源、電力増幅器及び共振キャパシタが接続され、送電回路を構成している。
The
図3(a)は、かかる送電回路23の構成を示す回路図である。送電回路23は、交流電流源ACと、電力増幅器PAと、送電側共振回路22と、を含む。送電側共振回路22は、直列接続された送電コイル21及び共振キャパシタC1を含む。
FIG. 3A is a circuit diagram showing the configuration of the power transmission circuit 23. The power transmission circuit 23 includes an alternating current source AC, a power amplifier PA, and a power transmission
交流電流源ACは、例えばISM(Industry Science Medical)バンドの周波数帯として用いられる13.56MHzの周波数の交流電流(交流信号)を生成する。電力増幅器PAは、生成された交流電流を増幅して送電側共振回路22に供給する。送電側共振回路22は、13.56MHzの共振周波数で共振し、交流磁界を発生させる。
The AC current source AC generates an AC current (AC signal) having a frequency of 13.56 MHz, which is used as a frequency band of, for example, an ISM (Industry Science Medical) band. The power amplifier PA amplifies the generated alternating current and supplies it to the power transmission
図3(b)は、受電コイル12を含む受電回路14の構成を示す回路図である。受電回路14は、受電側共振回路15と、整流回路16と、負荷RXと、を含む。受電側共振回路15は、並列接続された受電コイル12及び共振キャパシタC2を含む。整流回路16は、整流ダイオードD1〜D4を含む。
FIG. 3B is a circuit diagram illustrating a configuration of the
受電側共振回路15は、送電側共振回路22の共振により発生した磁界の変動により、送電側共振回路22と同じ共振周波数、すなわち13.56MHzの共振周波数で共振する。これにより、受電側共振回路15には、周波数13.56MHzの交流電流が生成される。
The power reception
受電側共振回路15は、生成された交流電流を整流回路16に供給する。整流回路16は、交流電流を直流電流に変換し、負荷RXに供給する。
The power reception
負荷RXは、例えば受電装置10に設けられたバッテリである。すなわち、上記各部の動作により送電回路23から受電回路14に電力が伝送され、受電装置10のバッテリが充電される。
The load RX is, for example, a battery provided in the
再び図1(a)及び(b)を参照すると、環状導体13は閉じた円環状の導体線からなり、キャパシタは接続されていない。従って、環状導体13は、一定の浮遊容量を有するものの、その共振周波数は、送電側共振回路22及び受電側共振回路15の共振周波数13.56MHzとは大きく異なる。
Referring again to FIGS. 1A and 1B, the
図4(a)は、電力伝送時における受電コイル12、環状導体13及び送電コイル21(以下、これらをまとめて電力伝送システムとも称する)の位置関係を模式的に示す斜視図である。図4(b)は、かかる電力伝送システムの上面図であり、図4(c)は、受電コイル12の中心軸Axを含む、上面図のV−V線に沿った断面図である。
FIG. 4A is a perspective view schematically showing a positional relationship among the
環状導体13は、受電コイル12のコイル面から送電コイル21に対向する方向の平面内に配置されている。すなわち、環状導体13は、送電コイル21のコイル面を含む平面と受電コイル12のコイル面を含む平面との間に、受電コイル12の中心軸を囲むように配置されている。また、環状導体13の直径は、受電コイル12及び送電コイル21の各々の直径よりも大きい。
The
図5(a)及び(b)は、本実施例において送電コイル21、受電コイル12及び環状導体13の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図(図5(b))と、仮に環状導体13が存在しないとした場合に送電コイル21及び受電コイル12の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図(図5(a))とを比較して、模式的に示す図である。
5A and 5B are a cross-sectional view (FIG. 5B) of magnetic field lines of a magnetic field generated around the
環状導体13が存在しない場合、送電コイル21及び受電コイル12の周囲には、図5(a)に示す破線のように、広く交流磁界が発生する。本発明では、上記の通り送電側共振回路22及び受電側共振回路15を同じ周波数(13.56MHz)で共振させ、所謂磁界共鳴方式を用いて電力の伝送を行っているため、強力な磁界が発生する。従って、送電コイル21及び受電コイル12の周囲に形成される磁界の広がりが大きく、受電装置10の内部や外部等、各コイルの周辺領域に磁界が与える影響が大きい。
When the
これに対し、送電コイル21のコイル面を含む平面と受電コイル12のコイル面を含む平面との間に環状導体13が存在する場合、送電コイル21により生成される磁界によって、環状導体13に誘導電流が流れ、環状導体13の周囲には送電コイル21が生成する磁界を打ち消す方向に磁界が発生する。従って、送電コイル21及び受電コイル12の周囲に形成される磁界の広がりは小さくなり、受電装置10の内部や外部等、各コイルの周辺領域に磁界が与える影響は小さくなる。
On the other hand, when the
なお、環状導体13の周囲に生じる磁界は、送電コイル21及び受電コイル12の周囲に生じる磁界の広がりを打ち消す働きを有するが、送電回路23から受電回路14に伝送される電力量には影響を及ぼさない。
The magnetic field generated around the
また、上記説明では、環状導体13の直径が受電コイル12の直径よりも大きいとしたが、本実施例において、環状導体13は、受電コイル12を包含する形状、大きさを有していれば良い。すなわち、受電コイル12及び環状導体13の導体面を同一平面内に置いたときに、環状導体13が受電コイル12を包含する形状を有していれば良い。
In the above description, the diameter of the
以上のように、本実施例の受電装置10によれば、送電コイル21及び受電コイル12の間で電力伝送時に発生する磁界が、受電装置10の周辺領域に与える影響を低減することができる。
As described above, according to the
また、環状導体13は、受電コイル12を挟んで本体部11と対向する位置に配置されているため、受電装置10の表側の表面部(本体部11の受電コイル12と対向する面とは反対側の表面部)に形成された液晶表示部等を視認する際の妨げとならない。また、環状導体13は形状が環状であり、材料の使用量が少ないため、板状の遮蔽シールドを設けた場合と比べて、受電装置の重量の増加やコストの増大を抑えることができる。
Further, since the
本実施例の受電装置及び電力伝送システムについて、図6〜図8を参照して説明する。なお、実施例1と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。 A power receiving apparatus and a power transmission system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to Example 1, and description is abbreviate | omitted.
図6(a)は、本実施例の受電装置30の構成を模式的に示す図であり、図6(b)は図6(a)のW−W線に沿った水平方向の断面図(平面図)である。受電装置30は、例えば時計等の電子機器であり、本体部11、受電コイル32及び環状導体33を有する。なお、図6(b)では本体部11の図示を省略している。
FIG. 6A is a diagram schematically showing the configuration of the
本実施例の受電装置30では、環状導体33の直径の大きさが、実施例1の受電装置10の環状導体13の直径の大きさと異なる。すなわち、環状導体33の直径は、実施例1の場合とは異なり、受電コイル32の直径よりも小さい。
In the
図7(a)は、電力伝送時における受電コイル32、環状導体33及び送電コイル21(電力伝送システム)の位置関係を模式的に示す上面図である。図7(b)は、図7(a)のX−X線に沿った断面図であり、受電コイル32の中心軸Axを含む。
Fig.7 (a) is a top view which shows typically the positional relationship of the receiving
送電コイル21のコイル面を含む平面と受電コイル32のコイル面を含む平面との間に、受電コイル32の中心軸を囲むように、環状導体33が配置されている。また、環状導体33の直径は、受電コイル32及び送電コイル21の各々の直径よりも小さい。
An
図8(a)及び(b)は、本実施例において送電コイル21、受電コイル32及び環状導体33の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図(図8(b))と、仮に環状導体33が存在しないとした場合に送電コイル21及び受電コイル32の周囲に生成される磁界の磁力線の断面図(図8(a))とを比較して、模式的に示す図である。
FIGS. 8A and 8B are a cross-sectional view (FIG. 8B) of magnetic field lines of a magnetic field generated around the
環状導体33が存在しない場合、送電コイル21及び受電コイル32の周囲には、図8(a)に示す破線のように、広く交流磁界が発生する。従って、送電コイル21及び受電コイル32の周囲に形成される磁界の広がりが大きく、受電装置30の内部や外部等、各コイルの周辺領域に磁界が与える影響が大きい。
When the
これに対し、送電コイル21のコイル面を含む平面と受電コイル32のコイル面を含む平面との間に環状導体33が存在する場合、送電コイル21により生成される磁界によって、環状導体33に誘導電流が流れ、環状導体33の周囲には送電コイル21が生成する磁界を打ち消す方向に磁界が発生する。
On the other hand, when the
本実施例では、環状導体33の環の直径が受電コイル32及び送電コイル21の各々の直径よりも小さいため、受電コイル32及び送電コイル21の内側領域(中心軸に近い領域)において、受電コイル32及び送電コイル21の周辺に生成される磁界の広がりが抑えられる。従って、磁界が送電コイル21及び受電コイル12の周囲、特にコイルの内側領域に与える影響が小さくなる。
In this embodiment, since the diameter of the ring of the
なお、上記説明では、環状導体33の直径が受電コイル32の直径よりも小さいとしたが、本実施例において、環状導体33は、受電コイル32に包含される形状、大きさを有していれば良い。すなわち、受電コイル32及び環状導体33の導体面を同一平面内に置いたときに、環状導体33が受電コイル32に包含される形状を有していれば良い。
In the above description, it is assumed that the diameter of the
以上のように、本実施例の受電装置30によれば、送電コイル21及び受電コイル32の間で電力伝送時に発生する磁界が、受電装置30の周辺領域、特に受電装置30の内部に与える影響を低減することができる。これにより、例えば受電装置30が時計や携帯端末等の精密機器である場合には、磁界が装置内部の精密部品に及ぼす影響を大きく低減することが可能となる。
As described above, according to the
なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施例1及び実施例2では、環状導体13(33)が受電コイル12(32)のコイル面よりも送電側に近い位置に配置される例について説明した。しかし、例えば図9に示すように、環状導体13(33)は受電コイル12(32)と同一平面内(例えば、同じレイヤ)に形成されていても良い。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in Example 1 and Example 2 described above, the example in which the annular conductor 13 (33) is disposed at a position closer to the power transmission side than the coil surface of the power receiving coil 12 (32) has been described. However, for example, as shown in FIG. 9, the annular conductor 13 (33) may be formed in the same plane (for example, the same layer) as the power receiving coil 12 (32).
また、上記実施例では、送電コイル及び受電コイルが共通の共振周波数で共振することにより電力を伝送する、磁界共鳴方式を用いた例について説明した。しかし、電磁誘導によって送電コイルから受電コイルに送電を行う電磁誘導方式により電力を伝送するものであっても良い。 Further, in the above-described embodiment, the example using the magnetic field resonance method in which the power transmission coil and the power reception coil transmit power by resonating at a common resonance frequency has been described. However, electric power may be transmitted by an electromagnetic induction method in which power is transmitted from the power transmission coil to the power reception coil by electromagnetic induction.
また、上記実施例では、送電コイル及び受電コイルが13.56MHzの共振周波数で共振する例について説明したが、周波数帯はこれに限られない。例えば、6.78MHz等の短波の周波数帯でも良いし、100kHz程度の長波の周波帯でも良い。要するに、送電コイル及び受電コイルが同じ共振周波数で共振するように構成されていれば良い。 Moreover, although the said Example demonstrated the example in which a power transmission coil and a receiving coil resonate at the resonance frequency of 13.56 MHz, a frequency band is not restricted to this. For example, a short wave frequency band such as 6.78 MHz or a long wave frequency band of about 100 kHz may be used. In short, it is sufficient if the power transmission coil and the power reception coil are configured to resonate at the same resonance frequency.
また、環状導体13は電気的にフローティングの状態であっても良く、接地されていても良く、何らかの回路に接続されていても良い。
The
また、上記実施例では、受電コイル12(32)、送電コイル21及び環状導体13(33)が円環状の形状を有する場合を例として説明した。しかし、楕円形状、長方形等の矩形形状、多角形環状等の環形状を有していても良い。
Moreover, in the said Example, the receiving coil 12 (32), the
受電コイル12(32)及び送電コイル21は、円筒状に巻かれた複数巻のコイルであっても良い。また、環状導体13(33)は、複数巻のコイル形状やばね状に形成されていても良い。環状導体13(33)は、受電コイル12(32)のコイル面から送電コイル21に対向する方向の平面内に配されていればよいが、例えば受電コイル12(32)がn巻(n:2以上の整数)のコイルからなるとき、第1巻目のコイル面乃至第n巻目のコイル面のいずれかの面を受電コイル12(32)のコイル面として適用することができる。
The power receiving coil 12 (32) and the
また、上記実施例では、伝送された電力の供給を受ける負荷RXが受電装置10のバッテリであり、伝送された電力に基づいて充電を行う例について説明した。しかし、電力伝送の目的は、充電に限られない。例えば、交流信号(交流電流)に変調をかけることにより、伝送される電力を用いて、双方向又は片方向の通信を行うものであっても良い。
Further, in the above-described embodiment, an example in which the load RX that receives the supplied power is the battery of the
また、上記実施例では、環状導体が受電装置に形成される例について説明した。しかし、環状導体は、送電装置に形成されていても良い。要するに、環状導体は、受電コイルのコイル面を含む平面と送電コイルのコイル面を含む平面との間に配置されていれば良い。 Moreover, the said Example demonstrated the example in which an annular conductor is formed in a power receiving apparatus. However, the annular conductor may be formed in the power transmission device. In short, the annular conductor may be disposed between a plane including the coil surface of the power receiving coil and a plane including the coil surface of the power transmission coil.
また、スイッチ切り替え等により受電コイル及び送電コイルの役割を逆転させ、逆方向の電力伝送が可能なように構成されていても良い。 Moreover, the role of a receiving coil and a power transmission coil may be reversed by switch switching etc., and you may be comprised so that the electric power transmission of a reverse direction is possible.
また、周辺への磁界の影響をより抑えるため、従来用いられている磁性体シートや導体板等を、本発明の環状導体と併用しても良い。 In order to further suppress the influence of the magnetic field on the periphery, a conventionally used magnetic sheet or conductor plate may be used in combination with the annular conductor of the present invention.
10,30 受電装置
11 本体部
12,32 受電コイル
13,33 環状導体
14 受電回路
15 受電側共振回路
16 整流回路
20 送電装置
21 送電コイル
22 送電側共振回路
23 送電回路
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面から前記送電コイルに対向する方向の平面内に配された環状導体と、
を有することを特徴とする受電装置。 A power receiving coil that is arranged to face the power transmitting coil and receives the power transmitted from the power transmitting coil in a contactless manner;
An annular conductor having a ring shape surrounding a central axis of the power receiving coil, and an annular conductor disposed in a plane facing the power transmission coil from a coil surface of the power receiving coil;
A power receiving device comprising:
前記受電コイル及び前記キャパシタは、所定の共振周波数で共振する共振回路を構成していることを特徴とする請求項1に記載の受電装置。 A capacitor connected to the power receiving coil;
The power reception device according to claim 1, wherein the power reception coil and the capacitor constitute a resonance circuit that resonates at a predetermined resonance frequency.
前記送電コイルに対向して配置され、前記送電コイルから送電された電力を非接触で受電する受電コイルと、
前記受電コイルの中心軸を囲む環状形状を有し、前記受電コイルのコイル面を含む平面から前記送電コイルのコイル面を含む平面までの間に位置するように配された環状導体と、
を有することを特徴とする電力伝送システム。 A power transmission coil for transmitting power;
A power receiving coil that is disposed to face the power transmitting coil and that receives power transmitted from the power transmitting coil in a contactless manner;
An annular conductor having an annular shape surrounding the central axis of the power receiving coil, and being disposed so as to be located between a plane including the coil surface of the power receiving coil and a plane including the coil surface of the power transmitting coil;
A power transmission system comprising:
前記送電コイル及び前記送電側キャパシタは、所定の共振周波数で共振する送電側共振回路を構成し、
前記受電コイル及び前記受電側キャパシタは、前記所定の共振周波数で共振する受電側共振回路を構成することを特徴とする請求項8に記載の電力伝送システム。 A power transmission side capacitor connected to the power transmission coil, and a power reception side capacitor connected to the power reception coil,
The power transmission coil and the power transmission side capacitor constitute a power transmission side resonance circuit that resonates at a predetermined resonance frequency,
The power transmission system according to claim 8, wherein the power receiving coil and the power receiving side capacitor constitute a power receiving side resonance circuit that resonates at the predetermined resonance frequency.
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