JP2019176554A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】零相電流の発生を回避してモータを高効率で起動できるモータ駆動装置を提供する。【解決手段】互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータの一端に第１インバータを接続し、上記各相巻線の他端に第２インバータを接続し、上記各相巻線の他端の相互間に開閉器を接続する。そして、上記開閉器の開閉および上記第１および第２インバータの運転をコントローラで制御する。とくに、コントローラは、上記モータの起動時に上記開閉器を閉成して、前記第１インバータのみを駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有する永久磁石同期モータいわゆるオープン巻線モータを駆動するモータ駆動装置に関する。

空気調和機や熱源機などの冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機の駆動用モータとして、複数の相巻線を有する永久磁石同期モータが使用される。また、この永久磁石同期モータの一例として、複数の相巻線を互いに非接続状態とした構成のオープン巻線モータ（Open-Windings Motor）が知られている。

このような永久磁石同期モータは、高温高圧となる圧縮機の内部に収納されるため、ロータ位置検知用のセンサを備えない、いわゆるセンサレスモータとなっている。センサレスモータでは、モータの各相巻線への通電パターンとその時に流れる各相巻線電流の応答からロータ位置を推定する。

このような永久磁石同期モータを起動する場合、相巻線電流を流していない状態であるため、位置検知（推定）ができない。このため、まず励磁電流を各相巻線に加えてロータを指定の位置まで回動させる“初期位置決め”を行い、次に界磁成分電流を各相巻線に加えてロータを強制的に牽引する“強制転流”を行い、続いて、徐々に増加するトルク成分電流を各相巻線に与えてロータの回転数を上昇させ、これに伴い、各相巻線に流れる電流を検出し、検出した電流の値からロータの位置及び回転数を推定する。以後、ロータ位置に応じた巻線電流を流して推定した回転数が目標回転数となるように駆動を続ける。

特許第４９０６８３６号公報 特開２０１６−０９９０２９号公報

三相オープン巻線モータでは、２つの三相インバータによってモータが駆動されるが、この２つのインバータ間で流れる電流、いわゆる零相電流（零軸電流ともいう）が発生する。この零相電流は、効率の低下を招くだけで、オープン巻線モータの駆動には何ら寄与しない。

本発明の実施形態の目的は、零相電流の発生を回避してモータを高効率で起動できるモータ駆動装置を提供することである。

請求項１のモータ駆動装置は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータを駆動するものであって；前記各相巻線の一端に接続され、その各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと；前記各相巻線の他端に接続され、その各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと；前記各相巻線の他端の相互間に接続された開閉器と；この開閉器および前記第１および第２インバータの運転を制御するコントローラと；を備える。コントローラは、前記モータの起動時に前記開閉器を閉成する。

一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図。 一実施形態の構成を示すブロック図。 一実施形態のモータコントローラの制御を示すフローチャート。 一実施形態におけるオープン巻線モータの回転数と星形結線モードおよびオープン巻線モードとの関係を示すタイムチャート。

本発明の一実施形態に係る空気調和機の冷凍サイクル装置の構成を図１に示す。

オープン巻線モータ（Open-Windings Motor）１Ｍ（以下、モータ１Ｍという）を駆動用モータとして有する圧縮機１の吐出口に、四方弁２を介して室外熱交換器３の一端が配管接続され、その室外熱交換器３の他端に減圧器である電動膨張弁４を介して室内熱交換器５の一端が配管接続されている。そして、室内熱交換器５の他端が上記四方弁２を介して圧縮機１の吸込口に配管接続されている。

室外熱交換器３の近傍に室外ファン６が配置され、室内熱交換器５の近傍に室内ファン７が配置されている。モータ１Ｍ、四方弁２、電動膨張弁４、室外ファン６、および室内ファン７は、コントローラ１０により駆動制御される。

冷房運転時、コントローラ１０は、図１中の実線矢印で示すように、圧縮機１が吐出するガス冷媒を四方弁２を介して室外熱交換器３に流す。室外熱交換器３に流れたガス冷媒は、外気に熱を放出して凝縮する。この室外熱交換器（凝縮器）３から流出する液冷媒は、電動膨張弁４で減圧された状態で室内熱交換器５に流れる。室内熱交換器５に流れた液冷媒は、室内空気から熱を奪って蒸発する。この室内熱交換器（蒸発器）５から流出するガス冷媒は、四方弁２を通って圧縮機１に吸い込まれる。暖房運転時、コントローラ１０は、四方弁２を切換え、図１中の破線矢印で示すように、圧縮機１が吐出するガス冷媒を四方弁２を介して室内熱交換器５に流す。室内熱交換器５に流れたガス冷媒は、室内空気に熱を放出して凝縮する。この室内熱交換器（凝縮器）５から流出する液冷媒は、電動膨張弁４で減圧されて室外熱交換器３に流れる。室外熱交換器３に流れた液冷媒は、外気から熱を奪って蒸発する。この室外熱交換器（蒸発器）３から流出するガス冷媒は、四方弁２を通って圧縮機１に吸い込まれる。圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器５、電動膨張弁４(減圧装置)、室外熱交換器３及びこれらを接続する冷媒配管によって冷凍サイクルが形成される。

本実施形態のモータ駆動装置は、図２に示すように、モータ１Ｍの駆動回路およびコントローラ１０の一部により構成される。モータ１Ｍは、互いに非接続状態の複数たとえば３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有する永久磁石同期モータである。

三相交流電源２０にノイズフィルタ２１を介してダイオードブリッジの全波整流回路２２が接続され、その全波整流回路２２の出力端にリアクタ２３を介してコンデンサ２４が接続されている。この全波整流回路２２、リアクタ２３、コンデンサ２４により、直流電圧Ｖdcを出力する直流電源２５が構成される。

この直流電源２５とモータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間に、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端への通電を制御するインバータ（第１三相インバータ；１次側インバータあるいはマスタインバータともいう）３０が接続されている。上記直流電源２５とモータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端との間に、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端への通電を制御するインバータ（第２三相インバータ；２次側インバータあるいはスレーブインバータともいう）４０が接続されている。すなわち、インバータ３０，４０を同じ直流電源２５に接続する電源共通方式が採用されている。

インバータ３０は、ＩＧＢＴ３１，３２を直列接続しそのＩＧＢＴ３１，３２の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｕの一端に接続されるＵ相用直列回路、ＩＧＢＴ３３，３４を直列接続しそのＩＧＢＴ３３，３４の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｖの一端に接続されるＶ相用直列回路、ＩＧＢＴ３５，３６を直列接続しそのＩＧＢＴ３５，３６の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｗの一端に接続されるＷ相用直列回路を含み、直流電源２５の直流電圧ＶdcをＩＧＢＴ３１〜３６のスイッチングにより所定周波数の三相交流電圧に変換し、それをモータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ一端へ供給する。ＩＧＢＴ３１〜３６には、回生用ダイオード（フリー・ホイール・ダイオードともいう）３１ａ〜３６ａが逆並列接続されている。

インバータ４０は、ＩＧＢＴ４１，４２を直列接続しそのＩＧＢＴ４１，４２の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端に接続されるＵ相用直列回路、ＩＧＢＴ４３，４４を直列接続しそのＩＧＢＴ４３，４４の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端に接続されるＶ相用直列回路、ＩＧＢＴ４５，４６を直列接続しそのＩＧＢＴ４５，４６の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｗの他端に接続されるＷ相用直列回路を含み、直流電源２５の直流電圧ＶdcをＩＧＢＴ４１〜４６のスイッチングにより所定周波数の三相交流電圧に変換し、それをモータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ他端へ供給する。ＩＧＢＴ４１〜４６には、回生用ダイオード（フリー・ホイール・ダイオードともいう）４１ａ〜４６ａが逆並列接続されている。

オープン巻線モータ１Ｍは、巻線への印加電圧を高めることができることから、高回転まで回すことができる。しかしながら、２つのインバータを動作させて駆動する必要があるため、１台分のインバータの動作が余分に必要でその分の効率低下が発生する。そこで、オープン巻線状態を必要としない低回転数域では、モータ巻線を星形結線に切り替えて１つのインバータの動作のみでモータ１Ｍを駆動することで効率向上を得ることが好ましい。さらに、低回転数域の運転では、巻線の線径を細くして巻線の巻回数を多くし、これにより巻線密度を高めることがモータ１Ｍの効率向上につながる。この点からも相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをオープン巻線状態と星形結線状態に切り替え可能とすることが好適である。そこで、モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｖの他端との相互間に、開閉器たとえばリレー５１の常開形接点（リレー接点という）５１ａが接続される。モータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端と相巻線Ｌｗの他端との相互間に、開閉器たとえばリレー５２の常開形接点（リレー接点という）５２ａが接続される。リレー接点５１ａ，５２ａが閉成すると、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端が相互接続されて、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが星形結線される。相互接続点が星形結線の中性点となる。リレー接点５１ａ，５２ａが開放すると、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端が開放して、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが電気的に分離したオープン巻線状態となる。

一方のインバータ３０とモータ１Ｍとの間の通電ラインに電流センサ５３，５３ｖ，５３ｗが配置され、これら電流センサ５３，５３ｖ，５３ｗの検知信号がコントローラ１０に送られる。

コントローラ１０は、上記冷凍サイクル装置を制御するメインコントローラ１０ａ、直流電源２５の出力電圧Ｖdcを検出する電圧検出部６１、モータ１Ｍの各相巻線に流れる電流を電流センサ５３，５３ｖ，５３ｗを介して検出する電流検出部６２、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端の相互接続点における中性点電位Ｖｏを検出する中性点電位検出部６３、リレー５１，５２を駆動するリレー駆動部６４、およびモータコントローラ６０を含む。

モータコントローラ６０は、メインコントローラ１０ａの制御、電圧検出部６１の検出電圧、電流検出部６２の検出電流、中性点電位検出部６３の検出電圧などに応じて、リレー接点５１ａ，５２ａの開閉およびインバータ３０，４０の運転を制御する。

とくに、モータコントローラ６０は、モータ１Ｍの起動に際し、リレー接点５１ａ，５２ａの閉成により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を相互接続しかつインバータ３０を単独運転（“初期位置決め”及び“強制転流”）する星形結線モードを設定する。

さらに、モータコントローラ６０は、モータ１Ｍの起動後（“強制転流”の終了後）、上記星形結線モードと、リレー接点５１ａ，５２ａの開放により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を開放しかつインバータ３０，４０を互いに連系運転（協調運転ともいう）するオープン巻線モードとを、空調負荷に応じて選択的に設定する。具体的には、モータコントローラ６０は、上述の効率向上を目指して、低空調負荷状態のモータ１Ｍの低回転数域の運転要求に対してはリレー接点５１ａ，５２ａを閉じて、星形結線状態とし、高空調負荷状態のモータ１Ｍの高回転数域での運転要求に対してはリレー接点５１ａ，５２ａを開いてオープン巻線状態に切り換えることを基本としている。

つぎに、モータコントローラ６０が実行する制御を図３のフローチャートおよび図４のタイムチャートを参照しながら説明する。フローチャートのステップＳ１，Ｓ２…については、単にＳ１，Ｓ２…と略称する。

モータコントローラ６０は、メインコントローラ１０ａから運転開始指令を受けた場合（Ｓ１のＹＥＳ）、リレー接点５１ａ，５２ａを閉成して相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を相互接続しかつインバータ３０を単独運転（インバータ４０は停止）する星形結線モードを設定する（Ｓ２）。そして、モータコントローラ６０は、所定の励磁電流をインバータ３０から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに加えてモータ１Ｍのロータを指定の位置（角度）まで回動させる“初期位置決め”を実行する（Ｓ３）。

“初期位置決め”を一定時間ｔ１続けた後（Ｓ４のＹＥＳ）、モータコントローラ６０は、界磁成分電流をインバータ３０から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに加えてロータを強制的に牽引する“強制転流”を実行する（Ｓ５）。この“強制転流”を一定時間ｔ２続けた後（Ｓ６のＹＥＳ）、モータコントローラ６０は、界磁成分電流を低減しながら、徐々に増加するトルク成分電流をインバータ３０から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに与えてロータの回転数Ｎを上昇させ、この回転数Ｎの上昇に伴い、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに誘起する電圧によってモータ１Ｍとインバータ３０との間に流れる電流を電流検出部６２により検出し、検出した電流の値からロータの回転数Ｎを推定し、推定した回転数Ｎが空調負荷に応じた目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０のスイッチングをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する（Ｓ７）。

続いて、モータコントローラ６０は、モータ１Ｍの回転数Ｎが閾値Ｎ２（＜Ｎｔ）まで上昇したかどうかを判定する（Ｓ８）。回転数Ｎが閾値Ｎ２へ向かって上昇する間（Ｓ８のＮＯ，Ｓ１１のＮＯ）、上記Ｓ７に戻り、回転数Ｎを空調負荷に応じた目標回転数Ｎｔへ上昇させるべく、インバータ３０のスイッチングのＰＷＭ制御を続ける（Ｓ７）。

相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端が相互接続される星形結線モードでは、効率の低下を招く零相電流（零軸電流ともいう）が相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れない。零相電流が流れないので、モータ１Ｍを高効率で起動できる。

［星形結線モードからオープン巻線モードへの切換え］
回転数Ｎが上昇して閾値Ｎ２に達した場合（高回転数領域；Ｓ８のＹＥＳ）、モータコントローラ６０は、回転数Ｎを一定時間ｔｓにわたり閾値Ｎ２一定に保持する（Ｓ９）。回転数Ｎを閾値Ｎ２一定に保持している間、モータコントローラ６０は、リレー接点５１ａ，５２ａを開放して相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を開放しかつインバータ３０，４０を連系運転するオープン巻線モードを設定する（Ｓ１０）。そして、モータコントローラ６０は、メインコントローラ１０ａから運転停止指令を受けていなければ（Ｓ１４のＮＯ）、上記Ｓ７に戻り、回転数Ｎが空調負荷に応じた目標回転数Ｎｔとなるよう、インバータ３０のＩＧＢＴ３１〜３６のスイッチングおよびインバータ４０のＩＧＢＴ４１〜４６のスイッチングを互いに連系してＰＷＭ制御する（Ｓ７）。このオープン巻線モードの設定により、星形結線モード時のほぼ２倍の高レベルの電圧を相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに印加することができる。高負荷運転に対応し得る十分な圧縮機能力を発揮できる。

オープン巻線モードの設定時、効率の低下を招く零相電流が相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのいずれかに流れてしまう。ただし、モータ１Ｍの起動が完了した後は、“初期位置決め”および“強制転流”がないので、零相電流を抑制する制御を容易かつ的確に実施することが可能となる。すなわち、“初期位置決め”および“強制転流”の実行中は零相電流を抑制する制御が不可能であるが、“初期位置決め”および“強制転流”がすでに終わっているので、その抑制制御を容易かつ的確に実施してモータ１Ｍを高効率で駆動することが可能となる。

［オープン巻線モードから星形結線モードへの切換え］
回転数Ｎが下降して閾値Ｎ１に達した場合（低回転数領域；Ｓ８のＮＯ，Ｓ１１のＹＥＳ）、モータコントローラ６０は、回転数Ｎを一定時間ｔｓにわたり閾値Ｎ１一定に保持する（Ｓ１２）。回転数Ｎを閾値Ｎ１一定に保持している間、モータコントローラ６０は、リレー接点５１ａ，５２ａを閉成して相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を相互接続しかつインバータ３０を単独運転する星形結線モードを設定する（Ｓ１３）。そして、モータコントローラ６０は、メインコントローラ１０ａから運転停止指令を受けていなければ（Ｓ１４のＮＯ）、上記Ｓ７に戻り、回転数Ｎが空調負荷に応じた目標回転数Ｎｔとなるよう、インバータ３０のＩＧＢＴ３１〜３６のスイッチングをＰＷＭ制御する（Ｓ７）。この星形結線モードの設定により、低負荷運転に対応し得る低レベルの電圧を相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに印加することができる。

この星形結線モードの設定時、零相電流が相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れないので、モータ１Ｍを高効率で駆動できる。

メインコントローラ１０ａから運転停止指令を受けた場合（Ｓ１４のＹＥＳ）、モータコントローラ６０は、インバータ３０およびインバータ４０の全ての運転を停止する（Ｓ１５）。

なお、星形結線モードからオープン巻線モードへの切換え時及びオープン巻線モードから星形結線モードへの切換え時に、モータコントローラ６０が、回転数Ｎを一定時間ｔｓにわたり閾値Ｎ２または閾値Ｎ１で一定に保持するのは、回転数Ｎの変動中にモードを切換えると、脱調などの恐れがあるため、これを回避するためのもので、一定時間ｔｓは少なくとも1秒以上を必要とする。

モータ１Ｍの起動時には、一般に空調負荷が重い状態であることが多く、メインコントローラ１０ａからは、高回転数域での運転要求が出る可能性が高い。このため、起動時からオープン巻線モードで運転することが考えられるが、上述の通り、起動時の初期位置決めや強制転流では大電流を流すため、オープン巻線モードでは、発生する零相電流が大きくなってしまい、効率が大きく低下する。そこで、本実施形態では、起動時は空調負荷にかかわらず、モータ１Ｍを星形結線モードで起動することで、このような効率の低下を防止している。

［変形例］
上記実施形態では、電流検出部６２で検出した電流の値からモータ１Ｍの回転数Ｎを推定する構成としたが、中性点電位検出部６３で検出した中性点電位Ｖｏからモータ１Ｍの回転数Ｎを推定する構成としてもよい。中性点電位Ｖｏからモータ１Ｍの回転数Ｎを推定する構成であれば、起動の早い段階で位置検知が可能となるので、界磁成分電流を相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに加える“強制転流”を要することなく回転数Ｎを上昇させることができるので、その界磁成分電流が不要となる分、さらに高い効率でモータ１Ｍを起動できる。

上記実施形態では、開閉器がリレー接点５１ａ，５２ａである場合を例に説明したが、半導体スイッチを開閉器として用いる場合も、同様に実施できる。

上記実施形態では、圧縮機の駆動用モータとして用いるオープン巻線モータを例に説明したが、他の用途に用いるオープン巻線モータについても同様に実施できる。

上記実施形態では、全波整流回路２２、リアクタ２３、コンデンサ２４により構成される直流電源２５を用いたが、それに限らず例えば昇圧型コンバータを直流電源２５として用いてもよい。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…圧縮機、１Ｍ…オープン巻線モータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…電動膨張弁、５…室内熱交換器、１０…コントローラ、１０ａ…メインコントローラ、２０…三相交流電源、２２…全波整流回路、２４…コンデンサ、２５…直流電源、３０…インバータ（第１インバータ）、４０…インバータ（第２インバータ）、５１，５２…リレー、５１ａ，５２ａ…リレー接点、５３ｕ，５３ｖ，５３ｗ…電流センサ、６０…モータコントローラ、６１…電圧検出部、６２…電流検出部、６３…中性点電位検出部、６４…リレー駆動部

Claims (5)

1. 互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータのモータ駆動装置であって、
   前記各相巻線の一端に接続され、その各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと、
   前記各相巻線の他端に接続され、その各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと、
   前記各相巻線の他端の相互間に接続された開閉器と、
   前記開閉器の開閉および前記第１および第２インバータの運転を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記モータの起動時に前記開閉器を閉成して、前記第１インバータのみを駆動する
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記コントローラは、
   前記モータの起動時、前記開閉器の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続する星形結線モードを設定し、
   前記モータの起動後、前記星形結線モードと、前記開閉器の開放により前記各相巻線の他端を開放するオープン巻線モードとを、負荷に応じて選択的に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記コントローラは、
   前記モータの起動時、前記開閉器の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続しかつ前記第１インバータを単独運転する星形結線モードを設定し、
   前記モータの起動後、前記星形結線モードと、前記開閉器の開放により前記各相巻線の他端を開放しかつ前記第１および第２インバータを互いに連系運転するオープン巻線モードとを、負荷に応じて選択的に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記コントローラは、
   前記モータの起動時、
   励磁電流を前記第１インバータから前記各相巻線に加えて前記モータのロータを指定の位置まで回動させる“初期位置決め”を実行し、
   前記“初期位置決め”の実行後、界磁成分電流を前記第１インバータから前記各相巻線に加えて前記ロータを強制的に牽引する“強制転流”を実行し、
   前記“強制転流”の実行後、徐々に増加するトルク成分電流を前記第１インバータから前記各相巻線に与えて前記ロータの回転数を上昇させ、これに伴い、前記各相巻線に誘起する電圧によって前記モータと前記第１インバータとの間に流れる電流を検出し、検出した電流の値から前記ロータの回転数を推定し、推定した回転数が負荷に応じた目標回転数となるよう前記第１インバータのスイッチングを制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記コントローラは、前記開閉器の開閉に際し前記モータの回転数を、一定時間にわたり、一定に保持する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。

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