JP2023014685A - 回転電機、回転電機の固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の固定子を容易に製造できる。【解決手段】回転電機の固定子は、複数のティースと複数のティースにより形成されるスロットとを有するステータコアと、複数のティースのそれぞれにボビンを介して巻き回されるコイルと、を有する回転電機の固定子であって、複数のティースには、隣接する一対のティースである第１ティースおよび第２ティースが含まれ、第１ティースに巻き回されるコイルは、第２ティース側に位置する第１引き出し線を有し、第２ティースに巻き回されるコイルは、第１ティースが配置される側とは反対側から引き出される第２引き出し線を有し、第１引き出し線と第２引き出し線とを接続する接続部を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機、および回転電機の固定子に関する。

回転電機のコイルの構成は様々な手法が提案されている。特許文献１には、円筒状をなすヨーク部の内周にティース部を周方向にわたって複数設けたステータコアの当該ティース部に、コイルを装着されたボビンをそれぞれ取り付けた回転電機のステータにおいて、前記ボビンが、前記コイルを装着される筒型をなす装着部と、前記装着部に装着された前記コイルを覆うように当該装着部の一方側の端部の周縁に形成されたフランジ部とを有してなる第一のボビン部材と、前記ステータコアの前記ティース部に内面側が嵌合すると共に前記第一のボビン部材の前記装着部の内側に外面側が嵌合する筒型をなす取付部と、前記第一のボビン部材の前記装着部に装着された前記コイルを覆うように、前記取付部の、前記装着部と嵌合される側と反対側の端部の周縁に形成されたフランジ部とを有してなる第二のボビン部材とを具えると共に、前記第一のボビン部材の前記フランジ部及び前記第二のボビン部材の前記フランジ部のうち前記ステータコアの径方向内側に位置する前記フランジ部の、前記第一のボビン部材の前記フランジ部及び前記第二のボビン部材の前記フランジ部のうち前記ステータコアの径方向外側に位置する前記フランジ部と対向する面側に、温度検出素子を包囲すると共に前記コイルに当接させるように内部に着脱可能に嵌合保持する保持溝が形成されていることを特徴とする回転電機のステータが開示されている。

特開２０２０－１７４４８８号公報

特許文献１に記載されている発明では、固定子の製造に改善の余地がある。

本発明の第１の態様による回転電機の固定子は、複数のティースと前記複数のティースにより形成されるスロットとを有するステータコアと、前記複数のティースのそれぞれにボビンを介して巻き回されるコイルと、を有する回転電機の固定子であって、前記複数のティースには、隣接する一対のティースである第１ティースおよび第２ティースが含まれ、前記第１ティースに巻き回されるコイルは、前記第２ティース側に位置する第１引き出し線を有し、前記第２ティースに巻き回されるコイルは、前記第１ティースが配置される側とは反対側から引き出される第２引き出し線を有し、前記第１引き出し線と前記第２引き出し線とを接続する接続部を備える。
本発明の第２の態様による回転電機は、前述の回転電機の固定子と、当該固定子に所定の空隙を介して対向するロータと、を備える。

本発明によれば、回転電機の固定子を容易に製造できる。

回転電機の断面図 図１におけるＩＩ－ＩＩ断面図 隣接する１対のティスクミを説明する図 コイルが第１ティースに巻き回される順番を示す模式図 接続部の詳細を説明する図 コイルの詳細な定義を示す模式図

―第１の実施の形態―
以下、図１～図６を参照して、回転電機および回転電機の固定子の第１の実施の形態を説明する。

図１は、回転電機１００の断面図である。図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ断面図である。図１と図２を参照して回転電機１００の概要を説明する。回転電機１００は、回転子２００と、シャフト２５０と、固定子３００と、ハウジング４００と、を備える。図２に示すように、回転子２００は固定子３００に所定の空隙を介して対向する。本実施の形態では、図面同士の相関を明示するために相互に直交するＸＹＺ軸を定義する。図１ではＸ軸の正方向が図示右側、Ｙ軸の正方向が図面奥側、Ｚ軸の正方向が図示上方である。図２では、Ｘ軸の正方向が図示手前側、Ｙ軸の正方向が図示右側、Ｚ軸の正方向が図示上方である。

回転電機１００は、電気エネルギーを回転エネルギーに変換する。回転電機１００は、自動車用に用いられ大きな回転エネルギーを出力するために、磁石トルクおよびリラクタンストルクの組合せを利用可能な磁石埋込型回転子を採用する。回転電機１００は、モータの軸長を抑えるために、集中巻きの固定子を採用する。固定子３００は、図２に示すようにティスクミ３１０が円筒状に並んで構成され、外周をハウジング４００が囲っている。ティスクミ３１０については後述する。固定子３００は端子に介して三相交流に接続され、回転磁界を発生させる。

回転子２００は、固定子鉄心、永久磁石、およびシャフト２５０を含む。回転子２００は、埋込まれている磁石と固定子から発生した回転磁界が吸引しながら回転する。シャフト２５０は、回転子鉄心とともに圧入されて、ハウジング４００に固定される。シャフト２５０は、回転電機１００が発生させる回転動力をスプラインを介してギアーへ伝達する。シャフト２５０は、軽量化および回転子の冷却性向上を目的として、中空形状を採用することが多い。

回転子鉄心２１０は、空気に対して透磁率の高い軟磁性体鉄心が積層して構成される。回転子鉄心２１０は、磁路を形成すると共に、永久磁石を収納する磁石収納空間を形成する。永久磁石２２０は、希土類を含めている永久磁石である。磁石からの磁束により磁石トルクを発生させる。接着剤２３０は、エポキシ系樹脂材料からなる接着剤である。接着剤２３０は回転子鉄心２１０の貫通孔に挿入された永久磁石２２０を固定する。

ティスクミ３１０は、ティスコア３４０にボビン３３０を挿入し、コイル３２０を巻いたものである。図２に示す回転子２００は、ティスクミ３１０を２４個含む。詳しくは後述するが、隣接するティスクミ３１０同士が２つ１組で動作する。たとえば、Ｕ相を構成するティスクミ３１０をＵ相ティスクミ３１０Ｕ、Ｖ相を構成するティスクミ３１０をＶ相ティスクミ３１０Ｖ、Ｗ相を構成するティスクミ３１０をＷ相ティスクミ３１０Ｗと呼ぶ。この場合に回転子２００は円周方向に、Ｕ相ティスクミ３１０Ｕが２つ、Ｖ相ティスクミ３１０Ｖが２つ、Ｗ相ティスクミ３１０Ｗが２つ、Ｕ相ティスクミ３１０Ｕが２つ・・・という順番に並ぶ。

ティスコア３４０は、珪素鋼板から適切な形状をプレス加工で打ち抜いて得られるコアを積層して作成される。以下ではティスコア３４０を、「ティース」３４０とも呼ぶ。コアの形状は、ティスコア３４０同士が円環状に並べられるように調整される。なお、積層したコアを機械的に固定するためにカシメ形状および溶接を採用することもできるが、コアが変形することにより残留応力が発生し、鉄損増加につながる。そのため、積層したコアを接着剤で接着させればコアに変形が生じず、性能低下の問題が生じないので、接着剤を用いることが望ましい。

コイル３２０は、導電率が高く、損失が少ない材質、例えば銅材またはアルミ材が用いられる。コイル３２０に流れる交流電流により回転磁界が発生し、ティスコア３４０に磁路が形成される。コイル３２０は、損失低減のために太い直径の線材が用いられ、ティスコア３４０に巻き回される。本実施の形態では、全てのコイル３２０はティスコア３４０に対して同一方向に巻き回されており、かつ、後述する溶接処理を行う前ではいずれのコイル３２０も隣接するティスクミ３１０とは接続されない。すなわち本実施の形態では連続巻きは採用しない。コイル３２０とティスコア３４０との間には絶縁体であるボビン３３０が配される。

ボビン３３０は、エポキシ系樹脂から構成される。ボビン３３０は、コイル３２０と固定子鉄心の絶縁を保護しつつ、表面に成形されている溝によりコイル３２０の崩れを防止する。本実施の形態では、ボビン３３０はティスコア３４０と別部品であるが、ボビン３３０とティスコア３４０とが一体に成形されてもよい。ハウジング４００は、円環状に並んでいるティスクミ３１０を締まり嵌めで固定する。ハウジング４００は軟磁性材料から構成され、ティスクミ３１０に流れている磁束を遮断し、回転電機１００の外部への漏洩を防ぐ。

図３は、隣接する１対のティスクミ３１０を説明する図である。図３の視点は図２と同様である。すなわち図３に示す２つのティスクミ３１０は、一対のＵ相ティスクミ３１０Ｕ、一対のＶ相ティスクミ３１０Ｖ、および一対のＷ相ティスクミ３１０Ｗ、のいずれかである。図３に示す２つのティスクミ３１０を区別するために、図示左側を第１ティスクミ３１０－１、図示左側を第２ティスクミ３１０－２と呼ぶ。第１ティスクミ３１０－１に巻き回されるコイル３２０の両端は、図示左側が第１巻き始め３２１－１、図示右側が第１巻き終わり３２２－１である。以下では、第１ティスクミ３１０－１を構成するティース３４０を第１ティース３４０－１と呼び、第２ティスクミ３１０－２を構成するティース３４０を第２ティース３４０－２と呼ぶ。

図４は、コイル３２０が第１ティース３４０－１に巻き回される順番を示す模式図である。ボビン３３０はコイル３２０の外形にあわせたボビン溝３３０Ｂを有する。第１巻き始め３２１－１から続くコイル３２０は、このボビン溝３３０Ｂに沿って図示破線方向に１周、第１ティース３４０－１に巻き回される。次にコイル３２０は、実線方向に位置をずらした後に破線方向に１周巻き回され、以後繰り返される。コイル３２０は、回転電機１００の回転時における遠心力の作用を考慮して、内周側よりも外周側に寄って、すなわち図示上方向に詰めて配置される。最外周における図４の右側に示すのが、第１巻き終わり３２２－１に続くコイル３２０である。図３に戻って説明を続ける。

第２ティスクミ３１０－２におけるコイル３２０の巻き始めである第２巻き始め３２１－２は、第１ティスクミ３１０－１における第１巻き始め３２１－１に対応する。第２ティスクミ３１０－２におけるコイル３２０の巻き終わりである第２巻き終わり３２２－２は、第１ティスクミ３１０－１における第１巻き終わり３２２－１に対応する。すなわち第２ティスクミ３１０－２において、第２巻き始め３２１－２に続くコイル３２０が内周側から順番にティスコア３４０に巻き回され、最外周で第２巻き終わり３２２－２に続く。また前述のように、第１ティスクミ３１０－１と第２ティスクミ３１０－２では、コイル３２０が巻き回される方向は同一である。第２巻き始め３２１－２は、Ｘ軸のプラス側方向に延びており、不図示の結線板のＮ相として接続する。

ボビン３３０は、回転電機１００の軸方向、すなわち図３の手前方向に向かって突出する突出部３３５を備える。第１巻き終わり３２２－１および第２巻き終わり３２２－２は、突出部３３５にそれぞれが配置されるティース３４０の中心側から係回される。

第１巻き始め３２１－１は、入力側として結線板へ接続される。ただし振動により結線板と第１ティスクミ３１０－１との距離が若干長くなった場合に、コイル３２０に張力が発生することを防止することを目的として、第１巻き始め３２１－１は長さに余裕をもたせてたるませる。第１巻き終わり３２２－１は、接続部３２３を介して第２巻き終わり３２２－２と接続される。第１巻き終わり３２２－１は、ＹＺ平面において１８０度以上曲げられる屈曲部を２つ備え、さらに長さに余裕をもたせてたるませた後に接続部３２３に接続する。そのため、第１巻き終わり３２２－１に張力が生じることが防止される。なお第１巻き終わり３２２－１が有する屈曲部は、突出部３３５に巻き回されている箇所と、接続部３２３に接続される付近の箇所である。

接続部３２３は、第１ティスクミ３１０－１と第２ティスクミ３１０－２のコイルを直列に接続する。接続部３２３には通電可能な接続方法、たとえばＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接が用いられ、絶縁保護のために溶接個所が樹脂材料などの絶縁材で覆われる。同じ方向にコイル３２０が巻かれている第１ティスクミ３１０－１と第２ティスクミ３１０－２の電流方向を反対にさせるために、第１ティスクミ３１０－１の巻き終りである第１巻き終わり３２２－１と、第２ティスクミ３１０－２の巻き終わりである第２巻き終わり３２２－２とが接続される。第１ティスクミ３１０－１から印加される電流が正方向、第２ティスクミ３１０－２から印加される電流が第１ティスクミ３１０－１に対して相対的に負方向に流れている。

図５は、接続部３２３の詳細を説明する図である。図５の左側に示すように、接続部３２３は、金属溶融部３２３－１と、金属溶融部３２３－１と第１巻き終わり３２２－１及び第２巻き終わり３２２－２とを接続する根元部３２３－２と、を有する。図５の右側に示すように、根元部３２３－２は、ステータコアの軸方向端面であるＹＺ平面に対して、所定の角度Ｇで傾いて配置される。換言すると、根元部３２３－２がＸ軸に平行ではないので接続部３２３のＸ方向の高さが抑制される。

図３に示す一対のティスクミ３１０に着目して、異なる名称を定義する。すなわち以下では、第１巻き終わり３２２－１を「第１引き出し線」Ｌ１とも呼び、第２巻き終わり３２２－２を「第２引き出し線」Ｌ２とも呼ぶ。第１引き出し線Ｌ１である第１巻き終わり３２２－１は、第１ティース３４０－１において隣接するティースである第２ティース３４０－２側に位置している。第２引き出し線Ｌ２である第２巻き終わり３２２－２は、第２ティース３４０－２において隣接する第１ティース３４０－１が配置される側とは反対側から引き出されるコイルである。

図６は、コイル３２０の詳細な定義を示す模式図である。コイル３２０における第１ティスクミ３１０－１への巻き始め位置を第１開始点３１０－１Ｓ、コイル３２０における第１ティスクミ３１０－１への巻き終わり位置を第１終了点３１０－１Ｅと呼ぶ。また、コイル３２０における第２ティスクミ３１０－２への巻き始め位置を第２開始点３１０－２Ｓ、コイル３２０における第２ティスクミ３１０－２への巻き終わり位置を第２終了点３１０－２Ｅと呼ぶ。

第１ティース３４０－１への巻き始め位置である第１開始点３１０－１Ｓを基準として、第１ティース３４０－１から離れるコイル３２０が第１巻き始め３２１－１である。第１ティース３４０－１への巻き終わり位置である第１終了点３１０－１Ｅを基準として、第１ティース３４０－１から離れるコイル３２０が第１巻き終わり３２２－１である。第２ティース３４０－２への巻き始め位置である第２開始点３１０－２Ｓを基準として、第２ティース３４０－２から離れるコイル３２０が第２巻き始め３２１－２である。第２ティース３４０－２への巻き終わり位置である第２終了点３１０－２Ｅを基準として、第２ティース３４０－２から離れるコイル３２０が第２巻き終わり３２２－２である。

そのため、図３には以下の構成が示されているとも言える。第１ティスクミ３１０－１には、第１ティース３４０－１への巻き始め位置である第１開始点３１０－１Ｓを基準として第１ティース３４０－１から離れるコイルである第１巻き始め３２１－１と、第１ティース３４０－１への巻き終わり位置である第１終了点３１０－１Ｅを基準として第１ティース３４０－１から離れるコイルである第１巻き終わり３２２－１と、が含まれる。第２ティスクミ３１０－２には、第２ティース３４０－２への巻き始め位置である第２開始点３１０－２Ｓを基準として第２ティース３４０－２から離れるコイルである第２巻き始め３２１－２と、第２ティース３４０－２への巻き終わり位置である第２終了点３１０－２Ｅを基準として第２ティース３４０－２から離れるコイルである第２巻き終わり３２２－２と、が含まれる。そして図３にはさらに、第１巻き終わり３２２－１と第２巻き終わり３２２－２とを接続する接続部３２３が示されている。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）本実施の形態における固定子３００は、ティース３４０とティース３４０により形成されるスロットとを有するステータコアと、ティース３４０にボビンを介して巻き回されるコイル３２０と、を有する回転電機１００に備えられる。固定子３００は、図３に示す隣接する一対のティースのそれぞれにおいて、コイル３２０は、隣接するティース側に位置する第１引き出し線と、隣接するティースが配置される側とは反対側から引き出される第２引き出し線と、を有する。回転電機１００を構成する複数のティースには、隣接する一対のティースである第１ティース３４０－１および第２ティース３４０－２が含まれる。第１ティース３４０－１に巻き回されるコイルは、第２ティース３４０－２側に位置する第１引き出し線Ｌ１、すなわち第１巻き終わり３２２－１を有する。第２ティース３４０－２に巻き回されるコイルは、第１ティース３４０－１が配置される側とは反対側、すなわち図３の図示右側から引き出される第２引き出し線Ｌ２である第２巻き終わり３２２－２を有する。固定子３００は、第１引き出し線Ｌ１と第２引き出し線Ｌ２とを接続する接続部３２３を備える。そのため、それぞれのティース３４０に巻き回されたコイル３２０を接続部３２３で接続するので、固定子３００を容易に製造できる。

（２）第１引き出し線Ｌ１である第１巻き終わり３２２－１は、図５に示すように第１ティース３４０－１と回転電機１００の軸方向で重なるように這い回される。そのため、空いている空間を有効に利用できる。

（３）第２引き出し線Ｌ２である第２巻き終わり３２２－２は、図３のように回転電機１００の軸方向からの視点では、第２ティース３４０－２の内径側、すなわち図示下側に重なるように這い回される。図４を参照して説明したように、コイル３２０は外周側に偏って配置されるため内径側は外形側よりも空間が空いているので、この空間を有効に利用できる。

（４）第１引き出し線Ｌ１および第２引き出し線Ｌ２は、ティース３４０に巻き回されるコイル３２０の巻き終わりのコイルである。第１ティース３４０－１および第２ティース３４０－２には、コイル３２０が同一方向に巻き回される。

（５）ボビン３３０は、回転電機１００の軸方向、すなわち図３の手前方向に向かって突出する突出部３３５を備える。第１巻き終わり３２２－１および第２巻き終わり３２２－２は、突出部３３５にそれぞれが配置されるティース３４０の中心側から係回される。そのため、コイル３２０の形状が保たれてコイル３２０に張力が生じることが防止される。

（６）第１引き出し線Ｌ１は、ボビン３３０に巻き回される部分と接続部３２３との間に、少なくとも２つの屈曲部が形成される。そのため、第１引き出し線Ｌ１への張力の発生が抑制される。

（７）図３のように回転電機１００の軸方向からの視点では、接続部３２３は、第１ティース３４０－１と第２ティース３４０－２との間に配置される。そのため、接続部３２３のＸ方向の高さを抑えることができる。

（８）接続部３２３は、コイル同士を溶接する金属溶融部３２３－１と、金属溶融部３２３－１と第１引き出し線および第２引き出し線とを接続する根元部３２３－２と、を有している。図５の右側に示すように、根元部３２３－２がステータコアの軸方向端面に対し、所定の角度Ｇで傾いて配置される。そのため、根元部３２３－２がＸ軸に平行ではないので接続部３２３の高さが抑制される。

（９）図５の左側に示す回転電機１００の軸方向からの視点では、金属溶融部３２３－１は、根元部３２３－２よりも回転電機１００の径方向外側、すなわち図５におけるＺ方向プラス側に配置される。そのため、シャフト２５０に接触させてしまう位置に金属溶接部３２３－１を配置するおそれがなく安全である。

（１０）接続部３２３は、絶縁材により覆われている。そのため、安全性が確保される。

（１１）図２に示すように、回転電機１００は、固定子３００と、当該固定子３００に所定の空隙を介して対向する回転子２００と、を備える。

（変形例１）
上述した第１の実施の形態では、第１巻き終わり３２２－１と、第２巻き終わり３２２－２とが接続部３２３により接続された。しかし、第１巻き始め３２１－１と、第２巻き始め３２１－２とが接続部３２３により接続されてもよい。すなわち、第２巻き始め３２１－２が第１引き出しＬ１に該当し、第１巻き始め３２１－１が第２引き出し線Ｌ２に該当してもよい。

（変形例２）
上述した第１の実施の形態では、第１巻き終わり３２２－１と、第２巻き終わり３２２－２とが接続部３２３により接続された。しかし、第１巻き終わり３２２－１と第２巻き始め３２１－２とが接続部３２３により接続されてもよいし、第１巻き始め３２１－１と第２巻き終わり３２２－２とが接続部３２３により接続されてもよい。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１００…回転電機
２００…回転子
２１０…回転子鉄心
２２０…永久磁石
２３０…接着剤
２５０…シャフト
３００…固定子
３１０…ティスクミ
３１０－１…第１ティスクミ
３１０－２…第２ティスクミ
３２０…コイル
３２１－１…第１巻き始め
３２１－２…第２巻き始め
３２２－１、Ｌ１…第１巻き終わり
３２２－２、Ｌ２…第２巻き終わり
Ｌ１…第１引き出し線
Ｌ２…第２引き出し線
３２３…接続部
３２３－１…金属溶融部
３２３－２…根元部
３３０…ボビン
３３５…突出部
３４０…ティスコア、ティース
３４０－１…第１ティース
３４０－２…第２ティース

Claims (11)

1. 複数のティースと前記複数のティースにより形成されるスロットとを有するステータコアと、前記複数のティースのそれぞれにボビンを介して巻き回されるコイルと、を有する回転電機の固定子であって、
   前記複数のティースには、隣接する一対のティースである第１ティースおよび第２ティースが含まれ、
   前記第１ティースに巻き回されるコイルは、前記第２ティース側に位置する第１引き出し線を有し、
   前記第２ティースに巻き回されるコイルは、前記第１ティースが配置される側とは反対側から引き出される第２引き出し線を有し、
   前記第１引き出し線と前記第２引き出し線とを接続する接続部を備える、回転電機の固定子。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子であって、
   前記第１引き出し線は、前記第１ティースと前記回転電機の軸方向で重なるように這い回される回転電機の固定子。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機の固定子であって、
   前記第２引き出し線は、前記回転電機の軸方向から見た場合に前記第２ティースの内径側に重なるように這い回される回転電機の固定子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の回転電機の固定子であって、
   前記第１引き出し線および前記第２引き出し線は、前記ティースに巻き回されるコイルの巻き終わりのコイルであり、
   前記一対のティースにはコイルが同一方向に巻き回される回転電機の固定子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の回転電機の固定子であって、
   前記ボビンは、前記回転電機の軸方向に向かって突出する突出部を備え、
   前記第１引き出し線および前記第２引き出し線は、前記突出部にそれぞれが配置されるティースの中心側から係回される回転電機の固定子。
6. 請求項５に記載の回転電機の固定子であって、
   前記第１引き出し線は、前記突出部から前記接続部までの間に１８０度以上屈曲する屈曲部が形成される回転電機の固定子。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の回転電機の固定子であって、
   前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記接続部は、前記第１ティースと前記第２ティースとの間に配置される回転電機の固定子。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の回転電機の固定子であって、
   前記接続部は、コイル同士を溶接する金属溶融部と、前記金属溶融部と前記第１引き出し線および前記第２引き出し線とを接続する根元部と、を有しており、
   前記根元部が前記ステータコアの軸方向端面に対し、所定の角度で傾いて配置される回転電機の固定子。
9. 請求項８に記載の回転電機の固定子であって、
   前記回転電機の軸方向から見た場合に、前記金属溶融部は、前記根元部よりも前記回転電機の径方向外側に配置される回転電機の固定子。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の回転電機の固定子であって、
    前記接続部は、絶縁材により覆われている回転電機の固定子。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の回転電機の固定子と、
    当該固定子に所定の空隙を介して対向するロータと、を備える回転電機。
    

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