JP3753699B2 - ステータコアへの巻線方法及び同方法によって巻線されたコイル付きステータコア - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータコアのスロット内におけるコイル占有率を高めたステータコアへの巻線方法及び同方法によって巻線されたコイル付きステータコアに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステータコアの内歯に直接巻線してコイルを形成する巻線装置は、一般に、ステータコアの中心に同軸的に配置され、所定角度で揺動すると共に、軸方向に往復移動する導線導入筒と、この導線導入筒の先端に装着され、導線を前記導線導入筒に対してほぼ直交する方向に繰り出す巻線ノズルとを備えている。そして、上記導線導入筒の動きによって巻線ノズル先端を巻線すべきステータコアの内歯の回りに周回させ、巻線ノズルから繰り出される導線を内歯に直接巻付けてコイルを形成するようになっている。
【０００３】
このような巻線装置として、本出願人により提案された下記特許文献１に示されるものが知られている。この巻線装置は、上記導線導入筒の先端にヘッドを装着し、前記巻線ノズルをこのヘッドに対して半径方向に摺動可能に装着すると共に、その基端部にカムフォロアを取付け、このカムフォロアが嵌入するカム溝を有するカム板を前記ヘッドに対して回転可能に内蔵し、このカム板を前記導線導入筒に対して相対回転させるカム板回転手段を有している。この巻線装置によれば、巻線ノズルを半径方向に移動させながら巻線することにより、ステータコアの内歯の突出方向に沿って導線を整列させて巻き付けることができ、スロット内におけるコイル占有率を高めることができる。
【０００４】
しかしながら、上記のような巻線装置においては、スロット内において巻線ノズルが半径方向に移動する領域、すなわち、巻線ノズルが挿入される通路幅は、巻線ノズルが巻線された導線と干渉しないようにするため、空間として残しておく必要があった。このため、ステータコアのスロット内におけるコイル占有率を高めることに限界があった。
【０００５】
一方、ステータコアのスロット内におけるコイル占有率を更に高める技術として、下記特許文献２には、内周にスロットを形成した鉄心が複数枚積層されて固定子が形成され、この固定子のスロット間に電線が巻回された回転電機において、上記固定子の一つのスロットの中心線から上記スロットと隣接するスロットの中心線までの単位で複数に分割された固定子片を一つのコイルが形成されるのに要する分まとめてユニットコアとし、このユニットコア内の固定子片は固定子の外周部になる部分で薄肉連結部により連結一体化して構成され、上記ユニットコアをコイル必要量だけ組み込んで固定子としたことを特徴とする回転電機が提案されている。
【０００６】
また、本出願人により提案された下記特許文献３には、特許文献２に記載されたような分割されたステータコアに巻線を施すための巻線装置が開示されている。
【０００７】
特許文献２，３に記載された技術によれば、分割されたステータコアの各固定子片に導線を整列させて巻き付けた後、これらの固定子片をループ状に組み合わせてステータコアを形成することができるので、巻線ノズルを挿入するためのスペースを残しておく必要がなく、スロット内におけるコイル占有率を更に高めることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２４５１２１号公報
【特許文献２】
特開平９−１９１５８８号公報
【特許文献３】
特開２００１−８４１８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、特許文献１に記載された巻線技術では、ステータコアの内歯の突出方向に沿って導線を整列させて巻き付けることができるが、巻線ノズルが挿入される通路幅は、空間として残しておく必要があるため、ステータコアのスロット内におけるコイル占有率を高めることに限界があった。
【００１０】
また、特許文献２，３に記載された巻線技術では、分割されたステータコアを用いることによって、巻線ノズルを挿入するためのスペースを残しておく必要がなくなるため、スロット内におけるコイル占有率を更に高めることができるというメリットがあるが、ステータコアにつなぎ目ができてしまうため、その部分で磁気抵抗が生じてモータの性能が低下するという問題があった。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、周方向に連続した環状をなすステータコアを用いて、コイル占有率を更に高めることができる巻線方法及び同方法によって巻線されたコイル付きステータコアを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のステータコアへの巻線方法は、ステータコアの中心に同軸的に配置され、所定角度で揺動すると共に、軸方向に往復移動する導線導入筒と、この導線導入筒の先端に装着され、導線を前記導線導入筒に対してほぼ直交する方向に繰り出す巻線ノズルとを備えた巻線装置を用いて、前記巻線ノズルを前記ステータコアの所定の内歯を周回するように移動させて巻線を行うステータコアへの巻線方法において、前記巻線ノズルを前記導線導入筒に対して放射状に前記ステータコアのスロット数分だけ取付け、前記巻線ノズルを前記ステータコアの全スロットに同時に挿入しながら対応する内歯に対して同時に巻線を行い、前記スロット内における前記巻線ノズルが挿入される通路幅に前記導線が進入する直前まで巻線した後は、前記導線を２段状に重ねながらスロットの奥方から順次巻線を施すことにより、前記スロット内における前記巻線ノズルが挿入される通路幅内にまで導線が配置されるように巻線を施すことを特徴とする。
【００１３】
上記巻線方法によれば、巻線ノズルをステータコアの全スロットに同時に挿入しながら対応する内歯に対して同時に巻線を行うことにより、隣接する内歯に対して再度巻線を施す必要がなくなるので、巻線ノズルが挿入される通路幅内にまで導線が配置されるように巻線しても、そのまま巻線ノズルを後退させながら巻線してスロットから出ることにより、巻線された導線に巻線ノズルが干渉することなく、巻線ノズルの通路幅内にまで巻線することができる。その結果、周方向に連続した環状をなすステータコアを用いて、コイル占有率を更に高めることができるので、コンパクトで高性能のモータを作ることができる。
【００１４】
本発明の巻線方法においては、前記導線が前記通路幅に進入する直前までは、前記内歯の突出方向に沿って前記巻線ノズルを往復移動させながら巻線を行うことが好ましい。
【００１５】
この態様によれば、巻線ノズルが巻線された導線に接触することなく、導線を内歯の突出方向に沿って整列させた状態で、かつ、巻線ノズルの通路幅内に至るまで整然と積層させて巻き付けることができ、ステータコアのスロット内におけるコイル占有率を最大限に高めることができる。
【００１６】
また、本発明の巻線方法は、スロット数が１２以上であるステータコアに対して適用されることが好ましい。
【００１７】
スロット数が１２以上であるステータコアは、従来の巻線方法では、巻線ノズルの通路幅を確保するためのデッドスペースが、スロットの数だけ増えるので、大きくなるのであるが、本発明の巻線方法を適用すれば、上記デッドスペースにも巻線することが可能になるので、多スロットコアでもコイル占有率をより効果的に高めることができる。更に、電気自動車用のモータ等においては、複数の内歯に巻線されたコイルに並行的に電流を流して出力を高めることがあるが、ステータコアのスロット数が多いほど並行的に電流を流せるコイルの数が増えるので、出力をより高めることができる。
【００１８】
一方、本発明のコイル付きステータコアは、上記いずれかの方法で巻線して得られるコイル付きステータコアであって、前記ステータコアは、周方向に連続した環状をなしており、前記スロットの前記巻線ノズルの通路幅内にも導線が配置されるように巻線されていることを特徴とする。
【００１９】
上記コイル付きステータコアによれば、周方向に連続した環状をなすステータコアであるから、分割されたステータコアのようなつなぎ目はなく、つなぎ目で磁気抵抗が増えて性能が低下するという問題は発生しない。また、ステータコアのスロットの巻線ノズルの通路幅内にも導線が配置されるように巻線されているので、スロット内におけるコイル占有率を高めることができ、コンパクトで性能の高いモータを作ることが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１〜１０には、本発明によるステータコアへの巻線方法及び同方法によって巻線されたコイル付きステータコアの一実施形態が示されている。図１は同巻線方法に用いる巻線装置の巻線ノズル近傍を示す要部拡大断面図、図２は図１のII−II矢示線に沿った断面図、図３は同巻線方法に適用されるステータコアの平面図、図４は同巻線装置にステータコアを設置した状態を示す横断面図、図５はステータコアの内歯に巻線を開始した状態を示す部分拡大断面図、図６はステータコアの内歯の突出方向に沿って巻線ノズルを往復移動させながら巻線を行っている状態を示す部分拡大断面図、図７は巻線ノズルの通路幅内まで導線が配置されるように巻線を行った状態を示す部分拡大断面図、図８はステータコアの内歯に対する巻線の順序の一例を示す部分拡大断面図、図９は巻線終了状態を示す横断面図、図１０は同巻線方法によって得られた本発明によるコイル付きステータコアの一実施形態を示す平面図である。
【００２１】
図１、２には、本発明の巻線方法に用いられる巻線装置の一例が示されている。この巻線装置１１は、ステータコアの中心に同軸的に配置され、下端から導線が導入される導線導入筒１２を有している。導線導入筒１２の外周には、外筒１３が装着されている。導線導入筒１２及び外筒１３は、軸受１４に挿通されている。
【００２２】
そして、導線導入筒１２は、図示しない駆動機構を介して、図２中の矢印Ａで示すように所定角度範囲で揺動（往復回動）すると共に、図１中の矢印Ｂで示すように軸方向に往復移動する。
【００２３】
また、外筒１３は、前記導線導入筒１２と一緒に揺動し、かつ、軸方向に移動すると共に、図示しない駆動機構を介して、前記導線導入筒１２に対して更に所定角度で揺動するようになっている。
【００２４】
導線導入筒１２の上端には、上部内外径が下部内外径に比べて縮径された段付き円筒部材１５が被され、この段付き円筒部材１５は、ネジ１８によって導線導入筒１２の上端部外周に固定されている。段付き円筒部材１５の上部内周には、内周が曲面状をなすガイド環１５ａが配置され、導線導入筒１２の上端から導出される導線を通過させて、巻線ノズル２３の導線ガイド孔３１に導くようになっている。
【００２５】
段付き円筒部材１５の上部の縮径部外周には、環状のカム板２１が回動可能に装着されている。そして、カム板２１の上部には、ヘッド本体１６が配置されている。ヘッド本体１６は、段付き円筒部材１５に固着されている。そして、カム板２１は、段付き円筒部材１５の拡径段部と、ヘッド本体１６とに挟まれて保持されると共に、段付き円筒部材１５及びヘッド本体１６に対して回転できるようになっている。なお、上記ヘッド本体１６、段付き円筒部材１５及びカム板２１が、本発明におけるヘッド１７を構成している。
【００２６】
ヘッド本体１６の下面には、中心から等角度で半径方向外方に伸びる、合計１８本の放射状のガイド溝２２が形成されている。これらのガイド溝２２に、それぞれ巻線ノズル２３の基部が挿入され、図２中の矢印Ｃで示すように、半径方向に移動可能に保持されている。
【００２７】
一方、カム板２１の上面には、各ガイド溝２２に対応して、渦巻き状のカム溝２４が形成されている。そして、巻線ノズル２３の下面に支軸２５を介して取付けられたカムフォロア２６が、上記渦巻き状のカム溝２４に挿入されている。その結果、図示しない駆動機構によりカム板２１がヘッド本体１６に対して相対的に回動すると、カムフォロア２６がカム溝２４に沿って移動し、巻線ノズル２３がガイド溝２２に沿って、図２中の矢印Ｃで示すように、半径方向に出没動作するようになっている。
【００２８】
また、前記外筒１３の上端部には、拡径部１３ａが形成されている。前記段付き円筒部材１５の下部は、上記拡径部１３ａの内周に挿入され、前記カム板２１は、ボルト２７によって上記拡径部１３ａに固着されている。そして、段付き円筒部材１５は、その拡径された下部を外筒１３とカム板２１との間で回転可能に保持されている。
【００２９】
そして、外筒１３は、図示しない駆動機構によって、導線導入筒１２と一緒に回動及び軸方向移動すると共に、その状態で導線導入筒１２に対して相対的に回転するようになっており、それによってカム板２１がヘッド本体１６に対して相対的に回転するようになっている。すなわち、カム板２１は、ヘッド本体１６と一緒に回動すると共に、巻線操作の過程でヘッド本体１６に対しても相対的に回動する。その結果、前記のように、カム溝２４に挿入されたカムフォロア２６を介して、巻線ノズル２３を半径方向に出没動作させることができるようになっている。
【００３０】
この巻線装置１１においては、図示しない駆動機構により、導電導入筒１２が図２中の矢印Ａで示すように所定角度で揺動（往復回動）すると共に、図１中の矢印Ｂで示すように軸方向に往復移動することにより、この導線導入筒１２の上端部にヘッド１７を介して取付けられた各巻線ノズル２３が、ステータコアの対応する内歯の周りを周回する。
【００３１】
そして、導線は、導線導入筒１２の下端から導入され、上端から導出された後、段付き円筒部材１５の環状ガイド１５ａで進路を変えて、巻線ノズル２３の導線ガイド孔３１を通り、ノズル２４の先端から繰り出され、ステータコアの内歯に巻付けられる。
【００３２】
上記巻き付け操作と併行して、外筒１３が導線導入筒１２に対して相対的に回動し、外筒１３に連接されたカム板２１が、ヘッド本体１６に対して相対的に往復回動する。その結果、カム板２１のカム溝２４に嵌合するカムフォロア２６を介して、巻線ノズル２３が図２中の矢印Ｃで示すように半径方向に出没動作し、ステータコアの内歯の突出方向に沿って導線を整列させながら多層に巻き付けることができる。
【００３３】
なお、導線導入筒１２の図中矢印Ａ，Ｂで示す揺動及び軸方向への往復移動のための駆動機構としては、例えば特許第２８１３５５６号公報に示される巻線装置の駆動機構などを採用することができる。
【００３４】
また、外筒１３に連設されたカム板２１の駆動機構としては、例えば特開２０００−２４５１２１号公報（前記特許文献２）に示される巻線装置の駆動機構などを採用することができる。
【００３５】
図３には、本発明の巻線方法が適用されるステータコアの一例が示されている。このステータコア４０は、例えば薄いケイ素鋼板を成形し、複数枚積層して形成されており、環状の本体部４１と、この本体部４１の内周に突出する複数の内歯４２とを有し、内歯４２どうしの間がスロット４３をなしている。この例では、内歯４２及びスロット４３がそれぞれ１８個形成されている。スロット４３の内周には、樹脂成形品等の絶縁材料からなるスロットライナー４４が予め装着されている。このステータコア４０は、従来から採用されているステータコアと何ら変わるものではないが、環状の本体部４１が周方向に分割されておらず、つなぎ目なく一体に成形されている点で、前記特許文献２，３に記載されたステータコアとは異なるものである。
【００３６】
図４は、巻線装置１１のヘッド１７をステータコア４０に挿入した状態を示している。前述した動作によって、巻線装置１１の巻線ノズル２３は、ステータコア４０の内歯４２の間隙を通ってスロット４３内に挿入され、対応する内歯４２を周回して導線を巻き付けるように動作する。この場合、巻線ノズル２３は、スロット４３の数だけ取付けられており、巻線ノズル２３をステータコア４０の全スロット４３に同時に挿入しながら、対応する内歯４２に対して同時に巻線を行うようになっている。
【００３７】
図５は、こうしてステータコア４０の内歯４２に対して巻線を開始した状態を示している。巻線装置１１の巻線ノズル２３は、対応する内歯４２を周回するように移動し、内歯４２に導線５０を巻き付ける。導線５０は、内歯４２の両側のスロット４３に収容される。巻線ノズル２３は、内歯４２の突出方向に矢印Ｃで示すように移動し、巻線位置を徐々に変えることによって、導線５０を整列させて巻き付ける。なお、図中、Ｗは、巻線ノズル２３が挿入される通路幅を表している。
【００３８】
図６は、ステータコア４０の内歯４２の突出方向に沿って巻線ノズル２３を往復移動させながら巻線を行っている状態を示している。導線５０が、巻線ノズル２３の通路幅Ｗ内に入るまでは、巻線ノズル２３を内歯４２に突出方向に沿って半径方向に往復移動させながら巻線を行う。その結果、導線５０は、一列に並びながら巻線され、内歯４２の端部近傍までくると折り返して、その上に重ねて多層に巻線されていく。図８における巻線順序１〜１９は、巻線ノズル２３を内歯４２の突出方向に沿って往復移動させながら巻いている状態を示している。
【００３９】
こうして、多層に重ねられた導線５０が、巻線ノズル２３の通路幅Ｗ内に入る直前まで巻線を行った後、図８における巻線順序２０〜３５に示すように、導線５０を２段状に重ねながらスロット４３の奥方から順次巻線を施す。このように、スロット４３の奥方から巻線を行うのは、巻き付いた導線５０が通路幅Ｗ内に入るように重なっていくため、巻線ノズル２３を再びスロット４３の奥方に挿入することはできなくなるためである。
【００４０】
図７は、上記のように、導線５０が巻線ノズル２３の通路幅Ｗ内に入るように、スロット４３の奥方から順次巻線を行って、スロット４３の開口部まで達した巻線終了状態（図８の巻線順序３５の状態）を示している。また、図９は、上記巻線終了状態での断面図を示している。
【００４１】
このように、巻線ノズル２３をスロット４３の数だけ取付け、巻線ノズル２３をステータコア４０の全スロット４３に同時に挿入しながら、対応する内歯４２に対して同時に巻線を行うことにより、スロット４３の巻線ノズル２３の通路幅Ｗ内に至るまで導線５０が配置されるように巻線することができ、それによってスロット４３内におけるコイル占有率（スペースファクタ）をより一層高めることができる。
【００４２】
図１０は、上記のような方法で巻線することによって得られた本発明のコイル付きステータコアの一実施形態が示されている。
【００４３】
このコイル付きステータコアは、上記のような巻線方法によってステータコア４０の内歯４２に導線５０が巻き付けられて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのコイルが形成されている。図におけるＵ１〜Ｕ６はＵ相のコイルを示し、Ｖ１〜Ｖ６はＶ相のコイルを示し、Ｗ１〜Ｗ６はＷ相のコイルを示している。
【００４４】
図１０においては、便宜上Ｕ相のリード線しか記載していないが、各コイルからは、巻き始め端部と巻き終わり端部とで構成される２本のリード線が引き出されている。そして、この実施形態においては、６つずつのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各リード線がパラ結線されている。例えばＵ相の場合、Ｕ１〜Ｕ６のコイルの巻き始め端部からなるリード線Ｌａ１〜Ｌａ６を集めて結線し、巻き終わり端部からなるリード線Ｌｂ１〜Ｌｂ６を集めて結線する。こうしてパラ結線して、例えばＵ１〜Ｕ６のコイルに並行して電流を流すことにより、駆動電圧が低くても電流値を大きくして出力を高めることが可能となり、電気自動車用モータ等として好適となる。
【００４５】
すなわち、電気自動車においては、例えば１２Ｖ等の低電圧のバッテリーから大きな出力を発生させるために電流値を高める必要があり、その結果、電気抵抗をできるだけ少なくする必要が生じる。しかしながら、太い導線を使用すると、ステータコアへの巻線が困難となってしまい、導線の太さには限界があるため、複数本の導線を並列させて巻き付ける方法が提案されている。しかし、複数本の導線を並列させて巻き付けるパラ巻き方法は、導線を整列させることが難しく、スロット内におけるコイル占有率を高めることが難しいという問題があった。
【００４６】
これに対して、図１０に示したように、パラ結線して複数のコイルに並行して電流を流す方法は、個々の内歯４２に対する巻線は１本ずつの導線５０で行えばよいので、導線５０を整列させやすく、スロット４３内におけるコイル占有率を上記のように高めることが容易であり、コンパクトで性能の高いモータを作ることが可能である。なお、パラ結線しなければならない分だけ作業工数が増えるというデメリットはあるが、電気自動車等のモータにおいては、そのようなデメリットよりも、コイル占有率を高めてコンパクトで性能の高いモータを作れるというメリットの方が高く評価されると考えられる。
【００４７】
なお、前述したように、本発明の巻線方法は、スロット数が１２以上であるステータコアに対して適用されることが好ましい。これによれば、上記のように、Ｕ，Ｖ，Ｗの各コイル毎にパラ結線して電流を並行して流す場合のコイルの数を増やすことができるので、低駆動電圧でも電流値を高めて出力を高めやすくなる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の巻線方法によれば、巻線ノズルをステータコアの全スロットに同時に挿入しながら対応する内歯に対して同時に巻線を行うことにより、隣接する内歯に対して再度巻線を施す必要がなくなるので、巻線ノズルが挿入される通路幅内にまで導線が配置されるように巻線しても、そのまま巻線ノズルを後退させながら巻線してスロットから出ることにより、巻線された導線に巻線ノズルが干渉することなく、巻線ノズルの通路幅内にまで巻線することができる。
【００４９】
また、上記巻線方法によって得られる本発明のコイル付きステータコアは、周方向に連続した環状をなすステータコアであるから、分割されたステータコアのようなつなぎ目はなく、つなぎ目から磁束が漏れて性能が低下するという問題は発生せず、ステータコアのスロットの巻線ノズルの通路幅内にも導線が配置されるように巻線されているので、スロット内におけるコイル占有率を高めることができ、コンパクトで性能の高いモータを作ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の巻線方法に用いる巻線装置の巻線ノズル近傍を示す要部拡大断面図である。
【図２】 図１のII−II矢示線に沿った断面図である。
【図３】 同巻線方法に適用されるステータコアの平面図である。
【図４】 同巻線装置にステータコアを設置した状態を示す横断面図である。
【図５】 ステータコアの内歯に巻線を開始した状態を示す部分拡大断面図である。
【図６】 ステータコアの内歯の突出方向に沿って巻線ノズルを往復移動させながら巻線を行っている状態を示す部分拡大断面図である。
【図７】 巻線ノズルの通路幅内まで導線が配置されるように巻線を行った状態を示す部分拡大断面図である。
【図８】 ステータコアの内歯に対する巻線の順序の一例を示す部分拡大断面図である。
【図９】 巻線終了状態を示す横断面図である。
【図１０】 同巻線方法によって得られた本発明によるコイル付きステータコアの一実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１１ 巻線装置
１２ 導線導入筒
１５ 段付き円筒部材
１６ ヘッド本体
１７ ヘッド
２１ カム板
２２ ガイド溝
２３ 巻線ノズル
２４ カム溝
２６ カムフォロア
３１ 導線ガイド孔
４０ ステータコア
４１ 本体部
４２ 内歯
４３ スロット
４４ スロットライナー
５０ 導線
Ｕ１〜Ｕ６ Ｕ相のコイル
Ｖ１〜Ｖ６ Ｖ相のコイル
Ｗ１〜Ｗ２ Ｗ相のコイル

Claims (4)

1. ステータコアの中心に同軸的に配置され、所定角度で揺動すると共に、軸方向に往復移動する導線導入筒と、この導線導入筒の先端に装着され、導線を前記導線導入筒に対してほぼ直交する方向に繰り出す巻線ノズルとを備えた巻線装置を用いて、前記巻線ノズルを前記ステータコアの所定の内歯を周回するように移動させて巻線を行うステータコアへの巻線方法において、前記巻線ノズルを前記導線導入筒に対して放射状に前記ステータコアのスロット数分だけ取付け、前記巻線ノズルを前記ステータコアの全スロットに同時に挿入しながら対応する内歯に対して同時に巻線を行い、前記スロット内における前記巻線ノズルが挿入される通路幅に前記導線が進入する直前まで巻線した後は、前記導線を２段状に重ねながらスロットの奥方から順次巻線を施すことにより、前記スロット内における前記巻線ノズルが挿入される通路幅内にまで導線が配置されるように巻線を施すことを特徴とするステータコアへの巻線方法。
2. 前記導線が前記通路幅に進入する直前までは、前記内歯の突出方向に沿って前記巻線ノズルを往復移動させながら巻線を行う請求項１記載のステータコアへの巻線方法。
3. スロット数が１２以上であるステータコアに対して適用される請求項１又は２記載のステータコアへの巻線方法。
4. 請求項１〜３のいずれかの方法で巻線して得られるコイル付きステータコアであって、前記ステータコアは、周方向に連続した環状をなしており、前記スロットの前記巻線ノズルの通路幅内にも導線が配置されるように巻線されていることを特徴とするコイル付きステータコア。

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