JP4093195B2 - 回転電機のステータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数のコアを放射状に配置し、放射状に配置した複数のコアをモールド樹脂によって保持する回転電機のステータ構造に関するものである。

従来、円筒状のステータを挟み、内外周にアウターロータ及びインナーロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、アウターロータとインナーロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この回転電機では、コイルを巻回した複数のコアを放射状に配置し、放射状に配置した複数のコアをモールド樹脂によって保持することで、ステータを構成している。そして、モールド樹脂により複数のコアを保持するにあたり、放射状に配置した複数のコアの両端を金属製カラーで挟み、両端の金属製カラーをボルトとナットで固定していた。
特開２００３−１５３４９５号公報

上述した従来の回転電機のステータ構造では、コアを金属製カラーで挟み、ボルト軸力により締結し、樹脂モールドしてステータを構成していたため、部品点数が多くなる問題、また、導体ループが形成されやすくなったり、渦電流が発生しやすくなる問題があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、ステータの強度を少ない部品点数で維持できるとともに、導体ループ遮断や渦電流の抑制が可能な回転電機のステータ構造を提供しようとするものである。

本発明の回転電機のステータ構造は、複数のコアを放射状に配置し、放射状に配置した複数のコアをモールド樹脂によって保持するステータ構造において、相対的に剛性の低いモールド樹脂によって構成される部位に、コアの軸方向両端に設けられたステータの固定用軸部材と一体に構成された、モールド樹脂よりも剛性の高い芯材を少なくとも１箇所に配置するとともに、芯材および／または固定用軸部材に補強部を設け、芯材とコアとの間にモールド樹脂を充填し、芯材とコアとが接触しないように芯材を配置したことを特徴とするものである。

本発明の回転電機のステータ構造では、相対的に剛性の低いモールド樹脂によって構成される部位に、モールド樹脂よりも剛性の高い芯材を配置することで、樹脂モールドステータの強度的に弱い部分にのみ補強材を配置することになるので、ボルト及びナットを使用することなく、コスト及び重量の上昇を最小限に止めつつ、捩り強度を向上させることができる。また、補強部を設けることによりモールド樹脂を使用しての固定をさらに強固にすることができる。

なお、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、芯材とコアとの間にモールド樹脂を充填し、芯材とコアとが接触しないように芯材を配置するよう構成することができる。このように構成すれば、芯材とコアとが接触せず、コア〜芯材〜コアの電流ループを形成しないので、ループ電流発生による効率の低下を抑制することができる。

また、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、芯材をコアの軸方向両端にそれぞれ配置し、且つ、芯材の軸方向長さをコアの軸方向長さよりも短くするとともに、両端の芯材同士をモールド樹脂によって隔てて配置するよう構成することができる。このように構成すれば、芯材の軸方向長さがコアの軸方向長さよりも短いので、芯材に発生する渦電流損失を最小限に止めることができる。

さらに、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、コアの軸方向両端にそれぞれ配置した芯材のうち、一方の芯材を他方の芯材よりも軸方向に長く構成し、且つ、この一方の芯材を良好な熱伝導体から構成することができる。このように構成すれば、他方の短い芯材に対して冷却性能を向上させることができる。

また、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、コアの軸方向に垂直な断面形状を、コアに半径方向力が作用した場合に半径方向力が芯材にも作用する形状となるよう構成することができる。このように構成すれば、周方向の強度の向上に加えて、半径方向の強度も同時に高めることができる。

さらに、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、軸方向に垂直な断面において、コアの最外周部分と芯材とが半径方向にオーバーラップするように、コアと芯材とを配置するよう構成することができる。このように構成すれば、より簡単な構成で、周方向の強度の向上に加えて、半径方向の強度も同時に高めることができる。

さらにまた、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、補強部を、芯材に設けた、溝部、突起部あるいは穴部からなるよう構成すること、および、補強部を、固定用軸部材に設けた、外周側面の溝部、内周側面の溝部あるいは軸方向に開口する段付き穴部からなるよう構成することができる。このように構成すれば、芯材による補強をさらに強固にすることができる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のステータ構造を備える回転電機の一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。なお、以下に説明する複軸多層モータはその基本的な構成を説明するためのものであり、本発明の特徴部分については、後に詳細に説明する。図１において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。

前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤR2とは、回転変動吸収ダンパー６及び多板クラッチ７を介して連結されている。

前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤS2に連結されている。

前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンP1と第２ピニオンP2を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンP1に噛み合う第１サンギヤS1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２サンギヤS2と、第１ピニオンP1に噛み合う第１リングギヤR1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２リングギヤR2との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤR1とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。

前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転及び出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。

すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤR2とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤS1と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤS2と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。

図２は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明の対象となる複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明のステータ構造を適用することができる。図２に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ１０１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｏ上にて回転自在に配置したインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング１０４内に収納して構成する。

ここにおけるインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア１２４，１２５を具え、これら積層コア１２４，１２５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ１０２とアウターロータ１０３とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ１０２とアウターロータ１０３で同一であり、１２個ずつであるが、インナーロータ１０２は２個の磁石で１極を成しているため、極対数としては３極対となり、アウターロータ１０３は１個の磁石で１極を成しているため、極対数としては６極対となる。

そしてハウジング１０４内へのインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の収納に当たっては、アウターロータ１０３は、積層コア１２５の外周にトルク伝達シェル１０５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル１０５の両端をそれぞれベアリング１０７，１０８によりハウジング１０４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル１０５をベアリング１０７の側でアウターロータシャフト１０９に結合する。

インナーロータ１０２は積層コア１２４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト１０９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト１１０を貫通して具え、これらインナーロータ１０２の積層コア１２４およびインナーロータシャフト１１０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト１１０の中間部をベアリング１１２により、固定のステータブラケット１１３内に回転自在に支持し、一端部（図１では左端部）をベアリング１１４によりトルク伝達シェル１０５の対応端壁に回転自在に支持する。

ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＩ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータティースを具える。個々のステータティースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図２に示す如く電磁コイル１１７を巻線し、これらコイル巻線済のステータティースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット１１３，１１８間に何らかの手段で挟持すると共に全体的に樹脂１２０でモールドすることにより一体化してステータ１０１を構成する。
本発明のステータ構造の特徴は、ステータティースからなる積層コアを固定する手段にある。この特徴については、後に詳細に説明する。

なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ１４８および回転センサ１４７が検出するインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ１０２，１０３用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ１０１の電磁コイル１１７に供給し、これにより両ロータ１０２，１０３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ１０２，１０３を個別に回転駆動させることができる。

次に、上述した構成の複軸多層モータにおいて、複数の積層コアから構成されるステータ１０１として利用できる本発明のステータ構造の特徴について、芯材、芯材および／または固定用軸部材に設けた補強部の順に説明する。

＜芯材の説明＞
図３〜図５はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造の一例を説明するための図である。ここで、図３はステータ１０１の斜視図を示し、図４は図３におけるステータ１０１の軸方向の沿った断面を示し、図５は図３におけるステータ１０１の軸方向に直角な断面を示している。なお、図３の側面は実際にはすべてモールド樹脂２０２から形成されているが、ここではコア２０１の位置がわかるように一部のモールド樹脂２０２の部分を除いて作図している。

図３〜図５に示す例において、ステータ１０１は、放射状に配置した複数のコア２０１をモールド樹脂２０２によってモールドして保持する樹脂モールドステータとして構成されている。コア２０１は、電磁鋼板を積層して形成することもでき、電磁材料の圧粉によって形成することもできる。ステータ１０１の固定軸２０３とフロントプレート２０４とは一体部材として構成されている。コア２０１には、その両端に設けられたインシュレータ２０５−１、２０５−２を介してコイル２０６が巻き付けられ、コイル巻きコア２０７を形成している。コイル巻きコア２０７は、モールド樹脂２０２を介して、フロントプレート２０４及びリアプレート２０８に固定されている。なお、本例では、複数のコア２０１の固定のためにボルトとナットは使用していない。

本発明の特徴は、放射状に配置された複数のコア２０１の間のモールド樹脂２０２の部位に、モールド樹脂２０２よりも剛性の高い芯材を配置した点である。すなわち、図３〜図５に示す例では、コア２０１と隣り合うコア２０１との間のモールド樹脂２０２の部位の全てに、フロントプレート２０４と一体に芯材としての補強リブ２０９−１を設けるとともに、リアプレート２０８と一体に芯材としての補強リブ２０９−２を設けている。本例では、補強リブ２０９−１、２０９−２はそれぞれ軸方向でコイル巻きコア２０８にラップするように配置され、コイル巻きコア２０７に対して十分に短く、且つ、モールド樹脂２により補強リブ２０９−１、２０９−２との間は絶縁されている。なお、本例では、コア２０１と隣り合うコア２０１との間のモールド樹脂２０２の部位の全てに補強リブ２０９−１または２０９−２を配置したが、全ての位置に補強リブ２０９−１または２０９−２を設けなくても、程度の差はあるが本発明を達成できる。

図３〜図５に示す例では、樹脂モールドステータの強度的に弱い部分のみに補強リブ２０９−１、２０９−２を配置することになるので、コスト及び重量の上昇を最小限に止めつつ、捩り強度を向上させることができる。また、補強リブ２０９−１、２０９−２とコア２０１とが接触しない構造となるので、コア２０１〜補強リブ２０９−１、２０９−２〜コア２０１の電流ループを形成しないので、ループ電流発生による効率の低下を抑制することができる。さらに、補強リブ２０９−１、２０９−２の軸方向長さがコア２０１の軸方向長さよりも十分短いので、補強リブ２０９−１、２０９−２に発生する渦電流損失を最小限に止めることができる。さらにまた、フロントリブ２０４と補強リブ２０９−１とが、また、リアリブ２０８と補強リブ２０９−２とが、それぞれ一体に形成されているため、強度を高めて且つ部品点数の増加を抑制し、軸方向寸法の短縮が可能となる。

また、本例では、図５に拡大して示すように、軸方向に垂直な断面において、コア２０１の最外周部分と補強リブ２０９−１とが半径方向のＡ部においてオーバーラップするように、コア２０１と補強リブ２０９−１とを配置している。そのため、コア２０１に半径方向力が作用した場合、その半径方向力が補強リブ２０９−１にも作用し、周方向の強度の向上に加えて、半径方向の強度も同時に高めることができる。

図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ比較例及び本発明例の効果を対比して説明するための図である。図６（ａ）、（ｂ）では、説明を分かりやすくする都合上、円周に沿った側面を平面として表示している。図６（ａ）に示す比較例のように、従来ボルトとナットとで固定していたフロントプレート２０４とリアプレート２０８との間をボルトとナットを使用せずにモールド樹脂２０２のみで保持した場合は、インナーロータ１０２及びアウターロータ１０３の回転により加わる加重によって、強度的に一番弱いフロントプレート２０４またはリアプレート２０８の近傍であってコア２０１とコア２０１との間の部分２１０が強度に耐えられず捩れてしまい、コア２０１が斜めに傾いてしまう場合がある。これに対し、図６（ｂ）に示す本発明例のように、強度的に一番弱い部分２１０に補強リブ２０９−１及び２０９−２をフロントプレート２０４及びリアプレート２０８にそれぞれ一体に配置した場合は、インナーロータ１０２及びアウターロータ１０３の回転によって加わる荷重によっても、補強リブ２０９−１、２０９−２により強度的に一番弱い部分２１０が捩れることなく、コア２０１の位置は変化しない。

図７は本発明の回転電機のステータ構造の他の例を説明するための図である。図７では、説明を分かりやすくする都合上、円周に沿った側面を部分的に平面として表示している。図７に示す例において、図３〜図５に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図７に示す例では、コア２０１の軸方向両端にそれぞれ配置した補強リブ２０９−１、２０９−２のうち、一方の補強リブ２０９−１を他方の補強リブ２０９−２よりも軸方向に長く構成し、且つ、一方の補強ぶり２０９−１を良好な熱伝導体から構成している。そして、冷却水系２１１をフロントプレート４の外側に設けている。

図７に示す例では、フロントプレート２０４に一体に設けられた補強リブ２０９−１が軸方向に長く配置され且つ良好な熱伝導体により構成されるので、短い補強リブ２０９−２に対して冷却性能が向上する。また、この場合、ステータ１０１と冷却水系２１１とは金属体であるフロントプレート２０４によって分離されるため、水漏れ信頼性も向上する。

＜芯材に設けた補強部の説明＞
図８（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。図８（ａ）〜（ｃ）に示す例は、芯材としての補強リブ２０９−１および／または補強リブ２０９−２にさらに補強部を設けて、モールド樹脂２０２による固定をさらに強固に、特に、軸方向の支持を可能にしてモールド樹脂２０２による固定をさらに強固にしている。

図８（ａ）に示す例では、補強リブ２０９−１および／または補強リブ２０９−２の側面に溝部２２１を加工して設け、補強部としている。図８（ｂ）に示す例では、補強リブ２０９−１および／または補強リブ２０９−２の端部に突起部２２２を設け、補強部としている。図８（ｃ）に示す例では、補強リブ２０９−１および／または補強リブ２０９−２の側面に穴部２２３を加工して設け、補強部としている。図８（ａ）〜（ｃ）に示す例では、いずれも、補強リブ２０９−１および／または補強リブ２０９−２とモールド樹脂２０２とが引っかかりを持つ構造となり、軸方向にさらに支持可能とすることで、モールド樹脂２０２による固定をさらに強固にすることができる。

＜固定用軸部材に設けた補強部の説明＞
図９（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。図９（ａ）〜（ｃ）に示す例は、固定用軸部材としてのフロントプレート２０４および／またはリアプレート２０８にさらに補強部を設けて、モールド樹脂２０２による固定をさらに強固に、特に、軸方向の支持を可能にしてモールド樹脂２０２による固定をさらに強固にしている。

図９（ａ）に示す例では、フロントプレート２０４および／またはリアプレート２０８の外周側面の全周に溝部２２４を加工して設け、補強部としている。図９（ｂ）に示す例では、フロントプレート２０４および／またはリアプレート２０８の内周側面の全周に溝部２２５を加工して設け、補強部としている。図９（ｃ）に示す例では、フロントプレート２０４および／またはリアプレート２０８に軸方向に開口する段付きの穴部２２６を加工して設け、補強部としている。図９（ａ）〜（ｃ）に示す例では、いずれも、フロントプレート２０４および／またはリアプレート２０８とモールド樹脂２０２とが引っかかりを持つ構造となり、軸方向にさらに支持可能とすることで、モールド樹脂２０２による固定をさらに強固にすることができる。

なお、上述した例では、図８（ａ）〜（ｃ）に補強リブに種々の補強部を設けた例を、図９（ａ）〜（ｃ）にプレートに種々の補強部を設けた例を、それぞれ個別に説明したが、両者を同時に備えた回転電機のステータ構造をとることもできる。また、図８（ａ）〜（ｃ）および図９（ａ）〜（ｃ）に示す例において、溝部２２１、２２４、２２５、突起部２２２、穴部２２３、段付き穴部２２６を設ける箇所および個数については特にこれらの例に限定されるものではなく、溝部を設ける箇所および個数を自由に変更することができる。さらに、図９（ａ）〜（ｃ）に示す例では、溝部２２４、２２５を外周側面および内周側面の全周にわたって設けたが、一部に設けた場合でも本発明の効果を得ることができる。

本発明の回転電機のステータ構造は、内外にロータを有し、ロータ間にステータを有する３層構造の回転電機だけでなく、ステータを必要とする全ての回転電機において、樹脂により構成されたステータの大幅な強度向上目的の用途に好適に使用することができる。

複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。 ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、本発明のステータ構造の対象となる複軸多層モータを示す縦断側面図である。 本発明の回転電機のステータ構造の一例を説明するための斜視図である。 本発明の回転電機のステータ構造の一例を説明するための軸方向に沿った断面図である。 本発明の回転電機のステータ構造の一例を説明するための軸方向に直角な断面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ比較例及び本発明例の効果を対比して説明するための図である。 本発明の回転電機のステータ構造の他の例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の回転電機のステータ構造のさらに他の例を説明するための図である。

符号の説明

１０１ ステータ
１０２ インナーロータ
１０３ アウターロータ
２０１ コア
２０２ モールド樹脂
２０３ 固定軸
２０４ フロントプレート
２０５−１、２０５−２ インシュレータ
２０６ コイル
２０７ コア
２０８ リアプレート
２０９−１、２０９−２ 補強リブ
２１０ 部分
２１１ 冷却水系
２２１、２２４、２２５ 溝部
２２２ 突起部
２２３ 穴部
２２６ 段付き穴部

Claims (8)

1. 複数のコアを放射状に配置し、放射状に配置した複数のコアをモールド樹脂によって保持するステータ構造において、相対的に剛性の低いモールド樹脂によって構成される部位に、コアの軸方向両端に設けられたステータの固定用軸部材と一体に構成された、モールド樹脂よりも剛性の高い芯材を少なくとも１箇所に配置するとともに、芯材および／または固定用軸部材に補強部を設け、芯材とコアとの間にモールド樹脂を充填し、芯材とコアとが接触しないように芯材を配置したことを特徴とする回転電機のステータ構造。
2. 芯材をコアの軸方向両端にそれぞれ配置し、且つ、芯材の軸方向長さをコアの軸方向長さよりも短くするとともに、両端の芯材同士をモールド樹脂によって隔てて配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のステータ構造。
3. コアの軸方向両端にそれぞれ配置した芯材のうち、一方の芯材を他方の芯材よりも軸方向に長く構成し、且つ、この一方の芯材を良好な熱伝導体から構成したことを特徴とする請求項２に記載の回転電機のステータ構造。
4. コアの軸方向に垂直な断面形状を、コアに半径方向力が作用した場合に半径方向力が芯材にも作用する形状としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機のステータ構造。
5. 軸方向に垂直な断面において、コアの最外周部分と芯材とが半径方向にオーバーラップするように、コアと心材とを配置したことを特徴とする請求項４に記載の回転電機のステータ構造。
6. 補強部が、芯材に設けた、溝部、突起部あるいは穴部からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機のステータ構造。
7. 補強部が、固定用軸部材に設けた、外周側面の溝部、内周側面の溝部あるいは軸方向に開口する段付き穴部からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機のステータ構造。
8. 複数のコアを放射状に配置し、放射状に配置した複数のコアをモールド樹脂によって保持するステータ構造において、相対的に剛性の低いモールド樹脂によって構成される部位に、コアの軸方向両端に設けられたステータの固定用軸部材と一体に構成された、モールド樹脂よりも剛性の高い芯材を少なくとも１箇所に配置するとともに、芯材および／または固定用軸部材に補強部を設け、芯材をコアの軸方向両端にそれぞれ配置し、且つ、芯材の軸方向長さをコアの軸方向長さより短くするとともに、両端の芯材同士をモールド樹脂によって隔てて配置するとともに、コアの軸方向両端にそれぞれ配置した芯材のうち、一方の芯材を他方の芯材よりも軸方向に長く構成し、且つ、この一方の芯材を良好な熱伝導体から構成したことを特徴とする回転電機のステータ構造。

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