JP5114135B2 - アキシャルギャップ型モータ - Google Patents

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本発明は、アキシャルギャップ型モータに関する。
従来、例えば回転軸方向の両側からロータを挟み込むようにして対向配置された1対のステータを備え、ロータの永久磁石による界磁磁束に対して、1対のステータを介した磁束ループを形成する軸ギャップ型の永久磁石同期機が知られている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
特開平10−271784号公報 特開2001−136721号公報
ところで、上記従来技術に係る永久磁石同期機では、永久磁石を具備するロータの構成等に応じて誘起電圧定数が所定の固定値となることから、高回転領域において誘起電圧定数に応じた所定の逆起電圧が発生してしまい、運転可能な回転数およびトルクが所定の値に制限されてしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、構成に必要とされる永久磁石量の増大を抑制しつつ、誘起電圧定数を可変とすることが可能なアキシャルギャップ型モータを提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の請求項1に係るアキシャルギャップ型モータは、ロータ(例えば、実施の形態でのロータ11)と、該ロータを回転軸方向の両側から挟み込むようにして対向配置された1対のステータ(例えば、実施の形態でのステータ12)とを備えるアキシャルギャップ型モータであって、前記ロータは、磁束の方向が前記回転軸方向と平行となるようにして周方向に配置された複数の主磁石としての電磁石(例えば、実施の形態での電磁石41)と、前記主磁石の周方向端部近傍に配置されると共に、前記回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化された副永久磁石(例えば、実施の形態での副永久磁石32)とを備え、前記周方向で隣り合う前記副永久磁石同士は、前記電磁石の配置位置から前記回転軸方向の一方側または他方側にずれた位置に配置され、前記電源から前記巻線への通電状態を反転可能な通電手段(例えば、実施の形態での通電制御装置62)と、前記通電手段の通電により、前記電磁石の前記回転軸方向において前記副永久磁石同士がずれた側に、前記副永久磁石同士の対向磁極と同極の磁極を発生させる強め界磁状態と、前記電磁石の前記回転軸方向において前記副永久磁石同士がずれた側に、前記副永久磁石同士の対向磁極と異極の磁極を発生させる弱め界磁状態とを設定する設定手段(例えば、実施の形態での通電制御装置62)とを備える。
さらに、本発明の請求項2に係るアキシャルギャップ型モータでは、複数の前記主磁石は、前記電磁石と主永久磁石とにより構成されている。
また、本発明の請求項3に係るアキシャルギャップ型モータは、ロータ(例えば、実施の形態でのロータ11)と、該ロータを回転軸方向の両側から挟み込むようにして対向配置された1対のステータ(例えば、実施の形態でのステータ12)とを備えるアキシャルギャップ型モータであって、前記ロータは、磁束の方向が前記回転軸方向と平行となるようにして周方向に配置された複数の主磁石としての電磁石(例えば、実施の形態での電磁石41)と、前記主磁石の周方向端部近傍に配置されると共に、前記回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化された副永久磁石(例えば、実施の形態での副永久磁石32)とを備え、複数の前記主磁石は、前記電磁石と主永久磁石とにより構成されている。
さらに、本発明の請求項4に係るアキシャルギャップ型モータでは、前記電磁石は、前記回転軸方向の断面形状が略扇形とされたヨーク(例えば、実施の形態でのヨーク51)と、該ヨークに巻装された巻線(例えば、実施の形態でのコイル52)とを備え、前記巻線と電源とを接続するスリップリング(例えば、実施の形態でのスリップリング61)を備える。
さらに、本発明の請求項5に係るアキシャルギャップ型モータでは、前記周方向で隣り合う前記副永久磁石同士は、互いの同極同士が対向するように配置されている。
さらに、本発明の第6態様に係るアキシャルギャップ型モータでは、複数の前記副永久磁石は、周方向に規則的間隔で配置されている。
本発明の請求項1に係るアキシャルギャップ型モータによれば、主磁石である電磁石から発生する磁束の方向を反転させることによって、アキシャルギャップ型モータの状態を、所謂主磁石および副永久磁石のハルバッハ配置による磁束レンズ効果により磁束が収束する強め界磁状態と、主磁石および副永久磁石による磁路短絡が発生する弱め界磁状態とに設定することができ、主磁石および副永久磁石による界磁磁束が各ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによって誘起電圧定数を可変とすることができる。これにより、ロータの構成に要する永久磁石量を増大させる必要無しに、アキシャルギャップ型モータの運転可能な回転数範囲およびトルク範囲を拡大し、運転効率を向上させると共に高効率での運転可能範囲を拡大することができる。
さらに、設定手段によってアキシャルギャップ型モータの状態を強め界磁状態と弱め界磁状態とに適切に変更することができる。
本発明の請求項2に係るアキシャルギャップ型モータによれば、複数の主磁石を電磁石と主永久磁石とにより構成することにより、ロータの構成に要する永久磁石量が過剰に増大することを防止しつつ、例えば電磁石に対する通電に異常が生じた場合であっても所望の界磁磁束を確保することができる。
本発明の請求項3に係るアキシャルギャップ型モータによれば、主磁石である電磁石から発生する磁束の方向を反転させることによって、アキシャルギャップ型モータの状態を、所謂主磁石および副永久磁石のハルバッハ配置による磁束レンズ効果により磁束が収束する強め界磁状態と、主磁石および副永久磁石による磁路短絡が発生する弱め界磁状態とに設定することができ、主磁石および副永久磁石による界磁磁束が各ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによって誘起電圧定数を可変とすることができる。これにより、ロータの構成に要する永久磁石量を増大させる必要無しに、アキシャルギャップ型モータの運転可能な回転数範囲およびトルク範囲を拡大し、運転効率を向上させると共に高効率での運転可能範囲を拡大することができる。
さらに、複数の主磁石を電磁石と主永久磁石とにより構成することにより、ロータの構成に要する永久磁石量が過剰に増大することを防止しつつ、例えば電磁石に対する通電に異常が生じた場合であっても所望の界磁磁束を確保することができる。
本発明の請求項4に係るアキシャルギャップ型モータによれば、アキシャルギャップ型モータの構成が過剰に複雑化することを防止しつつ、誘起電圧定数を可変とすることができる。
本発明の請求項5に係るアキシャルギャップ型モータによれば、アキシャルギャップ型モータの状態を強め界磁状態に設定する際に所謂主磁石および副永久磁石のハルバッハ配置による磁束レンズ効果を有効に利用することができ、弱め界磁状態に設定する際に主磁石および副永久磁石による磁路短絡を有効に利用することができ、主磁石および副永久磁石による界磁磁束が各ステータの固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を適切に増大あるいは低減させることができ、誘起電圧定数の可変幅を増大させることができる。
本発明の第6態様に係るアキシャルギャップ型モータによれば、複数の副永久磁石は周方向に規則的間隔で配置されることから、例えば周方向で隣り合う複数の主磁石間のうち適宜の主磁石間においては、回転軸方向の一方側および他方側にずれた位置に配置された1対の副永久磁石、あるいは、これら1対の副永久磁石のいずれかひとつのみを省略してもよい。これにより、ロータの構成に要する永久磁石量が過剰に増大することを防止しつつ、所望の界磁磁束を確保することができる。
以下、本発明のアキシャルギャップ型モータの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態によるアキシャルギャップ型モータ10は、例えば図1に示すように、このアキシャルギャップ型モータ10の回転軸O周りに回転可能に設けられた略円環状のロータ11と、回転軸O方向の両側からロータ11を挟みこむようにして対向配置され、ロータ11を回転させる回転磁界を発生する複数相の各固定子巻線を有する1対のステータ12,12とを備えて構成されている。
このアキシャルギャップ型モータ10は、例えばハイブリッド車両や電動車両等の車両に駆動源として搭載され、出力軸がトランスミッション(図示略)の入力軸に接続されることで、アキシャルギャップ型モータ10の駆動力がトランスミッションを介して車両の駆動輪(図示略)に伝達されるようになっている。
また、車両の減速時に駆動輪側からアキシャルギャップ型モータ10に駆動力が伝達されると、アキシャルギャップ型モータ10は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー(回生エネルギー)として回収する。さらに、例えばハイブリッド車両においては、アキシャルギャップ型モータ10の回転軸が内燃機関(図示略)のクランクシャフトに連結されると、内燃機関の出力がアキシャルギャップ型モータ10に伝達された場合にもアキシャルギャップ型モータ10は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。
各ステータ12は、例えば略円環板状のヨーク部21と、ロータ11に対向するヨーク部21の対向面上で周方向に所定間隔をおいた位置から回転軸O方向に沿ってロータ11に向かい突出すると共に径方向に伸びる複数のティース22,…,22と、適宜のティース22,22間に装着される固定子巻線(図示略)とを備えて構成されている。
各ステータ12は、例えば主極が6個(例えば、U,V,W,U,V,W)とされた6N型であって、一方のステータ12の各U,V,W極に対して、他方のステータ12の各U,V,W極が回転軸O方向で対向するように設定されている。
例えば回転軸O方向で対向する1対のステータ12,12に対し、U,V,W極およびU,V,W極の一方に対応する一方のステータ12の3個のティース22,22,22と、U,V,W極およびU,V,W極の他方に対応する他方のステータ12の3個のティース22,22,22とが、回転軸O方向で対向するように設定され、回転軸O方向で対向する一方のステータ12のティース22と、他方のステータ12のティース22とに対する通電状態が電気角で反転状態となるように設定されている。
ロータ11は、例えば図2に示すように、複数の磁石極部31,…,31と、回転軸O方向および径方向に直交する方向に磁化された複数の副永久磁石32,…,32と、非磁性材からなるロータフレーム33とを備えて構成されている。
ロータフレーム33は、周方向に所定間隔をおいて配置された複数の径方向リブ34,…,34によって接続された内周部35と外周側筒状部36とを備え、内周部35は円環板状に形成され、外部の駆動軸(例えば、車両のトランスミッションの入力軸等)に接続されるようになっている。
そして、ロータフレーム33内に収容された複数の磁石極部31は、径方向の両側から内周部35と外周側筒状部36とにより挟み込まれると共に、径方向リブ34を介して周方向で隣り合うように配置されている。
磁石極部31は、例えば図2〜図4に示すように、回転軸O方向に平行な方向に磁束を発生可能な電磁石41と、この電磁石41を回転軸O方向に平行な方向の両側から挟み込む1対の略扇形板状の磁性材部材42,42とを備えて構成されている。
そして、複数の副永久磁石32,…,32は、電磁石41の周方向端部に配置されている。
電磁石41は、例えば図3および図4に示すように、中心軸線が回転軸O方向に平行となるように設定された略ボビン状の磁性材(例えば、複数の積層鋼板が積層されて構成された磁性材)からなるヨーク51と、このヨーク51に中心軸線周りに巻装されたコイル52とを備えて構成され、ヨーク51の厚さ方向(つまり、回転軸O方向に平行な方向)の両端部を両側から挟み込むようにして1対の磁性材部材42,42が固定されている。
そして、ロータフレーム33内において周方向で隣り合う電磁石41,41は、発生可能な磁束の方向が互いに異方向となるように設定されている。つまり、ヨーク51に対するコイル52の巻装状態が右巻きとされた電磁石41には、ヨーク51に対するコイル52の巻装状態が左巻きとされた電磁石41が周方向で隣り合うように設定されている。
なお、ロータフレーム33において、電磁石41を径方向の両側から挟み込む内周部35と外周側筒状部36とのうち、例えば内周部35の外周面上には回転軸O方向に平行な方向に伸びる凹溝35aが形成され、この凹溝35aには、周方向で隣り合う電磁石41,41のコイル52,52同士を接続する接続線52aあるいは適宜のコイル52から外部に引き出される引出線52bが装着されるようになっている。
複数の副永久磁石32,…,32は、回転軸O方向の一方側と他方側とにおいて、周方向で隣り合う磁石極部31,31間に配置され、周方向で隣り合う副永久磁石32,32は、磁石極部31の磁性材部材42を周方向の両側から挟み込むように配置されている。
これにより、回転軸O方向の一方側の副永久磁石32と、他方側の副永久磁石32とは、ロータフレーム33の径方向リブ34を介して回転軸O方向と平行な方向で対向するようになっている。
そして、磁性材部材42を介して周方向で対向する1対の副永久磁石32,32同士、および、ロータフレーム33の径方向リブ34を介して回転軸O方向と平行な方向で対向する1対の副永久磁石32,32同士は、互いに磁化方向が異方向となるように設定されている。
つまり、例えば回転軸O方向と平行な方向の一方側において周方向で対向する1対の副永久磁石32,32同士が互いのN極同士を対向させている場合には、回転軸O方向と平行な方向の他方側において周方向で対向する1対の副永久磁石32,32同士が互いのS極同士を対向させるようになっている。
これにより、磁石極部31の電磁石41から発生する磁束に対して回転軸O方向と平行な方向の一方側および他方側で仮想的に設定可能な磁極と、この電磁石41に対して回転軸O方向と平行な方向の一方側および他方側において周方向で対向する各1対の副永久磁石32,32の対向磁極とに対して、例えば回転軸O方向と平行な方向の一方側および他方側において、電磁石41の磁極と1対の副永久磁石32,32の対向磁極とが同極である場合には強め界磁状態となり、電磁石41の磁極と1対の副永久磁石32,32の対向磁極とが異極である場合には弱め界磁状態となる。
つまり、強め界磁状態では、電磁石41と各1対の副永久磁石32,32との所謂ハルバッハ配置による磁束レンズ効果により、電磁石41と各1対の副永久磁石32,32との各磁束が収束し、各ステータ12,12に鎖交する有効磁束が相対的に増大するようになっている。
また、弱め界磁状態では、回転軸O方向と平行な方向の一方側および他方側において、電磁石41と各1対の副永久磁石32,32との間で磁路短絡が生じ、各ステータ12,12に鎖交する有効磁束が相対的に減少するようになっている。
また、例えば図5に示すように、ロータフレーム33内に装着された複数の磁石極部31,…,31の電磁石41,…,41のうち、引出線52bが接続されたコイル52を具備する電磁石41は、スリップリング61を介して外部の通電制御装置62に接続されている。
このスリップリング61は、例えばロータ11に固定されたリング部61aと、ステータ12に固定されたブラシ部61bとを備えて構成され、ブラシ部61bと通電制御装置62とは接続線62aを介して接続されている。
通電制御装置62は、例えばブッリジ回路等を備え、電源(図示略)からコイル52への通電状態を反転可能であって、アキシャルギャップ型モータ10の強め界磁状態と弱め界磁状態とを適宜に切り換えて設定可能である。
上述したように、本実施の形態によるアキシャルギャップ型モータ10によれば、アキシャルギャップ型モータ10の状態を、所謂電磁石41および副永久磁石32のハルバッハ配置による磁束レンズ効果により磁束が収束する強め界磁状態と、電磁石41および副永久磁石32による磁路短絡が発生する弱め界磁状態とに設定することができ、電磁石41および副永久磁石32による界磁磁束が各ステータ12の固定子巻線を鎖交する鎖交磁束量を増大あるいは低減させることによって誘起電圧定数を可変とすることができる。これにより、ロータ11の構成に要する永久磁石量を増大させる必要無しに、アキシャルギャップ型モータ10の運転可能な回転数範囲およびトルク範囲を拡大し、運転効率を向上させると共に高効率での運転可能範囲を拡大することができる。
さらに、通電制御装置62からスリップリング61を介して電磁石41に直流が通電されることにより、電圧変動が相対的に小さく、かつ、低周波数となり、スリップリング61の消耗が低減されると共に、通電制御装置62の装置構成が複雑化することを防止することができる。
しかも、副永久磁石32を備えることにより、例えば電磁石41に対する通電に異常が生じた場合であっても、所望の界磁磁束を確保することができる。
なお、上述した実施の形態においては、周方向で隣り合う磁石極部31,31間に1対の副永久磁石32,32を備えるとしたが、これに限定されず、例えば図6〜図9に示す変形例のように、複数の副永久磁石32は周方向に規則的間隔で配置されてもよく、例えば図6および図7に示す第1変形例のように、周方向で隣り合う複数の磁石極部31,31間のうち適宜の磁石極部31,31間において回転軸O方向の一方側および他方側にずれた位置に配置された1対の副永久磁石32,32が省略されてもよいし、あるいは、例えば図8および図9に示す第2変形例のように、周方向で隣り合う複数の磁石極部31,31間のうち適宜の磁石極部31,31間において回転軸O方向の一方側および他方側にずれた位置に配置された1対の副永久磁石32,32のいずれかひとつのみが省略されてもよい。
例えば図6および図7に示す第1変形例では、複数の磁石極部31,31間に対して、1対の副永久磁石32,32が省略される磁石極部31,31間と、1対の副永久磁石32,32が配置される磁石極部31,31間とが、周方向で2つ置きに交互に設定されている。
また、例えば図8および図9に示す第2変形例では、複数の磁石極部31,31間に対して、回転軸O方向の一方側の副永久磁石32が省略される磁石極部31,31間と、回転軸O方向の他方側の副永久磁石32が省略される磁石極部31,31間とが、周方向で2つ置きに交互に設定されている。
これらの第1変形例および第2変形例においては、ロータ11の構成に要する永久磁石量が過剰に増大することを防止しつつ、所望の界磁磁束を確保することができる。
なお、図7および図9において、各電磁石41は、例えば強め界磁状態の通電状態に設定されている。
また、これらの第1変形例および第2変形例においては、副永久磁石32が省略された部位には、例えば非磁性(より好ましくは、非磁性かつ非導電性)の部材が配置されてもよいし、例えば空間が設けられてもよい。
なお、上述した実施の形態においては、各磁石極部31は、電磁石41と1対の磁性材部材42,42とを備えるとしたが、これに限定されず、例えば図10に示す第3変形例のように、複数の磁石極部31のうち、適宜の磁石極部31において、電磁石41の換わりに主永久磁石71を備えてもよい。
この第3変形例では、周方向に配置された複数の磁石極部31,…,31において、電磁石41と主永久磁石71とが周方向で交互に配置されており、主永久磁石71は磁性材部材42と同等の略扇形板状とされ、磁化方向が回転軸O方向に設定されている。
これにより、ロータ11の構成に要する永久磁石量が過剰に増大することを防止しつつ、例えば電磁石41に対する通電に異常が生じた場合であっても所望の界磁磁束を確保することができる。
さらに、この第3変形例では、上述した第1および第2変形例のように、複数の副永久磁石32は周方向に規則的間隔で配置されてもよく、例えば図11(a),(b)に示す第4変形例のように、周方向で隣り合う複数の磁石極部31,31間のうち適宜の磁石極部31,31間において回転軸O方向の一方側および他方側にずれた位置に配置された1対の副永久磁石32,32が省略されてもよいし、あるいは、例えば図12(a),(b)に示す第5変形例のように、周方向で隣り合う複数の磁石極部31,31間のうち適宜の磁石極部31,31間において回転軸O方向の一方側および他方側にずれた位置に配置された1対の副永久磁石32,32のいずれかひとつのみが省略されてもよい。
例えば図11(a),(b)に示す第4変形例では、複数の磁石極部31,31間に対して、1対の副永久磁石32,32が省略される磁石極部31,31間と、1対の副永久磁石32,32が配置される磁石極部31,31間とが、周方向で2つ置きに交互に設定され、かつ、適宜の電磁石41または主永久磁石71の周方向両端部において1対の副永久磁石32,32が省略されている。
また、例えば図12(a),(b)に示す第5変形例では、複数の磁石極部31,31間に対して、回転軸O方向の一方側の副永久磁石32が省略される磁石極部31,31間と、回転軸O方向の他方側の副永久磁石32が省略される磁石極部31,31間とが、周方向で2つ置きに交互に設定され、かつ、適宜の電磁石41または主永久磁石71の周方向両端部において一方側の副永久磁石32が省略されている。
なお、図11(a),(b)および図12(a),(b)において、各電磁石41は、例えば強め界磁状態の通電状態に設定されている。
また、これらの第4変形例および第5変形例においては、副永久磁石32が省略された部位には、例えば非磁性(より好ましくは、非磁性かつ非導電性)の部材が配置されてもよいし、例えば空間が設けられてもよい。
本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータの斜視図である。 本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの分解斜視図およびロータフレームの要部斜視図である。 本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの電磁石の要部斜視図である。 本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの分解斜視図およびロータフレームの要部斜視図である。 本発明の実施形態に係るアキシャルギャップ型モータのロータの断面図である。 本発明の実施形態の第1変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータの要部分解斜視図である。 本発明の実施形態の第1変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータを径方向から見た展開図である。 本発明の実施形態の第2変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータの要部分解斜視図である。 本発明の実施形態の第2変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータを径方向から見た展開図である。 本発明の実施形態の第3変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータの要部分解斜視図である。 図11(a),(b)は本発明の実施形態の第4変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータを径方向から見た展開図である。 図12(a),(b)は本発明の実施形態の第5変形例に係るアキシャルギャップ型モータのロータを径方向から見た展開図である。
符号の説明
10 アキシャルギャップ型モータ
11 ロータ
12 ステータ
32 副永久磁石
41 電磁石
51 ヨーク
52 コイル
61 スリップリング
62 通電制御装置
71 主永久磁石

Claims (6)

  1. ロータと、該ロータを回転軸方向の両側から挟み込むようにして対向配置された1対のステータとを備えるアキシャルギャップ型モータであって、
    前記ロータは、磁束の方向が前記回転軸方向と平行となるようにして周方向に配置された複数の主磁石としての電磁石と、前記主磁石の周方向端部近傍に配置されると共に、前記回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化された副永久磁石とを備え
    前記周方向で隣り合う前記副永久磁石同士は、前記電磁石の配置位置から前記回転軸方向の一方側または他方側にずれた位置に配置され、
    前記電源から前記巻線への通電状態を反転可能な通電手段と、
    前記通電手段の通電により、前記電磁石の前記回転軸方向において前記副永久磁石同士がずれた側に、前記副永久磁石同士の対向磁極と同極の磁極を発生させる強め界磁状態と、前記電磁石の前記回転軸方向において前記副永久磁石同士がずれた側に、前記副永久磁石同士の対向磁極と異極の磁極を発生させる弱め界磁状態とを設定する設定手段と
    を備えることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
  2. 複数の前記主磁石は、前記電磁石と主永久磁石とにより構成されていることを特徴とする請求項1に記載のアキシャルギャップ型モータ。
  3. ロータと、該ロータを回転軸方向の両側から挟み込むようにして対向配置された1対のステータとを備えるアキシャルギャップ型モータであって、
    前記ロータは、磁束の方向が前記回転軸方向と平行となるようにして周方向に配置された複数の主磁石としての電磁石と、前記主磁石の周方向端部近傍に配置されると共に、前記回転軸方向および径方向に直交する方向に磁化された副永久磁石とを備え、
    複数の前記主磁石は、前記電磁石と主永久磁石とにより構成されていることを特徴とするアキシャルギャップ型モータ。
  4. 前記電磁石は、前記回転軸方向の断面形状が略扇形とされたヨークと、該ヨークに巻装された巻線とを備え、
    前記巻線と電源とを接続するスリップリングを備えることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかひとつに記載のアキシャルギャップ型モータ。
  5. 前記周方向で隣り合う前記副永久磁石同士は、互いの同極同士が対向するように配置されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかひとつに記載のアキシャルギャップ型モータ。
  6. 複数の前記副永久磁石は、周方向に規則的間隔で配置されていることを特徴とする請求項1から請求項5の何れかひとつに記載のアキシャルギャップ型モータ。
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