JP5278551B2 - 回転電機用ロータコアおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機用ロータコアおよびその製造方法に係り、特に、電磁鋼板が積層されて一体に連結されて構成される回転電機用ロータコアおよびその製造方法に関する。

従来、電気エネルギーを機械的動力に変換する電動機またはこの逆の変換を行う発電機として、回転電機（以下、適宜にモータという）が知られている。一般に、モータは、内周部に突設された複数のティース部にコイルがそれぞれ巻装されている略円筒状のステータと、ステータ内に回転可能に設けられるロータとからなっている。

上記ロータとして例えば図７に示すものが知られている。このロータ５０は、円筒状をなすロータコア５２と、ロータコア５２の中心部を貫通するロータシャフト５４と、矢印Ｘで示すロータシャフト５４（およびロータコア５２）の軸方向に関してロータコア５２の両側に接して配置されるエンドプレート５６と、ロータコア５４およびエンドプレート５６とをロータシャフト５６上に固定する固定部材５８とを備える。

ロータコア５２は、珪素鋼板等を円環状に打ち抜き加工してそれぞれ形成された多数の電磁鋼板を軸方向に積層してかしめることにより一体に連結されて構成されている。また、ロータコア５２の外周部近傍の内部には、複数の永久磁石６０が周方向に均等な配置で埋設されて複数の磁極を構成している。

ロータシャフト５４は、丸棒鋼材から形成されており、その外周には径方向外側へ突出するフランジ部５５が形成されている。このフランジ部は、ロータ５０が組み立てられる際にエンドプレート５６に当接してロータシャフト５４でのロータコア５２の軸方向位置を決める当り部として機能する。

エンドプレート６０は、ロータコア５２の軸方向端部とほぼ同じ外形状の円板によって構成される。エンドプレート６０には、金属としては比較的軽量で安価で加工し易いアルミニウム板が用いられることが多い。ロータコア５２の軸方向両側に設けられるエンドプレート５６には、ロータコア５２を両側から押え付ける機能、ロータコア５２のアンバランスを修正する機能、永久磁石５６がロータコア５２から軸方向に飛び出すのを防止する機能などがある。

固定部材５８は、円筒状をなすかしめ部６２と、かしめ部６２の一方端部から径方向外側へ突出する押え部６４とを含む。固定部材５８は、その押え部６４によってロータコア５２および２枚のエンドプレート５６を上記フランジ部５５に向かって押圧した状態で、かしめ部６２がロータシャフト５４に対してかしめられることによってロータシャフト５４上に固定される。これによりロータコア５２がエンドプレート５６と共にロータシャフト５４に固定されることになる。

上記エンドプレート６０は、ロータコア５２の軸方向端部、すなわちロータコア５２を構成する電磁鋼板とほぼ同じ外形状を有する円盤状に形成されている。このように形成されていることで、エンドプレート６０は、ロータコア５２の軸方向両端において電磁鋼板の全面に対して押え付け力を作用させることができる。

これに対し、エンドプレートをロータコアよりも小径化して、コストダウンを図ることが考えられる。この場合、上記のようなロータコアの軸方向両端側に位置する電磁鋼板の外周部分に対する軸方向の押え付け力が働かないことになるので、上記電磁鋼板の外周部分が隣接する電磁鋼板との間の反発磁力によって軸方向外側へ反り変形して開くのを如何に防止するかが問題となる。

例えば、特開２００３−３０４６７０号公報（特許文献１）には、電磁鋼板を積層してロータコアを形成する工程と、電磁鋼板の所望領域の表面を溶接することにより前記所望領域を歪ませて非磁性領域を形成する工程と、前記ロータコアに磁石を埋設する固定と、を有する回転機用ロータの製造方法が開示されている。そして、上記非磁性領域を形成する例（実施例２）として、ロータコア２２が形成された後、隣り合う磁石スロット２８の角部（ブリッジ部）間領域の表面３０にロータコア２２の軸方向全長にわたってレーザ溶接等で溶接を行うことが記載および図示されている。

特開２００３−３０４６７０号公報

上記特許文献１に記載されるように、電磁鋼板を積層してなるロータコアの外周表面上において、ロータコアの軸方向にわたって溶接すれば、各電磁鋼板が前記溶接によって連結されるために、ロータコアの軸方向両側に配置されるエンドプレートを小径化しても、上記軸方向端部側の電磁鋼板の外周部分が軸方向外側へ反り変形して開くといった問題はなくなる。

しかし、特許文献１ではロータコアの外周面上の所望領域に溶接を施して歪ませることにより非磁性領域を形成しているため、溶接部分がロータ外周面から径方向外側に膨らんで形成された場合にはその膨らみ部分を除去するという別の処理工数がさらに必要となり、エンドプレートの小径化によるコストダウン以上にロータコアの製造コストの増加を招くことになる。

本発明の目的は、エンドプレートを小径化等しても軸方向端部側に位置する電磁鋼板が外側に反り変形して開くのを、製造コストの増加を抑制しつつ効果的に防止できる回転電機用ロータコアおよびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る回転電機用ロータコアは、電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成されるとともに永久磁石を内部に挿入するための磁石挿入穴が形成された円筒状の回転電機用ロータコアであって、前記磁石挿入穴は前記ロータコアの外周面近傍のコア内部において前記軸方向に延伸し且つ前記ロータコアの軸方向端部に開口して形成されており、前記開口を形成する前記軸方向最も外側の電磁鋼板を含む複数枚の電磁鋼板が前記磁石挿入穴の内壁面において溶接固定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機用ロータコアの製造方法は、円環状の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結することにより円筒状のロータコアを形成する工程と、前記ロータコアの外周部近傍において前記軸方向に延伸し且つ前記ロータコアの軸方向端部に開口して形成されている磁石挿入穴の前記開口を形成する前記軸方向最も外側の電磁鋼板を含む複数枚の電磁鋼板を、前記ロータコアの外周面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の電磁鋼板の幅が狭くなった部分またはその近傍に対応する前記磁石挿入穴の内壁面において溶接固定する工程と、前記ロータコアの磁石挿入穴に前記開口から永久磁石を挿入する工程と、前記永久磁石の側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間に樹脂材料を充填して前記永久磁石を前記磁石挿入穴内に固定する工程と、を含む。

本発明に係る回転電機用ロータコアおよびその製造方法によれば、ロータコアの軸方向において最も外側に位置して磁石挿入穴の開口を形成する電磁鋼板と、これに隣接する１枚または複数枚の電磁鋼板とが、ロータコアの外周面近傍のコア内部において軸方向に延伸して形成された磁石挿入穴の内壁面上で溶接固定されるので、軸方向端部側の複数枚の電磁鋼板の外周部分が溶接によって連結されることにより、エンドプレートをロータコアより小径化しても電磁鋼板の外周部分が軸方向外側へ反り変形して開くのを効果的に防止できる。また、この場合、ロータコアの外周面上ではなくロータコアに形成された磁石挿入穴の内壁面上を溶接するので、ロータコアの外周面上を溶接した場合のように膨らみ部除去等の処理が必要にならず、ロータコアの製造コストの増加を抑制することができる。

本発明の一実施形態である回転電機用ロータコアを用いたロータを示す軸方向に沿った断面図である。 図１に示すロータコアの斜視図である。 ロータコアに形成される一対の磁石挿入穴の拡大平面図である。 ロータコアの軸方向最も外側に位置する電磁鋼板の外周部分が反り変形して浮き上がった様子を示す拡大図である。 ロータコアの部分平面図である。 図５Ａ中のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の一実施形態であるロータコアの製造方法を示すブロック図である。 従来例のロータを示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

また、下記においてはロータコアが回転電機であるモータのロータに適用されるものとして説明するが、ロータコアはモータ以外の回転電機、例えば発電機等のロータに適用されてもよい。

図１は本発明の一実施形態であるロータコア１０が組み込まれたロータ１を示す。ロータ１は、ロータシャフト２と、ロータシャフト２の外周に固定されるロータコア１０と、矢印Ｘで示すロータシャフト２（およびロータコア１０）の軸方向においてロータコア１０の両側端面に接してそれぞれ配置されたエンドプレート３とを含む。

ロータシャフト２は、中空の段付き円筒状のシャフト部４と、シャフト部４の外周から径方向に張り出した支持部５と、支持部５の先端に連結されている略円筒状の取付部６とを一体に備える。

取付部６の軸方向一端部には、エンドプレート３を介してロータコア１０を位置決めするためのフランジ部７が径方向に突設されている。一方、取付部６の軸方向他端部には、エンドプレート３を介してロータコア１０をかしめ固定するための爪状またはつば状のかしめ部８が一体に形成されている。

また、ロータシャフト２の取付部６の外周表面には、軸方向に延伸するキー溝９が形成されており、後述するロータコア１０のキー１４（図２参照）が嵌合することによりロータシャフト２に対するロータコア１０の回転が規制されるようになっている。

エンドプレート３は、円環状をなすアルミニウム板で形成されており、ロータシャフト２の取付部６の外径にほぼ対応する内径を有するとともに、ロータコア１０よりも小さい外径を有する。本実施形態では、エンドプレート３は、取付部６のフランジ部７とほぼ一致する外径を有している。このようにエンドプレート３をロータコア１０よりも小径化することでコストダウンを図ることができ、また、エンドプレートがロータコア１０を構成する多数の電磁鋼板を径方向外周部分において軸方向に押え付ける機能を持たないため、その厚みを従来よりも薄くすることができ、これによってもコストダウンにつながる。

上記のロータ１は次のようにして組み立てられる。まず、ロータシャフト２の取付部６の外周にエンドプレート３が矢印Ａ方向から外装される。そして、ロータコア１０が同様にロータシャフト２の取付部６に外装され、フランジ部７との間にエンドプレート３を挟んだ状態で位置決めされる。

それから、もう１つのエンドプレート３がロータシャフト２の取付部６に外装された後、ロータコア１０に対して所定の軸方向固定力が作用するように矢印Ａ方向の押圧力を加えながら、かしめ部８を径方向外側に曲げることによって、ロータコア１０が２つのエンドプレート３と共にロータシャフト２にかしめ固定される。

なお、ロータコア１０をロータシャフト２にかしめ固定するためのかしめ部は、ロータシャフト２に一体に形成されるものに限定されず、ロータシャフトとは別部材として構成されてもよい。

次に、図２および３も参照して、ロータコア１０について詳細に説明する。図２はロータコア１０の斜視図であり、図３はロータコア１０に形成される一対の磁石挿入穴２４，２６の拡大平面図である。なお、図１に示されるロータコア１０は、図２中のＢ−Ｂ線断面に相当する。

図１および２に示すように、円筒状をなすロータコア１０は、円環状に打ち抜き加工された複数の電磁鋼板１６が軸方向に積層されて構成されている。各電磁鋼板１６は、積層された状態で局所的に押し込まれて変形したかしめ凹部１８が形成されることによって、互いに一体に連結されている。かしめ凹部１８は、周方向に均等な間隔で複数（本実施形態では８つ）形成されている。また、ロータコア１０の内周面には、径方向に対向して突設された２つのキー１４が軸方向に延伸して形成されている。

なお、ロータコア１０では、全ての電磁鋼板１６がかしめ凹部１８によって一括して連結されているように図示するが、これに限定されず、例えば電磁鋼板１６の枚数が多い場合には軸方向に複数分割されたブロックごとにかしめ等によって連結されたものがそれぞれ接着等によって一体に連結されて構成されてもよい。

ロータコア１０の外周面部近傍のコア内部には、複数の永久磁石２０が周方向に均等な配置で埋設されている。詳細には、ロータコア１０は、周方向に均等配置された８つの磁極２２を有しており、各磁極２２は略Ｖ字状をなして埋設された一対の永久磁石２０によって構成されている。各磁極２２を構成する一対の永久磁石２０は、それぞれ、扁平矩形状の端面形状および断面形状を有するとともに、ロータコア１０と略同じか又は少し短い長さを有している。また、一対の永久磁石２０は、それぞれ周方向に近接して対向する各端部がロータコア１０の中心側へ若干ずれて位置して、そこから一対の永久磁石２０がロータコア１０の外周面に向かって略Ｖ字状に拡がるように配置されている。

上記一対の永久磁石２０は、各磁極２２に対応して形成された一対の磁石挿入穴２４，２６内にそれぞれ配置されている。これらの磁石挿入穴２４，２６の配置によって、上記のような一対の永久磁石２０の略Ｖ字状の配置が実現されている。そして、磁石挿入穴２４，２６は、ロータコア１０に軸方向に延伸して形成されてロータコア１０の軸方向の両側端部１１ａ，１１ｂにおいて開口しており、このいずれかの開口から永久磁石２０を磁石挿入穴２４，２６内へと挿入することができる。

図３は、永久磁石２０がそれぞれ挿入されている磁石挿入穴２４，２６の拡大平面図である。磁石挿入穴２４，２６はそれらの間の径方向に沿う磁極中心線Ｍの両側に鏡面対称の形状および位置で形成されているため、以下では一方の磁石挿入穴２４について説明することとし、他方の磁石挿入穴２６の説明は援用により省略する。

磁石挿入穴２４は、扁平矩形状をなす永久磁石２０が挿入されて収容する磁石収容部３０により主として構成されるが、この磁石収容部３０に対して永久磁石２０の長辺方向両側に連通してそれぞれ形成されている樹脂充填穴３２，３４をその一部として含む。樹脂充填穴３２，３４内に樹脂材料３６が充填されている様子がクロスハッチングにより示されている。樹脂材料３６は、磁石収容部３０に永久磁石２０が挿入された後に射出成形等によって充填されて永久磁石２０を磁石挿入穴２４内に固定する機能を果たすものである。

なお、上記樹脂材料３６は、永久磁石２０の側面と磁石収容部３０の内壁面との間の狭い隙間にも充填されてもよいし、また、ロータコア１０の軸方向端部１１ａおよび／または１１ｂに開口する磁石挿入穴２４の開口部を閉じるように充填されてもよい。

一方の樹脂充填穴３２は、ロータコア１０の外周面１１ｃ側に拡張して形成されており、ロータコア１０の外周面１１ｃと樹脂充填穴３２の内壁面との間の電磁鋼板１６の幅が狭くなった第１ブリッジ部分３８となっている。

他方の樹脂充填穴３４は、対をなす他方の磁石挿入穴２６側へ拡張して形成されており、上記第１ブリッジ部分３８と同様に、他方の磁石挿入穴２６との間の電磁鋼板１６の幅が狭くなった第２ブリッジ部４０となっている。

上記のように永久磁石２０が磁石挿入穴１２内に固定されたロータコア１０がロータシャフト２に取り付けられてロータ１を構成し、このロータ１がモータに組み込まれたとき、図４に示すように、永久磁石２０からの磁束が通ることによって互いに隣接する電磁鋼板１６間には反発磁力に基づく斥力Ｆｍが発生する。この斥力Ｆｍは、ロータコア１０の軸方向中央側に位置する電磁鋼板１６については問題ないが、ロータコア１０の軸方向端部１１ａ，１１ｂ側に位置する複数枚の電磁鋼板１６，１６ａ、特に軸方向最も外側に位置する電磁鋼板１６ａでは外周部分が上記斥力Ｆｍによってこれと隣接する電磁鋼板１６から浮き上がって反り変形する。これは、エンドプレート３をロータコア１０よりも小径化したことにより、電磁鋼板１６の外周部分に対する押え付け力が働かないことに起因するものある。

これに対し、上記モータのロータ１が回転駆動されるとき、ロータコア１０を構成する各電磁鋼板１６は遠心力Ｆｃが作用し、上記のような変形が是正されて上記電磁鋼板１６ａを含む全ての電磁鋼板１６が互いに接触した状態となって径方向に沿って伸びる。

このような反り変形と伸び変形とを繰り返し受けることによってロータコア１０の
１１ａ，１１ｂ側に位置する上記電磁鋼板１６を含む複数枚の電磁鋼板１６では、その外周部分が疲労して破損しやすくなり、特に、電磁鋼板１６の幅が狭くなって強度が低下している第１および第２ブリッジ部分３８，４０で破損が生じやすい。

そこで、本実施形態のロータコア１０では、ロータコア１０の軸方向端部１１ａ，１１ｂに位置する電磁鋼板１６ａを含む複数枚の電磁鋼板１６を、上記第１ブリッジ部分３８の内壁面、すなわち磁石挿入穴２４の一部をなす樹脂充填穴３２の内壁面において溶接固定している。

図５Ａおよび５Ｂに示すように、電磁鋼板１６を積層して一体に連結されたロータコア１０について、永久磁石２０を挿入する前に、磁石挿入穴２４，２６の樹脂充填穴３２の内壁面を例えばレーザ溶接によって溶接して溶接部分４２を形成し、この溶接部分４２によって軸方向端部１１ａ，１１ｂ側にそれぞれ位置する複数枚の電磁鋼板の外周部分を互いに連結する。これにより、軸方向最も外側に位置する電磁鋼板１６を含む複数枚の電磁鋼板が外周部分でも連結されことによって強度および剛性が増すことになり、その結果、上記斥力Ｆｍが作用しても反り変形して浮き上がった状態になるのを防止することができる。すなわち、第１および第２ブリッジ部分３８，４０が破損するのを確実に防止できる。なお、溶接方法はレーザ溶接に限定されず、例えばガス溶接、電気溶接等の他の溶接方法を用いてもよい。

この場合、溶接部分４２の軸方向長さｗ、すなわち第１ブリッジ部分３８が互いに溶接されて連結される電磁鋼板１６の枚数は、レーザビームＬのスポットの大きさを調節するか、または、軸方向に対して斜めに照射されるレーザビームＬを矢印Ｄ方向（軸方向）に移動させる距離を調節することにより適宜に設定することができる。

また、ロータコア１０の外周面１１ｃ上ではなくロータコア１０に形成された磁石挿入穴２４，２６の樹脂充填穴３２の内壁面上を溶接するので、ロータコア１０の外周面１１ｃ上を溶接した場合のように膨らみ部除去等の処理が必要にならず、ロータコア１０の製造コストの増加を抑制することができる。さらに、溶接部分４２が膨らみ部分となっても、樹脂充填穴３２の内壁面であるため、磁石挿入穴２４，２６への永久磁石２０の挿入に支障はない。

また、上記溶接部分４２はロータコア１０の外周面１１ｃと磁石挿入穴２４，２６の内壁面との間の電磁鋼板１６の幅が狭くなった第１ブリッジ部分３８またはその近傍に対応しているので、複数枚の電磁鋼板１６が溶接により連結されることによって最も破損しやすい部分である第１ブリッジ部分３８を効果的に補強することができる。

また、上記溶接部分４２は、ロータコア１０の軸方向両端１１ａ，１１ｂ側だけに設けられている。これにより、ロータコア１０の軸方向全長にわたって溶接する場合に比べて、ロータコア１０の製造コストの増加を抑制できる。

さらに、上記溶接部分４２は樹脂充填穴３２の内壁面の部分であり、永久磁石２０を固定するための樹脂材料３６が充填されるこの穴３２は透磁率が空間同様に低くなって永久磁石２０の長辺方向端部（すなわち短辺部分辺り）における漏れ磁束を抑制する漏れ磁束抑制部としても機能する。換言すれば、この樹脂充填穴３２に面した上記第１ブリッジ部分３８は永久磁石２０からの磁束が通らない部分であり、ロータコア１０を構成する電磁鋼板１６，１６ａの磁気特性に影響を与えない部分である。したがって、このような部分に設けられた溶接部分４２が永久磁石２０の磁気特性に悪影響を及ぼすことはない。

次に、図６を参照して上記ロータコア１０の製造方法について簡単に説明する。図６はロータコア１０の製造方法を示すブロック図である。

図６に示すように、まずステップＳ１０により、それぞれ打ち抜き加工により形成された電磁鋼板１６を積層してかしめ等によって一体に連結して円筒状のロータコア１０を形成する。

続いて、ステップＳ１２により、ロータコア１０の第１ブリッジ部分３８の内壁面をレーザ溶接して溶接部分４２を形成して、軸方向端部１１ａ,１１ｂ側にそれぞれ位置する複数枚の電磁鋼板１６を外周部分において連結する。

次いで、ステップＳ１４により、ロータコア１０の磁石挿入穴２４，２６内に永久磁石２０を挿入する。

そして、ステップＳ１６により、磁石挿入穴２４，２６内に樹脂材料３６を充填して、永久磁石２０を固定する。これにより、ロータコア１０の製造が完了する。

なお、上記においてはエンドプレートをロータコアよりも小径化した場合について説明したが、両方または片方のエンドプレート自体を省略してロータコアの軸方向両端部をロータシャフトのフランジ部およびかしめ部の少なくとも一方に直に接触させてかしめ固定してもよい。

１ ロータ、２ ロータシャフト、３ エンドプレート、４ シャフト部、５ 支持部、６ 取付部、７ フランジ部、８ かしめ部、９ キー溝、１０ ロータコア、１１ａ，１１ｂ 軸方向端部、１１ｃ 外周面、１２ 磁石挿入穴、１４ キー、１６，１６ａ 電磁鋼板、１８ かしめ凹部、２０ 永久磁石、２２ 磁極、２４，２６ 一対の磁石挿入穴、３０ 磁石収容部、３２，３４ 樹脂充填穴、３６ 樹脂材料、３８ 第１ブリッジ部分、４０ 第２ブリッジ部、４２ 溶接部分、Ｆｃ 遠心力、Ｆｍ 斥力、Ｌ レーザビーム。

Claims (6)

1. 電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成されるとともに永久磁石を内部に挿入するための磁石挿入穴が形成された円筒状の回転電機用ロータコアであって、
   前記磁石挿入穴は前記ロータコアの外周面近傍のコア内部において前記軸方向に延伸し且つ前記ロータコアの軸方向端部に開口して形成されており、前記開口を形成する前記軸方向最も外側の電磁鋼板を含む複数枚の電磁鋼板が前記磁石挿入穴の内壁面において溶接固定され、
   前記磁石挿入穴の内壁面の溶接部分が前記ロータコアの軸方向両端側だけに設けられていることを特徴とする回転電機用ロータコア。
2. 請求項１に記載の回転電機用ロータコアにおいて、
   前記磁石挿入穴の内壁面の溶接部分は、前記ロータコアの外周面と前記磁石挿入穴の内壁面との間の電磁鋼板の幅が狭くなった部分またはその近傍に対応することを特徴とする回転電機用ロータコア。
3. 請求項１または２に記載の回転電機用ロータコアにおいて、
   前記磁石挿入穴の内壁面の溶接部分は、前記ロータコアを構成する電磁鋼板の磁気特性に影響を与えない部分であることを特徴とする回転電機用ロータコア。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機用ロータコアにおいて、
   前記磁石挿入穴の内壁面の溶接部分は、前記磁石挿入穴の一部として前記ロータコアの外周面側に拡張して形成されていて前記永久磁石が挿入された後に磁石固定用樹脂材料が充填される樹脂充填穴の内壁面上の部分であることを特徴とする回転電機用ロータコア。
5. 請求項４に記載の回転電機用ロータコアにおいて、
   前記樹脂充填穴は、前記永久磁石の端部で生じる漏れ磁束を抑制する漏れ磁束抑制部として機能することを特徴とする回転電機用ロータコア。
6. 円環状の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結することにより円筒状のロータコアを形成する工程と、
   前記ロータコアの外周部近傍において前記軸方向に延伸し且つ前記ロータコアの軸方向端部に開口して形成されている磁石挿入穴の前記開口を形成する前記軸方向最も外側の電磁鋼板と、これに隣接する１枚または複数枚の電磁鋼板とを、前記ロータコアの外周面と前記磁石挿入穴の内壁画との間の電磁鋼板の幅が最も狭くなる部分またはその近傍に対応する前記磁石挿入穴の内壁面において溶接固定する工程と、
   前記ロータコアの磁石挿入穴に前記開口から永久磁石を挿入する工程と、
   前記永久磁石の側面と前記磁石挿入穴の内壁面との間に樹脂材料を充填して前記永久磁石を前記磁石挿入穴内に固定する工程と、
   を含む回転電機用ロータコアの製造方法。

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