JP5672507B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、回転電機に関する。
従来、回転電機において、固定子に対する回転子の相対回転角を半導体磁気センサによって検出する場合、半導体磁気センサに対応する位置に回転角検出用の副磁石を設ける。例えば、特許文献１には、回転子と一体に回転するシャフトの端部に副磁石を備え、巻線を流れる電流や回転子の磁極による磁界の影響を受けることなく回転子の相対回転角を半導体磁気センサが検出するブラシレスモータが記載されている。
特開２００６−０８１２８３号公報
半導体磁気センサにより回転子の相対回転角を検出する場合、磁極に対する副磁石の組み付け位置が重要となっている。しかしながら、１つのティース部に対して電気角πの位置にスロットが形成される固定子の場合、当該１つのティース部に磁束が形成されても当該スロットで磁束が分散するため、磁界が弱くなり回転子の磁極を吸引する力が比較的小さくなる。このため、回転子に副磁石を組み付けるとき、不意の外力により回転子が回転するおそれがあり、磁極に対する副磁石の組み付け位置の精度が低くなる。磁極に対する副磁石の組み付け位置の精度が低くなると、半導体磁気センサによる回転子の位置を検出精度が低下する。
本発明の目的は、回転子の位置を検出する精度が向上可能な回転電機を提供することにある。
本発明は、複数のティース部を形成する固定子コア、固定子コアの径内方向でシャフトと一体となって回転する回転子、シャフトの一方の端部に設けられる磁気発生手段、および磁気発生手段が形成する磁束密度の変化に応じた信号を出力する磁気検出手段、を備える回転電機であって、ティース部は、回転子に形成される１つの磁極対あたりの数が偶数であって、巻線群は三相の巻線から構成され、毎磁極毎相のティース部の数をｋ（ｋは自然数）とするとき、三相の巻線は、それぞれ１２０°を除く｛（２ｋ＋１）×π／３ｋ｝以上の電気角でティース部に巻回されることを特徴とする。
本発明の回転電機のティース部は、ティース部の数が、回転子に形成される異種の磁極どうし、すなわち１つの磁極対あたり偶数となるように形成されている。巻回されている巻線に電流を流すと、励磁される１つのティース部に対して電気角πの位置にあるティース部は反対磁性に励磁される。これにより、電気角πの位置にある磁極を吸引する力が比較的大きくなり、回転子を精度よく所望の位置に固定することができる。したがって、回転子の磁極に対する副磁石の組み付け位置の精度が向上し、回転子の位置を検出する精度が向上できる。
また、本発明の回転電機では、比較的少ない電流で回転子を精度よく所望の位置に固定することができる。これにより、消費電力を低減できるとともに回転電機の通電を制御する通電制御部を小型化できる。
また、本発明の回転電機では、回転子を精度よく所望の位置に固定することができるため、回転電機の組み立てにおける検出精度の調整工程を簡略化できる。これにより、回転電機の組み立て工数を低減することができる。
本発明の第１実施形態による回転電機の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の電気回路の模式図である。 （ａ）１つの磁極対あたりのティース部の数が偶数のときの回転電機の参考例の断面図、（ｂ）１つの磁極対あたりのティース部の数が奇数のときの回転電機の参考例の断面図である。 本発明の第２実施形態による回転電機の断面図である。 本発明の第３実施形態による回転電機の断面図である。 本発明の第４実施形態による回転電機の断面図である。 本発明の第５実施形態による回転電機の断面図である。 図８のＩＸ矢視図である。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転電機１は、図１に示すようにモータ部５、および制御部７から構成されている。
モータ部５は、３相ブラシレスモータであり、「支持部材」としての第１ハウジング１０、固定子２０、回転子３０などを備えている。
第１ハウジング１０は、筒部１１、筒部１１の一端を塞ぐ第１側部１２、および、筒部１１の他端を塞ぐ第２側部１５から構成されている。第１側部１２の中央の貫通孔１３には軸受１４が取り付けられ、第２側部１５の中央の貫通孔１６には軸受１７が取り付けられる。
固定子２０は、第１ハウジング１０の筒部１１の径内方向に位置する固定子コア２１、および、固定子コア２１に巻回されている巻線群２２から構成されている。
固定子コア２１は、第１ハウジング１０の筒部１１の内面に例えば圧入により固定されている環状のヨーク部２８、およびヨーク部２８から径内方向に突き出す複数のティース部２９から一体に形成されている。第１実施形態による回転電機１では、ティース部２９は２４個設けられ、周方向に１５°の間隔で配置される。
巻線群２２は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線から構成されている。巻線群２２は、各ティース部２９間のスロット２５に「３スロットピッチ」で巻回される。後述するように、３スロットピッチを形成する３つのティース部２９は、回転子３０が有する１つの主磁石に対向するように設けられている。すなわち、巻線群２２は電気角πのピッチでティース部２９に巻回される。図２には、Ｕ相巻線の電流が流れる方向のみ示す。
回転子３０は、回転子コア３２、および主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８から構成されている。
回転子コア３２は、軟磁性材から形成され、回転軸φ方向に積層された複数の鋼板からなる。回転子コア３２には、径方向外側に主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８が設けられる。回転子コア３２は、主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８が発する磁束を伝達するヨークとして機能する。
主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８は、回転子コア３２の径方向外側を囲むように８極設けられる。第１実施形態による回転電機１では、主磁石４１、４３、４５、４７がＳ極を回転子コア３２に形成し、主磁石４２、４４、４６、４８がＮ極を回転子コア３２に形成する。回転電機１では、異種の磁極どうしから構成される１つの磁極対あたりにティース部２９が６個設けられている。すなわち、主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８のそれぞれ１つの主磁石あたりに設けられるティース部２９の数は３個となる。具体的には、回転子３０が図２に示す位置にあるとき、主磁石４１に対向する位置にティース部２９１、２９２、２９３が配置される。また、主磁石４２に対向する位置にティース部２９４、２９５、２９６が配置される。回転電機１は、回転子３０が８極を有する３相ブラシレスモータであるため、磁極の数と相の数との積は２４である。また、ティース部２９は２４個設けられているため、毎磁極毎相のティース部の数ｋは、２４÷２４＝１となる。
シャフト３１は回転子コア３２の中心に形成されている貫通孔に挿通され軸受１４、１７により回転可能に支持されている。
副磁石５２は、シャフト３１の軸方向に対して垂直に磁束を発生するように設けられる。「磁気発生手段」としての副磁石５２は、図示しないケースに固定され、シャフト３１の第２側部１５側の端部に当該ケースが圧入されることでシャフト３１の端部に固定される。
制御部７は、モータ部５の第２側部１５側に接続される。制御部７は、第２ハウジング５０、「磁気検出手段」としての磁気センサ５１、「演算部」としての信号基板５６、「通電制御部」としてのパワー基板６１、信号基板５６とパワー基板６１とを接続するコネクタ５８などを備える。磁気センサ５１、信号基板５６、パワー基板６１、およびコネクタ５８は、第２ハウジング５０と第２側部１５とにより形成される空間に収容される。
磁気センサ５１は、副磁石５２に対向するようにシャフト３１の軸方向に設けられる。磁気センサ５１は、磁気センサ５１に平行な磁界を検出するＭＲ素子から構成される。磁気センサ５１は、磁気センサ５１の感磁面での磁束密度の変化に応じた信号を信号基板５６に出力する。
信号基板５６は、磁気センサ５１が出力する信号に基づいて固定子２０に対する回転子３０の相対回転角を算出する。信号基板５６は、コネクタ５８を介して算出された相対回転角に応じた信号をパワー基板６１に出力する。
パワー基板６１は、図３に示すようにパワートランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６などから構成される。パワー基板６１は、信号基板５６が出力する信号に基づいてパワートランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６を制御し、電源６２の電力を巻線群２２に供給する。これにより、固定子２０が周方向に回転する磁界を発生させ、この磁界に応じて回転子３０が回転する。
第１実施形態の回転電機１は、１つの磁極対あたりのティース部２９の数が偶数であることに特徴がある。ここで、図２および図４に基づいて第１実施形態の効果について説明する。最初に図４に基づいて、１つの磁極対あたりのティース部の数が偶数の場合と奇数の場合との違いについて説明する。
図４（ａ）は、参考例として１つの磁極対あたりのティース部の数を偶数である２とする回転電機３の断面の模式図である。また、図４（ｂ）は、参考例として１つの磁極対あたりのティース部の数を奇数である１とする回転電機４の断面を模式的に表す。
１つの磁極対あたりのティース部の数を２とする回転電機３において、巻線２３に電流が流れると、ティース部８９１、およびティース部８９１に対して電気角πの位置にあるティース部８９２には、紙面の上方から下方に向かう磁束Ｂが形成される。回転電機３では磁束Ｂにより形成される磁界は分散することなく、固定子８０の径内方向に設けられる回転子９０に作用する。これにより、固定子８０が回転子９０の主磁石９１、９２を吸引する力が増加し、固定子８０に対する回転子９０の位置が図４（ａ）に示す所望の位置に高精度に決まる。
一方、１つの磁極対あたりのティース部の数を１とする回転電機４において、巻線２４に電流が流れると、ティース部１１１には、紙面の上方から下方に向かって磁束Ｂが形成される。しかしながら、ティース部１１１に対して電気角πの位置にはないティース部１１２、１１３では、ティース部１１１に対して配置されている角度に応じた磁束Ｂが形成される。図４（ｂ）に示す回転電機４では、ティース部１１１に対してティース部１１２、１１３は、６０°、−６０°に位置する。したがって、ティース部１１２とティース部１１３との間のスロット１１４には、ティース部１１１に形成される磁束Ｂの０．５倍の磁束Ｂが形成されると見なすことができる。これにより、固定子１１０が回転子１２０の主磁石を吸引する力が減少し、固定子１１０に対する回転子１２０の位置は図４（ｂ）の点線で示すように、最初は所望の位置に固定されても不意の外力によって変化するおそれがある。
次に、図４での説明を踏まえ、図２に基づいて第１実施形態による回転電機１の効果に説明する。
回転電機１の１つの磁極対あたりのティース部２９の数は偶数である６であり、図４（ａ）で説明した回転電機３と同じ効果を奏する。すなわち、巻線群２２のＵ相巻線に電流を流したとき、ティース部２９１、２９２、２９３には径内方向に向かう磁束Ｂが形成され、ティース部２９１、２９２、２９３は励磁されるとともに、ティース部２９４、２９５、２９６には径外方向に向かう磁束Ｂが形成され、ティース部２９４、２９５、２９６はティース部２９１、２９２、２９３とは反対磁性に励磁される。また、図２における固定子２０と回転子３０との位置関係では、ティース部２９１、２９２、２９３に対向する主磁石４１はＳ極であり、ティース部２９４、２９５、２９６に対向する主磁石４２はＮ極となっている。これにより、固定子２０に対する回転子３０の位置は、図２の位置で確実に決定され、不意の外力によっても変化しない。なお、他のティース部と主磁石との関係も同様である。
回転電機１の組み立て時にシャフト３１に副磁石５２を組み付けるとき、Ｕ相巻線に電流を流すと、主磁石４１がティース部２９２に正対するとともに主磁石４２がティース部２９５に正対する位置に固定されるため、主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８に対して副磁石５２を精度よく組み付けることができる。これにより、副磁石５２の組み付け位置の精度が向上し、回転子３０の位置を検出する精度が向上できる。
また、主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８に対して副磁石５２を精度よく組み付けることができるため、回転子３０を所望の位置に固定するとき、Ｕ相巻線に流す電流を少なくすることができる。これにより、通電の制御を行うパワー基板６１を小型にすることができる。
また、主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８に対して副磁石５２を精度よく組み付けることができるため、回転電機１の組み立て時における検出精度の調整工程を簡略化することができる。これにより、回転電機の組み立て工数を低減することができる。
回転電機１では、巻線群２２は電気角πのピッチでティース部２９に巻回される。これは、毎磁極毎相のティース部の数ｋを用いて表される｛（２ｋ＋１）×π／３ｋ｝以上の電気角となっている。巻線の巻回ピッチを｛（２ｋ＋１）×π／３ｋ｝以上の電気角とすると、固定子２０は電気角πの位置に強い反対極性の磁界を形成するので、回転子３０を所望の位置に高精度に固定することができる。したがって、副磁石５２の組み付け位置の精度が向上し、回転子３０の位置を検出する精度が向上できる。
また、回転電機１のティース部２９は、主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８のそれぞれ１つの主磁石に対向するティース部２９の数は３個となるように形成されている。これは、１つの主磁石に対向するティース部の数が（３ｋ−１）以上となっている。１つの主磁石に対向するティース部の数を（３ｋ−１）以上とすると、回転子３０の主磁石４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８を吸引する十分な力を形成する。したがって、副磁石５２の組み付け位置の精度が向上し、回転子３０の位置を検出する精度が向上できる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による回転電機を図５に基づいて説明する。第２実施形態は、第１実施形態と異なり、回転子の形状が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態による回転電機は、回転子７０に永久磁石を用いない突極型のリラクタンス型モータである。回転子７０は、ボス部７００、ボス部７００より径外方向に突出する４個の凸部７０１、７０３、７０５、７０７、および各凸部に挟まれるように形成される凹部７０２、７０４、７０６、７０８を有する。凸部７０１、７０３、７０５、７０７は、特許請求の範囲に記載の「一方の磁極」に相当する。凹部７０２、７０４、７０６、７０８は、特許請求の範囲に記載の「他方の磁極」に相当する。
図５に示すように、凸部７０１、７０３、７０５、７０７の周方向の長さＬ１は、凹部７０２、７０４、７０６、７０８の周方向の長さＬ２以下となるように形成されている。
第２実施形態による回転電機では、凸部７０１、７０３、７０５、７０７とティース部２９の径方向内側の先端との間の距離が、凹部７０２、７０４、７０６、７０８とティース部２９の径方向内側の先端との間の距離より小さい。これにより、凸部７０１、７０３、７０５、７０７とティース部２９の径方向内側の先端との間では磁気抵抗が小さくなり、回転子７０は磁気的凹凸を有する。第２実施形態による回転電機の回転子７０を所望の位置で固定する場合、磁束を比較的通しやすい凸部７０１、７０３、７０５、７０７とティース部２９との位置関係によって位置決めされるので、第１実施形態の効果に加えて、さらに回転子７０を所望の位置に高精度に固定することができる。
また、長さＬ１を長さＬ２以下とすることで回転電機内の磁気回路の最適化を図ることができる。これにより、回転電機の体格を小型にすることができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による回転電機を図６に基づいて説明する。第３実施形態は、第１実施形態と異なり、回転子の形状が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第３実施形態による回転電機は、コンシクエントポール型モータである。回転子７３は、ボス部７３０、ボス部７３０より径外方向に突出する４個の凸部７３１、７３３、７３５、７３７、および各凸部の間に設けられる主磁石７４１、７４２、７４３、７４４を有する。凸部７３１、７３３、７３５、７３７は、特許請求の範囲に記載の「一方の磁極」に相当する。主磁石７４１、７４２、７４３、７４４は、特許請求の範囲に記載の「他方の磁極」に相当する。
凸部７３１、７３３、７３５、７３７は、軟磁性材料から形成され、Ｎ極、Ｓ極いずれか一方の磁極を有する。また、主磁石７４１、７４２、７４３、７４４は、Ｎ極、Ｓ極いずれか他方の磁極を有する。第３実施形態による回転電機では、例えば、凸部７３１、７３３、７３５、７３７がＳ極を有し、主磁石７４１、７４２、７４３、７４４がＮ極を有する。
また、凸部７３１、７３３、７３５、７３７の周方向の長さＬ３は、主磁石７４１、７４２、７４３、７４４が設けられる凹部７３２、７３４、７３６、７３８の周方向の長さＬ４以下となるように形成されている。
第３実施形態による回転電機では、凸部７３１、７３３、７３５、７３７の方が主磁石７４１、７４２、７４３、７４４より透磁率が大きいため、凸部７３１、７３３、７３５、７３７とティース部２９の径方向内側の先端との間では磁気抵抗が小さくなり、回転子７３は磁気的凹凸を有する。これにより、第３実施形態による回転電機の回転子７３を所望の位置に固定する場合、磁束を比較的通しやすい凸部７３１、７３３、７３５、７３７とティース部２９との位置関係によって位置決めされるので、第１実施形態の効果に加えて、さらに回転子７０を所望の位置に高精度に固定することができる。
また、長さＬ３を長さＬ４以下とすることで回転電機内の磁気回路の最適化を図ることができる。これにより、回転電機の体格を小型にすることができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による回転電機を図７に基づいて説明する。第４実施形態は、第３実施形態と異なり、固定子のティース部の数が異なる。なお、第３実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第４実施形態による回転電機は、８極３相ブラシレスモータであって、固定子７５のティース部７６は、４８個形成されている。このとき、毎磁極毎相のティース部７６の数ｋは２となる。
巻線群７７は、各ティース部７６間のスロット７４に６スロットピッチで巻回される。６スロットピッチを形成する６つのティース部７６は、回転子７３が有する１つの主磁石または１つの凸部に対向するように設けられている。すなわち、巻線群７７は電気角πのピッチにティース部７６に巻回される。なお、図７には、Ｕ相巻線の電流が流れる方向のみ示す。
第４実施形態による回転電機では、１つの磁極対あたりにティース部７６が１２個設けられている。これにより、回転子７３を固定子７５に対して所望の位置に固定するとき、回転子７３の凸部７３１、７３３、７３５、７３７がティース部７６に対して正対するため、凸部７３１、７３３、７３５、７３７および主磁石７４１、７４２、７４３、７４４に対して副磁石５２を精度よく組み付けることができる。これにより、副磁石５２の組み付け位置の精度が向上し、回転子７３の位置を検出する精度を向上することができる。したがって、第１実施形態による回転電機１と同様の効果を奏することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による回転電機を図８および９に基づいて説明する。第５実施形態は、第１実施形態と異なり、磁気センサの組み付け位置が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第５実施形態による回転電機２は、磁気センサを３つ有している。「磁気検出手段」としての磁気センサ７８１、７８２、７８３は、副磁石５２の径方向に位置するように設けられている。磁気センサ７８１、７８２、７８３は、図９に示すようにシャフト３１の回転軸φを中心として３０°の間隔で配置されている。磁気センサ７８１、７８２、７８３は、当該磁気センサに垂直な磁界を検出するホール素子から構成されている。
（他の実施形態）
（ａ）上述の第１〜３、５実施形態では、ティース部の数は２４個であって、１つの磁極あたりのティース部の数を３であるとした。また、第４実施形態では、ティース部の数は４８個であって、１つの磁極あたりのティース部の数を６であるとした。しかしながら、ティース部の数はこれに限定されない。１つの磁極対あたりの数が偶数であればよい。
（ｂ）上述の実施形態では、回転電機は３相のブラシレスモータであるとした。しかしながら、相の数はこれに限定されない。２相であってもよい。
（ｃ）上述の実施形態では、回転電機は８極の磁極を有するとした。しかしながら、磁極の数はこれに限定されない。８極でなくてもよい。参考例のように２極であってもよい。
（ｄ）上述の実施形態では、巻線群が巻回されるピッチを電気角πとした。しかしながら、巻線群が巻回されるピッチの電気角はこれに限定されない。毎磁極毎相のティース部の数ｋを用いて表される電気角｛（２ｋ＋１）×π／３ｋ｝より小さい電気角で巻回されてもよい。
（ｅ）上述の第５実施形態では、磁気センサは副磁石の径方向に位置するように３つ設けられ、シャフトの回転軸を中心として３０°の間隔で配置されているとした。しかしながら、磁気センサの数および配置される角度はこれに限定されない。１つであってもよい。また、配置される角度は３０°でなくてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
１、２ ・・・回転電機、
１０ ・・・第１ハウジング（支持部材）、
２８ ・・・ヨーク部、
２９、２９１、２９２、２９３、２９４、２９５、２９６、７６・・・ティース部、
２１ ・・・固定子コア、
２２ ・・・巻線群、
３１ ・・・シャフト、
３０ ・・・回転子、
５２ ・・・副磁石（磁気発生手段）、
５１、７８１、７８２、７８３・・・磁気センサ（磁気検出手段）。

Claims (8)

  1. 支持部材（１０）と、
    前記支持部材の径方向内側に固定される環状のヨーク部（２８）、および前記ヨーク部の径内方向に突出する複数のティース部（２９）から構成される固定子コア（２１）と、
    複数の前記ティース部に巻回される巻線群（２２）と、
    前記固定子コアの径内方向で前記支持部材により回転可能に支持されるシャフト（３１）と、
    前記固定子コアの径内方向で前記シャフトと一体となって回転する回転子（３０）と、
    前記シャフトの一方の端部に設けられる磁気発生手段（５２）と、
    前記磁気発生手段が形成する磁束密度の変化に応じた信号を出力する磁気検出手段（５１、７８１、７８２、７８３）と、
    を備え、
    前記ティース部は、前記回転子に形成される１つの磁極対あたりの数が偶数であって、
    前記巻線群は、三相の巻線から構成され、毎磁極毎相の前記ティース部の数をｋ（ｋは自然数）とするとき、前記三相の巻線は、それぞれ１２０°を除く｛（２ｋ＋１）×π／３ｋ｝以上の電気角で前記ティース部に巻回されることを特徴とする回転電機。
  2. 前記ティース部は、前記回転子に形成される１つの磁極あたりの数が（３ｋ−１）以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  3. 前記ヨーク部および前記ティース部は、一体に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
  4. 前記回転子に形成される１つの磁極対を構成する一方の磁極（７０１、７０３、７０５、７０７、７３１、７３３、７３５、７３７）の磁気抵抗は、他方の磁極（７０２、７０４、７０６、７０８、７３２、７３４、７３６、７３８）の磁気抵抗より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
  5. 前記一方の磁極の周方向の長さ（Ｌ１、Ｌ３）は、前記他方の磁極の周方向の長さ（Ｌ２、Ｌ４）以下であることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
  6. 前記磁気検出手段（５２）は、前記磁気発生手段の軸方向に設けられるＭＲ素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
  7. 前記磁気検出手段（７８１、７８２、７８３）は、前記磁気発生手段の径外方向に設けられるホール素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
  8. 前記磁気検出手段が出力する信号に基づいて前記固定子コアに対する前記回転子の相対回転角を算出する演算部（５６）と、
    前記演算部が算出する前記固定子コアに対する前記回転子の相対回転角に基づいて前記巻線群に流す電流を制御する通電制御部（６１）と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。
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