JP6663942B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電気自動車又はハイブリッド自動車等に搭載される回転電機のステータに関する。
ステータコアと、ステータコアのティースに巻回された巻線からなるコイルとを有する回転電機のステータが知られている。この巻線方式のステータは、絶縁紙を挟みながら巻線が巻回される構成のため、この巻回処理が煩雑であり、巻線の整形が難しい。
そこで、特許文献1では、ステータコアに挿入されるコイルセグメントの先端部分の導線をリング形状の保持具の溝にて保持し、保持具を回転することにより、コイルセグメントの導線を所定形状に曲げるようにし、コイルセグメントの端部同士を溶接した回転電機のコイル製造方法が提案されている。
また、特許文献2では、各電気導体の接合端部を拘束した状態で、接合端部同士をTIG溶接するようにした回転電機の巻線接合方法が提案されている。
特開2003−125564号公報 特開2003−219614号公報
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載の回転電機の巻線接合方法では、被膜剥離部位から十分な距離を確保する必要がありワタリ高さが高くなってしまう。そこで、TIG溶接の代わりに2つの電気導体の端部同士を突き合わせた状態で、突き合わせ部をレーザ光でレーザ溶接することが考えられる。
レーザ溶接は、電気導体の端部同士の接合において高出力が必要であるが、施工時間が短いため、電気導体の熱上昇が抑えられ、ワタリ高さを小さくできる。しかしながら、2つの電気導体の端部同士をレーザ光でレーザ溶接しようとすると、端部同士の間をレーザ光が抜けてしまい、他の導体の絶縁被膜等を損傷する可能性がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ溶接によって接合される電気導体の端部同士を確実に突き合わせることができ、且つ溶接に用いるレーザ光による部材の損傷を防止可能な回転電機のステータを提供する。
本発明は、
ステータコアと、
該ステータコアに形成された複数のスロットの各々に挿入され、且つ前記スロットから前記ステータコアの軸方向の外側に突出する複数のコイルセグメントを含むコイルと、を有する回転電機のステータであって、
前記複数のコイルセグメントは、複数の第一コイルセグメントと、複数の第二コイルセグメントと、を備え、
前記第一コイルセグメントは、前記スロットに挿入された挿入部と、前記ステータコアの前記軸方向の端面よりも前記軸方向の外側に突出した突出部と、を備え、
前記第二コイルセグメントは、前記スロットに挿入された挿入部と、前記端面よりも前記軸方向の外側に突出した突出部と、を備え、
前記第一コイルセグメントの前記突出部の端部は、前記軸方向に延び、前記第二コイルセグメントの前記突出部の前記軸方向に延びる端部に突き合わせられた状態で、該端部とレーザ溶接により接合されており、
前記第一コイルセグメントの前記突出部と前記第二コイルセグメントの前記突出部における互いに突き合わせられた突き合わせ部は、径方向にオフセット成形された段形状となっており、互いに接合される接合面と、前記接合面に直交し互いに係合される係合面と、を有し、
前記接合面は、前記ステータコアの周方向及び軸方向に延びる面であり、
前記係合面は、前記ステータコアの周方向及び径方向に延びる面である。
本発明によれば、第一コイルセグメントの突出部と第二コイルセグメントの突出部における互いに突き合わせられた突き合わせ部は、互いに接合される接合面と、接合面に直交し互いに係合される係合面と、を有するので、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとを位置決めした状態で接合することができる。また、第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントのいずれか一方の係合面は、接合面をレーザ溶接する際のレーザ光の抜け止め部としても機能するので、レーザ光による他部位への悪影響を回避できる。
本発明の一実施形態である回転電機のステータの斜視図である。 図1のA−A断面図である。 図2のB−B断面図である。 図1に示すステータにおける第一コイルセグメントの斜視図である。 図1に示すステータにおける第二コイルセグメントの斜視図である。 図1に示すステータの一部分をステータコアの径方向外側から見た展開図である。 図1に示すステータにおける第一コイルセグメントと第二コイルセグメントの端部同士が接合された状態の斜視図である。 図6のC矢視図である。 第一コイルセグメントの製造手順を示す製造工程図である。
以下、本発明の回転電機のステータの一実施形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、符号RDはステータの径方向を示し、符号ADはステータの軸方向を示し、符号CDはステータの周方向を示す。
図1に示すように、回転電機のステータ10は、ステータコア11と、コイル15と、を備える。
ステータコア11は、例えば複数の円環状の電磁鋼板が積層されて構成された円環状の部材である。ステータコア11は、その内周面においてステータコア11の周方向CDに沿って等間隔に配列された複数のスロット12を有する。
スロット12は、ステータコア11の軸方向ADの一方の端面13aから、ステータコア11の軸方向ADの他方の端面13bまで延びる溝によって構成されている。
コイル15は、ステータコア11に形成された複数のスロット12の各々に挿入され、且つ各スロット12からステータコア11の軸方向ADの外側に突出する複数のコイルセグメントを備える。
この複数のコイルセグメントは、複数の第一コイルセグメント20と、複数の第二コイルセグメント30とから構成される。
図2及び図3に示すように、第一コイルセグメント20及び第二コイルセグメント30は、ステータコア11の各スロット12の外径側から交互に4個ずつ、合計8個が挿入されている。即ち、ステータコア11の各スロット12には、互いに隣接する第一コイルセグメント20及び第二コイルセグメント30からなる4組のコイルセグメントが挿入されている。
図3及び図4Aに示すように、第一コイルセグメント20は、例えば、銅線がワイヤ加工されて成形されてなる断面略矩形、且つ略クランク状の部材である。第一コイルセグメント20は、断面において径方向幅Hよりも周方向幅Wが長い。第一コイルセグメント20は、いわゆるマグネットワイヤであり、導体と、この導体を被覆する絶縁被膜と、で構成されている。
第一コイルセグメント20は、スロット12に挿入された直線状の挿入部21と、この挿入部21の一端からステータコア11の端面13aよりもステータコア11の軸方向ADの外側に突出した第一の突出部22aと、この挿入部21の他端からステータコア11の端面13bよりも該軸方向ADの外側に突出した第二の突出部22bと、を備える。
第一の突出部22aの端部23aは、挿入部21と略平行となるように、第一の突出部22aの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。第一の突出部22aの端部23aは、プレス成形により、ステータコア11の径方向外側に向かってオフセット成形された段形状となっている(図6及び図7参照)。
第二の突出部22bの端部23bは、挿入部21と略平行となるように、第二の突出部22bの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。第二の突出部22bの端部23bは、第一の突出部22aの端部23aと同様に、プレス成形により、ステータコア11の径方向外側に向かってオフセット成形された段形状となっている(図6及び図7参照)。
図3及び図4Bに示すように、第二コイルセグメント30は、例えば、銅線がワイヤ加工されて成形されてなる断面略矩形、且つ略クランク状の部材である。第二コイルセグメント30は、断面において径方向幅Hよりも周方向幅Wが長い。第二コイルセグメント30は、いわゆるマグネットワイヤであり、導体と、この導体を被覆する絶縁被膜と、で構成されている。
第二コイルセグメント30は、スロット12に挿入された挿入部31と、ステータコア11の端面13aよりもステータコア11の軸方向ADの外側に突出した第三の突出部32aと、ステータコア11の端面13bよりも該軸方向ADの外側に突出した第四の突出部32bと、を備える。
第三の突出部32aの端部33aは、挿入部31と略平行となるように、第三の突出部32aの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。第三の突出部32aの端部33aは、プレス成形により、ステータコア11の径方向外側に向かってオフセット成形された段形状となっている(図6及び図7参照)。
第四の突出部32bの端部33bは、挿入部31と略平行となるように、第四の突出部32bの延びる方向と交差する方向に折り曲げられている。第四の突出部32bの端部33bは、第三の突出部32aの端部33aと同様に、プレス成形により、ステータコア11の径方向外側に向かってオフセット成形された段形状となっている(図6及び図7参照)。
図5に示すように、挿入部21がスロット12に挿入された第一コイルセグメント20の第一の突出部22aは、ステータコア11の周方向CDに沿って右方向に向かって延びている。第二の突出部22bは、ステータコア11の周方向CDに沿って、第一の突出部22aとは反対の方向(左方向)に向かって延びている。
同様に、挿入部31がスロット12に挿入された第二コイルセグメント30の第三の突出部32aは、ステータコア11の周方向CDに沿って左方向に向かって延びている。第四の突出部32bは、ステータコア11の周方向CDに沿って、第三の突出部32aとは反対の方向(右方向)に向かって延びている。
なお、図5では、理解を容易にするため、コイル15については、一本の第二コイルセグメント30とこの第二コイルセグメント30と電気的に接続される二本の第一コイルセグメント20のみを抜き出して図示している。
第一コイルセグメント20の端部23aは、この第一コイルセグメント20が挿入されているスロット12(以下、挿入スロットともいう)に対してステータコア11の周方向CDの一方の方向に離れた位置(端面13a側から見て時計回りに移動した位置)にある別のスロット12に挿入された第二コイルセグメント30の端部33aと接合されている。なお、接合とは、導体同士が電気的に接続されることをいう。
また、この第一コイルセグメント20の端部23bは、挿入スロットに対してステータコア11の周方向CDの他方の方向に離れた位置(端面13a側から見て反時計回りに移動した位置)にある更に別のスロット12に挿入された第二コイルセグメント30の端部33bと接合されている。
このように、第一コイルセグメント20の端部23aと第二コイルセグメント30の端部33aの接合と、第一コイルセグメント20の端部23bと第二コイルセグメント30の端部33bの接合とが繰り返されることでコイルループが形成されている。
コイル15は、このコイルループを複数有し、これら複数のコイルループが選択的に接続されることで、複数相(例えばU相、V相、W相)の電力線を構成している。
図6及び図7に示すように、第一コイルセグメント20の端部23aは、第二コイルセグメント30の端部33aと突き合わされた状態で、この端部33aとレーザ溶接によって接合されている。
なお、ステータコア11の各スロット12に挿入された4組のコイルセグメントの構成は同様であるので、以下の説明においては、各スロット12の外周側に挿入された1組のコイルセグメントについて説明し、他の3組のコイルセグメントの説明を省略する。
具体的には、第一コイルセグメント20の端部23aと第二コイルセグメント30の端部33aは、第一コイルセグメント20の端部23aの突き合わせ部24aと第二コイルセグメント30の端部33aの突き合わせ部34aとがステータコア11の径方向RDに重ねられ、その状態で、突き合わせ部24a、34a同士が突き合わされた状態でレーザ溶接によって接合されている。
同様に、第一コイルセグメント20の端部23bは、第二コイルセグメント30の端部33bと、突き合わせ部24b、34b同士が突き合わされた状態でレーザ溶接によって接合されている。
図6及び図7に示すように、第一コイルセグメント20の端部23a(23b)における第二コイルセグメント30の端部33a(33b)と突き合せられる突き合わせ部24a(24b)は、径方向内側を向く接合面25a(25b)と、接合面25a(25b)と直交する係合面26a(26b)とによって構成されている。突き合わせ部24a(24b)は、ステータコア11の外径側に向かって形成された凹部であり、第二コイルセグメント30の端部33aとの対向面に形成される。
接合面25a(25b)は、周方向CD及び軸方向ADに延設され、後述する第二コイルセグメント30の接合面35a(35b)とレーザ溶接によって接合される面である。
係合面26a(26b)は、接合面25a(25b)に直交し、ステータコア11の周方向CD及び径方向RDに延びる面であり、後述する第二コイルセグメント30の係合面36a(36b)と係合する。
また、第二コイルセグメント30の端部33a(33b)における第一コイルセグメント20の端部23a(23b)と突き合せられる突き合わせ部34a(34b)は、径方向外側を向く接合面35a(35b)と、接合面35a(35b)と直交する係合面36a(36b)とによって構成されている。突き合わせ部34a(34b)は、ステータコア11の外径側に向かって、形成された凸部であり、第一コイルセグメント20の端部23a(23b)との対向面に形成される。
接合面35a(35b)は、周方向CD及び軸方向ADに延設され、第一コイルセグメント20の接合面35a(35b)とレーザ溶接によって接合される面である。
係合面36a(36b)は、接合面35a(35b)に直交し、ステータコア11の周方向CD及び径方向RDに延びる面であり、第一コイルセグメント20の係合面26a(26b)と係合する。
第一及び第二コイルセグメント20、30の突き合わせ部24a(24b)、34a(34b)は、それぞれ互いに接合される接合面25a(25b)、35a(35b)と、接合面25a(25b)、35a(35b)に直交し互いに係合する係合面26a(26b)、36a(36b)と、を有するので、第一コイルセグメント20と第二コイルセグメント30を位置決めした状態で接合できる。
図7に示すように、第一コイルセグメント20の係合面26a(26b)の径方向幅L1は、第二コイルセグメント30の係合面36a(36b)の径方向幅L2よりも短い。これにより、第一コイルセグメント20の突き合わせ部24a(24b)と第二コイルセグメント30の突き合わせ部34a(34b)とが重ねられたとき、接合面25a(25b)、35a(35b)同士を確実に当接させることができる。
以上のように構成されたステータ10では、第一コイルセグメント20の端部23a(23b)と第二コイルセグメント30の端部33a(33b)が重ね合わされ、係合面26a(26b)と係合面36a(36b)とが係合した状態で、接合面25a(25b)と接合面35a(35b)とが平面同士で接触した状態となる。
レーザ溶接の際、例えばリング状の冶具を第一及び第二コイルセグメント20、30の端部23a(23b)、33a(33b)の最内径部(図6の左方)に配置し、第一及び第二コイルセグメント20、30の端部23a(23b)、33a(33b)を外径方向(図6の右方)に押圧するだけで、係合面26a(26b)と係合面36a(36b)とが係合すると共に、接合面25a(25b)と接合面35a(35b)とが接触して位置決めされる。なお、端部23a(23b)と端部33a(33b)とのある程度の周方向ずれは、実質的にステータ10の性能に影響を及ぼすことはない。
このように第一及び第二コイルセグメント20、30の端部23a(23b)、33a(33b)を外径方向に押圧した状態で、第一コイルセグメント20の端部23a(23b)と第二コイルセグメント30の端部33a(33b)を挟んでステータコア11の端面13a(13b)と反対側(図7の上方)に配置された不図示のレーザ照射装置によって接合面25a(25b)と接合面35a(35b)の界面に沿ってステータコア11の端面13aに向かってレーザ光が照射されることで、接合面25a(25b)と接合面35a(35b)とが溶接される。
このとき、ステータ10では、係合面26a(26b)が接合面25a(25b)に直交しており、且つ係合面36a(36b)が接合面35a(35b)に直交しているため、レーザ照射装置から照射されて接合面25a(25b)と接合面35a(35b)の界面を通過したレーザ光は、係合面26a(26b)で遮られ、突き合わせ部24a(24b)、34a(34b)よりもステータコア11側には到達しない。
以上のように、ステータ10によれば、第一コイルセグメント20と第二コイルセグメント30との突き合わせ部24a(24b)、34a(34b)をレーザ溶接する際に、レーザ光が、溶接対象部である突き合わせ部24a(24b)、34a(34b)以外の部分に照射されるのを防ぐことができる。したがって、レーザ溶接によってステータ10の性能が低下するのを防ぐことができる。
また、ステータ10によれば、第一コイルセグメント20と第二コイルセグメント30をステータコア11のスロット12に挿入し、外径方向に押すだだけで、第一コイルセグメント20の突き合わせ部24a(24b)と第二コイルセグメント30の突き合わせ部34a(34b)が径方向RDで重ね合わされた状態となる。
このため、ステータコア11にコイルセグメントを取り付けた後は、レーザ溶接だけで、コイル15を完成させることができる。これにより、コイルセグメントの捻じり曲げ加工などの専用設備が不要となり、製造コストを低減することができる。
また、ステータ10によれば、第一コイルセグメント20及び第二コイルセグメント30を、それぞれが部品の段階でプレス加工により成型しておくことで、ステータコア11にコイルセグメントを取り付けた後の工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
次いで、第一及び第二コイルセグメントの製造手順について、図8を参照して説明する。なお、第一コイルセグメント20及び第二コイルセグメント30の製造手順は、同様であるので、以下では、第一コイルセグメント20についてのみ説明する。
図8に示すように、第一コイルセグメント20は、断面矩形の導体を所定の長さに切断して素材20aを作成する(ステップS1)。
次いで、素材20aの両先端部分を互いに逆方向に曲げ成形して第1中間素材20bを作成する(ステップS2)。これにより、第一コイルセグメント20の端部23a、23bが形成される。
さらに、第1中間素材20bを挿入部21の両側で互いに逆方向に曲げ成形して第2中間素材20cを作成する(ステップS3)。この成形により、第一の突出部22a、及び第二の突出部22bが形成されると共に、端部23a、23bが挿入部21と平行になる。
そして、端部23a、23bをオフセットプレス加工して端部23a、23bに突き合わせ部24a、24bである段部(接合面25a、25b、係合面26a、26b)を成形して第3中間素材20dを作成する(ステップS4)。
最後に、端部23a、23bの端面の面出し加工を行う(ステップS5)。面出し加工を最後に行うことで、素材20aの曲げ伸ばしに伴う寸法変化を吸収し、且つ次工程の作業が容易になる。
なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態では、突き合わせ部24a、34aは、ステータコア11の外径側に向かって形成された凹部及び凸部としたが、これとは逆にステータコア11の内径側に向かって形成された凸部及び凹部としてもよい。
また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。
(1) ステータコア(ステータコア11)と、
該ステータコアに形成された複数のスロット(スロット12)の各々に挿入され、且つ前記スロットから前記ステータコアの軸方向(軸方向AD)の外側に突出する複数のコイルセグメントを含むコイル(コイル15)と、を有する回転電機のステータ(ステータ10)であって、
前記複数のコイルセグメントは、複数の第一コイルセグメント(第一コイルセグメント20)と、複数の第二コイルセグメント(第二コイルセグメント30)と、を備え、
前記第一コイルセグメントは、前記スロットに挿入された挿入部(挿入部21)と、前記ステータコアの前記軸方向の端面(端面13a)よりも前記軸方向の外側に突出した突出部(突出部22a)と、を備え、
前記第二コイルセグメントは、前記スロットに挿入された挿入部(挿入部31)と、前記端面よりも前記軸方向の外側に突出した突出部(突出部32a)と、を備え、
前記第一コイルセグメントの前記突出部の端部(端部23a)は、前記第二コイルセグメントの前記突出部の端部(端部33a)に突き合わせられた状態で、該端部とレーザ溶接により接合されており、
前記第一コイルセグメントの前記突出部と前記第二コイルセグメントの前記突出部における互いに突き合わせられた突き合わせ部(突き合わせ部24a、34a)は、互いに接合される接合面(接合面25a、35a)と、前記接合面に直交し互いに係合される係合面(係合面26a、36a)と、を有する、回転電機のステータ。
(1)によれば、第一コイルセグメントの突出部と第二コイルセグメントの突出部における互いに突き合わせられた突き合わせ部は、互いに接合される接合面と、接合面に直交し互いに係合される係合面と、を有するので、第一コイルセグメントと第二コイルセグメントとを位置決めした状態で接合することができる。また、第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントのいずれか一方の係合面は、接合面をレーザ溶接する際のレーザ光の抜け止め部としても機能するので、レーザ光による悪影響を回避できる。
(2) (1)に記載の回転電機のステータであって、
前記第一コイルセグメントの前記突出部の前記端部と、前記第二コイルセグメントの前記突出部の前記端部は、前記ステータコアの径方向(径方向RD)に重ねられた状態で接合されており、
前記第一コイルセグメント及び前記第二コイルセグメントは、径方向幅(径方向幅H)よりも周方向幅(周方向幅W)が長く、
前記接合面は、前記ステータコアの周方向(周方向CD)及び軸方向に延びる面であり、
前記係合面は、前記ステータコアの周方向及び径方向に延びる面である、回転電機のステータ。
(2)によれば、径方向幅よりも周方向幅が長い第一コイルセグメント及び第二コイルセグメントにおいて、接合面をステータコアの周方向及び軸方向に延びる面とすることで接合面積を広く確保できる。また、係合面をステータコアの周方向及び径方向に延びる面とすることで係合面を広く確保することができる。
(3) (2)記載の回転電機のステータであって、
前記第一コイルセグメントの前記接合面及び前記係合面は、前記第二コイルセグメントとの対向面に形成された凹部であり、
前記第二コイルセグメントの前記接合面及び前記係合面は、前記第一コイルセグメントとの対向面に形成された凸部であり、
前記第一コイルセグメントの前記係合面の径方向幅(径方向幅L1)は、前記第二コイルセグメントの前記係合面の径方向幅(径方向幅L2)よりも短い、回転電機のステータ。
(3)によれば、第一コイルセグメントの係合面の径方向幅を、第二コイルセグメントの係合面の径方向幅よりも短くすることで、接合面同士を確実に当接させることができる。
(4) (3)記載の回転電機のステータであって、
前記第二コイルセグメントを前記第一コイルセグメントに押圧した状態で接合される、回転電機のステータ。
(4)によれば、第二コイルセグメントを第一コイルセグメントに押圧することで、係合面が係合すると共に接合面が接触するので、容易に接合処理を行うことができる。
10 回転電機のステータ
11 ステータコア
12 スロット
15 コイル
20 第一コイルセグメント(コイルセグメント)
21、31 挿入部
22a、22b、32a、32b 突出部
23a、23b、33a、33b 端部
24a、24b、34a、34b 突き合わせ部
25a、25b、35a、35b 接合面
26a、26b、36a、36b 係合面
30 第二コイルセグメント(コイルセグメント)
H 径方向幅
L1 径方向幅
L2 径方向幅
W 周方向幅

Claims (4)

  1. ステータコアと、
    該ステータコアに形成された複数のスロットの各々に挿入され、且つ前記スロットから前記ステータコアの軸方向の外側に突出する複数のコイルセグメントを含むコイルと、を有する回転電機のステータであって、
    前記複数のコイルセグメントは、複数の第一コイルセグメントと、複数の第二コイルセグメントと、を備え、
    前記第一コイルセグメントは、前記スロットに挿入された挿入部と、前記ステータコアの前記軸方向の端面よりも前記軸方向の外側に突出した突出部と、を備え、
    前記第二コイルセグメントは、前記スロットに挿入された挿入部と、前記端面よりも前記軸方向の外側に突出した突出部と、を備え、
    前記第一コイルセグメントの前記突出部の端部は、前記軸方向に延び、前記第二コイルセグメントの前記突出部の前記軸方向に延びる端部に突き合わせられた状態で、該端部とレーザ溶接により接合されており、
    前記第一コイルセグメントの前記突出部と前記第二コイルセグメントの前記突出部における互いに突き合わせられた突き合わせ部は、径方向にオフセット成形された段形状となっており、互いに接合される接合面と、前記接合面に直交し互いに係合される係合面と、を有し、
    前記接合面は、前記ステータコアの周方向及び軸方向に延びる面であり、
    前記係合面は、前記ステータコアの周方向及び径方向に延びる面である、回転電機のステータ。
  2. 請求項1記載の回転電機のステータであって、
    前記第一コイルセグメントの前記突出部の前記端部と、前記第二コイルセグメントの前記突出部の前記端部は、前記ステータコアの径方向に重ねられた状態で接合されており、
    前記第一コイルセグメント及び前記第二コイルセグメントは、径方向幅よりも周方向幅が長、回転電機のステータ。
  3. 請求項2記載の回転電機のステータであって、
    前記第一コイルセグメントの前記接合面及び前記係合面は、前記第二コイルセグメントとの対向面に形成された凹部であり、
    前記第二コイルセグメントの前記接合面及び前記係合面は、前記第一コイルセグメントとの対向面に形成された凸部であり、
    前記第一コイルセグメントの前記係合面の径方向幅は、前記第二コイルセグメントの前記係合面の径方向幅よりも短い、回転電機のステータ。
  4. 請求項3記載の回転電機のステータであって、
    前記第二コイルセグメントを前記第一コイルセグメントに押圧した状態で接合される、回転電機のステータ。
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