JPWO2007069332A1 - ガスタービン用永久磁石発電機ロータ、その製造方法及びガスタービン - Google Patents

Abstract

軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第１、第２の軸端及び発電機の中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータ。

Description

本発明は，ガスタービン用永久磁石発電機ロータ、その製造方法及びガスタービンに関する。

マイクロガスタービンなどの小型ガスタービンでは，特許文献２に開示されているように、発電機，圧縮機，タービンが同一回転軸ロータ上に，前述の順に，配置される構造が一般的である。このようなガスタービンに用いられる発電機としては，永久磁石を回転するロータに有する，永久磁石型発電機ロータが多い。永久磁石型発電機ロータとしては，円柱状の永久磁石，軸受部を非磁性金属製パイプにより，焼き嵌めし，一体化する発電機ロータが，特許文献１に示されている。また、特許文献３においては焼き嵌めした非磁性金属製パイプ（保持体）の端部を永久磁石ロータの端部に溶接固定することを開示している。

特許文献２、３には、永久磁石発電機ロータ、圧縮機及びタービンを同軸上に配置し、タイボルトとナットにより固定して一体化することが開示されている。また、特許文献４には、永久磁石発電機ロータの構成が開示されている。

米国特許第４，６６７，１２３号公報 特開２００１−０１２２５６号公報 特開２００４−２３２５３２号公報 特開２００４−３３６９１７号公報

特許文献３には発電機ロータ、圧縮機及びガスタービンを、その順序で同軸上に配置して、タイボルト及びナットを用いて結合して一体化したマイクロガスタービンが開示されている。タイボルトはタービンの回転軸を兼ねており、軸端において、ナットとタイボルトを締結する。永久磁石は、特許文献１に記載されたように、一般に希土類元素を主体とする磁石材料の焼結体で構成されるため、比較的脆く、高度な寸法精度を出すことが容易でない。永久磁石をロータシャフトに固定する場合に、永久磁石の回りに、軸方向に磁路を形成し、永久磁石の機械的強度を確保するため、非磁性の円筒体を取り付けることが一般に行われるが、非磁性円筒体を焼き嵌め等により固定することが多い。この場合、永久磁石と磁性体からなるロータシャフトとの磁気的及び機械的な結合を確保することが容易でない。前述のように、永久磁石は脆いため、ロータシャフトに強固に圧着することができないからである。

本発明の目的は，永久磁石型発電機ロータの永久磁石を正確、確実かつ簡単に固定することであり、更に発電機ロータ、圧縮機及びタービンを容易に一体構造とすることのできるガスタービン構造を提供することにある。

本発明は、軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体を有する永久磁石発電機ロータを提供するものである。更に本発明は、上記ロータと圧縮機及びタービンを同軸上に配置し、タイボルト及びナットにより一体化したガスタービン構造を提供するものである。

本発明によれば、ロータの軸中心側にある磁性円筒体とその上に取り付けられた永久磁石及び上記磁性円筒体とその両側にあるロータ軸端との焼き嵌めによる結合が簡単かつ確実に行われるので、ロータの組み立てが容易である。

本発明の実施例による永久磁石発電機ロータの展開断面図。 本発明の実施例によるガスタービンの一部断面図。 本発明の他の実施例によるガスタービンの一部断面図。 本発明の更に他の施例によるガスビンの断面図。

符号の説明

１…タービンロータ、２…タービン、３…タイボルト、４…圧縮機、７…発電機、１０…ナット、９０…後側シャフト、９０ａ…嵌合穴、９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ…リング状永久磁石、９２…外周側非磁性体パイプ、９３…内周側磁性体パイプ、９４…前側シャフト、９４ａ…嵌合穴、９６…軸受部、９７…ボルト治具、９８…非磁性リング。

本発明の代表的な実施形態の例をあげる。

イ）軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第１、第２の軸端及び発電機の中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータ。

ロ）前記磁性円筒体の端部は、第１及び第２の軸端部に挟まれ、前記第１及び第２の軸端部のそれぞれに形成された第１及び第２の嵌合孔に挿入されたことを特徴とする前記永久磁石発電機ロータ。

ハ）前記第２の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有する前記永久磁石発電機ロータ。

ニ）前記第２の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有する前記永久磁石発電機ロータ。

ホ）磁性円筒体上に固定された永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体を備えた永久磁石発電機ロータと、軸受を有し、軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心に前記ボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた磁性円筒体を貫通するボルトによって一体化する工程を含む永久磁石発電機ロータの製造方法。

ヘ）軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第１、第２の軸端及び発電機の中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータと、前記第２の軸端部に接続された圧縮機と、該圧縮機に接続されたタービンとを有し、前記永久磁石発電機ロータと圧縮機とタービンを結合するボルトを有するガスタービン。

ト）前記磁性円筒体の端部は、第１及び第２の軸端部に挟まれ、前記第１及び第２の軸端部のそれぞれに形成された第１及び第２の嵌合孔に挿入された前記ガスタービン。

チ）前記第２の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有する前記ガスタービン。

リ）前記第２の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有する前記ガスタービン。

ヌ）前記第１及び第２の軸端部が磁性体である前記ガスタービン。

上記において、発電機ロータと上記永久磁石に対応して固定子を配置された構成をとる。また、圧縮機及びタービンもそれぞれケーシング内に配置されることは言うまでもない。従って、本発明では、発電機ロータの固定子、圧縮機のケーシング及びタービンのケーシングは、特に必要でない限り省略して説明する。

また、永久磁石はロータに軸方向に複数個に分割したリング状にして用いるのが好ましい。その理由は、大きな永久磁石を作ることは寸法精度を低下させ、また機械的な信頼性を損ねる。そこで、上記のようなリング状にすることにより、上記の問題を解決し、かつ上記磁性円筒体面により良く密着させることができる。

本発明の一実施形態によれば、タービンと，圧縮機と，前記タービンと前記圧縮機と同一軸上に構成される永久磁石発電機ロータを備えたガスタービンにおいて，前記永久磁石発電機は，内周側に位置する磁性円筒体（磁性金属パイプ）と外周側に位置する非磁性金属パイプに挟み，かつ，軸方向に分割されたリング状永久磁石により構成され，前記，内周側金属パイプ内を貫通するボルトを用いて，前記タービン，圧縮機，永久磁石発電機を締結するのが好ましい。上記ボルトは、特許文献４に示されるように、タービンの回転軸を延長して、圧縮機及び発電機ロータの中空孔を貫通して、その端部でナットにより締結しても良い。

さらに，本発明によれば、内周パイプにリング状永久磁石を嵌め込み、外周パイプを焼き嵌めなどにより，リング状永久磁石に嵌め込むので，リング状永久磁石と外周パイプのシメシロを与えるための機械加工が容易である。さらに，リング状永久磁石が軸方向に分割されているため，内周パイプを通すための，永久磁石の内径穴加工の精度向上が可能である。また，リング永久磁石の内径に内周パイプを設けることにより，前記ボルトを通す，組立時における磁石の保護が可能である。すなわち，ボルトを通す際に強度の弱い永久磁石リングが，ボルトと接触して損傷することを防止することができる。さらに，前記ボルトが共振した際の衝撃から，リング状磁石を保護することができ，発電機の信頼性を高めることができる。

以下，本発明の実施形態を図面に従って説明する。
（実施例１）
図１は本発明の実施例であるガスタービン用発電機ロータの展開断面図である。図において、第１の軸端部３０は軸受９６及び前側シャフト９４を有する。第１の軸端部３０は発電機ロータ側にフランジ部７５を有する。フランジ部７５の中心軸側には、磁性円筒体の端部を挿入する嵌合孔９４ａを有する。第２の軸端部５０は発電機ロータ側に規制部８０を有する部分とそれに隣接する大径部７０，軸受部９５及び後側シャフト９０を有する。大径部７０はロータシャフトの剛性を高めるためのものである。この大径部は、発電機ロータ、圧縮機及びタービンを同軸上に配置し、一体化したときは、ガスタービン全体の軸長の略中央に位置するように設計するのが好ましい。

第１の軸端部３０と対向する第２の軸端部５０には、磁性円筒体の端部９０ａを挿入する嵌合孔９０ａ'が形成される。

規制部８０は、永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅを磁性円筒体９３に密着するための非磁性円筒体９２の一端を付き合わせるためのものである。これによって、非磁性円筒体を精度良く焼き嵌めすることができる。永久磁石発電機ロータの永久磁石に対応する固定子６０と適切な関係に配置することにより、発電機ロータが構成される。この規制部は、非磁性円筒体の焼き嵌め作業において極めて重要な役割をする。即ち、この規制部を利用して非磁性円筒体の位置決めをすることにより、焼き嵌め作業を容易、かつ確実に実施することができる。

ロータの中心軸に沿って挿入されたタイボルト（図１には図示せず）とナット（図１には図示せず）とによって、第１軸端部、ロータ及び第２軸短部を締結することにより、発電機ロータが構成される。

図２は、図１に示した発電機ロータと圧縮機及びタービンを組み立てたガスタービン１の一部断面図である。

タービンロータ１は，タービン２と圧縮機４と前記タービン１と前記圧縮機２と同一軸上に構成される発電機ロータ７より構成され，前記タービン２の回転中心にタイボルト３が接合され，前記タイボルト３を，前記圧縮機４と前記発電機７の回転中心に設けた貫通孔を通し，前記圧縮機４，発電機ロータ７を積み重ね，前記ボルト３の端部をナット１０で締め付けることにより構成される。

次に，発電機７の構造について，組立の手順を説明する。発電機ロータ７では，後側シャフト９０に内周側磁性体パイプ９３の一端があるシメシロを持って，後側シャフト９０に設けられた，嵌合穴９０ａに挿入、固定されている。

内周側磁性体パイプ９３には，軸方向に分割されたリング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅが，軸方向にあるギャップをもって，嵌め込まれている。さらに，内周側磁性体パイプ９３の他端は，前側シャフト９４が，あるシメシロを持って，前側シャフト９４の嵌合孔９４ａに挿入される。

内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４は，一体化された状態で，外周側非磁性体リング９２により，半径方向にあるシメシロＹをもって，嵌合され一体化される。シメシロＹは，外周側非磁性体リング９２の温度を上げるか、焼き嵌めや内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４の温度を低下させる冷やし嵌めやあるいはその両方を用いる，冷やし焼き嵌めにより，与えることができる。

シメシロＹは，発電機ロータ７に加わるトルクにより，内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４，外周側非磁性体リング９２の各接触面が滑ることが無く，かつ，シメシロによる圧縮荷重より，内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４，外周側非磁性体リング９２が，その材料の降伏応力や破壊強度を越えないように適切に設定する。

次に，後側シャフト９０に設けられた穴，内周側磁性体パイプ９３，前側シャフト９４に設けられた穴に，タービン２の回転中心に接合されたタイボルト３を通し，圧縮機４を発電機７とタービン２で挟み込み，前記ボルト３の端部をナット１０で締め付けることにより，タービンロータ１を組み立てる。なお，後側シャフト９０と前側シャフト９４は，ベアリング部９５，９６を有し，タービンロータ１は，ベアリング部９５，９６で自重を支えることができる。

本発明の実施例によれば、タービンと，圧縮機と，前記タービンと前記圧縮機と同一軸上に構成される永久磁石発電機から構成されるロータにおいて，永久磁石型発電機とタービンと圧縮機を容易に一体構造とすることができる。さらに，リング状永久磁石の内周に内周側磁性体パイプ９３を設けているので，前記ボルト３を通す，組立時における磁石の保護や，前記ボルト３がタービンロータの回転昇降速時において，共振した際の衝撃から，リング状磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅを保護することができ，発電機７の信頼性を高めることができる。

図３を用いて，タービンロータ１の製作方法の詳細を示す。後側シャフト９０に，内周側磁性体パイプ９３をあるシメシロを持って，後側シャフト９０に設けられた，嵌合穴９０ａに差し込む。このシメシロは，締まり嵌めとし，内周側磁性体パイプ９３をプレスで押し込むか，焼き嵌め，冷やし嵌めを用いる。これにより，発電機７の組立時にシメシロがゆるまず，後述する永久磁石リングの組立の精度を高めることができ，運転時における，回転による遠心力と発電機７に温度変化により，シメシロが緩まないように設定することができる。

次に，内周側磁性体パイプ９３に，軸方向に分割された，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅを，互いにあるギャップＸをもって，嵌め込む。このギャップは半径ギャップとして，２０μｍ以下とし，外周側非磁性パイプを嵌合した際に，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅの内周と内周側磁性体パイプ９３の外周が接触する数値とする。本発明では，発電機７の永久磁石を，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅの様に軸方向に分割することにより，ギャップＸの加工精度を高めることができる。すなわち，軸方向に分割することにより，穴加工長さを短くすることができ，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅの内周穴加工の精度を高めることができる。一般に，永久磁石は，特許文献１に記載されたように希土類元素を用いた焼結材料であり，加工が金属に比べて困難であるため，本発明では，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅの内径寸法に，内周側磁性体パイプ９３の外径寸法を合わせて加工できる構造とした。これにより，容易にギャップＸの加工精度を高めることができる。

次に，リング永久磁石９１ａの内径より突き出た，内周側磁性体パイプ９３を前側シャフト９４の嵌合穴９４ａに差し込み固定する。内周側磁性体パイプ９３と嵌合穴９４ａには，締まり嵌めのシメシロを持たせる。内周側磁性体パイプ９３をプレスで押し込むか，焼き嵌め，冷やし嵌めを用いて，嵌合穴９４ａに差し込むものとする。これにより，発電機７の組立時にシメシロがゆるまず，後述する永久磁石リングの組立の精度を高めることができ，運転時における，回転による遠心力と発電機７に温度変化により，シメシロがゆるまず，トルク伝達変化や軸振動アンバランスを発生させることがない。

次に，内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４は，一体化された状態で，内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４のそれぞれ外周部９０ｆ，９１ｆ，９４ｆを旋盤や研磨により機械加工する。次に，内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４を外周側非磁性体リング９２により，あるシメシロＹをもって，嵌合され一体化する。本発明の上記実施例によれば，内周側磁性体パイプ９３，後側シャフト９０，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４を一体化した状態で，機械加工ができるので，シメシロＹの加工精度を向上することができる。

機械加工や焼き嵌めをする際においては，本発明では，ボルト治具９７とナット１０を用いて，後側シャフト９０，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４を締め上げ，これらの軸方向接触面に面圧を持たせ，一体化した状態で行ってもよい。各軸方向接触面の直角度と面粗さを適切に設定することにより，外周面９０ｆ，９１ｆ，９４ｆの旋盤，研磨による機械加工の精度が高まり，さらに，外周側非磁性体パイプ９２を嵌合する際に，後側シャフト９０，リング状永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅ，前側シャフト９４の曲りを防止することができる。

図４に示した実施例は，図２に示した構造において，後側シャフト９０と前側シャフト９４を磁性体とした。これにより，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅの周りに設置される静止体コイル９８，９９６０の端部からの漏れ磁束を後側シャフト９０と前側シャフト９４に引きつけることができ，漏れ磁束による誘導加熱を防止する。すなわち，後側シャフト９０と前側シャフト９４に漏れ磁束による誘導加熱を発生させ，他の部位の誘導加熱を防止する。後側シャフト９０と前側シャフト９４は，それぞれ，軸受部９５，９６を有しており，軸受部に循環する流体により，誘導加熱により発生した熱を取り除くことができる。なお、発電機ロータは、固定子６０及びその外周のケーシング（図示せず）と適切な位置関係に配置される。

図４では，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅの前後に非磁性体リング９８，９９を設けることにより，リング永久磁石９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９１ｅからの磁束漏れを防止することができ，発電機効率を高めることができる。図１、２に示した実施例においては，内周側パイプを磁性体としたが，場合によってはこれを非磁性としてもよい。

さらに，本発明の実施例では，内周パイプにリング永久磁石をはめこみ，外周パイプを焼き嵌めなどにより，リング永久磁石に嵌め込むので，リング永久磁石と外周リングのシメシロを与えるための機械加工が容易である。さらに，リング状永久磁石が軸方向に分割されているため，内周リングを通すための，永久磁石の内周穴加工の精度向上が可能である。また，リング永久磁石の内周に内周パイプを設けることにより，前記ボルトを通す，組立時の磁石の保護や，前記ボルトが共振した際の衝撃から，リング磁石を保護することができ，発電機の信頼性を高めることができる。

本発明は、特にマイクロガスタービンなどの小型タービンに適用できる。

Claims (10)

1. 軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第１、第２の軸端及び発電機の中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有することを特徴とする永久磁石発電機ロータ。
2. 前記磁性円筒体の端部は、第１及び第２の軸端部に挟まれ、前記第１及び第２の軸端部のそれぞれに形成された第１及び第２の嵌合孔に挿入されたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石発電機ロータ。
3. 前記第２の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有することを特徴とする請求項１記載の永久磁石発電機ロータ。
4. 前記第２の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有することを特徴とする請求項３記載の永久磁石発電機ロータ。
5. 磁性円筒体上に固定された永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体を備えた永久磁石発電機ロータと、軸受部有し、軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心に前記ボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた磁性円筒体を貫通するボルトによって一体化する工程を含むことを特徴とする永久磁石発電機ロータの製造方法。
6. 軸中心にボルトが貫通する中空部を有する第１のロータシャフト軸端部と、軸中心にボルトが貫通する中空部及び軸受部を有する第２の軸端部と、前記第１及び第２の軸端部に挟まれた永久磁石発電機ロータとを備え、前記永久磁石発電機ロータは、前記第１及び第２の軸端間に固定される磁性円筒体と、該磁性円筒体の外周に保持された永久磁石と、該永久磁石の外周に焼き嵌めされた非磁性円筒体及び前記永久磁石の外周に配置された固定子、及び前記第１、第２の軸端及び発電機の中空部及び前記磁性円筒体を貫通するボルトとを有する永久磁石発電機ロータと、前記第２の軸端部に接続された圧縮機と、該圧縮機に接続されたタービンとを有し、前記永久磁石発電機ロータと圧縮機とタービンを結合するボルトを有することを特徴とするガスタービン。
7. 前記磁性円筒体の端部は、第１及び第２の軸端部に挟まれ、前記第１及び第２の軸端部のそれぞれに形成された第１及び第２の嵌合孔に挿入されたことを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
8. 前記第２の軸端部は前記非磁性円筒体の一端を支持する規制部を有することを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
9. 前記第２の軸端部は、前記軸受部と前記規制部との間に大径部を有することを特徴とする請求項８記載のガスタービン。
10. 前記第１及び第２の軸端部が磁性体であることを特徴と請求項６に記載のガスタービン。

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