JPWO2018101390A1 - 永久磁石 - Google Patents

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Abstract

ロータの大型化を抑制すると共にロータに取り付けられる永久磁石の有効磁束を増加させる。回転電機のロータ(2)に用いられる永久磁石(1)は、ロータ(2)に取り付けられた取付状態でのロータ(2)の回転軸(X)に直交する軸直交断面において、2つの磁極面(10)の双方が、磁極面(10)の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸(20)を有する凹凸形状となっている。

Description

本発明は、回転電機のロータに用いられる永久磁石に関する。
永久磁石式回転電機のロータには、ロータコアの内部に永久磁石を埋め込んで形成されるものがある。下記に出典を示す特許文献1及び特許文献2には、そのようなロータの一例が示されている。以下、背景技術の説明において括弧付きで示す符号は、参照する文献で用いられる参照符号である。特許文献1に示されたロータ(11)は、ロータコア(101)に平板状の永久磁石(102)が埋め込まれて形成されている(特許文献1:図2〜図4参照)。特許文献1のロータ(11)は、4極(2極対)の磁極を有している。特許文献2にも、ロータコア(20)に平板状の永久磁石(21)が埋め込まれて形成されたロータが示されている。このロータは、8極(4極対)の磁極を有している。
以下、特許文献1と同様のロータ200の一例を示す図10も参照して説明する。永久磁石の加工コストを考慮すると、特許文献1や特許文献2のように平板状の永久磁石を利用することが好ましい。しかし、永久磁石を配置できる幅(図10に示す設置許容幅W)は、ロータコア3の径(図10に示す半径r)や、磁極Pの数によって制約を受ける。例えば、特許文献1のロータコア(101)と特許文献2のロータコア(20)の半径rが同じだとすれば、特許文献2のように磁極Pが8極の場合に比べて、特許文献1のように磁極Pが4極の場合の方が、設置許容幅Wを長く取ることができる。ここで、磁極Pの数を維持しつつ、定められた設置許容幅W以内の幅を有する平板状永久磁石100の磁束を増加させるためには、回転軸Xに沿った方向(軸方向)に平板状永久磁石100を長くする必要がある。しかし、軸方向に平板状永久磁石100を長くするとロータ200が大型化し、回転電機の小型化の妨げとなる。
特開2013−207977号公報 特開2016−82696号公報
上記背景に鑑みて、ロータの大型化を抑制すると共にロータに取り付けられる永久磁石の有効磁束を増加させる技術が望まれる。
上記に鑑みた、回転電機のロータに用いられる永久磁石は、前記ロータに取り付けられた取付状態での前記ロータの回転軸に直交する軸直交断面において、2つの磁極面の双方に、当該磁極面の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸が形成されている。また、別の観点では、回転電機のロータに用いられる永久磁石は、前記ロータに取り付けられた取付状態での前記ロータの回転軸に直交する軸直交断面における、2つの磁極面の離間距離の中間位置を結んだ仮想中心線が、前記磁極面の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状となっている。
同一の2点間を結ぶ直線と曲線とでは、曲線の方が長くなる。ここで、軸直交断面において、磁極面が直線状である直方平板状の永久磁石と、磁極面が凹凸を有した凹凸形状で曲線状となる永久磁石とを比較する。取付状態における軸直交断面において、これらの永久磁石の周方向の端部間の長さが同じであっても、磁極面が延在する長さは、磁極面の断面が直線状である直方平板状の永久磁石よりも、磁極面の断面が曲線状となる永久磁石の方が長くなる。磁極面の表面積が大きい方が有効磁束を多く発生させることができる。従って、磁極面の断面を曲線状とすることによって、永久磁石をロータコアの周方向及び軸方向に長くすることなく、有効磁束を増加させることができる。即ち、本構成によれば、ロータの大型化を抑制すると共にロータに取り付けられる永久磁石の有効磁束を増加させることができる。
回転電機のロータに用いられる永久磁石のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。
永久磁石の表面積を増加させる原理を示す説明図 ロータの一例を示す軸直交断面図 取付状態での軸直交断面にて永久磁石の一例を示す断面図 取付状態での軸直交断面にて永久磁石の一例を示す断面図 永久磁石の磁束発生方向の一例を示すロータの軸方向部分断面図 永久磁石の磁束発生方向の一例を示すロータの軸方向部分断面図 取付状態での軸直交断面にて磁束発生方向の一例を示す永久磁石の断面図 取付状態での軸直交断面にて永久磁石の一例を示す断面図 取付状態での軸直交断面にて永久磁石の一例を示す断面図 一般的なロータの一例を示す軸直交断面図
以下、埋込磁石型回転電機のロータの実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、永久磁石1をロータ2へ取り付けた取付状態における永久磁石1の断面を示している。図2は、永久磁石1を取り付けたロータ2の一例を示す軸直交断面図、図10は、比較例としての一般的なロータ200の一例を示す軸直交断面図である。図2及び図10に例示するロータ2及びロータ200は、共に4極(2極対)の磁極を有している。
図10に示す比較例のロータ200は、ロータコア3に形成された磁石挿入孔5に、平板状の永久磁石(平板状永久磁石100)が埋め込まれて構成されている。磁石挿入孔5には、平板状永久磁石100が挿入される空間の他、符号5で示される空隙も形成されている。この空隙は、フラックスバリア6と称され、ロータ200の周方向Cにおいて隣接する磁極P同士での磁束の短絡(磁極間磁束短絡)を抑制するために設けられている。隣接する磁極Pのフラックスバリア6の間は、リラクタンストルクを生じさせるための磁束(いわゆるd−q軸ベクトル座標系におけるq軸磁束)の経路(q軸磁束経路7)となる。
このため、1つの磁極Pにおいて周方向Cに沿う方向に平板状永久磁石100を設置することができる幅(設置許容幅W)には制限がある。図10では、4極(2極対)の磁極Pを有するロータ200を例示しているが、さらに多くの極数(例えば8極(4極対)など)の磁極Pを有する場合には、設置許容幅Wはさらに短くなる。また、周方向Cの長さはロータコア3の径(例えば半径r)が長くなるほど長くなるので、磁極Pの極数が同じであれば、ロータコア3の半径rが長くなれば設置許容幅Wを長くすることができる。つまり、設置許容幅Wは、磁極Pの極数(極対数)及びロータコア3の径(半径r)に依存する。
磁極Pの数はコギングトルクの低減などを含む回転電機の要求仕様により定まるので、極数を保って永久磁石1の設置許容幅Wを広げようとすると、ロータコア3の径(半径r)を拡大する必要がある。しかし、半径rの拡大は、ロータ2の大型化、回転電機の大型化に繋がり、好ましくない。半径rも維持した状態で永久磁石1からの磁束を増加させるためには、ロータ2の回転軸Xの方向(軸方向)に永久磁石1を伸長させる必要がある。しかし、この方法でもロータ2が軸方向に大型化し、回転電機も大型化することになる。
ところで、近年、強い磁力を有する磁石としてネオジウム磁石など、希土類を用いた磁石の利用が拡大している。ネオジウム磁石は、下記で説明するように磁石原料の粉末(磁鉱石等を粉砕して粉末化したもの)とバインダーとを混合したコンパウンドを用いた成形物を焼結することによって構成されることが多い。焼結後のネオジウム焼結磁石を切削するような加工にはコストが発生するため、ネオジウム焼結磁石を用いたロータ2の場合には、多くの場合、図10に例示したように、平板状永久磁石100がロータコア3に埋め込まれる。ここで、ネオジウム焼結磁石が発生する磁束をさらに増加させようとすると、上述したようにロータ2の大型化を招く場合がある。
永久磁石1が発生する磁束は、磁極面10の表面積が大きいほど大きくなることが知られている。従って、設置許容幅Wを維持した状態で永久磁石1の磁極面10の表面積を大きくすれば、ロータ2の大型化を抑制した状態で磁束を増加させることができる。図1の説明図は、そのように、磁極面10の表面積を拡大する原理を示している。図1の最上段に示す平板状永久磁石100は、図10に例示した平板状永久磁石100と同一である。尚、以下の説明において、ロータコア3に永久磁石1を取り付けた取付状態において、設置許容幅Wに沿う方向の永久磁石1の長さを「永久磁石の幅」と称する。図1及び図10では、平板状永久磁石100の幅W1が、設置許容幅W(平板状永久磁石100が採り得る最大の幅)に対応する長さである場合を例示している。
ここで、平板状永久磁石100の幅W1を、図1の上から2番目に示す拡大永久磁石1Mのように、“W1”よりも大きい“W2”とすることによって、発生する磁束を増加させることができる。但し、上述したように、設置許容幅Wは、“W1”に等しいため、“W2”の幅を有する拡大永久磁石1Mを用いることはできない。そこで、図1の上から3番目に示すように、この拡大永久磁石1Mの磁極面10が凹凸20を有するように、拡大永久磁石1Mを変形させることによって、永久磁石の幅が設置許容幅W以内となる永久磁石1(1A)を形成する。具体的には、拡大永久磁石1Mの幅W2を有する平板状の形態で磁場を配向した後、成形型等を用いて永久磁石1(1A)の形状となるように変形させて焼結することによって永久磁石1(1A)を形成する。
例えば、はじめに磁石原料の粉末(磁鉱石等を粉砕して粉末化したもの)とバインダーとを混合してコンパウンドが生成される。このコンパウンドが、例えば平板状の拡大永久磁石1Mに準じた形状に成形され、この成形物に磁場が印加されることによって磁場配向を施される。磁場配向が完了した成形物を所定の形状(この場合は凹凸20を有する永久磁石1(1A)の形状)に変形させ、焼結することによって固化し、永久磁石1(1A)が形成される。
形成された永久磁石1(1A)は、ロータ2に取り付けられた取付状態でのロータ2の回転軸Xに直交する軸直交断面において、2つの磁極面10の双方が、当該磁極面10の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸20を有する凹凸形状である。ロータコア3に、このような永久磁石1(1A)が収納できるように磁石挿入孔5を形成しておくことによって、設置許容幅Wを維持すると共に、磁束の発生量を増加させたロータ2を得ることができる(図1の下段、及び図2参照)。別の観点では、永久磁石1(1A)は、軸直交断面において、2つの磁極面10の離間距離Dの中間位置を結んだ仮想中心線VCが、磁極面10の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状(20)となっている(図8参照)。
尚、凹凸20は、円弧状の断面形状を有する形態には限らない。凹凸20の断面形状は、図3に例示する永久磁石1(1B)のように三角状であってもよいし、不図示であるが矩形状であってもよい。図3に示すように、永久磁石1(1B)が三角形状であっても、軸直交断面において、2つの磁極面10の双方は、当該磁極面10の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸20を有する凹凸形状である。また、図9に例示するように、永久磁石1(1B)が三角形状であっても、軸直交断面において、2つの磁極面10の離間距離Dの中間位置を結んだ仮想中心線VCが、磁極面10の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状(20)となっている。
従って、本明細書において「軸直交断面において磁極面10が『曲線状』となる」などの表現を伴った場合においても、『曲線状』には、一直線ではない形状、つまり、『三角状、矩形状(或いは三角波状、矩形波状)』を含む。また、曲率についても同様である。例えば断面形状が三角状や矩形状であっても、公知のフーリエ級数展開等を利用して複数の円弧の集合に近似させることができる。この場合、これらの複数の円弧の内の基本形状(フーリエ級数展開での基本波に相当)の円弧の曲率を当該凹凸20の曲率とすると好適である。
このように永久磁石1の磁極面10の表面積を増やすことによって磁束を増加させることができるので、ロータコア3を軸方向に延長したり、ロータコア3の径(半径r)を拡大したりする必要もない。つまり、ロータ2が大型化することが抑制されるので、ロータコア3やステータに巻き回されるコイルなどの原材料費も抑制することができる。
また、図2では、図10と同様に、磁石挿入孔5にフラックスバリア6となる空隙を有する状態で永久磁石1が取り付けられる形態を例示している。しかし、図4に例示する永久磁石1(1C)のように、フラックスバリア6に対応する空間も含めてロータコア3に永久磁石1(1C)が埋め込まれる形態を妨げるものではない。
図1〜図4に例示した永久磁石1(1A,1B,1C)の2つの磁極面10の双方には、磁極面10の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸20が形成されている。この凹凸20は、取付状態においてロータ2の周方向Cに沿って連続的に変化している。これにより、永久磁石1(1A,1B,1C)は、規則的に安定した磁束を発生することができる。
ここで、2つの磁極面10を区別する場合には、それぞれ第1磁極面11及び第2磁極面12と称する。図1〜図4に例示した永久磁石1(1A,1B,1C)の2つの磁極面10には、繰り返し突出及び引退する凹凸20が以下のような規則を有して形成されている。つまり、第1磁極面11における凹凸20の凹部22と、第2磁極面12における凹凸20の凸部21とが取付状態におけるロータ2の周方向Cにおいて対応する位置に形成され、第1磁極面11における凹凸20の凸部21と、第2磁極面12における凹凸20の凹部22とが取付状態におけるロータ2の周方向Cにおいて対応する位置に形成されている。
このように、異なる磁極面同士で、凹部22と凸部21とが対応するので、図1〜図4に例示した永久磁石1(1A,1B,1C)のように、磁極面10の近似平面RPに直交する方向の永久磁石1の厚みがほぼ均一化される。尚、近似平面RPとは、軸直交断面において曲線状となる磁極面(10)を、軸直交断面において直線状となるように近似した平面である。また、別の観点では、軸直交断面における2つの磁極面10の離間距離Dが、軸直交断面において磁極面10に沿う方向の各位置で同じであるとよい(図8、図9参照)。永久磁石1の厚みを均一化することができると、永久磁石1が減磁しにくく、安定的に磁束を発生することができる。
ところで、永久磁石1が発生させる磁束の方向は、永久磁石1の形成時に種々設定することができる。例えば、図5に示すように、永久磁石1(1A)は、取付状態において、磁極面10での磁束Bの方向が、ロータ2の表面で直交する方向とすることができる。図5に示す例では、軸直交断面においてロータ2(ロータコア3)の表面に対する接線に直交する方向に、磁極面10からの磁束Bが沿う形態を例示している。図6は、軸直交断面において周方向Cにおける磁極Pの中心位置でのロータ2(ロータコア3)の表面に対する基準接線Sに直交する方向を基準方向CRとして、基準方向CRに沿う方向(平行する方向)に、磁極面10からの磁束Bが沿う形態を例示している。
図5及び図6の構成、特に図6の構成では、軸直交断面における磁極面10の近似直線RLに沿う方向において磁束Bのバラツキが少なくなる。尚、近似直線RLとは、軸直交断面において曲線状となる磁極面10を、軸直交断面において直線状となるように近似した直線である。永久磁石1(1A)からの磁束Bがこのように発生する場合、例えば、永久磁石1をロータコア3の表面近くに設置することによって、表面磁石型回転電機のロータに近い磁気特性を有するロータ2を構成することも可能となる。表面磁石型回転電機は、一般的に突極性や逆突極性と称される磁気特性が現れにくく、リップルトルクやコギングトルクと称されるトルクの発生が埋込磁石型回転電機よりも抑制される。従って、回転電機に要求される磁気特性に応じて、このような磁気特性を有する永久磁石1を用いると好適である。尚、上述したように、コンパウンドの成形物の状態で磁場配向が施される場合には、焼結後の永久磁石1(1A,1B,1C)の形状を考慮して磁場配向が行われると好適である。
また、永久磁石1が発生させる磁束Bの方向は、図7に示すように、磁極面10に直交する方向であってもよい。この場合には、例えば磁束Bに沿った方向の永久磁石1の厚みを均一化することができるので、減磁が生じることを抑制して信頼性の高い永久磁石1を形成することができる。
上記においては、ネオジウム焼結磁石により永久磁石1を構成する形態を例示して説明した。しかし、永久磁石1は、ネオジウム焼結磁石に限らず、例えばボンド磁石やラバー磁石等を用いて構成されていてもよい。但し、ボンド磁石やラバー磁石は、磁場配向を施した後の残留磁束密度がネオジウム焼結磁石と比べて低い。従って、好ましくは、永久磁石1は、ネオジウム焼結磁石により構成されるとよい。
〔実施形態の概要〕
以下、上記において説明した永久磁石(1)の概要について簡単に説明する。
1つの態様として、上記に鑑みた、回転電機のロータ(2)に用いられる永久磁石(1)は、前記ロータ(2)に取り付けられた取付状態での前記ロータ(2)の回転軸(X)に直交する軸直交断面において、2つの磁極面(10)の双方が、当該磁極面(10)の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状である。また、別の観点では、回転電機のロータ(2)に用いられる永久磁石(1)は、前記ロータ(2)に取り付けられた取付状態での前記ロータ(2)の回転軸(X)に直交する軸直交断面における、2つの磁極面(10)の離間距離(D)の中間位置を結んだ仮想中心線(VC)が、前記磁極面(10)の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状となっている。
同一の2点間を結ぶ直線と曲線とでは、曲線の方が長くなる。ここで、軸直交断面において、磁極面(10)が直線状である直方平板状の永久磁石(100)と、磁極面(10)が凹凸(20)を有した凹凸形状で曲線状となる永久磁石(1)とを比較する。取付状態における軸直交断面において、これらの永久磁石(1,100)の周方向(C)の端部間の長さ(W)が同じであっても、磁極面(10)が延在する長さは、磁極面(10)の断面が直線状である直方平板状の永久磁石(100)よりも、磁極面(10)の断面が曲線状となる永久磁石(1)の方が長くなる。磁極面(10)の表面積が大きい方が有効磁束を多く発生させることができる。従って、磁極面(10)の断面を曲線状とすることによって、永久磁石をロータコアの周方向及び軸方向に長くすることなく、有効磁束を増加させることができる。即ち、本構成によれば、ロータの大型化を抑制すると共にロータに取り付けられる永久磁石の有効磁束を増加させることができる。
ここで、前記凹凸形状は、前記取付状態において前記ロータ(2)の周方向に沿って連続的に変化していると好適である。
この構成によれば、永久磁石(1)が規則的に安定した磁束(B)を発生することができる。
また、1つの態様として、前記2つの前記磁極面(10)は、第1磁極面(11)及び第2磁極面(12)であり、前記第1磁極面(11)における前記凹凸形状の凹部(22)と、前記第2磁極面(12)における前記凹凸形状の凸部(21)とが前記取付状態における前記ロータ(2)の周方向(C)において対応する位置に形成され、前記第1磁極面(11)における前記凹凸形状の凸部(21)と、前記第2磁極面(12)における前記凹凸形状の凹部(22)とが前記取付状態における前記ロータ(2)の周方向(C)において対応する位置に形成されていると好適である。
この構成によれば、異なる磁極面同士で、凹部(22)と凸部(21)とが対応するので、磁極面(10)の近似平面(RP)に直交する方向の永久磁石(1)の厚みをほぼ均一化することができ、減磁しにくく、安定的に磁束を発生する永久磁石(1)を得ることができる。尚、近似平面(RP)とは、軸直交断面において曲線状となる磁極面(10)を、軸直交断面において直線状となるように近似した平面である。
また、回転電機のロータ(2)に用いられる永久磁石(1)が、前記ロータ(2)に取り付けられた取付状態での前記ロータ(2)の回転軸(X)に直交する軸直交断面における、2つの磁極面(10)の離間距離(D)の中間位置を結んだ仮想中心線(VC)が、前記磁極面(10)の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状となっている場合に、前記離間距離(D)は、前記軸直交断面における前記磁極面(10)に沿う方向の各位置で同じであると好適である。
この構成によれば、永久磁石(1)の厚みを均一化することができるので、永久磁石(1)が減磁しにくく、永久磁石(1)が安定的に磁束を発生することができる。
また、1つの態様として、永久磁石(1)は、前記取付状態において、前記磁極面(10)での磁束(B)の方向が、前記ロータ(2)の表面で直交する方向であると好適である。
この構成によれば、軸直交断面において、磁極面(10)の近似直線(RL)に沿う方向において磁束(B)のバラツキが少なくなる。例えば、永久磁石(1)をロータコア(3)の表面近くに設置することによって、リップルトルクやコギングトルクと称されるトルクの発生を抑制することができる磁気特性を有するロータ(2)を形成することができる。尚、近似直線(RL)とは、軸直交断面において曲線状となる磁極面(10)を、軸直交断面において直線状となるように近似した直線である。
また、1つの態様として、永久磁石(1)は、前記磁極面(10)での磁束(B)の方向が、前記磁極面(10)に直交する方向であると好適である。
この構成によれば、例えば磁束(B)に沿った方向の永久磁石(1)の厚みを均一化することができるので、減磁が生じることを抑制して信頼性の高い永久磁石(1)を形成することができる。
前記ロータ(2)は、埋込磁石型回転電機用ロータであると好適である。
埋込磁石型回転電機用ロータでは、周方向(C)において隣接する磁極(P)同士での磁束(B)の短絡(磁極間磁束短絡)を抑制するために、磁極間にフラックスバリアと称される空隙を設けることが多い。また、周方向(C)において隣接する磁極(P)の間には、リラクタンストルクを生じさせるための磁束(いわゆるd−q軸ベクトル座標系におけるq軸磁束)の経路(q軸磁束経路)も設けられることが多い。このため、1つの磁極(P)において周方向(C)に沿う方向に永久磁石(1)を設置することができる幅(W)には制限がある。軸直交断面において磁極面(10)が凹凸形状を有する曲面となることによって、磁極面(10)に、当該幅(W)による制限を超えた表面積を与えることが可能となる。これにより、磁極面(10)の表面積に応じて発生する磁束(B)を増加させることができる。従って、埋込磁石型回転電機用ロータにおいて、上述した構成の永久磁石(1)の適用は好適である。
1 :永久磁石
2 :ロータ
10 :磁極面
11 :第1磁極面
12 :第2磁極面
20 :凹凸
21 :凸部
22 :凹部
B :磁束
C :周方向
D :離間距離
VC :仮想中心線
X :回転軸

Claims (8)

  1. 回転電機のロータに用いられる永久磁石であって、
    前記ロータに取り付けられた取付状態での前記ロータの回転軸に直交する軸直交断面において、2つの磁極面の双方は、当該磁極面の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状となっている永久磁石。
  2. 前記凹凸形状は、前記取付状態において前記ロータの周方向に沿って連続的に変化している請求項1に記載の永久磁石。
  3. 前記2つの前記磁極面は、第1磁極面及び第2磁極面であり、
    前記第1磁極面における前記凹凸形状の凹部と、前記第2磁極面における前記凹凸形状の凸部とが前記取付状態における前記ロータの周方向において対応する位置に形成され、
    前記第1磁極面における前記凹凸形状の凸部と、前記第2磁極面における前記凹凸形状の凹部とが前記取付状態における前記ロータの周方向において対応する位置に形成されている、請求項1又は2に記載の永久磁石。
  4. 回転電機のロータに用いられる永久磁石であって、
    前記ロータに取り付けられた取付状態での前記ロータの回転軸に直交する軸直交断面における、2つの磁極面の離間距離の中間位置を結んだ仮想中心線が、前記磁極面の平均曲率よりも大きい曲率を有して繰り返し突出及び引退する凹凸形状となっている永久磁石。
  5. 前記離間距離は、前記軸直交断面における前記磁極面に沿う方向の各位置で同じである請求項4に記載の永久磁石。
  6. 前記取付状態において、前記磁極面での磁束の方向が、前記ロータの表面で直交する方向である請求項1から5の何れか一項に記載の永久磁石。
  7. 前記磁極面での磁束の方向が、前記磁極面に直交する方向である請求項1から5の何れか一項に記載の永久磁石。
  8. 前記ロータは、埋込磁石型回転電機用ロータである請求項1から7の何れか一項に記載の永久磁石。
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