KR101309097B1 - 무선 전력 전송용 공진기 - Google Patents

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KR101309097B1
KR101309097B1 KR1020120039109A KR20120039109A KR101309097B1 KR 101309097 B1 KR101309097 B1 KR 101309097B1 KR 1020120039109 A KR1020120039109 A KR 1020120039109A KR 20120039109 A KR20120039109 A KR 20120039109A KR 101309097 B1 KR101309097 B1 KR 101309097B1
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이동인
김봉환
권오훈
이동수
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Abstract

본 발명은 무선 전력을 전송하며, 소스 코일 및 제1 공진 코일을 구비하는 전력 송신부; 및 상기 무선 전력을 수신하며, 제2 공진 코일 및 디바이스 코일을 구비하는 전력 수신부;를 포함하되, 상기 제1 공진 코일은 제1 헬리컬 코일 및 제1 스파이럴 코일을 구비하고, 상기 제2 공진 코일은 제2 헬리컬 코일 및 제2 스파이럴 코일을 구비하고, 상기 소스 코일은, 제3 헬리컬 코일 및 상기 제3 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 제3 스파이럴 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 자기 공명 방식의 공진기의 송신 종단, 수신 종단에 적절한 권수와 크기를 가지는 스파이럴 코일을 부가하고, 자기 공명을 안정적으로 증대시키기 위해서 리츠와이어에 고분자 물질을 도포하고 고정화하여, 자기 커플링을 강화하고 정전 용량을 증가시킬 수 있으므로, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있고 전송 가능한 거리도 증대시킬 수 있다.

Description

무선 전력 전송용 공진기{RESONATOR FOR TRANSFERRING WIRELESS POWER}
본 발명은 무선 전력 전송용 공진기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 자기 공명(magnetic resonance) 방식을 사용하여 무선으로 전력을 전송하는 시스템에서 사용되는 무선 전력 전송용 공진기에 관한 것이다.
최근 스마트폰과 태블릿 PC, 스마트 TV 등의 사용이 증가함에 따라서, 전자 제품은 일상 생활에서 많은 비중을 차지하게 되었다. 전자 제품에 전원을 공급하는 것은 전자 제품의 동작을 위해서 필수적이다. 전자 제품의 동작을 위해서, 예컨대 교류 전원, 어댑터를 사용한 직류 전원 등의 다양한 입력 전원들이 필요하다. 현재 전원 공급 방식은 대부분 유선 공급 방식 또는 배터리를 충전하여 사용하는 방식을 사용하고 있다.
전원 공급의 불편함을 해소하기 위해서, 무선 전력 전송(wireless power transfer) 기술에 대한 관심의 증가와 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라서, 다양한 형태의 전력 전송 기술이 제시되고 있다.
제시되는 무선 전력 전송 기술로서는, 예컨대 근거리에서 자기 유도를 이용한 방식, 마이크로파 방사를 이용한 렉테나(rectenna) 방식, 자기 공명 방식 등이 있다.
그러나 자기 유도를 이용하는 방식은 근거리에서만 적용될 수 있다는 단점을 가진다. 또한 마이크로파 방사를 이용하는 방식은 인체에 유해한 전자파를 방출한다는 단점을 가진다. 또한 자기 공명 방식은 전력 전송 효율이 낮다는 단점과, 전송 거리를 증대하기 위해서는 자기장의 세기를 증가시켜야 한다는 단점을 가진다.
그러나 자기 공명 방식은 비록 전술한 단점을 가지지만, 인체에 유해한 전자파의 방출이 작고, 전송 거리를 증대할 수 있다는 장점을 가진다. 따라서, 무선 전력 전송 방식으로서 주목받고 있다.
예컨대 한국공개특허공보 제10-2011-0049659호 및 한국공개특허공보 제10-2012-0020452호 등의 선행 기술에서는 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 기술을 개시하고 있다.
예컨대 한국공개특허공보 제10-2012-0020452호의 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 일 예가 도시된다.
한국공개특허공보 제10-2012-0020452호를 참조하면, 종래의 무선 전력 전송 시스템은, 공진 전력 전송 장치(소스)와 공진 전력 수신 장치(타겟)으로 구성된다.
공지 전력 전송 장치는, 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시키는 소스부와, 소스 공진기를 포함한다. 또한, 공진 전력 전송 장치는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
공진 전력 수신 장치는, 타겟 공진기와, 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부와, 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부를 포함한다.
이러한 종래의 자기 공명 현상을 이용한 무선 전력 전송 시스템은 헬리컬(helical) 형태의 공진 코일 구조를 사용한다.
도 4은 종래 기술에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 헬리컬 코일을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래의 경우, 공진 코일로서 각각 헬리컬 코일(13, 23)이 무선 전력 송신단 및 무선 전력 수신단에 배치된다.
특히 헬리컬 코일(13, 23)이 무선 전력 송신단 및 무선 전력 수신단에 각각 공진 코일로서 배치되는 경우, 수신 안테나의 S-파라메터 중에서 반사 계수(S11, S22)의 값에 비해서, 무선 전력 전송 효율(S21)이 떨어지는 경향을 가진다.
특히 무선 전력 전송을 이용하여 배터리 충전 시스템을 구현하기 위해서는, 보다 작은 크기의 공진 코일 시스템을 사용하여 높은 전력 전송 효율을 달성하여야 한다.
1. 한국공개특허공보 제10-2011-0049659호. 2. 한국공개특허공보 제10-2012-0020452호.
본 발명의 목적은, 헬리컬 공진 코일 구조 중에서 커플링이 가장 많이 발생하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 종단에 스파이럴(spiral) 코일 구조를 결합하여, 자기 커플링을 강하게 발생시키는 것에 의해서 정전 용량을 증가시키고 전력 전송 효율을 향상시키는 무선 전력 전송용 공진기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 리츠와이어(litz wire)를 이용하여 자기장을 강하게 발생시키고 또한 제작이 용이하며, 리츠와이어를 용이하게 고정화하여 자기 공명 특성을 개선시키는 무선 전력 전송용 공진기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 무선 전력을 전송하며, 소스 코일 및 제1 공진 코일을 구비하는 전력 송신부; 및 상기 무선 전력을 수신하며, 제2 공진 코일 및 디바이스 코일을 구비하는 전력 수신부;를 포함하되, 상기 제1 공진 코일은 제1 헬리컬 코일 및 제1 스파이럴 코일을 구비하고, 상기 제2 공진 코일은 제2 헬리컬 코일 및 제2 스파이럴 코일을 구비하고, 상기 소스 코일은, 제3 헬리컬 코일 및 상기 제3 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 제3 스파이럴 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기를 제공한다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 제1 스파이럴 코일은 상기 제1 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 것이고, 상기 제2 스파이럴 코일은 상기 제2 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 제1 헬리컬 코일, 상기 제2 헬리컬 코일, 상기 제1 스파이럴 코일 및 상기 제2 스파이럴 코일 중 적어도 하나는 리츠와이어(litz wire)인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 리츠와이어는 상기 리츠와이어 내의 미세 도선을 고정화하는 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 고분자 물질은 셀룰로오스 및 폴리비닐알코올 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 고분자 물질은 알코올 용제를 사용하여 상호 부착하여 고정화되는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 디바이스 코일은, 제4 헬리컬 코일 및 상기 제4 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 제4 스파이럴 코일을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 제3 헬리컬 코일 및 상기 제3 스파이럴 코일 중 적어도 하나는 리츠와이어인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 상기 제4 헬리컬 코일 및 상기 제4 스파이럴 코일 중 적어도 하나는 리츠와이어인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 자기 공명 방식의 공진기의 송신 종단, 수신 종단에 적절한 권수(turn)와 크기를 가지는 스파이럴 코일을 부가하고, 자기 공명을 안정적으로 증대시키기 위해서 리즈와이어에 고분자 물질을 도포하고 고정화하여, 자기 커플링을 강화하고 정전 용량을 증가시킬 수 있으므로, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있고 전송 가능한 거리도 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기의 예시적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 소스 코일, 제1 공진 코일, 디바이스 코일 및 제2 공진 코일의 모식도.
도 3는 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 헬리컬 코일과 스파이럴 코일이 결합된 형태를 예시적으로 도시하는 도면.
도 4은 종래 기술에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 헬리컬 코일을 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 무선 전력 전송용 공진기의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기의 예시적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기는, 전력 송신부(100)와 전력 수신부(200)를 포함한다.
전력 송신부(100)는 무선 전력을 송신한다. 전력 수신부(200)는 전력 송신부(100)로부터 송신되는 무선 전력을 수신한다.
전력 송신부(100)는 소스 코일(110) 및 제1 공진 코일(130)을 구비한다.
전력 수신부(200)는 디바이스 코일(210) 및 제2 공진 코일(230)을 구비한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 소스 코일, 제1 공진 코일, 디바이스 코일 및 제2 공진 코일의 모식도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 소스 코일(110) 및 제1 공진 코일(130)은 무선 전력 송신단, 즉 전력 송신부(100)에 배치되며, 디바이스 코일(210) 및 제2 공진 코일(230)은 무선 전력 수신단, 즉 전력 수신부(200)에 배치된다.
도 2를 참조하면, 소스 코일(110), 제1 공진 코일(130), 디바이스 코일(210) 및 제2 공진 코일(230)은 각각 도선이 권회(卷回)된 형태를 가진다.
본 발명에 따르면, 특히 자기 커플링을 강화하고 정전 용량을 증가시키기 위해서, 제1 공진 코일(130) 및 제2 공진 코일(230)은 헬리컬 코일과 스파이럴 코일이 결합된 형태를 가진다.
도 3는 본 발명에 따른 무선 전력 전송용 공진기에 있어서, 헬리컬 코일과 스파이럴 코일이 결합된 형태를 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 공진 코일(130)의 전단은 제1 헬리컬 코일(130a)로 구성된다. 또한 제1 헬리컬 코일(130a)의 종단에는 제1 스파이럴 코일(130b)이 배치된다.
도 3을 참조하면, 제2 공진 코일(230)은 제2 헬리컬 코일(230a)로 구성된다. 또한 제2 헬리컬 코일(230a)의 종단에는 제2 스파이럴 코일(230b)이 배치된다.
도 3을 참조로 하는 본 발명의 실시예가 종래 기술과 다른 점은, 제1 공진 코일(130) 및 제2 공진 코일(230) 각각이 헬리컬 코일(130a, 230a) 및 스파이럴 코일(130b, 230b)을 결합한 형태로 구성되는 것이다.
로 3을 참조로 한 헬리컬 코일(130a, 230a) 및 스파이럴 코일(130b, 230b)을 결합한 형태로 무선 전력 송신단 및 무선 전력 수신단을 구성하는 것에 의해서, 도 4에 도시된 종래 기술에 비해서, 자기장의 강도를 증대시킬 수 있다. 또한 종래의 경우 자기장의 강도는 헬리컬 코일(13, 23)의 크기에 따라서 결정되므로, 종래 기술에 따르면 특히 전송 거리를 증대시키기 위해서는 헬리컬 코일(13, 23)의 크기를 대응하여 크게 할 수 밖에 없으므로, 무선 전력 전송용 공진기의 크기도 커지게 된다.
그러나 본 발명에 따르면, 헬리컬 코일(130a, 230a)의 크기를 증대시키지 않더라도 스파이럴 코일(130b, 230b)을 결합한 형태를 사용하므로, 자기 커플링을 강화하고 정전 용량을 증가시킬 수 있으므로, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있고 전송 가능한 거리도 증대시킬 수 있다.
본 출원인의 실험 결과, 도 3에 예시된 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 기존 구조보다 15% 이상의 전송 효율 상승과 35% 이상의 무선 전력 전송용 공진기의 크기 감소가 가능한 것을 확인하였다.
한편 도 3을 참조로 한 실시예에서는, 특히 제1 공진 코일(130) 및 제2 공진 코일(230) 각각이 헬리컬 코일(130a, 230a) 및 스파이럴 코일(130b, 230b)을 결합한 형태로 구성되는 것을 특징으로 하였다.
그러나 제1 공진 코일(130) 및 제2 공진 코일(230) 이외에, 소스 코일(110) 및 디바이스 코일(210) 중 적어도 하나가 각각 헬리컬 코일 및 스파이럴 코일을 결합한 형태로 구성하여도 좋다.
소스 코일(110) 및 디바이스 코일(210)은 바람직하게는 단일 원형 루프 형태로 구성된다. 그러나, 소스 코일(110) 및 디바이스 코일(210) 중 적어도 하나를 각각 헬리컬 코일 및 스파이럴 코일을 결합한 형태로 구성하여도, 본 출원인의 실험 결과에 따르면, 전송 효율 상승과 무선 전력 전송용 공진기의 크기 감소가 가능한 것을 확인하였다.
종래 기술에 따르면, 소스 코일(110), 제1 공진 코일(130), 디바이스 코일(210) 및 제2 공진 코일(230)은 각각 단일 도선을 이용하여 구현된다.
그러나 본 발명에서는, 제1 공진 코일(130) 및 제2 공진 코일(230)을 리츠와이어 형태로 다수의 미세 도선을 결합하여 하나의 도선 형태로 구현하는 방식을 사용하였다.
리츠와이어 형태를 이용하는 경우에는, 같은 굵기의 단일 도선을 이용하는 경우보다, 자기장의 강도를 보다 강화할 수 있고 또한 도선의 유연성을 증가시키기 때문에, 코일 제작이 용이하다는 장점이 있다.
그러나 종래의 경우 리츠와이어를 사용하는 경우에는 고정화가 어렵다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 종래 기술의 단점을 개선하기 위해서, 다음과 같은 고정화 방식을 사용하였다.
우선, 리츠와이어를 구성하는 다수의 미세 도선에 고분자 물질을 도포한다. 고분자 물질은 예컨대 셀룰로오스 및 폴리비닐알코올 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이후 알코올 용제를 사용하여 다수의 미세 도선을 상호 부착하여 고정화시킨다.
기존의 리츠와이어를 고정화하는 기술은 가열을 통하여 고정화를 수행한다. 그러나 가열을 통하여 고정화를 수행하는 기술은, 특히 열화 현상과 열 팽창에 따른 특성 변화가 초래되는 단점이 있다.
이에 비해서, 본 발명에서와 같이 고분자 물질 및 알코올 용제를 사용하여 다수의 미세 도선을 고정화하는 경우, 열화 현상이나 열 팽창에 따른 특성 변화를 방지할 수 있으므로, 고정화된 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
본 출원인의 실험 결과에 따르면, 기존의 단일 도선 형태 또는 가열을 통한 고정화를 수행하는 리츠와이어 형태에 비해서, 고분자 물질 및 알코올 용제를 사용하여 고정화를 수행하는 리츠와이어를 사용하는 경우 대략 자기 공명 특성을 30%이상 개선할 수 있는 것을 확인하였다.
또한 제1 공진 코일(130), 디바이스 코일(210) 및 제2 공진 코일(230) 이외에, 소스 코일(110) 또는 디바이스 코일(210)도 리츠와이어를 사용할 수 있음은 물론이다. 소스 코일(110) 또는 디바이스 코일(210)에 리츠와이어를 사용하는 경우에도, 마찬가지로 고분자 물질 및 알코올 용제를 사용하여 고정화를 수행하여 고정화된 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 자기 공명 방식의 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 공진기에 있어서, 헬리컬 코일의 종단 부분에 스파이럴 코일을 추가하여 기존의 헬리컬 방식 공진기보다 강한 자기 커플링을 발생시켜서, 정전 용량을 증가시키고 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 리츠와이어를 이용하여 코일을 구현하여서, 자기장의 강도를 보다 강화할 수 있고, 또한 도선의 유연성을 증가시켜서 코일 제작을 용이하게 수행할 수 있다.
또한 리츠와이어를 고분자 물질 및 알코올 용제를 사용하여 고정화할 수 있으므로, 가열 고정화에 따른 열화 현상이나 열 팽창에 따른 특성 변화를 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있고 전송 가능한 거리도 증대시킬 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 자기 공명 방식의 공진기의 송신 종단, 수신 종단에 적절한 권수와 크기를 가지는 스파이럴 코일을 부가하고, 자기 공명을 안정적으로 증대시키기 위해서 리츠와이어에 고분자 물질을 도포하고 고정화하여, 자기 커플링을 강화하고 정전 용량을 증가시킬 수 있으므로, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있고 전송 가능한 거리도 증대시킬 수 있다.
13, 23, 130a, 230a: 헬리컬 코일 100: 무선 전력 송신부
110: 소스 코일 130: 제1 공진 코일
130b: 스파이럴 코일 200: 무선 전력 수신부
210: 디바이스 코일 230: 제2 공진 코일
230b: 스파이럴 코일

Claims (10)

  1. 무선 전력을 전송하며, 소스 코일 및 제1 공진 코일을 구비하는 전력 송신부; 및
    상기 무선 전력을 수신하며, 제2 공진 코일 및 디바이스 코일을 구비하는 전력 수신부;
    를 포함하되,
    상기 제1 공진 코일은 제1 헬리컬 코일 및 제1 스파이럴 코일을 구비하고,
    상기 제2 공진 코일은 제2 헬리컬 코일 및 제2 스파이럴 코일을 구비하고,
    상기 소스 코일은, 제3 헬리컬 코일 및 상기 제3 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 제3 스파이럴 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스파이럴 코일은 상기 제1 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 것이고,
    상기 제2 스파이럴 코일은 상기 제2 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 헬리컬 코일, 상기 제2 헬리컬 코일, 상기 제1 스파이럴 코일 및 상기 제2 스파이럴 코일 중 적어도 하나는 리츠와이어(litz wire)인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리츠와이어는 상기 리츠와이어 내의 미세 도선을 고정화하는 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 셀룰로오스 및 폴리비닐알코올 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 알코올 용제를 사용하여 상호 부착하여 고정화되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스 코일은, 제4 헬리컬 코일 및 상기 제4 헬리컬 코일의 종단에 배치되는 제4 스파이럴 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 헬리컬 코일 및 상기 제3 스파이럴 코일 중 적어도 하나는 리츠와이어인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제4 헬리컬 코일 및 상기 제4 스파이럴 코일 중 적어도 하나는 리츠와이어인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 공진기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000124024A (ja) 1998-10-19 2000-04-28 Omron Corp フラットコイルおよびこの製造方法
JP2005137032A (ja) 2000-07-20 2005-05-26 Samsung Electronics Co Ltd アンテナ
JP2006295047A (ja) 2005-04-14 2006-10-26 Fujikura Ltd 半導体装置および電子装置
KR20110014642A (ko) * 2008-05-13 2011-02-11 퀄컴 인코포레이티드 무선 전력 전달을 위한 수신 안테나

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