KR101522438B1 - 영구자석 매입형 회전자 및 이것을 이용한 전동기 및 전기 기기 - Google Patents

Abstract

회전자(21)는, 회전자철심(24)에 복수의 영구자석(25)이 소정간격마다 매입되어 이루어지는 영구자석 매입형 회전자이다. 회전자의 외주면에는, 복수의 영구자석의 각각의 중앙부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 대략 원호 형상 단면을 가지는 제1 돌출부(26)와, 복수의 영구자석의 각각의 단부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 제2 돌출부(27)가 형성되어 있다. 1개의 영구자석에 대해서, 1개의 제1 돌출부와 2개의 제2 돌출부가 대응하고 있다. 회전자의 외주면에 상기와 같은 제1 및 제2 돌출부를 형성함으로써, 토크 리플과 갭 자속 분포 일그러짐에 기인하는 소음을 충분히 저감할 수 있다.

Description

영구자석 매입형 회전자 및 이것을 이용한 전동기 및 전기 기기{PERMANENT MAGNET EMBEDDED TYPE ROTOR, ELECTRIC MOTOR USING THE SAME, AND ELECTRIC EQUIPMENT}

본 발명은, 회전자 철심에 복수의 영구자석이 소정 간격마다 매입(埋入)되어 이루어지는 영구자석 매입형 회전자 및 이것을 이용한 전동기에 관한 것이다. 또, 본 발명은 이 전동기를 구비한 전기 기기에 관한 것이다.

회전자 철심에 복수의 영구자석이 소정 간격마다 매입되어 이루어지는 영구자석 매입형 회전자가 특허 문헌 1에 기재되어 있다. 특허 문헌 1에서는, 회전 중심축에 수직인 단면에 있어서, 회전자의 외주면에, 각 영구자석의 중앙부 부근에 대향하고, 밖을 향해 돌출된 원호형상 단면을 가지는 돌출부가 형성되어 있다. 회전자가 이러한 구성을 가짐으로써, 회전자와 고정자의 거리가 회전자의 자극 단부 부근에서 최대가 되어, 이 부분에서 자속이 통하기 어려워진다. 이 때문에, 영구자석에 의해 발생하는 자속을 고정자에 유효하게 쇄교시킬 수 있어서, 기전력의 저하를 방지할 수 있다. 또, 회전자가 상기 구성을 가짐으로써, 회전자에 의해 발생하는 자속밀도 분포를 정현파 형상에 가깝게 할 수 있다. 이 때문에, 회전시에 있어서 고정자에 쇄교하는 자속을 매끄럽게 증감시킬 수 있으므로, 기전력 파형의 맥동을 저감할 수 있다.

하지만, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 발명에서는, 서로 이웃하는 돌출부 사이의 부분에서 회전자와 고정자의 거리가 너무 커지므로, 토크 리플을 충분히 저감할 수 없다.

토크 리플의 저감을 위한 발명이 특허 문헌 2에 기재되어 있다. 특허 문헌 2에서는, 회전 중심축에 수직인 단면에 있어서, 회전자의 외주면에, 각 영구자석의 중앙 부근에 대향하여 밖을 향해 돌출된 원호형상 단면을 가지는 제1 돌출부가 형성되고, 또한, 영구자석간의 부분에 대향해 밖을 향해 돌출된 제2 돌출부가 형성되어 있다. 회전자가 이러한 구성을 가짐으로써, 출력 토크를 향상시키면서 토크 리플을 저감할 수 있다.

특허문헌1 : 일본국 특허 공개 2002-95194호 공보 특허문헌2 : 일본국 특허 공개 2005-354798호 공보

상기 특허 문헌 2에 기재된 발명은, 특허 문헌 1에 기재된 발명보다 토크 리플을 저감할 수 있다. 그렇지만, 갭 자속 분포 일그러짐을 저감하지 못하고, 갭 자속 분포 일그러짐에 기인하는 소음을 저감 할 수 없는 문제가 발생했다.

본 발명은, 이상과 같은 종래의 문제를 해결하는 것이며, 토크 리플과 갭 자속 분포 일그러짐에 기인하는 소음을 충분히 저감할 수 있는 영구자석 매입형 회전자 및 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 고출력, 또한, 저진동, 저소음의 전기 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 영구자석 매입형 회전자는, 회전자 철심에 복수의 영구자석이 소정 간격마다 매입되어 이루어지는 영구자석 매입형 회전자이다. 상기 회전자의 외주면에는, 상기 복수의 영구자석의 각각의 중앙부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 대략 원호 형상 단면을 가지는 제1 돌출부와, 상기 복수의 영구자석의 각각의 단부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 제2 돌출부가 형성되어 있다. 1개의 상기 영구자석에 대해서, 1개의 상기 제1 돌출부와 2개의 상기 제2 돌출부가 대응하고 있다.

본 발명의 전동기는, 상기의 본 발명의 영구자석 매입형 회전자를 구비한다.

본 발명의 전기 기기는, 상기의 본 발명의 전동기를 구비한다.

본 발명에 의하면, 회전자의 외주면에, 각 영구자석에 대해서, 1개의 제1 돌출부와, 이것을 사이에 두는 한 쌍의 제2 돌출부가 형성되어 있으므로, 토크 리플과 갭 자속 분포 일그러짐에 기인하는 소음을 충분히 저감할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 회전자를 구비한 전동기(이하, 「영구자석 매입형 전동기」라고 한다)의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시의 형태에 따른 영구자석 매입형 회전자의 단면도이다.
도 3은, 도 2의 회전자에 있어서의 1 자극에 대응하는 외주면을 확대해 나타낸 부분 확대 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시의 형태에 따른 영구자석 매입형 전동기 및 종래예 1, 2에 따른 영구자석 매입형 전동기의 갭 자속 분포와 전기각의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 4의 전기각 0 내지 10[deg]의 부분을 확대해 나타낸 도면이다.
도 6은, 종래예 1에 따른 영구자석 매입형 회전자에 있어서의 1 자극에 대응하는 외주면을 확대해 나타낸 부분 확대 단면도이다.
도 7은, 종래예 2에 따른 영구자석 매입형 회전자에 있어서의 1 자극에 대응하는 외주면을 확대해 나타낸 부분 확대 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기 및 종래예 2와 관련되는 영구자석 매입형 전동기의 46차 이상의 소음을 차수 성분마다 분류해서 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기 및 종래예 1, 2에 따른 영구자석 매입형 전동기의 토크와 전기각의 관계를 나타낸 도면이다.
도 10은, 에어콘 실내기의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 11은, 에어콘 실외기의 일례를 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해, 도면을 참조해 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일실시의 형태에 따른 영구자석 매입형 전동기(10)의 회전 중심축에 수직인 면을 따른 단면도이다.

본 실시의 형태에 따른 전동기(10)는, 고정자(11)에서 회전자(21)를 구비하고 있다.

고정자(11)는, 프레스로 펀칭된 복수의 고투자율(高透磁率) 박철판(薄鐵板)이 적층된 고정자 철심(14)과, 고정자 철심(14)에 감겨진 권선(도시 생략)을 포함한다. 고정자 철심(14)은, 요크(12)와, 요크(12)의 내주 측에 형성된 복수의 티스(13)와, 서로 이웃하는 티스(13)간에 형성된 복수의 슬롯(15)을 가진다. 권선이 고정자 철심(14)에 집중권 권선으로 감겨져 슬롯(15)에 수납되어 있다.

회전자(21)는, 복수의 자석 매설구멍(22)이 소정간격으로 형성된 회전자 철심(24)과, 각각의 자석 매설구멍(22)에 매설된 영구자석(25)과, 회전 중심축방향(이하, 단순히 「축방향」이라고 한다)의 양단에 배치된 한 쌍의 단판(端板)(도시 생략)을 포함한다. 회전자 철심(24)은, 자석 매설구멍(22)이 형성된 복수의 고투자율 박철판이 축방향으로 적층된다. 그리고, 회전자(21)의 자극을 형성하기 위한 영구자석(25)이 각각의 자석 매설구멍(22)에 수납되어 유지되어 있다. 한 쌍의 단판과 회전자 철심(24)은, 코킹 핀(도시 생략)에 의해 체결되어 있다. 회전자 철심(24)의 중앙에는 회전축(도시 생략)이 체결되고 있고 회전자 철심(24)은 베어링(도시 생략)에서 회전 가능하게 지지 되고 있다.

이와 같이 구성된 회전자(21)는, 고정자(11)의 티스(13)의 내주면과 에어 갭을 통해 대향하고 있다.

또한, 도 1에 있어서는, 회전자(21)의 극수는 8(극쌍 수는 4)이며, 고정자( 11)의 슬롯수는 12인 경우를 나타내고 있는데, 본 발명은 이 조합에 한정되는 것은 아니고, 그 외의 조합에 대해서도 적용할 수 있다.

도 2는 회전자(21)의 회전 중심축에 수직인 면을 따른 단면도이다. 도 3은, 도 2의 회전자(21)에 있어서의 1 자극, 즉 1개의 영구자석(25)에 대응하는 회전자(21)의 외주면을 확대해 나타낸 부분 확대 단면도이다.

도 2 및 도 3에 있어서, 자석 매설구멍(22)은, 삽입되는 영구자석(25)의 단면보다 약간 큰 형상을 가지고 있다. 영구자석(25)은, 자석 매설구멍(22)에 접착제 등에 의해 고정된다.

회전자(21)의 외주면에는, 영구자석(25)의 각각의 중앙부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 제1 돌출부(26)와, 영구자석(25)의 각각의 단부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 제2 돌출부(27)가 형성되어 있다. 제1 돌출부(26)는 대략 원호 형상 단면을 가지고 있다. 제2 돌출부(27)도 대략 원호 형상 단면을 가지는 것이 바람직하다. 여기서, 「대략 원호 형상 단면」이란, 회전 중심 축으로 수직인 면을 따른 단면 형상이 대략 원호 형상인 것을 의미한다. 「대략 원호 형상」이란, 정확한 원호일 필요는 없고, 원호에 근사 할 수 있는 형상이면 충분하며, 예를 들면 복수의 곡선이나 복수의 직선의 결합에 의해 형성되어도 된다.

1개의 영구자석(25)에 대해서, 1개의 제1 돌출부(26)와, 2개의 제2 돌출부(27)가 대응하고 있다. 즉, 1개의 제1 돌출부(26)와, 그 양측의 2개의 제2 돌출부(27)로 이루어지는 세트가, 영구자석(25)에 일대일로 대응해 회전자(21)의 외주면에 등각도 간격으로 형성되어 있다.

서로 이웃하는 제1 돌출부(26)와 제2 돌출부(27)의 사이에는 오목부가 형성된다. 즉, 회전자(21)의 중심점 P로부터 제1 돌출부 (26)와 제2 돌출부(27)의 경계점 A까지의 거리보다, 회전자(21)의 중심점 P로부터 제2 돌출부(27)의 정점(중심점 P로부터 가장 떨어진 제2 돌출부(27) 상의 점)까지의 거리가 커지도록, 제2 돌출부(27)는 밖을 향해 돌출되어 있다.

제2 돌출부(27)는, 제1 돌출부(26)의 대략 원호 형상 단면보다 곡률 반경이 작은 대략 원호 형상 단면을 가지는 것이 바람직하다. 제2 돌출부(27)의 대략 원호 형상 단면의 곡률 반경이 너무 크면, 토크 리플이나 갭 자속 분포 일그러짐이 증대한다.

한편, 제1 돌출부(26)를 사이에 두는 한 쌍의 경계점 A-A간의 거리는, 영구자석(25)이 길이방향의 길이 Lm보다 짧은 것이 바람직하다. 회전자 철심(24)의 외경을 일정하게 한 채로, 상기와는 반대로 한 쌍의 경계점 A-A간의 거리를 영구자석(25)의 길이 Lm보다 길게 하면, 제1 돌출부(26)의 곡률 반경을 크게 할 필요가 있어, 그 결과, 기전력 파형이 구형파 형상이 되어, 토크 리플이나 갭 자속 분포 일그러짐이 증대한다.

일반적으로, 상기의 제2 돌출부(27)의 곡률 반경을 작게 하는 것과, 한 쌍의 경계점 A-A간의 거리를 짧게 하는 것은, 트레이드 오프의 관계에 있다. 제2 돌출부(27)의 곡률 반경 및 한 쌍의 경계점 A-A간의 거리를 상기의 바람직한 조건을 만족시키도록 적절히 설정함으로써, 토크 리플이나 갭 자속 분포 일그러짐을 저감할 수 있다.

서로 이웃하는 제2 돌출부(27)의 경계점 B는, 회전자(21)의 중심점 P로부터 경계점 B까지의 거리가, 회전자(21)의 중심점 P로부터 제2 돌출부(27)의 정점까지의 거리보다 짧아지도록 위치하고 있다. 이와 같이 인접하는 제2 돌출부 (27)의 사이에 오목부을 형성함으로써, 토크 리플이나 갭 자속 분포 일그러짐을 저감할 수 있다.

회전자 철심(24)을 구성하는 고투자율 박철판을 펀칭 가공하는 관점에서, 자석 매설구멍(22)과 회전자(21)의 외주면 사이의 거리가 최소인 부분(로터 브릿지부)(28)의 폭은, 고투자율 박철판의 판두께 d 이상인 것이 바람직하다. 다만, 로터 브릿지부(28)의 폭이 커지면, 영구자석(25)에 의해 발생하는 자속 중, 로터 브릿지부(28)를 통과하는 자속이 많아져, 고정자(11)에 쇄교 하는 자속이 적어지므로, 전동기의 출력이 저하해버린다. 따라서, 로터 브릿지부(28)에서 자기 포화하도록 로터 브릿지부(28)의 폭을 가능한 한 작게 설정하는 것은, 보다 많은 자속을 고정자(11)에 쇄교시킬 수 있으므로 바람직하다.

다음에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기와 종래예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 비교해, 본 발명의 효과에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기 및 종래예 1, 2에 따른 영구자석 매입형 전동기의 갭 자속 분포와 전기각의 관계를 해석에 의해 구한 결과를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4의 전기각 0 내지 10[deg]의 부분을 확대해 나타낸 도면이다. 도 4 및 도 5에서는, 비교를 위해서 정현파 파형을 함께 나타내고 있다. 도 6 및 도 7은, 각각 종래예 1 및 종래예 2에 따른 영구자석 매입형 전동기의 회전자에 있어서의 1 자극, 즉 1개의 영구자석에 대응하는 회전자의 외주면을 확대해 나타낸 부분 확대도이다.

도 6에 나타낸 종래예 1의 회전자(121)는, 상술한 특허 문헌 1에 기재된 영구자석 매입형 회전자에 대응한다. 본 발명의 회전자(21)와 마찬가지로, 복수의 자석 매설구멍(122)의 각각에 영구자석(125)이 유지되어 있다. 회전자(121)의 외주면에는, 영구자석(125)의 각각의 중앙부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 단일의 대략 원호 형상 단면을 가지는 돌출부(126)가 형성되어 있다.

도 7에 나타낸 종래예 2의 회전자(221)는, 상술한 특허 문헌 2에 기재된 영구자석 매입형 회전자에 대응한다. 본 발명의 회전자 (21)와 마찬가지로, 복수의 자석 매설구멍(222)의 각각에 영구자석(225)이 유지되어 있다. 회전자(221)의 외주면에는, 영구자석 (225)의 각각의 중앙부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 대략 원호 형상 단면을 가지는 제1 돌출부(226)와, 서로 이웃하는 제1 돌출부(126) 사이에, 밖을 향해 돌출된 제2 돌출부(227)가 형성되어 있다.

도 4 및 도 5에 나타낸 각 차트의 전기각 0 내지 10[deg]의 부분의 기울기(즉, 당해 부분을 선형 근사하여 얻은 직선의 기울기)는, 정현파 파형에서는 0.014, 본 발명의 영구자석 매입형 전동기에서는 0.01095, 종래예 1의 영구자석 매입형 전동기에서는 0.0108, 종래예 2의 영구자석 매입형 전동기에서는 0.0059이다. 즉, 종래예 2의 영구자석 매입형 전동기의 갭 자속 분포는, 특히 전기각 0 내지 10[deg]에 있어서, 본 발명의 영구자석 매입형 전동기와 비교해, 정현파 파형에 대한 어긋남이 크다. 이것은, 종래예 2에서는, 제2 돌출부(227)의 존재에 의해, 고정자에 쇄교하는 자속의 자극이 전환될 때에, 자속의 흐름이 원활하게 변화해 전환될 수 없기 때문이라고 생각된다. 이러한 전기각 0 내지 10[deg]에 있어서의 정현파 파형에 대한 어긋남은, 특히 46차 이상의 고차 성분의 소음에 큰 영향을 미치게 된다.

도 8은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기 및 종래예 2와 관련되는 영구자석 매입형 전동기의 46차 이상의 소음을 차수 성분마다 분류해 나타낸 도면이다. 또한, 「Over All」은, 전차수 성분의 소음의 총합을 나타낸다. 도 8로부터, 전기각 0 내지 10[deg]에 있어서 갭 자속 분포가 정현파 파형에 대해서 크게 어긋나 있는 종래예 2에 따른 영구자석 매입형 전동기는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기와 비교해, 46차 이상의 고차 성분의 소음이 커져있는 것을 알 수 있다.

도 9는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 영구자석 매입형 전동기 및 종래예 1,2에 따른 영구자석 매입형 전동기의 토크와, 전기각의 관계를 해석에 의해 구한 결과를 나타낸 도면이다. 세로축의 토크는, 본 발명의 평균치를 「1」로 하여 정규화되어 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 종래예 1에 따른 영구자석 매입형 전동기는, 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기와 비교해, 발생 토크가 낮고, 또한, 토크 리플이 크다. 이것은, 종래예 1에 따른 영구자석 매입형 전동기에서는, 릴럭턴스 토크가 작기 때문에, 마그넷 토크의 맥동을 없앨 수 없기 때문이라고 생각된다.

이상으로부터, 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기는, 토크 리플을 저감할 수 있고, 한편, 소음을 저감할 수 있는 점에서, 토크 리플을 저감할 수 없는 종래예 1(즉, 특허 문헌 1)에 따른 영구자석 매입형 전동기나, 소음량을 저감할 수 없는 종래예 2(즉, 특허 문헌 2)에 따른 영구자석 매입형 전동기와 비교해, 고성능이라고 말할 수 있다.

다음에, 본 발명에 따른 전동기를 이용한 전기 기기의 예로서 에어콘 실내기 (300) 및 에어콘 실외기(400)를, 도면을 이용해 설명한다.

도 10은, 에어콘 실내기(300)의 일례를 나타낸 개략도이다.

이 에어콘 실내기(300)는 하우징(311)내에 전동기(301)가 탑재되어 있다. 전동기(301)의 회전축에는 크로스 플로우 팬(312)이 부착되어 있다. 전동기(301)는 전동기 구동장치(313)에 의해 구동된다. 전동기 구동장치(313)로부터의 통전에 의해, 전동기(301)가 회전해, 그에 따라 크로스 플로우 팬(312)이 회전한다. 크로스 플로우 팬(312)의 회전에 의해, 실내기용 교환기(도시 생략)에 의해 공기 조화된 공기가 실내에 송풍된다. 전동기(301)로서 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기를 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 전동기를 적용함으로써 고출력이고, 또한, 저진동, 저소음의 에어콘 실내기를 실현할 수 있다.

도 11은, 에어콘 실외기(400)의 일례를 나타낸 개략도이다.

이 에어콘 실외기(400)는, 하우징(411)내에 전동기(401)를 탑재하고 있다. 전동기(401)의 회전축에는 팬(412)이 부착되어 있어 전동기(401)는 송풍용 팬 모터로서 기능한다.

에어콘 실외기(400)의 내부 공간은, 하우징(411)의 저판(402)에 세워 설치된 칸막이 판(404)에 의해, 압축기실(406)과 열교환기실(409)로 구획된다. 압축기실(406)에는 압축기(405)가 설치되어 있다. 열교환기실(409)에는 열교환기(407), 전동기(401), 및 팬(412)이 설치되어 있다. 칸막이(404)의 상부에는 전장품 상자(410)가 설치되어 있다. 전장품 상자(410)내에는 전동기 구동장치(403)가 수용되어 있다.

전동기 구동장치 (403)로부터의 통전에 의해, 전동기(401)가 회전해, 그에 따라 팬(412)이 회전한다. 팬(412)의 회전에 의해 열교환기실(409) 내에 공기류가 발생해, 공기류가 열교환기(407)를 통과할 때 공기류와 열교환기(407)의 사이에서 열의 교환이 행해진다. 전동기(401)로서 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기를 적용할 수 있다. 본 발명에 따른 전동기를 적용함으로써, 고출력이고, 또한, 저진동, 저소음의 에어콘 실외기를 실현할 수 있다.

상기의 실시형태는 일례에 지나지 않고, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 적절히 변경할 수 있다. 예를 들면, 상기의 실시 형태의 구성의 일부를 공지의 다른 구성으로 치환해도 된다. 또, 상기의 실시형태에서 언급되어 있지 않은 구성은 임의이며, 예를 들면 공지의 구성을 적절히 선택해서 본 발명에 조합할 수 있다.

본 발명의 전동기는, 상술한 에어콘 실내기 및 에어콘 실외기에 한정되지 않고, 예를 들면, 급탕기, 공기 청정기 등, 전동기가 이용되는 여러 가지 전기 기기에 광범위하게 적용할 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명의 이용 분야는 특별히 제한은 없고, 예를 들면 영구자석 매입형 회전자를 구비한 전동기로서 광범위하게 이용할 수 있다. 본 발명에 의하면, 토크 리플과 갭 자속 분포 일그러짐에 기인하는 소음을 저감할 수 있으므로, 고출력이고, 또한, 저진동, 저소음이 요구되는 영구자석 매입형 회전자, 전동기, 및 전기 기기로서 특히 바람직하게 이용할 수 있다.

Claims (4)

1. 회전자 철심에 복수의 영구자석이 소정 간격마다 매입(埋入)되어 이루어지는 영구자석 매입형 회전자이며,
   상기 회전자의 외주면에는,
   상기 복수의 영구자석의 각각의 중앙부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 원호 형상 단면을 가지는 제1 돌출부와,
   상기 복수의 영구자석의 각각의 단부 부근에 대향해, 밖을 향해 돌출된 제2 돌출부가 형성되어 있고,
   1개의 상기 영구자석에 대해서, 1개의 상기 제1 돌출부와 2개의 상기 제2 돌출부가 대응하며,
   상기 제2 돌출부는, 상기 제1 돌출부의 상기 원호형상 단면보다 곡률 반경이 작은 원호형상 단면을 가지는 영구자석 매입형 회전자.
2. 삭제
3. 청구항 1에 기재된 영구자석 매입형 회전자를 구비한 전동기.
4. 청구항 3에 기재된 전동기를 구비한 전기 기기.

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