KR102032754B1 - 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템 - Google Patents

무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은, 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 거치하는 고정 거치대, 송전기 또는 수전기 중 다른 하나를 거치하는 이동 거치대, 및 5축 구동 장치를 포함하되, 상기 5축 구동 장치는, 상기 이동 거치대를 x축 방향, 상기 x축 방향과 수직인 y축 방향 및 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면에 수직인 z축 방향으로 이동시키거나, 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 상기 이동 거치대를 회전시킨다.

Description

무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템{SYSTEM FOR AUTOMEASURING WIRELESS POWER TRANSFER}
본 발명은 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무선전력 송전기와 수전기간 모든 배치에 대한 측정이 가능하도록 상하좌우, 높낮이, 회전, 기울임 등 5축에 대하여 자동 구동하며 배치가 가능한 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템을 제공하는데 있다.
무선전력전송은 전기에너지를 전자기파 형태로 변환하여 전송선로 없이 전력을 전달하는 기술이다. 자기유도 방식, 자기공명방식, 전자기파 방식 등이 주로 사용되고 있으며 인체에 해가 없이 전송 효율을 높이고 많은 전력을 전송하기 위한 기술들이 개발되고 있다.
그런데, 무선전력전송 방식의 특성 상 송신기에서 수신기로 무선으로 전력이 전송될 때 송전기와 수전기의 위치 및 배치 각도 등에 따라 전송 효율에 많은 차이가 발생하게 된다. 따라서 신제품의 개발 또는 개발 제품의 특성 평가를 위해, 송수전기의 위치 및 배치의 변화에 따른 정밀한 평가가 필요하다. 수동 방식의 측정으로는 정확도 및 측정 시간 측면에서 비효율적이고, 자동 방식이라 하더라도 무선전력 송전기와 수전기간 모든 배치에 대한 측정이 가능하게 할 필요가 있다.
한국 등록 공고문헌 10-1704934 (공고일: 2017년 2월 23일)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 무선전력 전송 제품의 개발 시, 또는 기 개발된 제품에서 송전기와 수전기 간의 공간적 위치 및 정렬 상태에 따른 무선전력전송 특성을 측정하기 위해 자동으로 송수전기 위치 및 배열을 모든 방향으로 제어하여 측정할 수 있는 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은, 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 거치하는 고정 거치대, 송전기 또는 수전기 중 다른 하나를 거치하는 이동 거치대, 및 5축 구동 장치를 포함하되, 상기 5축 구동 장치는, 상기 이동 거치대를 x축 방향, 상기 x축 방향과 수직인 y축 방향 및 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면에 수직인 z축 방향으로 이동시키거나, 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 상기 이동 거치대를 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 5축 구동 장치는, 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상의 임의의 직선을 축으로 하여 상기 이동 거치대를 회전시켜 기울임을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 송전기 또는 상기 수전기에 연결된 계측부 및 상기 이동 거치대의 이동 방향 또는 회전 방향을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 금속 물체를 상기 고정 거치대와 상기 이동 거치대 사이에서 상기 x축, 상기 y축 또는 상기 z축으로 이동시켜 금속 이물질에 대한 영향성을 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은 상기 이동 거치대를 이동시켜 물리적 중심값을 일치시키는 제1차 원점 정렬을 수행한 후, 상기 이동 거치대를 재차 이동시켜 무선전력 전송 효율 또는 결합계수의 최대값이 측정되는 제2차 원점 정렬을 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2차 원점 정렬은, 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 상기 이동 거치대를 이동하여 측정치의 제1차 최대값을 찾은 후, 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향 및 상기 제2 방향의 반대 방향으로 상기 이동 거치대를 이동하여 측정치의 제2차 최대값을 찾음으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은, 무선전력 전송 제품의 개발 시, 또는 기 개발된 제품에서 송전기와 수전기 간의 공간적 위치 및 정렬 상태에 따른 무선전력전송 특성을 측정하기 위해 자동으로 송수전기 위치 및 배열을 모든 방향으로 제어하여 측정한 후 그 결과를 디스플레이하여 제시할 수 있다.
도 1은 전송효율이나 결합계수 측정시 송전기와 수전기 간 원점 정렬을 수행하는 모습을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 정면도이다.
도 5는 본 발명인 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템이 송전기와 수전기 간 원점을 정렬하는 일 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 개략도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 전송효율이나 결합계수 측정시 송전기와 수전기 간 원점 정렬을 수행하는 모습을 보여주는 개략도이다.
전송효율이나 결합계수 측정 시 송수전기간 원점 정렬이 매우 중요하다. 원점에서 최대 값이 나오도록 송전기와 수전기간 위치를 정렬할 필요가 있는데, 이를 위해 우선 송전기와 수전기간 중심을 맞춰 물리적으로 1차 원점 정렬을 거친 후, 이를 중심으로 미세하게 위치를 바꿔가면서 측정하여 최대값을 찾고 그 점을 원점으로 재 정렬하여 측정 기준으로 삼는다(2차 원점 정렬).
도 1 왼쪽 그림에서의 정렬방식에서 볼 수 있듯 일반적으로 제품 내부에 있는 코일은 외부에 드러나지 않기 때문에 초기 정렬을 할 때에는 제품 기준으로 중심을 잡아 1차 원점 정렬을 하게 된다. 하지만 도 1의 왼쪽 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 제품의 중심과 코일의 중심이 일반적으로 같지 않기 때문에, 도 1의 왼쪽 그림과 같이 정렬이 이루어진 경우 전송 효율이나 결합계수가 최대값이 나오지 않는다.
따라서 일차적으로 제품의 중심으로 1차 원점 정렬을 한 후에 수전기나 송전기를 상하좌우로 미세이동을 하면서 전송효율 또는 결합계수가 최대값이 나오는 위치를 찾기 위한 2차 원점 정렬을 수행할 필요가 있다. 이와 같이 2차 원점 정렬을 수행하게 되면 도 1의 오른쪽 그림과 같이 코일 간 정렬이 이루어져 이 위치를 원점으로 정한다. 이 새로운 원점을 기준으로 위치에 따른 측정을 수행하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 평면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 정면도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은, 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 거치하는 고정 거치대(미도시), 송전기 또는 수전기 중 다른 하나를 거치하는 이동 거치대(120), 및 5축 구동 장치(100)를 포함한다.
도 2 내지 도 4에서는 고정 거치대를 명확하게 표시하지는 않았으나, 고정 거치대는 이동 거치대(120)의 상방향 또는 하방향에 위치할 수 있다. 통상적으로는 이동 거치대(120)의 하방향에 고정 거치대가 위치하는 것으로 하고, 이 고정 거치대상에 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 거치할 수 있다. 이에 따라, 이동 거치대(120)는 고정 거치대(미도시)의 상방향의 어느 위치에서 5축 구동에 따른 원점 정렬을 수행하게 된다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 고정 거치대가 이동 거치대(120)의 상방향에 위치할 수도 있다.
또한, 이 5축 구동 장치(100)는, 이동 거치대(120)를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있다. 여기에서 y축 방향은 x축 방향과 수직인 방향이고, z축 방향은 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면에 수직인 방향이다. 도 2 내지 도 4에 도시된 x축, y축 및 z축 방향을 참고할 수 있다. 다만 이들 도면에서 도시하는 x축, y축 및 z축 방향은 일 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
x축 방향 및 y축 방향으로의 이동은 전송효율이나 결합계수의 최대점을 찾는 과정에서 활용된다. 이에 대해서는 이후 도 5를 통해 설명하기로 한다.
z축 방향으로의 이동은 송전기와 수전기 간의 거리에 변화를 두면서 전력 전송 효율을 측정하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 5축 구동 장치(100)는 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 z축을 기준으로 상기 이동 거치대를 회전(rotation)시킬 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이동 거치대(120) 상에 송전기 또는 수전기 중 어느 하나가 거치된 상태에서 이를 회전시킴으로써, 내부적으로 다양한 특성을 가질 수 있는 송전기와 수전기에 대한 전력 전송 특성을 세밀하고도 편리한 방식으로 자동 측정이 가능하다.
더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 5축 구동 장치(100)는 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상의 임의의 직선을 축으로 하여 이동 거치대(120)를 회전시켜 기울임(tilting)을 형성할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 역시 내부적으로 다양한 특성을 가질 수 있는 송전기와 수전기에 대한 전력 전송 특성을 다양한 위치에서 측정할 수 있게 한다.
이처럼, 송전기 또는 수전기를 5축으로 움직일 수 있으면 모든 경우의 배치에 대한 측정 및 평가가 가능해진다. 일반적으로는 송전기와 수전기간에 상하, 좌우, 전후(xyz) 방향의 3축에 대한 이동 배치를 고려할 수 있겠으나, 송전기와 수전기간 회전에 의해서도 송전 효율과 결합계수 변화가 있을 수 있으므로 회전축을 포함하면 4축 구동이 된다. 더 나아가, 송전기와 수전기가 서로 평행하게 있지않고 기울어져 있으면 송전 효율이나 결합계수에 영향을 미치는 것은 당연하므로, 본 발명에 따른 5축 구동 장치에 기울기 기능까지 추가함으로써 5축 구동으로 인한 송전기 또는 수전기의 이동 및 상태 변화가 가능하도록 설계한 것이다.
정리하면, 5축 구동 장치(100)는 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 x축, y축 및 z축 방향으로 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 회전시키거나 기울일 수 있어, 송전기와 수전기 간에 형성될 수 있는 모든 공간적 관계에 대한 측정이 가능하다.
도 5는 본 발명인 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템이 송전기와 수전기 간 원점을 정렬하는 일 실시예를 보여주는 개략도이다.
전송효율이나 결합계수의 최대점을 찾을 때 이동을 하게 되는데 크게 두 가지 방법이 있을 수 있다. 첫 번째 방법은 바둑판과 같이 일정한 면적의 모든 점에 대해 측정을 하고 그 값과 위치를 저장해둔 후 최후에 가장 큰 값을 가진 위치로 이동하는 방법으로 모든 경우에 사용가능하나 시간이 오래 걸리고 측정값과 위치를 저장해야 하는 번거로움이 있다.
전송효율이나 결합계수의 contour plot을 그려보면 일반적으로 peak가 하나가 존재한다. 따라서 전송효율이나 결합계수의 최대점을 찾기 위한 다음과 같은 두 번째 방법으로 측정치와 위치 저장없이 빠른 속도로 최종 원점을 찾을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 5축 구동 장치는, x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 이동 거치대를 이동하여 측정치의 제1차 최대값을 찾은 후, x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 제1 방향과 수직인 제2 방향 및 상기 제2 방향의 반대 방향으로 이동 거치대를 이동하여 측정치의 제2차 최대값을 찾을 수 있다.
도 5에서 도시하는 바와 같이, 초기 정렬점에서 제1 방향으로 이동한다. 측정치(전송효율 또는 결합계수)가 점점 커지므로 이동을 계속한다. 2번에서 최대가 되고 지나가면 다시 감소하기 시작한다. 감소하면 3번과 같이 제1 방향의 반대 방향으로 이동하여 바로 전 위치로 다시 복귀한다. 그리고 제2 방향 또는 제2 방향의 반대 방향으로 이동을 시작한다. 다시 말해, 4번과 반대방향으로 이동하면 측정치가 작아지므로 다시 2번 위치로 복귀한다. 4 번 방향으로 이동을 시작하면 측정치가 점점 증가하고 최종 정렬점을 지나면 다시 감소한다. 감소하기 시작할 때 다시 그 전 위치로 복귀한다. 이런 방식으로 최종 정렬점을 빠르고 효율적으로 찾을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은 계측부(200) 및 제어부(300)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어, 즉 '~모듈' 또는 '~테이블' 등은 소프트웨어, FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 기능들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
계측부(200)는 송전기 또는 수전기에 연결되어, Power Analyzer, Impedance Analyzer, Network Analyzer 등과 같이 전력 전송 효율 또는 특성을 계측할 수 있는 기능을 갖춘 장치일 수 있다. 또한, 제어부(300)는 이동 거치대의 이동 방향, 회전 방향 및 기울임 방향 및 정도를 제어하며, 이와 같은 제어는 내장된 소프트웨어를 통해 이루어진다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은 금속 물체(400)를 고정 거치대와 이동 거치대 사이에서 x축, y축 또는 z축으로 이동시켜 FOD((foreign object detection)와 관련된 수치들을 측정할 수 있다.
송전기와 수전기간 금속 물질이 있을 경우 송전 특성에 미치는 영향을 위치별로 측정하기 위해, 금속 물체(400)를 송전기(10)와 수전기(20) 사이에서 세 방향으로 이동시킨다. 일반적으로 금속 물질이 송전기(10)와 수전기(20) 사이에 위치해 있을 때, 송전 효율이 떨어지고 결합계수가 변동될 수 있다. 또한 송전기(10)와 수전기(20) 사이에서 그 금속 물질의 위치에 따라 측정치가 변동될 수 있으므로 송전기와 수전기 사이에서 위치 변화가 가능하게 한다.
또한, 이 경우 금속 물질이나 송전기 또는 수전기에서 과도한 열이 발생할 수 있다. 따라서 열화상 카메라(미도시)를 설치하여 송수전기와 금속물질을 실시간으로 촬영하면서 그 영향성을 파악할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템은 영상 표시부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 작업자는 영상 표시부(미도시)를 통해서 계측부(200)가 측정한 측정 결과를 화면을 통해 육안으로 확인할 수 있다. 영상 표시부(미도시)는 입력된 영상 신호를 디스플레이할 수 있는 음극선관(CRT, Cathode Ray Tube), 액정 화면(LCD, Liquid Crystal Display), 발광 다이오드(LED, Light-Emitting Diode), 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light-Emitting Diode) 또는 플라즈마 디스플레이(PDP, Plasma Display Panel) 등의 영상 표시 수단이 구비된 모듈로서 전달 받은 영상 정보를 디스플레이하는 역할을 한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 송전기
20: 수전기
100: 5축 구동 장치
110: 고정 거치대
120: 이동 거치대
200: 계측부
400: 금속 물체

Claims (6)

  1. 송전기 또는 수전기 중 어느 하나를 거치하는 고정 거치대;
    송전기 또는 수전기 중 다른 하나를 거치하는 이동 거치대; 및
    5축 구동 장치를 포함하되,
    상기 5축 구동 장치는,
    상기 이동 거치대를 x축 방향, 상기 x축 방향과 수직인 y축 방향 및 상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면에 수직인 z축 방향으로 이동시키거나,
    상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 상기 이동 거치대를 회전시키며,
    상기 이동 거치대를 이동시켜 물리적 중심값을 일치시키는 제1차 원점 정렬을 수행한 후,
    상기 이동 거치대를 재차 이동시켜 무선전력 전송 효율 또는 결합계수의 최대값이 측정되는 제2차 원점 정렬을 수행하는, 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 5축 구동 장치는,
    상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상의 임의의 직선을 축으로 하여 상기 이동 거치대를 회전시켜 기울임을 형성하는, 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송전기 또는 상기 수전기에 연결된 계측부; 및
    상기 이동 거치대의 이동 방향 또는 회전 방향을 제어하는 제어부를 더 포함하는, 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    금속 물체를 상기 고정 거치대와 상기 이동 거치대 사이에서 상기 x축, 상기 y축 또는 상기 z축으로 이동시켜 금속 이물질에 대한 영향성을 측정하는, 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2차 원점 정렬은,
    상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 제1 방향 및 상기 제1 방향의 반대 방향으로 상기 이동 거치대를 이동하여 측정치의 제1차 최대값을 찾은 후,
    상기 x축 방향과 y축 방향이 이루는 평면 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향 및 상기 제2 방향의 반대 방향으로 상기 이동 거치대를 이동하여 측정치의 제2차 최대값을 찾음으로써 수행되는, 무선전력전송 효율 및 특성 측정을 위한 자동 측정 시스템.
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