KR20080075114A - 밴드 코일을 가지는 선형 가변성 자기저항 액추에이터 - Google Patents

Abstract

밴드 코일을 가지는 선형 VR 모터 또는 액추에이터가 제공된다. VR 액추에이터는 싱글 'E' 또는 더블 'E'로서의 크기를 갖는 제 1 코어를 포함한다. 각 중심 돌출 바는 액추에이터를 프리로딩(preloading)하기 위한 강자성 물질 또는 세라믹 자성 물질로 만들어진 영구 자석으로 마개가 씌워져 있고, 이는 제어 능력 측면에서 유리하며, 액추에이터가 와이어를 통한 명목상의 전류 없이, 중력 하중에 반작용할 수 있게 한다. 제 1 코어 또한 강자성 물질로 형성된다. 돌출 바 사이에 공간은 그 돌출 바에 평행하게 배치되고 전기 전도성인 밴드 코일로 채워진다. 강자성 물질의 I-코어는 돌출 바에 수직으로 위치한다. 밴드 코일에 유도된 전류는 영구 자석에 의해 만들어진 자속을 제어 가능하게 증폭 또는 부정한다. I-코어(예컨대, 원형 축의 부분인)와 E-코어의 반대 부분에 있어서는 상이한 모양(예컨대, 원 모양)이 사용될 수 있다.

Description

밴드 코일을 가지는 선형 가변성 자기저항 액추에이터{LINEAR VARIABLE RELUCTANCE ACTUATOR HAVING BAND COILS}

본 개시물은 일반적으로 전자기 액추에이터(actuator)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시물은 밴드 코일을 가지는 가변 자기저항(reluctance) 액추에이터를 제공한다.

본 명세서에 참조로 병합되고 미국 특허 5,866,965호에 개시된 것과 같은 회전 가변성 자기저항(VR) 모터는, 일반적으로 스텝퍼(stepper) 모터로서 이용되고, 적절히 제어된다면, 서보모터(servomotor)와 상당히 유사하게 동작하도록 만들어질 수 있다. VR 모터는 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 가지지만, 다른 타입의 모터와는 달리, VR 모터에서의 고정자는 코일 권선{브러시가 없는 모터}을 포함한다. 보통 톱니(teeth)를 지닌 아이론(iron)와 같은 얇은 조각으로 된 침투성 자기 물질로 이루어지는 회전자는, 어떠한 코일 권선이나 영구 자석도 가지지 않은 수동 구성 성분이다. 회전자는 통상, 돌출부로 이루어지고, 그 돌출부 위에는 일련의 코일을 형성하기 위해 와이어가 감긴다. 이들 코일에 전압을 가하는 것은 회전하는 전자기 필드를 생성하기 위해 전자적으로 스위칭된다. 보통, 단일 코일 세트만이 임의의 주어진 시각에 전압이 가해진다.

1개의 고정자 코일 세트에 전압이 가해지면, 자속 경로가 코일 둘레와 회전자 내부에 생성된다. 회전자는 자기 필드에 의해 생성된 자속 라인에 정렬하도록 토크를 받아 자속 경로를 최소화한다. 회전자 코일의 적절한 스위칭 및 전압 인가를 통해, 회전자는 임의의 원하는 속도와 토크로 회전하도록 조장될 수 있다.

이러한 설정은 많은 다른 타입의 모터보다 더 나은 성능을 제공한다. VR 모터는 효율적인 동작을 위해 정현(sinusoidal) 여기 파형을 요구하지 않아, 다른 개선된 가변 속도 시스템으로 가능한 것보다 넓은 속도 범위에 걸쳐 더 높은 토크와 효율성을 유지할 수 있다. VR 모터를 여기시키는데 필요한 최적의 파형은 높은 자연 조화(natural harmonic) 콘텐츠를 가지고, 통상 미리 결정된 회전자 각도로 모터 코일에 인가된 고정된 전압의 결과이다. 그러한 파형은 사실상 임의의 속도로 달성될 수 있다.

또한, 정류가 회전자 각도에 관해 정확하게 제어될 수 있는 한, 모터는 그것의 예측된 높은 효율성으로 동작하게 된다. 실제로, VR 기술을 사용하면, 양호한 가격으로 90%가 넘는 시스템 효율과 가변 속도를 갖는 저비용의 모터를 설계하는 것이 가능하다.

VR 모터는 또한 다른 이득을 제공한다. VR 모터는 그것이 공급하는 부하와 정확히 매칭하도록 프로그래밍될 수 있고, 그것들의 간단하고, 거친 구성은 값비싼 자석이나 AC 유도 모터와 같은 다람쥐 우리를 가지지 않는다. 어떠한 내부 여기 또는 영구 자석이 없다면, 모터는 본질적으로 과부하에 저항성이 있고, 단일점(single-point) 실패를 겪지 않는다.

이들 이득은 1800년대의 초기 몇십 년간 VR 모터의 초기 사용 이후에 대부분 숨겨진 채로 있었다. 1980년대 초기에 다시 등장한 모터는 브러시가 없는 모터를 위한 전자 제어기의 개발과 더불어, 이들 동일한 제어기가 또한 상당한 비선형 VR 모터용으로 사용될 수 있었다.

미국방부는 적극적으로 VR 모터 애플리케이션을 추구하였다. 그러한 모터는 터빈 엔진용 발전기로부터 제트기용 펌프 모터까지의 애플리케이션에서 시용되었다. 그 기술은 비용이 아닌 신뢰성이 가장 중요한 우선 순위를 가지는 애플리케이션에서 매우 매력적이다. 동일한 이유로, 항공 우주 산업 또한 항공기 플랩(flap)용 액추에이터 제어를 포함하는 애플리케이션을 위한 VR 모터를 사용하기 시작하였다.

하지만 VR 모터는 결점이 있다. 가장 심각한 문제점은 모터의 높은 맥동 자속에 의해 종종 야기된 음향 잡음과 큰 진동이다. 이 잡음은 전자 장치에 구성 성분을 추가하고, 특별한 자기 회로를 설계하며, 기계 설계를 조정함으로써 감소될 수 있지만, 이들 조치 중 일부 또는 전부를 취하는 것은 모터의 이득과의 절충을 필요로 한다. 설계자는 일반적으로 특별한 애플리케이션에 적합하게 하기 위해, 잡음 감소와 성능의 올바른 결합을 선택한다.

또다른 한계는 토크 리플(torque ripple)이다. VR 모터에 매끄러운 토크 프로파일을 주는 것이 어려울 수 있어, 서보모터로서 사용되기보다는 가변 속도 모터를 대신해서 더 자주 사용된다. 보상을 위한 인코더와 전자 장치를 추가하는 것과 같은 토크 리플을 제어하는 방식들이 존재하지만, 이들 추가된 제어는 적어도, 모 터 자체가 절약하는 만큼 많이 비용이 늘어난다. 토크 리플이 우선 관심 사항이라면, 최상의 대안책은 영구 자석 모터가 될 수 있다.

VR 모터는 통상 0.5㎜보다 작은, 비교적 작은 공기 간극(air gap)을 가지고 작동한다. 샤프트(shaft)가 중심을 벗어나 있으면(off-axis), 균형이 맞지 않는 탄젠트(tangential) 힘이 강한 비선형 동작으로 인해 작용하게 되어, 샤프트와 베어링(bearing) 시스템이 일반적으로 다른 모터에 비해 더 높은 품질을 가질 필요가 있다. 많은 모터 설계자가 이 공기 간극을 넓히기 위한 설계에 몰두하고 있다.

시스템이나 스테이지(stage)의 위치 선정과 같은 연속적이지 않은 회전 애플리케이션에 있어서, 선형 VR 모터와 액추에이터는 특히 높은 외부 부하{높은 K-인자(factor)}를 지닌 애플리케이션에서 로렌츠(Lorentz) 모터와 액추에이터에 비해 매우 효율적이다. 로렌츠 모터 또는 액추에이터는 자속 경로의 상당한 부분에 있어서 공기 및 자기 물질(공기로 간주될 수 있는)을 통과하는 자기 필드에서 와이어 코일 또는 밴드 코일로 이루어져서, 이들 모터 또는 액추에이터가 다소 비효율적이 된다. 반면에 VR 모터와 액추에이터에서는, 자기 필드를 포획하기 위해 고정자와 움직이는 것(회전자) 모두에 아이론이 사용되어, 공기 간극이 훨씬 더 작다.

그 결과, 로렌츠 모터와 액추에이터에서의 에너지 소모는 등가의 힘에 대해 VR 모터와 액추에이터에 비해 상당히 더 높다.

통상, VR 모터와 액추에이터에서의 코일은 0.25㎜ 내지 0.5㎜ 정도의 직경을 지닌 원형의 구리 와이어로 만들어진다. 이들 와이어는 일반적으로 오르토사이클릭-와인딩(orthocyclic-winding) 방법을 사용하여 감긴다.

이 오르토사이클릭-와인딩 방법은 최대 충진(filling)을 달성하기 위해 원형 와이어에 대한 특별한 감는 기술로서 정의된다. 와이어 코일을 임의로 적층하는 대신, 오르토사이클릭-와인딩 방법은 와이어를 서로 엇갈리게 하여, 제 2 층의 와이어가 이전 레벨의 2개의 와이어 권선 사이에 형성된 공간에 위치하게 된다. 그러므로, 전체 코일 영역에 대한 와이어의 실제 전도성 금속의 비로서 정의된 충진 인자(filling factor)는 이론상 원형 와이어의 경우에 최대가 된다.

기존의 와이어 코일에서의 오르토사이클릭-와인딩 방법에도 불구하고, 구리의 충진 인자는 와이어 사이에 갇힌 공기 때문에 제한된다. 임의로 적층되어 감긴 와이어에 있어서는, 약 0.7인 충진 인자가 적당하고, 오르토사이클릭-와운드(wound) 코일에 있어서는 약 0.8의 실제 충진 인자가 얻어질 수 있다(이론상 권선수가 큰 경우에 있어서는 0.906). 또한, 전류 전도성 와이어에서 발생된 열은 주변에 효율적으로 전달되지 않는데, 이는 개별 와이어의 격리 커버의 낮은 열 전도성으로 인한 것이다. 와이어의 열 저항성은 일반적으로 주어진 길이에 걸쳐 금속만의 저항성보다 100의 인자만큼 더 크다.

종래의 와이어 코일의 비교적 높은 열 저항성은, 액추에이터의 일정한 듀티 사이클 동안, 단위 단면적당 최대 전류, 즉 전류 밀도의 제한을 초래하고, 따라서 단위 체적당 최대 모터 힘이 제한된다. 이 문제는 또한 전류 전도성 와이어에 기초한 로렌츠 액추에이터에 대해서도 존재한다.

VR 모터 또는 액추에이터(높은 k-인자의)의 효율을 냉각체(cooling body)에 대한 더 나은 열 전도성으로 인한, 개선된 최대 전류 밀도와 결합하기 위해, VR 모터와 액추에이터에 밴드 코일이 제안된다. 이들 밴드 코일은 구리, 알루미늄, 또는 높은 전기 및 열 전도성을 가지는 다른 그러한 물질로 형성된다. 특히 높은 처리량을 갖는 애플리케이션(높은 듀티 사이클)에 있어서는, 더 높은 최대 모터 힘이 획득된다.

또한, 더 낮고 더 안정적인 동작 온도가 동일한 액추에이터 부하 또는 전류 밀도로 인해 실현된다. 상기 결과의 더 낮은 동작 온도는 정밀도가 높은 애플리케이션에서 추가된 이득을 제공한다.

본 개시물은 가로대를 기점으로 수직으로 돌출한 복수의 바를 가지는 제 1 코어를 포함하는 선형 VR 모터 또는 액추에이터를 제공한다. 또한, 영구 자석이 직립 바 중에서 중심 바의 상부에 위치할 수 있고, 복수의 밴드 코일이 복수의 바 사이에 위치한다. 그 밴드 코일은 전기 전도성 물질로부터 형성된다. 또한, 바로서의 크기를 갖는 제 2 코어가 그 직립 바 위에 위치한다.

본 개시물의 이들 및 다른 특징, 양상, 및 장점은, 다음 상세한 설명, 첨부된 청구항 및 도면을 참조하여 더 잘 이해된다.

도 1은 본 개시물에 따른 단면(single-sided) 선형 VR 액추에이터의 단면도.

도 2는 본 개시물에 따른 양면(dual-sided) 선형 VR 액추에이터의 단면도.

여기서 '선형(linear)'이란 해석상 움직임 방향, 특히 자속 라인(flux line) 에 평행한 방향을 가리키는데, 다시 말해서 미국 특허 5,866,965에서 설명된 것과 같은 회전(rotary) 애플리케이션에서 사용된 접선력에 비해, 회전자와 움직이는 것(mover) 사이에 간극 높이를 증가 또는 감소시키는데 기본적으로 정상적인 힘이 사용되고, 이러한 미국 특허 5,866,965에서의 접선력은 고정자 톱니로부터의 자속 라인에 회전자 톱니를 정렬하기 위해 자속 라인에 거의 직교하고, 이는 일정한 간극에서 옆 방향으로의 움직임을 의미한다.

도 1을 참조하면, 본 개시물의 일 실시예가 도시되어 있다. 본 개시물의 단면 선형 VR 액추에이터(100)는 강철(steel) 또는 임의의 다른 강자성(Ferro-magnetic) 금속으로 만들어진 E-코어를 사용하여 구성되거나 합금이 사용될 수 있다. E-코어는, 그것의 이름이 의미하듯, 그것의 면에 대문자 'E'가 뒤집힌 것으로 모양을 하고 있다. E-코어(102)의 수직 바 사이의 공간은 복수의 빽빽히 채워진 전류 전도성 밴드 코일(104)로 차 있다. 또한, 중심 수직 바는 액추에이터를 프리로딩(preloading)하기 위한 강자성 물질 또는 세라믹 자성 물질로 만들어진 영구 자석(106)으로 씌워질 수 있고, 이는 제어 능력 관점에서 유리하여, 액추에이터로 하여금 와이어를 통한 정상적인 전류 없이 중력 부하에 반작용하는 것을 가능하게 한다. 수직 바 반대쪽에는 강철로 만들어진 I-코어(108)가 위치하거나 임의의 강자성 금속 합금이 사용될 수 있다.

영구 자석(106)이 존재하는 경우, 액추에이터(100)는 수직 방향으로 자기 인력, 즉 점선으로 된 화살표(110)에 의해 표시된 방향으로 I-코어(108)에 수직력을 유도한다. 그러므로, 0과 같은 전류에서, E-코어(102)는 E-코어(102)와 I-코 어(108) 사이의 간극이 0일 때까지 위로 끌어 당겨진다.

밴드 코일(104)에 전류를 인가하게 되면, 전류 방향에 기초하여 영구 자석(106)으로부터의 자속이 증폭되거나 없어진다. 자속을 증폭함으로써, E-코어(102)는 E-코어/I-코어 간극을 더 신속하게 메운다. 하지만, 밴드 코일(104)을 통과하는 전류 흐름의 방향을 변경함으로써, 자속은 부분적으로 없어지고, E-코어(102)는, 예컨대 중력으로 인해 더 낮아지며, 따라서 E-코어/I-코어 간극은 증가한다. E-코어(102)가 위아래로 움직이는 속도는 실제 전류 값과 방향에 의존적이다. 그러므로, 관련 분야에 알려진 간극 측정 수단을 가지는 제어 루프를 적용함으로써, 액추에이터(100)는 정밀 스캐닝을 위한 움직일 수 있는 스테이지와 같은 애플리케이션에서 선형 위치 선정 디바이스로서 사용될 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 이전 실시예의 1개의 E-코어(102) 대신, 2개의 E-코어(202)를 가진 양면 VR 액추에이터(200)가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것과 같은 단면 VR 액추에이터(100)가, 예컨대 제어 능력 관점에서 중력이나 또다른 액추에이터에 의해 제공된 추가 외부 부하를 요구하는데 반해, 도 2에 도시된 양면 VR 액추에이터(200)는 임의의 추가 외부 부하를 필요로 하지 않는다.

2개의 E-코어(202)의 수직 바 사이의 공간은 복수의 빽빽히 채워진 전류 전도성 밴드 코일(204)로 차 있다. 또한, 각 중심 수직 바는 각각의 개별 액추에이터 부분을 프리로딩하기 위해 영구 자석(206)으로 씌워질 수 있고, 이는 제어 능력 관점에서 유리하며, 액추에이터로 하여금 통과하는 정상적인 전류 없이 상부 자기력과 하부 자기력 사이의 차이로서의 중력 부하에 반작용할 수 있게 한다.

영구 자석(206)에 제공되는 경우, 액추에이터(200)는 수직 상방과 수직 하방으로의 인력, 즉 점선으로 된 화살표(210)에 의해 표시된 방향으로 I-코어(208) 모두에 수직력을 유도한다. 2개의 개별 자석의 세기와 수직 위치에 따라, 2개의 E-코어 액추에이터가 상방 또는 하방으로 I-코어(208)에 자기적으로 끌어당겨진다. 도시된 것처럼, 2개의 반대 방향으로 끌어당기는 힘(210)을 겪음으로써, 2개의 E-코어는, 0인 전류에서, 2개의 I-코어(208) 사이 중간에 위치하는데, 영구 자석(206) 사이의 차이에 따라, 선형 VR 액추에이터가 스테이지로의 중력에 반작용할 수 있다. 밴드 코일(204)을 통해 흐르는 전류의 크기와 방향을 변화시키면, 2개의 E-코어를 한 방향 또는 다른 방향으로 치우치게 한다.

본 발명의 실시예가 1개의 I-코어와, 1개의 E-코어 또는 2개의 E-코어 중 어느 하나를 가지는 것으로 설명되었지만, 특별한 애플리케이션에 따라 원형 코어와 같은 다른 모양이 사용될 수 있다는 점이 주목되어야 한다.

설명된 본 발명의 실시예는 제한적이 아닌 예시적인 것으로 의도되고, 이는 본 발명의 모든 실시예를 나타내는 것으로는 의도되지 않는다. 글자 뜻 그대로 그리고 법적으로 인정된 등가물로 다음 청구항에 설명된 것처럼, 본 발명의 취지와 범주로부터 벗어나지 않으면서 (예컨대, 원형 축의 부분인) I-코어와 E-코어의 반대 부분에 대한 상이한 모양(예컨대, 원형 모양)을 사용하는 것과 같이, 다양한 수정과 변형이 이루어질 수 있다.

첨부된 청구항을 해석하는데 있어서,

a) "포함하는"이라는 단어는 주어진 청구항에서 열거된 것 외의 다른 요소나 행위의 존재를 배제하지 않는다;

b) 단수 형태로 기재된 구성 요소는 그러한 요소의 복수개를 배제하지 않는다;

c) 청구항에서의 임의의 참조 기호는 그것들의 범주를 제한하지 않는다;

d) 여러 "수단(means)"은 구조나 기능을 구현한 동일한 항목(item) 또는 하드웨어나 소프트웨어로 나타낼 수 있다;

e) 특별히 달리 기술되지 않는 한, 개시된 디바이스나 그 부분 중 임의의 것이 함께 결합되거나 추가 부분으로 분리될 수 있다;

f) 특별히 표시되지 않는 한, 어떠한 행위의 특정 시퀀스도 요구되는 것으로 의도되지 않는다는 사실이 이해되어야 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 전자기 액추에이터, 특히 밴드 코일을 가지는 가변 자기저항 액추에이터에 이용 가능하다.

Claims (20)

1. 선형 VR 모터 또는 액추에이터로서,

   가로대(crossbar)로부터 수직으로 돌출하는 복수의 바(bar)를 가지는 제 1 코어,

   전기 전도성인 물질로 형성되고, 상기 복수의 바 사이에 위치한 복수의 밴드 코일,

   상기 제 1 코어의 상기 복수의 바 위에 위치하고, 바로서의 크기를 갖는 제 2 코어를

   포함하는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
2. 제 1항에 있어서, 중심 직립(upright) 바의 상부에 위치한 영구 자석을 더 포함하는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 바는 3개의 등간격으로 이격된 바인, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 바는 3개의 바의 제 1 세트와 3개의 바로 이루어진 제 2 세트로 배치되고, 상기 제 2 세트는 상기 제 1 세트 반대쪽의 상기 가로대 쪽에 위치하는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어는 강자성(Ferro-magnetic) 물질로 형성되는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 영구 자석은 세라믹 물질로 형성되는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
7. 제 1항에 있어서, 상기 영구 자석은 강자성 물질로 형성되는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
8. 제 1항에 있어서, 상기 영구 자석의 자속이 제어 가능하게 증폭되거나 부정될 수 있도록 상기 밴드 코일에 전류가 유도되는, 선형 VR 모터 또는 액추에이터.
9. VR 모터 또는 액추에이터로서,

   가로대로부터 수직으로 돌출하고 등간격으로 이격되는 3개의 직립 바를 가지는 제 1 코어,

   전기 전도성인 물질로부터 형성되고 상기 복수의 직립 바 사이에 위치하는 복수의 밴드 코일, 및

   상기 3개의 직립 바 위에 위치하고, 바로서의 크기를 갖는 제 2 코어를

   포함하는, VR 모터 또는 액추에이터.
10. 제 9항에 있어서, 상기 3개의 직립 바의 중심 바의 상부에 위치한 영구 자석을 더 포함하는, VR 모터 또는 액추에이터.
11. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어는 강자성 물질로 형성되는, VR 모터 또는 액추에이터.
12. 제 9항에 있어서, 상기 영구 자석은 세라믹 물질로 형성되는, VR 모터 또는 액추에이터.
13. 제 9항에 있어서, 상기 영구 자석은 강자성 물질로 형성되는, VR 모터 또는 액추에이터.
14. 제 9항에 있어서, 상기 영구 자석의 자속이 제어 가능하게 증폭되거나 부정될 수 있도록 상기 밴드 코일에 전류가 유도되는, VR 모터 또는 액추에이터.
15. VR 모터 또는 액추에이터로서,

    중심 가로대로부터 수직으로 돌출하는 제 1 세트의 바를 가지는 제 1 코어,

    상기 중심 가로대에 수직으로 돌출하고 상기 제 1 세트의 바의 반대 쪽에 위치하는 제 2 세트의 바로서, 상기 제 1 세트의 바는 상기 중심 가로대를 따라 등간 격으로 이격되고, 상기 제 2 세트의 바는 상기 중심 가로대를 따라 등간격으로 이격되는, 제 2 세트의 바,

    전기 전도성이 물질로부터 형성되고, 상기 복수의 직립 바 사이에 위치하는 복수의 밴드 코일,

    상기 제 1 세트의 바 위에 위치하고, 바로서의 크기를 갖는 제 2 코어, 및

    상기 제 2 세트의 바 위에 위치하고, 바로서의 크기를 갖는 제 3 코어를

    포함하는, VR 모터 또는 액추에이터.
16. 제 15항에 있어서, 제 1 세트의 중심 바의 상부에 위치하는 제 1 영구 자석과, 제 2 세트의 중심 바의 상부에 위치하는 제 2 영구 자석을 더 포함하는, VR 모터 또는 액추에이터.
17. 제 15항에 있어서, 상기 제 1 세트의 바는 3개의 등간격으로 이격된 바를 가지고, 상기 제 2 세트의 바는 3개의 등간격으로 이격된 바를 가지는, VR 모터 또는 액추에이터.
18. 제 15항에 있어서, 상기 제 1 코어와 상기 제 2 코어는 강자성 물질로 형성되는, VR 모터 또는 액추에이터.
19. 제 15항에 있어서, 상기 제 1 영구 자석과 상기 제 2 영구 자석은 강자성 물 질과 세라믹 물질 중 하나로 형성되는, VR 모터 또는 액추에이터.
20. 제 15항에 있어서, 상기 제 1 영구 자석의 자속이 제어 가능하게 중폭되거나 부정되고, 상기 제 2 영구 자석의 자속이 반대로 영향을 받도록, 상기 밴드 코일에 전류가 유도되는, VR 모터 또는 액추에이터.

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