KR20130049570A - 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수 순환을 위한 자동차용 워터펌프의 구성을 단순화하여 회전자와 임펠러의 동기화가 해제되는 것을 막아 워터펌프의 구동효율을 극대화하기 위해 임펠러와 회전자를 일체화함으로써, 고정자에 대해 뛰어난 자기적 특성으로 진동의 영향을 최소화한 채 회전자 및 임펠러가 동기 회전 구동되어 안정적으로 냉각수를 순환시킬 수 있도록 한 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프에 관한 것이다.
그 구성은 자동차용 워터펌프(A)에 있어서, 상면 중앙에 샤프트(31)를 직립 설치한 채 모터커버(1)상에 설치되며, 내부 중앙에는 스톱핀(21)에 의해 고정자가 설치되고, 그 둘레부 외측으로 상면이 개방되는 공간부(32)를 형성한 모터 케이스(3)와; 회전자 본체(51)와 임펠러 몸통부(52)로 구성되어, 회전자 본체(51)의 원통형 둘레부 내에는 삽입홈(51a)을 형성하여 영구자석 삽입 후 커버링(56)으로 융착ㆍ마감하고, 임펠러 몸통부(52) 상에는 덮개(55)를 갖는 베인(54)을 일체로 융착ㆍ설치하며, 상기 임펠러 몸통부(52)는 부시(7)를 개재하여 상기 샤프트(31)에 끼워져 조립되고, 상기 회전자 본체(51)의 원통형 둘레부는 상기 모터 케이스(3)의 고정자(2) 외측 공간부(32)에 끼워져 회전되게 한 회전자(5)와; 모터작동을 제어하는 PCB기판(11);으로 이루어진다.
따라서 워터펌프를 구성하는 임펠러와 회전자가 별도의 연결축이나 고정축에 의해 연결되지 않고 일체화된 상태에서 회전자가 고정자를 에워싸는 형태로 안정적인 설치상태를 유지할 수 있게 되므로, 워터펌프 작동시 유량손실에 따른 유량효율의 저하를 막아 워터펌프의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프{Water pump for automobile having a outer type rotator with a permanent magnet}

본 발명은 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차용 워터펌프를 구성하는 회전자를 엔지니어링 플라스틱 재로 되는 원통형의 회전자 본체와, 이 회전자 본체 상면에 다수의 베인이 부착 형성되는 임펠러 몸통부로 일체화하여 구성하되, 상기 회전자 본체의 원통형 둘레부 내에는 삽압홈을 형성하여 네오디움(Nd)계 자석이나, 페라이트 소결자석으로 되는 영구자석을 삽입함으로써, 모터 케이스 내부에 설치된 고정자에 대응하여 회전되게 하여 별도의 구동축이나 연결축의 구성없이 임펠러가 회전자와 동기 구동토록 한 것이다.

이와 같이 회전자와 임펠러와 회전자가 일체화 되어 동기 구동하게 함으로써, 양자는 뛰어난 자기적 특성으로 진동의 영향을 최소화한 상태로 구동되게 되므로, 회전자가 고정자에 대해 안정적인 설치상태를 유지할 수 있게 될 뿐만 아니라, 워터펌프 작동시 유량손실에 따른 유량효율의 저하를 막아 전체적인 자동차의 성능 저하를 예방할 수 있는 동시에, 워터펌프의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 자동차에는 차량의 엔진냉각 및 실내 난방을 위한 엔진 및 히터에 냉각수를 안정적으로 순환시키기 위하여 전기식 워터펌프가 설치된다.

이들 워터펌프는 상부의 임펠러가 영구자석으로 되는 회전자에 축 결합으로 연결된 상태에서, 회전자가 고정자로부터 발생 되는 자기장에 의해 회전되도록 하여 회전자와 연결된 임펠러가 회전하면서 냉각수를 순환시킬 수 있도록 하고 있는 것이었다.

이와 같은 종래의 워터펌프는, 첨부도면 중, 도 1에 대한민국 공개특허 제10-2011-0055277호의 '전기식 워터펌프'의 구성을 단면도로 도시하고 있는 바와 같이, 이는 고정자(102)(104)(108)(109)에 의해 회전되는 회전자(84)(86)(88)(90) 중앙에 설치된 샤프트(83) 선단에 임펠러(22)를 설치하여, 회전자가 고정자로부터 발생되는 자기장에 대응, 반응하면서 회전되도록 하여 회전자 선단에 부착, 설치된 임펠러(22)가 회전하면서 목적한 냉각수의 순환이 이루어지도록 하는 것인바, 이는 임펠러와 회전자가 분리 구성되는데 따른 펌프의 크기가 대형화되는 문제와 함께, 회전자의 영구자석이 장시간 냉각수에 노출되어 부식을 초래할 수 있는 문제를 막기 위해 영구자석의 외주면을 감싸는 2차적인 케이스를 이용하여 영구자석이 냉각수에 노출되는 것을 막도록 하는 구성으로 되어있다.

그러나 상기한 2차적인 케이스는 저수축재인 칼륨계를 포함한 복합원료 (Bulk Mold Compound ; BMC)를 고온에서 녹여 영구자석을 포함한 회전자 결합체와 함께 고온에서 사출 성형해야하므로, 고온에서 취약한 영구자석의 자기적 특성상 그 성능이 저하될 우려가 있고, 자기적 특성이 저하된 회전자는 모터의 회전력 손실을 초래할 뿐만 아니라, 워터펌프의 성능 저하 원인이 될 수 있는 등의 문제점이 있는 것이었다.

또한 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 대한민국 특허출원 제10-2008-0131459호의 경우에는, 하우징(010) 내부에 설치되는 회전모터(013) 선단부에 회전축(011)을 연결하고, 이 회전축(011) 선단에 시일(016)과 함께 임펠러(012)를 설치하여 회전모터(013)의 회전력이 임펠러(012)에 전달되게 하여 임펠러(012)가 회전되면서 냉각수의 순환이 이루어지도록 하는 구성인 바, 이는 회전모터(013)의 회전축(011)에 시일(016)이 설치되어 회전축(011)에 시일(016)이 습동하여 회전하는 구조로서, 회전모터(013)의 장시간 작동시 시일(016)의 내마모성 저하로 인하여 냉각수의 유입에 따른 베어링 파손과 함께, 하우징(010) 내부로 냉각수가 유입되는 것을 막기 위해 배출 홀(드레인 홀)을 형성하였으나, 이는 원천적으로 모터부와 펌프부를 분리하여 방수하는 구조가 아니므로 통전으로 인한 파손을 미연에 방지할 수 없게 되는 등의 문제점이 있는 것이었다.

또한 미국특허 제7896626호의 전동펌프가 제안되어 있는바, 이는 워터펌프를 주 케이스와 펌프케이스로 분리 구성하여 각 격벽에 의해 원천방수 되도록 하는 구조로서 센서와 고정자를 일체로 구성하는 모터와 유동저항을 감소시키는 유동관로 및 홀을 구성하는 회전자 일체형 임펠러 케이스와 씰링 및 펌프의 성능을 향상시키는 구성으로서, 펌프 케이스와 축을 고정하는 구조로 되는 것이다.

이 역시도 대한민국 공개특허 제10-2011-0055277호의 '전기식 워터펌프'의 구성과 동일하게 영구자석 및 영구자석을 고정하기 위한 요크(Yoke)를 포함한 회전자 결합체를 고온에서 사출 성형하여 영구자석의 외주면을 감싸는 2차적인 케이스를 구성하는 것에 의해, 영구자석의 냉각수 노출을 차단하는 구조이므로, 이는 고온에 취약한 영구자석의 자기적 특성이 저하될 수 있고, 자기적 특성이 저하된 회전자는 모터의 회전력 손실을 초래하게 될 뿐만 아니라, 워터펌프 성능 저하의 원인이 되는 등의 문제점이 있는 것이었다.

그리고 유럽특허 공개번호 제2004-EP1 635064 A1호의 펌프의 경우는, 펌핑장치와 모터를 연결함에 있어서, 이 경우 펌핑실의 격벽을 관통하여 모터를 연결하여야 할 뿐만 아니라, 모터제어기를 측면에 설치하는 구조이므로 펌프의 구조가 복잡해짐과 동시에, 그만큼 펌프의 작동성능이 저하되게 되는 문제점이 있으며,

또한 대한민국 특허출원 제10-2004-0073241호의 "차량용 워터펌프 임펠러 조립체의 제조방법"은 원판 상면에 특정각도로 경사각을 갖는 복수의 베인을 구비한 상태에서 이 베인에 대응하는 다수의 홈을 갖는 덮개를 덮어 초음파 융착하여 목적한 임펠러 조립체를 제조할 수 있도록 하는 것으로, 이는 단순히 임펠러의 제작을 덮개와 베인으로 구분 구성하여, 서로 초음파 융착 함으로써 일체와 시키도록 한 구성이다.

대한민국 공개 특허 제10-2011-0055277호 대한민국 특허 출원 제10-2008-0131459호 미국특허 제7896626호 유럽특허 공개 제2004-EP1 635064 A1호 대한민국 특허 출원 제10-2004-0073241호

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같이 자동차의 냉각수 순환을 위해 설치, 사용되는 종래의 자동차용 워터펌프가 지닌 제반 문제점을 해결하기 위하여, 회전자를 회전자 본체와 임펠러 몸통부로 일체로 구성하여, 모터커버 상에 설치되는 모터 케이스의 둘레부에 회전자 본체의 원통형 둘레부가 회전 가능한 상태로 설치되게 하되, 상기 회전자 본체의 원통형 둘레부 내부에는 네오디움계 자석이나, 페라이트 소결자석으로 되는 영구자석을 삽입설치 하고, 임펠러 몸통부에는 덮개를 갖는 복수의 베인을 융착ㆍ설치한다.

상기 원통형 둘레부 내의 영구자석으로 하여금 고정자로부터의 자기장에 강하게 반응하여 회전자가 회전되도록 하여, 상기 회전자 본체의 상면에 일체로 형성되는 임펠러 몸통부의는 복수의 베인에 의해, 냉각수가 순환되게 함으로써, 워터펌프의 핵심 구성요소인 임펠러와 회전자를 하나의 부품으로 설치ㆍ사용 가능하게 하여, 워터펌프의 구성 부품을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각수의 유동저항에 대응하는 보자력을 향상시켜 회전자와 고정자의 동기화 해제 가능성을 없애 모터의 뛰어난 토크 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 되므로, 자동차용 워터펌프의 유동손실을 최소화하여 워터펌프의 성능을 향상시킨 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프는, 자동차용 워터펌프에 있어서, 상면 중앙에 샤프트를 직립 설치한 채 모터커버상에 설치되며, 내부 중앙에는 스톱핀에 의해 고정자가 설치되고, 그 둘레부 외측으로 상면이 개방되는 공간부를 형성한 모터 케이스와; 회전자 본체와 임펠러 몸통부로 구성되어, 회전자 본체의 원통형 둘레부 내에는 삽입홈을 형성하여 영구자석 삽입 후 커버링으로 융착ㆍ마감하고, 임펠러 몸통부 상에는 덮개를 갖는 베인을 일체로 융착ㆍ설치하며, 상기 임펠러 몸통부는 부시를 개재하여 상기 샤프트에 끼워져 조립되고, 상기 회전자 본체의 원통형 둘레부는 상기 모터 케이스의 고정자 외측 공간부에 끼워져 회전되게 한 회전자; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프에 의하면, 워터펌프의 핵심구성 요소인 임펠러와, 이 임펠러를 회전구동시키는 회전자를 별개의 구성이 아닌 임펠러 몸통부와 회전자 본체로 일체화하여 하나의 부품으로 구성하되, 회전자 본체의 원통형 둘레부 내의 삽입 홈에는 네오디움계 영구자석을 삽입시켜 고정자에 대응하여 회전자가 강한 회전력으로 회전되도록 함으로써, 뛰어난 자력특성으로 인해 고정자와 회전자 간의 동기화가 해제될 우려를 불식시킬 수 있게 된다.

따라서, 자기특성의 유지가 용이하게 되며, 또한 임펠러 몸통부를 원뿔대형으로 형성하고 있으므로, 냉각수의 흐름을 원할하게 하여 적은 전력소모만으로 워터펌프의 성능 향상을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 자동차 차체에서 발생되는 진동에 대해서도 방진용 브라켓을 설치하지 않고서도 진동의 영향을 최소화 할 수 있게 되어, 워터펌프의 작동 성능을 향상시킬 수 있게 되는데 따른 자동차의 주행 성능 또한 제고할 수 있게 되는 등의 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 종래 워터펌프의 단면도.
도 2는 종래 워터펌프의 다른 예의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 워터펌프의 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 워터펌프의 분해 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 워터펌프의 조립 단면도
도 6은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 분해 사시도.
도 8은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자 본체의 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 조립 단면도.
도 10은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 다른 예의 분해 사시도.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프(A)는, 크게 고정자(2), 모터케이스(3), 펌프케이스(4) 및 회전자(5)로 이루어진다.

상기한 고정자(2)는 원통형으로 되어, 둘레에 상부가 개방되는 형태로 공간부(32)를 형성한 모터 케이스(3)의 중앙 내측 공간에 스톱핀(21)에 의해 고정 설치된 상태에서, 그 하부의 모터커버(1) 내에 설치된 PCB 기판(11)에 의해 작동 인가되어, 이 고정자(2) 둘레의 공간부(32)에 고정자(2)를 에워싸는 형태로 설치되는 회전자 본체(51)의 영구자석(6)에 대해 자력이 작용하도록 하고 있다.

상기한 모터케이스(3)는 엔지니어링 프라스틱(PPS) 재질로 사출성형 되어 내측의 중앙 공간에는 고정자(2)가 스톱핀(21)에 의해 고정설치되고, 그 상면 정 중앙에는 샤프트(31)를 직립 설치한 상태에서, 워터펌프(A) 최하부의 모터커버(1) 상에 설치되어 그 가장자리 측 상면에 펌프케이스(4)가 결합되는 것으로, 상기 모터케이스(3)의 고정자(2)측 둘레벽과 펌프케이스(4) 결합부 측 내측 둘레에는 일정크기의 공간부(32)를 상면이 개방되는 형태로 형성하여, 후술하는 회전자(5)의 회전자 본체(51)가 고정자(2)를 둘러싼 채 회전가능한 상태로 끼워져 설치된다.

이때 상기 모터케이스(3)는, 그 상부의 펌프케이스(4)와 하부의 모터커버(1)의 결합부에 각각 0링(8)을 설치하여 기밀을 유지할 수 있도록 하고 있다.

상기한 펌프케이스(4)는 내부를 중공부로 하여 상측에 흡입구(41)를 일 측에 토출구(42)를 각각 형성한 것으로, 내부의 중공부에는 회전자(5)의 임펠러 몸통부(52)가 회전 가능한 상태로 설치된다.

상기한 회전자(5)는 엔지니어링 플라스틱 재질로 되어, 상부를 원뿔대형의 임펠러 몸통부(52)로 하고, 하부의 원통형 둘레부를 회전자 본체(51)로 구성하여 일체로 사출성형한 것으로, 상기 모터케이스(3) 상면에 직립 설치된 샤프트(31)에 세리믹재로 되는 부시(7)를 개재하여 원뿔대형으로 된 임펠러 몸통부(52)의 중앙부가 회전 가능한 상태로 끼워져 설치되어, 결과적으로 고정자(2) 외측으로 회전자 본체(51)가 위치된 상태에서 자기적으로 반응하여 회전하는 것에 의해, 그 상면의 임펠러 몸통부(52)에 설치된 복수의 베인(54)이 회전함으로써, 실질적으로 냉각수를 순환시키게 된다.

상기 모터케이스(3)의 공간부(32)에 회전가능한 상태로 위치되는 상기 회전자 본체(51)를 이루는 원통형 둘레부 내에는 삽입홈(51a)을 일정 깊이 형성하여, 고정자(3)의 자기장에 대응하여 회전가능한 네오디움계 자석이나 페라이트 소결 자석으로 되는 영구자석(6)을 삽입하고, 그 개구부를 커버링(56)으로 융착ㆍ일체화하여 마감처리 한다.

이때 상기 영구자석(6)은 세그멘트형이나 원통형 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.

또한 상기 회전자(5)의 임펠러 몸통부(52)에는 복수의 베인(54)을 출구 각 20°~35°로 하여 다수 일체로 설치한 상태에서, 베인(54)의 상면을 덮개(shroud)(55)로 덮어 일체로 융착ㆍ설치함으로써 밀폐형(closed type)의 임펠러 방식으로 구성하는 것에 의해 유체의 유동손실을 최소화하고 축추력(axial force)을 감소시킬 수 있도록 하고 있다.

이때 상기 고정자(5)의 임펠러 몸통부(52)에 대한 베인(54)의 일체적 성형은, 임펠러 몸통부(52)와 베인(54)을 일체로 사출 성형하고, 성형된 베인(54) 상부에 덮개(55)를 융착ㆍ일체화하는 구성을 대표적인 예로 설명 하지만, 이와는 달리 첨부도면 도 10에 도시한 바와 같이 임펠러 몸통부(52)에 복수의 베인부착홈(52a)을 형성하고, 덮개(55)와 베인(54)을 서로 융착ㆍ일체화한 상태에서, 덮개(55)가 일체화된 베인(54)의 하단을 임펠러 몸통부(52)에 형성된 복수의 베인부착홈(52a)에 조립되게 한 상태에서 베인(54)의 하단과 임펠러 몸통부(52)를 일체로 융착ㆍ설치하는 식으로 구성할 수도 있다.

상기 구성에 있어서, 임펠러 몸통부(52)에 복수의 베인(54)을 일체화시키거나, 회전자 본체(51)의 삽입홈(51a)에 영구자석(6)을 삽입 설치한 후, 그 개구부를 커버링(56)으로 일체화시키는 융착 작업은, 초음파 융착 이나 고주파 융착 또는 열 융착 방법 중에서 선택적으로 실시되는 것으로, 그 융착 방법을 특정하는 것은 아니다.

이와 같은 구성으로 되는 본 발명에 의한 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프(A)는, 자동차용 워터펌프(A)의 핵심구성 요소인 임펠러를 회전자(5)와 별도로 구성하는 것이 아닌, 회전자(5)를 회전자 본체(51)와 임펠러 몸통부(52)로 형성하되, 상기 임펠러 몸통부(52)는 상기 회전자 본체(51) 상측에 원뿔대형으로 일체로 형성되게 한 상태에서, 이 임펠러 몸통부(52)에 덮개(55)를 갖는 베인(54)이 일체로 융착ㆍ형성되게 하는 것에 의해, 임펠러가 회전자(5)와 일체로 형성되게 한다.

따라서 임펠러와 회전자(5)의 구성을 단순화할 수 있게 됨과 동시에, 회전자(5)의 회전동력 손실을 막아 임펠러의 구동효율을 좋게 할 뿐만 아니라, 회전자(5)를 이루는 회전자 본체(51)의 원통형 둘레부 내에 형성된 삽입홈에 강한 보자력을 갖는 네오디움(Nd)계 자석이나, 페라이트 소결자석으로 되는 영구자석(6)을 삽입설치하는 것에 의해, 고정자(2)에 대한 자기적 특성이 장기간 강하게 유지되게 함으로써, 회전자(5) 상부의 임펠러 몸통부(52)에 일체로 융착 설치된 베인(54)에 의한 냉각수 순환작동 효율을 높여 자동차용 워터펌프(A)의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 구체적인 예에 대하여 설명하였지만 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당 업자에 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1 : 모터커버 2 : 고정자
3 : 모터케이스 4 : 펌프케이스
5 : 회전자 6 : 영구자석
7 : 부시 8 : O링
11 : PCB기판 21 : 스톱핀
31 : 샤프트 41 : 흡입구
42 : 토출구 51 : 회전자 본체
51a: 삽입홈 52 : 임펠러 몸통부
54 : 베인 55 : 덮개
56 : 커버링

Claims (5)

1. 자동차용 워터펌프(A)에 있어서,
   상면 중앙에 샤프트(31)를 직립 설치한 채 모터커버(1)상에 설치되며, 내부 중앙에는 스톱핀(21)에 의해 고정자(2)가 설치되고, 그 둘레부 외측으로 상면이 개방되는 공간부(32)를 형성한 모터 케이스(3)와;
   회전자 본체(51)와 임펠러 몸통부(52)로 구성되어, 회전자 본체(51)의 원통형 둘레부 내에는 삽입홈(51a)을 형성하여 영구자석(6) 삽입 후 커버링(56)으로 융착ㆍ마감하고, 임펠러 몸통부(52) 상에는 덮개(55)를 갖는 베인(54)을 일체로 융착ㆍ설치하며, 상기 임펠러 몸통부(52)는 부시(7)를 개재하여 상기 샤프트(31)에 끼워져 조립되고, 상기 회전자 본체(51)의 원통형 둘레부는 상기 모터 케이스(3)의 고정자(2) 외측 공간부(32)에 끼워져 회전되게 한 회전자(5);로
   이루어지는 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
2. 제 1항에 있어서, 상기 베인(54)은 하부가 임펠러 몸통부(52)에 일체로 설치된 상태에서 상부에 덮개(55)를 융착ㆍ설치한 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
3. 제 1항에 있어서, 상기 임펠러 몸통부(52)에는 베인 부착홈(52a)을 형성하여, 상부에 덮개(55)를 갖는 베인(54)의 하단을 상기 베인 부착홈(52a)에 끼운 상태로 융착ㆍ일체화한 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
4. 제 1항에 있어서, 상기 임펠러 몸통부(52)는 원뿔대형으로 되는 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
5. 제 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 융착은 고주파 융착, 초음파 융착 또는 열 융착으로 되는 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 외장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.

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