KR20140022914A - 전기 기기, 동기 발전기 계자극, 다수의 계자극을 포함하는 동기 발전기 회전자, 및 전기 기기의 동기 발전기 계자극의 제조 방법 - Google Patents

전기 기기, 동기 발전기 계자극, 다수의 계자극을 포함하는 동기 발전기 회전자, 및 전기 기기의 동기 발전기 계자극의 제조 방법 Download PDF

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KR20140022914A
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토르스텐 옙센
마티아스 두츠흐
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 각각 다수의 동일한 계자극 플레이트를 구비한, 서로 오프셋된 다수의 계자극 세그먼트(101-106)를 포함하는 동기 발전기 회전자 계자극에 관한 것이다. 각각의 계자극 플레이트는 제1 중심선(118)을 가진 자극 샤프트(110), 및 제2 중심선(128)을 가진 자극 헤드(120)를 포함한다. 제1 및 제2 중심선은 인접한 계자극 세그먼트(101-106)에서 서로 상이할 수 있다.

Description

전기 기기, 동기 발전기 계자극, 다수의 계자극을 포함하는 동기 발전기 회전자, 및 전기 기기의 동기 발전기 계자극의 제조 방법{ELECTRIC MACHINE, SYNCHRONOUS GENERATOR-FIELD POLE, SYNCHRONOUS GENERATOR-ROTOR COMPRISING A PLURALITY OF FIELD POLES, AND METHOD FOR PRODUCING A SYNCHRONOUS GENERATOR-FIELD POLE OF AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 전기 기기, 특히 동기 발전기 계자극, 다수의 계자극을 포함하는 동기 발전기 회전자, 및 동기 발전기 계자극의 제조 방법에 관한 것이다.
전기 기기, 예컨대 전기 발전기, 특히 동기 발전기는 다수의 계자극을 가진 발전기 회전자를 포함한다. 그러한 계자극들은 통상 스탬핑된 다수의 계자극 플레이트로 이루어진다. 이때 계자극 플레이트들은 적층되고, 예컨대 함께 용접될 수 있다.
GB 2 389 241은 다수의 자극 헤드를 가진 전기 모터의 고정자를 개시한다. 상기 자극 헤드들은 다수의 계자극 플레이트를 포함한다.
또한, 포괄적인 기술적 배경으로서 DE 11 2007 000 201 T5, US 4,616,151, DE 41 14 989 A1, DE 11 2008 002 686 T5 및 JP 2007-060800 이 참조된다.
EP 1 275 192 B1은 계자극 및 계자극의 제조 방법을 개시한다. 계자극은 계자극 플레이트들의 스탬핑되고 서로에 대해 상대적으로 이동되는 다수의 자극 헤드들로 이루어진다. 각각의 계자극 플레이트는, 베이스 바디(실질적으로 직사각형) 및 자극 헤드를 포함하고, 상기 자극 헤드는 곡률을 가지며 측방으로 베이스 바디를 넘어서 돌출한다.
스탬핑 장치는 자극 헤드의 자유 단부를 스탬핑하기 위해 사용되는 고정 공구를 포함한다. 제2 공구가 플레이트의 이송 방향에 대해 횡방향으로 제1 공구에 대해 상대적으로 직선으로 이동될 수 있고, 자극 헤드의 반경 및 베이스 바디의 측면을 포함하는 계자극 플레이트의 모든 다른 윤곽들을 스탬핑하기 위해 사용된다.
계자극 플레이트는 3 단계의 방법으로 제조된다. 먼저, 하나의 플레이트가 스탬핑 장치의 제1 고정 공구 내로 이동되고, 거기서 계자극 플레이트의 제1 섹션이 스탬핑된다. 그리고 나서, 상기 제1 섹션에 대해 상대적으로 이동된 제2 섹션이 제2 공구에 의해 스탬핑된다. 그 후에, 공구가 플레이트의 이송 방향에 대해 횡방향으로 이동되고, 다음 계자극 플레이트가 스탬핑될 수 있며, 이 경우 베이스 바디는 계자극 플레이트에 대해 상대적으로 이동된다.
그리고 나서, 스탬핑된 계자극 플레이트들이 적층되어, 예컨대 용접 시임(weld seam)에 의해 서로 결합될 수 있다. 용접 시임은 베이스 바디의 영역 내에 제공되므로, 계자극 플레이트의 베이스 바디들이 서로 고정된다. 이는 베이스 바디의 계단식으로 이동된 스탬핑으로 인해, 조립된 계자극 플레이트들이 평면도에서 화살 형태의 구성이 된다.
본 발명의 과제는, 계자극의 경제적이고 간단한 제조를 가능하게 하는, 동기 발전기 계자극 및 특히 동기 발전기 회전자 또는 링 발전기 회전자용 동기 발전기 계자극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항에 따른 계자극, 청구항 제 4항에 따른 다수의 계자극을 포함하는 동기 발전기 회전자, 및 청구항 제 5항에 따른 동기 발전기 계자극의 제조 방법에 의해 달성된다.
따라서, 개별적으로 다수의 동일한 계자극 플레이트를 구비하는 다수의 서로 오프셋된 계자극 세그먼트들을 포함하는 동기 발전기 계자극이 제공된다. 각각의 계자극 플레이트는, 제1 중심선을 가진 자극 샤프트 및 제2 중심선을 가진 자극 헤드를 포함한다. 제1 및 제2 중심선 또는 제1 중심선과 제2 중심선 사이의 간격은 인접한 계자극 세그먼트들에서 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 한 양태에 따라, 상이한 계자극 플레이트들의 수는 서로 오프셋된 계자극 세그먼트들의 수보다 작거나 같다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 인접한 계자극 세그먼트들 내의 계자극 플레이트들은 각각 제1 및 제2 중심선 사이에 상이한 각 또는 간격을 갖는다.
본 발명의 한 양태에 따라, 계자극 세그먼트들의 배치가 평면도로 볼 때 화살 형태로 그리고 거울 대칭으로 형성된다.
본 발명은 또한, 각각 다수의 계자극 플레이트를 포함하는 계자극의 제조 방법에 관한 것이다. 계자극 플레이트들은 각각 하나의 자극 샤프트 및 하나의 자극 헤드를 포함한다. 다수의 제1 계자극 플레이트는 제1 고정 공구를 이용한 계자극 플레이트의 제1 섹션(자극 헤드)의 스탬핑에 의해 스탬핑된다. 계자극 플레이트의 제2 섹션(자극 샤프트)은 제2 공구에 의해 제1 선회 각으로 스탬핑된다. 제2 공구는 제1 공구에 대해 일정한 각만큼 선회 가능하게 형성된다. 그리고 나서, 제2 공구는 제1 공구에 대해 선회되고, 계자극 플레이트의 제2 섹션이 스탬핑되며, 이 경우 제2 공구는 제2 선회 각으로 배치된다. 적어도 제1 및 제2 계자극 플레이트가 조립되어 각각 적어도 하나의 제1 및 제2 계자극 세그먼트를 형성한다. 적어도 제1 및 제2 계자극 세그먼트는 서로 오프셋되어 고정된다(자극 샤프트에 대해 정렬).
본 발명은, 계자극을 제공하기 위해 단지 계단식으로 이동되는 다수의 개별적인 계자극 플레이트를 조립하는 대신, 다수의 계자극 세그먼트들이 계단식 관계 또는 서로 오프셋된 관계로 제공되는, 사상에 관한 것이다. 계자극 세그먼트들은 다수의 동일한 계자극 플레이트로 이루어진다. 따라서, 개별 계자극 플레이트가 아니라 계자극 세그먼트들이 서로 오프셋되게 배치된다. 이는, 상이한 계자극 플레이트 타입들은 단지 최대 수의 자극편 세그먼트에서만 제조되어야 하기 때문에, 생산될 계자극 플레이트 타입의 수가 현저히 감소할 수 있다는 장점을 갖는다.
선택적으로, 계자극 플레이트들은 180°만큼의 회전에 의해 계자극 세그먼트들 중 다른 것에 (재)사용될 수 있도록 구성된다. 따라서, 스탬핑될 계자극 플레이트 타입의 실제 수가 더욱 줄어들 수 있다.
본 발명의 한 양태에 따라, 전체 계자극을 제공하기 위해 단 3개의 상이한 타입의 스탬핑된 계자극 플레이트가 요구된다. 3개의 계자극 플레이트 타입은 처음 3개의 세그먼트에 대해 사용될 수 있고, 각각 180°회전된 3개의 계자극 플레이트 타입은 제4, 제5 및 제6 세그먼트에 대해 사용될 수 있다. 따라서, 6개의 계자극 세그먼트들이 계자극의 하나의 암을 위해 사용될 수 있고, 계자극의 다른 암에는 제1 암의 계자극 세그먼트의 역순이 사용된다.
계자극 플레이트의 스탬핑을 위해, 특히 헤드 윤곽의 스탬핑을 위해, 스탬핑 장치는 다수의 단계로 또는 다수의 각만큼 선회된다.
자극 헤드의 헤드 윤곽은 선택적으로 제1 반경을 가지며, 계자극의 맞은편 단부는 선택적으로 제2 반경을 갖고, 상기 제2 반경은 상기 제1 반경보다 작다.
본 발명의 한 양태에 따라, 고정 공구는 자극 헤드의 윤곽을 스탬핑하고, 고정 공구에 대해 상대적으로 이동 가능한(즉, 선회 가능한) 제2 공구는 자극 샤프트의 다른 측면을 스탬핑한다. 이동 가능한 제2 공구는 제1 공구에 대해 미리 정해진 각만큼 선회된다. 자극 샤프트의 중심선은 자극 헤드의 중심과 일치하지 않아야 한다. 오히려, 상기 2개의 중심선들 사이에 각이 존재하며, 상기 각은 제1 공구에 대한 제2 공구의 선회에 의해 달성된다.
따라서, EP 1 275 192 B1에 개시된 방법과는 달리, 플레이트의 공급 방향에 대해 횡방향으로의 이동이 아니라, 플레이트의 공급 방향에 대해 선회가 이루어진다.
본 발명에 따라, 계자극들은 동기 발전기 회전자 또는 링 발전기 회전자에 사용된다. 상기 동기 발전기 및 링 발전기는 느리게 회전하는 동기 발전기이다. 상기 동기 발전기 회전자 또는 링 발전기 회전자의 직경은 전형적으로 수 미터이다. 상기 동기 발전기 또는 링 발전기는 적어도 100 kW, 바람직하게는 적어도 1 MW의 출력을 갖고, 확실히 3 MW 또는 최대 10 MW 일 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명의 장점들 및 실시예들은 하기에서 도면을 참고로 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 계자극의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 계자극의 평면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 계자극의 측면도.
도 4는 제2 실시예에 따른 계자극을 위한 하나의 계자극 플레이트의 횡단면도.
도 5는 제2 실시예에 따른 계자극을 위한 다른 계자극 플레이트의 횡단면도.
이하에 설명된 계자극들은 동기 발전기 회전자 또는 링 발전기 회전자에 사용된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 동기 발전기 회전자 계자극의 개략적인 단면도를 도시한다. 제1 실시예에 따른 계자극(100)은 다수의 계자극 세그먼트(101-106)를 포함한다. 각각의 계자극 세그먼트(101-106)는 다수의 동일한 계자극 플레이트를 포함한다. 각각의 계자극 플레이트는 하나의 자극 헤드(120) 및 하나의 자극 샤프트(110)를 포함한다. 계자극 플레이트들은 바람직하게 각각 일체형으로 제조되고 특히 스탬핑될 수 있다. 자극 샤프트(110)는 실질적으로 직사각형으로 형성되고 선택적으로 하부 영역에 2개의 노즈(116)를 포함할 수 있다. 또한, 선택적으로 다수의 용접 점(111, 112, 113 및 114)이 제공될 수 있다. 자극 샤프트(110)의 제1 단부(117)는 R1의 반경을 가질 수 있다.
자극 헤드(120)는, 각각의 측면 상에 자극 샤프트(110)를 넘어서 돌출하는 섹션(123)을 포함한다. 자극 헤드(120)의 상부면(121)은 R2의 반경을 갖는다.
각각의 계자극 세그먼트(101-106)는 다수의 동일한 계자극 플레이트를 포함한다. 상이한 계자극 세그먼트들 내에서 각각의 계자극 플레이트들 간의 유일한 차이점은 2개의 돌출한 자극 헤드 섹션(123)에 대한 자극 샤프트(110)의 위치에 있다. 하나의 계자극 세그먼트 내의 계자극 플레이트들은 오프셋되지 않으며 차례로 그리고 서로 정렬되어 자극 샤프트 상에 배치된다. 계자극 세그먼트들(101-106)의 자극 헤드들만이 서로 오프셋되어 배치된다.
각각의 자극 헤드는 바람직하게 동일한 폭을 가지며 각각의 자극 샤프트도 바람직하게 동일한 폭을 갖는다. 그러나, 자극 헤드들 및/또는 자극 샤프트들은 상이한 폭을 가질 수도 있다.
상이한 타입의 계자극 플레이트는 자극 헤드의 외부 섹션에 대한 자극 샤프트의 상대 위치에 의해서만 서로 구별된다.
도 2는 제1 실시예에 따른 계자극의 개략적인 평면도를 도시한다. 이 경우, 계자극은 특히 다수의 계자극 세그먼트(101-106)를 포함한다. 선택적으로, 상부 암 내의 계자극 세그먼트들(101-106)은 하부 암 내의 계자극 세그먼트들(101-106)에 대해 거울 대칭으로 배치된다.
각각의 계자극 세그먼트(101-106)는 서로 용접되거나 또는 결합된, 다수의 동일한 계자극 플레이트로 이루어진다. 또한, 예컨대 단 6개의 상이한 타입의 계자극 플레이트를 가진 계자극이 형성될 수 있다(자극편 세그먼트들(101-106)에 상응).
도 3은 제1 실시예에 따른 계자극의 다른 측면도를 도시한다. 도 3에도 계자극 세그먼트들(101-106)이 도시되어 있다. 계자극 세그먼트들은 예컨대 구멍들(130)에 의해 고정될 수 있다.
도 4는 절단선 B-B를 따라 취한 도 2의 계자극의 단면도를 도시한다. 자극 헤드(120)의 중심선(128)은 자극 샤프트의 중심선(118)과 각(W2) 또는 간격(W2)만큼 차이를 갖는다.
도 5는 절단선 C-C를 따라 취한 도 2의 계자극의 횡단면도를 도시한다. 이 경우, 계자극 세그먼트(103)의 하나의 계자극 플레이트가 도시된다. 자극 헤드의 중심선(128)의 위치는 자극 샤프트의 중심선(118)의 위치와 각(W3)만큼 차이를 갖는다. 이 경우, 각(W3)은 각(W2)과 상이하다.
도 2에 도시된 상이한 계자극 세그먼트들은 각각 동일한 계자극 플레이트들을 포함한다. 도 2에 따른 계자극은 2 x 6 계자극 세그먼트로 구성될 수 있다. 따라서, 최대 6개의 상이한 타입의 계자극 플레이트가 필요하다. 그러나, 도 2에 따른 계자극은 6개보다 적은 수의 상이한 타입의 계자극 플레이트로 구성될 수 있다. 선택적으로, 도 2의 계자극이 3개의 상이한 타입의 계자극 플레이트로 구성될 수 있고, 각각의 타입의 계자극 플레이트는 하나의 자극 헤드 및 하나의 자극 샤프트를 포함하고, 계자극 플레이트 타입들은 계자극 헤드에 대한 계자극 샤프트의 상대 위치에 의해서만 구별된다. 예컨대, 계자극 세그먼트(106)는 계자극 세그먼트(101)에 대해 180°만큼 오프셋되어 형성될 수 있다. 계자극 세그먼트(105)는 계자극 세그먼트(102)에 대해 180°만큼 오프셋되어 배치된다. 계자극 세그먼트(104)는 계자극 세그먼트(103)에 대해 180°만큼 오프셋되어 배치된다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 제1 실시예를 기초로 하는 제2 실시예에 따른 계자극이 단 3개의 상이한 계자극 플레이트로 제조될 수 있다. 상이한 계자극 플레이트의 제조를 위해, 가동 스탬핑 공구가 일정한 선회 각만큼 선회된 후에, 예컨대 자극편 샤프트가 스탬핑될 수 있다. 도 2에 도시된 6개의 계자극 세그먼트를 제조하기 위해, 단 3개의 타입의 계자극 플레이트가 필요하다. 상기 계자극 플레이트들은 제2 스탬핑 공구의 3개의 상이한 선회 각에 의해 가능해지며, 각각의 각은 포지티브 값을 가질 수 있어서, 총 6개의 상이한 계자극 플레이트가 제조될 수 있다.
본 발명은 또한 이송 방향으로 플레이트가 공급되는 제1 고정 공구를 구비한 스탬핑 장치에 관한 것이다. 상기 제1 공구는 제1 섹션, 예컨대 섹션(123)을 스탬핑한다. 또한, 스탬핑 장치는 제1 공구에 대해 상대적으로 이동 가능한 또는 선회 가능한 제2 공구를 포함한다. 상기 제2 공구는 극편 섹션의 자극 샤프트 및/또는 자극 헤드 섹션을 스탬핑하기 위해 사용된다.
제1 단계에서, 자극 헤드, 즉 섹션(121, 122 및 123)의 스탬핑이 이루어진다. 그리고 나서, 제2 공구가 제1 공구에 대해 선회되고, 다음 스탬핑 단계에서 자극 샤프트가 스탬핑된다.
제1 및 제2 실시예에 따른 계자극은 3개의 상이한 스탬핑 방법에 의해 제조될 수 있다. 제1 스탬핑 방법에서, 먼저 자극 헤드가 적어도 부분적으로 스탬핑된다. 그리고 나서, 제2 스탬핑 공구가 제1 스탬핑 공구에 대해 이동되고, 자극 샤프트(110)가 스탬핑된다. 제1 공구에 대한 제2 공구의 이동에 대한 대안으로서, 제1 공구에 대한 제2 공구의 선회도 이루어질 수 있다. 대안적 스탬핑 방법에 따라, 각각의 계자극 플레이트 타입이 별도로, 즉 고유의 스탬핑 기계에서 스탬핑될 수 있다. 이러한 스탬핑 기계에서는, 제2 스탬핑 공구의 이동 또는 선회가 필요 없고, 계자극 플레이트가 단일 스탬핑 단계에서 스탬핑될 수 있다.
본 발명에 따라, 자극 헤드(121-123)가 단일 단계에서 스탬핑될 수 있으므로, 섹션들(121-123)은 연속해서 그리고 하나의 단계에서 스탬핑될 수 있다. 따라서, 섹션들(121, 122) 사이의 전환 영역에서 에지 없이 자극 헤드를 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 섹션(121)으로부터 섹션(122)으로 접선 전환이 가능하다.
본 발명에 따른 계자극에 각각 하나의 권선(winding)이 제공되고, 상기 권선에 전기 여기가 공급됨으로써, 계자극 및 상응하는 권선이 여기 전류와 함께 자계 강도를 발생시킬 수 있고, 상기 자계 강도는 자극을 야기할 수 있다. 따라서, 전기 기기의 하나의 극은 하나의 계자극, 하나의 권선 및 하나의 여기 전류로 형성된다.
본 발명에 따른 계자극은 동기 발전기에 사용될 수 있다. 영구 여기식 동기 발전기용 계자극 세그먼트는 예컨대 횡단면이 직사각형으로 형성될 수 있다. 즉, 계자극 세그먼트들이 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 자극 샤프트의 형태만을 가질 수 있다. 영구 여기식 동기 발전기용 계자극을 얻기 위해, 다수의 계자극 세그먼트들이 서로 오프셋되어 배치된다. 이 경우, 각각의 계자극 세그먼트는 영구 여기된 자석으로 형성될 수 있다. 따라서, 하나의 계자극은 서로 오프셋되어 배치되는 다수의 영구 자석으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따라 계자극 플레이트는 절단에 의해 제조될 수 있다. 절단은 스탬핑, 레이저 가공, 물 분사 절단, 절삭 또는 캐스팅을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 계자극은 동기 발전기의 회전자에 제공될 수 있다. 상기 동기 발전기는 특히 외부 여기식 동기 발전기이다. 이는 특히 계자극 둘레에 전기 권선이 제공되고 상기 권선에 여기 전류가 공급되어, 자극이 얻어짐으로써 달성된다.
101-106 계자극 세그먼트
110 자극 샤프트
118, 128 중심선
120 자극 헤드

Claims (6)

  1. 동기 발전기 회전자용 계자극으로서,
    각각 다수의 동일한 계자극 플레이트를 구비하고, 서로 오프셋된 다수의 계자극 세그먼트(101-106)를 구비하며,
    각각의 계자극 플레이트는 제1 중심선(118)을 가진 자극 샤프트(110) 및 제2 중심선(128)을 가진 자극 헤드(120)를 포함하고, 상기 제1 중심선과 상기 제2 중심선 사이의 간격은 적어도 인접한 계자극 세그먼트들(101-106)에서 서로 상이한 것인 동기 발전기 회전자 계자극.
  2. 제 1항에 있어서,
    상이한 계자극 플레이트들의 수는 서로 오프셋된 계자극 세그먼트들의 수보다 작거나 또는 같은 것인 동기 발전기 회전자 계자극.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    인접한 계자극 세그먼트들 내의 상기 계자극 플레이트들은 각각, 상기 제1 중심선과 상기 제2 중심선 사이의 상이한 각 또는 상이한 간격을 갖는 것인 동기 발전기 회전자 계자극.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 계자극 세그먼트들의 배치는 평면도로 볼 때 화살 형태로 그리고 거울 대칭으로 형성되는 것인 동기 발전기 회전자 계자극.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 다수의 계자극을 포함하는 동기 발전기 회전자.
  6. 각각 하나의 자극 샤프트(110) 및 하나의 자극 헤드(120)를 구비한, 다수의 계자극 플레이트를 포함하는, 특히 동기 발전기 회전자를 위한, 동기 발전기 회전자 계자극의 제조 방법에 있어서,
    제1 고정 공구를 이용해서 상기 계자극 플레이트의 제1 섹션을 스탬핑하고, 제1 선회 각으로 제2 공구를 이용해서 상기 계자극 플레이트의 제2 섹션을 스탬핑함으로써, 다수의 제1 계자극 플레이트를 스탬핑하는 스탬핑 단계로서, 상기 제2 공구는 상기 제1 공구에 대해 일정한 각만큼 선회 가능하게 형성되는, 스탬핑 단계,
    상기 제1 공구에 대해 상기 제2 공구를 선회시키는 선회 단계,
    제1 고정 공구를 이용해서 상기 계자극 플레이트의 제1 섹션을 스탬핑하고, 제2 공구를 이용해서 상기 계자극 플레이트의 제2 섹션을 스탬핑함으로써, 다수의 제2 계자극 플레이트를 스탬핑하는 스탬핑 단계로서, 상기 제2 공구는 제2 선회 각으로 배치되는, 스탬핑 단계,
    각각 적어도 하나의 제1 계자극 세그먼트 및 제2 계자극 세그먼트를 형성하기 위해, 적어도 상기 제1 계자극 플레이트 및 상기 제2 계자극 플레이트를 조립을 하는 조립 단계, 및
    적어도 상기 제1 계자극 세그먼트 및 상기 제2 계자극 세그먼트를 서로 오프셋되게 고정하는 고정 단계를 포함하는 것인 동기 발전기 회전자 계자극의 제조 방법.
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