KR20200107701A - 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터 - Google Patents

자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터 Download PDF

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KR20200107701A
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Abstract

본 발명은 영구자석을 이용한 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전자와 고정자에 자석과 전자석을 동시설치하고, 내부에 회전전자석부의 전자석은 브러시시스템을, 외부의 고정자전자석부에는 브러시리스시스템을 적용하여 모터의 출력효율을 증대시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로, 모터는 전기에너지를 기계에너지로 변환시키는 회전장치로서, 직류전원에 의해 구동되는 직류모터와 교류전원에 의해 구동되는 교류모터로 구분되며, 모터의 전기 공급 방식에는 브러시(brush)타입과, 브러시리스(brushless) 타입의 직류모터가 있는데, 브러시 타입의 직류모터는 회전자와 접촉되어 철심에 권선된 코일에 전류를 공급하는 브러시가 갖추어진 구조이고, 상기 코일에 전류를 필요한 시점에 주기적으로 공급하기 위한 정류자가 더 구비되어 있다.
본 발명은 차폐수단 외부에 소형의 전자석을 설치하여, 동일자극이 교차하는 부분에서 발생되는 역 회전력을, 힘의 방향을 틀어 소멸시키고, 척력을 회전력으로 사용되도록 하였으며, 최소의 전기에너지로 회전력을 얻을 수 있는 전자석의 회전력에 자석의 척력이 회전력에 포함되어 더 강한 출력이 발생되도록 한 것이며, 따라서, 반드시 필요한 발명이다.

Description

자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터{A Efficiency Motor Using Magnets and Electromagnetism and Brushes and Brushless}
본 발명은 영구자석을 이용한 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전자와 고정자에 자석과 전자석을 동시설치하고, 내부에 회전전자석부의 전자석은 브러시시스템을, 외부의 고정자전자석부에는 브러시리스시스템을 적용하여 모터의 출력효율을 증대시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로, 모터는 전기에너지를 기계에너지로 변환시키는 회전장치로, 직류전원에 의해 구동되는 직류모터와 교류전원에 의해 구동되는 교류모터로 구분된다.
이중에서, 직류모터는 영구자석으로 이루어진 고정자와, 이 고정자와 인력 및 척력에 의해 회전이 이루어지도록 하는 회전자로 구성되고, 상기 회전자는 회전축에 고정, 설치되어 회전이 이루어지도록 하는 철심과, 이 철심에 권선되어 인가되는 전류에 의해 철심이 전자석 성질을 갖게 하는 코일과, 상기 코일에 전류의 방향을 주기적으로 바꾸어서 공급하기 위한 정류자(commutator)로 구성된다.
또한, 반대의 구조를 직류모터로서, 영구자석을 갖는 회전자와, 이 회전자의 영구자석에 대하여 회전자장을 발생시키는 고정자와, 이 고정자를 여자시키는 수단을 갖는 구조이며, 고정자를 여자수단에 의해 순차적으로 여자시켜서 회전자장을 발생시키고, 이 회전자장에 대하여 회전자에 배치된 영구자석이 인력 및 척력을 반복하는 것에 의해 회전자가 회전하게 된다.
또한, 직류모터의 전기 공급 방식에는 브러시(brush)타입과, 브러시리스(brushless) 타입의 직류모터가 있는데, 브러시 타입의 직류모터는 회전자와 접촉되어 철심에 권선된 코일에 전류를 공급하는 브러시가 갖추어진 구조이고, 상기 코일에 전류를 필요한 시점에 주기적으로 공급하기 위한 정류자가 더 구비되어 있다.
한편, 브러시리스 타입의 직류모터는 이러한 브러시 및 정류자가 없는 구조로서, 기계적 또는 전기적인 노이즈(noise)를 줄이고 저속에서 고속까지 다양한 속도가 제어가능한 장점이 있으나 특정의 조건에서 효율이 저하되는 문제점도 있다.
이러한 종래의 대부분의 직류모터는 영구자석 또는 철심, 코일 등으로 이루어진 전기자로 구성되는 회전자와, 이 회전자의 둘레에 형성되면서 전기자 또는 영구자석으로 이루어진 고정자로 구성되어서 전류를 공급하면, 회전자가 회전하여 동력을 얻도록 하는 회전 장치로서, 영구자석이 한정된 규격으로 구비되어 있으므로, 출력 또한 한정될 수밖에 없다.
예를 들어, 입력되는 전기에너지를 낮추기 위해서는 소비전력을 낮추어야 하는데, 그러기 위해서는 낮은 전압에서 많은 전류를 흐르게 하기 위해서 모터의 저항(임피던스)을 낮추어야 하며, 저항을 낮추기 위해서는 모터의 철심에 권선된 코일의 권선수를 낮추어야 저항 값이 낮아질 수 있는 것이다.
그러나 , 상기와 같이 철심에 권선된 코일의 권선수를 낮추면, 여기서 발생하는 자기력의 세기가 약해져서 그만큼 출력이 약해지는 것이다.
반대로, 전압을 높여 전류의 흐름을 증가시키면, 소비전력 또한 높아지는데, 코일의 권선수를 늘리면, 저항이 커져서 코일에서 발생하는 자기력의 세기는 강해지나 입력되는 전기에너지를 높여야 하기 때문에 그 만큼 소비전력이 높아진다.
만일, 자석을 고정자로 구성하는 경우에, 자석을 2겹 이상으로 배치하여 자기력의 세기를 증대시켜서 직류모터의 출력을 높이도록 할 수도 있으나, 이런 구조인 경우에는 그 만큼 고정자와 회전자간의 부하가 커지기 때문에 초기 전류 값이 크게 요구되는 문제점이 있었다.
한편, 자석만으로 고정자와 회전자를 구비하는 경우, 동일극의 척력이 서로 만나면 밀어내어 접근을 못하고, 다른 극의 인력의 경우에는 분리가 되지 않아 순수자석만의 장치는 회전이 불가능한 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 자장의 크기를 조절하는 차폐 편과 전자석의 설치를 통하여 동일극의 척력의 자장의 크기를 축소하며, 적정 최소 크기의 전력으로 전자석에 입력하여, 자석의 큰 자장의 작용선의 방향을 틀어, 척력은 제거하고 회전력으로 이용하여 출력효율을 증대시킬 수 있도록 한 것이다
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정자와 회전자에 강자성체로 차폐수단을 설치하여 동일자극에서 발생되는 척력을 제거하였으며, 즉 차폐된 회전자가 차폐된 고정자로 접근하는 경우 척력이 발생하지 않는다.
또한, 본 발명은 차폐수단 외부에 소형의 전자석을 설치하여, 동일자극이 교차하는 부분에서 발생되는 역 회전력을, 힘의 방향을 틀어 소멸시키고, 척력을 회전력으로 사용되도록 하였다.
따라서 , 전기에너지로 회전력을 얻을 수 있는 전자석의 회전력에 자석의 척력이 회전력에 포함되어 더 강한 출력이 발생되도록 하였다.
상기에서 기술한 바와 같이 본 발명의 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터 장치는 다음과 같은 효과를 발생시킨다.
1. 고정자전자석과 회전전자석의 사이에서 발생되는 회전력에 동일자석의 자극에서 발생되는 척력이 회전력으로 추가되어 전자석만의 회전력보다 강한 회전력이 발생되어 출력이 증가한다.
2. 최소한의 적정의 에너지가 투입되는 전자석으로 대용량의 자석 자장을 방향을 틀어 조정하여 자석의 척력을 회전력으로 이용함으로서 초효율의 범위까지 효율을 증대하는 것이 가능하다.
3. 전자석의 힘으로 링크를 작용시켜 고정자와 회전자가 서로 반대방향으로 링크회전을 하여 두 자석간의 간극을 가깝게 조정하게 되므로 보다 긴 구간동안 척력이 작용하게 하여 효율을 높게 한다.
4. 고정전자석과 회전 전자석의 에너지를 동시에 인가하는 조정기능이 가능함으로, 초기 부하발생이나 회전저하요인이 제거되어 최고의 효율을 발생하게 한다.
5. 소모품이 되어 불편했던 브러시가 회전중심의 중앙부에 브러시 기능이 구비되어, 축의 회전속도가 최저인 곳에 브러시는 소모가 최소화되어 반영구적으로 사용이 가능하다
제1도 : 본 발명의 회전자 차폐기능의 자기장과 전자석의 자기장이 가동된 상태의 비교 설명도.
제2도 : 본 발명의 고정자 차폐기능의 자기장과 전자석의 자기장이 가동된 상태의 비교 설명도.
제3도 : 본 발명의 회전자와 고정자의 차폐기능 자기장과 척력의 무발생 설명도.
제4도 : 본 발명의 회전자와 고정자사이의 전자석의 자기장이 가동된 상태의 척력 설명도.
제5도 : 본 발명의 고정자와 회전자간의 부분 구간회전 설명도.
제6도 : 본 발명의 고정자와 회전자의 회전 작용과 구비된 전자석과 자석간의 발생예상 척력작용 설명도.
제7도 : 본 발명의 회전자가 고정자에 접근하여 전자석이 작용하기직전의 상태설명도.
제8도 : 본 발명의 회전자가 고정자에 접근하여 전자석이 작용후의 회전상태설명도.
제9도 : 본 발명의 브러시방식의 전원공급설명도.
* 도면의 주요한 부호에 대한 설명
01) 회전자석 02) 링크하우징 03) 보조자석
04) 회전자자기장 05) 척력자석 06) 중심축
07) 인력자석 08) 도움자석 09) 강자성체
10) 자력선 11) 회전자전자석 13) 전자석가동자기장
21) 고정자석 22) 고정자전자석 23) 고정전자석자기장
24) 고정자자기장 31) 출력축 32) 회전판
33) 고정판 35) 회전자활동영역 36) 고정자활동영역
41) 홀센서 51) 브러시 52) 통전레인
53) 통전선 55) 스위칭소자
* 화살표(
Figure pat00001
)는 자력으로 인한 척력작용 또는 척력에 의한 이동방향.
화살표(→)는 회전방향 또는 물체의 이동방향
표시 없는 사각이나 동일한 형상은 같은 목적의 부품임.
본 발명의 구성 상태를 제1도에서 제9도까지 제시한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
자석의 차폐에 대하여 설명하면, 자력은 "지구상의 모든 물체를 통과하며 자력을 단절시키는 것이 가능한 물체는 지구상에 없다" 따라서 , 차폐란? 자력이 잘 흐르는 강자성체를 자석의 주변에 구비하여, 강자성체로 자력이 흘러 자석주변의 공간에 자기장의 흐름영역의 범위를 축소시키는 일체의 행위를 통칭한다.
회전자석(01)과 고정자석(21)을 차폐함에 있어, 강자성체(09)로서 자극 면[N극이나 S극 자력만 작용하는 면]의 면적 1/2 과 측면의 외면적 1/2에 강자성체(09)를 설치하면, 자력이 제1도와 제2도에 도시한 바와 같이 강자성체(09)가 설치된 곳은 자력이 강자성체(09)의 내부로 흘러 자기장의 작용 영역이 축소되며; 상기 강자성체(09)가 설치되지 않은 쪽의 회전자석(01)과 고정자석(21)의 자극 면 쪽은 자기장이 축소되지 않고 정상적으로 영역을 유지하며 흐른다.
이때, 회전자석(01)의 차폐된 자극 면 즉, 강자성체(09)가 설치된 자극 면상에 회전자전자석(11)을 부착 고정하여 설치하고,
고정자석(21) 차폐된 자극 면 즉, 강자성체(09)가 설치된 자극 면상에 고정자전자석(22)을 부착 고정하여 설치한다.
이어서, 상기 회전자석(01)과 고정자석(21)을 링크하우징(02)에 부착설치하며; 상기 링크하우징(02)의 다른 면의 어느 한쪽에는 보조자석(03)을 다른 쪽에는 도움자석(08)을 설치한다.
한편, 회전판(32)에 다수개의 회전자활동영역(35)이 소정의 피치와 반경으로 구비되어, 중심축(06)에 상기 회전자석(01)이 구비된 링크하우징(02)이 끼워져, 회전 작용이 가능하도록 설치되고; 상기 회전판(32)에 척력자석(05)과 인력자석(07)이 설치되어 회전자전자석(11)과 고정자전자석(22)에 전원이 단락된 후 , 회전자석(01)을 밀고 당겨 복귀시키는 역할을 한다.
이어서, 고정판(33)에 고정자활동영역(36)이 소정의 피치와 반경으로 구비되어, 중심축(06)에 상기 고정자석(21)이 구비된 링크하우징(02)이 끼워져, 회전 작용이 가능하도록 설치되고; 상기 고정판(33)에 척력자석(05)과 인력자석(07)이 설치되어 회전자전자석(11)과 고정자전자석(22)에 전원이 단락된 후 고정자석(21)을 밀고 당겨 복귀시키는 역할을 한다.
이때, 고정자석(21)과 회전자석(01)의 설치는, 회전자석(01)이 고정자석(21)으로 접근하는 것을 기준으로, 회전자석(01)이 회전하여 제일 먼저 접근하는 쪽에 강자성체(09)를 설치하여 차폐하고, 고정자석(21)은 회전자석(01)이 접근해오는 쪽을 강자성체(09)로 차폐를 하도록 한다.
이어서, 회전판(32)의 중앙부에 재질이 부도체인 출력축(31)을 끼워 설치하며; 상기 출력축(31)의 어느 한쪽의 단면중심에서 다수갈래의 통전레인(52)을 도금내지 코팅을 통하여 설치하고[출력축(31)인 도체인 경우 통전레인(52)과 출력축(31)의 사이에 부도체를 설치함] ; 베어링을 통과하는 곳은 홈을 설치하고; 상기 홈의 내면에 통전레인(52)을 설치하여 통전선(53)으로 회전자전자석(11)에 전원을 공급하도록 설치하고; 고정판(33)에 설치된 고정자전자석(22)에도 전원을 공급할 수 있도록 배선작업을 하며, 고정판(33)의 한곳에 홀센서를 설치하여 회전자석(01)부의 위치검출을 할 수 있게 설치하면 본 발명의 구성이 완료된다.
이어서, 본 발명의 작용 상태를 제1도에서 제9도까지 제시된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
회전자석(01)과 고정자석(21)의 사이에서 발생하는 척력에 밀려 회전자석(01)이 고정자석(21)의 차폐된 부분으로 접근하면, 상기 두 개의 자석의 자기장이 강자성체(09)를 따라 흐르므로; 상기 회전자석(01)과 고정자석(21)의 사이에는 척력이 발생하지 않는다.
이때, 강자성체(09)의 체적과 상기 두 개의 회전자석(01)과 고정자석(21)의 자장의 세기에 관계에서, 강자성체(09)의 체적의 충분하면, 오히려 인력이 발생하므로, 강자성체(09)의 정확한 체적의 선택이 필요하다.
이어서, 홀센서(41)가 회전자석(01)의 회전자자기장(04)과 고정자석(21)의 고정자자기장(24)이 서로 겹쳐 충돌하기 직전의 위치를 신호로 보내오면, 스위칭소자(55)가 전원을 연결하여, 브러시에 통전을 하게 한다.
이어서, 브러시(51)는 통전레인(52)에 전원을 연결하고; 상기 통전레인(52)은 통전선(53)을 통하여 회전자전자석(11)에 전원이 인가되어 전자석가동자기장(13)이 발생하며; 상기 스위칭소자(55)의 신호에 의해 고정자전자석(22)에 전원이 동시에 연결되어 고정전자석자기장(23)이 발생된다.
이어서, 상기 발생한 전자석가동자기장(13)과 고정전자석자기장(23)의 사이에는 강한 척력이 발생하고; 전자석가동자기장(13)과 고정자석(21)의 척력은 고정자석(21)을 중심축(06)을 중심으로 회전하게 하며; 고정전자석자기장(23)과 회전자석(01)의 사이에 발생하는 척력은 회전자석(01)부를 중심축(06)을 중심으로 회전시킨다.
이때, 회전자석(01)부는 회전을 하면서 동시에 역방향으로 링크회전을 하게 되며, 고정자석(21)부는 회전방향으로 링크회전을 하게 되어 간격이 좁아지며 서로의 척력이 작용하여 강력한 회전력을 발생하게 한다.
즉, 전원이 회전자전자석(11)과 고정자전자석(22)에 연결되어 척력을 발생하는 회전력에, 회전자전자석(11)과 고정자석(21)의 사이에서 발생하는 척력과 고정자전자석(22)과 회전자석(01)사이에 발생하는 척력이 합쳐져서 전기에너지의 힘으로 발생하는 회전력보다 큰 회전력이 발생하게 된다.
특히, 회전자석(01)과 고정자석(21)에 발생되는 역회전 척력이 모두 차폐되어 회전방향으로 발생하는 척력만이 지속적으로 발생하여 회전판(32)이 강하게 회전하여 발전기에 의해 출력이 되며, 이 회전력을 2차회전력으로 하고, 더 큰 본 발명의 장치인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터의 입력으로 사용하고 작은 전기에너지를 공급하면, 더 강력한 회전력이 발생한다.
이어서, 홀센서(41)가 다시 회전자석(01)부의 위치를 검출하여 신호를 보내면, 스위칭소자(55)가 전원을 단락하면, 상기 전자석가동자기장(13)과 고정전자석자기장(23)이 사라지게 되며; 상기 회전자석(01)과 고정자석(21)부는 원심력과 보조자석(03)의 척력과, 인력자석(07)의 인력에 의해 링크회전이전의 시점으로 복귀를 한다.
한편, 본 발명의 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터에서 발생하는 회전력을 더 큰 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터장치의 입력으로 사용하고, 작은 전기에너지로 전자석을 가동하면, 초효율의 출력이 가능하다.
따라서 , 본 발명은 반드시 필요한 발명이다.
이상에서 설명한 것은 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터의 본 발명을 실시하기위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로 본 발명은 상기한 실시 예에 한정하지 않고 이하의 특허 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 회전자석(01)에 강자성체(09)를 설치하고; 강자성체(09)에 회전자전자석(11)을 설치하며, 고정자석(21)에 강자성체(09)를 설치하고; 강자성체(09)에 고정자전자석(22)을 설치하는 수단과,
    회전자석(01)부를 링크하우징(02)에 설치하여, 중심축(06)에 끼워 설치하고, 고정자석(21)부를 링크하우징(02)에 설치하여, 중심축(06)에 끼워 설치하는 수단과,
    회전판(32)상에 일정피치와 반경을 갖게 하여 척력자석(05)과 인력자석(07)이 설치되는 회전력발생부와;
    고정판(33)에 일정반경을 갖는 지점에 홀센서(41)를 설치하고, 회전판(32)상에 검출물체를 설치하며, 출력축(31)의 어느 한쪽단면에 통전레인(52)이 2개 이상 설치되고; 통전레인(52)상에 브러시(51)를 설치하며; 브러시(51)에 스위칭소자(55)가 구비된 컨트롤부가 설치된 것을 특징으로 하는 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  2. 제1항에 있어서, 강자성체(09)를 규소강판, 연강, 순철, 탄소강, 네오디움, 알리코, 코발트의 재질로 대체하여 설치한 특징이 있는 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  3. 제1항에 있어서, 회전판(32)상에 회전자석(01)부와 고정판(33)상에 고정자석(21)부를 2개소이상 설치한 것을 특징으로 하는 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  4. 제1항에 있어서, 고정판(33)상에 설치한 홀센서(41)로 출력축(31)에 검출물체를 설치하는 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  5. 제1항에 있어서, 출력축(31)에서 발생되는 회전력을 더 큰 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터의 입력으로 대체하여 더 강한 회전력을 출력하는 회전체의 입력으로 대체하여 설치하는 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  6. 제1항에 있어서, 출력축(31)의 측면중심에 설치한 통전레인(52)과 브러시(51)를 출력축(31)의 외주 면을 따라 통전레인(52)상에 브러시(51)를 설치한 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  7. 제1항에 있어서, 회전자석(01)과 고정자석(21)의 재질을 페라이트, 알리코, 네오디움, 코발트를 재질로 하는 자석으로 대체하여 설치한 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  8. 제1항에 있어서, 브러시(51)를 탄소, 그래핀, 다이아몬드, 크롬텅스텐, 탄소나노튜브의 재질로 대체하여 설치한 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  9. 제1항에 있어서, 스위칭소자(55)를 반도체(FET)소자와 대용량 스위칭반도체(IGBT)로 대체하여 설치한 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  10. 제1항에 있어서, 부도체인 출력축(31)에 통전레인(52)을 설치함을, 도체인 출력축(31)과 통전레인(52)사이에 부도체를 설치하는 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  11. 제1항에 있어서, 내부의 회전자석(01)을 고정하고, 외부의 고정자석(21)을 회전하게 하는 것으로 내측이 고정되고 외측이 회전하는 구조로 설치하는 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  12. 제1항에 있어서, 회전자석(01)부를 회전판(32)의 측면에 설치하고, 고정자석(21)부를 고정판(33)의 측면에 설치하며; 회전판(32)과 고정판(33)의 설치측면이 대향하게 설치한 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  13. 제1항에 있어서, 회전력 발생부와 컨트롤 부를 포함한 장치를 구비하여 발전한 에너지를 전자석의 에너지로 대체하여 설치한 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
  14. 제1항에 있어서, 회전자석(01)과 고정자석(21)의 사이에 발생하는 척력을 인력으로 대체설치하고, 강자성체(09)를 회전자석(01)과 고정자석(21)이 서로 분리 되는 쪽에 설치하고; 강자성체(09)상에 설치되는 회전자전자석(11)과 고정자전자석(22)의 전자석의 극은 동일자극으로 컨트롤하는 것이 특징인 자석과 전자석과 브러시와 브러시리스를 이용한 효율 증가 모터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112858651A (zh) * 2021-01-05 2021-05-28 内蒙古大学 一种用于测量生物学参数的装置

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