TW201530980A - 交流發電機之轉子 - Google Patents

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Hung-Chih Chang
Ping-Feng Tsai
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H02K21/04—Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation
    • H02K21/042—Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation with permanent magnets and field winding both rotating
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Abstract

本發明係有關一種交流發電機之轉子(1)，其包括一第一爪形磁極件(2)及一相對之第二爪形磁極件(3)，且第一爪形磁極件(2)之複數個N極爪狀體(21)與第二爪形磁極件(3)之複數個S極爪狀體(31)係分別彼此相鄰且間隔排列；在各個相鄰之第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之間固設一永久磁鐵(5)，以增加當轉子(1)電磁導通後所產生的磁力場，及減少該二磁極件之間的漏磁，進而增加交流發電機之發電量。

Description

交流發電機之轉子
本發明係有關於用於交流發電機之轉子的改良，尤其是一種車輛用交流發電機之轉子的改良，可進一步增加該車輛用交流發電機之發電量。
交流發電機係利用轉子與定子間產生電磁交互作用，進而產生交流電力之發電裝置。
就車輛用交流發電機而言，當車輛啟動時，需藉由車用蓄電池啟動馬達帶動引擎使引擎發動之後，再藉由引擎帶動交流發電機運轉，以使交流發電機對車用蓄電池充電並產生足夠之電流，供應車內電子元件所需之電力。
其中，交流發電機包含一轉子及一定子。如圖1所示，交流發電機之轉子1可相對於定子(圖中未示)轉動。轉子包含磁極12、磁場線圈13、滑環14、轉軸15及軸承16。當車用蓄電池之電力經由滑環14提供至磁場線圈13，磁極12可因電磁感應作用被磁化而產生一磁場；當轉子1轉動時，該磁場之方向亦隨轉子之轉動而改變。
交流發電機之定子係環繞於轉子1周圍，其係由一組或多組定子線圈及磁心所組成；當轉子1相對定子轉動時，將使定子線圈因電磁感應而產生交流電流。
當轉子1之磁場線圈13通入電流後，磁極12之第一爪形磁極件2 與第二爪形磁極件3可分別因電磁感應磁化成N極及S極，如此各對相鄰之爪形磁極件之爪狀體121、123可產生一磁場，而當轉子1轉動時，該等磁場之方向亦隨轉子1之轉動而改變，再進一步與定子之定子線圈發生電磁感應以產生交流電流。
由上可知，若轉子1之磁極12所產生之磁場愈強，則可產生之交流電流之量則愈多；然，一般習用之交流發電機之轉子1，當磁場線圈13通入電流後且磁極12之第一爪形磁極件2與第二爪形磁極件3分別因電磁感應磁化成N極及S極時，部分磁力線會直接由兩相鄰之爪形磁極件之爪狀體121、123之間的空間直接通過，而不會參與磁極12之磁場形成，如此的現象稱之為「漏磁」。而漏磁之情況發生會導致部分磁力無謂的耗損，並降低磁極所形成之磁場強度，更進一步減損了交流發電機之發電量。
有鑑於此，則具有一改良之用於交流發電機之轉子之需求。
本發明之主要目的係在提供一用於交流發電機之轉子，其中在二相互組合之爪形磁極件之至少一彼此相鄰之爪狀件之間設有一永久磁鐵，如此以避免二磁極件之間的漏磁。
本發明之另一目的係在提供一用於交流發電機之轉子，其中在二相互組合之爪形磁極件之至少一彼此相鄰之爪狀件之間設有一永久磁鐵，如此以增強轉子之磁極所產生之磁場，以進一步增加交流發電機之發電量。
本發明之又一目的係在提供一用於交流發電機之轉子，其將一由非導磁材料所製成之護罩覆蓋於該永久磁鐵之朝向磁極外側之表面，以保護該永久磁鐵，並更進一步增強轉子之磁極所產生之磁場及增加交流發電機之發電量。
為達上述之目的，本發明之用於交流發電機之定子其包括一第一爪形磁極件及一相對之第二爪形磁極件，第一爪形磁極件具有複數個N極爪狀體，而第二爪形磁極件具有與第一爪形磁極件之複數個N極爪狀體相同數目的S極爪狀體，當第一爪形磁極件與第二爪形磁極件彼此結合時，第一爪形磁極件之複數個N極爪狀體與第二爪形磁極件之複數個S極爪狀體係分別彼此相鄰且間隔排列；在至少一彼此相鄰之第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之間固設一永久磁鐵，永久磁鐵之一N極端係與第一爪形磁極件之N極爪狀體接觸，而永久磁鐵之一S極端係與第二爪形磁極件之S極爪狀體接觸。
根據本發明之另一較佳實施例，永久磁鐵以嵌入之方式固設於第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之間，且永久磁鐵之N極端係嵌入於第一爪形磁極件之N極爪狀體，而永久磁鐵之S極端係嵌入於第二爪形磁極件之S極爪狀體。
根據本發明之另一較佳實施例，轉子進一步具有一用於永久磁鐵之護罩，護罩係由非導磁材料所製成且大致覆蓋永久磁鐵之一外表面。
根據本發明之另一較佳實施例，護罩可由不鏽鋼所製成。
根據本發明之另一較佳實施例，永久磁鐵可藉由黏著劑以固定於第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之間。
根據本發明之另一較佳實施例，第一爪形磁極件之N極爪狀體與相鄰之第二爪型磁件之S極爪狀體之彼此相互面對之側面各設有一彼此相對應之溝槽，且永久磁鐵之N極端可容納於第一爪形磁極件之N極爪狀體之溝槽中，及永久磁鐵之S極端可容納於第二爪形磁極件之S極爪狀體之溝槽中。
根據本發明之另一較佳實施例，轉子進一步具有複數個凹部，各個凹部係形成於第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之彼此相鄰處之內側，其中永久磁鐵可被容納於凹部中，且永久磁鐵之N極端係抵靠第一爪形磁極件之N極爪狀體，及永久磁鐵之S極端係抵靠第二爪形磁極件之S極爪狀體。
根據本發明之另一較佳實施例，溝槽係以車銑製成
根據本發明之另一較佳實施例，凹部係以車銑製成。
根據本發明之另一較佳實施例，在第一爪形磁極件之各個N極爪狀體與第二爪形磁極件之各個相鄰S極爪狀體之間固設永久磁鐵。
根據本發明之另一較佳實施例，第一爪形磁極件之N極爪狀體數目與該第二爪形磁極件之S極爪狀體數目係偶數。
本發明另提供一種車輛用之交流發電機，其具有本發明所述之轉子。
根據本發明之另一較佳實施例，永久磁鐵以嵌入之方式固設於第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之間，且永久磁鐵之N極端係嵌入於第一爪形磁極件之N極爪狀體，而永久磁鐵之S極端係嵌入於第二爪形磁極件之S極爪狀體。
根據本發明之另一較佳實施例，轉子進一步具有一用於永久磁鐵之護罩，護罩係由非導磁材料所製成且大致覆蓋永久磁鐵之一外表面。
根據本發明之另一較佳實施例，護罩可由不鏽鋼所製成。
根據本發明之另一較佳實施例，永久磁鐵可藉由黏著劑以固定於第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之間。
根據本發明之另一較佳實施例，第一爪形磁極件之N極爪狀體與相鄰之第二爪型磁件之S極爪狀體之彼此相互面對之側面各設有一彼 此相對應之溝槽，且永久磁鐵之N極端可容納於第一爪形磁極件之N極爪狀體之溝槽中，及永久磁鐵之S極端可容納於第二爪形磁極件之S極爪狀體之溝槽中。
根據本發明之另一較佳實施例，轉子進一步具有複數個凹部，各個凹部係形成於第一爪形磁極件之N極爪狀體與第二爪形磁極件之S極爪狀體之彼此相鄰處之內側，其中永久磁鐵可被容納於凹部中，且永久磁鐵之N極端係抵靠第一爪形磁極件之N極爪狀體，及永久磁鐵之S極端係抵靠第二爪形磁極件之S極爪狀體。
根據本發明之另一較佳實施例，溝槽係以車銑製成
根據本發明之另一較佳實施例，凹部係以車銑製成。
根據本發明之另一較佳實施例，在第一爪形磁極件之各個N極爪狀體與第二爪形磁極件之各個相鄰S極爪狀體之間固設永久磁鐵。
根據本發明之另一較佳實施例，第一爪形磁極件之N極爪狀體數目與該第二爪形磁極件之S極爪狀體數目係偶數。
為了可以更好地理解以下本發明之詳細說明，上文已經相當廣泛地概述了本發明之特徵和技術優點。下文將說明本發明之附加特徵和優點。熟習該項技術者應認識到所揭露之概念和具體實施方式可以容易地用作修改或設計用作實施本發明之相同目的其他結構之基礎。熟習該項技術者還應意識到此類等效構造不脫離申請專利範圍中所要求保護之本發明精神和範圍。
1‧‧‧轉子
2‧‧‧第一爪形磁極件
3‧‧‧第二爪形磁極件
5‧‧‧永久磁鐵
6‧‧‧護罩
12‧‧‧磁極
13‧‧‧磁場線圈
14‧‧‧滑環
15‧‧‧轉軸
16‧‧‧軸承
21‧‧‧爪狀體
31‧‧‧爪狀體
51‧‧‧永久磁鐵之N極端
52‧‧‧永久磁鐵之S極端
53‧‧‧永久磁鐵之外表面
55‧‧‧凹部
121‧‧‧爪狀體
123‧‧‧爪狀體
211‧‧‧溝槽
311‧‧‧溝槽
圖1係顯示習知之交流發電機之轉子之分解圖；圖2係顯示本案發明之交流發電機之轉子之磁極組成示意圖；圖3係顯示本案發明之永久磁鐵及其護罩之立體圖；圖4係顯示本案發明之永久磁鐵及其護罩安裝於磁極之一實施例沿圖2A-A線之剖面圖； 圖5係顯示本案發明之永久磁鐵及其護罩安裝於磁極之另一實施例沿圖2A-A線之剖面圖；及圖6係依表1所繪製之曲線圖。
本發明之最佳實施例係參考圖式描述如下，且該等元件符號係顯示於圖式以指示相對應之元件。
本發明主要針對習知之交流發電機之轉子作進一步之改良，尤其是針對轉子磁極之改良(如圖2所示)。
轉子之磁極係包含一第一爪形磁極件2及一相對之第二爪形磁極件3(請參考圖2)，第一爪形磁極件2可具有二個、四個、六個或八個爪狀體21，而第二爪形磁極件3亦可具有二個、四個、六個或八個爪狀體31，其中第一爪形磁極件2之爪狀體21數目與第二爪形磁極件3之爪狀體31數目相同。
第一爪形磁極件2與第二爪形磁極件3係以相互咬合之方式而組合成該磁極，而使第一爪形磁極件2之爪狀體21與第二爪形磁極件3之爪狀體31彼此成對相鄰且間隔排列。當轉子之磁極線圈通電後，第一爪形磁極件2可因電磁感應而磁化成N極，且第二爪形磁極件3可因電磁感應而磁化成S極；如此，各對相鄰之形成N極之第一爪形磁極件2之爪狀體21與形成S極之第二爪形磁極件3之爪狀體31之間可產生磁力線，進而形成一磁場。若一磁極線圈以與上述之磁極線圈相反的方向纏繞設置，則第一爪形磁極件2則因電磁感應而磁化成S極，且第二爪形磁極件3則因電磁感應而磁化成N極；同樣地，各對相鄰之形成S極之第一爪形磁極件2之爪狀體21與形成N極之第二爪形磁極件3之爪狀體31之間亦可產生磁力線，進而形成一磁場。
本發明主要在於在各對相鄰之爪狀體21、31之間設置一如圖3所示之永久磁鐵5或永久磁鐵5及其護罩6。如圖2所示，永久磁鐵5係可 固定設置於各個相鄰之爪狀體21及31之間，且永久磁鐵之N極端51係與可形成N極之第一爪形磁極件2之爪狀體21接觸，而永久磁鐵之S極端52係與可形成S極之第二爪形磁極件3之爪狀體31接觸；如此，當轉子之磁極線圈通電且各對爪狀體21及31之間形成磁場時，永久磁鐵5可阻擋相鄰之爪狀體21及31之磁力線之直線通過，而避免漏磁之情形發生，以增強相鄰之爪狀體21及31所形成之磁場，並進一步增加交流發電機之發電量。
若第一爪形磁極件2因電磁感應而磁化成S極，且第二爪形磁極件3因電磁感應而磁化成N極，則永久磁鐵5之設置，以其N極端51則與第二爪形磁極件3之爪狀體31接觸且其S極端52則與第一爪形磁極件2之爪狀體21接觸之方式設置。
總而言之，當永久磁鐵5固定設置於各個相鄰之已受電磁感應而產生磁極之爪狀體21及31之間，永久磁鐵5之一極性端則與其同極性之爪狀體接觸。
就本發明轉子所能達到之增加發電量之功效，茲以未設有永久磁鐵之磁極之轉子的交流發電機(I)與以上述方式設置十六件永久磁鐵於具有八對爪狀體之磁極之轉子的交流發電機(II)與以上述方式設置十二件永久磁鐵於具有六對爪狀體之磁極之轉子的交流發電機(III)作實驗比較：下表1係顯示該三種交流發電機(I、II及III)在各種轉速下所能產生之發電量：
根據表1可得知，在磁極之相鄰N極及S極爪狀體之間裝設有永久磁鐵之轉子之交流電發電機(II及III)可產生之發電量皆大於未在磁極中裝設有永久磁鐵之轉子之交流電發電機(I)之發電量。
進一步，參考利用表1之數值所繪製之曲線圖(見圖6)；除可比較出在磁極中裝設有永久磁鐵之轉子之交流電發電機(II及III)可產生之發電量皆大於未在磁極中裝設有永久磁鐵之轉子之交流電發電機(I)之發電量之外，亦可發現在轉子低速運轉下(低於3000RPM)，在磁極中裝設有永久磁鐵之轉子之交流電發電機(II及III)所增加產生之發電量尤其顯著。
又，若進一步將固設於相鄰之爪狀體21及31之間之永久磁鐵5之朝向該磁極之外側的一外表面53上覆蓋一由非導磁材料所製成之護罩6，如圖2所示，除可藉其剛性以保護該永久磁鐵5，並由於該材料的非導磁特性而可進一步避免漏磁，而可更進一步的增強該磁場，以達到更佳的技術效果。其中，該非導磁材料可採用一不銹鋼材料。
而永久磁鐵5或永久磁鐵5及其護罩6可以嵌入之方式固設於二相鄰之爪狀體21與31之間。圖4係由圖2之A-A線之剖面以顯示一種將永久磁鐵5及其護罩6嵌入二相鄰之爪狀體21與31之間之方式，其中第一爪形磁極件2之爪狀體21與相鄰之第二爪形磁極件3之爪狀體31之相對之二側面可分別以車銑之方式設置一溝槽211及311，永久磁鐵5及其護罩6可利用該二溝槽211及311以嵌入於該相鄰之二爪狀體21及31之間，且其中永久磁鐵5之N極端51係容納於N極爪狀體21之溝槽211中，而其S極端52係容納於S極爪狀體31之溝槽311中。此外，圖5係由圖2之A-A線之剖面以顯示另一種將永久磁鐵5及其護罩6嵌入二相鄰之爪狀體21與31之間之方式，其係以車銑之方式在爪狀體21與31之間之內側形成一凹部55，永久磁鐵5及其護罩6可容納於凹部55中以嵌入於該相鄰之二狀體21及31之間，其中永久磁鐵5之N極端51係抵靠N極 爪狀體21，而其S極端52係抵靠S極爪狀體31。
為使永久磁鐵5或永久磁鐵5及其護罩6更能固著於相鄰之爪狀體21及31之間，可進一步將黏著劑施用於永久磁鐵5或永久磁鐵5及其護罩6與爪狀體21及31之間。
本發明之轉子適用於交流發電機系統，例如發電系統及車輛之交流發電機系統。本發明之轉子尤其適合作為汽車用交流發電機之轉子結構。
本案發明不應僅被認為限縮於如上所述之特定之實施例，而其應被理解已包含如所附申請專利範圍呈現之發明之各種方面。和本發明可能應用之一樣之多種結構之不同之變化、等效之方法將對於本發明技術領域藉由本說明書所揭露者為顯而易見的。舉例而言，該等永久磁鐵以其他不同之方式固設於二相鄰爪狀體之間，或僅在部分相鄰之二爪狀體之間設置有永久磁鐵，而在其他相鄰之二爪狀體之間未設置有永久磁鐵，進而同樣達到本案發明可達到之技術效果。本案申請專利範圍欲包含該等修改及裝置。
2‧‧‧第一爪形磁極件
3‧‧‧第二爪形磁極件
5‧‧‧永久磁鐵
6‧‧‧護罩
21‧‧‧爪狀體
31‧‧‧爪狀體
51‧‧‧永久磁鐵之N極端
52‧‧‧永久磁鐵之S極端
53‧‧‧永久磁鐵之外表面

Claims (22)

  1. 一種用於交流發電機之轉子，其包括一第一爪形磁極件(2)及一相對之第二爪形磁極件(3)，該第一爪形磁極件(2)具有複數個N極爪狀體(21)，而該第二爪形磁極件(3)具有與該第一爪形磁極件(2)之複數個N極爪狀體(21)相同數目的S極爪狀體(31)，當該第一爪形磁極件(2)與該第二爪形磁極件(3)彼此結合時，該第一爪形磁極件(2)之複數個N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之複數個S極爪狀體(31)係分別彼此相鄰且間隔排列；其特徵在於，在至少一彼此相鄰之該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之間固設一永久磁鐵(5)，其中該永久磁鐵(5)之一N極端(51)係與該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)接觸，而該永久磁鐵(5)之一S極端(52)係與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)接觸。
  2. 如請求項1所述之該轉子，其中該永久磁鐵(5)以嵌入之方式固設於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之間，且其中該永久磁鐵(5)之N極端(51)係嵌入於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)，而該永久磁鐵(5)之S極端(52)係嵌入於該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)。
  3. 如請求項1或2所述之該轉子，進一步具有一用於該永久磁鐵(5)之護罩(6)，其中該護罩(6)係由非導磁材料所製成且大致覆蓋該永久磁鐵(5)之一外表面(53)。
  4. 如請求項3所述之該轉子，其中該護罩(6)可由不鏽鋼所製成。
  5. 如請求項1或2所述之該轉子，其中該永久磁鐵(5)可藉由黏著劑以固定於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之間。
  6. 如請求項2所述之該轉子，其中該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與相鄰之該第二爪型磁件(3)之S極爪狀體(31)之彼此相互面對之側面各設有一彼此相對應之溝槽(211、311)，且其中該永久磁鐵(5)之N極端(51)可容納於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)之溝槽(211)中，及該永久磁鐵(5)之S極端(52)可容納於該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之溝槽(311)中。
  7. 如請求項2所述之該轉子，進一步具有複數個凹部(55)，該等各個凹部(55)係形成於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之彼此相鄰處之內側，其中該永久磁鐵(5)可被容納於該凹部(55)中，且該永久磁鐵(5)之N極端(51)係抵靠該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)，及該永久磁鐵(5)之S極端(52)係抵靠該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)。
  8. 如請求項6所述之該轉子，其中該溝槽(211、311)係以車銑製成。
  9. 如請求項7所述之該轉子，其中該凹部(55)係以車銑製成。
  10. 如請求項1所述之該轉子，其中在該第一爪形磁極件(2)之各個N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之各個相鄰S極爪狀體(31)之間固設該永久磁鐵(5)。
  11. 如請求項1所述之該轉子，其中該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)數目與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)數目係偶數。
  12. 一種車輛用之交流發電機，其包含如請求項1之轉子。
  13. 如請求項12所述之交流發電機，其中該永久磁鐵(5)以嵌入之方式固設於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之間，且其中該永久磁鐵(5)之N極端 (51)係嵌入於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)，而該永久磁鐵(5)之S極端(52)係嵌入於該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)。
  14. 如請求項12或13所述之交流發電機，進一步具有一用於該永久磁鐵(5)之護罩(6)，其中該護罩(6)係由非導磁材料所製成且大致覆蓋該永久磁鐵(5)之一外表面(53)。
  15. 如請求項14所述之交流發電機，其中該護罩(6)可由不鏽鋼所製成。
  16. 如請求項12或13所述之交流發電機，其中該永久磁鐵(5)可藉由黏著劑以固定於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之間。
  17. 如請求項13所述之交流發電機，其中該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與相鄰之該第二爪型磁件(3)之S極爪狀體(31)之彼此相互面對之側面各設有一彼此相對應之溝槽(211、311)，且其中該永久磁鐵(5)之N極端(51)可容納於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)之溝槽(211)中，及該永久磁鐵(5)之S極端(52)可容納於該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之溝槽(311)中。
  18. 如請求項13所述之交流發電機，進一步具有複數個凹部(55)，該等各個凹部(55)係形成於該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)之彼此相鄰處之內側，其中該永久磁鐵(5)可被容納於該凹部(55)中，且該永久磁鐵(5)之N極端(51)係抵靠該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)，及該永久磁鐵(5)之S極端(52)係抵靠該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)。
  19. 如請求項17所述之交流發電機，其中該溝槽(211、311)係以車銑製成。
  20. 如請求項18所述之交流發電機，其中該凹部(55)係以車銑製成。
  21. 如請求項12所述之交流發電機，其中在該第一爪形磁極件(2)之各個N極爪狀體(21)與該第二爪形磁極件(3)之各個相鄰S極爪狀體(31)之間固設該永久磁鐵(5)。
  22. 如請求項12所述之交流發電機，其中該第一爪形磁極件(2)之N極爪狀體(21)數目與該第二爪形磁極件(3)之S極爪狀體(31)數目係偶數。
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