TW201740656A - 感應式充電系統用的監視裝置及感應式充電系統 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種特別是用於一移動載體或載具(1)之感應式充電系統(100)用的監視裝置(10),其具有(i)一個發射器線圈配置(20),其係用於產生一個交變的磁場,以及(ii)一個接收器線圈配置(30),其係用於直接或間接地接收由該發射器線圈配置(20)所發射的磁場,其中該發射器線圈配置(20)及/或該接收器線圈配置(30)具有複數個個別線圈(21),其係彼此分開但彼此緊鄰,並且其之線圈橫截面(23)不會重疊並且覆蓋預定的偵測面(40),並且該複數個個別線圈(21)係藉由至少兩個不同類型的線圈(21-1、21-2、21-3)來形成。
Description
本發明係關於一種感應式充電系統用的監測裝置及一種感應式充電系統。本發明係特別是關於一種用於載具中的監視裝置用之感應式充電系統,並且特別是關於一種用於充電一操作裝置之感應式充電系統,並且特別是關於一種藉由感應式耦合而具有電能之載具。
當對蓄電池(accumulators)以及類似物進行充電時,為了避免插頭型接點和它們的缺點,已逐漸增加利用感應式充電系統,特別是關於油電混合載具和電動載具之領域。
這裡有問題的是,在感應充電過程中所使用的高頻率交變的磁場可以影響位於充電區的金屬物體,特別是會危險地加熱物體。因此,在藉由感應式充電系統進行充電之前,有必要藉由相應的監視裝置來確認,在該充電區或在其附近沒有金屬物體。
缺點在於,基於運動感測器、紅外照相機、電容式耦合、或其他電感式耦合之習知監視觀念不具有足夠的可靠度。特別是,習知的電感式耦合會發生監視間隙。
根據本發明,具有獨立請求項第1項的特徵之監視裝置相較於上述所具有的優點是,可藉由發射器線圈配置及/或接收器線圈配置的組構而可在一個預定的偵測面達成無間隙之監視。根據本發明,可藉由提供提供一種特別是用於一載具之感應式充電系統用的監視裝置來實現來獨立請求項第1項的特徵,該監視裝置具有:(i)一個發射器線圈配置,其係用於產生一個交變的磁場,以及(ii)一個接收器線圈配置,其係用於直接或間接地接收由該發射器線圈配置所發射的磁場,其中該發射器線圈配置及/或該接收器線圈配置具有複數個個別線圈,其係彼此分開但彼此緊鄰,並且其之線圈橫截面不會重疊並且覆蓋預定的偵測面,並且該複數個個別線圈係藉由至少兩個不同類型的線圈來形成。由於提供了至少兩種不同類型的線圈,當使用相同的個別線圈時,該發射器線圈配置及/或該接收器線圈配置所可能出現的嚴格對稱性係會被中斷。特別是,此避免了一種情況,即在彼此直接相鄰的個別線圈中的狹窄區域會發生偵測間隙,特別是因為使用相同個別線圈而具有高度對稱性之事實的結果,因此造成磁通量彼此取消並因此所提供的任何可監視的物體不會產生任何可測量的場變化,而可以被該接收器線圈配置進行測量。
另外,也可能假設個別線圈具有傳輸功能以及接收功能兩者。
習知而言,只具有一個線圈形狀的磁場僅可以產生非常有限的偵測圖案,其結果是偵測精確性會受到嚴重地限制。本發明避免了這個
問題。特別是,可以藉由各種線圈的幾何形狀來增加可形成的磁通量圖案的各種形狀。
一個有利的實施例可以包含以具有三角形的矩形、或圓形的線圈形狀之組合,其結果是,給定適當賦能(energization)後,在線圈元件的邊緣之間磁場的驟停(quenching)係被最小化。
在應用中,該載具可具有至少一個輪子。另外,該載具也可能是一自行車、一客車、一卡車或公車、一四輪摩托車或多軸的載具,例如一軌道載具。
一個相應的線圈結構(也稱為一線圈陣列)可執行傳輸功能和接收功能兩者,特別是取決於賦能時。該陣列可以用於一個圓形線圈以及該載具的一側上,且該陣列在電性上可以與能量的傳輸無關。
該發射器線圈和接收器線圈可以完全重合或部分重合。
附屬請求項係呈現本發明的較佳發展。
取決於不同的應用,發射器線圈配置及/或接收器線圈配置的個別線圈可以以一種方式來體現,使得它們在性質特色可以多種方式彼此區分,其結果是,即使存在一個必須被覆蓋的均勻偵測面,也不須對基本線圈配置要求具有高度對稱性。
在該監視裝置的一個有利發展中,因此其提供了,該類型的線圈在以下性質方面至少有一者不同:(i)該線圈的橫截面的值,(ii)該線圈的橫截面的形狀,以及(iii)自感,特別是匝的數目。
如果彼此直接相鄰的個自線圈是用不同類型的線圈來形成,便可以特別可靠地避免該偵測間隙。
為了對於要被監視的偵測面實現特別良好的覆蓋,根據本發明的監視裝置的另一個發展,其提供了,該偵測面係以一個平面及/或棋盤狀的方式藉由該等個別線圈及/或群組的個別線圈來覆蓋。
如果由個別線圈所產生的磁場基本上集中在要進行監視的偵測面上的話,那麼根據本發明的監視裝置的偵測原理係證明為特別有效的。
因此,在根據本發明的監視裝置的另一個發展,其提供了個別線圈,而其線圈橫截面係位在一個平行於該偵測面之平面。
該偵測面可以是彎曲的及/或具有曲線。
根據本發明的進一步有利的特色,在實際形成要發射或是要偵測的交變的磁場期間,會進行特定測量以確保可靠和準確的物體偵測。
因此,根據本發明的監視裝置的一個較佳實施例中,其提供了,後者具有一個控制和評估單元。該單元可以執行各種任務。
特別是其提供了,該控制和評估單元分別配置以(i)評估所接收的磁場,及/或產生一個物體偵測信號,其代表一金屬物體存在或不存在於該偵測面的區域中,(ii)向相對於施加電流與任何所需佈線到個別線圈,以便產生一個預定的場圖案,特別是與外圍流動輪廓這是由個別線圈覆蓋的偵測面的區域到該電流是由電線施加,且具有單一連續面積,及/或(iii)用任何所需佈線讀出個別線圈,以採樣該偵測面,特別是該偵測面中被要讀出之個別線圈所覆蓋並具有單一連續面積之區域的預定表面圖案。
另外或作為替代例,該控制和評估單元也可以被配置為使用
該監視結果,例如以一個物體偵測信號的形式,特別是在一個根本感應式充電系統的操作期間。
因此根據本發明的監視裝置的一個有利發展中,其提供了,該控制和評估單元係配置以基於該物體偵測信號來控制一個基本感應式充電系統之操作,特別是在一個載具中的感應式充電系統,特別是,假如該物體偵測信號指出在偵測面的區域中存在金屬物體的話,可避免充電。
一個發射器線圈配置和接收器線圈配置,無論具有或不具有能量傳輸裝置,最初是彼此獨立的構件,特別是,其係以彼此分開的方式體現。
然而,該監視裝置可以以一個特別節省空間的方式來實施,並具有特別低的材料支出,如果是利用感應式相互作用或自感式相互作用的原理。因此,在根據本發明的監視裝置的一個有利發展中,其提供了,該發射器線圈配置和該接收線圈配置係部分對應或完全對應,並且,特別是,根據感應式相互作用或自感式相互作用的原理及/或藉由感應或感應特徵值的變化,該磁場是由常用的個別線圈所接收。
根據本發明的監視裝置使用在一個感應式充電系統是有利的。
然而,在這種情況下,在任何情況下使用存在的感應充電系統構件可以是適當的,且也與監視功能結合。
根據本發明的監視裝置的一個有利的改進,因此其提供了,該發射器線圈配置部分對應或完全對應於一個能量發射器線圈配置或其之一部分,及/或該發射器線圈配置部分對應或完全對應於一個能量供應接收
器線圈配置或其之一部分,個別的基本感應式充電系統的一部分。
此外,本發明係關於一種感應式充電系統,其係用於充電一操作裝置,特別是,藉由感應式耦合而具有電能之移動載體或載具,該感應式充電系統具有(i)能量發射器線圈配置,其係用於產生一個交變的磁場,並且具有(ii)能量接收器線圈配置,其係用於接收由該發射器線圈配置所發出的磁場,並藉由感應的方式將所接收到的該磁場轉換成電能,以及具有(iii)能量儲存裝置,其目的是用來儲存所產生的電能,並且根據本發明其係具有一個監視裝置。
在根據本發明的感應式充電系統的一個有利發展中,一個特別緊湊的設計係被獲得,其中該發射器線圈配置被形成,以部分對應或完全對應於該能量發射器線圈配置及/或該接收器線圈配置係被體現,以部分對應或完全對應於該感應式充電系統的能量接收線圈配置。
1‧‧‧載具
2‧‧‧底盤
3‧‧‧輪子
4‧‧‧蓄電池
5‧‧‧整流器
6‧‧‧線路
7‧‧‧線路
10‧‧‧監測裝置
10’‧‧‧監測裝置
20‧‧‧發射器線圈配置
20’‧‧‧線圈配置
21‧‧‧線圈
21-1‧‧‧線圈
21-2‧‧‧線圈
21-3‧‧‧線圈
22‧‧‧繞線
23‧‧‧橫截面
25‧‧‧偵測間隙
26‧‧‧交變電壓
27‧‧‧箭頭
30‧‧‧接收器線圈配置
30’‧‧‧線圈配置
40‧‧‧偵測面
41‧‧‧圖案
42‧‧‧圖案
45‧‧‧物體
100‧‧‧感應式充電系統
101‧‧‧能量源
102‧‧‧連結
103‧‧‧整流器
104‧‧‧反相器
105‧‧‧線路
106‧‧‧線路
107‧‧‧線路
120‧‧‧能量發射器線圈配置
125‧‧‧交變的磁場
130‧‧‧接收器線圈配置
本發明的實施方式將參考附圖進行詳細描述,其中:圖1係以示意性方塊圖的方式來顯示本發明的充電系統結合一載具之一個實施例,圖2和圖3係顯示線圈配置的示意性平面圖,該線圈配置可用於根據本發明的監視裝置的實施例中,圖4和圖5係顯示根據本發明的圖3之監測裝置的實施例的不同應用的示意性平面圖,以及圖6和圖7係顯示線圈配置的示意性平面圖,該線圈配置可使用於習知的監視裝置。
本發明的範例性實施例將在下面參考圖1至圖5進行詳細的說明。相同和等同的以及相同或等同的主動元件和構件係以相同的元件符號表示。無論什麼時候出現將不會對指定元件和構件進行詳細描述。
所例示的特徵和進一步特性可根據需要彼此分開和彼此結合,而不會脫離本發明的本質。
在對本發明的概念進行詳細探討之前,將使用完全對稱的線圈配置,參考圖6和圖7說明習知的程序,並且將說明該程序的缺點。
圖6和圖7係顯示習知的線圈配置20'、30'的示意平面圖,線圈配置20'、30'係覆蓋一個預定的偵測面40,在此其具有相同類型的相同線圈21。個別線圈21的每一者係由具有一個或多個匝的線圈繞線22組成。該線圈繞線係在該線圈的線圈橫截面中環繞垂直於線圈軸的線圈橫截面23。
在根據圖6的實施例中,所施加的交變電壓26和其相對於該線圈幾何之定向同樣也以V11到V32顯示和代表。
在根據圖7的實施例中,外加電電流的方向也是由箭頭27表示。
在根據圖6和圖7的兩個習知實施例中,因為對於所有的個別線圈21使用相同線圈形狀造成該線圈配置20'、30'的對稱性的緣故,偵測間隙25係發生在直接相鄰的線圈21之間相鄰區域。
當習知的線圈配置20'和30'係使用在感應式充電系統用的監
測裝置時,這些偵測間隙25可以產生故障和操作上的問題。本發明的目的係儘可能以最簡單和最可靠的措施來避免這些問題。
圖1係顯示根據本發明之搭配載具1使用的充電系統100的實施例。
該載具1具有一底盤2、輪子3、和一驅動系統,其係至少部分地從一電池饋入作為一能量蓄電池4。根據本發明的感應式充電系統100係被提供以對具有電能之能量蓄電池4進行充電。
根據本發明的圖1之充電系統100的實施例係包括一連結102,其係用將該裝置100連接至一能量源101。主要能源,例如,具有頻率為50赫茲、220伏特的正弦波電壓之電流,在一開始係使用一整流器103,藉由線路105、106、和107進行整流。然後,整流後的電壓係被饋入到一反相器104,以便形成一交變電壓,該交變電壓係接著經由線路107饋入至該能量發射器線圈配置120,其本身係產生一交變的磁場125。
該交變的磁場125接著被該能量接收器線圈配置130接收,並通過感應方式轉換成與交流電流對應的交流電壓,該交流電壓經線路6被轉移到一個整流器5和饋入,整流後成電池,經由線路7的能量蓄電池4。
在根據圖1的實施例中,該能量發射器線圈配置120的至少一部分係形成用於一監視裝置10的一發射器線圈配置20。該能量接收器線圈配置130本身可以部分或完全形成該監視裝置10的接收器線圈配置30。
作為本程序的一個替代例中,該監測裝置10的發送器線圈配置20和接收器線圈配置30也可以被提供作為分開的構件,其係與該能量發送線圈120和該能量接收器線圈130完全去耦合。
在根據圖1的實施例中,該接收器線圈配置30的一部分被配置為在該載具的後方區域之分開的構件。不過,此實施例並非強制性的。
在操作過程中,在實際充電過程之前,一開始先檢查金屬物體是否位於該能量發射器線圈配置120和該能量接收器線圈配置130之間,也就是說,實際上在一邊的接地和接地線圈與另一邊的載具1之間。如果該監視裝置10偵測到關鍵的金屬物體的話,將不會啟該充電系統100的操作,並且不會進行充電作業,相對地,亦即,將對於操作者發出一個警告。
在另一方面,如果因為關鍵的金屬物體不存在於該能量發射器線圈配置120和該能量接收器線圈配置130之間的偵測面40的區域,而沒有存在一個危險的情況,該交變的磁場可以被產生,以在線圈配置120和130之間傳遞能量,且因此,能量可以從該能量源101傳送到該能量蓄電池4。
圖2和圖3係顯示具有個別線圈21之發射器線圈配置20或接收器線圈配置30的實施例的示意性平面圖,每一個線圈21係覆蓋著一偵測面40。
在這種情況下,以正方形線圈的形式且具有相對大尺寸的第一類型21-1,以及也是以正方形的,但只有該橫截面23的四分之一的第二類型21-2可以被使用為個別線圈21。以第一類型21-1的個別線圈21,以及以4個第二類型21-2為群組的個別線圈21係分別大約以一個棋盤狀方式來覆蓋該偵測面40。
該原理也可以應用於圓形或相同的多角形線圈。
每一個個別線圈21,無論是以第一類型21-1或第二類型21-2
來體現,係由一繞線22組成,並且具有一相對於線圈軸而垂直的橫截面23,其中該線圈配置20、30的多個橫截面23係位在一個大致平行於該偵測面40的平面中。
結果是,該電流27係可藉由對應於圖中的箭頭進行特徵化,該磁場可以被產生以具有根據麥克斯威爾方程式之空間/時間順序的側寫的磁通密度。
根據圖3的線圈配置20、30的實施例係以類似於根據圖2的實施例之方式來建構。
在一方面,該線圈配置20、30也係由第一類型21-1的個別的正方形線圈21組成,但他們現在具有第三類型21-3且具有相對小的橫截面面23的個別的三角形的線圈21,其中以第一類型21-1的個別的正方形線圈21,以及以4個第三類型21-3為群組的個別線圈21係再次以一個棋盤狀方式來覆蓋該偵測面40。
在兩個實施例中,根據本發明的圖2和圖3,對於個別線圈21使用不同類型的21-1、21-2、和21-3係實現高度的對稱性,而根據圖6和圖7之常規使用的高度的對稱性係中斷,結果是在這裡所描述的圖2和圖3的實施例係不會發生偵測間隙25。
圖4和圖5係顯示來自於圖3的線圈配置20和30的實施例之應用與金屬物體45,該金屬物體45係分別覆蓋了該偵測面40的第一表面圖案41和第二表面圖案42。
首先,根據本發明,金屬物體45和其一般存在通常會被偵測出沒有偵測間隙25。
然而,根據本發明,相應的選擇佈線可允許該表面圖案41、42,即表面圖案41、42的形狀或輪廓得以精確地確定,例如,該表面圖案41、42係依序分別被該偵測面上的物體45覆蓋著,以區分圖案41和圖案42它們的形狀,及/或它們的尺寸。
本發明的這些和進一步的特徵和性質將參照下面的描述內容進行更詳細的闡釋。
在蓄電池的感應式充電期間,經常會使用高頻率的磁場。這種技術的優點是能夠進行而不需要插頭型接點。例如,這可以應用在工具蓄電池、電動自行車、或油電混合車輛。
但是,必須要監測磁場,因為在磁場中的金屬外來體可以危險地加熱。
有各種用於監視這些金屬物體的監測系統,其中這些系統包括運動感測器、紅外照相機、電容式耦合、電感式耦合。
用於監視金屬物體的已知系統係以相同線圈21的對稱陣列20'、30'進行操作,例如,相同線圈像是圖6和圖7的圓形或矩形線圈。
在這種情況下,該相同線圈21可以個別地依序地致動,以用陣列20、30產生圖案41、42。在這種情況下,磁通密度的消失可在線圈21之間局部地發生。
圖6和圖7顯示了習知的對稱陣列20',30'的中心因偵測間隙25而有的偵測缺點。
根據本發明,一種新的線圈配置20、30係被提供,其係由至少兩種不同的線圈形狀21-1、21-2、21-3來形成個別線圈21,並且其係以
適當的方式以儘可能地產生偵測面40的圖案41、42或表面圖案,其最小化因偵測間隙25造成的偵測缺點。
為了這個目的,例如,以三角形、正方形、及/或矩形形式的個別線圈21係以這樣的方式進行組合,使得在相鄰的個別線圈21的相鄰區域中的磁通量不再被抵消或不需要再被抵消。
圖2和圖3係顯示根據本發明使用的線圈陣列20、30,其具有兩個個別單元的線圈類型21-1、21-2以及21-1、21-3。
個別線圈元件或個別線圈21的匝數可以根據功能性特色和成本準則進行變化並優化。在一個極端情況下,一個別線圈21可僅由一個導體路徑迴圈組成。
各種線圈的幾何形狀21-1、21-2、21-3的組合係允許對於在偵測面40中的整個新穎圖案41、42進行評估,在其特定耦合中係允許在可能的外來體獲得更多的資訊。
在這種情況下,個別單元可以進行組合以形成多個形狀。給定合適的佈線,該形狀可以作為一個實體並在內部的場大部分可以互相抵消。因為是一磁性字母帶來的,並受到了在該輪廓處的磁通的連續方向所約束。
在這種情況下,可能有具有相同“字母”的圖案,如在圖4所示,其中使用了一個具有2個個別單元線圈類型21-1、21-3和相同的評估圖案41之線圈陣列20、30。
同樣地,可以使用不同的“字母”,如在圖5中所例示,其中相同的兩個個別單元線圈類型21-1、21-3係搭配不同的評估圖案41、42
來使用。
同樣地,一個訓練機制可以用於校準該評估信號。
因此,在開始充電之前,使用者可以將充電板分類為“無外來物體”。因此,該系統響應也可藉由複雜形狀來進行訓練,並且在學習過程中的任何變化可以觸發用於測試可能的外來物體之過程。
如果具有相同的基本形狀但具有不同的大小之個別線圈21係進行組合的話,類似的效果可以被觸發。圖3顯示的線圈配置20、30具有兩個個別單元線圈類型21-1、21-2,其具有相同的形狀和不同的尺寸。
1‧‧‧載具
2‧‧‧底盤
3‧‧‧輪子
4‧‧‧蓄電池
5‧‧‧整流器
6‧‧‧線路
7‧‧‧線路
10‧‧‧監測裝置
20‧‧‧發射器線圈配置
30‧‧‧接收器線圈配置
40‧‧‧偵測面
100‧‧‧感應式充電系統
101‧‧‧能量源
102‧‧‧連結
103‧‧‧整流器
104‧‧‧反相器
105‧‧‧線路
106‧‧‧線路
107‧‧‧線路
120‧‧‧能量發射器線圈配置
125‧‧‧交變的磁場
Claims (11)
- 一種特別是用於一載具(1)的一感應式充電系統(100)用的監視裝置(10),其具有(i)一個發射器線圈配置(20),其係用於產生一個交變的磁場以及(ii)一個接收器線圈配置(30),其係用於直接或間接地接收由該發射器線圈配置(20)所發射的該磁場,其中:該發射器線圈配置(20)及/或該接收器線圈配置(30)具有複數個個別線圈(21),其係彼此分開但彼此緊鄰,並且其之線圈橫截面(23)不會重疊並且覆蓋預定的偵測面(40),並且該複數個個別線圈(21)係藉由至少兩個不同類型的線圈(21-1、21-2、21-3)來形成。
- 如申請專利範圍第1項所述的監測裝置(10),其中該等類型的線圈(21-1、21-2、21-3)在以下性質方面至少有一者不同:(i)該線圈橫截面(23)的值,(ii)該線圈橫截面(23)的形狀,以及(iii)自感,特別是匝的數目。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的監測裝置(10),其中直接相鄰的個別線圈(21)屬於不同類型的線圈(21-1、21-2、21-3)。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的監測裝置(10),其中該偵測面(40)係以一個平面及/或棋盤狀的方式藉由該等個別線圈(21)及/或群組的個別線圈(21)來覆蓋。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的監測裝置(10),其中,該等個別線圈(21)的線圈橫截面(23)係位在一平行於該偵測面(40)之平面中。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的監測裝置(10),其係具有一控制和評估單元(40),該控制和評估單元(40)被配置以:(i)評估該所接收的磁場,及/或產生一個物體偵測信號,該物體偵測信號代表在該偵測面(40)的該區域中存在或不存在一個金屬物體(50),(ii)用任何所需的佈線而施加電流到個別線圈(21),目的是要產生一預定的場圖案,特別是具有關於該等個別線圈(21)所覆蓋之該偵測面(40)的一區域之一周邊流輪廓,電流係藉由佈線施加至該個別線圈,且該等個別線圈具有一單一連續面積,及/或(iii)用任何所需的佈線來讀出該等個別線圈(21),目的是要採樣該偵測面(40),特別是在該偵測面(40)中被要讀出的該等個別線圈所覆蓋且具有單一連續面積的一區域的一預定表面圖案(41、42)。
- 如申請專利範圍第6項所述的監測裝置(10),其中,該控制和評估單元(40)係被配置以基於該物體偵測信號來控制一個基本的感應式充電系統(100)之操作,該感應式充電系統(100)特別是用於一載具(1),並且,特別是,如果該物體偵測信號表示一金屬物體存在於該偵測面(40)的該區域中,則避免充電進行。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的監測裝置(10),其中,該發射器線圈配置(20)和該接收器線圈配置(30)係部分對應或完全對應,特別是,該磁場係根據感應式相互作用的原理藉由一般使用的個別線圈(21)來接收。
- 如申請專利範圍第1或2項所述的監測裝置(10),其中,在一各自的基本感應式充電系統(100)中,該發射器線圈配置(20)係部分對應或完全對應於一能量發射器線圈配置(120)或是其一部分,及/或該發射器線圈配置(30)部分對應或完全對應於一個能量接收器線圈配置(130)或是其一部分。
- 一種感應式充電系統(100),其係用於充電一操作裝置,並且特別是,藉由感應式耦合而具有電能之一移動載體或載具(1),該感應式充電系統(100)具有(i)一能量發射器線圈配置(120),其係用於產生一交變的磁場,並且具有(ii)一能量接收器線圈配置(130),其係用於接收由該發射器線圈配置(20)所發出的該磁場,並藉由感應的方式將該所接收到的磁場轉換成電能,以及具有(iii)一能量儲存裝置(140),其係用來儲存該所產生的電能,該感應式充電系統(100)具有如申請專利範圍第1至9項所述的監視裝置(10)。
- 如申請專利範圍第10項所述的感應式充電系統(100),其中:該發射器線圈配置(20)被形成以部分對應或完全對應於該能量發射器線圈配置(120),及/或該接收器線圈配置(30)係被體現以部分對應或完全對應於該感應式充電系統(100)的該接收器線圈配置(130)。
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