TWI466144B - 扼流器 - Google Patents
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Description
本發明關於一種適用於扼流器(choke)之芯體(core)，尤指一種具有非圓形且非方形之截面之中柱的芯體。
扼流器的功用在於穩定電路中的電流並達到濾除雜訊的效果，作用與電容器類似，同樣是以儲存、釋放電路中的電能來調節電流的穩定性，而且相較於電容是以電場(電荷)的形式來儲存電能，扼流器則是以磁場的形式來達成。
扼流器早期通常都使用在直流變壓器(DC/DC converter)或電池充電器(battery charger)等電子裝置內，並應用於數據機(modem)、非同步數位用戶專線(asymmetric digital subscriber lines,ADSL)或局部區域網路(local area networks,LAN)等傳輸裝置中。然而，近幾年來，扼流器亦被更廣泛地應用於諸如筆記型電腦、手機、液晶螢幕以及數位相機等資訊科技產品中。由於資訊科技產品逐漸朝向薄型化與輕量化的趨勢發展，扼流器的高度與尺寸便會成為一個重要的設計課題。
如第1圖所示，美國專利公告第7,209,022號所揭露之扼流器1包含一鼓型磁芯10、一導線12、一外裝樹脂14以及一對外部電極
16。
此外，如第2圖所示，鼓型磁芯10之中柱100之截面係為圓形。一般而言，中柱100之截面面積愈大，扼流器1之特性就愈好。然而，由於中柱100之截面形狀為圓形且必須保留用來纏繞導線12之繞線空間S，中柱100之截面面積便因此而被限制住了，使得飽和電流無法被有效提升。
美國專利公告第7,495,538號(以下以‘538號專利稱之)另揭露一種具有方形中柱之鼓型磁芯。於‘538號專利中，由於中柱之截面形狀為方形，導線有可能被中柱的尖銳角落損壞，且此扼流器的特性(例如，飽和電流、直流阻抗、磁通密度等)較差。
因此，本發明的目的之一在於提供一種具有非圓形且非方形之截面之中柱之芯體的扼流器。
為了達到上述目的，根據本發明之一第一實施例，一種扼流器包含一單件式芯體，由同一材料製造而成，該單件式芯體具有二板片以及一中柱，該中柱位於該二板片之間，一繞線空間位於該二板片與該中柱之間，其中，該中柱具有一非圓形且非方形之截面，該截面垂直於該中柱之一軸向，該中柱之該截面具有一第一軸以及一第二軸，該第一軸與該第二軸相交於該中柱之該截面之一中心並且
相互垂直，該第一軸比該第二軸長，該中柱之該截面相對於該第一軸與該第二軸係為對稱的。該中柱與該二板片係由磁性材料製成。
根據本發明之一第二實施例，一種扼流器包含一單件式芯體，由同一材料製造而成，該單件式芯體具有二板片以及一中柱，該中柱位於該二板片之間，一繞線空間位於該二板片與該中柱之間，其中，該中柱具有一非圓形且非方形之截面，該截面垂直於該中柱之一軸向，該中柱之該截面之一周圍包含二弧形側邊以及複數個平直側邊；以及其中，於該中柱之該截面之該周圍形成有至少一缺口，每一該至少一缺口係由該複數個平直側邊中的二相互垂直的平直側邊所定義而成，並且於該二相互垂直的平直側邊之間不存在弧形側邊。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
以下將以所附圖式詳細說明本發明之技術特點，其中圖式中相同標號係用以標示相同或相似元件。需說明的是，圖式應以參考標號的方向視之。
請參閱第3圖以及第4圖，第3圖為根據本發明一實施例之扼流器3的剖面圖，第4圖為第3圖中的扼流器3之芯體的俯視圖。
如第3圖與第4圖所示，扼流器3包含一芯體30、至少一導線32(第3圖中僅繪示一個)、一磁性材料34以及一對電極36。扼流器3適用於小尺寸應用。舉例而言，扼流器3之長＊
寬可小於4毫米＊
4毫米，且其高度可小於2.5毫米。如第3圖所示，上板片302之長度小於下板片304之長度。於另一實施例中，上板片302之長度亦可大於或等於下板片304之長度。
更進一步說明，芯體30包含一中柱300以及二板片302、304。中柱300位於二板片302、304之間，且中柱300與二板片302、304一體成型。於本發明之一實施例中，芯體30為由同一材料製成之單件式結構。換言之，中柱300與二板片302、304之組合係為單一的整體結構，中柱300與每一個板片302、304的連接處之間不存在間隙或中介材料/結構。此外，中柱300與二板片302、304係由同一材料製成。於一實施例中，中柱300與二板片302、304係由同一磁性材料製成，例如鐵粉(iron powder)、鐵氧體(ferrite)、永久磁鐵(permanent magnet)及/或其它磁性材料。一繞線空間S'形成於二板片302、304與中柱300之間。舉例而言，於此實施例中，芯體30可利用一鐵氧體粉末(ferrite powder)混合黏合劑，經過加壓成型並燒結(firing)而形成。此外，鐵氧體粉末包含鎳鋅鐵氧體(Ni-Zn ferrite)粉末或錳鋅鐵氧體(Mn-Zn ferrite)粉末。換言之，本發明所謂的同一材料可以是單一的磁性材料，也可以是鐵氧體粉末混合黏合劑且經過加壓成型而形成的複合材料，視實際應用而定。較佳地，於此實施例中，芯體30可以鎳鋅鐵氧體粉末製成。黏合劑包含
聚甲基丙烯合成樹脂(polymethylallyl(PMA)synthesize resin)，線膨脹係數介於1＊
10-5
/℃與20＊
10-5
/℃之間。於此實施例中，線膨脹係數可為約13.8＊
10-5
/℃。
如第4圖所示，一第一軸A1以及一第二軸A2相交於中柱300之截面之一中心C。中柱300之截面係垂直於中柱300之一軸向。每一個板片302、304具有一對第一側邊L1以及一對第二側邊L2，其中第一側邊L1於製造誤差範圍內實質上平行於第一軸A1且比第一軸A1長，第二側邊L2於製造誤差範圍內實質上平行於第二軸A2且比第二軸A2長。第一軸A1於製造誤差範圍內實質上垂直於第二軸A2且比第二軸A2長，中柱300之截面具有二對弧形側邊E1、E2。中柱300之截面相對於第一軸A1與第二軸A2於製造誤差範圍內實質上係為對稱的。舉例而言，弧形側邊E1係位於第二軸A2的相對二側，且弧形側邊E2係位於第一軸A1的相對二側。於此實施例中，弧形側邊E1可為圓弧形(circular-arc shape)，且弧形側邊E2可為橢圓弧形(oval-arc shape)，使得中柱300之截面之周圍呈非圓形且非方形，例如類橢圓形(oval-like shape)。於此實施例中，可先以加壓成型製程形成弧形側邊E2，再以切削製程形成弧形側邊E1。
於此實施例中，第一軸A1始自中柱300之截面之周圍上之一第一點且止於中柱300之截面之周圍上之一第二點。第二軸A2始自中柱300之截面之周圍上之一第三點且止於中柱300之截面之周
圍上之一第四點。
於此實施例中，定義於下之不等式1可被滿足：
其中，X表示第一軸A1之長度，且Y表示第二軸A2之長度。
此外，定義於下之不等式2亦可被滿足：
其中，M表示第一側邊L1之長度，且N表示第二側邊L2之長度。如上所述，扼流器3之長＊
寬可小於4毫米＊
4毫米，因此第一側邊L1之長度M可小於或等於4毫米。
再者，定義於下之不等式3亦可被滿足：
其中，A表示第二側邊L2之長度N與第二軸A2之長度Y的差值的一半(亦即，第一側邊L1與中柱300之截面之最高點/最低點間在第二軸A2上的距離)，且B表示第一側邊L1之長度M與第
一軸A1之長度X的差值的一半(亦即，第二側邊L2與中柱300之截面之最左點/最右點間在第一軸A1上的距離)。
由於芯體30之中柱300之截面呈非圓形且非方形(例如，類橢圓形)而非呈圓形或方形，中柱300之截面面積因而增加。因此，扼流器3之飽和電流可有效提升。此外，由於中柱300之截面具有二對弧形側邊E1、E2，導線32可平順地纏繞於中柱300周圍，且扼流器3之特性(例如，飽和電流、直流阻抗、磁通密度等)會比習知扼流器來得好。
請參閱第5圖，第5圖為根據本發明另一實施例之扼流器之芯體30'的俯視圖。與第4圖所示之實施例類似，芯體30'為由同一材料製成之單件式結構。換言之，中柱300'與二板片之組合係為單一的整體結構，中柱300'與每一個板片的連接處之間不存在間隙或中介材料/結構。此外，中柱300'之截面相對於第一軸A1與第二軸A2於製造誤差範圍內實質上係為對稱的。如第4圖與第5圖所示，上述芯體30與芯體30'的主要不同之處在於，芯體30'之中柱300'之截面之周圍呈非圓形且非方形(例如，橢圓形)。如第5圖所示，第一軸A1將中柱300'之周圍劃分為二弧形側邊，包含一上弧形側邊以及一下弧形側邊，或是第二軸A2將中柱300'之周圍劃分為二弧形側邊，包含一右弧形側邊以及一左弧形側邊。需說明的是，第5圖中的X、Y、M、N、A與B的關係亦滿足上述不等式1、2與3。於此實施例中，芯體30'之中柱300'可根據第一軸A1與第二軸A2
由切削製程形成。
請參閱第6圖，第6圖為根據本發明另一實施例之扼流器之芯體30"的俯視圖。與第4圖所示之實施例類似，芯體30"為由同一材料製成之單件式結構。換言之，中柱300"與二板片之組合係為單一的整體結構，中柱300"與每一個板片的連接處之間不存在間隙或中介材料/結構。此外，中柱300"之截面相對於第一軸A1與第二軸A2於製造誤差範圍內實質上係為對稱的。如第4圖與第6圖所示，上述芯體30與芯體30"的主要不同之處在於，中柱300"之截面具有一對弧形側邊E3以及一對平直側邊E4，其中弧形側邊E3位於第二軸A2的相對二側，且平直側邊E4位於第一軸A1的相對二側。此外，平直側邊E4位於弧形側邊E3之間，使得中柱300"之截面之周圍呈非圓形且非方形(例如，類橢圓形)。於此實施例中，弧形側邊E3可為圓弧形。需說明的是，第6圖中的X、Y、M、N、A與B的關係亦滿足上述不等式1、2與3。於此實施例中，可先以加壓成型製程形成平直側邊E4，再以切削製程形成弧形側邊E3。
請參閱第7圖，第7圖為根據本發明另一實施例之扼流器之芯體30'''的俯視圖。與第4圖所示之實施例類似，芯體30'''為由同一材料製成之單件式結構。換言之，中柱300'''與二板片之組合係為單一的整體結構，中柱300'''與每一個板片的連接處之間不存在間隙或中介材料/結構。此外，中柱300'''之截面相對於第一軸A1與第二軸A2於製造誤差範圍內實質上係為對稱的。如第4圖與第7圖所示，
上述芯體30與芯體30'''的主要不同之處在於，中柱300'''之截面具有一對弧形側邊E5以及一對平直側邊E6，其中弧形側邊E5位於第一軸A1的相對二側，且平直側邊E6位於第二軸A2的相對二側。平直側邊E6於製造誤差範圍內實質上平行於第二軸A2且位於弧形側邊E5之間，並且中柱300'''之四角落分別形成有四缺口306。特別地，四個L形缺口306分別位於弧形側邊E5與平直側邊E6的連接處。此外，每一個L形缺口306之截面包含二平直側邊，於製造誤差範圍內實質上相互垂直且於製造誤差範圍內實質上平行於第一軸A1與第二軸A2。上述二平直側邊於製造誤差範圍內實質上相互垂直且直接自彼此延伸出，並且於此二平直側邊之間不存在弧形側邊。於此實施例中，弧形側邊E5可為橢圓弧形，使得中柱300'''之截面之周圍呈非圓形且非方形(例如，類橢圓形)。需說明的是，第7圖中的X、Y、M、N、A與B的關係亦滿足上述不等式1、2與3。於此實施例中，芯體30'''之中柱300'''可以加壓成型製程直接形成。因此，芯體30'''之中柱300'''之製程比習知技術來得簡單，並且可用以製造適用於扼流器3之小尺寸芯體30'''。
請再參閱第3圖與第4圖，扼流器3之導線32纏繞於中柱300上且位於纏繞空間S'中。導線32係由銅線外包覆漆包層所組成，且漆包層為一絕緣層。導線32可為線狀或螺旋狀。由於中柱300呈類橢圓形，當導線32纏繞於中柱300上時，除了可使導線32緊密地平貼於中柱300之外壁，以有效地纏繞導線32外，亦可在等導磁效果(equivalent permeability effect)下獲得較低的直流阻抗(direct
current resistance,DCR)。
此外，電極36設置於板片304上，其中電極36是以多層堆疊之金屬層所形成，金屬層例如以塗佈方式形成，多層金屬層包含一作為底材之銀膠、一利用電鍍形成之鎳層以及一利用電鍍形成之錫層。導線32的二端可分別設置於此對電極36上，以與此對電極36電性連接。接著，可利用焊接的方式將焊料覆蓋於導線32上，以固定導線32。扼流器3適於藉由板片304上之此對電極36以表面黏著技術(surface mount technology,SMT)與外部電性連接。
請再參閱第3圖與第4圖，於此實施例中，磁性材料34填充於繞線空間S'中且包覆導線32，其中磁性材料34可利用塗佈的方式填充於繞線空間S'中。磁性材料34由一熱固性樹脂(thermosetting resin)以及一金屬粉末(metallic powder)形成。熱固性樹脂為一有機材料且不含可揮發溶劑，且熱固性樹脂的黏度介於12000厘泊(c.p.s.)與30000 c.p.s.之間。金屬粉末於磁性材料34中的含量範圍介於50 wt%與90 wt%之間，較佳地，係介於60 wt%與80 wt%之間，且熱固性樹脂之含量低於40 wt%。於此實施例中，熱固性樹脂的黏度介於12000 c.p.s.與18000 c.p.s.之間，且金屬粉末包含鐵粉。較佳地，鐵粉的表面塗佈有絕緣體。
詳細而言，磁性材料34選用熱固性樹脂與鐵粉所組成的原因在於，熱固性樹脂除了當加熱溫度超過玻璃轉移溫度(glass transition
temperature)後，還可耐超過350℃的高溫，以滿足解焊溫度的需求外，使用鐵粉還可以使磁性材料34的導磁特性較易控制。此外，由於熱固性樹脂的黏度介於12000 c.p.s.與30000 c.p.s.之間，因此鐵粉容易與熱固性樹脂混合成磁性材料34，且混合比例範圍容許度較大，而且熱固性樹脂較易塗佈於繞線空間S'中。由於熱固性樹脂於磁性材料34中的含量低於40 wt%且不含可揮發溶劑，故於加熱硬化的過程中，熱固性樹脂之膨脹收縮產生的熱應力可以降低且氣孔較少，可以避免芯體30產生龜裂。此外，於此實施例中，磁性材料34之導磁率係介於3與7之間(較佳地，可介於4與6之間)，且熱固性樹脂為高分子聚合物，例如聚甲基丙烯合成樹脂(polymethylallyl(PMA)synthesize resin)，其線膨脹係數介於1＊
10-5
/℃與20＊
10-5
/℃之間，且玻璃轉移溫度介於130℃與170℃之間。
特別地，於此實施例中，磁性材料34的玻璃轉移溫度與熱固性樹脂的玻璃轉移溫度實質上相同，線膨脹係數約為13.8＊
10-5
/℃，且玻璃轉移溫度為150℃。
需說明的是，由於本實施例之磁性材料34無採用可揮發溶劑，所以塗佈後不需靜置於室溫中即可直接加熱硬化，且加熱硬化後亦不會有龜裂或變形的情況產生。因此，相較於習知技術，除了可以縮短扼流器3的製程時間外，磁性材料34的使用期限亦不受配方的比例影響，適於大量生產。
如本發明之實施例所述，芯體之中柱之截面於製造誤差範圍中實質上相對其長軸(例如，第一軸A1)與短軸(例如，第二軸A2)是對稱的。此外，相較於習知扼流器，由於芯體之中柱之截面呈非圓形且非方形，例如橢圓形、類橢圓形等，中柱之截面面積可有效增加。因此，扼流器之飽和電流可有效提升。此外，由於中柱之載面具有至少一對相對的弧形側邊，導線可平順地纏繞於中柱上，且扼流器之特性(例如，飽和電流、直流阻抗、磁通密度等)會比習知扼流器來得好。
此外，由於扼流器係採用由熱固性樹脂與金屬粉末所形成之磁性材料，因此當磁性材料塗佈於繞線空間後，不需靜置於室溫中即可直接加熱硬化。相較於習知技術，除了可以縮短扼流器的製程時間，且加熱磁性材料後不會有龜裂或變形的情況產生。磁性材料的使用期限亦不受配方的比例影響，適於大量生產。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1、3‧‧‧扼流器
10‧‧‧鼓型磁芯
12、32‧‧‧導線
14‧‧‧外裝樹脂
16‧‧‧外部電極
30、30'、30"、30'''‧‧‧芯體
34‧‧‧磁性材料
36‧‧‧電極
100、300、300'、300"、300'''‧‧‧中柱
302、304‧‧‧板片
306‧‧‧缺口
S、S'‧‧‧繞線空間
A1‧‧‧第一軸
A2‧‧‧第二軸
C‧‧‧中心
L1‧‧‧第一側邊
L2‧‧‧第二側邊
E1、E2、E3、E5‧‧‧弧形側邊
X、Y、M、N、A、B‧‧‧長度
E4、E6‧‧‧平直側邊
第1圖為習知扼流器之剖面圖。
第2圖為第1圖中的扼流器的俯視圖。
第3圖為根據本發明一實施例之扼流器的剖面圖。
第4圖為第3圖中的扼流器之芯體的俯視圖。
第5圖為根據本發明另一實施例之扼流器之芯體的俯視圖。
第6圖為根據本發明另一實施例之扼流器之芯體的俯視圖。
第7圖為根據本發明另一實施例之扼流器之芯體的俯視圖。
3‧‧‧扼流器
30‧‧‧芯體
300‧‧‧中柱
302‧‧‧板片
A1‧‧‧第一軸
A2‧‧‧第二軸
C‧‧‧中心
L1‧‧‧第一側邊
L2‧‧‧第二側邊
E1、E2‧‧‧弧形側邊
X、Y、M、
N、A、B‧‧‧長度
Claims (20)
- 一種扼流器，包含：一單件式芯體，由同一材料製造而成，該單件式芯體具有二板片以及一中柱，該中柱位於該二板片之間，一繞線空間位於該二板片與該中柱之間；其中，該中柱具有一非圓形且非方形之截面，該截面垂直於該中柱之一軸向，該中柱之該截面具有一第一軸以及一第二軸，該第一軸與該第二軸相交於該中柱之該截面之一中心並且相互垂直，該第一軸比該第二軸長，該中柱之該截面相對於該第一軸與該第二軸係為對稱的，該中柱之該截面之一周圍包含複數個弧形側邊，且該中柱之該截面之該周圍另包含複數個平直側邊。
- 如請求項1所述之扼流器，其中於該中柱與每一該二板片的連接處之間不存在間隙或中介結構。
- 如請求項1所述之扼流器，其中該複數個平直側邊中的二平直側邊相互垂直且直接自彼此延伸出，並且於該複數個平直側邊中的該二平直側邊之間不存在弧形側邊。
- 如請求項3所述之扼流器，其中該複數個平直側邊中的該二平直側邊於該中柱之該截面之該周圍形成一缺口。
- 如請求項1所述之扼流器，其中於該中柱之該截面之該周圍形成有四缺口，每一該四缺口係由該複數個平直側邊中的二相互垂直的平直側邊所定義而成，並且於該二相互垂直的平直側邊之間不存在弧形側邊。
- 如請求項1所述之扼流器，其中該第一軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第一點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第二點，該第二軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第三點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第四點，並且下列不等式係被滿足：
- 如請求項6所述之扼流器，其中該對第一側邊之長度小於或等於4毫米。
- 如請求項1所述之扼流器，其中該第一軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第一點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第二點，該第二軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第三點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第四點，每一該二板片具有一對第一側邊以及一對第二側邊，該對第一側邊平行於該第一軸且比該第一軸長，該對第二側邊平行於該第二軸且比該第二軸長，並且下列不等式係被滿足：
- 如請求項1所述之扼流器，另包含：一導線纏繞於該中柱上且位於該繞線空間中；以及一磁性材料，填充於該繞線空間中且包覆該導線，其中該磁性材料由一樹脂以及一磁性粉末形成，並且該磁性粉末之一平均粒徑小於20微米。
- 如請求項9所述之扼流器，其中該磁性粉末包含一鐵粉，且該鐵粉於該磁性粉末中的含量範圍介於50wt%與90wt%之間。
- 如請求項9所述之扼流器，其中該樹脂包含一熱固性樹脂，該熱固性樹脂之一線膨脹係數介於1*10-5 /℃與20*10-5 /℃之間， 且該熱固性樹脂之一玻璃轉移溫度介於130℃與170℃之間。
- 如請求項9所述之扼流器，其中該磁性材料之一導磁率介於3與7之間。
- 如請求項1所述之扼流器，其中該同一材料係一磁性材料，且該單件式芯體係一單件式磁芯。
- 一種扼流器，包含：一單件式芯體，由同一材料製造而成，該單件式芯體具有二板片以及一中柱，該中柱位於該二板片之間，一繞線空間位於該二板片與該中柱之間；其中，該中柱具有一非圓形且非方形之截面，該截面垂直於該中柱之一軸向，該中柱之該截面之一周圍包含二弧形側邊以及複數個平直側邊；以及其中，於該中柱之該截面之該周圍形成有至少一缺口，每一該至少一缺口係由該複數個平直側邊中的二相互垂直的平直側邊所定義而成，並且於該二相互垂直的平直側邊之間不存在弧形側邊。
- 如請求項14所述之扼流器，其中該中柱之該截面具有一第一軸以及一第二軸，該第一軸與該第二軸相交於該中柱之該截面之一中心並且相互垂直，該第一軸比該第二軸長，該中柱之該截 面相對於該第一軸與該第二軸係為對稱的，且該二相互垂直的平直側邊分別平行於該第一軸與該第二軸。
- 如請求項15所述之扼流器，其中該複數個平直側邊中的至少一平直側邊平行於該第一軸且位於該二弧形側邊之間，但是被平行於該第二軸之該複數個平直側邊中的另一平直側邊自該二弧形側邊隔開。
- 如請求項15所述之扼流器，其中該第一軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第一點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第二點，該第二軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第三點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第四點，並且下列不等式係被滿足：
- 如請求項15所述之扼流器，其中該第一軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第一點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第二點，該第二軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第三點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第四點，每一該二板片具有一對第一側邊以及一對第二側邊，該對第一側邊平行於該第一軸且比該第一軸長，該對第二側邊平行於該第二軸且比該第二軸長，並且下列不等式係被滿足：
- 如請求項15所述之扼流器，其中該第一軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第一點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第二點，該第二軸始自該中柱之該截面之該周圍上之一第三點且止於該中柱之該截面之該周圍上之一第四點，每一該二板片具有一對第一側邊以及一對第二側邊，該對第一側邊平行於該第一軸且比該第一軸長，該對第二側邊平行於該第二軸且比該第二軸長，並且下列不等式係被滿足：
- 如請求項14所述之扼流器，另包含：一導線纏繞於該中柱上且位於該繞線空間中；以及一磁性材料，填充於該繞線空間中且包覆該導線，其中該磁性材料由一樹脂以及一鐵粉形成，並且該鐵粉之一平均粒徑小於20微米。
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