JP4036196B2 - Electric motor and heat sink device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、動圧型流体軸受けを用いた電動機及びそれを用いたヒートシンク装置に関するものである。 The present invention relates to an electric motor using a dynamic pressure type fluid bearing and a heat sink device using the same.
従来における動圧型流体軸受けの電動機を用いたヒートシンク装置の構成を図7および図8に示す。ここで、図7は従来の半導体冷却用のヒートシンク装置を示す断面図、図8は図7のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図、図9は図7の電動機におけるスリーブの変形状態を示すグラフである。 7 and 8 show a configuration of a heat sink device using a conventional dynamic pressure type fluid bearing electric motor. 7 is a sectional view showing a conventional heat sink device for cooling a semiconductor, FIG. 8 is a sectional view showing a bearing portion of an electric motor used in the heat sink device of FIG. 7, and FIG. 9 is a deformation state of a sleeve in the electric motor of FIG. It is a graph which shows.
図7に示すように、フレーム1の凹部に突出形成されたカップ状のフレームハウジング1aの周囲には、コイル2の巻かれたステータ3にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板4が設置されている。ステータ3はフレームハウジング1aの外周部に固定されており、駆動回路基板4とフレーム1との間には絶縁シート20が設置されている。また、フレームハウジング1aの底面には樹脂等で作られたスラスタ5が固定され、さらに、フレーム1の外周には空気の流れをスムーズにするためのベルマウス19が固定されている。フレームハウジング1aにはスリーブ6が圧入固定されてステータユニット15を構成している。
As shown in FIG. 7, a
ファン8には軸9が一体成型され、軸9にはファン8の抜け防止用のワッシャ10が取り付けられている。そして、軸9はスラスタ5に当接してスリーブ6に回軸自在にはめ込まれている。また、ファン8には、環状のステータ3と対向するようにマグネット11およびマグネットヨーク12が固定され、ロータ16を構成している。
A
図8に示すように、スリーブ6の内周面にはボール転造等により動圧発生溝13が形成され、さらに、ボール転造により発生した突起を除去してスリーブ内径を±2μm以下の高精度で仕上げるためにサイジングが実施されている。
As shown in FIG. 8, a dynamic
この動圧発生溝13には潤滑油としてオイル14が注油され、ラジアル軸受け17を構成している。また、軸9のファン8と反対側の端面は球面に仕上げられており、スラスタ5と接触してスラスト軸受け18を構成している。
しかしながら、このような従来の電動機では、次のような問題点を有していた。 However, such a conventional electric motor has the following problems.
近年のパソコン等の電子機器や家庭電化製品においてはダウンサイジングが進んでおり、それに伴い、電子機器等に取り付けられるヒートシンク装置及び冷却ファンモータ等の電動機も小型化・薄型化が要求されている。 In recent years, downsizing is progressing in electronic devices such as personal computers and home appliances, and accordingly, heat sink devices and electric motors such as cooling fan motors attached to the electronic devices are required to be reduced in size and thickness.
このような電動機の小型化・薄型化により軸受け部のスペースが非常に小さくなっており、必然的にスリーブ6の肉厚も薄くせざるを得なくなっている。また、スリーブ6とフレームハウジング1aの圧入締め代は加工のバラツキを考慮して最大20μm以上となり、図9に示すように、スリーブ6の圧入固定の際、スリーブ6の内径に変形等の影響が発生していた。このスリーブ6の内径の変形により、軸9とスリーブ6との隙間が不均一となり、動圧発生溝13のポンピング力の低下、軸9の振れ回わりの増大、軸9とスリーブ
6の接触、オイル14の流出などを引き起こし、軸受けの信頼性の低下を招いていた。
Due to the miniaturization and thinning of the electric motor, the space of the bearing portion is very small, and the thickness of the
また、電子機器等は、高性能・小型化により発熱量が増大しており、それに伴い、電子機器等に取り付けられるヒートシンク装置及び冷却ファン等に用いられる電動機は、冷却効果を高めるために高速回転が必要となってきている。 In addition, the amount of heat generated by electronic devices, etc. is increasing due to high performance and downsizing. Accordingly, motors used for heat sink devices and cooling fans attached to electronic devices, etc., rotate at high speed to enhance the cooling effect. Is becoming necessary.
これに対して、軸9とスリーブ6の隙間の表面張力で保持された軸受けのオイル14は、高速回転化により遠心力に耐えきれずに余剰オイル分が流出し、さらにその余剰オイル分の流出に引き連られて必要なオイル分も軸9やロータ16を伝わり流出するようになった。このため、最終的には軸受けのオイル不足が発生して回転数の低下や電流値が増加したり異音が発生したりし、さらには、ロータ16のロックが発生して信頼性を損なっていた。
In contrast, the
そこで、本発明は、固定リングがスリーブへ食い込み易くなるので、スリーブの固定リングに対する固着力が増し、熱衝撃や振動・落下衝撃によるスリーブの緩みがなくなって、スリーブの軸との共回り、振動の増大、軸受けの焼き付き等を効果的に防止することのできる電動機を提供することを目的とする。 Therefore, according to the present invention, since the fixing ring easily bites into the sleeve, the fixing force of the sleeve to the fixing ring is increased, the sleeve is not loosened due to thermal shock, vibration or drop impact, and the sleeve rotates and vibrates with the shaft of the sleeve. An object of the present invention is to provide an electric motor capable of effectively preventing an increase in the number of bits and seizure of a bearing.
この課題を解決するために、本発明の電動機は、フレームハウジングを備えたフレームと、前記フレームハウジングの外周部に取り付けられたステータと、前記フレームハウジング内に形成された受け座に一方端が支持されるようにしてはめ込まれたスリーブと、前記スリーブを前記受け座との間で挟む固定リングと、前記スリーブに回転自在にはめ込まれた軸、および前記ステータに対向配置されたマグネットを備えたロータと、を有する電動機において、前記固定リングは前記スリーブよりも硬い材料であって前記スリーブと接触する側が凸凹形状となっており、前記固定リングの凸部が前記スリーブに食い込むように前記フレームハウジング内に圧入したものである。 In order to solve this problem, an electric motor of the present invention is supported at one end by a frame having a frame housing, a stator attached to an outer peripheral portion of the frame housing, and a receiving seat formed in the frame housing. And a rotor including a sleeve fitted in, a fixing ring for sandwiching the sleeve between the receiving seat, a shaft rotatably fitted in the sleeve, and a magnet arranged to face the stator The fixing ring is made of a material harder than the sleeve, and has a concave-convex shape on the side in contact with the sleeve, and the convex portion of the fixing ring bites into the sleeve . Is press-fitted into .
これにより、固定リングがスリーブへ食い込み易くなるので、スリーブの固定リングに対する固着力が増し、熱衝撃や振動・落下衝撃によるスリーブの緩みがなくなって、スリーブの軸との共回り、振動の増大、軸受けの焼き付き等を効果的に防止して軸受けの信頼性を向上することができる。This makes it easier for the fixing ring to bite into the sleeve, increasing the fixing force of the sleeve to the fixing ring, eliminating the loosening of the sleeve due to thermal shock, vibration and drop impact, co-rotating with the sleeve axis, increasing vibration, It is possible to effectively prevent bearing seizure and improve the reliability of the bearing.
本発明の請求項1に記載の発明は、フレームハウジングを備えたフレームと、フレームハウジングの外周部に取り付けられたステータと、フレームハウジング内に形成された受け座に一方端が支持されるようにしてはめ込まれたスリーブと、スリーブを受け座との間で挟む固定リングと、スリーブに回転自在にはめ込まれた軸、およびステータに対向配置されたマグネットを備えたロータと、を有する電動機において、固定リングはスリーブよりも硬い材料であってスリーブと接触する側が凸凹形状となっており、固定リングの凸部がスリーブに食い込むようにフレームハウジング内に圧入したことを特徴とする。これにより、固定リングがスリーブに食い込み易くなるので、スリーブの固定リングに対する固着力が増し、熱衝撃や振動・落下衝撃によるスリーブの緩みがなくなるという作用を有する。 According to the first aspect of the present invention, one end is supported by a frame having a frame housing, a stator attached to the outer periphery of the frame housing, and a receiving seat formed in the frame housing. a sleeve fitted Te, a fixing ring sandwiched between the seat receiving the sleeve, the shaft fitted in the rotatable sleeve, and the electric motor having a rotor provided with oppositely disposed magnet stator, fixed The ring is made of a material harder than the sleeve and has a concave-convex shape on the side in contact with the sleeve. The ring is pressed into the frame housing so that the convex portion of the fixing ring bites into the sleeve . As a result, the fixing ring easily bites into the sleeve, so that the fixing force of the sleeve to the fixing ring is increased, and the sleeve is prevented from loosening due to thermal shock, vibration or drop impact.
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明において、固定リングにはステンレス鋼が用いられ、スリーブには銅合金が用いられることにより、固定リングがスリーブへ食い込み易くなりスリーブの固定リングに対する固着力が増すという作用に加え、固定リングのバネ性および加工性が向上するという作用を有する。 According to the second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the fixing ring is made of stainless steel and the sleeve is made of a copper alloy, so that the fixing ring easily bites into the sleeve. In addition to the effect that the fixing force to the fixing ring increases, the spring property and workability of the fixing ring are improved.
以下、本発明の実施の形態について、図1から図6を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1によるヒートシンク装置を示す断面図、図2は図1のヒー
トシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図、図3は図1の電動機に取り付けられた固定リングを示す断面図、図4は図1の電動機と従来の電動機とにおけるスリーブ内径の変形量を示すグラフである。
(Embodiment 1)
1 is a sectional view showing a heat sink device according to
以下に説明する実施の形態を含めて、本実施の形態における電動機は半導体冷却用のヒートシンク装置に用いられるものであり、図1に示すように、フレーム1の凹部に突出形成されたカップ状のフレームハウジング1aの周囲には、コイル2の巻かれたステータ3にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板4が設置されている。フレーム1の凹部には板状かもしくはピン状のフィン21が立設され、側壁には空気流の通る開口部(図示せず)が所定の数、所定の大きさで所定の方向に向けて設けられている。また、フレームハウジング1aが設けられていない側のフレーム1の底部は半導体素子等の発熱体が取付可能な平面領域を有している。ステータ3はフレームハウジング1aの外周部に固定されており、駆動回路基板4とフレーム1との間には絶縁シート20が設置されている。また、フレームハウジング1aの底面には樹脂等で作られたスラスタ5が固定され、さらに、フレーム1の側壁には空気の流れをスムーズにするためのベルマウス19が固定されている。
Including the embodiment described below, the electric motor in the present embodiment is used for a heat sink device for cooling a semiconductor, and as shown in FIG. Around the
フレームハウジング1a内には受け座1bが形成されて、このフレームハウジング1aにはめ込まれたスリーブ6の一方端を支持している。スリーブ6はフレームハウジング1aと0.1mm以下の隙間を持って挿入されるか、もしくは締め代5μm以下の軽い圧入がなされている。フレームハウジング1aには、はめ込まれたスリーブ6を受け座1bに押さえ付ける固定リング7(図3)が挿入されており、ステータユニット15を構成している。
A receiving seat 1b is formed in the
この固定リング7の挿入側の周囲は、たとえば10°程度の傾斜をもって内側に向いており、容易にフレームハウジング1aに圧入できるように配慮されている。
The periphery of the
ファン8には軸9が一体成型され、この軸9のファン8と反対側には、ファン8の抜け防止のためスリットの入ったワッシャ10が圧入されている。そして、軸9はスラスタ5に当接してスリーブ6に回転自在にはめ込まれている。また、ファン8には、環状のステータ3と対向するようにして、マグネット11およびマグネットヨーク12が接着等で固定され、ロータ16を構成している。
A
さらに、ファン8から延びる軸9の基部の周囲には、回転時にスリーブ6と軸9との間から飛散したオイルを受け止めるための凹形状のオイルプール8aが形成されている。このオイルプール8aの容積は、スリーブ6と軸9の隙間の容積と同等以上とされている。また、オイルプール8aの外周で固定リング7の内側には、固定リング7に対して、ギャップがたとえば50μm〜300μm、オーバーラップ長さがたとえば0.3mm以上となるリブ8bが形成されている。
Further, a
図2に示すように、スリーブ6の内周面には、軸9の回転をスムーズに行うための動圧発生溝13がボール転造等により2ヶ所形成され、さらに、ボール転造により発生した突起を除去してスリーブ内径を±2μm以下の高精度で仕上げるためにサイジングが実施されている。この動圧発生溝13には潤滑油としてオイル14が注油され、軸9と片側2〜12μmの軸受け隙間を保ちラジアル軸受け17を構成している。なお、動圧発生溝は軸9の外周面に形成してもよい。
As shown in FIG. 2, two dynamic
また、図2に詳しく示すように、軸9のファン8と反対側の端面は球面に仕上げられており、スラスタ5と接触してスラスト軸受け18を構成している。
As shown in detail in FIG. 2, the end surface of the
なお、スリーブ6の材料としては、切削性や転造性を考慮してC3604、BC6C等の銅合金が用いられ、軸9には、耐摩耗性や取り扱い性を考慮してSUS420J2等のステンレス鋼が用いられている。また、オイル14はこのファンモータが半導体に直接取り付けられことが多く熱源に近いことから、高温に耐えることができるようにフッ素系合成油が用いられており、極圧性を若干改善するために添加剤が加えられている。
As the material of the
このような構成のファンモータによれば、スリーブ6は受け座1bと固定リング7とでサンドイッチ状態で固定されているので、スリーブ6のラジアル方向にかかる応力が減少される。これにより、図4に示すように、従来のファンモータに比べてスリーブ内径の変形量を約1/4に減少させることができる。
According to the fan motor having such a configuration, since the
なお、スリーブ6とフレームハウジング1aとの嵌合は、両者の間に0.1mm以上の隙間を取ると、スリーブ6とステータ3との芯ずれが発生して回転ムラ等を引き起こす。また、締め代5μm以上の圧入を行うと、スリーブ6の内径に0.6μm以上の変形を引き起こす(図9参照)。このため、前述のように、加工のバラツキも考慮し、スリーブ6とフレームハウジング1aの嵌合は0.1mm以下の隙間を持って挿入されるか、もしくは、締め代5μm以下の軽い圧入がなされている。
When the
また、軸9の基部の周囲に、その容積がスリーブ6と軸9の隙間の容積以上となるオイルプール8aが形成され、さらに固定リング7とオイルプール8aの外周に形成されたリブ8bとが非常に狭い隙間をもって対向しているので、回転時に軸受けから飛散した余剰なオイル分が確実にオイルプール8aにプールされる。これにより、必要なオイル分が流出することが防止される。
Further, an
なお、必要なオイル分が蒸発等で不足気味になっても、余剰オイル分がスリーブ近傍のオイルプール8aにプールされているので、表面張力のより高い軸受け隙間に余剰オイル分が随時供給されることとなり、軸受けのオイル不足を防止することができる。
Even if the necessary oil component becomes insufficient due to evaporation or the like, the excess oil component is pooled in the
ここで、リブ8bと固定リング7との隙間を、300μm以上にすると、この隙間に流れたオイル14の表面張力が低くなってオイル14がこの隙間を突破する。逆に50μm以下にすると、この隙間の表面張力が強くなってオイル14を吸い上げる現象が起こり、軸受けのオイル不足およびオイルの摩擦トルクの増大を招く。このため、オイルプール8aの外周のリブ8bと固定リング7とは、ギャップ50μm〜300μmの間で配置されて効果的にオイル14の流出防止を行っている。
Here, when the gap between the
つぎに本実施の形態のヒートシンク装置の動作について説明する。電動機が回転すると、ファン8も回転を行い電動機の軸9方向にそって空気を吸い込み、フィン21によって形成された空気の流路に従ってながれ、フレーム1の側壁に設けられた開口部から排気される。このとき空気流は発熱体の熱が伝導されたフレーム1、フィン21から熱を奪い冷却作用を行う。側壁の開口部の方向はヒートシンク装置から排気された空気を他の発熱素子に当てるため、また高温になった空気を電子機器装置からスムーズに排気するため、ヒートシンク装置を用いる電子機器装置に合わせて一方向あるいは複数の方向に開けて用いる。
Next, the operation of the heat sink device of the present embodiment will be described. When the electric motor rotates, the
フィン21の形状は板状、ピン状に限定されるものではなく、三角状、翼状、渦巻状、円状、放射状等同様の作用、効果を呈するものであればよい。なお、ヒートシンク装置が所定の大きさ(40mm角)より小さくなる場合には、電動機の大きさも必然的に小さくなり、その結果電動機の出力も小さくなる。従って、上記の場合、電動機とファンによって発生させられる風力が小さくなり、フィンを立設すると放出される風量が小さくなり、かえって放熱効果を悪くすることがある。このようにヒートシンク装置の大きさが上記の
範囲の場合には、フィンを立設せず、放出される風量を多くして放熱効果を向上させることが好ましい。
The shape of the
(実施の形態2)
図5は本発明の実施の形態2による電動機に取り付けられた固定リングを示す断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a sectional view showing a fixing ring attached to the electric motor according to
本実施の形態での固定リング7は、実施の形態1におけるそれと異なりスリーブ6と接触する側の端面が、凸凹形状となっている。
Unlike the first embodiment, the fixing
固定リング7をこのような凹凸形状にすることにより、固定リング7を圧入した際に固定リング7の凸部がスリーブ6に食い込むようになる。したがって、よりスリーブ6の固着力が増し、熱衝撃や振動・落下衝撃によるスリーブ6の緩みがなくなって、スリーブ6の軸9との共回り、振動の増大、軸受けの焼き付き等が効果的に防止されるようになる。
By making the fixing
なお、固定リング7の材料は、バネ性および加工性を考慮し、さらにスリーブ6より硬くスリーブ6へ食い込み易くすることを配慮して、たとえばSUS304等のステンレス鋼が用いられている。
For the material of the fixing
(実施の形態3)
図6は本発明の実施の形態3によるヒートシンク装置を示す断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a heat sink device according to
図6に示すように、フレーム1の凹部に突出形成されたカップ状のフレームハウジング1aの周囲には、コイル2の巻かれたステータ3にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板4が設置されている。ステータ3はフレームハウジング1aの外周部に固定されており、駆動回路基板4とフレーム1との間には絶縁シート20が設置されている。また、フレーム1の外周には、空気の流れをスムーズにするためのベルマウス19が固定されている。さらに、フレームハウジング1a内には軸9が固定されている。そして、軸9にはスリーブ6が回転自在にはめ込まれている。軸9の先端にはファン8の抜け防止のためスリットの入ったワッシャ10が圧入されて取り付けられ、ステータユニット15を構成している。
As shown in FIG. 6, a
また、ファン8には、環状のステータ3と対向するようにしてマグネット11およびマグネットヨーク12が接着等で固定され、スリーブ6がファン8に突出形成されたカップ状のロータハウジング8cにはめ込まれるようにして取り付けられている。
Further, a
さらに、樹脂等で作られたスラスタ5が軸9の先端に当接して固定されている。ファン8のロータハウジング8c内には受け座8dが形成されて、このロータハウジング8cにはめ込まれたスリーブ6の一方端を支持している。そして、スリーブ6はロータハウジング8cに0.1mm以下の隙間を持って挿入、もしくは締め代5μm以下の軽い圧入がなされている。
Further, a thruster 5 made of resin or the like is fixed in contact with the tip of the
ロータハウジング8cには、はめ込まれたスリーブ6を受け座8dに押さえ付ける固定リング7が挿入されており、ロータ16を構成して、軸受けを介して回転自在に取り付けられている。
A fixing
この固定リング7の挿入側の周囲は、たとえば10°程度の傾斜をもって内側に向いており、容易にフレームハウジング1aに圧入できるように配慮されている。
The periphery of the fixing
このような構成のファンモータによれば、実施の形態1の場合と同様、スリーブ6は受
け座8dと固定リング7とでサンドイッチ状態で固定されているので、スリーブ6のラジアル方向にかかる応力が大幅に減少して、スリーブ内径の変形を防止することができる(図4参照)。
According to the fan motor having such a configuration, as in the case of the first embodiment, the
なお、ヒートシンク装置の構造及び、それに用いられる電動機の構造、電動機の形式、軸受けの構造、オイル等はこれらの実施の形態の内容に限定されるものではなく、様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。また、前述した実施の形態において、動圧発生溝13はスリーブ6の内周面に形成されているが、軸9の外周面に形成してもよい。
The structure of the heat sink device and the structure of the electric motor used therein, the type of electric motor, the structure of the bearing, the oil, etc. are not limited to the contents of these embodiments, and various design changes are possible. Needless to say. In the above-described embodiment, the dynamic
以上のように、本発明によれば、スリーブが受け座と固定リングに挟まれて固定されるようになるので、スリーブのラジアル方向にかかる応力が減少し、スリーブ内径の変形を防止することができるという有効な効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since the sleeve is sandwiched and fixed between the receiving seat and the fixing ring, the stress applied in the radial direction of the sleeve is reduced, and deformation of the sleeve inner diameter can be prevented. An effective effect is possible.
これにより、円滑な運転が可能になり、高い信頼性と長寿命をもった電動機得ることが可能になるという有効な効果が得られる。 Thereby, smooth operation is possible, and an effective effect that an electric motor having high reliability and a long life can be obtained is obtained.
固定リングのスリーブと接触する側の端面を凸凹形状にすることで、固定リングの凸部がスリーブに食い込んでスリーブの固着力が増すので、スリーブと軸との共回り、振動の増大、軸受けの焼き付き等を効果的に防止することができるという有効な効果が得られる。 By making the end surface of the fixing ring in contact with the sleeve uneven, the convex part of the fixing ring bites into the sleeve, increasing the fixing force of the sleeve, so that the sleeve and the shaft rotate together, vibration increases, the bearing An effective effect that burn-in and the like can be effectively prevented is obtained.
また、固定リングの挿入側の周囲を内側に傾斜させることで、固定リングを容易にハウジング内に挿入することができるという有効な効果が得られる。 Further, by inclining the periphery of the insertion side of the fixing ring inward, an effective effect that the fixing ring can be easily inserted into the housing is obtained.
さらに、軸の外周面またはスリーブの内周面の何れか一方に、オイルを保持する動圧発生溝を形成することで、軸の回転がスムーズになるという有効な効果が得られる。 Furthermore, by forming a dynamic pressure generating groove for retaining oil on either the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the sleeve, an effective effect of smooth shaft rotation can be obtained.
1 フレーム
1a フレームハウジング
1b 受け座
3 ステータ
6 スリーブ
7 固定リング
8 ファン
8a オイルプール
8b リブ
8c ロータハウジング
8d 受け座
9 軸
11 マグネット
13 動圧発生溝
14 オイル
16 ロータ
21 フィン
1
Claims (2)
前記フレームハウジングの外周部に取り付けられたステータと、
前記フレームハウジング内に形成された受け座に一方端が支持されるようにしてはめ込まれたスリーブと、
前記スリーブを前記受け座との間で挟む固定リングと、
前記スリーブに回転自在にはめ込まれた軸、および前記ステータに対向配置されたマグネットを備えたロータと、を有する電動機において、
前記固定リングは前記スリーブよりも硬い材料であって前記スリーブと接触する側が凸凹形状となっており、前記固定リングの凸部が前記スリーブに食い込むように前記フレームハウジング内に圧入したことを特徴とする電動機。 A frame with a frame housing;
A stator attached to the outer periphery of the frame housing;
A sleeve fitted so that one end is supported by a receiving seat formed in the frame housing;
A fixing ring that sandwiches the sleeve with the seat;
An electric motor having a shaft rotatably fitted in the sleeve and a rotor having a magnet disposed opposite to the stator;
The fixing ring is made of a material harder than the sleeve and has a concave-convex shape on the side in contact with the sleeve, and is press-fitted into the frame housing so that the convex portion of the fixing ring bites into the sleeve. Electric motor.
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