JP6247555B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、外部から供給される電流によって回転トルクを発生、または、外部から入力される回転トルクによって電流を発生する回転電機は、回転電機を構成する各部を冷却する冷却機能を有している。例えば、特許文献１には、回転トルクまたは電流を発生する回転部に巻回されている巻線の端部に冷却用のオイルを滴下する回転電機が記載されている。また、特許文献２には、巻線に流れる電流を制御するインバータ部に当接しインバータ部を冷却する冷却部を備える回転電機が記載されている。

特開２００６−３１１７５０号公報 特開２００７−１１６８４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機では、オイルは回転部のみを冷却する。特許文献２に記載の回転電機では、冷却部はインバータ部を冷却する一方、巻線の端部と冷却部との間にハウジングの壁体が設けられているため、当該冷却部によって回転部を冷却することができない。

本発明の目的は、簡素な構成によって回転部及びインバータ部を冷却する回転電機を提供することにある。

本発明は、回転電機であって、ハウジング（１０）に収容され外部から供給される電流によって回転トルクを発生または外部から入力される回転トルクによって電流を発生する回転部（２０）と、ハウジングに収容されるインバータ部（３０）と、インバータ部と当接しつつ回転部との間に隙間（４００）を形成するよう設けられ内部を第１流体が流れる冷却部（４０、５０、６０、７０）と、を備える。本発明の回転電機は、回転部と冷却部との間に形成される隙間が回転部を冷却する第２流体が流れることを特徴とする。また、本発明の回転電機が有する隙間は、回転部を冷却する第２流体が巻線の回転部の中心軸に沿う方向の端部（２１３）の外壁（２１５）全面に接触するよう形成されている。

本発明の回転電機が備える冷却部はインバータ部と当接する一方、回転部とは第２流体が流れることができる程度の隙間を形成している。冷却部と回転部との間の隙間を流れる第２流体には回転部で発生する熱が伝達される。第２流体に伝達される熱は、冷却部の回転部側の壁を介して冷却部の内部を流れる第１流体に伝達される。これにより、回転部の熱は、第２流体だけでなく第１流体によっても放熱される。したがって、簡素な構成によってインバータ部と回転部との両方を冷却することができる。

本発明の第１実施形態による回転電機の断面図である。 図１のＩＩ部の拡大図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の冷却部の模式図である。 本発明の第１実施形態による回転電機の冷却部の断面図である。 本発明の第２実施形態による回転電機の冷却部の断面図である。 本発明の第３実施形態による回転電機の冷却部の断面図である。 本発明の第４実施形態による回転電機の冷却部の断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転電機について、図１〜図４に基づいて説明する。
第１実施形態による回転電機１は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車を駆動する図示しない電動機駆動システムに用いられる。回転電機１は、ハイブリッド自動車などの駆動状態に応じて回転トルクまたは電力を発生する。回転電機１は、ハウジング１０、回転部２０、複数のインバータ部３０、冷却部４０などから形成されている。なお、図１、２、４において、紙面の上側を「天」側として、紙面の下側を「地」側とする。

ハウジング１０は、円柱状の内部を有するよう有底筒状に形成される。ハウジング１０は、筒部１１、及び、筒部１１の両端を塞ぐよう設けられる二つの底部１２、１３から形成される。筒部１１には、ハウジング１０の内部に供給される二種類の冷媒が流れる導入口１１１、１１２、及び導出口１１３が設けられている。導入口１１１は、後述する冷却部４０に接続する。導入口１１２は、筒部１１の天側に設けられている。導入口１１２は、ハウジング１０の内部に導入口１１１を流れる冷媒とは異なる冷媒を滴下する。導出口１１３は、筒部１１の地側に設けられ導入口１１２によってハウジング１０の内部に滴下される冷媒をハウジング１０の外部に排出する。ハウジング１０は、回転部２０、インバータ部３０、冷却部４０などを収容する。

回転部２０は、外部から供給される電流によって回転トルクを発生したり、外部から入力される回転トルクによって電流を発生したりする。回転部２０は、ステータ２１、ロータ２３、シャフト２４などから構成される。

ステータ２１は、ハウジング１０の筒部１１の径方向内側に円弧状に複数設けられる。なお、図１には、シャフト２４を挟むよう設けられる二つのステータを示しているが、実際には、筒部１１の内壁に沿って周方向に複数設けられている。
ステータ２１は、ステータ鉄心２１１、巻線２１２などから形成される。ステータ鉄心２１１は、複数枚の薄い金属板を積層することによって形成される。巻線２１２は、ステータ鉄心２１１に巻回されることによってコイルを形成する。ここで、ステータ２１においてステータ鉄心２１１の回転部２０の中心軸方向の両側からはみ出ている巻線２１２を「巻線の回転部の中心軸方向の端部」としてのコイルエンド２１３、２１４とする。

ロータ２３は、ステータ２１の径方向内側に設けられる。ロータ２３は、ロータ鉄心２３１、磁石２３２、２３３などから構成される。ロータ鉄心２３１は、回転部２０の中心軸から径外方向に延びるよう形成される。ロータ鉄心２３１の中央にはシャフト２５が挿通される貫通孔２３４が形成されている。ロータ鉄心２３１の径方向外側の端部には極性が異なる磁石２３２、２４２が設けられる。

シャフト２４は、回転部２０の中心軸上に設けられる。シャフト２４の一方の端部２４１は、ハウジング１０の底部１２の内壁に設けられる軸受け部１２１に回転可能に支持されている。シャフト２４の他方の端部２４２は、ハウジング１０の底部１３の内壁に設けられる軸受け部１３１に回転可能に支持されつつ、底部１３に形成されている貫通孔１３２に挿通され、外部に突出している。

インバータ部３０は、巻線２１２を流れる電流の大きさや方向を制御する。インバータ部３０は、インバータケース３１、半導体モジュール３２、制御回路３３、絶縁部材３４などから構成されている。なお、図１には、二つのステータ２１のそれぞれに対応する二つのインバータ部３０を示しているが、実際には、回転電機１が有する複数のステータのそれぞれにインバータ部が一つずつ設けられる。

インバータケース３１は、略直方体状の部材であって、冷却部４０と当接する壁体３１１は熱伝導性に優れる金属から形成されている。インバータケース３１は、巻線に供給される電力を制御する半導体モジュール３２、半導体モジュール３２の作動を制御する制御回路３３、半導体モジュール３２と冷却部４０とを絶縁する絶縁部材３４などを内部に収容する。

冷却部４０は、回転部２０とインバータ部３０との間に設けられている。冷却部４０は、図４に示すように、断面が円環状となるよう形成されている。冷却部４０は、冷媒流通部４１、受け部４２などから構成されている。なお、図４の紙面右側には、冷媒流通部４１の断面図を示し、図４の紙面左側には、回転部２０側から視た冷却部４０の外観を示す。また、図４に示す矢印Ｆ１は、冷媒流通部４１の内部を流れる冷媒の流れ方向を示す。

冷媒流通部４１は、熱伝導性に優れる金属から形成されている。冷媒流通部４１は、内部と外部とが液密となるよう形成されており、冷媒流通部４１の内部には、「第１流体」としての、例えば、水が流れる流路４１０が形成されている。冷媒流通部４１のインバータ部３０側の壁体４０１は、インバータケース３１の回転部２０側の壁体３１１と当接するよう設けられている。一方、冷媒流通部４１の回転部２０側の壁体４０２とコイルエンド２１３との間には、隙間４００が形成されている。

流路４１０を形成する壁体４０１の内壁には、複数の第１フィン４１１が形成されている。第１フィン４１１は、図４に示すように、インバータ部３０が設けられる位置に対応して円弧状に形成される冷媒流通部４１の形状に沿うよう円弧状に形成される。
流路４１０を形成する壁体４０２の内壁には、複数の第２フィン４１２が形成されている。第２フィン４１２は、図４に示すように、流路４１０を流れる水の流れ方向において第１フィン４１１の間、すなわち、インバータ部３０が設けられていない位置に冷媒流通部４１の形状に沿うよう円弧状に形成される。

図３に冷媒流通部４１における第１フィン４１１と第２フィン４１２との位置関係及び大きさの関係を表す分解斜視図を示す。図３に示す矢印Ｆ１は、冷媒流通部４１の内部を流れる水の流れ方向を示す。図３では、第１フィン４１１と第２フィン４１２との大きさの関係をわかりやすくするため、壁体４０１と壁体４０２とを実際の状態より離し、流路４１０を直線状に表している。
図３に示すように、第１フィン４１１は、水の流れ方向Ｆ１に沿った長さＬ１が第２フィン４１２の長さＬ２に比べ長くなるよう形成されている。また、第１フィン４１１は、第２フィン４１２に比べ、密になるよう形成されている。具体的には、第１フィン４１１は、水の流れ方向Ｆ１に対して直角な方向の個数が１１個であり、第２フィン４１２は、水の流れ方向Ｆ１に対して直角な方向の個数が５個である。しかしながら、第１フィン４１１及び第２フィン４１２の数はこれに限定されない。

また、冷媒流通部４１の壁体４０２の回転部２０側の外壁には、複数の第３フィン４１３が形成されている。第３フィン４１３は、導入口１１２が滴下する「第２流体」としての、例えば、絶縁性のオイル５がコイルエンド２１３のインバータ部３０側の外壁２１５に沿って流れるとき、オイル５と接触する。

受け部４２は、図１に示すように、冷却部４０の径方向内側において回転部２０の中心軸方向に突出するよう設けられている。受け部４２は、図２に示すように、コイルエンド２１３の外壁２１５と冷媒流通部４１の壁体４０２の外壁との間を流れるオイル５を受けるよう設けられている。

次に、回転電機１の作用について説明する。
回転部２０に図示しない電源から電流が供給されると、ステータ２１の巻線２１２に電流が流れ、ステータ２１を含む領域に磁界が形成される。ロータ２３の磁石２３２、２３３と当該領域における磁界との作用反作用の力によってロータ２３に接続するシャフト２４が回転すると、シャフト２４の回転トルクが外部に出力される。
また、シャフト２４に外部から回転トルクが入力されると、ロータ２３が回転し磁石２３２、２３３が形成する磁界が変化する。この磁界の変化に応じてステータ２１の巻線２１２に流れる電流が外部に出力される

回転電機１において回転トルクまたは電流が出力されるとき、比較的高温となるインバータ部３０は、インバータケース３１に当接する冷却部４０の流路４１０を流れる水によって冷却される。水は、図示しない導出口を通ってハウジング１０の外部に設けられる第１冷媒供給部４６に送られる。第１冷媒供給部４６では、水をポンプ４６１によって昇圧した後、熱交換部４６２によって冷却する。冷却された水は、導入口１１１を通って冷却部４０に供給される
また、電流が流れると比較的高温となる巻線２１２のコイルエンド２１３は、導入口１１２から滴下されるオイル５によって冷却される。オイル５は、導入口１１２からハウジング１０の内部に滴下されたのち、導出口１１３から外部に排出される。排出されたオイル５は、ハウジング１０の外部に設けられる第２冷媒供給部４７に送られる。第２冷媒供給部４７では、オイル５をポンプ４７１によって昇圧した後、熱交換部４７２によって冷却する。冷却されたオイル５は、再び導入口１１２を通ってハウジング１０の内部に滴下される。

第１実施形態による回転電機１では、インバータ部３０を冷却する冷却部４０は、インバータ部３０と当接している一方、回転部２０のコイルエンド２１３とはオイル５が流れることができる程度の隙間４００を形成している。これにより、コイルエンド２１３からオイル５に伝わった熱は、冷媒流通部４１の壁体４０２を介して流路４１０を流れる水にも伝わる。したがって、回転電機１では、回転部２０をオイル及び水の二つの冷媒で冷却することができ、一つの冷却部４０によって回転部２０とインバータ部３０との両方を冷却することができる。

流路４１０を形成する壁体４０２の内壁には水と接触する第２フィン４１２が設けられている。また、壁体４０２の外壁にはオイル５と接触する第３フィン４１３が設けられている。これにより、オイル５が有する熱は、第３フィン４１３、壁体４０２、第２フィン４１２を介して効率的に水に伝えられる。したがって、コイルエンド２１３を効率的に冷却することができる。

インバータ部３０に対応する位置に設けられる第１フィン４１１は、流路４１０を流れる水の流れ方向Ｆ１の長さＬ１が第２フィン４１２の長さＬ２に比べ長くなるよう形成されている。回転電機１では、インバータ部３０は、コイルエンド２１３に比べ高温になりやすいため、第２フィン４１２を介して水に伝達されるコイルエンド２１３の熱量に比べ第１フィン４１１を介して水に伝達されるインバータ部３０の熱量を大きくする。これにより、比較的高温となるインバータ部３０を効率的に冷却することができる。

冷却部４０は、図３に示すように、第１フィン４１１が第２フィン４１２に比べ密になるよう形成されている。回転電機１では、比較的高温となるインバータ部３０側に設けられる第１フィン４１１を第２フィン４１２に比べ密に配置し、流れる水の圧力損失を大きくするとともに、水とフィンとが接触する面積を大きくする。これにより、第２フィン４１２を介して水に伝達されるコイルエンド２１３の熱量に比べ第１フィン４１１を介して水に伝達されるインバータ部３０の熱量を大きくする。したがって、比較的高温となるインバータ部３０をさらに効率的に冷却することができる。

冷却部４０には、コイルエンド２１３の外壁２１５と冷媒流通部４１の壁体４０２の外壁との間を流れるオイル５を受ける受け部４２が冷却部の地側に設けられている。これにより、コイルエンド２１３を冷却するオイル５が隙間４００に比較的長く留まり、オイル５が第３フィン４１３や壁体４０２と接触する時間が長くなる。したがって、オイル５が有する熱が流路４１０を流れる水に伝わる時間が長くなり、コイルエンド２１３を効率的に冷却することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による回転電機について、図５に基づいて説明する。第２実施形態では、冷却部の第１フィンに対する第２フィンが設けられる位置が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には、同一の符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態による回転電機では、冷却部４０の冷媒流通部５１に第１フィン５１１及び第２フィン５１２が設けられる。第１フィン５１１は、流路５１０を形成する冷媒流通部５１のインバータ部３０側の壁体の内壁に設けられる。第２フィン５１２は、流路５１０を形成する冷媒流通部５１のコイルエンド２１３側の壁体の内壁に設けられる。

図５に冷媒流通部５１の断面図を示す。図５に示すように、第１フィン５１１は、複数のインバータ部３０が設けられる位置にそれぞれ対応するよう設けられる。第２フィン５１２は、流路５１０を流れる水の流れ方向において第１フィン５１１の間に冷媒流通部４１の形状に沿うよう円弧状に形成される。また、第１フィン５１１と第２フィン５１２とは、水の流れ方向とは非平行な方向、例えば、図５に示すように、冷媒流通部５１の径方向にオフセットするよう設けられる。

流路５１０を流れる水は、第１フィン５１１が設けられる領域から第２フィン５１２が設けられる領域に移動すると分岐する。具体的には、水の流れ方向を表す矢印Ｆ２のように、一つのインバータ部３０に対応する第１フィン５１１のうち冷媒流通部５１の径方向に隣り合う第１フィン５１１の間を流れる水は、第２フィン５１２が設けられる領域に移動すると第２フィン５１２の端部と衝突し、少なくとも二つ以上の流れに分岐する。また、冷媒流通部５１の径方向に隣り合う第２フィン５１２の間を流れる水は、第１フィン５１１が設けられる領域に移動すると第１フィン５１１の端部に衝突し、少なくとも二つ以上の流れに分岐する。

第２実施形態による回転電機では、冷媒流通部５１の径方向に隣り合う第１フィン５１１の間を流れる水は、第２フィン５１２の端部によって分岐される。また、冷媒流通部５１の径方向に隣り合う第２フィン５１２の間を流れる水は、第１フィン５１１の端部によって分岐される。これにより、冷媒流通部５１が有する流路５１０を流れる水は、第１フィン５１１及び第２フィン５１２との衝突を繰り返し流れが乱れるため、第１フィン５１１及び第２フィン５１２と水との熱交換が効率的に行われる。したがって、第２実施形態は、第１実施形態と同じ効果を奏し、さらにコイルエンド２１３及びインバータ部３０を効率的に冷却することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による回転電機について、図６に基づいて説明する。第３実施形態では、冷却部の第１フィンの形状が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には、同一の符号を付し、説明を省略する。

第３実施形態による回転電機では、冷却部４０の冷媒流通部６１に第１フィン６１１及び第２フィン４１２が設けられる。第１フィン６１１は、流路６１０を形成する冷媒流通部６１のインバータ部６３側の壁体の内壁に設けられる。なお、図６に示す矢印Ｆ３は、流路６１０を流れる水の流れ方向を示す。

図６に冷媒流通部６１の断面図を示す。第１フィン６１１は、図６に示すように、複数のインバータ部６３が設けられる位置にそれぞれ対応するよう設けられる。第３実施形態による回転電機では、インバータ部６３は第１実施形態のインバータ部３０に比べ小さく、冷却部４０の径方向内側に位置するよう設けられている。第１フィン６１１のうち冷媒流通部６１の径方向内側に設けられる第１フィン６１１は、密に形成される。一方、冷媒流通部６１の径外方向外側に設けられる第１フィン６１１は、厚みが径方向内側に設けられる第１フィン６１１に比べ厚くなるよう形成されている。

第３実施形態による回転電機では、インバータ部６３が設けられる径方向内側に比較的厚みが薄い第１フィン６１１が径方向外側に比べ多く設けられている。これにより、インバータ部６３が設けられる径方向内側における熱伝達の効率を向上し、インバータ部６３を効率的に冷却する。したがって、第３実施形態は、第１実施形態と同じ効果を奏し、さらにインバータ部３０を効率的に冷却することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による回転電機について、図７に基づいて説明する。第４実施形態では、冷却部の第１フィン及び第２フィンの形状が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には、同一の符号を付し、説明を省略する。

第４実施形態による回転電機では、冷却部４０の冷媒流通部７１に第１フィン７１１及び第２フィン７１２が設けられる。第１フィン７１１は、流路７１０を形成する冷媒流通部７１のインバータ部３０側の壁体の内壁に設けられる。第２フィン７１２は、流路７１０を形成する冷媒流通部７１のコイルエンド２１３側の壁体の内壁に設けられる。

図７に冷媒流通部７１の断面図を示す。図７に示すように、第１フィン７１１は、複数のインバータ部３０が設けられる位置にそれぞれ対応するよう設けられる。第２フィン７１２は、隣り合うインバータ部３０の間に位置するよう設けられる。

第１フィン７１１及び第２フィン７１２は、冷媒流通部７１が有する流路７１０を流れる水の下流側の端部が上流側の端部に比べ径内方向に位置している。具体的には、図７において矢印Ｆ４に示すように流れる水に対して、複数の第１フィン７１１及び第２フィン７１２の下流側の端部が上流側の端部に比べ、冷媒流通部７１の径方向内側の側壁７１３に近づくよう形成されている。

第４実施形態による回転電機では、流路７１０を流れる水は、下流側の端部が径内方向に位置している第１フィン７１１及び第２フィン７１２によって冷媒流通部７１の径内方向に向かいつつ流れる。円弧状に形成されている冷媒流通部７１では、流路７１０を流れる水は、遠心力によって径方向外側を流れやすいため、流れる水の量が不均一になりやすい。そこで、第４実施形態による回転電機では、第１フィン７１１及び第２フィン７１２によって水を径内方向に向かわせ、冷却される部位の分布が不均一となることを防止する。したがって、第４実施形態は、第１実施形態の効果を奏し、さらに、コイルエンド２１３やインバータ部３０を均一に冷却することができる。

（他の実施形態）
（ア）上述の実施形態では、冷却部はコイルエンドのインバータ部側の端部との間に隙間を形成するとした。しかしながら、冷却部が設けられる位置はこれに限定されない。インバータ部と回転部との間に設けられ、冷却部と回転部との間にはオイルが流れる隙間が形成されていればよい。

（イ）上述の実施形態では、冷却部は、冷却部とコイルエンドの端部との間の隙間を流れるオイルを受け止める受け部を有するとした。しかしながら、受け部は有していなくてもよい。冷却部とコイルエンドの端部との間の隙間の大きさがオイルの表面張力によってコイルエンドの端部に沿ってオイルが比較的ゆっくり流れることが可能な程度に形成されていれば、受け部は有していなくてもよい。

（ウ）上述の実施形態では、冷却部は第１フィン、第２フィン及び第３フィンを有するとした。しかしながら、これらのフィンを有していなくてもよい。

（エ）第１実施形態では、第１フィンの水が流れる方向に沿った長さが第２フィンに比べ長くなるとした。しかしながら、第１フィンと第２フィンとの長さの関係はこれに限定されない。

（オ）第１実施形態では、第１フィンは第２フィンに比べ密に形成されるとした。しかしながら、第１フィンと第２フィンとの密度の関係はこれに限定されない。

（カ）上述の実施形態では、冷却部の流路を流れる冷媒を水とし、コイルエンドを冷却する冷媒をオイルとした。しかしながら、冷却部の流路を流れる冷媒及びコイルエンドを冷却する冷媒はこれに限定されない。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態により実施可能である。

１ ・・・回転電機、
１０ ・・・ハウジング、
２０ ・・・回転部、
２１２ ・・・巻線、
２１ ・・・ステータ、
２３ ・・・ロータ、
２４ ・・・シャフト、
３０ ・・・インバータ部、
４０、５０、６０、７０・・・冷却部、
４００ ・・・隙間。

Claims (7)

1. ハウジング（１０）と、
   前記ハウジングに収容され、巻線（２１２）が巻回されたステータ（２１）、前記ステータの径方向内側に設けられ前記ステータに対し相対回転可能なロータ（２３）、及び、前記ロータと一体になって回転するシャフト（２４）を有し、外部から供給される電流によって回転トルクを発生または外部から入力される回転トルクによって電流を発生する回転部（２０）と、
   前記ハウジングに収容されるインバータ部（３０）と、
   前記インバータ部と当接しつつ前記回転部との間に隙間（４００）を形成するよう設けられ、内部を第１流体が流れる冷却部（４０、５０、６０、７０）と、
   を備え、
   前記隙間は、前記回転部を冷却する第２流体が前記巻線の前記回転部の中心軸に沿う方向の端部（２１３）の外壁（２１５）全面に接触するよう形成されていることを特徴とする回転電機（１）。
2. 前記冷却部は、前記隙間を天側から地側に向かって流れる前記第２流体を受け止める受け部（４２）を地側に有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却部は、前記第１流体が流れる流路（４１０、５１０、６１０、７１０）を形成する前記インバータ部側の内壁に形成される第１フィン（４１１、５１１、６１２、７１２）、前記流路を形成する前記回転部側の内壁に形成される第２フィン（４１２、５１２、７１２）、及び、前記流路を形成する前記回転部側の外壁に形成される第３フィン（４１３）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記第１フィンは、前記流路における前記第１流体が流れる方向の長さ（Ｌ１）が前記第２フィンの前記第１流体が流れる方向の長さ（Ｌ２）に比べて長くなるよう形成されることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記第１フィン（４１１、６１１）は、前記第２フィン（４１２、６１２）に比べ密に形成されることを特徴とする請求項３または４に記載の回転電機。
6. 前記第１フィン（５１１）は、前記第２フィン（５１２）に対して前記流路における前記第１流体が流れる方向とは非平行な方向にオフセットするよう形成されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記流路は、環状に形成され、
   前記第１フィン（７１１）及び前記第２フィン（７１２）は、前記流路を流れる前記第１流体の下流側の端部が前記流路を流れる前記第１流体の上流側の端部に比べ径内方向に位置することを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の回転電機。

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