JP7266790B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転時においてステータとロータ間のギャップに空気を流通させるとともに、回転電機の一端側と他端側での冷却むらを抑制できる回転電機を提供する。【解決手段】回転電機１０の筐体は、ステータ１２およびロータを収容し、ステータの一端側でギャップＧに連通する第１空間Ｓ１と、ステータの他端側でギャップに連通する第２空間Ｓ２を形成する。ステータは、ステータ外周からギャップに連通する中間ダクト１２ａを軸方向の中間部に有する。筐体は、第１空間に送風機２１Ａからの冷却風を取り入れる一端側吸気口１９Ａと、第１空間から空気を排気する一端側排気口２０Ａと、第２空間に送風機２１Ｂからの冷却風を取り入れる他端側吸気口１９Ｂと、第２空間から空気を排気する他端側排気口２０Ｂと、中間ダクトに連通し、筐体の外部から空気を取り入れる空気取り入れ口１７ａと、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

例えば、大型モータまたは大型ジェネレータなどの回転電機では、高出力化や高速回転化などの要求に対応する場合、ステータの巻線部分やロータの磁石部分での放熱性の低下に伴う温度上昇が問題となる。例えば、回転電機を高出力化する場合、ステータの巻線部分に適用された厚手の高圧絶縁紙によって巻線部分の放熱性が低下しうる。また、例えば、回転電機の高回転化に対応するために、ロータの磁石外周をリングで覆ってロータに固定すると、当該リングによって磁石部分の放熱性が低下しうる。

そのため、ステータとロータ間のギャップやコイルエンド部に空気を流通させて冷却を行う回転電機が提案されている。例えば、特許文献１および２には、回転電機の軸方向の一端側および他端側にそれぞれ冷却風の吸気口と排気口を配置し、筐体の軸方向中間部に外気を取り入れる連通口を形成し、ギャップやコイルエンド部に空気を流通させる回転電機が開示されている。

特開２０１９－１６１７６４号公報 特開２０２０－１４５８９９号公報

この種の回転電機においてロータが高速回転すると、ステータとロータ間のギャップの気圧が高くなって空気が流通しにくくなる。このため、特許文献２の構成では、回転電機の軸方向の一端側と他端側で気圧差を生じさせてギャップに空気を流通させている。しかし、特許文献２の構成では、回転電機の軸方向の一端側と他端側で空気の流れが異なるため、巻線部分や磁石部分に一端側と他端側で冷却むらが生じうる。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、高速回転時においてステータとロータ間のギャップに空気を流通させるとともに、回転電機の一端側と他端側での冷却むらを抑制できる回転電機を提供する。

本発明の一態様は、円筒形に形成されたステータと、ステータの内周側にギャップをあけて同心状に配置されたロータと、ステータおよびロータを収容する筐体を備えた回転電機である。筐体は、ステータの一端側でギャップに連通する第１空間と、ステータの他端側でギャップに連通する第２空間を形成する。ステータは、ステータ外周からギャップに連通する中間ダクトを軸方向の中間部に有する。筐体は、第１空間に送風機からの冷却風を取り入れる一端側吸気口と、第１空間から空気を排気する一端側排気口と、第２空間に送風機からの冷却風を取り入れる他端側吸気口と、第２空間から空気を排気する他端側排気口と、中間ダクトに連通し、筐体の外部から空気を取り入れる空気取り入れ口と、を有する。また、回転電機は、一端側吸気口から第１空間への冷却風の流れを、一端側排気口側の流れよりも抑制する一端側絞り機構と、他端側吸気口から第２空間への冷却風の流れを、他端側排気口側の流れよりも抑制する他端側絞り機構と、をさらに備え、第１空間の内圧および第２空間の内圧は、それぞれ大気圧よりも低い負圧で同一の内圧に調整される。

また、上記の一態様の回転電機において、一端側絞り機構および他端側絞り機構は、空気流量を低下させるフィルタをそれぞれ含んでいてもよい。

また、上記の一態様の回転電機において、一端側絞り機構および他端側絞り機構はそれぞれ可動部を含んでいてもよく、可動部の開閉量を変化させて空気流量を制御可能であってもよい。さらに、一端側絞り機構および他端側絞り機構は、ロータの回転数に応じて空気流量を変化させてもよい。

本発明の一態様の回転電機は、高速回転時においてステータとロータ間のギャップに空気を流通させるとともに、回転電機の一端側と他端側での冷却むらを抑制できる。

本実施形態の回転電機の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態の回転電機の概略構成図である。 本実施形態の回転電機において高回転時の空気の流れを示す図である。 比較例の回転電機において無回転時の空気の流れを示す図である。 比較例の回転電機において高回転時の空気の流れを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ方向は回転軸ＡＸと平行な方向とする。Ｘ方向は、Ｚ方向と直交する方向であって、図２の紙面奥行方向に対応する。Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向との両方と直交する方向であって、図２の上下方向に対応する。図面において、必要に応じて回転電機の回転軸を符号ＡＸで示す。また、以下の説明では、回転軸ＡＸを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸ＡＸを中心とする径方向を単に径方向と称する。

図１は、本実施形態の回転電機１０の一例を示す外観斜視図である。図２は、本実施形態の回転電機１０の概略構成図である。なお、図２は、図１のＡ－Ａ線断面に対応する。

本実施形態の回転電機１０は、インナーロータ型モータであって、ロータシャフト１１と、ステータ１２とを備えている。ロータシャフト１１およびステータ１２は、円筒形の筐体１３に収容されている。

ロータシャフト１１は、回転電機１０の回転軸ＡＸに沿って配置される柱状部材であり、一端側（図２の左側）と他端側（図２の右側）がそれぞれ筐体１３に設けられた軸受（不図示）により回転可能に支持されている。また、ロータシャフト１１の一端側は筐体１３を貫通して外部に突出し、回転電機１０の負荷となる装置（不図示）と接続される。

また、ロータシャフト１１においてステータ１２に臨む部位には、ロータの磁極を構成する複数の永久磁石１４が配置されている。各々の永久磁石１４は、周方向に円弧状をなす形状の帯状片である。永久磁石１４は、周方向に隣接する磁石の磁極が互い違いとなり、かつ磁石同士の外周面が面一となる状態でロータシャフト１１の周方向に環状に配置される。

また、ロータシャフト１１の永久磁石１４の外周側には、軸方向に沿って保持リング１５が嵌着されている。保持リング１５は、永久磁石１４を外周側から締め付けて、ロータシャフト１１に永久磁石１４を強固に固定する機能を担う。

ステータ１２は、全体形状が円筒状であって、僅かなエアギャップＧを隔ててロータシャフト１１の外周に同心状に配置される。ステータ１２の内周には軸方向に沿って複数のスロット（不図示）が形成され、各スロットにはコイルが巻回されている。コイルのコイルエンド部１６Ａ，１６Ｂは、ステータ１２の軸方向両端においてそれぞれステータ１２から張り出し、軸方向と交差する平面（ＸＹ平面）で環状をなしている。

ステータ１２の軸方向の中間部分には、ステータ１２の外周側から内周側に向けて径方向に空気を流通させるための中間ダクト部１２ａが形成されている。中間ダクト部１２ａは、例えばステータコアの軸方向の所定位置にスペーサを挟み込んで空間を形成したものであり、周方向に所定間隔をおいて複数設けられている。

回転電機１０においては、コイルの電流制御によりステータ１２の磁界を順番に切り替えることで、ロータシャフト１１の磁界との吸引力または反発力が生じる。これにより、ロータシャフト１１が回転し、回転電機１０が駆動する。このとき、ステータ１２のコイルは通電によって発熱する。また、電磁誘導によってロータシャフト１１の永久磁石１４も熱を帯びる。

筐体１３は、全体形状が円筒形をなす筐体本体１７と、筐体本体１７の一端側および他端側の開口をそれぞれ塞ぐ一対のブラケット１８Ａ，１８Ｂとを有する。ステータ１２は筐体本体１７の内周に嵌合され、筐体本体１７の円筒状の空間内には、ステータ１２およびロータシャフト１１が上記のエアギャップＧを隔てて同心状に配置される。

筐体１３の内部には、一端側の第１空間Ｓ１と他端側の第２空間Ｓ２とがそれぞれ形成されている。第１空間Ｓ１は、筐体本体１７、一端側のブラケット１８Ａおよびステータ１２で囲まれ、ステータ１２の一端側のコイルエンド部１６Ａが収容されている。第２空間Ｓ２は、筐体本体１７、他端側のブラケット１８Ｂおよびステータ１２で囲まれ、ステータ１２の他端側のコイルエンド部１６Ｂが収容されている。第１空間Ｓ１および第２空間Ｓ２は、それぞれエアギャップＧと連通している。

図１、図２に示すように、筐体本体１７には、一端側と他端側の各コイルエンド部１６Ａ，１６Ｂに対して空気の吸気口１９Ａ，１９Ｂおよび排気口２０Ａ，２０Ｂが一対ずつ設けられている。

筐体本体１７において第１空間Ｓ１に臨む位置には、回転軸ＡＸを中心として１８０°回転対称となる位置に一端側吸気口１９Ａと一端側排気口２０Ａがそれぞれ設けられている。一端側吸気口１９Ａは、第１空間Ｓ１に空気を流通させる第１送風機２１Ａの吐き出し側に接続され、一端側排気口２０Ａは、第１送風機２１Ａの吸い込み側に接続される。これにより、第１送風機２１Ａからの空気は、一端側吸気口１９Ａから軸方向と交差する流れで第１空間Ｓ１に導入され、第１空間Ｓ１内の空気は一端側排気口２０Ａから第１送風機２１Ａに吸い込まれることで循環する。

また、筐体本体１７において第２空間Ｓ２に臨む位置には、回転軸ＡＸを中心として１８０°回転対称となる位置に他端側吸気口１９Ｂと他端側排気口２０Ｂがそれぞれ設けられている。他端側吸気口１９Ｂは、第２空間Ｓ２に空気を流通させる第２送風機２１Ｂの吐き出し側に接続され、他端側排気口２０Ｂは、第２送風機２１Ｂの吸い込み側に接続される。これにより、第２送風機２１Ｂからの空気は、他端側吸気口１９Ｂから軸方向と交差する流れで第２空間Ｓ２に導入され、第２空間Ｓ２内の空気は他端側排気口２０Ｂから第２送風機２１Ｂに吸い込まれることで循環する。

また、筐体本体１７の軸方向において、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２との中間には筐体本体１７の外側と内側を連通させる空気取り入れ口１７ａが形成されている。空気取り入れ口１７ａは、一端側吸気口１９Ａと他端側吸気口１９Ｂの間と、一端側排気口２０Ａと他端側排気口２０Ｂの間にそれぞれ１つずつ設けられている。各々の空気取り入れ口１７ａは、筐体本体１７に嵌合されたステータ１２の中間ダクト部１２ａと対向しており、ステータ１２の中間ダクト部１２ａを介してエアギャップＧと接続されている。

また、筐体本体１７とステータ１２の間には、第１流路２２Ａと第２流路２２Ｂがそれぞれ形成されている。第１流路２２Ａは、第１空間Ｓ１と空気取り入れ口１７ａを接続し、軸方向に沿って延びる流路である。第２流路２２Ｂは、第２空間Ｓ２と空気取り入れ口１７ａを接続し、軸方向に沿って延びる流路である。第１流路２２Ａおよび第２流路２２Ｂは、周方向に所定の間隔でそれぞれ複数設けられている。

上記のように、筐体本体１７に形成された空気取り入れ口１７ａは、第１流路２２Ａ、第２流路２２Ｂおよびステータ１２の中間ダクト部１２ａにそれぞれ接続されている。そのため、空気取り入れ口１７ａから筐体１３内に流れ込む空気は、第１流路２２Ａを経由した第１空間Ｓ１への流れと、第２流路２２Ｂを経由した第２空間Ｓ２への流れと、中間ダクト部１２ａを経由してエアギャップＧに至る流れに分岐する。また、空気取り入れ口１７ａから中間ダクト部１２ａを経由してエアギャップＧへ流れ込んだ空気は、第１空間Ｓ１への流れと、第２空間Ｓ２への流れにそれぞれ分岐する。

また、本実施形態において、筐体１３の吸気口１９Ａ，１９Ｂの上流側には、吸気口１９Ａ，１９Ｂから筐体１３内への空気の流れを、排気口２０Ａ，２０Ｂ側の流れよりも抑制する絞り機構２３Ａ，２３Ｂが設けられている。絞り機構２３Ａ，２３Ｂは、一例として、筐体本体１７の一端側吸気口１９Ａおよび他端側吸気口１９Ｂにそれぞれ取り付けられる。本実施形態において一端側と他端側での絞り機構２３Ａ，２３Ｂの構成は共通である。

一端側の絞り機構２３Ａは、一端側吸気口１９Ａからの筐体１３内への空気流量を調整し、第１空間Ｓ１の内圧を大気圧よりも低い所望の負圧に調整する機能を担う。また、他端側の絞り機構２３Ｂは、他端側吸気口１９Ｂからの筐体１３内への空気流量を調整し、第２空間Ｓ２の内圧を大気圧よりも低い所望の負圧に調整する機能を担う。また、上記の所望の負圧は、回転電機１０が所定以上の回転数で駆動するときに、エアギャップＧから第１空間Ｓ１および第２空間Ｓ２に向けて空気の流れが生じる圧力に設定される。

ここで、一端側および他端側の絞り機構２３Ａ，２３Ｂは、空気流量を低下させるフィルタを交換可能に取り付ける構成としてもよい。絞り機構２３Ａ，２３Ｂにフィルタを適用する場合、送風機２１Ａ，２１Ｂからの空気流量を絞って筐体１３内を負圧にしつつ、吸気側の冷却風をフィルタで整流することができる。
一例として、開口部の寸法（あるいは開口率）の異なる複数のパンチングメタルを絞り機構２３Ａ，２３Ｂのフィルタとして準備し、筐体１３側が所望の空気流量となるように任意のフィルタを取り付けるようにしてもよい。なお、フィルタはパンチングメタルに限られず、他の構成であってもよい。

また、一端側および他端側の絞り機構２３Ａ，２３Ｂは、絞りなどの可動部の開閉量を変化させて空気流量を制御可能な構成であってもよい。例えば、バタフライバルブやボールバルブ等の可動弁によって絞り機構２３Ａ，２３Ｂを構成してもよい。

このとき、絞り機構２３Ａ，２３Ｂは、回転電機１０のロータシャフト１１の回転数に応じて空気流量を変化させるように制御されてもよい。例えば、絞り機構２３Ａ，２３Ｂは、ロータシャフト１１の回転数が閾値未満の第１の回転数のときには、閾値以上の回転数である第２の回転数のときよりも絞りが開いて空気流量が大きくなるように制御される。

例えば、回転電機１０の低速～中速回転域で加速が必要な高トルク時には、コイルの電流が大きくなることでコイルでの発熱も大きくなる。絞り機構２３Ａ，２３Ｂとして可動弁を適用する場合、高トルク時には回転電機１０の高回転時よりも絞り機構２３Ａ，２３Ｂの空気流量を増加させて、送風機２１Ａ，２１Ｂからコイルエンド部１６Ａ，１６Ｂに流れる冷却風を増加させることができる。

ここで、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の内圧は絞り機構２３Ａ，２３Ｂによって同一に調整されることが好ましい。第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の内圧を同一にすると、空気取り入れ口１７ａから分岐する空気の流れが第１空間Ｓ１側と第２空間Ｓ２側で対称となり、回転電機１０の軸方向の冷却むらを一層抑制することができる。
なお、空気取り入れ口１７ａから第１空間Ｓ１への空気流量と、空気取り入れ口１７ａから第２空間Ｓ２への空気流量の差が許容範囲に収まれば、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の内圧（換言すれば絞り機構２３Ａ，２３Ｂの絞り量）には差が生じていてもよい。

以下、比較例と対比しつつ本実施形態の効果を説明する。図３は、本実施形態の回転電機１０において高回転時の空気の流れを示す図である。図４は、比較例の回転電機１０Ａにおいて無回転時の空気の流れを示す図である。図５は、比較例の回転電機１０Ａにおいて高回転時の空気の流れを示す図である。なお、図３～図５では、送風機２１Ａ，２１Ｂとその配管系の図示を適宜省略する。

まず、図４、図５の比較例の回転電機１０Ａでの空気の流れについて説明する。比較例の回転電機１０Ａの構成は、絞り機構２３Ａ，２３Ｂを有しない点を除き、本実施形態の回転電機１０の構成と同様である。

比較例の回転電機１０Ａにおいて送風機２１Ａ，２１Ｂを動作させると、第１空間Ｓ１および第２空間Ｓ２ではそれぞれ排気口２０Ａ，２０Ｂから空気が吸い出され、それぞれの内気圧が大気圧よりも低い負圧となる。すると、大気圧との気圧差により、空気取り入れ口１７ａから筐体１３内に空気が流れ込む。

比較例の回転電機１０Ａにおいて無回転時の空気取り入れ口１７ａからの空気の流れを、図４に矢印で示す。空気取り入れ口１７ａからの空気の流れは、第１流路２２Ａを経由した第１空間Ｓ１への流れと、第２流路２２Ｂを経由した第２空間Ｓ２への流れと、中間ダクト部１２ａを経由してエアギャップＧに至る流れに分岐する。また、空気取り入れ口１７ａから中間ダクト部１２ａを経由してエアギャップＧへ流れ込んだ空気は、第１空間Ｓ１への流れと、第２空間Ｓ２への流れにそれぞれ分岐する。

これにより、ステータ１２の外周は、第１流路２２Ａまたは第２流路２２Ｂを通過する空気によって冷却される。また、ステータ１２の内周およびロータシャフト１１は、エアギャップＧを通過する空気によって冷却される。また、コイルエンド部１６Ａ，１６Ｂは、吸気口１９Ａ，１９Ｂを通過する空気と、空気取り入れ口１７ａからの空気によって冷却される。

また、比較例の回転電機１０Ａにおいて高速回転時の空気取り入れ口１７ａからの空気の流れを、図５に矢印で示す。回転電機１０Ａの高速回転時には、無回転時よりもエアギャップＧの気圧がロータシャフト１１の回転により均等に高くなる。すると、空気取り入れ口１７ａからエアギャップＧに空気が流れ込みにくくなるので、高速回転時にはロータシャフト１１の磁石部分での冷却効果が低下してしまう。

これに対し、本実施形態の回転電機１０において高速回転時の空気取り入れ口１７ａからの空気の流れを、図３に矢印で示す。

本実施形態の回転電機１０は、筐体１３の吸気口１９Ａ，１９Ｂの上流側に絞り機構２３Ａ，２３Ｂが設けられている。そのため、本実施形態では、絞り機構２３Ａ，２３Ｂのない比較例と比べて吸気口１９Ａ，１９Ｂからの筐体１３内への空気流量がより少なくなるため、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の内圧は比較例よりも低くなり、大気圧との気圧差も大きくなる。その結果として、本実施形態では、空気取り入れ口１７ａから第１空間Ｓ１や第２空間Ｓ２への空気の流れが比較例よりも多くなる。

本実施形態においても、回転電機１０の高速回転時には無回転時よりもエアギャップＧの気圧が高くなるが、上記のように絞り機構２３Ａ，２３Ｂによって第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２の内圧は比較例よりも低くなる。したがって、本実施形態では、高速回転時においても空気取り入れ口１７ａからエアギャップＧへの空気の流通が確保され、ロータシャフト１１の磁石部分を空冷することができる。これにより、回転電機１０の冷却性能がより向上し、高出力化や高速回転化を更に図ることができる。

また、本実施形態では、第１空間と第２空間に圧力差を生じさせてエアギャップＧに冷却風を流通させる構成と比べると、回転電機１０の一端側と他端側で冷却風の流れがほぼ対称となる。そのため、本実施形態では、回転電機１０の一端側と他端側でのコイルエンド部１６Ａ，１６Ｂや磁石部分の冷却むらを抑制できる。
また、本実施形態の構成では、回転電機１０の一端側と他端側の空冷に関する仕様を同一にできるので、回転電機１０の空冷に関する構成や調整などを簡素化できる。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

上記実施形態では、回転電機１０の一例としてモータの構成例を説明したが、本発明の回転電は、発電機に適用することも可能である。

また、本実施形態では、絞り機構２３Ａ，２３Ｂが筐体本体１７の吸気口１９Ａ，１９Ｂに取り付けられている例を示したが、絞り機構２３Ａ，２３Ｂは筐体１３に直接取り付けられていなくてもよい。例えば、絞り機構２３Ａ，２３Ｂは、吸気口１９Ａ，１９Ｂと送風機２１Ａ，２１Ｂを接続する配管上に設けられていてもよい。

なお、本実施形態では、一端側と他端側にそれぞれ送風機を配置する例を示したが、一端側と他端側で１台の送風機を共有してもよい。
また、絞り機構２３Ａ，２３Ｂとして絞りの開閉量を制御可能な可動弁を適用する場合、回転電機の回転量に応じて絞りの開閉量を３段階以上変化させてもよい。

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０，１０Ａ 回転電機
１１ ロータシャフト
１２ ステータ
１２ａ 中間ダクト部
１３ 筐体
１４ 永久磁石
１５ 保持リング
１６Ａ，１６Ｂ コイルエンド部
１７ 筐体本体
１７ａ 空気取り入れ口
１８Ａ，１８Ｂ ブラケット
１９Ａ，１９Ｂ 吸気口
２０Ａ，２０Ｂ 排気口
２１Ａ，２１Ｂ 送風機
２２Ａ，２２Ｂ 流路
２３Ａ，２３Ｂ 絞り機構

Claims (4)

1. 円筒形に形成されたステータと、
   前記ステータの内周側にギャップをあけて同心状に配置されたロータと、
   前記ステータおよび前記ロータを収容し、前記ステータの一端側で前記ギャップに連通する第１空間と、前記ステータの他端側で前記ギャップに連通する第２空間を形成する筐体と、を備えた回転電機であって、
   前記ステータは、ステータ外周から前記ギャップに連通する中間ダクトを軸方向の中間部に有し、
   前記筐体は、
   前記第１空間に送風機からの冷却風を取り入れる一端側吸気口と、
   前記第１空間から空気を排気する一端側排気口と、
   前記第２空間に送風機からの冷却風を取り入れる他端側吸気口と、
   前記第２空間から空気を排気する他端側排気口と、
   前記中間ダクトに連通し、前記筐体の外部から空気を取り入れる空気取り入れ口と、を有し、
   前記一端側吸気口から前記第１空間への冷却風の流れを、前記一端側排気口側の流れよりも抑制する一端側絞り機構と、
   前記他端側吸気口から前記第２空間への冷却風の流れを、前記他端側排気口側の流れよりも抑制する他端側絞り機構と、
   をさらに備え、
   前記第１空間の内圧および前記第２空間の内圧は、それぞれ大気圧よりも低い負圧で同一の内圧に調整される
   回転電機。
2. 前記一端側絞り機構および前記他端側絞り機構は、空気流量を低下させるフィルタをそれぞれ含む
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記一端側絞り機構および前記他端側絞り機構はそれぞれ可動部を含み、前記可動部の開閉量を変化させて空気流量を制御可能である
   請求項１に記載の回転電機。
4. 前記一端側絞り機構および前記他端側絞り機構は、前記ロータの回転数に応じて前記空気流量を変化させる
   請求項３に記載の回転電機。
   

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