(57)【要約】  減磁耐力を強くすることで、トルクが低下することなく、モータの出力を増加させることができる永久磁石埋込型電動機１であって、回転子鉄心１９を有する回転子５と、固定子３とを備え、回転子鉄心は、複数の磁石収容孔２１と、複数の永久磁石２３とを含み、磁石収容孔それぞれの短手方向の厚みは、磁極の中心部が最も小さく、回転子鉄心の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなり、少なくとも、永久磁石における磁極の中心部の短手方向の厚みは、磁石収容孔における磁極の中心部の短手方向の厚みと等しい。
2014046228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子を囲むように設けられた固定子とを備え、
前記回転子鉄心は、周方向に沿って極数の数だけ形成された複数の磁石収容孔と、該複数の磁石収容孔に収容された複数の永久磁石とを含み、
前記磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて凹形状に形成されており、且つ、凹側が前記回転子の外側を向くように配置されており、
前記磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、磁極の中心線に対して対称形状となるように形成されており、且つ、同一の極内では分割することなく、一体構造で形成されており、
前記磁石収容孔それぞれの短手方向の厚みは、磁極の中心部が最も小さく、前記回転子鉄心の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなり、
少なくとも、前記永久磁石における磁極の中心部の短手方向の厚みは、対応する前記磁石収容孔における磁極の中心部の短手方向の厚みと等しく、
前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１、前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ２、さらに、前記永久磁石を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ３としたとき、Ｒ１＞Ｒ３＞Ｒ２の関係が満たされるように、前記磁石収容孔それぞれ及び前記永久磁石が構成され、
前記磁石収容孔のそれぞれと対応する前記永久磁石の両端部との間には空間部が設けられており、該空間部は、当該対応する永久磁石の端部に向かうにつれ徐々に大きくなる、
永久磁石埋込型電動機。
【請求項２】
前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１、前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ２としたとき、Ｒ１＞Ｒ２の関係が満たされるように、前記磁石収容孔それぞれが構成されている、
請求項１の永久磁石埋込型電動機。
【請求項３】
前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記永久磁石は、磁気配向の焦点が、回転子の中心と永久磁石の磁極の中心部とを通る中央線上であって、かつ、回転子の外側に位置するように、配向着磁されており、
前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１とし、前記中心側の円弧及び前記焦点の間の距離をＡとしたとき、Ａ≧２・Ｒ１を満たすように、前記回転子は構成されている、
請求項１又は２の永久磁石埋込型電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を回転子鉄心の内部に埋め込んだ永久磁石埋込型電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネ意識の高まりから、回転子に保磁力の高い希土類永久磁石を用いることによって高効率化を実現した永久磁石型電動機が多く提案されている。ただし、希土類永久磁石は高価であり電動機のコスト増加を招くため、従来の一般的な永久磁石埋込型電動機の回転子には、希土類永久磁石の代わりに焼結フェライト磁石が用いられている。このように、希土類永久磁石の代わりに焼結フェライト磁石を用いた場合、磁力の大きさを示す残留磁束密度が約１／３に低下する。磁力の低下によるトルク不足を補うためには、永久磁石の表面積をできるだけ大きくした焼結フェライト磁石を、回転子鉄心の内部に配置する必要がある。また、永久磁石によるトルクの他にリラクタンストルクを積極的に利用することで、焼結フェライト磁石による磁力の不足を補うことができる。【０００３】
例えば、特許文献１には、次のような永久磁石埋込型電動機の回転子が開示されている。永久磁石埋込型電動機の回転子は、積層鉄心と、シャフトとを備え、積層鉄心は、複数の円弧状の永久磁石と、該永久磁石を収容する複数の打抜孔とを有する。複数の打抜孔は、１極に対して、１個の割合で設けられる。そして、複数の打抜孔は、円弧の凸部側を、回転子中心に向けて配置されている。【０００４】
また、特許文献２に示される永久磁石埋込型電動機においては、永久磁石として周方向端部の厚さが互いに異なる形状のものが用いられており、厚さの小さい端部が回転方向前方側に位置し、厚さの大きい端部が回転方向後方側に位置するように永久磁石が配置される。そして、このような構成によって、逆トルクを発生する磁束の増加を抑制しながらインダクタンスを増加させ、それによって、リラクタンストルクを効果的に増加させると共に、鉄損の増加を抑制している。【０００５】
また、特許文献３に示される永久磁石埋込型電動機においては、回転子鉄心の外周部に１極を構成する一対の永久磁石スロットがＶ字形に配置され、永久磁石スロットそれぞれに永久磁石が埋設されている。すなわち、回転子鉄心には、１極あたり２個ずつ同極永久磁石が、Ｖ字形に埋設されている。各永久磁石の厚さは、Ｖ字形の中央部分となる回転子鉄心の径方向内側の端部から、Ｖ字形の左右端部となる回転子鉄心の径方向外側の端部に向けて、増加する。また、永久磁石それぞれの両端部には、曲線部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭５８−１０５７７９（主に図１）
【特許文献２】特開平１１−９８７２１（主に図７）
【特許文献３】特許第４６２７７８８号（主に図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に示される永久磁石埋込型電動機は、永久磁石の径方向の厚みは均一な構造となっていた。永久磁石の厚みが均一の場合、磁気抵抗は、回転子鉄心の中心側になるほど大きく、また、回転子鉄心の径方向外側になるほど小さいという特徴を有する。そのため、永久磁石の両端部付近が最も磁気抵抗が小さくなり、永久磁石の両端部に固定子のコイルの作る反磁界が集中し易くなり、永久磁石の両端部が減磁し、トルクが低下してしまうという問題があった。【０００８】
また、上記特許文献２に示される永久磁石埋込型電動機では、周方向端部の厚さが互いに異なる形状の永久磁石が用いられているため、磁気抵抗にアンバランスが生じ、磁気抵抗の小さい回転方向前方側の永久磁石端部に反磁界が集中し、電流の大きい領域で動作させた場合、減磁を引き起こし、トルクが低下してしまうという問題があった。【０００９】
また、上記特許文献３に示される永久磁石型電動機では、Ｖ字形の中央部である回転子鉄心の径方向内側の端部に連結部が設けられるため、磁束が流れやすく、Ｖ字形の中央部の磁気抵抗が極端に小さい構造となってしまう。このため、焼結希土類永久磁石よりも保磁力の小さい焼結フェライト磁石を用いた場合、Ｖ字形の中央部付近の永久磁石が反磁界により減磁してしまうという問題があった。また、焼結フェライト磁石は電気抵抗が大きいため、渦電流が流れにくく、また、低温になるほど減磁し易いという特性を有するため、渦電流による熱減磁を防止するという特許文献３の所期の効果は全く得られないという問題があった。【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、焼結フェライト磁石を用いた場合であっても、反磁界に対する減磁耐力を強くすることで、トルクが低下することなく、モータの出力を増加させることができる永久磁石埋込型電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するため、本発明の永久磁石埋込型電動機は、回転子鉄心を有する回転子と、前記回転子を囲むように設けられた固定子とを備え、前記回転子鉄心は、周方向に沿って極数の数だけ形成された複数の磁石収容孔と、該複数の磁石収容孔に収容された複数の永久磁石とを含み、前記磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて凹形状に形成されており、且つ、凹側が前記回転子の外側を向くように配置されており、前記磁石収容孔はそれぞれ、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、磁極の中心線に対して対称形状となるように形成されており、且つ、同一の極内では分割することなく、一体構造で形成されており、前記磁石収容孔それぞれの短手方向の厚みは、磁極の中心部が最も小さく、前記回転子鉄心の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなり、少なくとも、前記永久磁石における磁極の中心部の短手方向の厚みは、対応する前記磁石収容孔における磁極の中心部の短手方向の厚みと等しく、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１、前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ２、さらに、前記永久磁石を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ３としたとき、Ｒ１＞Ｒ３＞Ｒ２の関係が満たされるように、前記磁石収容孔それぞれ及び前記永久磁石が構成され、前記磁石収容孔のそれぞれと対応する前記永久磁石の両端部との間には空間部が設けられており、該空間部は、当該対応する永久磁石の端部に向かうにつれ徐々に大きくなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反磁界に対する減磁耐力を強くすることで、トルクが低下することなく、モータの出力を増加させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる永久磁石埋込型電動機の断面図である。
【図２】図１に示される回転子鉄心に関し、磁石収容孔に永久磁石をセットしていない状態を示す断面図である。
【図３】図２の磁石収容孔の寸法的特徴を示す部分拡大図である。
【図４】図２において磁石収容孔に永久磁石をセットした状態の回転子の断面図である。
【図５】永久磁石の磁気配向の一例を示す図である。
【図６】実施の形態２に関する、図４と同態様の図である。
【図７】図６の磁石収容孔の寸法的特徴を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る永久磁石埋込型電動機の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機の断面図であり、詳細には、回転子の回転軸を垂線とする断面で示す図である。また、図２は、図１に示される回転子鉄心に関し、磁石収容孔に永久磁石をセットしていない状態を示す断面図である。図３は、図２の磁石収容孔の寸法的特徴を示す部分拡大図であり、図４は、図２において磁石収容孔に永久磁石をセットした状態の回転子の断面図であり、図５は、永久磁石の磁気配向の一例を示す図である。
【００１６】
図１において、本実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機１は、固定子３と、回転子５とを備えている。固定子３は、環状を成す固定子鉄心７と、この固定子鉄心７の内周部において周方向（回転子５の回転方向）に等角ピッチで形成された複数のティース９と、各ティース３に巻回されたコイル１１とを含んでいる。
【００１７】
固定子３の内周側には、回転子５が回転可能に配設され、回転子５の外周面１３と複数のティース９との間には、環状の空隙１５が形成されている。なお、図１に示される本実施の形態１の固定子１は、一例として分布巻の固定子であるが、本発明としては、後述するように集中巻の固定子を用いることもできる。
【００１８】
図２には永久磁石を挿入する前の回転子鉄心１９の構造が示されており、図２に示される回転子５は、主たる構成として、回転エネルギーを伝達するための回転軸１７と、この回転軸１７の外周部に設けられた回転子鉄心１９とを含んでいる。回転軸１７と回転子鉄心１９とは、例えば焼嵌および圧入等により連結されている。
【００１９】
回転子鉄心１９は、鉄心抜板と呼ばれるケイ素鋼板（電磁鋼板）を金型で打ち抜いたものを、回転軸１７の延在方向（図２の紙面表裏方向）に複数枚積層して製作される。そして、回転子鉄心１９の外周面１３は、円筒状に形成されている。
【００２０】
回転子鉄心１９には、同一円周上に配置された複数（図示例では６つ）の磁石収容孔２１が周方向に並ぶように形成されている。磁石収容孔２１は極数の数だけ配置されている。磁石収容孔２１はそれぞれ、同一の極内では分割することなく、一体構造で（一つの極が一つの孔として）形成されている。
【００２１】
磁石収容孔２１はそれぞれ、回転子３の回転軸方向に沿ってみて（図１〜図７の断面においてみて）、凹形状に形成されている。より詳細には、凹形状は、内側の画定円弧ライン２１ａ及び外側の画定円弧ライン２１ｂが共に円弧状に延びる略Ｕ字状をなしている。また、磁石収容孔２１はそれぞれ、そのＵ字の凹側が回転子５の径方向外側を向くように配置されている。さらに、磁石収容孔２１の短手方向の厚み（内側の画定円弧ライン２１ａと外側の画定円弧ライン２１ｂとの間隔）は、磁極の極中心部が最も小さく、回転子鉄心１９の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように設定されている。
【００２２】
回転子鉄心１９には、回転子鉄心１９の外周面１３と永久磁石２３の径方向外側面２３ｃとの間に、外周薄肉鉄心部２５が設けられている（図１の参考部分拡大部を参照）。なお、回転軸１７と複数の磁石収容孔２１との間に形成された複数の穴２７は、冷媒や冷凍機油が通過するためのものである。より詳細には、各穴２７は、回転軸１７と隣り合う一対の磁石収容孔２１との三者の中央に配置されている。
【００２３】
このように回転子鉄心１９を構成することによって、磁石収容孔２１の両端部付近の磁気抵抗を大きくすることができる。これにより、回転子鉄心１９の突極比（最大インダクタンスに対する最小インダクタンスの比）を大きくでき、リラクタンストルクを有効に利用でき、高トルク化が実現できる。
【００２４】
次に、主に図３に基づき、磁石収容孔の寸法的特徴について説明する。図３においてみて、磁石収容孔２１の凹の径方向外側の画定円弧ライン２１ｂの曲率半径（回転子鉄心１９の中心側の円弧の半径）をＲ１、磁石収容孔２１の径方向内側の画定円弧ライン２１ａの曲率半径（回転子鉄心１９の外周側の円弧の半径）をＲ２としたとき、Ｒ１＞Ｒ２の関係が満たさされる。また、半径Ｒ１の曲率中心は、図３においてみて、外周面１３よりも外側に位置し、半径Ｒ２の曲率中心は、図３においてみて、外周面１３よりも内側に位置しており、半径Ｒ１の曲率中心及び半径Ｒ２の曲率中心は共に、図３においてみて、対応する磁石収容孔２１の中央線（磁極の中心線）ＣＬ上に位置している。なお、本実施の形態１では、永久磁石２３はそれぞれ磁極の中心線に対して左右対称であり、すなわち中央線ＣＬは、左右対称の中心線である。
【００２５】
次に、永久磁石２３について説明する。図４に示されるように、複数の永久磁石２３はそれぞれ、対応する磁石収容孔２１に収容される。すなわち、回転子鉄心１９の磁極を構成する永久磁石２３は、回転子鉄心１９の外周側において回転子鉄心１９の周方向へ極数に相当する数だけ配置される。複数の永久磁石２３は、焼結フェライト磁石で構成される。
【００２６】
永久磁石２３の外縁形状は、少なくとも、永久磁石２３における磁極の中心部の短手方向の厚みが、対応する磁石収容孔２１における磁極の中心部の短手方向の厚みと等しくなる形状であるが、本実施の形態１では、磁石収容孔２１の形状と略同一（厳密には永久磁石２３が磁石収容孔２１に挿入できる程度の大小関係を備えた相似）である。永久磁石２３の周方向隅部２９には、局所的な部分減磁を回避するため、適宜、面取り加工が施されている。そして、各永久磁石２３は、回転子５の回転方向に対してＮ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。
【００２７】
以上のように構成された永久磁石埋込型電動機においては、次のような優れた利点がある。
【００２８】
まず、焼結フェライト磁石は、Ｎｄ・Ｆｅ・Ｂ系の焼結希土類永久磁石に比べ、電気抵抗が大きいため、渦電流損は流れにくい反面、保磁力が非常に小さく（焼結希土類永久磁石の１／３程度）、反磁界が加わると減磁し易いという特性を有する。一方、磁気抵抗は、磁石収容孔がない場合は、鉄心の中心側にいくほど大きくなる。
【００２９】
上記に鑑みて、本実施の形態１では、磁石収容孔の短手方向の厚みを鉄心中心側（極中心部）で最も小さくし、鉄心径方向外側になるにつれ大きくすることで、磁気抵抗のアンバランスを緩和し、永久磁石の端部付近に反磁界が集中するのを防止することができる。
【００３０】
また、永久磁石２３それぞれは、その両端部が中央部よりも回転子鉄心の径方向外側に位置する形態を採っておりながら、上述した特許文献３に示されているような連結部がないため、極中心部の減磁を防止することができる。
【００３１】
図５においてみて、永久磁石２３は、磁気配向３１の焦点３３が、回転子５の中心ＣＰと永久磁石２３の中央部とを通る中央線ＣＬ上であって、かつ、回転子５の外側に位置するように、配向着磁されている。さらに、中央線ＣＬ上において、磁石収容孔２１の外側の画定円弧ライン２１ｂの曲率半径（磁石収容孔を画定する円弧のうち回転子鉄心の中心側の円弧の半径）Ｒ１と、当該外側の画定円弧ライン２１ｂ及び焦点３３の間の距離Ａとの関係は、Ａ≧２・Ｒ１となるように、回転子５は構成されている。
【００３２】
このように構成することによって、永久磁石２３が作る磁束が、固定子３のコイルに鎖交し易くなり、永久磁石２３の磁力を効果的に利用することができる。また、永久磁石２３の両端部の減磁耐力を改善することができる。
【００３３】
以上より、本実施の形態１に係る永久磁石埋込型電動機においては、焼結フェライト磁石を用いた場合であっても、適正な磁力を確保すること及び反磁界に対する減磁耐力を強くすることによって、トルクが低下することなく、モータの出力を増加させることができる。
【００３４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図６及び図７を参照して説明する。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様に構成されているものとする。図６は、実施の形態２に関する、図４と同態様の図であり、図７は、図６の磁石収容孔の寸法的特徴を示す部分拡大図である。
【００３５】
図６及び図７に示されるように、本実施の形態２における磁石収容孔１２１の凹の外側の画定円弧ラインの曲率半径（回転子鉄心１９の中心側の円弧の半径）をＲ１、磁石収容孔１２１の内側の画定円弧ラインの曲率半径（回転子鉄心１９の外周側の円弧の半径）をＲ２とし、さらに、永久磁石２３を画定する円弧のうち回転子鉄心１９の外周側の円弧の半径をＲ３としたとき、Ｒ１＞Ｒ３＞Ｒ２の関係が満たされるように、磁石収容孔１２１及び永久磁石２３が構成されている。また、かかる関係により、磁石収容孔１２１と永久磁石２３の両端部との間には空間部１３５が設けられている。空間部１３５は永久磁石１２１の端部に向かうにつれ徐々に大きくなる。
【００３６】
このように構成された本実施の形態２の永久磁石埋込型電動機においても、上記実施の形態１と同様、減磁耐力を改善することができる。また、磁石収容孔と永久磁石の両端部付近の間には空間部が設けられ、かかる空間部は永久磁石の端部に向かうにつれ徐々に大きくなるように構成されるため、永久磁石両端部に加わる反磁界の影響が小さくなり、それによっても、減磁耐力が更に改善する利点が得られている。
【００３７】
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、上述した実施の形態は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。
【符号の説明】
【００３８】
１  永久磁石埋込型電動機、３  固定子、５，１０５  回転子、７  固定子鉄心、１９  回転子鉄心、２１，１２１  磁石収容孔、２３  永久磁石、３１  磁気配向、３３  焦点、１３５  空間部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014046228.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月22日(2014.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子を囲むように設けられた固定子とを備え、
前記回転子鉄心は、周方向に沿って極数の数だけ形成された複数の磁石収容孔と、該複数の磁石収容孔に収容された複数の永久磁石とを含み、
前記磁石収容孔は、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて凹形状に形成されており、且つ、凹側が前記回転子の外側を向くように配置されており、
前記磁石収容孔は、前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、磁極の中心線に対して対称形状となるように形成されており、且つ、同一の極内では分割することなく、一体構造で形成されており、
前記磁石収容孔の短手方向の厚みは、磁極の中心部が最も小さく、前記回転子鉄心の径方向外側に向かうにしたがい徐々に大きくなり、
少なくとも、前記永久磁石における磁極の中心部の短手方向の厚みは、対応する前記磁石収容孔における磁極の中心部の短手方向の厚みと等しく、
前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１、前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ２、さらに、前記永久磁石を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ３としたとき、Ｒ１＞Ｒ３＞Ｒ２の関係が満たされるように、前記磁石収容孔及び前記永久磁石が構成され、
前記磁石収容孔と前記永久磁石の両端部との間には空間部が設けられており、該空間部は、当該対応する永久磁石の端部に向かうにつれ徐々に大きくなる、
永久磁石埋込型電動機。
【請求項２】
前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１、前記回転子鉄心の外周側の円弧の半径をＲ２としたとき、Ｒ１＞Ｒ２の関係が満たされるように、前記磁石収容孔が構成されている、
請求項１の永久磁石埋込型電動機。
【請求項３】
前記回転子の回転軸方向に沿ってみて、前記永久磁石は、磁気配向の焦点が、回転子の中心と永久磁石の磁極の中心部とを通る中央線上であって、かつ、回転子の外側に位置するように、配向着磁されており、
前記磁石収容孔を画定する円弧のうち前記回転子鉄心の中心側の円弧の半径をＲ１とし、前記中心側の円弧及び前記焦点の間の距離をＡとしたとき、Ａ≧２・Ｒ１を満たすように、前記回転子は構成されている、
請求項１又は２の永久磁石埋込型電動機。
【国際調査報告】
2014046228.tif 000010
2014046228.tif 000011
2014046228.tif 000012
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