(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状ステータ（１００）と、前記ステータ（１００）内の円筒状回転ロータ・フレーム（１０）であって、外面（１０ａ）及び軸方向（Ａ−Ａ）を有するロータ・フレーム（１０）と、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面（１０ａ）上の極配列（２００）とを有する電気機械であって、
前記極配列（２００）は、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面（１０ａ）の周りに周方向に配設された複数のセグメント片（２０）と、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面の周りに周方向に、前記セグメント片（２０）と交互に配設された複数の極片（５０）と、前記セグメント片（２０）及び前記極片（５０）の間に位置付けられた永久磁石片（４１、４２）とを有し、前記セグメント片（２０）、前記永久磁石片（４１、４２）及び前記極片（５０）は、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面（１０ａ）の周りに連続リングを形成し、前記電気機械は、前記軸方向（Ａ−Ａ）に互いに隣接する複数の前記連続リングを有している電気機械において、
各セグメント片（２０）は、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面（１０ａ）に対して据え付けられた第１の内縁部（２１）と、前記ステータ（１００）の方を向いた第２の反対側外縁部（２２）と、前記第１の内縁部（２１）及び前記第２の外縁部（２２）の間の側縁部（２３、２４）とを有し、前記側縁部（２３、２４）は、前記第２の外縁部（２２）のところに、前記永久磁石片（４１、４２）を受ける傾斜部（２３ａ、２４ａ）を有し、各セグメント片（２０）は、第１のボルト（３０）によって前記ロータ・フレーム（１０）に締結されていること、
各極片（５０）は、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面（１０ａ）の方を向いた第１の内縁部（５１）と、前記ステータ（１００）の方を向いた第２の外縁部（５２）と、前記第１の内縁部（５１）及び前記第２の外縁部（５２）の間の傾斜した側縁部（５３、５４）とを有し、各極片（５０）は、第２のボルト（６０）によって前記ロータ・フレーム（１０）に締結され、それにより、前記第２のボルト（６０）が締め付けられたとき、前記永久磁石片（４１、４２）が前記極片（５０）の前記傾斜した側縁部（５３、５４）と前記セグメント片（２０）の前記側縁部（２３、２４）の前記傾斜部（２３ａ、２４ａ）との間で押圧されること、
少なくとも１つの軸方向空気路（Ａ１、Ａ２）が前記複数のリングを通過しており、また少なくとも１つの径方向空気ダクト（Ｒ１、Ｒ２）が前記複数のリング間を通過していること
を特徴とする、電気機械。
【請求項２】
前記セグメント片（２０）の前記側縁部（２３、２４）の前記傾斜部（２３ａ、２４ａ）は、頂点が前記ステータ（１００）の方を向いたＶ字を形成し、また前記極片（５０）の前記傾斜した側縁部（５３、５４）も、頂点が前記ロータ・フレーム（１０）の方を向いたＶ字を形成することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記極配列（２００）は、２つの周方向に隣接するセグメント片（２０）の前記側縁部（２３、２４）の下部（２３ｂ、２４ｂ）と、前記ロータ・フレーム（１０）の前記外面（１０ａ）と、前記極片（５０）の前記第１の内縁部（５１）とによって制限された空間に形成される第１の軸方向空気路（Ａ１）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記極配列（２００）は、２つの軸方向に隣接する極片（５０）間の空間に形成される第１の径方向空気ダクト（Ｒ１）を有し、前記第１の径方向空気ダクト（Ｒ１）は、前記極片（５０）の前記第２の外縁部（５２）から前記第１の軸方向空気路（Ａ１）内へ延び、前記第１の径方向空気ダクト（Ｒ１）は、前記軸方向（Ａ−Ａ）における前記セグメント片（２０）の厚さが、前記軸方向（Ａ−Ａ）における前記極片（５０）の厚さより大きいことにより形成されることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械。
【請求項５】
前記極配列（２００）は、軸方向に隣接するそれぞれのセグメント片（２０）を通して前記軸方向（Ａ−Ａ）に延びる第２の軸方向空気路（Ａ２）を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項６】
前記極配列（２００）は、２つの軸方向に隣接するセグメント片（２０）の外側面間に形成される第２の径方向空気ダクト（Ｒ２）を有し、前記第２の径方向空気ダクト（Ｒ２）は、前記セグメント片（２０）の前記第２の外縁部（２２）から前記第２の軸方向空気路（Ａ２）内へ延びていることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−３３６９２９号公報には、電気機械が開示されている。複数の座板が、ヨークの外周に周方向に間隔を置いて配置され、且つ、第１のボルトによってヨークに締結される。磁石片が座板上に置かれ、薄鋼板を重ね合せることによって得られた積層板が、磁石片上に押圧部材として置かれる。第２のボルトの締結力によって、磁石片を積層板と座板との間に固着させる。磁石片、積層板、座板及び第２のボルトは、磁石ブロックを備える。
【０００３】
米国特許第６，８７９，０７５号には、永久磁石型同期機が開示されている。周方向に向けられたロータ組立体が、交互に並んでいる永久磁石と磁極片とを備える。ロータの漏洩磁束量を減少させて永久磁石の有効長を増大させるために、台形状又はテーパ状の永久磁石構造物が使用される。台形状永久磁石と磁極片とを交互に並べることによって、モータの重量又は体積を変更せずに、モータ内の同じ径方向の空間を利用して、従来の機械と比較してより強力な磁場を空隙内に作り出す。
【０００４】
米国特許第３，５６７，９７４号には、永久磁石型電気機械が開示されている。図４は、くさび形状の極鉄心と当接部材との間で締結される永久磁石ブロックを示す。当接部材は、ロータの鉄製構造物と結合して支持星型構造物を形成し、当該支持星型構造物内に永久磁石及び極鉄心が置かれる。極鉄心は、非強磁性ねじによってロータに締結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３３６９２９号
【特許文献２】米国特許第６，８７９，０７５号
【特許文献３】米国特許第３，５６７，９７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、改良された極配列（ｐｏｌｅ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を備えた電気機械を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電気機械は、独立請求項１の記載によって特徴付けられる。本発明のいくつかの好ましい実施例が従属請求項に開示される。
【０００８】
本発明による電気機械は、円筒状ステータと、当該ステータ内の円筒状回転ロータ・フレームであって、外面を有し、且つ、軸方向にあるロータ・フレームと、当該ロータ・フレームの外面上の極配列とを含み、前記極配列は、ロータ・フレームの外面の周りに周方向に配設された複数のセグメント片と、ロータ・フレームの外面の周りに周方向に配設され、且つ、前記セグメント片と交互に配設された複数の極片と、セグメント片と極片との間の永久磁石片とを含み、セグメント片、永久磁石片及び極片はロータ・フレームの周りに連続リングを形成し、電気機械は、軸方向にかわるがわる複数のこのようなリングを含む。
【０００９】
本発明による電気機械は、
−  各セグメント片が、ロータ・フレームの外面に対して据え付けられた第１の内縁部と、ステータに面している第２の反対側の外縁部と、第１の内縁部と第２の外縁部との間の側縁部とを含み、前記側縁部が、永久磁石片を受ける傾斜部を第２の外縁部のところで含み、各セグメント片は第１のボルトによってロータ・フレームに締結されること、
−  各極片が、ロータ・フレームの外面に面している第１の内縁部と、ステータに面している第２の外縁部と、第１の内縁部と第２の外縁部との間の傾斜した側縁部とを含み、各極片が第２のボルトによってロータ・フレームに締結され、それによって、第２のボルトが締め付けられると、磁石片が、極片の傾斜した側縁部とセグメント片の側縁部の傾斜部との間で押し付けられること、
−  少なくとも１つの軸方向空気路がリングを通過し、少なくとも１つの径方向空気ダクトがリング間を通ること
を特徴とする。
【００１０】
本発明による極配列によって、セグメント片、極片及び永久磁石はロータ・フレームに確実に締結される。
【００１１】
また、本発明による極配列によって、永久磁石の上端及び下端における漏洩磁束が最小限に抑えられる。
【００１２】
また、本発明による極配列によって、軸方向空気路は機械を通過し、径方向空気ダクトは機械を効率的に冷却することができる。
【００１３】
以下において、添付の図面を参照して、好ましい実施例によってより詳細に本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電気機械の軸方向断面図である。
【図２】電気機械の極配列の一部の不等角投影図である。
【図３】図１に示される極配列の径方向断面図である。
【図４】電気機械の第１の冷却配列の軸方向断面図である。
【図５】電気機械の第２の冷却配列の軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、電気機械の軸方向断面図を示す。電気機械は、円筒状ステータ１００と、ステータ１００内の円筒状回転ロータ・フレーム１０であって、外面１０ａを有し、且つ、軸方向Ａ−Ａにあるロータ・フレーム１０とを含む。電気機械は、ロータ・フレーム１０の外面１０ａ上の極配列２００をさらに含む。ステータ１００の内面と、極配列２００の外面との間に空隙Ｇがある。円筒状ロータ・フレーム１０は、その円筒体の軸方向Ａ−Ａの中央に径方向間仕切壁９を備える。ロータ・シャフト８は径方向間仕切壁９に締結され、前記ロータ・シャフト８は、電気機械のフレーム構造物Ｆに対して各端部で軸受７ａ、７ｂによって支持される。ロータ・フレーム１０は非磁性材料からできている。
【００１６】
図２は、電気機械の極配列の一部の不等角投影図を示し、図３は、図１に示される極配列の径方向断面図を示す。
【００１７】
極配列２００は、ロータ・フレーム１０の外面１０ａの周りに周方向に配設された複数のセグメント片２０を含む。前記セグメント片２０のそれぞれは、ロータ・フレーム１０の外面１０ａに対して据え付けられた第１の内縁部２１と、ステータ１００に面している第２の反対側の外縁部２２と、第１の内縁部２１と第２の外縁部２２との間の２つの側縁部２３、２４とを含む。側縁部２３、２４は、第２の外縁部２２のところで傾斜部２３ａ、２４ａを含む。セグメント片２０の側縁部２３、２４の傾斜部２３ａ、２４ａは、有利にはＶ形を形成し、それによって、Ｖ形の頂点はステータ１００に面する。前記セグメント片２０のそれぞれは、第１の、好ましくは非磁性ボルト３０によって、ロータ・フレーム１０に締結される。各セグメント片２０の第１の縁部２１は蟻継ぎ２５を含む。第１のボルト３０の上端には対応する蟻継ぎ係止片３１がある。第１のボルト３０の自由端は、ロータ・フレーム１０における穴を通ってロータ・フレーム１０の内部へ伸長する。ナット３２を第１のボルト３０の自由端に対してねじ切りすることができる。ロータ・フレーム１０の内面に対してナット３２を締め付けることによって、セグメント片２０をロータ・フレーム１０にしっかりと取り付けることができる。
【００１８】
極配列２００は、各セグメント片２０の側縁部２３、２４の傾斜部２３ａ、２４ａ上に位置付けられた永久磁石片４１、４２をさらに含む。永久磁石片４１、４２は矩形状を有する。セグメント片２０の側縁部２３、２４の傾斜部２３ａ、２４ａは、永久磁石片４１、４２の側面に係合する小さな突出部を有する。それによって、永久磁石４１、４２は、セグメント片２０の側縁部２３、２４の傾斜部２３ａ、２４ａの表面に沿った滑り運動に対して係止される。そのため、軸方向における永久磁石片４１、４２の幅は、極片５０の対応する幅よりわずかに小さい。
【００１９】
極配列２００は、ロータ・フレーム１０の外面１０ａの周りに周方向に配設され、且つ、前記セグメント片２０と交互に配設された複数の極片５０をさらに含む。前記極片５０のそれぞれは、ロータ・フレーム１０の外面１０ａに面している第１の内縁部５１と、ステータ１００に面している第２の外縁部５２と、第１の内縁部５１と第２の外縁部５２との間の２つの傾斜した側縁部５３、５４とを含む。第１の内縁部５１は、ロータ・フレーム１０の外面１０ａから径方向に離れている。第２の外縁部５２は、ステータ１００に対して空隙Ｇを形成する。傾斜した側縁部５３、５４はＶ形を形成し、それによって、Ｖ形の頂点はロータ・フレーム１０に面している。前記極片５０のそれぞれは、第２の、好ましくは非磁性ボルト６０によって、ロータ・フレーム１０に締結され、それによって、第２のボルト６０が締め付けられると、磁石片４１、４２は、極片５０の傾斜した側縁部５３、５４と、セグメント片２０の側縁部２３、２４の傾斜部２３ａ、２４ａとの間で押し付けられる。極片５０に埋め込まれた締結片６１がある。第２のボルト６０を締結片６１に、それによって極片５０にしっかりと取り付けるために、第２のボルト６０を締結片６１のねじ山に螺合することができる。ナット６２を、第２のボルト６０の自由端上のねじ山に螺合することができる。ロータ・フレーム１０の内面に対してナット６２を締め付けることによって、極片５０をロータ・フレーム１０にしっかりと取り付けることができる。極片５０の傾斜した側縁部５３、５４は、ナット６２が締め付けられると、セグメント片２０の側縁部２３、２４の傾斜した上部２３ａ、２３ｂに対して永久磁石４１、４２を押し付けることになる。
【００２０】
セグメント片２０、永久磁石片４１、４２及び極片５０は、ロータ・フレーム１０の外面１０ａの周りに連続リングを形成する。電気機械は、軸方向Ａ−Ａにかわるがわる複数のこのようなリングを含む。図２は、２つの軸方向に隣接するリングを示すが、電気機械はリングをいくつでも備えることができる。
【００２１】
セグメント片２０は、複数の薄い電気鋼板から構成される。電気鋼は、０〜６．５％のシリコンを有することができる鉄合金である。セグメント片２０における電気鋼板は、軸方向の一くくりの電気鋼板を通って伸長するリベット７１によって共に押し付けられる。さらに、セグメント片２０の軸方向側面には盲穴７２がある。第２のセグメント片２０の向きをそれぞれ１８０度変えることで、盲穴７２は軸方向に隣接するセグメント片２０のリベット７１の頭を受けることになる。これは、セグメント片２０が、互いに取り付けられた側面によって位置することができることを意味する。一まとめの金属板における最も外側の金属板は、リベット７１がその一まとめの金属板を締め付ける時、まっすぐな側面を形成するのに十分堅くするために、わずかにより肉厚である。軸方向におけるセグメント片２０の厚さは、極片５０の対応する厚さよりわずかに肉厚である。
【００２２】
極片５０も、複数の薄い電気鋼板から構成される。極片５０における電気鋼板は、軸方向の一くくりの電気鋼板を通って伸長するリベット７３によって共に押し付けられる。一まとめの電気鋼板における最も外側の電気鋼板は、リベット７３がその一まとめの電気鋼板を締め付ける時、まっすぐな側面を形成するのに十分堅くするために、わずかにより肉厚である。
【００２３】
第１の軸方向空気路Ａ１は、２つの周方向に隣接するセグメント片２０の側縁部２３、２４の下部２３ｂ、２４ｂ、ロータ・フレーム１０の外面１０ａ、及び、極片５０の第１の縁部５１によって制限された空間に形成される。第１の軸方向空気路Ａ１は、極配列２００全体を通って軸方向Ａ−Ａに伸長する。
【００２４】
第１の径方向空気ダクトＲ１は、２つの軸方向に隣接する極片５０間に形成される。これは、セグメント片２０が、極片５０と比較して軸方向Ａ−Ａにおいてわずかに肉厚であることによるものである。第１の径方向空気ダクトＲ１は、極片５０の第２の縁部５２から第１の軸方向空気路Ａ１内に伸長する。第１の径方向空気ダクトＲ１はまた、永久磁石片４１、４２の軸方向に隣接する側面間で伸長する。
【００２５】
第２の軸方向空気路Ａ２は、それぞれの軸方向に隣接するセグメント片２０を通して軸方向Ａ−Ａに伸長する。第２の軸方向空気路Ａ２は、例えば、所定の断面で、セグメント片２０を形成するそれぞれの薄い電気金属板の中央部に開口部を開けることによって形成可能である。そのため、第２の軸方向空気路Ａ２は、極配列２００全体を通して軸方向Ａ−Ａに伸長することになる。
【００２６】
第２の径方向空気ダクトＲ２は、２つの軸方向に隣接するセグメント片２０間に形成される。セグメント片２０において最も外側の金属板は、第２の径方向空気ダクトＲ２が２つの軸方向に隣接するセグメント片２０間に形成されるように形成されている。第２の径方向空気ダクトＲ２は、セグメント片２０の第２の縁部２２から第２の軸方向空気路Ａ２内へ伸長する。
【００２７】
第１の軸方向空気路Ａ１及び第２の軸方向空気路Ａ２の径方向断面の面積を、セグメント片２０の径方向断面の面積の約２０〜３５％とすることができる。軸方向Ａ−Ａにおける径方向空気ダクトＲ１、Ｒ２の幅を、軸方向Ａ−Ａにおけるセグメント片２０の幅の約１０〜２０％とすることができる。
【００２８】
図１におけるロータ・フレームはいわゆるＨ型ロータ・フレームである。本発明による極配列を、円筒面を有する任意のロータ・フレームにおいて使用することができ、そのロータ・フレームに対して、セグメント片及び極片を締結することができる。間仕切壁９における、ロータ・フレーム１０上に位置しているセグメント片２０及び極片５０のリングを、ロータ・フレーム１０内に位置しているナット３２、６２によって、ロータ・フレーム１０にしっかりと取り付けることはできない。セグメント片２０は、セグメント片２０の第２の表面２２から当該セグメント片の内部における台座まで伸長する穴と、当該台座からセグメント片２０の第１の表面２１まで伸長するより小さい穴とを備えることができる。セグメント片２０を、より小さい穴において伸長する第１のボルト３０によって、間仕切壁９におけるねじ山に締結することができる。より大きな穴を通って、セグメント片２０の第２の表面２２から、台座及び台座における第１のボルト３０のナットまで伸長するブシュによって、第１のボルト３０を締め付けることができる。リングにおける極片５０を同様に締結することができる。セグメント片２０の外面２２及び極片５０の外面まで伸長するこれらの穴は、セグメント片２０及び極片５０の磁気容量をある程度低減することになる。このことから、他のリングにおいてこのような締結配列を使用しないとされる。
【００２９】
極片５０の第２の縁部５２における永久磁石４１、４２の上端面は、ロータとステータ１００との間の空隙Ｇにおける空気に自由に面している。極片５０の第１の縁部５１における永久磁石４１、４２の下端面は、第１の軸方向空気路Ａ１における空気に自由に面している。２つの周方向に隣接するセグメント片２０の側縁部２３、２４の下部２３ｂ、２４ｂは、永久磁石４１、４２の下面より下の空域を増大させるために、永久磁石４１、４２の下端面より下に空洞を有する。この配列によって、前記端面における漏洩磁束が最小限に抑えられることになる。磁性材料はなく、かわりに、永久磁石４１、４２の下端面における空気があることによって、永久磁石４１、４２の前記下端面における漏洩磁束が大幅に低減されることになる。漏洩磁束は、空隙を横断せずにステータ巻線に接続することで有用な磁場をもたらさない磁束のことである。永久磁石４１、４２及び磁極片５０の配列は、機械における空間を利用する際に有利である。機械の重量又は体積を変更せずに、機械内の同じ径方向の空間を利用して、より強力な磁場が空隙内に作り出されている。
【００３０】
図４は、電気機械の第１の冷却配列の軸方向断面図を示す。冷却用空気Ｌ１は、ステータ１００の外面に取り付けられた通気筺体３００から、ロータ２００の両端部の方へ伝えられる。冷却用空気Ｌ１は、ロータ１００における軸方向空気路Ａ１、Ａ２内を貫通し、ロータ１００の中央の方へ通過する。第１の軸方向空気路Ａ１及び第２の軸方向空気路Ａ２内を貫通する空気の一部はまた、ロータ１００における第１の径方向空気ダクトＲ１及び第２の径方向空気ダクトＲ２内を貫通することになる。ロータ２００における径方向空気ダクトＲ１、Ｒ２内を貫通する空気はさらに、ロータ２００とステータ１００との間の空隙Ｇを横断し、且つ、ステータ１００における対応する径方向空気ダクトＲ１０内を貫通することになる。ステータにおける径方向空気ダクトＲ１０はステータ空洞１１０内へと開放しており、前記ステータ空洞１１０は通気筺体３００の中央部内へと開放している。冷却管１１０は、通気筺体３００を通過する。冷却液又は冷却用空気Ｌ３０は、冷却管３１０を通って伝えられる。ステータ１００から通気筺体３００の中央部へ戻るように通過する還気Ｌ１０は、通気筺体３００における間仕切壁３２０間の冷却管３１０を通過し、さらに、通気筺体３００の外面へと向かうことになる。ロータ２００及びステータ１００において加熱された還気Ｌ１０は、冷却用ダクト３１０を通過する時に冷却されることになる。還気Ｌ１０の方向を通気筺体３００の外面において変更することで、還気Ｌ１０はもう一度冷却管３１０を流れ、そこで前記空気はさらに冷却される。その後、前記冷却された空気Ｌ１は、ロータ２００の端部の方へ、モータ内へと戻って伝えられる。そのため、機械と通気筺体３００との間に、閉じた冷却用空気循環がある。この冷却用空気配列は機械の対称的な冷却を形成する。
【００３１】
ロータ・フレーム１０における極配列２００は、ロータ・フレーム１０が回転している時に圧力を引き起こす。径方向空気ダクトＲ１、Ｒ２は、径方向ファンにおける翼と同じ主材によって作用する。通気筺体３００の中央部又は通気筺体３００の端部は、ファンを装着することもできる。
【００３２】
図５は、電気機械の第２の冷却配列の軸方向断面図を示す。通気筺体３００における配列は、図４に示されるものと異なる。ステータ筺体１１０から通気筺体３００の中央部内へ通過する還気Ｌ１０は、通気筺体３００のどちらかの端部へ、熱変換器３３０ａ、３３０ｂを貫通することになる。還気Ｌ１０は、通気筺体３００の各端部に位置している径方向ファン３４０ａ、３４０によって熱変換器３３０ａ、３３０ｂから吸い込まれる。径方向ファン３４０ａ、３４０ｂは、冷却された空気Ｌ１を、機械内へ戻して、ロータ２００の端部の方へ送風する。各径方向ファン３４０ａ、３４０ｂは、モータ、好ましくは電気モータ３５０ａ、３５０ｂによって駆動される。この冷却用空気配列も、機械の対称的な冷却を形成する。
【００３３】
本発明による極配列は、中型の、どちらかと言えばゆっくりと回転する電気機械に特に適切である。回転速度を、例えば、約４００ｒｐｍとすることができる。ロータ・フレームの直径を約１ｍかそれ以上とすることができる。しかしながら、本発明による極配列をより速く回転する電気機械において使用することもでき、この場合、ロータ・シャフト８の一方の端部又は両端部はファンを装着することができる。そして、前記ファンは、冷却用空気を、通気筺体３００からロータにおける軸方向空気路Ａ１、Ａ２まで送風することになる。
【００３４】
本発明は、上述した実例に限定されず、特許請求の範囲内で多様とすることができる。
【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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