(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼＶ字形状に成形した第１の導体セグメントの外側に、ほぼＵ字形状に成形した第２の導体セグメントを配置する第１の工程と、
前記第１および第２の導体セグメントを組み合わせた状態で、前記第１の導体セグメントの先端部間の距離を所定値に設定する第２の工程と、
前記第１および第２の導体セグメントを同時に捻り成形する第３の工程と、
前記第１および第２の導体セグメントを同時に、積層鉄心に形成されたスロットに挿入する第４の工程と、
を備えることを特徴とする巻線形成方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の導体セグメントは、ターン部から先端部にいくにしたがって間隔が増し、前記第２の導体セグメントは、ターン部から先端部までがほぼ平行に形成されており、
前記第１および第２の導体セグメントを組み合わせる前の状態において、前記第１の導体セグメントの先端部間隔が前記第２の導体セグメントの先端部間隔よりも広く設定されていることを特徴とする巻線形成方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第３の工程によって、前記第１および第２の導体セグメントのそれぞれのターン部から先端部までの部分を、円環状に形成された前記積層鉄心の内径側と外径側に分けて配置した後に、異なる前記スロットから突出する前記第１および第２の導体セグメントの内周側端部同士、および異なる前記スロットから突出する前記第１および第２の導体セグメントの外周側端部同士を接合する第５の工程を備えることを特徴とする巻線形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第１の工程において前記第１および第２の導体セグメントの組み合わせを複数形成し、
前記第３の工程において前記第１および第２の導体セグメントに対して同時に捻り成形を行い、
前記第４の工程において前記第１および第２の導体セグメントを前記積層鉄心の前記スロットに同時に挿入することを特徴とする巻線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機等の回転電機の巻線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用交流発電機に用いられる固定子として、複数の導体セグメントを接合することにより形成された巻線を有するものが従来から知られている。例えば、ＷＯ９８／５４８２３には、Ｕ字状の複数の導体セグメントを固定子鉄心の一方の端面側から挿入した後に、反挿入側の端部同士を接合することにより巻線が形成された固定子が開示されている。この固定子は、連続した導体巻線を巻いて巻線を構成する場合に比べて、規則的に配置された巻線が形成しやすいという特長がある。
【０００３】
上述したＷＯ９８／５４８２３においては、固定子鉄心の各スロットに挿入された導体は、異なるスロットに収納されたもの同士の端部が接合され、それぞれの接合部が固定子鉄心の形状に沿って周方向に等間隔に並んで配置されている。例えば、上述した公報には、図５に示すような各スロットに４本の導体が挿入された固定子が開示されている。このような固定子の巻線は、ほぼＵ字状に形成された第１の導体セグメントとこれよりも大きな曲げ半径を有するＵ字状の第２の導体セグメントを重ねた後に捻り成形したものを、固定子鉄心のスロットに挿入し、各導体セグメントの反ターン部先端同士を接合することにより形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１および第２の導体セグメントを重ねて捻り成形を行った後に固定子鉄心のスロットに挿入する従来の巻線形成方法では、重ねられた２本の導体セグメントの中で内包される第１の導体セグメントの先端部間の距離にばらつきがあると、第１の導体セグメントの先端部同士が接触する場合がある。このような先端部同士の接触は、固定子鉄心の各スロットに第１の導体セグメントを挿入した後にも発生する。例えば図５においては、径方向内側から見て２番目の先端部２３２ｄと３番目の先端部２３２ｅとが第１の導体セグメントに対応しており、これらの先端部２３２ｄ、２３２ｅが接触すると、これらの間で短絡が生じやすくなるため好ましくない。特に、これらの先端部２３２ｄ、２３２ｅを互いに離間させようとしてもスプリングバックによって思うように変形できないため、この部分の修正作業は容易ではない。このため、接触する先端部２３２ｄ、２３２ｅを確実に離間させるためには、これらの間に絶縁材を挿入する手法が考えられるが、部品点数の増加になるため好ましいことではない。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、導体セグメントの先端部間の距離を確保することができる巻線形成方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の巻線形成方法では、ほぼＶ字形状に成形した第１の導体セグメントの外側に、ほぼＵ字形状に成形した第２の導体セグメントを配置する第１の工程と、第１の導体セグメントと第２の導体セグメントとを組み合わせた状態で、第１の導体セグメントの先端部間の距離を所定値に設定する第２の工程と、第１の導体セグメントと第２の導体セグメントを組み合わせた状態で同時に捻り成形する第３の工程と、第１の導体セグメントと第２の導体セグメントを同時に積層鉄心に形成されたスロットに挿入する第４の工程とを備えている。このように、ほぼＶ字形状に成型した第１の導体セグメントの外側に、ほぼＵ字形状に成型した第２の導体セグメントを配置することにより、内側に配置される第１の導体セグメントの先端部においては、Ｖ字の形状を維持しようとする弾性力と外側に配置された第２の導体セグメントにより押される力とが働くため、第１の導体セグメントの先端部と第２の導体セグメントの先端部とが接触することとなる。したがって、第１の導体セグメントの先端部間の距離を確保することができる。
【０００７】
また、上述した第１の導体セグメントをターン部から先端部にいくにしたがって間隔が増すように形成するとともに、第２の導体セグメントをターン部から先端部までがほぼ平行に形成し、第１および第２の導体セグメントを組み合わせる前の状態において、第１の導体セグメントの先端部間隔が第２の導体セグメントの先端部間隔よりも広く設定することが望ましい。このように、広い先端部間隔を有する第１の導体セグメントの外側から狭い先端部間隔の有する第２の導体セグメントを配置することにより、内包される第１の導体セグメントの先端部間の距離を確保することができ、組み付けの前後においてこれら先端部間の接触を防止することが可能になる。
【０００８】
また、上述した第４の工程によって、第１および第２の導体セグメントのそれぞれのターン部から先端部までの部分を、円環状に形成された積層鉄心の内径側と外径側に分けて配置した後に、異なるスロットから突出する第１および第２の導体セグメントの内周側端部同士、および異なるスロットから突出する第１および第２の導体セグメントの外周側端部同士を接合する第５の工程を備えることが望ましい。このように第１および第２の導体セグメントの内周側端部同士を接合するとともに外周側端部同士を接合する場合には、あるスロットから突出した第１の導体セグメントの内周側端部と他のスロットから突出した別の第１の導体セグメントの外周側端部との間の絶縁状態を確保する必要があるが、本発明によれば、確実に第１の導体セグメントの内周側端部と外周側端部との間の距離を確保することができるため、同一スロットに４本以上の導体が収容される巻線の部分的な短絡を、他の絶縁部材等を用いることなく有効に防止することができる。
【０００９】
また、上述した第１の導体セグメントを上述した第２の導体セグメントの内側に配置した導体セグメントの組み合わせを複数同時に形成して、この複数の導体セグメントの組み合わせに対して同時に捻り成形を行い、その後、複数の導体セグメントの組み合わせを積層鉄心のスロットに同時に挿入することが望ましい。これにより、巻線内の短絡の防止と同時に、巻線を製造する際の工数の低減が可能になり、コストダウンを図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１は、車両用交流発電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、整流器５等を含んで構成されている。
【００１２】
固定子２は、固定子鉄心２２と、固定子巻線２１を構成する導体セグメント２３と、固定子鉄心２２と各導体セグメント２３との間を電気絶縁するインシュレータ２４とを備えている。固定子２の詳細な構造については後述する。
【００１３】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線８を、それぞれが６個の爪部を有するポールコア７によって、シャフト６を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア７の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン１１が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア７の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン１２が溶接等によって取り付けられている。
【００１４】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３がシャフト６を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア７の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子鉄心２２の軸方向端面から突出した固定子巻線２１に対向した部分に冷却風の吐出窓４２を有し、軸方向端面には吸入窓４１を有している。
【００１５】
上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ２０にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線８に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア７のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線に三相交流電圧を発生させることができ、整流器５の出力端子からは所定の直流電流が取り出される。
【００１６】
次に、固定子２の詳細について説明する。図２は、固定子２の部分的な断面図である。また、図３は固定子巻線を構成する導体セグメントの斜視図である。
【００１７】
固定子鉄心２２のスロット２５に装備された固定子巻線２１は複数の電気導体により構成され、各スロット２５には偶数本（本実施形態では４本）の電気導体が収容されている。また、一のスロット２５内の４本の電気導体は、図２に示すように固定子鉄心２２の径方向に沿って内側から内端層、内中層、外中層、外端層の順で一列に配列されている。
【００１８】
一のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂと対をなしている。同様に、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外中層の電気導体２３２ｂと対をなしている。そして、これらの対をなす電気導体は、固定子鉄心２２の軸方向の一方の端面側において連続線を用いることにより、ターン部２３１ｃ、２３２ｃを経由することで接続される。
【００１９】
したがって、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとを接続する連続線を、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとを接続する連続線が囲むこととなる。このように、固定子鉄心２２の一方の端面側においては、対をなす電気導体の接続部としてのターン部２３２ｃが、同じスロット２５内に収容された他の対をなす電気導体の接続部としてのターン部２３１ｃにより囲まれる。外中層の電気導体２３２ｂと内中層の電気導体２３２ａとの接続により中層コイルエンドが形成され、外端層の電気導体２３１ｂと内端層の電気導体２３１ａとの接続により端層コイルエンドが形成される。
【００２０】
一方、一のスロット２５内の内中層の電気導体２３２ａは、固定子鉄心２２の時計回り方向に向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の内端層の電気導体２３１ａ′とも対をなしている。同様に、一のスロット２５内の外端層の電気導体２３１ｂ′は、固定子鉄心２２の時計回りに向けて１磁極ピッチ離れた他のスロット２５内の外端層の電気導体２３２ｂとも対をなしている。そして、これらの電気導体は固定子鉄心２２の軸方向の他方の端面側において接続される。
【００２１】
したがって、固定子鉄心２２の他方の端面側においては、外端層の電気導体２３１ｂ′と外中層の電気導体２３２ｂとを接続する外側接合部と、内端層の電気導体２３１ａ′と内中層の電気導体２３２ａとを接続する内側接合部とが、径方向および周方向に互いにずれた状態で配置されている。外端層の電気導体２３１ｂ′と外中層の電気導体２３２ａとの接続、および内端層の電気導体２３１ａ′と内中層の電気導体２３２ａとの接続により、異なる同心円上に配置された２つの隣接層コイルエンドが形成される。
【００２２】
さらに、図３に示すように、内端層の電気導体２３１ａと外端層の電気導体２３１ｂとが、一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる大セグメント２３１により提供される。そして、内中層の電気導体２３２ａと外中層の電気導体２３２ｂとが一連の電気導体をほぼＵ字状に成形してなる小セグメント２３２により提供される。基本となるＵ字状の導体セグメント２３は、大セグメント２３１と小セグメント２３２によって形成される。各セグメント２３１、２３２は、スロット２５内に収容されて軸方向に沿って延びる部分を備えるとともに、軸方向に対して所定角度傾斜して延びる斜行部２３１ｆ、２３１ｇ、２３２ｆ、２３２ｇを備える。これらの斜行部によって、固定子鉄心２２から軸方向の両端面に突出するコイルエンドが形成されており、回転子３の軸方向の両端面に取り付けられた冷却ファン１１、１２を回転させたときに生じる冷却風の通風路は、主にこれら斜行部の間に形成されている。
【００２３】
以上の構成が全てのスロット２５の各導体セグメント２３について繰り返される。そして、ターン部２３１ｃ、２３２ｃと反対側のコイルエンドにおいて、外端層の導体セグメント２３の先端部２３１ｅ′と外中層の導体セグメント２３の先端部２３２ｅ、並びに内中層の導体セグメント２３の先端部２３２ｄと内端層の導体セグメント２３の先端部２３１ｄ′とが溶接、超音波溶接、アーク溶接、ろう付け等の手段によって接合され、電気的に接続されている。
【００２４】
このようにして製造される固定子２について、固定子鉄心２２の内周側から見た１相分の各導体セグメント２３が図４に示されており、ターン部２３１ｃ、２３２ｃと反対側のコイルエンド群の斜視図が図５に示されている。
【００２５】
ターン部２３１ｃ、２３２ｃに対応する第１コイルエンド群２１ａにおいては、中層コイルエンドと端層コイルエンドとが基本コイルエンドとなる。また、ターン部２３１ｃ、２３２ｃと反対側の第２コイルエンド群２１ｂにおいては、隣接層コイルエンドが基本コイルエンドとなる。そして、複数の基本コイルエンドが、規則的に繰り返して配置されている。全てのコイルエンドの間には隙間が確保される。しかも、各基本コイルエンドは、環状のコイルエンド群内において、周方向に関してほぼ一定の密度で分布している。
【００２６】
両コイルエンド群２１ａ、２１ｂの内周面は、固定子鉄心２２の内周面よりわずかに大きい内径を有して形成されている。さらに、両コイルエンド群２１ａ、２１ｂは、全周にわたってほぼ一定の高さを有している。
【００２７】
次に、固定子巻線２１を構成する導体セグメント２３の製造工程について説明する。図６〜図１０は、導体セグメント２３の製造工程を示す斜視図である。初めに、大セグメント２３１に対応した所定の長さを有する直線状の導体セグメント２３と小セグメント２３２に対応した所定の長さを有する直線状の導体セグメント２３とを、それぞれ固定子鉄心２２のスロット２５の数だけ用意する。
【００２８】
次に、小セグメント２３２に対応した所定の長さを有する直線状の導体セグメント２３をほぼ中央で折り曲げてＶ字状に加工する（図６）。小セグメント２３２を加工するこの工程においては、導体セグメント２３がＶ字状になるように折り曲げる角度が調整される。この工程によって、所定の曲率半径を有するターン部２３２ｃが形成され、このターン部２３２ｃから先端部にいくにしたがって間隔が広くなる。なお、このＶ字状に形成された小セグメント２３２の先端部の外側間隔をａとする。
【００２９】
次に、大セグメント２３１に対応した所定の長さを有する直線状の導体セグメント２３をほぼ中央で折り曲げてＵ字状に加工する（図７）。大セグメント２３１を加工するこの工程においては、導体セグメント２３がＵ字状になるように折り曲げる角度が調整される。この工程によって、上述したＶ字状の小セグメント２３２の折り曲げ部の半径よりも大きな曲率半径を有するターン部２３１ｃが形成され、このターン部２３１で折り曲げられた２つの直線部がほぼ平行になる。なお、このＵ字状に形成された大セグメント２３１の先端部の内側間隔をｂとする。上述した小セグメント２３２の先端部の外側間隔ａと大セグメント２３１の先端部の内側間隔ｂとの間には、ａ＞ｂの関係がある。
【００３０】
次に、小セグメント２３２の外側に大セグメント２３１を配置する（図８）。上述したように、小セグメント２３２の先端部の外側間隔ａの方が大セグメント２３１の先端部の内側間隔ｂよりも広くなっており、小セグメント２３２の先端部においては、Ｖ字状の形状を維持しようとする弾性力と外側に配置されたＵ字状の大セグメント２３１により押される力とが働くため、図８に示すように、小セグメント２３２の先端部が大セグメント２３１の先端部に確実に接触するとともに、小セグメント２３２の先端部同士が離間する。上述した図８に示す工程が、本発明における「第１の工程」に対応している。
【００３１】
その後、小セグメント２３２と大セグメント２３１とを重ねた状態（図８に示した状態）を維持するとともに、小セグメント２３２と大セグメント２３１のそれぞれの先端部間の距離を所定値に調整し、これらの２つのセグメント２３１、２３２の両端をそれぞれ捻り治具３００および３１０により固定して（図９）、捻り治具３００を２つのセグメント２３１、２３２の折り曲げ方向と垂直な方向に半磁極ピッチ分移動させるとともに、捻り治具３１０を捻り治具３００と反対方向に反磁極ピッチ分移動させる（図１０）。これにより、大セグメント２３１と小セグメント２３２とが同時に捻り成形される。上述した図９、図１０に示す工程が、本発明における「第２の工程」、「第３の工程」に対応している。
【００３２】
このようにして捻り成形された各セグメント２３１、２３２は、組み合わされたままの状態で固定子鉄心２２のスロット２５に挿入される（図１１）。図１１に示した工程が、本発明における「第４の工程」に対応している。なお、図１１においては、各セグメント２３１、２３２がスロット２５に挿入される様子を分かりやすくするために、スロット２５の開口部側の形状が簡略化されているとともに、インシュレータ２４が省略されて描かれているが、実際には、スロット２５は上述した図２に示したような形状となっており、各セグメント２３１、２３２とスロット２５の壁面との間にはインシュレータ２４が介在している。
【００３３】
各セグメント２３１、２３２は、固定子鉄心２２の軸方向側面の同一側にターン部２３１ｃ、２３２ｃが揃うようにして重ねてスロット２５に挿入される。このとき、各セグメント２３１、２３２に含まれる２本の直線部は、それぞれ１磁極ピッチだけ離れた異なるスロット２５内に収容される。
【００３４】
次に、上述した図５に示すように、反ターン部側に位置する先端部２３１ｄ′、２３２ｄ、２３２ｅ、２３１ｅ′を互いに反対の周方向に捻った後に、内端層の導体に対応する先端部２３１ｄ′と内中層の導体に対応する先端部２３２ｄとを溶接等によって接合するとともに、外中層の導体に対応する先端部２３２ｅと外端層の導体に対応する先端部２３１ｅ′とを溶接等によって接合する。このようにして形成された各セグメント２３１、２３２の接合部は、固定子鉄心２２からの高さがほぼ同じになるように形成される。上述した工程が、本発明における「第５の工程」に対応している。
【００３５】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、固定子２を製造する際に、Ｖ字状に成形した小セグメント２３２の外側にＵ字状に成形した大セグメント２３１を配置した後にこれらのセグメント２３１、２３２を組み合わせた状態で同時に捻り成形して導体セグメント２３を成形している。Ｖ字に成形した小セグメント２３２の先端部の外側間隔ａの方がＵ字に形成した大セグメント２３１の先端部の内側間隔ｂよりも広くなっていることにより、小セグメント２３２の先端部においては、Ｖ字状の形状を維持しようとする弾性力と外側に配置されたＵ字状の大セグメント２３１に押される力とが働くので、小セグメント２３２の先端部と大セグメント２３１とが確実に接触するとともに、小セグメント２３２の先端部同士が離間するという効果が得られる。また、捻り成形された後も小セグメント２３２および大セグメント２３１を組み合わせたままの状態に保ち、これらのセグメントを同時に固定子鉄心に備えられた所定のスロットに挿入することにより、固定子巻線２１を形成している。したがって、各セグメント２３１、２３２を固定子鉄心２２のスロットに挿入した状態で、あるいは小セグメント２３２のそれぞれの先端部を互いに反対の周方向に捻った後の状態で、小セグメント２３２の隣り合った先端部同士が接触してしまうことがなく、内包された導体セグメント２３としての小セグメント２３２の先端部間の距離と絶縁状態を確保することができる。また、絶縁材等を挿入して絶縁状態を確保する必要がないので、部品点数が増加することもない。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、図９および図１０に示したように、小セグメント２３２を大セグメント２３１の内側に配置して形成される１組の導体セグメントに対して捻り治具３００、３１０によって捻り加工を施していたが、複数組の導体セグメントを平行に重ねて並べ、これら複数組の導体セグメントに対して同時に捻り加工を施すようにしてもよい。また、図１１では捻り加工が施された１組の導体セグメント２３を固定子鉄心２２のスロット２５に挿入する場合について説明したが、複数組の導体セグメント２３を同時に所定数のスロット２５に挿入するようにしてもよい。このように、複数組の導体セグメント２３を同時に捻り成形し、また固定子鉄心２２に備えられた所定数のスロット２５に同時に挿入することにより、固定子２を製造する際の工数を低減することができるので、車両用交流発電機１全体のコストダウンを図ることができる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、車両用交流発電機の固定子を例にとって本発明の巻線形成方法を説明したが、車両用交流発電機以外の各種の回転電機の固定子あるいは回転子の巻線を導体セグメントを用いて形成する場合について本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】固定子の部分的な断面図である。
【図３】固定子巻線を構成するセグメントの斜視図である。
【図４】固定子巻線を展開して内周側から見た部分的な側面図である。
【図５】固定子の部分的な斜視図である。
【図６】固定子に組み付ける前の導体セグメントの製造工程を示す斜視図である。
【図７】固定子に組み付ける前の導体セグメントの製造工程を示す斜視図である。
【図８】固定子に組み付ける前の導体セグメントの製造工程を示す斜視図である。
【図９】固定子に組み付ける前の導体セグメントの製造工程を示す斜視図である。
【図１０】固定子に組み付ける前の導体セグメントの製造工程を示す斜視図である。
【図１１】導体セグメントを固定子に組み付ける際の製造工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  車両用交流発電機
２  固定子
３  回転子
２２  固定子鉄心
２３  導体セグメント
２３１  大セグメント
２３２  小セグメント
２５  スロット
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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