DE20312292U1 - Flow machine, especially centrifugal pump, with magnetic coupling drive has hysteresis coupling between drive motor in form of asynchronous three-phase motor and flow machine - Google Patents
Flow machine, especially centrifugal pump, with magnetic coupling drive has hysteresis coupling between drive motor in form of asynchronous three-phase motor and flow machineInfo
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Abstract
Description
Strömungsmaschine mit MagnetkupplungsantriebTurbomachine with magnetic coupling drive
BeschreibungDescription
Die Neuerung betrifft eine Strömungsmaschine mit Ma^netkupplungsantrieb, wobei ein elektrischer Antriebsmotor über eine Magnetkupplung «sin Drehmoment auf eine Welle der Strömungsmaschine, insbesondere eine Kreiselpumpe, überträgt und die Kupplung mit axialen Rotoren in Form eines einen Innenrotor umgebenden Außenrotor versehen ist.The innovation relates to a turbomachine with a magnetic coupling drive, wherein an electric drive motor transmits its torque to a shaft of the turbomachine, in particular a centrifugal pump, via a magnetic coupling and the coupling is provided with axial rotors in the form of an outer rotor surrounding an inner rotor.
Eine gattungsgemäße Strömungsmaschine ist beispielsweise durch die DE 101 16 868 A1 bekannt. Solche Magnetkupplungsteile sind mit Permanentmagneten ausgestattet und stellen eine Synchronkupplung dar, bei der die Rotaren der beiden Kupplungsteile mit identischer Drehzahl umlaufen. Ein Haltemoment einer solchen Kupplung ist abhängig vom Kippmoment eines am sogenannten starren Netz betriebenen, antreibenden Asynchronmotors, um bei einem Einschalt- und Hochla jfvorgang eines Motors einen synchronen Betrieb der Magnetkupplung gewährleisten zu können. Damit ist eine solche Kupplung, bezogen auf einen stationären Pumpenbetrieb, erheblich überdimensioniert. Weiter haben diese Magnetkupplungen den Nach:eil, bei eventuellen Laststößen auszukuppeln. Bei einem Abriss der Magnetwirkung tre :en in den Kupplungsbauteilen hohe Wirbelströme auf, die zu deren thermischen Zerstörung führen können. Und für ein erneutes Einkuppeln ist der Antriebsmotor herunterzufahren, um ein Einkuppeln der Kupplungsbauteile zu ermöglichen.A fluid machine of this type is known, for example, from DE 101 16 868 A1. Such magnetic coupling parts are equipped with permanent magnets and represent a synchronous coupling in which the rotors of the two coupling parts rotate at identical speeds. The holding torque of such a coupling depends on the tilting torque of a driving asynchronous motor operated on a so-called rigid network in order to be able to guarantee synchronous operation of the magnetic coupling when a motor is switched on and started up. This means that such a coupling is considerably over-dimensioned in relation to stationary pump operation. Furthermore, these magnetic couplings have the disadvantage of disengaging in the event of any load surges. If the magnetic effect is interrupted, high eddy currents occur in the coupling components, which can lead to their thermal destruction. And in order to engage the coupling again, the drive motor must be shut down to enable the coupling components to engage.
Durch die DE 197 01 993 A1 ist es für Kühlmittelpumpen von Kraftfahrzeugen bekannt, über einen Riementrieb und eine Hysteresekupplung ein Flügelrad anzutreiben. Dazu finden zwei Kupplungsscheiben Verwendung, wobei die eine Kupplungsscheibe als Magnetscheibe ausgebildet ist und die andere Kupplungsscheibe als Kupferscheibe ausgebildet sowie mit Hysteresematerial versehen ist. Diese Lösung hat zwar gegenüber den üblichen Magnetkupplungen den Vorteil, dass die Übertragungsfähigkeit bei Überschreiten eines maximalen Drehmomentes nicht abreißt und deshalb ein Stillsetzen des Antriebes zum Einkuppeln nicht mehr erforderlich ist. Deren Nachteil ist jedoch der hohe Kostenaufwand zur Befestigung der teuren Permanentmagnete hoher Leistungsdichte am Rotor, die aufwendige Rotorlagerung und das Risiko des Anstreifens des Rotors an einem Spalttopf aufgrund der am Flügelrad mit einem großen Hebelarm angreifenden Kräften. Und da ein Kraftfahrzeugmotor mit ständig wechselnden Drehzahlen betrieben wird, ist eine solche Pumpe überdimensioniert und nicht auf einen sparsamen Betriebspunkt ausgelegt.DE 197 01 993 A1 discloses that coolant pumps in motor vehicles can drive an impeller via a belt drive and a hysteresis clutch. Two clutch discs are used for this purpose, with one clutch disc being designed as a magnetic disc and the other clutch disc being designed as a copper disc and provided with hysteresis material. This solution has the advantage over conventional magnetic clutches that the transmission capacity does not break when a maximum torque is exceeded and it is therefore no longer necessary to stop the drive to engage the clutch. The disadvantage, however, is the high cost of attaching the expensive permanent magnets with high power density to the rotor, the complex rotor bearing and the risk of the rotor rubbing against a containment shell due to the forces acting on the impeller with a large lever arm. And since a motor vehicle engine is operated at constantly changing speeds, such a pump is oversized and not designed for an economical operating point.
Die Auslegung einer Pumpenanlage, bei der ein Antrieb mit starren Drehzahlen erfolgt, geschieht in allgemeinen auf der Basis einer maximal zu erwartenden Fördermenge bei gleichzeitig ungünstigsten Anlagenverhältnissen. Durch einen solchen in der Anlagentechnik häufigen Projektierungsansatz ergibt sich im allgemeinen eine Überdimensionierung einer solchen Strömungsmaschine und damit auch des zugehörigen Antriebes.The design of a pump system in which a drive is implemented with fixed speeds is generally based on a maximum expected flow rate under the most unfavorable system conditions. This type of design approach, which is common in system engineering, generally results in the over-dimensioning of such a fluid machine and thus also of the associated drive.
Der Neuerung liegt daher das Problem zu Grunde, für Strömungsmaschinen eine wenig aufwendige Möglichkeit zu finden, die bei der Auslegung eine Überdimensionierung der Komponenten vermeiden hilft und eine einfache, sichere sowie kostengünstige Drehmomentübertragung zwischen Antriebsmotor und Strömungsmaschine gewährleistet. The innovation is therefore based on the problem of finding a less complex solution for turbomachines that helps avoid over-dimensioning of the components during design and ensures simple, safe and cost-effective torque transmission between the drive motor and the turbomachine.
Die Lösung dieses Problem sieht die Anordnung einer Hysteresekupplung zwischen einem Antriebsmotor in Form eines Drehstrom-Asynchronmotor und der Strömungsmaschine vor. Durch die Verwendung einer Hysteresekupplung ergibt sich eine wesentli-The solution to this problem is to arrange a hysteresis coupling between a drive motor in the form of a three-phase asynchronous motor and the turbomachine. The use of a hysteresis coupling results in a significant
ehe Reduzierung der Kupplungsdimensionen, da eine solche Hysteresekupplung nicht mehr auf das Kippmoment eines Asynchronmotors ausgelegt sein muss. Stattdessen wird sie nur noch auf das Betriebsmoment der anzutreibenden Strömungsmaschine, nach einer Ausgestaltung vorzugsweise eine Kreiselpumpe, ausgelegt. Infolge des in einem Kupplungsteil verwendeten Hysteresematerials wird das wesentlich teurere Permanentmagnetmaterial eingespart. Und da das Hysteresematerial laufend ummagnetisiert werden kann, ist eine solche Kupplung wesentlich betriebssicher.Reduction in coupling dimensions, since such a hysteresis coupling no longer has to be designed for the breakdown torque of an asynchronous motor. Instead, it is only designed for the operating torque of the fluid machine to be driven, preferably a centrifugal pump in one design. As a result of the hysteresis material used in a coupling part, the much more expensive permanent magnet material is saved. And since the hysteresis material can be continuously remagnetized, such a coupling is much more reliable in operation.
Bei einem Anfahr- oder Hochlaufvorgang läuft die Hysteresekupplung problemlos im Asynchronbetrieb, um sich dann selbstständig auf den Synchronbetrieb einzustellen. Und sollte es während es Betriebes zu plötzlichen Lastspitzen kommen, dann reisst dadurch die Kupplungswirkung der Hysteresekupplung nicht ab. Sie geht stattdessen in einen temporären, asynchronen Betriebszustand über. Somit übt sie gleichzeitig eine stoßdämpfende Wirkung im Antriebsstrang aus. Die während eines solchen schlupfbehafteten Betriebszustand auftretenden Wirbelströme sind vernachlässigbar und gefährden nicht mehr die ganze Kupplung. Ursächlich dafür ist die Fähigkeit zum Ummagnetisieren des Hysteresematerials.During a start-up or acceleration process, the hysteresis clutch runs smoothly in asynchronous mode and then automatically adjusts to synchronous mode. And if sudden load peaks occur during operation, the coupling effect of the hysteresis clutch does not break down. Instead, it switches to a temporary, asynchronous operating state. This simultaneously exerts a shock-absorbing effect in the drive train. The eddy currents that occur during such a slip-prone operating state are negligible and no longer endanger the entire clutch. The reason for this is the ability of the hysteresis material to remagnetize.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Ausgestaltung als verstellbare Hysteresekupplung. Zur Anpassung einer nach den üblichen Kriterien ausgelegten Kreiselpumpe an die jeweiligen Betriebsverhältnisse wird einfach die Einstellung der Hysteresekupplung verändert. Deren Rotoren werden dabei gegeneinander axial so verstellt, dass ihre axiale Überdeckung die Übertragung des notwendigen Drehmomentes gewährleistet. Dies kann bei einer Montage im Werk oder am Aufstellort erfolgen. Anhand vorgegebener Einstelldaten erfolgt eine solche Einstellung im Stillstand. Bei eventuell später notwendigen Änderungen muss eine gewählte Einstellung der Rotoren nur geändert werden, um die Fördermenge der Kreiselpumpe an die jeweilige Betriebssituation anzupassen. Dies kann von außen in einfachster Weise erfolgen. Das dadurch veränderte Kupplungsmoment sorgt zusammen mit einer quadratischen Pumpenkennlinie für eine Absenkung oder Anhebung der Pumpendrehzahl, wobei die Differenzleistung zwischenAnother advantage is the design as an adjustable hysteresis coupling. To adapt a centrifugal pump designed according to the usual criteria to the respective operating conditions, the setting of the hysteresis coupling is simply changed. The rotors are axially adjusted against each other so that their axial overlap ensures the transmission of the necessary torque. This can be done during assembly in the factory or at the installation site. Such an adjustment is made at standstill using specified setting data. If changes are required later, a selected setting of the rotors only needs to be changed in order to adapt the delivery rate of the centrifugal pump to the respective operating situation. This can be done very easily from outside. The resulting change in the coupling torque, together with a square pump characteristic curve, ensures a reduction or increase in the pump speed, whereby the difference in power between
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Motorabgabeleistung und Pumpenaufnahmeleistung in der Hysteresekupplung in Wärme umgesetzt wird. Da hier aber nur ein kleiner Drehzahlstellbereich benötigt wird, sind diese systembedingten Verluste akzeptierbar. Der Gesamtwirkungsgrad lässt sich zusätzlich verbessern, wenn als Antriebsmotor ein Drehstrom-Asynchronmotor mit verbessertem Wirkungsgrad verwendet wird.Motor output power and pump input power are converted into heat in the hysteresis clutch. However, since only a small speed adjustment range is required here, these system-related losses are acceptable. The overall efficiency can be further improved if a three-phase asynchronous motor with improved efficiency is used as the drive motor.
Nach einer Ausgestaltung der Neuerung ist mindestens einer der ineinander angeordneten Rotoren der Hysteresekupplung als axial verstellbarer Rotor ausgebildet ist. Innerhalb der Hysteresekupplung sind die ineinander angeordneten Rotoren, auch als Außenrotor und Innenrotor bezeichnet, als axial zueinander verstellbare Bauteile ausgebildet. Die Hysteresekupplung wird während des Betriebes vom Motor mit praktisch konstanter Drehzahl angetrieben, wobei die Rotoren der Hysteresekupplung, die nach Art ineinander geschobener Zylinder gestaltet sind, das notwendige Drehmoment mit Hilfe von Permanentmagneten und Hysteresematerial auf die Welle der Kreiselpumpe oder Strömungsmaschine übertragen. Durch einfache Zuordnung der axialen Lage der Rotoren zueinander wird die Größe des zu übertragenden Drehmomentes in einfachster Weise bestimmt. In Abhängigkeit von der axialen Rotorüberdeckung wird das jeweils notwendige Drehmoment, damit die an der Pumpe sich einstellende Drehzahl und damit der jeweilige Pumpenbetriebspunkt in einfachster und genauer Weise eingestellt. Diese Maßnahme gewährleistet einen kostensparenden Pumpenbetrieb im jeweils gewünschten Anlagebetriebspunkt. Ein sich durch die Verstellung innerhalb der Hysteresekupplung eventuell einstellender Schlupf ist vernachlässigbar im Vergleich zu den Einsparungen an Betriebskosten aufgrund eines Betriebes im genauen Anlagebetriebspunkt. According to one embodiment of the innovation, at least one of the nested rotors of the hysteresis clutch is designed as an axially adjustable rotor. Within the hysteresis clutch, the nested rotors, also referred to as the outer rotor and inner rotor, are designed as components that can be adjusted axially relative to one another. During operation, the hysteresis clutch is driven by the motor at a practically constant speed, with the rotors of the hysteresis clutch, which are designed like cylinders pushed into one another, transmitting the necessary torque to the shaft of the centrifugal pump or fluid machine with the aid of permanent magnets and hysteresis material. The size of the torque to be transmitted is determined in the simplest way by simply assigning the axial position of the rotors to one another. Depending on the axial rotor overlap, the torque required in each case, and thus the speed set at the pump and thus the respective pump operating point, is set in the simplest and most precise way. This measure ensures cost-saving pump operation at the desired system operating point. Any slip that may occur due to the adjustment within the hysteresis clutch is negligible compared to the savings in operating costs due to operation at the exact system operating point.
Zusätzlich ergibt sich der Vorteil der leichteren Auswahl einer Pumpe aus einer Pumpenbaureihe. In einem Pumpenkatalog sind die verschiedenen Pumpengrößen mit ihren jeweiligen Pumpenkennlinien zu einem Kennfeld zusammengefasst. In einzelnen Fällen, bei denen für einen zu bedienenden Anwendungsfall eine Pumpe gerade in einem Grenzbereich zwischen zwei Pumpenkennlinien zuliegen kommt, erfolgt mit Hilfe derIn addition, there is the advantage of easier selection of a pump from a pump series. In a pump catalog, the various pump sizes with their respective pump characteristics are summarized in a characteristic field. In individual cases where a pump for an application to be served is located in a border area between two pump characteristics, the
Hysteresekupplung in einfachster Weise eine Anpassung an die notwendige Leistungsübertragung. Hysteresis clutch provides a simple way to adapt to the required power transmission.
Und ein weiterer Vorteil der Verwendung der Hysteresekupplung besteht in der Dimensionierung auf das Nenndrehmoment einer Pumpe. Denn bei einem asynchronen Hochlaufen des Drehstrommotors arbeitet die Hysteresekupplung ebenfalls asynchron. Sie muss daher nicht wie übliche Magnetkupplungen auf das größere Kippdrehmoment des Drehstrommotors ausgelegt werden. Dadurch ergibt sich eine kostensparende Verkleinerung der gesamten Kupplung bei gleichzeitig verbesserter Übertragungsqualität.Another advantage of using the hysteresis clutch is that it can be dimensioned to the nominal torque of a pump. This is because when the three-phase motor starts up asynchronously, the hysteresis clutch also works asynchronously. It therefore does not have to be designed for the greater breakdown torque of the three-phase motor like conventional magnetic clutches. This results in a cost-saving reduction in the size of the entire clutch while simultaneously improving transmission quality.
Weiter stellt die Hysteresekupplung einen Überlastschutz dar, so dass eine dadurch angetriebene Kreiselpumpe oder Strömungsmaschine von der Motorseite her nicht überlastet werden kann. Sie stellt damit gegenüber herkömmlichen Magnetkupplungen eine deutlich verbesserte Antriebslösung dar, da gleiche Leistungen bei kleinerer Baugröße zuverlässiger übertragen werden. Und das mit dem zusätzlichen Vorteil einer Einstellbarkeit hinsichtlich der zu übertragenden Leistungen. Trotzdem bleiben bei der verstellbare Hysteresekupplung alle Vorteile einer Magnetkupplung erhalten. Dies ist die berührungslose Verbindung zwischen Pumpe und Motor, ein einfacher Motortausch und die Integration eines Spalttopfes, womit ein Fördermedium zuverlässig von der Atmosphäre getrennt wird. Weiterhin die Einstellung einer gewünschten Pumpendrehzahl und damit der exakten Fördermenge.The hysteresis coupling also provides overload protection, so that a centrifugal pump or fluid machine driven by it cannot be overloaded from the motor side. It is therefore a significantly improved drive solution compared to conventional magnetic couplings, as the same power can be transmitted more reliably in a smaller size. And this with the additional advantage of being able to adjust the power to be transmitted. Nevertheless, the adjustable hysteresis coupling retains all the advantages of a magnetic coupling. These are the contactless connection between pump and motor, easy motor replacement and the integration of a containment shell, which reliably separates a pumped medium from the atmosphere. Furthermore, the setting of a desired pump speed and thus the exact delivery rate.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
Die Zeichnung zeigt eine Strömungsmaschine in Form eines Kreiselpumpenaggregates. Es besteht aus einer Kreiselpumpe 1 die unter Zwischenschaltung einer Hysteresekupplung 2 von einem elektrischen Antriebsmotor 3 angetrieben wird. Die Hysteresekupplung 2 ist innerhalb eines Kupplungsgehäuses 4 angeordnet, welches an einem Gehäusedeckel 5 dichtend befestigt ist. Das Kupplungsgehäuse 4 ist so ausgebildet,The drawing shows a fluid flow machine in the form of a centrifugal pump unit. It consists of a centrifugal pump 1 which is driven by an electric drive motor 3 with the interposition of a hysteresis coupling 2. The hysteresis coupling 2 is arranged within a coupling housing 4 which is sealingly attached to a housing cover 5. The coupling housing 4 is designed in such a way that
dass es gleichzeitig einen Spalttopf 6 am Gehäusedeckel 5 dichtend anpresst. Im Gehäusedeckel 5 ist eine Lagerung 7 für eine Welle 8 angeordnet. Auf der einen Seite der Welle 8 ist innerhalb der Kreiselpumpe 1 ein Laufrad 1.1 befestigt und auf der anderen Seite der Welle 8 ist ein Rotor 9 der Hysteresekupplung 2 angeordnet.that it simultaneously presses a containment shell 6 onto the housing cover 5 in a sealing manner. A bearing 7 for a shaft 8 is arranged in the housing cover 5. On one side of the shaft 8, an impeller 1.1 is fastened within the centrifugal pump 1 and on the other side of the shaft 8, a rotor 9 of the hysteresis clutch 2 is arranged.
Die hier gezeigte Kreiselpumpe ist für die Förderung chemischer Flüssigkeiten ausgebildet, weshalb alle flüssigkeitsberührten Oberflächen der Kreiselpumpe 1, des Laufrades 1.1, des Gehäusedeckels 5 und des Spalttopfes 6 mit einem entsprechenden Schutzüberzug 14 versehen sind.The centrifugal pump shown here is designed for pumping chemical liquids, which is why all liquid-contacting surfaces of the centrifugal pump 1, the impeller 1.1, the housing cover 5 and the containment shell 6 are provided with a corresponding protective coating 14.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein äußerer Rotor 10 der Hysteresekupplung axial verschiebbar auf einem Wellenstumpf 11 des Antriebsmotors 3 befestigt. Die Axialverschiebung erfolgt in diesem Beispiel durch ein Verstellmittel 12, mit dessen Hilfe in axialer Richtung eine einstellbare Positionierung zwischen Außenrotor 10 und einem Innenrotor 9 bewirkt wird. Selbstverständlich sind auch noch andere Verstellmöglichkeiten gebräuchlich, die eine Einstellung ohne Demontage der Hysteresekupplung 2 erlauben. Dazu können im Kupplungsgehäuse 4 oder im Flanschgehäuse 13, welches Antriebsmotor 3 und Kupplungsgehäuse 4 verbindet, entsprechende Zugangsöffnungen angeordnet sein, um eine leichte Einstellmöglichkeit für den Außenrotor 10 zu erhalten. Bei einer Ausführungsform ohne Spaltrohr kann in analoger Weise auch eine Verstellung am Innenrotor 9 erfolgen.In this embodiment, an outer rotor 10 of the hysteresis clutch is attached to a shaft stub 11 of the drive motor 3 in an axially displaceable manner. In this example, the axial displacement is carried out by an adjustment means 12, with the aid of which an adjustable positioning in the axial direction is achieved between the outer rotor 10 and an inner rotor 9. Of course, other adjustment options are also common that allow adjustment without dismantling the hysteresis clutch 2. For this purpose, corresponding access openings can be arranged in the clutch housing 4 or in the flange housing 13, which connects the drive motor 3 and the clutch housing 4, in order to obtain an easy adjustment option for the outer rotor 10. In an embodiment without a can, an adjustment on the inner rotor 9 can also be carried out in an analogous manner.
Die Hysteresekupplung 2 ist derart ausgeführt, dass auf der Außenseite des inneren Kupplungsteiles, dem Innenrotor 9, Seltenerdmagnete 15 angeordnet sind. Diese bauen ein magnetisches Luftspaltfeld zwischen Innen- und Außenrotor 9, 10 auf, wobei auf der Innenseite des äußeren Kupplungsteiles, dem Außenrotor 10, ein Magnetwerkstoff 16 mit ausgeprägter Hystereseeigenschaft angeordnet ist. Damit die Temperaturabhängigkeit der Hysteresekupplung gering ist, sind vorzugsweise die Werkstoffe Sm2Co17 oder AINiCo zu verwenden.The hysteresis clutch 2 is designed in such a way that rare earth magnets 15 are arranged on the outside of the inner clutch part, the inner rotor 9. These build up a magnetic air gap field between the inner and outer rotors 9, 10, with a magnetic material 16 with pronounced hysteresis properties being arranged on the inside of the outer clutch part, the outer rotor 10. To ensure that the temperature dependence of the hysteresis clutch is low, the materials Sm2Co17 or AINiCo are preferably used.
Eine solche Hysteresekupplung 2 ist lediglich auf das jeweilige Nenndrehmoment der Kreiselpumpe 1 dimensioniert, da die Hysteresekupplung 2 beim Asynchron-Hochlauf des als Drehstrommotors ausgebildeten Motors 2 ebenfalls asynchron arbeitet. Es ist daher nicht erforderlich, wie bei den bisher üblichen Magnetkupplungen, die Hysteresekupplung auf das wesentlich höhere Kippdrehmoment eines Asynchron-Drehstrommotors auszulegen. Zusätzlich hat die Hysteresekupplung 2 den Vorteil eines Überlastschutzes, da die Kreiselpumpe 1 von der Motorseite her nicht überlastet werden kann. Mit Hilfe des axialen Verstellmittel 12 der Hysteresekupplung 2 erfolgt die Einstellung der Überdeckung zwischen Innenrotor 9 und Außenrotor 10. Mit dem gezeigten Stellbereich entlang der Verbindung zwischen Außenrotor 10 und Motorwelle 11 erfolgt eine einfache Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse.Such a hysteresis clutch 2 is only dimensioned for the respective nominal torque of the centrifugal pump 1, since the hysteresis clutch 2 also works asynchronously during asynchronous start-up of the motor 2 designed as a three-phase motor. It is therefore not necessary, as with the previously common magnetic clutches, to design the hysteresis clutch for the much higher breakdown torque of an asynchronous three-phase motor. In addition, the hysteresis clutch 2 has the advantage of overload protection, since the centrifugal pump 1 cannot be overloaded from the motor side. The axial adjustment means 12 of the hysteresis clutch 2 is used to adjust the overlap between the inner rotor 9 and the outer rotor 10. The adjustment range shown along the connection between the outer rotor 10 and the motor shaft 11 allows easy adaptation to the respective operating conditions.
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