JP2008104293A - 回転電機、クランク形状の連続巻きコイル、分布巻き固定子及びそれらの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルに矩形導体を用いた分布巻固定子において、従来よりもコイルエンドを小さくし、かつ、電流密度の低減を図り、小型で高出力の回転電機を得る。
【解決手段】断面が矩形形状の導体素線を重ね巻きし、両端の頭頂部を重ね巻きした素線の全幅だけずれるように、且つ、隣接するスロット間隔の範囲内の長さとなるようにクランク形状に形成し，固定子のスロットに差し込むことにより形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機、クランク形状の連続巻きコイル、分布巻き固定子及びそれらの形成方法に関する。

固定子の巻線の形態には、磁極歯毎にコイルを集中して巻線する集中巻と、複数のスロットを跨いでコイルを巻き、コイルエンドで異相、または同相のコイル同士が重なり合う分布巻がある。集中巻の固定子はコイルエンドを小さくでき、回転電機の小型化、高効率化に有効である。一方、分布巻の固定子は、固定子内周の回転磁界を正弦波に近づけることができ、集中巻よりも高出力で騒音を小さくすることができる。また、両者に共通して、高出力化を達成する手段の一つとして、コイルの素線銅線に矩形断面の線を使用し、固定子スロット内のコイル占積率を高める方法がある。本発明は固定子コイルを矩形断面線で構成した分布巻の回転電機を対象とする。

特許文献１には、平角状の矩形導体を、長辺側の面が固定子スロットの径方向の面と対向するように曲げ成形し、これを固定子コアの軸方向端面からスロットに挿入し、固定子コアの逆側端面から突出した矩形導体片の開放端部を、電気的に接続して波巻の電気回路の構成が記載されている。この矩形導体は、概略的にＵ字形状を有しており、平角断面の短辺側の面が同じ向きである。

また、特許文献２には、縦横の寸法が同じあるいは近い矩形導体を４本束ねて用いることが記載されている。４本束ねた導体は、概略的に松葉形状を有しており、スロットの径方向の面と対向する導体の面が同じ向きである。

また、特許文献３には、中大型の回転電機に用いられている“フォームドコイル”と呼ばれるもので、自己融着層を持つ平角線を小判形に巻き、全体を固めてからコイルエンドを捻り変形して、コイルエンドの非干渉形状を生成するものが記載されている。コイルを構成する各導体はスロット内、及びコイルエンドで同一の方向に整列し、互いに固着して密着した状態になっている。

更に、特許文献４には、矩形導線が複数回巻き回されてコイル状に形成された巻線コイルをスロットに所定スロットを跨ぐようにして挿入した分布巻きコイル方式の固定子巻線が記載されている。
これら従来技術では、分布巻固定子において、平角状の矩形導体を用いたものは、固定子スロット内に導体が径方向に小さい分割数で配置され、縦横の寸法が同じあるいは近い矩形導体を用いたものは、コイルエンドを形成する導体の頭頂部が突出した構造になっている。
特開平４−１６８９５５号公報 特開平６−２８４６５１号公報 特開平８−２９８７５６号公報 特開平１０−６６３１４号公報

本発明で解決しようとする課題は、分布巻固定子において、高出力で、かつ、小型化、高効率化を図る回転電機を得るためのコイルの形状およびその成形方法を発明することである。

高出力化に関しては、固定子コアのスロット数および形状、スロット内を占める導体占有面積によって回転電機の出力が概ね決定するため、スロット内の導体の高占積率化が課題となる。

小型化に関しては、分布巻固定子の寸法は、固定子コアの寸法が固定しているため、固定子コア両端のコイルエンドを小さくすることが回転電機の小型化の課題となっている。特許文献２で開示されている導体は、４本を束ねたセグメントコイル（分割コイル）タイプであり、コイル素線である矩形導体４本を概略的に松葉形状に曲げ、曲げた頭頂部を支点として前後に開いているため、束ねた導体の全幅に相当する分の高さが、最低限必要になっている。また特許文献３で開示されている導体は、平角線を重ね巻きした小判形のフォームドコイルタイプであり、曲げた両端の頭頂部を支点として前後に開いているため、平角線長辺に相当する分の高さが、最低限必要になっている。これらの導体の曲げ成形方法を見直し、頭頂部を低くしたフォームドコイルタイプを得ることが課題となる。

高効率化に関しては、電流密度の低減、および、銅損の低減が挙げられる。特許文献１で開示されている導体は、平角線を概略的にＵ字形状に曲げたセグメントコイルタイプであり、１つのスロット内に径方向に２本の導体が配置された構造である。スロット内に配置される導体を径方向に細分割した構造にして電流密度の低減を図ることが課題となる。

また特許文献２で開示されている導体は、４本を束ねたセグメントコイルのため、片側４本の端末線を溶接等で接続する構造になっている。接続点数を少なくした構造にして、銅損の低減を図ることが課題となる。

以上、述べた３つの課題を解決するためのコイルの形状およびその成形方法が重要であり、本発明は、分布巻固定子において、高出力で、かつ、小型化、高効率化を図る回転電機を得るためのコイルの形状およびその成形方法を得ることを目的としている。

本発明の回転電機は、絶縁皮膜を有する矩形導線が複数回巻き回されてコイル状に形成された巻線コイルが、固定子コアのスロット内に収納されて構成された多相固定子巻線を備える回転電機において、前記巻線コイルは両端の概略頭頂部にねじれを伴わずにクランク形状部が形成されたことを特徴とする。

本発明により、矩形断面の導体を重ね巻きしたコイルを用いた分布巻のステータにおいて、従来よりもコイルエンドを小さくし、かつ、スロット内に導体を径方向に分割配置した構造にした。これにより、回転特性に優れた分布巻固定子の利点を生かしつつ、高出力の回転電機の小型化、高効率化が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いながら説明する。

図１に本発明の実施例１のフォームドコイルタイプの構造を示す。図１（Ａ）はフォームドコイル５を固定子コア２に組み込む前の斜視図で、固定子コア２は切り欠いて示している。図１（Ｂ）はフォームドコイル５を固定子コア２に組み込んだ状態を示す斜視図で、固定子コア２の概略を実線および二点破線で表記している。コイル素線１はエナメル樹脂の薄膜で被覆された銅製の角線である。固定子コア２は厚さ約１ｍｍの圧延鋼板をプレス抜きして積層したものである。２辺の長さが同じ寸法、もしくは近い寸法の角線のコイル素線１を連続巻き（図では３ターン）し、重ね巻きされたコイル素線１の沿層方向の面である頭頂部１２およびコイル端部側の頭頂部１３をクランク形状に曲げ成形してフォームドコイル５を形成する。フォームドコイル５を固定子コア２の内側から固定子スロット３の中へ挿入する。

図２に本発明の実施例１のフォームドコイル５を固定子コア２に組み込んだ状態の図を示す。本発明の回転電機はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相コイルで、各相２４個、合計７２個のフォームドコイル５と、これに対応したスロット数７２個の固定子コア２から成る。図２（Ａ）は固定子コア２にフォームドコイル５を組み込んだ状態の頭頂部１２側から見た分布巻固定子８の平面図を示す。フォームドコイル５はスロットの挿入位置に限らず、全て同一形状を有しており、全てのフォームドコイル５が組み込めるように、頭頂部１２がクランク形状を有している。図１０および図１１の説明で述べるが、コイル素線１の端部を同じ相のコイル素線１の端部を溶接にて接続して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相コイルを形成し、分布巻固定子８を得る。

図２（Ｂ）はフォームドコイル５を固定子コア２に組み込んだ状態での固定子スロット３の部分を拡大した断面図を示している。固定子スロット３内でのコイル素線１の総断面積が同じであれば、本数が多いほど磁束密度が高くなる。本発明ではコイル素線１は角線で、固定子コア２の固定子スロット３内で軸方向に３ターンが２組配置された構造で、１つのスロット内に軸方向に角線の導体が６個配置された構造になっている。これにより、１つのスロット内に軸方向に平角線の導体が２個配置されているよりも、角線の導体が６個配置されている方が、磁束密度が高くなって、電流密度が減り、回転電機としての効率が向上する。

図３から図５までを用いて本発明のフォームドコイルの成形方法を説明する。
図３は巻線機で角線１を連続巻きする工程を示す。図３（Ａ）は角線１をボビン３１にセットした状態の斜視図を示す。図３（Ｂ）はボビン３０に角線１を巻きつけた状態の斜視図を示す。図３（Ｃ）はボビン３０から取り外した巻線コイル４の斜視図を示す。

先ず、図３（Ａ）に示すように角線１を所定のテーパ角度がついたテーパ３１を有するボビン３０にセットする。次いで図３（Ｂ）に示すように角線１に張力を与えながらボビン３０を回して角線１をボビン３０に巻きつけ、所定のターン数を巻いたら（本発明では３ターン）、連続巻きした角線１をボビン３１から取り外し、図３（Ｃ）に示すようなボビンのテーパ３１のテーパ角度が転写された巻線コイル４を得る。

本発明において、フォームドコイル５で必要とするテーパ角度を巻線コイル４の段階で成形しておく。本発明の固定子コアのスロット数は７２個で、１個のフォームドコイルが入るスロットは７個を渡って入る。これにより、フォームドコイルのスロット内に入る角度は３６０度の７２分の７から３５度とした。したがって、ボビン３０のテーパ３１のテーパ角度は上記で求めた角度の半分の１７．５度にした。テーパ角度が大きいとフォームドコイルのコア外周側の素線には圧縮応力が、コア内周側の素線には引張応力が負荷される。また、テーパ角度が小さいとフォームドコイルのコア外周側の素線には引張応力が、コア内周側の素線には圧縮応力が負荷される。素線に圧縮応力が負荷された場合はこれを緩和しようとして座屈変形が生じて、フォームドコイルコイルの寸法が大きくなる懸念がある。一方、素線に引張応力が負荷された場合は変形による応力緩和がないため、常に素線に引張応力が負荷されるため、回転電機の長期の運転環境によっては、素線が破断する懸念もある。本発明の実施例１におけるテーパ３１のテーパ角度の範囲は１５度から２０度がよい。

図４は巻線コイル４と、固定子のスロット内に挿入する形状に成形したフォームドコイル５の概略形状の比較図である。フォームドコイル５は図２（Ａ）に示したように固定子コア２に組み込む形状に成形する。そのため、頭頂部１２および端末部側頭頂部１３をコイル素線１の沿層方向の面でクランク形状に曲げてフォームドコイル５を成形する必要がある。

図５は巻線コイル４からフォームドコイル５までに成形する変形過程を示す金型および巻線コイル４あるいはフォームドコイル５を頭頂部１２側から見た平面図である。図５（Ａ）は巻線コイル４を下金型３２にセットした状態を、図５（Ｂ）は側面金型３３ａ、３３ｂ、上金型３４ａ、３４ｂを降下している途中の状態を、図５（Ｃ）は側面金型３３ａ、３３ｂ、上金型３４ａ、３４ｂを所定の位置まで降下した状態を示す。

下金型３２、側面金型３３ａ、３３ｂ、上金型３４ａ、３４ｂは鋼製で調質により硬度を高めた超硬金型で、成形によるエナメル被膜の損傷を防止するため、コイル素線１が接する面には、鏡面仕上げが施されている。図５（Ａ）から図５（Ｃ）までに示すように巻線コイル４を下金型３２にセットした後、側面金型３３ａ、３３ｂ、上金型３４ａ、３４ｂを所定の位置まで降下させてフォームドコイル５を成形する。

図６はフォームドコイル５を固定子コア２の固定子スロット内に組み込んだ状態の斜視図を示す。説明のため、フォームドコイル５の本数９本の場合を示している。先ず固定子コア２の固定子スロット内に挿入される位置に相当するフォームドコイル５の直線部を絶縁シート６で覆う。絶縁シート６で覆うのは、コイル素線１を覆うエナメル被膜の万が一に存在するピンホールに対する絶縁対策と、固定子コアへの組み込み時のエナメル被膜損傷の防止とを兼ねている。

次いで固定子コア２の内側から固定子スロット内に、絶縁シート６を取りつけたフォームドコイル５を順々に挿入していく。

図７はフォームドコイル５を固定子コア２の固定子スロット内３に組み込んだ状態の頭頂部１２側から見た平面図を示す。説明のため、フォームドコイル５の個数９個の場合を示している。本発明の回転電機は３相コイルで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルから成る。同図に記載のＵ、Ｖ、Ｗの記号はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相を示し、続く数字は各相に割り当てたフォームドコイル５の番号を示す。同じ形状のフォームドコイル５はＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２・・・の順に配置され、固定子コア２に組み込まれている。本発明における実際のフォームドコイル５の個数は各相２４個、合計７２個であり、図２（Ａ）に示したように固定子コア２に７２個のフォームドコイル５が組み込まれている。

図８は３個のフォームドコイル５を固定子コア２の固定子スロット３内に組み込んだ状態の頭頂部１２側から見た平面図を示す。説明のため、真ん中のフォームドコイル５のみ固定子スロット３内の箇所を断面で示す。また、固定子コア２は二点破線で示す。頭頂部１２をフォームドコイル５の幅寸法Ｂ１だけずれるように、かつ、隣接する固定子スロット３の間隔Ｂ２の範囲内でクランク形状に形成している。これにより、同一形状のフォームドコイル５が、固定子コア２の各々の固定子スロット３に組み込まれることを実現している。

仮に幅寸法Ｂ１より大きくずらしてフォームドコイル５を成形すると、フォームドコイル５の全体寸法Ｂ３が大きくなり、フォームドコイル５が所定の固定子スロット３に入らなくなる。また、幅寸法Ｂ１より小さくずらしてフォームドコイル５を成形すると、フォームドコイル５の全体寸法Ｂ３が小さくなり、これもフォームドコイル５が所定の固定子スロット３に入らなくなる。一方、固定子スロット３の間隔Ｂ２の範囲外でフォームドコイル５の頭頂部１２をクランク形状に成形した場合、複数のフォームドコイル５同士が当たり、固定子スロット３に入らなくなる。

図９はフォームドコイル５を固定子コア２の固定子スロット内３に組み込んだ状態の端末部側頭頂部１３側から見た平面図を示す。説明のため、フォームドコイル５の個数９個の場合を示している。端末部１１にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に図７で割り当てたフォームドコイル５の番号を示す。端末部１１は同じ固定子スロット内でＵ１とＵ３が隣接し、さらに隣の固定子スロット内ではＶ１とＶ３が隣接した配置に、さらに隣の固定子スロット内ではＷ１とＷ３が隣接した配置になっている。このようにして同じスロット内に同じ相のフォームドコイル５が組み込まれた形状になっている。

図１０はフォームドコイル５を固定子コア２に組み込んで端末部１１を接続した状態の斜視図を示す。説明のため、フォームドコイル５の本数９本の場合を示している。また端末部１１にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に図７で割り当てたフォームドコイル５の番号を示している。端末部１１のＵ１とＵ３は溶接により接続され、連続したＵ相のコイルを形成する。またＶ１とＶ３も溶接により接続され、連続したＶ相のコイルを形成する。さらにＷ１とＷ３も溶接により接続され、連続したＷ相のコイルを形成する。

図１１はフォームドコイル５を固定子コア２に組み込んで端末部１１を接続した状態の端末部１１側から見た平面図を示す。Ｕ相のみ１から２４まで割り当てたフォームドコイル５の番号を記している。またＶ相およびＷ相には１および２３まで割り当てたフォームドコイル５の番号を記している。端末部１１のＵ１とＵ３は溶接により接続され、連続したＵ相のコイルを形成する。

端末部１１のＵ１とＵ３は溶接により接続され、次いでＵ２とＵ４、Ｕ３とＵ５の順に周回してＵ２３とＵ１、Ｕ２４とＵ２まで、溶接により接続され、連続したＵ相のコイルを形成される。図示はしていないが、Ｖ相およびＷ相も同様に周回して溶接により接続される。さらに端末部１１のＵ２３には銅製の口出し線７が溶接により接続される。またＶ２３、Ｗ２３も同様に、口出し線７が溶接により接続され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに口出し線７が接続された分布巻固定子８を得る。

図１２には本発明の実施例２の融着剤１４が塗布された角線１でフォームドコイルを形成し、固定子コア２に組み込んだ状態での固定子スロット３の部分の断面図を示している。
２本の角線１を接着して概略１本の角線とし、フォームドコイルを形成する。融着剤１４は所定の温度で加熱することにより溶融する。２本の角線１を重ね合わせて、加熱と冷却を施すことにより、接着することができる。これにより１つのスロット内で１２本の角線１が配置された構造となる。これによりさらに磁束密度が高くなって、電流密度が減り、回転電機としての効率が向上する。

本発明の実施例１のフォームドコイルの説明図 本発明の実施例１の分布巻固定子の説明図である。 本発明の実施例１のフォームドコイルの成形過程における連続巻き工程の説明図である。 本発明の実施例１の成形過程における巻線コイルとフォームドコイルの斜視図である。 本発明の実施例１の巻線コイルからフォームドコイルまでに成形する変形過程の説明図である。 本発明の実施例１であるフォームドコイルを固定子のスロット内に組み込んだ状態の斜視図である。 本発明の実施例１であるフォームドコイルを固定子のスロット内に組み込んだ状態の斜視図である。 本発明の実施例１である固定子のスロット内に組み込まれたフォームドコイルの形状の説明図である。 本発明の実施例１であるフォームドコイルを固定子のスロット内に組み込んだ状態の端末部側から見た平面図である。 本発明の実施例１であるフォームドコイルを固定子に組み込んで端末部を接続した状態の斜視図である。 本発明の実施例１である分布巻固定子を端末部側から見た平面図である。 本発明の実施例２である分布巻固定子のスロット内の断面図である。

符号の説明

１ 角線
２ 固定子コア
３ 固定子スロット
４ 巻線コイル
５ フォームドコイル
６ 絶縁シート
７ 口出し部
８ 分布巻固定子
１１ 端末部
１２ 頭頂部
１３ 端末部側頭頂部
３０ ボビン
３１ ボビンのテーパ
３２ 下金型
３３ａ、３３ｂ 側面金型
３４ａ、３４ｂ 上金型

Claims (8)

1. 絶縁皮膜を有する矩形導線が複数回巻き回されてコイル状に形成された巻線コイルが、固定子コアのスロット内に収納されて構成された多相固定子巻線を備える回転電機において、前記巻線コイルは両端の概略頭頂部にねじれを伴わずにクランク形状部が形成されたことを特徴とする回転電機。
2. 前記巻線コイルのクランク形状部は、該巻線コイルを構成する前記矩形導線が複数回巻き回されて形成された矩形導線の沿層方向の面に形成されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記巻線コイルのクランク形状部は、該巻線コイルを構成する前記矩形導線の並び方向の幅寸法だけずれて形成されたことを特徴とする請求項１記載または請求項２記載の回転電機。
4. 前記巻線コイルのクランク形状部は、固定子に形成された隣接するスロットの間隔よりも小さな範囲で形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３までに記載の回転電機。
5. 絶縁皮膜を有する断面が矩形形状の導線が、矩形形状に対応した導線の両側面を重ね合わせて複数回巻き回されて、前記重ね合わせた側面に垂直に複数個の導線に対応する幅寸法の幅広面が形成され、前記幅広面の一部が平行に形成された巻線コイルと、
   前記巻線コイルの両側の幅広面の平行方向と同一方向に、直線上に平行に延長した前記巻線コイルの両端の端末部と、
   前記巻線コイルの両端の概略頭頂部に、ねじれを伴わずに、幅広面に沿って幅広面の幅寸法だけ位置をずらして形成されたクランク形状とを備え、
   前記クランク形状を、ねじれを伴わずに幅広面に沿って幅広面の幅寸法だけ位置をずらして形成することにより、前記両端の端末部が、前記クランク形状の位置のずれにより幅方向に接近するように配置されたことを特徴とするクランク形状の連続巻きコイル。
6. 絶縁皮膜を有する断面が矩形形状の導線を複数回巻き回して巻線コイルを形成する工程と、
   前記巻線コイルの両端の端末部を延長する工程と、
   前記巻線コイルの一対の頭頂部にクランク形状部を形成する工程と、を備えたクランク形状の連続巻きコイルの製造方法において、
   前記巻線コイルを形成する工程では、矩形形状に対応した導線の両側面を重ね合わせて複数回巻き回し、前記重ね合わせる側面に垂直に複数個の導線に対応する幅広面が形成され、前記幅広面の一部が対面して平行に形成されるように前記巻線コイルを形成し、
   前記端末部を延長する工程では、前記両端の端末部を、前記巻線コイルの両側に形成された平行の幅広面の方向と同一方向に、幅広面の幅方向にずれた間隔で直線上に延長し、
   前記クランク形状部を形成する工程では、前記巻線コイルの両端の概略頭頂部に、ねじれを伴わずに、幅広面に沿って幅広面の幅だけ位置をずらしたクランク形状を形成し、前記前記両端の端末部が幅広面の幅方向に接近するように構成したことを特徴とするクランク形状の連続巻きコイルの形成方法。
7. 絶縁皮膜を有する断面が矩形形状の導線が、矩形形状に対応した導線の両側面を重ね合わせて複数回巻き回されて、前記重ね合わせた側面に垂直に複数個の導線に対応する幅寸法の幅広面が形成され、前記幅広面の一部が平行に形成された巻線コイルと、
   前記巻線コイルの両側に幅広面の平行の方向と同一方向に、直線上に平行に延長した前記巻線コイルの両端の端末部と、
   前記巻線コイルの両端の概略頭頂部に、ねじれを伴わずに、幅広面に沿って幅広面の幅寸法だけ位置をずらして形成されたクランク形状とを備え、
   前記クランク形状を、ねじれを伴わずに幅広面に沿って幅広面の幅寸法だけ位置をずらして形成することにより、前記両端の端末部が、前記クランク形状の位置のずれにより幅方向に接近するように配置されたクランク形状の連続巻きコイルが、回転電機の固定子コアの複数の固定子スロットの中に挿入された状態で、
   前記連続巻きコイルのクランク形状が前記固定子スロットを跨いで配置されると共に、幅広面に沿って幅広面の幅だけ位置をずらして平行に形成された幅広面の一方が固定子スロットの奥側に配置され、平行に形成された幅広面の他方が固定子スロットの入口側に配置されて、異なる固定子スロットに挿入された異なる巻線コイルの前記平行に延長したコイルの両端の端末部が、固定子スロットの奥側と入口側の間の中央部分に近接して配置されて、電気的に接続されたことを特徴とする回転電機の分布巻き固定子。
8. 絶縁皮膜を有する断面が矩形形状の導線を、矩形形状に対応した導線の両側面を重ね合わせて複数回巻き回されて、前記重ね合わせた側面に垂直に複数個の導線に対応する幅寸法の幅広面が形成され、前記幅広面の一部が平行に形成された巻線コイルと、
   前記巻線コイルの両側に幅広面の平行の方向と同一方向に、直線上に平行に延長した前記巻線コイルの両端の端末部と、
   前記巻線コイルの両端の概略頭頂部に、ねじれを伴わずに、幅広面に沿って幅広面の幅寸法だけ位置をずらして形成されたクランク形状とを備え、
   前記クランク形状を、ねじれを伴わずに幅広面に沿って幅広面の幅寸法だけ位置をずらして形成することにより、前記両端の端末部が、前記クランク形状の位置のずれにより幅方向に接近するように配置されたクランク形状の連続巻きコイルを、固定子コアの内側から、複数の固定子スロットの中に挿入する工程と、
   前記連続巻きコイルのクランク形状が前記固定子スロットを跨いで配置すると共に、幅広面に沿って幅広面の幅だけ位置をずらして平行に形成された幅広面の一方を固定子スロットの奥側に配置し、平行に形成された幅広面の他方を固定子スロットの入口側に配置し、異なる固定子スロットに挿入された異なる巻線コイルの前記平行に延長したコイルの両端の端末部を、固定子スロットの奥側と入口側の間の中央部分に近接して配置する工程と、
   前記固定子スロットの奥側と入口側の間の中央部分に近接して配置された複数の端末部を溶接により電気的に接続することを特徴とする回転電機の分布巻固定子の形成方法。

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