JP2005168265A - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の出力性能を悪化させることなく、冷却性能に優れる回転電機の冷却構造を提供する。
【解決手段】回転軸３０と一体に回転する回転子１０と、巻線２１を巻装する複数のティース部２０ｂを有する固定子２０とを備える回転電機の冷却構造であって、ティース部２０ｂの間のスロット部２０ｃに配置され、内部に冷媒を通流し、表面に形成された孔部６１から、その冷媒を流出可能なパイプ６０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに適した回転電機（モータ、ジェネレータ又はモータ兼ジェネレータ等）に好適な回転電機の冷却構造に関するものである。

回転電機を効率よく冷却するには、発熱部位である巻線を直接冷却するとよい。従来の回転電機では、例えば、固定子内周面の全体を樹脂材料によって被覆することで、固定子のスロット（巻線の収装される溝部）の内部を冷媒通路として利用して、巻線を直接冷却している（特許文献１参照）。
特開平４−３６４３４３号公報

しかしながら、前述した従来の方法では、冷媒のシール性、冷媒の圧力、回転電機としての耐久性を確保するために、樹脂層を厚くしなくてはならない。そのため樹脂層が固定子〜回転子の間のエアギャップを広くすることとなり、回転電機の出力性能が悪化する。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、回転電機の出力性能を悪化させることなく、冷却性能に優れる回転電機の冷却構造を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、回転軸（３０）と一体に回転する回転子（１０）と、巻線（２１）を巻装する複数のティース部（２０ｂ）を有する固定子（２０）とを備える回転電機の冷却構造であって、前記ティース部（２０ｂ）の間のスロット部（２０ｃ）に配置され、内部に冷媒を通流し、表面に形成された孔部（６１）から、その冷媒を流出可能なパイプ（６０）を有することを特徴とする。

本発明によれば、ティース部の間のスロット部に配置され、内部に冷媒を通流し、表面に形成された孔部から、その冷媒を流出可能なパイプを有するようにした。そのため、孔部から流出する冷媒によって巻線を冷却することができる。この巻線は回転電機の発熱部位であるので、その発熱源を冷却することで効率のよい冷却性能を得ることができるのである。また、その冷却構造をスロット部に形成するので、固定子〜回転子の間のエアギャップを広げない。したがって回転電機の出力性能を悪化させないのである。

以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明による回転電機の冷却構造の第１実施形態を示す図であり、回転軸方向から見た断面図である。図２は側断面図である。図３は冷媒パイプ付近を示す図である。なお図３（Ａ）は冷媒パイプ付近を拡大して回転軸方向から見た図であり、矢印で冷媒の噴出方向を示す。図３（Ｂ）は冷媒パイプの側面の孔部を示す図である。

図示されるように、回転電機１は、回転子（ロータ）１０と、固定子（ステータ）２０と、軸３０と、ケース４０とによって構成されている。回転子１０は外周方向に設けられている固定子２０の内部で、固定子２０から与えられる回転磁束に対して、永久磁石１１に反力を発生させ、回転軸３０を中心に回転するように構成されている。この永久磁石１１は、互いに隣接する磁極が相違するよう配置されている。ここで、回転子１０と固定子２０の間にはエアギャップと呼ばれる隙間５１が存在し、互いに接触することはない。

固定子２０は、その外周面２０ａを通じてケース４０に保持される。固定子２０のティース２０ｂには、絶縁体２２を挟んで巻線２１が巻装されている。また、回転子１０は軸３０、ベアリング４１を通じてケース４０に保持される。

回転電機１を冷却するための冷媒はケース４０を貫通する冷媒入口６２を通り、回転電機１の内部に進入する。そして、巻線２１の近傍に配置された冷媒パイプ６０の内部を通過して孔部６１から巻線２１に向かって噴霧され、回転電機１を冷却する（図３参照）。その後、入力側と反対側の冷媒出口６３、もしくは、ケース４０の下部に設けられた出口４２を通り、熱交換器（不図示）へと流れていく。ここで冷媒パイプ６０が金属製の場合は、冷媒パイプ６０の保持のために冷媒パイプ６０の両端が溶接されていると、金属冷媒パイプ６０の両端に誘起電圧が発生し、隣のスロットに同じく設けられた金属冷媒パイプとの間にループ電流が発生してしまう。これは損失になるのでその発生を防止することが望ましい。当然、樹脂で作製されていれば、この問題は発生しないが、強度上十分留意する必要がある。本実施形態では、両端を樹脂リング６４およびオイル漏れ防止のＯリング６５を介して保持される。

ここで本発明の効果を明確にするために従来技術について説明しておく。回転電機の冷却構造としては、例えば図１３に示すように、固定子２０の内周面にシール部２３を樹脂材料にて一体成形して冷媒通路２４を形成することが考えられる。しかし、樹脂材料では冷媒へのシール性、シール部の強度・耐久性を確保するためには、シール部２３が厚くならざるをえない。また、そのためエアギャップ部に入り込むシール部も増えるために、エアギャップが広がってしまい、回転電機としての出力性能が悪化してしまう。

また、図１４に示すように、スロット内部形状に合わせた冷媒パイプ６０を設け、スロット部に樹脂２５を充填することが考えられる。しかし、巻線部分２１の寸法管理が非常に難しいため、巻線２１と冷媒パイプ６０との距離が必要となり、その間の熱抵抗が増加し、冷却性能が悪化する。また、冷媒パイプ６０の形状をスロット内部形状に合わせることで、管厚当りの強度が低下するため、管厚が増え、その間の熱抵抗が増加し、冷却性能が悪化する。

ところが、本実施形態によれば、ティース部２０ｂの間のスロット部２０ｃに冷媒パイプ６０を配置し、その内部に冷媒を通流し、表面に形成された孔部６１から、その冷媒を流出するようにしたので、孔部６１から流出する冷媒によって巻線２１を冷却することができる。この巻線２１は回転電機の発熱部位であるので、その発熱源を冷却することで効率のよい冷却性能を得ることができるのである。また、その冷却構造をスロット部２０ｃに形成するので、固定子２０〜回転子１１０の間のエアギャップ５１を広げない。したがって回転電機の出力性能を悪化させないのである。また、冷媒パイプ６０をスロット部２０ｃの内部形状に合わせるのではないので、管厚当りの強度が低下することがない。

したがって、回転電機の出力性能を低下させることなく、冷却性能を確保でき、かつ容易に製作することが可能である。

（第２実施形態）
図４は、冷媒パイプのバリエーションを示す図であり、冷媒パイプから巻線への噴霧方向、位置、本数、配置等の例を示す図である。なお、この図４は上記第１実施形態の図３（Ｂ）に相当する図である。以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

図４（Ａ）の冷媒パイプ６０は左右の側面に上下２列ずつの孔部６１を有する。このようにすることで、冷媒パイプ６０内を通流する冷媒は、巻線２１の上方及び下方に噴霧されることとなる。したがって、さらに優れる冷却性能を呈する。

図４（Ｂ）では、ひとつのスロット部内に３本の冷媒パイプ６０が上下方向（回転電機の半径方向）に配置されている。このようにすることで、巻線２１の広範囲にわたって冷媒を噴霧することができるので、一層優れた冷却性能を得ることができる。

図４（Ｃ）では、ひとつのスロット部内に２本の冷媒パイプ６０が左右方向（回転電機の周方向）に配置されている。冷媒パイプには、巻線２１側の側面に１列に並べられて孔部６１が形成されている。このようにすることで、巻線２１に対して冷媒を強く噴霧することができるので、優れた冷却性能を得ることができる。

図４（Ｄ）では、ひとつのスロット部内に６本の冷媒パイプ６０が上下左右方向に配置されている。冷媒パイプ６０には、巻線２１側の側面に１列に並べられて孔部６１が形成されている。このようにすることで、巻線２１に対して多量の冷媒を強く噴霧することができるので、非常に優れた冷却性能を得ることができる。

以上説明したように、このように、冷媒パイプ６０を設けることで、巻線２１への冷媒の噴霧が自由に設定できる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大して示した側断面図である。

冷媒パイプ６０の一端６０ａをケース４０に溶接固定するとともに他端６０ｂを封し、もしくは小穴を形成し、この他端６０ｂを自由端にした片持梁タイプのものである。

このように形成することでループ電流を遮断することができる。

（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大して示した側断面図である。

本実施形態では、冷媒パイプ６０の他端６０ｂを樹脂等の絶縁材料の支持部６５でケース４０に保持する。

このように他端６０ｂも支持すれば、冷媒パイプ６０の振動等を低減することができ、冷媒パイプの耐久性が向上する。なお、図４にあるように、同一スロット内に複数本設定してもよい。

（第５実施形態）
図７は、本発明の第５実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大して示した側断面図である。

本実施形態では、ひとつのスロット部内に３本の冷媒パイプ６０が上下方向（回転電機の半径方向）に配置したものであり、上記図４（Ｂ）に対応する図である。
このようにすることで、巻線２１の広範囲にわたって冷媒を噴霧することができるので、一層優れた冷却性能を得ることができる。

（第６実施形態）
図８は、本発明の第６実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大して示した側断面図である。

本実施形態では、冷媒パイプ６０をＵ字型に形成した。図面左側の開口端６０ａ，６０ｂをケース４０に溶接固定するとともに底部６０ｃを自由端にした片持梁タイプのものである。

このように形成することでループ電流の発生はほとんどない。なお、図６においては開口端６０ａ，６０ｂの両方を溶接固定した状態を図示しているが、いずれか一方のみを溶接固定してもよい。さらに、冷媒が冷媒パイプ６０を貫通しない構造にすれば、リターンの冷媒路を設ける必要もなく、低コスト化できる。

（第７実施形態）
図９は、本発明の第７実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大して示した側断面図である。

本実施形態では、冷媒パイプ６０の底部６０ｃを樹脂等の絶縁材料の支持部６５でケース４０に保持する。

このように底部６０ｃも支持すれば、冷媒パイプ６０の振動等を低減することができ、冷媒パイプの耐久性が向上する。

（第８実施形態）
図１０は、本発明の第８実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大してコア上面から見た平断面図である。

冷媒パイプ６０をＵ字型に形成し、開口端６０ａ，６０ｂを、異なるスロット２０ｃ−１，２０ｃ−２に配置した。開口端６０ａ，６０ｂをケース４０に絶縁材料を介して固定するとともに底部６０ｃを自由端にした片持梁タイプのものである。

このように開口端６０ａ，６０ｂを絶縁材料を介してケース４０に固定したので、ループ電流はほとんど発生しない。なお、図８においては開口端６０ａ，６０ｂの両方を絶縁材料を介して固定した状態を図示しているが、一方が絶縁されていれば、他方は溶接によって固定してもよい。

さらに、冷媒が冷媒パイプを貫通しない構造にすれば、リターンの冷媒路を設ける必要もなく、低コスト化できる。

また、複数の冷媒パイプを設けてもよい。

（第９実施形態）
図１１は、本発明の第９実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大してコア上面から見た平断面図である。

本実施形態では、開口端６０ａ，６０ｂの反対側６０ｃをケース４０で絶縁材料等の支持部６５で保持した。このようにすることで、冷媒パイプ６０の振動等を低減することができ、冷媒パイプ６０の耐久性が向上する。なお、開口端６０ａ，６０ｂの両方が絶縁されていれば、支持部６５は金属でもよい。また、複数の冷媒パイプを設けてもよい。

（第１０実施形態）
図１２は、本発明の第１０実施形態を示す図であり、冷媒パイプ付近を拡大して回転軸方向から見た断面図である。

本実施形態では、スロット部２０ｃの開口部分に邪魔板２０ｄを設け、回転子１０と固定子２０とのギャップ５１へ冷媒が流入することを軽減するようにした。

このように構成したので、冷媒が巻線２１に当たった後にギャップ５１内に流れ込むことを防止することができ、損失を低減することが可能である。

（第１１実施形態）
図１５は本発明による回転電機の冷却構造の第１１実施形態を示す図であり、回転軸方向から見た断面図である。なお発明の内容を明確にするために、回転子は図示を省略した。

本実施形態の冷媒パイプ６０は、横置きされた固定子２０の上部のスロットに配置されているものほど、固定子２０の外径側（すなわちティース２０ｂの根元側）に配置し、固定子２０の下部のスロットに配置されているものほど、固定子２０の内径側（すなわちティース２０ｂの先端側）に配置した。なお本実施形態では、特に、固定子２０の中心軸Ｏ、冷媒パイプ配置最小径Ｄｎ、冷媒パイプ配置最大径Ｄｘとしたときに、中心軸Ｏから（Ｄｘ−Ｄｎ）／２上方のＯ１を中心とする半径Ｄｍ＝（Ｄｘ＋Ｄｎ）／２の円周上に、冷媒パイプ６０を配置してある。

図１６は固定子の上部付近を示す拡大図、図１７は固定子の下部付近を示す拡大図、図１８は固定子の側部付近を示す拡大図である。また各図中の矢印は冷媒の流れを示す。

固定子２０の上部では、図１６に示すように、冷媒パイプ６０は固定子２０の外径側に配置されている。そのため、冷媒パイプ６０から供給された冷媒は、重力の影響を受けて矢印のように下方に流れ、巻線２１の表面を覆うように流れる。固定子２０の下部では、図１７に示すように、冷媒パイプ６０は固定子２０の内径側に配置されている。そのため、冷媒パイプ６０から供給された冷媒は、重力の影響を受けて矢印のように下方に流れ、巻線２１の表面を覆うように流れる。以上により、巻線２１の表面と、その表面を覆うように流れる冷媒との間の熱交換が良好となり、高い冷却性能を得ることができる。

また、固定子２０の側部では、図１８に示すように、上側のスロット２０ｃ−Ａに配置されている冷媒パイプ６０から供給された冷媒は、巻線２１−Ａの表面を覆うように流れ、重力の影響を受けて矢印のように下側のスロット２０ｃ−Ｂに落下して、巻線２１−Ｂの表面を覆うように流れる。したがって、下方のスロットに配置された巻線には、略２倍の冷媒が供給されることになるので、側部に配置された巻線は、上下位置に配置された巻線よりも少ない量の冷媒で、良好な冷却性能を得ることができる。

そこで、上部および下部に配置されたパイプによって供給される冷媒の量を略等しくし、側部に配置されたパイプによって供給される冷媒の量を、上下方向の冷媒供給量の略半分にするようにした。

具体的には、
（１）冷媒流量自体を制御して半分にする。
（２）側部に配置された冷媒パイプの下面の小穴数Ｎｄを、上面の小穴数Ｎｕよりも、少なくする。
（３）側部に配置された冷媒パイプの小穴の径を、上下位置に設置された冷媒パイプの小穴の径よりも小径にする。
などにより、側部のスロットに供給される冷媒量を少なくすることで、良好な冷却性能を保ちつつ、冷媒の総供給量を減らすことができ、冷媒送通に要する動力損失が小さくなるとともに、固定子〜回転子間に漏れ出す冷媒量を減らすことができるため損失を低減することができる。

また、冷媒パイプ６０に形成された孔部６１の径を、冷媒の流入端から遠ざかるにしたがって、大径化するようにした。そのため、スロット内の回転軸に平行方向の冷媒供給量が均一になり、冷却性能のバラツキを小さくすることができる。

本実施形態によれば、冷媒パイプ６０は、横置きされた固定子２０の上部のスロットに配置されているものほど、固定子２０の外径側に配置し、固定子２０の下部のスロットに配置されているものほど、固定子２０の内径側に配置した。

そのため、冷媒パイプ６０から巻線２１に吹き付けられた冷媒は、下部スロットではステータ内径側から外径側に、上部スロットではステータ外径側から内径側に、重力の影響を受けて流れるので、巻線表面全体を覆う液膜となり、高い冷却性能を得ることができる。

そして、特に、固定子２０の中心軸Ｏ、冷媒パイプ配置最小径Ｄｎ、冷媒パイプ配置最大径Ｄｘとしたときに、中心軸Ｏから（Ｄｘ−Ｄｎ）／２上方のＯ１を中心とする半径Ｄｍ＝（Ｄｘ＋Ｄｎ）／２の円周上に、冷媒パイプ６０を配置してある。そのため、全てのスロットで、供給された冷媒が効率良く巻線表面全体を覆う液膜となり、高い冷却性能を得ることができる。

側部のスロット内では、図１８に示すように、上部のスロット２０ｃ−Ａに位置する巻線２１−Ａに吹きかけられた冷媒は、重力の影響を受けてスロット内を落下し、下部のスロット２０ｃ−Ｂに位置する巻線２１−Ｂに供給されるので、スロット内下部に位置する巻線２１−Ｂには、略２倍の冷媒が供給されることになる。そのため、側部に配置された巻線は、上部に配置された巻線よりも少ない量の冷媒で、良好な冷却性能を得ることができる。そこで、本実施形態においては、上部及び下部に配置されたパイプに供給される冷媒の量を略等しくし、側部に配置されたパイプに供給される冷媒の量を、上下方向の冷媒供給量の略半分にしたので、冷媒の総供給量が少なくなり、冷媒送通に要する動力損失が小さくなるとともに、ステータ−ロータ間に漏れ出す冷媒量を減らすことができるため損失を低減することができるようになった。

また、冷媒パイプ６０に形成された孔部６１の径を、冷媒の流入端から遠ざかるにしたがって、大径化するようにしたので、スロット内の回転軸に平行方向の冷媒供給量が均一になり、冷却性能のバラツキを小さくすることができたのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上述した実施形態では、永久磁石式同期電動機であったが、誘導電動機でもＳＲモータでもその他の回転電機でもよい。

また、上記実施形態では、固定子コアが一体構造のものであるが、分割構造の固定子コアでもよい。

さらに、磁石極数は、当然のことながら上記実施形態で図示したものに限定されない。

さらにまた、冷媒は、油でも空気でもよく、その種類に特に限定はない。

また、本発明は電動機にも発電機にも適用することが可能である。

本発明による回転電機の冷却構造の第１実施形態を示す図である。 本発明による回転電機の冷却構造の第１実施形態を示す側断面図である。 本発明による回転電機の冷却構造の第１実施形態の冷媒パイプ付近を示す図である。 冷媒パイプのバリエーションを示す図である。 本発明の第３実施形態を示す図である。 本発明の第４実施形態を示す図である。 本発明の第５実施形態を示す図である。 本発明の第６実施形態を示す図である。 本発明の第７実施形態を示す図である。 本発明の第８実施形態を示す図である。 本発明の第９実施形態を示す図である。 本発明の第１０実施形態を示す図である。 従来技術１を説明する図である。 従来技術２を説明する図である。 本発明による回転電機の冷却構造の第１１実施形態を示す図である。 第１１実施形態の固定子の上部付近を示す拡大図である。 第１１実施形態の固定子の下部付近を示す拡大図である。 第１１実施形態の固定子の側部付近を示す拡大図である。

符号の説明

１ 回転電機
１０ 回転子（ロータ）
１１ 磁石
２０ 固定子（ステータ）
２０ｂ ティース部
２０ｃ スロット部
２１ 巻線
３０ 軸
４０ ケース
５１ エアギャップ
６０ 冷媒パイプ
６１ 孔部

Claims (19)

1. 回転軸と一体に回転する回転子と、
   巻線を巻装する複数のティース部を有する固定子と、
   を備える回転電機の冷却構造であって、
   前記ティース部の間のスロット部に配置され、内部に冷媒を通流し、表面に形成された孔部から、その冷媒を流出可能なパイプを有する、
   ことを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 前記孔部は、前記パイプの中心軸に沿って並べられて形成され、前記巻線に向けて開口する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の冷却構造。
3. 前記孔部は、前記パイプの中心軸に沿って２列に並べられて形成され、各列ごとに異なる巻線に向けて開口する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の冷却構造。
4. 前記孔部は、前記パイプの中心軸に沿って少なくとも４列以上に並べられて形成され、そのうちの半分の列は一の巻線に向けて開口し、残りの列は他の巻線に向けて開口する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の冷却構造。
5. 前記孔部は、前記パイプの中心軸に沿って１列に並べられて形成され、巻線に向けて開口する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機の冷却構造。
6. 前記パイプは、ひとつのスロット部の中に複数本設けられ、回転電機の半径方向に並べられている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
7. 前記パイプは、ひとつのスロット部の中に複数本設けられ、回転電機の周方向に並べられている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
8. 前記複数本のパイプは、隣接するパイプの一端同士が連設されてＵ字状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の回転電機の冷却構造。
9. 前記パイプは、異なるスロット部に配置されたパイプの一端同士が連設されてＵ字状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
10. 前記パイプは、金属製である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
11. 前記パイプの少なくとも一端が絶縁材料を介してケースに保持されている、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の回転電機の冷却構造。
12. 前記パイプは、樹脂製である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
13. 前記スロット部の開口部分に設けられ、前記回転子と固定子とのギャップへ冷媒が流入することを軽減する邪魔板を有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
14. 前記パイプは、前記回転子の回転軸が水平方向になるように設置したときに、前記ティース部の上方のスロット部に配置されているパイプほど、固定子の内径側に配置され、前記ティース部の下方のスロット部に配置されているパイプほど、固定子の外径側に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
15. 前記パイプは、パイプ配置最小径Ｄｎ、パイプ配置最大径Ｄｘとしたときに、前記固定子の中心軸から（Ｄｘ−Ｄｎ）／２上方の点を中心として半径Ｄｍ＝（Ｄｘ＋Ｄｎ）／２の円周上に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の回転電機の冷却構造。
16. 前記パイプのうち前記固定子の上部及び下部に配置されたパイプから供給される冷媒量は略等しく、側部に配置されたパイプから供給される冷媒量はそれらの略半分である、
    ことを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の回転電機の冷却構造。
17. 前記パイプのうち前記固定子の側部に配置されたパイプの下面の孔数Ｎｄが、上面の孔数Ｎｕよりも少ない、
    ことを特徴とする請求項１４から請求項１６までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
18. 前記パイプのうち前記固定子の側部に配置されたパイプの孔部の径が、固定子の上部に配置されたパイプの孔部の径よりも小径である、
    ことを特徴とする請求項１４から請求項１７までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。
19. 前記パイプに形成された孔部の径が、冷媒の流入部から遠ざかるにしたがって大径化されている、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の回転電機の冷却構造。

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