本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容： 首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现60000r/min的运行。 再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中，而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向长度大为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。
上传时间： 2013-04-24
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论文分析了混合式步进电动机的工作原理和运行特性。采用简化的磁网络模型，推导了建立二相混合式步进电机数学模型的关系式。并对步进电机的多种驱动技术进行了详细的研究，着重分析和论述了正弦脉宽调制细分驱动技术。文中对整个系统的结构、硬件电路设计及驱动软件编程进行了研究和实现，并给出了系统性能实验结果。 步进电机的使用离不开步进电机驱动器，驱动器的优劣影响着步进电机的运行性能。传统的驱动方式侧重于使步进电机绕组电流以尽可能短的时间上升到额定值，以提高电机高速运行时的转矩，一般步距角较大，且造成低速运行时的振动和噪声加大。针对此问题，开发出一种新型的基于单片机的多细分二相混合式步进电机驱动器。该驱动器以二相混合式步进电动机的静态和动态运行特性为出发点，主要分为数字控制部分、GAL片逻辑综合信号处理单元、SG3525恒流控制电路、驱动功放电路、过流保护及反馈电路和系统供电电源模块等。采用专用集成芯片和可编程逻辑器件，以8位单片机AT89C51为控制核心，实现恒流控制、正／反转运行、过流保护和多档位细分等功能。在器件选型和软、硬件设计方面兼顾了性能与成本等因素，性价比较高且通用性强。 该驱动器样机已完成制作并进行了联调测试，文中给出了测试结果并对所测波形进行了分析。实验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，各项技术指标均达到了设计要求。它与混合式步进电动机配套可以明显地改善步进电动机的运行性能，拓宽其应用领域。
上传时间： 2013-06-07
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超声波电机是上个世纪八十年代逐步发展起来的新型微电机。它利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，通过定转子间的摩擦力来驱动转子运动。与传统的电磁马达相比，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作相应快、运行无噪声、无输入时能自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域要比传统的电磁电机性能优越得多。目前，旋转型超声波电机，尤其是环形行波型超声波电机，在工业、办公、过程自动化等领域的伺服系统中作为直接驱动执行器得到广泛的关注。 本论文主要研究并设计了用于超声波电机控制驱动的小型控制系统。其目的是针对市场需要，提供给用户一种价格较低、体积小、性能指标适中，操作简便，能够实现快速定位，速度可调节的标准的闭环控制器。 控制器的核心为MSP430F167。课题对外围检测、控制、驱动电路进行相关的研究和设计，并按照控制器的需求设计相应的软件。最后给出实验结果：系统运行稳定，速度曲线较为理想，达到了最初的设计要求。 系统总结了超声波电机的发展、特点、分类，通过与传统电磁电机的对比给出了超声波电机的广阔的应用前景。在此基础上，指出了超声波电机研究的发展方向，明确了本文的研究内容。 总结了环形行波型超声波电机的结构特点、运行机理，并在此基础上总结了环形行波型超声波电机调频、调相、调幅等控制方法以及推挽、半桥和全桥驱动逆变电路的优缺点。 本课题设计了基于超声波电机的控制驱动系统电路。首先，提出了本次设计的设计思想及目的；其次，介绍了本设计的控制器硬件电路具体设计过程以及调频调速的实现方式。然后，详细介绍了该控制系统的软件构成，包括上位机软件、下位机软件以及通讯部分。详细阐述了在本控制系统中的调速、定位原理。最后通过实验结果说明了该小型控制系统的有效性。
上传时间： 2013-07-18
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微型燃微型燃气轮发电机组由涡轮机、压缩机、燃烧室、回热器、轴承、高速发电机、电力变换系统、喷油系统等部分组成。它是一种环保型发电装置，它可用作常规机组或紧急备用电源，也可以用于分布式发电及冷热电联供系统、汽车混合动力系统和微型燃机-燃料电池联合系统等领域。因此，研究这种动力装置具有很重要的实用意义。 本文在分析了微型燃气轮发电机组及其控制技术发展现状的基础上，根据设计要求，机组控制系统应能保证机组安全稳定运行，保证机组在任何情况下，不发生超温、超转现象。同时应考虑机组从点火、加速、直至额定运行过程中，使机组能够充分预热，以降低对机组的热冲击，提高机组寿命。机组转子转速达到95％额定转速后投入按额定转速控制的闭环控制，保证发电机输出电压和电力输出单元稳定工作。当发生一般性故障(按给定列表)且为无人职守状态时，机组控制系统应正常停车：当机组发生一般性故障且为有人职守时，机组控制系统应发出声光报警。当机组发生严重故障时机组控制系统应发出声光报警并紧急停车。同时还应考虑设置机组调试时所需的与其它通信的数据接口。提出了微型燃气轮发电机组控制系统的设计方案。 根据确定的方案和工程实际要求，完成了控制系统的结构、硬件和软件的设计。以西门子S7-300PLC及相关的开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块作为发电机组的中心控制单元。完成了各PLC模块硬件连接电路的设计，以及系统供电电路的设计，并完成了微型燃机发电机组的起动控制、检测报警及停车控制的软件设计。编程采用梯形图语言，使程序更具可读性。 本文采用德国西门子S7-300PLC及配套的I/0卡件作为微型燃机控制系统的主控制器；选用沈阳工业大学研制的全自动浮动式充电器作为电机的启动直流电源；采用启停自锁逻辑解决了在停车后彻底切断电瓶负载的问题。
上传时间： 2013-04-24
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准确计算电机铁耗一直是困扰电机设计者的一个难题。传统方法是假设电机内部磁场仅是交变磁化的，根据铁磁材料在交变磁化条件下测量的数据，计算电机齿部和轭部由基波磁场造成的损耗，对于计算值与实测值之间的误差通过经验系数来修正。这种方法对于已经长期制造和使用的电机而言勉强适用，对于近年来发展很快的永磁电机、高速电机和其他新结构电机，由于缺乏合适的经验系数，导致此方法难以适用。众多研究人员的成果已经证明电机的铁耗有相当一部分是由旋转磁化导致的，因此顾及旋转磁化的电机铁耗计算模型是本文的一个重要内容。 本文从铁磁材料的铁耗入手，先研究铁磁材料在交变磁化和旋转磁化方式下的计算和测量方法，目的是得到铁耗分立模型中磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗的计算系数。本文提出并实现了数字式的25cm爱泼斯坦方圈测试系统，它可以测量在任何频率和波形电源供电下硅钢片的损耗，本文还在二维铁耗测试系统中对硅钢片在圆形旋转磁化条件下的损耗进行了测量。结果表明，在同样频率和磁密的条件下，旋转磁化下的损耗要比交变磁化下的损耗大。本文提出了基于磁密轨迹的电机铁耗计算模型，它只采用较容易获得的交变磁化损耗系数，但又能顾及到旋转磁化带来的影响。通过实际电机的计算和测试，表明轨迹法的计算结果在未经任何系数修正的情况下就具有很好的精度，适合推广使用。 软磁复合材料是一种新型的粉末金属材料，它具有涡流损耗小和易制造成具有复杂结构电机等特点。为了探索这种材料在高频领域中的应用和验证本文提出的铁耗计算模型，本文成功地设计和制造了一台采用软磁复合材料的爪极式永磁电机，由于结构复杂，本文通过三维有限元分析，对该电机的磁通、磁链、电感、转矩和铁耗等参数和性能的计算提出了计算方法。对该种电机的热分析，本文提出了热网络法和磁热耦合有限元法。由于铁耗在高速电机总损耗中占有很大比例，因此在有限元方法中，本文通过映射剖分法，使磁场和热场模型中的单元总数、大小和顺序保持完全一致，轨迹法计算得到的各单元铁耗直接耦合进热场进行计算，得到了电机准确的温度分布。本文还进行了高速电机转子的模态分析，合理地调整转子的直径、长度和轴承位置，使转子的自然共振频率远离电机的工作频率范围。本文构建了一测试平台对样机进行了发电机状态测试，并通过假转子法测量了电机铁耗，实验结果证明了本文所用方法的可行性，得到的结论对软磁复合材料的应用及爪极式电机的设计与分析都具有很好的参考价值。
上传时间： 2013-06-27
上传用户：hjshhyy
随着电力电子技术的发展，高速永磁无刷直流电机应用前景越来越广阔，有较大的研究价值，对其电磁性能进行准确的分析和设计具有重要的经济价值和理论意义。本文主要是围绕着永磁无刷直流电机，尤其是高速永磁电机的磁路、电路性能的分析、铁耗和温升的计算、优化设计、控制系统和样机制造和实验等做了大量的工作： 对电机的磁路进行分析设计：从磁路结构入手，分析了定子铁芯、转子铁芯和永磁体的各种结构优劣及其选型、选材的根据；讲述了场路结合的分析计算方法；给出了极数、槽数、绕组、转子参数、定子参数和轴承的参数确定方法。 对永磁无刷直流电机的电路进行分析：从电机磁场分析入手，根据齿磁通分析计算了电枢绕组的感应电动势；根据此电动势的波形，推导了三相六状态控制时，电动势的电路计算模型，重点推导了电动势平顶宽度小于120度电角度时的电路模型，指出换相前电流波形出现尖峰脉冲的原因，该模型考虑了电感对高速电机性能的影响；给出了基于能量摄动法计算绕组电感的方法。 高速永磁无刷直流电机内的损耗尤其是铁耗较大，根据经验系数来计算铁耗的传统方法已显得力不从心，如何准确计算高速永磁无刷直流电机内的铁耗是困扰电机工作者的一个难题，本文根据Bertotti铁耗分立计算模型，进一步推导了考虑电机内旋转磁化对铁耗的影响的铁耗计算模型，其各项损耗系数是由铁芯材料在交变磁化条件下的损耗数据通过回归计算得到。通过实际电机的计算和实验测试，表明此计算模型有较高的准确度。随着电机内损耗的增大，温升也是一个重要问题，为了了解电机内的温度分部，防止局部过热，本文建立了基于热网络法永磁无刷直流电机的温升计算模型，并对电机进行了温升计算，计算结果和实际测量基本一致。 本文确立了永磁无刷直流电机的电磁计算方法，建立了优化设计的数学模型，编制了程序，用遗传算法成功地对高速永磁无刷直流电机的效率进行了优化，给出了优化算例，并做出样机，通过对优化前后的方案做出样机并进行比较实验，优化后测量损耗有了较大的减小。 对永磁无刷直流电机控制系统中的几个关键问题进行了研究：位置检测技术、三相逆变电路中的功率管压降和控制系统换相角问题，它们都对电机的性能有很大的影响。本文着重分析了霍尔位置传感器原理、选型及在电机中的安装应用；功率管压降对起动电流、功率的影响问题；控制系统提前或滞后换相对电机电流，输出性能的影响，提出适当提前换相有利于电机出力。 做出永磁无刷直流电机样机并进行实验研究，主要包括高速永磁无刷直流电机、内置式永磁无刷直流电机、高压永磁无刷直流电机的设计、性能分析、样机制作、实验分析等。建构了对样机进行发电机测试、电动机测试、损耗测量的实验平台，通过在测试时使用假转子的方法成功分离出了电机铁耗和机械损耗，实验测量结果和计算结果基本一致。 总之，通过对永磁无刷直流电机的磁路、电路及性能特性的分析研究，建立了一套永磁无刷直流电机的设计理论和分析方法，并通过样机的制造和实验，进一步的验证了这些理论和方法的准确性，这对永磁无刷直流电机的设计和应用有很好的参考价值。
上传时间： 2013-04-24
上传用户：阿四AIR
在永磁无刷直流电机中，即使电枢绕组不通电，由于水磁体产生的磁场同定子铁芯的齿槽相互作用而产生转矩，即齿槽定位力矩。定位力矩使电机输出转矩波动，产生振动和噪声。影响齿槽转矩的因素很多，如齿槽的数量、齿槽形状、斜槽角度、磁钢的极弧系数以及辅助凹槽等等，因此，准确计算定位力矩较为复杂。本文利用麦克斯韦张量法来分析定位力矩，为电机设计提供理论参考。文中阐述了齿槽力矩产生机理，综述了抑制齿槽转矩的方法，探讨了抑制齿槽转矩的发展趋势。 本文以永磁无刷直流电机为对象，利用Ansoft有限元仿真软件，通过有限元分析对改变槽口宽度、定子斜槽、改变极弧系数和定子冲片增加辅助凹槽对定位力矩的影响进行了研究。深入分析了冲片辅助凹槽对抑制永磁无刷直流电机定位力矩的作用，因为冲片面加辅助凹槽的方法，生产中便于加工，对电机性能影响很小。结果表明，同一冲片上在对称位置上排布辅助凹槽能取得很好的效果，而以冲片中心线对称地加两个辅助凹槽时，辅助凹槽角度不同作用不同。对不同冲片，适合的辅助凹槽角度也是不同的。 最后对这几种抑制定位力矩的方法进行优化组合，找出了一个最优的抑制永磁无刷直流电机定位力矩的方案。
上传时间： 2013-06-18
上传用户：zl123！@#
高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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步进电动机是工业控制中常用的一种电机，其最大的优点是可以进行开环控制，无需位置和速度传感器，并且具有很高的精度，因而在办公设备和数控系统中获得了广泛的应用。混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，具有很高的效率和运行精度，性能优异，是本文的研究对象。然而，采用传统控制方法进行开环控制的步进电机，运行噪声大、易振动，严重时将导致失步。 实践证明，细分控制可以有效的减小步进电机运行中的振动和噪声，增加电机运行的平稳性。由于混合式步进电机的运行原理类似于同步电机，因而可以借鉴同步电机先进的控制方法来控制混合式步进电机。本文将同步电机常用的矢量控制应用到混合式步进电机控制中，实现了混合式步进电动机步距角的任意细分控制，取得了良好的效果。 文章分析了三相混合式步进电动机的工作原理，在忽略一些非线性因素的前提下，建立了三相混合式步进电机理想的数学模型，并根据数学模型提出了相应的控制方案。 以数字信号处理器TMS320LF2403A为核心，设计了三相混合式步进电机驱动器的硬件和软件。数字PI调节器和空间矢量PWM技术是本控制系统的核心，文中详细介绍了PI调节器和空间矢量PWM的原理及数字化实现。 最后介绍了系统的实验装置。实验结果证实了控制方案的可行性，也表明了本课题设计的控制器具有优良的性能。
上传时间： 2013-08-05
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本课题提出了一套采用直流斩波技术的永磁无刷直流电机的调速控制系统。一方面研制了一种新颖的端电压逻辑换相控制策略，它通过分析电机三相绕组端电压的大小关系得出控制逆变桥开关管导通的信号。结合电机预定位起动原理，设计出的端电压逻辑信号分析处理电路，有效克服了电机起动的困难，确保电机的顺利起动，并在实验结果中得到了论证。这种完全用硬件电路来实现电机的电子换相，无疑大大降低了控制系统的成本，具有一定的实用价值。另一方面采用直流斩波技术的无刷直流电机调速系统，从而大大减小了电流的脉动。本文阐述的方法不但适用于一般的三相四线制无刷直流电机，还适用于三相三线制的电机,从而扩大了其应用的范围。 本论文先对无位置传感器永磁无刷直流电动机的结构和基本原理进行了详细的介绍；然后分别着重介绍了两个部分的设计工作：无刷直流电机的驱动控制和采用直流斩波技术的调速系统；最后给出了相关的实验结果和结论。 根据上述设计方案设计的无位置传感器永磁无刷直流电动机调速控制系统，可以实现电机的平滑起动、无振动和失步现象，具有良好的调速性能。
上传时间： 2013-04-24
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