DE102014116901A1 - Winding arrangement for an inductive energy transmission system - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung (1) für die Primär- und/oder Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Wicklungsanordnung (1) zwei Wicklungen (A, B) aufweist, welche jeweils mäanderförmig ausgebildet sind oder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereiche (A1, B1) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (A, B) bzw. deren Wicklungsbereiche (A1, B1) um 90° zueinander verdreht und sich überlappend angeordnet sind, wobei durch die zwei Wicklungen (A, B) elektrische Ströme (iA, iB) fließen, die zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben sind.The invention relates to a winding arrangement (1) for the primary and / or secondary side of an inductive energy transmission system, wherein the winding arrangement (1) has two windings (A, B) which are each meander-shaped or meander-shaped winding areas (A1, B1) , characterized in that the windings (A, B) and their winding areas (A1, B1) are rotated by 90 ° to each other and are arranged overlapping, wherein through the two windings (A, B) electric currents (iA, iB) flow , which are electrically out of phase with each other by 90 °.

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für die Primär- und/oder Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems, mit zwei Wicklungen, welche jeweils mäanderförmig ausgebildet sind oder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereiche aufweisen.The present invention relates to a winding arrangement for the primary and / or secondary side of an inductive energy transmission system, with two windings, which are each meander-shaped or have meander-shaped winding regions.

Wicklungsanordnungen für induktive Energieübertragungssysteme sind in verschiedensten Formen bekannt. So ist z.B. ausWO 2011/145953 eine Wicklungsanordnung mit zwei mäanderförmig in Richtung X verlegten Primärwicklungen bekannt, wobei, wie aus1 ersichtlich, die mäanderförmig verlegten Primärwicklungen14,15 in Richtung X um die Distanz P zueinander verschoben angeordnet sind und durch getrennte Quellen16,17 gespeist werden. Aufgrund der Mäanderform kann die induktiv zu speisende Sekundärseite an vielen Stellen oberhalb der Primärwicklungen zur Energieübertragung angeordnet werden. Der Ort, an dem die induktive Energieübertragung stattfinden kann, ist somit allein durch die Länge und Breite der mäanderförmig verlegten Primärwicklungen14,15 begrenzt.Winding arrangements for inductive energy transmission systems are known in various forms. For example, it is off WO 2011/145953 a winding arrangement with two meandering laid in the direction X primary windings known, wherein, as shown in FIG 1 can be seen, the meandering laidprimary windings 14 . 15 in the direction X are shifted by the distance P to each other and byseparate sources 16 . 17 be fed. Due to the meandering shape, the secondary side to be inductively fed can be arranged at many points above the primary windings for energy transmission. The location at which the inductive energy transfer can take place is thus solely due to the length and width of the meander-shapedprimary windings 14 . 15 limited.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wicklungsanordnung für eine flächendeckende induktive Energieübertragung bereitzustellen, bei der die primärseitige Wicklungsanordnung sich über einen flächigen Bereich erstreckt und die kleinere sekundärseitige Wicklungsanordnung innerhalb dieses Bereiches an verschiedenen Stellen zur induktiven Energieübertragung anordbar ist.The object of the present invention is to provide a winding arrangement for area-wide inductive energy transmission, in which the primary-side winding arrangement extends over a flat area and the smaller secondary-side winding arrangement can be arranged within this area at various locations for inductive energy transmission.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mäanderförmigen Wicklungen bzw. Wicklungsbereiche um 90° zueinander mechanisch verdreht und sich überlappend angeordnet sind, wobei durch die zwei Wicklungen elektrische Ströme fließen, die zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben sind.This object is achieved in that the meandering windings or winding areas are rotated by 90 ° to each other mechanically and are arranged overlapping, flowing through the two windings electrical currents that are phase-shifted by 90 ° to each other electrically.

Durch die mechanisch um 90° zueinander verdreht angeordneten mäanderförmigen Wicklungen bzw. Wicklungsbereiche und die um 90° zueinander elektrisch phasenverschobenen Ströme wird vorteilhaft eine hohe Leistungsdichte erzielt, wobei keine Kopplung zwischen den beiden mäanderförmigen Wicklungen erfolgt. Die elektrischen Ströme weisen eine Frequenz zwischen 10 und 200 kHz, vorteilhaft 10–150 kHz auf.By means of the meander-shaped windings or winding regions which are mechanically rotated by 90 ° with respect to one another and the currents which are phase-shifted by 90 ° to one another, a high power density is advantageously achieved, wherein no coupling takes place between the two meander-shaped windings. The electrical currents have a frequency between 10 and 200 kHz, advantageously 10-150 kHz.

Dabei weist jede mäanderförmig ausgebildete Wicklung bzw. jeder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereich zueinander parallele gerade Leiterabschnitte auf, deren Enden jeweils mittels eines, insbesondere gebogenen oder halbkreisförmigen, Verbindungsleiters mit dem Ende eines benachbarten parallelen geraden Leiterabschnitts derselben Wicklung verbunden sind. Die Verbindungsleiter können dabei so angeordnet werden, dass sie sich außerhalb des Energieübertragungsbereiches befinden, welcher durch die sich kreuzenden geraden Leiterabschnitte gebildet wird.In this case, each meander-shaped winding or each meander-shaped winding region has mutually parallel straight conductor sections whose ends are each connected to the end of an adjacent parallel straight conductor section of the same winding by means of one, in particular bent or semicircular, connecting conductor. The connecting conductors can be arranged so that they are outside the energy transmission range, which is formed by the intersecting straight conductor sections.

Die Länge der geraden Leiterabschnitte ist dabei mindestens doppelt so groß wie der Abstand zweier benachbarter paralleler Leiterabschnitte, so dass die von den Verbindungsleitern erzeugten magnetischen Felder gegenüber dem von den geraden Leiterabschnitten erzeugten magnetischen Feld vernachlässigbar sind.The length of the straight conductor sections is at least twice as large as the distance between two adjacent parallel conductor sections, so that the magnetic fields generated by the connecting conductors are negligible relative to the magnetic field generated by the straight conductor sections.

Durch die um 90° verdrehte Anordnung der beiden mäanderförmigen Wicklungen sind deren gerade Leiterabschnitte zueinander orthogonal angeordnet.By twisted by 90 ° arrangement of the two meandering windings whose straight conductor sections are mutually orthogonal.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die geraden Leiterabschnitte jeder Wicklung in äquidistanten Abständen parallel zueinander angeordnet sind. Sofern die äquidistanten Abstände der geraden Leiter beider mäanderförmigen Wicklungen bzw. Wicklungsbereiche gleich groß oder unterschiedlich groß sind, ergeben sich entweder quadratische oder rechteckige Spulenbereiche, die jeweils von Teilbereichen der sich kreuzenden geraden Leiterabschnitte gebildet werden. Jeder dieser Spulenbereiche erzeugt bei um 90° phasenverschobenen Strömen ein rotierendes Magnetfeld.It is particularly advantageous if the straight conductor sections of each winding are arranged at equidistant intervals parallel to one another. If the equidistant distances between the straight conductors of both meander-shaped windings or winding regions are the same size or different, either square or rectangular coil regions are formed, which are each formed by partial regions of the intersecting straight conductor sections. Each of these coil regions generates a rotating magnetic field at 90 ° out of phase currents.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden mäanderförmigen Wicklungen jeweils einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweisen, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der Hinleiter und der Rückleiter jeweils aus mehreren zueinander parallel angeordneten geraden Leiterabschnitten und Verbindungsleitern gebildet ist, und die geraden Leiterabschnitte der Hin- und Rückleiter in äquidistanten Abständen und parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeweils ein gerader Leiterabschnitt des Hinleiters in unmittelbarer Nähe, insbesondere anliegend oder übereinanderliegend, zu einem geraden Leiterabschnitt des Rückleiters angeordnet ist. Der durch den Hinleiter fließende Strom fließt somit auch durch den Rückleiter. Beim Verlegen des Hin- und Rückleiters ist darauf zu achten, dass die in unmittelbarer Nähe zueinander angeordneten geraden Leiterabschnitte des Hinleiters und des Rückleiters so zueinander angeordnet sind, dass sich die durch sie fließenden Ströme gleichen Betrags und Phasenlage zur Bildung eines Magnetfeldes addieren.It when the two meandering windings each have a forward conductor and a return conductor, which are electrically connected to each other, wherein the forward conductor and the return conductor is each formed of a plurality of mutually parallel straight conductor sections and connecting conductors, and the straight conductor sections of Hin and return conductors are arranged at equidistant intervals and parallel to each other, wherein in each case a straight conductor section of the Hinleiters in the immediate vicinity, in particular adjacent or superimposed, is arranged to a straight conductor portion of the return conductor. The current flowing through the arrester thus also flows through the return conductor. When laying the forward and return conductors is important to ensure that in the immediate vicinity of each other arranged straight conductor sections of the Hinleiters and the return conductor are arranged to each other so that the currents flowing through them add the same amount and phase to form a magnetic field.

Zur Ausbildung eines induktiven Energieübertragungssystems, bildet die Wicklungsanordnung die Spulenanordnung der Primärseite des Energieübertagungssystems, wobei die Wicklungen der Wicklungsanordnung zusammen mit Kapazitäten Schwingkreise, insbesondere Parallel- oder Reihenschwingkreise, bilden und Wechselrichter die Schwingkreise speisen.To form an inductive energy transmission system, the winding arrangement forms the coil arrangement of the primary side of the energy transmission system, wherein the windings of the winding arrangement together with capacitive resonance circuits, in particular parallel or Series resonant circuits, form and inverters feed the resonant circuits.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung stationär, z.B. in oder auf der Fahrbahn oder dem Boden einer Garage oder aber auch mobil, d.h. an der Unterseite eines Fahrzeuges angeordnet werden.Of course, the winding arrangement according to the invention may be stationary, e.g. in or on the roadway or the floor of a garage or even mobile, i. e. be arranged at the bottom of a vehicle.

Nachfolgend werden anhand von Figuren zwei mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung erläutert.Two possible embodiments of the winding arrangement according to the invention will be explained below with reference to figures.

Es zeigen:Show it:

1: Wicklungsanordnung nach dem Stand der Technik; 1 : Winding arrangement according to the prior art;

2: erste mögliche Ausführungsform zweier um 90° zueinander mechanisch verdreht angeordneter mäanderförmiger Wicklungen, durch die zueinander um 90° phasenverschobene elektrische Ströme fließen; 2 : first possible embodiment of two mutually mechanically rotated by 90 ° meandering windings flow through the mutually phase-shifted by 90 ° electrical currents;

3: zweite mögliche Ausführungsform, wobei jede mäanderförmige Wicklung einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweist; 3 the second possible embodiment, wherein each meandering winding has a forward conductor and a return conductor;

4: Stromdiagramm. 4 : Current diagram.

2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung, bestehend aus den beiden mäanderförmig ausgebildeten Wicklungen A und B. Sowohl die Wicklung A als auch die Wicklung B ist aus geraden Leiterabschnitten2a bzw.3a gebildet, welche parallel zueinander in äquidistanten Abständen d zueinander angeordnet sind und an ihren freien Enden2b bzw.3b mittels der Verbindungsleiter2c bzw.3c miteinander verbunden sind. Die Verbindungsleiter2c bzw.3c können, wie in2 dargestellt, gebogen ausgebildet sein. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, dass die in den Figuren dargestellten gebogenen Verbindungsleiter2c bzw.3c durch gerade oder andersartig ausgebildete bzw. verlegte Leiter ersetzt werden. Die Wicklungen A und B sind mechanisch um 90° verdreht zueinander angeordnet, wodurch die geraden Leiterabschnitte2a der Wicklung A senkrecht zu den geraden Leiterabschnitten3a ausgerichtet sind. Damit die beiden Wicklungen A und B elektrisch und magnetisch voneinander entkoppelt sind, sind sie, wie in4 dargestellt, von um 90° zueinander elektrisch phasenverschobenen Strömen i_A und i_B durchflossen. Die sich kreuzenden geraden Leiterabschnitte2a und3b umranden mit ihren Teilleiterabschnitten 2a´und 3a´ rechteckige Spulenbereiche SB. Sofern die Abstände d zwischen den geraden Leiterabschnitten2a,3a beider Wicklungen A, B gleich groß sind, sind die Spulenbereiche SB quadratisch. Über die Wicklungsanschlüsse A1, A2 und B1, B2 sind die Wicklungen A, B mit nicht dargestellten elektrischen Komponenten, insbesondere Kapazitäten und Wechselrichtern, verbunden. 2 shows a first embodiment of the winding arrangement according to the invention, consisting of the two meander-shaped windings A and B. Both the winding A and the winding B is made ofstraight conductor sections 2a respectively. 3a formed, which are arranged parallel to each other at equidistant intervals d to each other and at their free ends 2 B respectively. 3b by means of the connectingconductor 2c respectively. 3c connected to each other. Theconnection ladder 2c respectively. 3c can, as in 2 represented bent, be formed. However, it is of course also possible that the curved connecting conductor shown in the figures 2c respectively. 3c be replaced by straight or differently trained or misplaced ladder. The windings A and B are mechanically rotated by 90 ° to each other, whereby thestraight conductor sections 2a the winding A perpendicular to the straight conductor sections 3a are aligned. Thus, the two windings A and B are electrically and magnetically decoupled from each other, they are, as in 4 represented by 90 ° to each other electrically out of phase currents i_A and i_B flows through. The intersectingstraight ladder sections 2a and 3b surround with theirsub-conductor sections 2a 'and 3a' rectangular coil areas SB. If the distances d between thestraight conductor sections 2a . 3a both windings A, B are equal, the coil areas SB are square. About the winding terminals A1, A2 and B1, B2, the windings A, B with not shown electrical components, in particular capacitors and inverters connected.

Je nach Ausführungsform und Größe der sekundärseitigen Spulenanordnung überdeckt diese einen oder mehrere benachbarte Spulenbereiche SB und wird dementsprechend von dem durch die stromdurchflossenen Teilleiterabschnitte2a´ und3a´ des einen oder der mehreren Spulenbereiche SB erzeugten magnetischen Fluss durchflutet.Depending on the embodiment and size of the secondary-side coil arrangement, this covers one or more adjacent coil areas SB and, accordingly, is separated from that by the current-carryingpartial conductor sections 2a' and 3a' the magnetic flux generated by the one or more coil regions SB flooded.

Die magnetische Durchflutung lässt sich erhöhen, indem jede Wicklung A, B einen mäanderförmigen Hin- und einen mäanderförmigen Rückleiter aufweist, wie dies in3 dargestellt ist. Unter Hinleiter wird im Sinne der Erfindung der Leitungsabschnitt der Wicklung A, B verstanden, der sich ausgehend von der ersten Klemme A1, B1 bis hin zum von der Klemme ersten Klemme A1, B1 am weitesten entfernten Punkt erstreckt. Unter Rückleiter wird im Sinne der Erfindung der Leitungsabschnitt der Wicklung A, B verstanden, der sich ausgehend von dem am weitesten entfernten Punkt zurück bis zur zweiten Klemme A2, B2 erstreckt. Jeweils ein gerader Leiterabschnitt2a_H des Hinleiters und ein gerader Leiterabschnitt2a_R des Rückleiters liegen eng bzw. nah beieinander. Die durch die nah beieinander angeordneten Leiterabschnitte2a_H und2a_R fließenden Ströme i_A, i_B sind dabei gleichsinnig und phasengleich, wodurch sich eine gegenüber der in2 beschriebenen ersten Ausführungsform doppelt so hohe magnetische Durchflutung, insbesondere in den Spulenbereichen SB, realisieren lässt.The magnetic flux can be increased by each winding A, B has a meandering back and a meandering return conductor, as in 3 is shown. In the context of the invention, a forward conductor is understood to mean the line section of the winding A, B which extends from the first terminal A1, B1 to the point farthest from the terminal A1, B1. For the purposes of the invention, the term return conductor is understood to mean the line section of the winding A, B, which extends from the farthest point back to the second terminal A2, B2. In each case astraight ladder section 2a_{H of} the Hinleiters and astraight ladder section 2a_{R of} the return conductor are close or close to each other. The conductor sections arranged close to each other 2a_H and 2a_R flowing currents i_A , i_B are in the same direction and in phase, resulting in a relation to the in 2 described twice as high magnetic flux, in particular in the coil areas SB, can be realized.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• WO 2011/145953[0002]WO 2011/145953[0002]

Claims (8)

Translated fromGerman

Wicklungsanordnung (1) für die Primär- und/oder Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Wicklungsanordnung (1) zwei Wicklungen (A, B) aufweist, welche jeweils mäanderförmig ausgebildet sind oder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereiche (A₁, B₁) aufweisen,dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (A, B) bzw. deren Wicklungsbereiche (A₁, B₁) um 90° zueinander verdreht und sich überlappend angeordnet sind, wobei durch die zwei Wicklungen (A, B) elektrische Ströme (i_A, i_B) fließen, die zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben sind.Winding arrangement ( 1 ) for the primary and / or secondary side of an inductive power transmission system, wherein the winding arrangement ( 1 ) has two windings (A, B), which are each meander-shaped or have meander-shaped winding regions (A₁ , B₁ ),characterized in that the windings (A, B) or their winding regions (A₁ , B₁ ) rotated by 90 ° to each other and are arranged overlapping, through the two windings (A, B) electrical currents (i_A , i_B ) flow, which are mutually phase-shifted by 90 ° to each other electrically.Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass jede mäanderförmig ausgebildete Wicklung (A, B) bzw. jeder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereich (A₁, B₁) zueinander parallele gerade Leiterabschnitte (2a,3a) aufweist, deren Enden (2b,3b) jeweils mittels eines, insbesondere geraden, gebogenen oder halbkreisförmigen, Verbindungsleiters (2c,3c) mit dem Ende eines benachbarten parallelen geraden Leiterabschnitts derselben Wicklung (A, B) verbunden sind.Winding arrangement ( 1 ) according to claim 1,characterized in that each meander-shaped winding (A, B) or each meander-shaped winding region (A₁ , B₁ ) mutually parallel straight conductor sections ( 2a . 3a ) whose ends ( 2 B . 3b ) in each case by means of a, in particular straight, curved or semicircular, connecting conductor ( 2c . 3c ) are connected to the end of an adjacent parallel straight conductor section of the same winding (A, B).Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines geraden Leiterabschnitts (2a,3a) mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand (d) zweier benachbarter paralleler gerader Leiterabschnitte (2a,3a).Winding arrangement ( 1 ) according to claim 2,characterized in that the length of a straight ladder section ( 2a . 3a ) is at least twice as large as the distance (d) of two adjacent parallel straight conductor sections ( 2a . 3a ).Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leiterabschnitte (2a) der ersten Wicklung (A) senkrecht zu den geraden Leiterabschnitten (3a) der zweiten Wicklung (B) angeordnet sind.Winding arrangement ( 1 ) according to claim 2 or 3,characterized in that the straight conductor sections ( 2a ) of the first winding (A) perpendicular to the straight conductor sections ( 3a ) of the second winding (B) are arranged.Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leiterabschnitte (2a,3a) jeder Wicklung (A, B) in äquidistanten Abständen parallel zueinander angeordnet sind.Winding arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims,characterized in that the straight conductor sections ( 2a . 3a ) of each winding (A, B) are arranged at equidistant intervals parallel to each other.Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (A, B) jeweils einen Hinleiter (A_H, B_H) und einen Rückleiter (A_R, B_R) aufweisen, wobei der Hinleiter (A_H, B_H) und der Rückleiter (A_R, B_R) jeweils aus mehreren zueinander parallel angeordneten geraden Leiterabschnitten (2a_H,3a_H;2a_R,3a_R) und Verbindungsleitern (2b_H,3b_H;2b_R,3b_R) besteht, wobei die geraden Leiterabschnitte (2a_H,3a_H;2b_R,3b_R) der Hin- und Rückleiter (A_H, B_H; A_R, B_R) in äquidistanten Abständen und parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeweils ein gerader Leiterabschnitt (2a_H,3a_H) des Hinleiters in unmittelbarer Nähe, insbesondere anliegend oder übereinander, zu einem geraden Leiterabschnitt (2a_R,3a_R) des Rückleiters angeordnet ist.Winding arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims,characterized in that the windings (A, B) each have a forward conductor (A_H , B_H ) and a return conductor (A_R , B_R ), wherein the forward conductor (A_H , B_H ) and the return conductor (A_R , B_R ) in each case from a plurality of straight conductor sections ( 2a_H , 3a_H ; 2a_R , 3a_R ) and connecting conductors ( 2 B_H , 3b_H ; 2 B_R , 3b_R ), wherein the straight conductor sections ( 2a_H , 3a_H ; 2 B_R , 3b_R ) of the forward and return conductors (A_H , B_H , A_R , B_R ) are arranged at equidistant intervals and parallel to each other, wherein in each case a straight conductor section ( 2a_H , 3a_H ) of the Hinleiters in the immediate vicinity, in particular adjacent or one above the other, to a straight ladder section ( 2a_R , 3a_R ) of the return conductor is arranged.Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtung der durch die jeweils in unmittelbarer Nähe zueinander angeordneten Leiterabschnitte (2a_H,3a_H;2a_R,3a_R) fließenden Ströme (i_A, i_B) phasengleich und gleichsinnig sind.Winding arrangement ( 1 ) according to claim 6,characterized in that the current direction of the conductor sections arranged in each case in the immediate vicinity ( 2a_H , 3a_H ; 2a_R , 3a_R ) flowing currents (i_A , i_B ) are in phase and in the same direction.Induktives Energieübertragungssystem mit einer Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanordnung (1) die Spulenanordnung einer Primärseite bildet, wobei die Wicklungen (A, B) der Wicklungsanordnung (1) zusammen mit Kapazitäten Schwingkreise, insbesondere Parallel- oder Reihenschwingkreise, bilden und Wechselrichter die Schwingkreise speisen.Inductive energy transmission system with a winding arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims,characterized in that the winding arrangement ( 1 ) forms the coil arrangement of a primary side, wherein the windings (A, B) of the winding arrangement ( 1 ) together with capacitors form resonant circuits, in particular parallel or series resonant circuits, and inverters feed the resonant circuits.

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