一、授課背景

      發(fā)電機(jī)作為一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑工業(yè)、通信工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域，為社會(huì)的發(fā)展和人們的生活提供重要的電力支持。發(fā)電機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)中具有不可替代的重要性。它不僅是能源供應(yīng)的核心設(shè)備，也是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障社會(huì)穩(wěn)定、提升生活品質(zhì)、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵因素。

      隨著科技的不斷進(jìn)步，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)日益復(fù)雜化、精細(xì)化，仿真技術(shù)在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中的作用愈發(fā)凸顯。通過(guò)發(fā)電機(jī)仿真，可以精確地模擬發(fā)電機(jī)在各種工況下的運(yùn)行情況，包括正常運(yùn)行、故障狀態(tài)以及不同負(fù)載條件下的表現(xiàn)。這種精確的模擬有助于工程師深入評(píng)估發(fā)電機(jī)的性能，包括效率、波形畸變率、電壓調(diào)整率、短路比等關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)仿真分析，可以優(yōu)化發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高其整體性能。

      因此，開(kāi)展一次全面而深入的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真培訓(xùn)，對(duì)于提升設(shè)計(jì)人員專業(yè)能力、推動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。鑒于此，本次“現(xiàn)代發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真研修班”旨在通過(guò)系統(tǒng)化的教學(xué)，幫助學(xué)員掌握各類發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真，從設(shè)計(jì)原理到優(yōu)化思路，從軟件操作到實(shí)際案例分析，全面提升學(xué)員的設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、培訓(xùn)對(duì)象及收益培訓(xùn)對(duì)象：1.發(fā)電機(jī)企業(yè)從事研發(fā)、設(shè)計(jì)的技術(shù)人員2.整機(jī)企業(yè)從事發(fā)電機(jī)方向的技術(shù)人員3.有志于從事發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)技術(shù)人員4.課題研究方向?yàn)殡姍C(jī)本體的高校大學(xué)生、研究生、老師5.對(duì)發(fā)電機(jī)技術(shù)感興趣的其他人員  培訓(xùn)收益：1.知識(shí)更新：了解發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展與行業(yè)動(dòng)態(tài)。2.技能提升：掌握發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作流程、模型建立、材料設(shè)置、邊界條件和激勵(lì)設(shè)置等核心技能。3.案例分析：通過(guò)實(shí)際案例分析，增強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決方案的理解。4.優(yōu)化設(shè)計(jì)：學(xué)習(xí)優(yōu)化思路與方法，提升發(fā)電機(jī)性能與效率。5.擴(kuò)展視野：拓寬專業(yè)視野，為職業(yè)生涯發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)本次培訓(xùn)，學(xué)員將掌握各類發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)，增強(qiáng)自身核心競(jìng)爭(zhēng)力，為未來(lái)的職業(yè)發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

三、課程大綱

四、授課老師

婁振袖 博士

杭州正弦電機(jī)科技有限公司技術(shù)總監(jiān)。2012年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。獲得2013年度國(guó)家自然科學(xué)基金，曾在多家國(guó)內(nèi)知名電機(jī)企業(yè)擔(dān)任副總工程師、總工程師。以第一作者身份在IEEE Trans.、《微特電機(jī)》等國(guó)內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文4篇。主持研制了我國(guó)首艘基于直流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)的“沈括號(hào)”科考船用大功率低轉(zhuǎn)速永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。主持研發(fā)了百余款高性能電機(jī)產(chǎn)品，部分已經(jīng)大批量生產(chǎn)。擅長(zhǎng)各類電機(jī)電磁、熱設(shè)計(jì)和振動(dòng)噪聲分析。

五、課程費(fèi)用及安排1.標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用：4980元/人/3天，含學(xué)費(fèi)、專業(yè)培訓(xùn)教材、證書(shū)費(fèi)。食宿可統(tǒng)一安排，費(fèi)用自理。2.培訓(xùn)時(shí)間：2024年9月21/22/23日（授課三天，可提前一天報(bào)到）3.培訓(xùn)地點(diǎn)：杭州（具體地點(diǎn)會(huì)提前一周通知） 招生達(dá)20人開(kāi)課4.報(bào)名方式：掃描下方二維碼進(jìn)行預(yù)報(bào)名，提交報(bào)名信息后電機(jī)空間工作人員會(huì)通過(guò)報(bào)名手機(jī)聯(lián)系您

六、增值服務(wù)1.前20位報(bào)名付款享9折優(yōu)惠，前50位報(bào)名付款享9.5折優(yōu)惠。。2.全日制在校學(xué)生憑學(xué)生證享5折優(yōu)惠。3.參培學(xué)員培訓(xùn)后皆可領(lǐng)價(jià)值298元的電機(jī)空間線上課程1份（有效期90天）。4.每期培訓(xùn)除課上答疑以外，建立專屬培訓(xùn)群供學(xué)員后續(xù)交流討論，后續(xù)講師以郵件和直播形式提供線上集中答疑服務(wù)。其他事宜咨詢亦可聯(lián)系課程助理黃老師：193 5755 6569（微信同號(hào)），歡迎大家踴躍報(bào)名！

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種機(jī)械設(shè)備，而發(fā)電機(jī)正好相反，是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機(jī)按運(yùn)行方式，分為并網(wǎng)運(yùn)行和單機(jī)運(yùn)行兩種。并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)主要用于水電站、火電廠、核電站、風(fēng)電場(chǎng)，功率普遍比較大，像水電站發(fā)電機(jī)最大單機(jī)功率可達(dá)100萬(wàn)千瓦，也就是1000MW。單機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)主要用作移動(dòng)電源，功率一般都比較小，像我們?cè)O(shè)計(jì)的用于冷鏈運(yùn)輸?shù)陌l(fā)電機(jī)功率是20kW，船用軸帶發(fā)電機(jī)功率是2MW。有網(wǎng)友說(shuō)，功率2MW已經(jīng)很大了，怎么能說(shuō)它小？我們說(shuō)，電機(jī)功率大小是相對(duì)的，相對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，2MW算是很大的了，但是在發(fā)電機(jī)特別是大型發(fā)電機(jī)里面，2MW算是比較小的。

從電機(jī)設(shè)計(jì)角度來(lái)講，由于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)關(guān)心的指標(biāo)不一樣，所以設(shè)計(jì)特點(diǎn)也有所不同。由于電動(dòng)機(jī)輸出功率指的是機(jī)械功率，所以電動(dòng)機(jī)更關(guān)心與機(jī)械相關(guān)的指標(biāo)，比如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等指標(biāo)。發(fā)電機(jī)就沒(méi)有或者說(shuō)不提以上這幾個(gè)轉(zhuǎn)矩的概念，由于發(fā)電機(jī)輸出功率指的是電功率，所以發(fā)電機(jī)更關(guān)心與電相關(guān)的指標(biāo)，比如空載電壓波形畸變率，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，瞬態(tài)電壓調(diào)整率等指標(biāo)。當(dāng)然，要降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所采取的技術(shù)措施，與降低發(fā)電機(jī)空載電壓波形畸變率所采取的技術(shù)措施可以是一樣的，比如都采用斜槽，之所以如此，是因?yàn)檫@兩個(gè)指標(biāo)都與齒諧波有關(guān)。另外，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)屬于設(shè)計(jì)輸入，而電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)則屬于設(shè)計(jì)輸出，這也是它們的重要區(qū)別之一。由于發(fā)電機(jī)容量比較大，根據(jù)電機(jī)效率正比于單機(jī)容量這一原理，所以發(fā)電機(jī)效率要求會(huì)更高。我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)一款12.5MW同步發(fā)電機(jī)，效率要求是不低于98.5%，這對(duì)電動(dòng)機(jī)是不可想象的。?? ?

大多數(shù)發(fā)電機(jī)都是以發(fā)出有功功率為主，所以功率因數(shù)一般都是0.8或者0.9，但是有一種發(fā)電機(jī)是專門(mén)用于發(fā)無(wú)功的，功率因數(shù)為0，這種發(fā)電機(jī)叫調(diào)相機(jī)。我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)一款50MVar，10.5kV，3000r/min的新能源電站用分布式調(diào)相機(jī)，主要解決新能源電站電壓不穩(wěn)定，電力送不出去的問(wèn)題。調(diào)相機(jī)和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)有較大不同，主要在于短路比一定要高，以保證有較深的進(jìn)相能力。同時(shí)瞬態(tài)參數(shù)和電時(shí)間常數(shù)要盡可能小，以保證較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，另外，調(diào)相機(jī)損耗要盡可能小，以保證較高的運(yùn)行效率。

原則上講，任何一臺(tái)電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是所謂的電機(jī)可逆原理。電機(jī)可逆原理從底層邏輯上闡明了，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)不應(yīng)視為兩種截然不同的電機(jī)，而只是同一電機(jī)的兩種不同運(yùn)行方式。

但是將一臺(tái)電機(jī)從一種運(yùn)行方式切換到另一種運(yùn)行方式，往往是需要一定前提條件或者說(shuō)需要付出一定代價(jià)的。以異步電機(jī)為例，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行很容易，直接接電網(wǎng)上就可以轉(zhuǎn)。但作為發(fā)電機(jī)，如果直接拿原動(dòng)機(jī)拖異步電機(jī)，是沒(méi)法發(fā)電的，因?yàn)闆](méi)有勵(lì)磁。所以異步電機(jī)要作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，還需要額外勵(lì)磁，比如由電網(wǎng)勵(lì)磁或用電力電容器自行勵(lì)磁，前者適用于并網(wǎng)運(yùn)行，后者適用于單機(jī)運(yùn)行。

再說(shuō)永磁同步電機(jī)。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行很容易，直接拿原動(dòng)機(jī)拖永磁同步電機(jī)就可以發(fā)電，但是作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，直接接電網(wǎng)上永磁同步電機(jī)是轉(zhuǎn)不起來(lái)的。需要額外購(gòu)置變頻器或者在轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)專門(mén)的起動(dòng)籠來(lái)解決永磁同步電機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題，這需要增加成本。對(duì)于利用變頻器完成起動(dòng)的永磁同步電機(jī)，一旦電機(jī)起動(dòng)完成，如果不需要調(diào)速運(yùn)行，為了省電，可以將變頻器切除，將電機(jī)切換到電網(wǎng)模式運(yùn)行。對(duì)于利用轉(zhuǎn)子起動(dòng)籠完成起動(dòng)的永磁同步電機(jī)，一旦電機(jī)起動(dòng)完成，起動(dòng)籠完成了它的使命，起動(dòng)籠中就基本沒(méi)有電流了。?? ?

大型發(fā)電機(jī)有汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)兩種，其中前者用于火電廠和核電站發(fā)電，后者用于水電站發(fā)電，本文不作詳細(xì)闡述。本文主要介紹常見(jiàn)的中小型發(fā)電機(jī)，包括無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)，有刷雙饋異步發(fā)電機(jī)和籠型異步發(fā)電機(jī)等。

無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)由副勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)等三臺(tái)電機(jī)共同組成，并且三臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是同軸旋轉(zhuǎn)的。其中副勵(lì)磁機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)，主發(fā)電機(jī)為常規(guī)的旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)。無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)工作原理是，當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，由副勵(lì)磁機(jī)定子直接發(fā)出交流電壓經(jīng)過(guò)外部整流后形成直流電壓。該直流電壓接到勵(lì)磁機(jī)的定子上，勵(lì)磁機(jī)的定子形成恒定磁場(chǎng)，勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線產(chǎn)生交流電壓再經(jīng)過(guò)在主軸上的旋轉(zhuǎn)二極管整流成直流電壓后接到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈上，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子形成磁場(chǎng)，主發(fā)電機(jī)定子切割磁力線得到發(fā)電電壓。也有的無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有副勵(lì)磁機(jī)，僅由勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)兩部分組成，此時(shí)勵(lì)磁機(jī)定子電壓由主發(fā)電機(jī)的剩磁電壓經(jīng)整流后提供。無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)主要用于各種船用、陸用電站電源，以及核電站中的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。?? ?

永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為表貼式或者內(nèi)置式，其中表貼式結(jié)構(gòu)更適合于低速和高速運(yùn)行，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)更適合于中速運(yùn)行。永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高、適合直驅(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但也有成本高、無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓等缺點(diǎn)，主要用于風(fēng)力發(fā)電、無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)以及航空航天高速發(fā)電機(jī)等場(chǎng)合。針對(duì)永磁同步電機(jī)無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓的缺點(diǎn)，可以采用混合勵(lì)磁（即電勵(lì)磁+永磁體勵(lì)磁）結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)或者外接全功率變流器來(lái)解決，前者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，后者成本比較高。?? ?

有刷雙饋異步發(fā)電機(jī)是一種繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，即定子、轉(zhuǎn)子都有三相對(duì)稱的繞組。所謂有刷，指的是感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上存在電刷-滑環(huán)。所謂雙饋，指的是感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子能同時(shí)向電網(wǎng)發(fā)出電能，其中定子繞組直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電刷-滑環(huán)經(jīng)變流器與電網(wǎng)連接。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過(guò)變流器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可以確保定子的輸出始終是恒頻恒壓的交流電。由于上述特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速可以是亞同步，同步或超同步。由于流過(guò)轉(zhuǎn)子繞組中的功率為轉(zhuǎn)差功率，一般只有發(fā)電機(jī)容量的1/4～1/3，因而變流器的最大容量也僅為發(fā)電機(jī)容量的1/4～1/3，這樣“雙饋異步發(fā)電機(jī)+轉(zhuǎn)差功率的變流器”的總體配置費(fèi)用與“永磁同步發(fā)電機(jī)+全功率變流器”組合相比，就明顯降低。雙饋異步發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是適合于變速恒頻運(yùn)行，并且成本也較低；缺點(diǎn)是需要安裝電刷-滑環(huán)，故障率較高，必須定期維護(hù)、檢修和更換，另外效率也較低。雙饋異步發(fā)電機(jī)主要用于風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電。?? ?

籠型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為封閉式鼠籠結(jié)構(gòu)，不需要電刷-滑環(huán)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。由于籠型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有像電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)或者雙饋異步發(fā)電機(jī)一樣的專門(mén)勵(lì)磁繞組，因而需要從外部（如電網(wǎng)或者電容器）獲取勵(lì)磁。由于籠型異步發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速只能是超同步，為實(shí)現(xiàn)大范圍變速恒頻發(fā)電，因此定子需要接全功率變流器，變流器成本高于雙饋?zhàn)兞髌鳌；\型異步發(fā)電機(jī)主要適用于對(duì)可靠性要求特別高的場(chǎng)合，比如海上風(fēng)力發(fā)電等。

關(guān)于發(fā)電機(jī)就先介紹這么多內(nèi)容，如果大家還有什么需要了解的，歡迎在評(píng)論區(qū)給我們留言。

1.?隔磁橋的參數(shù)

     隔磁橋主要受三個(gè)參數(shù)約束，分別是：初始位置，寬度和厚度。隔磁橋的初始位置會(huì)影響主磁場(chǎng)在機(jī)械圓周上所占的機(jī)械角度，本文中用θB表示，如圖1a所示。寬度和厚度則是隔磁橋的實(shí)際尺寸，會(huì)影響漏磁通以及轉(zhuǎn)子鐵心的機(jī)械強(qiáng)度，分別用Bw和dh來(lái)表示，如圖1b所示。因此，以上三個(gè)參數(shù)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，以保證優(yōu)良的電磁性能和安全的機(jī)械強(qiáng)度。

2.?設(shè)計(jì)思路

     對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化即可降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)矩性能。文獻(xiàn)[1]針對(duì)4極48槽電機(jī)，通過(guò)窮舉法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1

設(shè)計(jì)思路如下：1）根據(jù)永磁體的尺寸和轉(zhuǎn)子外徑的幾何約束，給出隔磁橋三個(gè)約束的備選尺寸，如圖2所示。2）將三個(gè)約束參數(shù)的三個(gè)尺寸排列組合，共有3³個(gè)方案，并對(duì)每個(gè)方案編號(hào)。值得注意的是，方案總數(shù)與每個(gè)參數(shù)的備選尺寸數(shù)有關(guān)，備選尺寸越多，總方案數(shù)越大。3）對(duì)上述27個(gè)方案依次仿真，選出最佳方案。

3.?設(shè)計(jì)結(jié)果

  27個(gè)方案的仿真結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，方案9的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最大，而方案7的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小，最終選擇方案7為最終隔磁橋的尺寸。此外，仔細(xì)觀察還能發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于20%的方案有三個(gè)，分別是方案7，方案16和方案25。而他們的共同點(diǎn)是均采用θB1和Bw3，但他們的電磁轉(zhuǎn)矩卻隨著厚度的增加而減小。

表2

4.?隔磁橋開(kāi)輔助槽

隔磁橋開(kāi)輔助槽能進(jìn)一步降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。對(duì)方案7的隔磁橋添加輔助槽，輔助槽分別采用矩形槽和橢圓槽，如圖3所示。兩種槽的寬度和深度一致，只有槽型不同，如圖4所示。  

輔助槽的尺寸同樣需要優(yōu)化，仍采用窮舉法來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)尺寸三個(gè)備選尺寸，共有3²個(gè)方案。此外，為比較不同方案的優(yōu)化效果，引入?yún)?shù)k_te來(lái)衡量各方案優(yōu)化結(jié)果。

各方案優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

表3

從表3中可以看出，矩形槽中，方案6的k_te值最大。橢圓槽中，方案8的k_te值最大。將優(yōu)化前后的方案進(jìn)行對(duì)比，輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示。

仿真結(jié)果表明，隔磁橋開(kāi)輔助槽不僅能降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，還能提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 

總結(jié)：本文根據(jù)文獻(xiàn)[1]，介紹了內(nèi)置式永磁電機(jī)隔磁橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為電機(jī)設(shè)計(jì)人員提供參考。

參考文獻(xiàn) [1] C. -H. Song, D. -H. Kim and K. -C. Kim. Design of a Novel IPMSM Bridge for Torque Ripple Reduction. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 57, no. 2, pp. 1-4, Feb. 2021.

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