專利名稱:磁懸浮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種通過(guò)與物體所受重力相反的不變和可變的磁力作用,將物體支撐在半空中的系統(tǒng)。
背景技術(shù):
該系統(tǒng)可以用于比如廣告或商業(yè)演示等目的的展覽,或用于教育目的,比如地球儀。
根據(jù)觀察,懸浮物體與具有磁力和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)之間的空隙越大,則越需要該設(shè)備。
美國(guó)專利US 6,154,353公布了這樣一個(gè)系統(tǒng),其提供一種不變的支撐架,該支撐具有一個(gè)較高站點(diǎn),該站點(diǎn)包括一個(gè)永磁鐵,一個(gè)電磁鐵和一個(gè)傳感器系統(tǒng)。懸浮物體也具有一個(gè)永磁鐵,懸浮在支撐架的較高站點(diǎn)下面。永磁鐵被設(shè)置成相互吸引,使物體受到與作用在其上的向下重力相反的,朝上的作用力。因此,如果忽略任何外部影響,或磁力和重力的波動(dòng),可以達(dá)到理論的平衡點(diǎn),物體就可以穩(wěn)定地被支撐在半空。
實(shí)際上,這種平衡點(diǎn)是不可能保持的,因此要應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如,德國(guó)專利DE 4210741所公布的,通過(guò)將物體中的永磁鐵提供的場(chǎng)的波動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流,隨后被輸入到支撐架中的電磁鐵上的該電流被調(diào)節(jié)以提供一種吸力或推力,從而避免物體偏離平衡點(diǎn)。
美國(guó)專利US 6,154,353公布了這樣一個(gè)被修正的系統(tǒng),其中永磁鐵提供了一個(gè)稍微大于物體所受向下重力的向上吸力。該情況下,電磁鐵通常被用來(lái)提供一個(gè)很小的推力,以達(dá)到更好的平衡,建立所謂的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。
在動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)上,物體通過(guò)永磁鐵提供的與重力相反的向上吸力,以及電磁鐵作用在該物體中的永磁鐵上的推力,達(dá)到平衡。
如果物體從平衡點(diǎn)離開(kāi),固定式傳感器檢測(cè)到由于物體中永磁鐵的位置變化引起的場(chǎng)變化。如果該場(chǎng)增強(qiáng)到超過(guò)一個(gè)預(yù)定水平,輸送給電磁鐵的電流增加,隨后,向下推物體的推力增加。依此類推,如果該場(chǎng)減弱到低于一定值,則輸送給電磁鐵的電流減小,推力就減小,使得物體向上拉動(dòng)。
該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于,只需要較少的電能就可以通過(guò)電磁鐵達(dá)到一個(gè)很好的平衡。此外,如果斷電,物體會(huì)向上移動(dòng),而不會(huì)下落。但是,物體和該支撐結(jié)構(gòu)之間的空隙比理論上可能的要小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)低于理論平衡點(diǎn)的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,與動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)高于理論平衡點(diǎn)的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比,物體與支撐架之間的空隙可以增加。
因此,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,提供一種通過(guò)平衡重力和磁力來(lái)支撐物體的裝置,從而不需要對(duì)物體進(jìn)行物質(zhì)支撐,其特征在于,一個(gè)支撐架,其由一個(gè)較高站點(diǎn)和支撐該較高站點(diǎn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成,一個(gè)永磁鐵、一個(gè)電磁鐵和一個(gè)傳感器系統(tǒng)都包含在該較高站點(diǎn)內(nèi),一個(gè)包含有一個(gè)永磁鐵的物體,一個(gè)理論平衡點(diǎn),在該點(diǎn)處物體上受到的重力與由物體上的永磁鐵和該支撐架的較高站點(diǎn)上的永磁鐵之間的相互吸力達(dá)到平衡,一個(gè)低于理論平衡點(diǎn)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn),該點(diǎn)處物體上的重力比理論平衡點(diǎn)處的重力大,其由較高站點(diǎn)上的電磁鐵提供的磁力補(bǔ)償,一個(gè)包括傳感器系統(tǒng)和控制器的反饋電路,用以控制電源輸送給電磁鐵的電流,當(dāng)物體不在動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)上時(shí),使物體移向動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。
此外,優(yōu)選提供一個(gè)機(jī)構(gòu)以避免在停電或斷開(kāi)電路時(shí)物體在重力作用下下落。通過(guò)這種方式,在斷電時(shí),該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仍可以使物體上升或下降。
本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合附圖,通過(guò)下面對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述,將對(duì)本發(fā)明另外的修改、替代、特征和優(yōu)點(diǎn)有更清晰的了解。
圖1為典型的磁懸浮系統(tǒng)的一般表示。
圖2為本發(fā)明的物質(zhì)部件和磁力部件的剖視圖。
圖3顯示現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng),物體被支撐在理論平衡點(diǎn)處。
圖4顯示現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)與被支撐在高于理論平衡點(diǎn)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)處的物體。
圖5顯示本發(fā)明的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。
圖6顯示傳感器和通過(guò)這些傳感器的表示磁通量的線。
圖7為表示磁懸浮控制電路的框圖。
圖8為表示用于檢測(cè)電源斷電和預(yù)防電磁鐵的波動(dòng)的控制電路的方框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為磁懸浮裝置的典型型式。支撐架1分成一個(gè)臺(tái)座2、一個(gè)懸臂3和一個(gè)頭部單元4。這些可以一體構(gòu)造,也可以由幾個(gè)部件組合起來(lái)。物體5懸浮于頭部單元下面。
圖2是圖1所示單元的一個(gè)實(shí)施方案的剖視圖。頭部單元4的內(nèi)部是一個(gè)空心電磁鐵6,該空心電磁鐵6由一個(gè)電源施加電路控制,如后所述。一個(gè)第一永磁鐵9被固定在該電磁鐵的內(nèi)徑范圍內(nèi)。兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器線圈7和8安裝在永磁鐵9的內(nèi)徑范圍內(nèi),在本實(shí)例中其是環(huán)形(ring)或圈形(doughnut)。該電磁鐵的繞組和這兩個(gè)傳感器線圈是同軸的,并且永磁鐵的磁化軸線基本上是垂直的。
頭部單元永磁鐵9選擇圓圈形,使得在該物體被快速吸向頭部單元的情況下,產(chǎn)生負(fù)的磁墊效應(yīng)(passive magnetic cushioning effect)。與具有相同支撐力的平面圓柱形磁鐵相反,圓圈形磁鐵具有較少匯聚的磁通量源(less concentrated source of magnetic flux),并且,在中心孔區(qū)域和其周圍還有一個(gè)相反力區(qū),即推力區(qū)。
該物體包括一個(gè)第二永磁鐵10,其方向設(shè)置為使兩個(gè)永磁鐵9和10相互吸引。
傳感器線圈7和8的作用是通過(guò)合適的信號(hào)調(diào)節(jié)電路來(lái)檢測(cè)永磁鐵10的磁場(chǎng)強(qiáng)度。傳感器7和8可以選擇為任何其它型式,例如霍爾傳感器,磁通門傳感器等。圖2所示的實(shí)施方案中的簡(jiǎn)單的感應(yīng)線圈不受單純的穩(wěn)壓直流電流磁場(chǎng)的影響,包括由永磁鐵9產(chǎn)生的B場(chǎng)。負(fù)線圈的另一優(yōu)點(diǎn)是不需要電源或激勵(lì)信號(hào)。
圖3闡明理論平衡點(diǎn)的概念。在該理論示例中,電磁鐵是斷開(kāi)的。B場(chǎng)檢測(cè)裝置未畫出,永磁鐵9是一簡(jiǎn)單的圓柱體。由兩個(gè)永磁鐵9和10之間的吸力產(chǎn)生的向上力F1被作用在物體5上的重力產(chǎn)生的加速度提供的向下力F2精確地平衡。
在正常狀態(tài)下,供給電磁鐵的電源通常是斷開(kāi)的,該情況下提供一種利用理論平衡點(diǎn)使一個(gè)物體懸浮的磁懸浮單元是不切實(shí)際的。對(duì)靜止永磁鐵的磁場(chǎng)的進(jìn)行數(shù)學(xué)處理,可以證明穩(wěn)定的平衡點(diǎn)是不可能存在的。這個(gè)通過(guò)直覺(jué)就可以理解,觀察到首先將一個(gè)物體準(zhǔn)確地放置在某一位置而不帶任何殘余的運(yùn)動(dòng)或作用在該物體上的力是非常困難的。第二,周圍環(huán)境的磁場(chǎng)干擾或波動(dòng),以及重力場(chǎng)或物體的任意些微的移動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致物體上向上力的增加或減小。初始向上運(yùn)動(dòng)使得物體上的磁鐵移向高處的磁鐵。相反,初始向下運(yùn)動(dòng)通常使重力大于向上的磁拉力的減小量,因此物體下落。
圖4顯示應(yīng)用鐵磁通量線聚能器9a和10a的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng),通過(guò)其建立一個(gè)稍稍高于理論平衡點(diǎn)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。為了抵消兩個(gè)永磁鐵9和10之間增加的吸力,產(chǎn)生一個(gè)很小的電流流過(guò)電磁鐵的線圈,在該電磁鐵和物體5的第二永磁鐵10之間產(chǎn)生一個(gè)推力。該系統(tǒng)中,由永磁鐵9和10之間的吸力產(chǎn)生的向上力F3被向下力的總和F2平衡。該向下力的總和F2是重力以及電磁鐵6和第二永磁鐵10之間的推力F4之和。
簡(jiǎn)言之,即F1=F2形成理論平衡點(diǎn)。
F3=F2+F4形成動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。
仍參照?qǐng)D4,可理解,穩(wěn)態(tài)下最好需要一小電流流過(guò)電磁鐵6的線圈以保持推力F4。如果由于某一原因穩(wěn)態(tài)狀態(tài)收到干擾,物體可能會(huì)從動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)向上或向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體向上運(yùn)動(dòng)時(shí),由物體中的第二永磁鐵10產(chǎn)生的場(chǎng)(由未示出的傳感器裝置檢測(cè))增強(qiáng)。當(dāng)該場(chǎng)增強(qiáng)到一定值時(shí),通過(guò)電磁鐵的電流增大,因此增加推力,推動(dòng)物體向下運(yùn)動(dòng)回到動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。相反,當(dāng)物體向下運(yùn)動(dòng)時(shí),由傳感器裝置檢測(cè)到的場(chǎng)減弱。當(dāng)該場(chǎng)的減弱滿足預(yù)定條件時(shí),通過(guò)電磁鐵的電流減小,使得電磁鐵6和磁鐵10之間的推力降低,物體在永磁鐵9和10之間的吸力以及電磁鐵6的共同影響下重新回到動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。
因此,可以看出,通過(guò)一個(gè)恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng),物體可以無(wú)限期地基本懸浮于動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。值得注意的是,在該狀態(tài)下,如果供給電磁鐵6的電源突然由于意外情況,比如主電源的中斷,或使用者故意切斷單元的電源而斷電,除了物體只受到向下力或斷電時(shí)該物體正處于理論平衡點(diǎn)之下的情況,其它所有情況中,該物體總會(huì)向上運(yùn)動(dòng),在永磁鐵9和10的吸力下??吭陬^部單元處。
圖5本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖,其中動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)位于理論平衡點(diǎn)之下。該情況下,通過(guò)電磁鐵6的繞組的電流流向與圖4中電流方向相反的方向,在該電磁鐵和該物體上的永磁鐵10之間產(chǎn)生吸力F5。圖中,電磁鐵6位于圓圈型永磁鐵9的內(nèi)徑內(nèi),作為圖2幾何形狀的一種替換型式的例子。并且,傳感線圈7和8以示例方式位于永磁鐵9的外徑周圍。
因?yàn)槲矬w距離5包含有永磁鐵9的頭部單元4更遠(yuǎn),永磁鐵9和10之間的吸力F6小于圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)示例中的吸力。這種情況下,動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)由下式形成F5+F6=F2其中F2表示作用于該物體的重力。
本發(fā)明的該實(shí)施方案中,流過(guò)電磁鐵的繞組的控制系統(tǒng)基本上是相同的,除了當(dāng)物體位于動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)之下(即開(kāi)始下落)時(shí),電流增加使物體重新保持動(dòng)態(tài)平衡,以及,當(dāng)物體高于動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)時(shí),電流減小。如果物體移動(dòng)到理論平衡點(diǎn)之上,通過(guò)電磁鐵的電流相反,使得電磁鐵排斥物體。
可以看出,磁懸浮系統(tǒng)的這個(gè)實(shí)施方案中,如果斷電,物體通常會(huì)下落,除了其已被施加向上力或當(dāng)時(shí)其處于理論平衡點(diǎn)之上。
圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的傳感器的布置。磁場(chǎng)傳感線圈7和8是由很多圈金屬線纏繞在空心線圈上,它們環(huán)繞垂直軸z軸,線圈8處于線圈7的正上方。如圖2和圖5所示,其優(yōu)選闡明兩個(gè)可能的實(shí)施方案。磁通量B的磁力線是由未示出的磁場(chǎng)源,包括物體上的永磁鐵、高處的頭部單元的永磁鐵,頭部單元的電磁鐵以及環(huán)境放出的。圖中,這些磁力線通過(guò)每一傳感線圈的內(nèi)部區(qū)域,當(dāng)磁通量的大小發(fā)生變化時(shí)就產(chǎn)生感應(yīng)電壓V7和V8。該感應(yīng)電壓與顯示的反串聯(lián)連接有關(guān)。因此,相應(yīng)于磁場(chǎng)變化量間的差,該傳感器布置可以作為重力梯度儀。即,如果傳感器7和8顯示相同,則變化場(chǎng)V7與V8相同,并且差值輸出為0。但是,物體上的永磁鐵10對(duì)傳感器7的影響大于對(duì)傳感器8產(chǎn)生的影響,這是因?yàn)槠渚嚯x7更近。因此,存在凈感應(yīng)電壓輸出。
圖7描述了使物體以懸浮狀態(tài)保持在理論平衡點(diǎn)下面的控制電路。其總的功能可以通過(guò)模擬電路或編制在數(shù)字信號(hào)處理器IC或微處理器IC上運(yùn)行的數(shù)值處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以由此推導(dǎo)出合理的數(shù)字/模擬的輸入/輸出轉(zhuǎn)換。
傳感器信號(hào)V7和V8輸入到一個(gè)差分放大器20中,該差分放大器的輸出通過(guò)泄漏積分器21(leaky integrator)進(jìn)行積分,以將具有交流特性的傳感器感應(yīng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有大約20秒的常量損失的準(zhǔn)直流信號(hào)。來(lái)自積分器21的一部分信號(hào)通過(guò)求和模塊23與一個(gè)時(shí)間微分部分微分器22的輸出加起來(lái),產(chǎn)生物體的位置和速度信號(hào)。微分放大器24的一個(gè)輸入是由求和模塊23的輸出給予的。該微分放大器的輸出輸入到一個(gè)功率放大控制器25,該功率放大控制器執(zhí)行一個(gè)根據(jù)物體位置和速度狀況的人們熟知的算法。該功率放大控制器25驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率放大器26激勵(lì)電磁鐵6使其具有一個(gè)適當(dāng)大小和方向的恢復(fù)力電流,以使物體保持懸浮狀態(tài)。該功率放大器可以是任何已有型式,例如雙極雙供應(yīng)或單供應(yīng)H橋式。其中每一種型式可以將用線形方式或使其通過(guò)脈沖寬度調(diào)制控制來(lái)改變電流。穿過(guò)電磁鐵6的低頻微分電壓的變化,例如低于30Hz由微分放大器27檢測(cè)到,其輸出被輸入給泄露積分器28。積分器28的時(shí)間常量比積分器21的時(shí)間常量長(zhǎng),在求和模塊29中與一個(gè)直流偏差水平求和。這樣,模塊29的輸出將電磁鐵6中的電流的參考水平設(shè)置為系統(tǒng)確定的水平。如果直流偏差為0,則懸浮的物體會(huì)以非常小的波動(dòng)保持在距離理論平衡點(diǎn)非常近的位置。一個(gè)極性的直流偏差常量使得系統(tǒng)置于高于理論平衡點(diǎn)的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)處。相反的極性使得動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)優(yōu)選處于低于理論平衡點(diǎn)的一個(gè)位置。
圖8描述根據(jù)本發(fā)明的控制電路。該控制電路對(duì)斷電情況發(fā)出預(yù)告,并且使通過(guò)電磁鐵6的電流充分增大以確保物體立即被向上拉動(dòng),直到靜止靠在頭部單元上。交流主干線的電源電壓通過(guò)系統(tǒng)供電變壓器30逐漸降低。在一個(gè)輸入主系統(tǒng)電源的附加模塊中,逐漸降低的交流電源被一個(gè)快速典型的40Hz低通濾波器31整流和濾波。因此,交流電功率的突然降低或損失會(huì)導(dǎo)致比較器32的正輸入處的整流直流水平降低到當(dāng)前比較器32的負(fù)輸入端的直流常量閾值之下。因此,比較器32的輸出降低以提供一個(gè)斷電檢測(cè)邏輯信號(hào)。應(yīng)用典型的大時(shí)間常量波動(dòng)濾波器的系統(tǒng)電源仍然有時(shí)間對(duì)交流電主干線的損失作出響應(yīng)。斷電檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)功率放大控制器25,使電磁鐵6的吸力電流立即增加其滿值的1/4,從而拉動(dòng)具有磁鐵10的物體向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體高于理論平衡點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)電源和電磁鐵6可以完全沒(méi)有電,而保證物體在克服重力的負(fù)的磁吸力的作用下保持向上的運(yùn)動(dòng)。
凡不脫離本發(fā)明的精神和基本特征的各種型式都屬于本發(fā)明范圍內(nèi),本申請(qǐng)所公布的各實(shí)施方案被認(rèn)為是描述性而非限制性的,本發(fā)明的范圍不由前面的描述確定,而是由所附的權(quán)利要求確定。所有在本發(fā)明權(quán)利要求范圍和含義之內(nèi)的各種變化均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)使磁力和重力保持平衡而不需要物質(zhì)支撐的支撐物體的裝置,其特征在于,其包括一個(gè)由一個(gè)較高站點(diǎn)和支撐較高站點(diǎn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成的支撐架;完全包含在較高站點(diǎn)內(nèi)的一個(gè)永磁鐵、一個(gè)電磁鐵和一個(gè)傳感器系統(tǒng);一個(gè)包含有永磁鐵的物體;一理論平衡點(diǎn),在該點(diǎn)物體上的永磁鐵和支撐架的較高站點(diǎn)上的永磁鐵之間的吸力與物體的重力保持平衡;一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn),其在理論平衡點(diǎn)之下,該處物體上的永磁鐵和該較高站點(diǎn)上的永磁鐵之間的吸力小于理論平衡點(diǎn)處的二者之間的吸力,該吸力由較高站點(diǎn)的電磁鐵提供的磁力補(bǔ)償;一個(gè)包括一個(gè)傳感器系統(tǒng)和控制器的反饋電路,其控制電源提供給電磁鐵的電流,當(dāng)物體處于非動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)的任何位置時(shí),使物體向動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)運(yùn)動(dòng);其中該裝置還包括一個(gè)用于檢測(cè)供給電能損失的第二電路,通過(guò)向電磁鐵提供足夠的電流使該反饋電流和/或第二電路對(duì)檢測(cè)到的電能損失作出響應(yīng),拉動(dòng)該物體向上運(yùn)動(dòng),高出理論平衡點(diǎn),這樣,如果電源完全斷掉,該物體則??吭谳^高站點(diǎn)附近。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置,其特征在于,當(dāng)該物體處于動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)之下時(shí),該反饋電路能夠增加輸送給電磁鐵的電流,以使物體向上運(yùn)動(dòng),反之,當(dāng)該物體處于動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)之上時(shí),該反饋電路能夠減小輸送給電磁鐵的電流,以使物體向下運(yùn)動(dòng)。
3.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置,其特征在于,包含在較高站點(diǎn)中的永磁鐵是環(huán)形的,并且軸線基本上是垂直的。
4.如前面任一權(quán)利要求所述的裝置,其特征在于,傳感器系統(tǒng)包括兩個(gè)線圈,具有基本上垂直的公共軸線。
5.如從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于,該傳感器線圈布置在環(huán)形永磁鐵的內(nèi)側(cè)。
6.如從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4所述的裝置,其特征在于,該傳感器線圈布置在環(huán)形永磁鐵的外側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)使磁力和重力保持平衡而不需要物質(zhì)支撐的支撐物體的裝置,其包括一個(gè)由一個(gè)較高站點(diǎn)和支撐較高站點(diǎn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成的支撐架,完全包含在較高站點(diǎn)內(nèi)的一個(gè)永磁鐵、一個(gè)電磁鐵和一個(gè)傳感器系統(tǒng),一個(gè)包含有永磁鐵的物體,一理論平衡點(diǎn),一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn),其在理論平衡點(diǎn)之下,一個(gè)反饋電路,其中該裝置還包括一個(gè)用于檢測(cè)供給電能損失的第二電路,通過(guò)向電磁鐵提供足夠的電流使該反饋電流和/或第二電路對(duì)檢測(cè)到的電能損失作出響應(yīng),拉動(dòng)該物體向上運(yùn)動(dòng),高出理論平衡點(diǎn),這樣,如果電源完全斷掉,該物體則??吭谳^高站點(diǎn)附近。
文檔編號(hào)H02N15/00GK1481068SQ03142900
公開(kāi)日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2003年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月18日
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