DE10304587A1 - Magnetic field generating system with two dimensional winding arrangement e.g. for industrial robots, has winding connection line of each winding joined to coupling element for compensating mechanically conditioned deviations - Google Patents

Magnetic field generating system with two dimensional winding arrangement e.g. for industrial robots, has winding connection line of each winding joined to coupling element for compensating mechanically conditioned deviations Download PDF

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Abstract

A magnetic field generating system has a two dimensional winding arrangement with windings (1,2) to which are connected feed circuits (6,7) via winding connecting lines (8-11). At least one winding connection line of each winding is connected to one coupling element (12) which compensates for the mechanically conditioned deviations from an ideal, coupling-free arrangement in an electronic or electrical manner.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetfelderzeugungssystem mit einer mindestens zweidimensionalen Wicklungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a Magnetic field generation system with an at least two-dimensional Winding arrangement according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl drahtloser Sensoren und/oder Aktoren (drahtlos sowohl hinsichtlich Energieversorgung als auch hinsichtlich Kommunikation) verwendet werden, welches in einer Maschine oder Anlage, beispielsweise Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat installiert ist. Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren, Temperaturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder Spannungsmesssensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren verwendet werden.The invention can for example in a system with a large number of wireless sensors and / or Actuators (wireless both with regard to energy supply and with regard to communication), which is used in a machine or plant, for example industrial robots, manufacturing machine or production machine is installed. As sensors or actuators can Proximity switches / proximity sensors, Temperature measuring sensors, pressure measuring sensors, current measuring sensors or voltage measuring sensors or micromechanical, piezoelectric, electrochemical, magnetostrictive, electrostatic or electromagnetic actuators can be used.

In der DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von drahtlosen Näherungssensoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen, wobei

  • – jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
  • – wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste, ein Magnetfeld erzeugende Primärwicklung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vorgesehen ist,
  • – und wobei jeder Näherungssensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Basisstation abgibt.
In the DE 199 26 799 A1 proposes a system for a machine having a plurality of wireless proximity sensors, in particular a production machine, wherein
  • Each proximity sensor has at least one secondary winding suitable for absorbing energy from a medium-frequency magnetic field,
  • At least one primary winding fed by a medium-frequency oscillator and generating a magnetic field is provided for the wireless supply of the proximity sensors with electrical energy,
  • - And wherein each proximity sensor is equipped with a transmitting device which transmits radio signals containing the sensor information of interest to a central base station connected to a process computer of the machine.

Die erforderliche Primärwicklung umfasst eine relativ große Fläche und besteht vielfach nur aus wenigen Windungen, gegebenenfalls aus einer einzigen Windung. Bei diesem drahtlosen System entfällt im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit Draht/Kabelanschluss zur elektrischen Energieversorgung und zur Kommunikation der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor der Draht/Kabelanschlüsse. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.The required primary winding includes a relatively large area and often consists of only a few turns, possibly from a single turn. In comparison with this wireless system to conventional solutions with wire / cable connection for electrical power supply and for communication through planning, material, installation, documentation and maintenance-related relatively high cost factor of the wire / cable connections. It can no failures due to cable breaks or bad, for example corroded contacts occur.

In der DE 199 26 562 A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, ein Aktor und eine Primärwicklung hierzu sowie ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen, wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energieversorgung und Kommunikation gleichartig der vorstehend für die DE 199 26 799 A1 angegebenen Technologie ist.In the DE 199 26 562 A1 A method and an arrangement for the wireless supply of a plurality of actuators with electrical energy, an actuator and a primary winding therefor as well as a system for a machine having a plurality of actuators are proposed, the proposed technology with regard to energy supply and communication being similar to that for the above DE 199 26 799 A1 specified technology.

In der DE 102 09 656 A1 werden ein Magnetfelderzeugungssystem und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit einem Magnetfeldversorgungssystem vorgeschlagen. Das Magnetfelderzeugungssystem besitzt eine zweidimensionalen Wicklungsanordnung mit zwei orthogonal zueinander angeordneten, eine Maschine oder Anlage umschließenden Wicklungen, deren Wicklungsachsen senkrecht aufeinander stehen und die über zwei Einspeiseschaltungen mit Wechselgrößen versorgt werden. Zur Erzeugung eines zweidimensionalen, rotierenden Magnetfeldes weisen die beiden Wechselgrößen gleiche Frequenz, ähnliche Stromamplituden und ähnliche Spannungsamplituden auf und sind miteinander synchronisiert. Es wird eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 90° zwischen der Wechsel größe der ersten Einspeiseschaltung und der Wechselgröße der zweiten Einspeiseschaltung eingestellt.In the DE 102 09 656 A1 A magnetic field generation system and an arrangement for wireless supply of a plurality of sensors and / or actuators with a magnetic field supply system are proposed. The magnetic field generation system has a two-dimensional winding arrangement with two windings arranged orthogonally to one another and enclosing a machine or system, the winding axes of which are perpendicular to one another and which are supplied with alternating quantities via two feed circuits. To generate a two-dimensional, rotating magnetic field, the two alternating variables have the same frequency, similar current amplitudes and similar voltage amplitudes and are synchronized with one another. There is a phase shift of preferably 90 ° between the change size of the first feed circuit and the change size of the second feed circuit.

Des weiteren werden alternative Ausführungsformen zur Erzeugung eines dreidimensionalen Magnetfeldes sowie eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit einem Magnetfelderzeugungssystem vorgeschlagen.Furthermore, alternative embodiments for generating a three-dimensional magnetic field and an arrangement for wireless supply of a large number of sensors and / or actuators proposed with a magnetic field generation system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetfelderzeugungssystem mit einer mindestens zweidimensionalen Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe auch bei nicht idealer, kopplungsfreier Anordnung (nicht exakt orthogonaler Konfiguration) der das Magnetfeld erzeugenden Wicklungen die Magnetfelderzeugung in optimaler und wirtschaftlicher Art und Weise erfolgt.The invention is based on the object Magnetic field generation system with an at least two-dimensional Specify winding arrangement of the type mentioned, with its Help even with non-ideal, coupling-free arrangement (not exact orthogonal configuration) of the windings generating the magnetic field Magnetic field generation in an optimal and economical way he follows.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is linked with the features of the preamble according to the invention solved the features specified in the characterizing part of claim 1.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine exakt orthogonale Ausrichtung der das Magnetfeld erzeugenden Wicklungen nicht erforderlich ist, was die Montageanforderungen erleichtert. Die Einspeiseschaltungen der Wicklungen produzieren keine unnötigen Verluste, des gleichen ist eine Überdimensionierung dieser Einspeiseschaltungen nicht erforderlich, was zu einer Reduzierung der Kosten führt.The achievable with the invention The main advantages are that it is exactly orthogonal Alignment of the windings generating the magnetic field is not necessary is what facilitates the assembly requirements. The feed circuits of the windings do not produce unnecessary losses, the same is oversizing this Feed circuits are not required, resulting in a reduction the cost.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.Further advantages are from the description below seen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the Invention are in the subclaims characterized.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below of the embodiments illustrated in the drawing. It demonstrate:

1 eine Grundausführung eines Magnetfelderzeugungssystems mit Kopplungselement, 1 a basic version of a magnetic field generation system with a coupling element,

2 ein magnetisches Kopplungselement in Form eines Transformators, 2 a magnetic coupling element in the form of a transformer,

3 ein magnetisches Kopplungselement in Form eines Sättigungstransformators, 3 a magnetic coupling element in the form of a saturation transformer,

4, 5 unterschiedliche Ausführungsformen mit kapazitiven Kopplungselementen. 4 . 5 different embodiments with capacitive coupling elements.

In 1 ist eine Grundausführung eines Magnetfelderzeugungssystems mit Kopplungselement dargestellt. Es sind zwei Wicklungen 1, 2 einer zweidimensionalen (bzw. dreidimensionalen), eine Maschine oder Anlage 3 umschließenden Wicklungsanordnung zu erkennen, wobei die Wicklungsachsen 4 bzw. 5 der Wicklungen 1 bzw. 2 senkrecht zueinander angeordnet sind sowie Einspeiseschaltungen 6, 7 zur Energieversorgung der Wicklungen 1, 2 dienen und an Wicklungsanschlussleitungen 8, 9, 10, 11 der Wicklungen 1, 2 angeschlossen sind.In 1 a basic version of a magnetic field generation system with a coupling element is shown. There are two windings 1 . 2 a two-dimensional (or three-dimensional), a machine or system 3 enclosing winding arrangement to recognize, the winding axes 4 respectively. 5 of the windings 1 or 2 are arranged perpendicular to each other and feed circuits 6 . 7 for the energy supply of the windings 1 . 2 serve and on winding connection lines 8th . 9 . 10 . 11 of the windings 1 . 2 are connected.

In der Praxis ist es sehr schwierig, die in 1 gezeigten Wicklungen 1, 2 ideal und kopplungsfrei (exakt orthogonal) zueinander auszurichten. Folglich treten störende Kopplungen zwischen den einzelnen Wicklungen 1, 2 auf. Diese Kopplung führt dazu, dass Energie zwischen den beiden felderzeugenden Systemen fließt. Zum Ausgleich müssten die Einspeiseschaltungen 6, 7 der Wicklungen 1, 2 mit zusätzlichen Leistungsreserven (Spannungsreserven) ausgelegt werden, was zusätzliche Kosten erfordern würde.In practice it is very difficult to get into 1 shown windings 1 . 2 to align ideally and without coupling (exactly orthogonal) to each other. As a result, interfering couplings occur between the individual windings 1 . 2 on. This coupling leads to energy flowing between the two field-generating systems. The feeder circuits would have to compensate 6 . 7 of the windings 1 . 2 be designed with additional power reserves (voltage reserves), which would require additional costs.

Die erfinderische Idee besteht darin, mechanisch bedingte, unerwünschte Abweichungen zwischen den orthogonalen Positionen der Wicklungen 1, 2 auf elektronische Art und Weise zu kompensieren.The inventive idea consists of mechanically induced, undesirable deviations between the orthogonal positions of the windings 1 . 2 to compensate electronically.

Zur Lösung wird ein an zumindest zwei Wicklungsanschlussleitungen anzuschließendes. Kopplungselement 12 vorgeschlagen. Dieses Kopplungselement 12 kompensiert die mechanisch bedingten, an sich unerwünschten Abweichungen der Wicklungen 1, 2 von ihren idealen Positionen auf elektronische Art und Weise. Prinzipiell sind für die Kompensation mehrere verschiedenartige, nachfolgend in den 2 bis 5 vorgestellte Ausführungsformen eines Kopplungselementes möglich.The solution is one to be connected to at least two winding connection lines. coupling element 12 proposed. This coupling element 12 compensates for the mechanically caused, undesirable deviations of the windings 1 . 2 from their ideal positions electronically. In principle, there are several different types of compensation, hereinafter referred to as 2 to 5 presented embodiments of a coupling element possible.

In 2 ist als Kopplungselement ein magnetisches Kopplungselement in Form eines Transformators dargestellt. Dabei sind die Wicklungsanschlussleitungen 10, 8 der Wicklungen 1, 2 mit Wicklungen 15, 16 eines Transformators mit zweiteiligem, O-förmigem Transformatorkern verbunden. Die gewünschte Kopplung wird durch den einstellbaren Luftspalt 17 des aus zwei U-förmigen Kernhälften 13, 14 zusammengesetzten, jeweils eine Wicklung 15, 16 tragenden Transformatorkems vorgegeben. Die Verstellung des Luftspaltes 17 kann beispielsweise automatisch unter Verwendung eines von einer Regelung angesteuerten Motors oder eines Piezoelementes (Umwandlung elektrischer Impulse in mechanische Bewegung) erfolgen.In 2 a magnetic coupling element in the form of a transformer is shown as the coupling element. Here are the winding connection lines 10 . 8th of the windings 1 . 2 with windings 15 . 16 a transformer connected to a two-part, O-shaped transformer core. The desired coupling is made possible by the adjustable air gap 17 of two U-shaped core halves 13 . 14 composite, one winding each 15 . 16 carrying transformer cores. The adjustment of the air gap 17 can, for example, take place automatically using a motor controlled by a control system or a piezo element (conversion of electrical pulses into mechanical movement).

Die Richtung der Kopplung wird durch die Anschlüsse der Wicklungen 15, 16 auf den beiden U-förmigen Kernhälften des Transformators vorgegeben. Eine Änderung der Kopplungsrichtung wird z. B. durch Verdrehen einer bewickelten Kernhälfte um 180° oder durch Umpolen (Umschaltung) von Wicklungsanschlüssen der Wicklungen 15, 16 bewirkt. Die Umschaltung kann durch Relais oder Halbleiterschalter erfolgen.The direction of the coupling is determined by the connections of the windings 15 . 16 specified on the two U-shaped core halves of the transformer. A change in the coupling direction is e.g. B. by rotating a wound core half by 180 ° or by reversing the polarity (switching) of winding connections of the windings 15 . 16 causes. Switching can be done by relays or semiconductor switches.

In 3 ist als Kopplungselement ein magnetisches Kopplungselement in Form eines Sättigungstransformators dargestellt. Dabei sind die Wicklungsanschlussleitungen 10, 8 der Wicklungen 1, 2 mit Wicklungen 15, 16 eines Transformators verbunden. Die gewünschte Kopplung wird durch einen Transformator mit EI-förmigem Dreischenkelkern 18 eingestellt, wobei die beiden Wicklungen 15, 16 auf den beiden Außenschenkeln des Transformatorkerns und eine Sättigungswicklung 19 auf dem Mittelschenkel des Transformatorkerns angeordnet sind. Die Sättigungswicklung 19 ist an eine Trafo-Einspeiseschaltung 20 angeschlossen, mit welcher der Strom durch die Sättigungswicklung 19 in Abhängigkeit der vorzugebenden Kopplung eingestellt wird.In 3 a magnetic coupling element in the form of a saturation transformer is shown as the coupling element. Here are the winding connection lines 10 . 8th of the windings 1 . 2 with windings 15 . 16 connected to a transformer. The desired coupling is achieved using a transformer with an EI-shaped three-legged core 18 set, the two windings 15 . 16 on the two outer legs of the transformer core and a saturation winding 19 are arranged on the middle leg of the transformer core. The saturation winding 19 is connected to a transformer feed circuit 20 connected with which the current through the saturation winding 19 is set depending on the coupling to be specified.

In den 4 und 5 sind kapazitive Kopplungselemente als Kopplungselemente dargestellt. Gemäß einer in 4 gezeigten ersten (unsymmetrischen) Variante einer kapazitiven Kopplung sind zwei Wicklungsanschlussleitungen 11, 8 beider Wicklungen 1, 2 miteinander verbunden, während zwischen den beiden weiteren Wicklungsanschlussleitungen 10, 9 eine stufenlos oder in Stufen einstellbare Kapazität 21 als Kopplungselement geschaltet ist. Der Kapazitätswert der einstellbaren Kapazität 21 wird mit Hilfe einer Ansteuereinrichtung 22 in Abhängigkeit der vorzugebenden Kopplung einstellt.In the 4 and 5 capacitive coupling elements are shown as coupling elements. According to one in 4 The first (asymmetrical) variant of a capacitive coupling shown are two winding connection lines 11 . 8th both windings 1 . 2 connected to each other while between the two other winding connection lines 10 . 9 a capacity that can be adjusted continuously or in stages 21 is connected as a coupling element. The capacity value of the adjustable capacity 21 is using a control device 22 depending on the coupling to be specified.

Gemäß einer in 5 gezeigten zweiten (symmetrischen) Variante ist jeweils zwischen zwei Wicklungsanschlussleitungen 10, 9 bzw. 11, 8 der Wicklungen 1, 2 eine stufenlos oder in Stufen einstellbare Kapazität 21 bzw. 23 als Kopplungselement geschaltet. Der Kapazitätswert beider einstellbaren Kapazitäten 21, 23 wird mit Hilfe einer Ansteuereinrichtung 22 in Abhängigkeit der vorzugebenden Kopplung einstellt.According to one in 5 The second (symmetrical) variant shown is between two winding connection lines 10 . 9 respectively. 11 . 8th of the windings 1 . 2 a capacity that can be adjusted continuously or in stages 21 respectively. 23 switched as a coupling element. The capacity value of both adjustable capacities 21 . 23 is using a control device 22 depending on the coupling to be specified.

11
erste Wicklung eines orthogonalen Wicklungssystemsfirst Winding an orthogonal winding system
22
zweite Wicklung eines orthogonalen Wicklungssystemssecond Winding an orthogonal winding system
33
Maschine oder Anlagemachine or facility
44
Wicklungsachse der ersten Wicklungwinding axis the first winding
55
Wicklungsachse der zweiten Wicklungwinding axis the second winding
66
Einspeiseschaltung inklusive Resonanzkondensator für 1. Wicklungfeed circuit including resonance capacitor for 1st winding
77
Einspeiseschaltung inklusive Resonanzkondensator für 2. Wicklungfeed circuit including resonance capacitor for 2nd winding
88th
WicklungsanschlussleitungWinding lead
99
WicklungsanschlussleitungWinding lead
1010
WicklungsanschlussleitungWinding lead
1111
WicklungsanschlussleitungWinding lead
1212
Kopplungselementcoupling element
1313
U-förmige Kernhälfte eines O-förmigen TransformatorkernesU-shaped core half of a O-shaped transformer core
1414
U-förmige Kernhälfte eines O-förmigen TransformatorkernesU-shaped core half of a O-shaped transformer core
1515
Wicklungwinding
1616
Wicklungwinding
1717
Luftspaltair gap
1818
DreischenkelkernThree-limb core
1919
Sättigungswicklungsaturation winding
2020
Trafo-EinspeiseschaltungTransformer supply circuit
2121
einstellbare Kapazitätadjustable capacity
2222
Ansteuereinrichtungdriving
2323
einstellbare Kapazitätadjustable capacity

Claims (7)

Magnetfelderzeugungssystem mit einer mindestens zweidimensionalen Wicklungsanordnung mit mindestens zwei im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichteten Wicklungen (1, 2), an welche Einspeiseschaltungen (6, 7) über Wicklungsanschlussleitungen (8, 9, 10, 11) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wicklungsanschlussleitung einer jeden Wicklung an ein Kopplungselement (12) angeschlossen ist, welches die mechanisch bedingten Abweichungen von einer idealen, kopplungsfreien Anordnung auf elektronische bzw. elektrische Art und Weise kompensiert.Magnetic field generation system with an at least two-dimensional winding arrangement with at least two windings oriented essentially orthogonally to one another ( 1 . 2 ) to which supply circuits ( 6 . 7 ) via winding connection lines ( 8th . 9 . 10 . 11 ) are connected, characterized in that at least one winding connection line of each winding to a coupling element ( 12 ) is connected, which compensates for the mechanically induced deviations from an ideal, coupling-free arrangement in an electronic or electrical manner. Magnetfelderzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kopplungselement ein magnetisches Kopplungselement in Form eines Transformators eingesetzt ist, wobei jeweils eine Wicklungsanschlussleitung zwischen einer Einspeiseschaltung und einer Wicklung (1, 2) des orthogonalen Wicklungssystems über eine Wicklung (15, 16) dieses Transformators geführt ist und wobei diese Wicklungen (15, 16) einen gemeinsamen Kern (13 + 14, 18) aufweisen.Magnetic field generation system according to claim 1, characterized in that a magnetic coupling element in the form of a transformer is used as the coupling element, wherein in each case a winding connection line between a feed circuit and a winding ( 1 . 2 ) of the orthogonal winding system via a winding ( 15 . 16 ) this transformer is guided and where these windings ( 15 . 16 ) a common core ( 13 + 14 . 18 ) exhibit. Magnetfelderzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Kopplung zwischen den Wicklungen (15, 16) des Transformators durch mindestens einen einstellbaren Luftspalt (17) des Kerns (13 + 14) vorgegeben ist.Magnetic field generation system according to claim 2, characterized in that the desired coupling between the windings ( 15 . 16 ) of the transformer by at least one adjustable air gap ( 17 ) of the core ( 13 + 14 ) is specified. Magnetfelderzeugungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (17) automatisch mittels eines Motors eingestellt wird.Magnetic field generation system according to claim 3, characterized in that the air gap ( 17 ) is set automatically by means of a motor. Magnetfelderzeugungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (17) automatisch mittels eines Piezoelementes eingestellt wird.Magnetic field generation system according to claim 3, characterized in that the air gap ( 17 ) is automatically set using a piezo element. Magnetfelderzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sättigungstransformator vorgesehen ist, welcher eine an eine Trafo- Einspeiseschaltung (20) angeschlossene Sättigungswicklung (19) aufweist, wobei die gewünschte Kopplung zwischen den Wicklungen (15, 16) des Transformators durch den Strom durch diese Sättigungswicklung (19) einstellbar ist.Magnetic field generation system according to claim 2, characterized in that a saturation transformer is provided, which is connected to a transformer feed circuit ( 20 ) connected saturation winding ( 19 ), the desired coupling between the windings ( 15 . 16 ) of the transformer by the current through this saturation winding ( 19 ) is adjustable. Magnetfelderzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kopplungselement ein kapazitives Kopplungselement in Form mindestens einer über eine Ansteuereinrichtung (22) in Stufen oder stufenlos einstellbaren Kapazität (21, 23) eingesetzt ist.Magnetic field generation system according to claim 1, characterized in that as a coupling element, a capacitive coupling element in the form of at least one via a control device ( 22 ) in steps or infinitely adjustable capacity ( 21 . 23 ) is used.
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