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Title:
CENTRIFUGAL PUMP UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/071818
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a centrifugal pump unit comprising at least one impeller mounted inside a pump case, a pump shaft (3) that passes through the pump housing (1), and comprising a drive (2) that adjoins the pump case (1). A drive rotor (4) equipped with permanent magnets (6) is attached to the pump shaft (3) in the vicinity of the drive (2), and external drive elements (5) transfer a turning moment to the drive rotor (4). The drive rotor (4), while serving as an identical part for external drive elements (5), is provided in the form of a permanently excited external magnet coupling half, in the form of a hysteresis coupling half containing hysteresis materials or in the form of an engine stator having a winding that generates a rotating field.

Inventors:
HUTH GERHARD (DE)
GROESCHEL JUERGEN (DE)
GREILACH PETER (DE)
KOEHLER BERND (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/000148
Publication Date:
August 04, 2005
Filing Date:
January 11, 2005
Export Citation:
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Assignee:
KSB AG (DE)
HUTH GERHARD (DE)
GROESCHEL JUERGEN (DE)
GREILACH PETER (DE)
KOEHLER BERND (DE)
International Classes:
H02K5/128; H02K49/06; H02K49/10; (IPC1-7): H02K5/128; H02K49/06; H02K49/10
Foreign References:
EP1085213A22001-03-21
DE20315241U12003-12-24
US5831364A1998-11-03
EP0711019A11996-05-08
US5708313A1998-01-13
US20030011262A12003-01-16
DE10036555A12002-02-07
DE3429813A11986-02-27
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 04 30 April 1999 (1999-04-30)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 007, no. 027 (E - 156) 3 February 1983 (1983-02-03)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 167 (E - 610) 19 May 1988 (1988-05-19)
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Claims:
Patentansprüche
1. Kreiselpumpenaggregat, mit mindestens einem innerhalb eines Pumpengehäu ses angeordneten Laufrad, einer das Pumpengehäuse (1) durchdringenden Pumpenwelle (3) und einem an das Pumpengehäuse (1) angrenzenden Antrieb (2), auf der Pumpenwelle (3) ist ein mit Dauermagneten (6) bestückter Antriebs rotor (4) befestigt und äußere Antriebselemente (5) übertragen ein Drehmoment auf den Antriebsrotor (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsrotor (4) als ein Gleichteil für äußere Antriebselemente (5) in Form einer permanent er regten äußeren Magnetkupplungshälfte, in Form einer Hysteresewerkstoffe aufweisenden Hysteresekupplungshälfte oder in Form eines Motorständers mit einer ein Drehfeld erzeugenden Wicklung ausgebildet ist.
2. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass An triebsrotor (4) und eine damit verbundene Pumpenwelle (2) als ein Gleichteil ausgebildet sind.
3. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsrotor (4) zylinderförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet ist.
4. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Antriebselement (2) hohlzylinderförmig und/oder scheibenförmig ausge bildet ist.
5. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass der Antriebsrotor (4) an seiner dem äußeren Antriebselement (2) zugekehrten Fläche mit SeltenerdDauermagneten (6) bestückt ist.
6. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den SeltenerdDauermagneten (6) ausgeführte Polzahl 2p der Grundpolzahl des äußeren Antriebselementes (2) entspricht.
7. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 16, dadurch gekenn zeichnet, dass die Dauermagnete und/oder der Antriebsrotor (4) von einer Hül se (11) aus amagnetischem Material umgeben sind.
8. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (11) als Dämpferelement ausgebildet ist.
9. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Antriebsrotor (4) ein Dämpferelement (12) unterhalb der Magnete (6) angeordnet ist.
10. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass in an sich bekannter Weise zwischen Antriebsrotor (4) und äuße ren Antriebselement (2) ein Spaltelement (7) angeordnet ist.
11. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Spaltelement (7) in Form eines Spalttopf mit seiner Öffnung am Pumpengehäuse (1) befestigt ist.
12. Kreiselpumpenaggregat nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Spaltelement (7) eine Lagerstelle für den Antriebsrotor (4) angeordnet ist.
13. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass das äußere Antriebselement (2) als ein mit Magnetwerkstoffen ausgeprägter Hystereseeigenschaften versehener Rotor ausgebildet ist und dass Antriebselement (2) und Antriebsrotor (4) eine Hysteresekupplung bilden.
14. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass das äußere Antriebselement (2) als ein mit SeltenerdDauer magneten versehener Rotor ausgebildet ist und dass Antriebselement (2) und Antriebsrotor (4) eine Magnetkupplung bilden.
15. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass am Antriebsrotor (4) und/oder am äußerem Antriebselement (2) ein oder mehrere Sensorelemente (8.1, 8.2) als Rotorlage/Drehzahlsensoren angeordnet sind.
16. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, dass das äußere Antriebselement (2) und der Antriebsrotor (4) einen ECServomotors bilden.
17. Kreiselpumpenaggreggat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, dass das äußere Antriebselement (2) und ein mit Dämpferelementen (11,12) versehener Antriebsmotor (4) einen Synchronmotor bilden.
18. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, dass das äußere Antriebselement (2) in Form eines Motorständers oder in Form einer äußeren Magnetkupplungshälfte auswechselbar ausgebildet sind.
19. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, dass identische Antriebsrotoren (4) als LäuferAktivteile eines perma nent erregten AC/ECServomotors, eines permanent erregten Synchromo tors, einer Magnetkupplung oder einer Hysteresekupplung ausgebildet sind.
20. Kreiselpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn zeichnet, dass äußere Antriebselement (2) in Form eines Motorständers mit ei ner ein Drehfeld erzeugenden Wicklung austauschbar ausgebildet ist.
Description:
Beschreibung Kreiselpumpenaggregat Die Erfindung betrifft ein Kreiselpumpenaggregat, mit mindestens einem innerhalb eines Pumpengehäuses angeordneten Laufrad, einer ein Pumpengehäuse durch- dringenden Pumpenwelle und einem an das Pumpengehäuse angrenzenden Antrieb, im Bereich des Antriebes ist auf der Pumpenwelle ein mit Dauermagneten bestückter Antriebsrotor befestigt und äußere Antriebselemente übertragen ein Drehmoment auf den Antriebsrotor.

Bei solchen gattungsgemäßen Kreiselpumpenaggregaten ist üblicherweise unmittel- bar angrenzend an das Pumpengehäuse der Antrieb angebaut. Ein solches Kreisel- pumpenaggregat findet häufig als Kreiselpumpe nach Bauart einer Heizungsum- wälzpumpe Verwendung und ist üblicherweise mit einem drehzahlveränderbaren Motor ausgerüstet, um über dessen variable Antriebsdrehzahl einen besseren Ge- samtwirkungsgrad innerhalb eines Rohrleitungssystem zu erzeugen. Bekannt ist dies beispielsweise bei den Grundfos Heizungsumwälzpumpen Typ MAGNA, deren An- triebsmotor als Permanent-oder Dauermagnetmotor ausgebildet ist und mit einer elektronischen Drehzahlregelung versehen ist. Solche elektronisch kommutierten Antriebe mit ihrem permanent erregten AC-Servomotor verbessern den Wirkungs- grad einer Heizungsanlage.

Andere gattungsgemäße Kreiselpumpenaggregate verwenden als Antrieb einen mit dem Pumpengehäuse verbundenen Magnetkupplungsantrieb. Solche Kreiselpum- penaggregate finden häufig im Bereich der Förderung gefährlicher Medien Verwen- dung, insbesondere im Bereich der Chemie. Beide Bauformen dieser Kreisel- pumpenaggregate sind mit oder ohne einem Spalttopf bzw. Spaltrohr zwischen dem Antriebsrotor und dem äußeren Antriebselement ausgerüstet.

Bei Kreiselpumpenaggregaten mit einem Antrieb durch eine Magnetkupplung ist es durch die EP 0 814 268 B1 bekannt, den Magnetkupplungsantrieb modular aufzu- bauen. Dazu ist bei einer Magnetkupplungspumpe zwischen einem sogenannten Kernelement, bestehend aus einem Pumpengehäuse mit Welle, Wellenlagerung, permanent-oder dauermagnetischem Antriebsrotor und Spalttopf, und einem Antrieb noch eine zusätzliche Baugruppe angeordnet. Diese zusätzliche Baugruppe umfasst eine Laterne, äußere Magnetträger und diverse Flansche, um damit verschiedene Bauarten von Block-und Normalausführungen eines solchen Kreiselpumpenaggre- gates realisieren zu können.

Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, für Kreiselpumpenaggregate, bei denen auf der Pumpenwelle ein mit Dauermagneten bestückter Antriebsrotor angeordnet ist, den Anwendungsbereich solcher Kreiselpumpenaggregate zu vergrößern. Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass der Antriebsrotor als ein Gleichteil für äuße- re Antriebselemente in Form einer permanent erregten äußeren Magnetkupplungs- hälfte, in Form einer Hysteresewerkstoffe aufweisenden Hysteresekupplungshälfte oder in Form eines Motorständers mit einer ein Drehfeld erzeugenden Wicklung aus- gebildet ist.

Mit dieser Lösung ist es erstmals möglich, für an sich völlig verschiedene Bauarten von Kreiselpumpenaggregaten ein zentrales funktionelles Antriebselement in Form eines Gleichteiles Anwendung finden zu lassen, welches einen gemeinsamen Rotor für an sich unterschiedliche Pumpenbauarten darstellt. Somit wird in entscheidender Weise der logistische Aufwand bei der Herstellung und der Wartung von Kreiselpum- pen verringert und es werden die Fertigungskapazitäten optimiert.

Eine weitere Verringerung des gesamten Entwicklungs-und Herstellungsprozesses ergibt sich, wenn der Antriebsrotor und eine damit verbundene Pumpenwelle als ein gemeinsames Gleichteil ausgebildet sind. Somit kann mit nur einem zentralen Bauteil für eine Vielzahl von Pumpentypen die Förderprobleme in den verschiedensten Ein- satzbereichen in einfachster Weise gelöst werden.

Nach Ausgestaltungen der Erfindung ist der Antriebsrotor zylinderförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet. Ebenso kann das äußere Antriebselement hohlzylin- derförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet sein. Somit ist die Erfindung sowohl

bei den üblichen Antriebsformen zylindrischer Bauart als auch bei den sogenannten Scheibenläufer-Bauformen verwendbar.

Die Übertragungsleistung verbessern andere Ausgestaltungen, wonach der Antriebs- rotor an seiner dem äußeren Antriebselement zugekehrten Fläche mit Seltener- Dauermagneten bestückt ist. Weiter muss die mit dem Seltenerd-Dauermagneten ausgeführte Polzahl 2p der Grundpolzahl des äußeren Antriebselementes entspre- chen, damit ein stationärer synchroner Betrieb stattfinden kann. Und zum Schutz der Magnete vor einem zu fördernden aggressiven, korrosiven, erosiven der in sonstiger Weise gefährlichen Fluid sind die Magnete und/oder der Antriebsrotor von einer Hül- se aus amagnetischem Material, zum Beispiel amagnetischem Stahl, umgeben.

Eine weitere Ausgestaltung sieht die Ausbildung der Hülse als Dämpferelement vor.

Mittels dieser Maßnahme nach Art eines Dämpferkäfigs kann der Verwendungs- zweck des Antriebsrotors in einfachster Weise erweitert werden hin zu Antriebsmoto- ren, die für einen gesteuerten Betrieb durch einen Frequenzumformer ausgelegt sind. Dazu kann auch, ähnlich wie bei einem Käfigläufermotor, ein Dämpferelement zusätzlich oder ausschließlich unterhalb der Magnete angeordnet sein.

Weiter ist in an sich bekannter Weise zwischen Antriebsrotor und äußeren Antrieb- selement ein Spaltelement angeordnet. Hierbei handelt es sich um bekannte Bauteile in Form eines Spalttopfes, Spaltrohres oder einer Spaltwand. Somit kann diese Lö- sung sowohl bei trockenen Antrieben als auch bei nassen Antrieben in Form von Spaltrohr, Spaltwandmotoren oder hermetisch dichten Magnetkupplungsantrieben Anwendung finden. Dazu ist lediglich am Antriebsrotor oder am äußeren Antrieb- selement eine entsprechende Durchmesseranpassung vorzunehmen, um den Platz- bedarf für die Spaltelemente zu berücksichtigen. In vorteilhafter Weise ist dabei ein Spaltelement in Form eines Spalttopfes mit seiner Öffnung am Pumpengehäuse be- festigt. Damit kann in einem Servicefall das äußere Antriebselement gewechselt werden, ohne dabei einen sogenannten nassen Bereich einer Pumpe öffnen zu müs- sen.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist im Spaltelement eine an sich bekannte Lager- stelle für den Antriebsrotor angeordnet. Dies ermöglicht die Beherrschung größerer Antriebskräfte.

Für eine Vielzahl von Baugrößen solcher Kreiselpumpenaggregat-Baureihen wird durch eine Standardisierung des Antriebsrotors eine wesentliche Fertigungsvereinfa- chung erreicht sowie der Aufwand für Wartung und Reparaturen erheblich reduziert.

Durch die Ausbildung des äußeren Antriebselementes als ein mit Magnetwerkstoffen ausgeprägter Hystereseeigenschaften versehener Außenrotor bilden Außenrotor und Antriebsrotor eine Hysteresekupplung. Somit ergibt sich eine abrisssichere Bauart eines mit einem Magnetkupplungsantrieb ausgerüsteten Kreiselpumpenaggregat.

Durch diesen Antrieb bleibt im Gegensatz zu üblichen Magnetkupplungen bei uner- warteten Überlastungen des Kreiselpumpenaggregat dessen Fördereigenschaft ge- währleistet.

Zur direkten Erfassung von Rotordrehzahl und/oder Rotorlage sind am Antriebsrotor und äußerem Antriebselement Sensorelemente angeordnet, die eine elektronische Regelung und Überwachung eines solchen Antriebes ermöglichen. Die Erfassung dieser Größen ist jedoch auch im Sinne einer sensorlosen Regelung indirekt möglich.

Somit können das äußere Antriebselement und der Antriebsrotor einen elektronisch kommutierten AC-Servomotor bilden. Auch hierbei sind das äußere Antriebselement in Form eines Motorständers oder in Form einer äußeren Magnetkupplungshälfte oder in Form einer äußeren Hysteresekupplungshälfte auswechselbar ausgebildet.

Dies vereinfacht in einem eventuellen Wartungsfall den Austausch von Komponen- ten. Beim Vorhandensein von eines Spalttopfes ist ein solcher Austausch möglich, ohne die Dichtigkeit des Pumpenaggregates zu gefährden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgen näher beschrieben. Es zeigen die Fig. 1 & 2 Ausbildungen mit EC-Servomotor, die Fig. 3 eine Ausbildung mit Magnetkupplung und die Fig. 4 & 5 verschiedene Ausbildungen des Antriebsrotors

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau des Antriebes eines Kreisel- pumpenaggregates. Von einem Pumpengehäuse 1 ist lediglich eine Wand darge- stellt, an der ein Antrieb 2 für ein-hier nicht dargestelltes-Kreiselpumpenlaufrad angeordnet ist. Das Kreiselpumpenlaufrad ist im Pumpengehäuse 1 auf einer Pum- penwelle 3 befestigt. Auf der Welle 3 befestigt ist ein Antriebsrotor 4, der als inneres Antriebselement mit einem äußeren Antriebselement 5 des Antriebes 2 zusammen- wirkt. Das äußere Antriebselement 5 des Antriebes 2 bildet hier ein Motorständer mit einer Wicklung zur Erzeugung eines umlaufendes Drehfeldes. Dieses Drehfeld wirkt auf Magnete 6 ein, die am Außenumfang des Antriebsrotors 4 befestigt sind.

Je nach Ausbildung des Antriebes 2 kann zwischen ihm und dem Pumpengehäuse 1 bzw. zwischen dem äußeren Antriebselement 5 und dem Antriebsrotor 4 ein Spalte- lement 7 angeordnet sein. Ebenso können Spaltrohr oder Spaltwände Anwendung finden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Spaltelement 7 als ein Spalttopf aus- gebildet, der mit seiner Öffnung am Pumpengehäuse 1 flüssigkeitsdicht befestigt ist.

Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Abstände zwischen äußeren Antriebsele- ment 5 und Antriebsrotor 4 sowie dem Spaltelement 7 sind schematischer Art und entsprechen nicht tatsächlich auszuführenden Produkten.

Am Antriebsrotor 4 und am äußeren Antriebselement 5 sind Sensoren 8.1 und 8.2 angeordnet, mit deren Hilfe eine Überwachung einer Rotorlage und/oder der Dreh- zahl möglich ist.

Fig. 2 zeigt gegenüber der Fig. 1 eine Abwandlung, gemäß der im Spaltelement 7, dem hier dargestellten Spalttopf, eine zusätzliche Lagerung 9 für die Pumpenwelle 3 angeordnet ist. Somit kann der Antriebsrotor 4 im Antrieb 2 und im Pumpengehäuse 1 mit einer beidseitigen Lagerung versehen sein.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der als Antrieb 2 für den Antriebsrotor 4 eine permanent erregte äußere Kupplungshälfte in Form einer Magnetkupplung oder Hy- steresekupplung als äußeres Antriebselement 5 Anwendung findet. Der Antrieb 2 ist mit einem-hier nicht dargestellten-Motor verbunden und auf einer Motorwelle 10 gelagert. Der Antriebsrotor 4 ist analog der Fig. 1 gelagert und weist in diesem Aus- führungsbeispiel keine Sensorelemente auf. Durch den als Gleichteil ausgebildeten Antriebsrotor 4 kann ein Kreiselpumpenaggregat erzeugt werden, welches aus Pum-

pengehäuse, Antriebsrotor, Pumpenwelle und Laufrad besteht und wahlweise mit oder ohne Spaltelement 7 versehen ist. Somit kann in einfachster Weise ein solches Pumpenbauteil mit einem Antrieb in Form eines Motorständers oder mit einem Ma- gnetkupplungsteil ausgestattet werden.

Das äußere Antriebselement 5 in Form eines Magnetkupplungsteiles ist zwecks Ausbildung als Hysteresekupplung mit einem Hysteresewerkstoff versehen. Somit ist die Bildung einer abreißsicheren Kupplung möglich. Bei knapper Dimensionierung der Magnetkupplung besteht die Gefahr, dass bei einem äußeren Antriebselement 5 in Form einer permanent erregten äußeren Kupplungshälfte bei Überlastungen der Kraftschluss zwischen Antriebsrotor 4 und äußeren Antriebselement 5 abreißen kann. In einem solchen Fall müsste der Antrieb 2 bis zum Stillstand abgebremst wer- den, um in diesem Zustand wieder einen magnetischen Kraftschluss zwischen den treibenden und anzutreibenden Bauteilen herzustellen. Nach einem erneuten Hoch- fahren des Antriebes 2 kann dann die Förderleistung wieder aufgenommen werden.

Dem gegenüber hat ein äußeres Antriebselement 5 in Form einer Hysteresekupp- lungshälfte mit Hysteresewerkstoffen den Vorteil, dass bei einer Überlastung der Pumpe zwischen äußerem Antriebselement 2 und Antriebsrotor 4 ein Schlupf auf- treten kann und nach Erreichen des normalen Betriebszustandes wieder der ur- sprüngliche Kraftschluss hergestellt wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform kann bei Kreiselpumpenaggregaten mit oder ohne Spaltelement 7 Anwendung finden. Für diejenigen Fälle, bei denen auf den Einsatz eines Spaltelementes 7 verzichtet wird, sind entsprechende Dichtungsele- mente zwischen Pumpengehäuse 1 und Pumpenwelle 3 angeordnet. Eine Durch- messerabstufung zwischen Antriebsrotor 4 und äußerem Antriebselement 5 ist in Abhängigkeit von einem Spaltelement 7 gestaltet. Die Verwendung eines als Gleich- teil ausgebildeten Antriebsrotor 4 für die verschiedenen Antriebsmöglichkeiten, redu- ziert den Herstellungs-und Handhabungsaufwand eines solchen Kreiselpumpenag- gregates in vielfacher Weise.

Fig. 4 zeigt einen Antriebsrotor 4 gemäß einer Bauart nach Fig. 2, wobei dem eine Hülse aus amagnetischem Material schützend um die Dauermagnete 6 des Antriebs- rotors 4 angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, dass ein von der Krei-

selpumpe zu förderndes und negative Eigenschaften aufweisendes Fluid in nachteil- ger Weise auf die Dauermagnete einwirken kann. Die Magnete 6 können als Sel- tenerd-Dauermagnete ausgebildet sein.

Fig. 5 zeigt eine Variante des Antriebsrotors nach Fig. 4, bei der zusätzlich und un- terhalb der Dauermagnete 6 ein Dämpferelement 12 in Form eines sogenannten Kurzschlusskäfigs angeordnet ist. Dieses Dämpferelement ist gegenüber der Lage der Dauermagneten 6 am Antriebsrotor 4 auf kleinerem Durchmessser angeordnet.

Auch die Hülse 11 kann in analoger Weise als Dämpferelement ausgebildet sein. Mit Hilfe dieser Dämpferelemente ist ein verbesserter Betrieb eines solchen Antriebsro- tors 4 in Verbindung mit einem Motorständer möglich, der von einem gesteuerten U- f-Umrichter gespeist wird.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch den Antriebsrotor 4 nach Fig. 5. Daraus ist ersicht- lich, dass das Dämpferelement 12 aus mehreren, den Antriebsrotor in Achsrichtung durchdringenden Stäben gebildet ist. Das Dämpferelement ist hier nach Art eines Kurzschlussläuferkäfigs gestaltet.




 
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