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PEA – 5728 TÓPICOS ESPECIAIS DE CONFIGURAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS PARTE 1 MÁQUINAS LINEARES PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES MÁQUINA LINEAR RESULTA, CONCEITUALMENTE, DA PLANIFICAÇÃO DA MÁQUINA CILÍNDRICA CONVENCIONAL: L→ ∞ ENROLAMENTO TRIFÁSICO ENROLAMENTO TRIFÁSICO GAIOLA DO ROTOR GAIOLA DO SECUNDÁRIO RUPTURA E PLANIFICAÇÃO DA ESTRUTURA MAGNÉTICAMÁQUINA CILÍNDRICA MÁQUINA LINEAR ESTATOR (PRIMÁRIO) PRIMÁRIO ( “ESTATOR” ) ROTOR (SECUNDÁRIO) SECUNDÁRIO ( “ROTOR” ) ESTATOR ALIMENTADO COM CORRENTES TRIFÁSICAS: Ia = IM.senωt Ib = IM.sen(ωt – 120º ) Ic = IM.sen(ωt – 240º ) ω = 2πf ; f: FREQUÊNCIA DAS CORRENTES [Hz] CORRENTES TRIFÁSICAS APLICADAS AOS ENROLAMENTOS TRIFÁSICOS ���� FORMAÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO NO ENTREFERRO NA MÁQUINA CILÍNDRICA: CAMPO ROTATIVO HOMOGÊNEO, COM AMPLITUDE CONSTANTE, PROPAGANDO-SE AO LONGO DA CIRCUNFERÊNCIA DO ENTREFERRO ���� CIRCUITO MAGNÉTICO DE PERMEÂNCIA CONSTANTE – “NÃO TEM INÍCIO NEM FINAL” NA MÁQUINA LINEAR: CAMPO DE DESLOCAMENTO PROPAGANDO-SE AO LONGO DO COMPRIMENTO DO ENTREFERRO ���� CIRCUITO MAGNÉTICO DE PERMEÂNCIA VARIÁVEL – “TEM INÍCIO E TEM FINAL” ���� CAMPO NO ENTREFERRO SÓ SERÁ HOMOGÊNEO SE L → ∞ PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES ONDA DE CAMPO ROTATIVO, OU CAMPO GIRANTE NO ENTREFERRO: � = ��. (1 − ) 0° ωs θ A CONDUTORES DO ROTOR ONDA DE CAMPO GIRANTE - Bg ωr B C λ : PASSO POLAR = π rd. el. ONDA DE CAMPO DE DESLOCAMENTO - Bg 0 vs x ENTREFERRO: lg v λ A B C �� = 4 � . ��. �� . �� �� Nf : Nº DE ESPIRAS POR FASE DO ENROLAMENTO ke : FATOR DE ENROLAMENTO �� = 2�. �� = 2�. � � ωs : ROTAÇÃO SÍNCRONA DO CAMPO GIRANTE p : Nº DE PARES DE POLOS DO ENROLAMENTO Bg = µ0 . Hg Bg : DENSIDADE DE FLUXO NO ENTREFERRO �� = � � .��. !("#$%&) �' = ��. (1 − ) ωr : ROTAÇÃO DO ROTOR s : ESCORREGAMENTO ONDA DE CAMPO DE DESLOCAMENTO NO ENTREFERRO: λ → π x → θ ( = � ) . * → ��= � � .��. !("$% , - ..) EQUIVALÊNCIA DA MÁQUINA LINEAR COM A MÁQUINA CILÍNDRICA DE DIÂMETRO DO ROTOR “D” ) = �./ 2� → / = 2�. ) � �� = �./. �� = �. 2�. ) � . �� ; �� = � � → 1# = �. -. 2 Nº DE POLOS NA MÁQUINA LINEAR NÃO DEFINE A VELOCIDADE SÍNCRONA DO CAMPO ���� Nº DE POLOS DEPENDE DO COMPRIMENTO TOTAL DO MOTOR MÁQUINA CILÍNDRICA MÁQUINA LINEAR PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES DIFERENÇAS FUNDAMENTAIS ENTRE A MÁQUINA CILÍNDRICA E A MÁQUINA LINEAR: � NA MÁQUINA CILÍNDRICA, OS COMPRIMENTOS DAS CIRCUNFERÊNCIA DO ESTATOR E ROTOR, REFERIDOS À LINHA CENTRAL DO ENTREFERRO, SÃO IDÊNTICOS � NA MÁQUINA LINEAR, NECESSARIAMENTE OS COMPRIMENTOS DE PRIMÁRIO E SECUNDÁRIO DEVEM SER DIFERENTES, CONSIDERANDO QUE UMA PARTE SE MOVE EM RELAÇÃO À OUTRA. � O CASO MAIS COMUM É O COMPRIMENTO DO SECUNDÁRIO DO MOTOR LINEAR SER BEM MAIOR QUE O COMPRIMENTO DO PRIMÁRIO ( “MOTOR LINEAR DE ESTATOR CURTO E SECUNDÁRIO LONGO” ) � O COMPRIMENTO FINITO DE UMA DAS PARTES, INTRODUZ DESVIOS NO COMPORTAMENTO HOMOGÊNEO DO CAMPO DE DESLOCAMENTO ( QUE SÓ EQUIVALE AO COMPORTAMENTO DO CAMPO DA MÁQUINA CILÍNDRICA SE L → ∞ ) � NA MÁQUINA LINEAR REAL ( L << ∞ ), O COMPRIMENTO FINITO PROVOCA O SURGIMENTO DOS EFEITOS DE EXTREMIDADE, QUE PERTURBAM AS CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO, DEGRADANDO A FORÇA PROPULSIVA DESENVOLVIDA QUANDO OPERANDO NO MODO MOTOR vvs Fpropulsão CURVA DE FORÇA x VELOCIDADE PARA MOTOR LINEAR DE INDUÇÃO COM L → ∞ ( SIMILAR À CURVA DE TORQUE x ROTAÇÃO DO MOTOR CILÍNDRICO CONVENCIONAL ) vvs Fpropulsão SEM EFEITO DE EXTREMIDADE COM EFEITO DE EXTREMIDADE CURVA DE FORÇA x VELOCIDADE PARA MOTOR LINEAR DE INDUÇÃO DE COMPRIMENTO FINITO ( AFETADO DA DEGRADAÇÃO RESULTANTE PELO EFEITO DE EXTREMIDADE ) PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES L ωS 3� 456� L ωS 3� 456� 47 # 456� 3� 47 # v 48798:;#ã9 � NA MÁQUINA CILÍNDRICA, OS ESFORÇOS NORMAIS DE RELUTÂNCIA ENTRE ESTATOR E ROTOR SÃO EQUILIBRADOS AO LONGO DA CIRCUNFERÊNCIA, COM RESULTANTE NULA ( EXCEÇÃO FEITA QUANDO EXISTE NÃO CONCENTRICIDADE ENTRE ESTATOR E ROTOR, CASO QUE CARACTERIZA UMA DEFICIÊNCIA CONSTRUTIVA ) � NA MÁQUINA LINEAR DE PRIMÁRIO SÍMPLES, AS FORÇAS NORMAIS AO MOVIMENTO DEVIDAS À RELUTÂNCIA, QUE PRODUZEM ATRAÇÃO ENTRE PRIMÁRIO E SECUNDÁRIO, EXISTEM SEMPRE, DEVENDO SER SUPORTADAS PELO SISTEMA MECÂNICO QUE SEPARA AMBOS OS MEMBROS DA MÁQUINA. 3� 856� 856� µfe µfe µ0 DUAS SUPERFÍCIES FERROMAGNÉTICAS, SEPARADAS POR UM ENTREFERRO E PERMEADAS POR CAMPO MAGNÉTICO, FICAM SUJEITAS A UMA PRESSÃO MAGNÉTICA MÚTUA 856� = 3� � �. => e.g. - Bg = 0,7 T ���� pmag = 20 ton/m² FORÇAS NORMAIS DE RELUTÂNCIA MOTOR LINEAR DE PRIMÁRIO SIMPLES PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES CONCEPÇÃO BÁSICA DO MOTOR LINEAR : PLANIFICAÇÃO DO MOTOR ROTATIVO CONVENCIONAL COMPENSAÇÃO DAS FORÇAS NORMAIS MOTOR LINEAR DE PRIMÁRIO DUPLO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES MOTOR LINEAR DE PRIMÁRIO CURTO E PRIMÁRIO LONGO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES VARIANTES DE CONSTRUÇÃO DO SECUNDÁRIO DO MOTOR LINEAR DE INDUÇÃO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES Motor rotativo Motor linear Motor tubular CONCEPÇÃO CONSTRUTIVA DO MOTOR LINEAR TUBULAR OBTENÇÃO DO ESTATOR OU PRIMÁRIO SECUNDÁRIO: TUBO METÁLICO COM CAPA CONDUTORA CONTÍNUA OU SEGMENTADA OPERAÇÃO USUAL COM MOVIMENTO ALTERNATIVO DO SECUNDÁRIO POR REVERSÃO DO CAMPO DO ESTATOR MOTOR TUBULAR APLICADO NO ACIONAMENTO DE BOMBA ALTERNATIVA PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES MOTOR LINEAR TUBULAR APLICADO NA EXTRAÇÃO DE PETRÓLEO - PROJETO MATÆOS SISTEMA CONVENCIONAL SISTEMA COM MOTOR LINEAR TUBULAR 1º PROTÓTIPO DO MATÆOS - EPUSP / FAPESP - 2004 DETALHE DO SECUNDÁRIO: CONSTRUÇÃO EM “GAIOLA ANELAR” PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES ALGUMAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS (*) MOVIMENTAÇÃO DE PERFIS METÁLICOS SOBRE MESA DE ROLOS (*) ESTIRAMENTO DE FOLHAS FINAS DE ALUMÍNIO PRÉ BOBINAMENTO MOTOR LINEAR TUBULAR FUNÇÃO SIMILAR À DE CILÍNDRO PNEUMÁTICO OU HIDRÁULICO (*) MOTORES LINEARES DE INDUÇÃO QUE UTILIZAM COMO SECUNDÁRIO O PRÓPRIO MATERIAL MANIPULADO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES ALGUMAS APLICAÇÕES DE ELEVADA ENERGIA IMPULSÃO DE VEÍCULO PARA TESTE DE “CAR CRASH” ESTATOR DE PRIMÁRIO DUPLO ESTATOR MONTADO SOBRE O TRILHO TRILHO DE AÇO COMO SECUNDÁRIO DO MOTOR LINEAR PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES PRIMEIRA PROPOSTA DE USO DO MOTOR LINEAR (DE INDUÇÃO) DE ELEVADA POTÊNCIA PARA PROPULSÃO INICIAL DE AERONAVES “ELECTROPULT” – CATAPULTA ELETROMAGNÉTICA - DESENVOLVIMENTO DA WESTINGHOUSE PARA A MARINHA NORTE AMERICANA (FINAL DA DÉCADA DE 1940) POTÊNCIA DE PICO: 10 MW CAPACIDADE DE ACELERAÇÃO: MASSA : 5 ton. - VELOCIDADE: 0 A 180 km/h TEMPO: 4,1 s - PERCURSO: 100 m COMPRIMENTO TOTAL DO SECUNDÁRIO: 414 m SECUNDÁRIO EM GAIOLA, COM RESISTÊNCIA PROGRESSIVAMENTE DECRESCENTE PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES EXEMPLO DE USO DO MOTOR LINEAR (DE INDUÇÃO) PARA PROPULSÃO DE VEÍCULO URBANO MAGNETICAMENTE LEVITADO – PROJETO “MAGLEV-COBRA” - UFRJ MÓDULO DO PRIMÁRIO (ESTATOR) SOLIDÁRIO À PARTE INFERIOR DO VEÍCULO MÓDULO DO SECUNDÁRIO SOLIDÁRIO À VIA PERMANENTE – TOTAL DE 230 m DE COMPRIMENTO MÓDULO DO PRIMÁRIOMÓDULO DO SECUNDÁRIO PRIMÁRO E SECUNDÁRIO MONTADOS DE MODO QUE A FORÇA NORMAL ENTRE AMBOS ATUE DE BAIXO PARA CIMA, COLABORANDO COM A LEVITAÇÃO DO VEÍCULO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES EXEMPLO DE USO DO MOTOR LINEAR (DE INDUÇÃO) PARA PROPULSÃO DE ESTEIRA TRANSPORTADORA DE MINÉRIO MOTOR DE PRIMÁRIO DUPLO ENTREFERRO ~ 22 mm FORÇA DE PROPULSÃO: 5 kN VELOCIDADE: 2,5 m/s SECUNDÁRIO CONSTITUÍDO DE PLACAS CONDUTORAS DE ALUMÍNIO MOTOR APLICADO A MODELO DE ESTEIRA TRANSPORTADORA DE USO EM MINERAÇÃO ���� ESTATOR ENCAPSULADO PARA AMBIENTE AGRESSIVO PROTEÇÃO DO INVÓLUCRO: IP-67 ESTATOR FIXADO À ESTRUTURA MECÂNICA DO SISTEMA SECUNDÁRIO COM PLACAS CONDUTORASSOLIDÁRIAS À ESTEIRA, QUE É A PARTE MÓVEL DO SISTEMA PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES SISTEMA EM OPERAÇÃO EXPERIMENTAL - ALIMENTAÇÃO: 440 V – 14 Hz ALOJAMENTO DE MOTOR LINEAR NO VEÍCULO DE TRAÇÃO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES LINEARES � FORTE “VOCAÇÃO” PARA O USO EM TRAÇÃO ELÉTRICA � MOTIVOU OS PRINCIPAIS DESENVOLVIMENTOS A PARTIR DOS ANOS 1970 ATÉ HOJE INCREMENTO NO ENTREFERRO PARA PERMITIR REALIZAÇÃO DE CURVAS PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES MOTOR LINEAR SÍNCRONO DE RELUTÂNCIA – PRIMÁRIO MÓVEL PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES MOTOR LINEAR SÍNCRONO PRIMÁRIO NA VIA INDUTOR MÓVEL, DE IMÃS PERMANENTES OU EXCITADO MOTOR LINEAR SÍNCRONO INTERAÇÃO DAS ONDAS DE CAMPO MAGNÉTICO MÓVEL DA VIA COM A DISTRIBUIÇÃO DE CAMPO SOLIDÁRIA AO VEÍCULO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES MOTOR LINEAR SÍNCRONO DE EXCITAÇÃO HOMOPOLAR INDUTOR E INDUZIDO MONTADOS NO VEÍCULO TRILHO PASSIVO PERCURSO PARA O FLUXO MAGNÉTICO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES Cm ASPECTOS GERAIS DOS MOTORES LINEARES APLICADOS EM TRANSPORTE Motor rotativo V (km/h) Transmissão Roda Via (Trilho) CT -FT FT Pv ( Peso do Veículo) Interação: ATRITO Interação: CAMPO ELETROMAGNÉTICO Parte Móvel (solidária ao veículo) Via (Trilho) Parte Fixa ( própria via ou elemento solidário à via ) Motor Linear -FT FT V (km/h) TRAÇÃO POR MOTOR CONVENCIONAL TRAÇÃO POR MOTOR LINEAR � CARACTERÍSTICA FUNDAMENTAL : FT = α.PV 100 200 0,10 0,20 α V (km/h) V.01,01 22,0 + =α α: COEFICIENTE DE ADERÊNCIA � LIMITAÇÕES DEVIDO À ADERÊNCIA: PODER DE RAMPA - VELOCIDADE MAXIMA � PARA ALTAS VELOCIDADES ( V > 250 (km/h ) : LIMITAÇÕES MECÂNICAS NO MOTOR ROTATIVO ( VELOCIDADE PERIFÉRICA DO ROTOR ) PROBLEMAS MECÂNICOS NO SISTEMA RODA-TRILHO ���� CARACTERÍSTICA FUNDAMENTAL: FT É APLICADA DIRETAMENTE À VIA POR INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA DISPENSA O SISTEMA DE TRANSMISSÃO ���� FT INDEPENDE DO PESO DO VEÍCULO A VELOCIDADE MÁXIMA E O PODER DE RAMPA SÓ DEPENDEM DA POTÊNCIA DISPONÍVEL NO MOTOR � NÂO TEM PEÇAS MÓVEIS VEÍCULO PODE SER O MAIS LEVE POSSÍVEL PERMITINDO AUMENTO NA CARGA ÚTIL TRANSPORTADA PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES CARACTERÍSTICA (TOTAL DO VEÍCULO) MOTOR SÍNCRONO HOMOPOLAR MOTOR SÍNCRONO DE RELUTÂNCIA MOTOR DE INDUÇÃO BAIXA VELOCIDADE ALTA VELOCIDADE BAIXA VELOCIDADE ALTA VELOCIDADE BAIXA VELOCIDADE ALTA VELOCIDADE VELOCIDADE (km/h) 45 400 45 400 45 400 FORÇA DE TRAÇÃO (kg.f) 448 3.570 448 3.570 448 3.570 FATOR DE POTÊNCIA (p.u.) 0,95 0,95 0,23 0,28 0,70 0,52 RENDIMENTO (%) 0,83 0,93 0,80 0,94 0,60 0,82 FREQÜÊNCIA MÁXIMA (Hz) 133 200 50 140 62,5 200 ALIMENTAÇÃO (kVA) 66 4.400 284 14.800 175 9.100 POTÊNCIA EXCITAÇÃO (kW) 8,8 100 - - - - PESO DOS MOTORES (kg) 620 6.750 540 5.600 450 4.550 PESO DO VEÍCULO (ton.) - 32 - 45 - 40 PESO DE FERRO – VIA (ton./km) 32,6 178 29 39 31,5 51,4 PESO ALUMÍNIO (ton./km) - - - - 3,6 3,4 CARACTERÍSTICAS COMPARATIVAS ENTRE DIFERENTES TIPOS DE MOTORES LINEARES PARA TRAÇÃO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES AUSÊNCIA DE CONTATO NA PROPULSÃO POR MOTOR LINEAR ���� MOTIVAÇÃO PARA O USO DE SISTEMAS DE SUSPENSÃO QUE TAMBÉM DISPENSEM O CONTATO RODA TRILHO ���� SUSPENSÃO OU LEVITAÇÃO MAGNÉTICA DO VEÍCULO BOBINA DE LEVITAÇÃO EXCITADA EM C.C. NÚCLEO FERROMAGNÉTICO SOLIDÁRIO AO VEÍCULO TRILHO EM MATERIAL FERROMAGNÉTICO ( NA VIA )CAMPO MAGNÉTICO FORÇA DE ATRAÇÃO POR RELUTÂNCIA SISTEMAS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA PARA USO EM TRAÇÃO CORRENTES INDUZIDAS NA PLACA PLACA CONDUTORA DE REAÇÃO ( FIXADA À VIA ) BOBINA DE EXCITAÇÃO EM C.C. ( NO VEÍCULO ) CAMPO MAGNÉTICO CRIADO PELA BOBINA DE EXCITAÇÃO INTERAÇÃO DAS CORRENTES NA PLACA COM O CAMPO DA BOBINA ���� PRODUZEM REPULSÃO V F PRINCÍPIO: CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE SISTEMA COM LEVITAÇÃO ELETRODINÂMICA ( POR REPULSÃO ) PRINCÍPIO: CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE SISTEMA COM LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA ( POR ATRAÇÃO ) PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES CARACTERÍSTICAS DE CADA TIPO DE LEVITAÇÃO ELETRODINÂMICA � FORÇA DE LEVITAÇÃO SÓ EXISTE EM VELOCIDADE � NATURALMENTE ESTÁVEL – CONTROLE USADO PARA REGULAR O AMORTECIMENTO � GRANDES ENTREFERROS – 10 A 25 cm � CONSUMO: 10 A 30 kW / ton – BOBINAS SUPERCONDUTORAS CRIOGÊNICAS � PESO DO TRILHO (ALUMÍNIO) : 50 A 150 kg / m � VELOCIDADE CRÍTICA DE APROX. 80 km / h – MÍNIMA VELOCIDADE ONDE SE INICIA A LEVITAÇÃO � USADO PARA VELOCIDADES ALTAS > 300 km / h ELETROMAGNÉTICA � FORÇA DE LEVITAÇÃO COM VELOCIDADE NULA � NATURALMENTE INSTÁVEL – CONTROLE COM REALIMENTAÇÃO DO ENTREFERRO É OBRIGATÓRIO � ENTREFERROS LIMITADOS – 1 A 3 cm � CONSUMO: 1 A 3 kW / ton – BOBINAS CONVENCIONAIS � PESO DO TRILHO (AÇO) : 50 A 100 kg / m � VELOCIDADE MÁXIMA LIMITADA PELAS CORRENTES PARASITAS INDUZIDAS NO TRILHO � USADO PARA BAIXAS VELOCIDADES - 50 A 100 km / h � PARA ALTAS VELOCIDADES, ATÉ 250 / 300 km / h COM CUIDADOS ADICIONAIS NO TRILHO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES PARTICULARIDADES DA LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA B ( Wb/m² ) z Amplificador de potência Controlador Transdutor de posição zREF i FL dz zdW F mag L )( = S B FL . .2 0 2 µ = z iN B ..0µ = Para corrente estacionária e energia armazenada apenas no entreferro:FL z i3i2i 1 F0 z0 ∆F ∆z Característica natural Característica realimentada FL Sistema lateralmente livre Exclusivamente força de levitação FL FR FL Sistema lateralmente restrito Força lateral de restauração com geometria adequada do trilho FL FR Posicionamento lateral com 2 eletromagnetos 2 conjuntos idênticos, 1 de cada lado do veículo FL FR FN 1 eletromagneto com 2 componentes de força 2 conjuntos idênticos, 1 de cada lado do veículo POSICIONAMENTO LATERAL DO VEÍCULO COM LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA: PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES TRANSRAPID LEVITAÇÃO POR ATRAÇÃO ENTREFERRO = 8MM PESO POR MAGNETO: LEVITAÇÃO = 330 kg DESLOC. LATERAL = 270 kg CONSUMO = 1 kW/ ton. PESO DO SISTEMA DE SUSPENSÃO = 32 ton. PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES TRANSRAPID LEVITAÇÃO POR ATRAÇÃO VISTA GERAL DO SISTEMA DE LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA ELETROMAGNETOS DE POSICIONAMENTO LATERAL ELETROMAGNETOS DE LEVITAÇÃO PEA – 5728 - Parte 1: MÁQUINAS LINEARES
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