《電路基礎(chǔ)》黃學(xué)良附錄A.ppt
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1、附錄A 磁路,附A. 1 磁路及其定律,附A. 2 恒定磁通無(wú)分支磁路的計(jì)算,附A. 3 恒定磁通有分支磁路的計(jì)算,附A. 4 交變磁通磁路的計(jì)算,附A. 1 磁路及其定律,磁路是局限在特定路徑中的磁場(chǎng)(Magnetic Field)。,簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)描述磁場(chǎng)的基本物理量即分析磁路的物理量,1、磁感應(yīng)強(qiáng)度:表征磁場(chǎng)的基本物理量,用向量B表示。,方向與該點(diǎn)磁力線的方向一致,代表該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向;,數(shù)值用垂直于磁場(chǎng)方向的單位面積上穿過(guò)的磁力線條數(shù)來(lái)表示,代表該點(diǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。,單位是特斯拉(T),也常用高斯(Gs),其換算關(guān)系為,,附A. 1. 1 磁路的基本物理量,2、磁場(chǎng)強(qiáng)度:表征磁場(chǎng)與產(chǎn)生它的電流之
2、間的關(guān)系的物理量,用向量H表示。,磁場(chǎng)強(qiáng)度由安培環(huán)路定律確定,即,式中電流的參考方向與閉合路徑的方向符合右手螺旋定則時(shí),電流前取正號(hào),否則取負(fù)號(hào)。,單位是安/米(A/m),也常用奧斯特(oe),其換算關(guān)系為,3、磁導(dǎo)率:由于介質(zhì)不同,同樣電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可能大不一樣。表征介質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)影響的物理量是磁導(dǎo)率。,單位是亨/米(H/m),真空的磁導(dǎo)率0為一常數(shù),其量值為,每一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率/0的比值,稱為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率r,即,,磁感應(yīng)強(qiáng)度B是由磁場(chǎng)強(qiáng)度H和介質(zhì)磁導(dǎo)率兩個(gè)因素決定的結(jié)果。三者之間關(guān)系為,,4、磁通:用表示。穿過(guò)某一面S的磁通為,如果S面上的磁場(chǎng)是均勻的,且方向與S面垂直,則該面上的磁通
3、為,或,磁通的單位是韋伯(Wb),也常用麥克斯威爾(Mx),換算關(guān)系為:,故磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度,5、磁動(dòng)勢(shì):用F表示,有時(shí)又稱磁勢(shì)。,當(dāng)匝數(shù)為N的線圈流過(guò)的電流為I時(shí),由安培環(huán)路定律可求得磁動(dòng)勢(shì)為,附A. 1. 2 鐵磁物質(zhì)的磁性能,反磁物質(zhì)(如鉍)的略小于0。,物質(zhì)按磁性能可分為順磁物質(zhì)、反磁物質(zhì)和鐵磁物質(zhì)三種。,順磁物質(zhì)(如氧)的磁導(dǎo)率略大于0;,鐵磁物質(zhì)(如鐵、鈷、鎳及其合金)的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0,且不是常量,它具有高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性,順磁物質(zhì)和反磁物質(zhì)合稱為非鐵磁物質(zhì),工程上將它們的值都按0計(jì)算。,分述如下,1、高導(dǎo)磁性,若各個(gè)磁疇排列雜亂時(shí),磁場(chǎng)互相抵消,則對(duì)外不顯出磁性(圖
4、a)。在外磁場(chǎng)作用下,這些磁疇會(huì)按照外磁場(chǎng)方向一致排列(圖b),就是說(shuō)鐵磁物質(zhì)被磁化了。這樣,便產(chǎn)生了一個(gè)很強(qiáng)的、與外磁場(chǎng)方向相同的附加磁場(chǎng),使總的合成磁場(chǎng)大大加強(qiáng)。這就是鐵磁物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率r 1的原因。,圖a,圖b,由于鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在著許多很小、強(qiáng)烈磁化了的自然磁化區(qū),好似一些小磁鐵,稱為磁疇。,2、磁飽和性,鐵磁物質(zhì)的磁化特性可用于磁化曲線(即BH曲線)來(lái)表示。,在測(cè)得對(duì)應(yīng)于不同H值下的磁感應(yīng)強(qiáng)度B后,便可逐點(diǎn)繪出BH曲線(圖b曲線),這條曲線稱為原始磁化曲線。,這條曲線大體上可分成3段:oa1段B值隨H值增加緩慢,這是由于外磁場(chǎng)很弱,還不足以使較多的磁疇轉(zhuǎn)向;a1a2段B值迅速上升,
5、這是鐵心被強(qiáng)烈磁化所致;在a2點(diǎn)以后,B值上升又漸緩下來(lái),這時(shí)大多數(shù)磁疇已轉(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)方向一致了,稱為磁飽和。飽和后鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率r1,即曲線與非鐵磁物質(zhì)的磁化曲線(直線)近似平行了。,3、磁滯性,在交流電機(jī)或電器中的鐵心處于交變磁化情況,其磁場(chǎng)強(qiáng)度循環(huán)地在正的某極大值Hm和等大的負(fù)值Hm間變動(dòng)。若最初仍從未磁化(即完全退磁)的狀態(tài)開(kāi)始,磁場(chǎng)強(qiáng)度由零逐漸增加到Hm值,B沿著原始磁化曲線(曲線oab)上升到c點(diǎn)(圖a),然后H由Hm下降到零時(shí)(d點(diǎn)),B值并不為零,而保留一定量Br,稱為剩余磁通密度,簡(jiǎn)稱剩磁。若要消去剩磁,必須加相反方向的外磁場(chǎng),當(dāng)?shù)竭_(dá)Hc1時(shí),B值降到零(e點(diǎn)),這個(gè)Hc1
6、值稱為矯頑磁化力。此后,當(dāng)H繼續(xù)反方向增加時(shí),則進(jìn)入反向磁化過(guò)程,B值變?yōu)樨?fù)值,到HHm(f點(diǎn))后再減小H的量值,又步入反向去磁過(guò)程(曲線fg).,圖a,圖b,上述反復(fù)磁化、退磁過(guò)程的每次曲線并不完全對(duì)稱,但經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后,得到一個(gè)十分接近對(duì)稱于原點(diǎn)的閉合曲線(圖b),稱為磁滯回線。,矯頑磁化力大的鐵磁物質(zhì)稱為硬磁材料。如碳鋼、鈷鋼及鎳鈷合金等,這類材料被磁化后,剩磁不易消失,適宜制作永久磁鐵。,不同的鐵磁物質(zhì)有不同的磁滯回線,即有不同的剩磁和矯頑磁化力。,矯頑力小的鐵磁物質(zhì)稱為軟磁材料。如純鐵、硅鋼、鑄鋼、某些鐵淦氧體及坡莫合金等,適宜作電機(jī)、電器的鐵心及喇叭的磁鋼等。,對(duì)于同一種鐵磁物質(zhì),
7、在非飽和狀態(tài)下,取不同Hm值的交變磁場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)磁化,可得到一系列磁滯回線,如圖所示,各磁滯回線的頂點(diǎn)聯(lián)成曲線oc,稱為基本磁化曲線,簡(jiǎn)稱磁化曲線。,電工手冊(cè)上給出的都是基本磁化曲線,附A. 1. 3 磁路的組成及定律,用鐵磁物質(zhì)制作成特定形狀的路徑,讓絕大多數(shù)磁力線集中穿過(guò)它,這個(gè)特定的路徑稱為磁路。,1、磁路的組成,根據(jù)磁路的路徑不同,可將磁路分為無(wú)分支磁路(圖a、b)和有分支磁路(圖附c、d、e)兩種,2、磁路定律,磁路定律是依據(jù)磁通連續(xù)性原則和安培環(huán)路定律推導(dǎo)求得的,圖中表示一個(gè)無(wú)分支磁路。在鐵心中閉合的磁通稱為主磁通,少量不在鐵心中閉合的磁通稱為漏磁通。,,磁路計(jì)算通常只考慮主磁通,并
8、假設(shè)任一截面上磁通是均勻分布的。,(1)磁路的歐姆定律,設(shè)鐵心的平均長(zhǎng)度為l,截面積為S,鐵心的磁導(dǎo)率為。,應(yīng)用安培環(huán)路定律,可得:,因?yàn)?則,,磁路的歐姆定律,,由于鐵心的磁導(dǎo)率不為常量,Rm相當(dāng)于電路中的非線性電阻,稱為磁阻,與電路的歐姆定律相似,圖中表示一個(gè)有分支磁路,在它的一個(gè)分節(jié)點(diǎn)處作一閉合面S,根據(jù)磁通連續(xù)性原理,可知穿過(guò)該閉合面磁通的代數(shù)和必為零,即進(jìn)入閉合面的磁通等于離開(kāi)閉合面的磁通,(2)基爾霍夫磁通定律,故有,或,,寫成一般形式為,即在磁通的任一分支處穿過(guò)任一閉合面磁通的代數(shù)和為零,磁路的基爾霍夫磁通定律,與電路的KCL相似,(3)基爾霍夫磁壓定律,不同材料的磁路,磁路由多
9、種材料制成,各段的尺寸不同,因此各段的磁導(dǎo)率和磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同。這時(shí)可將磁路分成若干段l1、l2、l3,每段的截面積和材料相同,即每段都看作均勻磁場(chǎng)。設(shè)各段的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為H1、H2、H3,根據(jù)安培環(huán)路定律可得,或,寫成一般形式有,或,若H的方向與閉合回路的方向一致,Hl前面取正號(hào),否則取負(fù)號(hào);電流I的參考方向與閉合回路方向符合右手螺旋定則時(shí),則NI前面取正號(hào),否則取負(fù)號(hào)。,Um=HL稱為某段磁路的磁壓,基爾霍夫磁壓定律,與電路的KVL相似,基爾霍夫磁壓定律表明:磁路中沿任意閉合回路磁壓的代數(shù)和等于該回路磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。,式中:,綜上所述可見(jiàn),磁路與電路有許多相似之處,書中表附A1以直流磁路(恒
10、定磁通磁路)與直流電路為例進(jìn)行了比較 。,(3)在分析線性電路中,電阻是常數(shù),一般都會(huì)事先給出;而在磁路中,由于磁導(dǎo)率非常量,所以磁阻也非常數(shù),一般無(wú)法事先知道。因此,磁路計(jì)算類似于非線性電路的計(jì)算。,不同點(diǎn),(1)電路中可以有電動(dòng)勢(shì)而無(wú)電流,而磁路中若有磁動(dòng)勢(shì)則必伴有磁通;,(2)電路中如有電流,一般會(huì)有電阻上的功率損耗,而恒定磁通的磁路中無(wú)功率損耗;,附A. 2 恒定磁通無(wú)分支磁路的計(jì)算,磁路計(jì)算的目的在于找出磁通與磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系。一般分為兩類問(wèn)題:一類是已知磁路的組成和磁通,求磁動(dòng)勢(shì);另一類是已知磁路的組成和磁動(dòng)勢(shì),求磁通。,附A. 2. 1 已知磁通要求磁動(dòng)勢(shì),步驟,1. 根據(jù)磁路的
11、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段,要求每一段的磁路是均勻的,即具有相同的材料和截面積。,2. 計(jì)算磁路各段的平均長(zhǎng)度(一般沿中心線計(jì)算)和截面積。對(duì)涂有絕緣漆的硅鋼片疊成的鐵心,應(yīng)按有效截面積計(jì)算,設(shè)填充系數(shù)為K,則有效面積K視在面積。K值由硅鋼片厚度及所用絕緣漆的厚度決定,一般在0.9左右。,在空氣隙中,磁通會(huì)向外擴(kuò)張,出現(xiàn)邊緣效應(yīng),因而增大了空氣隙的有效面。,對(duì)矩形截面積的鐵心,設(shè)它的長(zhǎng)、寬分別為a、b,當(dāng)空氣隙的長(zhǎng)度很短時(shí),其有效面積可按下列公式估算。,對(duì)圓形截面的鐵心,設(shè)半徑為r,則空氣隙的有效面積為,,3. 根據(jù)已知的磁通計(jì)算各段的磁感應(yīng)強(qiáng)度B/S。,4. 根據(jù)每一段的磁通密度求磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于鐵磁材料可
12、查基本磁化曲線;對(duì)于空氣隙可用公式計(jì)算,即,,B0的單位為T,單位:A/m,5. 用基爾霍夫磁壓定律求出所需的磁動(dòng)勢(shì)。即,例,解,無(wú)分支磁路,鐵心由硅鋼片疊成,設(shè)K0.91(圖中尺寸單位為毫米)。求在該磁路中獲得2.810-3Wb所需要的磁動(dòng)勢(shì)。,按材料的截面積不同分為三段,其各段磁路長(zhǎng)度為l0,l1,l2則,,,各段的有效面積為,各段的磁通密度為,b55mm0.055m,磁路的疊裝厚度為,查磁化曲線圖,可直接得出鐵心中各段的磁場(chǎng)強(qiáng)度,,,空氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度為,所需磁動(dòng)勢(shì)為,,從以上結(jié)果可看出:空氣隙很短,只占磁路總長(zhǎng)度的0.75而磁壓降H0l0卻占總磁動(dòng)勢(shì)的75。此外,由于l2段截面積較小,在
13、2.810-3Wb作用下,已處于飽和狀態(tài),使這部分的值下降,故這段磁阻也較大,這段的磁壓降也比l1段的大的多。,首先盡量假定一個(gè)接近實(shí)際磁通的值,按照這個(gè)值求出磁動(dòng)勢(shì),與已知的磁動(dòng)勢(shì)比較,根據(jù)偏差情況逐次修正的假定值,直到算出來(lái)的磁動(dòng)勢(shì)與已知的磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)接近為止。這時(shí)的假定值就看作是所要求的。,這類問(wèn)題不能用磁路的基爾霍夫磁壓定律一次求得結(jié)果。因?yàn)榇艅?dòng)勢(shì)雖然已知,但任一段的磁壓降、磁場(chǎng)強(qiáng)度卻不能立即算出,只好用試算法。,附A. 2. 2 已知磁動(dòng)勢(shì)求磁通,例,解,給定磁路如圖,l01mm,鐵心的截面積S16cm2,中心線長(zhǎng)度l50cm。線圈的匝數(shù)N1250,勵(lì)磁電流I800mA,鐵心的材料為鑄
14、鋼。求磁路中的磁通。,磁動(dòng)勢(shì),此磁路由兩段構(gòu)成,鐵心段平均長(zhǎng)度和截面積為,空氣隙長(zhǎng)度l00.1cm1103m,不考慮邊緣效應(yīng),即設(shè),第一次試算假定磁動(dòng)勢(shì)全部降在氣隙中,則,查磁化曲線圖,可直接得出,空氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為,則磁動(dòng)勢(shì)為,由于F F,所以第二次試算值取小一些,幾次試算結(jié)果如下表,可見(jiàn)第四次試算結(jié)果已與給定得1000A很接近,故可以認(rèn)為待求磁通14.510-4Wb,附A. 3 恒定磁通有分支磁路的計(jì)算,計(jì)算有分支磁路所采用的方法,與計(jì)算有分支的非線性電路相似,計(jì)算步驟一般是很麻煩的。有分支磁路又可分為對(duì)稱與不對(duì)稱兩種情況。,附A. 3. 1 對(duì)稱分支磁路的計(jì)算,工程上常遇到的是對(duì)稱分支
15、磁路,利用其對(duì)稱性,可以將磁路分割開(kāi)來(lái)作為無(wú)分支磁路計(jì)算。,中間鐵心的截面積變?yōu)镾2/2,磁通變?yōu)?/2,即與1相同,但注意總的磁動(dòng)勢(shì)仍不變。磁路長(zhǎng)度應(yīng)按圖b中心線計(jì)算。,對(duì)圖a表示的磁路,若從中間對(duì)稱軸剖開(kāi),取其一半就是圖b情況,附A. 3. 2 非對(duì)稱分支磁路的計(jì)算,非對(duì)稱磁路,設(shè)要在右圖磁路的空氣隙中建立磁通3,試計(jì)算所需要的磁動(dòng)勢(shì)。,根據(jù)磁路的基爾霍夫定律,該磁路中有下列關(guān)系,,,1. 由給定的3值求得B3、B0、H3、H0,再由關(guān)系式求得H2 ;,4. 由1求得B1、H1;,5.由關(guān)系式求得所需磁動(dòng),3. 由關(guān)系式求得1,2. 由H2求得B2及2;,這時(shí)可按下述步驟計(jì)算:,對(duì)于圖中所
16、示磁路,如果已知磁通2,而不是3,要求所需要的磁動(dòng)勢(shì),這時(shí)就不能按上述方法依次計(jì)算了。只能用試算法或圖解法。,3.設(shè)磁壓H2l2全部降在空氣隙中,在橫軸上確定a點(diǎn),即oa長(zhǎng)度表示H2l2。此時(shí)產(chǎn)生的磁通30為,4.連接直線ab,與曲線的交點(diǎn)Q,則Q點(diǎn)的縱坐標(biāo)值3Q即為所求的磁通3。有了3和2便可求得1,再進(jìn)一步求出所需要的磁動(dòng)勢(shì)。,1. 由已知的2求得B2、H2,計(jì)算出H2l2;,2. 將鐵心l3的基本磁化曲線BH轉(zhuǎn)換成3H3l3曲線(縱坐標(biāo)B乘以S3,橫坐標(biāo)H乘以l3),見(jiàn)圖b曲線;,根據(jù)30的數(shù)值,確定b點(diǎn),ob的長(zhǎng)度代表30;,圖b,附A. 4交變磁通磁路的計(jì)算,1、磁通與勵(lì)磁電流波形間
17、的關(guān)系,附A. 4. 1 交變磁通磁路的特點(diǎn),當(dāng)線圈通入交變勵(lì)磁電流時(shí),所產(chǎn)生的磁通也是交變的。如果線圈周圍沒(méi)有鐵磁物質(zhì),則磁通與產(chǎn)生它的電流成正比。但當(dāng)有磁性介質(zhì)時(shí),這個(gè)比例關(guān)系被破壞了。破壞這個(gè)比例關(guān)系的因素主要有3個(gè)方面:磁飽和、磁滯性、渦流作用。對(duì)由良好的電工鋼片疊成的鐵心,磁滯回線很狹小,渦流也不大,所以磁飽和的影響是主要的。,以基本磁化曲線為例說(shuō)明磁飽和對(duì)波形的影響,對(duì)一段長(zhǎng)為l、截面積為S的均勻磁路,其磁化曲線BH關(guān)系可轉(zhuǎn)換成i關(guān)系,,若勵(lì)磁電流 i 是正弦波,由于磁飽和的原因,則磁通變成平頂波,見(jiàn)圖a.,若磁通是正弦波,則勵(lì)磁電流要畸變?yōu)榧忭敳?,?jiàn)圖b,圖a,圖b,對(duì)于恒定磁通
18、的磁路,是沒(méi)有功率損耗的,以基本磁化曲線為依據(jù)分析交變磁化磁路,因?yàn)榉磸?fù)磁化和退磁沿著同一條曲線,也是沒(méi)有功率損耗的。(建立磁場(chǎng)時(shí),吸收能量,儲(chǔ)藏在磁場(chǎng)中,退磁時(shí)再釋放出來(lái),不消耗能量,所以平均功率為零。),2、交變磁化的功率損耗,在實(shí)際情況中,鐵磁物質(zhì)在交變磁化時(shí)不是沿著一條曲線,而是沿著一條回線進(jìn)行,磁化和退磁不是同一路徑,磁化時(shí)吸收的能量與退磁時(shí)釋放的能量不相等,造成的這種損耗稱為磁滯損耗。,(1)磁滯損耗,磁滯損耗的大小一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算,即,,當(dāng)Bm1T時(shí),n2。,式中,Ph為磁滯損耗, h是與鐵心材料性質(zhì)和選用單位有關(guān)的系數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定或從電工手冊(cè)查到;,f 為電源頻率,V為鐵心
19、的體積,Bm表示磁通密度的最大值,渦流不僅消耗能量,而且使鐵心發(fā)熱,溫度上升,這對(duì)一般電氣設(shè)備是不利的。在鐵磁物質(zhì)中滲入硅材料,增加電阻率,做成很薄的硅鋼片,并在表面涂有絕緣漆,都是為了減少渦流。在某些場(chǎng)合,例如金屬熱處理和冶金等,又可利用渦流原理來(lái)工作。,(2)渦流損耗,由于構(gòu)成磁路的鐵磁物質(zhì)也是導(dǎo)電的,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,當(dāng)磁路中載有變化的磁通時(shí),鐵心內(nèi)部會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生,這種感應(yīng)電流稱為渦流。渦流引起鐵心中的功率損耗,稱為渦流損耗。,渦流損耗可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,即,式中, e是決定于鐵心材料導(dǎo)電率及疊片厚度的系數(shù),可從電工手冊(cè)中查到,在交變磁路中,磁滯損耗與渦流損耗稱鐵心損耗。即,由于磁滯和
20、渦流的影響,也加深了磁通與勵(lì)磁電流波形的畸變。,有了鐵心損耗,所以勵(lì)磁電流包含無(wú)功和有功兩個(gè)分量。(下節(jié)詳細(xì)介紹),附A. 4. 2 等效正弦波,由于磁路的非線性,使得交變磁通磁路中的勵(lì)磁電流和磁通不可能都是時(shí)間的正弦函數(shù),這就不能利用計(jì)算正弦電流電路的相量法來(lái)計(jì)算交變磁通的磁路。工程上為了得到較簡(jiǎn)便的近似計(jì)算方法,往往采用等效正弦波的概念。,正弦量有三要素:頻率、幅值或有效值和初相位。,3、等效正弦波代替非正弦波后,磁路的功率損耗不變,以此來(lái)決定等效正弦波的初相位。,2、等效正弦波與它所代替的非正弦波有相同的有效值;,1、等效正弦波與它所代替的非正弦波的基波同頻率;,用三個(gè)條件來(lái)制約等效正弦
21、波,,設(shè)在圖中所示的交變磁通磁路中,用相量法來(lái)計(jì)算含非正弦量的問(wèn)題,例,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為,則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為,(1)勵(lì)磁電流的有功分量,這個(gè)分量是補(bǔ)償鐵心損耗的,其值為,相位應(yīng)與E反相,(2)勵(lì)磁電流的無(wú)功分量,根據(jù)磁通的最大值 m,參照恒定磁通磁路的計(jì)算方法,分別求出各段磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值 Bm、磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值 Hm、磁壓的最大值 Hml,由基爾霍夫磁壓定律可求得勵(lì)磁電流無(wú)功分量的有效值為:,式中:N為線圈匝數(shù);各項(xiàng)分子分別是磁路各段磁壓的最大值;各項(xiàng)分母K分別為修正系數(shù),與磁路材料及Bm值有關(guān),可查電工手冊(cè)得到;對(duì)空氣隙 Kafo=1。,。,的相位與磁通同相,可畫出相量圖,(3)等效正弦電流的有效值,例,在右圖所示的磁路中,鐵心由硅鋼片疊成,,,求:線圈中等效正弦電流的有效值,解,查磁化曲線得 :,,則,本章結(jié)束,
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