徑向通風(fēng)電機(jī)流體流動(dòng)及傳熱特性分析

丁樹(shù)業(yè)　夏之慧　李海玲　仵程程　隋宇

摘要：為研究徑向通風(fēng)電機(jī)內(nèi)部流體分布、傳熱性能及溫升特性，根據(jù)徑向通風(fēng)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及傳熱特點(diǎn)，建立三維流動(dòng)及傳熱耦合的物理模型和數(shù)學(xué)模型，結(jié)合工程實(shí)際給出基本假設(shè)和邊界條件，采用有限體積法對(duì)流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行求解，得出電機(jī)內(nèi)部冷卻介質(zhì)流動(dòng)性能、傳熱特性及電機(jī)各部件的溫升分布情況。最后，對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子股線、絕緣及鐵心溫升分布做了詳細(xì)分析，獲得電機(jī)溫升分布趨勢(shì)及溫升最大值的位置。為徑向通風(fēng)電機(jī)綜合物理場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算以及通風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

徑向通風(fēng)電機(jī);流體流動(dòng);傳熱特性;耦合

DOI：10?15938/j?jhust?2019?01?006

中圖分類號(hào)： TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）01-0034-07

Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer Characteristics?for Radial Ventilation Generator

DING Shu?ye，XIA Zhi?hui，LI Hai?ling，WU Cheng?cheng，SUI Yu

（School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin，150080，China）

Abstract：In order to study distribution of fluid flow， the characteristic of heat transfer，and temperature rise characteristics of radial ventilation generator，a mathematical and physical model of 3D fluid flow and heat transfer coupled was established according to structure characteristic of radial ventilation generator?Flow fluid and field was calculated coupled using finite volume method by giving fundamental assumptions and corresponding boundary conditions?From the research，the performance of fluid flow characteristic of heat transfer，and temperature rise distribution of generator were obtained?Finally，the temperature rise distribution of the strand， insulation and iron core of stator and rotor are analyzed respectively， the maximum temperature rise position of each parts of the motor are obtained?The theory gist for accurate calculation of synthetic physical fields and structure optimization for the radial ventilation generator is provided

Keywords：radial ventilated generator; fluid flow; heat transfer characteristics; coupling

0前言

隨著電機(jī)單機(jī)容量的增加，勢(shì)必增加電機(jī)尺寸、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及電機(jī)內(nèi)電磁負(fù)荷的強(qiáng)度，即大大增加了電機(jī)研究的難度。電機(jī)電磁負(fù)荷增加，電機(jī)內(nèi)各部件溫度隨之升高，而電機(jī)溫升分布作為衡量電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，在電機(jī)的綜合性能評(píng)價(jià)中占據(jù)重要的指導(dǎo)地位[1-3]。因此，對(duì)電機(jī)的溫升計(jì)算及通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外專家對(duì)電機(jī)流-熱耦合場(chǎng)計(jì)算方面的研究，通常以一個(gè)槽為研究對(duì)象，且假設(shè)冷卻氣體垂直進(jìn)入徑向通風(fēng)溝，但事實(shí)并非如此。本文從流-熱耦合角度采用有限體積法對(duì)徑向通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行全面透徹的研究，不僅可以彌補(bǔ)電機(jī)溫度場(chǎng)傳統(tǒng)計(jì)算方法的缺陷，而且提高徑向通風(fēng)電機(jī)數(shù)值計(jì)算的精度，該求解方法充分考慮電機(jī)內(nèi)部各種因素的影響，使仿真過(guò)程更加貼近實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，具有重要的理論意義及工程實(shí)際價(jià)值。

本文根據(jù)徑向通風(fēng)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及傳熱特點(diǎn)，建立三維流動(dòng)及傳熱耦合的物理模型和數(shù)學(xué)模型，結(jié)合工程實(shí)際給出基本假設(shè)和邊界條件，采用有限體積法對(duì)流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)電機(jī)的流體流動(dòng)性能及各重要部件的溫升分布進(jìn)行詳細(xì)分析，獲得電機(jī)溫升分布趨勢(shì)及溫升最大值的位置，為徑向通風(fēng)電機(jī)綜合物理場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算以及通風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1模型的建立

1?1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)控制方程

電機(jī)中的流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須滿足三大守恒方程，其三大守恒方程式如下所示[4-5]：

質(zhì)量守恒方程：

ux+vy+wz=0（1）

式中：u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

動(dòng)量守恒方程：

（ρuu）x+（ρuv）y+（ρuw）z=

xμux+yμuy+zμuz-px（2）

（ρvu）x+（ρvv）y+（ρvw）z=

xμvx+yμvy+zμvz-py（3）

（ρwu）x+（ρwv）y+（ρww）z=

xμwx+yμwy+zμwz-pz（4）

式中：ρ為流體密度;μ為動(dòng)力粘度;p為流體壓力。

能量守恒方程：

（ρuT）x+（ρvT）y+（ρwT）z=

xλ?lc?pTx+yλ?lc?pTy+zλ?lc?pTz（5）

式中：c?p為流體比熱容;T為溫度;λ?l為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

在電機(jī)內(nèi)部流體流熱問(wèn)題的求解變量都可以用通用形式的的控制方程進(jìn)行表示，通用方程如下所示[6]：

通用控制方程式為：

t（ρφ）+div（ρuφ）=div（Γgradφ）+S（6）

其展開(kāi)形式為：

t（ρφ）+x（ρuφ）+y（ρvφ）+z（ρwφ）=

x（τφx）+y（τφy）+z（τφz）+S（7）

式中：可以代表u、v、w、T等求解變量;φ為通用變量;S為廣義源項(xiàng);Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)。

1?2數(shù)值傳熱學(xué)控制方程

本文只對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，因此可以將導(dǎo)熱方程中時(shí)間項(xiàng)去掉，在本文中電機(jī)鐵心導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)各向異性。因此，根據(jù)上面的假設(shè)，電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)計(jì)算中三維導(dǎo)熱控制方程在笛卡爾坐標(biāo)下可以表示為如下形式[7-9]：

x（λ?xTx）+y（λ?yTy）+z（λ?zTz）=-q?V

T?S?1?=T?0

λTn?S?2?=q?0

λTn?S?3?=-α（T-T?f）（8）

式中：T為初始溫度（℃）;λ?x、λ?y、λ?z分別為不同材料沿x、y、z軸的導(dǎo)熱系數(shù)（?W/（m?2·K）?）;α為表面散熱系數(shù)（?W/（m?2·K）?）;q?V電機(jī)內(nèi)的總熱源值（?W/m?3?）;T?0為邊界面處的溫度值;T?f為電機(jī)的環(huán)境溫度（℃）;S?1為恒溫邊界;在數(shù)值計(jì)算之前，必須給出q?0的值，其數(shù)值大小為邊界面S?2上熱源密度。

1?3通風(fēng)結(jié)構(gòu)

本文徑向通風(fēng)電機(jī)采用密閉式通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，電機(jī)上部冷卻器流出的冷卻氣體進(jìn)入電機(jī)的端部氣腔，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子風(fēng)溝內(nèi)槽鋼等效為離心式風(fēng)扇，使電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生壓力差，促使冷卻氣體由電機(jī)兩端進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，由于冷卻氣體與電機(jī)部件充分接觸產(chǎn)生對(duì)流換熱，最后從轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道流出電機(jī)本體從而帶走電機(jī)熱量，經(jīng)出風(fēng)口流回冷卻器完成一次密閉循環(huán)流動(dòng)。

2電機(jī)求解模型的建立

2?1基本假設(shè)

徑向通風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了合理的簡(jiǎn)化求解，做如下假設(shè)[10-14]：

1）只對(duì)電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的流體場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，因此導(dǎo)熱方程不含有時(shí)間項(xiàng);

2）電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體的雷諾數(shù)很大（Re>2300），故采用湍流模型進(jìn)行求解;

3）電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)（Ma數(shù)）很小，故冷卻氣體為不可壓縮流體;

4）電機(jī)定、轉(zhuǎn)子端部股線采用直線段等效處理;

5）對(duì)定、轉(zhuǎn)子股線絕緣、層間絕緣以及主絕緣等效為一個(gè)絕緣體;

6）電機(jī)各部分浸漆均勻，絕緣良好;

7）定、轉(zhuǎn)子上下層股線施加熱源相同，忽略其集膚效應(yīng)。

2?2流體場(chǎng)求解域及邊界條件

根據(jù)該徑向通風(fēng)電機(jī)軸向及周向均對(duì)稱的特點(diǎn)，在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，取電機(jī)軸向及周向均1/2區(qū)域作為流體場(chǎng)求解域物理模型，即整機(jī)的1/4為研究對(duì)象。其物理模型如圖1所示。

電機(jī)流體場(chǎng)計(jì)算邊界條件設(shè)置如下[13]：

1）以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為初值，入口為壓力入口邊界，出口為壓力出口邊界;

2）軸向?qū)ΨQ面設(shè)置成對(duì)稱邊界條件，周向?qū)ΨQ面設(shè)置成周期邊界條件，其余的邊界面均設(shè)置成無(wú)滑移邊界。

2?3溫度場(chǎng)求解域及邊界條件

由于該電機(jī)在軸向及周向完全對(duì)稱，在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，為了降低電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算難度，又不降低計(jì)算的準(zhǔn)確性，取電機(jī)軸向1/2、周向1/6區(qū)域作為電機(jī)求解域物理模型，即周向取12個(gè)定子槽，9個(gè)轉(zhuǎn)子槽作為研究對(duì)象，電機(jī)的求解域物理模型如圖2所示。

根據(jù)電機(jī)流體場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，采用流-熱耦合數(shù)值方法對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件設(shè)置如下[15]：

1）電機(jī)空氣入口設(shè)置成速度入口邊界條件，速度值為0?52.m/s;

2）電機(jī)空氣出口設(shè)置成壓力出口邊界條件，壓力初始值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

3）電機(jī)軸中心端面為對(duì)稱邊界條件，其它邊界均為絕熱面;

4）轉(zhuǎn)子區(qū)域流體與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速相同，均設(shè)置為?1.200?rpm。

2?4電機(jī)熱源的分析

電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)將產(chǎn)生損耗，即電機(jī)電磁損耗、機(jī)械損耗以及雜散損耗。表1給出了電機(jī)各部分損耗。

根據(jù)電機(jī)在額定狀態(tài)下?lián)p耗大小，對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心及繞組施加熱流密度，進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)求解。

3流體場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

3?1整體流體場(chǎng)計(jì)算分析

徑向通風(fēng)電機(jī)內(nèi)流體場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從總體流體跡線分布可以看出，冷卻氣體在入風(fēng)口附近流速較低，到氣腔后速度逐漸升高，且靠近電機(jī)頂部的冷卻氣體流速相對(duì)于電機(jī)底部數(shù)值較大，并且電機(jī)定子部分較轉(zhuǎn)子部分變化更加明顯。這是由于轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子在空間位置上與機(jī)殼保持相對(duì)靜止，電機(jī)頂部和底部相對(duì)位置對(duì)轉(zhuǎn)子影響較小，但是對(duì)定子影響較大，導(dǎo)致端部氣腔內(nèi)定轉(zhuǎn)子部分流體流速分布不一致。冷卻氣體由端部氣腔沿軸向風(fēng)道進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，且轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝內(nèi)流體流速較高。冷卻氣體經(jīng)氣隙進(jìn)入定子徑向風(fēng)道，流速降低，且冷卻氣體在定子區(qū)域流速明顯降低，流線分布較稀疏，這是由于冷卻氣體在定子徑向風(fēng)溝內(nèi)受到沿程阻力的影響，且定子風(fēng)道出現(xiàn)回流，使冷卻氣體在徑向風(fēng)道內(nèi)發(fā)生碰撞，能量損失嚴(yán)重。

3?2整域內(nèi)流體場(chǎng)流量計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算，電機(jī)由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的內(nèi)部冷卻氣體的總風(fēng)量為4?941.m?3/s，理論計(jì)算時(shí)，電機(jī)所需冷卻風(fēng)量為?4?078.8?m?3/s，因此，可以初步判斷，單獨(dú)采用轉(zhuǎn)子自力扇風(fēng)性能的冷卻系統(tǒng)可以滿足電機(jī)的通風(fēng)要求。為了分析電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體分布規(guī)律，提取電機(jī)轉(zhuǎn)子區(qū)域、定轉(zhuǎn)子氣隙及定子區(qū)域內(nèi)流量分配數(shù)據(jù)以及各部分在總流量中所占百分比，如下表2所示。

從表2中可以看出，冷卻器流出的冷卻氣體經(jīng)入風(fēng)口進(jìn)入電機(jī)端部氣腔，冷卻定轉(zhuǎn)子端部繞組后經(jīng)轉(zhuǎn)子支架氣腔幾乎全部進(jìn)入定轉(zhuǎn)子區(qū)域，流量損失較小。一方面，是由于轉(zhuǎn)子構(gòu)件起到離心風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)作用，另一方面，是由于該電機(jī)采用定轉(zhuǎn)子風(fēng)道沿軸向?qū)R布置，利于電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體的流通。

3?3徑向通風(fēng)溝內(nèi)流速分析

為詳細(xì)分析徑向通風(fēng)溝內(nèi)的流體流變特性，取流量最大的徑向風(fēng)溝為研究對(duì)象，圖4給出了1號(hào)通風(fēng)溝中心截面速度分布云圖。

從圖4中可以看出轉(zhuǎn)子區(qū)域流體速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子區(qū)域。隨著徑向長(zhǎng)度的增加轉(zhuǎn)子流體速度逐漸增大，在氣隙處達(dá)到最大。定子通風(fēng)槽鋼迎風(fēng)面與背風(fēng)面流體流速差異更加顯著，即定子通風(fēng)槽鋼迎風(fēng)面流體流速大于背風(fēng)面，但是在徑向方向流體速度變化平緩。這是因?yàn)轱L(fēng)從電機(jī)頂部入口進(jìn)入電機(jī)端部氣腔，分配給電機(jī)的各個(gè)徑向通風(fēng)溝，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力作用從而使轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)風(fēng)速不斷升高，在轉(zhuǎn)子風(fēng)道出口與氣隙的接觸處風(fēng)速達(dá)到最大值，而定子區(qū)域受入風(fēng)口流速及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響較小，沿徑向方向變化不明顯。

4溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及傳熱特性分析

4?1電機(jī)整體溫升特性分析

經(jīng)過(guò)完整的數(shù)學(xué)描述和物理模型的建立，再結(jié)合電機(jī)各部分材料的物理屬性，施加熱流密度及邊界條件后進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，電機(jī)的溫升分布云圖如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知，電機(jī)定子區(qū)域溫升較高，而電機(jī)端部及轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升相對(duì)較低。這是由于進(jìn)入電機(jī)內(nèi)的冷卻氣體首先冷卻電機(jī)端部，然后經(jīng)轉(zhuǎn)子支架氣腔進(jìn)入轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝，冷卻轉(zhuǎn)子鐵心及繞組，此時(shí)轉(zhuǎn)子區(qū)域溫度降低而冷卻氣體因吸收轉(zhuǎn)子熱量使自身溫度升高，冷卻氣體再經(jīng)氣隙進(jìn)入定子徑向風(fēng)溝后冷卻定子的能力減小，使定子溫升偏高。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果圖6可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。

1）電機(jī)各部分溫升各不相同，總體上定子溫升均高于轉(zhuǎn)子;

2）定子區(qū)域，股線溫升最高，為93.K，轉(zhuǎn)子區(qū)域，溫升最高處位于轉(zhuǎn)子股線處，為77?6.K;

3）轉(zhuǎn)子區(qū)域各部分平均溫升、最高溫升及最低溫升呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，即轉(zhuǎn)子股線溫升最高，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低。

4?2電機(jī)定子溫升分析

定子鐵心溫升分布云圖如圖7所示。

由圖7可知，定子鐵心區(qū)域整體溫升變化不大，即鐵心兩端溫升低，中間溫升高，鐵心區(qū)域最高溫升出現(xiàn)在靠近端部的9～11號(hào)徑向風(fēng)溝附近，達(dá)83?6.K。受端部氣腔冷卻空氣影響，到鐵心端部位置溫升又明顯降低。

從圖8、圖9中可知，隨著軸向長(zhǎng)度的增加，定子股線溫升呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大值位于靠近端部的中間位置，溫升值為93.K。整體而言，靠近電機(jī)中間位置定子上下層股線溫升幾乎相同，但是越靠近電機(jī)端部位置，下層繞組溫升下降幅度越明顯，這是由于冷卻空氣剛進(jìn)入端部氣腔時(shí)，首先吹拂定子下層股線，冷卻性能好，冷卻氣體進(jìn)入徑向通風(fēng)溝后雖然首先冷卻上層股線，但是定子通風(fēng)溝內(nèi)空間狹小，加上此時(shí)冷卻氣體溫度較高，對(duì)上層股線及下層股線冷卻能力偏差不大。

圖10為定子絕緣溫升分布云圖，從圖中可知，定子絕緣溫升變化趨勢(shì)與定子股線變化趨勢(shì)基本相同，但是定子絕緣溫升略低于定子股線溫升值，其最大溫升值為91?2.K。

綜上可知，電機(jī)定子區(qū)域溫升最大位置位于定子股線，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低。由于該電機(jī)采用F級(jí)絕緣水平，因此在電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)絕緣水平滿足要求。

4?3電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升分析

圖11為轉(zhuǎn)子鐵心溫升分布圖，從圖中可知，冷卻氣體冷卻轉(zhuǎn)子鐵心的能力最佳，溫升最低，鐵心部分最高溫升為68?1.K，最低溫升為21?3.K。

圖12為轉(zhuǎn)子絕緣溫升分布云圖，從圖中可知，轉(zhuǎn)子絕緣最高溫升為77?2.K，其最高溫升與轉(zhuǎn)子股線溫升值相差不大，但是轉(zhuǎn)子絕緣最低溫升較低，最低值為29?2.K。

綜上可圖13為轉(zhuǎn)子股線沿軸向長(zhǎng)度溫升分布圖，從圖中可知，與定子區(qū)域相比，轉(zhuǎn)子股線平均溫升明顯降低，最高溫升達(dá)77?6.K。隨著軸向長(zhǎng)度的增加，轉(zhuǎn)子股線溫升先增加然后減小。但是，轉(zhuǎn)子下層股線溫升明顯低于上層股線溫升值，這是因?yàn)槎瞬繗馇患皬较蝻L(fēng)溝內(nèi)冷卻氣體均首先冷卻轉(zhuǎn)子下層股線，冷卻效果好。

綜上可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升最大位置位于轉(zhuǎn)子股線，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低，這是由于該徑向通風(fēng)電機(jī)通風(fēng)特點(diǎn)所致。

5結(jié)論

本文以全封閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的徑向通風(fēng)電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)三維流體場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。從流-熱耦合角度采用有限體積法對(duì)徑向通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行了全面的分析，獲得如下結(jié)論：

1）電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體的總風(fēng)量達(dá)4?941.m?3/s，高于電機(jī)所需冷卻風(fēng)量;因此，單獨(dú)采用轉(zhuǎn)子自力扇風(fēng)性能的冷卻系統(tǒng)可以滿足電機(jī)的通風(fēng)要求;

2）隨著徑向長(zhǎng)度的增加，風(fēng)溝內(nèi)流體流速呈非線性變化，在氣隙處達(dá)到最大，其速度值為74?67.m/s;冷卻氣體進(jìn)入定子徑向風(fēng)溝，回流現(xiàn)象明顯，流體流速降低;

3）端部氣腔冷卻氣體經(jīng)軸向風(fēng)道進(jìn)入定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝，流量損失較小;在軸向方向上，電機(jī)中部的風(fēng)溝流量最大，越靠近端部的風(fēng)溝流量越小;

4）定子平均溫升較高，轉(zhuǎn)子平均溫升較低;繞組溫升最高，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低;電機(jī)最高溫升點(diǎn)位于定子股線，數(shù)值為93.K;在F級(jí)絕緣等級(jí)下，該徑向通風(fēng)電機(jī)滿足絕緣要求。

參 考 文 獻(xiàn)：

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